KR101105907B1 - 리모트 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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Abstract

바이어스 전극에서의 아크를 방지하여 박막의 품질을 향상시키는 리모트 플라즈마 발생장치가 개시된다. 상기 발생장치는, 챔버 상부의 내측에 설치되는 RF 전극; 상기 RF 전극과 이격하여 설치되며 발생한 플라즈마가 통과하는 다수의 관통공이 배열되고 바이어스 전원이 인가되는 바이어스 전극; 상기 RF 전극과 바이어스 전극 사이에 형성되고 플라즈마 가스가 공급되는 플라즈마 발생부; 및 상기 바이어스 전극과 이격하여 하부에 설치되며, 상기 바이어스 전극의 관통공에 대응하는 플라즈마 통과공이 형성된 접지 전극을 포함하며, 상기 바이어스 전극에는 주기적인 제 1 전압 부분을 갖는 제 2 전압의 펄스 직류 바이어스(Pulsed DC Bias)가 인가된다.
Figure R1020090071296
arc, 아크, 방전, 펄스 직류, 플라즈마, 텅스텐, 내에칭성, 커패시터, 정전유도

Description

리모트 플라즈마 발생장치{Apparatus for generating remote plasma}
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 특히 바이어스 전극에 축적된 전하를 신뢰성 있게 제거하여 박막의 품질을 향상시키는 리모트 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
최근, 반도체소자의 미세화에 대응해서, 드라이 에칭에 있어서는, 고 어스펙트비의 가공 등을 실현하기 위하여, 또 플라즈마 CVD 및 ALD에 있어서는 고 어스펙트비의 매립 등을 실현하기 위하여, 더욱 고진공으로 플라즈마 처리를 행하는 일이 요구되고 있다.
종래의 일반적인 평행 평판형의 플라즈마 발생장치는 진공챔버 내에 기판을 얹어놓는 기판전극과 대향전극을 배설하고, 이들 전극 사이에 전극용 고주파전원에 의해서 고주파전압을 인가함으로써 진공챔버 내에 플라즈마를 발생시키도록 구성되어 있다.
그러나, 이러한 구성에 있어서는 발생한 플라즈마와 장착된 기판이 균일하게 반응하지 못하였고, 플라즈마에 생성된 플라즈마 이온이 웨이퍼 기판에 직접 충격을 가하여 기판이 손상된다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 플라즈마 발생부 하부에 DC 바이어스 전극 등을 설치하여 플라즈마 발생시 생성되는 양이온을 적절하게 제어하여 박막을 품질을 향상시킬 수 있다.
그러나, 이러한 구성에 의해서도 여전히 플라즈마 발생시 생성되는 양이온을 확실하지 못한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 바이어스 전극에 축적된 전하를 신뢰성 있게 제거하여 박막의 품질을 향상시키는 리모트 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적은, 챔버 상부의 내측에 설치되는 RF 전극; 상기 RF 전극과 이격하여 설치되며 발생한 플라즈마가 통과하는 다수의 관통공이 배열되고 바이어스 전원이 인가되는 바이어스 전극; 상기 RF 전극과 바이어스 전극 사이에 형성되고 플라즈마 가스가 공급되는 플라즈마 발생부; 및 상기 바이어스 전극과 이격하여 하부에 설치되며, 상기 바이어스 전극의 관통공에 대응하는 플라즈마 통과공이 형성된 접지 전극을 포함하며, 상기 바이어스 전극에는 주기적인 제 1 전압 부분을 갖는 제 2 전압의 펄스 직류 바이어스(Pulsed DC Bias)가 인가되는 리모트 플라즈마 발생장치에 의해 달성된다.
또한, 상기의 목적은, 챔버 외측에 설치되는 RF 안테나; 상기 RF 안테나에 인접하여 상기 챔버 내부에 형성되고 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생부; 및 상기 플라즈마 발생부 하부에 설치되며 발생한 플라즈마가 통과하는 다수의 관통공이 배열되고 바이어스 전원이 인가되는 바이어스 전극을 포함하며, 상기 바이어스 전극에는 제 1 전압 부분을 갖는 제 2 전압의 펄스 직류 바이어스(Pulsed DC Bias)가 인가되는 리모트 플라즈마 발생장치에 의해 달성된다.
또한, 상기의 목적은, 외측에 ICP 코일이 감기고, 플라즈마 가스가 발생하는 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부의 하부에 설치되며 발생한 플라즈마가 통과하는 다수의 플라즈마 통과공이 배열되는 바이어스 전극; 및 상기 바이어스 전극의 하부에 형성되고, 기판이 적재되는 기판 로딩부와 상기 기판 로딩부 위에 설치되어 소스가스나 퍼지가스를 공급하기 위한 가스공급유닛을 구비한 반응부를 포함하며, 상기 바이어스 전극에는 제 1 전압 부분을 갖는 제 2 전압의 펄스 직류 바이어스(Pulsed DC Bias)가 인가되는 리모트 플라즈마 발생장치에 의해 달성된다.
바람직하게, 상기 바이어스 전극의 전면에 텅스텐 또는 티타늄을 포함하는 내 에칭성 금속이 코팅될 수 있다.
바람직하게, 상기 바이어스 전극에 잔류하는 전하를 제거하기 위한 커패시터가 바이어스 전원에 직렬로 연결될 수 있다.
바람직하게, 상기 바이어스 전극은 금속재질로 제작되며 그 표면은 아노다이징 처리될 수 있다.
바람직하게, 상기 제 1 전압은 양(+) 전압이고, 상기 제 2 전압은 음(-) 전압이거나, 상기 제 1 전압은 음(-) 전압이고, 상기 제 2 전압은 양(+) 전압일 수 있다.
상기의 구조에 의하면, 바이어스 전극에 음의 펄스 직류 바이어스를 인가함으로써, 플라즈마 생성시 발생하는 양이온을 확실하게 트랩함으로써 기판이나 박막의 손상을 방지하여 박막의 품질을 향상시킬 수 있다.
이와 함께, 주기적으로 인가되는 양의 펄스에 의해 바이어스 전극의 표면에 축적된 전하를 주기적으로 제거함으로써, 전하 축적에 따른 아크 형상을 방지할 수 있다.
특히, 바이어스 전극의 전면에 텅스텐 또는 티타늄을 포함하는 내 에칭성 금속을 코팅함으로써, 잔류하는 전하에 의해 소규모의 아크 방전이 발생하더라도 충분히 견딜 수 있다는 이점이 있다.
또한, 펄스 직류 바이어스 전원에 커패시터가 직렬로 연결되어 바이어스 전극에 잔류하는 전하를 제거할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리모트 플라즈마 발생장치를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 챔버(100)는 상하로 구획된 플라즈마 발생부(250)와 반응부(260)로 이루어진다. 이를 위해, 챔버(100)는 측벽(102), 상부 절연부재(130), 그리고 이들을 연결하고 조립성을 좋게 하기 위한 다수의 밀봉 블록(110, 120)을 포함한다. 절연부재(130)로는 가령 석영 등이 적용될 수 있다.
헤더(150)
절연부재(130)의 상부에는 플라즈마 가스 공급통로(152, 152)와 소스가스나 퍼지가스의 공급을 위한 공급통로(154)를 구비한 헤더(150)가 장착된다. 특히, 공급통로(154)는 후술하는 샤워 헤드(500)까지 연장된다. 이 실시 예에서는 공급통 로(154)가 헤더(150)에 형성되는 것을 예로 들었지만, 챔버(100)의 측면으로부터 샤워 헤드(500)로 공급될 수도 있다.
RF 전극(200)
RF 전극(200)에는 플라즈마 발생을 위한 RF 전원이 인가되며, 플라즈마 가스 공급통로(152, 152)를 통하여 공급되는 플라즈마 가스를 통과하기 위한 다수 개의 관통공(210)이 배열된다.
이 실시 예와 달리, RF 전극(200) 대신에 절연부재(130)의 상부에 RF 안테나가 설치될 수 있다. RF 안테나의 예로는 국내특허공개공보 제2007-82746호에 개시된 바와 같이, 일단에 전원공급단이 형성되고 타단에 접지단이 형성되는 적어도 2개의 루프형 안테나 요소가 수평면상에 일정한 간격으로 이격 중첩되어 전기적으로 병렬 결합하고, 각 안테나의 전원공급단과 접지단이 안테나 요소의 중심에 대하여 대칭되는 위치에 배치되며, 각 하나의 안테나 요소의 수평 절곡부분이 다른 하나의 안테나 요소의 전원공급단과 접지단 사이에 위치하는 안테나가 적용될 수 있다.
RF 안테나가 적용되는 경우에는, 후술하는 접지 전극(400)이 적용될 필요가 없기 때문에 구성이 변경될 수 있다.
플라즈마 발생부 (250)
플라즈마 발생부(250)는 RF 전극(200)과 바이어스 전극(300) 사이에 형성되며, 여기서 생성된 플라즈마는 바이어스 전극(300)과 접지 전극(400)을 거쳐 챔버 내부에 공급된다.
바이어스 전극(300)
바이어스 전극(300)은 플라즈마 발생부(250) 하부에 위치하여 플라즈마 발생부(250)에서 플라즈마 생성시 발생하는 양이온을 트랩하며, 플라즈마의 통과를 위한 다수 개의 관통공(310)이 전면에 걸쳐 균일하게 형성된다. 이와 같이, 균일하게 형성함으로써 결과적으로 웨이퍼 등의 대상물에 플라즈마를 균일하게 인가되도록 할 수 있다.
본 발명에 일 예에 따르면, 바이어스 전극(300)은, 가령 금속재질로 그 표면이 아노다이징(anodizing) 처리되어 플라즈마 발생시 금속 불순물에 의한 오염을 방지할 수 있다. 또한, 다른 예에 따르면, 전면에 텅스텐 또는 티타늄을 포함하는 내 에칭성 금속을 코팅하여 표면에 축적된 전하에 의한 아크 형상을 방지할 수 있다.
접지 전극(400)
바이어스 전극(300) 하부에 이격되어 설치되는 접지 전극(400)에는 플라즈마의 통과를 위한 관통공(410)이 형성되는데, 접지 전극(400)의 관통공(410)은 바이어스 전극(300)의 관통공(310)과 일치하도록 형성된다.
상기한 바와 같이, RF 전극(200) 대신에 RF 안테나를 적용하는 경우, 접지 전극(400)은 생략할 수 있다.
샤워 헤드(500)
샤워 헤드(500)에는 접지 전극(400)의 관통공(410)에 대응하는 플라즈마 안내공(510)과 공급통로(154)를 통해 공급되는 소스가스나 퍼지가스가 통과하는 소스가스 안내공(512)이 구획되어 형성된다. 즉, 공급통로(154)로 공급된 소스가스나 퍼지가스는 샤워 헤드(500) 표면과 접지전극(400)의 이면 사이에 형성된 밀폐 공간으로 유입되어 소스가스 안내공(512)을 통하여 배출된다. 소스가스 안내공(512)의 단부에는 분사 노즐(514)이 형성될 수 있다.
여기서, 후술하는 바와 같이, 샤워 헤드(500) 대신에 다른 구조의 소스공급장치, 가령 분사공을 구비한 링 타입의 소스공급장치 등을 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 바이어스 전극(300)에는 제 1 전압 부분을 갖는 제 2 전압의 펄스 직류 바이어스(Negative Pulsed DC Bias)가 인가된다.
도 2는 바이어스 전극에 인가되는 펄스 직류 바이어스를 보여준다. 이 실시 예에서는 기설정된 기간의 양(+) 전압 부분을 주기적으로 갖는 음(-) 전압의 펄스 직류 바이어스가 인가된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 기설정된 기간의 음(-) 전압 부분을 주기적으로 갖는 양(+) 전압의 펄스 직류 바이어스가 인가될 수 있다.
도 2를 보면, 펄스 직류 바이어스는 기본적으로 일정한 펄스 주기를 갖는 음의 펄스 Uset로 이루어지며, 주기적으로 휴지기에 양 전압 부분을 갖는 양의 펄스 Urev를 포함한다.
이러한 구성에 의하면, 인가되는 음의 펄스 Uset에 의해 바이어스 전극(300)의 표면에는 플라즈마 생성시 발생하는 이온 중 양이온이 트랩되며, 주기적으로 인가되는 양의 펄스 Urev에 의해 트랩된 양이온은 플라즈마 발생부(250)로 밀려나 소멸하거나 양의 펄스 Urev에 의해 흡인되는 음이온에 의해 중화된다.
따라서, 바이어스 전극(300)의 표면에 축적된 전하를 주기적으로 제거함으로써, 전하 축적에 따른 아크 형상을 방지할 수 있다.
이와 함께, 바이어스 전극(300)이 금속재질로 제작되고 그 표면을 아노다이징 처리하여 플라즈마 발생시 금속 불순물에 의한 오염을 방지할 수 있고, 전극 자체가 커패시터 역할을 할 수 있기 때문에 바이어스 전극(300)에 잔류하는 전하를 제거할 수 있다는 이점이 있다.
반면, 아노다이징 처리면이 부도체이기 때문에 전하가 아노다이징 처리면의 표면에 축적되어 아크(arc)가 발생할 가능성도 있다.
따라서, 본 발명의 다른 예로, 상기한 바와 같이, 바이어스 전극(300)의 전면에 텅스텐 또는 티타늄을 포함하는 내 에칭성 금속을 코팅할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 인가되는 펄스 직류 바이어스에 불구하고 바이어스 전극(300)의 표면에 잔류하는 전하에 의해 소규모의 아크 방전이 발생하더라도 충분히 견딜 수 있다는 이점이 있다.
이와 함께, 바이어스 전원에 커패시터를 직렬로 연결하여 바이어스 전극(300)에 잔류하는 전하를 제거할 수 있다. 즉, 커패시터의 정전유도 현상에 의해 바이어스 전극(300)에 잔류하는 전하는 커패시터의 한쪽 전극으로 끌려가 다른 쪽 전극의 전하와 마주쳐 배열된 상태를 유지하기 때문에 결과적으로 바이어스 전극(300)에 잔류하는 전하를 제거할 수 있다.
상기의 플라즈마 발생장치는 플라즈마의 온 오프가 빈번하게 이루어지는 원자층 증착장치(ALD) 또는 화학기상증착장치(CVD)에도 적용할 수 있으며, 산화물, 실리콘 화합물, 단결정 화합물, 다결정 화합물 및 비정질 화합물 등을 Si, SiGe, Ge, Al2O3, GaAs and SiC 등의 기판에 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치에 적용되는 플라즈마 소스는 고밀도 플라즈마(HDP), 유도결합 플라즈마(ICP), 정전결합 플라즈마(CCP), 전자 싸이클론 공진(ECR) 등의 모든 플라즈마 소스를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명에 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치를 나타낸다.
이 실시 예에서는 ICP 플라즈마 발생장치를 예로 들고 있는바, 챔버(40)의 상부에 플라즈마 발생부(25)가 설치되고 플라즈마 발생부(25)의 외측에 ICP 코일(20)이 감긴 구조를 갖는다. 또한, 플라즈마 발생부(25)의 상부에는 플라즈마 가스 공급통로(12)를 구비한 헤더(10)가 장착되며, 플라즈마 가스 공급통로(12)의 입구에는 공급관(미도시)이 연결된다.
플라즈마 발생부(25)와 챔버(40) 사이에는 다수의 관통공(31)이 규칙적으로 배열되는 바이어스 전극(30)이 설치되며, 챔버(40) 내부의 기판 로딩부(60)에는 기판이 로딩된다.
이 실시 예에서도, 도 1의 일 실시 예와 같이, 바이어스 전극(30)에는 주기 적인 양 전압 부분을 갖는 음의 펄스 직류 바이어스가 인가된다.
또한, 기판 로딩부(60)의 상부에는 소스공급유닛(50)이 배치되며, 가령 저면에 다수의 분사공이 형성되어 소스가스나 퍼지가스를 분사하는 링 타입의 소스공급유닛(50)이 적용될 수 있다.
상기의 구조에 의하면, ICP 코일(20)에 의해 RF 전원이 플라즈마 발생부(25)에 인가되면, 플라즈마 발생부(25)에 공급된 플라즈마 가스에 유도 전기장이 가해져 플라즈마를 발생시킨다.
또한, 상기의 일 실시 예와 같이, 인가되는 음의 펄스 Uset에 의해 바이어스 전극(30)의 표면에는 플라즈마 생성시 발생하는 이온 중 양이온이 트랩되며, 주기적으로 인가되는 양의 펄스 Urev에 의해 트랩된 양이온은 플라즈마 발생부(25)로 밀려나 소멸되거나 양의 펄스 Urev에 의해 흡인되는 음이온에 의해 중화된다.
이 실시 예에 의하면, 샤워 헤드 방식이 아닌 링(ring) 타입의 소스공급유닛(50)을 이용하여 소스가스와 퍼지가스를 공급할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 리모트 플라즈마 발생장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 바이어스 전극에 인가되는 펄스 직류 바이어스 전압을 보여준다.
도 3은 본 발명에 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치를 나타낸다.

Claims (13)

  1. 챔버 상부의 내측에 설치되는 RF 전극;
    상기 RF 전극과 이격하여 설치되며 발생한 플라즈마가 통과하는 다수의 관통공이 배열되고 바이어스 전원이 인가되는 바이어스 전극;
    상기 RF 전극과 바이어스 전극 사이에 형성되고 플라즈마 가스가 공급되는 플라즈마 발생부;
    상기 바이어스 전극과 이격하여 하부에 설치되며, 상기 바이어스 전극의 관통공에 대응하는 플라즈마 통과공이 형성된 접지 전극; 및
    상기 접지 전극 하부에 소스 가스 또는 퍼지 가스가 통과하는 경로와 상기 플라즈마 발생부에서 형성된 플라즈마가 통과하는 경로가 구획되어 형성된 샤워 헤드를 포함하고,
    상기 바이어스 전극에는 양의 값을 가지는 DC 전압과 음의 값을 가지는 DC 전압이 번갈아가며 인가되는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 발생장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이어스 전극의 전면에 텅스텐 또는 티타늄이 코팅되는 리모트 플라즈마 발생장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 바이어스 전극에 잔류하는 전하를 제거하기 위한 커패시터가 바이어스 전원에 직렬로 연결되는 리모트 플라즈마 발생장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 RF 전극에는 상기 플라즈마 발생부에 플라즈마 가스를 공급하기 위한 다수의 관통공이 형성되는 리모트 플라즈마 발생장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이어스 전극은 금속재질로 제작되며 그 표면은 아노다이징 처리되는 리모트 플라즈마 발생장치.
  6. 삭제
  7. 챔버 외측에 설치되는 RF 안테나;
    상기 RF 안테나에 인접하여 상기 챔버 내부에 형성되고 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생부;
    상기 플라즈마 발생부 하부에 설치되며 발생한 플라즈마가 통과하는 다수의 관통공이 배열되고 바이어스 전원이 인가되는 바이어스 전극; 및
    상기 바이어스 전극 하부에 설치되고, 소스 가스 또는 퍼지 가스가 통과하는 경로와 상기 플라즈마 발생부에서 형성된 플라즈마가 통과하는 경로가 구획되어 형성된 샤워 헤드를 포함하고,
    상기 바이어스 전극에는 양의 값을 가지는 DC 전압과 음의 값을 가지는 DC 전압이 번갈아가며 인가되는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 발생장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 바이어스 전극의 전면에 텅스텐 또는 티타늄이 코팅되는 리모트 플라즈마 발생장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 바이어스 전극에 잔류하는 전하를 제거하기 위한 커패시터가 바이어스 전원에 직렬로 연결되는 리모트 플라즈마 발생장치.
  10. 외측에 ICP 코일이 감기고, 플라즈마 가스가 발생하는 플라즈마 발생부;
    상기 플라즈마 발생부의 하부에 설치되며 발생한 플라즈마가 통과하는 다수의 플라즈마 통과공이 배열되는 바이어스 전극; 및
    상기 바이어스 전극의 하부에 형성되고, 기판이 적재되는 기판 로딩부와 상기 기판 로딩부 위에 설치되어 소스가스나 퍼지가스를 공급하기 위한 가스공급유닛을 구비한 반응부를 포함하며,
    상기 바이어스 전극에는 양의 값을 가지는 DC 전압과 음의 값을 가지는 DC 전압이 번갈아가며 인가되는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 발생장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 가스공급유닛은 저면에 다수의 분사공이 형성된 링 타입인 리모트 플라 즈마 발생장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
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