KR19990049889A - 헬릭스코일을 이용한 헬리컬 공진기형 식각기의 플라즈마 균일도조절 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 주요 공정 장비 중의 하나인 반응성이온식각 장비인 차세대 고성능 식각기로 연구되고 있는 헬리컬 공진기형 식각기에서 (2n+1)/4(n은 양정수) 파장길이의 헬릭스코일을 이용하여 반응로 내부의 플라즈마 균일도를 조절하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일을 (2n+1)/4(n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 반응로 기판 상에서의 플라즈마 균일도를 조절한다. 고효율의 고밀도 플라즈마를 비교적 쉽게 얻을 수 있는 헬리컬 공진기형의 식각기에 대해 (2n+1)/4(n은 양정수) 파장 길이의 헬릭스코일을 사용하여 탭 위치 변화에 따라 공진기 내의 전자장 및 플라즈마 밀도 분포를 임의로 변화시킴으로써 기존의 평행 평판형 식각기에서는 얻기 힘들었던 높은 균일도의 플라즈마를 얻을 수 있었다. 이로써 (2n+1)/4(n은 양정수) 파장 길이의 헬릭스코일을 갖는 헬리컬 공진기형 식각기에서 기타 식각 공정 변수들의 변화에 대응하여 적절한 탭 위치를 선택함으로써 차세대의 대구경 웨이퍼 사용시에 요구되는 높은 식각 균일도를 얻을 수 있다.

Description

헬릭스코일을 이용한 헬리컬 공진기형 식각기의 플라즈마 균일도 조절 방법

본 발명은 반도체 주요 공정 장비 중의 하나인 반응성이온식각(RIE ; Reactive Ion Etching) 장비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차세대 고성능 식각기로 연구되고 있는 헬리컬 공진기형 식각기에서 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장길이의 헬릭스코일을 이용하여 반응로 내부의 플라즈마 균일도를 조절하는 방법에 관한 것이다.

반도체 산업이 발전하면서 단위 셀(cell)의 크기가 점점 더 작아지고, 사용 웨이퍼(wafer)의 크기는 점점 대구경화 되었다. 이를 통해 생산 업체들은 반도체 생산효율을 높혀 왔는데, 이것을 가능케 하기 위한 필수 요건이 박막 증착과 식각시의 플라즈마 균일도이다. 저온의 고밀도 플라즈마를 얻기 위한 플라즈마원으로서 헬리컬 공진기가 매우 적합하다는 연구 결과들이 많이 발표되었는데, 지금까지는 헬리컬 공진기를 이용하더라도 균일한 플라즈마 균일도를 얻는 것이 용이하지 않았다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일의 기이를 전원전압에 대해 (2n+1)/4(n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 원하는 플라즈마 균일도를 얻는 방법을 제공하는 것이다.

제1도는 5/4 파장 길이의 헬릭스코일(Helix RF coil)을 이용한 헬리컬 공진기(Helical resonator)의 일부 절개 사시도이다.

제2도는 전력원과 헬리컬 공진기 사이의 임피던스 정합 회로를 도시한 회로도이다.

제3도는 헬리컬 공진기형 식각기의 전체 구조를 도시한 단면도이다.

제4도는 전력원과 반응로 사이의 임피던스 정합 회로를 도시한 회로도이다.

제5도는 각각의 탭 위치에 따른 축 방향으로 플라즈마 밀도 분포 변화를 도시한 그래프도이다.

제6도는 소스/바이어스 전력이 200/0 와트인 경우 플라즈마 균일도를 도시한 그래프도이다.

제7도는 소스/바이어스 전력이 300/0 와트인 경우 플라즈마 균일도를 도시한 그래프도이다.

제8도는 소스/바이어스 전력이 300/100 와트인 경우 플라즈마 균일도를 도시한 그래프도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 헬리컬 공진기 15 : 헬릭스코일

17 : 가변 탭 18 : RF 케이블

25, 42 : 전력원들 28, 44 : 임피던스정합회로

30 : 반응로 34 : 반응로 기판

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일을 전원전압에 대해 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 반응로 기판 상에서의 플라즈마 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법을 제공한다.

본 발명의 일 태양에 의하면, 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일을 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 헬리컬 공진기내의 헬릭스 코일상에서의 전력 인가 탭 위치를 변화시켜 공진기 내부의 축/반경 방향의 플라즈마 밀도분포를 변화시킴으로써 반응로 기판 상에서의 플라즈마 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 태양에 의하면, 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일을 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 헬리컬 공진기내의 헬릭스코일상에서의 전력 인가 탭 위치를 변화시켜서 헬릭스코일의 개방단과 접지단의 길이를 변화시킴으로써 각 단에서의 입사파와 반사파, 및 다른 단에서 넘어오는 투과파(transmitted wave)의 중첩 효과에 의해 공진기 내에 고유의 플라즈마 밀도 분포를 가지도록 하는 플라즈마 균일도 조절 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일을 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 헬리컬 공진기내의 헬릭스코일상에서의 전력 인가 탭 위치를 변화시켜 공진기 내의 고밀도 플라즈마 영역의 위치를 축 방향으로 이동시킴으로써 고밀도 플라즈마 영역에서 반응로까지의 확산 거리를 변화시켜 반응로 기판 상에서의 플라즈마 균일도 조절 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일을 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 헬리컬 공진기내의 고밀도 플라즈마 영역에서 반응로까지의 거리를 변화시켜 반응로까지의 플라즈마 전송시 반경 방향으로의 확산에 의해 기판상에 도달하는 플라즈마 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일을 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 헬리컬 공진기에서 발생하는 플라즈마는 벽면 부근에서 주로 발생하게 되어서 가장 자리에서 최대 밀도를 갖는 분포를 보이게 되는데, 이것이 반응로까지 확산되어 가면서 역시 반경 방향으로도 확산되어 가장 자리의 밀도는 감소되고 중앙의 밀도가 증가하는 것을 이용하여 플라즈마 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일을 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 헬리컬 공진기내의 헬릭스코일상에서의 전력 인가 탭 위치를 변화시켜서 공진기와 반응로 경계 부근에서 축방향으로 유도되는 자기장의 세기를 변화시킴으로써 플라즈마 입자들의 반경 방향 확산을 억제시켜 반응로로 유입되는 플라즈마의 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일을 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 헬리컬 공진기내의 하전 입자가 자기장에 수직한 방향으로 확산이 잘 되지 않는 것을 이용하여 공진기 내에서 유도되는 축 방향 자기장의 세기를 변화시켜 반응로로 유입되는 플라즈마의 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명에 적용되는 5/4 파장 길이의 헬릭스코일(Helix RF coil)을 이용한 헬리컬 공진기(Helical resonator)의 일부 절개 사시도이다. 본 발명에서는 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이의 헬릭스 코일을 사용할 수 있으나, 본 실시예에서는 n=1인 경우의 5/4 파장 길이의 헬릭스 코일을 사용하는 경우를 설명한다. 제1도에 도시된 헬리컬 공진기(10)는 반응 기체가 유입되는 기체인입부(11), 상기 기체인입부(11)가 관통하고 공진기(10)의 상부를 덮고 있는 상부덮개(12)(top wall), 유입된 기체를 수용하는 4㎜ 두께의 석영관(13)(quartz tube), 상기 석영관(13)을 둘러싸고 있는, RF 차폐를 위한 접지된 실린더(14), 상기 석영관(13)과 상기 실린더(14)의 사이에 27.54m(RF 13.56 ㎒에 대해 약 5/4파장 길이)의 길이로 균일한 간격을 두고 감겨진 1/4" 동 파이프의 헬릭스 코일(15), 및 상기 공진기(10)의 하부를 덮고 있는 하부덮개(16)(bottom wall)를 포함하여 구성된다.

또한, 공진기(10)는 헬릭스코일(15)상의 적절한 위치에 RF 전력을 인가하기 위한 가변 탭(17)(tap)을 설치한다. 이 가변 탭(17)은 1/4 파장 길이의 표준 RG-8형 RF 케이브(18)에 의해 RF 정합 회로(matching network)(제2도)와 연결되어 있는데, 이 RF 케이블(18)은 임피던스 변환기로 작용하여 공진기의 입력 어드미턴스(admittance)를 임피던스로 변환시켜 준다. 여기서 사용되는 RF 케이블(18)의 특성 임피던스는 52 옴, 공칭 커패시턴스는 29.5 pF/ft, 길이는 3.66m이며, 한 가닥은 상기 가변 탭(17)에 접속되고 다른 한 가닥은 접지 탭(21)에 접속된다. 상기 RF 차폐 실린더(14)는 탭(17) 위치를 가변시킬 수 있도록 회전 가능케 하고, 실린더 옆 면에는 세로로 길게 창(19)을 내었다. 또한, 상기 상부덮개(12)와 하부덮개(16)는 원형의 덮개부들의 가장자리 주위에 소정수 마련된 지지봉들(20)에 의해 지지된다. 상기 헬릭스코일(15)은 일단이 실린더(14)의 하단부에 접지되고, 타단은 개방되어 있다.

RF 정합 회로는 제2도에서 보는 바와 같은 RF 전력을 공급하는 전력원(25)과 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합회로(28)를 포함한다. 전력원(25)으로는 출력 임피던스 50 옴의 저항(R_S)과 13.56㎒ 주파수의 전원(V_rf)이 사용되었으며, 임피던스 정합회로(28)로는 가변콘덴서(C₁, C₂)와 리액터코일(L)을 π-형으로 구성한 정합회로를 사용하였다. 또한, π-형 정합회로와 직렬로 콘덴서(C_b)를 접속하였다. 이로써, 헬리컬 공진기(10)의 헬릭스코일(15)에는 임피던스 정합된 RF전력이 공급된다. 가변 탭(17)의 위치 변화에 따른 플라즈마 밀도 분포 변화는 LC공진과는 큰 관계가 없고, 개방단과 접지단의 각 길이에 따른 헬릭스 코일 상의 전류 분포의 변화에 의존한다. 또한, 본 발명에서는 회전 실린더(14)의 회전에 의해 플라즈마 균일도를 조절하는 것이 아니고, 가변 탭(17)을 이용하여 플라즈마 균일도를 조절하는 데 그 특징이 있다.

제3도는 헬리컬 공진기(10)와 반응로(30)를 구비한 식각기의 전체 구조를 보이고 있는데, 여기에서 보는 것과 같이 공진기(10)에서 발생된 플라즈마는 실재 식각 공정이 이루어지는 반응로(30)의 상부덮개(32)를 통해 반응로 기판(34) 위로 공급된다. 반응로(30)는 도면에는 자세히 도시되어 있지 않지만 8" 웨이퍼를 장착할 수 있는 직경 20.0㎝의 전력 인가 전극(power electrode)과 세 개의 플랜지(flange)를 가진 직경 32.0㎝의 접지된 측벽(35), 그리고 바이어스 전력인가, 공조, 진공후드(vacuum hood) 및 공정 압력 측정 등을 위한 플랜지를 가진 하부덮개(33)로 이루어져 있다. 상기 측벽은 접지슬리브(38)로 접지된다. 반응로(30)의 바이어스 전력 인가를 위해서는 제4도에서 보는 바와 같은 가변콘덴서(C₃, C₄)와 코일(L)로 구성된 L-형 RF 임피던스 정합회로(44)와 역시 출력 임피던스 50 옴의 저항(R_S)과 13.56㎒ 주파수의 전원(V_rf)을 구비한 전력원(42)이 사용되었다. 임피던스 정합된 전력은 RF전력케이블(46)을 이용하여 전력 및 냉각수 유입/유출관(39)을 통하여 반응로(30)에 공급된다. 여기서도, 전력케이블(46)의 일단은 반응로기판(34)에 접속되나, 타단은 하부덮개(33)의 접지단에 접속된다. 또한, 반응로(30)의 하부에는 냉각수가 펌프(미도시)를 통해 펌핑되어 배출되고 전력케이블(46)(제4도)이 인입되는 전력 및 냉각수 유입/유출관(39)이 도시되어 있다.

이하, 상술한 본 발명에 적용되는 공진기와 반응로를 구비한 식각기내에서 플라즈마 균일도를 조절하는 방법에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 적용되는 헬리컬 공진기(10)의 동작 원리는 헬리스 코일(15)의 탭(17) 위치에서 볼 때 병렬 연결로 보이는 개방단과 접지단 사이의 LC 공진 작용에 의해 입력 임피던스가 최소로 되면서 공진기(10) 내에 매우 높은 전자장이 유도되어 고 효율의 고밀도 플라즈마를 형성시키는 것이다. 여기서, 실린더(14)를 회전시켜 탭(17)의 위치를 변화시킬 수 있도록 하면, 공진기(10) 내 플라즈마 밀도 분포는 탭의 위치에 따라 크게 변하는데, 3/4 혹은 5/4 파장 길이의 헬릭스코일(15)을 사용하는 경우에는 공진기(10) 내에 축 방향의 플라즈마 밀도 분포를 임의로 바꿀 수 있게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 헬릭스코일(15)의 길이를 5/4 파장 길이로 한 경우에 대해서 설명하기로 한다. 본 발명에서 헬릭스 코일의 길이를 5/4 파장 길이(n은 1인 경우)로 한 것은 축 방향의 플라즈마 밀도 분포 변화를 좀 더 폭 넓게 하기 위한 것으로, 플라즈마 균일도 조절을 위한 가장 중요한 동작은 탭위치를 변화시키는 것이다. 즉, 탭위치가 결정되면 개방단과 접지단의 각 단의 길이가 결정되고, 각 단상을 전류가 흘러갈 때 각 단의 길이에 따라 반사파들의 중첩에 의한 정지파(standing wave)의 형태가 결정되고 이에 의해서 전류 분포가 결정되기 때문이다. 본 발명에서는 정합회로를 사용하는 데, 이는 전력 전송 이론을 토대로 전원단에서 보는 부하단의 임피던스를 전원의 내부 출력 임피던스(약 50옴)로 맞추어 줌으로써, 최대 전력 전달 효율을 얻도록 해 주는 장치이다. 원래 헬리컬 공진기형 식각기는 정확한 공진점을 찾아 탭을 위치시킬 수 있으면 정합회로는 필요가 없게 되나, 실제로는 공진점을 정확히 찾기 어려우므로 정합회로를 사용하게 된다.

제5도는 헬릭스코일이 5/4 파장 길이인 경우를 보이고 있는데, 코일의 턴수는 ■는 7, +는 14, *는 18, □는 25, ×는 30턴수를 의미한다. 여기서, 코일의 턴수가 7, 18과 30턴인 경우 고밀도 영역이 개방단 쪽에 치우쳐 있는데 반해, 14와 25턴인 경우는 접지단 쪽으로 치우쳐 있다. 이러한 플라즈마 밀도 분포의 변화는 탭의 위치가 바뀌면서, 각 단의 길이가 변화하여 헬릭스코일(15) 상에서 전류의 입사파와 반사파들이 중첩되면서 증폭 혹은 감쇄됨으로써 고유의 플라즈마 밀도 분포를 발생시키는 것이다.

또한 이러한 구조에서는 공진기(10) 내 축 방향 외에도 반응로(30)에서의 반경 방향의 플라즈마 밀도 분포의 변화도 발생하는데, 이것은 곧 반응로 기판(34)상의 식각 균일도와 직결된다. 이에 대해 알아 보기 위해 공정 압력 75mTorr의 Ar 기체 방전에 대해 각각의 탭 위치에서 기판 상에서의 플라즈마 밀도를 이중 랑그무이 탐침(double Langmuir probe)을 이용하여 측정해 보았다.

제6도는 소스 전력만을 200 와트로 하고 바이어스전력은 0 와트로 한 경우, 각각의 탭 위치에 대해 반응로 기판(34)에서 측정한 플라즈마 밀도를 중심밀도로 나누어 정상화(normalization)시킨 값들의 분포를 보이고 있다. 각각의 기호 □, ○, △, ×, +들은 접지단으로부터 7, 14, 18, 25, 그리고 30 턴 위치에서 측정하였음을 나타내며, 각각의 중심 밀도는 6.53x10¹⁵, 4.013x10¹⁶, 2.81x10¹⁶, 1.376x10¹⁶, 그리고 1.712x10¹⁶[/㎥]이다. 이 결과는 제5도의 공진기 내 축방향 플라즈마 밀도 분포를 볼 때 14 턴의 경우가 고밀도 영역이 공진기 하단부에 위치함으로 반응로 기판 상에서 가장 높은 밀도의 플라즈마를 얻을 수 있기 때문이다. 균일도 측면에서 보면 7 턴의 경우가 나머지에 비해 상대적으로 우수하다.

제7도는 소스전력과 바이어스전력을 각각 300과 0 와트를 인가했을 때 반응로 기판(34) 상에서의 플라즈마 밀도의 분포를 보이고 있다. 제7도에서의 기호는 제6도의 기호와 동일하다고 할 때, 제6도와는 달리 18과 30 턴에서 최대의 균일도를 보이고 있다. 제7도에서 보듯이 200/0 와트에 비해 가장자리 쪽의 밀도가 상승해 있다. 각각의 경우 기판의 중심에서 플라즈마 밀도는 7 턴에서 8.4x10¹⁵, 14 턴에서 5.32x10¹⁶, 18 턴에서 3.02x10¹⁶, 25 턴에서 1.42x10¹⁶, 그리고 30 턴에서는 1.82x10¹⁶[/m^-3]를 얻었다. 이 결과로 볼 때 소스전력을 200에서 300와트로 증가시키는 경우에는 탭 위치를 7 턴에서 18이나 30 턴으로 이동시켜 주어야 원하는 균일도를 유지시킬 수 있음을 보여준다.

제8도는 소스전력과 바이어스전력을 각각 300과 100와트로 인가한 경우인데, 18 턴의 경우 균일도가 나빠졌고, 반면 7 턴에서의 균일도가 상당히 향상되었다. 이 경우는 7과 30턴이 최적의 균일도를 보이고 있다.

지금까지는 헬릭스코일의 길이를 5/4파장 길이로 한 경우에 대해서 설명하였으나, (2n+1)/4(단 n은 양정수) 파장 길이인 경우에도 적용가능함은 당업자에게 명백하므로 그에 대한 상세한 기술은 생략하기로 한다.

이상으로 상술한 바와 같이, 고효율의 고밀도 플라즈마를 비교적 쉽게 얻을 수 있는 헬리컬 공진기형의 식각기에 대해 (2n+1)/4(n은 양정수) 파장 길이의 헬릭스코일을 사용하여 탭 위치 변화에 따라 공진기 내의 전자장 및 플라즈마 밀도 분포를 임의로 변화시킴으로써 기존의 평행 평판형 식각기에서는 얻기 힘들었던 높은 균일도의 플라즈마를 얻을 수 있었다. 이를 이용하여 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이의 헬릭스코일을 갖는 헬리컬 공진기형 식각기에서 기타 식각 공정 변수들의 변화에 대응하여 적절한 탭 위치를 선택함으로써 차세대의 대구경 웨이퍼 사용시에 요구되는 높은 식각 균일도를 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 헬리컬 공진기형 식각기에서 헬릭스코일을 전원전압에 대해 (2n+1)/4 (n은 양정수) 파장 길이로 함으로써 반응로 기판 상에서의 플라즈마 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 헬리컬 공진기내의 헬릭스 코일상에서의 전력 인가 탭 위치를 변화시켜 공진기 내부의 축/반경 방향의 플라즈마 밀도 분포를 변화시킴으로써 반응로 기판 상에서의 플라즈마 균일도 조절 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 전력 인가 탭 위치를 변화시켜서 헬릭스코일의 개방단과 접지단의 길이를 변화 시킴으로써 각 단에서의 입사파와 반사파, 그리고 다른 단에서 넘어오는 투과파(transmitted wave)의 중첩 효과에 의해 공진기 내에 고유의 전자장 분포를 형성시켜 축/반경 방향으로 고유의 플라즈마 밀도 분포를 가지도록 하는 플라즈마 균일도 조절 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 헬릭스코일상의 전력 인가 탭 위치를 변화시켜 공진기 내의 고밀도 플라즈마 영역의 위치를 축 방향으로 이동시킴으로써 고밀도 플라즈마 영역에서 반응로까지의 확산 거리를 변화시켜 반응로 기판 상에서의 플라즈마 균일도 조절 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 공진기 내 고밀도 플라즈마 영역에서 반응로까지의 거리를 변화시켜 반응로까지의 플라즈마 전송시 반경 방향으로의 확산에 의해 기판상에 도달하는 플라즈마 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 헬리컬 공진기에서 발생하는 플라즈마는 벽면 부근에서 주로 발생하게 되어서 가장 자리에서 최대 밀도를 갖는 분포를 보이게 되는데, 이것이 반응로까지 확산되어 가면서 역시 반경 방향으로도 확산되어 가장 자리의 밀도는 감소되고 중앙의 밀도가 증가하는 것을 이용하여 플라즈마 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법.
7. 제 2 항에 있어서, 전력 인가 탭 위치를 변화시켜서 공진기와 반응로 경계 부근에서 축 방향으로 유도되는 자기장의 세기를 변화시킴으로써 플라즈마 입자들의 반경 방향 확산을 억제시켜 반응로로 유입되는 플라즈마의 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법.
8. 제 6 항에 있어서, 하전 입자가 자기장에 수직한 방향으로 확산이 잘 되지 않는 것을 이용하여 공진기 내에서 유도되는 축 방향 자기장의 세기를 변화시켜 반응로로 유입되는 플라즈마의 균일도를 조절하는 플라즈마 균일도 조절 방법.