KR20050008065A

KR20050008065A - 고밀도 플라즈마 반응기

Info

Publication number: KR20050008065A
Application number: KR1020030047751A
Authority: KR
Inventors: 김기상
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-01-21

Abstract

본 발명은 균일한 밀도의 플라즈마를 발생시키는 고밀도 플라즈마 반응기로써, 격리된 플라즈마 반응공간을 제공하며, 상기 반응공간의 최상부의 중앙부위의 평탄면과, 상기 중앙부위의 평탄면의 양쪽 에지부위에 단차를 가지며 상기 중앙부위의 평탄면보다 높게 형성된 평탄면이 서로 연결되어 형성된 상부전극을 갖는 반응챔버와; 상기 반응 챔버 내에 반응가스를 도입하기 위한 하나 이상의 가스 공급구와; 단차가 생기는 부위 및 상기 반응 챔버의 평탄면 상에 설치되는 안테나 코일과; 상기 안테나 코일과 병렬로 연결되는 일단이 접지된 RF 파워발생기와; 상기 단차가 생기는 부위의 안테나 코일 및 양쪽 에지부위의 안테나 코일과 RF 파워발생기를 각각 직렬로 연결하는 복수개의 가변 부하와; 상기 반응챔버의 하부에 평탄면을 갖는 기판과; 상기 기판과 직렬로 연결되는 일단이 접지된 RF 파워발생기를 구비하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 웨이퍼 사이즈가 커지더라도 균일한 플라즈마를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

고밀도 플라즈마 반응기 {High density plasma source}

본 발명은 반도체 소자 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 반응챔버 내에 위치한 기판 상부에 걸쳐 균일한 플라즈마 밀도를 갖도록 하는 공명안테나 코일이 설치된 고밀도 플라즈마 반응기에 관한 것이다.

플라즈마는 물질의 제 4 상태로서 고체, 액체, 기체중 그 어느 것도 아니고 태양과 같이 극히 높은 에너지를 갖고 밀도가 높은 가스가 이온화되어 있는 상태를 말한다. 반도체 소자의 제조 공정이 점차 미세화되고 고도화됨에 따라, 이러한 플라즈마를 응용하는 장비가 반도체 제조 공정 중에서 식각 공정, 스퍼터링 공정 및 화학 기상증착 공정등에서 널리 응용되고 있다. 특히 반도체 제조 장치중 폴리 실리콘막이나 금속막을 건식식각 하는 공정이나 건식 세정 등의 공정은 효율성을 재고하기 위해 최근에는 주로 고밀도 플라즈마(HDP : High Density Plasma)를 이용한 공정이 반도체 소자의 제조에 있어 많이 채택되고 있다. 유도 결합형 플라즈마를 이용하는 반도체 소자 제조장치는 수 ev의 저에너지로 이온들을 공정 대상물에 충돌시킬 수 있는 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있다. 이러한 공정에서 주로 사용하는 플라즈마 반응기는 웨이퍼의 상대편에 위치한 전극으로 평판을 사용한다, 상기 평판위에 고밀도 플라즈마를 생성하기 위한 평판 안테나 코일을 사용한다. 이러한 유도 결합형 플라즈마를 이용하는 반도체 소자 제조 장치는 RF파워가 인가된 상태에서 공명모드로 작동되면, 안테나 코일에 흐르는 RF전류는 상기 안테나 코일이 둘러싼 반응 챔버내의 공간에 축방향의 RF 자기장을 발생시킨다. 반응챔버내의 가스가 전자 충돌에 의해 부분적으로 이온화되기만 하면, 이 RF 자기장은 밀폐된 반응챔버 내의 가스에 순환하는 RF 전자 전류를 유도하여 고밀도 플라즈마를 유지시킨다. 이러한 구성은 RF 변압기와 마찬가지로 볼 수 있는데, 안테나 코일은 RF변압기의 1차 권선에, 플라즈마 자체는 2차 권선에 해당한다.

이하에서는 종래기술에 의한 고밀도 플라즈마 반응기의 실시예들이 후술되는 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 도 1 또는 도 2을 참조로 설명될 것이다.

도 1 은 종래기술의 제1 실시예에 의한 고밀도 플라즈마 반응기의 개략적 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 고밀도 플라즈마 반응기의 상부 전극(14)이 평판구조를 하고 있고, 상기 상부 전극(14)의 상부에는 수평형의 안테나 코일(12)이 나타나 있다. 상기 안테나 코일(12)에는 RF 파워 발생기(10)가 연결되어 있다. 하부에 웨이퍼가 가공되는 기판(16)이 설치되어 있고, 상기 기판(16)에 기판용 RF 파워 발생기(18)가 연결되어 있다. 또한 상부전극(14)과 기판(16)사이에 플라즈마(15)가 형성된 모습이 보여진다. 상기 실시예에 의한 상기 고밀도 플라즈마 반응기의 경우에는, 웨이퍼 중앙 부위와 에지 부위간에 플라즈마의 불균일이 발생하여도 조절할 수 있는 방법이 없다. 또한 웨이퍼의 사이즈가 커질 경우에 중앙부위와 에지 부위의 가스 입자의 유동에 현저한 차이가 발생하여 플라즈마가 균일하다 하더라도 가스입자로 인한 불균일이 발생한다.

도 2는 종래기술의 제2 실시예에 의한 고밀도 플라즈마 반응기의 개략적 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 고밀도 플라즈마 반응기의 상부 전극(24)이 평판구조를 하고 있고, 상기 상부 전극(24)의 상부에는 수직형의 안테나 코일(22a,22b)이 설치된다. 상기 안테나 코일(22a,22b)에는 RF 파워 발생기(20)가 연결되어 있다. 상기 RF 파워 발생기(20)와 상부전극의 중앙부위에 설치된 안테나 코일(22b)와 연결부에 직렬로 가변부하(21)가 설치되어 있다. 또한 상부전극(24)의 하부에 웨이퍼가 가공되는 기판(26)이 설치되어 있고, 상기 기판(26)에 기판용 RF 파워 발생기(28)가 연결되어 있다. 또한 상부전극(24)과 기판(26)사이에 플라즈마(25)가 형성된 모습이 보여진다.

상기한 고밀도 플라즈마 반응기는 제1 실시례를 개량한 것으로 상부전극(24)의 중앙 부위와 에지 부위의 두곳에 원형의 코일을 수직으로 감아 나선형으로 형성한 안테나 코일(22a,22b)을 사용하고 가변부하를 이중 하나의 코일에 설치함으로써 중앙 부위와 에지 부위간의 RF 파워를 조절하는 것이 가능하게 된다. 따라서 중앙부위와 에지 부위간위 플라즈마 불균일을 개선한 형태의 구조이다. 그러나 상기한 고밀도 플라즈마 반응기의 경우에도 여전히 가스 입자의 유동에 따른 플라즈마의 균일성을 조절하기에는 한계가 있다.

이상의 종래 기술에 의한 고밀도 플라즈마 반응기의 구조는 상부전극이 모두 평판 구조를 하고 있어, 평판에 따른 안테나 코일의 배치에 한계가 있고, 가스(gas)입자의 유동을 고려하지 못해 균일한 플라즈마를 얻기가 힘들다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래기술의 문제점을 극복한 고밀도 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 균일한 플라즈마를 얻을 수 있는 고밀도 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마의 균일성을 조절할 수 있는 고밀도 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 양상(aspect)에 따라, 균일한 밀도를 갖는 플라즈마를 발생시키는 고밀도 플라즈마 반응기는: 격리된 플라즈마 반응공간을 제공하며, 상기 반응공간의 최상부의 중앙부위의 평탄면과, 상기 중앙부위의 평탄면의 양쪽 에지부위에 단차를 가지며 상기 중앙부위의 평탄면보다 높게 형성된 평탄면이 서로 연결되어 형성된 상부전극을 갖는 반응챔버와; 상기 반응 챔버 내에 반응가스를 도입하기 위한 하나 이상의 가스 공급구와; 단차가 생기는 부위 및 상기 반응 챔버의 평탄면 상에 설치되는 안테나 코일과; 상기 안테나 코일과 병렬로 연결되는 일단이 접지된 RF 파워발생기와; 상기 단차가 생기는 부위의 안테나 코일 및 양쪽 에지부위의 안테나 코일과 RF 파워발생기를 각각 직렬로 연결하는 복수개의 가변 부하와; 상기 반응챔버의 하부에 평탄면을 갖는 기판과; 상기 기판과 직렬로 연결되는 일단이 접지된 RF 파워발생기를 구비하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 반응기를 제공한다.

바람직하게는, 상기 반응챔버의 최상부에 위치하는 상부전극의 단차가 발생하는 부위가 일정한 경사를 갖는 경사면이거나 수직으로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 공명 안테나 코일의 안테나는 속이 빈 튜브형인 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 반응챔버의 평탄면에 위치되는 공명 안테나 코일은 수평형 코일로 형성되고, 상기 반응챔버의 상부전극의 단차가 발생하는 부위에 위치되는 공명 안테나 코일은 수직형 코일로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 복수개의 가변 부하는 상기 양쪽 에지 부위에 형성된 안테나 코일 및 단차가 발생하는 부위에 형성된 수직형 코일에 연결되고, 가변 커패시터, 가변코일, 가변저항으로 구성될 수 있다. .

상기한 고밀로 플라즈마 반응기의 경우에 종래보다 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다.

도 1은 종래기술에 의한 고밀도 플라즈마 반응기의 제 1 실시예를 나타낸 개략적 단면도이다

도 2는 종래기술에 의한 고밀도 플라즈마 반응기의 제 2 실시예를 나타낸 개략적 단면도이다

도 3은 본 발명에 의한 고밀도 플라즈마 반응기의 제1 실시예를 나타낸 개략적 단면도이다

도 4는 본 발명에 의한 고밀도 플라즈마 반응기의 제2 실시예를 나타낸 개략적 단면도이다

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

110 : RF 파워 발생기 111a,111b : 가변부하

112a,112b,112c : 안테나 코일 114 : 상부전극

115 : 플라즈마 116 : 기판

118 : 기판용 RF 파워 발생기

이하에서는 상기한 고밀도 플라즈마 반응기가, 후술되는 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 도 3 내지 도 4를 참조로 설명될 것이다.

도 3 은 본 발명의 제1 실시예에 의한 고밀도 플라즈마 반응기의 개략적 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 고밀도 플라즈마 반응기의 상부 전극(114)이 중앙부위와 양쪽 에지 부위가 단차가 있는 평탄면구조를 하고 있다. 상기 상부전극(114)는 중앙부위와 양쪽 에지 부위의 평탄면이 분리될 수 있어, 양쪽 에지 부위의 평탄면을 위아래로 조절하는 것이 가능하다. 따라서 가스 입자의 유동에 따라 밀도가 높을 경우와 낮을 경우에 적절하게 대처가 가능하다. 따라서 플라즈마의 밀도 조절이 가능하도록 구성되어 있다.

상기 상부 전극(114)의 상부에는 수평형의 안테나 코일(112b,112c)이 양쪽 에지부위의 평탄면과 중앙부위의 평탄면에 형성되어 있고, 상기 상부전극(114)의 단차가 발생하는 부위의 수직면에는 수직으로 형성된 안테나코일(112a)이 형성되어 있다. 상기 상부전극(114)의 평탄면 상에 설치된 안테나 코일(112b,112c)은 RF 파워 발생기(110)와 병렬로 연결되어 있다. 상부전극(114)의 중앙부위에 설치된 안테나 코일(112c)을 제외하고 나머지 안테나 코일(112a,112b)에는 상기 RF 파워 발생기(110)와의 연결부에 직렬로 가변부하(11b,111c)가 설치되어 있다. 이러한 가변 부하(111a,111b)는 가변 코일, 가변 커패시터 및 가변 저항 중에서 어느 하나를 선택하여 형성할 수 있다. 상기 가변부하(11b,111c)를 이용하여 RF파워를 조절함에 의해 중앙 부위와 에지 부위간의 플라즈마를 균일하게 형성이 가능하다. 또한, 상기 안테나 코일(112a,112b,112c)은 속이 빈 튜브형으로 형성된다. 상기 상부전극(114) 하부에 웨이퍼가 가공되는 기판(116)이 설치되어 있고, 상기 기판(116)에 기판용 RF 파워 발생기(118)가 연결되어 있다. 또한 상부전극(114)과 기판(116)사이에 플라즈마(115)가 형성된 모습이 보여진다.

도 4는 본발명의 제2 실시예에 의한 고밀도 플라즈마 반응기의 개략적 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 고밀도 플라즈마 반응기의 상부 전극(124)이 중앙부위의 평탄면과 연결되어 단차가 발생하도록 경사면을 가지면서 양쪽에 상기 중앙부위의 평탄면보다 높도록 평탄면이 형성되어 있다. 상기 상부 전극(124)의 평탄면 상부에는 수평형의 안테나 코일(122b,122c)이 설치된다. 그리고 상부전극(124)의 경사면에는 경사면의 기울기에 맞도록 수직형의 안테나코일(122a)이 형성되어 있다. 상기 안테나 코일(122a,122b,122c)에는 RF 파워 발생기(120)가 병렬로 연결되어 있다. 상기 상부전극(124)의 중앙부위에 설치된 안테나코일(122c)을 제외한 나머지 안테나 코일(122a,122b)에는 상기 RF 파워발생기(120)와의 연결부에 직렬로 가변부하(121a,121b)가 설치되어 있다. 상기 가변부하(121b,121c)는 가변 코일, 가변 커패시터 및 가변 저항 중에서 어느 하나를 선택하여 형성될 수 있다. 또한 상부전극(124)의 하부에 웨이퍼가 가공되는 기판(126)이 설치되어 있고, 상기 기판(126)에 기판용 RF 파워 발생기(128)가 연결되어 있다. 또한 상부전극(124)과 기판(126)사이에 플라즈마(125)가 형성된 모습이 보여진다.

상기 실시예에서 나타나 바와 같이, 상기 상부전극(114)을 단차가 생기도록 형성하여 수평 안테나코일과 수직 안테나코일을 같이 사용하고, 상기 수평 안테나 코일과 수직 안테나 코일에 연결된 가변부하를 사용하여 RF 파워를 적절히 조절한다. 안테나 코일을 사용하게 되면, 안테나 코일 상호간에 공진 상태가 형성되도록 가변 부하를 조절함에 의하여 정합상태를 유지시켜 RF 파워 발생기로부터 공급되는 전력을 반응챔버내의 플라즈마로 효율적으로 전달 할 수 있을 뿐 아니라 반응챔버 내부의 플라즈마 균일도를 향상시킬 수 있다. 나아가 안테나 코일들을 서로 병렬로 연결시켜 공진시킴에 의해서 보다 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 제공하기 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 고밀도 플라즈마를 사용한 반도체 제조 공정에서 웨이퍼의 사이즈가 커지더라도 높은 공정 균일도를 갖는 플라즈마를 얻을 수 있다. 또한 상부전극을 단차를 두고 형성하고 수직형 코일과 수평형 코일을 가변 코일, 가변 커패시터 및 가변 저항을 이용하여 파워를 적절히 분배함에 의하여 플라즈마의 균일성 조절이 가능하다.

Claims

균일한 밀도의 플라즈마를 발생시키는 고밀도 플라즈마 반응기에 있어서:

격리된 플라즈마 반응공간을 제공하며, 상기 반응공간의 최상부의 중앙부위의 평탄면과, 상기 중앙부위의 평탄면의 양쪽 에지부위에 단차를 가지며 상기 중앙부위의 평탄면보다 높게 형성된 평탄면이 서로 연결되어 형성된 상부전극을 갖는 반응챔버와;

상기 반응 챔버 내에 반응가스를 도입하기 위한 하나 이상의 가스 공급구와;

단차가 생기는 부위 및 상기 반응 챔버의 평탄면 상에 설치되는 안테나 코일과;

상기 안테나 코일과 병렬로 연결되는 일단이 접지된 RF 파워 발생기와;

상기 단차가 생기는 부위의 안테나 코일 및 양쪽 에지부위의 안테나 코일과 RF 파워 발생기을 각각 직렬로 연결하는 복수개의 가변 부하와;

상기 반응챔버의 하부에 평탄면을 갖는 기판과;

상기 기판과 직렬로 연결되는 일단이 접지된 RF 파워 발생기를 구비하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 반응챔버의 최상부에 위치하는 중앙 부위의 평탄면 및 양쪽 에지부위의 평탄면은 서로 분리가 가능함을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 반응기.
제2항에 있어서,

상기 반응챔버의 최상부에 위치하는 평탄면은 단차가 발생하는 부위가 평탄면에 대하여 수직임을 특징으로 하는 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 반응챔버의 최상부에 위치하는 평탄면은 단차가 발생하는 부위가 일정한 경사를 갖는 경사면임을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 반응기.
제3항 또는 제4항에 있어서,

상기 공명 안테나 코일의 안테나는 속이 빈 튜브형인 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 반응기.
제5항에 있어서,

상기 반응챔버의 평탄면에 위치되는 공명 안테나 코일은 수평형 코일임을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 반응기.
제6항에 있어서,

상기 반응챔버의 평탄면의 단차가 발생하는 부위에 위치되는 공명 안테나 코일은 수직형 코일임을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 반응기.
제7항에 있어서,

상기 복수개의 가변 부하는 가변 커패시터, 가변 코일 및 가변 저항 중 어느 하나를 선택함에 의하여 구성됨을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 반응기.