KR20060056439A - Apparatus for manufacturing semiconductor using plasma - Google Patents

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고경석
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Abstract

본 발명은 플라즈마 박막 제조장치에 관한 것으로 고밀도 플라즈마와 자기장을 이용하여 고집적 반도체 소자에 적합한 저온 절연막을 균일한 두께로 형성하고, 우수한 신뢰성과 절연 특성을 확보하여 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 필요한 초박막을 형성하는데 효과가 있다. 이를 위한 본 발명의 플라즈마 박막 제조장치는 상부전극을 포함하는 공정챔버; 상기 상부전극에 전력을 인가하기 위한 제1 고주파 발생기; 상기 공정챔버 내부로 공정가스를 분사하기 위한 가스 주입구; 상기 공정챔버 내에 웨이퍼를 로딩하기 위한 하부전극; 상기 하부전극에 전력을 인가하기 위한 제2 고주파 발생기; 상기 공정챔버 내부를 배기하기 위한 배기구; 및 상기 공정챔버의 둘레를 링 형태로 감싸며, 상기 공정챔버 내부에 자기장을 형성하여 고밀도의 플라즈마를 발생하기 위한 영구자석을 구비하는 것을 특징으로 한다.
The present invention relates to a plasma thin film manufacturing apparatus using a high-density plasma and a magnetic field to form a low-temperature insulating film suitable for highly integrated semiconductor devices with a uniform thickness, and to ensure excellent reliability and insulation properties to increase the degree of integration of semiconductor devices required ultra-thin film It is effective in forming. Plasma thin film manufacturing apparatus of the present invention for this purpose a process chamber comprising an upper electrode; A first high frequency generator for applying power to the upper electrode; A gas inlet for injecting a process gas into the process chamber; A lower electrode for loading a wafer into the process chamber; A second high frequency generator for applying electric power to the lower electrode; An exhaust port for exhausting the inside of the process chamber; And a periphery of the circumference of the process chamber, and a permanent magnet for generating a high density plasma by forming a magnetic field inside the process chamber.

플라즈마, 자기장, 박막, 저온 산화막Plasma, magnetic field, thin film, low temperature oxide

Description

플라즈마 박막 제조장치{Apparatus for manufacturing semiconductor using plasma }Apparatus for manufacturing semiconductor using plasma}

도1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 박막 제조장치를 보여주는 단면도.1 is a cross-sectional view showing a plasma thin film manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.

도2는 상기 영구자석(80, 90)에 의해서 상기 공정챔버(10) 내부에 발생하는 자기장의 자력선을 표시한 도면.
2 is a diagram showing magnetic force lines of a magnetic field generated in the process chamber 10 by the permanent magnets 80 and 90;

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

10 : 공정챔버 20 : 상부전극10: process chamber 20: upper electrode

30 : 제1 고주파 발생기 40 : 가스 주입구30: first high frequency generator 40: gas inlet

50 : 하부전극 60 : 제2 고주파 발생기50: lower electrode 60: second high frequency generator

70 : 배기구 80, 90 : 영구자석70: exhaust port 80, 90: permanent magnet

100 : 상부용기 110 : 하부용기100: upper container 110: lower container

120 : 가스 주입 플레이트 130 : 플라즈마
120: gas injection plate 130: plasma

본 발명은 플라즈마 박막 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하여 저온에서 균일한 두께를 가지는 얇은 절연막을 형성할 수 있는 플라즈마 박막 제조장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma thin film manufacturing apparatus, and more particularly, to a plasma thin film manufacturing apparatus capable of forming a thin insulating film having a uniform thickness at a low temperature by using a plasma.

반도체 소자에서 능동소자로서 모스전계효과 트랜지스터(MOSFET-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)가 많이 사용되는데 집적도가 증가함에 따라 사용하는 절연막의 두께도 점점 얇아지는 추세이다. 그러나 절연막에 인가되는 전압은 감소되지 않기 때문에 절연막의 신뢰성을 확보하는 것이 더욱 중요해진다. 특히 절연막으로 사용하는 실리콘 산화막의 두께가 100?? 이하로 되면 결함이 없는 절연막의 형성이 더욱 어려워지게 된다.In semiconductor devices, MOSFETs are widely used as active devices, and as the degree of integration increases, the thickness of the insulating film used is becoming thinner. However, since the voltage applied to the insulating film is not reduced, it is more important to secure the reliability of the insulating film. Especially, the thickness of the silicon oxide film used as the insulating film is 100 ?? When it becomes below, formation of the insulating film without a defect will become more difficult.

종래의 박막 제조장치를 이용하여 트랜지스터의 절연막으로 사용되는 실리콘 산화막을 형성하는 일반적인 방법은 열산화막을 성장하는 것이다. 상기 열산화막은 700~900??의 고온에서 노(furnace)를 이용하여 산소와 실리콘웨이퍼를 반응시켜서 성장한다. 그런데 트랜지스터에서 절연막으로 사용되는 실리콘 산화막은 산소 가스를 이용하여 건식 산화막을 성장하는 경우 미세기공이나 보이드(void)와 같은 결함이 존재하고, 습식 산화막의 경우는 전기적 특성이 우수하나 산화막의 성정 속도가 빨리 두께를 균일하게 조절하는 것이 어렵다. 집적도가 증가하여 실리콘 산화막의 두께가 50?? 이하를 요구하는 초박막의 경우에 종래의 노를 이용한 열산화막을 균일하게 형성하는 것은 매우 어렵고 누설전류(leakage current)가 증가하여 트랜지스터의 게이트 절연막으로 적용하기 곤란하다. A general method of forming a silicon oxide film used as an insulating film of a transistor using a conventional thin film manufacturing apparatus is to grow a thermal oxide film. The thermal oxide film is grown by reacting oxygen with a silicon wafer using a furnace at a high temperature of 700-900 ° C. However, the silicon oxide film used as the insulating film in the transistor has defects such as micropores or voids when the dry oxide film is grown using oxygen gas, and the wet oxide film has excellent electrical characteristics, but the oxide film formation rate is high. It is difficult to adjust the thickness uniformly quickly. The degree of integration increases, so the thickness of the silicon oxide film is 50 ?? In the case of ultra-thin films requiring the following, it is very difficult to uniformly form a thermal oxide film using a conventional furnace, and it is difficult to apply it as a gate insulating film of a transistor due to an increase in leakage current.

그리고 집적도가 증가함에 따라 반도체 소자의 전기적 특성을 유지하기 위해 서는 고온의 열산화막 공정을 계속 적용하는 것이 점점 더 어려워지고 있다.As the degree of integration increases, it is increasingly difficult to continuously apply a high temperature thermal oxide process to maintain electrical characteristics of semiconductor devices.

또한 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 구조가 복잡해지고 사용하는 절연막의 종류도 다양하여 반도체 기판의 표면에 요철은 가지는 경우에도 절연막을 형성할 필요가 있다. 표면에 요철을 가지고 있는 구조의 반도체 기판에 실리콘 산화막을 형성하는 경우 고온에서 형성하는 열산화막은 요철의 구조에 따라 스트레스가 작용하여 균일한 실리콘 산화막을 형성하는 것이 매우 어렵기 때문에 신뢰성 있는 절연막으로 사용하기가 매우 곤란하다. In addition, as the degree of integration of semiconductor elements increases, the structure becomes more complicated, and the types of insulating films used vary, so that even when the surface of the semiconductor substrate has irregularities, it is necessary to form the insulating films. When forming a silicon oxide film on a semiconductor substrate having a concave-convex structure on the surface, a thermal oxide film formed at a high temperature is used as a reliable insulating film because it is very difficult to form a uniform silicon oxide film due to stress depending on the concave-convex structure It is very difficult to do.

따라서 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 반도체 소자의 신뢰성을 확보하기 위하여 종래의 박막 제조장치를 이용한 열산화막을 대신할 수 있는 누설전류가 작고 결함이 적은 균일한 두께의 절연막을 형성하는 방안이 매우 절실한 상황이다.
Therefore, as the degree of integration of semiconductor devices increases, there is an urgent need to form an insulating film with a uniform thickness and a small leakage current that can replace the thermal oxide film using a conventional thin film manufacturing apparatus in order to secure the reliability of semiconductor devices. Situation.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 고온 공정을 사용하지 않고 고집적 반도체 소자에 사용할 수 있는 신뢰성과 균일성을 가지는 절연막을 형성할 수 있는 플라즈마 박막 제조장치를 제공하는데 있다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a plasma thin film manufacturing apparatus capable of forming an insulating film having reliability and uniformity that can be used in a highly integrated semiconductor device without using a high temperature process. It is.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 박막 제조 장치는 상부전극을 포함하는 공정챔버; 상기 상부전극에 전력을 인가하기 위한 제1 고주파 발생기; 상기 공정챔버 내부로 공정가스를 분사하기 위한 가스 주입구; 상기 공정챔버 내에 웨이퍼를 로딩하기 위한 하부전극; 상기 하부전극에 전력을 인가하기 위한 제2 고주파 발생기; 상기 공정챔버 내부를 배기하기 위한 배기구; 및 상기 공정챔버의 둘레를 링 형태로 감싸며, 상기 공정챔버 내부에 자기장을 형성하여 고밀도의 플라즈마를 발생하기 위한 영구자석을 구비하는 것을 특징으로 한다.Plasma thin film manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention for achieving the above object comprises a process chamber including an upper electrode; A first high frequency generator for applying power to the upper electrode; A gas inlet for injecting a process gas into the process chamber; A lower electrode for loading a wafer into the process chamber; A second high frequency generator for applying electric power to the lower electrode; An exhaust port for exhausting the inside of the process chamber; And a periphery of the circumference of the process chamber, and a permanent magnet for generating a high density plasma by forming a magnetic field inside the process chamber.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 가스 주입구는 가스 분사를 균일하게 하기위한 원판형의 가스 주입 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the gas inlet is characterized in that it comprises a disk-shaped gas injection plate for uniform gas injection.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 공정챔버는 상부용기 및 상기 상부용기와 전기적으로 절연되어 연결된 하부용기를 포함하고, 상기 하부용기는 접지에 연결된 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the process chamber includes an upper vessel and a lower vessel electrically insulated from the upper vessel, wherein the lower vessel is connected to ground.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 배기구는 상기 하부용기에 형성된 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the exhaust port is characterized in that formed in the lower container.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 영구자석은 상기 상부용기의 둘레를 감싸는 한 쌍의 링 형태로 각각 떨어져서 형성된 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the permanent magnet is characterized in that formed in the form of a pair of rings each surrounding the circumference of the upper container.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 상부전극은 상기 상부용기의 둘레의 일부분을 링 형태로 감싸고, 상기 상부전극은 한 쌍의 상기 영구자석 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the upper electrode wraps a portion of the circumference of the upper container in a ring shape, and the upper electrode is located between the pair of permanent magnets.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 하부전극은 접지에 연결된 것을 특징으로 한다. In a preferred embodiment, the lower electrode is characterized in that connected to the ground.                     

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 박막 제조장치를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a plasma thin film manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.

도1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 플라즈마 박막 제조장치는 공정챔버(10), 제1 고주파 발생기(30), 가스 주입구(40), 하부전극(50), 제2 고주파 발생기(60), 배기구(70) 및 영구자석(80,90)을 구비한다. Referring to Figure 1, the plasma thin film manufacturing apparatus of the present invention is a process chamber 10, the first high frequency generator 30, the gas injection port 40, the lower electrode 50, the second high frequency generator 60, Exhaust port 70 and permanent magnets 80 and 90 are provided.

상세하게 설명하면, 상기 공정챔버(10)는 그 내부에 공정가스를 주입하여 플라즈마를 발생시키기 위한 링 형태의 상부전극(20)을 포함하고, 상기 제1 고주파 발생기(30)는 상기 상부전극(20)에 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 이때 상기 공정챔버(10)는 상부용기(100)와 하부용기(110)로 구성되어 외부와 차단되고, 상기 상부용기(100)의 측벽은 상기 상부전극(20)에 의해서 링 형태로 감싸여져 있으며, 상기 하부용기(110)는 절연되어 접지에 연결되어 있어 전력의 안정화에 바람직하다. 상기 상부용기(100)에 형성되어 있는 상기 가스 주입구(40)는 상기 공정챔버(10) 내부로 공정가스를 분사하고, 상기 공정가스를 상기 공정챔버(10) 내부에 균일하게 분사하기 위하여 가스 주입 플레이트(120)가 함께 형성되어 있다. In detail, the process chamber 10 includes a ring-shaped upper electrode 20 for generating plasma by injecting a process gas therein, and the first high frequency generator 30 includes the upper electrode ( 20) to generate a plasma by applying a high frequency power. At this time, the process chamber 10 is composed of the upper container 100 and the lower container 110 is cut off from the outside, the side wall of the upper container 100 is wrapped in a ring shape by the upper electrode 20 The lower container 110 is insulated and connected to ground, which is preferable for stabilizing power. The gas injection hole 40 formed in the upper container 100 injects a process gas into the process chamber 10, and injects a gas into the process chamber 10 to uniformly inject the process gas into the process chamber 10. The plate 120 is formed together.

상기 하부전극(50)은 상기 공정챔버(10) 내에 웨이퍼를 로딩하기 위한 전극이고, 상기 제2 고주파 발생기(60)는 상기 하부전극(50)에 전력을 인가하기 위한 장치이다. 상기 공정챔버(10) 내부를 배기하기 위하여 상기 배기구(70)가 상기 하부용기(110)에 형성되어 있고, 상기 공정챔버(10)의 측벽을 링 형태로 감싸는 상기 영구자석(80, 90)은 상기 공정챔버(10) 내부에 자기장을 형성하여 저온에서 고밀도 의 플라즈마(130)를 발생하는데 필요하다. 이때, 상기 영구자석(80, 90)은 상기 플라즈마(130)를 고밀도로 유지하기 위하여 상기 상부용기(100)의 측벽을 감싸는 한 쌍의 링 형태로 각각 떨어져서 형성되고, 상기 상부전극(20)은 한 쌍의 상기 영구자석(80, 90) 사이에 위치하는 것이 상기 플라즈마(130)를 고밀도로 형성하는데 유리하다.The lower electrode 50 is an electrode for loading a wafer into the process chamber 10, and the second high frequency generator 60 is an apparatus for applying power to the lower electrode 50. In order to exhaust the inside of the process chamber 10, the exhaust port 70 is formed in the lower container 110, and the permanent magnets 80 and 90 surrounding the side wall of the process chamber 10 in a ring form are It is necessary to form a magnetic field in the process chamber 10 to generate a high-density plasma 130 at a low temperature. In this case, the permanent magnets (80, 90) are formed in a pair of ring shape surrounding the side wall of the upper container 100 in order to maintain the plasma 130 in a high density, the upper electrode 20 is Positioning between the pair of permanent magnets 80 and 90 is advantageous for forming the plasma 130 at a high density.

도2는 상기 영구자석(80, 90)에 의해서 상기 공정챔버(10) 내부에 발생하는 자기장의 자력선을 표시한 도면이다.FIG. 2 is a diagram showing magnetic force lines of a magnetic field generated in the process chamber 10 by the permanent magnets 80 and 90.

도2를 참조하여 설명하면, 상기 공정챔버(10)의 측벽을 감싸는 상기 영구자석(80, 90)에 의해서 상기 공정챔버(10) 내부에 도2와 같이 웨이퍼 주변에 자기장을 형성하여 상기 웨이퍼 주변의 플라즈마를 낮은 에너지와 고밀도로 유지하게 한다. 또한 상기 제1 고주파 발생기(60)를 조절하며 상기 플라즈마의 방향성도 조절할 수 있는 장점이 있다.Referring to FIG. 2, a magnetic field is formed around the wafer inside the process chamber 10 by the permanent magnets 80 and 90 surrounding the sidewalls of the process chamber 10, as shown in FIG. 2. To keep the plasma at low energy and high density. In addition, there is an advantage that can adjust the direction of the plasma control the first high frequency generator 60.

본 발명의 플라즈마 박막 제조장치를 이용하여 실리콘 산화막을 성장시키는 경우 상기 공정가스는 적어도 산소 가스를 포함하고 있으며 다른 불활성 가스나 분위기 가스를 첨가할 수 있다. 종래의 경우와 달리 실리콘 산화막을 웨이퍼에 형성하는 경우 고밀도 플라즈마에 의해서 반응에너지가 낮아지기 때문에 저온에서 산화가 가능하고, 낮은 에너지의 플라즈마를 이용하여 절연막을 형성하기 때문에 균일한 특성을 가지는 실리콘 산화막을 초박막으로 형성할 수 있다. 저온 공정이 가능하기 때문에 반도체 소자의 고온 공정을 감소시켜서 소자의 신뢰성을 증가시킬 수 있고, 고집적화에 유리하다. When the silicon oxide film is grown using the plasma thin film manufacturing apparatus of the present invention, the process gas contains at least oxygen gas, and another inert gas or an atmosphere gas may be added. Unlike the conventional case, when the silicon oxide film is formed on the wafer, since the reaction energy is lowered by the high density plasma, oxidation is possible at low temperature, and since the insulating film is formed by using the low energy plasma, the silicon oxide film having the uniform characteristics is ultra thin film. It can be formed as. Since a low temperature process is possible, the high temperature process of a semiconductor device can be reduced and the reliability of a device can be increased and it is advantageous for high integration.                     

또한 고밀도 플라즈마와 자기장을 이용하여 초박막을 필요로 하는 고집적 반도체 소자에 적합한 박막을 형성하는 경우 균일한 실리콘 산화막을 형성하여 종래의 공정에 의해서 생성된 실리콘 산화막에 비하여 누설전류가 적고, 표면에 요철 있는 경우에도 우수한 신뢰성 확보가 용이하다. In addition, when forming a thin film suitable for a highly integrated semiconductor device that requires an ultra-thin film by using a high density plasma and a magnetic field, a uniform silicon oxide film is formed, so that there is less leakage current than the silicon oxide film produced by a conventional process, and the surface has irregularities. Even if it is easy to secure excellent reliability.

이상에서, 본 발명의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
In the above, the configuration and operation of the present invention has been shown in accordance with the above description and drawings, but this is merely described, for example, and various changes and modifications are possible without departing from the spirit and scope of the present invention. .

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고밀도 플라즈마와 자기장을 이용하여 고집적 반도체 소자에 적합한 저온 절연막을 균일한 두께로 형성하고, 우수한 신뢰성과 절연 특성을 확보하여 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 필요한 초박막을 형성하는데 효과가 있다.

As described above, according to the present invention, by using a high density plasma and a magnetic field, a low temperature insulating film suitable for a highly integrated semiconductor device is formed to have a uniform thickness, and excellent reliability and insulation characteristics are ensured to increase the required ultra thin film as the integration degree of the semiconductor device is increased. It is effective in forming.

Claims (9)

상부전극을 포함하는 공정챔버;A process chamber including an upper electrode; 상기 상부전극에 전력을 인가하기 위한 제1 고주파 발생기;A first high frequency generator for applying power to the upper electrode; 상기 공정챔버 내부로 공정가스를 분사하기 위한 가스 주입구;A gas inlet for injecting a process gas into the process chamber; 상기 공정챔버 내에 웨이퍼를 로딩하기 위한 하부전극;A lower electrode for loading a wafer into the process chamber; 상기 하부전극에 전력을 인가하기 위한 제2 고주파 발생기; A second high frequency generator for applying electric power to the lower electrode; 상기 공정챔버 내부를 배기하기 위한 배기구; 및An exhaust port for exhausting the inside of the process chamber; And 상기 공정챔버의 둘레를 링 형태로 감싸며, 상기 공정챔버 내부에 자기장을 형성하여 고밀도의 플라즈마를 발생하기 위한 영구자석을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 제조장치.Wrapping the circumference of the process chamber in the form of a ring, the plasma thin film manufacturing apparatus characterized in that it comprises a permanent magnet for generating a high-density plasma by forming a magnetic field inside the process chamber. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 가스 주입구는 가스 분사를 균일하게 하기위한 원판형의 가스 주입 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 제조장치.The gas injection port is a plasma thin film manufacturing apparatus, characterized in that it comprises a disk-shaped gas injection plate for uniform gas injection. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 공정챔버는 상부용기 및 상기 상부용기와 전기적으로 절연되어 연결된 하부용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 제조장치.The process chamber is a plasma thin film manufacturing apparatus comprising an upper container and a lower container electrically insulated from the upper container. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 하부용기는 접지에 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 제조장치.The lower container is a plasma thin film manufacturing apparatus, characterized in that connected to the ground. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,The method according to claim 3 or 4, 상기 배기구는 상기 하부용기에 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 제조장치.The exhaust port is a plasma thin film manufacturing apparatus, characterized in that formed in the lower container. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,The method according to claim 1 or 3, 상기 영구자석은 상기 상부용기의 측벽을 감싸는 한 쌍의 링 형태로 각각 떨어져서 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 제조장치.The permanent magnet is plasma thin film manufacturing apparatus, characterized in that formed in the form of a pair of ring surrounding the side wall of the upper container, respectively. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,The method according to claim 1 or 3, 상기 상부전극은 상기 상부용기의 측벽을 링 형태로 감싸는 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 제조장치.The upper electrode is a plasma thin film manufacturing apparatus, characterized in that for wrapping the side wall of the upper container in the form of a ring. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 상부전극은 한 쌍의 상기 영구자석 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 제조장치.The upper electrode is a plasma thin film manufacturing apparatus, characterized in that located between the pair of permanent magnets. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 하부전극은 접지에 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 제조장치.The lower electrode is a plasma thin film manufacturing apparatus, characterized in that connected to the ground.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101237400B1 (en) * 2010-02-12 2013-02-26 국제엘렉트릭코리아 주식회사 plasma etching apparatus

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