KR20060126227A

KR20060126227A - 반도체 장치 제조용 플라즈마 생성 장치

Info

Publication number: KR20060126227A
Application number: KR1020050047960A
Authority: KR
Inventors: 이창언; 최철환
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2006-12-07
Also published as: KR100688550B1

Abstract

본 발명은 반도체 장치 제조용 플라즈마 생성 장치에 관한 것이다. 본 발명은 프로세스 챔버 내의 복수개의 샤워 헤드들에 연결된 플라즈마 생성 장치에 있어서, 고주파 신호를 발생하는 고주파 발생기와, 상기 고주파 발생기에 연결되며 상기 고주파 발생기의 출력단 임피던스와 샤워 헤드들의 임피던스를 매칭시키는 정합기와, 상기 정합기에 연결되며 상기 정합기로부터 출력되는 고주파 신호를 2개의 동일한 파워를 갖는 고주파 신호들로 분리하는 분배기와, 상기 분배기에 연결되며 이용자의 조작에 따라 상기 분배기로부터 출력되는 고주파 신호의 파워를 조절하여 상기 샤워 헤드들로 전달하는 복수개의 파워 조절기들, 및 상기 복수개의 파워 조절기들에 연결되며 상기 복수개의 파워 조절기들에 입력되는 고주파 신호의 파워를 검출하는 복수개의 고주파 신호 검출기들을 구비함으로써 프로세스 챔버 내에 설치된 복수개의 샤워 헤드들에 의해 동일한 플라즈마가 생성된다.

Description

반도체 장치 제조용 플라즈마 생성 장치{Plasma generating apparatus for fabricating semiconductor device}

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.

도 1은 프로세스 챔버에 연결된 본 발명의 플라즈마 생성 장치의 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시된 제1 또는 제2 파워 조절기의 일 예를 도시한 회로도이다.

도 3은 도 1에 도시된 제1 또는 제2 파워 조절기의 조작에 사용되는 로터리 스위치를 보여준다.

도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 플라즈마 생성 장치를 이용하여 각각 3.9 PE-SION 공정과 11.0 PE-SION 공정을 진행했을 때의 수율을 측정한 결과를 보여주는 그래프들이다.

도 5는 종래의 플라즈마 생성 장치에 의해 웨이퍼에 형성된 막질의 두께를 측정한 결과와 본 발명의 플라즈마 생성 장치에 의해 웨이퍼에 형성된 막질의 두께를 측정한 결과를 비교하기 위한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101; 플라즈마 생성 장치, 111; 고주파 발생기

121; 정합기, 131; 분배기

141,142; 제1 및 제2 파워 조절기들,

151,152; 제1 및 제2 고주파 신호 검출기들

161,162; 샤워 헤드들, 171; 프로세스 챔버

301; 로터리 스위치, 311; 다이얼 게이지

본 발명은 웨이퍼에 반도체 장치들을 형성하는 반도체 공정 장치에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 CVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositing; 이하, CVD로 약칭함) 공정을 진행하기 위하여 하나의 프로세스 챔버에 설치된 복수개의 플라즈마 샤워 헤드들에 고주파 신호를 균일하게 공급하여 프로세스 챔버 내에 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 장치에 관한 것이다.

웨이퍼에 반도체 장치들을 형성하는 반도체 공정들 중에 CVD 방식은 저온(400℃ 대역)에서 웨이퍼에 박막(thin film)을 형성하는 방법이다. CVD 방식은 사용되는 에너지에 따라 열(thermal) CVD와 플라즈마(Plasma Enhanced) CVD로 구분된다. 이 중에서 플라즈마 CVD 방식은 박막을 형성하는데 있어서 에너지원으로써 열 에너지 뿐 아니라 플라즈마 에너지를 사용한다. 플라즈마 CVD 방식에서 플라즈마를 생성하기 위하여 플라즈마 챔버에 고주파(Radio Freqency; RF) 신호를 인가하여 플라즈마 챔버 안의 기체를 이온화시킨다.

기체에 계속 열을 가하여 온도가 수천도가 되면 기체 분자는 원자로 해리되고 또다시 전자와 양전하를 가진 이온으로 전리된다. 이와 같이 고온에서 전자와 이온으로 분리된 기체로서 그 전리도가 남은 중성원자에 비해 상당히 높으면서도 전체적으로는 음과 양의 전하수가 거의 같아서 중성을 띠고 있는 기체를 플라즈마라고 한다. 플라즈마란 이온화된 기체를 말하며, 수억도의 온도를 갖는 초고온 핵융합에 이용되는 플라즈마로부터 최근의 반도체 공정, 신소재 합성 등에 이용되는 저온 글로우 플라즈마나 아크플라즈마에 이르기까지 다양한 응용범위를 갖는다.

플라즈마는 주로 전기적인 방법에 의해 직류, 고주파, 초고주파를 이용하거나 전자빔에 의해 생성되어지며, 생성된 플라즈마를 유지하기 위해서 자기장이 사용되어진다. 플라즈마 CVD 공정에서 형성된 플라즈마의 밀도에 따라 박막의 두께(thickness), 막질의 성질, 습식 식각율(wet etch rate) 등이 틀려지므로 플라즈마 밀도를 정밀하게 맞추는 것이 요구되며, 플라즈마 밀도는 프로세스 챔버에 인가되는 고주파 신호의 세기에 따라 결정된다.

고주파 발생기에서 생성된 고주파 신호는 임피던스(impedence)를 50[Ω]에 맞추어 생성되는 것으로 프로세스 챔버의 임피던스가 50[Ω]으로 항상 일정하게 유지되기 않기 때문에 저항이 변화가 되면 고주파 신호가 고주파 발생기로 역류하는 반사 전력(reflect power)이 발생할 수가 있다. 그렇기 때문에 프로세스 챔버의 저항을 50[Ω]으로 보정시켜주는 매치 박스(match box)를 사용하여 고주파 신호를 최대 효율로 프로세스 챔버로 보내준다.

기존에는 1개의 고주파 발생기에서 출력되는 고주파 신호를 1개의 매치 박스에서 매칭시켜서 프로세스 챔버의 2개의 샤워 헤드(showerhead)들로 공급해주고 있다. 즉, 1개의 고주파 발생기에서 출력되는 고주파 신호가 매치 박스에 의해서 매칭된 후 2개의 샤워 헤드들로 절반씩 공급된다. 이와 같이, 2개의 샤워 헤드들로 공급되는 고주파 신호들은 각각 고주파 발생기에서 출력되는 고주파 신호의 파워가 (1/2)이 되어야 하지만 실제로는 샤워 헤드들간의 저항이나 표면 상태 차이에 의해 정확히 (1/2)이 되지 않는다. 이와 같이, 고주파 신호가 샤워 헤드별로 다르게 공급됨에 따라 CVD 공정 진행 중 웨이퍼에 증착되는 막질의 두께가 변화된다.

때문에, 기존의 방법은 1개의 프로세스 챔버 내에 설치된 2개의 샤워 헤드들에 동일한 고주파 신호가 인가되는지를 확인하기 위하여 웨이퍼에 PeSiON 공정을 진행하고, 이 때 생성된 PeSiON의 두께를 측정하여 그 두께를 가지고 고주파 신호의 파워를 조절하여 맞춘다.

이와 같이, 종래에는 PeSiON 공정을 진행하고 그 값을 측정해야함으로 시간적 손실이 크고 그 측정값인 웨이퍼의 두께가 고주파 신호의 전력에만 영향을 받는 인자가 아니므로 신뢰성이 떨어진다.

본 발명은 1개의 프로세스 챔버 내에 설치된 복수개의 플라즈마 샤워 헤드들이 동일한 양의 플라즈마를 생성할 수 있도록 상기 플라즈마 헤드들에 공급되는 고주파 신호의 파워를 균일하게 하는 반도체 장치 제조용 플라즈마 생성 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은

프로세스 챔버 내의 복수개의 샤워 헤드들에 연결된 플라즈마 생성 장치에 있어서, 고주파 신호를 발생하는 고주파 발생기와, 상기 고주파 발생기에 연결되며 상기 고주파 발생기의 출력단 임피던스와 샤워 헤드들의 임피던스를 매칭시키는 정합기와, 상기 정합기에 연결되며 상기 정합기로부터 출력되는 고주파 신호를 2개의 동일한 파워를 갖는 고주파 신호들로 분리하는 분배기와, 상기 분배기에 연결되며 이용자의 조작에 따라 상기 분배기로부터 출력되는 고주파 신호의 파워를 조절하여 상기 샤워 헤드들로 전달하는 복수개의 파워 조절기들, 및 상기 복수개의 파워 조절기들에 연결되며 상기 복수개의 파워 조절기들에 입력되는 고주파 신호의 파워를 검출하는 복수개의 고주파 신호 검출기들을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조용 플라즈마 생성 장치를 제공한다.

상기 복수개의 파워 조절기들에는 각각 스위치가 연결되며, 상기 스위치에는 상기 고주파 신호의 파워를 표시하는 다이얼 게이지가 부착되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 프로세스 챔버에 연결된 본 발명의 플라즈마 생성 장치의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 프로세스 챔버(171) 내에 2개의 샤워 헤드들(161,162)이 설치되며, 본 발명의 플라즈마 생성 장치(101)는 고주파 발생기(111), 정합기(121), 분배기(131), 제1 및 제2 고주파 신호 검출기들(141,142), 및 제1 및 제2 파워 조절기들(151,152)을 구비한다.

고주파 발생기(111)는 높은 주파수를 갖는 고주파 신호를 발생한다.

정합기(121)는 고주파 발생기(111)에 연결되며, 고주파 발생기(111)로부터 출력되는 고주파 신호가 최대의 효율로 샤워 헤드들(161,162)에 전달될 수 있도록 고주파 발생기(111)의 출력단 임피던스(impedance)와 샤워 헤드들(161,162)의 임피던스를 서로 매칭(maching)시킨다. 정합기(121)는 매치 박스(Match Box)로 불려지기도 한다.

분배기(131)는 정합기(121)에 연결되며, 정합기(121)에서 출력되는 고주파 신호를 2개의 동일한 파워를 갖는 고주파 신호들로 분리하여 제1 및 제2 고주파 파워 조절기들(151,152)로 전송한다.

분배기(131)는 도전선들(L1,L2)을 통해 제1 및 제2 파워 조절기들(151,152)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 도전선들(L1,L2)은 분배기(131)로부터 출력되는 고주파 신호들을 제1 및 제2 파워 조절기들(151,152)로 전송한다.

제1 파워 조절기(151)는 분배기(131)로부터 샤워 헤드(161)로 전달되는 고주파 신호의 파워를 변경시킨다. 즉, 이용자가 제1 파워 조절기(151)를 조작함에 따라 분배기(131)로부터 출력되는 고주파 신호의 파워가 다른 값으로 변경되어 샤워 헤드(161)로 전달된다.

제2 파워 조절기(152)는 분배기(131)로부터 샤워 헤드(162)로 전달되는 고주파 신호의 파워를 변경시킨다. 즉, 이용자가 제2 파워 조절기(152)를 조작함에 따 라 분배기(131)로부터 출력되는 고주파 신호의 파워가 다른 값으로 변경되어 샤워 헤드(162)로 전달된다.

제1 고주파 신호 검출기(141)는 도전선(L1)에 연결된다. 제1 고주파 신호 검출기(141)는 도전선(L1)을 통해서 전달되는 고주파 신호의 파워를 검출한다. 제1 고주파 신호 검출기(141)에 의해 검출된 고주파 신호의 파워는 화면(미도시)에 디스플레이되거나 프린터(미도시)에 의해 인쇄되어 이용자에게 검출된 값을 알려준다.

제2 고주파 신호 검출기(142)는 도전선(L2)에 연결된다. 제2 고주파 신호 검출기(142)는 도전선(L2)을 통해서 전달되는 고주파 신호의 파워를 검출한다. 제2 고주파 신호 검출기(142)에 의해 검출된 고주파 신호의 파워는 상기 화면에 디스플레이되거나 상기 프린터에 의해 인쇄되어 이용자에게 검출된 값을 알려준다.

샤워 헤드들(161,162)은 제1 및 제2 파워 조절기들(151,152)로부터 전달되는 고주파 신호들을 받아서 챔버(171) 내에 주입된 기체에 인가하여 플라즈마를 생성한다.

샤워 헤드들(161,162)은 2개 이상으로 구성될 수 있으며, 이에 따라 제1 및 제2 파워 조절기들(151,152)과 제1 및 제2 고주파 신호 검출기들(141,142)도 2개 이상으로 구성될 수 있다.

플라즈마 생성 장치(101)가 플라즈마를 생성하는 동작을 설명하기로 한다.

먼저, 프로세스 챔버(171) 내에 기체가 공급된다.

이 상태에서, 고주파 발생기(111)가 고주파 신호를 발생하여 정합기(121)로 전송한다.

정합기(121)는 고주파 발생기(111)와 샤워 헤드들(161,162)의 임피던스를 매칭시켜서 분배기(131)로 전달한다.

분배기(131)는 정합기(121)로부터 출력되는 고주파 신호를 2개로 분리하여 하나는 제1 파워 조절기(151)로 전달하고, 다른 하나는 제2 파워 조절기(152)로 전달한다.

동시에, 제1 및 제2 고주파 신호 검출기들(141,142)은 도전선들(L1,L2)을 통해 전송되는 고주파 신호들의 파워를 검출하여 디스플레이한다. 그러면, 이용자는 디스플레이된 고주파 신호들을 체크하고 서로 동일하면 그대로 두고, 서로 다를 경우에는 제1 파워 조절기(151) 또는 제2 파워 조절기(152)를 조작하여 샤워 헤드들(161,162)로 전달되는 고주파 신호의 파워를 조절한다. 예컨대, 제1 파워 조절기(151)로 전송되는 고주파 신호의 파워가 제2 파워 조절기(152)로 전송되는 고주파 신호의 파워보다 클 경우, 이용자는 제1 파워 조절기(151)를 조작하여 제1 파워 조절기(151)로부터 출력되는 고주파 신호의 파워를 낮추어서 제2 파워 조절기(152)로부터 출력되는 고주파 신호의 파워와 동일하게 한다.

이와 같이, 제1 및 제2 고주파 신호 검출기들(141,142)에 의해 제1 및 제2 파워 조절기들(151,152)로 전송되는 고주파 신호들의 파워를 검출하고 이들간에 파워의 차이가 있을 경우에는 이용자는 제1 파워 조절기(151) 또는 제2 파워 조절기(152)를 조작하여 샤워 헤드들(161,162)로 전달되는 고주파 신호들의 파워를 동일하게 맞추어줌으로써 샤워 헤드들(161,162)에 의해 발생되는 플라즈마에 의해 프로 세스 챔버(171) 내에 장착된 웨이퍼들(미도시)에는 동일한 두께의 막질이 형성된다. 즉, 종래와 같이 2개의 샤워 헤드들(161,162)에 동일한 고주파 신호가 인가되는지를 확인하기 위하여 웨이퍼에 플라즈마 CVD 공정을 진행한 후에 생성된 막질의 두께를 측정할 필요가 없다.

아래 표 1은 본 발명의 플라즈마 생성 장치(101)를 이용하여 웨이퍼에 막질을 형성하는 과정을 여러번 실시한 결과를 보여준다.

슬롯	상부	좌측	중앙	우측	하부	평균	범위	난반사
1	588	606	591	607	595	598	18	2.09
2	578	590	573	601	578	584	27	2.10
27	589	606	592	607	594	597	17	2.09
28	585	593	580	605	581	589	24	2.09
53	594	614	597	612	599	603	19	2.09
54	591	601	587	616	590	597	29	2.09
77	592	610	594	611	596	601	19	2.09
78	588	598	585	615	585	594	29	2.09
79	577	594	582	598	583	587	20	2.09
80	577	587	574	597	575	582	23	2.09

표 1에 나타난 바와 같이 막질의 두께의 평균값들이 비슷하고, 범위에도 큰 차이가 없으며, 난반사도 매우 적음을 알 수 있다. 표 1에서 슬롯들(1∼78)은 프로세스 챔버(171)를 세정하기 전에 수행된 결과이고, 슬롯들(89,80)은 프로세스 챔버(171)를 세정한 후에 수행된 결과이다.

도 2는 도 1에 도시된 제1 또는 제2 파워 조절기(151 또는 152)의 일 예를 도시한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 제1 또는 제2 파워 조절기(151 또는 152)는 고정 캐패시터(211)와 가변 캐피시터(221)를 구비한다. 가변 캐패시터(221)의 정전용량을 가변시킴으로써 제1 또는 제2 파워 조절기(151 또는 152)의 전체 정전용량이 변경되고, 그에 따라서 제1 또는 제2 파워 조절기(151 또는 152)로부터 출력되는 고주파 신호의 파워가 변경된다. 즉, 아래 수학식 1에 의해 정전용량이 커지면 전압이 감소하고, 정전용량이 작아지면 전압이 증가한다.

V =

도 3은 도 1에 도시된 제1 또는 제2 파워 조절기(151 또는 152)의 조작에 사용되는 로터리 스위치를 보여준다. 도 3을 참조하면 로터리 스위치(301)에는 눈금이 표시된 다이얼 게이지(Dial Gauge)(311)와 고주파 신호의 파워를 조절하기 위한 손잡이(321)가 부착되어 있다.

이와 같이, 로터리 스위치(301)에 다이얼 게이지(311)가 부착되어 있기 때문에 이용자는 로터리 스위치(301)를 조작할 때 제1 또는 제2 파워 조절기(151 또는 152)의 파워가 변경되는 값을 알 수 있으므로, 이용자는 자신이 원하는 정전용량만큼 조절할 수가 있다.

도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 플라즈마 생성 장치(101)를 이용하여 각각 3.9 PE-SION 공정과 11.0 PE-SION 공정을 진행했을 때의 수율을 측정한 결과를 보여주는 그래프들이다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 본 발명의 플라즈마 생성 장치(101)를 이용할 경우, 수율이 매우 높게 나타남을 알 수 있다.

도 5는 종래의 플라즈마 생성 장치에 의해 웨이퍼에 형성된 막질의 두께를 측정한 결과(511)와 본 발명의 플라즈마 생성 장치(101)에 의해 웨이퍼에 형성된 막질의 두께를 측정한 결과(521)를 비교하기 위한 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 플라즈마 생성 장치에 의해 웨이퍼에 막질 을 형성할 경우에는 표준편자가 8.98이며, 본 발명의 플라즈마 생성 장치(101)에 의해 웨이퍼에 막질을 형성할 경우에는 표준편자가 6.06이다.

이와 같이, 본 발명의 플라즈마 생성 장치(101)를 사용하여 웨이퍼에 막질을 형성할 경에 표준편자가 종래에 비해 32% 감소함을 알 수가 있다.

본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 상기 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따라 제1 및 제2 고주파 신호 검출기들(141,142)을 구비하여 제1 및 제2 파워 조절기들(151,152)로 전송되는 고주파 신호들의 파워를 검출하고 이들간에 파워의 차이가 있을 경우에는 이용자는 제1 파워 조절기(151) 또는 제2 파워 조절기(152)를 조작하여 샤워 헤드들(161,162)로 전달되는 고주파 신호들의 파워를 동일하게 맞추어줌으로써 샤워 헤드들(161,162)에 의해 발생되는 플라즈마에 의해 웨이퍼들에는 동일한 두께의 막질이 형성된다. 따라서, 종래와 같이 2개의 샤워 헤드들(161,162)에 동일한 고주파 신호가 인가되는지를 확인하기 위하여 웨이퍼에 플라즈마 CVD 공정을 진행하고, 이 때 생성된 막질의 두께를 측정할 필요가 없으므로, CVD 공정을 진행하기 위한 플라즈마 생성 장치의 준비 시간이 대폭적으로 단축된다.

또한, 제1 또는 제2 파워 조절기(151 또는 152)의 조작에 사용되는 로터리 스위치(301)에 눈금이 표시된 다이얼 게이지(311)가 장착되어 있음으로 인하여 이용자가 로터리 스위치(301)를 조작할 때 제1 또는 제2 파워 조절기(151 또는 152)의 정전용량의 변경되는 값을 알 수 있다. 따라서, 이용자는 자신이 원하는 정전용량만큼 조절할 수가 있다.

Claims

프로세스 챔버 내의 복수개의 샤워 헤드들에 연결된 플라즈마 생성 장치에 있어서,

고주파 신호를 발생하는 고주파 발생기;

상기 고주파 발생기에 연결되며, 상기 고주파 발생기의 출력단 임피던스와 샤워 헤드들의 임피던스를 매칭시키는 정합기;

상기 정합기에 연결되며, 상기 정합기로부터 출력되는 고주파 신호를 2개의 동일한 파워를 갖는 고주파 신호들로 분리하는 분배기;

상기 분배기에 연결되며, 이용자의 조작에 따라 상기 분배기로부터 출력되는 고주파 신호의 파워를 조절하여 상기 샤워 헤드들로 전달하는 복수개의 파워 조절기들; 및

상기 복수개의 파워 조절기들에 연결되며, 상기 복수개의 파워 조절기들에 입력되는 고주파 신호의 파워를 검출하는 복수개의 고주파 신호 검출기들을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조용 플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 분배기와 상기 복수개의 파워 조절기들에 연결되며, 상기 분배기로부터 출력되는 고주파 신호를 전송하는 복수개의 도전선들을 더 구비하며, 상기 복수개의 고주파 신호 검출기들은 상기 도전선들에 하나씩 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조용 플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 복수개의 파워 조절기들에는 각각 스위치가 연결되며, 상기 스위치에는 상기 고주파 신호의 파워를 표시하는 다이얼 게이지가 부착된 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조용 플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 파워 조절기들은 각각 상기 분배기로부터 전송되는 고주파 신호의 주파수를 가변시키는 가변 캐패시터를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조용 플라즈마 생성 장치.