KR20070069359A

KR20070069359A - 플라즈마 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어방법

Info

Publication number: KR20070069359A
Application number: KR1020050131363A
Authority: KR
Inventors: 변태준
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-07-03

Abstract

플라즈마를 균일하게 형성할 수 있는 플라즈마 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 기판을 식각하기 위한 플라즈마를 형성한 후 성된 플라즈마로부터 방출되는 광의 파장별 세기를 실시간으로 검출함으로써 상기 광의 파장별 세기를 상기 플라즈마 상태를 나타내는 전압 신호 값으로 생성한다. 이후 상기 전압 신호 값을 제공받아 상기 플라즈마 상태를 실시간으로 모니터링한 후 플라즈마 상태의 모니터링 값을 제공받아 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값을 제어함으로써 상기 플라즈마를 안정한 상태로 유지시킨다. 이와 같은 방법은 균일한 밀도를 갖는 플라즈마를 형성하기 위해 상기 플라즈마를 실시간으로 모니터링 하는 동시에 제어할 수 있다.

Description

플라즈마 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어방법{apparatus for forming plasma and method of controlling plasma using the same}

도 1은 플라즈마 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 장치를 이용한 플라즈마 형성 및 플라즈마의 제어 방법을 나타내는 공정흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 플라즈마 장치 102 : 기판

110 : 챔버 114 : 윈도우

120 : 기판 스테이지 130 : 가스 제공부

140 : 가스 배기부 150 : 플라즈마 발생부

160 : 플라즈마 감도 측정부 165 : 연산부

170 : 제어부

본 발명은 플라즈마 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 모니터링이 용이한 플라즈마 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어 방법에 관한 것이다.

최근 급속도로 발전하고 있는 반도체 산업은 플라즈마를 이용한 증착(deposition) 및 식각(etching) 등의 반도체 제조기술이 개발, 활용됨에 따라 그 발전속도가 더욱 가속화되고 있다. 특히 최근에 반도체 소자의 고집적화로 인해 소자의 미세화 및 대면적화가 강하게 요구됨에 따라 이러한 플라즈마를 이용한 반도체 제조공정은 더욱 중요한 역할을 차지하게 되었다.

일반적으로, 상기 플라즈마는 RF(radio frequency) 파워를 인가 받는 플라즈마 발생부로부터 생성된 자기장이 공정 챔버 내부로 도입되는 반응 가스를 여기시켜 형성된다. 이렇게 형성된 플라즈마는 기판 상에 형성된 막질을 제거하는데 있어서 중요한 공정 요소에 해당한다. 따라서 상기 플라즈마가 불안정한 상태를 가질 경우에는 상기 막질의 식각 불량, 파티클 발생 등의 문제점이 발생하게 된다. 이러한 문제점은 형성되는 이후 공정을 수행하여 형성되는 반도체 소자의 불량을 초래한다.

이러한 문제점을 초래하는 플라즈마 상태의 불안정성 여부를 감지하기 위해서 현재 상기 플라즈마를 형성하는 요소들을 간접적으로 모니터링하여 상기 각각의 요소들의 비정상적인 신호를 모니터링하여 감지함으로써 상기 식각 공정 중의 플라즈마의 상태의 불안정성 여부를 판단하고 있다. 상기 플라즈마 형성 요소의 예로서는 공정진행 압력, 플라즈마 발생부에 인가되는 RF 파워의 세기, 공정 챔버 내부로 유입되는 공정 가스의 량을 들 수 있다.

하지만, 이러한 플라즈마의 형성 요소들의 모니터링을 수행하여, 공정 챔버 내부에서 생성된 플라즈마의 상태를 직접적으로 감지해 내는 것은 실질적으로 난해할 뿐만 아니라 상기 요소들의 미묘한 변화 차로 형성되는 플라즈마의 불안정한 상태를 감지하는 어렵다.

즉, 상기 공정 챔버 내부의 환경 변화는 플라즈마를 형성하는 요소 외에 다양한 경로를 통해 그 성질이 바뀔 수 있으므로 통상 플라즈마 형성의 인자들만을 모니터링을 해서는 정확하게 플라즈마의 이상상태를 감지해 낼 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 식각 공정을 수행할 때 환경 변화에 의해 변화할 수 있는 플라즈마의 상태를 직접적으로 모니터링 함으로써 상기 플라즈마를 제어하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 식각 공정을 수행할 때 환경 변화에 의해 변화할 수 있는 플라즈마의 상태를 직접적으로 모니터링 하여 이를 제어할 수 있는 플라즈마 장치를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제어 방법에 따르면, 먼저, 플라즈마를 형성하기 위한 요소인 챔버 내부 압력, 반응가스의 량, RF 파워의 세기 등을 제어하여 상기 챔버 내에서 기판을 식각하기 위한 플라즈마를 형성한다. 상기 형성된 플라즈마로부터 방출되는 광의 파장별 세기를 실시간으로 검출함으로써 상기 광의 파장별 세기를 상기 플라즈마 상태를 나타내는 전압 신호 값으로 생성한다. 상기 전압 신호 값을 제공받아 상기 플라즈마 상태를 실시 간으로 모니터링한다. 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값 및 상기 플라즈마 상태의 모니터링 값을 제공받아 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값을 제어한다. 그 결과 상기 플라즈마를 안정한 상태로 유지시킬 수 있다.

일 예로서, 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값은 플라즈마를 형성하기 위한 요소인 챔버 내부 압력, 반응가스의 량, RF 파워의 세기를 실시간 신호 모니터링을 통해 수득할 수 있다.

또한, 상기 광의 파장별 세기는 상기 챔버의 일측에 형성된 창에 구비되는 플라즈마 감도 측정부를 이용하여 측정할 수 있다.

상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치에 따르면, 플라즈마를 이용하여 기판에 형성된 막을 식각하는 공정이 수행되는 공간을 제공하는 챔버를 포함한다. 상기 챔버 내에 설치되고, 상기 기판이 놓여지는 기판 스테이지를 포함한다. 상기 플라즈마를 형성하기 위한 반응가스를 상기 기판 상으로 제공하는 가스 제공부를 포함한다. RF파워 제공부로부터 RF 파워를 인가 받아 전계를 형성함으로써 제공되는 반응가스를 플라즈마로 상태로 형성하는 플라즈마 발생부를 포함한다. 상기 챔버의 일측에 형성된 창에 구비되고, 상기 플라즈마로부터 방출되는 광의 파장별의 세기를 실시간으로 검출하여 상기 파장별 세기를 전압신호로 감지하는 플라즈마 감도 측정부를 포함한다. 상기 전압 신호를 제공받아 상기 플라즈마의 상태에 따른 상기 플라즈마 형성 인자들의 변화를 모니터링하는 동시에 상기 인자들의 제어함으로써 상기 안정화된 상태를 갖는 플라즈마를 형성하는 제어부를 포함하는 구조를 갖는다.

상술한 플라즈마 장치를 이용한 플라즈마 제어 방법은 상기 광의 파장별 세기를 상기 플라즈마 상태를 나타내는 전압 신호 값으로 생성하고, 상기 전압 신호 값을 이용하여 상기 플라즈마 상태를 실시간으로 모니터링한 이후에 상기 플라즈마 상태의 모니터링 값을 제공받아 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값을 제어하는 데 그 특징이 있다. 이러한 방법은 기존의 실시간 결함 분석 모니터링 기술에 접목되어 상기 플라즈마 세기 또는 감도를 실시간으로 모니터링 및 제어할 수 있다. 그 결과 상기 플라즈마 식각 공정의 이상을 여부를 정확하게 감지할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 플라즈마 식각 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 상기 플라즈마 장치는 기판에 형성된 막을 식각하기 위해 형성된 플라즈마 세기의 모니터링하는 동시에 상기 플라즈마의 상태를 균일하게 제어할 수 있는 플라즈마 식각 장치이다

상기 플라즈마 식각 장치(100)는 플라즈마를 이용하여 기판에 형성된 막을 식각하는 공정이 수행되는 공간을 제공하는 공정 챔버(110)와, 상기 기판이 놓여지는 기판 스테이지(120)와 상기 플라즈마 형성에 적용되는 반응가스를 상기 기판 상으로 제공하는 가스 제공부(130)와, 가스 배기부(140), RF 파워를 인가 받아 전계를 형성함으로써 상기 반응가스를 플라즈마로 상태로 형성하는 플라즈마 발생부(150)와 상기 플라즈마로부터 방출되는 광의 파장별의 세기를 실시간으로 검출하여 상기 파장별 세기를 전압신호로 감지하는 플라즈마 감도 측정부(160) 및 상기 플라즈마 형성 요인들의 변화 값을 제어하는 제어부(170)를 포함하는 구성을 갖는다.

구체적으로 상기 공정 챔버(110)는 가스 제공부(130)를 통해 유입되는 반응 가스를 플라즈마 상태로 형성하는 공간을 제공하는 동시에 상기 플라즈마를 이용하여 상기 기판의 표면에 형성된 막을 건식 식각하는 공간을 제공한다. 일 예로, 상기 챔버(110)는 원통형 형상을 갖고, 그 상면이 평평한 구조를 갖거나 반구 형상을 가질 수 있다.

상기 기판 스테이지(120)는 상기 챔버 내 하방에 구비되고 원판 형태를 가지면서 상기 챔버 내부로 유입되는 기판(102)을 지지한다. 상기 기판(102)은 스테이지(120)하부에 구비되어 상기 스테이지를 관통하여 수직 방향으로 배치된 다수의 리프트 핀들(미도시)에 의해 기판 스테이지(120) 상으로 로딩될 수 있으며 상기 스테이지(120)로부터 언 로딩될 수 있다. 상기 리프트 핀들은 상기 스테이지(120)의 하부에 결합되는 리프터들(미도시)에 의해 수직 방향으로 구동될 수 있다.

도면에 도시하지 않았지만 상기 기판 스테이지(120)의 하부면 또는 내부에는 상기 스테이지(120) 상에 지지되는 기판(102)을 가열하기 위한 히터(미도시) 및 상기 챔버(110) 내부의 반응 온도를 유지하기 위한 온도 센서를 더 포함한다. 상기 히터로는 램프 방식의 히터 또는 열선 방식의 히터가 사용될 수 있으며, 온도 센서로는 열전대 온도계가 사용될 수 있다. 또한 상기 기판 스테이지에는 상기 바이어스 파워가 인가되는 하부 전극(미도시)을 더 포함한다. 상기 하부 전극은 바이어스 파워가 인가되어 상기 기판 상부에 형성된 플라즈마의 이온에 방향성을 부여하는 역할을 한다.

상기 가스 제공부(130)는 챔버 내에서 플라즈마 방전이 이루어질 수 있는 분위기 가스를 상기 챔버 내부로 제공할 뿐만 아니라, 기판(102)에 형성된 막을 식각하는데 적용되는 플라즈마를 형성하기 위한 반응 가스를 플라즈마 발생부에 포함된 샤워헤드를 통해 상기 챔버 내로 제공하는 역할을 한다.

구체적으로 도면에 가스 제공부(130)는 공정 챔버(110)의 상부와 연결되며 다양한 종류의 반응 가스를 공급하기 위한 배관들(미도시)과, 상기 배관들과 각각 연결되며 다양한 종류의 가스들을 저장하기 위한 저장 용기(미도시)들과, 상기 배관들에 각각 설치된 다수의 밸브들 및 상기 반응 가스들의 공급 유량을 각각 조절하기 위한 유량 제어부(미도시)들을 포함하는 구성을 갖는다. 특히, 상기 가스 제공부(130)는 상기 기판의 중심 부위에 증착 가스를 균일하게 공급하기 위해서 상기 챔버의 상부 중심부에 구비된다.

또한, 상기 공정 챔버(110)의 하방 일 측면에는 가스 배기부(140)가 형성된다. 상기 가스 배기부(140)는 가스 배기 라인(미도시) 및 상기 가스 배기 라인(미도시)에 구비된 진공 펌프(미도시)를 포함하는 구성을 갖는다. 여기서, 상기 가스 배기 라인은 기판 상에 형성된 막을 식각하는 공정시 식각 부산물 및 미 반응 가스를 챔버 외부로 배출시키는 유로이다. 또한, 상기 가스 배기부(140)는 상기 챔버(110) 내부로 진공이 제공되는 통로가 되거나, 상기 챔버(110) 내부의 미반응 가스 및 공정 부산물을 배출하는 역할을 수행한다. 특히, 상기 가스 배기부(140)의 가스 배기 라인(미도시)은 가스 배출구에 연결된 체결 유닛(미도시)에 의해 챔버(110)와 연결된다. 상기 체결 유닛(미도시)은 상기 챔버와 배출라인 사이에 구비되며 상기 챔버의 가스 배출구에 결합되는 제1 체결 유닛과 상기 배기 라인의 입구에 결합되는 제2체결 유닛을 포함한다.

상기 플라즈마 발생부(150)는 상기 공정 챔버 내의 상부 또는 공정 챔버의 상부 RF파워 제공부(미도시)로부터 RF 파워를 인가 받아 전계(자기장)를 형성함으로써 챔버 내부로 제공되는 반응 가스를 플라즈마로 상태로 형성한다.

일 예로서, 상기 플라즈마 발생부(150)는 샤워헤드 역할을 하는 상부 전극으로 챔버(102)의 상측 부위에 구비되며, 알루미늄 재질의 제1 전극과 제2 전극 및 실리콘 재질의 제3 전극을 포함하는 구조를 갖는다. 상기 제1 전극에는 RF 전원이 연결되어 있으며 가스 제공부(130)과 연결되는 제1 관통공이 형성되어 있다. 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에는 기판(102)을 가공하기 위한 반응 가스가 수납되는 공간이 형성되어 있으며, 제2 전극 및 제3 전극에는 상기 반응 가스를 챔버 내부로 균일하게 제공하기 위한 다수개의 관통공(미도시)들이 형성되어 있다.

플라즈마 감도 측정부(160)는 상기 챔버(110) 일 측면에 형성된 윈도우(114)에 구비되고, 상기 플라즈마로부터 방출되는 광의 파장별의 세기를 실시간으로 검출하여 상기 파장별 세기를 전압신호로 감지하는 역할을 한다. 상기 플라즈마 감도 측정부는 일 예로서 상기 플라즈마로부터 방출되는 광을 포커싱하는 집광 렌즈와 상기 집광 렌즈의 일측면에 구비되고, 상기 집광 렌즈(미도시)에서 포커싱된 광을 제공받아 상기 광의 파장 세기를 검출한 후 상기 파장별 세기를 전압신호로 생성하는 검출부(미도시)를 포함하는 구성을 갖는다.

또한, 상기 장치는 상기 검출부로부터 생성된 파장별 세기를 나타내는 전압 신호를 플라즈마 감도의 정도를 나타내는 신호로 전환시키는 연산부(165)를 더 포함한다.

상기 제어부(170)는 상기 파장별 세기를 나타내는 전압 신호 즉, 플마즈마 감도를 나태는 신호를 제공받아 상기 플라즈마 형성 요소들(반응가스의 제공량, 플라즈마 발생부에 인가되는 RF 파워의 세기, 챔버 내부의 압력)의 변화 값을 제어함으로써 상기 챔버 내에서 생성되는 플라즈마 상태를 균일하게 유지하는 역할을 한다.

이러한 구성들을 갖는 플라즈마 식각 장치는 형성되는 플라즈마의 세기를 실시간으로 모니터링하는 동시에 형성되는 플라즈마를 균일한 밀도를 갖도록 제어할 수 있어 기판에 형성된 막의 식각 균일도를 향상시킬 수 있다.

이하, 상기 플라즈마 장치를 이용한 형성된 플라즈마의 제어 방법을 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 먼저 공정 챔버 내부에 플라즈마를 형성한다(단계 S110). 상기 플라즈마는 상기 플라즈마 발생부에 RF 파워를 인가하여 상기 챔버 내부에 전계(자기장)를 형성하는 동시에 전계가 형성된 챔버 내부에 반응 가스가 도입된 후 도입된 반응 가스가 전계에 의해 여기됨으로써 형성된다. 상기 플라즈마를 형성 요소들의 예로서는 반응가스의 제공량, 플라즈마 발생부에 인가되는 RF 파워의 세기, 챔버 내부의 압력을 들 수 있다. 상기 장치에서의 상기 플라즈마 형성 요소들은 실시간 결함 분류(FDC)방식으로 실시간 모니터링 되고 있다.

이어서, 상기 형성된 플라즈마로부터 방출되는 광의 파장별 세기를 실시간으로 검출한다(단계 S120). 상기 광의 파장별 세기는 상기 챔버의 일 측에 형성된 윈도우에 구비되는 플라즈마 감도 측정부를 이용하여 측정하고, 상기 감도 측정부는 검출된 상기 플라즈마 광의 파장별 세기를 상기 플라즈마 상태를 나타내는 전압 신호 값으로 생성한다. 일 예로서, 상기 전압 신호는 플라즈마의 세기에 따라 0V 내지 10V의 전압 신호 값을 갖는다.

이어서, 상기 전압 신호 값을 연산 처리하여 상기 플라즈마 감도의 정도를 나타내는 아웃풋(Out-put) 신호로 전환시킨다(단계 S130).

이어서, 상기 아웃풋 신호를 제공받아 상기 플라즈마 상태를 실시간으로 모니터링 한다(단계 S140). 그 결과 플라즈마 상태의 변화를 나타내는 모니터링 값이 생성된다.

이어서, 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값 및 상기 플라즈마 상태의 모니터링 값을 제공받아 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값을 각각 제어함으로써 상기 플라즈마를 안정한 상태로 유지시킨다(단계 S150). 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값은 플라즈마를 형성하기 위한 요소인 챔버 내부 압력, 반응가스의 량, RF 파워의 세기를 실시간으로 모니터링하여 수득된다.

본 발명에 따른 플라즈마 제어 방법은 상기 광의 파장별 세기를 상기 플라즈 마 상태를 나타내는 전압 신호 값으로 생성하고, 상기 전압 신호 값을 이용하여 상기 플라즈마 상태를 실시간으로 모니터링한 이후에 상기 플라즈마 상태의 모니터링 값을 제공받아 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값을 제어할 수 있습니다. 이러한 방법은 기존의 실시간 결함 분석 모니터링 기술에 접목될 수 있어 상기 플라즈마 세기 또는 감도를 실시간으로 모니터링 및 제어할 수 있어 식각 공정의 이상을 여부를 정확하게 감지할 수 있다. 따라서, 상기 챔버내에서 균일한 상태를 갖는 플라즈마를 형성할 수 있어 상기 기판에 형성된 막을 식각하기 위한 공정의 균일성을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

플라즈마를 형성하기 위한 요소인 챔버 내부 압력, 반응가스의 량, RF 파워의 세기 등을 제어하여 기판을 식각하기 위한 플라즈마를 형성하는 단계;

상기 형성된 플라즈마로부터 방출되는 광의 파장별 세기를 실시간으로 검출함으로써 상기 광의 파장별 세기를 상기 플라즈마 상태를 나타내는 전압 신호 값으로 생성하는 단계;

상기 전압 신호 값을 제공받아 상기 플라즈마 상태를 실시간으로 모니터링하는 단계; 및

상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값 및 상기 플라즈마 상태의 모니터링 값을 제공받아 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값을 제어함으로써 상기 플라즈마를 안정한 상태로 유지시키는 플라즈마 제어 방법.
제1 항에 있어서, 상기 플라즈마 형성 요소들의 변화 값은 플라즈마를 형성하기 위한 요소인 챔버 내부 압력, 반응가스의 량, RF 파워의 세기를 실시간으로 모니터링을 통해 수득하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 제어방법.
제1 항에 있어서, 상기 광의 파장별 세기는 상기 챔버의 일측에 형성된 창에 구비되는 플라즈마 감도 측정부를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 제어방법.
플라즈마를 이용하여 기판에 형성된 막을 식각하는 공정이 수행되는 공간을 제공하는 챔버;

상기 챔버 내에 설치되고, 상기 기판이 놓여지는 기판 스테이지;

상기 플라즈마를 형성하기 위한 반응가스를 상기 기판 상으로 제공하는 가스 제공부;

RF파워 제공부로부터 RF 파워를 인가 받아 전계를 형성함으로써 제공되는 반응 가스를 플라즈마로 상태로 형성하는 플라즈마 발생부;

상기 챔버의 일측에 형성된 창에 구비되고, 상기 플라즈마로부터 방출되는 광의 파장별의 세기를 실시간으로 검출하여 상기 파장별 세기를 전압신호로 감지하는 플라즈마 감도 측정부; 및

상기 전압 신호를 제공받아 상기 플라즈마의 상태에 따른 상기 플라즈마 형성 인자들의 변화를 모니터링하는 동시에 상기 인자들의 제어함으로써 상기 안정화된 상태를 갖는 플라즈마를 형성하는 제어부를 포함하는 플라즈마 장치.