KR20070097232A

KR20070097232A - 반도체 기판 공정 챔버에 사용되는 다중 플라즈마 발생소스

Info

Publication number: KR20070097232A
Application number: KR1020060028157A
Authority: KR
Inventors: 장근구
Original assignee: 장근구
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-04
Also published as: KR100786537B1

Abstract

본 발명은 반도체 제조를 위한 공정 챔버에 있어서 세 개의 플라즈마 발생장치를 동시에 작동하여 고밀도 플라즈마 및 균일한 막을 형성하는 것이 가능한 다중 플라즈마 발생소스에 관한 것으로, 본 발명에 의한 다중 플라즈마 소스에 있어서 공정 챔버 상부의 플라즈마 소스는 유도결합형 플라즈마(ICP:Inductively Coupled plasma)소스이고 공정 챔버 측면의 플라즈마 소스는 헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma) 소스이며 웨이퍼가 안착되는 척의 내부에 바이어스(Bias) 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 다중 플라즈마 소스(Multi Plasma Source)를 사용함으로써 고밀도 플라즈마 및 막의 균일도의 제어가 가능하고 저온 플라즈마 및 낮은 에너지 온도가 발생하여 미세회로의 선폭에 사용 가능한 장점이 있다.

ICP, Helicon Plasma, 플라즈마, 증착, 건식식각(Dry etch)

Description

반도체 기판 공정 챔버에 사용되는 다중 플라즈마 발생소스{Multi plasama source for process chamber of semiconductor device}

도 1은 반도체 제조를 위한 일반적인 공정 챔버의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 일반적인 유도결합형 플라즈마(ICP) 발생소스의 구성을 도시한 도면.

도 3은 일반적인 ICP 발생소스를 통하여 발생된 전기장의 분포를 개념적으로 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 공정 챔버의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 4-Way type ICP 플라즈마 발생소스의 구성을 개략적으로 도시한 도면

도 6은 본 발명에 따른 1-Way type ICP 플라즈마 발생소스의 구성을 개략적으로 도시한 도면

도 7은 본 발명에 따른 2-Way turn type 헬리콘 플라즈마 발생소스의 구성을 개략적으로 도시한 도면.

도 8은 본 발명에 따른 1-Way turn type 헬리콘 플라즈마 발생소스의 구성을 개략적으로 도시한 도면

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

400 : 챔버 410 : 제1플라즈마 발생소스

411 : 제1 RF 전원 412 : 제1 임피던스 정합장치

413 : 제1 안테나 421 :　웨이퍼

422 : 척(CHUCK) 430 : 제3 플라즈마 발생소스

431 : 제3 RF 전원 432 : 제3 임피던스 정합장치

441 : Throttle valve 442 : 고진공 펌프(turbomolecular pump)

443 : 배출관 451 : 공급가스 유입관

470 : 제2플라즈마 발생소스 471 : 제2 RF 전원

472 : 제2 임피던스 정합장치 473 : 제2 안테나

481 : 초정밀 압력게이지

본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 제조 장치인 공정 챔버에 있어서 동시에 서로 다른 주파수를 사용하는 세 개의 플라즈마 발생소스에 관한 것이다.

고주파의 에너지에 의해 발생된 플라즈마를 이용하는 공정은 "고주파 플라즈마 방법(RF plasma processes)" 또는 "고주파 플라즈마 처리(RF plasma processing)"라 불리우는데 대규모 집적회로와 같은 반도체 제조 기술에 있어서 플 라즈마를 이용한 식각(etching) 및 증착(deposition) 등의 기술이 이용되고 있으며 액정디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이 장치를 제조하는데 있어서 매우 실용적이다. 특히 최근들어 반도체 소자의 미세화 및 웨이퍼의 대구경화가 요구됨에 따라 이러한 플라즈마를 이용한 공정은 더욱 중요한 역할을 차지하게 되었다.

이와같이 더 높은 주파수의 파가 사용되는 것은 공정에서의 압력을 낮추기 위한 것이며 공정 압력을 낮추는 요구는 집적 수준의 향상 및 반도체 소자의 미세화와 관련된다. 한편 공정 속도의 향상 및 생산성을 높이기 위해서는 일반적으로 플라즈마의 밀도, 즉 플라즈마 내 하전된 입자의 수적인 밀도를 증가시키는 것이 요구되지만 공정 속도를 향상 시키는 것과 공정 압력을 낮추는 것은 서로 상반된 관계에 있게된다. 즉, 기체 입자의 수는 압력이 낮아지면 감소하게 되고 이것은 불가피하게 플라즈마 밀도를 감소시킨다.

따라서 압력이 낮을 때에도 충분히 높은 플라즈마 밀도를 유지하기위해 플라즈마 발생 효율의 향상이 중요하게 인식되고 있으며 이점이 더 높은 주파수의 파가 RF 플라즈마 공정에 채택된 이유이다.

이러한 플라즈마를 발생시키는 방법에는 통상 용량결합방식 또는 유도결합방식이 있는데 이중 특히 유도결합식 플라즈마(ICP) 발생방법은 낮은 압력에서 동작가능하고 고밀도의 플라즈마 생성이 가능한 이점이 있어서 기존의 용량결합식 플라즈마(CCP:Capacitively Coupled Plasma) 발생방법을 대체하고 있다.

상기한 유도결합식 플라즈마(ICP) 발생방법은 고주파 전압을 공급하는 RF(Radio Frequency)전원을 통하여 방전 가스내에 전기장을 생성하고 이를 통해 가 스를 여기시켜 플라즈마를 생성, 유지하는 것으로 챔버내에 장착된 웨이퍼의 상부에 플라즈마를 발생시켜 직접 반응에 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 반도체 제조를 위한 일반적인 공정 챔버의 구조를 개략적으로 도시한 것으로 챔버 상부에 유도결합형 플라즈마(ICP)를 발생할 수 있는 플라즈마 발생소스(110)의 일부 또는 전부가 실장되는바 이때 상기 플라즈마 발생소스(110)는 고주파수 전력을 공급하는 제1 RF전원(111)과 상기 제1 RF전원을 통해 인가된 전류의 임피던스를 적절하게 매치하는 제1 임피던스 정합장치(112), 이와같이 정합된 전류를 통해 전자기장을 발생시키는 제1 안테나(113)를 포함하고 있다.

또한 챔버(100)내에서 웨이퍼(121)가 안착되는 척(122)의 내부에도 통상 플라즈마 발생소스를 통해 발생된 플라즈마 이온의 임팩트 에너지를 조절하는 바이어스(bias) 전극이 위치하고 여기에 제2 RF 전원(131) 및 제2 임피던스 정합장치(132)가 연결된다.

종래의 공정 챔버에서 제1 RF 전원은 중간주파대역(Medium Frequency: MF), 즉 300kHz 내지 3MHz 및 고주파대역(High Frequency: HF), 즉 3MHz 내지 30MHz 에서의 주파수를 종종 채택하였으며 최근에는 초단파주파대역(Very High Frequency: VHF), 즉 30MHz 내지 300MHz 에서의 주파수가 채택되고 있다. 이러한 더 높은 주파수는 교류 전기장에 따르는 전자의 이동방향의 교대 사이클을 짧게하고 이것은 전자가 중성의 기체 분자와 충돌할 가능성을 증가시키며 플라즈마 발생 효율을 향상시킨다.

그러나 VHF 대역에서와 같은 더 높은 주파수의 파에 의해 발생된 플라즈마를 이용하여 공정을 수행하는 경우 문제가 되는 것은 플라즈마 처리에서 이온은 종종 플라즈마로 부터 추출되어 기판에 입사되는데 이때 플라즈마 발생을 위해 파의 주파수를 높이는 것은 쉬스 전기장을 약화시키는 문제를 가져오며 이는 주파수가 너무 높기 때문에 단지 이온 뿐만 아니라 전자도 장 교대를 따르는 것이 어렵기 때문이다.

이러한 기판상의 이온입사는 종종 기판에서 자체 바이어스하는 전압을 발생시킴으로써 수행되는데 이때 VHF 대역에서와 같이 높은 주파수 전압이 인가된다면 장 교대에 따른 전자의 이동이 감소되기 때문에 충분한 볼륨의 자체 바이어스하는 전압이 발생될 수가 없다. 따라서 기판상의 이온 입사를 위한 제2 RF 전원은 VHF보다 낮은 HF 대역에 있게된다.

도 2는 일반적인 유도결합형 플라즈마(ICP) 발생소스(110)의 구성을 도시한 도면으로 전기장을 발생시키는 안테나(113)는 통상 전도성 물질로 이루어진 코일 또는 관이 나선형으로 감긴 형태를 가지고 있다. 그러나 이러한 나선형의 안테나를 부하로 사용하는 경우 몇가지 문제점이 있는데 그중 하나가 도 3에 나타난 바와같이 불균일한 밀도를 가지는 전자기장이 발생한다는 것이며 이로인해 결국 챔버 내부에 불균일한 밀도 분포의 플라즈마를 발생시키게 되며 이러한 불균일한 밀도 분포의 플라즈마는 정확한 제어가 어려워 웨이퍼의 세밀한 가공 및 처리가 불가능하게 되는 것이다

특히 이러한 문제점은 대면적 웨이퍼의 경우에 보다 심각하게 나타나는데 근래에 활발하게 적용되고 있는 300mm 이상의 대형 웨이퍼에 있어서 이러한 불균일한 전자기장에 기인한 불균일한 밀도 분포의 플라즈마는 더욱 문제가 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 종래에 사용되던 상부 플라즈마 발생소스와 자체 바이어스하는 전압을 발생시키기 위한 플라즈마 발생소스 외에 공정 챔버의 측면에 헬리콘 플라즈마 발생소스를 추가함으로써 세 개의 서로 다른 주파수를 사용하는 플라즈마 발생장치를 동시에 작동하여 고밀도의 플라즈마 및 균일도의 제어를 용이하게 하고 낮은 압력 하에서도 고밀도의 플라즈마의 유지가 가능하여 저온 플라즈마 및 미세회로 선폭에 사용 가능한 반도체 제조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 반도체 제조장치인 공정 챔버에 유도결합형 플라즈마(ICP) 소스외에 헬리콘 플라즈마 소스를 추가로 제공함으로써 고밀도의 플라즈마를 얻고 막의 균일도를 제어할 수 있도록 하고있다.

본 발명의 다른 특징 및 장점에 대해 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 상세하게 설명한다.

도 4에 의하면 Top Plasma source로서 챔버(400)의 상부에 전기적으로 연결된 제1 RF전원(411), 제1 임피던스 정합장치(412) 및 제1 안테나(413)를 포함하는 제1 플라즈마 발생소스(410): Side Plasma source로서 챔버(400)의 측면에서 전기 적으로 연결된 제2 RF 전원(471), 제2 임피던스 정합장치(472) 및 제2 안테나(473)를 포함하는 제2 플라즈마 발생소스(470); 및 Bias power로서 웨이퍼(421)가 장착되는 척(422)의 내부에 전기적으로 연결된 제3 RF전원(431), 제3 임피던스 정합장치(432)를 포함하는 제3 플라즈마 발생소스(430)를 제공한다.

Top Plasma source로서 제1 플라즈마 발생소스(410)는 유도결합식 플라즈마(ICP) 발생소스 타입으로 챔버(400) 둘레에 코일을 감고 여기에 제1 RF 전원(411)을 인가하여 고밀도의 전자기장을 생성하고 여기에 공급가스 유입관(451)을 통해 유입된 가스를 여기시켜 플라즈마를 생성 유지하게 된다. 이때 코일은 4-Way turn type 또는 1-Way turn type의 나선형으로 그 폭이 균일하게 유지되거나 중심에서 가장자리로 갈수록 좁아지도록 구성될 수 있고 챔버의 크기에 따라 코일이 감기는 횟수가 달라질 수 있으며 RF 전원의 주파수는 2.0MHz 에서 90MHz까지 사용가능하고 RF Generator는 10 W에서 5.0 kW 까지 사용가능하다.

이러한 나선형 코일을 통하여 발생된 전자기장은 그 내부 중심으로 갈수록 전자기장이 밀집되며 서로 인접하는 전자기장에 의해 간섭현상이 발생하여 불균일한 전자기장이 발생될수 있으나 이는 하기의 제2 플라즈마 발생소스(470)에 의해 해결가능하다.

즉, Side Plasma source로서 제2 플라즈마 발생소스(470)는 헬리콘 플라즈마(helicon plasma) 발생소스 타입으로 챔버(400) 측면에 코일(473)을 감고 여기에 제2 RF 전원(471)을 인가하여 고밀도의 전자기장을 생성하고 여기에 공급가스를 여기시켜 플라즈마를 생성 유지하게 된다. 이때 코일은 챔버 측면에 원통형의 2-Way turn type 또는 1-Way turn type으로 구성되고 챔버의 크기에 따라 코일의 감기는 횟수가 달라질 수 있으며 RF전원의 주파수는 2.0MHz 에서 90MHz까지 사용가능하고 RF Generator는 10 W에서 5.0 kW 까지 사용가능하다.

이때 제1안테나(ICP RF Anttena)(413)로부터 발생된 전자기장과 제2안테나(Helicon RF Anttena)(473)로부터 발생된 전자기장은 서로 영향을 미치게 되고 이들을 적절히 제어하여 각각의 안테나에 인가되는 전류를 조절하거나 그 안테나의 위치를 조절하여 보다 균일한 밀도분포를 가지는 전자기장을 얻을수 있다.

또한, 제1 및 제2 플라즈마 발생소스에 의해 발생된 플라즈마 이온의 임팩트(impact) 에너지를 조절하기 위해 상기 웨이퍼(421)가 장착되는 척(422)의 내부에 바이어스(bias) 전극이 설치되고 상기 바이어스 전극은 제3 RF 전원(Bias power)(431) 및 제 3 임피던스 정합장치(432)에 전기적으로 연결된다. 이때 RF 전원의 주파수는 400kHz 에서 20MHz까지 사용가능하고 RF Generator는 10 W에서 5.0 kW 까지 사용가능하다

이러한 본 발명에 따른 플라즈마 발생소스에 있어서 세 개의 플라즈마 발생장치는 동시에 작동되며 RF 전원의 주파수는 세 개의 소스가 각각 다른 주파수를 사용한다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 이 가능함은 명백한 사실이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명은 플라즈마 발생소스로서 유도결합형 플라즈마(ICP) 소스외에 헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma) 소스가 추가 제공됨으로써 고밀도 및 저온의 플라즈마를 형성할 수 있고 막의 균일도를 제어할 수 있으며 낮은 에너지 온도의 발생으로 미세회로 선폭에 사용되는 반도체 제조가 가능한 이점이 있다.

또한 각각의 플라즈마 발생회로에는 독립된 RF 전원과, 상기 각각의 RF 전원을 통해 공급된 전류를 제어하는 임피던스 정합장치를 각각 구비함으로써 이들을 제어하여 보다 균일한 전자기장의 구현을 가능하게 한다.

특히 본 발명에 따른 플라즈마 발생소스는 300mm 이상의 대구경 웨이퍼 및 LCD 대구경의 처리 및 가공등이 가능하다는 장점이 있다.

Claims

반도체 기판 공정 챔버에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생소스에 있어서,

전기적으로 연결된 제1 RF 전원과, 제1 임피던스 정합장치와, 제1 안테나를 포함하는 것으로 챔버의 상부에 실장되는 유도결합형 플라즈마(ICP) 발생소스인 제1 플라즈마 발생소스:

전기적으로 연결된 제2 RF 전원과, 제2 임피던스 정합장치와, 제2 안테나를 포함하는 것으로 챔버의 측면에 실장되는 헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma) 발생소스인 제2 플라즈마 발생소스: 및

전기적으로 연결된 제3 RF 전원과, 제3 임피던스 정합장치를 포함하는 것으로 웨이퍼가 안착되는 척의 하부에 연결되는 바이어스 파워(Bias power) 플라즈마 발생소스인 제3 플라즈마 발생소스;

를 포함하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제1 안테나는 코일 또는 관 중 하나의 재질로 이루어져 균일한 폭을 가지도록 한 4-way type의 나선형인 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제1 안테나는 코일 또는 관 중 하나의 재질로 이루어져 중심에서 가장자리로 갈수록 좁아지도록 한 4-way type의 나선형인 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제1 안테나는 코일 또는 관 중 하나의 재질로 이루어져 균일한 폭을 가지도록 한 1-way type의 나선형인 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제1 안테나는 코일 또는 관 중 하나의 재질로 이루어져 중심에서 가장자리로 갈수록 좁아지도록 한 1-way type의 나선형인 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제2 안테나는 코일 또는 관 중 하나의 재질로 이루어져 챔버의 측면에 2-Way Turn type의 원통형으로 감긴것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제2 안테나는 코일 또는 관 중 하나의 재질로 이루어져 챔버의 측면에 1-Way Turn type의 원통형으로 감긴것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제1 RF 전원의 주파수는 2MHz 에서 90MHz까지 사용가능하고 RF Generator는 10 W에서 5 kW 까지 사용가능한 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제2 RF 전원의 주파수는 2MHz 에서 90MHz까지 사용가능하고 RF Generator는 10 W에서 5 kW 까지 사용가능한 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제3 RF 전원의 주파수는 400 kHz 에서 20MHz까지 사용가능하고 RF Generator는 10 W에서 5 kW 까지 사용가능한 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제1, 제2 및 제3 RF 전원의 주파수는 각각 서로 다른 주파수를 사용하며 각각 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제1항에 있어서,

상기 제1, 제2 및 제3 플라즈마 발생소스는 챔버의 지름이 400mm 에서 800mm사이의 대구경 공정 챔버에 실장되는 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스
제2항 내지 제7항의 어느 하나의 항에 있어서,

상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나는 챔버의 크기에 따라 코일의 감기는 횟수가 달라지는 것을 특징으로 하는 다중 플라즈마 발생소스