KR910008976B1 - 전자시이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance)을 이용한 플라즈마 발생장치 - Google Patents

전자시이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance)을 이용한 플라즈마 발생장치 Download PDF

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Abstract

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Description

전자시이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance)을 이용한 플라즈마 발생장치
제1도는 종래 대표적인 플라즈마 건식식각장치의 예로서, (a)는 원통형 건식식각기, (b)는 평행평판형 플라즈마/반응성 이온식각기, (c)는 이온빔 식각기, (d)는 하향식(Down Stream) 건식식각기, (e)는 ECR형 건식식각기.
제2도는 플라즈마 발생장치의 개략설계도.
제3도는 본 발명의 ECR을 이용한 플라즈마 발생장치의 상세도.
제4도는 제3도의 A-A'선 단면도.
제5도는 제3도의 B-B'선 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 식각 반응실 2 : 플라즈마 방전실
3 : 웨이퍼 4 : 진공배기구
5 : 가스주입구 6 : 전극
7 : RF전원 8 : 이온원(Ion Source)
9 : 이온인출전극(Grid) 10 : 샤워헤드(Shower Head)
11 : 냉각수 주입구 12 : 냉각수 배출구
21 : 플라즈마 방전실 덮개 22 : L형 도파관용 프랜지
23 : 프랜지 결합나사 24 : 알루미늄 전극
본 발명은 박막 증착이나 박막식각과 같이 초고집적의 반도체 소자제조공정중 가스 플라즈마를 이용하는 공정분야에 폭넓게 응용될 수 있는 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance : ECR)을 이용한 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
제1a-e도는 1970년대 초이래 최근까지 대표적으로 개발사용된 건식식각을 위한 플라즈마 발생장치를 나타내고 있다. (a)는 원통형 식각기로서 플라즈마가 식각반응실(1) 외부에서 RF전원(7)에 의해 생성되어 반응실(1)내로 확산돼 들어와 웨이퍼(3)와 반응하기 때문에 플라즈마의 이온성분에 의한 식각 없이 중성의 기(Radical)에 의해서만 식각이 이루어지므로 완전한 등방성 식각특성을 나타내어 감광막의 제거등 특수한 경우에만 사용된다. (b)는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평행평판형의 이중전극(6)을 갖는 플라즈마 혹은 반응성 이온 식각기로서, 반응실(1)내로 유입된 반응가스가 13.56MHz의 RF전원(7)에 의해 두개의 전극(6)사이에서 형성되는데, RF전원이 웨이퍼(3)가 놓이는 전극에 인가되는 반응성 이온 식각 방식이 웨이퍼가 없는 반대전극에 인가되는 플라즈마 식각방식에 비해 자기직류바이어스(Self-Dc bias) 성분이 크기 때문에 비등방성 식각특성이 우수하지만 이는 이온 충격 효과를 크게한 결과이므로 낮은 식각선택비와 식각 손상이 크다는 단점이 있다. (c)는 이온빔 식각장치로서 이온원(8)으로부터 생성된 이온을 가속 그리드(9)를 통해 웨이퍼(3)로 가속시킴으로써 이온빔(17)만에 의한 물리적 스퍼터링(Sputtering)에 의해서 식각이 이루어지기 때문에 금속과 같이 플라즈마와 반응하여 휘발성이 작은 식각 생성물이 만드는 경우에는 유리하고 또한 식각 해상력(Resolution) 및 비등방성(Anisotropy)도 좋지만, 일반적으로 낮은 공정압력으로 인한 저식각률, 낮은 식각선택비, 큰 식각손상 때문에 그 사용이 제한된다. (d)는 플라즈마 방전실(2)을 식각반응실(1)과 격리함으로써 반도체 소자에 대한 손상을 줄이기 위해서 고안되었지만 역시 비등방성이 결여된 관계로 특수한 경우에만 이용된다.
이상과 같은 방식에서는 비등방성 식각 특성을 향상시킬 때는 기판손상 및 식각 선택비가 저하되고, 이온대신 화학적 반응성분을 크게하여 기판손상 및 식각선택비를 좋게하면 등방성(Isotropy)이 커지는 등의 극복하기 어려운 문제가 산재해 있었지만, 제1e와 같이 ECR을 이용한 플라즈마 발생장치가 연구개발되어 80년대 중반부터 본격적으로 반도체 식각 공정에 응용되기 시작하였다. ECR 플라즈마는 표 1에 나타낸 바와같이 낮은 공정압력(10-3-10-5)Torr 하에서도 높은 이온화로 인한 고속식각특성, 이온의 큰 평균 자유 행로 및 웨이퍼로의 수직한 자계형성으로 인한 높은 비등방성을 이루면서도 이온의 작은 자기직류 바이어스, 대략 수십 전자볼트 이하로 해서 식각 손상도 작은 등 여러가지 장점 때문에 미래 반도체 제조공정에의 기대를 크게 하고 있다. 이를 간단히 설명하면, 마이크로파 발생장치로 부터 L형 도파관(Waweguide)(13)을 통해 전달된 2.45GHz의 마이크로파와 플라즈마 방전실(2)을 둘러싸는 전자석(18)과 의 상호작용에 의해 가스주입구(5)를 통해 플라즈마 발생실(2)로 들어온 반응가스를 ECR 조건으로 플라즈마화 하여 이 플라즈마 유선(16)을 이미 형성된 자계(Magnetic Field)를 따라 플라즈마 방전실(2)과 식각 반응실(1) 사이의 개구부를 통해 수직하게 흐르게 함으로써 웨이퍼(3)를 비등방성에 근사하게 식각하고자 한 장치이다. 하지만 이 장비도 전자석을 구성하는 자기코일을 냉각하는 효율성의 문제, 웨이퍼에 수직한 자계형성의 어려움등이 문제점이 있었다.
본 발명은 위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 플라즈마 방전실 및 자기코일의 구성, 가속 그리드의 설치 등의 설계보완을 한 것으로서 그 이론적 배경은 다음과 같다.
우선 전자 사이클로트론 공명(ECR)을 이루기 위한 자속밀도(Magnetic Field Intensity) B는 도입되는 마이크로파의 주파수(f)를 2.45GHz(±30MHz)로 가정할 때 B(Gauss)=2πf/1.76X107의 공식에 의해 875 가우스(Gauss)로 결정된다. 또한 가스의 이온화를 위한 에너지를 20eV(전자볼트)로 가정하면 회전반경(Gyroradius)rg는
Figure kpo00002
의 값을 갖는데 이는 플라즈마 방전실의 전형적인 반경에 비교해서 상당히 작은 값이다. 또한 20eV의 에너지를 갖는 전자의 평균 자유행로(Mean Free Path) λe는
Figure kpo00003
로 표현되는데 여기서 볼쯔만 상수(boltzman Constant) K는 1.3807X10-6erg/deg(°K)이고 충돌단면적(Collisional Cross-Section) σ는 대략 5X1015[cm2]의 값을 취한다. 비등방성 식각을 위해 λe를 rg의 100배 이상으로 하려면 공정 압력을 10-1-5mtorr 정도로 유지해야 하는데 이는 터보분자(Turbomlecular)펌프나 오일 확산 펌프에 의해서 가능할 수 있다. 한편 자기코일(Magnetic Coil) 및 플라즈마 방전실의 설계변수에 있어서 솔레노이드 코일에 의한 자장은
Figure kpo00004
로 표현되는데 앞에서 ECR 조건에 필요한 자장의 세기는 875Gauss 였으므로 이는 875X10-4[T]=4π10-7[Henry/m]nI로 쓸 수 있고, 따라서
Figure kpo00005
로 표시된다.
여기서 n은 단위미터당 코일의 회전수이다. 만일 솔레노이드 코일로 냉각수를 흘리기 위해 1/8인치의 구리관을 사용한다면 최대 n은 300turns/m이 되고 따라서 I=232A가 되므로 최대 250A의 직류전원이 필요하게 된다. 한편 전자를 가열시키기 위하여 Whisler mode를 사용하게 되면 W＞Ωe가 충족되야 하고, 보통 W~1/2Ωe 혹은 ~1/3Ωe의 관계를 취하게 된다. 따라서 Ωe는 대략 4.94~7.35GHz가 되고 자속밀도 B는 1740에서 2625Gauss 사이의 값을 갖게된다. 그러면 결국 필요한 자속밀도는
800Gauss＜B＜3000Gauss
의 값을 취하게 되고, 이에 따라
Figure kpo00006
Figure kpo00007
로 표현되며, 여기서 n'는 단위 센티미터당 회전수를 나타낸다. 실질적인 전원공급계에서 0~25A 범위의 전류를 고려하면, n'=25.5 혹은 95.56turn/cm가 되는데 이중에서 95.56turns을 여분을 생각해서 선택하였다. 예를들어 2mm 직경의 No.10 전선을 사용할때 저항은 ~1Ω/300[m]이므로 100V에 3KW의 전원이면 충분하다. 또한 원통형의 도파관이라 할 수 있는 플라즈마 방전실(2)의 설계 개념은 다음과 같다. 자기코일(18)의 내경 및 외경은 코일의 회전수로부터 결정되고, 방전실(2)의 높이와 직경은 2.45GHHz의 공명조건으로부터 결정된다.
TEnpq모오드(mode)에서
Figure kpo00008
Figure kpo00009
으로 표현되어 TM 모오드(mode)에 대해
Figure kpo00010
Figure kpo00011
Figure kpo00012
로 표현되는데, 여기서 2a＞d인 경우, 즉 원통의 직경이 높이보다 큰 경우 TM110 모오드(mode)가 우세하고, 반대의 경우는 TEnpq 모오드(mode)에서 공명주파수 fr은 (A)식과 같이 표현되므로 이를 정리하면
Figure kpo00013
으로 나타낼 수 있다.
그런데 λg=λ=12.24cm이므로 q를 5로 잡으면 방전실의 계산상 높이는 30.6cm가 된다. 또한 TE013 방전실(cavity)을 만들기 위해서는
Figure kpo00014
Figure kpo00015
가 되고, 따라서 자기코일의 반경 a는
Figure kpo00016
가 된다. 이때 미세한 파장조절은 금속그리드(grid)(20)를 이동함으로써 달성될 수 있다.
이상과 같은 이론적 배경으로 설계제작된 본 발명의 장치의 상세도를 제3도에 나타낸다. 도시한 바와같이 마이크로파 발생장치로부터 발진된 2.45GHz의 주파수를 갖는 마이크로파가 L형 도파관(13)과 석영판(15)을 통하여 플라즈마 방전실(2)로 전달되면 상기 플라즈마 방전실(2)을 둘러싸고 있는 네개의 자기코일(18)이 직류전원을 공급받아 875Gauss의 자속밀도를 생산함으로써 가스주입구(5)로부터 주입된 식각용 반응가스가 전자사이클로트론 공명(ECR)에 의해 10-2정도로 이온화 되어 고밀도의 플라즈마를 생성시키게 된다. 이때 자기 코일(18)에는 최대 25암페어까지 전류를 흘리게 되므로 항상 냉각수 주입구(11)와 배출구(12)를 통해 수냉을 시켜야 하고, 또한 플라즈마 방전실 덮개(21) 및 식각반응실 덮개(25)도 냉각수로(26)를 통해 수냉해야만 한다. 형성된 플라즈마 유선(16)은 임의대로 구성된 발산자계(Divergent Magnetic Field)를 따라 식각 반응실(1)로 진행되어 양극산화 처리된 알루미늄판(24)위의 반도체 웨이퍼(3)와 반응하게 된다. 그런데 형성된 플라즈마 유선(Stream)이 플라즈마 방전실(2)과 공정반응실(1) 사이의 개구부를 통하여 웨이퍼상에 도달하기 전에 어느정도 반응실 외벽으로 편향되므로 이를 보정해주지 않으면 정확한 비등방성 식각특성성을 기대하기 어렵다.
따라서, 본 발명장치에서는 위 개구부에 금속그리드(20)의 높이를 조절할 수 있도록 하여 마이크로파의 파장 λ을 λ/4 범위내에서 제어할 수 있게 하였을 뿐만 아니라 마이크로파가 반응실내로 전달되지 않토록 하는 반사판으로서의 역할, 또한 그리드에 직류전원을 인가하여 플라즈마 유선(16)내의 이온에 자기 직류바이어스(Self-negative DC-bias)성분을 크게 함으로써 비등방성 식각효율을 높일 수 있고 플라즈마 방전실(2)은 양극산화(Anodizing) 처리된 알루미늄으로 구성하여 반응성 플라즈마에 의해서 반응이 일어나지 않게 함으로써 방전실 내벽을 과거와 같이 석영관등으로 덮지 않도록 되며 플라즈마 방전실과 식각 반응실의 공정 압력은 비등방성 식각특성을 높이기 위하여 10-3~10-5Torr 정도의 고진공으로 유지될 수 있는 것이다.
[표 1]
Figure kpo00017

Claims (5)

  1. 발진원으로 부터 발진된 2.45GHz의 마이크로파를 전달하는 L형 도파관과, 상기 L형 도파관에 접속되어 10-3~10-5Torr의 고진공중에서도 고밀도의 플라즈마를 전자 사이클로트론 공명효과에 의해 생성할 수 있는 원통형 플라즈마 발생실과, 상기 플라즈마 발생실의 원통표면에 둘러쌓여 도파관을 통해 도입된 마이크로파를 받아서 가스주입구로부터 주입된 반응가스를 전자사이클로트론 공명에 의해 여기(輿起)할 수 있도록 자속밀도를 발산하는 독립된 수개의 자기코일과, 상기한 도파관과 플라즈마 발생실 중간에 삽입된 플라즈마 방전실덮개에 장착되어 마이크로파 에너지를 잘 통과 시킬 수 있는 진공으로 밀폐된 석영판과, 상기 플라즈마 발생실과 식각반응실 사이의 개구부에 설치되어 공정반응실의 반도체 기판에 대하여 수직하게 가속시킬 수 있는 가변식 금속 그리드를 포함하는 전자사이클로트론 공명을 이용한 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서, L형 도파관은 TE10 mode, 플라즈마 방전실은 양극산화처리된 내벽반경 95mm 높이 300mm의 TE103 mode로 구성하여 ECR 조건을 만족하도록 한 전자사이클로트론 공명을 이용한 플라즈마 발생장치.
  3. 제1항에 있어서, 플라즈마 방전실 덮개와 공정반응실 덮개 내부에 수냉용 냉각수관을 설치한 전자사이클로트론 공명을 이용한 플라즈마 발생장치.
  4. 제1항에 있어서, 자기코일은 자속밀도가 800-3000Gauss가 되도록 단위센티미터당 약 100회 회전수를 갖으며 큰 전류의 흐름에 의해 발생된 열을 냉각시키도록 각각의 중공원반형에 냉각수주입구와 배출구를 형성하여 냉각수에 자기코일이 잠긴 형태로 냉각효율을 높이도록 한 전자사이클로트론 공명을 이용한 플라즈마 발생장치.
  5. 제1항에 있어서, 가변식금속그리드는 높이를 조절하여 마이크로파의 파장을 λ/4 범위내에서 제어하고 이 마이크로파가 반응실 내로 전달되지 않도록 반사판 역할을 하며 상기 그리드에 직류 전원을 인가하여 플라즈마 유선내의 이온에 자기직류 바이어스 성분을 크게하여 비등방성 식각 효율을 높일 수 있도록 한 전자사이클로트론 공명을 이용한 플라즈마 발생장치.
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