WO2018147537A2 - Icp 안테나 및 이를 포함하는 기판 처리 장치 - Google Patents

Icp 안테나 및 이를 포함하는 기판 처리 장치 Download PDF

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WO2018147537A2
WO2018147537A2 PCT/KR2017/014150 KR2017014150W WO2018147537A2 WO 2018147537 A2 WO2018147537 A2 WO 2018147537A2 KR 2017014150 W KR2017014150 W KR 2017014150W WO 2018147537 A2 WO2018147537 A2 WO 2018147537A2
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antenna
epitaxial
substrate
plasma
icp
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PCT/KR2017/014150
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최윤석
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주식회사 유진테크
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma
    • H01J37/3211—Antennas, e.g. particular shapes of coils
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/38—Impedance-matching networks

Definitions

  • the present invention relates to an ICP antenna and a substrate processing apparatus including the same. More particularly, the present invention relates to an ICP antenna, and more particularly, to a structure capable of improving the uniformity of plasma density on a substrate processing surface by parallelly connecting a variable capacitor to a part of the ICP antenna. An ICP antenna and a substrate processing apparatus including the same.
  • a plasma processing apparatus used as a substrate processing apparatus is a dry processing apparatus for processing a substrate using a plasma formed after activating a reaction gas in a chamber to form a plasma.
  • the plasma processing apparatus includes a capacitively coupled plasma (Capacitively Coupled Plasma); CCP) and Inductively Coupled Plasma (ICP) methods.
  • the CCP method generates a plasma by an electric field formed in a space between electrodes by applying a high frequency to a pair of parallel plate-shaped electrodes.
  • the process productivity is higher than that of the ICP method due to high capacitive coupling control and ion control ability. This has the advantage of being high.
  • the energy of the radio frequency power supply is almost exclusively delivered to the plasma through capacitive coupling, the plasma ion density can only be adjusted by increasing or decreasing the capacitively coupled radio frequency power. Therefore, high radio frequency power is required to generate high density plasma.
  • increasing radio frequency power increases ion bombardment energy. Therefore, there is a limit in increasing the supplied radio frequency power to prevent damage caused by ion bombardment.
  • the ICP method generally applies a high frequency to a spiral antenna and generates plasma by accelerating electrons in the chamber with an electric field induced by a change in a magnetic field caused by a high frequency current flowing into the antenna. It is known that the ion density can be easily increased with an increase while the ion bombardment is relatively low, and thus suitable for generating a high density plasma. Therefore, in the substrate processing apparatus using plasma, it is a general trend to use the ICP method to generate a high density plasma.
  • 1 is a view showing a schematic configuration of a conventional inductively coupled plasma processing apparatus
  • Figure 2 is a view showing a related configuration of the antenna in the conventional inductively coupled plasma processing apparatus.
  • a chamber 110 in which a substrate W to be processed by plasma P is disposed is disposed, and a substrate is processed in the chamber 110.
  • an impedance matching circuit 170 for matching the characteristic impedance of the connection cable connected to the high frequency oscillator 160 with the load impedance.
  • Such a plasma processing apparatus may be classified into a pancake-type antenna, a cylindrical antenna, and a dome-type antenna according to the shape of the antenna and the dielectric window.
  • FIG. 2 (a) shows a pancake type antenna in the conventional inductively coupled plasma processing apparatus. The shape of the antenna is shown, and FIG. 2 (b) shows the shape of the cylindrical type antenna.
  • the ICP method has a problem in that non-uniform plasma is generated by the shape and frequency of the antenna coil, which makes it difficult to design the antenna coil and has a limitation in raising the frequency.
  • the distance between the plasma source and the substrate is larger than that of the CCP method, so that the behavior of the plasma is determined by diffusion, and the uniformity of the plasma is determined on the target substrate.
  • the present invention is to solve the above problems, to provide an ICP antenna and a substrate processing apparatus including the same that can improve the uniformity of the plasma on the substrate processing surface by connecting a variable capacitor in parallel to a portion of the antenna. It is.
  • the ICP antenna of the present invention is an ICP antenna used in the plasma processing apparatus, one end of which is connected to the RF power source through an impedance matching circuit and the other end is grounded antenna coil; And a variable capacitor connected in parallel to a portion of the antenna coil.
  • the ICP antenna may further include a resistor connected in parallel to the variable capacitor.
  • the antenna coil may be a cylindrical antenna coil.
  • the antenna coil is a cylindrical antenna coil
  • the one end of the antenna coil is located at the upper end and the other end is located below
  • the variable capacitor is the upper end of the coil including the one end of the antenna coil or the other end of the antenna coil. It may be connected to one of the lower coil.
  • the antenna coil may be a pancake type antenna coil.
  • the antenna coil is a pancake type antenna coil
  • the one end of the antenna coil is located on the outside and the other end is located on the inside
  • the variable capacitor is an outer coil part including the one end of the antenna coil or the other end of the antenna coil. It may be connected to the inner coil portion including.
  • the substrate processing apparatus of the present invention includes a chamber in which a substrate to be processed processed by plasma is disposed; A gas injection unit supplying a source gas for processing the substrate to be processed into the chamber; A gas outlet through which the remaining gas and the unreacted gas in the chamber are discharged after the substrate to be processed; A susceptor on which the substrate to be processed is disposed; An ICP antenna according to any one of claims 1 to 6; A high frequency oscillator for applying a source power to the ICP antenna; And an impedance matching circuit connected between the ICP antenna and the high frequency oscillator.
  • the substrate processing apparatus may further include a variable capacitor adjusting unit for adjusting the variable capacitor of the ICP antenna.
  • the effect of the present invention is that the uniformity of the plasma on the substrate processing surface can be improved by connecting the variable capacitors in parallel to some of the antennas.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of an inductively coupled plasma processing apparatus according to the prior art.
  • FIG. 2 is a view showing an antenna-related configuration in the inductively coupled plasma processing apparatus according to the prior art.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a configuration of an ICP antenna according to the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of an ICP antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a plasma distribution change by the configuration of the ICP antenna shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing a plasma distribution change by the configuration of the ICP antenna shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of an ICP antenna according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing an actual implementation of the ICP antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing a plasma distribution measured on a surface of a substrate before and after applying a variable capacitor.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a configuration of an ICP antenna according to the present invention.
  • an ICP antenna according to the present invention may be conceptually considered to form a circuit in which two impedances are connected in series by dividing an impedance into two based on a specific point.
  • the impedance of the coil portion including one end connected to the RF power supply 160 through the impedance matching circuit 270 is called the first impedance (Z1, 250a) and the impedance of the coil portion including the other end grounded is called the second impedance. do.
  • the impedance of the entire coil is increased to decrease the total coil current flowing through the ICP antenna.
  • the power applied to the first impedance Z1 decreases, and thus, the plasma generated by the coil portion corresponding to the first impedance Z1 also decreases.
  • the plasma power increases.
  • the coil part corresponding to the second impedance Z2 approaches the LC resonance condition by the LC parallel connection and the capacitance adjustment of the variable capacitor, the inductor current and the capacitor current according to the resonance condition flow, and the impedance increases.
  • the plasma may be reduced, maintained or increased by increasing the impedance of the second impedance Z2.
  • the present invention assumes that the ICP antenna is an antenna in which two impedances are connected in series, and thus, both impedances can be adjusted by adjusting one of the two impedances. Plasma uniformity on the surface of the substrate can be controlled.
  • 4 is a view showing the configuration of an ICP antenna according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 (a) shows the configuration of a conventional cylindrical ICP antenna, (b) is a lower portion according to an embodiment of the present invention
  • C shows an antenna configuration in which a variable capacitor is connected in parallel to the antenna, (c) shows an antenna configuration further comprising a resistor connected in parallel to the variable capacitor in (b), and (d) shows a variable capacitor connected in parallel to the upper antenna.
  • An antenna configuration is shown, and (e) represents an antenna configuration further comprising a resistor connected in parallel to the variable capacitor of (d).
  • FIG. 5 is a view showing the plasma distribution change by the configuration of the ICP antenna shown in Figure 4 (b)
  • Figure 5 (a) is a density distribution on the substrate to be processed of the plasma generated by the conventional cylindrical ICP antenna
  • B schematically shows the density distribution on the substrate to be processed of the plasma generated by the ICP antenna shown in FIG. 4 (b).
  • the electric field induced in the cylindrical ICP antenna generates an annular plasma having a predetermined radius, and the generated plasma diffuses toward the center and the chamber of the substrate to be disposed below the chamber. Therefore, the longer the diffusion distance, the higher the plasma density of the central portion.
  • the ICP antenna according to the embodiment of the present invention controls the overall plasma density by connecting the variable capacitor in parallel to the lower antenna as shown in FIG.
  • the second impedance Z2 corresponding to the lower antenna is increased so that the total impedance of the antenna is increased, and thus, the total flow through the antenna is increased.
  • the coil current is reduced. Therefore, the plasma power applied to the upper antenna is reduced, and as a result, the density of the plasma generated by the upper antenna is reduced.
  • the plasma power can be maintained in spite of the decrease in the coil current due to the increase in impedance, and thus the plasma density generated is not reduced.
  • the ICP antenna according to the embodiment of the present invention when employed, the plasma density generated and diffused by the upper antenna as shown in FIG. It can be seen that the uniform distribution in the radial direction compared to the conventional ICP antenna.
  • FIG. 6 is a diagram showing a plasma distribution change by the configuration of the ICP antenna shown in FIG.
  • FIG. 6A schematically shows a density distribution of a plasma generated by a conventional cylindrical ICP antenna on a substrate
  • FIG. 6B shows a plasma generated by the ICP antenna shown in FIG. 4D.
  • the density distribution on the substrate to be processed is schematically shown.
  • the plasma generated by the coil forms an annular plasma distribution on the surface of the substrate to be processed.
  • the plasma density formed by the upper antenna is relatively lower than that of FIG. 5A, and the overall plasma density on the surface of the substrate has a low density at the center of the substrate. It can be seen.
  • the ICP antenna according to an embodiment of the present invention can adjust the overall plasma density by connecting the variable capacitor in parallel to the upper antenna as shown in (d) of FIG.
  • the first impedance Z1 corresponding to the upper antenna is increased to increase the total impedance of the antenna, which flows through the entire antenna.
  • the plasma power can be maintained in spite of the decrease in the coil current due to the increase in the impedance, and thus the generated plasma density does not decrease.
  • the density has a uniform distribution in the radial direction compared to the conventional ICP antenna.
  • the ICP antenna according to another embodiment of the present invention may further include a resistor connected in parallel to the variable capacitor as shown in (c) and (e) of FIG.
  • a resistor By further including a resistor, the variability of impedance control can be further extended.
  • a resistor having a predetermined value is connected to the variable capacitor in parallel, but the present invention is not limited thereto.
  • the variable resistor may be connected to the variable capacitor in parallel.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of an ICP antenna according to another embodiment of the present invention.
  • the ICP antenna of FIG. 7 is similar to that shown in FIG. 4 except that it is applied to a pancake type antenna.
  • Figure 7 (a) shows the configuration of a conventional pancake type ICP antenna, (b) shows an antenna configuration in which a variable capacitor is connected in parallel to the external antenna in accordance with an embodiment of the present invention, (c) is an internal antenna This shows an antenna configuration in which variable capacitors are connected in parallel.
  • a resistor or a variable resistor may be connected in parallel to the variable capacitor.
  • the impedance of the entire antenna can be increased by connecting the variable capacitor to the external antenna as shown in (b) of FIG. 7, thereby reducing the plasma density of the acid shape formed and diffused by the internal antenna. Can be.
  • a capacitor to the internal antenna as shown in (c) of FIG. 7, the donut-shaped plasma density formed and spread by the external antenna can be reduced.
  • the present invention has an effect of uniformly adjusting the plasma density on the surface of the substrate to be adjusted radially by connecting a variable capacitor to a part of the ICP antenna in parallel.
  • FIG 8 is a view showing an actual implementation of the ICP antenna according to an embodiment of the present invention.
  • an ICP coil for 300 mm was used, and an even number of coils (four winding coils) were used for uniformity of plasma density in the circumferential direction.
  • a tap was made at point N to connect the variable capacitor.
  • a capacitance of the variable capacitor may be adjusted by connecting a control knob to the variable capacitor.
  • the ICP antenna of the present invention may further include a resistor connected in parallel to the variable capacitor.
  • the resistor is a variable resistor
  • the resistance of the variable resistor may be adjusted by a control knob similar to the capacitor.
  • 9 is a graph showing a plasma distribution measured on a surface of a substrate before and after applying a variable capacitor. 9 represents the radial distance from the center of the substrate to be processed and the vertical axis represents the plasma density.
  • the filled circles indicate the plasma density by the conventional ICP antenna (comparative example) without the variable capacitor and the hollow circles indicate the plasma density by the ICP antenna (example) with the variable capacitor.
  • the present invention can improve plasma density uniformity on a surface of a substrate to be processed by simply adjusting a value of a variable capacitor connected in parallel to a part of an antenna coil in the same condition as a conventional ICP antenna. .
  • the present invention can be applied to various types of semiconductor manufacturing equipment and manufacturing methods.

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Description

ICP 안테나 및 이를 포함하는 기판 처리 장치
본 발명은 ICP 안테나 및 이를 포함하는 기판 처리 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 ICP 안테나의 일부에 가변 커패시터를 병렬 연결하는 것에 의하여 기판 처리 표면 상에서 플라즈마 밀도의 균일성을 개선시킬 수 있는 구조를 가진 ICP 안테나 및 이를 포함하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 공정에 사용되는 기판 처리 장치는 반도체 회로의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 기판의 대형화 및 액정 디스플레이의 대면적화에 따라 전체 처리 면적은 대형화됨에 반해 내부 회로는 더욱 소형화되는 추세에 있다. 따라서 한정된 영역에 보다 많은 소자의 집적이 필요하게 되었을 뿐 아니라 대형화된 전체 면적에 형성되는 소자의 균일성을 개선시키도록 연구 및 개발이 진행되고 있다.
기판 처리 장치로 이용되고 있는 플라즈마 처리 장치는 챔버 내의 반응 가스를 활성화시켜 플라즈마를 형성한 후 형성된 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 건식 처리 장치로, 전극 형태에 따라 용량 결합형 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma; CCP)와 유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma; ICP) 방식으로 구분된다.
CCP 방식은 일반적으로 평행한 한 쌍의 플레이트형 전극에 고주파를 인가함으로써 전극 사이의 공간에 형성되는 전기장에 의해 플라즈마를 발생시키는 것으로, 정확한 용량 결합 조절과 이온 조절 능력이 높아서 ICP 방식에 비하여 공정 생산성이 높다는 장점을 갖는다. 반면, 무선 주파수 전원의 에너지가 거의 배타적으로 용량 결합을 통하여 플라즈마에 전달되기 때문에 플라즈마 이온 밀도는 용량 결합된 무선 주파수 전력의 증가 또는 감소에 의해서만 조절될 수 있다. 그러므로 고밀도 플라즈마를 생성하기 위해서는 높은 무선 주파수 전력이 필요하게 된다. 그러나 무선 주파수 전력을 증가시키는 것은 이온 충격 에너지를 증가시킨다. 따라서 이온 충격에 의한 손상을 방지하기 위해서는 공급되는 무선 주파수 전력을 증가시키는데 한계를 갖게 된다.
이에 반해, ICP 방식은 일반적으로 나선형의 안테나에 고주파를 인가하고 안테나에 유입되는 고주파 전류에 의한 자기장의 변화에 따라 유도되는 전기장으로 챔버 내부의 전자를 가속시켜 플라즈마를 발생시키는 것으로, 무선 주파수 전력의 증가에 따라 이온 밀도를 쉽게 증가시킬 수 있는 반면 이에 따른 이온 충격은 상대적으로 낮아 고밀도 플라즈마를 발생시키기에 적합한 것으로 알려져 있다. 따라서 플라즈마를 이용하는 기판 처리 장치에 있어서 고밀도 플라즈마를 발생시키기 위하여 ICP 방식을 사용하는 것이 일반적인 추세이다. 도 1은 종래 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이며, 도 2는 종래 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에서 안테나의 관련 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 유도 결합형 플라즈마 처리 장치(100)는 내부에 플라즈마(P)에 의해 처리되는 피처리 기판(W)이 배치되는 챔버(110), 챔버(110) 내부에 기판의 처리를 위한 소스 가스를 공급하는 가스 분사부(120) 및 기판 처리 후 잔여 가스 및 미반응 가스가 배출되는 가스 배출구(130), 챔버(110) 내에 배치되며 상기 피처리 기판이 배치되는 서셉터(140), 챔버(110)의 상부 또는 측면에 위치하며 챔버 내부에 플라즈마(P)를 발생시키기 위한 자기장 및 전기장을 형성하는 안테나(150), 상기 안테나에 소스 전원을 인가하는 고주파 발진기(RF generator, 160) 및 상기 고주파 발진기(160)에 연결되는 연결 케이블의 특성 임피던스를 로드 임피던스에 맞추기 위한 임피던스 매칭회로(170)를 포함한다.
이러한 플라즈마 처리 장치는 안테나 및 유전체 윈도우의 형상에 따라 팬케이크형 안테나, 실린더형 안테나 및 돔형 안테나로 분류될 수 있는데 도 2의 (a)는 종래 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에서 팬케이크형(Pancake type antenna) 안테나의 형상을 나타내며, 도 2의 (b)는 실린더형 안테나(Cylinderical type antenna)의 형상을 나타낸다.
그러나 ICP 방식은 안테나 코일 형상과 주파수에 의하여 불균일한 플라즈마가 발생하는 문제가 있어서 안테나 코일 설계에 어려움이 있을뿐 아니라 주파수를 올리는데 한계가 있다. 또한, 플라즈마 소스와 기판 사이의 거리가 CCP 방식에 비해 크다는 문제가 있어서 확산에 의해 플라즈마의 거동이 결정되며 피처리 기판 상에서 플라즈마의 균일도를 결정하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 안테나 일부에 가변 커패시터를 병렬로 연결하는 것에 의하여 기판 처리면 상에서의 플라즈마의 균일성을 개선시킬 수 있는 ICP 안테나 및 이를 포함하는 기판 처리 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 다음의 상세한 설명과 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 ICP 안테나는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 ICP 안테나로서, 일단이 임피던스 매칭회로를 통하여 RF 전원에 연결되고 타단이 접지된 안테나 코일; 및 상기 안테나 코일의 일부에 병렬로 연결된 가변 커패시터를 포함한다.
상기 ICP 안테나는 상기 가변 커패시터에 병렬로 연결된 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 안테나 코일은 실린더형 안테나 코일일 수 있다.
상기 안테나 코일이 실린더형 안테나 코일인 경우, 상기 안테나 코일의 상기 일단은 상부에 위치하고 상기 타단을 하부에 위치하며, 상기 가변 커패시터는 상기 안테나 코일의 일단을 포함하는 코일 상부 또는 상기 안테나 코일의 타단을 포함하는 코일 하부 중 하나에 연결될 수 있다.
상기 안테나 코일은 팬케이크형 안테나 코일일 수 있다.
상기 안테나 코일이 팬케이크형 안테나 코일인 경우, 상기 안테나 코일의 상기 일단은 외측에 위치하고 상기 타단은 내측에 위치하며, 상기 가변 커패시터는 상기 안테나 코일의 일단을 포함하는 외측 코일부 또는 상기 안테나 코일의 타단을 포함하는 내측 코일부에 연결될 수 있다.
본 발명의 기판 처리 장치는 내부에 플라즈마에 의해 처리되는 피처리 기판이 배치되는 챔버; 상기 챔버 내부에 상기 피처리 기판의 처리를 위한 소스 가스를 공급하는 가스 분사부; 상기 피처리 기판 처리 후 상기 챔버 내의 잔여 가스 및 미반응 가스가 배출되는 가스 배출구; 상기 피처리 기판이 배치되는 서셉터; 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 ICP 안테나; 상기 ICP 안테나에 소스 전원을 인가하는 고주파 발진기; 및 상기 ICP 안테나와 상기 고주파 발진기 사이에 연결된 임피던스 매칭회로를 포함한다.
상기 기판 처리 장치는 상기 ICP 안테나의 가변 커패시터를 조절하기 위한 가변 커패시터 조절부를 더 포함할 수 있다.
본 발명 효과는 안테나 일부에 가변 커패시터를 병렬로 연결하는 것에 의하여 기판 처리면 상에서의 플라즈마의 균일성을 개선시킬 수 있다는 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에서 안테나 관련 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 ICP 안테나의 구성을 나타내기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 (b)에 도시된 ICP 안테나 구성에 의한 플라즈마 분포 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 (d)에 도시된 ICP 안테나 구성에 의한 플라즈마 분포 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 ICP 안테나의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나의 실제 구현 모습을 나타내는 도면이다.
도 9는 가변 커패시터 적용 전후 피처리 기판 표면에서 측정한 플라즈마 분포를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 3 내지 도 9를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 ICP 안테나의 구성을 나타내기 위한 개념도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ICP 안테나는 실질적으로 하나의 코일을 특정 지점을 기준으로 임피던스를 둘로 나누어 두 개의 임피던스가 직렬 연결된 회로를 형성하는 것으로 개념적으로 생각할 수 있다. 임피던스 매칭 회로(270)를 통하여 RF 전원(160)에 연결된 일단부를 포함하는 코일 부분의 임피던스를 제1 임피던스(Z1, 250a)라 하고 접지된 타단부를 포함하는 코일 부분의 임피던스를 제2 임피던스라 한다.
여기서, 제2 임피던스(Z2)가 커지게 되면 전체 코일의 임피던스가 증가하여ICP 안테나를 흐르는 전체 코일 전류는 감소하게 된다. 코일 전류가 감소함에 따라 제1 임피던스(Z1)에 인가되는 전력은 감소하게 되고 따라서 제1 임피던스(Z1)에 해당하는 코일 부분에 의하여 생성되는 플라즈마 역시 감소하게 된다. 그러나, 임피던스가 증가하면 플라즈마 전력은 증가한다. 제2 임피던스(Z2)에 해당하는 코일 부분은 LC 병렬 연결과 가변 커패시터의 용량 조절로 LC 공진 조건에 가까워지면서 공진 조건에 따른 인덕터 전류와 커패시터 전류가 흐르게 되고, 임피던스는 커지게 된다. 이 경우 코일 입력단에서 측정되는 코일 전류는 감소하게 됨에도 불구하고 제 2 임피던스(Z2)의 임피던스 증가에 의하여 플라즈마가 감소, 유지 또는 증가될 수 있다.
이와 같이 본원 발명은 ICP 안테나를 두 개의 임피던스가 직렬 연결된 안테나로 가정하고 두 개 중 하나의 임피던스를 조절하는 것에 의하여 두 개의 임피던스 모두를 조절할 수 있으며, 이하에 설명하는 바와 같이 부위별 임피던스 조절에 의하여 피처리 기판 표면에서의 플라즈마 균일성을 제어할 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나의 구성 및 효과를 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나의 구성을 나타내는 도면이며, 도 4의 (a)는 종래 실린더형 ICP 안테나의 구성을 나타내며, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 하부 안테나에 가변 커패시터가 병렬로 연결된 안테나 구성을 나타내고, (c)는 (b)의 가변 커패시터에 병렬로 연결된 저항을 더 포함하는 안테나 구성을 나타내며, (d)는 상부 안테나에 가변 커패시터가 병렬로 연결된 안테나 구성을 나타내고, (e)는 (d)의 가변 커패시터에 병렬로 연결된 저항을 더 포함하는 안테나 구성을 나타낸다.
도 5는 도 4의 (b)에 도시된 ICP 안테나 구성에 의한 플라즈마 분포 변화를 나타내는 도면이며, 도 5의 (a)는 종래 실린더형 ICP 안테나에 의해 생성된 플라즈마의 피처리기판 상에서의 밀도 분포를 개략적으로 나타내며, (b)는 도 4의 (b)에 도시된 ICP 안테나에 의해 생성된 플라즈마의 피처리기판 상에서의 밀도 분포를 개략적으로 나타낸다.
일반적으로 실린더형 ICP 안테나에 유도된 전기장은 소정 반경을 가지는 환형의 플라즈마를 생성하고 생성된 플라즈마는 챔버 하부에 배치된 피처리 기판의 중심과 챔버를 향하여 확산된다. 따라서 확산 거리가 길수록 중심 부분의 플라즈마 밀도가 높아지게 된다.
도 5의 (a)를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 종래 실린더형 ICP 안테나의 경우 상부 코일에 의해 생성된 플라즈마는 챔버 하부에 배치된 기판까지 확산됨에 따라 기판 중심에서 높은 밀도를 보이는 산 모양의 밀도 분포를 나타낸다. 그러나 하부 코일에 의해 생성된 플라즈마는 확산 거리가 짧아 유도 전기장에 의해 생성된 플라즈마와 같이 환형의 밀도 분포로 피처리 기판 표면에 이르게 된다. 따라서 피처리 기판 표면에서는 상부 코일에 의해 생성된 플라즈마와 하부 코일에 의해 생성된 플라즈마가 중첩된 형태의 플라즈마 밀도 분포를 이루게 된다. 도 5의 (a)를 참조하면, 피처리 기판 표면에서의 플라즈마 밀도는 기판 중심의 밀도가 높은 분포를 가지고 있음을 알 수 있다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 하부 안테나에 가변 커패시터를 병렬로 연결하는 것에 의하여 전체 플라즈마 밀도를 조절하고 있다. 도 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 하부 안테나에 가변 커패시터를 병렬로 연결한 경우 하부 안테나에 해당하는 제2 임피던스(Z2)가 증가하여 안테나의 전체 임피던스가 증가하게 되며, 따라서 안테나를 통하여 흐르는 전체 코일 전류가 감소한다. 따라서 상부 안테나에 인가되는 플라즈마 전력이 감소하게 되며 결과적으로 상부 안테나에 의해 생성되는 플라즈마의 밀도가 감소한다. 반면, 하부 안테나의 경우 임피던스가 증가함으로 인하여 코일 전류의 감소에도 불구하고 플라즈마 전력이 유지될 수 있으며 따라서 생성되는 플라즈마 밀도가 감소하지 않는다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나를 채용한 경우, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 상부 안테나에 의해 생성되어 확산된 플라즈마 밀도가 감소하여 피처리 기판 표면에서의 플라즈마 밀도는 종래 ICP 안테나에 비하여 반경방향으로 균일한 분포를 이루고 있음을 알 수 있다.
도 6은 도 4의 (d)에 도시된 ICP 안테나 구성에 의한 플라즈마 분포 변화를 나타내는 도면이다. 도 6의 (a)는 종래 실린더형 ICP 안테나에 의해 생성된 플라즈마의 피처리기판 상에서의 밀도 분포를 개략적으로 나타내며, (b)는 도 4의 (d)에 도시된 ICP 안테나에 의해 생성된 플라즈마의 피처리기판 상에서의 밀도 분포를 개략적으로 나타낸다.
도 6의 (a)를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 도 5의 (a)와 마찬가지로 종래 실린더형 ICP 안테나의 경우 상부 코일에 의해 생성된 플라즈마는 피처리 기판 표면에서 산 모양의 플라즈마 분포를 하부 코일에 의해 생성된 플라즈마는 피처리 기판 표면에서 환형의 플라즈마 분포를 형성한다. 다만, 도 6의 (a)의 경우, 상부 안테나에 의해 형성된 플라즈마 밀도가 도 5의 (a)에 비하여 상대적으로 낮아 피처리 기판 표면에서의 전체 플라즈마 밀도는 기판 중심의 밀도가 낮은 분포를 가지고 있음을 알 수 있다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나는 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이 상부 안테나에 가변 커패시터를 병렬로 연결하는 것에 의하여 전체 플라즈마 밀도를 조절할 수 있다. 도 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 상부 안테나에 가변 커패시터를 병렬로 연결한 경우 상부 안테나에 해당하는 제1 임피던스(Z1)가 증가하여 안테나의 전체 임피던스가 증가하게 되며, 이는 전체 안테나를 통하여 흐르는 전체 코일 전류를 감소시킨다. 따라서 하부 안테나에 인가되는 플라즈마 전력이 감소하게 되며 결과적으로 하부 안테나에 의해 생성되는 플라즈마의 밀도가 감소한다. 반면, 상부 안테나의 경우 임피던스가 증가함으로 인하여 코일 전류의 감소에도 불구하고 플라즈마 전력이 유지될 수 있으며 따라서 생성되는 플라즈마 밀도가 감소하지 않는다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나를 채용한 경우, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 하부 안테나에 의해 생성되어 확산된 플라즈마 밀도가 감소하여 피처리 기판 표면에서의 전체 플라즈마 밀도는 종래 ICP 안테나에 비하여 반경방향으로 균일한 분포를 이루게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 ICP 안테나는 도 4의 (c) 및 (e)에 도시된 바와 같이 가변 커패시터에 병렬로 연결된 저항을 더 포함할 수 있다. 저항을 더 포함하는 것에 의하여 임피던스 조절의 가변성을 더욱 확장시킬 수 있다. 이 실시예에서는 소정 값을 가지는 저항을 가변 커패시터에 병렬로 연결하는 것으로 설명하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 다른 예로 가변 저항이 가변 커패시터에 병렬로 연결될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 ICP 안테나의 구성을 나타내는 도면이다. 도 7의 ICP 안테나는 팬케이크형 안테나에 적용한 것을 제외하면 도 4에 도시된 것과 유사하다. 도 7의 (a)는 종래 팬케이크형 ICP 안테나의 구성을 나타내며, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 외부 안테나에 가변 커패시터가 병렬로 연결된 안테나 구성을 나타내고, (c)는 내부 안테나에 가변 커패시터가 병렬로 연결된 안테나 구성을 나타낸다. 도 7에 도시하고 있지는 않지만 도 4의 (c) 및 (e)와 마찬가지로 저항 또는 가변 저항이 가변 커패시터에 병렬로 연결될 수 있다.
실린더형 안테나와 마찬가지로, 도 7의 (b)와 같이 외부 안테나에 가변 커패시터를 연결하는 것에 의하여 전체 안테나의 임피던스를 크게 할 수 있으며 따라서 내부 안테나에 의해 형성되어 확산되는 산 모양의 플라즈마 밀도를 감소시킬 수 있다. 또한 도 7의 (c)와 같이 내부 안테나에 커패시터를 연결하는 것에 의하여 외부 안테나에 의해 형성되어 확산되는 도넛 모양의 플라즈마 밀도를 감소시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명은 ICP 안테나 일부에 가변 커패시터를 병렬로 연결하여 조절하는 것에 의하여 피처리 기판 표면에서의 플라즈마 밀도를 반경방향으로 균일하게 할 수 있는 효과가 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 ICP 안테나의 실제 구현 모습을 나타내는 도면이다. 이 실시예에서는 300mm용 ICP 코일을 사용하였으며 원주 방향으로의 플라즈마 밀도의 균일성을 위하여 짝수로 권선된 코일(4회 권선 코일)을 사용하였으며, 4회 권선된 코일에서 중간부인 2회 권선이 끝나는 지점(N)에 탭(tap)을 내어 가변 커패시터를 연결하였다. 또한, 도시되지는 않았지만 가변 커패시터에 컨트롤 놉(control knob)을 연결하여 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 ICP 안테나는 가변 커패시터에 병렬로 연결된 저항을 더 포함할 수 있으며, 이 저항이 가변 저항인 경우 커패시터와 마찬가지로 컨트롤 놉에 의하여 가변 저항의 저항을 조절할 수 있다.
도 9는 가변 커패시터 적용 전후 피처리 기판 표면에서 측정한 플라즈마 분포를 나타내는 그래프이다. 도 9의 가로축은 피처리 기판 중심으로부터 반경방향 거리를 나타내며 세로축은 플라즈마 밀도를 나타낸다. 그래프에서 내부가 채워진 원은 가변 커패시터를 구비하지 않은 종래 ICP 안테나(비교예)에 의한 플라즈마 밀도를 나타내며 내부가 빈 원은 가변 커패시터를 구비한 ICP 안테나(실시예)에 의한 플라즈마 밀도를 나타낸다.
도 9에 도시된 바와 같이 본원발명은 종래 ICP 안테나와 동일 조건에서 안테나 코일 일부에 가변 커패시터를 병렬로 연결하여 그 값을 조절하는 것만으로 피처리 기판 표면에서의 플라즈마 밀도 균일성을 개선할 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명은 다양한 형태의 반도체 제조설비 및 제조방법에 응용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 기판을 에피택셜 챔버로 이송하는 단계; 및
    상기 기판에 대한 에피택셜 공정을 수행하여 상기 기판에 에피택셜층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 에피택셜 공정은,
    상기 기판을 700도 이하로 가열하고 상기 에피택셜 챔버의 내부를 300Torr 이하로 조절한 상태에서 상기 에피택셜 챔버의 내부에 실리콘 가스를 주입하여 제1 에피택셜층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 가스의 주입을 중단하고 상기 에피택셜 챔버의 내부에 퍼지 가스를 주입하여 상기 에피택셜 챔버의 내부를 1차 퍼지하는 단계;
    상기 기판을 700도 이하로 가열하고 상기 에피택셜 챔버의 내부를 300Torr 이하로 조절한 상태에서 상기 에피택셜 챔버의 내부에 실리콘 가스를 주입하여 제2 에피택셜층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 가스의 주입을 중단하고 상기 에피택셜 챔버의 내부에 퍼지 가스를 주입하여 상기 에피택셜 챔버의 내부를 2차 퍼지하는 단계를 포함하는, 저온 에피택셜층 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 가스는 SiCl4, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH3Cl, Si2H6, 또는 SiH4 중 어느 하나 이상인, 저온 에피택셜층 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에피택셜 공정은,
    상기 기판을 700도 이하로 가열하고 상기 에피택셜 챔버의 내부를 300Torr 이하로 조절한 상태에서 상기 에피택셜 챔버의 내부에 실리콘 가스를 주입하여 제n 에피택셜층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 가스의 주입을 중단하고 상기 에피택셜 챔버의 내부에 퍼지 가스를 주입하여 상기 에피택셜 챔버의 내부를 n차 퍼지하는 단계를 더 포함하는, 저온 에피택셜층 형성방법(n=3,4,…k, k는 정수).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 에피택셜층을 형성하는 단계는 상기 기판을 480도로 가열하며,
    상기 에피택셜 공정은 상기 기판에 60Å을 초과하고 74Å 이하인 에피택셜층을 형성하는, 저온 에피택셜층 형성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 에피택셜층을 형성하는 단계는 상기 기판을 500도로 가열하며,
    상기 에피택셜 공정은 상기 기판에 62Å을 초과하고 115Å 이하인 에피택셜층을 형성하는, 저온 에피택셜층 형성방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 에피택셜층을 형성하는 단계는 상기 기판을 520도로 가열하며,
    상기 에피택셜 공정은 상기 기판에 71Å을 초과하고 110Å 이하인 에피택셜층을 형성하는, 저온 에피택셜층 형성방법.
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