KR100735668B1 - 개선된 이온빔 소오스 및 이온빔 추출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 고주파의 고전압을 인가하여 주입된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생챔버와, 상기 플라즈마로부터 특정 극성을 갖는 이온빔을 추출하여 통과시키는 그리드홀이 각기 대응하는 위치에 적어도 하나 이상 형성되어 있으며, 이온빔 통과 방향으로 일정 간격을 유지하며 이격되는 복수의 그리드로 이루어지는 그리드 어셈블리를 구비하여 구성되는 이온빔 소오스에 있어서, 상기 플라즈마 발생챔버에 단속적으로 고주파의 고전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스를 제공한다.

Description

개선된 이온빔 소오스 및 이온빔 추출방법{IMPROVED ION BEAM SOURCE AND ION BEAM EXTRACTING METHOD}

도 1은 본 발명에 따른 개선된 이온빔 소오스를 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 개선된 이온빔 소오스에 있어서, 플라즈마 발생챔버에 인가되는 전압 파형도,

도 3은 본 발명에 따른 개선된 이온빔 소오스에 있어서, 그리드 어셈블리에 인가되는 전압 파형도,

도 4는 플라즈마 발생챔버에 인가되는 도 2의 파형과 그리드 어셈블리에 인가되는 도 3의 파형을 중첩하여 나타낸 주파수 파형도이다.

<참조부호의 설명>

10 - 이온빔 소오스, 13 - 파워서플라이,

20 - 그리드 어셈블리, 21 - 상부 그리드,

22 - 하부 그리드, 23 - 파워서플라이,

30 - 반사체.

본 발명은 기판상에 특정 물질층을 식각 또는 증착하기 위해 사용되는 이온빔을 발생시키는 이온빔 소오스에 관한 것으로, 플라즈마 발생챔버로부터 높은 플럭스의 음(-)극성 이온빔을 추출하도록 된 개선된 이온빔 소오스 및 이온빔 추출방법에 관한 것이다.

근년, 반도체소자의 고집적화에 대한 요구가 계속되어짐에 따라, 반도체 집적회로의 설계에서 디자인룰이 더욱 감소되어 0.09㎛ 이하의 임계치수가 요구되기에 이르렀다. 현재 이러한 나노미터급 반도체 소자를 구현하기 위한 장비로서 고밀도 플라즈마 장치, 반응성 이온빔 장치 등의 장비(이하, 이온빔 소오스 라함)가 사용되고 있다. 그러나, 이러한 장비에서는 식각 공정을 수행하기 위한 다량의 이온들이 존재하고, 이들 이온들이 수백eV의 에너지로 반도체기판 또는 반도체기판 상의 특정 물질층에 충돌되기 때문에 반도체 기판이나 이러한 특정 물질층에 물리적, 전기적 손상을 야기시킨다.

물리적 손상의 예로서는, 플라즈마 발생챔버에서 발생하는 이온들과 충돌되는 결정성의 기판 또는 특정 물질층의 표면이 비정질층으로 전환되기도 하며, 입사되는 이온들의 일부가 흡착되거나 충돌되는 물질층의 일부 성분만이 선택적으로 작용하여 식각되는 표면층의 화학적 조성이 변화되기도 하며, 표면층의 원자 결합이 충돌에 의해 파손되어 댕글링 결합(dangling bond)으로 되기도 한다. 이러한 댕글링 결합은 재료의 물리적 손상뿐 아니라 전기적 손상의 원인이 된다. 그 밖에 게 이트 절연막의 차지업(chargeup)손상이나 포토레지스트의 차징(charging)에 기인한 폴리실리콘 노칭(notching) 등에 의한 전기적 손상을 야기시킨다. 또한, 이러한 물리적, 전기적 손상 이외에도 챔버 물질에 의한 오염이나 CF계 반응가스를 사용하는 경우는 C-F폴리머의 발생 등 반응가스에 의한 표면의 오염이 발생되기도 한다.

따라서, 나노미터급 반도체소자에 있어서, 이러한 이온에 의한 물리적, 전기적 손상 등은 소자의 신뢰성을 저하시키고, 나아가서는 생산성을 감소시키는 원인이 되기 때문에 향후 반도체소자의 고집적화와 그에 따른 디자인룰의 감소 추세에 대응하여 적용될 수 있는 새로운 개념의 반도체 식각장치 및 식각방법에 대한 개발이 요구되고 있다.

이러한 가운데, 디. 비. 오오크(D. B. Oakes)씨 등의 논문 "Selective, Anisotropic and Damage-Free SiO2 Etching with a Hyperthermal Atomic Beam"에서 과열된 원자빔을 이용한 비손상 식각기술을 제안하고 있으며, 일본의 다카시 유노가미(Takashi Yunogami)씨 등의 논문 "Development of neutral-beam-assisted etcher"(J.Vac. Sci. Technol. A 13(3), May/June, 1995)에서 중성빔과 중성래디칼을 이용하여 손상이 매우 적은 실리콘옥사이드 식각기술을 제시하고 있으며, 엠. 제이.고에크너(M.J. Goeckner)씨 등의 논문 "Reduction of Residual Charge in Surface-Neutralization-Based Beams"(1997 2nd International Symposium on Plasma Process-Induced Damage. May 13-14, Monterey, CA.)에서 플라즈마 대신에 전하가 없는 과열 중성빔에 대한 식각기술을 제안하고 있다.

상기 디.비. 오오크씨 등이 제안한 기술은 이온이 존재하지 않으므로 전기적 물리적 손상이 없으며, 오염도가 적은 것으로 추정되지만 대면적화에 어려움이 따르고, 극미세소자에서의 이방성을 얻기 힘들며, 식각 속도가 낮다는 단점이 있으며, 상기 다카시 유노가미씨 등이 제안한 기술은 대면적화가 손쉬운 반면 중성빔의 방향성 조절이 어렵고 이온빔 추출시 오염가능성이 크다는 단점이 있다. 또한, 엠. 제이. 고에크너씨 등이 제안한 기술은 대면적화가 가능하고 고중성빔 플럭스를 얻을 수 있는 반면에 이온과 전자의 재결합으로 인한 중성빔의 방향성이 뚜렷하지 않고 이온이 섞여 나올 수 있으며, 이온 추출시 오염가능성이 크다는 단점이 있다.

한편, 본 발명의 출원인은 상기와 같은 문헌의 기술내용을 기초로 대한민국 특허등록번호 제10-412953호에 등록된 '중성빔을 이용한 식각장치'를 개시한 바 있는데, 이 등록특허에는 이온빔을 중섬빔화하한 반사체에 대해 개시되어 있다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 플라즈마 발생챔버로부터 중성화가 용이한 다량의 음이온 플럭스를 추출하고, 이 다량의 음이온을 반사체를 사용해서 중성화함에 따라 그 플럭스량이 증가되는 다량의 중성빔을 생성할 수 있도록 된 개선된 이온빔 소오스 및 이온빔 추출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은,

고주파의 고전압을 인가하여 주입된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라 즈마 발생챔버와, 상기 플라즈마로부터 특정 극성을 갖는 이온빔을 추출하여 통과시키는 그리드홀이 각기 대응하는 위치에 적어도 하나 이상 형성되어 있으며, 이온빔 통과 방향으로 일정 간격을 유지하며 이격되는 복수의 그리드로 이루어지는 그리드 어셈블리를 구비하여 구성되는 이온빔 소오스에 있어서, 상기 플라즈마 발생챔버에 단속적으로 고주파의 고전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스를 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 그리드 어셈블리는 상부 및 하부그리드로 구성되고, 상부와 하부그리드에 소정 주파수의 전압이 180도 위상차를 가지며 인가되도록 한다.

또한, 본 발명은 상기 플라즈마 발생챔버에 고주파 전압이 인가될 때, 상기 그리드 어셈블리의 상부그리드에 양전압이 인가되고, 하부 그리드에 음전압이 인가되며, 상기 플라즈마 발생챔버에 고주파 전압이 인가되지 않을 때, 상기 그리드 어셈블리의 상부그리드에 음전압이 인가되고, 하부그리드에 양전압이 인가되도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 이온빔 소오스는 상기 그리드 어셈블리로부터의 이온빔을 중성빔으로 전환시키는 반사체를 더 구비하여 구성된다.

또한, 본 발명은 상기 그리드 어셈블리의 상부 및 하부 그리드 사이에 절연층이 개재된다.

또한, 본 발명의 상기 그리드 어셈블리는 3개의 그리드로 이루어지고, 그리드 사이에 절연층이 개재된다.

또한, 본 발명은 상기 플라즈마 발생챔버에 대한 단속적인 고주파 전압 인가는 대략 KHz 대역의 주파수로 인가된다.

또한, 본 발명은, 상기 상부 및 하부 그리드에 인가되는 소정 주파수의 전압은 대략 KHz 대역의 주파수로 인가된다.

또한, 본 발명은 플라즈마 발생챔버에 고주파 전압이 인가될 때, 그리드 어셈블리의 상부그리드에 양전압이 인가되고, 하부 그리드에 음전압이 인가되며, 상기 플라즈마 발생챔버에 고주파 전압이 인가되지 않을 때, 상기 그리드 어셈블리의 상부그리드에 음전압이 인가되고, 하부그리드에 양전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스 추출방법을 제공한다.

이하, 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라 첨부하는 특허청구범위의 기술적 사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 형태로 변경하여 실시할 수 있음은 물론이다. 따라서, 이하의 실시예들은 본 발명의 개시가 보다 완전하도록 하며, 당업자에게 본 발명의 범주를 보다 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 출원의 발명자들은, 중성빔을 이용한 식각에 주로 사용되는 SF6 등의 F(flourine)계열의 가스에서는 양이온 양만큼 음이온이 다량 존재하고, 고주파의 고전압이 인가되는 플라즈마 발생챔버의 오프시점에서 다량의 음이온이 발생한다는 물리적 특성을 이용하여 본 발명에 따른 이온빔 소오스를 개시하였다. 또한, 이러한 음이온의 플럭스는 전자를 쉽게 잃어버리는 특성을 갖고 있으므로, 양이온에 비해 이하에 설명되는 반사체 표면과의 접촉을 통해 쉽게 중성빔을 형성하는 특성을 갖는다.

(실시예)

먼저, 본 발명의 기술적 사상의 실시예가 적용될 수 있는 이온빔 소오스로서, 도 1은 헬리컬 RF 코일을 구비하는 유도결합(inductively coupled) RF(radio frequency)형 이온빔 소오스를 개략적으로 나타낸 도면이다. 한편, 도 1은 본 발명의 예시 및 설명을 보다 자세하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명은 도 1의 이온빔 소오스에 한정되지 않고 다양한 방식, 예컨대 용량결합(capacityvely coupled) RF형 이온빔 소오스, 헬리콘 웨이브 결합 이온빔 소오스, 음이온 소오스 또는 전자-사이크로트론 반응기(ECR) 이온빔 소오스에 모두 적용할 수 있음은 물론이다. 본 명세서에서 이온빔 소오스는 가스를 이온상태로 만들며, 이온빔의 플럭스를 추출하여 원하는 방향으로 가속하여 타겟(예컨대, 반도체기판)에 공급하는 장치이다.

도 1을 참조하면, 유도결합형 RF 이온빔 소오스(10)는, 전형적으로 석영으로 제작되는 플라즈마 발생챔버(11)를 포함한다. 또한, 상기 플라즈마 발생챔버(11)의 천정에는 F계열 또는 Cl계열의 반응가스를 공급하기 위한 가스 공급구(19)가 구비되며, 플라즈마 발생챔버(11)의 외벽에는 유도코일(14)이 감겨져 있으며, 유도코일(14)은 RF 정합박스(12)에 연결되어 있으며, RF 정합박스(12)는 RF파워를 공급할 수 있는 RF 파워서플라이(13)에 연결된다.

여기서, 상기 RF 파워서플라이(13)는 플라즈마를 발생시키기 위해서, 통상 고전압의 13.56MHz의 고주파를 단속적으로 발생시킨다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 13.56MHz의 고주파 구간(A)과 오프(off) 구간(B)을 연속적으로 반복한다. 그리고, A구간과 B구간의 시간을 바람직하게는 동일하게 하며, A구간과 B구간을 합친 파형을 대략 수 KHz대역으로 발진시켜 플라즈마챔버(11)에 인가한다.

또한, 상기 이온빔 소오스(10)의 하단부에는 이온빔이 통과할 수 있는 그리드홀(21a,22a)을 갖춘 다층, 예컨대 도 1에 도시된 파워서플라이(23)로부터 대략 KHz대역인 소정 주파수의 대략 ±400V 전압이 인가되는 상부그리드(21)와 상기 파워서플라이(23)로부터 공급되는 대략 KHz대역인 소정 주파수의 대략 ±10V 전압이 인가되는 하부그리드(22)로 이루어지는 그리드 어셈블리(20)가 구비되어, 상기 플라즈마 발생챔버(11)로부터 이온들의 추출을 제한한다. 여기서, 상기 그리드홀들에 의해 이온빔 통로(1a,2a)가 형성된다. 한편, 도 1에 있어서, 상기 파워서플라이(23)는 하나로 도시하고 있지만 필요에 따라서는 상부 및 하부그리드에 따라 구분하여 설치할 수있으며, 상부와 하부그리드에 다른 전압을 인가할 수 있다.

여기서, 도 3은 상기 상부 및 하부그리드에 인가되는 전압 파형도로, 상부그리드와 하부그리드(1 및 2)에 KHz대역의 주파수가 180도 위상차를 갖고 인가되는 상태가 도시된다. 본 실시예에 있어서, 상부 그리드(21)에는 ±400V의 전압이 인가되고, 하부그리드(22)에는 ±10V의 전압이 인가되는 것으로 기재하였으나 다양한 전압이 인가될 수도 있다.

그리고, 도 4는 플라즈마 발생챔버에 인가되는 도 2의 파형과 그리드어셈블 리에 인가되는 도 3의 파형을 중첩하여 나타낸 주파수 파형도이다.

도 4를 보면, 플라즈마를 발생시키는 고전압의 대략 13.56MHz대역의 고주파가 플라즈마 발생챔버(11)에 인가되는 A구간에서는 상부 그리드(21)에는 상부 그리드에는 +400V의 전압이 인가되고, 하부 그리드에는 -10V가 인가되며, 플라즈마 발생챔버(11)가 오프되는 상기 B구간에서는 상부 그리드에 -400V가 인가되고, 하부 그리드에 +10V가 인가된다. 즉, 그리드 어셈블리(20)의 그리드에 인가되는 KHz 대역의 주파수의 위상 변화에 따라 플라즈마 발생챔버(11)에 인가되는 전압이 온오프된다.

따라서, 상기 A구간에서는, 양이온의 경우, 상부그리드(21)가 양전압 상태를 유지하여 플라즈마 발생챔버(11)의 높은 양전압상태의 양이온과 상부그리드의 낮은 양전압에 의한 포텐셜 차에 따라 양이온이 상부그리드(21)쪽으로 유동하고, 이어서 하부그리드(22)의 음전압 상태에 따라 그리드 어셈블리(20) 내에서 하부그리드(22)를 향해 가속된 후, 후술되는 반사체와 충돌하게 된다.

한편, 플라즈마 발생챔버(11)로 공급되는 전압이 오프되는 B구간에서는 음이온의 경우, 상부 그리드(21)가 음전압 상태를 유지하여 플라즈마 발생챔버의 높은 음전압상태의 음이온과 상부그리드의 낮은 음전압에 의한 포텐셜 차에 따라 음이온이 상부그리드쪽으로 유동하고, 이어서 하부그리드의 음전압 상태에 따라 그리드 어셈블리 내에서 하부그리드를 향해 가속된 후, 후술되는 반사체(30)와 충돌하게 된다. 한편, 상기 A구간에서는 음이온이 B구간에서는 양이온이 그리드 어셈블리(20)를 통과하지 못한다.

그런데, 상기 B구간(플라즈마 발생챔버로의 전원공급이 오프되는 구간)에서는, 플라즈마 발생챔버(11)에서는 음이온의 발생 특성에 따라 다량의 음이온이 발생하고, 따라서 후술하는 반사체로 다량의 음이온이 입사되고, 음이온이 양이온 보다 대략 수십배 정도 중성화율이 높으므로 음이온에 의한 중성빔의 발생빈도가 높아지고, 결과적으로 타겟(예컨대, 반도체 기판에) 조사되는 중성빔량이 증가하게 된다.

한편, 상기 그리드 어셈블리(20)는 양전압이 인가되는 상부그리드(21)와 접지된 하부그리드(22) 및, 상부그리드(21)와 하부그리드(22) 사이에 위치되면서 상기 그리드홀(21a,22a)과 연통하는 홀을 갖춘 절연층으로 이루어지는 그리드 어셈블리(20)로 구성될 수 있다.

또한, 상기 그리드 어셈블리는 통상 양(+) 전압이 인가되는 상부의 제1그리드와, 중간의 접지된 제2그리드, 제1그리드와 동일한 전압이 인가되는 하부의 제3그리드 및, 제1그리드와 제2그리드 사이의 제1절연층, 제2그리드와 제3그리드 사이의 제2절연층으로 구성될 수도 있다. 이러한 그리드 어셈블리(4)의 구성은 본 출원인의 선출원인 대한민국 특허출원 번호 제10-2004-0014977호 "삼중그리드를 이용한 반도체 식각용 중섬빔 소오스"에 그 기술내용이 상세히 기재되어 있다.

여기서, 상기 상부 및 하부그리드(21,22)는 통상 금속과 그래파이트(graphite)의 재질을 사용하는데, 부식성이 없는 가스를 사용하는 경우에는 금속을, 부식성 가스를 사용하는 경우에는 그래파이트 재질의 그리드를 사용하고 있으며, 상기 절연층(3)으로는 유전상수가 3 내지 5 정도의 옥사이드계나 유전상수가 6 내지 9 정도인 나이트라이트계 또는, 유전상수가 수십에 이르는 강유전체 물질을 단일 또는 혼합시켜 사용하고 있다.

또한, 상기 그리드 어셈블리(20)의 하단부, 즉 하부그리드(22) 또는 제3그리드의 후단에는 입사되는 이온빔을 반사시켜 중성빔으로 전환시켜주는 반사체(30)가 밀착되어 구성되는데, 상기 플라즈마 발생챔버(11)로부터 발생한 다량의 음이온과 양이온이 표면에서 반사됨에 따라 다량의 중성빔 플럭스가 발생하게 된다. 상기 반사체(30)의 재질은 전체적으로 반도체기판, 이산화규소 또는 금속기판으로 이루어질 수 있으며, 반사체 내의 형성된 반사체 홀(31)의 표면만이 이들 재질로 구성될 수도 있다. 한편, 반사체에는 상기 상부그리드(1)에 인가되는 전압과 동일한 전압이 인가됨으로써 통과되는 이온의 에너지가 계속 유지될 수도 있다.

상기 반사체(30)에 관한 설명은 대한민국 특허 등록번호 10-412953호의 "중성빔을 이용한 식각장치"에 이미 공지되어 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 플라즈마 발생장치가 중성화가 용이한 다량의 음이온을 발생시킬 수 있으므로, 이에 따라 발생된 다량의 중성빔을 이용하여 이온빔 소오스 내의 타겟을 조사할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 고주파의 고전압이 단속적으로 인가되어 주입된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생챔버;

   상기 플라즈마 발생챔버로부터 발생되는 플라즈마로부터 특정 극성을 갖는 이온빔을 추출하여 통과시키는 그리드홀이 각기 대응하는 위치에 적어도 하나 이상 형성되어 있으며, 이온빔 통과 방향으로 일정 간격을 유지하며 이격되는 복수의 상부 및 하부 그리드로 이루어져 상기 상부 및 하부그리드에 주파수 전압이 180도 위상차를 가지며 인가되는 그리드 어셈블리;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 플라즈마 발생챔버에 고주파 전압이 인가될 때, 상기 그리드 어셈블리 의 상부그리드에 양전압이 인가되고, 하부 그리드에 음전압이 인가되며,

   상기 플라즈마 발생챔버에 고주파 전압이 인가되지 않을 때, 상기 그리드 어셈블리의 상부그리드에 음전압이 인가되고, 하부그리드에 양전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스.
4. 제1항에 있어서,

   상기 그리드 어셈블리로부터의 이온빔을 중성빔으로 전환시키는 반사체를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스.
5. 제1항에 있어서, 상기 그리드 어셈블리의 상부 및 하부 그리드 사이에 절연층이 개재되는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스.
6. 제5항에 있어서,

   상기 절연층은 유전상수가 2 내지 50의 범위에 속하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스.
7. 제1항에 있어서,

   그리드 어셈블리는 3개의 그리드로 이루어지고, 그리드 사이에 절연층이 개재되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스.
8. 제1항에 있어서,

   상기 플라즈마 발생챔버에 대한 단속적인 고주파 전압 인가는 대략 KHz 대역의 주파수로 인가되는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스.
9. 제1항에 있어서,

   상기 상부 및 하부 그리드에 인가되는 소정 주파수의 전압은 대략 KHz 대역의 주파수로 인가되는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스.
10. 주입된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생챔버와, 상기 플라즈마 발생챔버로부터 발생되는 플라즈마로부터 특정 극성을 갖는 이온빔을 추출하여 통과시키는 그리드홀을 형성하며 이온빔 통과 방향으로 일정 간격을 유지하며 이격되는 복수의 상부 및 하부 그리드로 이루어진 그리드 어셈블리로 구성된 이온빔 소오스를 이용한 이온빔 소오스 추출방법에 있어서,

    상기 플라즈마 발생챔버에 고주파 전압이 인가될 때, 상기 그리드 어셈블리의 상기 상부그리드에 양전압이 인가되고, 상기 하부 그리드에 음전압이 인가되며,

    상기 플라즈마 발생챔버에 고주파 전압이 인가되지 않을 때, 상기 그리드 어셈블리의 상기 상부 그리드에 음전압이 인가되고, 상기 하부 그리드에 양전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 이온빔 소오스 추출방법.

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