KR101601676B1 - 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 반도체 공정 제어 방법 - Google Patents

다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 반도체 공정 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 반도체 공정 제어 방법으로서, 다중 주파수 플라즈마 장치를 이용한 반도체 공정에 있어서, 반도체 공정 중 인가된 복수의 RF에 대한 파워를 변화시키는 RF 변화 구간을 파악하는 RF 변화 구간 파악 단계; 및 상기 RF 변화 구간에서 상기 복수의 RF에 대한 순서를 설정하고 상기 순서에 따라 상기 복수의 RF의 파워를 개별적으로 조절하여 플라즈마 내의 이온 유인력을 조절함으로써 미립자 구름의 쉬쓰(Sheath) 경계면의 침투를 제어하는 RF 파워 조절 단계를 포함하며, 이와 같은 본 발명에 의하면 다중 주파수 플라즈마 장치를 이용한 공정에서 RF가 급격히 변화하는 순간에 RF 제어를 통한 주파수와 파워의 변화에 따른 미립자의 행동 양식 특성을 활용하여 기상 미립자 구름의 위치를 기판으로부터 멀리 이동시키도록 제어할 수 있으며, 이를 통해 공정 중 발생되는 기상 미립자로 인한 기판 오염과 공정의 악영향을 제거 또는 최소화시킬 수 있게 된다.

Description

다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 반도체 공정 제어 방법 {Method of controlling semiconductor processing for particulate formation and its control in a multi frequency plasma system}
본 발명은 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 반도체 공정 제어 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 공정 중 발생되는 기상 미립자로 인한 기판 오염과 공정의 악영향을 제거 또는 최소화시킬 수 있도록 기상 미립자의 행동 양식에 따라 반도체 공정을 제어하는 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 선폭이 작아지고 고집적화 될수록 오염에 의해 회로의 동작에 영향을 미치는 미립자의 임계 크기는 계속 작아진다. 특히 서브마이크론 이하의 작은 입자들은 외부 청정도의 유지, 용기(챔버)의 세정 등에 의한 방법으로는 제거할 수 없고, 대부분 공정이 진행되는 도중에 발생하였다가 공정이 끝남과 동시에 사라지는 특징이 있다.
일반적으로 플라즈마 공정 중 발생하는 미립자 오염은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 그 중 하나는 용기 벽에 붙어 있던 이전 공정의 부산물 또는 각 종 파트(Parts)의 부식 또는 침식(Erosion)에 의해 용기 벽과 전극으로부터 떨어져 나오는 성분이고, 다른 하나는 플라즈마 내부에서 기상 성장하여 기판을 오염시키는 성분이다.
도 1은 플라즈마 공정 오염을 발생시키는 두 종류의 미립자를 도시하는데, 상기 도 1의 (a)는 전자의 경우인 이질성(Heterogeneous)을 갖는 입자로써 수십 마이크론(Micron)이상의 판상 형태를 갖고, 상기 도 1의 (b)는 후자의 경우인 동질성(Homogeneous)을 갖는 입자로써 서브 마이크론(Micron) 크기의 구형 형태를 갖고 있다는 것이 알려져 있다.[Generation and behavior of particulates in a radio frequency excited CH4 plasma. (Jul/Aug 1995. J Vac. Sci Technol. A 13(4). C.k.Yeon) 참조]
상기 이질성을 갖는 입자들은 주로 용기 벽이나 전극 표면에서 박막의 형태로 자라다가 전하 축적에 의해 탈착 되어 나오는 것으로써 이러한 성분은 주기적인 용기의 습식 세정(Wet cleaning) 또는 O2 플라즈마(Plasma)에 의한 건식 세정(Dry cleaning) 등의 방법을 통해 상당 부분 제거될 수 있다.
반면에 상기 동질성을 갖는 성분들은 기상 미립자로써 플라즈마 내에서 기상 성장하여 일정한 크기와 밀도 이상이 되면 기판의 오염 및 공정 자체에 영향을 주다가 공정이 끝남과 동시에 대부분 펌핑 포트 등으로 사라지게 되어 직접적인 관찰 및 제어가 힘들다.
그러므로 이러한 기상 미립자로 인한 기판 오염과 공정 영향이 공정 수행 중에만 발생되고 공정 종료 후에는 사라지므로 기존 세정 방식을 적용해서는 제거할 수 없을 뿐더러 아무리 세정을 효과적으로 수행할지라도 이러한 기상 미립자로 인한 오염과 영향을 줄일 수 없다는 문제점이 있다.
따라서 기상 미립자로 인한 오염과 영향은 외부 변수에 의한 제어보다는 공정 진행 중의 기상 미립자의 행동 양식을 파악하여 공정 프로세스 조건 자체를 제어함으로써 기상 미립자에 의한 오염과 공정에 대한 악영향을 제거 또는 최소화시킬 수 있는 방안의 강구가 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 기상 미립자로 인한 오염과 영향이 세정 등의 외부 변수에 의한 제어로는 제거가 불가능하므로 플라즈마 공정 진행 중의 기상 미립자의 행동 양식을 파악하여 공정 프로세스 조건 자체를 제어함으로써 기상 미립자에 의한 오염과 공정에 대한 악영향을 제거 또는 최소화시킬 수 있는 방안을 제기하는 것을 주된 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명에 따른 반도체 공정 제어 방법은, 다중 주파수 플라즈마 장치를 이용한 반도체 공정에 있어서, 반도체 공정 중 인가된 복수의 RF에 대한 파워를 변화시키는 RF 변화 구간을 파악하는 RF 변화 구간 파악 단계; 및 상기 RF 변화 구간에서 상기 복수의 RF에 대한 순서를 설정하고 상기 순서에 따라 상기 복수의 RF의 파워를 개별적으로 조절하여 플라즈마 내의 이온 유인력을 조절함으로써 미립자 구름의 쉬쓰(Sheath) 경계면의 침투를 제어하는 RF 파워 조절 단계를 포함할 수 있다.
본 발명이 적용되는 상기 다중 주파수 플라즈마 장치는 용량 결합형 플라즈마 장치로서, 상부 전극과 하부 전극 각각에 하나 이상의 RF가 인가되며, 상기 반도체 공정 제어 방법은, 주파수 크기에 따라 내림차순으로 상기 복수의 RF에 대한 순차적인 순번을 설정하는 순번 설정 단계를 더 포함할 수 있다.
또는 본 발명이 적용되는 상기 다중 주파수 플라즈마 장치는 유도 결합형 플라즈마 장치로서, 소스 RF와 바이어스 RF를 포함하는 복수의 RF가 인가되며, 상기 반도체 공정 제어 방법은, 상기 소스 RF 다음으로 상기 바이어스 RF의 순서로 순번을 설정하는 순번 설정 단계를 더 포함할 수 있다.
나아가서 상기 유도 결합형 플라즈마 장치의 상기 바이어스 RF는 두개 이상의 RF를 포함하며, 상기 순번 설정 단계는, 상기 소스 RF의 다음 순번부터 주파수 크기에 따라 내림차순으로 상기 바이어스 RF에 포함된 두개 이상의 RF에 대한 순차적인 순번을 설정할 수 있다.
일실시예로서, 상기 RF 변화 구간 파악 단계는, 공정 종료에 따라 복수의 RF에 대한 파워를 오프시키는 공정 종료 구간을 파악할 수 있다.
바람직하게는 상기 RF 파워 조절 단계는, 완충 구간을 설정하고 상기 완충 구간의 시간을 고려하여 상기 순번 중 하나의 순번을 선택하는 단계; 선택된 순번까지의 RF의 파워를 오프시키고, 나머지 순번의 RF의 파워를 상기 완충 구간 동안 유지시키는 완충 구간 제어 단계; 및 상기 완충 구간 이후 상기 나머지 순번의 RF 파워를 오프시키는 파워 오프 단계를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 완충 구간 제어 단계는, 상기 완충 구간 동안 유지시키는 RF의 파워를 낮추어 유지시킬 수도 있다.
나아가서 상기 파워 오프 단계는, 제2 완충 구간을 설정하고, 상기 완충 구간 이후 상기 완충 구간 동안 유지시키던 RF의 파워를 낮추어 제2 완충 구간 동안 유지시키는 단계; 및 상기 제2 완충 구간 이후 유지시키던 RF의 파워를 오프시키는 단계를 포함할 수도 있다.
바람직하게는 상기 RF 파워 조절 단계는, 완충 구간을 설정하고, 가장 높은 순번 이전까지의 RF의 파워를 오프시키고, 가장 높은 순번의 RF 파워를 상기 완충 구간 동안 유지시키는 완충 구간 제어 단계; 및 상기 완충 구간 이후 상기 가장 높은 순번의 RF 파워를 오프시키는 파워 오프 단계를 포함할 수도 있다.
보다 바람직하게는 상기 완충 구간 제어 단계는, 상기 완충 구간 동안 상기 가장 높은 순번의 RF의 파워를 낮추어 유지시킬 수도 있다.
나아가서 상기 파워 오프 단계는, 제2 완충 구간을 설정하고, 상기 완충 구간 이후 상기 완충 구간 동안 유지시키던 상기 가장 높은 순번의 RF의 파워를 낮추어 제2 완충 구간 동안 유지시키는 단계; 및 상기 제2 완충 구간 이후 상기 가장 높은 순번의 RF의 파워를 오프시키는 단계를 포함할 수도 있다.
다른 일실시예로서, 상기 RF 변화 구간 파악 단계는, 복수의 RF 중 적어도 하나 이상의 RF에 대한 파워를 변화시키는 전환 구간(Transition step)을 파악할 수 있다.
바람직하게는 상기 RF 파워 조절 단계는, 전환 구간의 시간을 고려하여 상기 순번 중 하나의 순번을 선택하는 제어 RF 선택 단계; 선택된 순번까지의 RF의 파워를 오프시키고, 나머지 순번의 RF의 파워를 상기 전환 구간 동안 유지시키는 전환 구간 제어 단계; 및 상기 전환 구간 이후 오프된 RF의 파워를 다시 온시키는 RF 재가동 단계를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 전환 구간 제어 단계는, 상기 전환 구간 동안 유지시키는 RF의 파워를 낮추어 유지시킬 수도 있다.
나아가서 상기 RF 파워 조절 단계는, 가장 높은 순번 이전까지의 RF의 파워를 오프시키고, 가장 높은 순번의 RF의 파워를 상기 전환 구간 동안 유지시키는 전환 구간 제어 단계; 및 상기 전환 구간 이후 오프된 RF의 파워를 다시 온시키는 RF 재가동 단계를 포함할 수도 있다.
바람직하게는 상기 전환 구간 제어 단계는, 상기 전환 구간 동안 가장 높은 순번의 RF의 파워를 낮추어 유지시킬 수도 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 다중 주파수 플라즈마 장치를 이용한 공정에서 RF가 급격히 변화하는 순간에 RF 제어를 통한 주파수 변화에 따른 미립자의 행동 양식 특성을 활용하여 기상 미립자 구름의 위치를 기판으로부터 멀리 이동시키도록 제어할 수 있으며, 이를 통해 공정 중 발생되는 기상 미립자로 인한 기판 오염과 공정의 악영향을 제거 또는 최소화시킬 수 있게 된다.
도 1은 플라즈마 공정 오염을 발생시키는 두 종류의 미립자를 도시하며,
도 2는 플라즈마에서 발생한 미립자들의 이온 유인력과 정전기력에 따른 행동 양태의 개념도를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 내에 미립자의 발생과 행동 양식을 파악하기 위한 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템의 구성도를 도시하며,
도 4는 상기 도 3의 플라즈마 장치의 가동 후 방전 종료 직후의 미립자 구름의 분포를 관찰한 결과를 나타내며,
도 5는 본 발명에 따른 제1 실험예의 결과를 나타내며,
도 6은 본 발명에 따른 제2 실험예의 결과를 나타내며,
도 7은 주파수 증가에 따른 이온 밀도와 전자 온도 변화 그래프를 도시하며,
도 8은 상기 제2 실험예에 대한 이온 플럭스(Ion flux) 변화 그래프를 도시하며,
도 9는 상기 도 3의 실험 시스템에 이중 주파수 용량 결합형 플라즈마 장치를 적용하는 구성도를 도시하며,
도 10은 상기 도 9의 실험 시스템에 대한 RF 파워 제어 조건을 도시하며,
도 11과 도 12는 본 발명에 따른 제3 실험예의 결과를 나타내며,
도 13은 본 발명에 따른 제4 실험예의 결과를 나타내며,
도 14와 도 15는 본 발명에 따른 제5 실험예의 결과를 나타내며,
도 16은 본 발명에 따른 제6 실험예의 결과를 나타내며,
도 17과 도 18은 본 발명에 따른 제7 실험예의 결과를 나타내며,
도 19는 본 발명에 따른 플라즈마 내에 미립자의 발생과 행동 양식을 파악하기 위한 유도 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템의 구성도를 도시하며,
도 20은 본 발명에 따른 제8 실험예의 결과를 나타내며,
도 21은 본 발명에 따른 제9 실험예의 결과를 나타내며,
도 22는 본 발명에 따른 제10 실험예의 결과를 나타내며,
도 23은 본 발명에 따른 제11 실험예의 제어 조건을 나타내며,
도 24는 본 발명에 따른 제11 실험예의 결과를 나타내며,
도 25는 본 발명에 따른 제11 실험예에서 최종 파워가 오프되는 순간의 결과를 나타내며,
도 26은 본 발명에 따른 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 시스템의 일실시예에 대한 구성도를 도시하며,
도 27은 반도체 식각 또는 증착 장비에서 사용 중인 다양한 영역의 주파수 대역을 나타내며,
도 28은 본 발명에 따른 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 반도체 공정 제어 방법에 대한 개략적인 흐름도를 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은, 다중 주파수 플라즈마 장치를 이용한 반도체 공정 수행 중 플라즈마 장치에 인가하는 RF 파워(Power)에 따라 변화되는 기상 미립자의 발생 및 행동 양식을 파악하고, 이를 통해 기상 미립자의 발생과 기상 미립자로 인한 오염을 제거 또는 최소화시킬 수 있도록 반도체 공정을 제어하는 방법을 제시한다.
플라즈마 내에 미립자가 발생하면 이동도가 높은 전자의 표면누적에 의해 플로팅 전위(Floating potential)로 대전되어 음전하를 갖게 된다. 벌크(Bulk) 플라즈마에서 발생한 미립자들은 표면이 음으로 대전되어 이온 유인력(Ion drag force)에 의해 이온의 확산 방향으로 움직이게 되는데, 플라즈마와 쉬쓰(Sheath) 경계에 도달한 미립자들은 강한 전계에 의해 쉬쓰(Sheath) 내부로 진입하지 못하고 도 2에 도시된 바와 같이 이온 유인력과 정전기력(Electrostatic force)이 균형을 이루는 쉬쓰(Sheath) 경계에 주로 모이게 된다.
이때, 이온 유인력은 이온의 확산 방향과 일치하며 하기 [식 1]과 같이 나타낼 수 있다.(M.S.Barnes, J.H.Keller, J.C.Foster, J.A.O’Nell, D.K.Coultas, “Trasport of dust particles in glow-discharge plasmas.” Phys. Rev. Lett. 68(3), 313 (1992), D.B.Gaves, J.E.Daugherty M.D.Kilgore and R.K.Porteous, “Charging, transport and heating of particles in RF and ECR plasmas.”, Plasma Sources Sci. Technol. 3(1994) 433-441. 참조)
Figure 112015001277311-pat00001
[식 1]
여기서,
Figure 112015001277311-pat00002
은 모멘텀 전송 상수(Momentum transfer rate coefficient)로서,
Figure 112015001277311-pat00003
로 표현되며,
Figure 112015001277311-pat00004
는 모멘텀 전송 단면(Momentum transfer cross section),
Figure 112015001277311-pat00005
는 이온 속도 분포(Ion velocity distribution),
Figure 112015001277311-pat00006
는 이온 밀도(Ion density),
Figure 112015001277311-pat00007
는 이온 속도(Ion velocity) 및
Figure 112015001277311-pat00008
은 이온 질량(Ion mass)이다.
미립자의 모멘텀 전송 단면(Momentum transfer cross section)은 상기 [식 1]에 나타난 것처럼 이온 속도의 함수로 나타낼 수 있다. 플라즈마내 이온의 분포함수를 단일 속도의 빔(Beam)으로 가정한다면 상기 [식 1]은 미립자 표면에 도달되는 수집 이온(Collected ion)들에 의한 힘과 쉬쓰(Sheath)내에서 오비탈 운동(Orbital motion)을 하게 되는 이온(Ion)들에 의한 힘으로 나누어질 수가 있으며, 하기 [식 2]로 나타낼 수 있다.(M.S.Barnes, J.H.Keller, J.C.Foster, J.A.O’Nell, D.K.Coultas, “Trasport of dust particles in glow-discharge plasmas.” Phys. Rev. Lett. 68(3), 313 (1992), D.B.Gaves, J.E.Daugherty M.D.Kilgore and R.K.Porteous, “Charging, transport and heating of particles in RF and ECR plasmas.”, Plasma Sources Sci. Technol. 3(1994) 433-441. 참조)
Figure 112015001277311-pat00009
[식 2]
여기서,
Figure 112015001277311-pat00010
는 수집 이온에 의한 이온 유인력(Ion drag force by collected ion)으로서 하기 [식 3]으로 나타낼 수 있으며,
Figure 112015001277311-pat00011
는 오비탈 운동에 의한 이온 유인력(Ion drag force by orbital motion)으로서 하기 [식 4]로 나타낼 수 있다.
Figure 112015001277311-pat00012
[식 3]
여기서,
Figure 112015001277311-pat00013
는 수집 충돌 파라미터(Collection impact parameter)로서,
Figure 112015001277311-pat00014
이며,
Figure 112015001277311-pat00015
는 이온들의 평균 속도(Mean speed of ions)로서,
Figure 112015001277311-pat00016
이다.
Figure 112015001277311-pat00017
[식 4]
여기서,
Figure 112015001277311-pat00018
는 이온 오비탈 운동의 충돌 파라미터(Impact parameter of ion orbital motion)로서,
Figure 112015001277311-pat00019
이며,
Figure 112015001277311-pat00020
는 쿨롬 대수(Coulomb logarithm)로서,
Figure 112015001277311-pat00021
이다.
상기 [식 3]과 [식 4]와 관련하여,
Figure 112015001277311-pat00022
는 디바이 거리(Debye length),
Figure 112015001277311-pat00023
는 플라즈마 전위(Plasma potential),
Figure 112015001277311-pat00024
는 입자 표면 전위(Particle surface potential),
Figure 112015001277311-pat00025
는 입자 반경(Particle radius)이다.
또한 반경
Figure 112015001277311-pat00026
의 구형 커패시터(Capacitor) 모델을 가정할 때 미립자에 누적된 전하에 의한 정전기력은 하기 [식 5]와 같다.
Figure 112015001277311-pat00027
[식 5]
여기서,
Figure 112015001277311-pat00028
는 미립자의 전하(Charge of a particle)로서,
Figure 112015001277311-pat00029
이며,
Figure 112015001277311-pat00030
는 전기장(E-field)을 나타낸다.
플라즈마가 유지되는 동안에는 이온 유인력과 정전기력이 지배적인 힘으로 알려져 있고, 두 힘은 쉬쓰(Sheath) 근처에서 균형을 이루어 미립자의 트랩(Trap)이 유지되지만, 외부 전계의 변화 등에 의해 플라즈마 상태에 급격한 변화가 생기면 힘의 균형이 무너져 미립자가 이동하게 된다.
특히, 방전 종료 직후 이온 유인력과 정전기력이 사라지게 되면 가스 점성력(Gas viscous force 또는 Neutral drag force)에 의해 트랩되어 있던 미립자의 대부분이 기판과 펌핑 포트가 위치한 아래 쪽으로 이동하여 그 중 상당수의 미립자에 의해 기판이 오염된다.
또한 반도체 식각 공정과 같이 여러 다른 조건을 한번에 순차적으로 인슈트(In-situ) 방식으로 진행할 경우, 가스(Gas) 및 RF 파워의 변화를 위해 공정 진행 중 전환 구간(Transition step)이 발생되는 경우가 많은데, 이 때 RF 파워를 완전히 껐다가 다시 켜는 경우도 앞서 설명한 바와 같이 미립자의 대부분이 기판과 펌핑 포트가 위치한 아래 쪽으로 이동하는 상황이 발생하며, 이로 인해 미립자에 의한 기판의 오염이 유발된다.
이 외에도 플라즈마 내 미립자에 작용하는 힘으로는 중력(Gravitation force), 열경사력(Thermophoretic force) 등을 있지만, 서브마이크론 수준의 크기에서 중력은 무시할 수 있을 정도의 수준이므로 이를 고려할 필요가 없고, 열경사력은 상부 전극과 하부 전극을 모두 동일한 온도로 냉각하는 경우에 영향이 거의 발생되지 않으므로 무시할 수 있는 수준이다.
이와 같은 이론적 배경에 근거해 본 발명에서는 플라즈마 내에 미립자의 발생과 행동 양식을 실험적으로 파악하고 그 결과를 기초로 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 반도체 공정 제어 방법을 제시한다.
특히 본 발명은, 현재 반도체 공정에서 가장 널리 사용되고 있는 용량 결합형 플라즈마 발생원(Capacitively coupled plasma source)과 유도결합형 플라즈마 발생원 (Inductively coupled plasma source)을 적용하는 플라즈마 장치에서의 반도체 공정을 제어하는 방안을 제시한다.
먼저 본 발명에서 플라즈마 내에 미립자의 발생과 행동 양식을 파악하기 위한 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템과 유도 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템의 구현과 각각의 상기 실험 시스템을 통한 다양한 실험 결과를 살펴보기로 한다.
먼저, 용량 결합형 플라즈마 장치는 건식 식각(Dry etch), CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 반도체 공정에 주요하게 사용되고 있는데, 본 발명에서는 용량 결합형 플라즈마 장치에서 플라즈마 내 미립자의 발생과 행동 양식을 파악하기 위한 실험 시스템으로서, 도 3에 도시된 바와 같은 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템을 구성하였다.
상기 도 3에 도시된 용량 결합형 플라즈마 장치(100)는 110mm(약 4인치)의 직경을 갖는 평판 전극형 플라즈마 장치로서, 기판이 놓여지는 하부 전극(110)과 하부 전극(110)에 대응되는 상부전극(130)을 모두 SUS304로 제작하였고, 상부 전극(130)에는 실리콘(Si) 재질의 샤워 헤드(Shower head)(135)를 장착하여 가스(Gas)가 전극 면 전체에 골고루 분사되도록 하였다. 상부 전극(130)과 하부 전극(110) 각각에는 RF 제너레이터(Generator)(150, 170)의 연결이 가능하도록 설계하였다. 특히, 하부 전극(110)에는 두 개의 서로 다른 주파수(Frequency)를 갖는 RF 제너레이터(Generator)(171, 175)를 함께 연결하여 주파수 선택에 따라 단일 또는 이중 주파수 장치(Dual frequency system)로 동작하도록 구현하였다. 이는 실험을 위한 하나의 예시로서 본 발명은 이와 같은 구성에 국한되지 않으며 상황에 따라서 상부 전극(130)과 하부 전극(110) 각각에 RF 주파수 인가를 위한 RF 제너레이터가 필요한 수만큼 구비될 수 있다.
하기에서 살펴본 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험예들에서는 RF 주파수로 실제 반도체 공정에 주로 사용되고 있는 2MHz를 LF(Low Frequency)로 선택하고, 13.56MHz를 HF(High Frequency)로 선택하였으며, 상기 도 3에 도시되지 않았으나 각각의 RF 주파수는 정합(Matching) 회로를 통해 전극으로 인가되도록 하였고, 각 전극(110, 130)은 상온의 물로 상시 냉각(Cooling)되도록 하였다.
본 발명에 따른 실험 조건으로 CF4(99.999%)와 H2(99.999%)를 3:1의 비율로 사용하였는데, 이는 유사한 시스템에서 기상 미립자 관측이 용이한 조건으로 확인된 바 있다.
실제 공정에서는 하부 전극(110)에 가공 대상 기판인 웨이퍼(Wafer)가 놓여지고 웨이퍼에 대한 식각 또는 증착 반응에 의해 부산물이 발생하여 미립자의 생성에 큰 영향을 미치게 되지만 본 발명에 따른 실험에서는 부산물에 의한 미립자 발생을 배제하고 순수 기상 미립자를 관찰하고자 하였으며, 또한 발생한 미립자의 행동 양식 및 제어에 초점을 두고 부산물에 의한 미립자 발생을 배제하여 웨이퍼를 하부 전극(110)에 놓지 않은 상태로 실험을 수행하였다.
공정 진행 중에 기상 미립자의 행동 양식을 실시간으로 관찰하기 위해 532nm의 파장을 갖는 Nd-Yag 레이저(Laser)(200)와 프레임 속도가 30fps max인 CCD 카메라(300)를 설치하였다. 또한 플라즈마 영역 전체에 레이저 광이 평판(Sheet) 형태로 입사되도록 렌즈와 빔 익스펜더(Beam expender)(250)를 설치하고, CCD 카메라(300) 앞에 6nm의 대역폭(Bandwidth)을 갖는 밴드패스 필터(Bandpass filter)(350)를 사용하여 레이저 산란광 만을 검출하여 기록하도록 하였다.
그리고 기판 중심부를 기준으로 일측 공간(400)에서의 미립자 구름 분포를 촬영하도록 CCD 카메라(300)의 위치를 조정하였다.
상기와 같은 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템을 구축한 후 이를 통해 미립자 구름의 분포를 관찰하였는데, 먼저 본 발명에서 구현한 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템의 동작 상태를 파악하고자 특별한 제어 조건을 부여하지 않고 플라즈마 장치를 가동시키다가 방전 종료 직후 미립자 구름의 분포를 관찰한 결과 도 4와 같은 결과를 얻었다. 상기 도 4는 약 83ms 간격으로 미립자 구름의 분포를 관찰한 결과인데, 플라즈마와 쉬쓰(Sheath) 경계면에 밝은 미립자 구름이 정상 상태(Steady-state)로 존재함을 알 수 있었으며, 상기 실험 시스템을 통해 외부 전계 등의 변화에 따른 미립자 구름의 급격한 움직임을 짧은 시간 간격으로 촬영하여 행동 양식을 파악할 수 있게 되었다.
본 발명에서는 상기의 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템을 통해 먼저 단일 주파수에서 미립자의 발생과 행동 양식을 파악하고 동일한 조건에서 주파수만을 변화시켰을 때 미립자의 구름 형태가 어떻게 변화하는지 확인하여 미립자의 행동 양식에 대한 변화를 예측하며, 나아가서 두 개의 서로 다른 주파수를 동시에 인가한 상태에서 RF 파워의 급격한 변화에 따른 미립자의 행동 양식을 관찰하여 이를 기초로 미립자의 발생과 행동 양식을 파악함으로써 다중 주파수 용량 결합형 플라즈마 장치에서 공정 수행중 미립자의 발생과 미립자로 인한 오염을 제거하거나 최소화시킬 수 있는 공정 제어 조건을 도출한다.
먼저, 단일 주파수 조건에서 미립자 발생과 행동 양식을 파악했는데, 제1 실험예로서 상기 실험 시스템에서 하부 전극에 13.56MHz의 단일 주파수만을 부여하고 RF 파워를 증가시키면서 미립자 발생과 행동 양식을 파악하여 도 5의 결과를 얻었다.
상기 도 5의 (a)는 RF 파워를 증가시키면서 정상 상태(Steady-state)에서의 미립자 구름을 촬영한 결과이며, 상기 도 5의 (b)는 RF 파워 증가에 따른 미립자 구름 분포의 크기 변화 그래프이며, 상기 도 5의 (c)는 RF 파워 증가에 따른 전자온도(Te)와 이온밀도(ni)를 DLP(Dual Langmuir Prove)를 이용하여 측정한 결과 그래프를 나타낸다.
상기 도 5의 (b)에서는 미립자 구름의 수평 방향 길이를 크기로 정의하였는데, 앞서 이론적 근거를 기초로 판단한 바와 같이 미립자 구름의 크기가 클수록 하부 전극(110) 바로 위의 쉬쓰 경계까지 미립자 구름이 침투하여 공정 변수에 영향을 준다는 점이 상기 도 5의 결과로부터 파악되었으며, 이로 인해 RF 파워의 오프(Off)시 기판의 오염에도 취약해 질 것으로 판단된다.
상기 도 5의 (a)와 (b)를 근거로 실험 결과를 살펴보면, 80W 이하에서는 RF 파워가 증가함에 따라 미립자 구름의 크기도 점차적으로 증가하였으며, 이 후 80W 이상에서 RF 파워를 계속 증가시키면 다시 미립자 구름의 크기가 작아졌다.
상기 도 5의 (c)를 근거로 실험 결과를 살펴보면, RF 파워 증가에 따라 전자온도가 점차적으로 증가하다가 포화되는 시점인 대략 80W 부근까지는 미립자 구름의 크기가 커짐을 알 수 있는데, 이는 전자온도와 이온밀도가 미립자 트랩을 전극 방향으로 당기는 이온 유인력에 지배적인 영향을 미치고 있다는 것을 보여주고, 80W 이상에서는 전자온도가 증가하지 않고 이온밀도만 증가하여 반경 방향으로의 이온 유인력이 커지므로 다시 미립자 구름이 작아지는 것으로 파악되었다.
이와 같은 결과는, 플라즈마 벌크(Bulk)에서 이온 유인력이 정전기력보다 우세하여 미립자들은 플라즈마 중심부로부터 멀어지려는 경향이 있고, 외부로 갈수록 전계의 증가에 의해 두 힘이 균형을 이루는 쉬쓰 경계면에 미립자 트랩이 형성되는데, 반경 방향으로는 용기의 벽과 거리가 멀어 쉬쓰 경계를 만나기 전에 펌핑 포트를 통해 배기되므로 이온 농도의 증가에 따라 반경 방향으로의 이온 유인력이 계속 증가하기 때문이다.
따라서, 전자온도가 선형으로 변화하는 구간인 RF 파워가 80W 이하에서는 플라즈마는 유지하되, RF 파워를 낮추어 전자온도를 작게 만드는 것이 이온 유인력을 작게하여 미립자 구름의 위치를 전극으로부터 멀리 이동시키는 제어 방법이 될 수 있다.
다음으로 제2 실험예로서, 상기 제1 실험예와 동일한 조건에서 주파수만을 변화시켜 미립자 구름의 형태가 어떻게 변화하는지 확인하였다.
상기 제2 실험예에서는 주파수 비교를 위해 상기 제1 실험예의 단일 주파수 실험 시스템 상에서 하부 전극(110)에 2MHz, 13.56MHz, 40MHz를 순차적으로 80W로 인가하여 각각의 주파수마다 미립자 구름을 관찰하여 도 6의 결과를 얻었다.
상기 도 6의 결과에서 보는 바와 같이 동일한 RF 파워에서 주파수가 증가할수록 미립자 구름의 위치는 하부 전극(110), 즉 기판쪽으로 가까워지고, 미립자 구름의 크기도 커지는 것을 알 수 있다.
특히, 40.68MHz 조건에서는 하부 전극(110)의 중앙에 위치한 쉬쓰 경계에서도 미립자 구름이 관찰되었는데, 이와 유사한 결과는 13.56MHz 조건에서 매우 높은 압력, 약 800mT 이상을 부여시에 관찰 가능한 것으로써 그 만큼 주파수가 증가할수록 기판 근처에서 미립자 트랩의 형성이 쉬워지는 것으로 파악된다.
상기 도 6의 결과는 주파수 증가에 따른 쉬쓰 경계에서의 이온 유인력 증가, 정전기력 감소 등으로 설명할 수 있다. 일반적으로 CCP 타입의 플라즈마 장치에서는 도 7과 같이 주파수가 증가할수록 전자온도는 감소하고 이온밀도는 증가하며, 이온 에너지는 감소하지만 전체 이온 플러스(Total ion flux)는 증가하는 것으로 알려져 있다.(M. Takai et al. “Plasma frequency dependence of electron density and electron temperature - argon plasma”, J.Non-Cryst.Dolids 266-269 (2000) 90, P C boyle, A R Ellingboe and M M Turner, “Independent control of ion current and ion impact energy onto electrodes in dual frequency plasma devices”, J.Phys.D:Appl.Phys.37(2004) 697-701 참조)
이온 플럭스(Ion flux)의 증가는 쉬쓰 경계 부근에서 전극 방향으로의 이온 유인력 증가에 기여하게 된다. 또한 주파수가 증가할수록 DC 바이어스(Bias)의 감소에 따라 미립자를 전극으로부터 밀어내려는 정전기력이 감소하게 되어 전극 주변 미립자 구름의 크기가 커지고 위치도 전극 방향으로 이동하게 된다.
본 발명에서는 IEA(Ion Energy Distribution Analyzer)를 이용하여 상기 제2 실험예에 대하여 이온 에너지(Ion energy) 분포를 측정하여, 도 8에 나타난 주파수 변화에 따른 이온 플럭스 그래프를 얻었다.
상기 도 8에서 보는 바와 같이 주파수가 2 MHz, 13.56 MHz, 40.68MHz 순으로 증가할수록 기판으로의 이온 플럭스가 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 특성을 활용하여 본 발명은 다중 주파수 장치에서 서로 다른 주파수를 갖는 RF 주파수를 동시에 사용할 때, RF 변화에 따른 미립자 구름의 행동을 제어할 수 있는 방안을 도출하고자 한다.
다중 주파수 용량 결합형 플라즈마 장치에서 미립자 발생과 행동 양식을 파악하기 위해서 기본적 구조는 앞서 살펴본 상기 도 3의 구성에 이중 주파수 용량 결합형 플라즈마 장치를 적용하여 실험 시스템을 구성하였다.
이중 주파수로서 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 하부 전극(110)에 연결된 RF 제너레이터(Generator)(170)에 2MHz의 LF(Low Frequency)(171)과 13.56MHz의 HF(High Frequency)(175)로 구성된 이중 주파수를 인가하여 이를 보튼 듀얼 타입(Bottom dual type)으로 명명하고, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 하부 전극(110)에 연결된 RF 제너레이터(Generator)(170)에 2MHz의 LF(Low Frequency)(171)와 상부 전극(130)에 연결된 RF 제너레이터(Generator)(150)에 13.56MHz의 HF(High Frequency)(151)로 구성된 이중 주파수를 인가하여 이를 탑엔보튼 듀얼 타입(Top-bottom dual type)으로 명명하였다.
그리고 상기 실험 시스템에 공정 시작시 이중 주파수의 파워를 제어하는 조건, 공정 진행 중 이중 주파수의 파워를 제어하는 조건 및 공정 종료시에 이중 주파수의 파워를 제어하는 조건에 대하여 각각의 실험을 통한 결과를 기초로 미립자의 발생과 행동 양식을 파악하였다. RF 파워의 제어는 도 10에 도시된 바와 같이 RF 파워 온(On) 구간, 전환(Transition) 구간, RF 파워 오프(Off) 구간으로 RF 파워를 변화시키는 RF 파워 제어 조건을 선택적으로 적용하여 미립자의 행동 특성을 관찰하였다. 이때 RF 파워와 주파수 영향만을 확인하기 위해 압력이나 가스 주입량 등의 다른 조건은 동일하게 유지시켰다.
먼저, 공정 시작시 이중 주파수의 RF 파워를 제어하는 조건으로서 제3 실험예를 수행하고 그 결과를 토대로 다중 주파수에서의 미립자 발생과 행동 양식을 파악하였다.
상기 제3 실험예에서는 보튼 듀얼 타입을 적용하는 제3-1 실험예와 탑엔보튼 듀얼 타입을 적용하는 제3-2 실험예로 수행하였으며, 최초 공정 시작시 2MHz의 LF와 13.56MHz의 HF에 대한 턴온(Turn on) 순서를 상이하게 조절하였는데, 도 11은 상기 제3-1 실험예에 대하여 최초 공정 시작시 LF와 HF의 턴온 순서를 상이하게 조절한 결과를 나타내고, 도 12는 상기 제3-2 실험예에 대하여 최초 공정 시작시 LF와 HF의 턴온 순서를 상이하게 조절한 결과를 나타낸다.
상기 도 11의 (a)와 도 12의 (a)는 LF와 HF를 동시에 모두 턴온한 경우이고, 상기 도 11의 (b)와 도 12의 (b)는 LF를 먼저 턴온 한 후 15s 정도 후에 HF를 턴온한 경우이며, 상기 도 11의 (c)와 도 12의 (c)는 HF를 먼저 턴온 한 후 15s 정도 후에 LF를 턴온한 경우이다.
상기 도 11의 (a)와 도 12의 (a)에서 보는 바와 같이 LF와 HF를 동시에 인가하는 경우에 미립자 구름이 계속적으로 증가하면서 15s 정도 경과 후에 정상 상태에 도달하는 것을 알 수 있으며, 상기 도 11의 (b)와 상기 도 12의 (b)에서 보는 바와 같이 LF를 먼저 턴온하면 미립자 구름이 작게 형성되고 이어서 HF를 턴온한 후 서서히 미립자 구름이 커져 약 25s 후에 정상 상태에 들어가는 것을 볼 수 있다. 그리고 상기 도 11의 (c)와 상기 도 12의 (c)에서 보는 바와 같이 HF를 먼저 턴온하면 미립자 구름이 크게 형성되었다가 LF를 턴온하면서 미립자 구름이 다소 작아지는 현상이 나타난 후 다시 미립자 구름이 커지는 것을 알 수 있다.
상기 도 11과 도 12의 결과를 종합해보면, LF 먼저 턴온하는 경우에는 모두를 동시에 턴온한 경우도다 10s 가량 늦게 정상 상태에 들어가는 것으로 확인되는데, RF 턴온 순간의 이러한 차이는 먼저 턴온한 주파수 조건에서 미립자 구름이 정상 상태가 될 때까지 약 15s 기다린 후 나머지 주파수를 턴온하여 비교한 것이므로, 실제 공정에서 수 초 미만의 시차를 두고 순차적으로 켜는 경우에는 거의 차이가 없을 것으로 예상된다.
이와 같은 결과를 기초로 상기 제3-1 실험예와 상기 제3-2 실험예는 모두 미립자 구름이 정상 상태에 도달하는 시간의 차이가 있었고 그 외 미립자 오염에 관련된 행동 양식의 차이는 나타나지 않는 것으로 판단된다.
다음으로 공정 진행 중에 RF 파워를 변화시키는 경우에 미립자의 발생과 행동 양식을 파악하였는데, 일반적으로 건식 식각(Dry etch) 공정에서 여러 개의 막질 층을 한 번의 공정으로 식각하기 위해서는 최상층 막질 식각 후 RF 파워를 잠시 끄거나 매우 약하게 유지한 상태에서 가스, 압력 등의 조건을 다음 막질에 맞추어 변경해야 하는데, 본 발명에서는 이를 전환 구간(Transition step)라 정의한다.
전환 구간에서 미립자의 행동 양식을 파악하기 위하여 제4 실험예로서 상기 실험 시스템 상에서 하부 전극(110)에만 13.56MHz의 RF 주파수를 인가하면서 100W 조건에서 정상 상태를 유지하다가 RF 파워를 변화시켜 3초간 전환 구간을 주었는데, 이 때 전환 구간을 RF 파워에 따라 0W, 10W, 40W, 70W로 다양하게 설정하여 각각의 경우에 대하여 도 13의 (a), (b), (c) 및 (d)의 결과를 얻었다.
상기 도 13의 (a)에서 보는 바와 같이 RF 파워를 완전히 꺼서 0W일 경우 트랩되어 있던 미립자가 대부분 기판을 포함한 아래 방향으로 쓸려 내려가 완전히 사라졌다가 RF 파워를 다시 켜면 서서히 원래의 정상 상태로 돌아옴을 알 수 있었다.
그 외 RF 파워를 소정 수치로 유지하는 경우는 상기 도 13의 (b), (c) 및 (d)에서 보는 바와 같이 유지시키는 파워의 크기에 따라 미립자 구름 형태의 차이가 다소 발생하지만 모두 쉬쓰 경계에서 유지되다가 RF 파워가 원상태로 복원된 후 정상 상태로 돌아오는 것으로 확인되었다.
상기 도 13의 결과에 기초하여 RF 파워를 완전히 끄는 순간 트랩되어 있던 미립자의 상당수가 기판 오염에 기여했을 것으로 판단된다. 따라서, 공정 중의 전환 구간에서는 RF 파워를 어느 정도는 약하게 유지하는 것이 오염의 관점에서 유리함을 확인할 수 있었다.
나아가서 이중 주파수가 인가된 경우 RF 파워 변화에 따른 전환 구간에서 LF 또는 HF 중 어느 쪽을 유지하는 것이 유리한 지를 파악하고자 제5 실험예를 수행하였는데, 제5-1 실험예는 상기 제3-1 실험예와 같이 보튼 듀얼 타입을 적용하였고, 제5-2 실험예는 상기 제3-2 실험예와 같이 탑엔보튼 듀얼 타입을 적용하여 전환 구간에서 13.56MHz의 HF와 2MHz의 LF 중 어느 하나의 RF 파워로 전환 구간을 제어하는 조건을 부여하였다.
도 14와 도 15은 상기 제5 실험예에 따른 결과를 나타내는데, 상기 도 14의 (a)와 상기 15의 (a)는 상기 제5-1 실험예와 제5-2 실험예에서 13.56MHz의 HF는 유지하면서 2MHz의 LF를 오프(Off)시켜 전환 구간을 형성한 후 3s 후에 다시 2MHz의 LF를 온(On)시킨 경우의 결과를 나타내며, 상기 도 14의 (b)와 상기 도 15의 (b)는 상기 제5-1 실험예와 제5-2 실험예에서 2MHz의 LF는 유지하면서 13.56MHz의 HF를 오프(Off)시켜 전환 구간을 형성한 후 3s 후에 다시 13.56MHz의 HF를 온(On)시킨 경우의 결과를 나타낸다.
상기 도 14의 (a)와 상기 도 15의 (a)에서 보는 바와 같이 HF를 유지하고 LF를 오프(Off)시킨 3s 간의 전환 구간 동안 미립자 구름이 기판 방향으로 많이 이동하였으며 미립자 구름의 크기도 커졌다가 전환 구간 후 다시 LF를 온(On)하면 서서히 원래의 정상 상태로 원복되었음을 알 수 있다.
반면에 상기 도 14의 (b)와 상기 도 15의 (b)에서 보는 바와 같이 LF를 유지하고 HF를 오프(Off)시킨 3s 간의 전환 구간에서는 미립자 구름이 거의 기판 밖으로 밀려났다가 전환 구간 후 HF를 온(On)시키면서 역시 서서히 정상 상태로 돌아오는 것을 알 수 있다.
상기 도 14와 도 15의 결과를 종합하여 살펴보면, 전환 구간에서는 RF 파워 전체를 오프(OFF)하는 순간에서와 같은 급격한 미립자 구름의 이동은 없었지만, 전환 구간 동안에 상대적으로 낮은 주파수인 LF를 오프(OFF)시키고 상대적으로 높은 주파수인 HF를 유지하는 경우에 공통적으로 미립자 구름이 매우 커지고 기판과 가까워지는 것을 볼 수 있는데, 이와 같은 경우 미립자 구름의 위치가 기판 위에 두껍게 존재하게 되면 그 중 일부가 크기가 커짐에 따라 지속적으로 기판으로 떨어지게 되고 또한 공정의 변수에도 영향을 미치게 된다.
따라서 상기 제5 실험예의 결과를 통해 공정 전환 구간에서는 상대적으로 높은 주파수의 RF 파워를 오프(OFF)시키고 상대적으로 낮은 주파수의 RF 파워를 유지시키는 것이 전환 구간에서 가능한 미립자 구름이 기판으로부터 멀리 떨어지도록하여 미립자로 인한 기판의 오염을 줄이면서 공정 변수의 영향을 최소화시킬 수 있음을 알 수 있다.
마지막으로 미립자 오염에 가장 취약할 것으로 예상되는 공정 종료 순간에 RF 파워의 변화에 따른 미립자의 행동 양식을 관찰하기 위한 제6 실험예를 수행하였다.
상기 제6 실험예는 플라즈마 공정의 종료시 미립자 오염 제어를 위해 RF 파워를 곧바로 오프(Off)시키지 않고 적절한 시간을 두고 서서히 오프(Off)하는 제어 조건으로서 완충 구간(Buffer step)을 도입하여 RF 파워의 턴 오프(turn off)시 1s의 시간을 갖고 천천히 파워가 떨어지도록 수행하였다.
상기 제6 실험예에서는 상기 실험 시스템 상에서 하부 전극(110)에만 13.56MHz의 RF 주파수를 인가하면서 100W 조건으로 정상 상태를 유지하다가 곧바로 RF 파워를 오프시키는 경우와 1s의 완충 구간을 둔 후 RF 파워를 오프시키는 경우에 미립자 행동을 확인하여 도 16의 결과를 얻었다.
상기 도 16의 결과를 살펴보면, 상기 도 16의 (a)에 나타난 완충 구간 없이 RF 파워를 오프하는 경우에 비해 상기 도 16의 (b) 내지 (d)에 나타난 완충 구간을 적용하는 경우에 미립자 구름의 위치가 기판으로부터 멀어졌으며, 특히 완충 구간에서의 RF 파워가 낮을수록 미립자 구름이 기판으로부터 더욱 멀어졌음을 알 수 있다.
이는 앞서 설명한 바와 같이 낮은 RF 파워 구간에서 전자온도와 이에 따른 이온 유인력이 RF 파워에 비례하기 때문인데, 낮은 RF 파워의 완충 구간에서는 이온 유인력이 감소하여 미립자 구름의 위치가 더 멀어졌다고 판단할 수 있다. 또한 완충 구간 이후 나머지 RF 파워를 끄는 시점에 미립자 구름의 위치가 기판으로부터 멀어질수록 플라즈마가 꺼지고 정전기력이 사라지더라도 미립자들이 기판으로 떨어지지 않고 가스 점성력에 의해 펌핑 포트로 바로 이동할 것이므로 플라즈마는 유지하되 가능한 낮은 RF 파워의 완충 구간을 적용하면 미립자 오염을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
나아가서 완충 구간의 시간을 길게 할수록 미립자 구름의 위치를 더 멀리 보낼 수 있을 것으로 판단되지만 완충 구간에서도 플라즈마가 꺼지지 않으므로 이로 인해 공정이 계속 진행되기 때문에 식각이나 CVD 등의 공정 결과에 영향을 최소화하기 위해서는 완충 구간의 적용 시간을 적절하게 조절할 필요가 있다.
상기 제6 실험예의 결과를 응용하여 상기 도 9의 이중 주파수를 적용하는 경우에도 상대적으로 낮은 주파수인 LF와 상대적으로 높은 주파수인 HF를 동시에 인가하여 정상 상태를 유지한 후 두 개의 RF 파워를 순차적으로 턴오프한다면 상기에서의 완충 구간의 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상되어 이에 대한 제7 실험예를 수행하였다.
제7 실험예에서는, 제7-1 실험예로 상기의 보튼 듀업 타입을 적용하였고, 제7-2 실험예로 상기의 탑엔보튼 듀얼 타입을 적용하여 13.56MHz의 HF와 2MHz의 LF 중 어느 하나씩 순차적으로 RF 파워를 턴오프하는 제어 조건을 부여하였는데, LF와 HF의 오프 순서 및 시차를 제어하기 위해서 동기화된 2 채널 파형 발생기(Synchronized 2 channel function generator)를 사용하였고, 각 RF 제너레이터로 들어가는 파형의 듀티비(Duty ratio)를 변경함으로써 LF와 HF의 턴오프 시차를 0.2초 간격으로 변화시키면서 실험을 수행하였다.
상기 제7 실험예의 수행에 따른 미립자 구름의 행동을 관찰하여 도 17 및 도 18의 결과를 얻었는데, 상기 도 17은 상기 제7-1 실험예에 대한 결과이며, 상기 도 18은 상기 제7-2 실험예에 대한 결과이다.
상기 도 17과 상기 도 18에서 X축이 이중 주파수의 순차적인 턴오프 지연시간(Delay time)이며, 지연시간이 ‘0’인 경우는 2MHz의 LF와 13.56MHz의 HF를 동시에 턴오프한 결과이다. 그리고 지연시간 ‘0’을 기준으로 위쪽은 2MHz의 LF를 먼저 턴오프한 후 13.56MHz의 HF를 턴오프한 결과이고, 아래쪽은 13.56MHz의 HF를 먼저 턴오프한 후 2MHz의 LF를 턴오프한 결과이다. 이때 두 RF 파워의 턴오프 시차는 0.2s 단위로 0s부터 3s까지를 측정하였는데, 상기 도 17과 상기 도 18 상에는 실험 결과를 보다 용이한 파악하기 위해서 0s, 0.2s, 0.6s, 1s의 결과만을 표시하였다.
상기 도 17과 상기 도 18을 살펴보면, 상기 제7-1 실험예와 제7-2 실험예 모두 동일하게 상대적으로 낮은 주파수인 2MHz의 LF를 먼저 오프하고 상대적으로 높은 주파수인 13.56MHz의 HF를 오프하는 경우, 두번째 RF 오프 순간인 HF의 오프 순간에 미립자 구름의 크기가 훨씬 크게 나타난 것을 알 수 있으며, 플라즈마가 꺼진 직후 기판 방향으로 미립자 구름이 쓸려 내려가는 것을 볼 수 있다.
특히 LF의 오프 후 HF의 오프까지의 지연시간의 시차가 증가할수록 미립자 구름의 크기는 기판 방향으로 더욱 커졌으며 이로 인해 기판의 오염에도 상대적으로 불리할 것으로 판단된다.
반면에 상대적으로 높은 주파수인 13.56MHz의 HF를 먼저 오프한 후 상대적으로 낮은 주파수인 2MHz의 LF를 오프하는 경우에는 지연시간의 시차와는 큰 상관 관계가 없는 것으로 보이며, 다만 HF와 LF를 동시에 끄는 경우보다는 확연히 미립자 구름의 크기가 줄어든 것을 알 수 있다.
이는 주파수 증가에 따른 이온 유인력 증가와 정전기력 감소에 의해 미립자 트랩의 위치가 기판 방향으로 이동하기 때문이다. 따라서, RF 파워의 오프 순간 두 개의 주파수를 순차적으로 오프하여 완충 구간을 만들고, 완충 구간에서는 상대적으로 낮은 주파수를 사용함으로써 미립자 구름의 위치를 기판으로부터 멀리 보낼 수 있게 된다.
상기 제7 실험예의 결과에서 보듯이 공정의 종료에 따라 이중 주파수의 RF 파워를 턴오프하는 경우에 상대적으로 높은 주파수인 HF를 먼저 오프하고 완충 구간을 적용하여 완충 구간에서 상대적으로 낮은 주파수를 유지시킨 후 나머지 RF 파워를 오프함으로써 미립자 구름 위치를 기판으로부터 멀리 보낼 수 있으며, 이와 같이 이동한 미립자들은 이후 플라즈마가 완전히 꺼지는 순간에도 미립자 구름이 기판을 오염시키지 않고 펌핑 포트로 바로 빠져나갈 수 있도록 유도될 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 본 발명에 따른 다양한 실험예들을 통해 다중 주파수 용량 결합형 플라즈마 장치를 이용한 공정에서 공정 시작시, 전환 구간, 공정 종료시와 같이 RF가 급격히 변화하는 순간에 기상 미립자의 행동 양식을 주파수 변화에 따라 파악하였는데, 특히 공정의 전환(Transition)시와 공정 종료에 따른 RF 파워의 턴오프(Turn off) 순간에 RF 제어를 통한 주파수 변화에 따른 미립자의 행동 양식 특성을 활용하여 기상 미립자 구름의 위치를 기판으로부터 멀리 이동시키도록 제어할 수 있으며, 이를 통해 공정 중 발생되는 기상 미립자로 인한 기판 오염과 공정의 악영향을 제거 또는 최소화시킬 수 있게 된다.
다음으로 본 발명은 유도 결합형 플라즈마 장치의 플라즈마 내에 미립자의 발생과 행동 양식을 파악하기 위한 유도 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템을 통한 하기 실험예를 수행하였다.
유도 결합형 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP) 장치는 용량 결합형 플라즈마(CCP)와 함께 현재 반도체 식각 공정에 가장 흔히 사용되고 있는 형태 중 하나이다. 유도 결합형 플라즈마 장치는 일반적으로 용기 상부에 유도 코일(Coil)의 안테나를 설치하고 RF 파워를 인가하여 발생하는 유도 자기장을 이용하는데, 발생된 유도 자기장이 유전체 윈도우(Dielectric window)를 통해 용기 내부로 침투하고 이에 따라 전기장이 유도되어 플라즈마가 방전되는 원리를 이용하고 있다.
유도 결합형 플라즈마 장치는 방전 중 용기의 벽 등으로 손실되는 전자와 이온의 양이 적어 상대적으로 저압, 고밀도의 방전이 가능한데, 이러한 저압 공정이 갖는 많은 장점들 때문에 최근에는 그 응용 범위가 계속 늘어나고 있는 추세이다. 유도 결합 플라즈마 장치에서 발생된 플라즈마는 이온의 에너지가 매우 약하기 때문에 이방성 식각 프로파일을 얻기 위해 웨이퍼(Wafer)가 놓인 전극에 별도의 RF 파워를 인가해 줌으로써 이온이 기판으로 충분한 에너지를 갖고 가속할 수 있도록 도와주고 있다. 주로 SiO2 나 Si3N4 와 같은 유전체(Dielectric) 막질의 식각에 사용되는 용량 결합형 플라즈마 장치와 달리, 유도 결합형 플라즈마 장치는 가스 분해도가 높고 저압 공정인 특성을 이용하여 주로 Si이나 Al 등의 메탈(Metal)의 화학적 식각 메커니즘의 지배를 받는 공정에 사용된다.
본 발명에서는 유도 결합형 플라즈마 장치에서의 플라즈마 내에 미립자의 발생과 행동 양식을 파악하기 위해 도 19에 도시된 유도 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템을 구현하였다.
실험을 위해 구현한 상기 도 19의 유도 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템에 대하여 살펴보면, 유도 결합형 플라즈마 장치(600)에서 기판이 놓이는 하부 전극(610)의 구조는 앞서 논의한 상기 도 3의 용량 결합형 플라즈마 장치(100)와 동일하게 구성하였고, 상부 전극(630)은 4턴의 구리 코일(Coil)을 설치하고 쿼즈 윈도우(Qtz window)(635)를 통해 유도 자기장이 용기 내로 침투할 수 있도록 구성하였다. 쿼즈 윈도우(635)의 중앙에는 샤워 헤드(Shower head)방식의 가스 분사구를 설치하였고, 미립자 구름의 관찰을 위해 상기 도 3의 유도 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험 시스템과 동일하게 레이저(Laser)(700)와 CCD 카메라(Camera)(800)를 사용하였다. 상부 전극(630)에는 40.68MHz 의 RF 제너레이터(Generator)(650)를 설치하고, 기판이 놓이는 하부 전극(610)에는 13.56MHz 의 RF 제너레이터(Ggenerator)(670)를 각각 정합 회로(미도시)를 통해 연결하였다. 그리고 실험 조건으로서 CF4(99.999%)와 H2(99.999%)를 3:1의 비율로 사용하였다. 하부 전극(610)과 상부 전극(650)에 인가되는 RF는 주파수 대역이 상기와 같이 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.
일반적으로 상부 전극(610)으로 인가되는 RF를 소스 파워(Source power)로 칭하고, 하부 전극(630)으로 인가되는 RF를 바이어스 파워(Bias power)로 칭하는데, 본 발명에서는 소스 파워로 인가되는 RF를 소스 RF로 명명하고 바이어스 파워로 인가되는 RF를 바이어스 RF로 명명한다.
먼저 기상 미립자 트랩이 형성되는 조건을 찾기 위해 각 RF 파워의 변화에 따른 미립자 구름의 생성 및 정상 상태(Steady-state)에서의 크기 등을 관찰하기 위한 제8 실험예를 수행하였다.
도 20은 상기 도 19의 실험 시스템의 동작 상태를 파악하고자 특별한 제어 조건을 부여하지 않고 상기 제8 실험예에 따라 플라즈마 장치를 가동시키다가 방전 종료 직후 미립자 구름의 분포를 관찰한 결과를 나타내는데, 상기 제8 실험예서는 바이어스 RF를 인가하지 않고 소스 RF만 100W를 인가하여 플라즈마 장치를 가동시키다가 소스 RF를 오프시켜 상기 도 20의 (a)에 나타난 결과를 얻었고, 소스 RF를 인가하지 않고 바이어스 RF만 70W를 인가하여 플라즈마 장치를 가동시키다가 바이어스 RF를 오프시켜 상기 도 20의 (b)에 나타난 결과를 얻었고, 100W의 소스 RF와 70W의 바이어스 RF를 동시에 인가하여 플라즈마 장치를 가동시키다가 소스 RF와 바이어스 RF를 동시에 오프시켜 상기 도 20의 (c)에 나타난 결과를 얻었다.
상기 도 20에 따른 결과를 살펴보면, 소스 RF만을 인가하였을 때는 RF 파워의 크기, 압력 등에 관계 없이 미립자 트랩은 관찰되지 않았고, 반면에 바이어스 RF만을 인가하였을 때에는 용량 결합형 플라즈마 장치에서와 유사한 미립자 구름이 아래 전극 주위에서만 관찰되었다. 또한 소스 RF와 바이어스 RF를 함께 인가한 경우에는 미립자 구름의 크기가 조금 커졌으며 그 형태는 바이어스 RF만을 인가한 경우와 크게 다르지 않았다.
이와 같은 상기 도 20에 따른 실험 결과를 통해 유도 결합 플라즈마에서 미립자 트랩의 존재 유무가 바이어스 RF의 인가 여부에 전적으로 의존하고 있음을 알 수 있는데, 그 이유는 바이어스 RF만 인가한 경우 이온의 밀도가 매우 높아 빠르게 확산하고 그에 따라 미립자도 함께 사방으로 확산되는 반면 아래 전극에는 바이어스 RF를 인가하지 않는 경우 자가 바이어스(Self bias)가 생성되지 않고 단지 낮은 수준의 플로팅 전압(Floating voltage)만 형성되어 두 힘의 균형이 이루어질 수 없기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 바이어스 RF가 없으면 하부 전극 방향으로의 큰 이온 유인력이 별도로 존재하지 않고 사방으로 확산하는 이온에 의한 이온 유인력만이 존재하고, 하부 전극으로부터 멀어지려는 정전기력 또한 매우 약하므로 효과적으로 미립자를 잡아둘 수 없게 되는 것이다.
일반적인 유도 결합 플라즈마 공정에서는 소스 RF와 바이어스 RF를 동시에 사용하는 경우가 대부분인데, 이러한 경우 상기 결과에 의하면 미립자 트랩의 행동 양식은 바이어스 RF에 상당히 의존할 것으로 판단된다.
이와 같은 판단 근거를 토대로 상기 도 19의 실험 시스템에서 소스 RF를 고정하고 바이어스 RF를 증가시키는 제9 실험예를 수행하여 도 21의 실험 결과를 얻었다.
상기 도 21은 소스 RF를 고정하고 바이어스 RF를 증가시키는 경우 정상 상태에서의 미립자 구름의 변화를 나타내는데, 상기 제9 실험예에서는 소스 RF를 100W로 고정하고, 바이어스 RF를 50W, 60W, 70W, 80W 및 90W로 증가시켜 각각 상기 도 21의 (a), (b), (c), (d) 및 (e)의 결과를 얻었다.
상기 도 21의 결과에 의하면, 상기에서 살펴본 용량 결합 플라즈마 장치에 대한 실험예에서와 마찬가지로 유도 결합플라즈마 장치에서 바이어스 RF가 증가함에 따라 최대 크기를 갖는 지점이 존재하였고, 바이어스 RF를 계속 증가시키면 다시 미립자 구름의 크기는 작아짐을 알 수 있었다.
본 발명에서는 유도 결합형 플라즈마 장치에서 이러한 바이어스 RF에 대한 의존성을 이용하여 공정 전환 구간 및 방전 종료 시점에 대한 미립자 구름의 행동 양식에 따라 반도체 공정을 제어하고자 한다.
유도 결합형 플라즈마 장치를 이용하는 반도체 공정도 앞서 용량 결합형 플라즈마 장치를 이용하는 반도체 공정과 마찬가지로 공정 시작시 소스 RF와 바이어스 RF를 제어하는 조건, 공정 진행 중 소스 RF와 바이어스 RF를 제어하는 조건 및 공정 종료시에 소스 RF와 바이어스 RF를 제어하는 조건으로 구분할 수 있는데, 앞서 상기의 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 다양한 실험 결과에 기초하여 공정 시작시의 제어 조건은 미립자 구름에 큰 영향을 미치지 못하므로 유도 결합형 플라즈마 장치를 적용하는 경우에도 공정 시작시는 제어가 큰 영향을 주지 못할 것으로 판단되어 제외시키고, 공정 진행 중과 공정 종료시의 구간에서 반도체 공정의 제어 조건을 이하에서 살펴보기로 한다.
RF 파워의 제어는 앞서 상기 도 10에 도시된 바와 같이 RF 파워 온(On) 구간, 전환(Transition) 구간, RF 파워 오프(Off) 구간으로 RF 파워를 변화시키는 RF 파워 제어 조건을 선택적으로 적용하여 미립자의 행동 특성을 관찰하였다. 이때 RF 파워와 주파수 영향만을 확인하기 위해 압력이나 가스 주입량 등의 다른 조건은 동일하게 유지시켰다.
먼저 공정 진행 중 소스 RF와 바이어스 RF를 제어하는 조건을 살펴보고자 제10 실험예를 수행하였는데, 상기 제10 실험예에서는 소스 RF 100W와 바이어스 RF 80W를 인가하여 정상 상태의 미립자 구름을 형성하고 공정의 전환 구간(Transition step)을 설정하여 소스 RF 또는 바이어스 RF 중 어느 하나만을 3초간 유지한 후 원복시켰다. 상기 제10 실험예를 통해 도 22의 실험 결과를 얻었다.
상기 제10 실험예의 결과인 상기 도 22의 (a)는 전환 구간에서 바이어 RF를오프(Off)시켜 전환 구간을 거친 후 다시 바이어스 RF를 원복시킨 결과이며, 상기 도 22의 (b)는 소프 RF를 오프시켜 전환 구간을 거친 후 다시 소스 RF를 원복시킨 결과를 나타낸다.
상기 도 22의 (a)에 나타난 결과를 살펴보면, 전환 구간에서 소스 RF만 유지하는 경우는 바이어스 RF의 오프에 따라 바이어스 RF와 함께 미립자 트랩이 사라지면서 상당량의 미립자가 기판으로 떨어지는 순간이 관찰되었다.
반면에 상기 도 22의 (b)에 나타난 결과를 살펴보면, 바이어스 RF를 유지시키면서 전환 구간에서 소스 RF를 오프시키는 경우에는 소스 RF의 변화에 크게 영향을 받지 않고 미립자 트랩이 그대로 유지되는 모습을 보이는 것을 알 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 미립자 트랩이 사라지는 순간은 기판 오염에 매우 취약한 순간이므로 가능한 트랩을 유지시키고 그 크기를 작게 만들어 자연스럽게 외부로 빠져나가도록 하는 것이 바람직하므로, 본 발명에서는 이와 같은 공정 제어 방법으로서 유도 결합형 플라즈마 장치를 이용하는 반도체 공정의 공정 전환 구간 동안에는 바이어스 RF를 유지시키는 공정 조건으로 제어를 수행한다.
나아가서 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험예에서 살펴본 바와 같이 공정 전환 구간에서 RF의 파워를 가능한 약하게 유지시키는 것이 바람직하므로, 유도 결합형 플라즈마 장치를 이용하는 반도체 공정 중의 전환 구간에서도 바이어스 RF의 파워 크기는 플라즈마가 유지되는 동안 가능한 약하게 유지시키는 것이 바람직하며, 이때 소스 RF의 파워 유무는 미립자 구름에 큰 영향이 없다고 봐도 무방할 것이다.
다음으로 공정 종료시에 소스 RF와 바이어스 RF를 제어하는 조건을 살펴보고자 제11 실험예를 수행하였다.
상기 제11 실험예에서는 도 23에 도시된 공정 제어 조건으로 공정 종료시 소스 RF와 바이어스 RF를 제어하였는데, 상기 도 23의 (a)는 바이어스 RF의 파워를 오프한 후 완충 구간을 두고 완충 구간 후에 소스 RF의 파워를 바로 오프시키는 제어 조건이며, 상기 도 23의 (b)는 소스 RF의 파워를 오프한 후 완충 구간을 두고 완충 구간 후에 바이어스 RF의 파워를 바로 오프시키는 제어 조건이며, 상기 도 23의(c)는 소스 RF의 파워를 오프한 후 제1 완충 구간을 두고, 제1 완충 구간 후에 바이어스 RF의 파워를 10W 유지시키면서 제2 완충 구간을 둔 후 남은 바이어스 RF의 파워를 오프시키는 제어 조건이다.
이와 같은 상기 도 23의 제어 조건으로 상기 제11 실험예를 수행하여 도 24의 실험 결과를 얻었는데, 상기 도 24의 (a)는 상기 도 23의 (a)에 따른 제어 조건으로 얻은 결과를 나타내며, 상기 도 24의 (b)는 상기 도 23의 (b)에 따른 제어 조건으로 얻은 결과를 나타내며, 상기 도 24의 (c)는 상기 도 23의 (c)에 따른 제어 조건으로 얻은 결과를 나타낸다.
상기 도 24의 결과를 살펴보면, 각 경우 모두 바이어스 RF의 파워가 오프되는 순간 미립자 트랩이 사라지며 오염을 유발하고 있다.
다만, 상기 제8 실험예의 결과인 상기 도 20에 기초하여 바이어스 RF의 파워만 인가한 경우 소스 RF와 바이어스 RF의 파워를 동시 인가한 경우보다 미세하게나마 미립자 구름의 크기가 작아지는 것을 고려한다면 공정 종료시에 소스 RF와 바이어스 RF의 파워 오프 순서는 소스 RF의 파워부터 오프시키고 그 후 바이어스 RF의 파워를 오프시키는 것이 바람직하며, 이 때 바이어스 RF에 절대적으로 의존하고 있는 미립자 트랩의 형태를 고려하여 상기 도 23의 (c)에 따른 제어 조건으로 바이어스 RF의 파워를 오프하기 직전에 제2 완충 구간을 삽입하면 미립자 구름에 따른 오염을 최소화시킬 수 있는 효과가 클 것으로 판단된다.
도 25는 상기 제11 실험예에서 상기 도 23의 제어 조건에 따라 소스 RF와 바이어스 RF의 오프시에 선택적으로 완충 구간을 삽입하는 경우에 대하여 최종 파워가 오프되는 순간의 미립자 구름을 나타낸다.
상기 도 25의 (a)는 상기 도 23의 (a)에 따른 제어 조건으로 최종 RF 파워가 오프된 순간의 결과를 나타내고, 상기 도 25의 (b)는 상기 도 23의 (b)에 따른 제어 조건으로 최종 RF 파워가 오프된 순간의 결과를 나타내고, 상기 도 25의 (c)는 상기 도 23의 (c)에 따른 제어 조건으로 최종 RF 파워가 오프된 순간의 결과를 나타낸다.
상기 도 25의 결과를 기초로 공정 종료시에 소스 RF와 바이어스 RF의 파워를 제어하는 조건을 살펴보면, 상기 도 25의 (c)에 따라 바이어스 RF의 파워 오프 전에 완충 구간을 삽입하는 경우에 미립자 구름의 크기가 상당히 줄어든 것으로 확인된다.
나아가서 상기 제11 실험예에서는 제2 완충 구간에서 바이어스 RF의 파워를 10W로 유지시키고, 완충 구간의 시간을 1초로 설정하였으나 실제로는 인가하는 파워는 플라즈마가 유지되는 한 작을수록, 완충 구간의 시간은 길어질수록 미립자 구름에 따른 오염을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 하지만, 상기 제2 완충 구간 동안에도 플라즈마가 유지됨에 따라 챔버 내에 위치된 기판 상에 불필요한 추가적인 공정이 진행되므로 완충 구간에서 유지되는 RF 파워와 완충 구간의 시간에 대한 제어 조건은 상황에 맞게 조절될 필요가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 유도 결합형 플라즈마 장치에서도 소스 RF와 바이어스 RF의 파워 조절에 따른 기상 미립자의 특성을 파악하여 이를 통해 기상 미립자에 의한 오염을 제거 또는 최소화시킬 수 있는 공정 제어의 효과적인 방법을 본 발명에서는 제시하는데, 용량 결합형 플라즈마 장치와는 달리 유도 결합형 플라즈마 장치에서는 주파수에 대한 의존성 보다는 소스 RF와 바이어스 RF의 특성에 미립자의 분포가 의존하며 특히 바이어스 RF의 유무가 미립자 트랩의 형성에 절대적인 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 본 발명에서는 이와 같은 실험 결과를 토대로 공정 전환 구간에서는 바이어스 RF를 유지시키는 공정 제어를 제시하고, 공정 종료 시에는 먼저 소스 RF의 파워부터 오프한 후 바이어스 RF의 파워를 오프하되 바이어스 RF의 파워 오프 전에 완충 구간을 설정하여 공정을 제어함으로써 미립자 구름의 크기를 작게 할 수 있다.
나아가서 유도 결합형 플라즈마 장치에 대한 상기 실험예들에서는 단일 주파수의 소스 RF와 단일 주파수의 바이어스 RF를 적용하는 경우만을 제시하였는데, 필요에 따라 유도 결합형 플라즈마 장치에서 다중 주파수의 바이어스 RF를 이용할 수도 있다. 이와 같이 유도 결합형 플라즈마 장치에서 다중 주파수의 바이어스 RF를 이용하는 경우에 상기에서 살펴본 바와 같이 먼저 소스 RF의 파워를 오프시킨 후 바이어스 RF의 파워를 제어하기 때문에 다중 주파수의 바이어스 RF만이 유지되는 구간에서 미립자 분포는 앞서 살펴본 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험예들에서의 미립자 분포를 통해 그 결과가 유추가능하므로 추가적인 실험예를 수행하지는 않았으며, 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 실험예들을 토대로 다중 주파수의 바이어스 RF의 경우에 상대적으로 높은 주파수부터 순차적으로 제어하는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기에서 살펴본 본 발명에 따른 실험예들을 통해 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 구현하는 실시예를 살펴보기로 한다.
도 26은 본 발명에 따른 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 시스템의 구성을 도시하는데, 상기 도 26의 (a)는 용량 결합형 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 시스템의 구성을 도시하고, 상기 도 26의 (b)는 유도 결합형 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 시스템의 구성을 도시한다.
상기 도 26에 도시된 구성의 기본적인 구조는 앞서 상기 도 3을 통해 살펴본 용량 결합형 플라즈마 장치(100) 및 상기 도 19를 통해 살펴본 유도 결합형 플라즈마 장치(500)와 유사하므로 반복되는 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 상기 도 3과 도 19에서 설명한 재질과 구성외에도 이미 공지된 플라즈마 장치에 적용되는 다양한 재질과 다양한 변형 구성이 적용될 수 있다.
먼저 본 발명에 따라 제어되는 용량 결합형 플라즈마 장치에 대하여 살펴보면, 상기 도 26의 (a)에 도시된 용량 결합형 플라즈마 장치(100)의 구성에서는 다중 주파수를 이용하기 위해서 상부 전극(130)에 연결되는 상부 RF 제너레이터(150)에 상이한 주파수의 다양한 RF를 인가하기 위한 복수개의 RF 제너레이터(150a, 150b,…150n)가 구비될 수 있고, 또한 하부 전극(110)에 연결되는 하부 RF 제너레이터(170)에도 상이한 주파수의 다양한 RF를 인가하기 위한 복수개의 RF 제너레이터(170a, 170b,…170n)가 구비될 수 있다.
그리고 상부 RF 제너레이터(150)와 하부 RF 제너레이터(170)는 제어부(500a)에 의해 동작이 제어된다. 가령, 도 26은 반도체 식각 또는 증착 장비에서 사용 중인 다양한 영역의 주파수 대역을 나타내는데, 상기 도 26의 (a)에 따른 플라즈마 장치(100)는 상기 도 27에 나타난 용량 결합형 플라즈마 장치인 CCP에서 이용할 수 있는 다양한 주파수 대역을 필요에 따라 이용 가능하도록 제어부(500a)는 상부 RF 제너레이터(150)와 하부 RF 제너레이터(170)에 포함된 각각의 RF 제너레이터(150a, 150b,…150n, 170a, 170b,…170n)의 동작을 조합하여 온, 오프를 제어함으로써 필요로 하는 RF 주파수의 이용이 가능하다.
또한 제어부(500a)는 상부 RF 제너레이터(150)와 하부 RF 제너레이터(170)에 포함된 각각의 RF 제너레이터(150a, 150b,…150n, 170a, 170b,…170n)를 개별적으로 제어함으로써 공정 수행 중에 전체적인 RF 파워의 제어가 가능하다.
이와 같은 제어부(500a)를 통해 앞서 파악한 미립자의 발생과 행동 양식에 기초로 상부 RF 제너레이터(150)와 하부 RF 제너레이터(170)에 포함된 각각의 RF 제너레이터(150a, 150b,…150n, 170a, 170b,…170n)를 개별적으로 제어한다.
나아가서 제어부(500a)에는 각각의 RF 제너레이터의 오프 순서와 동작 시차를 제어하기 위한 동기화된 다중 채널 파형 발생기를 포함할 수 있으며, 각각의 RF 제너레이터에 인가되는 파형의 듀티비를 제어함으로써 각각의 RF 제너레이터 간의 온,오프에 대한 지연시간을 조절할 수 이다.
다음으로 본 발명에 따라 제어되는 유도 결합형 플라즈마 장치에 대하여 살펴보면, 상기 도 26의 (b)에 도시된 유도 결합형 플라즈마 장치(600)의 구성은 기본적인 구조가 상기 도 26의 (a)와 유사하나, 상부 전극(630)은 소스 전원으로 동작하여 이에 연결된 상부 RF 제너레이터(650)에 필요에 따른 적절한 주파수의 RF가 인가되며, 하부 전극(610)은 바이어스 전원으로 동작하며, 이에 연결된 하부 RF 제너레이터(670)에 필요에 따른 적절한 주파수의 RF가 인가된다.
나아가서 바이어스의 경우 다양한 주파수의 RF가 적용되어 다중 주파수로서 구성될 수 있는데, 이를 위하여 상기 도 26의 (b)에 도시된 바와 같이 하부 전극(610)에 연결되는 하부 RF 제너레이터(670)에 상이한 주파수의 다양한 RF를 인가하기 위한 복수개의 RF 제너레이터(670a, 670b,…670n)가 구비될 수 있다.
그리고 상부 RF 제너레이터(650)와 하부 RF 제너레이터(670)는 제어부(500b)에 의해 동작이 제어되며, 나아가서 상기 도 26의 (b)와 같이 하부 RF 제너레이터(670)가 다중 주파수 발생을 위한 복수개의 RF 제너레이터(670a, 670b,…670n)로 구성되는 경우 제어부(500b)는 각각의 RF 제너레이터를 개별적으로 제어할 수 있다. 바람직하게는 상기 도 27에 나타난 유도 결합형 플라즈마 장치인 ICP에서 이용할 수 있는 다양한 주파수 대역을 필요에 따라 이용 가능하도록 제어부(500b)는 하부 RF 제너레이터(670)에 포함된 각각의 RF 제너레이터(670a, 670b,…670n)의 동작을 조합하여 온, 오프를 제어함으로써 필요로 하는 RF 주파수의 이용이 가능하다.
이와 같은 제어부(500b)를 통해 앞서 파악한 미립자의 발생과 행동 양식에 기초로 상부 RF 제너레이터(650)와 하부 RF 제너레이터(670)를 개별적으로 제어한다.
나아가서 제어부(500b)에는 각각의 RF 제너레이터의 오프 순서와 동작 시차를 제어하기 위한 동기화된 다중 채널 파형 발생기를 포함할 수 있으며, 각각의 RF 제너레이터에 인가되는 파형의 듀티비를 제어함으로써 각각의 RF 제너레이터 간의 온,오프에 대한 지연시간을 조절할 수 있다.상기 도 26의 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 시스템에서 본 발명에 따라 반도체 공정의 공정 종료 구간과 공정 전환 구간 동안 인가되는 RF를 제어하기 위해서는 반도체 공정의 해당 구간을 파악해야 하는데, 이를 위하여 상기 도 26에는 도시되지 않았으나, 상기 다중 주파수 플라즈마 장치를 순차적인 반도체 공정 순서에 따라 제어하면서 구동시키는 시스템 제어 장치가 포함되며, 상기 시스템 제어 장치를 통해 반도체 공정 중의 공정 종료 구간과 공정 전환 구간을 파악할 수 있으며, 파악된 공정 종료 구간과 공정 전화 구간에 대한 정보를 기초로 제어부(500a, 500b)는 해당 RF를 제어할 수 있다. 또한 상기 시스템 제어 장치를 통해 공정 종료 구간에 있어서 해당 RF가 제어되는 완충 구간과 완충 구간의 시간이 설정될 수 있고, 공정 전환 구간에 있어서 해당 RF가 제어되는 전환 구간과 전환 구간의 시간이 설정될 수 있으며, 이와 같은 설정 정보를 기초로 제어부(500a, 500b)가 완충 구간 또는 전환 구간에서 해당 RF를 제어할 수 있다.
본 발명에서는 상기 도 26에 제시된 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 시스템을 통해 앞서 살펴본 다양한 실험예로 파악한 미립자의 발생과 행동 양식을 기초로 공정 중의 RF를 제어하는 방법을 제시하는데, 이에 대하여 살펴보기로 한다.
본 발명에서는 플라즈마 장치에서 수행되는 반도체 공정 중 RF 변화 구간을 파악하는데, 이와 같은 RF 변화 구간은 순차적인 반도체 공정 순서에 따라 플라즈마 장치를 제어하는 시스템 제어 장치에서 설정된 반도체 공정 순서를 통해 파악할 수 있다. 그리고 파악된 RF 변화 구간 정보를 기초로 복수의 RF에 대한 순서를 설정하고 순서에 따라 복수의 RF의 파워를 제어부(500a, 500b)가 개별적으로 조절함으로써 플라즈마 내의 이온 유인력을 조절하여 미립자 구름이 쉬쓰 경계면에 침투하지 못하도록 제어하게 된다.
본 발명에 따른 반도체 공정 제어 방법은, 상기 도 26의 (a)에 따른 용량 결합형 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 시스템을 이용하는 반도체 공정의 제어 방법과 상기 도 26의 (b)에 따른 유도 결합형 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 시스템을 이용하는 반도체 공정의 제어 방법으로 구분할 수 있는데, 도 28에 도시된 본 발명에 따른 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 반도체 공정 제어 방법의 개략적인 흐름도를 통해 전체적인 과정을 살펴보고, 이후에 용량 결합형 플라즈마 장치와 유도 결합형 플라즈마 장치의 특성별로 반도체 공정을 제어하는 과정에 대하여 살펴보기로 한다.
상기 도 28을 참조하여 본 발명에 따른 다중 주파수 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 반도체 공정 제어 방법을 살펴보면, 먼저 플라즈마 장치에서 수행되는 반도체 공정 중 RF 변화 구간을 파악(S10)하는데, 반도체 제조 공정에서 RF 파워가 급격하게 변화하는 구간은 앞서 살펴본 바와 같이 RF 파워를 온(On)시키는 공정 시작 구간, 공정 조건이 변하는 전환(Transition) 구간 그리고 공정 종료에 따라 RF 파워를 오프(Off)시키는 공정 종료 구간으로 구분될 수 있으므로, RF 변화 구간이 공정 전환 구간(S110)인지 공정 종료 구간(S210)인지를 구분한다.
반도체 공정 중 공정 시작 구간에서 RF 파워에 대한 변화 제어는 앞서 상기 제3 실험예를 통해 살펴본 바와 같이 미립자 구름 분포에 특별한 행동 양식이 나타나지 않았으므로 RF 파워에 대한 특별한 제어가 큰 의미를 갖지 않으므로 본 발명에서는 공정 시작 구간에서는 특별한 공정 제어를 부여하지 않는다.
공정 전환 구간에서는 앞서 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 상기 제4 실험예와 제5 실험예를 통해 살펴본 바와 유도 결합형 플라즈마 장치에 대한 상기 제10 실험예를 통해 살펴본 바와 같이 미립자의 행동 특성에 따라 RF 파워를 어떻게 제어하는냐에 따라 미립자로 인한 기판의 오염을 줄이고 공정 변수의 영향을 최소화시킬 수 있으며, 또한 공정 종료 구간에서도 앞서 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 상기 제6 실험예와 제7 실험예를 통해 살펴본 바와 유도 결합형 플라즈마 장치에 대한 상기 제11 실험예를 통해 살펴본 바와 같이 미립자의 행동 특성에 따라 RF 파워를 어떻게 제어하는냐에 따라 미립자로 인한 기판의 오염을 줄이고 공정 변수의 영향을 최소화시킬 수 있다.
그런데, 공정 전환 구간에서의 공정 제어와 공정 종료 구간에서의 본 발명에 따른 공정 제어가 상이하므로, RF 변화 구간이 공정 전환 구간인지 공정 종료 구간인지를 구분한다.
만약 RF 변화 구간이 공정 전환 구간(S110)인 경우, 본 발명에서는 전환 구간의 시간과 상기에서 살펴본 실험예를 통해 파악한 미립자의 특성을 고려하여 오프시킬 일부 RF를 선택하고, 전환 구간의 시작시 선택된 일부 RF를 오프(S120)시키고, 나머지 RF의 파워를 전환 구간 동안 유지(S130)시킨다. 그리고 공정 전환 구간이 끝나면 오프시켰던 일부 RF를 다시 온(S140)시켜서 다음 공정을 진행하게 된다.
또한 RF 변화 구간이 공정 종료 구간(S210)인 경우, 본 발명에서는 완충 구간의 시간과 상기에서 살펴본 실험예를 통해 파악한 미립자의 특성을 고려하여 오프시킬 일부 RF를 선택하고, 완충 구간의 시작시 선택된 일부 RF를 오프(S220)시키고, 나머지 RF의 파워를 완충 구간 동안 유지(S230)시킨 후 완충 구간이 끝나면 나머지 RF의 파워를 오프(S240)시켜 공정을 종료시킨다.
이하에서는 공정 전환 구간과 공정 종료 구간에서 RF를 제어하는 세부 사항을 구체적으로 살펴보기로 한다.
먼저 상기 도 26의 (a)에 따른 용량 결합형 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 시스템을 이용하는 반도체 공정의 제어 방법을 살펴보면, 상기 도 26의 (a)에서와 같이 본 발명이 적용되는 용량 결합형 플라즈마 장치(100)는 하부 전극(110)과 상부 전극(130)에 각각 하나 이상의 RF 제너레이터(150, 170)가 연결되어 복수의 RF가 인가되는데, 인가된 복수의 RF를 주파수 크기에 따라 내림차순으로 순차적인 순번을 설정하고, 공정 전환 구간과 공정 종료 구간에서 설정된 순번에 따라 각각의 RF의 파워를 제어한다.
공정 전환 구간의 경우, 전환 구간의 시간에 따라 복수의 RF 중 하나의 순번을 선택하여 전환 구간의 시작시 선택된 순번까지의 RF의 파워를 오프시키고 나머지 순번의 RF의 파워를 전환 구간 동안 유지시킬 수도 있다.
그리고 전환 구간이 종료되면 다시 오프된 RF의 파워를 온시킬 수 있다.
여기서, 오프시킬 RF 순번의 선택은 전환 구간의 시간에 따라 변경될 수 있는데, RF 파워는 매칭(Matching) 회로를 통해 인가되며 일반적으로 RF 파워의 변화가 발생하는 경우에 이로 인한 매칭 회로의 안정화는 몇 초 정도 소요될 수 있으며, RF 파워의 변화가 급격할수록 매칭 회로의 안정화 소요시간이 더 길어질 수 있다. 따라서 급격한 RF 변화에 따른 매칭 회로의 안정화 소요시간을 고려하여 오프시킬 RF의 수가 선택될 수 있다.
나아가서 전환 구간 동안 최소한의 RF가 유지될 수 있도록 가장 높은 순번 이전까지의 RF의 파워를 오프시키고, 가장 높은 순번의 RF의 파워를 유지시킨 후 상기 전환 구간 이후 오프된 RF의 파워를 다시 온시킬 수도 있다. 즉, 전환 구간 동안 가장 낮은 주파수의 RF 하나만 유지시키고 나머지 RF의 파워는 오프시킨다. 이는 상기 도 6 내지 도 8을 통해 살펴본 바와 같이 주파수가 증가할수록 기판으로의 이온 플럭스가 증가하며 이온 플럭스의 증가는 쉬쓰 경계 부근에서 전극 방향으로의 이온 유인력 증가에 기여하게 된다. 또한 주파수가 증가할수록 DC 바이어스(Bias)의 감소에 따라 미립자를 전극으로부터 밀어내려는 정전기력이 감소하게 되어 전극 주변 미립자 구름의 크기가 커지고 위치도 전극 방향으로 이동하게 되므로 가능한 낮은 주파수의 RF를 유지시킴으로써 미립자에 의한 오염과 공정의 악영향을 최소화시킬 수 있기 때문이다.
바람직하게는 오프시킬 RF가 다수일 경우 순차적인 순번에 따라 차례로 RF를 오프시킬 수 있으며, 연이은 RF의 오프시에 소정의 시간 간격을 두고 오프시킬 수 있다. 즉, 오프시킬 RF를 차례로 오프시켜 전체적인 RF 파워가 계단형 모습이 되도록 하는데 이는 앞서 설명한 바와 같이 매칭 회로의 안정화에 기여하고자 함이다.
또한 상기 전환 구간 동안 유지시키는 RF의 파워를 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직한데, 이는 앞서 이론적 근거를 토대로 살펴본 내용과 상기 도 5의 제1 실험예의 결과와 상기 도 13의 제4 실험예의 결과에서 보듯이 공정 중의 전환 구간에서는 RF 파워를 어느 정도는 약하게 유지하는 것이 오염의 관점에서 유리하기 때문이다.
다음으로 공정 종료 구간에서는 미립자 오염이 가장 취약한데, 본 발명에서는 앞서 상기 제6 실험예와 제7 실험예를 통해 살펴본 바와 같이 플라즈마가 완전히 꺼지는 순간에도 미립자 구름이 기판을 오염시키지 않고 펌핑 포트로 바로 빠져나갈 수 있도록 유도하기 위해서 적절한 RF를 유지시켜 완충 구간을 적용한다.
이를 위해서 본 발명에서는 인가된 복수의 RF를 주파수 크기에 따라 내림차순으로 순차적인 순번을 설정하고, 완충 구간의 시간에 따라 하나의 순번을 선택하여 완충 구간의 시작시에 선택된 순번까지의 RF의 파워를 오프시키고 나머지 순번의 RF의 파워를 완충 구간 동안 유지시킨 후 상기 완충 구간의 종료시에 상기 나머지 순번의 RF 파워를 오프시킬 수 있다.
여기서 오프시킬 RF의 순번 선택은 앞서 전환 구간에서 설명한 바와 같이 매칭회로의 안정화에 기여하고자 함이며 이를 위해 오프시킬 RF의 순번은 완충 구간의 시간을 고려하여 선택될 수 있다.
그러나 완충 구간에서도 플라즈마가 꺼지지 않으므로 이로 인해 공정이 계속 진행되기 때문에 식각이나 CVD 등의 공정 결과에 영향을 최소화하기 위해서는 완충 구간의 적용 시간을 적절하게 조절할 필요가 있으므로, 이에 따라 오프시킬 RF의 순번도 적절하게 선택될 수 있다.
나아가서 공정 종료 구간에서 가장 높은 순번 이전까지의 RF의 파워를 오프시키고, 가장 높은 순번의 RF 파워를 완충 구간 동안 유지시킨 후 상기 완충 구간 이후 상기 가장 높은 순번의 RF 파워를 오프시킬 수도 있다. 즉, 가장 낮은 주파수의 RF를 완충 기간 동안 유지시키는 것인데, 이는 앞서 상기 전환 구간에서 살펴본 바와 같이 주파수가 증가할수록 이온 플럭스가 증가하여 쉬쓰 경계 부근에서 전극 방향으로의 이온 유인력이 증가하므로 미립자의 오염과 공정 악영향이 그만큼 커지기 때문이다.
바람직하게는 앞서 전환 구간에서와 같이 오프시킬 RF가 다수일 경우 전체적인 RF 파워가 계단형 모습이 되도록 순차적인 순번에 따라 차례로 RF를 오프시킬 수 있으며, 연이은 RF의 오프시에 소정의 시간 간격을 두고 오프시킬 수 있다.
또한 앞서 이론적 근거를 토대로 살펴본 내용과 상기 도 16의 제6 실험예의 결과에서 보는 바와 같이 완충 구간에서의 RF 파워가 낮을수록 미립자 구름이 기판으로부터 더욱 멀어졌으므로 완충 구간 동안 유지되는 RF 파워를 최소한으로 조정할 수도 있다.
상기 도 26의 (b)에 따른 유도 결합형 플라즈마 장치에서 기상 미립자 발생 및 제어를 위한 시스템을 이용하는 반도체 공정의 제어 방법을 살펴보면, 상기 도 26의 (b)에서와 같이 본 발명이 적용되는 유도 결합형 플라즈마 장치(600)는 바이어스 RF가 인가되는 하부 전극(610)과 소스 RF가 인가되는 상부 전극(630)에 각각 하부 RF 제너레이터(670)와 상부 RF 제네레이터(650)가 연결되어 복수의 RF가 인가되는데, 상기 소스 RF 다음으로 바이어스 RF의 순서로 순번을 설정한다. 즉, 유도 결합형 플라즈마 장치를 이용하는 반도체 공정의 경우 상기 제8 실험예와 상기 제9 실험예를 통해 살펴본 바와 같이 소스 RF는 미립자에 거의 영향을 미치지 않고 바이어스 RF의 제어가 미립자에 주된 영향을 주기 때문에 소스 RF를 우선적으로 제어하고 바이어스 RF를 제어하도록 순번을 설정하게 된다.
나아가서 상기 도 26의 (b)에 도시된 유도 결합형 플라즈마 장치와 같이 바이어스 RF를 인가하는 하부 RF 제네레이터(670)는 복수개의 RF 제네레이터(670a, 670b,…670n)를 포함하여 바이어스 RF가 복수개의 RF로 인가될 수 있는데, 이와 같은 경우에 우선적으로 소스 RF의 순번을 첫번째로 설정하고 다음 순번부터 바이어스 RF에 포함된 복수개의 RF의 주파수 크기에 따른 내림차순으로 순차적인 순번을 설정할 수 있다.
이와 같이 설정된 복수의 RF에 대한 순번에 기초하여 공정 전환 구간과 공정 종료 구간에서 각각의 RF의 파워를 제어한다.
공정 전환 구간의 경우, 소스 RF와 바이어스 RF의 순번에 따라 복수 RF를 제어하는데, 하나의 소스 RF와 하나의 바이어스 RF로 이루어진 복수개의 RF가 이용되는 경우, 소스 RF를 첫번째 순번으로 설정하였으므로 소스 RF를 먼저 오프시키고 바이어스 RF는 전환 구간 동안 유지시킬 수 있다. 즉, 상기 제10 실험예에 기초하여 전환 구간에서 소스 RF는 오프시키고 전환 구간 동안 바이어스 RF를 유지시킴으로써 전환 구간에서 미립자 트랩을 유지시켜 기판의 오염을 최소화시킬 수 있다.
나아가서 바이어스 RF가 복수개의 RF를 포함하는 경우에는 공정 전환 구간 동안 바이어스 RF에 포함된 복수개의 RF 모두를 유지시킬 수도 있으나, 바람직하게는 바이어스 RF에 포함된 복수개의 RF 중 하나의 순번을 선택하여 전환 구간의 시작시 바이어스 RF에 포함된 복수개의 RF 중 선택된 순번까지의 RF의 파워를 오프시키고 바이어스 RF에 포함된 나머지 순번의 RF의 파워를 전환 구간 동안 유지시킬 수도 있다. 즉, 첫번째 순번인 소스 RF를 오프시킨 상태에서 바이어스 RF에 포함된 복수개의 RF에 대한 미립자의 행동 양식 특성은 용량 결합형 플라즈마 장치에 대한 상기 제4 실시예와 상기 제5 실시예와 동일하게 취급할 수 있으므로 상기 제4 실시예와 상기 제5 실시예의 결과를 토대로 바이어스 RF에 포함된 복수개의 RF 중 선택된 순번까지의 RF를 오프시키고 나머지 순번의 RF의 파워를 전환 구간 동안 유지시킴으로써 미립자에 의한 오염과 공정의 악영향을 최소화시킬 수 있다. 이때 오프시킬 RF 순번은 앞서 살펴본 바와 같이 전환 구간의 시간에 따라 매칭 회로의 안정화 소요 시간을 고려하여 선택될 수 있다.
또한 바이어스 RF에 포함된 복수개의 RF 중 가장높은 순번 이전까지의 RF의 파워를 오프시키고 전환 구간 동안 가장 높은 순번의 RF만 파워를 유지시킬 수도 있는데, 이역시 앞서 살펴본 바와 같이 전환 구간 동안 가능한 낮은 주파수의 RF만을 유지시켜 미립자에 의한 오염과 공정의 악영향을 최소화시키기 위함이다.
바람직하게는 오프시킬 RF에 첫번째 순번의 소스 RF와 바이어스 RF 중 일부 RF가 포함되는 경우, 순차적인 순번에 따라 차례로 RF를 오프시킬 수 있으며, 연이은 RF의 오프시에 소정의 시간 간격을 두고 오프시킬 수 있다. 즉, 오프시킬 RF를 차례로 오프시켜 전체적인 RF 파워가 계단형 모습이 되도록 하는데 이는 앞서 설명한 바와 같이 매칭 회로의 안정화에 기여하고자 함이다.
또한 상기 제1 실험예와 상기 제4 실험예의 결과에 따라 공정 전환 구간에서 RF 파워를 어느 정도 약하게 유지시키는 것이 미립자에 의한 오염을 최소화시킬 수 있으므로 전환 구간 동안 유지시키는 RF의 파워를 가능한 낮게 제어할 수도 있다.
그리고 공정 전환 구간이 종료되면 오프시킨 RF의 파워를 다시 온시켜 재가동하여 전환 구간 이후의 다음 반도체 공정이 진행된다.
다음으로 공정 종료 구간의 경우도 소스 RF와 바이어스 RF의 순번에 따라 복수개의 RF를 제어하여 순차적으로 오프시키는데, 상기 제11 실험예를 통해 살펴본 바와 같이 복수개의 RF를 순차적으로 오프시 그 중간에 완충 구간을 적용하여 플라즈마가 완전히 꺼지는 순간에도 미립자 구름이 기판을 오염시키지 않고 펌핑 포트로 바로 빠져나갈 수 있도록 유도한다.
바람직하게는 소스 RF와 바이어스 RF를 포함하는 복수개의 RF의 순번 중 선택된 순번까지의 RF의 파워를 오프시키고 나머지 순번의 RF의 파워를 완충 구간 동안 유지시킨 후 상기 완충 구간의 종료시에 나머지 순번의 RF 파워도 오프시킬 수 있다.
가령, 복수개의 RF가 하나의 소스 RF와 하나의 바이어스 RF로 구성되는 경우에 선택된 순번은 첫번째 순번으로써, 첫번째 순번인 소스 RF를 오프시킨 후 완충 구간 동안 바이어스 RF를 유지시키고 완충 구간 종료시에 바이어스 RF도 오프시킬 수 있다.
바람직하게는 상기 제11 실시예에서 상기 도 23의 (c)에 도시된 제어 조건에 따라 첫번째 순번인 소스 RF를 오프시킨 후 완충 구간 동안 바이어스 RF를 유지시키고, 상기 완충 구간 후에 바이어스 RF의 파워를 낮추어 제2 완충 구간 동안 파워를 낮춘 바이어스 RF를 유지시킨 후 상기 제2 완충 구간 종료시 바이어스 RF의 파워를 오프시킬 수도 있다.
나아가서 바이어스 RF가 복수개의 RF로 구성되어 소스 RF의 순번 다음 순번부터 주파수 크기에 따라 바이어스 RF에 포함된 복수개의 RF에 대한 순차적인 순번이 설정된 경우에, 바이어스 RF에 포함된 복수개의 RF 중 어느 하나의 순번까지 선택될 수 있으며, 선택된 순번까지의 순차적인 순번의 순서에 따라 RF의 파워를 오프시키고 나머지 순번의 RF의 파워를 완충 구간 동안 유지시킨 후 상기 완충 구간의 종료시에 상기 나머지 순번의 RF 파워를 오프시킬 수 있다.
여기서 오프시킬 RF의 순번 선택은 앞서 설명한 바와 같이 매칭회로의 안정화를 고려하여 완충 구간의 시간에 따라 선택될 수 있으며, 이때 완충 구간에서도 플라즈마가 꺼지지 않으므로 이로 인해 공정이 계속 진행되기 때문에 식각이나 CVD 등의 공정 결과에 영향을 최소화하기 위해서는 완충 구간의 적용 시간을 적절하게 조절할 필요가 있다.
나아가서 공정 종료 구간에서 유지시키는 RF의 주파수가 증가할수록 이온 플럭스가 증가하여 쉬쓰 경계 부근에서 전극 방향으로의 이온 유인력이 증가하므로써 미립자의 오염과 공정 악영향이 커지기 때문에, 공정 종료 구간에서 가장 높은 순번 이전까지의 RF의 파워를 오프시키고, 가장 높은 순번의 RF 파워를 완충 구간 동안 유지시킨 후 상기 완충 구간 이후 상기 가장 높은 순번의 RF 파워를 오프시킬 수도 있다.
바람직하게는 공정 종료 구간에서 오프시킬 RF가 다수일 경우 전체적인 RF 파워가 계단형 모습이 되도록 순차적인 순번에 따라 차례로 RF를 오프시킬 수 있으며, 연이은 RF의 오프시에 소정의 시간 간격을 두고 오프시킬 수 있다. 또한 앞서 이론적 근거를 토대로 살펴본 내용과 상기 도 16의 제6 실험예의 결과에서 보는 바와 같이 완충 구간에서의 RF 파워가 낮을수록 미립자 구름이 기판으로부터 더욱 멀어졌으므로 완충 구간 동안 유지되는 RF 파워를 최소한으로 조정할 수도 있다.
이상에서 살펴본 본 발명에 의하면 다중 주파수 플라즈마 장치를 이용한 공정에서 RF가 급격히 변화하는 순간에 RF 제어를 통한 주파수 변화에 따른 미립자의 행동 양식 특성을 활용하여 기상 미립자 구름의 위치를 기판으로부터 멀리 이동시키도록 제어할 수 있으며, 이를 통해 공정 중 발생되는 기상 미립자로 인한 기판 오염과 공정의 악영향을 제거 또는 최소화시킬 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 용량 결합형 플라즈마 장치,
110 : 하부 전극, 130 : 상부 전극,
135 : 샤워 헤드,
150 : 상부 RF 제너레이터, 170 : 하부 RF 제너레이터,
200 : 레이저, 250 : 빔 익스펜더,
300 : CCD 카메라, 350 : 밴드패스 필터,
500a, 500b : 제어부,
600 : 유도 결합형 플라즈마 장치,
610 : 하부 전극 , 630 : 상부 전극,
635 : 윈도우,
650 : 상부 RF 제너레이터, 670 : 하부 RF 제너레이터,
700 : 레이저, 750 : 빔 익스펜더,
800 : CCD 카메라, 850 : 밴드패스 필터.

Claims (16)

  1. 다중 주파수 플라즈마 장치를 이용한 반도체 공정에 있어서,
    반도체 공정 중 인가된 복수의 RF에 대한 파워를 변화시키는 RF 변화 구간을 파악하는 RF 변화 구간 파악 단계; 및
    상기 RF 변화 구간에서 상기 복수의 RF에 대한 순서를 설정하고 상기 순서에 따라 상기 복수의 RF의 파워를 개별적으로 조절하여 플라즈마 내의 이온 유인력을 조절함으로써 미립자 구름의 쉬쓰(Sheath) 경계면의 침투를 제어하는 RF 파워 조절 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 주파수 플라즈마 장치는 용량 결합형 플라즈마 장치로서, 상부 전극과 하부 전극 각각에 하나 이상의 RF가 인가되며,
    상기 반도체 공정 제어 방법은,
    주파수 크기에 따라 내림차순으로 상기 복수의 RF에 대한 순차적인 순번을 설정하는 순번 설정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 주파수 플라즈마 장치는 유도 결합형 플라즈마 장치로서, 소스 RF와 바이어스 RF를 포함하는 복수의 RF가 인가되며,
    상기 반도체 공정 제어 방법은,
    상기 소스 RF 다음으로 상기 바이어스 RF의 순서로 순번을 설정하는 순번 설정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 바이어스 RF는 두개 이상의 RF를 포함하며,
    상기 순번 설정 단계는,
    상기 소스 RF의 다음 순번부터 주파수 크기에 따라 내림차순으로 상기 바이어스 RF에 포함된 두개 이상의 RF에 대한 순차적인 순번을 설정하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 RF 변화 구간 파악 단계는,
    공정 종료에 따라 복수의 RF에 대한 파워를 오프시키는 공정 종료 구간을 파악하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 RF 파워 조절 단계는,
    완충 구간을 설정하고 상기 완충 구간의 시간을 고려하여 상기 순번 중 하나의 순번을 선택하는 단계;
    선택된 순번까지의 RF의 파워를 오프시키고, 나머지 순번의 RF의 파워를 상기 완충 구간 동안 유지시키는 완충 구간 제어 단계; 및
    상기 완충 구간 이후 상기 나머지 순번의 RF 파워를 오프시키는 파워 오프 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 완충 구간 제어 단계는,
    상기 완충 구간 동안 유지시키는 RF의 파워를 낮추어 유지시키는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 파워 오프 단계는,
    제2 완충 구간을 설정하고, 상기 완충 구간 이후 상기 완충 구간 동안 유지시키던 RF의 파워를 낮추어 제2 완충 구간 동안 유지시키는 단계; 및
    상기 제2 완충 구간 이후 유지시키던 RF의 파워를 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 RF 파워 조절 단계는,
    완충 구간을 설정하고, 가장 높은 순번 이전까지의 RF의 파워를 오프시키고, 가장 높은 순번의 RF 파워를 상기 완충 구간 동안 유지시키는 완충 구간 제어 단계; 및
    상기 완충 구간 이후 상기 가장 높은 순번의 RF 파워를 오프시키는 파워 오프 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 완충 구간 제어 단계는,
    상기 완충 구간 동안 상기 가장 높은 순번의 RF의 파워를 낮추어 유지시키는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 파워 오프 단계는,
    제2 완충 구간을 설정하고, 상기 완충 구간 이후 상기 완충 구간 동안 유지시키던 상기 가장 높은 순번의 RF의 파워를 낮추어 제2 완충 구간 동안 유지시키는 단계; 및
    상기 제2 완충 구간 이후 상기 가장 높은 순번의 RF의 파워를 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  12. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 RF 변화 구간 파악 단계는,
    복수의 RF 중 적어도 하나 이상의 RF에 대한 파워를 변화시키는 전환 구간(Transition step)을 파악하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 RF 파워 조절 단계는,
    전환 구간의 시간을 고려하여 상기 순번 중 하나의 순번을 선택하는 제어 RF 선택 단계;
    선택된 순번까지의 RF의 파워를 오프시키고, 나머지 순번의 RF의 파워를 상기 전환 구간 동안 유지시키는 전환 구간 제어 단계; 및
    상기 전환 구간 이후 오프된 RF의 파워를 다시 온시키는 RF 재가동 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전환 구간 제어 단계는,
    상기 전환 구간 동안 유지시키는 RF의 파워를 낮추어 유지시키는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 RF 파워 조절 단계는,
    가장 높은 순번 이전까지의 RF의 파워를 오프시키고, 가장 높은 순번의 RF의 파워를 상기 전환 구간 동안 유지시키는 전환 구간 제어 단계; 및
    상기 전환 구간 이후 오프된 RF의 파워를 다시 온시키는 RF 재가동 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전환 구간 제어 단계는,
    상기 전환 구간 동안 가장 높은 순번의 RF의 파워를 낮추어 유지시키는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 제어 방법.
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