KR102477298B1 - 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치에 관한 것으로서, 플라즈마 상태를 유지하는 내부공간이 구비된 플라즈마 챔버와, 상기 내부공간의 상부에 형성되는 상부전극과, 상기 내부공간의 하부에 설치되어 플라즈마 공정을 위한 웨이퍼가 안착되도록 마련되되 내부에 상호 절연된 제1 하부 전극 및 제2 하부 전극이 구비된 정전척을 포함하는 플라즈마 공정 장비를 이용한 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치에 있어서, 제1 RF 전압을 생성하여 상기 상부 전극에 공급하는 제1 전원부와, 소정 주파수를 가지는 사인파형의 제2 RF 전압을 생성하여 상기 제1 하부 전극에 공급하는 제2 전원부와, 바이어스 전압과 소정 주파수의 펄스 전압을 각각 생성하여 상기 제2 하부 전극에 공급하는 제3 전원부와, 상기 제2 RF 전압과 상기 제2 RF 전압 파형에 대응하는 신호 파형을 가지는 상기 펄스 전압을 동시 또는 순차적으로 공급하도록 상기 제2 전원부 및 상기 제3 전원부를 제어하는 전원 제어부를 포함하며, 상기 펄스 전압의 공급 시점 이전에는 상기 내부공간에서의 상기 제1 RF 전압 파형, 상기 제2 RF 전압 파형 및 상기 바이어스 전압 파형에 기초한 플라즈마 발생에 따른 이온에너지 분포에 있어서 영전위에 대응되는 제1 이온에너지값부터 이온개수의 제1 피크값이 나타나는 이온에너지값 이후의 기 설정된 제1 임계값 이하의 이온개수를 가지는 제2 이온에너지값까지의 제1 이온에너지구간을 가지고, 상기 펄스 전압의 공급 시점 이후에는 상기 내부공간에 상기 펄스 전압을 더 인가함에 따른 플라즈마 발생에 따른 이온에너지 분포에 있어서 상기 제1 임계값보다는 큰 이온개수들을 가지는 상기 제2 이온에너지값 이상의 제2 이온에너지구간을 가지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 플라즈마 발생에 따른 이온에너지의 최대값 부근의 고에너지 영역에 분포된 이온밀도를 상대적으로 증가시킬 수 있어, 평균 플라즈마 전위에 기초한 이온에너지 이하만을 얻을 수 있는 종래의 경우와 비교하여 플라즈마 공정 장비 내에서 더 높은 이온에너지를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING ION ENERGY FOR PLASMA PROCESS}
본 발명은 플라즈마 공정을 위한 사인파 구동 전압에 대응되는 펄스 전압을 추가로 인가하는 방식을 통해 플라즈마 발생에 따른 표면에 입사되는 이온에너지 분포 상태를 제어하는 이온에너지 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명은 부산대학교의 기본연구지원사업(2년)에 따른 과제 연구비 지원에 의해 연구된 것이다(과제번호: 201908530002).
반도체 제조 공정에서는 특정가스 기반의 플라즈마를 이용하여 반도체 기판상의 소자구조를 정밀하게 만들기 위해 플라즈마 공정장치를 사용하고 있으며, 이러한 플라즈마 공정장치에는 여러 구동방식이 이용되고 있다. 그 중에서도 용량 결합형 플라즈마(Capacitive Coupled Plasma; CCP) 공정장치와 유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma; ICP) 등이 주로 사용되고 있다.
그 중 용량 결합형 플라즈마 공정장치는 진공상태의 챔버 내에 한 쌍의 평행 평판 전극(상부 및 하부 전극)을 배치하고, 공정 가스를 챔버 내에 공급함과 동시에 전극에 고주파(Radio Frequency; 이하 'RF'라 한다) 전압을 인가하여 전극 사이에 RF 전계를 형성시킨다. 이 RF 전계에 의해서 챔버 내 가스는 플라즈마 상태로 여기되고 이 플라즈마에서 나오는 이온과 전자를 이용하여 한쪽 전극에 놓인 반도체 막질을 개질하여 반도체 기판을 표면 처리할 수 있다.
이러한 CCP 혹은 ICP 등으로 널리 사용되어지는 플라즈마 공정 장비를 구동하는 방식으로는, 전통적인 단일 주파수 구동 방식에서 플라즈마 밀도와 웨이퍼에 입사되는 이온 개수 및 평균 에너지를 독립적으로 제어할 수 있는 이중 주파수 구동 방식, 또는 심지어 세 가지 주파수를 사용하거나 전극별 구동 파형의 위상을 달리하는 방식 등이 거론되어 왔다. 그러나 이러한 구동 방식은 사용하는 장비의 특성, 가스의 분압과 인가 전압, 주파수에 대해서 플라즈마에서 발생된 이온의 에너지 분포함수(Ion Energy Distribution Function; 이하, IEDF라 한다)는 고정된 양상을 가지게 된다는 문제점이 있다.
한편, 최근에는 반도체의 선폭이 10 nm대로 줄어들고 3차원 적층방식을 이용하기 때문에 특히 반도체 층간 절연체를 관통하여 전기적인 통로를 확보하는 공정인 HARC(high aspect ratio contact) 식각기술 확보가 요구된다. 특히 대한민국 수출의 20%를 차지하는 메모리 반도체(DRAM 및 V-NAND)의 경우에는 종횡비가 더욱 커진 극고종횡비 식각을 요구하기 때문에 이온의 에너지를 높이고 입사각도를 줄이는 기술의 확보가 필수적인 상황이다.
KR 10-2012-0022251 A KR 10-2020-0006170 A
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사인파 전압 파형 및 펄스파 전압 파형의 특성을 고려하여 바이어스 전압을 사용하는 플라즈마 장비를 이용한 공정에서 사인파 구동 전압에 대응되는 펄스 전압을 추가로 인가하여 플라즈마 특성 및 전위의 변화에 기초한 이온에너지 분포 상태를 순차 제어하는 이온에너지 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치는, 플라즈마 상태를 유지하는 내부공간이 구비된 플라즈마 챔버와, 상기 내부공간의 상부에 형성되는 상부전극과, 상기 내부공간의 하부에 설치되어 플라즈마 공정을 위한 웨이퍼가 안착되도록 마련되되 내부에 상호 절연된 제1 하부 전극 및 제2 하부 전극이 구비된 정전척(Electrostatic Chuck; ESC)을 포함하는 플라즈마 공정 장비를 이용한 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치에 있어서, 제1 RF 전압을 생성하여 상기 상부 전극에 공급하는 제1 전원부와, 소정 주파수를 가지는 사인파형의 제2 RF 전압을 생성하여 상기 제1 하부 전극에 공급하는 제2 전원부와, 바이어스 전압과 소정 주파수의 펄스 전압을 각각 생성하여 상기 제2 하부 전극에 공급하는 제3 전원부와, 상기 제2 RF 전압과 상기 제2 RF 전압 파형에 대응하는 신호 파형을 가지는 상기 펄스 전압을 동시 또는 순차적으로 공급하도록 상기 제2 전원부 및 상기 제3 전원부를 제어하는 전원 제어부를 포함하며, 상기 펄스 전압의 공급 시점 이전에는 상기 내부공간에서의 상기 제1 RF 전압 파형, 상기 제2 RF 전압 파형 및 상기 바이어스 전압 파형에 기초한 플라즈마 발생에 따른 이온에너지 분포에 있어서 영전위에 대응되는 제1 이온에너지값부터 이온개수의 제1 피크값이 나타나는 이온에너지값 이후의 기 설정된 제1 임계값 이하의 이온개수를 가지는 제2 이온에너지값까지의 제1 이온에너지구간을 가지고, 상기 펄스 전압의 공급 시점 이후에는 상기 내부공간에 상기 펄스 전압을 더 인가함에 따른 플라즈마 발생에 따른 이온에너지 분포에 있어서 상기 제1 임계값보다는 큰 이온개수들을 가지는 상기 제2 이온에너지값 이상의 제2 이온에너지구간을 가지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 이온에너지구간에 속하며 이온개수가 상기 제2 이온에너지구간의 이온개수의 평균 피크값보다 기 설정된 배수 이상으로 더 큰 피크값을 가지는 제3 이온에너지값이 상기 제2 이온에너지구간의 종단에 대응되는 기 설정된 이온에너지값 범위의 최고 이온에너지 영역에 나타나는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 RF 전압의 크기와 상기 펄스 전압의 크기, 듀티비 및 램프비 중 적어도 하나를 조절하여 상기 제3 이온에너지값 또는 상기 제2 피크값을 변경함에 따라, 상기 제1 이온에너지구간 및 상기 제2 이온에너지구간 각각에 대한 이온에너지값별 이온개수의 분포 정도를 변경 제어하는 이온에너지 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이온에너지 제어부는, 플라즈마 전위에 기초한 상기 제2 이온에너지값이 기 설정된 기준 에너지값에 도달할 때까지 상기 제2 RF 전압 및 상기 펄스 전압을 동시에 증가시키도록 상기 전원 제어부를 제어함에 따라 상기 제3 이온에너지값이 증가되도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이온에너지 제어부는, 상기 펄스 전압의 크기 또는 듀티비를 조절하여 상기 제3 이온에너지값의 이온개수에 대응되는 상기 제2 피크값을 조절함에 따라, 상기 제2 이온에너지구간에 속하는 이온개수에 따른 제2 이온밀도가 증가되도록 하거나 또는 상기 제1 이온에너지구간에 속하는 이온개수에 따른 제1 이온밀도가 감소되도록 하는 것을 특징으로 하는 한다.
바람직하게는, 상기 이온에너지 제어부는, 소정 시간 동안 공급되는 상기 펄스 전압의 듀티비 및 램프비를 조절함에 따라 상기 제1 이온에너지구간의 이온개수의 피크값이 기 설정된 제2 임계값 이하로 감소하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이온에너지 제어부는, 상기 제1 이온에너지구간 및 상기 제2 이온에너지구간 각각에 대한 이온개수의 분포 정도를 제어함에 있어서, 상기 제2 RF 전압의 주파수에 대한 상기 펄스 전압의 주파수의 비가 기 설정된 기준값보다 작게 설정되도록 상기 제2 RF 전압 및 상기 펄스 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 발생에 따른 이온에너지의 최대값 부근의 최고 이온에너지 영역에 분포된 이온밀도를 상대적으로 증가시킬 수 있어, 평균 플라즈마 전위에 기초한 이온에너지만을 얻을 수 있는 종래의 경우와 비교하여 플라즈마 공정 장비 내에서 더 높은 이온에너지를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 플라즈마 공정 장비에서 구동 전압으로 사용되는 사인 파형 전압에 대응되는 파형의 펄스 전압을 추가로 인가하되 상기 펄스 전압의 크기, 듀티비 및 램프비 등의 조건에 연동되는 다수의 플라즈마 변수들을 조정 가능하므로 이온에너지 분포 함수의 양상을 필요에 따라 선택적으로 변화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 플라즈마를 이용하는 반도체 전처리 공정 중에서도 V-NAND 공정과 같이 상이한 두 물질에 대한 순차적 공정이 필요한 경우에 각 물질에 대한 공정 목표에 필요한 이온에너지값에 기초하여 시간대별로 제어 조건을 달리 변경함으로써 공정 시간 최적화와 수율 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 도 1에 도시된 정전척의 내부 구성을 설명하기 위한 전단면도 및 부분 횡단면도이고,
도 3은 도 1에 도시된 전원 제어부에 의해 정전척으로 동시 또는 순차적으로 공급되는 제2 RF 전압 및 펄스 전압의 파형과, 상기 펄스 전압의 극성에 따른 상기 정전척에 대한 출력 전압의 파형을 개략적으로 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 도 1에 도시된 정전척에 펄스 전압이 공급되는 시점 전후에 각각 대응되는 플라즈마 발생에 따른 이온에너지 분포를 비교하여 설명하기 위한 도면이고,
도 5 내지 도 8은 도 1에 도시된 이온에너지 제어부에 의해 제2 RF 전압의 크기와 펄스 전압의 크기, 듀티비 및 램프비 중 어느 하나를 각각 변경 제어한 결과에 따른 이온에너지별 이온분포값에 대한 그래프를 나타낸 도면이고,
도 9는 도 1에 도시된 플라즈마 챔버의 내부공간에 형성되는 플라즈마에 기초한 플라즈마 전위를 제2 RF 전압, 펄스 전압, 펄스 전압의 듀티비 및 램프비 각각에 대한 값을 조절한 결과에 따른 비교 그래프로 구분하여 나타낸 도면이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 정전척의 내부 구성을 설명하기 위한 전단면도 및 부분 횡단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 전원 제어부에 의해 정전척으로 동시 또는 순차적으로 공급되는 제2 RF 전압 및 펄스 전압의 파형과, 상기 펄스 전압의 극성에 따른 상기 정전척에 대한 출력 전압의 파형을 개략적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 정전척에 펄스 전압이 공급되는 시점 전후에 각각 대응되는 플라즈마 발생에 따른 이온에너지 분포를 비교하여 설명하기 위한 도면이고, 도 5 내지 도 8은 도 1에 도시된 이온에너지 제어부에 의해 제2 RF 전압의 크기와 펄스 전압의 크기, 듀티비 및 램프비 중 어느 하나를 각각 변경 제어한 결과에 따른 이온에너지별 이온분포값에 대한 그래프를 나타낸 도면이고, 도 9는 도 1에 도시된 플라즈마 챔버의 내부공간에 형성되는 플라즈마에 기초한 플라즈마 전위를 제2 RF 전압, 펄스 전압, 펄스 전압의 듀티비 및 램프비 각각에 대한 값을 조절한 결과에 따른 비교 그래프로 구분하여 나타낸 도면이다.
이하, 전술한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 플라즈마 챔버(10), 상부전극(20) 및 정전척(ESC)(30)을 포함하는 플라즈마 공정 장비를 이용한 플라즈마 공정 시 사용되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 플라즈마 공정 장비는, 플라즈마 상태를 유지하는 내부공간이 구비된 플라즈마 챔버(10)와, 상기 내부공간의 상부에 형성되는 상부전극(20)과, 상기 내부공간의 하부에 설치되어 플라즈마 공정을 위한 웨이퍼가 안착되도록 마련되되 내부에 상호 절연된 제1 하부 전극(31) 및 제2 하부 전극(32)이 구비된 정전척(30)을 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 정전척(30)은 도 2에 도시된 바와 같이 제1 하부 전극(31)과 제2 하부 전극(32)이 양(+) 또는 음(-)의 반대 극성을 가지도록 마련되어 상호간에 발생하는 전기적 척력에 의해 소정 거리 이격된 상태를 유지하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치는 크게 제1 전원부(110), 제2 전원부(120), 제3 전원부(130), 전원 제어부(200) 및 이온에너지 제어부(400)를 포함하여 구성된다.
제1 전원부(110), 제2 전원부(120) 및 제3 전원부(130)는 플라즈마 챔버(10)의 내부공간에 플라즈마를 발생시키도록 상부전극(20) 및 정전척(30)에 각각 소정 RF(Radio Frequency; RF) 전압을 공급하기 위한 것이다.
제1 전원부(110)는 제1 RF 전압을 생성하여 상부전극(10)에 공급한다.
제2 전원부(120)는 소정 주파수를 가지는 사인파형의 제2 RF 전압을 생성하여 정전척(30)의 제1 하부 전극(31)에 공급한다.
제3 전원부(130)는 바이어스 전압과 소정 주파수의 펄스 전압을 각각 생성하여 정전척(30)의 제2 하부 전극(32)에 공급한다.
여기서, 제1 전원부(110)와 상부전극(20) 사이의 연결단과, 제2 전원부(120)와 정전척(30)의 제1 하부 전극(31) 사이의 연결단과, 제3 전원부(130)와 정전척(30)의 제2 하부 전극(32) 사이의 연결단 각각에는 각 파형의 전력전달의 극대화를 위한 전송 선로간의 임피던스를 매칭시키기 위한 RF 매칭박스(Matching box)가 추가로 구비될 수 있다.
전원 제어부(200)는 제2 RF 전압과 상기 제2 RF 전압 파형에 대응하는 신호 파형을 가지는 펄스 전압을 동시 또는 순차적으로 공급하도록 제2 전원부(120) 및 제3 전원부(130)를 제어한다.
이러한 전원 제어부에 의해 정전척(30)에 동시 또는 순차적으로 공급되는 제2 RF 전압 및 펄스 전압에 기초한 정전척(30)의 출력 파형은 상기 펄스 전압의 극성 종류에 따라 달라질 수 있다.
예컨대, 도 3(a)에 도시된 바와 같은 사인 파형의 제2 RF 전압 및 펄스 전압이 정전척(30)의 제1 하부 전극(31) 및 제2 하부 전극(32)에 각각 인가될 때 정전척(30)의 출력 전압은, 상기 펄스 전압이 단극성(unipolar) 양극(positive)인 경우엔 도 3(b)에 도시된 파형을 나타내고, 상기 펄스 전압이 단극성 음극(negative)인 경우엔 도 3(c)에 도시된 파형을 나타내고, 상기 펄스 전압이 양극성(bipolar)인 경우엔 도 3(d)에 도시된 파형을 나타내고, 상기 펄스 전압이 양극성이면서 100%의 DC 바이어스(bias)가 발생한 경우엔 도 3(e)에 도시된 파형을 나타내게 된다.
또한, 전원 제어부(200)에 의해 제2 전원부(120)를 제어함에 따라 정전척(30)의 제2 하부 전극(32)에 펄스 전압이 공급될 때, 상기 펄스 전압이 공급된 시점을 기준으로 플라즈마 챔버(10)의 내부공간에 발생되는 이온에너지 분포 함수(IEDF) 양상이 변경된다.
구체적으로, 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 펄스 전압의 공급 시점 이전에는 플라즈마 챔버(10)의 내부공간에서의 제1 RF 전압 파형, 제2 RF 전압 파형 및 바이어스 전압 파형에 기초한 플라즈마 발생에 따른 이온에너지 분포에 있어서 영전위에 대응되는 제1 이온에너지값(E1)부터 이온개수의 제1 피크값(P1)이 나타나는 이온에너지값 이후의 기 설정된 제1 임계값(C1) 이하의 이온개수를 가지는 제2 이온에너지값(E2)까지의 제1 이온에너지구간(S1)을 가지고, 상기 펄스 전압의 공급 시점 이후에는 플라즈마 챔버(10)의 내부공간에 펄스 전압을 더 인가함에 따른 플라즈마 발생에 따른 이온에너지 분포에 있어서 제1 임계값(C1)보다는 큰 이온개수들을 가지는 제2 이온에너지값(E2) 이상의 제2 이온에너지구간(S2)을 가질 수 있다.
이때, 상기 이온개수는 이온에너지 분포 함수(IEDF)에 대응되는 값일 수 있으며, 이는 별도의 측정 장비를 이용하여 측정되는 것일 수 있다.
이 경우, 제2 이온에너지구간(S2)에 속하며 이온개수가 제2 이온에너지구간(S2)의 이온개수의 평균 피크값보다 기 설정된 배수 이상으로 더 큰 제2 피크값(P2)을 가지는 제3 이온에너지값(E3)이 제2 이온에너지구간(S2)의 종단에 대응되는 기 설정된 이온에너지값 범위의 최고 이온에너지 영역(R)에 나타날 수 있다.
이온에너지 제어부(400)는 정전척(30)에 인가되는 전압을 조절하여 제1 이온에너지구간(S1) 및 제2 이온에너지구간(S2) 각각에 대한 이온에너지값별 이온개수의 분포 정도를 변경 제어하기 위한 것이다.
여기서, 이온에너지 제어부(400)는 상기 제2 RF 전압의 크기와 상기 펄스 전압의 크기, 듀티비 및 램프비 중 적어도 하나를 조절하여 제3 이온에너지값(E3) 또는 제2 피크값(P2)을 변경함에 따라, 제1 이온에너지구간(S1) 및 제2 이온에너지구간(S2) 각각에 대한 이온에너지값별 이온개수의 분포 정도를 변경 제어할 수 있다.
구체적으로, 이온에너지 제어부(400)는 상기 분포 정도를 변경 제어함에 있어서, 제1 이온에너지구간(S1)에 속하는 이온개수에 따른 제1 이온밀도(A1)과 제2 이온에너지구간(S2)에 속하는 이온개수에 따른 제2 이온밀도(A2) 중에서 어느 하나를 증가시키는 경우, 나머지 하나는 상기 증가에 따른 증가량에 대응하여 상대적으로 감소하도록 공정 목표에 따라 제어하는 것이 가능하다.
여기서, 이온에너지 제어부(400)는 플라즈마 전위(Vp)에 기초한 제2 이온에너지값(E2)이 기 설정된 기준 에너지값에 도달할 때까지 상기 제2 RF 전압 및 상기 펄스 전압을 동시에 증가시키도록 전원 제어부(200)를 제어함에 따라, 최종적으로 제3 이온에너지값(E3)이 증가되도록 할 수 있다.
예컨대, 도 5를 참조하면, 제2 RF 전압(V Sine) 및 펄스 전압(V Pulse)이 각각 '100 V'와 '-100 V'일 때의 그래프(52)에 대응하는 제3 이온에너지값(E3')은 대략 '130 eV'의 값을 가지는 데 반해 제2 RF 전압(V Sine) 및 펄스 전압(V Pulse)이 각각 '250 V'와 '-250 V'일 때의 그래프(51)에 대응하는 제3 이온에너지값(E3'')은 대략 '310 eV'의 값을 가진다는 점에서, 제2 RF 전압 및 펄스 전압을 동시에 증가시킨 결과로써 제3 이온에너지값(E3) 또한 증가됨을 확인할 수 있다.
또한, 도 9(a)를 참조하면, 제2 RF 전압(V Sine)이 각각 '400 V','250 V','100 V'로 공급되되 펄스 전압(V Pulse)은 상기 제2 RF 전압과 크기는 동일한 음전압(-400 V,-250 V,-100 V)이 공급될 때, 각 공급 시점을 기준으로 별도의 측정 장비에 의해 측정된 플라즈마 전위(Vp) 값은 제2 RF 전압 및 펄스 전압의 절대적인 크기가 가장 클 때 가장 높은 값을 가지므로, 제2 RF 전압 및 펄스 전압의 크기를 증가 또는 감소시킴에 따라 플라즈마 전위(Vp)의 값이 상기 기준 에너지값에 근접할 때까지 조절 가능함을 확인할 수 있다.
여기서, 이온에너지 제어부(400)는 상기 펄스 전압의 크기 또는 듀티비를 조절하여 제3 이온에너지값(E3)의 이온개수에 대응되는 제2 피크값(P2)을 조절함에 따라, 최종적으로 제2 이온밀도(A2)가 증가되도록 하거나 또는 제1 이온밀도(A1)가 감소되도록 할 수 있다.
구체적으로, 이온에너지 제어부(400)는 상기 펄스 전압의 크기를 기 설정된 제1 값에 기초하여 조절함에 따라 제2 이온에너지구간(S2)에 대응하는 이온에너지값별 이온개수를 증가시킨 결과로써 제2 이온밀도(A2)는 증가되도록 하고, 상기 펄스 전압의 듀티비를 기 설정된 제2 값에 기초하여 조절함에 따라 제1 이온에너지구간(S1)에 대응하는 이온에너지값별 이온개수를 감소시킨 결과로써 제1 이온밀도(A1)는 감소되도록 할 수 있다.
예컨대, 도 6을 참조하면, 상기 제1 값이 '-250 V'로 기 설정된 상태일 때, 펄스 전압(V Pulse)이 '-250 V'인 경우의 제3 이온에너지값(대략 310 eV)이 펄스 전압(V Pulse)이 '-125 V'인 경우의 제3 이온에너지값(200 eV)보다 더 큰 값을 가지고, 펄스 전압(V Pulse)이 '-250 V'인 경우의 제2 이온에너지구간(S2'')에 속하는 이온에너지값별 이온개수에 대응하는 그래프(62)의 면적이 펄스 전압(V Pulse)이 '-125 V'인 경우의 제2 이온에너지구간(S2')에 대응하는 그래프(61)의 면적보다 더 크므로 이에 따른 제2 이온밀도(A2) 또한 펄스 전압(V Pulse)이 상기 제1 값에 근접할수록 증가됨을 확인할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 상기 제2 값이 '40%'로 기 설정된 상태일 때, 상기 펄스 전압의 듀티비가 각각 '16%','40%','64%'인 경우 중에서 '40%'인 경우 제1 이온에너지구간(S1)에 대응되는 제1 이온밀도(A1)의 면적은 '64%'인 경우보다 작은 데 반해 최고 이온에너지 영역(R)의 면적은 가장 큰 값을 가지므로 이에 따른 제1 이온밀도(A1) 또한 상기 펄스 전압의 듀티비가 상기 제2 값에 근접할수록 감소됨을 확인할 수 있다.
여기서, 이온에너지 제어부(400)는 소정 시간 동안 공급되는 상기 펄스 전압의 램프비를 조절함에 따라 제1 이온에너지구간(S1)상의 이온개수의 제1 피크값(P1)과 기타 피크값이 기 설정된 제2 임계값(C2) 이하로 감소하도록 미세하게 제어할 수 있다.
예컨대, 도 8을 참조하면, 펄스 전압의 듀티비는 '40%'로 동일하되 램프비는 각각 '4%'와 '20%'로 상이한 경우, 상기 램프비가 '4%'일 때의 그래프(81)보다 '20%'일 때의 그래프(82)에 기초한 제1 이온에너지구간(S1)의 이온개수에 대한 피크값이 더 작은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 9(b)를 참조하면, 펄스 전압의 듀티비는 '8%'로 동일하되 램프비는 각각 '100%'와 '20%'로 상이한 경우, 상기 램프비가 '20%'일 때의 그래프(95)보다 '100%'일 때의 그래프(94)에 기초한 플라즈마 전위(Vp)가 더 큰 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
여기서, 이온에너지 제어부(400)는 기 설정된 제어 흐름 순서에 기초하여 상기 제2 RF 전압의 크기와 상기 펄스 전압의 크기, 듀티비 및 램프비를 각각 순차적으로 조절함에 따른 제3 이온에너지값(E3) 또는 제2 피크값(P2)을 변경한 결과로써, 제1 이온에너지구간(S1) 및 제2 이온에너지구간(S2) 각각에 대한 이온에너지값별 이온개수의 분포 정도를 변경 제어할 수도 있다.
이때, 상기 제어 흐름 순서는 상기 제2 RF 전압 및 상기 펄스 전압의 크기를 동시에 증가시키는 것(도 5), 상기 펄스 전압의 크기를 조절하는 것(도 6), 상기 펄스 전압의 듀티비를 조절하는 것(도 7), 상기 펄스 전압의 램프비를 조절하는 것(도 8)의 순으로 기 설정된 상태일 수 있으며, 이는 플라즈마 발생에 따른 이온에너지값의 분포를 먼저 조절하는 제어(거시 제어)를 수행한 다음에 이온에너지값별 이온개수의 분포를 조절하는 제어(미시 제어)를 수행함에 기초한 것이다.
한편, 이온에너지 제어부(400)는 상기 제2 RF 전압의 주파수에 대한 상기 펄스 전압의 주파수의 비가 기 설정된 기준값보다 작게 설정되도록 상기 제2 RF 전압 및 상기 펄스 전압을 제어하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 기준값은 최소 조건에 대응하는 제1 기준값과 최적 조건에 대응하는 제2 기준값을 포함할 수 있으며, 예컨대, 상기 제1 기준값은 '1/3'의 값을 가지고 상기 제2 기준값은 '1/100'의 값을 가지는 것일 수 있다.
또한, 이온에너지 제어부(400)는 펄스 전압의 듀티비 값의 경우, 제2 RF 전압의 RMS 전압값에 대한 펄스 전압의 RMS 전압값의 비율과 근접한 값을 가지면서 상승 및 하강 시간(rising time falling time) 비율보다는 매우 큰 값을 가지도록 상기 제2 RF 전압 및 상기 펄스 전압을 제어하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 전술한 본 발명에 의하면, 플라즈마 발생에 따른 이온에너지의 최대값 부근의 최고 이온에너지 영역에 분포된 이온밀도를 상대적으로 증가시킬 수 있어, 평균 플라즈마 전위에 기초한 이온에너지만을 얻을 수 있는 종래의 경우와 비교하여 플라즈마 공정 장비 내에서 더 높은 이온에너지를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 플라즈마 공정 장비에서 구동 전압으로 사용되는 사인 파형 전압에 대응되는 파형의 펄스 전압을 추가로 인가하되 상기 펄스 전압의 크기, 듀티비 및 램프비 등의 조건에 연동되는 다수의 플라즈마 변수들을 조정 가능하므로 이온에너지 분포 함수의 양상을 필요에 따라 선택적으로 변화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 플라즈마를 이용하는 반도체 전처리 공정 중에서도 V-NAND 공정과 같이 상이한 두 물질에 대한 순차적 공정이 필요한 경우에 각 물질에 대한 공정 목표에 필요한 이온에너지값에 기초하여 시간대별로 제어 조건을 달리 변경함으로써 공정 시간 최적화와 수율 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
특히, 전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 강점을 다소 폭넓게 상술하였으므로, 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 형상의 설계나 수정의 기본으로써 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 상기에서 기술된 실시예는 본 발명에 따른 하나의 실시예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위에 속하는 것으로 전술한 본 발명의 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 플라즈마 챔버
20: 상부전극
30: 정전척
31: 제1 하부 전극
32: 제2 하부 전극
110: 제1 전원부
120: 제2 전원부
130: 제3 전원부
200: 전원 제어부
400: 이온에너지 제어부

Claims (7)

  1. 플라즈마 상태를 유지하는 내부공간이 구비된 플라즈마 챔버와, 상기 내부공간의 상부에 형성되는 상부전극과, 상기 내부공간의 하부에 설치되어 플라즈마 공정을 위한 웨이퍼가 안착되도록 마련되되 내부에 상호 절연된 제1 하부 전극 및 제2 하부 전극이 구비된 정전척을 포함하는 플라즈마 공정 장비를 이용한 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치에 있어서,
    제1 RF 전압을 생성하여 상기 상부 전극에 공급하는 제1 전원부;
    소정 주파수를 가지는 사인파형의 제2 RF 전압을 생성하여 상기 제1 하부 전극에 공급하는 제2 전원부;
    바이어스 전압과 소정 주파수의 펄스 전압을 각각 생성하여 상기 제2 하부 전극에 공급하는 제3 전원부; 및
    상기 제2 RF 전압과 상기 제2 RF 전압 파형에 대응하는 신호 파형을 가지는 상기 펄스 전압을 동시 또는 순차적으로 공급하도록 상기 제2 전원부 및 상기 제3 전원부를 제어하는 전원 제어부;를 포함하며,
    상기 펄스 전압의 공급 시점 이전에는 상기 내부공간에서의 상기 제1 RF 전압 파형, 상기 제2 RF 전압 파형 및 상기 바이어스 전압 파형에 기초한 플라즈마 발생에 따른 이온에너지 분포에 있어서 영전위에 대응되는 제1 이온에너지값부터 이온개수의 제1 피크값이 나타나는 이온에너지값 이후의 기 설정된 제1 임계값 이하의 이온개수를 가지는 제2 이온에너지값까지의 제1 이온에너지구간을 가지고,
    상기 펄스 전압의 공급 시점 이후에는 상기 내부공간에 상기 펄스 전압을 더 인가함에 따른 플라즈마 발생에 따른 이온에너지 분포에 있어서 상기 제1 임계값보다는 큰 이온개수들을 가지는 상기 제2 이온에너지값 이상의 제2 이온에너지구간을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 이온에너지구간에 속하며 이온개수가 상기 제2 이온에너지구간의 이온개수의 평균 피크값보다 기 설정된 배수 이상으로 더 큰 제2 피크값을 가지는 제3 이온에너지값이 상기 제2 이온에너지구간의 종단에 대응되는 기 설정된 이온에너지값 범위의 최고 이온에너지 영역에 나타나는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 RF 전압의 크기와 상기 펄스 전압의 크기, 듀티비 및 램프비 중 적어도 하나를 조절하여 상기 제3 이온에너지값 또는 상기 제2 피크값을 변경함에 따라, 상기 제1 이온에너지구간 및 상기 제2 이온에너지구간 각각에 대한 이온에너지값별 이온개수의 분포 정도를 변경 제어하는 이온에너지 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이온에너지 제어부는,
    플라즈마 전위에 기초한 상기 제2 이온에너지값이 기 설정된 기준 에너지값에 도달할 때까지 상기 제2 RF 전압 및 상기 펄스 전압을 동시에 증가시키도록 상기 전원 제어부를 제어함에 따라 상기 제3 이온에너지값이 증가되도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 이온에너지 제어부는,
    상기 펄스 전압의 크기 또는 듀티비를 조절하여 상기 제3 이온에너지값의 이온개수에 대응되는 상기 제2 피크값을 조절함에 따라, 상기 제2 이온에너지구간에 속하는 이온개수에 따른 제2 이온밀도가 증가되도록 하거나 또는 상기 제1 이온에너지구간에 속하는 이온개수에 따른 제1 이온밀도가 감소되도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 이온에너지 제어부는,
    소정 시간 동안 공급되는 상기 펄스 전압의 듀티비 및 램프비를 조절함에 따라 상기 제1 이온에너지구간의 이온개수의 피크값이 기 설정된 제2 임계값 이하로 감소하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 이온에너지 제어부는,
    상기 제1 이온에너지구간 및 상기 제2 이온에너지구간 각각에 대한 이온개수의 분포 정도를 제어함에 있어서, 상기 제2 RF 전압의 주파수에 대한 상기 펄스 전압의 주파수의 비가 기 설정된 기준값보다 작게 설정되도록 상기 제2 RF 전압 및 상기 펄스 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정용 이온에너지 제어 장치.
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