KR19980067112A

KR19980067112A - 플라즈마 발생장치

Info

Publication number: KR19980067112A
Application number: KR1019970002984A
Authority: KR
Inventors: 신경섭
Original assignee: 김광호; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 1998-10-15

Abstract

양극(anode)에 나선형으로 구성된 홈(groove)를 갖는 플라즈마 발생장치에 관하여 개시한다. 이를 위하여 본 발명은, 일단이 접지되어 있고 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 요철 모양의 홈을 갖는 양극(anode)과, 양극(anode)에 대향된 위치에 구성된 음극(cathode)과, 음극과 연결되어 자기 바이어스 전압을 발생하기 위한 블록킹 커패시터와, 블록킹 커패시터에 연결되고 일단이 접지된 RF(Radio Frequency) 전원과, 양극과 음극의 수직한 방향에서 정자장을 인가하도록 구성된 정자장 코일을 구비하는 것을 특징으로 반도체 장비의 플라즈마 발생장치를 제공한다. 또한, 상술한 요철 모양의 홈을 갖는 양극은 양극을 회전시킬 수 있는 양극 모터를 추가로 구비하는 것이 적합하다. 따라서, 플라즈마장(plasma field) 내의 플라즈마 불균일도를 개선하고 동시에 플라즈마의 밀도를 증가시킬 수 있는 반도체 장비의 플라즈마 발생장치를 실현할 수 있다.

Description

플라즈마 발생장치

본 발명은 반도체 제조공정에 사용되는 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 특히 양극(anode)에 나선형으로 구성된 홈(groove)를 갖는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

플라즈마는 물질의 제4 상태로서 고체, 액체, 기체중 그 어느 것도 아니고 태양과 같이 극히 높은 에너지를 갖고 밀도 높은 가스가 이온화되어 있는 상태를 말한다. 반도체 소자의 제조공정이 점차 미세화되고 고도화됨에 따라. 이러한 플라즈마를 응용하는 장비가 반도체 제조공정 중에서 식각공정, 스퍼터링 공정 및 화학기상증착 공정등에서 널리 응용되고 있다. 이중에서도 식각공정에 응용되는 플라즈마 식각장비에서 플라즈마 발생장치는 크게 용량결합형(capacitively coupled plasma), 고밀도형(high density plasma) 및 자장을 이용한 형(magnetically enhanced RIE)으로 분류할 수 있다. 여기서, 용량결합형(capacitively coupled plasma) 플라즈마 발생장치는 식각공정을 진행하기 위하여 수백 mTorr은 높은 압력이 필요하기 때문에 미세 패턴 형성시에 많은 어려움이 있다. 즉, 용량결합형 플라즈마 발생장치에서는 입력 전원에 따라 자기 바이어스(seif-bias) 전압이 결정되므로 통상 수백 볼트(volt)에 달하는 자기 바이어스 전압에 의해 가속된 고에너지 이온이 웨이퍼의 표면에 전사됨으로 인하여, 웨이퍼의 표면손상 및 식각 선택비가 저하되는 문제점이 있다. 이러한 용량결합형(capacitively coupled plasma) 플라즈마 발생장치의 문제점을 개선하기 위하여 식각 챔버의 압력을 저압으로 유지하면서 높은 플라즈마 밀도를 유지하는 고밀도형(High Density Plasma) 플라즈마 발생장치가 등장했다. 고밀도형(High Density Plasma) 플라즈마 발생장치는 높은 이온화율을 가지며, 저압에서도 공정의 진행이 가능하며, 플라즈마를 발생시키는 부분과 전극에 높은 전압을 인가하는 부분이 분리되어 있어서 독립적으로 이온 에너지의 조절이 가능하다는 장점을 보유하고 있다.

한편, 상술한 용량결합형(capacitively coupled plasma)과, 고밀도형(High Density Plasma) 플라즈마 발생장치의 중간 정도의 압력 범위에서 운용되는 플라즈마 발생장치가 개발되었는데, 자장을 이용한 (magnetically enhanced RIE) 플라즈마 발생장치가 그것이다. 이러한 자장을 이용한 (magnetically enhanced RIE) 플라즈마 발생장치는 플라즈마 발생장치의 전극과 평행한 방향으로 정자장을 인가하여 용량결합형 플라즈마 발생장치의 문제점인 높은 압력과 고이온 에너지에 의한 웨이퍼 표면의 손상 문제를 해결하였다. 동시에, 고밀도형 플라즈마 발생장치의 문제점인 낮은 압력의 공정 조건으로 기인된 높은 전자 온도 및 정합(matching) 문제도 동시에 해결하였다.

도 1 및 도 2는 종래의 용량결합형 플라즈마 발생장치 및 자장을 이용한 플라즈마 발생장치를 보여주는 단면도이다.

도 1은 종래의 용량결합형 플라즈마 발생장치의 단면도로서, 상세히 설명하면, 일단이 접지(ground)된 양극(anode, 10)과 이에 대응되는 음극(cathode, 12)이 양극(10)의 반대 방향에 구성되어 있다. 또한, 상기 음극(12)에는 전원을 인가하기 위한 RF 전원(14)이 블로킹 커패시터(blocking capacitor, 16)를 통하여 연결되어 있으며, RF 전원(14)은 접지되어 있다.

도 2는 종래의 자장을 이용한 플라즈마 발생장치의 단면도로서 용량결합형 플라즈마 발생장치의 전극인 양극(20)과 음극(22)의 수평한 방향에서 플라즈마장(plasma field) 내로 자장을 인가하기 위한 정자장 발생 코일(28)이 추가로 구성되어 있다. 여기서, 참조 부호 24는 RF 전원을, 26은 블로킹 커패시터를 각각 나타낸다.

상술한 종래의 자장을 이용한 플라즈마 발생장치의 문제점은, ①플라즈마 장(plasma field) 내로 인가되는 자장(magnetic field) 및 전장(electric field)에 의한 힘, 즉, X 기전력(drift force)에 기인한 플라즈마 밀도의 불균일을 유발하는 것과, ② 이러한 플라즈마 불균일이 웨이퍼 바로 위에 형성되어 식각을 진행할 때에 식각율의 균일도가 떨어지는 문제점이 발생하였다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자장을 이용한 플라즈마 발생장치에서 플라즈마장 내에 있는 플라즈마의 불균일도를 개선하고, 동시에 새로운 방법으로 플라즈마의 밀도를 증가시킬 수 있는 반도체 장비의 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.

도 1 및 도 2는 종래기술의 플라즈마 발생장치를 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.

도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 설명하기 위하여 도시한 도면들이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명

100: 양극(anode),102: 요철 모양의 홈,

104: 음극(cathode)106: 블로킹 커패시터(blocking capacitor),

108: RF 전원,110: 정자장 발생 코일,

112: 양극 모터.114: 고밀도 플라즈마 영역.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 일단이 접지되어 있고 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 요철 모양의 홈을 갖는 양극과, 상기 양극(anode)에 대향된 위치에 구성된 음극과, 상기 음극과 연결되어 자기 바이어스 전압을 발생하기 위한 블록킹 커패시터와, 상기 블록킹 커패시터에 연결되고 일단이 접지된 RF(Radio Frequency) 전원과, 상기 양극과 음극의 수직한 방향에서 정자장을 인가하도록 구성된 정자장 코일을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 반도체 장비의 플라즈마 발생장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 요철 모양의 홈을 갖는 양극은 양극을 회전시킬 수 있는 양극 모터를 추가로 구비하는 것이 적합하다.

바람직하게는, 상기 양극(anode)에 형성된 요철 모양의 홈은 나선형으로 구성되어서 양극의 중심에서 비교할 때에 서로 비대칭으로 형성된 것이 적합하다.

본 발명에 따르면, 반도체 장비의 플라즈마 발생장치에서 플라즈마장 내에 플라즈마의 불균일도를 개선하고, 동시에 플라즈마의 밀도를 증가시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3내지 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장비의 플라즈마 발생장치를 설명하기 위하여 도시한 도면들이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 일단이 접지된 플라즈마 발생장치의 양극(anode, 100)에 요철모양의 홈(102)이 나선형 형태로 형성되어 있고, 상기 양극(100)은 양극을 회전시킬수 있는 축(axis)을 갖는 양극모터(112)에 연결되어 있다. 상기 양극(100)에 대응되는 방향에는 음극(cathode, 104)이 형성되어 있고, 상기 음극(104)은 바이어스 전원을 인가하는 RF(radio frequency, 108) 전원과 블로킹 커패시터(blocking capacitor, 106)를 통하여 연결되어 있다. 여기서, 상기 RF 전원은 접지(ground)되어 있다. 또한, 상기 음극(104)과 양극(100)의 수직한 방향에는 음극(104)과 양극(100) 사이에서 형성되는 플라즈마장(plasma field)으로 양전극(100, 104)에 의해 발생하는 전계와 평행한 방향으로 정자장을 인가할 수 있는 정자장 발생코일(110)이 구성되어 있다. 여기서, 참조부호 114는 양극과 음극 사이에서 형성되는 고밀도 플라즈마 영역을 나타낸다. 플라즈마장 내에 전장과 자장이 인가되면 플라즈마장장에 존재하는 하전입자들은 자장의 영향을 받아 회전운동을 하게 되고, 회전의 중심점은 X 기전력(drift force)에 의하여 움직이게 된다. 여기서 는 전계를 는 자계를 각각 가리킨다. 플라즈마장 내에 존재하는 전자나 이온과 같은 하전입자들은 모두 X 기전력에 의해 같은 방향으로 움직이게 되며, 그때의 속도 는 = X / B²(B: 자속밀도)가 된다. 이러한 속도에 의한 힘은 플라즈마의 밀도 증가에는 도움을 주지만, 플라즈마의 밀도를 어느 한곳에 치우치게 만들어서 전체적으로 플라즈마 밀도가 불균일하게 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 자장에 의해 발생하는 자계를 양극(100)과 음극(104)에 의해 발생하는 전계와 수평이 되도록 구성하고, 양극(100)에 요철모양의 홈(102)을 형성하였다.

도 4는 도 1에서 양극(anode)에 형성된 요철 모양의 홈을 확대한 확대도이다.

도 4를 참조하면, 굵은 선으로 표시된 화살표가 자장에 의하여 발생하는 자계의 방향(116)이고, 실선으로 표시된 화살표가 음극과 양극(anode)에 의하여 발생하는 전계의 방향(118)이다. 여기서 전계의 방향(118)과 자계의 방향(116)이 서로 평행이 되게 함으로써 X 기전력이 제로(zero)가 되도록 하였다. 따라서, 플라즈마장 내에 발생하는 플라즈마의 불균일도 문제를 해결하였다. 하지만, 자계를 전계의 방향과 수직으로 인가하는 대신에 수평으로 인가함으로써 플라즈마 밀도는 상대적으로 낮아진다. 이러한 문제를 해결하는 것이 양극(anode)에 요철 모양으로 형성된 홈이다. 양극에 구성된 요철 모양의 홈의 역할은, 자계에 평행이 되는 전계도 발생시키지만, 동시에 요철 모양의 홈의 측면에서 자계와 수직 방향의 전계(120)도 동시에 발생시킴으로써 X 기전력이 플라즈마장 내에서 발생하도록 되어 있다. 이때, 요철 모양의 홈의 측면에서 자계와 수직 방향의 전계에 의한 X 기전력은 고밀도 플라즈마를 발생시키고 X 기전력 방향은 한 방향에 국한되지 않으므로 기존의 자장을 이용한 플라즈마 발생장치(magnetically enhanced RIE)의 문제점인 X 기전력에 의한 플라즈마 불균일 문제는 해결된다. 그러나, 요철 모양의 홈의 측면에 고밀도 플라즈마 영역이 수직한 자장에 위치한 웨이퍼에 그대로 전사되게 되면, 식각의 균일도가 저하되는 문제점이 다시 발생한다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 요철모양의 홈을 나선형으로 구성하였다,

도 5는 도 1의 요철 모양을 홈을 갖는 양극(anode)을 하단에서 투시하였을 때의 밑면도이다.

도 5를 참고하면, 양극(100)에 요철 모양의 홈(102)이 둥글게 나선형으로 형성되어 있으므로 요철 모양의 홈(102)의 측면에서 자계와 수직된 전계에 의한 X 기전력이 한 방향으로만 쏠리게 하지 않고 사방으로 흩어지게 함으로써 요철모양의 홈(102)의 측면에서 플라즈마의 밀도를 높이는 고밀도 플라즈마 영역을 발생시키면서 식각의 균일도가 저하되는 문제점을 해결하였다. 또한, 요철모양의 홈(102)을 갖는 양극(anode)은 양극 모터에 연결되어 식각이 진행되는 동안 회전하도록 구성되어 있어서, 요철모양의 홈에 의하여 발생된 고밀도의 플라즈마 영역이 플라즈마장 내에서 골고루 퍼지도록 하는 효과를 발휘한다.

도 6은 도 5를 6-6' 방향으로 절단하였을 때의 단면도이다. 여기서 양극(100)의 중앙에서 그은 중앙선(122)을 중심으로 좌우를 서로 비교할 때, 대칭이 되지 않기 때문에 요철 모양의 홈(102)에 의하여 형성된 고밀도의 플라즈마가 양극 모터의 회전에 의하여 웨이퍼에 그대로 전사되지 않고 골고루 플라즈마장으로 분산되는 메커니즘을 다시 한 번 보여준다.

여기서, 요철 모양 홈의 크기와 간격은 플라즈마장 내의 플라즈마 밀도를 조절하는 수단이 되기 때문에, 공정의 필요에 따라서 요철모양의 홈의 크기와 간격을 조절하여 응용하는 것이 가능하다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속한 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

따라서, 상술한 본 발명에 따르면, 플라즈마 발생장치에서 플라즈마장 내의 플라즈마의 불균일도를 개선하고, 동시에 플라즈마의 밀도가 저하되는 문제를 해결하여 식각의 균일도를 향상시킬 수 있는 반도체 장비의 플라즈마 발생장치를 실현할 수 있다.

Claims

일단이 접지되어 있고 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 요철 모양의 홈을 갖는 양극;

상기 양극(anode)에 대향된 위치에 구성된 음극;

상기 음극과 연결되어 자기 바이어스 전압을 발생하기 위한 블로킹 커패시터;

상기 블로킹 커패시터에 연결되고 일단이 접지된 RF(Radio Frequency) 전원; 및

상기 양극과 음극의 수직한 방향에서 정자장을 인가하도록 구성된 정자장 코일을 구비하는 것을 특징으로 반도체 장비의 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 요철 모양의 홈을 갖는 양극(anode)은 추가로 연결된 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 발생장치.
제2항에 있어서, 상기 모터는 양극을 회전시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 요철 모양의 홈은 양극의 일면에 나선형으로 구성되어 있는 것을 특징으로 반도체 장비의 플라즈마 발생장치.
제4항에 있어서, 상기 나선형의 홈은 상기 양극의 중심에서 비교할 때에 서로 비대칭으로 구성된 것을 특징으로 반도체 장비의 플라즈마 발생장치.