KR20050008066A - 반도체 소자 제조용 플라즈마 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 일단이 접지되어 있고 양쪽 에지부위의 평탄면이 중앙부위의 평탄면보다 낮도록 단차를 가지면서 서로 연결되는 평탄면을 갖는 양극과; 상기 양극의 양쪽 에지부위에 평탄면 위에 형성되고, 상기 양극의 단차가 생기는 부위를 감싸는 정자장 코일과; 상기 양극에 대향된 위치에 구성된 평탄면을 갖는 음극; 및 상기 음극과 접속되고 일단이 접지된 RF 전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 플라즈마 반응기을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 플라즈마의 균일도 조절이 가능하고 챔버 사이즈가 과도하게 커지는 것을 막을 수 있으며 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다.

Description

반도체 소자 제조용 플라즈마 반응기{Plasma source manufacturing semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자 제조 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 제조 공정에서 사용되는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.

플라즈마는 물질의 제 4 상태로서 고체, 액체, 기체중 그 어느 것도 아니고 태양과 같이 극히 높은 에너지를 갖고 밀도가 높은 가스가 이온화되어 있는 상태를 말한다. 반도체 소자의 제조 공정이 점차 미세화되고 고도화됨에 따라, 이러한 플라즈마를 응용하는 장비가 반도체 제조 공정 중에서 식각 공정, 스퍼터링 공정 및 화학 기상증착 공정등에서 널리 응용되고 있다. 이중에서도 식각공정에 응용되는 플라즈마 식각장비에서 플라즈마 반응기는 크게 용량 결합형(capacitively coupled plasma source)과 고밀도 형(high density plasma)으로 분류 할 수 있다. 여기서 용량결합형 플라즈마 발생장치는 식각 공정을 진행하기 위해 높은 압력이 필요하기 때문에 미세 패턴 형성시에 어려움이 있다. 즉 용량결합형 플라즈마 반응기 에서는 입력전원에 따라 자기 바이어스(self-bias)전압이 형성되므로 통상 수백 볼트에 달하는 자기 바이어스 전압에 의해 가속된 고에너지 이온이 웨이퍼 표면에 전사됨으로 인하여, 웨이퍼의 표면 손상 및 식각 선택비가 저하되는 문제점이 있다. 이러한 용량결합형 플라즈마 반응기의 문제점을 개선하기 위하여 식각 챔버의 압력을 저압으로 유지하면서 높은 플라즈마 밀도를 유지하는 고밀도형 플라즈마 반응기가 등장했다. 고밀도형 플라즈마 발생장치는 높은 이온화율을 가지며, 저압에서도 공정이 가능하며, 플라즈마를 발생시키는 부분과 전극에 높은 전압을 인가하는 부분이 격리되어 있어서 독립적으로 이온에너지의 조절이 가능하다는 장점을 보유하고 있다.

상술한 용량 결합형 플라즈마 반응기와 고밀도 플라즈마 반응기의 중간정도의 압력 범위에서 운용되는 플라즈마 반응기가 개발되었는데, 자장을 이용한 방식 (MERIE:magnetcally enhanced RIE)의 플라즈마 반응기와 이중 주파수를 이용한 방식(DFRIE:dual frequency RIE)의 플라즈마 반응기가 그것이다.

이하에서는 종래의 자장을 이용한 플라즈마 반응기 및 이중 주파수를 이용한 방식의 플라즈마 반응기에 대하여 후술되는 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 도 1 또는 도 2을 참조로 설명될 것이다.

도 1에서는 종래의 자장을 이용한 플라즈마 반응기의 개략적 단면도가 나타나 있다. 일단이 접지된 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 연결되어 있으며 RF전원(14)은 접지되어 있다. 특히 챔버 주변에 정자장 발생코일(18)이 구성되어 있다.

이러한 자장을 이용한 플라즈마 반응기는 플라즈마 반응기의 전극과 평행한 방향으로 정자장을 인가하여 용량결합형 플라즈마 반응기의 문제점인 높은 압력과 고이온 에너지에 의한 웨이퍼 표면의 손상문제를 해결하였다. 동시에, 고밀도형 플라즈마 반응기의 문제점인 낮은 압력의 공정 조건으로 기인된 높은 전자 온도 및 정합(matching)문제도 동시에 해결하였다. 그러나 웨이퍼가 200mm에서 300mm로 대구경화 되는 추세에서는 여러 가지 문제점이 발생한다. 특히 챔버 주변에 정자장 발생코일을 설치하므로 챔버 사이즈가 너무 커지는 문제점이 있다. 또한 웨이퍼의 대구경화에 따른 단위 면적당 플라즈마 밀도가 너무 낮아 이를 보상하기 위해 파워를 올릴 경우 직류 바이어스(DC bias)에 의해 플라즈마가 영향을 받아 웨이퍼에 손상을 주므로 일정이상 파워를 높이지 못하는 문제가 있다.

도 2에서는 이중주파수를 이용한 플라즈마 반응기의 개략적 단면도가 나타나 있다. 일단이 접지된 양극(anode,20)과 이에 대응되는 음극(cathode,22)이 양극(20)의 반대 방향에 구성되어 있다. 또한 상기 음극(22)에는 전원을 인가하기 위한 RF 전원(24a,24b)이 연결되어 있으며 RF전원(24a,24b)은 접지되어 있다.

상기한 이중주파수를 이용한 플라즈마 반응기는 두 개의 높은 주파수를 가지는 파워 발생기와 낮은 주파수를 가지는 파워 발생기를 병렬로 연결하여 사용함으로써 플라즈마 밀도를 적당히 높이는 것이 가능하다. 주파수가 높을 경우에 과도한 직류 바이어스(DC bias)를 피할 수 있기 때문에 두 개의 주파수를 적절히 사용하여 플라즈마의 밀도와 직류 바이어스에 의한 영향을 최소화하고 있다. 그러나 웨이퍼의 사이즈가 커질 경우에는 평행한 평판을 사용함으로 인해 여전히 중앙부위와 에지 부위간에 균일한 플라즈마를 얻기가 힘들다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래기술의 문제점을 극복하는 플라즈마 반응기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 플라즈마 반응기의 챔버 사이즈가 과도하게 커지는 것을 방지하는 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마 반응기의 중앙부위와 에지부위 간의 플라즈마 불균일을 개선하는 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 양상(aspect)에 따라, 본 발명에 의한 반도체 제조 공정에 사용되는 플라즈마 반응기는: 일단이 접지되어 있고 양쪽 에지부위의 평탄면이 중앙부위의 평탄면보다 낮도록 단차를 가지면서 서로 연결되는 평탄면을 갖는 양극과; 상기 양극의 양쪽 에지부위에 평탄면 위에 형성되고, 상기 양극의 단차가 생기는 부위를 감싸는 정자장 코일과; 상기 양극에 대향된 위치에 구성된 평탄면을 갖는 음극; 및 상기 음극과 접속되고 일단이 접지된 RF 전원을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 플라즈마 반응기는 상기 양극의 양쪽 에지부위에 위치하는 낮은 부위의 평탄면 상에 설치된 수평형의 안테나 코일 및 상기 안테나코일과 연결되고 일단이 접지된 RF전원을 더 포함함을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 양극은 중앙부위 평탄면과 양쪽 에지 부위의 평탄면이 분리 가능하도록 설계되어 양쪽 에지부위의 평탄면을 위아래로 이동함에 의하여 플라즈마의 균일도 조절이 가능하다.

도 1은 종래의 자장을 이용한 플라즈마 반응기의 개략적 단면도

도 2에서는 이중주파수를 이용한 플라즈마 반응기의 개략적 단면도

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 플라즈마 반응기의 개략적 단면도

도 4은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 플라즈마 반응기의 개략적 단면도

도 5은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 플라즈마 반응기의 개략적 단면도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

120 : 양극 122 : 음극

123 : 안테나 코일 124a,124c : RF 전원

128 : 정자장 코일

이하에서는 상기한 반도체 제조공정에 사용되는 플라즈마 반응기의 후술되는 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 도 3 내지 도 5를 참조로 설명될 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 개략적 단면도이다.

일단이 접지되어 있고 양쪽 에지부위의 평탄면이 중앙부위의 평탄면보다 낮도록 단차를 가지는 평탄면을 갖는 양극(anode,100)과 이에 대응되는 음극(cathode,102)이 양극(100)의 반대 방향에 구성되어 있다. 상기 양극의 중앙부위의 평탄면에 대하여 수직으로 형성된 단차부위를 감싸는 정자장 코일(108)이 형성되어 있다. 상기 음극(102)에는 전원을 인가하기 위한 RF 전원(104a,104b)이 연결되어 있으며 RF전원(104a,104b)은 접지되어 있다.

상기한 실시예에서는 두 개의 높은 주파수를 가지는 파워 발생기와 낮은 주파수를 가지는 파워 발생기를 병렬로 연결하여 사용함으로써 플라즈마 밀도를 적당히 높이는 것이 가능하다. 주파수가 높을 경우에 과도한 직류 바이어스(DC bias)를 피할 수 있기 때문에 두 개의 주파수를 적절히 사용하여 플라즈마의 밀도와 직류 바이어스에 의한 영향을 최소화하고 있다. 또한 정자장 코일을 사용하여 높은 압력과 고이온 에너지에 의한 웨이퍼 표면의 손상문제를 해결할 수 있으며, 플라즈마 반응기의 효율을 높일 수 있다. 또한, 양극의 중앙부위와 에지 부위의 분리가 가능하여 상하로 이동시킴에 의해 플라즈마 밀도 조절이 가능하다.

도 4은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 반응기의 개략적 단면도이다.

일단이 접지되어 있고 양쪽 에지부위의 평탄면이 중앙부위의 평탄면보다 낮도록 단차를 가지는 평탄면을 갖는 양극(anode,110)과 이에 대응되는 음극(cathode,112)이 양극(110)의 반대 방향에 구성되어 있다. 또한 상기 양극(110)의 양쪽에 위치하는 낮은 부위의 평탄면 상에 수평형의 안테나 코일(113)이 위치되어 있다. 상기 안테나코일과 연결되어 일단이 접지된 RF전원(114c)이 있다. 상기 안테나 코일의 상부에 위치하여 상기 양극의 평탄면에 대하여 수직으로 형성된 단차부위를 감싸는 정자장 코일(118)이 형성되어 있다. 상기 음극(112)에는 전원을 인가하기 위한 RF 전원(114a,114b)이 연결되어 있으며 RF전원(114a,114b)은 접지되어 있다.

상기한 이중주파수, 정자장 및 안테나 코일을 이용한 플라즈마 반응기는 두 개의 높은 주파수를 가지는 파워 발생기와 낮은 주파수를 가지는 파워 발생기를 병렬로 연결하여 사용함으로써 플라즈마 밀도를 적당히 높이는 것이 가능하다. 주파수가 높을 경우에 과도한 직류 바이어스(DC bias)를 피할 수 있기 때문에 두 개의 주파수를 적절히 사용하여 플라즈마의 밀도와 직류 바이어스에 의한 영향을 최소화하고 있다. 또한, 플라즈마 반응기의 전극과 평행한 방향으로 정자장을 인가하여 높은 압력과 고이온 에너지에 의한 웨이퍼 표면의 손상문제를 해결하고, 반응에 관여하는 입자수가 늘어나게 되어 효율이 좋아지게 된다. 고밀도 플라즈마 반응기의 낮은 압력의 공정 조건으로 기인된 높은 전자 온도 및 정합(matching)문제도 해결이 가능하다. 그리고 안테나 코일을 사용하여 양극의 중앙부위와 에지부위의 차이가 없이 균일한 플라즈마 형성이 가능하다. 또한 양극의 중앙부위와 에지 부위의 분리가 가능하여 상하로 움직이면서 플라즈마 밀도 조절이 가능하다.

도 5는 본발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 개략적 단면도를 나타낸 것이다.

일단이 접지되어 있고 양쪽 에지부위의 평탄면이 중앙부위의 평탄면보다 낮도록 단차를 가지는 평탄면을 갖는 양극(anode,120)과 이에 대응되는 음극(cathode,122)이 양극(120)의 반대 방향에 구성되어 있다. 또한, 상기 양극(120)의 양쪽에 위치하는 낮은 부위의 평탄면 상에 수평형의 안테나 코일(123)이 위치되어 있다. 상기 안테나코일(123)과 연결되어 일단이 접지된 RF전원(124c)이 있다. 상기 안테나 코일의 상부에 위치하여 상기 양극의 단차부위를 감싸는 정자장 코일(128)이 형성되어 있다. 상기 음극(122)에는 전원을 인가하기 위한 RF 전원(124a)이 연결되어 있으며 RF전원(124a)은 접지되어 있다. 도 4에서의 실시예와 비교하면, 음극에 연결된 RF 파워 발생기가 하나로 형성됨을 알 수 있다. 이중주파수를 사용하지 않는 것을 제외하면 도 4에서의 실시예와 같으므로 설명은 생략하기로 한다.

상술한 본 발명의 실시예 들은 자장을 이용한 플라즈마 반응기의 특성을 살리면서 과도한 챔버 사이즈의 확대 없이 챔버 제조가 가능하다. 또한, 이중 주파수를 이용한 플라즈마 반응기에서 문제가 되는 중앙부위와 양쪽 에지 부위의 불균일함을 상부전극인 양극에 단차를 형성하여 수평형 안테나 코일을 부분 사용함에 의해 플라즈마 균일도 향상을 도모할 수 있다. 또한 양극을 중앙부위와 양쪽 에지 부위가 분리되도록 형성되어 에지부위의 전극을 상하로 이동시킴에 의해 플라즈마 균일도 조절이 가능하다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 제공하기 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 자장을 이용한 플라즈마 반응기의 특성을 살리면서 과도한 챔버 사이즈의 확대 없이 챔버 제조가 가능하다. 또한, 이중 주파수를 이용한 플라즈마 반응기에서 문제가 되는 중앙부위와 양쪽 에지 부위의 불균일함을 상부전극인 양극에 단차를 형성하여 수평형 안테나 코일을 부분 사용함에 의해 플라즈마 균일도 향상을 도모할 수 있다. 또한 양극을 중앙부위와 양쪽 에지 부위가 분리되도록 형성되어 에지부위의 전극을 상하로 이동시킴에 의해 플라즈마 균일도 조절이 가능하다.

Claims (4)

1. 일단이 접지되어 있고 양쪽 에지부위의 평탄면이 중앙부위의 평탄면보다 낮도록 단차를 가지면서 서로 연결되는 평탄면을 갖는 양극;

   상기 양극의 양쪽 에지부위에 평탄면 위에 형성되고, 상기 양극의 단차가 생기는 부위를 감싸는 정자장 코일;

   상기 양극에 대향된 위치에 구성된 평탄면을 갖는 음극; 및

   상기 음극과 접속되고 일단이 접지된 RF 전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 플라즈마 반응기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 플라즈마 반응기는 상기 양극의 양쪽 에지부위에 위치하는 낮은 부위의 평탄면 상에 설치된 수평형의 안테나 코일 및 상기 안테나코일과 연결되고 일단이 접지된 RF전원을 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 플라즈마 반응기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 플라즈마 반응기는 상기 음극과 병렬로 접속되는 RF전원이 하나 더 구비됨을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 플라즈마 반응기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 양극은 중앙부위 평탄면과 양쪽 에지부위의 평탄면이 분리 가능함을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 플라즈마 반응기.