KR20080048310A - 반도체 소자 제조용 플라즈마 장치 - Google Patents

반도체 소자 제조용 플라즈마 장치 Download PDF

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Abstract

플라즈마를 인가할 때 발생하는 아크를 신속하게 감지하여 아크 발생을 방지할 수 있는 플라즈마 장치를 개시한다. 플라즈마 장치는, 플라즈마 챔버, 플라즈마 챔버에 전력을 공급하는 전원부, 플라즈마 챔버에 공급되는 전기신호를 측정하여 측정값을 출력하는 전기신호측정부, 및 전원부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다. 제어부는 측정값을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그/디지털 변환기, 디지털 신호를 입력받아 설정된 허용범위와 비교하는 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor, DSP), 디지털 신호가 상기 허용범위를 벗어나는 경우 상기 전원부의 동작을 제어하는 인터록부(interlock)를 포함할 수 있다. 아날로그/디지털 변환기는 측정값을 1kHz 내지 10MHz로 측정값을 디지털 신호화한다.
플라즈마 장치, 아크, 디지털 시그널 프로세서(DSP)

Description

반도체 소자 제조용 플라즈마 장치{Plasma apparatus for manufacturing semiconductor devices}
도 1은 종래 기술에 의한 플라즈마 장치의 가동시간에 따른 인가된 전류변화를 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 장치를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 장치의 가동시간에 따른 인가된 전류변화를 도시하는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 플라즈마 장치 100: 플라즈마 챔버
102: 플라즈마 전극 104: 웨이퍼
106: 접지 110: 전원부
120: 전기신호 측정부 130: 제어부
132: 아날로그/디지털 변환기
134: 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor)
136: 인터록(interlock) 140: 사용자 인터페이스
본 발명은 반도체 제조공정에 관한 것으로서, 반도체 소자 제조에 이용되는 플라즈마 장치에 관한 것이다.
현재, 반도체 제조공정에서 플라즈마 장치는 식각, 증착 및 세정공정에 사용된다. 그러나, 플라즈마의 사용은 이에 국한되지 않고, 여러 분야에의 응용이 가능하다. 그 예로서, 이온주입공정에 사용될 수 있다. 최근, 반도체 소자에 듀얼폴리게이트(dual poly gate)가 적용됨에 따라, 높은 도즈의 이온의 주입이 요구된다. 즉, 종래보다 높은 수준의 도즈, 예를 들어 1E17 (atoms/cm2)이상의 도즈를 요구하게 되어, 기존 이온주입장치로는 한계가 있다. 따라서, 플라즈마를 이용한 이온주입장치가 상기 요구를 충족할 수 있을 것이다.
그러나, 일반적으로 플라즈마를 사용하면, 아크(arc)가 발생하는 경우가 많다. 아크가 발생하면 플라즈마를 불안정하게 하며, 특히 균일한 이온의 주입이 요구되는 이온주입장치에서 플라즈마를 사용하는 경우에는 아크 발생은 불균일한 이온의 주입을 야기하고, 결과적으로 반도체 소자의 품질을 저하시키게 된다.
플라즈마 장치에서 아크 발생은 여러 가지 원인에 기인한다. 플라즈마가 발생하는 챔버 내부의 구조적 요인에 기하여 발생하기도 하며, 플라즈마 챔버 내로 주입되는 기체 내에 포함된 불순물에 의하거나, 챔버 내벽 또는 웨이퍼 상에 잔존하는 불순물, 예를 들어 파티클에 의하여도 발생한다. 아크는 웨이퍼 뿐만 아니라 플라즈마 챔버 내부에도 손상을 일으키므로, 아크 발생을 방지하는 것이 또한 매우 중요하다.
도 1은 종래 기술에 의한 플라즈마 장치의 가동시간에 따른 인가된 전류변화를 도시하는 그래프이다. 도면에서 A영역은 균일한 플라즈마를 얻기 위하여 설정된 전류의 범위이다.
도 1을 참조하면, 전류 값은 A영역 내를 유지하다가 급작스럽게 B영역으로 저하되었다가 다시 A영역으로 회복되고, 이는 아크가 발생하였기 때문이다. 전류 값은 간헐적으로 저하 및 회복되며, 이는 플라즈마 장치 내에서 아크가 계속하여 발생하고 있음을 보여준다. 즉, 처음 아크가 발생한 후에, 플라즈마 방치 내의 아크 발생의 원인, 예를 들어, 챔버의 구조 또는 불순물 등을 을 제거하지 않으면 아크는 계속하여 발생하게 된다. 또한, 발생하는 아크 간의 시간간격은 매우 짧으므로, 최초의 아크가 발생하면, 이를 신속하게 감지하고 처리하는 것이 바람직하다.
플라즈마 장치의 아크를 감지하기 위하여, 광학방사측정장치(optical emission spectroscopy, OES) 또는 잔류가스분석기(residual gas analyzer, RGA)를 사용할 수 있다. 그러나, 이 장치들은 기기의 특성상 빠른 속도로 아크의 발생을 감지하지 못하므로 그 한계가 있으며, 특히 이온주입장치로서 플라즈마 장치를 사용하는 경우에는 적용되기 어렵다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 플라즈마를 인가할 때 발생하는 아크를 신속하게 감지하여 아크 발생을 방지할 수 있는 플라즈마 장치를 제 공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 장치는, 플라즈마 챔버, 상기 플라즈마 챔버에 전력을 공급하는 전원부, 상기 플라즈마 챔버에 공급되는 전기신호를 측정하여 측정값을 출력하는 전기신호측정부, 및 상기 전기신호측정부로부터 출력된 상기 측정값을 입력받아 설정된 허용범위와 비교하여 상기 전원부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 측정값을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그/디지털 변환기, 상기 디지털 신호를 입력받아, 상기 설정된 허용범위와 비교하는 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor, DSP), 상기 디지털 신호가 상기 허용범위를 벗어나는 경우, 상기 전원부의 동작을 제어하는 인터록부(interlock)를 포함할 수 있다. 상기 아날로그/디지털 변환기는 상기 측정값을 1kHz 내지 10MHz로 디지털 신호화하는 것이 바람직하다.
상기 전원부는 직류전원 또는 고주파 전원을 공급할 수 있다. 또한, 상기 전기신호측정부는 상기 전원부와 상기 플라즈마 챔버에 전류신호 또는 전압신호를 측정할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 장치(10)를 개략적으로 도시하는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 장치(10)는 플라즈마 챔버(100), 플라즈마 챔버(100)에 전력을 공급하는 전원부(110), 플라즈마 챔버(100)의 공급되는 전기신호를 측정하여 측정값을 출력하는 전기신호측정부(120), 및 전기신호측정부(120)로부터 출력된 상기 측정값을 입력받아 설정된 허용범위와 비교하여 전원부(110)의 동작을 제어하는 제어부(130)를 포함한다.
플라즈마 챔버(100)는 그 내부에 전원부(110)로부터 전력을 공급받는 전극(102)을 포함하고 전극(102)에 대향하여 웨이퍼(104)가 탑재된다. 도2에 도시된 바와 같이, 전원부(110)와 전극(102) 사이에 접지(106)가 연결될 수도 있고, 이와는 달리 전원부(110)가 전극(102)과 직접 연결될 수도 있다.
제어부(130)는 상기 측정값을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그/디지털 변환기(132), 상기 디지털 신호를 입력받아, 상기 설정된 허용범위와 비교하는 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor, DSP; 134), 및 상기 디지털 신호가 상기 허용범위를 벗어나는 경우, 전원부(110)의 동작을 제어하는 인터록부(interlock, 136)를 포함한다. 아날로그/디지털 변환기(132)는 상기 측정값을 1kHz 내지 10MHz로 디지털 신호화할 수 있다. 전원부(110)는 직류 바이어스 전원 또는 고주파 전원일 수 있다. 전기신호측정부(120)는 상기 전원부(110)와 상기 플라즈마 챔버(100)에 직렬로 연결되어 전류신호를 측정할 수 있다.
또한, 플라즈마 장치(10)는 제어부(130)에 상기 설정된 허용범위를 입력하는 사용자 인터페이스(140)를 더 포함할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스(140)는 전기신호측정부(120)에서 검출된 전기신호와 제어부(130)의 제어신호를 출력하는 디스플레이 장치를 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 플라즈마 장치(10)의 동작에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 먼저, 플라즈마 장치(10)를 가동하기 이전에, 원하는 플라즈마의 전류의 범위를 설정하여 디지털 시그널 프로세서(134)에 사용자 인터페이스(140) 등을 통하여 입력한다. 도시되지는 않았지만, 별도의 메모리가 가능한 요소를 디지털 시그널 프로세서(134)에 연결하여 상기 입력 값을 저장하는 데 사용할 수도 있다. 상기 전류 범위는 공정조건에 따라 달라질 수 있다. 특히, 이온주입장치로서 플라즈마 장치를 이용하는 경우에는 사용하는 가스의 종류, 순도 및 주입 양 등에 따라 전류의 범위가 변화될 수 있으며, 또한 이온을 주입하는 공정 전반에 걸쳐서 균일한 전류가 필수적이다.
도 2의 플라즈마 장치(10) 내에 웨이퍼를 탑재한 후(또는 탑재 이전에 예비적인 단계로서도 가능하다), 전원부(110)에 의하여 플라즈마 전극(102)에 직류 전압 또는 고주파 전압을 인가한다. 이에 따라, 플라즈마 챔버(100) 내의 플라즈마 전극(102) 및 웨이퍼(104) 간의 전압은 일정하게 유지되면서 그 사이에 플라즈마가 발생한다.
플라즈마 장치(10)에 전압을 인가하면, 플라즈마 챔버(100) 내의 플라즈마 전극(102) 및 웨이퍼(104) 간에 흐르는 전류는 전기신호측정부(120)에 의하여 측정 된다. 이러한 측정된 전류값은 아날로그 값일 수 있으며, 상기 측정된 전류값은 전기신호측정부(120)에 연결된 아날로그/디지털 변환기(132)로 전송된다. 아날로그/디지털 변환기(132)에서는 전송받은 상기 측정된 전류값을 디지털 신호화 한다. 디지털 신호화의 간격은 1kHz 내지 10MHz일 수 있다. 디지털 시그널 프로세서(134)는 디지털 신호로 변환된 전류 값을 전송받고, 상기 미리 입력된 전류값의 허용범위 내에 포함되는 지 여부를 비교 판단한다. 상기 측정된 전류값이 상기 전류값의 허용범위 내에 있는 경우에는, 상술한 플라즈마 발생을 계속 수행한다.
반면에, 아크가 플라즈마 챔버(100) 내에 발생하게 되면 상술한 바와 같이 측정되는 전류값이 허용범위의 이하로 떨어지게 된다. 즉, 상기 측정된 전류값이 상기 전류값의 허용범위를 벗어나는 경우, 특히 상기 전류값의 허용범위의 이하로 떨어지는 경우에는 디지털 시그널 프로세서(134)는 인터록부(136)에 제어신호를 전송하고, 인터록부(136)는 전원부(110)에 차단신호를 전송하여 플라즈마의 발생을 차단한다. 이어서, 아크 발생의 원인, 예를 들어 파티클 등의 불순물들을 제거한 후에 다시 플라즈마 챔버(100)에 전력을 인가하는 단계부터 반복 수행하여, 아크의 발생을 완전히 방지한다.
본 발명에 따른 일실시예들은, 1kHz 내지 10MHz로 디지털 변환된 디지털 신호들을 빠른 속도로 처리할 수 있는 디지털 시그널 프로세서(134)를 사용하는 특징을 갖는다. 즉, 아크 발생을 신속하게 감지하고 플라즈마 챔버(100)에의 전력 차단을 신속하게 하는 것이 매우 중요하다.
디지털 시그널 프로세서(134)는 명칭 그대로 디지탈 신호를 처리하기 위해 만든 중앙처리장치(central processing unit, CPU)로서 빠른 속도의 아날로그 신호를 디지털적으로 처리하기 위해서 만들어진 마이크로 프로세서이다. 일반적으로 통칭되는 마이크로 프로세서가 디지탈 신호만을 처리할수 있는것에 비해, 디지털 시그널 프로세서(134)는 아날로그 신호를 고속으로 처리할 수 있도록 여러 가지 장치가 있으며, 예를 들어 내부에 곱셉기, 부동소숫점 연산기를 하드웨어적 설계로 포함할 수 있다. 또한, 아날로그 신호도 직접 처리할 수 있도록 아날로그 입출력 포트를 칩속에 내장할 수도 있다. 따라서, 고속의 아날로그 신호 처리가 가능함을 강조하기 위하여, 비록 마이크로 프로세서의 일종이기는 하나 디지털 신호만을 처리할 수 있는 통상적인 마이크로프로세서와 구별하여 디지털 시그널 프로세서라 부른다. 디지털 시그널 프로세서(134)의 사용방법이나 프로그래밍 방법도 마이크로 프로세서와 거의 같으나, 프로그램에 의해 하나하나의 명령이 패치되면서 해석되고 움직인다는 점에서 명령 해석과정이 없이 하드웨어가 직접 동작되는 주문형 반도체(Application Specific integrated Circuits, ASIC)와는 차이가 있다. 디지털 시그널 프로세서(134)의 가장 큰 특징은 실시간으로 매우 빠른 연산을 수행할 수 있다는 것이다. 특히 매우 많은 정수 및 부동소수점 수치의 연산이 필요한 디지털 신호처리의 경우에 많이 사용된다. 하나의 클록에 하나 이상의 명령의 실행이 가능하고, 명령을 고속으로 처리하기 위하여 RISC 설계 및 하바드 구조를 사용하고 있다. 또한 명령처리 효율을 높이기 위해 내부에 레지스터를 많이 가지고 있으며, 대부분의 연산이 상기 레지스터를 중심으로 수행되는 구조의 특징을 가진다. 또한, 내부에 2단계 메모리 구조를 가지고 있어 처리속도를 더 빠르게 할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 장치(10)의 가동시간에 따른 인가된 전류변화를 도시하는 그래프이다. 도면에서 A영역은 균일한 플라즈마를 얻기 위하여 설정된 전류의 범위이다.
플라즈마 챔버(100)에 전압을 인가하고 일정시간이 후에 측정된 전류 값이 급격히 B영역내로 저하되었다(C로 표시됨). 이는 플라즈마 챔버(100, 도2 참조) 내에 최초의 아크 발생과 관련이 있다. 이에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 장치(10)는 즉시 플라즈마 챔버(100) 내의 전력 공급을 차단하였다. 이어서 플라즈마 장치내의 아크 발생원인, 예를 들어 불순물을 제거한 후(D로 표시된 부분), 다시 플라즈마 장치(10)를 시동하였다. 도 1의 종래 기술과는 달리, 이어지는 플라즈마 장치(10)의 작동에서는 측정된 전류값의 급격한 저하가 측정되지 않았고, 이는 아크가 발생하지 않았음을 의미한다. 따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 장치(10)는 아크 발생을 효과적으로 방지할 수 있으며, 따라서 이온주입장치로서 이용될 수 있다.
상술한 실시예는 예시적인 것으로 본 발명이 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 실시예에서는 측정된 전류의 변화에 따라 플라즈마 챔버(100)에 인가되는 전력을 차단하였으나, 전압의 변화를 측정하여 플라즈마 챔버(100)에 인가되는 전력을 차단할 수도 있다. 또한, 상기 실시예에서는 측정된 전류가 허용범위를 벗어나는 경우 전력 공급을 차단하였으나, 전력 공급을 차단하지 않고 적절하게 조절하여 측정된 전류가 허용범위 내에 포함되도록 수행될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마 장치는, 플라즈마 장치에 인가되는 전기적 신호를 측정하여 플라즈마 챔버내의 아크발생을 신속하게 감지하고 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor, DSP)를 사용하여 플라즈마 장치의 작동을 중단 또는 제어함으로써 아크발생을 작동 초기에 방지할 수 있고, 이에 따라 웨이퍼의 손상을 방지하고 균일하고 안정적인 플라즈마 처리를 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 플라즈마 장치는 균일하고 안정적인 플라즈마를 요구하는 이온주입장치로서 응용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 플라즈마 챔버;
    상기 플라즈마 챔버에 전력을 공급하는 전원부;
    상기 플라즈마 챔버에 공급되는 전기신호를 측정하여 측정값을 출력하는 전기신호측정부: 및
    상기 전기신호측정부로부터 출력된 상기 측정값을 입력받아 설정된 허용범위와 비교하여 상기 전원부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 측정값을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그/디지털 변환기;
    상기 디지털 신호를 입력받아, 상기 설정된 허용범위와 비교하는 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor, DSP); 및
    상기 디지털 신호가 상기 허용범위를 벗어나는 경우, 상기 전원부의 동작을 제어하는 인터록부(interlock)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 아날로그/디지털 변환기는 상기 측정값을 1kHz 내지 10MHz로 디지털 신호화하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부에 상기 설정된 허용범위를 입력하는 사용자 인터페이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전원부는 직류전원 또는 고주파 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전기신호측정부는 상기 전원부와 상기 플라즈마 챔버에 전류신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전기신호측정부는 상기 전원부와 상기 플라즈마 챔버에 전압신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
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