KR20160125164A - 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대면적 플라즈마 발생에 있어서 매우 넓고 두꺼운 유전체 윈도우의 사용을 회피하고 균일한 대면적 플라즈마를 얻는 방법을 제공하기 위한 것으로서, (a) 챔버의 상부로부터 전력이 투입되어 플라즈마를 발생시킴에 있어서 분리되어 있는 2개 이상의 유전체를 사용하는 단계와, (b) 상기 분리된 유전체를 통해 라디오 주파수의 전력과 초고주파 전력을 공간적으로 분리하여 전력을 투입하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

Description

대면적 고밀도 플라즈마 발생방법{Method of generating large area and high density plasma}

본 발명은 대구명 반도체 제조에 있어서 플라즈마화학기상증착 또는 플라즈마건식식각을 위한 플라즈마장치의 제작에 관한 것이다.

반도체공정에 사용되는 플라즈마 장치로는 용량결합형플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP), ICP, MWP가 주로 사용된다.

CCP는 두개의 마주보는 전극에 라디오주파수 영역의 고주파 전계를 인가하여 플라즈마를 생성시키는 방법으로서 공정압력이 비교적 높으나 플라즈마 밀도가 낮은 단점이 있다.

반도체 공정에 적용되는 ICP는 일반적으로 챔버 상부에 평면, 나선형의 안테나를 설치하고 그 밑에 전기장 및 자기장이 투과될 수 있는 비 전도성 유전체 윈도우를 설치하여 플라즈마를 발생시키는 방법으로서 플라즈마내부에는 닫힌 형태의 전기력선을 가지는 전기장이 발생함으로서 하전입자의 손실이 적고 CCP에 비해 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있다. 플라즈마 내부에 발생되는 전기장은 외부에 설치된 안테나에서 발생되는 자기장에 의해 유도되는데 플라즈마 내부의 전자밀도가 일정한 값 이상이 되어야 자기장으로 부터 충분한 전류가 유도되어 ICP 모드의 플라즈마가 생성된다. 낮은 입력전력에서는 전류가 충분치 못하여 ICP mode (H mode 라고 부르기도 한다)에 이르지 못하고 외부 안테나 코일에 생성된 높은 전압에 의해 CCP 형태의 플라즈마가(E mode 라 한다) 생성된다.

ICP에서 공정압력이 수십 mTorr이상으로 높아지면 전자- 중성입자와 충돌주파수 상승으로 인해 플라즈마 내에서 유도되는 전류가 감소하게 되어 H mode를 유지하는데 필요한 입력전력이 상승한다. 입력전력과 압력이 일정 값 이상으로 상승하면 플라즈마가 아크모드로 전이되는 성질이 있으며 아크 플라즈마는 반도체 공정에 사용될 수 없다. 이러한 이유로 실질적으로 사용가능한 ICP 공정압력은 통상 수십 mTorr 이하로 제한된다.

전기장으로 구동되는 CCP나 자기장으로 구동되는 ICP와는 달리 MWP는 경우 전자파를 입사시켜 플라즈마를 발생시키는 장치이다. 전자파의 주파수가 플라즈마주파수 이상이 되어야 외부에서 인가된 전자파가 플라즈마 내부로 침투할 수 있다. 그러나 현재 반도체 공정에 적용되는 플라즈마에 있어서 플라즈마 주파수는 상용으로 사용되는 초구주파 주파수인 2.45 GHz 보다 높은 경우가 많기 ??문에 이러한 높은 밀도를 가지는 플라즈마를 유지하기 위해서는 유전체 윈도우와 플라즈마 경계에서 생성되는 표면파를 주로 사용하게 된다(surface wave plasma).

MWP는 구동주파수가 높기 때문에 ICP에 비해 상대적으로 높은 압력에서 플라즈마생성이 가능하며, 이에 따라 벽면 또는 기판으로 입사하는 이온에너지를 낮게 하여 공정중의 반도체 소자에 미치는 손상 정도를 낮게 유지할 수 있다. 반면 ICP의 주 동작 영역인 10 ~ 50 mTorr영역 또는 그 이하의 압력에서는 플라즈마 점화가 쉽지 않고 전력결합효율이 감소하는 단점이 있다.

대면적 ICP와 대면적 표면파 MWP 플라즈마 생성에 있어서, 장치 제작관점에서 필수적인 요소는 대면적의 유전체 윈도우 이다.

현재 300 mm 웨이퍼 가공에 이어 향후 450 mm 이상의 대구경 웨이퍼 가공을 위한 장비개발에 있어서 대면적 유전체 윈도우의 적용은 많은 문제점이 있다. 대면적 챔버에서 진공을 유지하고 기계적 강도를 유지하기 위해서는 유전체의 두께가 현재에 비해 더욱 두꺼워져야 한다. 이러한 유전체는 제작에 많은 어려움이 따르며, 유지보수가 힘들기 ??문에 장치 제작에 있어 큰 제한 요소가 된다.

유전체 문제의 해결과 함께 장치의 대면적화에 따른 플라즈마의 밀도 불균일성을 극복하기 위한 기술이 필요하다.

등록특허공보 제10-0354967호 (등록일자 2002년 09년 18일)

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 대면적 플라즈마 발생에 있어서 매우 넓고 두꺼운 유전체 윈도우의 사용을 회피하고 균일한 대면적 플라즈마를 얻는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 ICP 와 MWP를 공간적으로 분리하여 발생시킴으로서 각각의 플라즈마가 가지고 있는 단점을 보완하여, 사용 가능한 압력범위를 증대시킬 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 ICP 와 MWP를 시간적으로 분리하여 발생시킴으로서 각각의 플라즈마가 가지고 있는 단점을 보완하여, 플라즈마내부의 화학종 제어를 위한 추가적인 조절변수를 얻을 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법의 특징은 (a) 챔버의 상부로부터 전력이 투입되어 플라즈마를 발생시킴에 있어서 분리되어 있는 2개 이상의 유전체를 사용하는 단계와, (b) 상기 분리된 유전체를 통해 라디오 주파수의 전력과 초고주파 전력을 공간적으로 분리하여 전력을 투입하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

바람직하게 상기 챔버의 중심부로는 유도결합플라즈마(ICP, Inductively Coupled Plasma)의 형태를 가지며, 챔버의 상부 주변부로는 초고주파 플라즈마(MWP, Microwave Plasma)의 형태를 가지는 플라즈마 장비 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 ICP 및 MWP 전력을 동시에 투입하거나, 시간적으로 완전히 분리하여 투입하거나, 일부 기간은 동시에, 일부 기간은 분리되어 투입하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법의 다른 특징은 챔버의 상단부로부터 전력을 공급하는 형태에 있어서, (A) 전력의 투입영역을 주변부와 중심부로 분리하는 단계와, (B) 중심부에는 수 ~ 수십 MHz의 라디오 주파수를 인가하여 플라즈마와 자기장으로 전력을 결합하는 단계와, (C) 주변부에는 수 GHz의 초고주파 전력을 투입하여 플라즈마를 발생키는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법은 본 발명을 통해서 (a) 대면적 플라즈마의 균일성을 향상시키고, (b) 고밀도 플라즈마의 발생에 있어서 적용가능한 압력의 범위를 증대 시키며, (c) 챔버 상부에 장착되는 유전체 창의 크기를 줄임으로서 장치의 제작을 쉽게 하는 장점이 있다.

도 1 은 본 발명이 적용된 플라즈마 장치의 구조를 나타낸 일 실시예
도 2 는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 챔버의 초고주파 전력 흡수분포를 나타낸 도면
도 3 은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 챔버의 고주파 전력 흡수분포를 나타낸 도면
도 4 는 도 2 및 도 3을 기반으로 고주파 및 초고주파 전력의 시분할 제어의 실시예를 나타낸 도면

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 은 본 발명이 적용된 플라즈마 장치의 구조를 나타낸 일 실시예이다.

도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 플라즈마 발생 챔버는 고주파 투과창, ICP 안테나, 초고주파 투과창, 초고주파 도파관, 도파관에 형성된 슬롯 안테나로 구성된다.

이렇게 구성되는 플라즈마 발생챔버를 통한 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 상기목적을 달성하기 위한 방법으로 (a) 챔버의 상단부로부터 전력을 공급하는 형태에 있어서, (b) 전력의 투입영역을 주변부와 중심부로 분리하고, (c) 중심부에는 수 ~ 수십 MHz의 라디오 주파수를 인가하여 플라즈마와 자기장으로 전력을 결합하고, (d) 주변부에는 수 GHz의 초고주파 전력을 투입하여 플라즈마를 발생키는 방법을 제공한다.

이때, 내부에는 원판형태의 유전체 윈도우가 있고 그 위에 원형의 안테나에 rf를 인가함으로서 ICP를 생성한다. 이 때 원형의 안테나의 턴 수는 조절가능하다.

그리고 내부 원판형태의 유전체 윈도우 주위로 원형의 도관을 통해 초고주파 전력을 결합하고 도파관내에 슬롯 안테나를 설치하여 초고주파전력을 플라즈마에 결합한다. 슬롯 안테나 하부에는 복수의 분리된 유전체 윈도우를 설치한다.

또한 내부의 ICP전력과 외부의 MWP 입력전력을 조절함으로서 플라즈마 균일도를 조절한다. 이때 각각의 전력은 수 KHz 정도의 펄스로 모듈레이션하고, 모듈레이션 주파수와 위상을 독립적으로 조절한다.

이에 따라, (a) 챔버의 상부로 부터 전력이 투입되어 플라즈마를 발생시킴에 있어서 분리되어 있는 2개 이상의 유전체를 사용하여, (b) 분리된 유전체를 통해 라디오 주파수의 전력과 초고주파 전력을 공간적으로 분리하여 전력을 투입하여 대면적 고밀도 플라즈마 발생시킨다.

이때, 챔버의 중심부로는 유도결합플라즈마(ICP, Inductively Coupled Plasma) 의 형태를 가지며, 챔버의 상부 주변부로는 초고주파 플라즈마(MWP, Microwave Plasma)의 형태를 가지는 플라즈마 장비 형태를 가진다.

그리고 상기 ICP 및 MWP 전력을 동시에 투입하거나, 시간적으로 완전히 분리하여 투입하거나, 일부 기간은 동시에, 일부 기간은 분리되어 투입하는 방법을 이용한다.

도 2 는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 챔버의 초고주파 전력 흡수분포를 나타낸 도면이고, 도 3 은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 챔버의 고주파 전력 흡수분포를 나타낸 도면이다.

도 2 및 도 3에서 나타내고 있는 전력 흡수분포를 기반으로 도 4에서 도시하고 있는 고주파 및 초고주파 전력의 시분할 제어를 수행하게 된다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. (a) 챔버의 상부로부터 전력이 투입되어 플라즈마를 발생시킴에 있어서 분리되어 있는 2개 이상의 유전체를 사용하는 단계와,
   (b) 상기 분리된 유전체를 통해 라디오 주파수의 전력과 초고주파 전력을 공간적으로 분리하여 전력을 투입하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 챔버의 중심부로는 유도결합플라즈마(ICP, Inductively Coupled Plasma)의 형태를 가지며,
   챔버의 상부 주변부로는 초고주파 플라즈마(MWP, Microwave Plasma)의 형태를 가지는 플라즈마 장비 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 ICP 및 MWP 전력을 동시에 투입하거나, 시간적으로 완전히 분리하여 투입하거나, 일부 기간은 동시에, 일부 기간은 분리되어 투입하는 것을 특징으로 하는 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법.
4. 챔버의 상단부로부터 전력을 공급하는 형태에 있어서,
   (A) 전력의 투입영역을 주변부와 중심부로 분리하는 단계와,
   (B) 중심부에는 수 ~ 수십 MHz의 라디오 주파수를 인가하여 플라즈마와 자기장으로 전력을 결합하는 단계와,
   (C) 주변부에는 수 GHz의 초고주파 전력을 투입하여 플라즈마를 발생키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대면적 고밀도 플라즈마 발생방법.

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