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KR101429806B1 - 다중 모드 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

다중 모드 플라즈마 발생 장치 Download PDF

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KR101429806B1
KR101429806B1 KR1020120005247A KR20120005247A KR101429806B1 KR 101429806 B1 KR101429806 B1 KR 101429806B1 KR 1020120005247 A KR1020120005247 A KR 1020120005247A KR 20120005247 A KR20120005247 A KR 20120005247A KR 101429806 B1 KR101429806 B1 KR 101429806B1
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Abstract

본 발명은 공정 효율을 향상시킬 수 있도록 복수의 공정에 플라즈마를 공급할 수 있는 다중 모드 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다. 상기 플라즈마 발생 장치는 제 1 플라즈마 발생부 및 상기 제 1 플라즈마 발생부에 직렬로 연결된 제 2 플라즈마 발생부를 포함한다. 여기서, 가스는 상기 제 1 플라즈마 발생부 및 상기 제 2 플라즈마 발생부에 의해 발생된 자기장에 의해 플라즈마로 변화되고, 상기 제 1 플라즈마 발생부는 저주파 전원에 의해 동작하며, 상기 제 2 플라즈마 발생부는 고주파 전원에 의해 동작한다.

Description

다중 모드 플라즈마 발생 장치{MULTI-MODE APPARATUS FOR GENERATING PLASMA}
본 발명은 반도체 공정 챔버로 플라즈마를 공급하는 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에는 많은 플라즈마가 사용되며, 공정 챔버에 플라즈마를 공급하는 플라즈마 공급 장치가 존재한다. 물론, 가스를 공정 챔버로 공급한 후 상기 공정 챔버에서 가스가 플라즈마로 변화될 수도 있다.
상기 플라즈마 공급 장치는 일반적으로 특정 공정에만 사용되며, 다른 공정을 위해서는 다른 플라즈마 공급 장치가 사용되어야 한다. 예를 들어, 에칭 공정에 사용되는 플라즈마 공급 장치와 세정 공정에 사용되는 플라즈마 공급 장치가 달랐다. 따라서, 공정 효율이 떨어지는 단점이 있었다.
또한, 단일 원리의 플라즈마 소스는 분해율 및 이온화율과 같은 효율이 낮았으며, 일반적으로 플라즈마 초기 생성시 가스의 종류 및 흐름에 따라 불안정하여 고전압 플러그와 같은 점화 플러그가 설치되어야만 했다.
본 발명은 공정 효율을 향상시킬 수 있도록 복수의 공정에 플라즈마를 공급할 수 있는 다중 모드 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 챔버로 플라즈마를 공급하는 다중 모드 플라즈마 발생 장치는 제 1 플라즈마 발생부; 및 상기 제 1 플라즈마 발생부에 직렬로 연결된 제 2 플라즈마 발생부를 포함한다. 여기서, 가스는 상기 제 1 플라즈마 발생부 및 상기 제 2 플라즈마 발생부에 의해 발생된 자기장에 의해 플라즈마로 변화되고, 상기 제 1 플라즈마 발생부는 저주파 전원에 의해 동작하며, 상기 제 2 플라즈마 발생부는 고주파 전원에 의해 동작하며, 상기 제 1 플라즈마 발생부의 사용 압력과 상기 제 2 플라즈마 발생부의 사용 압력이 다르다.
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본 발명에 따른 다중 모드 플라즈마 발생 장치는 다른 주파수 또는 사용 압력에서 사용하는 플라즈마 발생부들을 직렬로 사용하여 복수의 공정들에 적합한 플라즈마를 원활하게 공급할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 발생 장치 점화시 제 2 플라즈마 발생부로 고주파 전원을 제공함에 의해 발생된 플라즈마가 플라즈마 챔버 내부로 확산됨에 의해 제 1 플라즈마 발생부에 의한 플라즈마 생성이 활성화되므로, 상기 제 1 플라즈마 발생부를 위한 별도의 점화 소자가 요구되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 공정 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매칭부를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 자세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 공정 시스템을 도시한 도면이다.
도 1(A)를 참조하면, 반도체 공정 시스템은 성막(Chemical Vapor Deposition, CVD) 공정, 식각(Etching) 공정, 세정(Cleaning) 공정 등의 다양한 공정을 수행하며, 공정 챔버(100) 및 플라즈마 발생 장치(102)를 포함한다.
성막 공정 및 식각 공정 시에는 플라즈마 발생 장치(102)로부터 발생된 플라즈마가 공급관(108)을 통하여 공정 챔버(100)로 공급되고, 상기 공급된 플라즈마를 이용함에 의해 지지부(104) 상의 웨이퍼(Wafer)에 특정 층이 증착되거나 에칭될 수 있다. 또한, 플라즈마 발생 장치(102)로부터 플라즈마가 공정 챔버(100)로 공급되어 세정 공정이 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명의 플라즈마 발생 장치(102)는 동일한 공정 챔버(100) 내에서 성막 공정, 식각 공정 및 세정 공정 등과 같은 복수의 공정들 중 적어도 2개의 공정들을 수행할 수 있는 플라즈마를 공정 챔버(100)로 공급한다. 물론, 각 공정마다 플라즈마로 변화되는 가스는 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 가스는 NH3, N2, O2, H2, SiO2 등일 수 있다.
종래의 반도체 공정 시스템은 공정들마다 다른 플라즈마 발생 장치를 사용하여 수행하는 반면에, 본 발명의 반도체 공정 시스템은 복수의 공정들을 동일한 플라즈마 발생 장치(102)를 통하여 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 반도체 공정 시스템의 활용도가 향상될 수 있고 공정 비용이 절감될 수 있다.
플라즈마 발생 장치(102)는 도 1(B)에 도시된 바와 같이 제 1 플라즈마 발생부(110) 및 제 2 플라즈마 발생부(112)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 플라즈마 발생부(110)는 저주파 전원으로 동작하고, 제 2 플라즈마 발생부(112)는 고주파 전원으로 동작할 수 있다. 또한, 플라즈마 발생 장치(102)는 세 개 이상의 플라즈마 발생부들을 포함할 수도 있다. 다만, 플라즈마 발생부들(110 및 112)의 동작 조건, 주파수, 압력 중 적어도 하나는 다르도록 설계된다. 즉, 플라즈마 발생 장치(102)는 다중 모드 플라즈마 발생 소스이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 플라즈마 발생부(110)는 수 Torr 정도의 사용 압력 범위에서 사용할 수 있는 저주파 전원을 이용하는 페라이트 코어 유도 방식을 이용할 수 있고, 제 2 플라즈마 발생부(112)는 수 mTorr ~ 수 백 mTorr의 사용 압력 범위에서 사용할 수 있는 고주파 전원을 이용하는 유도 결합 플라즈마 방식을 사용할 수 있다. 특히, 제 1 플라즈마 발생부(110)가 수 mTorr ~ 수 백 mTorr의 사용 압력 범위에서 사용이 불가능하고 제 2 플라즈마 발생부(112)가 수 Torr ~ 수 십 Torr의 높은 압력 범위에서 사용이 불가능한 플라즈마 발생 방식들을 사용할 지라도 플라즈마 발생 장치(102)는 각기 다른 동작 특성을 가지는 플라즈마 발생부들(110 및 112)을 이용하여 수 mTorr에서 수 십 Torr까지의 넓은 사용 압력 범위에서 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 따라서, 플라즈마 발생 장치(102)는 서로 다른 공정 조건을 가지는 성막 공정, 식각 공정 및 세정 공정 등의 복수의 공정들에 사용될 수 있다. 물론, 플라즈마 발생부(110 또는 112)는 RF 전압이 가해지는 지점에 웨이퍼가 배열되는 용량성 결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma, CCP)-RIE(Reactive ion etching) 방식, RIE 방식의 변형으로 플라즈마 공간에 자장을 인가하여 이온 발생 확률을 높여서 에칭하는 CCP-MERIE(Magnetically-enhanced RIE) 방식, 마이크로웨이브 주파수를 입사시켜 공명을 발생시켜서 중성입자들을 이온화시키는 ECR(Electron cyclotron resonance) 방식, RF 코일을 사용하되 코일이 공정 챔버의 상부에만 감기는 TCP(Transformer coupled plasma) 방식, RF 코일을 사용하되 코일이 공정 챔버의 측면에 감기는 ICP(Inductively coupled plama) 방식, 나선형 형태로 RF 코일을 사용하는 헬리컬 플라즈마(Helical plasma) 방식, 플라즈마를 생성하는 부분과 이온 에너지를 조절하는 부분이 서로 독립적으로 제어되는 HDP(High density plasma) 방식 등을 사용할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공급 가스는 제 1 플라즈마 발생부(100) 및 제 2 플라즈마 발생부(112)에 발생된 자기장에 의해 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마로 변화된다.
이하, 본 발명의 플라즈마 발생 장치(102)의 구체적인 구조를 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 발생 장치(102)는 플라즈마 챔버(200), 제 1 플라즈마 발생부(110), 제 2 플라즈마 발생부(112), 제 1 전원부(210), 제 2 전원부(212) 및 매칭부(214)를 포함할 수 있다.
플라즈마 챔버(200) 내에는 가스(204 및 206) 및 플라즈마가 통과할 수 있는 공간(202)이 형성된다. 공간(202) 중 시작 및 중간 부분은 원형의 형태를 가지면서 순환 가능하도록 구현되며, 마지막 부분은 일자형 구조를 가진다. 공간(202)의 종단은 공정 챔버(100)의 공급관(108)과 물리적으로 결합되어 있으며, 그 결과 플라즈마가 공급관(108)을 통하여 공정 챔버(100)로 공급된다.
가스(204)를 투입하는 입구(204)와 가스(206)를 투입하는 입구(206)가 도 2에 도시된 바와 같이 별도로 형성될 수도 있고, 입구(206)는 존재하지 않고 입구(204)만이 존재할 수도 있다. 여기서, 가스들(204 및 206)은 바람직하게는 동일할 수 있다.
제 1 플라즈마 발생부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 플라즈마 챔버(200)의 중간 부분에 형성되며, 자기장을 발생시켜서 공간(202)을 통하여 흐르는 가스를 고밀도 플라즈마로 변화시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 플라즈마 발생부(110)는 페라이트 코어 유도 방식을 사용할 수 있으며, 저주파, 예를 들어 100㎑ 내지 600㎑ 주파수 범위의 전원이 제공된다. 구체적으로는, 제 1 플라즈마 발생부(110)는 페라이트 코어(220)를 유도 코일(222)로 감고 절연체(224)를 주변에 배열하여 실현한다. 한편, 제 1 플라즈마 발생부(110)는 별도의 매칭 수단 및 점화 수단을 사용하지 않을 수 있다.
제 1 플라즈마 발생부(110)의 출력은 플라즈마와 가스가 혼합된 형태일 수 있으며, 플라즈마와 가스가 제 2 플라즈마 발생부(112) 방향으로 흐른다.
제 2 플라즈마 발생부(112)는 2에 도시된 바와 같이 플라즈마 챔버(200)의 후단 부분에 형성되며, 자기장을 발생시켜서 공간(202)을 통하여 흐르는 가스를 고밀도 플라즈마로 변화시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 2 플라즈마 발생부(112)는 유도 결합 플라즈마 방식을 사용할 수 있으며, 고주파, 예를 들어 2㎒ 내지 13.56㎒ 주파수 범위의 전원이 제공될 수 있다. 제 2 플라즈마 발생부(112)는 플라즈마 튜브(230)를 유도 코일(232)로 감음에 의해 실현된다.
위와 같이 플라즈마 발생부들(110 및 112)을 직렬로 설치하면, 하나의 플라즈마 발생부(110 또는 112)가 특정 가스를 플라즈마로 변화시키는 변화율이 작을지라도 다른 플라즈마 발생부(112 또는 110)가 상기 가스를 플라즈마로 원하는 만큼 변화시킬 수 있다. 따라서, 플라즈마 발생 장치(102)는 다른 가스를 사용하는 성막 공정, 에칭 공정 및 세정 공정 등에 모두 사용할 수 있다.
매칭부(214)는 전원부(212)로부터 출력된 전원이 제 2 플라즈마 발생부(112)로 최대한 전달되도록 플라즈마 튜브(230)와 매칭 네트워크를 정합시키는 장치로서, 예를 들어 50Ω으로 정합시킬 수 있다. 특히, 플라즈마 챔버(200)는 고주파의 RF 신호가 빛과 같은 특성을 가져서 반사파가 존재하기 때문에 고정된 임피던스를 가지지 못하며, 이러한 반사파는 전력 전달 효율을 저하시킨다. 매칭부(214)는 전력 전달 효율을 향상시키기 위하여 후술하는 바와 같이 위상 및 크기를 모두 정합시키도록 설계되며, 가변 소자를 사용할 수 있다.
정리하면, 본 발명의 플라즈마 발생 장치(102)는 직렬로 플라즈마 발생부들(110 및 112)을 설치하여 이중으로 플라즈마를 발생시키며, 즉 이중 모드 플라즈마 발생 소스이다. 특히, 플라즈마 발생 장치(102)는 고주파 및 저주파에 각기 적용될 수 있는 플라즈마 발생부들(110 및 112)을 설치하여 성막 공정, 에칭 공정 및 세정 공정 등에 모두 적용할 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 플라즈마 발생 장치(102)가 2개의 플라즈마 발생부들을 포함하였으나, 3개 이상의 플라즈마 발생부들을 포함할 수도 있다. 그러나, 플라즈마 발생 장치(102)의 사이즈를 고려하면 플라즈마 발생 장치(102)가 2개의 플라즈마 발생부들을 포함하는 것이 바람직하다.
위에서 설명하지는 않았지만, 고주파에서 동작하는 제 2 플라즈마 발생부(112)에 의해 초기에 플라즈마가 생성되고, 초기 생성된 플라즈마가 플라즈마 챔버(200)의 내부로 확산되며, 이로 인하여 제 1 플라즈마 발생부(110)에 의한 플라즈마 생성이 원활하게 이루어질 수 있다. 즉, 제 1 플라즈마 발생부(110)가 초기에 플라즈마 생성이 용이하지 않은 방식을 사용할지라도 제 1 플라즈마 발생부(110)의 점화를 위한 별도의 장치(고전압 플러그 등)가 필요없게 된다. 종래에는 초기 플라즈마가 잘 발생되지 않는 방식을 사용하는 경우에는 플라즈마 발생 장치를 위한 별도의 점화 소자가 필요하였으나, 본 발명의 플라즈마 발생 장치(102)의 제 1 플라즈마 발생부(110)에는 점화 소자가 필요치 않다. 한편, 초기 점화는 고주파 RF 신호를 제 2 플라즈마 발생부(112)로 인가함에 의해 실현될 수 있다.
이하, 본 발명의 매칭부(214)를 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매칭부를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 매칭부(214)는 제어부(300), 센싱부(302), 인덕터(L) 및 2개의 가변 캐패시터들(C1 및 C2)을 포함한다.
센싱부(302)는 전원부(212)로부터 제공된 RF 신호를 감지하고, 특히 위상 및 크기를 감지하고, 그런 후 감지 결과를 제어부(300)로 전송한다.
제어부(300)는 상기 전송된 감지 결과에 따라 매칭부(214)로부터 출력되는 출력 RF 신호의 임피던스가 플라즈마 챔버(200)의 임피던스와 정합되도록 캐패시터들(C1 및 C2)을 조절한다. 여기서, 인덕터(L)와 병렬로 연결된 캐패시터(C1)는 위상을 정합시키는 역할을 수행하고, 인덕터(L)와 직렬로 연결된 캐패시터(C2)는 크기를 정합시키는 역할을 수행한다.
정리하면, 본 실시예의 매칭부(214)는 플라즈마 챔버(200)의 임피던스가 고정적이지 않으므로 플라즈마 챔버(200)의 임피던스에 따라 캐패시터들(C1 및 C2)의 캐패시턴스들을 조정하여 임피던스를 정합시킨다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 공정 챔버 102 : 플라즈마 발생 장치
104 : 지지 부재 106 : 웨이퍼
108 : 공급관 110 : 제 1 플라즈마 발생부
112 : 제 2 플라즈마 발생부 200 : 플라즈마 챔버
204, 206 : 입구 210 : 제 1 전원부
212 : 제 2 전원부 214 : 매칭부
220 : 페라이트 코어 222 : 유도 코일
224 : 절연체 230 : 플라즈마 튜브
232 : 유도 코일

Claims (13)

  1. 공정 챔버로 플라즈마를 공급하는 플라즈마 발생 장치에 있어서,
    제 1 플라즈마 발생부; 및
    상기 제 1 플라즈마 발생부에 직렬로 연결된 제 2 플라즈마 발생부를 포함하되,
    가스는 상기 제 1 플라즈마 발생부 및 상기 제 2 플라즈마 발생부에 의해 발생된 자기장에 의해 플라즈마로 변화되고, 상기 제 1 플라즈마 발생부는 제 1 주파수의 전원에 의해 동작하며, 상기 제 2 플라즈마 발생부는 제 2 주파수의 전원에 의해 동작하며, 상기 제 1 플라즈마 발생부의 사용 압력과 상기 제 2 플라즈마 발생부의 사용 압력이 다른 것을 특징으로 하는 다중 모드 플라즈마 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 장치는 성막 공정, 에칭 공정 및 세정 공정 중 적어도 2개의 공정을 위한 플라즈마를 생성하는 것을 특징으로 하는 다중 모드 플라즈마 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 장치는,
    내부로 상기 가스 및 상기 플라즈마가 흐르는 플라즈마 챔버;
    상기 제 1 플라즈마 발생부로 전원을 제공하는 제 1 전원부;
    상기 제 2 플라즈마 발생부로 전원을 공급하는 제 2 전원부; 및
    상기 제 2 전원부와 상기 제 2 플라즈마 발생부 사이의 임피던스를 정합시키는 매칭부를 더 포함하되,
    상기 매칭부는 상기 제 2 플라즈마 발생부로 제공되는 전원(RF 신호)의 위상을 매칭시키는 제 1 캐패시터 및 상기 제 2 플라즈마 발생부로 제공되는 전원의 크기를 매칭시키는 제 2 캐패시터를 포함하며, 상기 제 1 캐패시터 및 상기 제 2 캐패시터는 인덕터를 기준으로 상호 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 플라즈마 발생 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제 2 플라즈마 발생부로 상기 제 2 주파수의 전원을 제공함에 의해 점화되고, 상기 제 2 플라즈마 발생부에 의해 생성된 플라즈마가 상기 플라즈마 챔버의 내부로 확산되며, 상기 확산된 플라즈마에 의해 상기 제 1 플라즈마 발생부의 플라즈마 생성이 활성화되고, 상기 제 1 플라즈마 발생부를 위한 별도의 점화 소자가 상기 플라즈마 발생 장치에 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 다중 모드 플라즈마 발생 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버의 임피던스는 일정하지 않으며, 상기 매칭부는 상기 플라즈마 챔버의 임피던스를 고려하여 상기 캐패시터들의 캐패시턴스들을 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 모드 플라즈마 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 장치는,
    플라즈마 챔버를 더 포함하되,
    상기 제 1 플라즈마 발생부는 상기 플라즈마 챔버의 중간 부분에서 페라이트 코어에 유도 코일이 감긴 형태로 실현되고, 상기 제 2 플라즈마 발생부는 상기 플라즈마 챔버의 종단 부분에서 플라스틱 튜브에 유도 코일이 감긴 형태로 실현되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 플라즈마 발생 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버의 공간 중 상기 제 1 플라즈마 발생부에 해당하는 부분은 원형 형상의 공간이고, 상기 공간 중 상기 제 2 플라즈마 발생부에 해당하는 부분은 직선 형상의 공간이며, 상기 제 2 플라즈마 발생부의 후단은 상기 공정 챔버의 공급관으로 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 플라즈마 발생 장치.
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