JP2023003410A - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は基板を処理する装置及び基板処理方法を提供する。【解決手段】基板処理装置は、処理空間（内部空間１０１）を提供する工程チャンバ１１０と、処理空間で基板を支持する支持ユニット２００と、処理空間にガスを導入するガス供給ユニット４００と、処理空間に導入されたガスをプラズマで励起するエネルギーを提供するプラズマソース３００と、処理空間内部の雰囲気を処理空間の外部に排気する排気ユニット（排気ホール１０３、ポンプ７２０）と、支持ユニットより上部に配置されるヒーティングソース５００を含む。ヒーティングソースは、基板Ｗに対してヒーティングエネルギーをパルス形態で印加する。【選択図】図１

Description

本発明は、基板を処理する装置及び基板を処理する方法に関するものである。
等方性原子層蝕刻(Isotropic atomic layer etching)はすべての方向に統制された量の物質を除去する方法であり、表面の膜質を変形(modification)する吸着反応と、熱を利用して変形された膜質を除去する脱着反応をする。基板の種類と吸着反応または脱着反応に使用される前駆体(precursor)らの種類によって吸着反応と脱着反応に要求される反応温度は相異である。一般に、吸着反応は低い温度(例えば、常温乃至２００℃)で反応性が高くて、脱着反応は非常に高温(例えば、４００℃以上)で反応性が高い。
しかし、従来に提供される静電チャック内のヒーターを利用して基板を加熱する場合、吸着反応の最適温度と脱着反応の最適温度にそれぞれ基板を分離露出させ難いという限界によって、吸着反応及び脱着反応が二つとも可能な固定された温度で基板を処理する。結果的に、吸着反応及び脱着反応が二つとも可能であるが、反応性が低い固定された温度で長期間工程が進行されながらUPHを低下させる。また、反応性向上のために静電チャックの温度を５００℃以上に過度に加熱すれば、基板が高温に長期間に露出されながら精巧に製作しておいた半導体構造物内の分子間拡散によるデバイス機能喪失、パターン潰れる、基板破裂などのダメージを発生させる。
一方、吸着反応または脱着反応に要求される最適温度で早く転換が可能になるように、基板上部に熱源を装着してハードウェアの限界を乗り越えた方式も存在する。しかし、従来熱源装置らの特性上基板に加えられるエネルギー量と露出時間に対する制御が容易でなくて基板深く加熱される。これによって、脱着反応に要求される高温露出以後、吸着反応に必要な温度まで冷却させる遅延時間が発生し、速い冷却のための費用も所要されることによって、前記に敍述した従来技術対比UPHを効果的に短縮することができない。そして、これも深く伝達される高い温度によって多様な素材らで構成された超小型半導体デバイスを損傷させる。
したがって、基板の温度を自由に変化させることができない制約によって制限された工程ウィンドウで等方性原子層蝕刻処理を進行するしかない実情である。
韓国特許公開第10-2019-0104067号公報
本発明は、上述した問題らを解決することができる基板処理装置及び基板処理方法を提供することを一目的とする。
本発明は、基板を効率的に処理することができる基板処理装置及び基板処理方法を提供することを一目的とする。
本発明は、吸着反応のための温度と脱着反応のための温度をすべて満足させながらも工程時間を短縮させることができる基板処理装置及び基板処理方法を提供することを一目的とする。
本発明は、工程ウィンドウを増大させることができる基板処理装置及び基板処理方法を提供することを一目的とする。
本発明は、高温で加熱するがウェハーとデバイスが受けるダメージから自由な基板処理装置及び基板処理方法を提供することを一目的とする。
本発明の目的はこれに制限されないし、言及されなかったまた他の目的らは下の記載から当業者に明確に理解されることができるであろう。
本発明は、基板を処理する装置を提供する。一実施例において、基板処理装置は、処理空間を提供するチャンバと、前記処理空間で基板を支持する支持ユニットと、前記処理空間にガスを導入するガス供給ユニットと、前記処理空間に導入されたガスをプラズマで励起するエネルギーを提供するプラズマソースと、前記処理空間内部の雰囲気を前記処理空間の外部に排気する排気ユニットと、及び前記支持ユニットより上部に配置されるヒーティングソースを含み、前記ヒーティングソースは、前記基板に対してヒーティングエネルギーをパルス形態で印加する。
一実施例において、前記パルスのパルス幅はピコ秒(ps)乃至ミリ秒(ms)であることがある。
一実施例において、前記ヒーティングソースは１０ミリ秒内の時間の間に前記パルスを数回乃至数百万回印加することができる。
一実施例において、前記ヒーティングエネルギーは基板を４００℃以上に加熱するものであることができる。
一実施例において、前記ヒーティングエネルギーは前記基板に対して１０mJ/cm２以上のエネルギーを印加するものであることができる。
一実施例において、前記ヒーティングエネルギーは前記基板に対して１０mJ/cm２乃至１００mJ/cm２のエネルギーを印加するものであることができる。
一実施例において、前記ヒーティングソースはフラッシュランプ、レーザー光学系またはマイクロウェーブ発生器であることができる。
一実施例において、前記支持ユニットは、冷却流体が流れる流路が形成された板を含むことができる。
一実施例において、前記プラズマソースは、光またはマイクロ波透過性第１プレートと前記第１プレートに積層された透明導電膜を含む上部電極と、前記基板より下に提供される下部電極と、及び前記上部電極及び前記下部電極のうちで何れか一つ以上に高周波電力を印加する高周波電源を含み、前記ヒーティングソースは前記上部電極の上部に提供されることができる。
一実施例において、制御機をさらに含み、前記制御機は、前記ガス供給ユニットを制御して前記処理空間に第１工程ガスを導入し、前記プラズマソースを制御して導入された前記第１工程ガスをプラズマで励起して前記基板を処理する第１段階と、前記ガス供給ユニットを制御して前記処理空間にファジーガスを導入し、前記排気ユニットを制御して前記処理空間を排気する第２段階と、前記ガス供給ユニットを制御して前記処理空間に第２工程ガスを導入し、前記プラズマソースを制御して導入された前記第２工程ガスをプラズマで励起し、前記ヒーティングソースを制御して前記ヒーティングエネルギーをパルスで印加して前記基板を処理する第３段階と、及び前記ガス供給ユニットを制御して前記処理空間に前記ファジーガスを導入し、前記排気ユニットを制御して前記処理空間を排気する第４段階を行うが、前記第１段階乃至前記第４段階を順次に複数回反復するように制御することができる。
一実施例において、前記支持ユニットは、冷却流体が流れる流路が形成された板を含み、前記制御機は、前記第３段階で、前記板の前記流路に前記冷却流体が流れるように制御することができる。
本発明は、基板を処理する方法を提供する。一実施例において、基板処理方法は、処理空間に第１工程ガスを導入し、導入された第１工程ガスをプラズマで励起して基板を処理する第１段階と、前記処理空間にファジーガスを導入し、前記処理空間を排気する第２段階と、前記処理空間に第２工程ガスを導入し、導入された前記第２工程ガスをプラズマで励起し、前記ヒーティングエネルギーをパルスで印加する第３段階と、及び前記処理空間に前記ファジーガスを印加し、前記処理空間を排気する第４段階と、を含み、前記第１段階乃至前記第４段階を順次に複数回反復する。
一実施例において、前記パルスのパルス幅はピコ秒(ps)乃至ミリ秒(ms)であることがある。
一実施例において、前記ヒーティングソースは１０ミリ秒内の時間の間に前記パルスを数回乃至数百万回印加することができる。
一実施例において、前記ヒーティングエネルギーは基板を４００℃以上に加熱することことがある。
一実施例において、前記ヒーティングエネルギーは前記基板に対して１０mJ/cm２以上のエネルギーを印加するものであることができる。
一実施例において、前記ヒーティングエネルギーは前記基板に対して１０mJ/cm２乃至１００mJ/cm２のエネルギーを印加するものであることができる。
一実施例において、前記ヒーティングエネルギー閃光、レーザーまたはマイクロウェーブであることができる。
一実施例において、前記第３段階で、前記基板の底面を冷却することができる。
本発明の他の観点による基板処理装置は。処理空間を提供するチャンバと、前記処理空間で基板を支持し、冷却流体が流れる流路が形成された板を含む支持ユニットと、前記処理空間にガスを導入するガス供給ユニットと、前記処理空間に導入されたガスをプラズマで励起するエネルギーを提供するプラズマソースと、前記処理空間内部の雰囲気を前記処理空間の外部に排気する排気ユニットと、前記支持ユニットより上部に配置され、フラッシュランプ、レーザー光学系またはマイクロウェーブ発生器のうちで何れか一つに提供されるヒーティングソースを含み、前記プラズマソースは、光またはマイクロ波透過性第１プレートと前記第１プレートに積層された透明導電膜を含む上部電極と、前記基板より下に提供される下部電極と、及び前記上部電極及び前記下部電極のうちで何れか一つ以上に高周波電力を印加する高周波電源を含み、前記ヒーティングソースは、前記上部電極の上部に提供され、前記基板に対して１０mJ/cm２乃至１００mJ/cm２のエネルギーを印加するヒーティングエネルギーをパルス形態で印加するが、１０ミリ秒内の時間の間に前記パルスを数回乃至数百万回印加する。
本発明の多様な実施例によれば、数ミリ秒(ms)以内に脱着反応に必要な温度の達成と脱着反応を得ることができる。
本発明の多様な実施例によれば、脱着反応のために高温で加熱するが基板表面は高温に非常に短い時間だけ露出されて高温露出による半導体デバイス機能喪失、基板破裂現象を防止することができる。
本発明の多様な実施例によれば、吸着工程を４００℃以上で行うことができる。
本発明の多様な実施例によれば、工程ウィンドウが拡大されることによって多様な種類の前駆体導入が可能である。
本発明の多様な実施例によれば、基板が効率的に処理されることができる。
本発明の効果が上述した効果らに限定されるものではなくて、言及されない効果らは本明細書及び添付された図面から本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者に明確に理解されることができるであろう。
本発明の第１実施例による基板処理装置１０００を示したものである。 上部電極３１０の断面の一部分を拡大して示したものである。 吸着工程を行う時装置の状態を説明した図面である。 吸着工程後ファジー工程を行う時装置の状態を説明した図面である。 脱着工程を行う時装置の状態を説明した図面である。 脱着工程後ファジー工程を行う時装置の状態を説明した図面である。 本発明の第２実施例による基板処理装置２０００を示したものである。 吸着工程、吸着後ファジー工程、脱着工程及び脱着後ファジー工程を行う時基板の反応を説明したものである。 本発明の一実施例による基板処理方法の流れ図であり、脱着工程で印加されるヒーティングエネルギーのパワーと、基板表面の温度変化を示したものである。 パルスエネルギーを印加した時、基板(W)の深さ別に加熱された程度を示した温度プロファイルである。 単位パルスのパルス幅を異にして基板に照射した場合、基板の深さ別温度分布を示したグラフである。 ヒーティングソースによる秒当たり加熱速度(heat up rate)と冷却速度(cool down rate)の比較グラフである。
以下では添付した図面を参照にして本発明の実施例に対して本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明はいろいろ相異な形態で具現されることができるし、ここで説明する実施例で限定されない。また、本発明の望ましい実施例を詳細に説明するにおいて、関連される公知機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曇ることがあると判断される場合にはその詳細な説明を略する。また、類似機能及び作用をする部分に対しては図面全体にかけて等しい符号を使用する。
ある構成要素を‘包含'するということは、特別に反対される記載がない限り他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素をさらに含むことができるということを意味する。具体的に，“含む”または“有する”などの用語は明細書上に記載した特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとすることであって、一つまたはその以上の他の特徴らや数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加可能性をあらかじめ排除しないものとして理解されなければならない。
単数の表現は文脈上明白に異なるように志さない限り、複数表現を含む。また、図面で要素らの形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。
用語“及び/または”は、該当列挙された項目のうちで何れか一つ及び一つ以上のすべての組合を含む。また、本明細書で“連結される”という意味は、A部材とB部材が直接連結される場合だけではなく、A部材とB部材との間にC部材介されてA部材とB部材が間接連結される場合も意味する。
本発明の実施例はさまざまな形態で変形することができるし、本発明の範囲が以下の実施例らに限定されることで解釈されてはいけない。本実施例は当業界で平均的な知識を有した者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面での要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張された。
図１は、本発明の第１実施例による基板処理装置１０００を示したものである。図１を参照して説明する。
基板処理装置１０００は工程チャンバ１１０、支持ユニット２００、ガス供給ユニット４００、プラズマソース３００、そして、ヒーティングソース５００を含むことができる。基板処理装置１０００はプラズマを利用して基板(W)を処理する。
工程チャンバ１１０は内部に工程遂行のための内部空間１０１を有する。工程チャンバ１１０の底面には排気ホール１０３が形成される。排気ホール１０３はポンプ７２０が装着された排気ラインと連結される。工程過程で発生した反応副産物及び内部空間１０１にとどまるガスは、ポンプ７２０が印加する排気圧によって排気ホール１０３を通じて排気される。また、排気過程によって工程チャンバ１１０の内部空間１０１は希望する圧力で減圧される。ポンプ７２０は真空ポンプであることができる。
工程チャンバ１１０の側壁には開口(図示せず)が形成される。開口(図示せず)は工程チャンバ１１０内部に基板(W)が出入りする通路で機能する。開口(図示せず)はドアアセンブリー(図示せず)によって開閉される。
支持ユニット２００は内部空間１０１のうちで下領域に位置される。支持ユニット２００は静電チャック(ESC)を含むことができる。静電チャック(ESC)は静電気力で基板(W)をクランピングする。これと異なり、支持ユニット２００は機械的クランピングなどのような多様な方式で基板(W)を支持することができる。
支持ユニット２００は誘電板２２０ベイス板２３０を含む。誘電板２２０ベイス板２３０は静電チャック２１０を成す。
誘電板２２０は静電チャック２１０の上部に位置する。誘電板２２０は円盤形状の誘電体(dielectric substance)で提供される。誘電板２２０の上面には基板(W)が置かれる。一例において、誘電板２２０の上面は基板(W)より小さな半径を有することができる。それで、誘電板２２０は内部に第１電極２２３を内蔵する。
第１電極２２３は第１電源(図示せず)と電気的に連結される。第１電源(図示せず)は直流電源を含む。第１電極２２３と第１電源(図示せず)の間にはスイッチ(図示せず)が設置される。第１電極２２３はスイッチ(図示せず)のオン/オフ(ON/OFF)によって第１電源(図示せず)と電気的に連結されるか、または断絶されることがある。スイッチ(図示せず)がオン(ON)になれば、第１電極２２３には直流電流が印加される。第１電極２２３に印加された電流によって第１電極２２３と基板(W)との間には静電気力が作用し、静電気によって基板(W)は誘電板２２０に吸着される。
ベイス板２３０は誘電板２２０の下部に位置する。ベイス板２３０は熱伝逹及び電気伝達性が高い素材を含むことができる。一例で、ベイス板２３０は金属板を含むことができる。一例で、ベイス板２３０は全体が金属素材で提供されることができる。一例で、ベイス板２３０はアルミニウム材質で提供されることができる。ベイス板２３０の上面は中心領域が縁領域より高く位置されるように段差になることがある。ベイス板２３０の上面中心領域は誘電板２２０の底面に相応する面積を有して、誘電板２２０の底面が位置されることができる。ベイス板２３０の縁領域にはフォーカスリング２５０が位置されることができる。
ベイス板２３０は内部に第１循環流路２３１、第２循環流路２３２そして、第２供給流路２３３が形成される。
第１循環流路２３１は熱伝逹媒体が循環する通路で提供される。第１循環流路２３１はベイス板２３０内部に螺旋形状で形成されることができる。または、第１循環流路２３１はお互いに相異な半径を有するリング形状の流路らが同一な中心を有するように配置されることができる。それぞれの第１循環流路２３１らはお互いに連通されることができる。第１循環流路２３１らは同一な高さで形成される。
第２供給流路２３３は第１循環流路２３１から上部に延長され、ベイス板２３０の上面に提供される。第２供給流路２３３は第１供給流路２２１に対応する個数で提供され、第１循環流路２３１と第１供給流路２２１を連結する。第１循環流路２３１は熱伝逹媒体供給ライン２３１bを通じて熱伝逹媒体記憶部２３１aと連結される。熱伝逹媒体記憶部２３１aには熱伝逹媒体が記憶される。熱伝逹媒体は不活性ガスを含む。一例によれば、熱伝逹媒体はヘリウム(He)ガスを含む。ヘリウムガスは供給ライン２３１bを通じて第１循環流路２３１に供給され、第２供給流路２３３と第１供給流路２２１を順次に経って基板(W)底面に供給される。ヘリウムガスはプラズマで基板(W)に伝達された熱が静電チャック２１０に伝達される媒介体役割をする。
第２循環流路２３２は冷却流体が循環する通路で提供される。第２循環流路２３２はベイス板２３０内部に螺旋形状で形成されることができる。または、第２循環流路２３２はお互いに相異な半径を有するリング形状の流路らが同一な中心を有するように配置されることができる。それぞれの第２循環流路２３２らはお互いに連通されることができる。第２循環流路２３２は第１循環流路２３１より大きい断面積を有することができる。第２循環流路２３２らは同一な高さに形成される。第２循環流路２３２は第１循環流路２３１の下部に位置されることができる。
第２循環流路２３２は冷却流体供給ライン２３２cを通じて冷却流体貯蔵部２３２aと連結される。冷却流体貯蔵部２３２aには冷却流体が貯蔵される。冷却流体貯蔵部２３２a内には冷却機２３２bが提供されることができる。冷却機２３２bは冷却流体を所定温度で冷却させる。これと異なり、冷却機２３２bは冷却流体供給ライン２３２c上に設置されることができる。冷却流体供給ライン２３２cを通じて第２循環流路２３２に供給された冷却流体は第２循環流路２３２に沿って循環してベイス板２３０を冷却する。ベイス板２３０は冷却されながら誘電板２２０と基板(W)を共に冷却させて基板(W)を希望する温度で維持させる。
ベイス板２３０は第１電源２７１と第２電源２７２と電気的に連結されることができる。第１電源２７１は第２電源２７２と比べて相対的に低周波の電力を印加する電源で提供されることができる。第２電源２７２は第１電源２７１と比べて相対的に高周波の電力を印加する電源で提供されることができる。ベイス板２３０は下部電極として機能することができる。
ベイス板260の下部には絶縁体240が提供されることができる。
ガス供給ユニット４００は内部空間１０１に工程に必要なガスを供給する。ガス供給ユニット４００は第１ガス供給源４１０と連結される第１ガス供給ライン４１１、第２ガス供給源４２０と連結される第２ガス供給ライン４２１、第３ガス供給源４３０と連結される第３ガス供給ライン４３１を含む。第１ガスと第２ガスは基板を処理するための反応ガスであり、第３ガスはファジーのためのファジーガスであることができる。第１ガス供給ライン４１１にはその通路を開閉するか、または、その通路を流れる流体の流量を調節する第１バルブ４１２が設置されることができる。第２ガス供給ライン４２１にはその通路を開閉するか、または、その通路を流れる流体の流量を調節する第２バルブ４２２が設置されることができる。第３ガス供給ライン４３１にはその通路を開閉するか、または、その通路を流れる流体の流量を調節する第３バルブ４３２が設置されることができる。
プラズマソース３００は放電空間にとどまる工程ガスからプラズマを発生させる。放電空間は工程チャンバ１１０内で支持ユニット２００の上部領域に該当することができる。プラズマソース３００は容量結合型プラズマ(capacitive coupled plasma)ソースを有することができる。プラズマソース３００は上部電極３１０、下部電極で機能するベイス板２３０、そして、高周波電源３２０を含むことができる。上部電極３１０とベイス板２３０はお互いに上下方向に対向されるように提供されることができる。
図２は、上部電極３１０の断面の一部分を拡大して示したものである。図２をさらに参照して上部電極３１０を説明する。上部電極３１０は後述するヒーティングソース５００で印加される光またはマイクロウェーブが基板(W)で損失なく(または、損失が最小化された状態で)伝達されるように構成される。
第１プレート３１１には透明導電膜３１２(Transparent Conductive Oxide：TCO)が積層されて提供される。透明導電膜３１２は基板(W)を加熱するための光またはマイクロ波が透過可能な厚さで提供される。一例において、透明導電膜３１２はITO(indium tin oxide)であることがある。また、透明導電膜３１２はAZO、FTO、ATO、SnO２、ZnO、IrO２、RuO２、グラフェン、メタルナノワイヤー(metal nanowire)、CNTのうちで何れか一つであるか、またはその以上の混合物質、または、多重重畳によって行われることができる。透明導電膜３１２は第１厚さ以下で提供される。第１厚さは決定された材質に対して光またはマイクロ波が透過可能な厚さである。第１厚さは透明導電膜３１２で決定される材質によって相異である。本説明で透過可能であるということは透過性に大きい影響を及ぼさないということである。一例で、透明導電膜３１２がITOに提供されれば、第１厚さは１μｍであることがある。透明導電膜３１２とベイス板２３０は組合されて何れか一つ以上に印加されるRF電圧による電界を発生させる。一例によれば、透明導電膜３１２は接地され、ベイス板２３０には第１電源２７１及び/または第２電源２７２によって高周波電力が印加されることができる。選択的に透明導電膜３１２に高周波電源３２０による電力が印加され、ベイス板２３０が接地されることができる。また、選択的に透明導電膜３１２及びベイス板２３０すべてに高周波電力を印加することができる。
第１プレート３１１は基板(W)を加熱するための光またはマイクロ波が透過可能な素材で提供される。併せて、第１プレート３１１は耐食性を有する素材で提供される。第１プレート３１１の一例でクオーツが提供されることができる。
透明導電膜３１２の上層には第２プレート３１３がさらに積層されて提供されることができる。第２プレート３１３は基板(W)を加熱するための光またはマイクロ波が透過可能な素材で提供される。第２プレート３１３の一例でクオーツが提供されることができる。
ヒーティングソース５００は支持ユニット２００上の基板(W)の基板を加熱する。ヒーティングソース５００はフラッシュランプ、レーザー光学系またはマイクロ波発生源であることができる。フラッシュランプはヒーティングエネルギーに閃光を提供する。レーザー光学系はヒーティングエネルギーにレーザーを提供する。マイクロ波発生源はヒーティングエネルギーにマイクロ波を提供する。ヒーティングソース５００の一例で、マイクロ波発生源が提供される場合ヒーティングソース５００はチャンバ１００内にマイクロウェーブを印加する導波管を含むことができる。ヒーティングソース５００は１乃至５GHz周波数のマイクロウェーブを印加することができる。本発明の一実施例によれば、マイクロウェーブによって基板の表面が選択的に加熱されるので、昇温速度及び冷却速度が速くて、短い時間以内に基板の表面を目標温度で加熱することができて工程時間を短縮することができる。
基板処理装置１０００の各構成は制御機６００によって制御されることができる。制御機６００は基板処理装置１０００の全体動作を制御することができる。制御機(図示せず)はCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)を含むことができる。CPUはこれらの記憶領域に記憶された各種レシピによって、エッチング処理などの所望の処理を実行する。
レシピにはプロセス条件に対する装置の制御情報が入力されている。一方、これらプログラムや処理条件を示すレシピは、非一時的コンピューター判読可能媒体に記憶されても良い。非一時的コンピューター判読可能媒体とは、レジスター、キャッシュ、メモリーなどのように短い瞬間の間データを保存する媒体ではなく半永久的にデータを保存し、コンピューターによって判読(reading)が可能な媒体を意味する。具体的には、前述した多様なアプリケーションまたはプログラムらはCD、DVD、ハードディスク、ブルーレイディスク、USB、メモリーカード、ROMなどのような非一時的判読可能媒体に記憶されて提供されることができる。
図３乃至図６は、順次に基板(W)をエッチング処理する段階を説明する。図３は吸着工程を行う時装置の状態を説明した図面である。図４は吸着工程後ファジー工程を行う時装置の状態を説明した図面である。図５は脱着工程を行う時装置の状態を説明した図面である。図６は脱着工程後ファジー工程を行う時装置の状態を説明した図面である。図８は吸着工程、吸着後ファジー工程、脱着工程及び脱着後ファジー工程を行う時基板の反応を説明したものである。図８と共に図３乃至図６を順次に参照して本発明の一実施例による基板処理装置を利用したALE(Atomic layer etching)を説明する。
図３及び図８を参照する。図３は吸着工程を行う時装置の状態を説明した図面である。吸着工程のために、反応空間に第１ガスを供給しながら第１ガスをプラズマで励起させる。第１ガスから励起されたプラズマは基板(W)の表面に吸着されて基板(W)の表面をモディフィケーション(modification)する。吸着工程は基板(W)が第１温度である状態で行われる。第１温度は第１ガスから励起されたプラズマは、基板(W)の表面に吸着が極大化される温度である。一例で、第１温度は２０℃内外の温度であることができる。基板(W)表面の吸着が極大化される温度で基板(W)を処理することによって、吸着反応に所要される時間が短縮されることができる。一例で、吸着反応は１秒以内で行うことができる。
図４及び図８を参照する。吸着工程が完了されれば、内部空間１０１に第３ガスを供給する。第３ガスは窒素であることができる。併せて、内部空間１０１の雰囲気が排気されるようにする。内部空間１０１はファジーされながら残留する工程ガス及び工程副産物らが排気ホール１０３を通じて排気される。ファジー工程は略５秒内外で行うことができるが、これに限定されるものではなくて、残留する工程ガス及び工程副産物らが適切に排気されるまで行うことで十分である。
図５及び図８を参照する。図５は脱着工程を行う時装置の状態を説明した図面である。脱着工程のために、反応空間に第２ガスを供給しながら第２ガスをプラズマで励起させる。第２ガスから励起されたプラズマはモディフィケーション(modification)された基板(W)の表面を除去する。基板(W)の表面はヒーティングソース５００が放出するヒーティングエネルギーによって加熱される。ヒーティングエネルギーは基板(W)に対して１０mJ/cm２乃至１００mJ/cm２のエネルギーを印加する。基板(W)底面の熱は支持ユニット２００の第２循環流路２３２に流れる冷却流体によって冷却することができる。ヒーティングエネルギーはパルスエネルギーに印加される。脱着工程では基板(W)の表面が第２温度になるようにする。第２温度は第２ガスから励起されたプラズマによって行われる脱着が極大化される温度である。一例で、第２温度は以上の温度であることができる。基板(W)表面の吸着が極大化される温度で基板(W)を処理することによって、吸着反応に所要される時間が短縮されることができる。一例で、脱着反応は１０ms以内で行うことができる。ヒーティングソース５００は１０ms内の時間の間パルスエネルギーを数回乃至数百万回印加する。ヒーティングソース５００が放出するパルスエネルギーによって基板(W)の表面が４００℃以上に加熱されて瞬間的に冷却することについては後述する図９乃至図１２を参照してより詳細に説明する。
図６及び図８を参照する。脱着工程が完了されれば、内部空間１０１に第３ガスを供給する。第３ガスは窒素であることができる。併せて、内部空間１０１の雰囲気が排気されるようにする。内部空間１０１はファジーされながら残留する工程ガス及び工程副産物らが排気ホール１０３を通じて排気される。ファジー工程は略５秒内外で行うことができるが、これに限定されるものではなくて、残留する工程ガス及び工程副産物らが適切に排気されるまで行うことで十分である。
前記吸着-ファジー-脱着-ファジー工程は、所望のエッチング条件が達成されるまで、複数回反復される。
図７は、本発明の第２実施例による基板処理装置を示したものである。図７を参照して第２実施例の説明するにおいて、第１実施例の基板処理装置と同一な構成は第１実施例の説明で代わりをする。
実施例において、プラズマソースはシリンダー型アンテナ８１０と高周波電源８２０を含むことができる。シリンダー型アンテナ８１０は高周波電源８２０と電気的に接続される。高周波電源８２０からの電流がシリンダー型アンテナ８１０に流れれば、放電空間に電子系が形成される。シリンダー型アンテナ８１０から印加された電子系は放電空間に印加された工程ガスをプラズマで励起する。チャンバ１１０の天井にはウィンドウ７００が提供される。ウィンドウ７００は光またはマイクロ波が透過可能な素材で提供される。また、ウィンドウ７００は耐食性がある素材で提供される。一例で、ウィンドウ７００はクオーツ素材で提供されることができる。ウィンドウ７００の上部にヒーティングソース５００が提供される。
図９は、本発明の一実施例による基板処理方法の流れ図であり、脱着工程で印加されるヒーティングエネルギーのパワーと、基板表面の温度変化を示したものである。本発明の実施例によれば、吸着工程に所要される時間t１は１秒以内である。脱着工程に所要される時間t３は１０ms以内である。
基板(W)の表面はヒーティングソース５００によって加熱される。ヒーティングソース５００はヒーティングエネルギーをパルスで印加する。一例で、３回パルスエネルギーを印加することを図示する。しかし、これは説明のために図示したものであり、印加されるエネルギーの大きさ、エネルギーの種類によって異に設定されることができる。パルス幅はピコ秒(ps)乃至ミリ秒(ms)水準で設定されることができる。
基板(W)の底面は支持ユニット２００によってクーリングされる。基板(W)の底面がクーリングされながら基板(W)が脱着される表面だけ加熱されることで、高温の工程によって基板(W)が破裂される現像液が防止されることができる。
図１０は、パルスエネルギーを印加した時、基板(W)の深さ別加熱された程度を示した温度プロファイルである。３０８nm波長のレーザーと２００nsのパルス持続時間(pulse duration)で遂行された結果である。パルスエネルギーを印加すれば、基板の表面が短い時間内に急激に(rapid)加熱されることがある。
図１１は、単位パルスのパルス幅を異にして基板に照射した場合、基板の深さ別温度分布を示したグラフである。図１１を参照すれば、ピコ秒(psec)を印加した場合及びナノ秒(nsec)を印加した場合に１００μｍ内の深さで加熱され、１００μｍより深い領域は加熱されないことを確認することができる。本発明の実施例によれば、ピコ秒(psec)またはナノ秒(nsec)のパルス幅を有するパルス型のヒーティングエネルギーを印加して基板(W)を加熱し、基板(W)の上部から１００μｍより浅い深さで加熱されるようにする。実施例において、マイクロ秒(micro-sec)またはミリ秒(msec)のパルス幅を有するヒーティングエネルギーを印加する場合に２００μｍから１００℃隣近まで加熱されるが、基板支持ユニットの冷却システムを活用して基板深さ別温度を制御するようにする。
図１２は、ヒーティングソースによる秒当たり加熱速度(heat up rate)と冷却速度(cool down rate)の比較グラフである。閃光(Flash)とμｓレーザーとnsレーザーとpsレーザーが秒当たり加熱能力がすぐれて冷却(cool down)に所要される時間が短い。図面に表現されなかったが、マイクロウェーブ波長は半導体チップの金属配線層厚さ及び間隔よりずっと長いためマイクロウェーブが金属物質に浸透する深さは数μｍ未満である。一例示によれば、マイクロウェーブ熱処理によって基板またはダイの表面を発熱させ、表面温度を目標温度で急速に昇温させることができて、クールダウンさせることができる。本発明の実施例によれば、閃光(Flash)、レーザーまたはマイクロ波がヒーティングエネルギーで適用される。
本発明の実施例らによれば、脱着工程の温度をピコ秒(ps)乃至ミリ秒(ms)水準でコントロール可能である。また、ピコ秒(ps)乃至数ミリ秒(ms)水準まで脱着工程時間を短縮させた高速t-ALE工程が可能である。
本発明の実施例らによれば、迅速な温度上昇が具現されることができる。また、ウェハー(W)は支持ユニット２００によって支持されながら冷却流体などによって底面が冷却されることがあるので、高温を利用する工程にもかかわらずウェハー(W)が割れることが防止されることができる。
本発明の実施例らによれば、早い時間に高い温度で温度コントロールが可能で前駆物質(precursor)の選択幅が広くなる。すなわち、さらに高い反応温度が要求される前駆物質(precursor)を使用することができる。また、沸点が比較的高い副産物(byproduct)の除去も容易である。
本発明の実施例らは等方性(isotropic)ALEだけでなく、異方性(anisotropic)ALEにも適用されることができる。
以上の詳細な説明は本発明を例示するものである。また、前述した内容は本発明の技術的思想を具現するための望ましいか、または多様な実施形態を示して説明するものであり、本発明は多様な他の組合、変更及び環境で使用することができる。すなわち、本明細書に開示された発明の概念の範囲、著わした開示内容と均等な範囲及び/または当業界の技術または知識の範囲内で変更または修正が可能である。したがって、以上の発明の詳細な説明は開示された実施状態で本発明を制限しようとする意図ではない。また、添付された請求範囲は他の実施状態も含むものとして解釈されなければならない。このような変形実施らは本発明の技術的思想や見込みから個別的に理解されてはいけないであろう。
１１０ 工程チャンバ
２００ 支持ユニット
３００ プラズマソース
４００ ガス供給ユニット
５００ ヒーティングソース
１０００ 基板処理装置

Claims (20)

  1. 処理空間を提供するチャンバと、
    前記処理空間で基板を支持する支持ユニットと、
    前記処理空間にガスを導入するガス供給ユニットと、
    前記処理空間に導入されたガスをプラズマで励起するエネルギーを提供するプラズマソースと、
    前記処理空間内部の雰囲気を前記処理空間の外部に排気する排気ユニットと、及び
    前記支持ユニットより上部に配置されるヒーティングソースを含み、
    前記ヒーティングソースは、
    前記基板に対してヒーティングエネルギーをパルス形態で印加することを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記パルスのパルス幅はピコ秒(ps)乃至ミリ秒(ms)であることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記ヒーティングソースは１０ミリ秒内の時間の間に前記パルスを数回乃至数百万回印加することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  4. 前記ヒーティングエネルギーは基板を４００℃以上に加熱するものであることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  5. 前記ヒーティングエネルギーは前記基板に対して１０mJ/cm２以上のエネルギーを印加するものであることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  6. 前記ヒーティングエネルギーは前記基板に対して１０mJ/cm２乃至１００mJ/cm２のエネルギーを印加するものであることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  7. 前記ヒーティングソースはフラッシュランプ、レーザー光学系またはマイクロウェーブ発生器であることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  8. 前記支持ユニットは、
    冷却流体が流れる流路が形成された板を含むことを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  9. 前記プラズマソースは、
    光またはマイクロ波透過性第１プレートと前記第１プレートに積層された透明導電膜を含む上部電極と、
    前記基板より下に提供される下部電極と、及び
    前記上部電極及び前記下部電極のうちで何れか一つ以上に高周波電力を印加する高周波電源を含み、
    前記ヒーティングソースは前記上部電極の上部に提供されることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  10. 制御機をさらに含み、
    前記制御機は、
    前記ガス供給ユニットを制御して前記処理空間に第１工程ガスを導入し、前記プラズマソースを制御して導入された前記第１工程ガスをプラズマで励起して前記基板を処理する第１段階と、
    前記ガス供給ユニットを制御して前記処理空間にファジーガスを導入し、前記排気ユニットを制御して前記処理空間を排気する第２段階と、
    前記ガス供給ユニットを制御して前記処理空間に第２工程ガスを導入し、前記プラズマソースを制御して導入された前記第２工程ガスをプラズマで励起し、前記ヒーティングソースを制御して前記ヒーティングエネルギーをパルスで印加して前記基板を処理する第３段階と、及び
    前記ガス供給ユニットを制御して前記処理空間に前記ファジーガスを導入し、前記排気ユニットを制御して前記処理空間を排気する第４段階と、を行うが、
    前記第１段階乃至前記第４段階を順次に複数回反復するように制御することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  11. 前記支持ユニットは、
    冷却流体が流れる流路が形成された板を含み、
    前記制御機は、
    前記第３段階で、前記板の前記流路に前記冷却流体が流れるように制御することを特徴とする請求項１０に記載の基板処理装置。
  12. 処理空間に第１工程ガスを導入し、導入された第１工程ガスをプラズマで励起して基板を処理する第１段階と、
    前記処理空間にファジーガスを導入し、前記処理空間を排気する第２段階と、
    前記処理空間に第２工程ガスを導入し、導入された前記第２工程ガスをプラズマで励起し、ヒーティングエネルギーをパルスで印加する第３段階と、及び
    前記処理空間に前記ファジーガスを印加し、前記処理空間を排気する第４段階と、を含み、
    前記第１段階乃至前記第４段階を順次に複数回反復することを特徴とする基板処理方法。
  13. 前記パルスのパルス幅はピコ秒(ps)乃至ミリ秒(ms)であることを特徴とする請求項１２に記載の基板処理方法。
  14. 前記ヒーティングエネルギーは１０ミリ秒内の時間の間に前記パルスを数回乃至数百万回印加することを特徴とする請求項１２に記載の基板処理方法。
  15. 前記ヒーティングエネルギーは基板を４００℃以上に加熱するものであることを特徴とする請求項１２に記載の基板処理方法。
  16. 前記ヒーティングエネルギーは前記基板に対して１０mJ/cm２以上のエネルギーを印加するものであることを特徴とする請求項１２に記載の基板処理方法。
  17. 前記ヒーティングエネルギーは前記基板に対して１０mJ/cm２乃至１００mJ/cm２のエネルギーを印加するものであることを特徴とする請求項１２に記載の基板処理方法。
  18. 前記第３段階で、前記基板の底面を冷却することを特徴とする請求項１２に記載の基板処理装置。
  19. 前記支持ユニットは、
    前記基板を支持するチャックと、
    前記基板を冷却する冷却板を含み、
    前記ヒーティングソースは、
    前記基板を表面で２００μm以下の深さで加熱し、
    前記冷却板は前記基板の底面を冷却することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  20. 処理空間を提供するチャンバと、
    前記処理空間で基板を支持し、冷却流体が流れる流路が形成された板を含む支持ユニットと、
    前記処理空間にガスを導入するガス供給ユニットと、
    前記処理空間に導入されたガスをプラズマで励起するエネルギーを提供するプラズマソースと、
    前記処理空間内部の雰囲気を前記処理空間の外部に排気する排気ユニットと、及び
    前記支持ユニットより上部に配置され、フラッシュランプ、レーザー光学系またはマイクロウェーブ発生器のうちで何れか一つに提供されるヒーティングソースを含み、
    前記プラズマソースは、
    光またはマイクロ波透過性第１プレートと前記第１プレートに積層された透明導電膜を含む上部電極と、
    前記基板より下に提供される下部電極と、及び
    前記上部電極及び前記下部電極のうちで何れか一つ以上に高周波電力を印加する高周波電源を含み、
    前記ヒーティングソースは、
    前記上部電極の上部に提供され、
    前記基板に対して１０mJ/cm２乃至１００mJ/cm２のエネルギーを印加するヒーティングエネルギーをパルス形態で印加するが、１ミリ秒内の時間の間に前記パルスを数回乃至数百回印加することを特徴とする基板処理装置。
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