KR0126056B1 - 2개의 평행판 전극 형태의 건식 에칭 장치 - Google Patents

2개의 평행판 전극 형태의 건식 에칭 장치

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KR0126056B1
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Abstract

본 발명의 플라즈마 챔버에는 2개의 평행판 형태의 전극(14,10)이 제공되고, 절연 라인 부재(13)이 전극들 중 하나의 전극에 장착된다. 절연 라인 부재는 마이크로파 발진기(1)에 접속되어, 가스 플라즈마를 플라즈마 발생 챔버 내에 균일하게 발생시킨다. 고주파수 바이어스 전원(12)는 다른 전극에 접속된다.

Description

2개의 평행판 전극 형태의 건식 에칭 장치
제1도는 종래의 건식 에칭 장치의 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 건식 에칭 장치의 제1실시예를 도시한 단면도.
제3도는 제2도의 건식 에칭 장치의 평면도.
제4A도는 제3도의 절연 라인 부재의 평면도.
제4B도 및 제4C도는 제4A도의 절연 라인 부재 내에 발생된 전기장의 파형도.
제5도는 본 발명에 따른 건식 에칭 장치의 제2실시예를 도시한 단면도.
제6도, 제7도, 제8도 및 제9도는 제5도의 상부 전극의 평면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 마이크로파 발진기2 : 도파관
3 : 마이크로파 유입 윈도우4 : 플라즈마 발생 챔버
5 : 솔레노이드 권선6 : 가스 주입구
7 : 플라즈마 입구 윈도우8 : 기판 처리 챔버
9 : 반도체 기판10 : 기판 보유기
11 : 진공 배기 시스템12 : 고주파 전원
13 : 절연 라인 부재14,14' : 상부 전극
본 발명은 반도체 장치의 제조에 사용되는 건식 에칭 장치에 관한 것으로서, 특히 마이크로파를 이용하는 2개의 평행판 전극 형태의 건식 에칭 장치에 관한 것이다.
건식(플라즈마) 에칭 장치는 반도체 장치의 미세 구조를 얻기 위해 광범위하게 이용되어 왔다. 특히, 마이크로파를 이용할 경우, 이방성 에칭 특성이 우수해지고, 이온 에너지가 자유롭게 조절되며, 큰 종횡비를 갖는 미세 구조를 얻을 수 있다.
종래의 건식 에칭 장치(일본국 특개 소 제56-155535호 참조)에 있어서, 마이크로파 발진기에서 발생된 마이크로파는 도파관을 따라 마이크로파 유입 윈도우를 통해 플라즈마 발생 챔버 내로 공급되어 플라즈마를 여기시킨다. 그 다음, 여기된 플라즈마는 플라즈마 발생 챔버로부터 플라즈마 입구 윈도우를 경유하여 기판 처리 챔버 내로 공급되어, 반도체 기판을 에칭한다. 이것은 상세하게 후술된다.
그러나, 전술한 종래의 건식 에칭 장치에 있어서, 여기된 플라즈마가 균일한 영역이 마이크로파 유입 윈도우의 크기 및 플라즈마 입구 윈도우의 크기에 의해 제한되기 때문에, 에칭 속도는 8인치(20.3cm) 웨이퍼와 같은 대형 반도체 기판에서 특히 불균일하다.
대형 반도체 기판의 에칭 속도를 균일하게 하기 위해 제안된 한 가지 방법으로는 마이크로파 유입 윈도우 뿐만 아니라 플라즈마 입구 윈도우를 확장시키는 방법이 있을 수 있지만, 이러한 방법은 실제적으로 불가능한데, 그 이유는 마이크로파 유입 윈도우의 크기가 마이크로파의 파장에 의해 결정되기 때문이다. 즉, 플라즈마 발생 챔버 내에서, 마이크로파는 그 강도에 따라 분포되며, 여기된 플라즈마의 밀도 분포도 마이크로파의 분포에 따라 변한다. 또, 종래의 건식 에칭 장치에 있어서, 여기된 플라즈마를 측방으로 확산시켜 플라즈마 밀도를 균일하게 하기 위하여, 여기된 플라즈마에 자장을 인가하기 위한 전자석이 제공되므로 장치의 크기면에서 불리하게 된다.
에칭될 반도체 기판이 장착되는 2개의 평행판 전극이 플라즈마 발생 챔버 내에 제공되는 종래의 다른 건식 에칭 장치에 있어서, 여기된 플라즈마의 밀도 균일성은 압력에 의해 조절된다. 그러나, 이러한 형태의 건식 에칭 장치에서도, 대형 반도체 기판의 에칭 속도를 균일하게 하는 것은 실제로 불가능하다. 여기된 플라즈마의 밀도를 효과적으로 균일하게 하기 위해서, 다수의 구멍이 접지 전극에 제공되며, 이러한 구멍의 수는 반도체 기판에 공급되는 모든 여기된 플라즈마를 조절하기 위한 평가 메카니즘에 의해 기계적으로 조절된다(일본국 특개평 제1-165122호 참조). 그러나, 이러한 종래의 건식 에칭 장치에 있어서, 여기된 플라즈마의 흐름이 불균일하므로, 여기된 플라즈마의 밀도가 안정될 때까지 시간 지연이 요구되며, 평가 메카니즘을 기계적으로 조절하는 것은 불리하다.
본 발명의 목적은 대형 반도체 기판의 에칭 속도를 균일하게 할 수 있는 건식 에칭 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 발생 챔버 내에 2개의 평행판 형태의 전극이 제공되며, 절연 라인 부재가 전극들 중 하나의 전극에 장착된다. 절연 라인 부재는 마이크로파 발진기에 접속되어 플라즈마 발생 챔버내에 가스 플라즈마를 균일하게 발생시킨다. 다른 전극에는 고주파 바이어스 전원이 접속된다.
이하, 본 발명을 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 종래의 건식 에칭 장치에 대해 제1도에 관련하여 설명하고자 한다.
제1도에 있어서, 마이크로파 발진기(1)에서 발생된 마이크로파는 도파관(2)를 따라 마이크로파 유입 윈도우(3)을 통해 플라즈마 발생 챔버(4) 내로 전파되어, 2,450MHz의 주파수를 갖는 전기장을 발생시킨다. 이와 마찬가지로, 솔레노이드 권선(5)에 전류를 공급함으로써 전기장에 대해 거의 수직인 875×10-4T의 자기장이 발생된다. 따라서, 전기장 및 자기장에 의해 생성되는 전자 사이클로트론 공진(ECR : Electron Cyclotron Resonance)이 발생하여 가스 주입구(6a)로부터 공급되는 가스를 여기시킨다. 여기된 플라즈마는 플라즈마 입구 윈도우(7)을 경유하여 자기장을 따라 기판 처리 챔버(8) 안으로 전파되어, 기판 보유기(10) 상에 장착된 반도체 기판(9)을 에칭한다. 참조 부호(6b)는 또 하나의 가스 주입구를 나타낸다. 기판 처리 챔버(8)내의 여기된 플라즈마의 압력은 진공 배기 시스템(11)에 의해 일정치로 제어된다. 또한, 플라즈마의 이온 에너지는 기판 보유기(10)에 접속된 고주파 바이어스 전원(12)에 의해 제어된다.
그러나, 전술한 제1도의 건식 에칭 장치에 있어서, 여기된 플라즈마가 균일한 영역이 마이크로파 유입 윈도우(3)의 크기 및 플라즈마 입구 윈도우(7)의 크기에 의해 제한되기 때문에, 에칭 속도는 8인치 웨이퍼와 같은 대형 반도체 기판에서 특히 불균일하다.
본 발명의 제1실시예를 도시한 제2도에 있어서, 플라즈마 발생 챔버(4)는 제1도의 기판 처리 챔버(8)로서의 역할도 하므로, 제1도의 플라즈마 입구 윈도우(7) 및 기판 처리 챔버(8)은 제공되지 않는다. 또한, 플라즈마 발생 챔버(4) 내로 마이크로파를 유입하기 위하여 폴리테트라 플루오르 에틸렌(PTFE : polytetra fluorethylene), 플루오르 카본 수지(fluorocarbon resin) 또는 석영으로 제조된 절연 라인 부재(13)이 제공되므로, 제1도의 마이크로파 유입 윈도우(3)이 제공되지 않는다.
더욱이, 제2도에서는 2개의 평행판 전극 구조가 사용되어, 대형 반도체 기판을 처리한다. 즉, 상부 전극(14)는 절연 라인 부재(13)의 배면에 제공되는 반면에, 기판 보유기(10)은 하부 전극으로서 작용한다.
제2도의 평면도인 제3도에 도시한 바와 같이, 절연 라인 부재(13)은 큰 마이크로파 방출면을 갖고 있다. 또한, 상부 전극(14)의 면적은 절연 라인 부재(13)의 면적과 거의 동일하다.
제2도에서, 마이크로파 발진기(1)에서 발생된 마이크로파는 도파관(2)를 따라 전파되고, 더 나아가 절연라인 부재(13)에 전파된다. 이 경우에, 절연 라인 부재(13) 내에서 발생된 전기장이 제4A도, 제4B도 및 제4C도에 도시되어 있다. 즉, 마이크로파의 전파 방향(X-X)에 따라 발생된 전기장은 제4B도에 도시된 바와 같이 정재파로 나타나며, 전파 방향에 수직인 방향(Y-Y)으로 발생된 전기장은 제4C도에 도시된 바와 같이 거의 균일파로 나타난다. 그러나, 제4C도에 도시된 바와 같이, 절연 라인 부재(13)의 중심부와 주변부 간에는 상당히 큰 전기장의 차이가 발생한다는 점에 유의해야 한다. 그 다음, 절연 라인 부재(13) 내의 마이크로파는 플라즈마 발생 챔버(4) 내로 균일하게 발산되어, 가스 유입기(6)으로부터 유입된 가스에 인가됨으로써, 가스 플라즈마를 여기시킨다. 따라서, 마이크로파는 절연 라인 부재(13) 내에 광범위하게 분산되고 플라즈마 발생 챔버(4) 내로 발산됨으로써, 큰 면적에서 균일한 플라즈마를 발생시킨다.
여기된 플라즈마는 고주파 전원(12)에 의해 기판 보유기(하부 전극)(10), 즉 반도체 기판(9)를 향해 가속되어, 반도체 기판(9)를 에칭한다.
에칭시 큰 이온 에너지가 요구되는 경우에, 고주파 전원(12)의 주파수는 5MHz보다, 특히 400kHz보다 작게 설정된다는 점에 유의해야 한다. 한편, 에칭시 큰 이온 에너지가 요구되지 않는 경우에는, 고주파 전원(12)의 주파수는 1MHz 내지 13.56MHz인 것이 바람직하다.
또한, 제2도에서, 다수의 영구 자석(15)가 플라즈마 발생 챔버(4)의 외측에 등간격으로 배열되어, 플라즈마 발생 챔버(4) 내에 다극 차동(Multi-Pole differential) 자기장을 발생시킨다. 결과적으로, 반응 가스와 전자의 충돌로 인한 충격 이온화가 증가하여, 플라즈마 발생 챔버(4) 내의 자기장은 더 균일하게 되므로, 플라즈마 발생 챔버(4) 내에, 특히 기판 보유기(10)의 상부 공간에 균일한 고밀도 플라즈마가 형성된다. 실험 결과에 따르면 플라즈마 밀도의 균일도는 영구 자석(15)를 구비한 제2도의 건식 에칭 장치의 경우에 ±3%인 반면에, 영구 자석(15)가 없는 제2도의 건식 에칭 장치의 경우에는 ±10%이다.
상부에 이산화 규소층을 갖는 8인치 웨이퍼를 반도체 기판(9)으로 사용하는 제2도의 건식 에칭 장치에 있어서, 0.01Torr의 압력을 갖는 CF4가스가 가스 유입구(6)으로부터 플라즈마 발생 챔버(4) 내로 30ml/min.의 유속으로 유입되고, 500kHz의 주파수 및 40W의 전력을 가진 고주파 바이어스 전원(12)이 기판 보유기(10)에 인가되면서 500W의 전력을 갖는 마이크로파가 공급될 때, 에칭 속도는 600nm/min±4%이고, 즉 에칭 속도의 균일도는 ±4%이며, 따라서 종래의 기술에서의 ±10%의 에칭 속도의 균일도에 비해 작았다.
본 발명의 제2실시예를 도시한 제5도에 있어서, 상부 전극(14')은 절연 라인 부재(13)의 아래에 제공된다. 상부 전극(14')는 플라즈마 발생 챔버(4) 내로 마이크로파를 유입하기 위한 다수의 슬릿(14a)를 구비하고 있다. 슬릿(14a)는 여기된 플라즈마를 더욱 균일하게 하는데 유용하다. 또한, 상부 전극(14')은 양극 산화된 알루미늄막(14b)으로 피복되어 오염이 방지된다,
제6도에 도시한 바와 같이, 각각 동일한 면적을 갖는 슬릿들(14a)가 등간격으로 배열되는 경우에, DX 방향으로 마이크로파가 전파되는 경우에는 제4B도에 도시된 바와 같은 정재파가 나타나며, DY 방향으로 마이크로파가 전파되는 경우에는 제4C도에 도시된 바와 같은 발생 전기장의 큰 차이가 나타난다. 즉, 전기장과 여기된 플라즈마 사이의 상호 작용이 강한 경우, 제6도에 도시된 바와 같은 슬릿(14a)를 가진 상부 전극(14')은 균일한 플라즈마 밀도를 발생시킬 수 없다.
상부 전극(14')의 슬릿들(14a)가 제7도에 도시된 바와 같이 동심의 직사각형들인 경우, 제4B도에 도시한 바와 같은 정재파는 억제되어 보다 균일한 플라즈마 밀도를 발생시킨다. 슬릿들(14a)의 간격과 수는 제4B도에 도시한 바와 같은 정재파의 형태에 따라 변경될 수 있다는 점에 유의한다. 제7도에 도시한 바와 같은 슬릿들(14a)이 형성된 상부 전극(14')을 구비한 제5도의 건식 에칭 장치에 있어서, 전술한 실험이 행해진 경우, 에칭 속도의 균일도는 ±3%이고, 종래의 에칭 속도의 균일도 보다 더욱 작아진다.
또한, 상부 전극(14)의 슬릿들(14a)이, 제8도에 도시된 바와 같이, 중심부 보다 주변부가 면적이 넓은 띠(Stripe)들인 경우, 제4C도에 도시된 바와 같이 절연 라인 부재(13)이 중심부와 주변부 간의 전기장의 차가 억제되어, 보다 균일한 플라즈마 밀도를 발생시킨다. 또한 슬릿들(14a)의 간격과 수는 제4C도에 도시된 바와 같이 전기장의 형태에 따라 변경될 수 있다는 점에 유의한다. 제8도에 도시된 바와 같은 슬릿들(14a)이 형성된 상부 전극(14')을 구비한 제5도의 건식 에칭 장치에 있어서, 전술한 실험이 행해진 경우, 에칭 속도의 균일도는 ±2%이고, 종래의 에칭 속도의 균일도보다 더욱 작아진다.
더욱이, 상부 전극(14)의 슬릿들(14a)는 제9도에 도시된 바와 같이 중신부보다 주변부가 면적이 큰 동심원인 경우, 제4B도에 도시된 바와 같은 정재파가 억제되고, 제4C도에 도시된 바와 같이 절연 라인 부재(13)의 중신부보다 주변부 간의 전기장의 차가 억제되어, 보다 균일한 플라즈마 밀도를 발생시킨다. 슬릿들(14a)의 간격과 수는 제4B도에 도시된 바와 같은 정재파, 및 제4C도에 도시된 바와 같은 전기장의 형태에 따라 변경될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 제9도에 도시된 바와 같은 슬릿들(14a)이 형성된 상부 전극(14')을 구비한 제5도의 건식 에칭 장치에 있어서, 전술한 실험이 행해진 경우, 에칭 속도의 균일도는 ±1%이고, 종래의 에칭 속도의 균일도보다 더욱 작아진다,
전술한 실시예들에 있어서, 건식 에칭 장치는 세로 형태이지만, 본 발명은 가로 형태의 건식 에칭 장치에 적용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 여기된 플라즈마의 균일성을 저하시키는 마이크로파 유입 윈도우 및 플라즈마 입구 윈도우가 제공되지 않기 때문에, 여기된 플라즈마는 균일할 수 있으므로, 대형 반도체 기판의 에칭 속도를 균일하게 할 수 있다.

Claims (9)

  1. 건식 에칭 장치에 있어서, 플라즈마 발생 챔버(4), 상기 플라즈마 발생 챔버 내에 장착된 제1전극(14,14'), 상기 플라즈마 발생 챔버 내에 상기 제1전극과 마주보도록 배치되고 에칭될 기판(9)이 장착되는 제2전극(10), 마이크로파 발진기(1), 상기 마이크로파 발진기에 접속되고 상기 제1전극에 장착되며 마이크로파 방출면을 구비하여, 상기 마이크로파 방출면으로부터 상기 플라즈마 발생 챔버 내로 마이크로파를 유입시키기 위한 절연 라인 부재(13), 및 상기 제2전극에 접속된 고주파 바이어스 전원(12)를 포함하는 건식 에칭장치
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연 라인 부재는 판 형태인 건식 에칭 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1전극은 상기 플라즈마 발생 챔버의 표면과 상기 절연 라인 부재 사이에 배치된 판 형태인 건식 에칭 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1전극은 상기 절연 라인 부재의 플라즈마 방출면의 측면에 배치된 판 형태이고, 마이크로파를 통과시키기 위한 다수의 슬릿(14a)를 구비한 건식 에칭 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1전극의 슬릿들은 등간격이 아닌 띠들(stripes)인 건식 에칭 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1전극의 슬릿들은 동심의 직사각형들인 건식 에칭 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제1전극의 슬릿들은 동심원들인 건식 에칭 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제1전극의 슬릿들 각각의 면적인 상기 슬릿들 각각의 위치에서의 상기 절연 라인 부재의 전기장에 따라 변하는 건식 에칭 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 챔버의 외측에 등간격으로 장착된 다수의 자석(15)를 더 포함하는 건식 에칭 장치.
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