KR100235931B1 - 반도체 웨이퍼의 건식 에칭용 플라즈마 처리장치 - Google Patents

Abstract

여기에 기재된 것은 전자파가 반응용기로 도입되어 그 내부에서 플라즈마를 여기시키는 유전부재를 갖는 플라즈마 처리장치이다. 금속저항판 (3) 이 유전부재에 매입되어 플라즈마 내의 용량결합성분을 감소시키며 전자파 투과 및 가열 부재로서 작용한다. 금속저항판 (3) 은 제어된 직류를 금속저항판에 공급하기 위한 DC 전원 (5) 과 전류 제어기 (7) 를 구비하여 유전부재 (2) 의 온도를 승온시키며 제어한다. 유전부재의 스퍼터링은 용량결합성분의 감소를 방지하며, 반면에 유전체 상에 에칭생성물을 증착시키는 것은 유전체의 제어된 가열에 의해 억제되어 오염입자 생성이라는 문제점을 경감시키며 에칭조건 안정성을 증가시킨다.

Description

반도체 웨이퍼의 건식 에칭용 플라즈마 처리장치

본 발명은 반도체장치의 제조시 사용하는 플라즈마 처리장치에 관한 것이며 더 상세하게는 에칭 종류를 포함하는 플라즈마를 사용하는 이방성 드라이에칭장치에 관한 것이다.

반도체장치의 극소화 및 집적화도의 증가와 함께, 웨이퍼를 이방적으로 에칭할 수 있는 드라이 에칭장치로서 플라즈마 처리장치를 사용하는 것이 증가하고 있다. 플라즈마를 사용한 드라이 에칭장치에 있어서, 반도체 웨이퍼의 에칭은 반응용기 (반응실로 불리기도 함) 내부에서 형성된 플라즈마 내에서 생성된 중성 라디칼과 이온의 상호작용을 통해 실행된다. 플라즈마 내의 이온은 전기장의 작용하에서 직접적으로 입사하지만, 그것들의 대부분은 중성가스 분자와 충돌하며 산란되어 그들의 운동방향을 바꾸게 된다. 결국, 이온은 웨이퍼에 수직으로 입사하지 않으며, 이것은 에칭마스크에 의해 한정된 치수적인 사항의 변화를 일으키는 사이드 에칭이 생기게 된다.

그러므로, 반응용기 내부의 압력을 더 저하시켜 중성가스 분자수를 감소시킴으로써 이온과 중성가스 분자간의 충돌기회를 방지할 것이 제안된다. 하지만, 이 제안은 플라즈마 자체의 밀도가 감소하므로, 하부층 위로의 에칭속도가 저하되고 선택도가 낮아진다는 새로운 문제점을 야기시킨다. 이런 이유로 고밀도 플라즈마 소오스를 사용하여 저압영역에서 충분한 밀도로 플라즈마를 생성시킬수 있는 또다른 플라즈마 처리장치가 제안되어 왔다.

그러한 플라즈마 처리장치의 일예가 일본국 특개평 (KOKAI) 6-232081 호에 개시된다. 도 8 은 종래 플라즈마 처리장치의 일예의 개략적인 단면도이다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 이 플라즈마 처리장치는 감압시킬수 있는 진공용기 (21) 를 구비한다. 진공용기 (21) 는 내부와 외부를 분리하는 대부분이 전기적인 도전성 벽재료로 이루어졌으며, 시료 (시편 : 27) 가 놓일 하부전극 (26) 을 조절하는 벽과, 진공용기 (21) 의 벽의 일부를 구성하며 전자파를 진공용기 (21) 의 내부공간으로 도입하는 유전체판 (22) 과, 유전체 (22) 에 인접한 진공용기의 외부에 위치하며 고주파 전류가 그것을 통해 공급될 때 유도전계를 생성하는 안테나 (23) 를 갖는다. 안테나 (23) 에 의해 생성된 유도전계는 유전체 (22) 를 통해 진공용기의 내부로 도입되어 시료 (27) 의 처리에 사용되는 플라즈마를 생성한다.

그러한 유도결합형 플라즈마를 사용하는 플라즈마 처리장치로, 안테나 (23) 는 유도전장을 생성하는 소오스로서 뿐만 아니라, 전극으로서 작용하며, 이러한 용량결합성분은 진공용기 (21) 에서 안테나 (23) 와 플라즈마의 직접결합에 의해 플라즈마 내에 존재하게 된다. 결국, 유도전장에 의해서만 생성된 플라즈마를 갖는 것과 비교하여, 진공용기 (21) 내의 유전체 (22) 표면의 전위는 플라즈마 전위에 비해 더 음성이 된다. 결국, 플라즈마 내의 양이온이 표면으로 끌어 당겨지며, 진공용기 (21) 의 측부에서의 유전체 (22) 표면이 유전체 (22) 의 분해를 일으키는 이러한 양이온에 의해 스퍼터링되어, 플라즈마 내로 혼합될 불순물의 위험성을 증가시킨다.

이러한 문제점을 극복하기 위해, 관련기술의 플라즈마 처리장치는 안테나 (23) 와 유전체 (22) 사이에서 전자파 (유도전계) 를 투과시킬수 있는 용량성 소자 (25) 를 제공한다. 용량성 소자 (25) 는 진공용기 (21) 에 전기적으로 접속되어 안테나 (23) 와 플라즈마의 직접적인 결합을 차단하여 플라즈마 내에서의 용량결합부재를 감소시켜 유전체 표면의 스퍼터링에 의해 플라즈마내로 불순물이 섞이는 것을 방지한다.

상기된 종래 플라즈마 처리장치로, 전자파를 투과시킬수 있는 도체가 안테나와 유전체 사이에 설치되며, 도체와 진공용기 간의 전기적인 접속이 유전체의 스퍼터링에 의한 불순물로 오염되는 것을 방지한다. 하지만, 이러한 형태에서도, 에칭에 의한 반응생성물은 증착막으로서 유전체의 내부표면상에 증착될 수 있다. 유전체상에 형성된 증착막이 탈피되어 이러한 문제성있는 입자를 생성시킬수 있다.

또한, 연속된 에칭처리는 시료상의 에칭치수를 변화시킬수 있으며, 이것은 불안정성 문제를 야기시킨다. 이것은 에칭처리시간이 연장되고 처리된 웨이퍼수가 증가됨에 따라, 유전체의 온도가 유전체 상의 에칭생성물 증착량의 감소를 증가시킨다. 이것은 또한 에칭될 시료시편상의 에칭생성물 증착량을 증가시켜 에칭생성물의 치수 및 형태를 변화시킨다.

그러므로, 본 발명의 목적은 유전체상에서 에칭생성물 등의 증착을 차단하여 생성된 입자의 문제점을 경감시키고 또한 에칭조건 안정성을 증가시키는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 개략적인 단면도.

도 2는 도 1 에 도시된 금속저항판의 평면도.

도 3은 가열기구가 설치되지 않은 경우에 처리된 웨이퍼의 수와 유전체 온도와의 관계를 나타내는 그래프.

도 4는 가열기구가 설치되지 않은 경우에 처리된 웨이퍼의 수와 에칭에 의한 폴리실리콘층의 테이퍼각 (θ) 의 변화와의 관계를 나타내는 그래프.

도 5는 가열기구가 설치된 경우에 처리된 웨이퍼의 수와 에칭에 의한 폴리실리콘층의 테이퍼각 (q) 에서의 변화와의 관계를 나타내는 그래프.

도 6은 도 1 에 도시된 금속저항판의 변형예을 나타내는 평면도.

도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 나타내는 개략적인 단면도.

도 8은 종래 플라즈마 처리장치의 일예를 나타내는 개략적인 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 나선형 코일 2 : 유전체판

3 : 금속저항판 4 : 필터

5 : DC 전원 6 : 온도측정소자

7 : 전류제어기 8a, 8b : RF 전원

9a, 9b : 튜너 10 : 진공반응용기

11 : 하부전극

이러한 목적을 위해, 본 발명은 상부의 유전체 벽부분과 전기적으로 접지된 용기의 다른 벽부분을 갖는 진공반응용기와, 진공반응용기의 외부와 유전체부의 상부면 근처에 놓이는 평평상의 코일과, 제 1 튜닝기구를 통해 코일을 통해 고주파 전류를 도입하는 제 1 고주파 전원과, 진공반응용기의 내부에 복수의 처리가스를 공급하는 수단과, 처리가스의 압력을 제어하는 수단과, 진공반응용기의 하부에 배치되어 그 위에 처리될 시료를 놓는 하부전극과, 튜닝기구를 통해 하부전극을 통과하여 고주파 전압을 공급하는 제 2 고주파 전원과, 유전체판의 내부에 매입되었으며 전자파를 투과시킬수 있는 금속판을 가지며, 또한 유전체부의 온도를 승온시킬수 있는 전자파 투과·가열부재와, 전자파를 차단할 수 있는 필터를 통해 전자파 투과·가열부재를 통해 직류를 공급하는 DC 전원과, 유전체부의 온도를 측정하는 온도측정수단과, 온도측정수단에 의해 측정된 온도에 의하여 DC 전원으로부터 전자파 투과·가열부재에 공급된 전류를 제어하는 제어기를 구비하는 플라즈마 처리장치를 구비한다.

본 발명의 또다른 특징적인 태양은 단일 금속절연판으로서, 또는 전자파를 투과시킬수 있는 금속판과 평평상의 저항가열판으로 분리된 두 개의 분리소자로서의 전자파 투과 및 가열부재의 구성에 존재한다. 본 발명의 또다른 특징적인 태양은 금속저항판이나 금속판에서 복수개의 전자파 투과 슬릿의 형성, 또는 전자파를 투과할 수 있는 판의 두께 제어에서 발견된다.

도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 개략적인 단면도이다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 본 플라즈마 처리장치는 진공반응용기 (10) 의 일부를 구성하는 유전체판 (2) 에 매입된 금속저항판 (3) 을 구비한다. 금속저항판 (3) 은 전자파를 투과시키며, 또한 가열부재로서 작용한다. 또한, 고주파 차단필터 (4) 를 통해 금속저항판 (3) 에 직류를 공급하는 DC 전원 (5) 과, 유전체판 (2) 의 온도를 측정하는 온도측정소자 (6) 와, 온도측정소자 (6) 에 의해 측정된 온도에 의하여 DC 전류의 공급을 제어하는 전류 제어기 (7) 와, 진공용기 (1) 의 외부면 상부에 놓이며, 튜닝기구 (9a) 에 의해 RF 전원 (8a) 으로부터 공급된 고주파 전류를 수신하는 평면형태의 나선형 코일 (1) 을 구비한다.

도 1 에 도시된 장치는 시료 (27), 일반적으로 그 위에 놓인 실리콘과 같은 반도체 웨이퍼가 있는 하부전극과, 튜닝기구 (9b) 를 통해 하부전극 (11) 을 통해 고주파 전류를 공급하는 RF 전원 (8b) 과, 종래기술과 동일한 방식으로 처리가스를 주입시키는 처리가스 인렛 (14) 및 주입된 처리가스의 압력을 제어하는 배기장치가 또한 구비된다.

공지된 바와 같이, 나선형 코일 (1) 을 통해 공급된 고주파 전류는 유전체 (2) 를 통해 진공반응용기 (10) 에 유도전장을 만들며, 이것은 플라즈마를 발생시킨다. 여기에서, 나선형 코일 (1) 은 또한 전극으로서 작용하기 때문에, 나선형 코일 (1) 과 플라즈마는 직렬로 놓이며, 이것은 커패시터를 형성한다. 따라서, 용량결합 성분이 플라즈마 내에 놓인다. 금속저항판 (3) 이 유전체 (2) 에 놓여 이 용량결합 성분을 감소시킨다. 금속저항판 (3) 은 이하에 기재될 전자파 투과기능 (전자파가 통과하도록 하는 능력) 을 갖는다. 이러한 전자파 투과능력이 없다면, 나선형 코일 (1) 을 통해 고주파 전류를 공급하여 형성된 유도전장이 차단되어, 플라즈마가 발생하지 않는다.

도 2 는 도 1 에 도시된 금속저항판의 평면도이다. 전자파 투과기능을 갖는 금속저항판의 가능한 형태는 도 1 에 도시된 나선형 코일 (1) 을 통해 흐르는 전류와 직각방향으로 놓이는 적정한 수의 슬릿 (12) 을 포함하는 도 2 에 도시된 일예이다. DC 전원 (5) 으로부터의 직류전류의 고주파 성분을 차단하는 필터 (4) 가 유전체판 (2) 에 매입된 금속저항판 (3) 에 또한 접속된다. 물론 모든 전기적 접속은 RF 차폐된다.

금속저항판 (3) 을 통해 공급된 DC 전류는 금속저항판 (3) 이 저항기, 즉 유전체판 (2) 의 온도를 승온시키는 가열부재로서 작용하게 한다. 또한, 온도계, 예를 들면 저항온도계가 유전체판 (2) 의 온도를 측정하는 온도측정소자 (6) 로서 유전체판 (2) 에 매입된다. 측정된 온도는 전류 제어기에 공급되어 금속저항판 (3) 을 통해 공급된 전류를 제어하여, 결국은 유전체판 (2) 의 온도를 제어한다. 다시 말하면, 유전체판 (2) 의 제어된 가열이 유전체판 (2) 상에 부착시킨 각 반응생성물의 양을 감소시켜 부착물의 부착확률이 변동하는 것을 또한 방지한다. 그 결과, 부착량의 감소는 입자의 문제점을 경감시키고, 부착물의 부착확률의 안정화가 에칭조건의 안정성을 증가시킨다.

도 3 은 가열기구가 설치되지 않은 경우에 처리된 웨이퍼수와 유전체판 (2) 의 온도사이의 관계를 도시한다. 예를 들면, 진공반응용기 (10) 가 60 ℃ 의 온도로 제어되고, 하부전극 (11) 에 놓은 시료 (27) 가 20 ℃ 의 온도로 제어되며 유전체판 (2) 이 가열되지 않는 경우, 에칭개시전의 초기단계에서의 유전체판 (2) 의 온도는 40 ℃ 이다. 이러한 조건하에서 에칭처리가 행해질 경우, 반응생성물의 부착확률은 시료 상에서는 높고 진공반응용기에서는 낮으며 유전체판에서는 중간값이다.

연속적인 에칭처리는 유전체판 (2) 의 온도를 증가시키고 도 3 에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 당 90 초의 에칭시간 동안 30 개의 웨이퍼를 에칭시킨후 유전체판 (2) 의 온도가 150 ℃ 로 승온시킨다.

도 4 는 가열기구가 설치되지 않은 경우에 처리된 웨이퍼수와 에칭에 의한 폴리실리콘층의 웨이퍼각 (θ) 의 변화사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 처리된 웨이퍼수가 증가함에 따라 유전체판의 온도가 증가하기 때문에, 반응생성물의 부착확률은 시료상에서의 확률이 가장 높으며, 진공반응용기에서의 확률이 유전체판 상에서의 확률을 초과하도록 변화한다. 즉, 유전체판 (2) 상에 부착된 원래의 부착물이 결국은 시료 (27) 상에 부착되어, 시료 (27) 상에서의 부착량을 증가시킨다. 이러한 조건하에서 에칭처리가 계속될 경우, 에칭형상의 테이퍼각 (θ) 이 도 4 에 도시된 바와 같이 조금씩 감소하여, 이것은 에칭 불안정성 문제를 일으킨다.

도 5 는 가열기구가 설치된 경우 처리된 웨이퍼의 수와 폴리실리콘층의 에칭시 테이퍼각 (θ) 의 변화사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 유전체판 (2) 의 온도가 가열기구에 의한 초기단계로부터 150 ℃ 의 일정한 온도로 제어되는 한, 웨이퍼의 연속된 에칭은 도 5 에 도시된 바와 같이, 에칭형상의 테이퍼각이 90 ℃ 로 변화하기 않으며, 에칭 불안정성 문제도 존재하지 않는다.

일예로써, 유전체판을 가열시키지 않고 대략 1000 개의 웨이퍼가 처리될 경우, 0.2 ㎛ 이상의 입자크기를 갖는 2100 개 이상의 입자가 형성된다. 이것은 생산수율을 저하시킨다. 또한, 대략 30 개의 폴리실리콘층은 연속에칭시킨 후에, 에칭에 의한 치수변화는 포토레지스터의 폭 2.5 ㎛ 에 따라 ±10 % 이상이 된다. 이것은 장치의 특성에 심각한 영향을 미친다.

반대로, 유전체판 (2) 의 가열 및 온도제어는 1000 개가 처리된 후에도, 약 20 개의 입자만이 입자크기가 0.2 ㎛ 이상이며, 이것은 2000 매 이상을 습식용기 세정 사이클을 설정하게 한다. 또한, 연속처리후의 치수편차는 ±10 % 이내이다.

선행 실시예에 따라, 금속저항판 (3) 의 전자파 투과기능이 방사상 슬릿 (12) 에 의해 제공된다. 실시예 2 에서, 도 1 에 도시된 금속저항판의 변형예를 도시하는 평면도인 도 6 에 도시된 바와 같이, 동심적으로 슬릿 (13) 을 설치하여 동일하게 실시할 수 있다. 전자파 투과기능은 금속저항판 (3) 을 얇게 하여 제공될 수도 있다.

도 7 은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 플라즈마 처리장치를 도시하는 개략적인 단면도이다. 도 1 에 도시된 금속저항판 (3) 이 플라즈마의 용량결합성분을 축소시키고 유전체부 (2) 를 가열하는 두가지 기능을 제공하는 상기 실시예 들과 다르게, 도 7 에 도시된 플라즈마 처리장치는 전자파 투과기능을 갖는 금속판 (1a) 과 유전체부의 온도를 승온시키는 히터 (1b) 를 갖는다. 그것들은 유전체 (2) 에 각각 매입되어 용량결합성분을 축소시킨다. 본 실시예는 다른면에서는 상기된 것과 동일하다.

금속판 (1a) 은 도 2 또는 도 6 에 도시된 바와 같이 슬릿 (12 또는 13) 을 가지며 전기적인 접지로서 진공반응용기 (10) 에 전기적으로 접속된다. 히터 (1b) 는 금속판 (1a) 과 동일한 형상이며, 고주파수파를 차단시키는 필터 (4) 를 통해 DC 전원부 (5) 에 접속된다. 히터 (1b) 로의 배선접속을 포함하는 접속은 RF 차폐된다. 유전체부 (2) 의 온도에 의한 히터 (1b) 를 통해 공급된 전류를 턴온 및 오프시키는 제어기 (7) 가 또한 설치된다.

이러한 형태는 플라즈마의 용량결합성분의 감소 및 유전체부 (2) 의 온도제어를 가능하게 한다. 결과적으로, 입자와 에칭안정성 문제가 경감된다. 또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치로, 유전체 (2) 의 온도를 제어하는 관상형 히터가 용량결합성분을 축소시키는 금속판으로부터 분리되므로, 본 장치는 히터재료의 선택시 융통성이 더 커진다는 장점이 있으며, 완전한 금속저항판이 구비된 상기 플라즈마 처리장치보다 사용하기가 극히 용이하다.

본 발명이 임의의 바람직한 실시예와 결합하여 기재되었지만, 본 발명에 의해 성취되는 주된 사항은 특별한 실시에로 제한되지 않는다. 본 발명의 주된 사항은 첨부된 청구범위의 진의와 범주내에 포함되는 한 또다른 변경 등을 포함할 수 있다.

상기된 바와 같이, 본 발명은 전자기 유도를 일으키는 평판상 코일을 통해 고주파 전류를 공급하여 유도전계를 형성하며, 유전체 소자를 통해 진공반응용기 내부로 유도전계를 도입하여 진공용기 내에서 플라즈마를 생성시키도록 고안된 플라즈마 처리장치로서, 유전체의 온도를 승온시키는 가열부재와 플라즈마에서 용량결합성분을 축소시키며 전자파 투과기능을 갖는 부재가 유전체에 매입되며 유전체의 온도가 적당하게 제어되는 플라즈마 처리장치를 제공하여 입자 불순물의 오염문제를 해결한다는 효과가 있다. 코일과 플라즈마의 직접 결합을 방지하여 유전체의 스퍼터링을 감소시키는 동안 유전체 상에 에칭등으로 인한 반응 생성물의 부착을 감소시킨다.

또한, 유전체를 일정하게 향상되는 온도로 제어하는 것은 유전체 상에 부착된 반응생성물의 부착확률의 변화를 방지하는 효과가 있으며, 따라서 막두께가 변동하는 것을 방지하여 항상 안정된 에칭이 확보된다.

Claims (12)

1. 유전체 및 전기적으로 접지된 도체부를 갖는 벽이 내부와 외부로 분리하고 있는 진공반응용기, 상기 진공반응용기의 외부에서 상기 유전체에 근접하게 설치된 평면상의 코일, 제1튜닝기구를 매개로 상기 코일에 고주파전류를 흘려보내기 위한 제1고주파 전원, 상기 진공용기의 내부에 복수의 공정가스를 공급하는 공급수단, 상기 공정가스의 압력을 제어하기 위한 제어수단, 상기 진공반응용기의 내부에 배치되어 상기 유전체를 마주하며 시료를 적재할 수 있는 하부전극, 상기 하부전극에 튜닝기구를 매개로 고주파전압을 인가하는 제2고주파 전원, 상기 유전체중에 매입되며 전자파 투과기능을 가지며 상기 유전체의 온도를 승온시킬 수 있는 금속판을 갖는 전자파투과 및 가열부재, 상기 전자파투과 및 가열부재에 전자파 차단용의 필터를 매개로 직류전류를 공급하는 DC 전원, 상기 유전체의 온도를 측정하는 온도측정수단 및 상기 온도측정수단에 의해 측정된 온도에 기초하여 상기 DC전원으로부터 상기 전자파투과 및 가열부재로 공급되는 전류를 제어하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전자파 투과 및 가열부재는 금속저항판인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 전자파 투과 및 가열부재는 전자파를 투과시킬수 있는 금속판과 가열판을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 금속판에 복수개의 전자파 투과슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 금속저항판에 복수개의 전자파 투과슬릿이 형성되며, 상기 슬릿은 방사상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
6. 제2항에 있어서, 상기 금속저항판에 복수개의 전자파 투과슬릿이 형성되며, 상기 슬릿은 중심이 동일하게 배열되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
7. 제3항에 있어서, 상기 금속저항판과 상기 금속판 중 적어도 하나의 판에는 복수개의 전자파 투과슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
8. 제3항에 있어서, 상기 금속저항판과 상기 금속판 중 적어도 하나의 판에는 복수개의 전자파 투과슬릿이 형성되며, 상기 슬릿은 방사상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
9. 제3항에 있어서, 상기 금속저항판과 상기 금속판 중 적어도 하나의 판에는 복수개의 전자파 투과슬릿이 형성되며, 상기 슬릿은 중심이 동일하게 배열되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
10. 제2항에 있어서, 상기 금속저항판은 전자파를 투과시킬수 있는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
11. 제3항에 있어서, 상기 금속저항판과 상기 금속판 중 적어도 하나의 판은 전자파를 투과시킬수 있는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 평면상의 전기코일은 나선형 코일인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.