KR100253274B1 - 플라즈마 식각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로세스 챔버에 코일을 감아 그 코일에 알에프전력을 인가하고, 프로세스 챔버내에 구비되어 있는 상부 및 하부전극 각각에 위상차가 나는 독립적인 알에프 전력을 인가한 플라즈마 식각장치에 관한 것으로, 종래의 플라즈마 식각장치는 플라즈마 생성에 전계만을 이용하여 연속적인 자유전자의 대량 생성에 한계가 있어 고집적 반도체 장치에서 요구되는 균일하고 깊은 트랜치 구조의 형성이 용이하지 않은 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 감안한 본 발명은 챔버에 알에프 전극이 인가되는 코일을 감고 하부 전극과 상부 전극에 위상이 다르며 독립적인 알에프전력을 인가하여 프로세스챔버 내에 자계와 전계룰 형성시킴으로써, 웨이퍼 표면과 플라즈마 사이에 낮은 전자 에너지로 높은 전위차를 형성시켜 딥트랜치 형성시 문제가 되는 언더커팅과 보우잉이 없는 비등방성 식각이 가능하고, 고밀도의 플라즈마를 형성시켜 깊은 트랜치구조의 형성이 가능하며, 낮은 전력을 사용하여 식각 공정시 기판손상을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

플라즈마 식각장치

본 발명은 반도체 식각 장치에 관한 것으로 특히, 씨씨피(Capacitively Coupled Plasma) 및 아이씨피(Inductively Coupled Plasma)를 이용하여 고밀도 플라즈마를 생성하여 트랜치구조의 식각에 적당하도록한 플라즈마 식각장치에 관한 것이다.

종래의 플라즈마 식각장치는 그 플라즈마 생성 방법을 전계에 의존하였으며, 이와같은 종래의 플라즈마 식각장치 및 플라즈마 식각법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 종래의 플라즈마 식각장치의 블럭도로서 이에 도시된 바와 같이, 알에프 발생기(RFGEN1)에서 발생한 알에프전력을 매치 박스(match box, 11)를 통해 인가받아 위상을 달리하는 교류전압으로 분리하여 프로세스 챔버(process chamber)(13)내의 평행판 전극(14)의 양단에 전달하는 역위상 스플릿(12)으로 구성되며, 이와같은 구성의 플라즈마 식각장치는 평행 평판형 플라즈마 식각장치 또는 씨씨피라고 지칭된다. 상기한 씨씨피는 두개의 대향하고 있는 전극(14)의 상부 전극 또는 하부 전극에 알에프 전력을 인가할 수 있으며, 식각할 대상인 웨이퍼(wafer)가 놓인 전극에 알에프전력이 인가되면 알아이이(reactive ion etching)타입이라 하고, 반대 전극에 알에프전력이 인가되면 플라즈마타입이라함은 공지된 바와같다. 상기의 씨씨피 방식은 미국 특허 1,871,421호에 설명된 것 처럼 고전력을 사용하기 위하여 상부 및 하부전극에 180도의 위상차를 유지하는 역위상 스플릿(12)을 도입하고 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 종래 플라즈마 식각장치의 동작을 상세히 설명한다.

먼저, 진공펌프(도면생략)를 사용하여 프로세스 챔버(13)를 진공상태로 만든 다음, 유량제어기(도면생략)를 통해 일정한 양의 프로세스 가스를 상기 진공상태인 프로세스 챔버(13)내로 유입 시킨다. 이때 프로세스 챔버(13)내의 압력을 유지하기 위해서 스로틀 밸브(throttle valve)(도시생략)를 설치하여 압력을 제어한다.

그 다음, 알에프 발생기 (RFGEN1)에서 발생한 알에프전력은 매치 박스(11)를 통해 역위상 스플릿(12)에 전달되고, 상기 역위상 스플릿(12)에서 위상의 차가 180도인 두개의 알에프전력으로 분리되어 상기 프로세스 챔버(13)내의 평행판 전극(14)으로 전달되어 프로세스 챔버(13)내에 자유전자가 생성된다. 이때 생성된 자유전자들은 전자장에 의해 가속되고 상기 프로세스 가스분자들과 충돌하여 분자들을 원자, 라디칼(중성상태의 불완전한 원자), 자유전자 및 이온들로 분해시킨다. 상기의 충돌에 의해 생성된 더 많은 자유전자가 프로세스 가스분자들과 충돌하여 그 보다 더 많은 원자, 리디칼, 자유전자 및 이온들이 생성되는 것이 반복되어 플라즈마를 형성 및 유지시킨다. 상기와 같은 역할을 수행하는 자유전자들은 전극(14)에서 방출되고 양이온들은 상기 전극(14)의 주변에 운집하게 된다. 따라서 이 양이온이 운집한 영역과 전자가 방출되는 전극의 사이에는 강한 전위차가 발생하고, 상기 발생한 전위차에 의해 이온들이 이동하여 식각의 목적이 되는 웨이퍼와 충돌함으로써 식각이 이루어진다.

그러나, 상기와 같은 종래의 플라즈마 식각장치는 연속적인 자유전자의 대량 생성에 한계가 있으며, 알에프전력이 너무 높으면 전자의 방전 불안정 및 전자들이 분자를 파괴할 충분한 에너지를 갖지 못하고 방출되어 분자와 충돌하기 때문에 알이에프 전력의 상승으로는 고밀도의 플라즈마 형성이 어려워 고집적 반도체 장치에 요구되는 균일하고 깊은 트랜치 구조 형성이 용이하지 않은 문제점과, 트랜치 구조 형성시 언더커팅 및 보우잉이 생기는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 플라즈마 생성에 씨씨피 및 아이씨피를 사용 하여 고밀도의 플라즈마를 생성함으로써, 균일하고 깊은 트랜치 구조의 반도체 장치를 제조함이 가능한 플라즈마 식각장치의 제공을 목적으로 한다.

도1은 종래 플라즈마 식각장치의 블럭도.

도2는 본 발명에 의한 플라즈마 식각장치의 블럭도.

도3은 도2에 있어서, 프로세스 챔버의 상세도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

RFGEN1~RFGEN3 : 알에프 발생기 21,24,25 : 매치 박스

22 : 유도코일 23 : 프로세스 챔버

23a, 23b : 상/하부 전극 BF : 자계

EF : 유도전계

상기한 목적은 종래의 플라즈마 식각장치의 프로세스 챔버에 알에프전력이 인가되는 코일을 감고, 프로세스 챔버에 구비되어 있는 상부 및 하부 전극 각각에 위상이 다른 독립적인 알에프전력을 인가함으로써 달성되는 것으로서 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명에 의한 플라즈마 식각장치의 블럭도로서 이에 도시된 바와같이, 알에프 발생기(RFGEN1)에서 발생한 알에프전력을 인가 받아 프로세스 챔버(23)에 균일하게 감겨 있는 유도코일(22)로 인가하는 매치 박스(21)와 ; 매치 박스(24)를 통해 상기 프로세스 챔버(23)내의 상부 전극(23a)에 알에프전력을 공급하여 중성의 프로세스 가스를 이온화시키는 알에프 발생기(RFGEN2)와 ; 매치 박스(25)를 통하여 상기 프로세스 챔버(23)내의 하부 전극(23b)에 상기 알에프 발생기(RFGEN2)에서 생성된 알에프전력과는 위상이 다른 알에프전력을 공급하여 라디칼 및 양이온을 하부전극(23b)에 부착된 웨이퍼(wafer) 표면으로 이동시키는 알에프 발생기(RFGEN3)로 구성된다. 이와같이 구성된, 본 발명에 의한 플라즈마 식각장치에 있어서, 그 프로세스 챔버를 상세히 도시한 도 3에 도시된 바와같이 식각 대상인 패터닝된 열산화막을 식각 마스크로하는 웨이퍼(wafer)를 하부 전극(23b)의 위에 고정시킨다. 상기 웨이퍼를 고정시키는 수단은 웨이퍼를 냉각하는 효과를 내기위하여 정전력을 사용하여 고정시킨다.

그 다음, 진공펌프를 사용하여 프로세스 챔버(23)를 10mTorr 이하의 고진공 상태로 만들고 고유의 직진성을 가진 할로겐(halogen)족의 프로세스 가스를 프로세스 챔버(23)내로 주입한다.

그 다음, 알에프 발생기(RFGEN1)에서 발생한 1MHz이상의 알에프전력을 제1매치박스(21)를 통하여 도3에 도시된 바와같이 프로세스 챔버(23)외부에 전극(23a,23b)과 평행하며 균일하게 감겨있는 유도코일(22)에 인가하여 프로세스 챔버(23)에 자계(BF)를 형성한다. 이때 플라즈마 식각을 돕기위해 금속, 반도체, 비정질 탄소로 제작된 상부 전극(23a)에 인가한 60Hz 이상의 일정한 주파수를 가진 알에프전력에 의하여 중성상태의 프로세스 가스를 이온화 하여 자유전자를 생성시키고, 패러데이의 법칙() 에서 알수 있듯이 시간의 변화에 의한 자속밀도의 변화에 따라 유도전계가 형성된다. 즉 유도코일(22)에 흐르는 강한 알에프 전류에 의해 형성된 자속밀도의 변화에 의하여 상부 전극과 평행하게 유도전계(EF)가 형성된다. 상기 이온화 되어 생성된 자유전자는 상기의 유도전계(EF)내의 자력선을 따라 빠르게 가속되고, 자유전자 상호간에 충돌로 활성화 된다. 상기의 상태는 전기적 공명상태에서 이루어지기 때문에 자유전자와 양이온 및 리디칼 간에 높은 전위차를 갖는다.

상기한 바와같이 유도코일(22)에 흐르는 강한 알에프 전류와 상부 전극(23a)에 인가된 알에프전력에 의하여 고밀도 플라즈마 형성의 기본 조건이 성립된다.

또한, 상부 전극(23a)에 인가된 알에프전력에 의하여 이온화된 물질 중에 양이온 및 라디칼은 하부 전극(23b)에 인가한 60Hz이상의 알에프전력과 상기 형성된 이온간의 높은 전위차에 의해 웨이퍼 표면으로 이동하며 웨이퍼와의 충돌로 웨이퍼를 식각하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 프로세스 챔버 외부에 알에프전력이 인가되는 코일을 감고, 하부 전극 및 상부 전극에 위상이 다르며 독립적인 알에프전력을 인가하여, 프로세스 챔버내에 자계와 전계를 함께 형성 시킴으로써, 웨이퍼 표면과 플라즈마 사이에 낮은 전자에너지로 높은 전위차를 형성시켜 딥트랜치 형성시 문제가 되는 언더커팅과 보우잉이 없는 비등방성 식각이 가능하고, 낮은 전력을 사용하여 식각 공정시 기판손상을 줄일수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 제1알에프 발생기에서 발생한 알에프전력을 인가 받아 프로세스 챔버의 외주에 균일하게 감겨 있는 유도코일로 인가하여 그 프로세스 챔버 내에 자계를 형성하도록 하는 제1매치 박스와 ; 제2매치 박스를 통해 상기 프로세스 챔버내의 상부 전극에 알에프전력을 공급하여 중성의 프로세스 가스를 이온화시키는 제2알에프 발생기와 ; 제 3매치 박스를 통하여 상기 프로세스 챔버내의 하부 전극에 상기 제2알에프 발생기에서 생성된 알에프전력과는 위상이 다른 알에프전력을 공급하여 라디칼 및 양이온을 하부 전극상에 고정된 웨이퍼 표면으로 이동시키는 제3알에프 발생기로 구성하여 된것을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치.