KR100266671B1 - 반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법 - Google Patents

반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법에 관한 것으로, 종래에는 헬륨가스 배기단계에서 웨이퍼의 표면이 양극(+)을 띠게 되어 음극(-)으로 대전(帶電)된 파티클이 들러붙게 되는 한편, 처킹력 제거단계에서도 각 요소들이 중성을 유지하게 되어 챔버내의 파티클이 웨이퍼의 표면에 낙하하면서 들러붙게 되는데, 이러한 파티클은 웨이퍼의 일드를 현저하게 저하시키는 요인이 되었던 바, 본 발명에서는 통상적인 챔버 안정화단계 및 에칭단계를 진행한 다음에, 하부전극의 바이어스파워를 오프시킨 상태에서 플라즈마를 형성시키면서 불활성가스를 공급함과 동시에 웨이퍼의 저면측에 채워진 헬륨가스를 제거시키는 단계와, 상기 하부전극의 바이어스파워를 오프시킨 상태에서 플라즈마를 형성시키면서 불화성가스를 공급함과 동시에 웨이퍼를 고정시키는 디시 볼타지를 오프시켜 웨이퍼를 고정시켜주던 처킹력을 제거하고 에칭공정을 마친 웨이퍼를 공정챔버로부터 인출시키는 단계로 수행함으로써, 헬륨가스의 배기단계 및 웨이퍼를 고정시키는 처킹력 제거단계에서 웨이퍼의 표면에 대전(帶電)된 파티클 또는 낙하하는 파티클이 달라붙지 않도록하여 웨이퍼의 일드를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법
본 발명은 반도체 플라즈마 에칭장비에 관한 것으로, 특히 웨이퍼의 표면에 이물질이 달라붙지 않도록 하여 웨이퍼의 일드(yield)를 향상시킬 수 있는 반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 웨이퍼의 에칭장비에 있어서, 공정챔버에 파티클이 발생되면 생산성 척도의 하나인 일드(Yield)가 급격하게 저하되므로, 최근에는 공정챔버의 동작부품(moving part)을 최소화하기 위하여 웨이퍼 척을 기계적인 힘을 이용하던 방식에서 정전기를 이용하는 방식으로 전환하게 되었는데, 이와 같은 종래의 반도체 플라즈마 에칭장비는 제1도에 도시된 바와 같이, 공정챔버(1)의 일측에는 그 챔버(1)내를 공정진공상태로 조성하기 위한 진공펌프를 포함하는 펌프 어셈블리(2)가 설치되어 있고, 타측에는 아르곤(Ar)가스를 공급하기 위한 가스공급라인(3)이 연결 설치되어 있으며, 하부의 매치박스(4)에는 공정에 필요한 알에프 파워(RF POWER)를 공급하는 알에프 제네레이터(5)가 연결 설치되어 있는 한편, 상기 가스공급라인(3)에는 챔버(1) 내부로 유입되는 아르곤 가스의 양을 조절하기 위한 매스 플로워 컨트롤러(MFC : Mass Flow Controller)(6)가 착설되어 있다.
또한, 상기 공정챔버(1)의 또다른 일측에는 웨이퍼(미도시)를 냉각시켜 주기 위한 헬륨가스 공급라인(8) 및 헬륨가스 배기라인(9)이 연결 설치되어 있다.
도면중 미설명 부호인 7a 및 7b는 매뉴얼 밸브이고, 10은 압력계, 11은 에어밸브, 12는 매우 플로우 콘트롤러이다.
상기와 같은 일반적인 플라즈마 에칭장비에서는 플라즈마 소스로 불활성가스인 아르곤 가스를 사용하여 알에프 제네레이터(5)에서 공급되는 파워로 플라즈마를 형성함과 아울러, 진공펌프(미부호)로 챔버(1) 내부를 고진공 상태로 조성하면서 공정을 진행하게 되며, 여기서 상기 아르곤가스 공급라인(3)의 매스 플로우 콘트롤러(6)는 적정량의 아르곤 가스가 챔버(1) 내부로 유입되도록 콘트롤 하는 역할을 하게 된다.
이렇게, 고진공을 유지하고 있는 챔버(1)로 공급된 아르곤 가스에 300~500W의 파워를 공급하면, 그 아르곤 가스는 아래와 같이 이온 분해하게 되면서 플라즈마가 발생된다. (Ar→Ar++e-...)
이러한 아르곤 가스의 Ar+입자가 웨이퍼 표면을 깎아내는 것에 의해 금속배선 증착전에 웨이퍼에 성장된 자연 산화막을 제거하는 것이다.
이와 같은 에칭공정을 진행하는 공정과정은 다음과 같다.
즉, 상부전극(미부호) 및 하부전극(미부호)에 각각 소스파워(source power) 및 바이어스파워(bias power)를 인가하지 않은 상태에서 챔버의 제조건을 맞추는 챔버 안정화 단계와, 각 전극에 소스파워 및 바이어스파워를 인가하여 웨이퍼를 식각하는 에칭단계와, 상기 각 전극에 소스파워 및 바이어스파워를 인가하지 않은 상태에서 냉각제인 헬륨가스를 배출시키는 헬륨가스 배기단계와, 상기 각 전극에 소스파워 및 바이어스파워를 인가하지 않은 상태에서 정전척(electrostatic chuck)(미도시)의 처킹력(chucking force)을 제거하기 위하여 양극(+)의 디시 몰타지(DC voltage)를 오프시키는 단계로 진행하게 되는 것이었다.
이를 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 소스파워 및 바이어스파워의 인가전, 즉 플라즈마가 형성되기 전에 공정조건의 안정화 및 플라즈마의 인가시 각 요소에의 데미지(damage)를 줄여주기 위한 안정화 시간을 준 다음, 상기 공정챔버(1)내의 각종 요소들이 안정되면 소스파워 및 바이어스파워를 인가하여 플라즈마를 형성시키게 되는데, 이때 파워는 상부전극 및 하부전극으로 각각 인가되어 그 중에서 상부전극으로 인가된 소스파워는 플라즈마를 형성시키는 역할을 하는 반면, 하부전극에 인가된 바이어스파워는 에칭공정을 가능하게 한다.
제2(a)도는 에칭단계에서의 반응실내 정전척과 웨이퍼 및 챔버월(chamber wall)간의 볼타지 분포도로서, 이에 도시된 바와 같이 에칭단계에서는 웨이퍼의 표면은 음극(-)을 유지하게 되어 대부분 음극으로 대전(帶電)된 파티클의 접근이 억제된다.
다음, 에칭공정이 완료되면, 소스파워 및 바이어스파워를 오프시킨 상태에서 웨이퍼 배면과 정전척 사이의 헬륨가스를 헬륨가스 배기라인(9)을 통해 배출시키게 되는데, 여기서 상기 하부전극에 웨이퍼를 고정시키기 위한 양극(+)의 디시 볼타지만이 인가되어 그 하부전극에 대향되는 웨이퍼의 저면은 음극을 띠게 되는 반면 웨이퍼의 표면은 양극을 띠게 된다.
이 때의 볼타지 분포도는 제2(b)도에서와 같이, 대부분 음극(-)으로 대전(帶電)된 파티클이 양극(+)을 갖는 웨이퍼 표면으로 급속하게 이동하여 달라붙게 된다.
마지막으로, 웨이퍼를 고정시켜주는 처킹력을 제거하기 위하여 정전척에 가해진 양극(+)의 높은 볼타지를 오프시키게 되면, 제2(c)도에서와 같이 정전척 및 웨이퍼 그리고 챔버월 모두가 중성이 되면서 다량의 파티클이 웨이퍼에 자연낙하하거나 또는 전(前)단계에서 웨이퍼의 표면에 달라붙어 있던 그대로 잔존하게 되는 것이었다.
이와 같이 종래의 플라즈마 에칭장비에 있어서는, 헬륨가스 배기단계에서 웨이퍼의 표면이 양극(+)을 띠게 되어 음극(-)으로 대전(帶電)된 파티클이 둘러붙게 되는 한편, 처킹력 제거단계에서도 각 요소들이 중성을 유지하게 되어 챔버내의 파티클이 웨이퍼의 표면에 낙하하면서 들러붙게 되는데, 이러한 파티클은 웨이퍼의 일드를 현저하게 저하시키는 요인이 되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법이 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 헬륨가스의 배기단계 및 처킹력 제거단계에서 웨이퍼의 표면에 대전(帶電)된 파티클 또는 낙하하는 파티클이 달라붙지 않도록 하여 웨이퍼의 일드를 향상시킬 수 있는 반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법을 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.
제1도는 일반적인 반도체 플라즈마 에칭장비를 보인 개략도.
제2도는 종래 플라즈마 에칭장비의 공정순서도.
제3(a)도 내지 제3(c)도는 종래 플라즈마 에칭장비의 각 단계별 하부전극 및 웨이퍼 및 챔버월 간의 전위 분포도.
제4도는 본 발명에 따른 플라즈마 에칭장비의 공정순서도.
제5(a)도 내지 제5(d)도는 본 발명의 플라즈마 에칭장비의 각 단계별 하부전극 및 웨이퍼 및 챔버월 간의 분포도.
제6도는 본 발명에 의한 플라즈마 에칭장비에서 이물질 제거에 관한 추이도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 공정챔버 2 : 펌프 조립체
3 : 아르곤가스 공급라인 4 : 매치박스
5 : 알에프 제네레이터 8 : 헬륨가스 공급라인
9 : 헬륨가스 배기라인
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 통상적인 챔버 안정화 단계 및 에칭 단계를 진행한 다음에, 하부전극의 바이어스파워를 오프시킨 상태에서 플라즈마를 형성시키면서 불활성가스를 공급함과 동시에 웨이퍼의 저면측에 채워진 헬륨가스를 제거시키는 단계와, 상기 하부전극의 바이어스파워를 오프시킨 상태에서 플라즈마를 형성시키면서 불화성가스를 공급함과 동시에 웨이퍼를 고정시키는 디시 볼타지를 오프시켜 처킹력을 제거하고 에칭공정을 마친 웨이퍼를 공정챔버로부터 언로딩시키는 단계로 진행함을 특징으로 하는 반도체 플라즈마 에칭장비를 대전 이물질 제어방법이 제공된다.
이하, 본 발명에 의한 반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법을 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
제5도는 본 발명에 따른 플라즈마 에칭장비의 공정순서도이고, 제5(a)도 내지 제5(d)도는 본 발명 플라즈마 에칭장비의 각 단계별 하부전극 및 웨이퍼 및 챔버월 간의 전위 분포도이며, 제6도는 본 발명에 의한 플라즈마 에칭장비에서의 이물질 제거에 관한 추이도이다.
본 발명은 공정챔버의 안정화 단계 및 에칭단계를 마친 이후에 이어지는 헬륨가스를 제거하는 단계 및 정전척의 처킹력 제거단계에서 상부전극의 소스파워만을 유지한 채 불활성가스인 아르곤(Ar)가스를 공급하여 플라즈마를 형성시킴과 아울러 하부전극의 바이어스파워를 제거하여 웨이퍼의 전위를 제로볼트(O V) 내지는 음극(-)이 되도록 함으로써, 통상 음극(-)으로 대전(帶電)된 파티클이 웨이퍼에 달라붙지 않도록 하는 것이다.
이를 보다 상세히 설명하면 제4도에 도시된 바와 같다.
즉, 종래에는 공정챔버(1)가 제조건을 만족하도록 상부전극(미부호) 및 하부전극(미부호)에 각각 소스파워 및 바이어스파워를 인가하지 않은 상태에서 챔버(1)에 대한 안정화 단계를 실시하고, 이어서 상부전극 및 하부전극에 각각 소스파워 및 바이어스파워를 인가함과 아울러 아르곤(Ar) 가스를 공급하여 플라즈마를 형성시키고, 이 과정에서 웨이퍼가 특정패턴에 따라 에칭되도록 한 이후에, 상기 각 파워를 오프시켜 플라즈마가 중지되도록 하고 나서 웨이퍼 배면측에 채워진 고압의 헬륨가스를 배기시킨 다음에, 웨이퍼를 고정시키기 위한 정전척의 처킹력을 제거하는 것이었으나, 본 발명에서는 상기의 챔버 안정화 단계 및 웨이퍼에 대한 에칭단계를 종래와 동일하게 진행하여 제5(a)도에서와 같이 정전척은 양극, 웨이퍼는 음극, 그리고 챔버월까지는 양극을 띠도록 한 다음에, 헬륨가스를 배기시키는 단계에서 불활성가스인 아르곤을 공정챔버(1)내로 적정량 공급시킴과 아울러 상부전극에만 소스파워를 인가하여 플라즈마를 형성시킨다.
이때, 상기 하부전극에는 바이어스파워를 오프시켜야 하는데, 이는 이미 에칭공정이 완료된 상태이나 아르곤 가스에 의한 플라즈마가 지속적으로 생성되면 웨이퍼에 물리적 에칭이 발생하여 웨이퍼가 크게 손상을 입을 수 있기 때문이다.
이렇게, 상기 헬륨가스의 배기단계에서 하부전극에 바이어스 파워가 공급되지 않으므로, 제5(b)도에 도시된 바와 같이 웨이퍼에 걸리는 전위는 제로볼트(0 V)가 되거나 또는 음극(-)이 되어 에칭중에 음극(-)으로 대전(帶電)된 파티클이 웨이퍼에 달라 붙지 않고 플라즈마에 혼합되어 있게 되는데, 이 플라즈마에 혼합된 파티클은 헬륨 가스의 배기단계에서 별도의 펌프를 이용하여 외부로 배출시킨다.
한편, 헬륨가스의 배기단계 이후에 진행하는 정전척의 처킹력 제거단계에서도 종래와는 다르게 불활성가스인 아르곤을 적정량 공급함과 아울러 상부전극에만 소스파워를 공급하여 플라즈마를 유지시키는 것으로, 이는 제5(c)도에 도시된 바와 같이 하부전극에 바이어스 파워가 공급되지 않으므로, 웨이퍼에 걸리는 전위는 헬륨가스 배기단계에서와 마찬가지로 제로볼트(0 V)가 되거나 또는 음극(-)이 되어 에칭중 또는 그 이후에 발생되어 대전(帶電)된 파티클이 웨이퍼에 달라붙지 않고 플라즈마에 혼합되어 있게 되는데, 이 플라즈마에 혼합된 파티클은 헬륨가스의 배기단계에서와 같이 별도의 펌프를 이용하여 외부로 배출시킨다.
이때, 상기 정전척에서 디시 볼타지가 완전히 오프되는 순간 상부전극의 소스파워 및 아르곤 가스의 공급도 정지시켜 플라즈마가 더 이상 형성되지 않도록 하여 제5(d)도에서와 같이 정전척 및 웨이퍼 그리고 챔버월이 모두 중성이 되는 전위분포를 갖도록 한다.
여기서, 상기 헬륨가스 배기단계 및 처킹력 제거단계에서의 각 파워는 1W~10000W이고, 공정챔버의 압력은 1.0×10-5mT ~ 1.0 Torr인 것이 바람직하다.
이렇게 하여 제6도에 도시된 바와 같이, 헬륨가스 배기단계 및 처킹력 제거단계에서 아르곤 플라즈마를 형성시키게 되면, 평균갯수가 22개 감소되는 것은 물론 표준편차가 8.2 정도 감소하게 되어 효율이 69.8% 정도 향상된다.
본 실시예에서는 불활성가스로 아르곤을 사용하였으나, 본 발명의 범위를 만족하는 헬륨(He)가스 등의 불활성가스이면 족하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법은, 통상적인 챔버 안정화 단계 및 에칭단계를 진행한 다음에, 하부전극의 바이어스파워를 오프시킨 상태에서 플라즈마를 형성시키면서 불활성가스를 공급함과 동시에 웨이퍼의 저면측에 채워진 헬륨가스를 제거시키는 단계와, 상기 하부전극의 바이어스파워를 오프시킨 상태에서 플라즈마를 형성시키면서 불화성가스를 공급함과 동시에 웨이퍼를 고정시키는 디시 볼타지를 오프시켜 웨이퍼를 고정시켜주던 처킹력을 제거하고 에칭공정을 마친 웨이퍼를 공정챔버로부터 인출시키는 단계로 수행함으로써, 헬륨가스의 배기단계 및 웨이퍼를 고정시키는 처킹력 제거단계에서 웨이퍼의 표면에 대전(帶電)된 파티클 또는 낙하하는 파티클이 달라붙지 않도록 하여 웨이퍼의 일드를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 상부전극 및 하부전극에 각각 소스파워 및 바이어스파워를 인가하지 않은 상태에서 공정챔버의 조건을 맞추는 챔버 안정화 단계와, 상부전극 및 하부전극에 각각 소스파워 및 바이어스파워를 인가함과 아울러 공정가스를 공급하여 웨이퍼에 특정패턴을 형성시키는 에칭단계와, 상부전극에만 소스파워를 인가하는 반면 하부전극에는 바이어스파워를 인가하지 않은 상태에서 불활성가스를 공급하여 플라즈마를 형성시킴과 동시에 웨이퍼의 저면에 채워진 냉각가스를 배출시키는 냉각가스 배기단계와, 상부전극에만 소스파워를 인가하는 반면 하부전극에는 바이어스파워를 인가하지 않은 상태에서 불활성가스를 공급하여 플라즈마를 형성시킴과 동시에 에칭공정이 완료된 웨이퍼를 이송시키기 위하여 하부전극에 인가된 디시 볼타지(DC Voltage)를 오프시키는 처킹력(chucking force) 제거단계로 수행함을 특징으로 하는 반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불활성가스는 아르곤(Ar)인 것을 특징으로 하는 반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 불활성가스는 헬륨(He)인 것을 특징으로 하는 반도체 플라즈마 에칭장비의 대전 이물질 제어방법.
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