KR100420533B1 - 플라즈마 공정장치 및 이를 이용한 플라즈마 식각방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 플라즈마 공정장치는; 반도체소자 제조공정이 진행되는 진공챔버; 복수개의 안테나 코일이 서로 병렬연결되어 이루어지는 병렬 공명 안테나; 상기 진공챔버 내에 플라즈마가 발생되도록 상기 병렬 공명 안테나에 고주파 전력을 동작 책무비(duty ratio)가 5 내지 95%가 되도록 펄스형태로 인가하는 펄스 변조 고주파 발진기; 상기 펄스 변조 고주파 발진기와 상기 병렬 공명 안테나 사이의 임피던스 정합을 위하여 설치되는 임피던스 정합장치; 상기 임피던스 정합장치와 상기 병렬 공명 안테나 사이에 직렬로 설치되는 공명 커패시터; 를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 병렬 공명 안테나를 사용하기 때문에 넓은 공간에 걸쳐 플라즈마를 균일하게 형성시킬 수 있으므로 300mm 이상의 대구경 웨이퍼 공정에 적합하다. 또한, 병렬 공명 안테나에 계속적으로 고주파 전력을 인가하는 것이 아니라 이를 펄스형태로 인가하여 플라즈마의 전자온도를 낮춤으로써 CFx의 해리도를 조절할 수 있게 되는 바 SiO2 박막의 식각선택비를 높일 수 있게 된다.
Description
본 발명은 플라즈마 공정장치에 관한 것으로서, 특히 펄스 변조 병렬 공명 안테나를 이용하여 유도결합형 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 공정장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 플라즈마 공정장치를 이용하여 효과적인 플라즈마 식각을 행하는 방법에 관한 것이기도 하다.
도 1은 종래의 플라즈마 공정장치를 설명하기 위한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 평판형 전극(20)은 진공챔버(10) 내의 절연판(40) 상에 놓여진다. 웨이퍼(미도시)는 평판형 전극(20)과 대향하도록 설치된 지지대(30) 상에 놓여진다. 지지대(30) 표면에는 정전척(ESC)이 놓여지는 경우가 많으며 이 때 웨이퍼는 정전척 상에 놓여진다. 진공챔버(10)에는 기체주입구(12) 및 기체배출구(14)가 마련되어 있다.
평판형 전극(20)에는 제1 펄스 변조 고주파 발진기(24)를 통하여 13.56MHz의 고주파 전력이 펄스형으로 인가되며, 지지대(30)에는 제2 펄스 변조 고주파 발진기(34)를 통하여 2MHz 또는 4MHz의 고주파 전력이 펄스형으로 인가된다. 제1 펄스 변조 고주파 발진기(24)와 평판형 전극(20) 사이 및 제2 펄스 변조 고주파 발진기(34)와 지지대(30) 사이에는 임피던스 정합을 위하여 임피던스 정합장치(impedance matching box: IMB, 22, 32)가 각각 설치된다. 지지대(30)에 반드시 고주파 전력이 인가되어야 하는 것은 아니다.
상술한 바와 같이 펄스 변조 고주파 전력을 이용하는 종래의 플라즈마 공정장치는 CCP(Capacitively Coupled Plasma)형이다. 고주파 전력을 펄스 변조하는 이유는 첫째, 플라즈마 밀도 및 전자온도를 제어하기 위한 것이고, 둘째 플라즈마의 온도를 낮추어 공정기체의 해리를 조절하기 위한 것이며, 셋째 웨이퍼에 형성된 반도체 셀 내에 축적(charge)된 전하를 펄스 플라즈마로 제거하여 이에 따른 손상을 제거하기 위함이다.
그러나, 종래의 펄스 변조 플라즈마 공정장치는 CCP형이기 때문에 플라즈마를 넓은 공간에 걸쳐 균일하게 형성시키기가 어렵다. 이는 최근 웨이퍼가 대구경화되고 있는 추세에 적합하지 않다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기한 펄스 변조의 잇점을 가지면서 넓은 공간에 걸쳐 균일한 플라즈마가 발생되도록 하여 300mm 이상의 대구경 웨이퍼가 적용되는 공정에 적합한 플라즈마 공정장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 기술적 과제의 달성에 의해 제공되는 플라즈마 공정장치를 이용한 플라즈마 식각방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 플라즈마 공정장치를 설명하기 위한 개략도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 공정장치를 설명하기 위한 개략도;
도 3a는 도 2의 병렬 공명 안테나(120)와 임피던스 정합장치(22)와의 배치관계를 나타낸 도면이고, 도 3b는 도 3a에 공간 커패시터(Cs)가 포함된 등가회로;
도 4는 도 2의 플라즈마 공정장치를 사용하여 플라즈마 식각을 수행할 때 제1 펄스 변조 고주파 발진기(24)에 의해 병렬 공명 안테나(120)에 가해지는 전력 펄스를 설명하기 위한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
10: 진공챔버 12: 기체주입구
14: 기체배출구 20: 평판형 전극
24: 제1 펄스 변조 고주파 발진기
30: 지지대
34: 제2 펄스 변조 고주파 발진기
40: 절연판 122: 병렬 공명 안테나
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 공정장치는; 반도체소자 제조공정이 진행되는 진공챔버; 복수개의 안테나 코일이 서로 병렬연결되어 이루어지는 병렬 공명 안테나; 상기 진공챔버 내에 플라즈마가 발생되도록 상기 병렬 공명 안테나에 고주파 전력을 동작 책무비(duty ratio)가 5 내지 95%가 되도록 펄스형태로 인가하는 펄스 변조 고주파 발진기; 상기 펄스 변조 고주파 발진기와 상기 병렬 공명 안테나 사이의 임피던스 정합을 위하여 설치되는 임피던스 정합장치; 상기 임피던스 정합장치와 상기 병렬 공명 안테나 사이에 직렬로 설치되는 공명 커패시터; 를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 식각방법은, 실리콘산화막이 표면에 형성된 기판을 상기 진공챔버에 장입한 후에, 상기 진공챔버에 CFx 함유 기체를 공급하면서 상기 펄스 변조 고주파 발진기를 통하여 상기 병렬 공명 안테나에 13.56 내지 300MHz의 주파수를 갖는 고주파 전력을 5μsec ~ 0.1 sec의 펄스주기로 인가하되 그 동작 책무비가 5 내지 95%가 되도록 인가하여 상기 CFx 함유기체를 플라즈마 상태로 만들어 상기 실리콘산화막을 식각하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 공정장치를 설명하기 위한 개략도이다. 도면에 있어서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며 반복적인 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 넓은 공간에 플라즈마를 균일하게 형성시키기 위하여 평판형 전극(20) 대신에 병렬 공명 안테나(120)가 사용되었다는 점이 종래와의 차이이다. 공명 안테나를 사용하면 넓은 공간에 걸쳐 ICP(Inductively Coupled Plasma)를 얻을 수 있는데 이는 1×1011∼2×1012이온/㎝3가량의 고밀도 플라즈마(High Density Plasma, HDP)이다. 특히, 그 효율을 높이기 위해서 직렬 공명 안테나 보다는 병렬 공명 안테나가 유리하다. 따라서, 본 발명은 병렬 공명 안테나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
제1 펄스 변조 고주파 발진기(24)를 병렬 공명 안테나(120)에 고주파 펄스를 인가하면, 병렬 공명 안테나(120)는 도 3a와 같은 구조를 하므로 병렬 공명 안테나(120)에 자기장이 유도되고, 이러한 유도 자기장에 의해서 다시 유도 전기장이 발생하게 된다. 이러한 유도 전기장에 의해서 진공챔버(10) 내의 기체들이 활성화되어 플라즈마(40)가 발생하게 된다. 병렬 공명 안테나(120)와 진공챔버(10) 사이에는 공간 커패시터(stray capacitor, Cs)가 존재한다.
도 3a는 도 2의 병렬 공명 안테나(120)와 임피던스 정합장치(22)와의 배치관계를 나타낸 도면이고, 도 3b는 도 3a에 공간 커패시터(stray capacitor, Cs)가 포함된 등가회로를 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 병렬 공명 안테나(120)는 안테나 코일 L1, L2, L3 및 L4가 서로 병렬연결되어 이루어진다. 여기서, L4가 최외각에 위치한다. 임피던스 정합장치(22)와 최외각 안테나 코일(L4) 사이에는 공명 커패시터(C3)가 직렬로 설치되어 있다. 안쪽 안테나 코일(L1, L2, L3)의 기여를 무시한다면, 공간 커패시터(Cs)는 최외각 안테나 코일(L4)과 병렬 연결된 상태가 된다.
제1 펄스 변조 고주파 발진기(24)에서 인가되는 전력의 주파수가 커질수록 플라즈마에 전달되는 에너지는 유도성 에너지 보다 용량성 에너지가 더 우세하게 된다. 즉, 주파수가 커질수록 공간 커패시터(Cs)에 의한 기여가 커지게 되어 플라즈마(40)는 주로 용량성 방식(capacitively coupled type)에 의해 형성되게 된다. 따라서, 초단파 영역(20MHz ~ 300MHz)에서는 유도성 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP)에 대한 용량성 플라즈마(capacitively coupled plasma, CCP) 성분의 영향이 무시 못할 정도로 커지게 되어 플라즈마의 균일도가 나빠지게 된다.
한편, 공명 커패시터(C3)와 병렬 공명 안테나(120) 사이의 공명 주파수 ω는 1/(LaㆍC3)1/2으로 나타낼 수 있는데, 여기서 병렬 공명 안테나(120)의 전체 임피던스 La는 병렬 공명 안테나(120)의 기하학적 구조에 의해서 고정되어 버리기 때문에, 매우 작은 예컨대 5pF 이하의 C3를 사용하면 초단파 영역(20MHz ~ 300MHz)에서도 공명이 일어날 수 있게 되어 좋다. 공명이 제대로 이루어지지 않으면, 공간 커패시터(Cs)에 의한 기여가 커지게 되어 플라즈마는 주로 용량성 방식(capacitively coupled type)에 의해 형성되게 된다.
ULSI급 반도체소자를 제조하는데 있어서 콘택홀 형성을 위해 SiO2를 식각하는 기술이 매우 중요하다. 이 때, SiO2가 비등방성으로 식각되어야 하며, SiO2/PR(photoresist), SiO2/Si, SiO2/SiN 등의 식각 선택비가 좋아야 한다. 높은 비등방성 식각율을 얻기 위해서는 CCP보다는 ICP가 적합하며, 식각기체로서는 통상 불화탄소 기체(CxFy, flourocarbon gases)가 사용된다. 이는, 불화탄소 플라즈마를 이용할 경우, 고분자 불화물(fluoropolymer)이 Si 표면에 축적되기 때문에 이러한 고분자 불화물에 의하여 Si, SiN 등은 느리게 식각되고 SiO2는 상대적으로 빨리 식각되어 SiO2/Si, SiO2/SiN의 식각 선택비가 증가하기 때문이다.
불화탄소 기체를 이용할 경우에는 위와같이 CxFy/F의 비가 SiO2의 선택적 식각에 큰 영향을 미친다. 즉, CxFy/F의 비가 작을수록 플라즈마 내의 F 함량이 많아져서 고분자 불화물이 많이 형성되기 때문에 SiO2의 선택적 식각이 잘 일어나게 된다. 그러나, CxFy/F의 비가 너무 작으면 상대적으로 CxFy의 양이 작기 때문에 SiO2의 식각 속도가 느려지게 되어 SiO2/Si의 식각 선택비가 오히려 작아진다.
ICP는 CCP에 비하여 높은 CxFy 해리율(high dissociation rate, CF2 + e →CF + F + e)를 갖는다. 따라서, ICP를 이용할 경우에는 F 원자가 과도하게 생성되어 상대적으로 CxFy의 양이 작아져서 즉, CxFy/F의 비가 너무 작아서 SiO2/Si , SiO2/SiN 식각 선택비가 오히려 줄어들는 문제점을 가지고 있다.
CxFy의 높은 해리율은 플라즈마 내의 높은 전자온도(high electron temperature)에 의해 지배적으로 영향을 받는다. Y. 히코사카(Hikosaka)는, 전자온도가 미소하게 증가하더라도 CF2의 해리율은 파급적으로 크게 증가한다고 보고하고 있다(참고문헌: Y. Hikosaka, M. Nakamura and H. Sugai, Jpn. J. Appl. Phys. 33, 2157, 1994).
따라서, ICP를 이용하여 높은 SiO2식각선택비를 얻기 위해서는 플라즈마 내의 전자온도를 예컨대 2eV 이하로 감소시킬 필요가 있다. 이를 위해 병렬 공명 안테나(120)에 고주파 전력을 계속 인가하는 것이 아니라 펄스 형태로 인가한다.
도 4는 도 2의 플라즈마 공정장치를 사용하여 플라즈마 식각을 수행할 때 제1 펄스 변조 고주파 발진기(24)에 의해 병렬 공명 안테나(120)에 가해지는 고주파 펄스를 설명하기 위한 그래프이다. 여기서, 참조부호 T는 펄스의 주기이며, A는 펄스가 인가되는 시간이다. 병렬 공명 안테나(120)에는 13.56MHz가 인가될수도 있으며, 20MHz~300MHz도 인가될수도 있다. 펄스 주파수는 10Hz~200kHz 이면 좋다. 즉, 펄스 주기(T)는 5μsec ~ 0.1 sec인 것이 좋다. 동작 책무비(duty ratio)는 A/T x 100으로 표현될 수 있는데, 5 ~ 95% 가 되도록 하는 것이 바람직하다.
도면에서 알 수 있듯이, 고주파 펄스가 인가될 때에는 전자온도가 2~3eV이고, 고주파 펄스가 인가되지 않을 때에는 전자온도가 0~2eV이다. 따라서, 평균적으로는 전자온도가 2eV 이하가 되어 상술한 바와 같이 CFx 기체를 사용하여 SiO2 박막을 식각할 때, SiO2/PR(photoresist), SiO2/Si, SiO2/SiN 등의 식각선택비가 좋아지게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 병렬 공명 안테나(120)를 사용하기 때문에 넓은 공간에 걸쳐 플라즈마를 균일하게 형성시킬 수 있으므로 300mm 이상의 대구경 웨이퍼 공정에 적합하다. 또한, 병렬 공명 안테나(120)에 계속적으로 고주파 전력을 인가하는 것이 아니라 이를 펄스형태로 인가하여 플라즈마의 전자온도를 낮춤으로써 CFx의 해리도를 조절할 수 있게 되는 바 SiO2 박막의 식각선택비를 높일 수 있게 된다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.
Claims (4)
- 반도체소자 제조공정이 진행되는 진공챔버;복수개의 안테나 코일이 서로 병렬연결되어 이루어지는 병렬 공명 안테나;상기 진공챔버 내에 플라즈마가 발생되도록 상기 병렬 공명 안테나에 고주파 전력을 동작 책무비(duty ratio)가 5 내지 95%가 되도록 펄스형태로 인가하는 펄스 변조 고주파 발진기;상기 펄스 변조 고주파 발진기와 상기 병렬 공명 안테나 사이의 임피던스 정합을 위하여 설치되는 임피던스 정합장치;상기 임피던스 정합장치와 상기 병렬 공명 안테나 사이에 직렬로 설치되는 공명 커패시터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 펄스 주기가 5μsec ~ 0.1 sec인 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장치.
- 제1항의 플라즈마 공정장치를 이용하는 플라즈마 식각방법에 있어서,실리콘산화막이 표면에 형성된 기판을 상기 진공챔버에 장입한 후에, 상기 진공챔버에 CFx 함유 기체를 공급하면서 상기 펄스 변조 고주파 발진기를 통하여상기 병렬 공명 안테나에 13.56 내지 300MHz의 주파수를 갖는 고주파 전력을 5μsec ~ 0.1 sec의 펄스주기로 인가하되 그 동작 책무비가 5 내지 95%가 되도록 인가하여 상기 CFx 함유기체를 플라즈마 상태로 만들어 상기 실리콘산화막을 식각하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각방법.
- 제3항에 있어서, 상기 실리콘산화막이 실리콘질화막 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각방법.
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