KR100429378B1 - 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상부전극과 하부전극의 간격을 조정하지 않고도 이온 피폭 강도 및 이온 피폭 량을 조절할 수 있도록 한 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

본 발명은 반응가스가 주입되어 웨이퍼에 대한 소정의 플라즈마 식각공정이 수행되는 챔버와; 챔버 내에 고정되어 플라즈마를 발생하도록 소정 전위의 전원을 공급받는 상부전극 및 하부전극과; 상부전극 및 하부전극에 소정 전위의 전원을 공급하는 주 전원부를 포함하며; 상부전극은, 챔버의 중심 축으로부터 일정 반경을 갖는 다수의 영역으로 분할되고, 분할된 다수의 영역 사이에 절연체가 개재되며, 분할된 다수의 영역에는 주 전원부로부터 소정 전위의 전원이 각각 독립적으로 공급되도록 연결되며; 주 전원부로부터의 소정 전위의 전원이 분할된 다수의 영역에 공급되는 것을 스위칭하도록 분할된 다수의 영역에 일대일 대응되도록 구성된 다수의 제1 스위칭소자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치{Apparatus for plasma generated using semiconductor wafer etching process}

본 발명은 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상부전극과 하부전극의 간격을 조정하지 않고도 이온 피폭 강도 및 이온 피폭 량을 조절할 수 있도록 한 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

일반적인 반도체의 웨이퍼 식각용 플라즈마 발생장치는 이온화된 고온의 플라즈마를 이용하여 웨이퍼에 형성된 물질(Si₃N₄, Polysilicon, Aluminum, Photo resist 등)을 기화(氣化), 회화(灰化)시켜 제거하는 장치이다.

플라즈마를 형성시키기 위한 방식으로 평판 플라즈마, 활성이온 플라즈마, 유도 플라즈마, 전자공명 플라즈마 등이 소개되어 있으며, 플라즈마 응용분야는 반도체 소자 제조기술과 더불어 발전해왔다. 그러나, 플라즈마를 형성하는 방법의 차이에 기준을 두고 응용장비를 만들었기 때문에 각각의 플라즈마 소스는 개별적인 특성이 있음에도 불구하고, 그 응용분야는 매우 한정되어 있었다. 또한, 발전된 고밀도 플라즈마 소스들은 저압에서 운용됨을 원칙으로 하기 때문에 저전위 전력을 가지고도 이온 피폭의 수준을 조절할 수 있다. 그러나, 이 방식은 더 많은 구동부위와 더 많은 구조물들이 필요하게 된다. 장치의 가격은 부품의 수와 구동부위의많고 적음에 영향을 받기 때문에 실제 응용분야에서는 원가에 적잖은 압박을 주게 된다.

고주파 전원이 공급되는 전극과 접지부 사이에서 전계의 차이에 의해 형성된 플라즈마 영역 안의 이온들이 전자가 과도하게 축적된 전극으로 유도되며, 이들 이온의 웨이퍼 표면 피폭이 물리적인 식각을 이루어낸다.

이러한 이온 피폭의 강도 및 이온 피폭 량을 조절하는 방법은 첫째, 두 개의 전극의 간격을 조절하는 방법과, 둘째, 상대 전극의 면적을 증감하는 방법, 및 셋째, 고주파 전원의 강도를 조절하는 방법 등 크게 세 가지로 구분할 수 있다.

여기서, 두 개의 전극의 간격을 조정하는 방법은 전극의 간격을 조정하기 위해 전극을 구동하여야 하므로, 외부와의 밀봉부위가 구동되는 결과가 발생하며, 이로 인해, 마찰에 의한 먼지 입자가 발생하고, 구동부위의 면적에 따른 밀폐 효율이 저하되는 현상이 발생한다. 따라서, 두 개의 전극의 간격을 조정하여 이온 피폭의 강도 및 이온 피폭 량을 조절하는 것은 바람직하지 않다.

또한, 고주파 전원의 강도를 조정하는 방법은 고주파 전원의 강도 변화에 따른 이온 피폭에 의한 웨이퍼의 물리적인 결함을 초래한다. 따라서, 고주파 전원의 강도를 조정하여 이온 피폭의 강도 및 이온 피폭 량을 조절하는 것은 바람직하지 않다.

또한, 전극의 면적을 증감하는 방법은 필요에 따라 전극을 교체하여야 하는 불편함이 발생한다. 따라서, 작업 공정이 비효율적으로 운용되는 결과가 발생한다.

또한, 종래의 플라즈마 발생장치에는 이온 피폭이 상부전극과 하부전극에서만 발생하므로, 측벽에는 불순물이 침착되는 현상이 발생하며, 이로 인하여 플라즈마 발생장치의 효율이 저하되고, 플라즈마의 오염이 발생한다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점(들)을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전극을 교체할 필요 없이 간단한 조작만으로 전극의 면적을 증감시켜 이온 피폭의 강도 및 피폭 량을 가변할 수 있도록 한 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 플라즈마 발생장치의 측벽에 일정 레벨의 전위를 강제로 공급함으로써, 이온 피폭을 측벽으로 유도하여 측벽에 침착된 불순물을 강제로 제거할 수 있도록 한 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치의 개략적 구성도이고,

도 2는 본 발명에 의한 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치의 실시예를 나타내는 외관도이며,

도 3은 상부 및 하부전극에 공급되는 주 전원의 전위와 측벽에 공급되는 보조 전원의 전위의 관계를 나타내는 도면이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

101: 웨이퍼 102: 챔버

103: 플라즈마 104, 104a, 104b, 104n: 상부전극

105: 하부전극 106: 주 전원부

107: 측부전극 108a, 108b: 보조 전원부

109, 112: 절연체 110a, 110b, 111a, 111b: 스위치

이와 같은 목적(들)을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 반응가스가 주입되어 웨이퍼에 대한 소정의 플라즈마 식각공정이 수행되는 챔버와; 챔버 내에 고정되어 플라즈마를 발생하도록 소정 전위의 전원을 공급받는 상부전극 및 하부전극과; 상기 상부전극에는 기준전위를 공급하고, 상기 하부전극에는 상기 기준전위에 대해 소정의 전위차를 갖는 음전위의 전압을 공급하는 주 전원부를 포함하며, 상기 상부전극은, 상기 챔버의 중심 축으로부터 일정 반경을 갖는 다수의 영역으로 분할되고, 상기 분할된 다수의 영역 사이에는 절연체가 개재되며, 상기 분할된 다수의 영역 각각에는 상기 주 전원부로부터 상기 소정 전위의 전원이 각각 독립적으로 공급되도록 스위칭하는 다수의 제 1 스위칭 소자가 연결된다.

여기서, 제1 스위칭소자는, 상부전극의 분할된 다수의 영역 중 챔버의 중심 축에 가장 가까운 영역을 제외한 나머지 영역에 일대일 대응되도록 구성된 것이 바람직하다.

또한, 챔버의 측면에 설치된 측부전극과; 측부전극에 주 전원부에서 공급되는 전원의 전위보다 낮은 전위의 보조전원을 공급하는 제1 보조 전원부와; 제1 보조전원부로부터 발생한 보조전원이 측부전극에 공급되는 것을 스위칭하는 제2 스위칭소자를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상부전극에 공급되는 기준전위보다 높은 전위의 보조 전원을 공급하는 제2 보조 전원부; 및 제2 보조전원부로부터 발생한 보조전원이 측부전극에 공급되는 것을 스위칭하는 제3 스위칭소자를 더 포함할 수도 있다.

이때, 제1 보조 전원부 및 제2 보조전원부에서 발생하는 보조 전원은, 직류전원인 것이 바람직하다.

여기서, 챔버의 측면에 설치된 측부전극과; 측부전극에 주 전원부에서 공급되는 전원의 전위 레벨보다 높거나 낮은 전위를 갖는 보조전원을 공급하는 보조 전원부와; 보조전원부로부터 발생한 보조전원이 측부전극에 공급되는 것을 스위칭하는 스위칭소자를 더 포함할 수도 있다.

이때, 보조 전원부에서 발생하는 보조 전원은, 직류전원인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예(들)에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기의 설명에서는 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1에는 본 발명에 의한 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치의 개략적 구성도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 의한 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치의 실시예를 나타내는 외관도가 도시되어 있으며, 도 3에는 상부 및 하부전극에 공급되는 주 전원의 전위와 측벽에 공급되는 보조 전원의 전위의 관계를 나타내는 도면이 도시되어 있다.

본 발명에 의한 플라즈마 발생장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 반응가스가 주입되어 웨이퍼(101)에 대한 플라즈마 식각공정이 수행되는 플라즈마 반응용 챔버(102)와, 이 챔버(102) 내에 고정되어 플라즈마(103)를 발생하는 상부전극(104) 및 하부전극(105)과, 상부전극(104) 및 하부전극(105)에 연결되어 음전위의 고주파 교류전원을 공급하는 주 전원부(106)와, 상부전극(104) 및 하부전극(105)의 외주면 측에 배치되어 플라즈마 발생장치(100) 내에서 발생한 부산물을 강제로 제거하는 측부전극(107)과, 측부전극(107)에 일정 전위의 직류전원을 공급하는 보조 전원부(108a, 108b)로 구성된다.

또한, 상부전극(104)은 다수의 영역으로 분할되어 있고, 각각 분할된 다수의 영역은 주 전원부(106)와 개별적으로 접속된다. 또한, 각각의 분할된 다수의 영역 사이에는 절연체(109)에 의해 가스의 밀봉상태가 유지되도록 하였다. 이때, 각각 분할된 다수의 영역을 플라즈마 발생장치의 중심 축을 기준으로 제1 영역(104a), 제2 영역(104b), …, 제N 영역(104n)으로 구분할 때, 제1 영역(104a)을 제외한 나머지 영역(104b~104n)에는 모두 주 전원부(106)와의 접속상태를 제어하도록 컨트롤러(도시되지 않았음)에 의해 제어되는 스위치(110a, 110b)가 구성된다.

또한, 보조 전원부(108a, 108b)와 측부전극(107) 사이에는 사용자가 조작 가능한 스위치(111a, 111b)가 설치되어, 필요에 따라 측부전극(107)에 보조 전원부(108a, 108b)에서 발생한 양전위 및 음전위의 직류전원이 공급되도록 구성된다. 즉, 보조 전원부(108a, 108b)는 상호 극성이 반전된 한 쌍의 전원으로 구성되며, 스위치(111a, 111b)의 조작에 의해 측부전극(107)에 양전위 혹은 음전위의 직류전원이 선택적으로 공급되도록 구성된다.

이때, 보조 전원부(108a)에서 공급되는 양전위의 직류전원은 플라즈마(103)내의 이온 피폭을 하부전극(105) 위에 놓여진 웨이퍼(101)로 유도하기 위하여, 플라즈마(103) 가스의 전위보다 높은 전위를 갖는다. 반대로, 보조 전원부(108b)에서 공급되는 음전위의 직류전원은 플라즈마(103)내의 이온 피폭을 측부전극(107)으로 유도하기 위하여 하부전극(105)에 공급되는 음전위의 교류전원보다 더 낮은 전위를 갖는다.

또한, 측부전극(107)과 상부전극(104) 및 하부전극(105) 사이에는 절연체(112)가 개재되어 가스를 밀봉하도록 구성되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 동작에 대하여 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 식각될 웨이퍼(101)를 챔버(102)의 내부에 투입한 후, 챔버(102)를 진공상태로 유지한 상태에서 챔버(102)내의 가스(적용 공정에 따라 달라질 수 있음)를 주입한다. 이후, 사용자가 웨이퍼 식각공정을 시작하면, 주 전원부(106)에서 공급되는 13.56㎒의 고주파 교류전원에 의해 하부전극(105)에 평행하게 전기장이형성되고, 이 전기장에 의해 전자들이 가속되면서 서로 충돌되거나 또는 이온들이 형성되면서(이온 피폭), 고밀도의 플라즈마(103)가 만들어져 웨이퍼(101) 표면의 식각 대상물과 화학반응을 일으키게 된다. 따라서, 웨이퍼(101) 표면의 식각 대상물이 식각된다.

이때, 컨트롤러(도시되지 않았음)의 제어에 따라 상부전극(104)에 연결된 다수의 스위치(110a, 110b)를 조합하여 개폐하면, 즉, 제1 영역(104a)만을 개폐한 상태와, 제1 영역(104a) 및 제2 영역(104b)을 개폐한 상태와, 제1 영역(104a)으로부터 제N 영역(104n)까지 모두 개폐한 상태의 차이에 따라 상부전극(104)의 면적이 변화되는 결과가 발생하므로, 이온 피폭의 강도 및 이온 피폭 량이 변화된다. 따라서, 상부전극(104)을 교체할 필요 없이 스위치(110a, 110b)의 조작만으로 상부전극(104)의 면적을 가변하여 이온 피폭의 강도 및 이온 피폭 량을 제어할 수 있다.

한편, 사용자가 보조 전원부(108a)에 접속된 스위치(111a)를 접속함에 따라, 플라즈마(103)의 가스의 전위보다 높은 전위의 직류전원이 측부전극(107)에 공급되고, 이로 인하여 측부전극(107)에서 발생한 전계에 의해 플라즈마(103)가 밀리는 현상이 발생한다. 따라서, 측부전극(107)에서 발생한 전계는 이온 피폭의 방향을 웨이퍼(101) 측으로 유도하는 결과가 발생한다.

또한, 사용자가 보조 전원부(108b)에 접속된 스위치(111b)를 접속함에 따라 하부전극(105)에 공급되는 교류전원의 전위보다 낮은 전위의 직류전원이 측부전극(107)에 공급되고, 이로 인하여 측부전극(107)에서 발생한 전계에 의해 플라즈마(103)가 당겨지는 현상이 발생한다. 따라서, 측부전극(107)에서 발생한 전계는 이온 피폭의 방향을 측부전극(107) 측으로 유도하는 결과가 발생한다. 이는 측부전극(107)에 침착된 부산물을 식각하는 결과가 발생하며, 이로 인하여 측부전극(107)에 침착된 부산물이 제거된다. 따라서, 부산물에 의한 오염을 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예(들)에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예(들)에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

결국, 본 발명에 의한 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치에 따르면 다음과 같은 이점(들)이 발생한다.

즉, 전극을 교체할 필요 없이 간단한 스위치 조작만으로 전극의 면적을 가변하여 이온의 피폭강도를 조정할 수 있으므로, 식각과 증착의 특성상 웨이퍼 표면에서 발생하는 화학적 반응의 비율과 이온 피폭의 물리적인 비율을 조정할 수 있어서 플라즈마의 물리적 특성을 임의대로 공정에 적용할 수 있다.

또한, 고주파 전원의 전위 변화와 전극의 이동에 따른 문제점을 극복할 수있으며, 반도체 웨이퍼 식각 공정의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

또한, 밀폐공간내의 측벽에 침착된 부산물을 강제로 제거할 수 있으므로, 웨이퍼 식각공정의 오염발생을 방지할 수 있고, 장비의 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 장비의 가동률을 증가시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 반응가스가 주입되어 웨이퍼에 대한 소정의 플라즈마 식각공정이 수행되는 챔버;

   상기 챔버 내에 설치되어 플라즈마를 발생하는 상부전극 및 하부전극;

   상기 상부전극에는 기준전위를 공급하고, 상기 하부전극에는 상기 기준전위에 대해 소정의 전위차를 갖는 음전위의 전압을 공급하는 주 전원부를 포함하며;

   상기 상부전극은, 상기 챔버의 중심 축으로부터 일정 반경을 갖는 다수의 영역으로 분할되고, 상기 분할된 다수의 영역 사이에는 절연체가 개재되며, 상기 분할된 다수의 영역 각각에는 상기 주 전원부로부터 상기 소정 전위의 전원이 각각 독립적으로 공급되도록 스위칭하는 다수의 제 1 스위칭 소자가 연결되는 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 스위칭소자는,

   상기 상부전극의 상기 분할된 다수의 영역 중 상기 챔버의 중심 축에 가장가까운 영역을 제외한 나머지 영역에 일대일 대응되도록 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 챔버의 측면에 설치된 측부전극;

   상기 측부전극에 상기 주 전원부에서 공급되는 전원의 전위보다 낮은 전위의 보조전원을 공급하는 제1 보조 전원부; 및

   상기 제1 보조전원부로부터 발생한 보조전원이 상기 측부전극에 공급되는 것을 스위칭하는 제2 스위칭소자를 더 포함하는 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 상부전극에 공급되는 상기 기준전위보다 높은 전위의 보조 전원을 공급하는 제2 보조 전원부; 및

   상기 제2 보조전원부로부터 발생한 보조전원이 상기 측부전극에 공급되는 것을 스위칭하는 제3 스위칭소자를 더 포함하는 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 제1 보조 전원부 및 상기 제2 보조전원부에서 발생하는 상기 보조 전원은,

   직류전원인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 식각 공정용 플라즈마 발생장치.