KR100513442B1 - 유도 결합 플라즈마 식각 장치 - Google Patents

Abstract

진공 챔버 내의 플라즈마 균일도를 조절할 수 있는 유도 결합 플라즈마 식각 장치가 개시되어 있다. 다수의 디스차지 코일이 설치되어 상기 진공 챔버 내에 그 반경 방향을 따라 불균일한 고주파 필드를 인가하며, 하나의 제1고주파 발진 소스가 제1연결 케이블을 통해 상기 코일과 연결되고, 각 코일에 인가되는 전압을 차등화하기 위한 다수의 제1감쇠기가 제공된다. 기판 하부에는 다수의 바이어스 전극이 설치되어 상기 기판에 불균일한 바이어스 전압을 인가하며, 하나의 제2고주파 발진 소스가 제2연결 케이블을 통해 각 바이어스 전극과 연결되고, 각 바이어스 전극에 인가되는 전압을 차등화하기 위해 다수의 제2감쇠기가 제공된다. 상기 각 제1 및 제2연결 케이블에는 제1 및 제2매치 네트워크가 설치되어 케이블의 특성 임피던스와 상기 진공 챔버의 로드 임피던스를 각각 매칭시킨다. 플라즈마 균일도를 조절할 수 있어 플라즈마 손상을 방지할 수 있고, 바이어스 전압 조절이 가능하여 기판의 에칭 균일도와 프로파일 컨트롤이 용이하다.

Description

유도 결합 플라즈마 식각 장치 {INDUCTIVE COUPLED PLASMA ETCH APPARATUS}

본 발명은 유도 결합 플라즈마 식각 장치(inductive coupled plasma etch apparatus)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 챔버 내의 플라즈마 균일도를 조절하여 웨이퍼의 식각 균일도를 조절할 수 있는 유도 결합 플라즈마 식각 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 식각 공정은 포토레지스트(photoresist; PR) 층의 구멍을 통해 웨이퍼 상의 최상단층을 선택적으로 제거하는 공정이다. 식각은 크게, 식각액을 이용한 습식 식각(wet etch) 및 가스를 이용하는 건식 식각(dry etch)으로 대별할 수 있다. 건식 식각 중 플라즈마를 이용한 플라즈마 식각에서는, 웨이퍼를 수용하는 플라즈마 식각조 내에 식각할 특정한 층에 따른 식각 가스를 흘리고, 또한 높은 에너지의 고주파 필드를 인가함으로써 상기 가스 분자를 높은 에너지 준위로 여기시켜 층과 반응하게 하여 식각을 수행한다. 이때, 플라즈마 소스(plasma source)는 가장 중요한 팩터 중의 하나이며, 근래 빠른 속도로 변화하고 있다. 또한, 높은 에칭비(etchrate), 높은 선택비(selectivity), 적은 손상(damage) 등 서로 상반된 조건의 만족을 요구하고 있다. 상기 요구를 만족하기 위하여 플라즈마 소스 측면에서는 크게 정전 결합(capacitive coupling plasma; CCP)을 이용한 방식과 유도 결합(inductive coupled plasma; ICP)을 이용한 방식이 개발되어 있다. 또한, 식각 장치 측면에서의 변화는 저압 조건에서의 에칭비 향상을 위한 플라즈마 밀도 향상으로 흐르고 있다. 그러나, 압력이 낮아질수록 플라즈마 밀도는 떨어지며, 이를 극복하기 위해 고주파를 이용한 플라즈마 소스로 대응하고 있다.

부언하면, 드라이 에칭에서는, 반도체 소자의 더욱 세밀한 식각을 위해 플라즈마 반응을 고진공에서 진행해야 할 필요성이 있다. 기존의 ICP 장치는 플라즈마 밀도 향상 측면에서 장점을 가지고 있어 계속 개발되고 있으나, 또다른 중요한 팩터인 플라즈마 균일도(plasma uniformity) 측면에서는 그를 조절할 방법이 거의 없는 실정이다. 실제 공정시의 플라즈마 균일도는 전극의 구조 및 설치 형태, 반응실(reactor) 내의 압력 분포 등 여러 가지 요인에 의해 좌우되며, 이 중 전극이 미치는 영향이 가장 크다고 볼 수 있다. 종래의 ICP 장치는 단일 전극을 사용하거나, 일부는 소스 측에 두 개의 전극을 사용하며 각각 서로 다른 주파수를 활용하는 것으로서, 최초 설계시 셋팅된 수준 이상으로 플라즈마 균일도를 조절하기가 용이치 않다.

미합중국 특허 제 5,711,850호에는 종래 기술에 따른 고주파 ICP 장치가 개시되어 있다. 도 1을 참조하면, 고주파 ICP 장치는 진공실(3)을 포함한다. 진공실(3) 내에는 그 상면에 기판(5)이 놓이는 기판 전극(substrate electrode; 4)이 제공되고, 그 외주면에 실린더 타입의 디스차지 코일(discharge coil; 32)이 제공된다. 고주파 전원 소스(6, 9)가 연결 케이블(8, 11)을 통해 각각 기판 전극(4)과 디스차지 코일(32)에 연결된다. 매칭 회로(7, 10)가 각각의 전원 소스(6, 9)에 연결되어 연결 케이블(8, 11)의 특성 임피던스(characteristic impedance)에 로드 임피던스(load impedance)를 맞추게 된다.

진공실(3) 내에 적절한 가스를 공급하고, 그 내부를 적절한 압력으로 유지하면서 상기 가스를 배출시키는 상태에서, 고주파 전원 소스(9)로부터 디스차지 코일(32)에 고주파 전압을 걸어주면, 진공실(3) 내에는 플라즈마가 발생되어 기판(5)을/에 식각, 증착 또는 표면 처리하게 된다. 이때, 추가적으로 전원 소스(6)부터 기판 전극(4)에 고주파 전압을 걸어주면, 기판(5)에 도달하는 이온의 에너지를 조절할 수 있다.

그러나, 디스차지 코일(32) 및 기판 전극(4)이 각각 하나씩 제공되기 때문에 플라즈마의 균일도는 조절할 수 없다는 문제점을 갖는다. 따라서, 플라즈마 손상(plasma damage) 측면이 취약하며, 웨이퍼의 중앙/엣지 프로파일의 조절이 불가능하다는 단점을 갖는다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 고주파 발진 소스에 다수의 소스 전극을 제공하고, 바이어스 측도 다수의 바이어스 전극을 제공하며, 각각에 감쇠기를 설치하여 차등화된 고주파 전압을 인가함으로써 플라즈마 균일도를 조절할 수 있는 유도 결합형 플라즈마 식각 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 그 내부에 기판(substrate)을 수용하고, 저압을 유지한 상태에서 소정 가스가 유입/배기되는 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 그 반경 방향을 따라 서로 다른 강도를 갖는 제1극성의 전압을 인가하기 위한 다수의 제1전극(first electrodes), 상기 각 제1전극과 각각의 제1연결 케이블을 통해 연결되는 하나의 제1고주파 발진 소스(first RF generating source), 상기 각각의 제1연결 케이블에 제공되어 상기 제1고주파 발진 소스로부터 각 제1전극에 인가되는 전압을 차등화하기 위한 다수의 제1감쇠기(first attenuaters), 상기 기판의 아래에 동심적으로 배치되어 그 반경 방향을 따라 상기 제1극성과 대향하는 제2극성의 전압을 인가하기 위한 다수의 제2전극(second electrodes), 상기 각 제2전극과 각각의 제2연결 케이블을 통해 연결되는 하나의 제2고주파 발진 소스(second RF generating source), 및 상기 각각의 제2연결 케이블에 제공되어 상기 제2고주파 발진 소스로부터 각 제2전극에 인가되는 전압을 차등화하기 위한 다수의 제2감쇠기(second attenuaters)를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 식각 장치를 제공한다.

상기 각 제1 및 제2연결 케이블의 특성 임피던스(characteristic impedances)와 상기 진공 챔버의 로드 임피던스(load impedance)를 각각 매칭시키기 위해 다수의 제1 및 제2매치 네트워크(first and second match network)가 제공된다.

상기 각 제1전극은 상기 진공 챔버의 상부 외주면을 따라 서로에 대해 동심적으로 배치되는 디스차지 코일(discharge coil)을 포함하며, 상기 각 제2전극은 상기 기판에 대해 동심적으로 디스크리트(discrete)하게 배치되는 도우넛형 디스크를 포함한다.

상기 제1 및 제2감쇠기의 조절에 의해 상기 제1 및 제2전극 사이에 상기 반경 방향으로 불균일한 플라즈마가 형성되며 상기 기판의 반경 방향으로의 식각 정도가 차등화됨으로써 상기 기판의 표면 프로파일을 조절된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명은 소스 파워 공급측에 두 개 이상의 멀티 소스 전극을 활용하며, 하나의 고주파 전원 소스로부터 발진된 고주파 전압을 감쇠기를 이용하여 분배 감쇠시켜, 각각의 소스 전극에 공급되는 전압을 제어하는 방식을 취한다. 또한, 바이어스 전극, 즉 하부 전극도 상기 소스 전극과 동일한 전압 제어 방식을 취한다.

도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 식각 장치(200)가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 그 내부에 기판(substrate; 1)을 수용하고, 저압을 유지한 상태에서 소정 가스가 유입/배기되는 진공 챔버(210)를 포함한다. 진공 챔버(210) 내에 고주파 필드를 형성하고, 기판(1)에 바이어스 전압을 인가하기 위해, 크게 소스 제어부(201) 및 바이어스 제어부(301)가 제공된다. 먼저, 소스 제어부(201)를 설명하면, 진공 챔버(210) 내에 그 반경 방향을 따라 서로 다른 강도를 갖는 제1극성의 전압을 인가하기 위해 다수의 제1전극(first electrodes; 220)이 제공된다. 각 제1전극(220)은 진공 챔버(210)의 상부 외주면을 따라 서로에 대해 동심적으로 배치되는 디스차지 코일(discharge coil; 220)을 포함한다. 하나의 제1고주파 발진 소스(first RF generating source; 230)가 각각의 제1연결 케이블(240)을 통해 디스차지 코일(220)과 연결된다. 각각의 제1연결 케이블(240)에는 제1감쇠기(first attenuaters; 250)가 제공되어 제1고주파 발진 소스(230)로부터 각 디스차지 코일(220)에 차등적으로 전압을 분배하고 감쇠시킨다. 제1감쇠기(250)는 시스템 컨트롤러(미도시)에 의해 제어된다. 도면에는 두 개의 디스차지 코일(220)이 도시되었지만, 특허청구범위 제1항에 의해 그 이상의 디스차지 코일이 제공될 수 있음은 자명하다.

한편, 각 제1연결 케이블(240)의 특성 임피던스(characteristic impedance)와 진공 챔버(210)의 로드 임피던스(load impedance)를 매칭시키기 위해 각 제1연결 케이블(240)에는 제1 및 제2소스 매치 네트워크(first and second source match networks; 260, 270)가 제공된다. 따라서, 제1감쇠기(250)를 통과하여 감쇠된 고주파 전압은 제1 및 제2소스 매치 네트워크(260, 270)를 통해 진공 챔버(210)와 정합된 후 공급된다.

이하, 바이어스 제어부(301)를 살펴보면, 진공 챔버(210) 하부에 수용된 기판(1)의 아래에는 다수의 제2전극(second electrodes; 320)이 동심적으로 배치되어 그 반경 방향을 따라 디스차지 코일(220)에 의해 형성되는 제1극성과 대향하는 제2극성의 바이어스 전압을 인가한다. 바람직하게는, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 제2전극(320)은 기판(1)에 대해 동심적으로 디스크리트(discrete)하게 배치되는 도우넛형 디스크형 전극(320)을 포함한다. 하나의 제2고주파 발진 소스(330)가 각각의 제2연결 케이블(340)을 통해 각 디스크형 전극(320)과 연결된다. 각각의 제2연결 케이블(340)에는 제2감쇠기(350)가 제공되어 제2고주파 발진 소스(330)로부터 각 디스크형 전극(320)에 차등적으로 바이어스 전압을 분배하고 감쇠시킨다. 제2감쇠기(350)는 시스템 컨트롤러(미도시)에 의해 제어된다. 도면에는 세 개의 디스크형 바이어스 전극(320)이 도시되었지만, 특허청구범위 제1항에 의해 그 이상의 바이어스 전극이 제공될 수 있음은 자명하다.

한편, 각 제2연결 케이블(340)의 특성 임피던스(characteristic impedance)와 진공 챔버(210)의 로드 임피던스(load impedance)를 매칭시키기 위해 각 제2연결 케이블(340)에는 제1, 제2, 및 제3바이어스 매치 네트워크(360, 370, 380)가 제공된다. 따라서, 제2감쇠기(350)를 통과하여 감쇠된 고주파 전압은 제1, 제2 및 제3바이어스 매치 네트워크(360, 370, 380)를 통해 진공 챔버(210)와 정합된 후 공급된다.

따라서, 제1 및 제2감쇠기(250, 350)의 조절에 의해 각 디스차지 코일(220) 및 바이어스 전극(320)에 고주파 전압을 차등적으로 인가하는 경우, 진공 챔버(210)의 반경 방향으로 불균일한 플라즈마가 형성되며 기판(1)의 반경 방향으로의 식각 정도가 차등화됨으로써 기판(1)의 표면 프로파일을 조절된다.

상술한 바와 같이, 소스 제어부에 다수의 소스 전극 및 감쇠기가 설치되어 진공 챔버 내의 플라즈마 균일도를 조절할 수 있어 플라즈마 손상을 방지할 수 있다. 또한, 바이어스 제어부에 다수의 바이어스 전극 및 감쇠기가 설치되어 기판에 인가되는 바이어스 전압 조절이 가능하여 기판의 에칭 균일도와 프로파일 컨트롤이 용이하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 ICP 식각 장치의 개략도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 ICP 식각 장치의 개략도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 바이어스 전극의 평면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 기판 210: 진공 챔버

220: 디스차지 코일 320: 바이어스 전극

230, 330: 제1 및 제2고주파 전원 소스

240, 340; 제1 및 제2연결 케이블

250, 350: 제1 및 제2감쇠기

260, 270: 제1 및 제2소스 매치 네트워크

360, 370, 380: 제1, 제2 및 제3바이어스 매치 네트워크

Claims (3)

1. 그 내부에 기판(substrate)을 수용하고, 저압을 유지한 상태에서 소정 가스가 유입/배기되는 진공 챔버;

   상기 진공 챔버 내에 그 반경 방향을 따라 서로 다른 강도를 갖는 제1극성의 전압을 인가하기 위한 다수의 제1전극(first electrodes);

   상기 각 제1전극과 각각의 제1연결 케이블을 통해 연결되는 하나의 제1고주파 발진 소스(first RF generating source);

   상기 각각의 제1연결 케이블에 제공되어 상기 제1고주파 발진 소스로부터 각 제1전극에 인가되는 전압을 차등화하기 위한 다수의 제1감쇠기(first attenuaters);

   상기 기판의 아래에 동심적으로 배치되어 그 반경 방향을 따라 상기 제1극성과 대향하는 제2극성의 전압을 인가하기 위한 다수의 제2전극(second electrodes);

   상기 각 제2전극과 각각의 제2연결 케이블을 통해 연결되는 하나의 제2고주파 발진 소스(second RF generating source); 및

   상기 각각의 제2연결 케이블에 제공되어 상기 제2고주파 발진 소스로부터 각 제2전극에 인가되는 전압을 차등화하기 위한 다수의 제2감쇠기(second attenuaters)를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 식각 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 제1 및 제2연결 케이블의 특성 임피던스(characteristic impedances)와 상기 진공 챔버의 로드 임피던스(load impedance)를 각각 매칭시키기 위한 다수의 제1 및 제2매치 네트워크(first and second match networks)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 식각 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 각 제1전극은 상기 진공 챔버의 상부 외주면을 따라 서로에 대해 동심적으로 배치되는 디스차지 코일(discharge coil)을 포함하며, 상기 각 제2전극은 상기 기판에 대해 동심적으로 디스크리트(discrete)하게 배치되는 도우넛형 디스크를 포함하고, 상기 제1 및 제2감쇠기의 조절에 의해 상기 제1 및 제2전극 사이에 상기 반경 방향으로 불균일한 플라즈마가 형성되며 상기 기판의 반경 방향으로의 식각 정도가 차등화됨으로써 상기 기판의 표면 프로파일을 조절하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 식각 장치.