KR100559621B1 - 유니폴라형 정전척을 갖춘 건식 식각 장비의 식각 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유니폴라형 정전척을 갖춘 건식 식각 장비의 식각 방법에 관한 것으로, 스테이블 스텝과 브레이크스루 에치 스텝과 메인 에치 스텝 및 오버 에치 스텝을 포함하며, 정전척과 반도체 기판 사이의 틈새 공간으로 냉각 가스를 주입하여 식각 공정에 의한 반도체 기판의 온도 증가를 억제하되, 상기 냉각 가스의 압력은 상기 스테이블 스텝과 다음 스텝 간의 압력 차이를 5토르 이하로 세팅하는 것을 특징으로 하며, 종래 기술과 비교할 때에 식각 초기의 스테이블 스텝과 다음 스텝과의 냉각 가스 압력 차이를 보다 작게 하여 냉각 가스 유출에 의한 에러의 발생 빈도를 낮추고 냉각 가스 유출 에러에 의한 파티클 발생을 줄이는 이점이 있다.

유니폴라형, 정전척, 건식 식각, 헬륨 유출, 파티클, 스테이블 스텝

Description

유니폴라형 정전척을 갖춘 건식 식각 장비의 식각 방법{ETCH METHOD FOR DRY ETCHER WITH UNIPOLAR ELECTROSTATIC CHUCK}

도 1은 일반적인 유니폴라형 정전척을 갖춘 건식 식각 장비의 개략적인 구성도,

도 2는 종래 기술에 따른 건식 식각 공정의 흐름도,

도 3은 본 발명에 따른 건식 식각 공정의 흐름도.

본 발명은 유니폴라형 정전척을 갖춘 건식 식각 장비의 식각 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 기판의 온도 상승을 억제하기 위하여 정전척과 반도체 기판 사이에 냉각 가스를 공급함에 있어서 식각 초기의 스테이블 스텝과 다음 스텝과의 냉각 가스 압력 차이를 작게 하여 냉각 가스 유출에 의한 에러의 발생 빈도를 낮추고 냉각 가스 유출 에러에 의한 파티클 발생을 줄이도록 한 유니폴라형 정전척을 갖춘 건식 식각 장비의 식각 방법에 관한 것이다.

주지와 같이, 반도체 소자 제조공정은 반도체기판 상에 이온주입 공정, 사진 공정, 식각 공정, 확산 공정 및 증착 공정 등의 제조 공정을 반복 진행하여 완성한 다.

식각 공정은 습식 식각과 건식 식각으로 나눌 수 있다. 습식 식각은 산이나 알칼리 또는 그들의 혼합 용액에 식각 대상물을 담가 감광막 패턴에 의해 노출된 식각 대상막을 선택적으로 화학적 반응에 의해 제거하는 공정이다. 습식 식각의 경우 식각을 전적으로 화학반응에 의존하고 있어 식각 속도가 식각 대상막의 모든 방향에 대하여 같고, 이에 따라 둥근 모양의 식각 단면을 얻는 것이 보통이다. 이러한 등방성 식각 단면은 식각 깊이가 증가할수록 식각 단면의 깊이와 함께 폭도 증가하게 되어 고집적도화가 요구되는 반도체의 제조에는 부적합하다.

건식 식각은 일반적으로 사진 공정의 감광막 패턴을 식각 마스크로 사용하여 감광막 패턴에 의해 노출된 반도체기판 상의 식각 대상막을 선택적으로 제거하는 공정이다. 그러나, 때로는 질화막 패턴 또는 산화막 패턴을 식각 마스크로 사용하기도 하고, 식각 마스크를 사용하지 아니하고 전면 식각(Blank Etch)을 하기도 한다.

현재 일반적으로 사용되는 식각 방법은 건식 식각이다. 특히, 플라즈마 건식 식각은 가속된 이온이 식각 대상막의 표면에 수직으로 입사되므로 식각 대상막의 표면에 수직한 방향, 즉 한 방향으로만 식각이 이루어진다. 이와 같은 이방성 식각을 이용하면 식각 대상막의 표면에 수평한 방향으로는 식각 되지 않고, 수직한 방향만으로 깊이 식각할 수 있어, 고집적 회로의 제조에 널리 사용되고 있다.

일반적으로 반도체 공정에서 사용되는 플라즈마는 라디오파 또는 마이크로파와 같은 고주파수의 전력을 챔버 내의 반응 기체에 걸어 줌으로써 생성된다. 플라 즈마를 이용한 식각시 반도체 기판의 식각 대상막은 200℃ 온도 이상으로 상승하게 되어 식각 마스크로 사용하는 감광막 패턴에 치명적인 손상을 가한다. 감광막은 160℃ 온도 이상에서는 대부분 녹아 흘러내리는 버닝(Burning)이 발생하여, 감광막 패턴을 유지할 수 없기 때문이다. 따라서 반도체 기판의 온도 상승을 억제시킬 수 있는 냉각 수단이 요구된다.

도 1은 유니폴라형 정전척을 이용하는 일반적인 건식 식각 장비의 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 플라즈마 챔버 내부에는 전극(1), 정전척(Electrostatic Chuck)(2), 헬륨(He) 플로우 라인(4) 등이 포함되어 구성된다. 헬륨 플로우 라인(4)은 불활성의 냉각 가스인 헬륨을 정전척(2)과 반도체 기판(3) 사이의 틈새 공간으로 주입하여 식각 공정에 의한 반도체 기판의 온도 증가를 억제하여 안정된 공정을 실현하도록 하는 역할을 수행한다.

헬륨 가스는 정전척(2)에서 반도체 기판(3)으로 열을 전달하는 매체가 된다. 헬륨 가스가 주입될 때에 헬륨 가스 분사 압력에 의해 반도체 기판(3)은 위로 밀려 올라가게 되는데, 헬륨 가스 분사 압력에 의해 반도체 기판(3)이 밀려 올라가는 힘보다 정전척(2)이 끌어당기는 힘이 강하여 반도체 기판(3)이 고정된다.

그러나, 상기 두 힘의 상호작용은 항상 일정하지 않고 불규칙하며, 반도체 기판(3) 자체도 완전한 평판이 아닌 일부 휘어진 평판일 수 있고, 또한 반도체 기판(3) 바닥면에 파티클(Particle)이 존재할 수 있다. 따라서, 반도체 기판(3)의 가장자리 부분으로 헬륨 가스가 과도하게 유출(5)될 수 있다.

이러한 헬륨 가스의 과도한 유출은 반도체 기판 전체에 걸쳐 일정한 온도가 유지되는 것을 방해하는 것은 물론, 치명적으로는 진행 중인 식각 공정을 중단시킨다. 즉, 식각 장비 구조상 헬륨 가스가 과다하게 유출되는 경우에 헬륨 유출 에러로 인식되며, 식각 공정의 안정성을 고려하여 공정의 인터락(Interlock)이 발생하는 것이다. 이러한 헬륨 가스 유출에 의한 식각 공정의 인터락으로 계속적인 후속 공정이 진행되지 못하여 생산성을 악화시키거나, 식각 공정의 인터락을 인지하지 못하고 후속의 공정으로 진행되는 경우에는 심각한 오염원으로 작용하게 된다.

한편, 통상적으로 건식 식각 공정은 도 2에 나타낸 바와 같이, 스테이블(Stable) 스텝(S11), 브레이크스루 에치(Breakthrough etch) 스텝(S12), 메인 에치(Main etch) 스텝(S13), 오버 에치(Over etch) 스텝(S14) 등의 여러 스텝으로 이루어져 있으며, 모든 에치 스텝에서 동일한 헬륨 압력을 사용한다.

그러나, 유니폴라형 정전척을 사용하는 건식 식각 장비에서는 스테이블 스텝에서 RF 파워를 켜지 않기 때문에 헬륨 압력을 턴-온 할 수가 없다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이 스테이블 스텝(S11)에서는 예외적으로 헬륨 압력을 0 토르(Torr)로 세팅할 수밖에 없다.

여기서, 초기의 스테이블 스텝(S11)에서 그 다음의 브레이크스루 에치 스텝(S12)으로 넘어 갈 때 헬륨 압력이 0 토르에서 10 토르로 변화하기 때문에 변화량이 매우 큰 것을 알 수 있는데, 이때 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이 헬륨 가스의 과도한 유출이 발생되며, 전술한 바와 같은 불안정한 요소가 있을 시에 헬륨 유출 에러 발생 빈도가 높아지고, 헬륨 유출 에러 발생시 다량의 파티클이 반도 체 기판에 흡착되어 해당 반도체 기판의 수율을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 반도체 기판의 온도 상승을 억제하기 위하여 정전척과 반도체 기판 사이에 냉각 가스를 공급함에 있어서 식각 초기의 스테이블 스텝과 다음 스텝과의 냉각 가스 압력 차이를 작게 하여 냉각 가스 유출에 의한 에러의 발생 빈도를 낮추고 냉각 가스 유출 에러에 의한 파티클 발생을 줄이는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 유니폴라형 정전척을 갖춘 건식 식각 장비의 식각 방법은, 건식 식각을 시행하기 이전의 초기 상태에서 반도체 기판의 식각을 위한 공정 조건을 맞추는 스테이블 스텝과, 이후 스텝을 통한 식각 공정의 효율적인 수행을 위하여 상기 반도체 기판 상부에 잔존하는 이물질이나 불필요한 이질막을 제거하는 브레이크스루 에치 스텝과, 상기 반도체 기판의 식각 대상 막질이 거의 다 식각될 때까지를 전후로 식각 조건을 각각 다르게 행하는 메인 에치 스텝 및 오버 에치 스텝을 포함하며, 상기 정전척과 상기 반도체 기판 사이의 틈새 공간으로 냉각 가스를 주입하여 상기 식각 공정에 의한 상기 반도체 기판의 온도 증가를 억제하며, 상기 스테이블 스텝과 브레이크스루 에치 스텝, 메인 에치 스텝 및 오버 에치 스텝에서 상기 냉각 가스의 압력은 적어도 5 토르 이상으로 세팅하고, 상기 브레이크스루 에치 스텝과 메인 에치 스텝 및 오버 에치 스텝에서 상기 냉각 가스의 압력은 상기 스테이블 스텝보다 상승시켜 세팅하되, 상기 스테이블 스텝과 다음 스텝 간 상기 냉각 가스의 압력 차이를 5 토르 이하로 세팅하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면 을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 유니폴라형 정전척을 갖춘 건식 식각 장비에서 건식 식각 공정의 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 건식 식각 방법은, 스테이블(Stable) 스텝(S101), 브레이크스루 에치(Breakthrough etch) 스텝(S102), 메인 에치(Main etch) 스텝(S103), 오버 에치(Over etch) 스텝(S104) 등의 여러 스텝으로 이루어져 있으며, 스테이블 스텝(S101)에서는 냉각 가스로서 헬륨 압력이 5∼7 토르로 사용되고, 그 다음 스텝들(S102∼S104)에서는 헬륨 압력이 모두 동일하게 10 토르로 사용된다.

상기와 같은 건식 식각 방법을 적용하여 반도체 기판을 건식 식각하는 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 건식 식각을 시행하기 이전의 초기 상태에서 반도체 기판의 식각을 위한 공정 조건을 맞추는 과정으로서, 이때 정전척과 반도체 기판 사이의 틈새 공간으로 주입하여 식각 공정에 의한 반도체 기판의 온도 증가를 억제하기 위하여 사용되는 불활성의 냉각 가스인 헬륨의 압력을 5∼7 토르로 세팅한다(S101).

여기서, 종래 기술에서 언급한 바와 같이 유니폴라형 정전척을 갖춘 건식 식각 장비의 스테이블 스텝에서는 RF 파워를 켜지 않기 때문에 헬륨 압력을 턴-온 할 수 없으므로 스테이블 스텝 레시피(Recipe)에 가상의 RF 파워를 걸어 주어야 한다. 일예로 DPS(Decoupled Plasma Source) 방식의 건식 식각 장비에서는 소오스 파워와 바이어스 파워에 1W씩 걸어주는 것이다. 이로서 헬륨 압력을 턴-온 할 수 있다.

그리고, 이후 스텝인 메인 에치 스텝(S103)을 통한 식각 공정의 효율적인 수행을 위하여 반도체 기판 상부에 잔존하는 이물질이나 불필요한 산화막 등의 이질막을 제거한다. 이때 정전척과 반도체 기판 사이의 틈새 공간으로 주입하는 냉각 가스인 헬륨의 압력을 10 토르로 세팅한다(S102).

다음으로, 본격적인 건식 식각 공정으로서 메인 에치 스텝(S103)과 오버 에치 스텝(S104)이 수행되는데, 이 두 공정은 식각 대상 막질이 거의 다 식각될 때까지를 전후로 식각 조건을 다르게 행하는 것이다.

메인 에치 스텝(S103)에서는 식각율을 높이기 위한 조건으로 혼합 가스의 비를 조절하고, 이후 오버 에치 스텝(S104)에서는 식각 대상 막질의 하부에 위치되는 하부 막질과의 식각 선택비를 높이는 조건으로 혼합 가스의 비를 크게 한다.

이러한 메인 에치 스텝(S103)과 오버 에치 스텝(S104)에서도 브레이크스루 에치 스텝(S102)에서와 같이 정전척과 반도체 기판 사이의 틈새 공간으로 주입하는 냉각 가스인 헬륨의 압력을 10 토르로 세팅한다(S103∼S104).

상기한 바와 같은 본 발명의 건식 식각 과정에서 스테이블 스텝(S101)에서 그 다음의 브레이크스루 에치 스텝(S102)으로 넘어 갈 때 헬륨 압력이 5∼7 토르에서 10 토르로 변화하며, 이와 같은 변화량은 종래 기술의 변화량과 비교할 때에 그 변화량이 보다 작음을 알 수 있다.
즉, 스테이블 스텝과 브레이크스루 에치 스텝 간의 냉각 가스 압력 차이를 살펴보면, 도 2의 종래 기술에서는 10 토르의 압력차를 나타내나 도 3의 본 발명에서는 3∼5 토르의 압력차를 갖는다. 따라서, 본 발명은 초기 두 스텝 간의 냉각 가스 압력 차이가 5토르 이하로 유지되므로 초기 스텝에서의 헬륨 컨트롤을 용이하게 하여 헬륨 유출 에러를 감소시킨다.
또한 종래 기술에서는 헬륨 압력이 10 토르인 상태에서 헬륨 유출 에러가 발생하지만 본 발명에서는 헬륨 압력이 5∼7 토르인 상태에서 헬륨 유출 에러가 발생되므로, 챔버 안으로 유발되어 반도체 기판에 흡착되는 파티클의 개수가 줄어든다.

상기에서는 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명은 반도체 기판의 온도 상승을 억제하기 위하여 정전척과 반도체 기판 사이에 냉각 가스를 공급함에 있어서 식각 초기의 스테이블 스텝과 다음 스텝과의 냉각 가스 압력 차이를 작게 하여 냉각 가스 유출에 의한 에러의 발생 빈도를 낮추고 냉각 가스 유출 에러에 의한 파티클 발생을 줄이는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 유니폴라형 정전척을 갖춘 건식 식각 장비의 식각 방법에 있어서,

   상기 건식 식각을 시행하기 이전의 초기 상태에서 상기 반도체 기판의 식각을 위한 공정 조건을 맞추는 스테이블 스텝과, 이후 스텝을 통한 식각 공정의 효율적인 수행을 위하여 상기 반도체 기판 상부에 잔존하는 이물질이나 불필요한 이질막을 제거하는 브레이크스루 에치 스텝과, 상기 반도체 기판의 식각 대상 막질이 거의 다 식각될 때까지를 전후로 식각 조건을 각각 다르게 행하는 메인 에치 스텝 및 오버 에치 스텝을 포함하며,

   상기 정전척과 상기 반도체 기판 사이의 틈새 공간으로 냉각 가스를 주입하여 상기 식각 공정에 의한 상기 반도체 기판의 온도 증가를 억제하며,

   상기 스테이블 스텝과 브레이크스루 에치 스텝, 메인 에치 스텝 및 오버 에치 스텝에서 상기 냉각 가스의 압력은 적어도 5 토르 이상으로 세팅하고,

   상기 브레이크스루 에치 스텝과 메인 에치 스텝 및 오버 에치 스텝에서 상기 냉각 가스의 압력은 상기 스테이블 스텝보다 상승시켜 세팅하되, 상기 스테이블 스텝과 다음 스텝 간 상기 냉각 가스의 압력 차이를 5 토르 이하로 세팅하는 것을 특징으로 한 건식 식각 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각 가스로는 헬륨을 사용하는 것을 특징으로 한 건식 식각 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 압력 차이를 3∼5 토르로 세팅하는 것을 특징으로 한 건식 식각 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 스테이블 스텝에서 상기 냉각 가스 압력을 세팅하기 위하여 스테이블 스텝 레시피(Recipe)에 가상의 RF 파워를 걸어 주는 것을 특징으로 한 건식 식각 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 건식 식각 장비가 DPS(Decoupled Plasma Source) 방식일 때에 소오스 파워와 바이어스 파워에 1W씩 걸어주는 것을 특징으로 한 건식 식각 방법.

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