KR100672696B1 - 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법 - Google Patents

플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용하여 반도체 소자의 세정공정 진행시 발생한 반응 부산물에 의해 정전척의 유전체가 손상되는 것을 방지하기 위한 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치는 하부전극에 공급되는 인가전원과 공정가스의 상호 반응에 의해 발생되는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 식각공정시 공정챔버에서 발생되는 반응 부산물을 세정하는 세정장치에 있어서, 상기 하부전극에 설치되며 세라믹 유전체가 형성된 정전척과, 상기 정전척에 마이너스 직류전압을 공급하기 위한 직류전원을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하여 본 발명은 플라즈마를 이용한 식각공정시 공정챔버에 발생된 반응 부산물을 효과적으로 제거함으로써 반응 부산물로 인한 패턴 결함을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명은 공정챔버 내부에 부착된 반응 부산물에서 발생하는 라디칼을 제거함으로써 균일한 공정 특성(식각률, 선택비등)를 확보하여 공정의 안정성을 확보하며 유전체에 입사되는 이온의 세기를 감소하여 세라믹 정전척의 수명을 크게 연장시킬 수 있다.
플라즈마, 정전척, 식각공정, 세정공정, 반응 부산물

Description

플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법{Apparatus and Method for Cleaning of Semiconductor Device using the Plasma}
도 1은 일반적인 플라즈마를 이용한 식각장치를 나타내는 도면.
도 2는 일반적인 플라즈마를 이용한 세정장치를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 세정장치를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 세정장치 및 방법을 나타내는 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10, 110 : 공정챔버 20, 120 : 상부전극
30, 130 : 하부전극 40, 140 : 세라믹 정전척
42, 142 : 유전체 50 : 웨이퍼
60, 160 : 포커스 링
본 발명은 반도체 소자의 제조장치에 관한 것으로, 특히 플라즈마를 이용하 여 반도체 소자의 세정공정 진행시 발생한 반응 부산물에 의해 정전척의 유전체가 손상되는 것을 방지하기 위한 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 반도체 소자나 평판 표시장치의 제조를 위한 기판의 미세 가공공정에는 저압/저온 플라즈마를 응용한 기술이 많이 이용되고 있다. 즉, 플라즈마는 반도체 소자 제조용 웨이퍼나 액정 표시장치 제조용 기판의 표면을 식각하거나 그 표면상에 소정의 물질막을 증착하는데 널리 사용되고 있다. 특히, 높은 집적도의 반도체 소자의 제조를 위한 기판의 식각 또는 박막 증착 공정에는 플라즈마를 이용하는 장비가 점차로 늘어 가고 있는 추세이다. 이에 따라, 각각의 공정에 적합한 플라즈마 발생장치의 개발은 반도체 제조 및 장비 개발에 있어 핵심적인 요소가 되고 있다. 최근의 반도체 공정용 플라즈마 장비 개발에 있어서 가장 큰 주안점은 수율의 향상을 위한 기판의 대면적화에 대한 부응과 고집적화 공정의 수행 능력이다. 즉, 기존의 200mm 웨이퍼에서 최근의 300mm 웨이퍼로의 대면적화에 따른 웨이퍼 처리공정의 균일도 향상과 아울러 높은 플라즈마 밀도의 유지는 가장 먼저 해결되어야 하는 요소기술이다.
플라즈마를 사용하여 식각 공정을 진행하는 장비의 경우 식각하고자 하는 대상 물질에 따라 크게 절연막 식각, 폴리실리콘 식각 및 메탈 식각으로 구분이 된다. 각각의 식각 공정은 식각률, 선택비등의 식각 특성에 따라 ICP(Inductively Coupled Plasma) 또는 CCP(Capacitive Coupled Plasma) 방식의 플라즈마 소스(Plasma Source)를 사용하게 된다.
도 1은 일반적인 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 제조장치에 있어서 식각장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 식각장치는 공정챔버(10)와, 공정챔버(10)의 상부에 설치되는 상부전극(20)와, 상부전극(20)과 대향하도록 공정챔버(10)의 하부에 설치되는 하부전극(30)과, 하부전극(30) 상에 설치되는 세라믹 정전척(Electro Static Chuck)(40)과, 정전척(40) 상에 안착되는 웨이퍼(50)와, 웨이퍼(50)의 피처리면의 주변부를 덮는 포커스 링(60)을 구비한다.
상부전극(20)은 기저 전압원(GND)에 전기적으로 접속된다. 하부전극(30)은 듀얼 프리퀀시((Dual Frequency) 방식의 교류전원(Vac)에 전기적으로 접속된다.
세라믹 정전척(40)은 웨이퍼(50)보다 큰 직경을 가지며 세라믹으로된 유전체를 포함한다. 이러한, 세라믹 정전척(40)은 직류전원(Vdc)으로부터 공급되는 직류전압(Vdc)에 따라 외부로부터 로딩되는 웨이퍼(50)를 흡착하게 된다.
포커스 링(60)은 상부전극(20)과 하부전극(30) 상에 이동 가능하게 설치되어 웨이퍼(50)의 가장자리를 덮게 된다.
이와 같은, 일반적인 플라즈마를 이용한 식각장치는 웨이퍼(50)를 공정챔버(10) 내의 세라믹 정전척(40)에 흡착시킨 후, 공정 조건에 적합하게 압력 및 온도를 유지한 상태에서 공정가스를 유입하고 교류전원(Vac)으로부터의 듀얼 프리퀀시 방식으로 RF전원을 하부전극(30)에 인가함으로써 공정가스와 상호 반응하여 공정챔버(10) 내를 플라즈마(22) 상태로 조성하여 웨이퍼(50)를 식각하게 된다.
이와 같은, 일반적인 플라즈마를 이용한 식각장치에서는 플로로카본 계열의 중합체의 반응 부산물이 다량으로 발생하게 되는데 이는 대부분 배기를 통해 공정챔버(10)의 밖으로 배출되고 일부분은 공정챔버(10) 내부의 구조물, 예로 들면 세라믹 정전척(40) 주위의 포커스 링(60), 공정챔버(10) 벽, 상부전극(20) 등에 부착하게 된다. 이와 같은 반응 부산물의 부착은 웨이퍼(50)의 가공 매수가 증가할수록 여러 가지 식각공정의 특성을 변화시키게 되는데 가장 대표적인 것은 증착된 반응 부산물에서 공정 진행 중 아웃 가싱(Out Gasing)되는 반응 라디칼(Radical)이 식각률을 변화시키거나 식각하고자 하는 물질과 그렇지 않은 물질과의 선택비를 변화시키며, 또한 불안정하게 증착된 반응 부산물이 공정 진행시 웨이퍼(50)로 떨어져 패턴 형상에 이상을 일으키는 불량을 발생시키는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 일반적인 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정방법은 인슈트 클리닝(Insuit Cleaning: 세라믹 정전척(40)에 웨이퍼(50)가 없는 상태) 공정에 의한 반응 부산물을 제거하게 된다.
구체적으로, 일반적인 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법은 도 2에 도시된 바와 같이 세라믹 정전척(40)에 흡착된 웨이퍼(50)의 식각공정이 완료된 후, 세라믹 정전척(40)에 0V의 직류전압(Vdc)을 공급하여 세라믹 정전척(40)에서 웨이퍼(50)를 탈거하여 공정챔버(10)의 외부로 언로딩시킴과 동시에 하부전극(30)에 공급되는 RF전원을 공급하게 된다. 이에 따라, 플라즈마 생성시 파워를 증가시킬 경우 반응 부산물의 제거에 효과적이나 이에 비례하여 세라믹 정전척(40)에 입사되는 이온의 에너지도 증가하여 세라믹 정전척(40)의 유전체를 손상시키는 문제점이 있다.
구체적으로, 플라즈마를 이용한 세정공정시 하부전극(30)에 파워를 공급하게 되면 플라즈마(22) 내에 생성된 전자 및 이온이 전기장 및 쉬스에 의해 운동을 시작하게 된다. 이때 전자의 경우에는 질량이 이온에 비해 상대적으로 작음에 따라 운동성이 뛰어나 공정챔버(10)의 모든 구조물 표면에 축적되어 음전위를 띄게 한다. 이로 인하여, 플라즈마(22)의 전위는 플러스 포텐셜을 갖고 반대로 공정챔버(10) 내부의 세라믹 정전척(40)의 표면은 마이너스 포텐셜(44)을 갖아 이 전위차만큼 이온들이 에너지를 가지고 내부 구조물에 스퍼터링을 일으켜 정전척(40)의 유전체를 손상시키게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 플라즈마를 이용하여 반도체 소자의 세정공정 진행시 발생한 반응 부산물에 의해 정전척의 유전체가 손상되는 것을 방지하기 위한 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치는 하부전극에 공급되는 인가전원과 공정가스의 상호 반응에 의해 발생되는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 식각공정시 공정챔버에서 발생되는 반응 부산물을 세정하는 세정장치에 있어서, 상기 하부전극에 설치되며 세라믹 유전체가 형성된 정전척과, 상기 정전척에 마이너스 직류전압을 공급하기 위한 직류전원을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치에서 상기 직류전원은 상기 정전척에 -50V 내지 -300V의 직류전압을 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정방법은 하부전극에 공급되는 인가전원과 공정가스의 상호 반응에 의해 발생되는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 식각공정시 공정챔버에서 발생되는 반응 부산물을 세정하는 세정방법에 있어서, 상기 공정챔버 내부에 산소와 질소의 혼합된 상기 공정가스를 주입하는 단계와, 상기 하부전극에 설치되며 세라믹 유전체를 가지는 정전척에 마이너스 직류전압을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정방법에서 상기 정전척에는 -50V 내지 -300V의 직류전압이 공급되는 것을 특징으로 한다.
이하 발명의 바람직한 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 세정장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치는 공정챔버(110)와, 공정챔버(110)의 상부에 설치되는 상부전극(120)와, 상부전극(120)과 대향하도록 공정챔버(110)의 하부에 설치되는 하부전극(130)과, 하부전극(130) 상에 설치되는 세라믹 정전척(Electro Static Chuck)(140)과, 세라믹 정전척(140)의 가장자리를 덮는 포커스 링(160)과, 하부전극(130)에 RF전원을 공급하기 위한 교류전원(Vdc)과, 세라믹 정전척(140)에 마이너스 직류전압(-Vdc)을 공급하기 위한 직류전원(Vdc)을 구비한다.
상부전극(120)은 기저전압원(GND)에 전기적으로 접속된다. 하부전극(130)은 듀얼 프리퀀시((Dual Frequency) 방식의 교류전원(Vac)에 전기적으로 접속된다.
세라믹 정전척(140)은 도시하지 않은 웨이퍼보다 큰 직경을 가지며 세라믹의 재질의 유전체가 형성된다. 이러한, 세라믹 정전척(140)은 직류전원(Vdc)에 전기적으로 접속된다. 이때, 세라믹 정전척(140)은 플라즈마를 이용하여 웨이퍼의 식각공정시 직류전원(Vdc)으로부터 공급되는 플러스 직류전압(Vdc)에 따라 외부로부터 로딩되는 웨이퍼를 흡착하게 된다. 반면에, 세라믹 정전척(140)은 플라즈마를 이용하여 웨이퍼의 식각공정이 완료된 후, 플라즈마를 이용한 세정공정시 직류전원(Vdc)으로부터 -50V 내지 -300V의 마이너스 직류전압(-Vdc)을 공급받게 된다.
포커스 링(160)은 상부전극(120)과 하부전극(130) 상에 이동 가능하게 설치되어 세라믹 정전척(140)의 가장자리, 즉 웨이퍼의 가장자리를 덮게 된다.
이와 같은, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법은 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 식각공정시 발생되는 다량의 반응 부산물을 제거하게 된다. 여기서, 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 식각공정은 웨이퍼를 공정챔버(110) 내의 세라믹 정전척(140)에 흡착시킨 후, 공정 조건에 적합하게 압력 및 온도를 유지한 상태에서 공정가스를 유입하고 교류전원(Vac)으로부터의 듀얼 프리퀀시 방식으로 RF전원을 하부전극(130)에 인가함으로써 공정가스와 상호 반응하여 공정챔버(110) 내를 플라즈마(122) 상태로 조성하여 웨이퍼(150)를 식각하게 된다. 이러한, 식각공정시 플로로카본 계열의 중합체의 반응 부 산물이 다량으로 발생하게 되는데 이는 대부분 배기를 통해 공정챔버(110)의 밖으로 배출되고 일부분은 공정챔버(110) 내부의 구조물, 예로 들면 세라믹 정전척(140) 주위의 포커스 링(160), 공정챔버(110) 벽, 상부전극(120) 등에 부착하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법은 도 4에 도시된 바와 같이 세라믹 정전척(140)에 입사되는 이온의 세기를 감소시키기 위해 세라믹 정전척(140)에 웨이퍼를 흡착시키기 위하여 사용되는 직류전압(Vdc)을 -50V 내지 -300V의 마이너스 직류전압(-Vdc)으로 인가함과 동시에 공정챔버(110) 내부에 산소(Oxygen)가스 외에 질소(Nitrogen)가스를 혼합한 공정가스를 공급하게 된다. 이때의 공정조건으로는 10 ~ 70mT 정도의 압력과, 500 내지 2000sccm O2의 유량을 갖는 산소(O2)와, 50 내지 300sccm N2의 유량을 갖는 질소(N2)와, 200 내지 500W의 에너지를 갖는 5 내지 10초 동안 진행하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정방법은 세라믹 정전척(140)의 유전체상(142)에 축적된 전자들을 밀어냄으로써 입사되는 이온과 결합하여 전기적으로 중성이 되어 입사 속도가 줄어들게 된다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법은 세라믹 정전척(140)에 마이너스 직류전압(-Vdc)를 공급하여 세라믹 정전척(140)의 유전체(142) 상의 마이너스(142) 포텐셜을 낮출 수 있어 세라믹 정전척(140)에 입사되는 이온들의 전체적인 세기를 감소시킴으로써 이온들이 세라믹 정전척(140)의 유전체(142)에 스퍼터링되는 현상을 최소화하여 유전체(142)의 손상을 방지하게 된다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법은 플라즈마를 이용한 식각공정시 공정챔버에 발생된 반응 부산물을 효과적으로 제거함으로써 반응 부산물로 인한 패턴 결함을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법은 공정챔버 내부에 부착된 반응 부산물에서 발생하는 라디칼을 제거함으로써 균일한 공정 특성(식각률, 선택비등)를 확보하여 공정의 안정성을 확보하며 유전체에 입사되는 이온의 세기를 감소하여 세라믹 정전척의 수명을 크게 연장시킬 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (11)

  1. 하부전극에 공급되는 인가전원과 공정가스의 상호 반응에 의해 발생되는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 식각공정시 공정챔버에서 발생되는 반응 부산물을 세정하는 세정장치에 있어서,
    상기 하부전극에 설치되며 세라믹 유전체가 형성된 정전척과,
    상기 정전척에 -50V 내지 -300V의 직류전압을 공급하기 위한 직류전원과,
    상기 공정챔버에 주입되는 산소와 질소의 혼합가스를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 산소는 500 내지 2000sccm의 유량을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 질소는 50 내지 300sccm의 유량을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 하부전극에는 200 내지 500W의 에너지가 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치.
  7. 하부전극에 공급되는 인가전원과 공정가스의 상호 반응에 의해 발생되는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 식각공정시 공정챔버에서 발생되는 반응 부산물을 세정하는 세정방법에 있어서,
    상기 공정챔버 내부에 산소와 질소의 혼합된 혼합가스를 주입하는 단계와,
    상기 하부전극에 설치되며 세라믹 유전체를 가지는 정전척에 -50V 내지 -300V의 직류전압을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 산소는 500 내지 2000sccm의 유량을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 질소는 50 내지 300sccm의 유량을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 하부전극에는 200 내지 500W의 에너지가 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정방법.
KR1020040111158A 2004-12-23 2004-12-23 플라즈마를 이용한 반도체 소자의 세정장치 및 방법 KR100672696B1 (ko)

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