KR100698871B1 - 건식 식각 장치 - Google Patents

Abstract

반도체 기판을 식각하는 도중에 발생하는 반응 부산물의 흡착력을 향상시키는 건식 식각 장치가 개시되고 있다. 상기 식각 공정이 수행되는 챔버 내부에 제공되는 플라즈마는 감광막이 도포되지 않은 반도체 기판의 피가공막을 식각한다. 이때, 반도체 기판을 지지하는 섀도우 링은 일부가 탄소 화합물로 구성된다. 그리고, 상기 탄소 화합물은 플라즈마에 의해 식각되어 식각 공정 도중에 발생되는 전체 반응 부산물의 흡착력을 강화시킨다. 따라서, 식각 공정 중에 발생하는 반응 부산물은 상기 챔버 내부에 견고하게 흡착된다. 이에 따라, 반응 부산물의 박리에 의한 파티클 발생을 방지할 수 있고, 장치의 정비 주기를 연장할 수 있다.

Description

건식 식각 장치{Dry Etching Apparatus}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시한 섀도우 링이 장착된 정전척을 나타내는 개략적인 단면도이다.

도 3은 도 1에 도시한 섀도우 링을 나타내는 사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 반도체 기판 102 : 공정 챔버

104 : 정전척 106 : 가스 공급부

108 : 상부 전극 110 : 구동부

112 : 배플 플레이트 114 : 도어

116 : 진공 펌프 118 : 밸브

120 : 섀도우 링 122 : 링

본 발명은 식각 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 반도체 장치의 제조 를 위해 반도체 기판 상에 형성된 막들을 식각하는 건식 식각 장치에 관한 것이다.

근래에 정보 통신 분야의 급속한 발달과 컴퓨터와 같은 정보 매체가 널리 보급에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있다. 그 기능 면에 있어서, 상기 반도체 장치는 고속으로 동작하는 동시에 대용량의 저장 능력을 가질 것이 요구된다. 이에 따라, 상기 반도체 장치는 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 제조 기술이 발전되고 있다.

일반적으로 반도체 장치의 제조에서는 반도체 장치로 제조하기 위한 반도체 기판 상에 피가공막을 형성한 후, 상기 피가공막을 상기 반도체 장치의 특성에 따른 패턴으로 형성하기 위한 식각 공정이 수회에 걸쳐 수행된다.

상기 식각 공정은 습식 식각 및 건식 식각에 의해 수행할 수 있는데, 최근의 0.15㎛ 이하의 디자인 룰(design rule)을 요구하는 미세 패턴을 형성하기 위한 식각은 주로 건식 식각에 의해 수행되고 있다.

상기 건식 식각은 챔버 내에 RF(Radio Frequency) 전력을 인가하고, 식각 가스 및 압력 등을 조절한다. 상기 RF 전력에 의해 상기 식각 가스는 플라즈마(plasma) 상태가 된다. 따라서 상기 플라즈마 상태의 식각 가스와 피가공막이 화학 반응하여 피가공막의 특정 영역을 식각한다.

상기 RF 전력을 인가하여 피가공막을 식각하는 건식 식각 방법의 일 예는 야마노(Yamano) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,259,922호와 아리타(Arita) 등에게 허여된 미합중국 특허 제6,239,036호에 개시되어 있다.

상기 건식 식각 공정이 진행되는 동안 상기 피가공막과 플라즈마의 반응에 의해 생성되는 반응 부산물은 공정 챔버에 연결되는 펌프의 펌핑에 의해 배출된다. 그러나 상기 반응 부산물의 일부는 챔버의 내부를 구성하는 각 파트(Part)에 흡착된다.

상기 반응 부산물은 챔버의 각 파트에 흡착되어 상기 각 파트를 플라즈마의 고열로부터 보호하는 역할을 하기도 하지만, 파티클을 발생시키는 원인으로도 작용한다. 따라서, 상기 반응 부산물이 챔버의 내부에서 일정 두께 이상으로 성장하면 상기 각 파트들을 분해하여 세척해야 한다.

그런데, 감광막이 도포되지 않은 피가공막을 전면 식각하는 에치백(Etch Back) 공정 또는 선택적으로 식각하는 마스크 에치(Mask Etch) 공정의 경우에 발생되어 챔버 내부에 흡착되는 반응 부산물은 흡착력이 약해 챔버 내부의 미세한 압력 변화 또는 온도 변화에도 쉽게 박리되고, 부서지는 특성이 있다.

상기 식각 공정을 수행하는 장치의 사용 시간이 증가함에 따라 상기 반응 부산물의 축적이 가속화되고, 이에 따라, 상기 반응 부산물이 박리되어 발생하는 파티클(Particle)에 의한 불량률이 증가된다. 상기와 같은 문제점을 방지하는 방법은 주기 정비를 짧게 하는 방법 외에 특별한 대안이 없어 이에 대한 연구가 진행되고 있다.

상기 방법으로 인시튜(In-situ)방식에 의한 플라즈마 식각 방법, 열적 스트레스에 의한 열적 쇼크 기술(Thermal Shock Technology), 온도 변경에 의한 반응 부산물의 특성 강화 방법 등이 있으나, 공정의 특성으로 인해 수행하기가 용이하지 않다.

상기 방법의 일 예로서 플라즈마 식각 챔버 내부를 인시튜로 세정하는 공정이 대한민국 특허등록 제257,903호(조성범 외3명)에 개시되어 있고, 산화막 식각시 발생하는 플루오르카본(Fluorocarbon) 계열의 반응 부산물을 CO와 O₂를 이용한 플라즈마 식각에 의해 제거하는 방법이 대한민국 특허등록 제142,838호(이동덕)에 개시되어 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 건식 식각 공정시 발생하는 반응 부산물의 흡착력을 강화시켜 상기 반응 부산물이 공정 챔버 내부에서 부유하지 않도록 하는 건식 식각 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 건식 식각 장치는 플라즈마가 제공되고, 상기 플라즈마에 의해 반도체 기판 상에 형성된 피가공막을 식각하는 공정이 수행되는 공정 챔버를 포함한다.

그리고, 상기 건식 식각 장치는 상기 공정 챔버 내에 설치되고, 상기 반도체 기판이 놓여지는 척을 포함한다.

또한, 상기 건식 식각 장치는 상기 반도체 기판을 둘러싸도록 설치되고, 적어도 일부분이 탄소 화합물 재질로 구성되어 상기 식각 공정을 수행하는 도중에 발생되는 반응 부산물의 흡착력을 강화시켜 상기 반응 부산물이 상기 공정 챔버의 내부에 흡착되어 박리되지 않도록 하는 섀도우 링을 포함한다.

상기 탄소 화합물 재질로 구성되는 상기 섀도우 링의 일부는 상기 플라즈마에 의해 식각되어 상기 반응 부산물의 흡착력을 강화시킨다.

따라서, 상기 건식 식각 공정이 수행되는 동안 발생하는 상기 반응 부산물은 상기 공정 챔버 내부에 견고하게 부착되어 상기 건식 식각 장치의 정비 주기를 연장시키고, 상기 반응 부산물의 박리에 의해 발생되는 파티클을 감소시켜 공정 불량률을 줄일 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 형성되는 피가공막을 선택적으로 제거하거나 완전히 제거하기 위한 식각이 진행되는 공정 챔버(102)가 도시되어 있다. 공정 챔버(102)의 내부에는 반도체 기판(100)을 파지하기 위한 정전척(104, Electrostatic Chuck)이 구비된다.

정전척(104)의 상부에는 반도체 기판(100)이 파지되는 파지부가 상부로 돌출되어 있다. 상기 파지부의 직경은 반도체 기판(100)의 직경보다 작게 형성된다. 상기 파지부의 직경이 반도체 기판(100)의 직경보다 작은 이유는 상기 파지부의 직경이 반도체 기판(100)의 직경보다 클 경우 플라즈마 가스에 의해 상기 파지부의 가장자리가 손상되는 것을 방지하기 위함이다.

공정 챔버(102)의 상부에는 반응에 사용되는 가스를 공급하는 가스 공급부(106)가 연결되고, 공정 챔버(102)의 내부로 공급되는 가스를 플라즈마 상태로 만들기 위해 RF 전력을 공급하는 상부 전극(108)이 구비되고, 하부 전극은 정전척(104)의 내부에 구비된다.

정전척(104)의 하부에는 정전척(104)을 상하로 구동시키는 구동부(110)가 연결되고, 정전척(104)의 측면에는 식각 공정이 수행되는 공정 챔버(102)의 압력 및 플라즈마 가스의 밀도를 유지시키는 배플 플레이트(112, Baffle Plate)가 설치된다. 배플 플레이트(112)에는 미반응 가스 등을 배기시킬 수 있는 다수개의 슬릿(Slit)이 형성되어 있다.

공정 챔버(102)의 하부의 일측에는 반도체 기판(100)이 이송되어지는 도어(114)가 구비되고, 또 다른 일측에는 공정 챔버(102)의 내부를 진공 상태로 만들기 위한 진공 펌프(116) 및 개폐동작을 수행하는 밸브(118)가 연결된다.

정전척(104)은 공정 챔버(102)의 외부에서 반도체 기판(100)이 챔버로 로딩될 때, 구동부(110)에 의해 도어(114)가 설치되는 높이까지 하강한다. 공정 챔버(102)의 외부에 구비되는 이송 로봇(도시되지 않음)에 의해 반도체 기판(100)이 이송되어 정전척(104) 위에 파지되면, 구동부(110)에 의해 기설정된 높이까지 상승하여 공정이 수행된다.

정전척(104)의 상부에는 상기 파지부의 주변에 설치되어 반도체 기판(100)의 가장자리를 지지하는 섀도우 링(120)이 설치된다. 섀도우 링(120)의 역할은 반도체 기판(100)의 가장자리를 지지하는 역할 이외에도 반도체 기판(100)의 식각이 균일하게 이루어지도록 한다.

구체적으로 설명하면, 반도체 기판(100)을 식각하기 위한 플라즈마 가스는 반도체 기판(100)의 중심에 비해서 가장자리 부분에서 그 밀도가 높아서 상기 가장자리의 식각 속도가 상대적으로 더 빠르다.

그러므로 건식 식각을 수행하면 반도체 기판(100)의 중심과 가장자리에서 식각이 균일하게 수행되지 않아서 평편도(Uniformity)가 나빠지므로 이를 보상하기 위해 반도체 기판(100)의 가장자리를 지지하면서 반도체 기판(100)의 측면 부근에서 돌출턱이 형성되는 석영 유리(Quartz) 재질의 섀도우 링(120)을 구비한다.

따라서, 상기 건식 식각 공정이 진행되는 동안 플라즈마 가스와 석영 유리가 반응하여 반도체 기판(100)의 가장자리 부분에서 플라즈마 가스의 밀도가 감소한다. 이에 따라, 상기 플라즈마 가스의 감소로 인해 반도체 기판(100)의 가장자리에서 식각율이 감소되고, 이에 따라 반도체 기판(100)의 평편도를 향상시키게 된다.

상기와 같은 건식 식각 장치에서 플루오르카본(Fluorocarbon) 계열의 가스를 주반응 가스로 하여 감광막이 도포되지 않은 반도체 기판(100)의 피가공막을 식각하는 경우 상기 피가공막이 식각되어 발생하는 반응 부산물의 특성은 흡착력이 약하여 공정 챔버(100) 내부에 견고하게 흡착되지 않는 문제점이 있다.

따라서, 상기 반응 부산물은 미세한 압력 변화 또는 온도 변화에도 쉽게 박리되어 공정 챔버(102)의 내부에서 파티클로 부유하게 되고, 공정 불량의 원인으로 작용한다.

상기 감광막을 도포하지 않은 피가공막으로는 산화막, 질화막 및 폴리실리콘막이 있으며, 상기 반응 부산물의 흡착력을 강화하기 위해 상기 플라즈마 가스에 노출되는 섀도우 링(120)의 일부를 탄소 화합물로 구성하였다.

따라서, 상기 탄소 화합물은 식각 공정이 진행되는 동안 플라즈마에 의해 식각되고, 상기 반응 부산물의 흡착력을 강화시킨다. 이에 따라 상기 반응 부산물은 공정 챔버(102)의 내부에 견고하게 흡착된다.

도 2는 도 1에 도시한 섀도우 링이 장착된 정전척을 나타내는 개략적인 단면도이다.

도 2를 참조하면, 반도체 기판(100)의 표면에 형성된 피가공막을 식각하는 공정이 수행되는 공정 챔버(도 1 참조)의 내부에 구비되는 정전척(104)이 도시되어 있다. 정전척(104)의 상부면에는 반도체 기판(100)의 직경보다 작은 직경을 갖도록 형성되고, 반도체 기판(100)을 파지하는 파지부가 돌출되어 있다.

상기 파지부의 상부면에 식각하고자 하는 반도체 기판(100)이 놓여지고, 반도체 기판(100)을 둘러싸도록 설치되고, 반도체 기판(100)의 가장자리를 지지하고, 반도체 기판(100)의 반경 방향으로 연장되는 섀도우 링(120)이 정전척(104)의 상부에 설치된다.

섀도우 링(120)의 상부면은 반도체 기판(100)의 주변에서 상방향으로 돌출되는 돌출턱의 모서리에서 반경 방향으로 평평하게 연장된다. 상기 상부면에는 상기 돌출턱의 주연부를 따라 홈이 형성되고, 상기 홈에 탄소 화합물 재질의 링(122)이 장착된다.

도 3은 도 2에 도시한 섀도우 링을 나타내는 사시도이다.

도 3을 참조하면, 섀도우 링(120)의 전체적인 형상은 플랫 링(Flat Ring)의 형상을 갖고, 재질은 석영 유리로 구성된다. 섀도우 링(120)의 평평한 상부면에는 원주 방향을 따라 탄소 화합물 재질의 링(122)이 장착되는 홈이 형성된다.

상기 홈에 탄소 화합물 재질의 링(122)이 장착되고, 내주연부에는 반도체 기판의 가장자리를 지지하기 위한 돌출부(120a)가 구비된다.

상기와 같은 섀도우 링을 갖는 건식 식각 장치를 사용하여 감광막이 도포되지 않은 반도체 기판의 피가공막을 식각하는 경우 상기 탄소 화합물 재질의 링은 반도체 기판의 피가공막과 함께 식각되고, 플라즈마 가스와 상기 피가공막이 반응하여 발생되는 반응 부산물의 흡착력을 증대시킨다.

따라서, 상기 반응 부산물은 공정 챔버의 내부에 견고하게 흡착되고, 공정 챔버 내부의 압력 및 온도 변화에도 쉽게 박리되지 않는다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 탄소 화합물로 미국의 듀퐁(Dupont)사에 의해서 제조되는 폴리이미드(Polyimide) 수지인 베스펠(Vespel)을 사용하였으며, 실제로 섀도우 링의 일부를 상기 베스펠 재질로 변경한 경우의 정비 주기가 섀도우 링의 전체가 석영 유리 재질로 구성되는 경우보다 두배 내지 수배 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 상기 섀도우 링의 일부를 상기 베스펠 재질로 변경하였으나, 상기 섀두우 링 전체를 상기 베스펠 재질로 구성할 수도 있다.

상기 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 탄소 화합물로 상기 베스펠을 사용하였으나, 본 발명의 탄소 화합물이 상기 베스펠에 한정되지는 않는다. 또한, 섀 도우 링의 일부를 탄소 화합물로 구성하는 것에 한정되지 않으며, 섀도우 링 전체를 탄소 화합물로 구성할 수도 있다.

상기와 같은 건식 식각 장치를 사용하여 감광막이 도포되지 않은 반도체 기판 상에 형성된 피가공막을 전체적으로 식각하는 에치백 공정을 설명하면 다음과 같다. 상기 피가공막은 산화막, 질화막 및 폴리실리콘막을 포함하고, 상기 장치에서 수행되는 공정이 에치백 공정에만 한정되지는 않는다.

공정이 진행되는 챔버 내부로 상기 피가공막이 형성되어 있는 반도체 기판을 이송한다. 그리고, 상기 반도체 기판을 정전척에 올려놓는다.

이어서, 상기 챔버 내부를 에치백 공정이 진행되는 분위기로 조성한다. 구체적으로, 상기 챔버 내부를 펌핑에 의해 적절한 압력으로 형성하고, 플루오르카본 계열의 주반응 가스를 챔버 내부로 공급한다. 그리고, 상기 가스를 플라즈마 상태로 형성하기 위한 RF 전력을 공급한다.

상기 RF 전력에 의해 생성된 플라즈마 가스는 상기 피가공막을 전체적으로 식각한다. 또한, 상기 플라즈마 가스는 반도체 기판의 가장자리를 지지하는 섀도우 링의 탄소 화합물을 식각하여 반응 부산물을 발생시킨다.

상기 탄소 화합물이 상기 플라즈마 가스에 의해 식각되어 발생하는 상기 반응 부산물은 상기 피가공막이 식각되어 발생하는 상기 반응 부산물의 흡착력을 향상시킨다.

상기 반도체 기판과 상기 섀도우 링의 탄소 화합물이 식각되어 발생하는 상기 반응 부산물은 펌핑에 의해 상기 챔버로부터 배출되고, 배출되지 않은 일부는 상기 챔버 내부에 견고하게 흡착된다.

기설정된 조건에 의해 공정이 종료되면, 상기 RF 전력의 공급을 중단하고, 상기 반도체 기판을 상기 정전척으로부터 이탈시켜 상기 챔버의 외부로 이송한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 건식 식각 장치는 감광막이 도포되지 않은 반도체 기판의 피가공막을 선택적으로 식각하거나 전체적으로 식각하는 경우 반도체 기판의 가장자리를 지지하는 섀도우 링의 일부를 탄소 화합물로 구성함으로서 식각 도중에 발생하는 반응 부산물의 흡착력을 강화할 수 있다.

따라서, 상기 반응 부산물은 공정 챔버 내부에 견고하게 흡착되고, 공정 챔버 내부의 압력 및 온도 변화에 쉽게 박리되지 않는다. 이에 따라, 상기 건식 식각 장치의 정비 주기가 연장되고, 반응 부산물의 박리에 따라 발생하는 파티클로 인한 공정 결함을 방지할 수 있다.

또한, 상기 정비 주기의 연장과 파티클의 발생 억제는 장치의 가동률을 향상시키고, 제품 수율을 향상시킨다.

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.

Claims (2)

1. 플라즈마가 제공되고, 상기 플라즈마에 의해 반도체 기판 상에 형성된 피가공막을 식각하는 공정이 수행되는 공정 챔버;

   상기 공정 챔버 내에 설치되고, 상기 반도체 기판이 놓여지는 척; 및

   상기 반도체 기판을 둘러싸도록 설치되고, 적어도 일부분이 상기 플라즈마에 의해 식각되는 탄소 화합물 재질로 구성되어 상기 식각 공정을 수행하는 도중에 발생되는 반응 부산물의 흡착력을 강화시켜 상기 반응 부산물이 상기 공정 챔버의 내부에 흡착되어 박리되지 않도록 하는 섀도우 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄소 화합물 재질로 구성되는 상기 섀도우 링의 일부는 상기 플라즈마에 의해 식각되도록 상기 섀도우 링의 상부에 장착되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.

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