KR100701376B1 - 반도체 플라즈마 식각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 플라즈마 식각 장치에 관한 것으로, 식각 챔버와, 식각 챔버의 상측 주변에 구비되어 RF 파워를 공급하여 플라즈마를 점화시키는 소스파워 공급단과, 소스파워 공급단으로부터 공급되는 RF 파워에 따라 챔버 내부에 플라즈마 장을 발생시켜 식각될 웨이퍼 상에 플라즈마를 형성하는 링 형태의 접지전극과, 웨이퍼가 장착되며 RF 파워를 공급하는 바이어스 전극을 포함한다. 본 발명에 의하면, 플라즈마 식각 장치에서의 접지전극을 가운데 홀이 뚫린 링 형태로 구성하여 웨이퍼 상에 형성되는 플라즈마의 에지 부분에서의 밀도를 상대적으로 높임으로써, 반도체 STI 형성시 발생하는 웨이퍼 센터와 에지간의 플라즈마 밀도 차이를 줄여 궁극적으로 STI 형태, 크기, 깊이 등의 차이로 인한 STI 보이드를 방지할 수 있다.

STI, 플라즈마, 접지전극

Description

반도체 플라즈마 식각 장치{SEMICONDUCTOR PLASMA ETCHING DEVICE}

도 1은 종래 반도체 플라즈마 식각 장치에 대한 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 반도체 플라즈마 식각 장치에 대한 구성도,

도 3은 도 2의 접지전극에 대한 평면도.

본 발명은 반도체 플라즈마(plasma) 식각 장치에 관한 것으로, 특히 STI(Shallow Trench Isolation) 보이드(void)를 감소시키는데 적합한 반도체 플라즈마 식각 장치에 관한 것이다.

반도체 제조 기술의 발달에 따른 소자의 고집적화로, 회로상의 금속 배선은 점차 미세한 선폭으로 형성되며 그 배선 간의 간격 또한 미세화되는 추세이다. 그리고 소자의 크기를 줄이기 위해 다층 배선 구조를 채택한다. 이러한 다층 금속 배선은 배선 사이를 층간 절연시키기 위하여 층간 절연막을 반드시 필요로 한다.

금속 배선 사이를 전기적 분리를 위한 층간 절연막은 USG(Undoped Silicate Glass), SOG을 이용한 산화막, 플라즈마인핸스드 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: 이하 PE CVD라함)에 의한 TEOS 또는 실리콘질화막 (SiH4)을 증착하거나, HDP CVD로 산화막을 증착한 후에 화학적기계적연마(Chemical Mechanical Polishing : 이하 CMP라 함) 공정을 이용하여 평탄화시킨다.

또한, 디바이스 크기가 축소되면서 트랜지스터간의 거리가 가까워지고, 동작전압이 커지면서 누설 전류(leakage current)에 대한 위험성이 점점 커지고 있기 때문에, STI의 깊이는 점점 깊어지고 STI의 폭은 점점 좁아지고 있다. 트렌치의 종횡비(aspect ratio), 즉 깊이 대 넓이의 비가 점점 커짐에 따라 CVD를 사용하는 방법으로는 오버행(overhang)에 의해 STI가 채워지지 않는 보이드 현상이 발생하게 된다. 보이드 생성을 예측하고 방지하기 위한 방법은 여러 가지가 있지만, 그 해결법은 각 장비의 공정 능력에 많이 좌우된다.

한편, 반도체 제조 공정에서 플라즈마를 발생시키는 방법 중 가장 널리 사용되는 방식은 두 전극 가운데 하나의 전극은 접지시키고, 나머지 전극에는 주기적으로 변화하는 교류 전장(일반적으로 RF)을 인가하여 이온 및 전자쌍을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 RIE(Reactive Ion Etching) 방식이다. 이때, 형성된 플라즈마의 특성, 예를 들어 전자의 온도 및 플라즈마의 밀도 등과 기판에 입사하는 이온의 에너지는 모두 교류 전장의 파워에 의해 결정된다.

그러나 이러한 방식은 일반적으로 공정 압력이 높기 때문에 미세 패턴 형성에 불리하고 플라즈마의 특성과 이온의 에너지를 독립적으로 조절할 수 없다.

따라서 반도체 장치의 고집적화에 따라 낮은 압력에서 플라즈마의 특성과 이온의 에너지를 독립적으로 조절할 수 있는 방법, 즉 저압 고밀도 플라즈마 소스(low pressure high density plasma source)를 사용하는 방법이 사용되고 있다. 이러한 방법은 소스 파워를 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 독립적으로 기판에 바이어스 파워를 인가하여 기판에 입사하는 이온 에너지를 조절하도록 하는 구성을 갖는다.

상기 저압 고밀도 플라즈마 소스는 수 mTorr 이하에서도 일정 값 이상의 플라즈마 밀도를 유지하도록 할 수 있기 때문에 높은 식각 비율 및 높은 이방성의 식각이 가능하다.

또한, 대부분의 경우 플라즈마를 발생시키기 위한 소스파워와 플라즈마 내의 이온 및 전자를 기판으로 끌어당기기 위한 바이어스 파워가 분리되어 있기 때문에 기판에 입사하는 이온의 에너지를 독립적으로 조절할 수 있다.

저압 고밀도 플라즈마 소스는 플라즈마 발생 방법에 따라, ICP(Inductively Coupled Plasma), ECR(Electron Cyclotron Resonance), 헬리콘파(Helicon wave) 플라즈마, 그리고 SWP(Surface Wave Plasma) 등으로 구분되고, 이밖에도 새로운 플라즈마 소스의 개발이 활발히 진행되고 있다.

최근에 서브 0.1 마이크론 이하의 반도체 소자를 개발함에 있어서 식각 장비의 의존성은 증가하고 있고, 특히 고종횡비, 고선택비가 요구되는 소자의 개발을 위한 새로운 개념의 식각장비가 요구되고 있다.

따라서 전자에너지분포함수(Electron Energy Distribution Function : EEDF), 이온에너지분포함수(Ion Energy Distribution Function : IEDF)의 정확한 제어가 중요하며, 원하는 박막의 식각을 위하여는 식각가스로 유입되는 뉴트럴(neutral)에서 활성화된 라디칼(radical)의 종류와 밀도 제어가 필요하다.

도 1은 종래 기술에 따른 반도체 플라즈마 식각 장치의 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 식각 챔버(10), 식각 챔버(10)의 상측 주변에 구비되어 RF 파워를 공급하여 플라즈마를 점화시키는 소스파워 공급단(12), 소스파워 공급단(12)으로부터 공급되는 RF 파워에 따라 플라즈마 장을 발생시켜 플라즈마(A)를 형성하는 접지전극(14), 식각될 웨이퍼(W)가 장착된 바이어스 전극(16)으로 구성된다. 바이어스 전극(16)도 RF 파워를 공급한다.

도 1에 도시된 종래 플라즈마 식각 장치에서는 특정한 파워 공급에 의하여 생성된 이온과 라디칼에 의하여 식각이 진행된다.

기본적으로 외부에서 인가된 에너지는 전자를 생성시키고, 또한 활성화시킨다. 전자의 활성화 정도에 따라 플라즈마 밀도의 정도가 달라진다. 이러한 전자의 에너지 분포를 시간과 장소의 함수로 나타낸 것을 전자에너지분포함수라 일컬으며, 에너지 전달의 수단으로 사용되는 전자의 에너지를 제어하는 것이 중요하다. 또한 기본적으로 이온의 도움을 받는 라디칼이 식각에 직접 참여한다. 따라서 이러한 이온, 라디칼, 전자를 제어함이 식각에 있어 가장 중요한 요소이다.

이와 같이 플라즈마를 사용하는 장비의 경우, 웨이퍼의 센터(center) 부분에 플라즈마가 인가되어 공정을 진행하므로 웨이퍼의 센터에 플라즈마의 영향이 크게 주어지는 경향이 있다. 플라즈마의 모양을 결정하는 가장 큰 요인은 상기 접지전극(14)인데, 일반적인 접지전극(14)은 디스크 형태를 취하고 있기 때문에 도 1의 "A"와 같은 모양의 플라즈마가 형성된다.

즉, 플라즈마 공정을 많이 진행할수록 웨이퍼 센터 부분에 대해서만 대미지 (damage)를 받을 가능성이 크게 되는데, 특히 건식 식각(dry etch) 공정의 경우, 웨이퍼 센터가 에지(edge)보다 식각 비율이 높으므로, 센터의 스페이스가 크고 에지쪽으로 갈수록 스페이스가 작아지는 특징이 있다. 그 이후 STI를 옥사이드로 채우는 공정도 플라즈마를 사용하므로, 웨이퍼 센터의 효과가 크고 에지로 갈수록 효과가 작아진다.

따라서 STI 갭필 관점에서는 웨이퍼 에지가 웨이퍼 센터에 비해 상대적으로 취약한 구조를 가지고 있는 것이 작금의 현실이다.

본 발명은 상술한 점을 감안한 것으로, 반도체 플라즈마 식각 챔버내의 접지전극에 대해 가운데 구멍이 뚫린 링(ring) 형태로 구성하여 웨이퍼 에지에서의 플라즈마 밀도가 크게 되도록 플라즈마를 형성함으로써, 웨이퍼 센터와 웨이퍼 에지간의 플라즈마 밀도 차이를 줄일 수 있는 반도체 플라즈마 식각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 식각 챔버와, 상기 식각 챔버의 상측 주변에 구비되어 RF 파워를 공급하여 플라즈마를 점화시키는 소스파워 공급단과, 상기 소스파워 공급단으로부터 공급되는 RF 파워에 따라 상기 챔버 내부에 플라즈마 장을 발생시켜 식각될 웨이퍼 상에 플라즈마를 형성하는 링 형태의 접지전극과, 상기 웨이퍼가 장착되며 RF 파워를 공급하는 바이어스 전극을 포함하는 반도체 플라즈마 식각 장치를 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.

설명에 앞서, 본 발명의 핵심 기술 요지는, 반도체 플라즈마 식각 챔버내의 접지전극을 가운데 구멍이 뚫린 링 형태로 구성하여 웨이퍼 에지에서의 플라즈마 밀도가 크게 되도록 플라즈마를 형성한다는 것으로, 이러한 기술 사상으로부터 본 발명의 목적으로 하는 바를 용이하게 달성할 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 반도체 플라즈마 식각 장치에 대한 구성도로서, 식각 챔버(20), 소스파워 공급단(22), 접지전극(24), 바이어스 전극(16)을 포함하고 구성된다.

도시한 바와 같이, 소스파워 공급단(22)은 식각 챔버(20)의 상측 주변에 구비되어 식각 챔버(20) 내에 RF 파워를 공급하는 역할을 수행한다. 이러한 RF 파워는 플라즈마를 점화시키기 위한 공급원으로서, 소스파워 공급단(22)으로부터 공급되는 RF 파워는 접지전극(24)으로 제공된다.

본 실시예에 따른 접지전극(24)은 상기 소스파워 공급단(22)으로부터 공급되는 RF 파워에 따라 식각 챔버(20) 내부에 플라즈마 장을 발생시켜 식각될 웨이퍼(W) 상에 플라즈마(A')를 형성하는 역할을 수행한다. 이때, 웨이퍼(W) 상에 형성되는 플라즈마(A')는 비대칭 형태이다.

이와 같은 접지전극(24)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)와 대향되게 식각 챔버(20) 상단에 장착되는데, 도시한 바와 같은 형태의 플라즈마(A')를 형성하도록 링 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 접지전극(24)은, 웨이퍼(W)의 에지에서의 플라즈마 밀도가 웨이퍼(W)의 나머지 부분에서의 플라즈마 밀도보다 일정 값 이상 높게 형성되도록, 즉 웨이퍼(W) 가장자리의 플라즈마 밀도가 다른 곳보다 상대적으로 크게 형성되도록 그 중심부에 일정 크기의 홀이 뚫려있는 것을 특징으로 한다.

접지전극(24)의 평면도는 도 3에 도시된 바와 같다.

이와 같은 형태의 접지전극(24)으로 인해, 최종 웨이퍼(W) 상에 형성되는 플라즈마(A')는 도 2에서와 같이 에지 부분에서의 밀도가 상대적으로 높게 유지되는 것이다.

한편, 바이어스 전극(26)은 그 상부에 웨이퍼(W)가 안착되도록 구성되며, 상술한 접지전극(24)과 마찬가지로 RF 파워를 공급하는 역할을 수행한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 플라즈마 식각 장치에서의 접지전극을, 기존의 디스크 형태에서 링 형태로 변경하여 웨이퍼 상에 형성되는 플라즈마의 에지 부분에서의 밀도가 상대적으로 높게 되도록 구현한 것이다.

본 발명에 의하면, 플라즈마 식각 장치에서의 접지전극을 가운데 홀이 뚫린 링 형태로 구성하여 웨이퍼 상에 형성되는 플라즈마의 에지 부분에서의 밀도를 상대적으로 높임으로써, 반도체 STI 형성시 발생하는 웨이퍼 센터와 에지간의 플라즈마 밀도 차이를 줄여 궁극적으로 STI 형태, 크기, 깊이 등의 차이로 인한 STI 보이드를 방지할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 기술하였으나 본 발명은 이러한 실시예에 국한되는 것은 아니며, 후술하는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자로부터 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (4)

1. 식각 챔버와,

   상기 식각 챔버의 상측 주변에 구비되어 RF 파워를 공급하여 플라즈마를 점화시키는 소스파워 공급단과,

   상기 소스파워 공급단으로부터 공급되는 RF 파워에 따라 상기 챔버 내부에 플라즈마 장을 발생시켜 식각될 웨이퍼 상에 플라즈마를 형성하는 링 형태의 접지전극과,

   상기 웨이퍼가 장착되며 RF 파워를 공급하는 바이어스 전극

   을 포함하는 반도체 플라즈마 식각 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 접지전극은, 상기 웨이퍼와 대향되게 상기 챔버 상단에 장착되는 것을 특징으로 하는 반도체 플라즈마 식각 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 접지전극은, 상기 웨이퍼의 에지에서의 플라즈마 밀도가 상기 웨이퍼의 나머지 부분에서의 플라즈마 밀도보다 일정 값 이상 높게 형성되도록 그 중심부에 일정 크기의 홀이 뚫려있는 것을 특징으로 하는 반도체 플라즈마 식각 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 웨이퍼 상에 형성되는 플라즈마는 비대칭 형태인 것을 특징으로 하는 반도체 플라즈마 식각 장치.

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