KR100733121B1 - 건식 식각 장치 - Google Patents

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Abstract

미세 패턴을 용이하게 형성시킬 수 있는 건식 식각 장치가 개시되어 있다. 상기 건식 식각 장치는 패턴을 형성하기 위한 반응 가스들을 유입받고, 상기 패턴을 형성하기 위한 식각 공정이 수행되는 식각 챔버, 상기 식각 챔버내에 설치되고, 상기 패턴이 형성되는 반도체 웨이퍼가 놓여지는 척, 및 상기 식각 챔버의 내면에 형성된 탄소를 함유하는 카본 라이너를 구비한다. 건식 식각 장치의 식각 챔버 내면에 탄소를 함유하는 카본 라이너를 형성시킴으로써, 식각 공정시 반응가스와 탄소와의 반응으로 인하여 피식각물의 측벽에 이방성 식각에 필요한 폴리머들을 다량으로 형성시킬 수 있으므로, 정확한 프로파일을 갖는 미세 패턴을 용이하게 형성시킬 수 있다.

Description

건식 식각 장치{DRY ETCHING APPARATUS}
도 1은 종래의 건식 식각 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 종래의 건식 식각 장치를 이용한 반도체 장치의 패턴 형성방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 도 2b의 'A'부분을 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 건식 식각 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식식각장치의 카본 라이너를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 식각 장치의 카본 라이너를 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20 : 식각 챔버 22 : 척
24 : 반도체 웨이퍼 26 : 유도 코일
30, 30a, 30b : 카본 라이너
본 발명은 건식식각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 식각공정시 탄소와 반응가스와의 반응으로 유용한 폴리머를 발생시켜 패턴의 프로파일을 향상시킬 수 있는 건식식각장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에서 식각 공정을 진행하는 식각 챔버에는 용도에 따라 여러 가지 RF제어 방식을 나뉘어 진며, 최근 반도체 장치가 디자인 룰이 0.21㎛이하로 고집적화되어감에 따라 마진(margin)이 매우 작아져 설비의 버전(version) 이 변경되거나 많은 신규설비의 개발이 요구되어지고 있다.
특히 반도체 장치의 집적화에 따른 패턴의 미세화로 포토 리소그래피 공정이 미세하게 수행되어야 하는 데, 배선의 경우 상기 공정 조건에 마진을 확보하기 위하여 deep UV PR define 능력이 뛰어난 감광액을 사용하게 되는 데, 상기 포토 레지스트의 특징은 포토(photo) 광원 및 파장이 낮을수록 define능력이 좋아짐으로 포토레지스트를 낮게 사용하여야 하며 현재 전체적으로 포토레지스트의 두께를 낮게 사용하기 시작하고 있다.
향후에 반도체 장치가 더 집적화될수록 포토레지스트의 두께는 낮아지는 데 이에 따라 식각공정에서는 포토레지스트의 탄소(carbon)성분이 패턴 형성이 폴리머로써 도움을 주게 되었으나, 상기 포토레지스트의 두께가 낮아짐에 따라 프로파일 제거 및 회로선폭(CD) 제거 등의 작용에 많은 영향을 주게 된다.
포토레지스트가 낮아지면 식각 공정 기술에 있어서 미세 회로 가공은 더욱 어려워지며, 필연적으로 온도 및 반응 가스 등의 공정 조건 등이나 설비의 업그레이드가 필요하다.
또한, 고집적 장치는 미세한 프로파일 및 회로선폭의 변화가 수율에 미치는 영향이 매우 크지만, 이를 식각 조건으로 모두 제어하기에는 한계가 있다.
즉, 포토레지스트의 두께가 어느 한계 이하로 낮아지면, 유익한 폴리머들이 형성되지 않아 식각 공정 마진에 심각한 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.
최근에는 이와 같은 문제점을 극복하기 위하여, 낮은 두께의 포토레지스트를 사용하고, 식각공정시 하드마스크(hard mask)를 도입하는 등의 공정이 수행되고 있으나, 디자인 룰이 0.15㎛이하로 줄어들 경우에는 식각 공정 마진이 없는 문제점이 발생한다.
즉, high sel to PR에 따른 프로파일 마진이 없고 특정 반응 가스를 많이 사용함으로써 응축(condensation)등이 발생하고, 또한 회로선폭 제어, 잔류물(residue)등 여러 가지 문제점이 발생한다.
한편, 건식 식각 공정을 수행하기 위한 식각 장치는 RF(Radio Frequence) 전극 구성에 따라 PE(Plasma Etching), RIE(Reactive Ion Etching), MERIE(Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching), ECR(Electron-Cyclotron Resonance), DPS(Decoupled Plasma Source), TCP(Transformer Coupled Plasma) 등의 여러 가지 방식으로 분류된다.
이러한, 건식 식각 장치의 일 예가 미합중국 특허 제4,340,462호, 제 4,948,458호 및 제5,200,232호에 개시되어 있다.
도 1은 종래의 건식 식각 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2a 내지 도 2b는 종래의 건식 식각 장치를 이용하여 식각공정을 수행한 반도체 장치의 단면 도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 통상적인 건식 식각 장치는 플라즈마 상태의 식각 가스를 이용한 건식식각 공정이 진행되는 식각 챔버(2), 상기 식각 챔버 내부의 소정 영역에 위치하며 피식각물인 웨이퍼(6)가 안착되는 척(4) 및 상기 식각 챔버(2)의 외측 상부에 원형 도는 나선형으로 구비되는 유도 코일(8)을 구비하여 형성된다.
상기 건식 식각 장치는 상기 유도 코일(8)에 고주파의 파워를 인가시켜 상기 유도 코일(8)에 의하여 형성되는 전기장을 이용하여 플라즈마를 형성시킨다.
즉, 상기 유도 코일에 고주파의 파워를 인가시켜 인덕턴스(inductance)성분을 유기시킴으로써, 상기 인덕턴스 성분에 의하여 상기 식각 챔버(2)내에 수직방향의 자기장과 수평방향의 전기장을 형성시킴으로써 상기 전기장을 따라 전자가 회전운동으로 가속되어 상기 식각 챔버(2) 내의 반응가스와 충돌하여 상기 반응가스를 전리시킴으로써 플라즈마를 형성시키는 것이다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 건식 식각 장치를 이용한 반도체 장치의 패턴 형성방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 제1층(12)을 형성한 후, 상기 제1층(12) 상에 포토레지스트(도시안됨)를 도포하고, 통상의 사진공정을 이용하여, 상기 제1층(12) 상에 포토레지스트 패턴(14)을 형성한다.
도 2b를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(14)을 식각 마스크로 하여 통상의 건식식각 장치에서 상기 제1층(12)을 식각하여, 상기 반도체 기판(10) 상에 제1 층 패턴(16)을 형성한다.
상기 건식식각 장치에서 상기 제1층(12)을 식각하는 방법에 있어서, 상기 제1층이 폴리실리콘으로 이루어지는 경우에는 통상적으로 육플루오르화황(SF6) 가스가 이용되며, 상기 제1층이 금속물질로 이루어지는 경우에는 염소(Cl2) 가스가 이용된다.
이어서, 상기 포토레지스트 패턴(14)을 제거한다.
그러나, 종래의 건식 식각 공정에 있어서, 통상적인 건식식각장치 즉, PE, RIE, MERIE, ECR, DPS, TCP 등의 장치로는 낮은 두께의 포토레지스트가 사용되는 고집적화된 반도체 장치의 제조방법에서 적용하기 어렵다.
이를 도면을 참조하여 설명하면, 다음과 같다.
도 3은 도 2b의 'A'부분을 확대한 도면이다.
도 3을 참조하면, 포토레지스트 패턴(14)의 두께가 낮은 상태에서 식각 공정을 진행하게 되면, 포토레지스트와 식각 가스와의 반응으로 인하여 발생되는 폴리머의 양이 적어 상기 포로레지스트 패턴(14)의 하부에 형성되는 제1층 패턴(16)의 측면에 낫칭(notching)과 같은 결함이 생기고, 상기 제1층 패턴(16)의 프로파일이 불량하게 된다.
즉, 최근에는 반도체 장치가 고집적화됨에 따라 패턴의 미세화를 이루기 위하여 사진 공정이 미세하게 수행되고 있다. 특히 배선의 경우에는 사진 공정 조건에 마진(margin)을 확보하기 위하여 Deep UV PR Define 능력이 우수한 감광액을 사 용하게 되는 데, 상기 포토레지스트의 특징은 사진 공정의 광원 및 파장이 낮을수록 Define 능력이 좋아짐으로 포토레지스트를 낮은 두께로 사용해야 하며, 현재 전체적으로 포토레지스트의 두께를 낮게 사용하기 시작하고 있다.
그러나, 상술한 바와 같이 포토레지스트를 낮게 사용하는 경우에는 종래의 건식식각 장치를 이용한 식각 공정시 반응가스와 포토레지스트와의 반응으로 인하여 발생하는 폴리머들이 적게 형성된다.
상기 폴리머들은 식각 공정시 패턴의 측벽에 형성됨으로써, 패턴이 수직한 프로파일을 갖도록 하는 역할을 한다.
따라서, 상술한 바와 같이 종래의 건식식각 장치에서 낮은 두께의 포토레지스트를 이용하여 사진 식각 공정을 수행할 경우, 패턴이 수직한 프로파일을 갖도록 하는 폴리머들이 적게 형성됨으로써, 형성되는 패턴의 프로파일을 제어하기 어렵다. 즉, 반도체 장치가 점차 고집적화됨에 따라 많은 패턴들이 미세화되고 있으나, 종래의 장치로는 이렇게 미세한 패턴들을 형성할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 식각 공정시 다량의 폴리머를 발생시킴으로써, 형성되는 수직한 프로파일을 갖는 미세한 패턴을 용이하게 형성할 수 있는 건식 식각 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 패턴을 형성하기 위한 반응 가스들을 유입받고, 상기 패턴을 형성하기 위한 공정이 수행되는 식각 챔버, 상기 식각 챔버내에 설치되고, 상기 패턴이 형성되는 반도체 웨이퍼가 놓여지는 척, 및 상기 식각 챔버의 내면에 형성된 카본 라이너를 구비하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치를 제공한다.
상기 카본 라이너는 상기 식각 챔버의 내면 측부을 따라 원통형으로 형성될 수도 있고, 상기 식각 챔버의 내면 측부 일측에 직사각 형상으로 형성될 수도 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 건식 식각 장치를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식식각장치의 카본 라이너를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 식각 장치의 카본 라이너를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 건식 식각 장치는 플라즈마 상태의 식각 가스를 이용한 건식식각 공정이 진행되는 식각 챔버(20), 상기 식각 챔버(20) 내부의 소정 영역에 위치하며 피식각물인 웨이퍼(24)가 안착되는 척(22), 상기 식각 챔버의 내면에 형성된 카본 라이너(30) 및 상기 식각 챔버(20)의 외측 상부에 원형 도는 나선형으로 구비되는 유도 코일(26)을 구비하여 형성된다.
도 5를 참조하면, 상기 카본 라이너(30a)는 상기 식각 챔버(20)의 내면 측부을 따라 상기 척(22)을 둘러싸도록 원통형으로 형성된다.
이 때, 상기 카본 라이너(30)은 약 1㎜이상의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 상기 카본 라이너(30)이 1㎜이하의 두께를 갖도록 형성될 경우에는 식각 공정 수행시 상기 카본 라이너이 쉽게 소모되어 상기 카본 라이너(30)을 자주 교체하여야 하는 문제점이 있다.
또한, 상기 카본 라이너(30)은 전체 카본 라이너를 기준으로 약 30중량%의 탄소를 함유하는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 탄소의 함유율이 30중량% 미만일 경우에는 플라즈마에 의한 탄소 방출량이 적어져 상기 탄소와 반응가스와의 반응으로 인한 폴리머들의 형성이 적어지게 되는 문제점이 있다.
또한, 상기 카본 라이너(30)은 삽탈이 가능하도록 상기 식각 챔버 내에 형성되어, 상기 카본 라이너(30)의 소모시 교환이 가능하도록 형성된다.
도 6을 참조하면, 상기 카본 라이너(30b)은 소정의 두께를 갖는 직사각 형상으로 구성되어, 상기 식각 챔버(30)의 내면 측부 일측에 형성될 수도 있다.
또한, 상기 카본 라이너(26)는 전체 카본 라이너를 기준으로 약 30중량%의 탄소를 함유하는 탄력성 있는 물질로 이루어지며, 상기 척(22)의 일부를 둘러싸도록 상기 식각 챔버(30)의 내면 측부에 형성될 수도 있다.
이하, 상기 도 4 내지 도 6을 참조하여, 도 5 및 도 6에 도시한 카본 라이너를 구비하는 반도체 장치의 건식 식각 장치에서 수행되는 건식 식각 방법을 설명한다.
기판 상에 피식각물층 및 포토레지스트 패턴이 형성된 반도체 웨이퍼(24)는 상기 건식 식각 장치의 척(22) 상에 안착된다.
이어서 상기 건식 식각 장치 내에 상기 피식각물을 식각하기 위한 반응가스들이 주입되며, 상기 반응 가스는 상기 피식각물의 종류에 따라 결정된다.
상기 건식 식각 공정시 사용되는 반응 가스로서 상기 피식각물이 폴리실리콘으로 이루어지는 경우에는 통상적으로 육플루오르화황(SF6) 가스가 이용되며, 상기 제1층이 금속물질로 이루어지는 경우에는 염소(Cl2) 가스가 이용된다.
이어서, 상기 유도 코일(26)에 고주파의 파워를 인가시켜 인덕턴스(inductance)성분을 유기시키고, 상기 인덕턴스 성분에 의하여 상기 식각 챔버(20)내에 수직방향의 자기장과 수평방향의 전기장을 형성시킴으로써 상기 전기장을 따라 전자가 회전운동으로 가속되어 상기 식각 챔버(20) 내의 반응가스와 충돌하여 상기 반응가스를 전리시킴으로써 플라즈마를 형성시킨다.
이와 같이 형성된 플라즈마를 이용하여 피식각물의 식각 공정이 수행되며, 상기 플라즈마에 의해서 상기 식각 챔버(20) 내에 형성된 카본 라이너(30)으로부터 탄소 원자가 발생된다.
이와 같이 발생된 탄소 원자는 상기 반응 가스와 반응하여 상기 피식각물의 측면에는 폴리머를 형성한다.
일반적으로 폴리실리콘층의 식각공정시 반응 가스로서 육플루오르화황 가스를 사용하는 경우에는 SiCy, C, CxCly, WxCy 등의 폴리머들이 발생하며, 금속층의 식각 공정시 염소 가스를 사용하는 경우에는 AlClCy, AlCy, TiCy등의 폴리머들이 발생한다.
상기와 같이 발생한 폴리머들은 상기 피식각물의 측면을 따라 형성되어, 이방성 식각이 원활히 수행되도록 하는 역할을 하며, 따라서 정확한 프로파일을 갖는 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
종래에는 고집적 반도체 장치의 패턴 형성시 낮을 두께의 포토레지스트를 사용함으로써, 포토레지스트 내의 탄소 성분이 충분하지 못함으로써, 피식각물의 측면에 형성되는 폴리머들을 다량으로 형성시키기 어려웠으며, 이를 극복하고자 특정 반응 가스를 많이 사용할 경우에는 응축(condensation)등의 문제가 발생하였으며, 이에 따라 정확한 프로파일을 갖는 패턴을 형성하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명에 따르면, 건식 식각 장치의 내부에 탄소를 함유하는 카본 라이너를 형성시킴으로써, 포토레지스트의 두께가 낮은 경우에도 이방성 식각 공정시 필요한 폴리머들을 용이하게 발생시킬 수 있으므로, 정확한 프로파일을 갖는 패턴을 용이하게 형성시킬 수 있다.
본 발명에 따른 건식 식각 장치에 의하면, 건식 식각 장치의 식각 챔버 내면에 탄소를 함유하는 카본 라이너를 장착함으로서, 반도체 장치의 식각 공정시 반응 가스와 상기 카본 라이너으로부터 발생되는 탄소 원자와의 반응으로 인하여 다량의 폴리머들을 용이하게 형성시킬 수 있다.
따라서, 포토레지스트의 두께가 낮은 고집적 반도체 장치의 식각 공정시에도 피식각물의 측면에 이방성 식각을 위한 폴리머들을 용이하게 형성시킬 수 있으므로, 정확한 프로파일을 갖는 미세 패턴들을 용이하게 형성할 수 있고, 식각 마진을 확보할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 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 (3)

  1. 패턴을 형성하기 위한 반응 가스들을 유입받고, 상기 패턴을 형성하기 위한 식각 공정이 수행되는 식각 챔버;
    상기 식각 챔버내에 설치되고, 상기 패턴이 형성되는 반도체 웨이퍼가 놓여지는 척; 및
    상기 식각 챔버의 내면에 형성되고, 탄소를 함유하고, 상기 반응 가스들과 반응하여 폴리머를 생성시키기 위한 카본 라이너를 구비하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 카본 라이너는 상기 식각 챔버의 내면 측부을 따라 원통형으로 형성된 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 카본 라이너는 직사각 형상을 가지며, 상기 식각 챔버의 내면 측부 일측에 형성된 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
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