KR100746910B1 - 플라즈마 식각장치 및 식각방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 식각장치 및 식각방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 웨이퍼를 식각하는 공정이 수행되는 챔버와, SF6와 O2로 이루어진 가스를 O2의 유량이 SF6의 유량의 0.8배 이상 1.4배 이하가 되도록 조절하여 챔버 내부로 주입하기 위한 가스주입수단과, 가스를 플라즈마화하기 위한 RF전력이 인가되는 상부전극수단 및 상기 플라즈마를 상기 웨이퍼쪽으로 유도하기 위한 바이어스 전압이 인가되는 하부전극수단을 포함한다.
이러한 본 발명에 따르면, 웨이퍼 표면조도를 향상시키는 등의 효과가 있다.
플라즈마, 챔버, 가스주입수단, 상부전극수단, 하부전극수단
Description
도 1은 종래의 플라즈마 식각방법에 의해 형성된 웨이퍼 프로파일 단면을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 식각장치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 식각방법을 나타낸 도면.
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따라 웨이퍼상에 형성되는 프로파일의 다양한 형태를 나타낸 도면.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
210 : 챔버 220 : 가스주입수단
230: 상부전극수단 250 : 하부전극수단
200 : 웨이퍼
본 발명은 플라즈마 식각장치 및 식각방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 식각 공정은 크게 건식식각공정과 습식식각공정으로 분류할 수 있다.
습식식각공정은 화학약품을 이용하여 웨이퍼의 표면을 식각하는 방법인 반면, 건식식각공정은 화학약품을 사용하지 않는 식각방법이다.
이러한 건식식각공정 중 일반적으로 사용되는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE) 공정은 식각용 가스를 플라즈마 상태로 만들고, 상하 전극을 이용하여 플라즈마 상태의 식각용 가스를 웨이퍼 표면에 충돌시켜, 물리적인 충격과 화학반응의 결합에 의하여 웨이퍼의 표면을 식각하는 방법이다.
이러한 반응성 이온식각 공정의 한 예로 보쉬 공정( Bosch Process )을 들 수 있다.
보쉬 공정은 1)보호막공정(Passivation Step)과 2)식각공정(Etching Step)을 반복하여 웨이퍼의 표면을 식각하는 메커니즘이다.
이를 보다 상세히 살펴보면, 1)보호막공정에서,C4F8 가스를 챔버 내부로 주입하고 고전압를 인가하면, 플라즈마가 형성된다. 이때 생성된 CFX성 폴리머들이 웨이퍼 프로파일의 측벽(Sidewall)과 바닥(Bottom)면에 증착된다. 이러한 폴리머는 SF6 가스를 이용하여 식각을 위한 플라즈마 형성 시 발생하는 반응성 플루오르 라디칼(F Radical)과 실리콘(Si)과의 반응을 방해하여, 웨이퍼 프로파일의 측벽을 보호하는 역할을 한다.
2)식각공정에서, 원하는 비등방성의 프로파일을 얻기 위해 가스를 SF6로 변 경하여 플라즈마를 형성하게 되는데, 이때 발생하는 플루오르 이온(F Ion)에 바이어스 전력(Bias Power)을 인가하여 웨이퍼 프로파일의 바닥면에 형성된 CFX성 폴리머를 제거하면서 플루오르 라디칼(F Radical)의 반응성을 이용하여 실리콘의 수평 방향의 프로파일 즉, 웨이퍼 프로파일의 측벽을 보호하면서 수직 방향으로 웨이퍼 프로파일의 바닥면을 식각하여 비등방성의 웨이퍼 프로파일을 얻는다.
한편, 이러한 보쉬 공정은 1)보호막공정과 2)식각공정을 반복함으로써 필연적으로 웨이퍼의 식각표면이 거칠어지는 스캐러핑(Scalloping) 현상을 야기하는 문제점이 있다.
즉, 2)식각공정에서, 바이어스 전력에 의해 플루오르 이온(F Ion)이 웨이퍼 쪽으로 가속되는 과정에서, 웨이퍼 프로파일의 측벽에 형성된 일부 CFX성 폴리머들을 제거하게 됨으로써, 웨이퍼 프로파일의 측벽이 거칠어지는 것이다.
또한, 플루오르 이온(F Ion)에 의해 제거된 CFX성 폴리머들이 챔버 내부에 축적되어 식각 공정의 불량을 유발하는 문제점이 있다.
또한, 챔버 내부에 축적된 CFX성 폴리머들을 제거해주는 공정이 추가적으로 필요하여 웨이퍼 식각과정에서, 시간적, 비용적 측면에서의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 웨이퍼 표면조도를 향상시키는 플 라즈마 식각장치 및 식각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 식각공정의 불량률을 감소시켜 수율을 향상시키는 플라즈마 식각장치 및 식각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 식각공정의 시간적, 비용적 측면에서의 효율을 향상시키는 플라즈마 식각장치 및 식각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 , 웨이퍼 프로파일의 각도를 조절할 수 있는 플라즈마 식각장치 및 식각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 식각장치는 웨이퍼를 식각하는 공정이 수행되는 챔버와, SF6와 O2로 이루어진 가스를 O2의 유량이 SF6의 유량의 0.8배 이상 1.4배 이하가 되도록 조절하여 챔버 내부로 주입하기 위한 가스주입수단과, 가스를 플라즈마화하기 위한 RF전력이 인가되는 상부전극수단 및 플라즈마를 웨이퍼쪽으로 유도하기 위한 바이어스 전압이 인가되는 하부전극수단을 포함한다.
웨이퍼는 실리콘 또는 폴리실리콘인 것이 바람직하다.
챔버 내부의 압력은 15 mT 이상 90 mT 이하인 것이 바람직하다.
RF전력은 1000 W 이상 3000 W 이하이고, 바이어스 전압은 200 V 이상 600 V 이하인 것이 바람직하다.
SF6의 유량은 50 sccm 이상 400 sccm 이하이고, O2의 유량은 50 sccm 이상 300 sccm 이하인 것이 바람직하다.
RF전력은 유도결합플라즈마(ICP) 방식으로 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 플라즈마 식각방법은 챔버 내부의 하부전극상에 포토 레지스트 패턴이 형성된 웨이퍼를 로딩하는 단계와, SF6와 O2로 이루어진 가스를 O2의 유량이 SF6의 유량의 0.8배 이상 1.4배 이하가 되도록 조절하여 챔버 내부로 주입하는 단계와, 챔버 내부의 상부 전극에 RF전력을 인가하여 가스를 플라즈마화하는 단계 및 챔버 내부의 하부 전극에 바이어스 전압을 인가하여 플라즈마를 웨이퍼쪽으로 유도함으로써, 웨이퍼를 식각하는 단계를 포함한다.
챔버 내부의 압력과 SF6와 O2의 유량비를 조절하여 웨이퍼상에 형성되는 프로파일의 형태를 조절하는 것이 바람직하다.
웨이퍼는 실리콘 또는 폴리실리콘인 것이 바람직하다.
챔버 내부의 압력은 15 mT 이상 90 mT 이하인 것이 바람직하다.
RF전력은 1000 W 이상 3000 W 이하이고, 바이어스 전압은 200 V 이상 600 V 이하인 것이 바람직하다.
SF6의 유량은 50 sccm 이상 400 sccm 이하이고, O2의 유량은 50 sccm 이상 300 sccm 이하인 것이 바람직하다.
RF전력은 유도결합플라즈마(ICP) 방식으로 공급되는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 식각장치를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 식각장치는 챔버(210), 가스주입수단(220), 상부전극수단(230), 하부전극수단(250), RF전력 공급수단(240), 바이어스전압 공급수단(260), 가스배출수단(270)을 포함한다.
챔버(210)는 플라즈마를 이용하여 웨이퍼(200)를 식각하기 위한 공정이 수행되는 공간을 제공한다. 웨이퍼(200)는 실리콘 또는 폴리실리콘으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 웨이퍼(200) 상에는 소정의 포토 레지스트 패턴(도시하지 않음)이 형성되어 있어, 이 포토 레지스트 패턴에 따라 후술하는 바와 같이 웨이퍼(200)의 식각 패턴이 결정된다.
가스주입수단(220)은 SF6와 O2로 이루어진 가스를 O2의 유량이 SF6의 유량의 0.8배 이상 1.4배 이하가 되도록 조절하여 챔버 내부로 주입한다. O2의 유량이 SF6의 유량의 0.8배 미만일 경우 포토 레지스트 패턴의 하부가 식각되는 마스크 언더컷(Mask Undercut)이 포토 레지스트 패턴의 50%를 넘게 되어 웨이퍼의 식각 패턴 형성이 어려우며, O2의 유량이 SF6의 유량의 1.4배를 초과할 경우 후술하는 SiOF 성분이 과도하게 형성되어 웨이퍼 식각이 불가능해지는 점을 고려한 것이다.
상부전극수단(230)에 RF전력원(240)으로부터 RF전력이 공급되면, SF6와 O2로 이루어진 가스가 플라즈마 상태로 변환된다.
하부전극수단(250)에 바이어스전압원(260)으로부터 바이어스 전압이 인가되면, 플라즈마는 하부전극수단(250)쪽으로 가속되어, 하부전극수단(250)상에 로딩되어 있는 웨이퍼(200)를 플라즈마 식각한다.
가스배출수단(270)은 SF6와 O2로 이루어진 가스 또는 플라즈마 식각 후의 부산물 등을 배출하는 통로로서의 역할을 한다.
챔버(210) 내부의 압력은 15 mT 이상 90 mT 이하인 것이 바람직하다.
챔버(210) 내부의 압력을 15mT 미만으로 낮추게 되면 식각 대상이 되는 실리콘과 마스크층(Mask Layer)으로 사용하는 포토 레지스트(PR)의 선택비가 10:1 이하로 떨어지게 되어 사용할 수 없게 된다. 예를 들면 500μm 실리콘 식각을 위해 필요한 포토 레지스트의 두께는 선택비 10:1에서 50μm 이고, 5:1로 떨어지게 되면 100μm가 필요하게 된다. 그러나 포토 레지스트의 두께가 100μm일 때 해상도의 문제로 형성할 수 있는 최소 선폭은 30 μm 이상의 패턴으로 제한되며, 그보다 미세한 패턴은 형성할 수 없게 된다. 그러므로 실리콘 식각에 있어, 최소 10:1이상의 포토 레지스트 선택비를 가져야 하며, 이런 이유로 챔버 내부의 압력은 15 mT 이상 90 mT 이하인 것이 바람직하다.
RF전력은 1000 W 이상 3000 W 이하인 것이 바람직하다. RF 전력이 1000 W 미만일 경우 플라즈마 점화(Plasma Ignition)를 위한 전력이 부족하여 플라즈마가 형성되지 않고, RF 전력이 3000 W를 초과할 경우 과도한 RF 전력으로 인하여 플 라즈마가 불안정하게 되고, 이에 따라 실리콘 프로파일의 측벽이 손상되는 점을 고려한 것이다.
바이어스 전압은 200 V 이상 600 V 이하인 것이 바람직하다. 바이어스 전압이 200 V 미만일 경우 실리콘 프로파일의 바닥면에 형성된 SiOF를 제거할 수 없어 수직방향으로의 식각 진행이 불가능하고, 바이어스 전압이 600 V를 초과할 경우 과도한 바이어스 전압으로 인하여 포토 레지스트 선택비가 저하되고 실리콘 프로파일의 표면이 손상되는 점을 고려한 것이다.
RF전력은 유도결합플라즈마(ICP) 방식으로 공급하는 것이 바람직하다.
RF전력이 상부전극수단(230)에 인가되면, SF6와 O2로 이루어진 가스가 플라즈마 상태로 변환된다.
또한, 하부전극수단(250)에 바이어스 전압이 인가되면, 플라즈마는 하부전극수단(250)쪽으로 가속되어, 활성화된 플루오르 이온(F ION)의 물리적인 스퍼터링(Sputtering) 효과와 여기된 플루오르 라디칼(F Radical)의 화학적인 반응을 통하여 하부전극수단(250)상에 로딩되어 있는 웨이퍼를 플라즈마 식각한다.
이때, 챔버(210) 내부의 압력과 SF6와 O2의 유량비를 조절하여 웨이퍼상에 형성되는 프로파일의 형태를 조절할 수 있으며, SF6의 유량은 50 sccm 이상 400 sccm 이하이고, O2의 유량은 50 sccm 이상 300 sccm 이하인 것이 바람직하다.
다음 표 1 내지 표 3은 이러한 다양한 형태의 프로파일을 형성하기 위한 공정 조건과 결과를 나타낸 것이다.
표 1은 90도를 갖는 웨이퍼 프로파일의 경우, 종래의 보쉬 공정과 본 발명에 따른 스캐러핑(Scalloping)을 비교하여 나타낸 것이고, 도 4는 이를 전자 현미경으로 촬영한 것이다.
표 1 및 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 형성된 90도의 각도를 갖는 웨이퍼 프로파일 단면은 종래에 비하여 프로파일 측벽의 표면조도가 월등히 향상된 것을 알 수 있다.
이와 같이 프로파일 측벽의 표면조도가 향상되는 메커니즘은 다음과 같다.
즉, SF6에서 여기된 플루오르 라디칼(F Radical)이 실리콘을 식각하면서 발생되는 SiF와 산소 이온의 반응으로 생성되는 SiOF를 이용하여 식각되는 측벽을 보호하는 것이다.
생성된 SiOF는 실리콘 프로파일의 바닥면에도 형성되는데 식각 진행시 바이어스 전압을 인가하고 챔버 내부의 압력을 상술한 바와 같이 조절하여, 플루오르 이온(F Ion)의 직진성을 이용함으로써, 실리콘 프로파일의 바닥면에 형성된 SiOF 성분은 제거하고 실리콘 프로파일의 측벽은 보호하여 프로파일 측벽의 표면조도를 향상시킨 것이다.
한편, 낮은 압력을 사용할수록 플라즈마 이온들의 수직방향으로 식각하려는 힘이 커지며, 상대적으로 높은 압력을 사용할수록 플라즈마 이온들이 다른 플라즈마 이온과 충돌하기까지 이동하는 평균거리인 MFP(Mean Free Path)가 짧아져 측방향으로 식각하려는 힘이 커지게 된다.
또한, 마스크가 형성된 웨이퍼를 식각하여 웨이퍼 프로파일을 형성할 때, 웨이퍼 프로파일의 측벽이 플루오르 라디칼(F Radical)에 노출되는 정도는 마스크와의 거리에 반비례하여, 마스크 바로 아래 부분의 웨이퍼 프로파일 측벽의 식각 정도가 가장 크다.
표 2 및 표 3은 이러한 현상을 이용하여 공정조건을 조절한 결과를 나타낸다.
표 2는 85도의 각도를 갖는 웨이퍼 프로파일을 형성하기 위해 챔버 내부의 압력을 50mT, SF6와 O2의 유량비를 100:80, RF전력을 2500 W, 바이어스 전압을 400 V로 공정조건을 조절한 결과를 나타낸 것이고, 도 5 및 도 6은 이를 전자 현미경으로 촬영한 것이다.
표 3은 80도의 각도를 갖는 웨이퍼 프로파일을 형성하기 위해 챔버 내부의 압력을 85mT, SF6와 O2의 유량비를 100:75, RF전력을 2500 W, 바이어스 전압을 500 V로 공정조건을 조절한 결과를 나타낸 것이고, 도 7 및 도 8은 이를 전자 현미경으로 촬영한 것이다.
표 2와 표 3 및 도 5 내지 도 8을 통해 알 수 있는 바와 같이, 챔버 내부의 압력, SF6와 O2의 유량비, RF전력, 바이어스 전압 등을 조절하여 실리콘 프로파일의 각도를 조절할 수 있다.
이와 같이, 실리콘 프로파일의 각도를 조절하여 전기도금 등의 후속공정을 효율적으로 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 식각방법을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 식각방법은 웨이퍼를 로딩하는 단계(310)와, SF6, O2 가스를 주입하는 단계(320)와, 플라즈마를 생성하는 단계(330) 및 식각하는 단계(340)를 포함한다.
< 웨이퍼를 로딩하는 단계(310)>
먼저, 챔버 내부의 하부전극상에 포토 레지스트 패턴이 형성된 웨이퍼를 로딩한다. 웨이퍼는 실리콘 또는 폴리 실리콘으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 웨이퍼 상에 형성된 포토 레지스트 패턴에 따라 웨이퍼의 식각 패턴이 결정된다.
<SF6, O2 가스를 주입하는 단계(320)>
다음으로, SF6와 O2로 이루어진 가스를 O2의 유량이 SF6의 유량의 0.8배 이상 1.4배 이하가 되도록 조절하여 챔버 내부로 주입한다.
이때, 챔버 내부의 압력은 15 mT 이상 90 mT 이하로 조절하는 것이 바람직하다.
챔버 내부의 압력과 SF6와 O2의 유량비를 조절하여 웨이퍼상에 형성되는 프로파일의 형태를 조절할 수 있으며, SF6의 유량은 50 sccm 이상 400 sccm 이하이고, O2의 유량은 50 sccm 이상 300 sccm 이하인 것이 바람직하다.
챔버 내부의 압력은 SF6와 O2로 이루어진 가스의 유량을 조절하여 조절할 수도 있고, 별도의 압력 조절수단을 이용하여 조절할 수도 있다.
<플라즈마를 생성하는 단계(330)>
다음으로, 챔버 내부의 상부 전극에 1000 W 이상 3000 W 이하의 RF전력을 인가하여 가스를 플라즈마 상태로 만든다.
RF전력은 유도결합플라즈마(ICP) 방식으로 공급하는 것이 바람직하다.
<식각하는 단계(340)>
챔버 내부의 하부 전극에 200 V 이상 600 V 이하의 바이어스 전압을 인가하여 플라즈마를 하부 전극상에 로딩된 웨이퍼 쪽으로 가속시켜 유도함으로써, 웨이퍼를 식각한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이상에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명의 플라즈마 식각장치 및 식각방법에 따르면, 웨이퍼의 표면조도를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 식각공정의 불량률을 감소시켜 수율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 식각공정의 시간적, 비용적 측면에서의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한 , 웨이퍼 프로파일의 각도를 다양하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
Claims (13)
- 웨이퍼를 식각하는 공정이 수행되는 챔버;SF6와 O2로 이루어진 가스를 상기 O2의 유량이 상기 SF6의 유량의 0.8배 이상 1.4배 이하가 되도록 조절하여 상기 챔버 내부로 주입하기 위한 가스주입수단;상기 가스를 플라즈마화하기 위한 RF전력이 인가되는 상부전극수단; 및상기 플라즈마를 상기 웨이퍼쪽으로 유도하기 위한 바이어스 전압이 인가되는 하부전극수단;을 포함하고,상기 챔버 내부의 압력과 상기 SF6와 O2의 유량비 및 상기 바이어스 전압을 조절하여 상기 웨이퍼상에 형성되는 프로파일의 형태를 조절하는 플라즈마 식각장치.
- 제1 항에 있어서상기 웨이퍼는 실리콘 또는 폴리실리콘인 플라즈마 식각장치.
- 제1 항에 있어서,상기 챔버 내부의 압력은 15 mT 이상 90 mT 이하인 플라즈마 식각장치.
- 제1 항에 있어서,상기 RF전력은 1000 W 이상 3000 W 이하이고,상기 바이어스 전압은 200 V 이상 600 V 이하인 플라즈마 식각장치.
- 제1 항에 있어서,상기 SF6의 유량은 50 sccm 이상 400 sccm 이하이고,상기 O2의 유량은 50 sccm 이상 300 sccm 이하인 플라즈마 식각장치.
- 제1 항에 있어서,상기 RF전력은 유도결합플라즈마(ICP) 방식으로 공급되는 플라즈마 식각장치.
- 챔버 내부의 하부전극상에 포토 레지스트 패턴이 형성된 웨이퍼를 로딩하는 단계;SF6와 O2로 이루어진 가스를 상기 O2의 유량이 상기 SF6의 유량의 0.8배 이상 1.4배 이하가 되도록 조절하여 상기 챔버 내부로 주입하는 단계;상기 챔버 내부의 상부 전극에 RF전력을 인가하여 상기 가스를 플라즈마화하는 단계; 및상기 챔버 내부의 하부 전극에 바이어스 전압을 인가하여 상기 플라즈마를 상기 웨이퍼쪽으로 유도함으로써, 상기 웨이퍼를 식각하는 단계;를 포함하고,상기 챔버 내부의 압력과 상기 SF6와 O2의 유량비 및 상기 바이어스 전압을 조절하여 상기 웨이퍼상에 형성되는 프로파일의 형태를 조절하는 플라즈마 식각방법.
- 삭제
- 제7 항에 있어서상기 웨이퍼는 실리콘 또는 폴리실리콘인 플라즈마 식각방법.
- 제7 항에 있어서,상기 챔버 내부의 압력은 15 mT 이상 90 mT 이하인 플라즈마 식각방법.
- 제7 항에 있어서,상기 RF전력은 1000 W 이상 3000 W 이하이고,상기 바이어스 전압은 200 V 이상 600 V 이하인 플라즈마 식각방법.
- 제7 항에 있어서,상기 SF6의 유량은 50 sccm 이상 400 sccm 이하이고,상기 O2의 유량은 50 sccm 이상 300 sccm 이하인 플라즈마 식각방법.
- 제7 항에 있어서,상기 RF전력은 유도결합플라즈마(ICP) 방식으로 공급되는 플라즈마 식각방법.
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| US8822341B2 (en) | 2010-06-28 | 2014-09-02 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Methods of manufacturing semiconductor devices |
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