KR100847007B1 - 플라즈마를 이용한 기판 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 플라즈마 공정 진행시 플라즈마 발생을 위한 전력을 펄스로서 공급함으로써 전자 에너지 증가로 인한 웨이퍼 표면의 차지 밀도 증가를 방지한다. 또한, 전력을 펄스로 공급함으로써 플라즈마 밀도가 저하되는 것을 방지하기 위해 플라즈마가 발생되는 영역에 자기장을 제공한다.
플라즈마, 자기장, 펄스, 식각, 웨이퍼

Description

플라즈마를 이용한 기판 처리 장치 및 방법{Apparatus and method for treating a substrate using plasma}
도 1은 기판 처리 장치의 일 예를 개략적으로 보여주는 평면도;
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도;
도 3은 도 2의 플라즈마 처리 장치의 사시도;
도 4는 도 3의 자석 유닛들의 사시도;
도 5는 도 4의 자석 유닛들의 배치 상태를 보여주는 평면도;
도 6 내지 도 10은 각각 도 3의 플라즈마 처리 장치의 다양한 변형 예들을 보여주는 도면들이다.
도 11a 내지 도 12b는 웨이퍼 직경에 따른 자기장 크기와 플라즈마 밀도 사이의 관계를 보여주는 도면;
도 13a 내지 도 14c는 도 10의 플라즈마 처리 장치 사용시와 도 3의 플라즈마 처리 장치 사용시 웨이퍼 직경에 따른 자기장의 세기와 플라즈마 밀도를 보여주는 도면;
도 15는 플라즈마 발생을 위해 높은 전력을 계속적으로 공급하여 식각 공정 진행시 형성되는 컨택홀이 형상을 보여주는 도면;
도 16은 펄스로서 인가되는 전력의 일 예를 보여주는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
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200 : 하우징 360 : 플라즈마 소스
400 : 자기장 형성 부재 420 : 제 1 자석 유닛
440 : 제 2 자석 유닛
본 발명은 기판을 처리하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 플 라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 소자를 제조하기 위해 다양한 공정들이 요구된다. 이들 공정들 중 증착, 식각, 그리고 세정 등과 같은 많은 수의 공정들은 가스로부터 플라즈마를 생성하고 이를 웨이퍼와 같은 반도체 기판 상에 공급함으로써 웨이퍼 상에 박막을 증착하거나 웨이퍼로부터 산화막 등과 같은 박막이나 오염물질 등을 제거한다.
그러나 플라즈마를 이용하여 공정을 수행하는 경우 다음과 같은 문제점들이 있다.
첫째, 플라즈마 밀도를 균일하게 제공하기 어려워 웨이퍼 영역별 식각 균일도나 증착 균일도가 낮다.
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둘째, 플라즈마 밀도를 향상시키기 위해 전극에 높은 전력을 인가하는 경우, 전자 에너지가 증대하고 웨이퍼 표면에 전자의 차지 밀도가 높아진다. 이로 인해, 식각 공정으로 컨택 홀 등과 같은 패턴을 형성할 때, 패턴이 요구되는 형상으로 형성되지 않는다.
본 발명은 플라즈마를 사용하여 기판을 처리할 때 기판 전체 영역에서 공정 균일도를 향상시킬 수 있는 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
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또한, 본 발명은 하우징 내에서 영역에 따라 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 플라즈마를 사용하여 기판을 처리하는 방법을 제공한다. 상기 방법에 의하면, 하우징 내에 기판을 제공하고, 상기 하우징 내로 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시켜 상기 기판을 처리하며, 공정 진행 중 플라즈마 발생을 위한 전력을 펄스로서 인가하고, 상기 하우징 내에서 플라즈마가 발생되는 영역에 자기장을 제공한다.
상기 플라즈마의 발생은 용량 결합형 플라즈마에 의해 이루어질 수 있다. 상기 하우징 내 기판의 상부에는 상기 펄스로서 전력이 인가되는 전극이 제공될 수 있다. 상기 하우징 내 기판의 하부에는 바이어스 전압이 인가되는 전극이 제공될 수 있다.
상기 전력의 인가는 제 1 시간 동안 제 1 크기의 전력을 인가하는 과정과, 제 2 시간동안 상기 제 1 크기보다 낮은 제 2 크기의 전력을 인가하는 과정을 하나의 사이클로 하여 반복적으로 이루어질 수 있다. 상기 제 1 시간과 상기 제 2 시간은 동일할 수 있다. 상기 제 2 크기는 0일 수 있다.
상기 자기장의 제공은 상기 하우징의 둘레를 감싸도록 복수의 자석들을 배치 함으로써 이루어 질 수 있다. 상기 자석들로부터 제공되는 자기장의 방향은 상기 하우징의 안쪽을 향할 수 있다. 상기 자석들로부터 제공되는 자기장의 방향은 상기 하우징의 바깥쪽을 향할 수 있다. 상기 자석들로부터 제공되는 자기장의 방향은 상기 기판의 가장자리 영역에서 중앙 영역을 향하는 방향일 수 있다. 상기 자석들로부터 제공되는 자기장의 방향은 상기 기판의 중앙 영역에서 가장자리 영역을 향하는 방향일 수 있다. 상기 자석들 각각은 전자석 또는 영구자석 일 수 있다.
또한, 본 발명은 기판을 처리하는 방법을 제공한다. 상기 방법에 의하면, 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하되, 플라즈마 발생을 위한 전력을 계속적으로 인가한 상태에서 기판의 영역에 따른 식각률을 측정하고, 상기 측정 결과에 따라 공정이 수행되는 하우징의 외부에 제공된 자석들로부터 제공되는 자기장의 방향을 설정하고, 공정 진행시에는 자기장을 상기 설정된 방향으로 제공한 상태에서 플라즈마 발생을 위한 전력을 펄스로서 공급한다.
상기 플라즈마는 용량 결합형 플라즈마 소스에 의해 발생될 수 있다. 상기 전력을 펄스로서 공급하는 것은 제 1 시간 동안 제 1 크기의 전력을 인가하는 과정과, 제 2 시간동안 전력 인가를 중단하는 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
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또한, 본 발명은 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 내부에 기판을 수용하는 공간을 가지는 하우징, 상기 하우징 내에 배치되며, 기판을 지지하는 지지부재, 상기 하우징 내로 가스를 공급하는 가스 공급 부재, 상기 하우징 내로 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스, 그리고 상기 하우징 내에서 플라즈마가 발생된 영역에 자기장을 형성하는 자기장 형성 부재를 포함한다. 상기 플라즈마 소스는 상기 하우징 내 상부에 배치되는 제 1 전극, 상기 하우징 내 하부에 배치되는 제 2 전극, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로 전력을 인가하는 전력 공급기, 그리고 공정 진행 중 상기 제 1 전극으로 인가되는 전력이 펄스로 제공되도록 상기 전력 공급기를 제어하는 소스 제어기를 포함한다.
상기 소스 제어기는 상기 제 1 전극에 제 1 시간 동안 제 1 크기의 전력을 인가하는 과정과, 상기 제 2 전극에 제 2 시간 동안 전력의 공급을 중단하는 과정을 반복되도록 상기 전력 공급기를 제어할 수 있다.
상기 자기장 형성 부재는 상기 하우징의 둘레를 감싸도록 배치되는 복수의 자석들을 포함할 수 있다. 상기 자석들은 각각의 상기 자석으로부터 제공되는 자기장의 방향이 상기 하우징의 안쪽을 향하도록 배치될 수 있다. 또는 상기 자석들은 각각의 상기 자석으로부터 제공되는 자기장의 방향이 상기 하우징의 바깥쪽을 향하도록 배치될 수 있다.
상기 자기장 형성 부재는 상기 하우징의 둘레를 감싸도록 배치되는 복수의 전자석들, 상기 전자석들 각각에 연결되어 상기 전자석들에 제공된 코일로 전류를 인가하는 전원, 그리고 상기 전원을 제어하는 자기장 제어기를 포함할 수 있다. 상기 자기장 제어기는 상기 전자석들로부터 제공되는 자기장의 방향이 상기 하우징의 안쪽을 향하게 전류를 공급하도록 상기 전원을 제어할 수 있다. 또는 상기 자기장 제어기는 상기 전자석들로부터 제공되는 자기장의 방향이 상기 하우징의 바깥쪽을 향하게 전류를 공급하도록 상기 전원을 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 17을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
본 실시예에서는 플라즈마 처리 대상물로서 웨이퍼를 예로 들고, 플라즈마 소스로서 용량 결합형 플라즈마(capacitively coupled plasma)를 사용하는 플라즈마 처리 장치를 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않으며, 플라즈마 처리 대상물은 유리 기판 등과 같이 다른 종류의 기판일 수 있으며, 플라즈마 소스는 유도 결합형 플라즈마(inductively coupled plasma) 등과 같이 다양한 종류가 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 보여주는 평면도이다. 도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(1)는 설비 전방 단부 모 듈(equipment front end module)(10)과 공정 설비(20)를 가진다.
설비 전방 단부 모듈(10)은 공정 설비(20)의 전방에 장착되어, 웨이퍼들(W)이 수용된 용기(16)와 공정 설비(20) 간에 웨이퍼(W)를 이송한다. 설비 전방 단부 모듈(10)은 복수의 로드 포트들(loadports)(12)과 프레임(frame)(14)을 가진다. 프레임(14)은 로드포트(12)와 공정 설비(20) 사이에 위치된다. 웨이퍼(W)를 수용하는 용기(16)는 오버헤드 트랜스퍼(overhead transfer), 오버헤드 컨베이어(overhead conveyor), 또는 자동 안내 차량(automatic guided vehicle)과 같은 이송 수단(도시되지 않음)에 의해 로드포트(12) 상에 놓인다. 용기(16)로는 전면 개방 일체식 포드(front open unified pod)와 같은 밀폐용 용기가 사용될 수 있다. 프레임(14) 내에는 로드포트(12)에 놓인 용기(16)와 공정 설비(20) 간에 웨이퍼(W)를 이송하는 프레임 로봇(18)이 설치된다. 프레임(14) 내에는 용기(16)의 도어를 자동으로 개폐하는 도어 오프너(도시되지 않음)가 설치될 수 있다. 또한, 프레임(14)에는 청정 공기가 프레임(14) 내 상부에서 하부로 흐르도록 청정 공기를 프레임(14) 내로 공급하는 팬필터 유닛(fan filter unit)(도시되지 않음)이 제공될 수 있다.
공정 설비(20)는 로드록 챔버(loadlock chamber)(22), 반송 챔버(transfer chamber)(24), 그리고 공정 챔버(process chamber)(26)를 가진다. 반송 챔버(24)는 상부에서 바라볼 때 대체로 다각의 형상을 가진다. 반송 챔버(24)의 측면에는 로드록 챔버(22) 또는 공정챔버(26)가 위치된다.
로드록 챔버(22)는 반송 챔버(24)의 측부들 중 설비 전방 단부 모듈(10)과 인접한 측부에 위치되고, 공정챔버(26)는 다른 측부에 위치된다. 로드록 챔버(22) 는 하나 또는 복수개가 제공된다. 일 예에 의하면, 로드록 챔버(22)는 두 개가 제공된다. 두 개의 로드록 챔버들(22) 중 하나에는 공정 진행을 위해 공정 설비(20)로 유입되는 웨이퍼들(W)이 수납되고, 다른 하나에는 공정이 완료되어 공정 설비(20)로부터 유출되는 웨이퍼들(W)이 수납될 수 있다. 이와 달리 로드록 챔버(22)는 하나 또는 복수개 제공되고, 각각의 로드록 챔버(22)에서 웨이퍼의 로딩 및 언로딩이 이루어질 수 있다.
로드록 챔버(22) 내에서 웨이퍼들은 서로 상하로 이격되어 서로 대향되도록 놓인다. 로드록 챔버에는 웨이퍼의 가장자리 영역 일부를 지지하는 슬롯들(22a)이 복수 개 제공될 수 있다.
반송 챔버(24) 및 공정챔버(26) 내부는 진공으로 유지되고, 로드록 챔버(22) 내부는 진공 및 대기압으로 전환된다. 로드록 챔버(22)는 외부 오염물질이 반송 챔버(24) 및 공정챔버(26)로 유입되는 것을 방지한다. 로드록 챔버(22)와 반송 챔버(24) 사이, 그리고 로드록 챔버(22)와 설비 전방 단부 모듈(10) 사이에는 게이트 밸브(도시되지 않음)가 설치된다. 설비 전방 단부 모듈(10)과 로드록 챔버(22) 간에 웨이퍼(W)가 이동되는 경우 로드록 챔버(22)와 반송 챔버(24) 사이에 제공되는 게이트 밸브가 닫히고, 로드록 챔버(22)와 반송 챔버(24) 간에 웨이퍼(W)가 이동되는 경우, 로드록 챔버(22)와 설비 전방 단부 모듈(10) 사이에 제공되는 게이트 밸브가 닫힌다.
공정챔버(26)는 웨이퍼(W)에 대해 소정의 공정을 수행한다. 예컨대, 공정챔버(26)는 애싱, 증착, 식각, 또는 세정 등과 같이 플라즈마를 이용하여 공정을 수 행한다. 공정 챔버(26)는 로드록 챔버(22)의 측부에 하나 또는 복수 개가 제공된다. 공정 챔버(26)가 복수 개 제공되는 경우, 각각의 공정챔버(26)는 웨이퍼(W)에 대해 서로 동일한 공정을 수행할 수 있다. 선택적으로 공정챔버(26)가 복수 개 제공되는 경우, 공정챔버들(26)은 웨이퍼(W)에 대해 일련의 공정을 순차적으로 수행할 수 있다. 이하, 플라즈마를 이용하여 공정을 수행하는 공정챔버(26)를 플라즈마 처리 장치라 칭한다.
도 2는 웨이퍼에 대해 식각 공정을 수행하는 플라즈마 처리 장치(plasma treating apparatus)(26)의 일 예를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 처리 장치(26)는 하우징(200), 지지 부재(220), 가스 공급 부재(240), 샤워 헤드(260), 플라즈마 소스(360), 그리고 자기장 형성 부재(400)를 가진다. 하우징(200)은 내부에 공정이 수행되는 공간(202)이 제공된 원통 형상을 가진다. 하우징(200)의 하부벽에는 공정 진행시 발생되는 부산물을 배출하는 배기관(292)이 연결된다. 배기관(292)에는 공정 진행시 하우징(200) 내부를 공정 압력으로 유지하는 펌프(294)와 배기관(292) 내 통로를 개폐하는 밸브(292a)가 설치된다.
지지 부재(220)는 공정 진행시 웨이퍼(W)를 지지하는 지지판(222)을 가진다. 지지판(222)은 대체로 원판 형상을 가진다. 지지판(222)의 저면에는 모터(도시되지 않음)에 의해 회전 가능한 지지축(224)이 고정결합된다. 웨이퍼(W)는 공정 진행시 회전될 수 있다. 지지판(222)은 정전기력, 또는 기계적 클램핑과 같은 방식을 사용하여 웨이퍼(W)를 고정할 수 있다.
가스 공급 부재(240)는 하우징(200) 내부로 공정 가스를 공급한다. 가스 공급 부재(240)는 가스 공급원(244)과 하우징(200)을 연결하는 가스 공급관(242)을 가진다. 가스 공급관(242)에는 내부 통로를 개폐하는 밸브(242a)가 설치된다.
샤워 헤드(260)는 하우징(200) 내로 유입된 공정 가스를 지지판(222)의 상부 영역으로 균일하게 분산시킨다. 샤워 헤드(260)는 하우징(200) 내 상부에 지지판(222)과 대향되도록 위치된다. 샤워 헤드(260)는 환형의 측벽(262)과 원형의 분사판(264)을 가진다. 샤워 헤드(260)의 측벽(262)은 하우징(200)의 상벽으로부터 아래방향으로 돌출되도록 하우징(200)에 고정결합된다. 분사판(264)은 측벽 하단에 고정 결합된다. 분사판(264)의 전체 영역에는 다수의 분사공들(264a)이 형성된다. 공정 가스는 하우징(200)과 샤워 헤드(260)에 의해 제공된 공간(266)으로 유입된 후 분사공들(264a)을 통해 웨이퍼(W)로 분사된다.
리프트 핀 어셈블리(300)는 지지판(222)으로 웨이퍼(W)를 로딩하거나 지지판(222)으로부터 웨이퍼(W)를 언로딩한다. 리프트 핀 어셈블리(300)는 리프트 핀들(322), 받침 플레이트(324), 그리고 구동기(326)를 가진다. 리프트 핀들(322)은 세 개가 제공되며 받침 플레이트(324)에 고정 설치되어 받침 플레이트(324)와 함께 이동된다. 받침 플레이트(324)는 원판 형상을 가지며, 하우징(200) 내에서 지지판(222)의 아래에 또는 하우징(200) 외부에 위치된다. 받침 플레이트(324)는 유공압 실린더 또는 모터와 같은 구동기(326)에 의해 승하강 이동된다. 지지판(222)에는 상하 방향으로 수직하게 관통되는 관통홀들이 형성된다. 리프트 핀(322) 각각은 관통홀 각각에 삽입되어 관통홀을 통해 승하강된다. 각각의 리프트 핀(322)은 긴 로드 형상을 가지며, 상단은 상부로 볼록한 형상을 가진다.
플라즈마 소스(360)는 지지판(222)의 상부 영역으로 공급된 공정 가스로부터 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 소스(360)로는 용량 결합형 플라즈마(capacitively coupled plasma)가 사용된다. 플라즈마 소스(360)는 상부 전극(362), 하부 전극(364), 전력 공급기(366), 그리고 소스 제어기(368)을 가진다. 샤워 헤드(260)의 분사판(264)은 금속 재질로 이루어지며, 상부 전극(362)으로서 기능한다. 하부 전극(364)은 지지판(222)의 내부 공간에 제공된다. 전력 공급기(366)는 상부 전극(362) 또는 하부 전극(364)으로 전력(power)을 인가한다. 전력 공급기(366)는 상부 전극(362)과 하부 전극(364) 각각에 전력을 인가할 수 있다. 선택적으로 상부 전극(362)과 하부 전극(364) 중 어느 하나에 전극에 전력이 인가되고, 다른 하나의 전극은 접지될 수 있다. 또한, 하부 전극(364)에는 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
자기장 형성 부재(400)는 하우징(200)의 둘레에 배치되어 플라즈마가 형성되는 영역에 자기장을 제공한다. 도 3은 도 2의 사시도이고, 도 4는 도 3의 자석 유닛들의 사시도이며, 도 5는 자석 유닛들의 배치 상태를 보여주는 평면도이다. 도 5에서 상부에 위치되는 제 1 자석 유닛(420)은 실선으로 도시되었고, 하부에 위치되는 제 2 자석 유닛(440)은 점선으로 도시되었다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 자기장 형성 부재(400)는 제 1 자석 유닛(420), 제 2 자석 유닛(440), 전원(450), 그리고 자기장 제어기(452)를 가진다. 제 1 자석 유닛(420)과 제 2 자석 유닛(440)은 층을 이루도록 제공된다. 제 1 자석 유닛(420)은 하우징(200)의 측부 중 상부 영역 을 감싸도록 배치되고, 제 2 자석 유닛(440)은 하우징(200)의 측부 중 하부 영역을 감싸도록 배치된다. 제 1 자석 유닛(420)은 복수의 제 1 자석들(422)을 가지고, 제 2 자석 유닛(440)은 복수의 제 2 자석들(442)을 가진다.
제 1 자석들(422)과 제 2 자석들(442)로는 자기장의 방향 및 크기의 조절이 가능하도록 전자석이 사용된다. 따라서 제 1 자석들(422)과 제 2 자석들(442) 각각은 코일들을 가진다. 코일은 구리 재질로 제공될 수 있다. 제 1 자석들(422)과 제 2 자석들(442)은 각각 여덟 개가 제공되며, 각각의 자석들(422, 442)은 동일한 형상을 가진다. 자석들(422, 442)은 대체로 직사각의 링 형상을 가지며 세워진 상태로 배치된다. 하우징(200)과 마주보는 자석들(422, 442)의 내측면은 평평하게 제공된다. 제 1 자석들(422)과 제 2 자석들(442)에 제공된 코일 각각에는 전원(450)이 연결된다.
하우징(200)의 둘레에는 중앙에 상하 방향으로 통공이 형성된 팔육면체 형상의 상부 프레임(462)과 하부 프레임(464)이 제공된다. 하부 프레임(464)은 상부 프레임(462)의 아래에 제공된다. 제 1 자석(422)은 상부 프레임(462)의 내측면에 각각 고정 설치되고, 제 2 자석(442)은 하부 프레임(464)의 내측면에 각각 고정 설치된다. 제 1 자석들(422)은 일정 간격씩 서로 이격되어 배치되고, 제 2 자석들(442)은 일정 간격씩 서로 이격되어 배치된다. 상술한 구조로 인해 제 1 자석 유닛(420)과 제 2 자석 유닛(440)은 각각 상부에서 바라볼 때 대체로 정팔각형의 형상을 가진다.
제 1 자석 유닛(420)과 제 2 자석 유닛(440)은 이들 사이를 지나는 수평면을 기준으로 볼 때 서로 비대칭으로 제공된다. 일 예에 의하면, 제 2 자석 유닛(440)은 제 1 자석 유닛(420)과 상하로 서로 정렬이 되는 위치에서 일정 각도 회전된 상태로 제공된다. 일정 각도는 정다각형의 형상을 가진 제 1 자석 유닛(420)의 내각(interior angle)의 배수 이외의 각도이다. 예컨대, 일정 각도는 내각의 절반일 수 있다. 상술한 바와 같이 제 1 자석 유닛(420)이 정팔각형의 형상을 가지는 경우, 제 2 자석 유닛(440)은 제 1 자석 유닛(420)과 정렬된 위치에서 67.5도(˚) 회전된 상태로 제공될 수 있다. 따라서 제 2 자석들(442)은 제 1 자석들(422)과 상하로 정렬되지 않고, 두 개의 제 1 자석들(422) 사이의 수직 하부에 제 2 자석(442)이 배치된다.
전원(450)은 플라즈마 처리 장치에서 제 1 자석(422)과 제 2 자석(442)의 코일에 전류를 인가하고, 자기장 제어기(452)는 코일로 인가되는 전류의 크기 및 방향을 조절하도록 전원(450)을 제어한다.
플라즈마 처리 장치(26)에는 자석 유닛들(420, 440)을 회전시키는 회전 부재(500)가 더 제공될 수 있다. 도 6은 회전 부재(500)가 제공된 플라즈마 처리 장치(26a)의 일 예를 개략적으로 보여준다. 하우징(200), 플라즈마 소스(360), 그리고 자기장 형성 부재(400) 등은 도 2에 도시된 장치와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 하우징(200)의 외측에는 상하 방향으로 통공이 형성되어 하우징(200)을 감싸는 통 형상의 회전커버(600)가 설치된다. 제 1 자석 유닛(420)과 제 2 자석 유닛(440)은 회전커버(600) 내에 고정 설치된다.
회전 부재(500)는 제 1 자석 유닛(420)과 제 2 자석 유닛(440)을 동시에 회 전시킨다. 일 예에 의하면, 회전 부재(500)는 제 1 풀리(502), 제 2 풀리(504), 벨트(506), 그리고 모터(508)를 가진다. 모터(508)의 회전축은 제 1 풀리(502)에 고정 설치되고, 제 2 풀리(504)는 회전커버(600)의 둘레에 고정 설치된다. 벨트(506)는 제 1 풀리(502)와 제 2 풀리(504)를 감싸도록 제공된다. 모터(508)의 회전력은 제 1 풀리(502), 벨트(506), 그리고 제 2 풀리(504)를 통해서 회전커버(600)에 전달된다. 회전 부재(500)는 공정 진행 중 하우징(200) 내에서 플라즈마 밀도의 균일도를 더욱 향상시킨다. 상술한 예에서는 회전 부재(500)가 벨트(506), 풀리들(502, 504), 그리고 모터(508)를 구비하는 어셈블리로 제공되는 것으로 설명하였으나, 회전 부재(500)로 이와 상이한 다양한 구조의 어셈블리가 사용될 수 있다.
도 7은 회전 부재(500´)가 제공된 플라즈마 처리 장치(26b)의 다른 예를 개략적으로 보여준다. 하우징(200)의 외측에는 상하 방향으로 통공이 형성되어 하우징(200)을 감싸는 통 형상의 제 1 회전커버(620)와 제 2 회전커버(640)가 설치된다. 제 1 회전커버(620)와 제 2 회전커버(640)는 동일한 형상으로 제공되며, 제 2 회전커버(640)는 제 1 회전커버(620)의 아래에 제공된다. 제 1 자석 유닛(420)은 제 1 회전커버(620)에 고정 설치되고, 제 2 자석 유닛(440)은 제 2 회전커버(640)에 고정 설치된다.
회전 부재(500´)는 제 1 회전 유닛(520)과 제 2 회전 유닛(540)을 가진다. 제 1 회전 유닛(520)은 제 1 회전커버(620)를 그 중심축(704)을 기준으로 회전시키고, 제 2 회전 유닛(540)은 제 2 회전커버(640)를 그 중심축(704)을 기준으로 회전시킨다. 제 1 회전커버(620)의 회전 방향과 제 2 회전커버(640)의 회전 방향은 동 일하고 회전 속도는 상이할 수 있다. 이와 달리 제 1 회전커버(620)의 회전방향과 제 2 회전커버(640)의 회전 방향은 상이할 수 있다.
상술한 예에서는 프레임(462, 464)과는 별도로 회전커버(620, 640)가 제공되는 것으로 설명하였다. 그러나 이와 달리 회전 커버(620, 640)를 사용하지 않고, 프레임(462, 464)을 회전 커버(620, 640)와 동일한 용도로 사용할 수 있다.
또한, 상술한 예에서는 제 1 자석 유닛(420)과 제 2 자석 유닛(440)이 모두 회전되는 것을 예로 들어 설명하였다. 그러나 이와 달리 회전 부재(500)는 제 1 자석 유닛(420)과 제 2 자석 유닛(440) 중 어느 하나만을 회전시킬 수 있다.
일반적인 장치는 플라즈마 밀도의 균일성을 향상시키기 위해 다양한 변수들을 사용한다. 이들 중 자기장 형성과 관련된 변수들로는 전자석들의 수, 각각의 전자석에 인가되는 전류의 크기와 전류의 방향 등이 있다. 그러나 본 실시예의 장치는 기존에 알려진 변수들 이외에 층으로 구획된 제 1 자석 유닛(420)과 제 2 자석 유닛(440)을 제공하고, 제 1 자석 유닛(420)에 대한 제 2 자석 유닛(440)의 비정렬 정도(회전각), 그리고 제 1 자석 유닛(420)과 제 2 자석 유닛(440) 간의 상대 회전 속도 등을 추가적인 변수로 사용함으로써 플라즈마 밀도를 더욱 균일하게 제공할 수 있다.
또한, 상술한 예에서는 자기장 형성 유닛(400)이 층으로 구획된 두 개의 자석 유닛(420, 440)을 포함하는 것으로 설명하였다. 그러나 자기장 형성 유닛(400a)은 도 8에 도시된 바와 같이 층으로 구획된 세 개 이상의 자석 유닛들(420, 440, 460)을 구비할 수 있다. 이 경우, 서로 인접하는 자석 유닛들은 정렬된 위치에서 상술한 실시예와 같이 일정 각도 회전한 상태로 배치될 수 있다.
또한, 상술한 예에서는 각각의 자석 유닛(420, 440)이 여덟 개의 자석들(422, 442)을 가지는 것으로 설명하였다. 그러나 각각의 자석 유닛(420, 440)은 이와 상이한 수의 자석들(422, 442)을 가질 수 있다. 예컨대 각각의 자석 유닛(420, 440)은 도 9에 도시된 바와 같이 네 개의 자석들(422, 442)을 가질 수 있다.
또한, 상술한 예에서는 자석 유닛들이 복수의 층들을 이루도록 제공되는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 이와 달리 자기장 형성 부재는 도 10에 도시된 바와 같이 단층으로만 제공되도록 하나의 자석 유닛(480)을 가질 수 있다. 자석 유닛(480)은 서로 간에 일정거리 이격되어 하우징(200)을 감싸도록 배치되는 복수의 자석들(482)을 포함한다.
또한, 상술한 예들에서는 각각의 자석이 전자석인 것으로 설명하였다. 그러나 이와 달리 각각의 자석은 영구자석일 수 있다.
또한, 상술한 예에서는 각각의 자석 유닛(420, 440)이 상부에서 바라볼 때 정다각형의 배치로 제공되는 것으로 설명하였다. 그러나 이와 달리, 각각의 자석 유닛(420, 440)은 다각형의 배치 또는 원형의 배치로 제공될 수 있다.
다음에는 상술한 장치들을 사용하여 플라즈마 밀도를 제어하는 다양한 방법들을 설명한다.
[제 1 실시예]
제 1 실시예는 웨이퍼(W) 상부 영역 전체에서 플라즈마 밀도를 대체로 균일하게 제공할 수 있는 방법을 제공한다. 아래에서는 주로 도 3에 도시된 장치 구조를 중심으로 설명하나, 제 1 실시예는 도 6 내지 도 10 등과 같은 다양한 구조의 장치에도 적용 가능하다.
도 3에서 제 1 자석들(422) 중 어느 하나의 자석을 기준으로 순차적으로 제 1-1 자석(422a), 제 1-2 자석(422b), 제 1-3 자석(422c), 제 1-4 자석(422d), 제 1-5 자석(422e), 제 1-6 자석(422f), 제 1-7 자석(422g), 제 1-8 자석(422h)이라 할 때, 제 1-1 자석(422a)과 제 1-8 자석(422h) 사이 및 제 1-4 자석(422d)과 제 1-5 자석(422e) 사이를 가로지르는 선(708)을 기준으로 서로 대칭이 되는 자석들은 세트를 이룬다. 동일 세트에 속하는 자석들에 제공된 코일에는 동일한 크기의 전류를 서로 반대 방향으로 공급한다. 제 1-1 자석 내지 제 1-4 자석(422a, 422b, 422c, 422d)으로 인가되는 전류의 방향은 동일하고, 제 1-5 자석 내지 제 1-8 자석(422e, 422f, 422g, 422h)으로 인가되는 전류의 방향은 동일하다. 전류의 크기는 제 1-1 자석(422a)에서 제 1-4 자석(422d)으로 갈수록 점진적으로 작아지게 공급할 수 있다.
도 11a 내지 도 14c는 제 1 실시예와 같이 자석 유닛에 전류를 공급할 때, 도 3과 같이 자석 유닛들(420, 440)이 서로 간에 비정렬되도록 복수의 층들로서 제공된 경우와 도 10과 같이 자석 유닛(460)이 하나의 층으로 제공된 경우 플라즈마 밀도의 균일도의 차이를 보여준다.
도 11a 내지 도 12b는 하우징(200) 내 웨이퍼(W)의 상부 영역에 형성된 자기 장의 균일도가 플라즈마 밀도(즉, 식각률)의 균일도에 미치는 영향을 보여준다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 웨이퍼(W) 직경에 따라 자기장이 균일한 크기로 형성된 경우, 플라즈마의 밀도는 점진적으로 커지는 것을 알 수 있다. 그러나 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)의 직경을 따라 자기장이 상이한 크기로 제공된 경우, 플라즈마 밀도가 대체로 균일하게 형성된 것을 알 수 있다. 도 11a 내지 도 12b로부터 플라즈마 밀도를 균일하게 제공하기 위해서는 웨이퍼의 영역별 자기장의 크기 차이가 하나의 변수가 된다.
실험에 의하면, 웨이퍼(W)의 직경의 양끝단 영역, 및 웨이퍼(W)의 중심 영역을 각각 A, B, C라고 하고, 자기장의 크기가 A, C, B 순서로 점진적으로 낮아질 때, A 영역에서 자기장의 크기와 C 영역에서 자기장의 크기의 비가 1.4 내지 1.7 범위에 속하는 경우 플라즈마 밀도의 균일도가 우수하였다.
도 13a 내지 도 13c는 도 10의 장치 사용시 자기장의 크기 및 플라즈마 밀도를 보여주고, 도 14a 내지 도 14c는 도 3의 장치 사용시 자기장의 크기 및 플라즈마 밀도를 보여준다. 도 13a 내지 도 14c를 참조하면, 도 10의 장치 사용시, A 영역에서 자기장의 크기와 B 영역에서 자기장의 크기의 비는 약 2.0이며, 플라즈마 밀도(에칭률)의 균일도는 다소 낮다. 자기장에 영향을 미치는 변수들을 다양하게 변화시켜도 상술한 범위 내로의 조절은 용이하지 않다. 그러나 도 3의 장치 사용시 A 영역에서 자기장의 크기와 B 영역에서 자기장의 크기의 비는 약 1.6이며, 도 9c에 도시된 바와 같이 플라즈마 밀도(에칭률)의 균일도는 크게 향상되었다.
[제 2 실시예]
플라즈마 밀도를 높이기 위해 상부 전극(362)에 큰 전력을 인가하는 경우, 전자 에너지(electron energy)가 증가하고, 웨이퍼(W) 표면에서 전자의 차지 밀도(charge density)가 증가한다. 이는 웨이퍼(W)에 컨택 홀(C) 등과 같은 패턴 형성을 위해 식각 공정 수행시, 도 15에 도시된 바와 같이 컨택 홀(C)이 바람직하지 않은 형상으로 형성된다. 이를 방지하기 위해 상부 전극에 인가되는 전력의 크기를 낮추는 경우, 플라즈마 밀도가 낮아져 식각률이 저하된다. 도 15는 웨이퍼 상에 형성된 옥사이드막에 형성된 컨택홀을 보여주며, 도 15에서 점선은 바람직한 컨택 홀(C)의 형상이고, 실선은 높은 차지 밀도로 인해 식각 공정시 실질적으로 형성되는 컨택 홀(C)의 형상의 일 예를 보여준다.
제 2 실시예는 플라즈마 밀도를 높게 유지하여 식각률이 저하되는 것을 방지하며, 이와 함께 전자 에너지를 낮추어 차지 밀도를 감소시켜 웨이퍼(W) 상의 패턴을 원하는 형상으로 형성할 수 있는 방법을 제공한다. 제 2 실시예는 도 3 및 도 6 내지 도 10에 도시된 바와 같은 다양한 장치들을 사용하여 이루어질 수 있다.
소스 제어기(368)는 상부 전극(362)으로 인가되는 전력을 펄스로서 제공하여 전자 에너지가 증가되는 것을 줄이고, 웨이퍼(W) 표면에서 전자의 차지 밀도를 감소시킨다. 그러나 상술한 바와 같이 상부 전극(362)에 인가되는 전체적인 전력의 크기 감소로 인해 플라즈마 밀도가 저하되는 것을 방지하기 위해 플라즈마가 형성되는 영역에 자기장을 제공한다. 자기장 제어기(452)는 공정 진행시 전자석의 코일에 계속적으로 전류를 인가하도록 전원(450)을 제어한다.
도 16은 상부 전극(362)에 펄스로서 인가되는 전력의 크기의 일 예를 보여준다. 도 16을 참조하면, 제 1 크기의 전력(P1)을 제 1 시간(T1) 동안 인가하고, 다음에 제 2 시간(T2) 동안 전력 공급을 중단한다. 상술한 두 단계는 하나의 사이클로 하여 반복적으로 제공된다. 제 1 시간(T1)과 제 2 시간(T2)은 동일하며, 예컨대, 제 1 시간(T1)과 제 2 시간(T2) 각각은 10-6 내지 10-4 초(sec) 일 수 있다.
이와 달리 도 17에 도시된 바와 같이 제 1 크기의 전력(P1)을 제 1 시간(T1) 동안 인가하고, 다음에 제 2 시간(T2) 동안 제 1 크기보다 낮은 제 2 크기의 전력(P2)을 상부 전극(362)에 인가할 수 있다.
상술한 예에서는 전자석을 이용하여 자기장을 제공하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 자기장의 제공은 영구자석에 의해 제공될 수 있다.
또한, 상술한 예에서는 전력이 상부 전극(362)로 인가되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 전력이 인가되는 대상은 플라즈마를 발생시키는 소스의 종류에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
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본 발명에 의하면, 하우징 내 플라즈마 밀도를 비교적 균일하게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 웨이퍼 전체 영역에서 식각 균일도를 향상시킬 수 있다.
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Claims (24)

  1. 플라즈마를 사용하여 기판을 처리하는 방법에 있어서,
    하우징 내에 기판을 제공하고, 상기 하우징 내로 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시켜 상기 기판을 처리하되, 공정 진행 중 플라즈마 발생을 위한 전력을 펄스로서 인가하고, 상기 하우징 내에서 플라즈마가 발생되는 영역에 자기장을 제공하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마의 발생은 용량 결합형 플라즈마에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 내 기판의 상부에는 상기 펄스로서 전력이 인가되는 전극이 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하우징 내 기판의 하부에는 바이어스 전압이 인가되는 전극이 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력의 인가는 제 1 시간 동안 제 1 크기의 전력을 인가하는 과정과, 제 2 시간동안 상기 제 1 크기보다 낮은 제 2 크기의 전력을 인가하는 과정을 하나의 사이클로 하여 반복적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 시간과 상기 제 2 시간은 동일한 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 크기는 0인 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 처리는 웨이퍼 상에서 옥사이드막을 식각하는 공정인 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
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  13. 삭제
  14. 기판을 처리하는 방법에 있어서,
    플라즈마를 이용하여 기판을 처리하되,
    플라즈마 발생을 위한 전력을 계속적으로 인가한 상태에서 기판의 영역에 따른 식각률을 측정하고,
    상기 측정 결과에 따라 공정이 수행되는 하우징의 외부에 제공된 자석들로부터 제공되는 자기장의 방향을 설정하고,
    공정 진행시에는 자기장을 상기 설정된 방향으로 제공한 상태에서 플라즈마 발생을 위한 전력을 펄스로서 공급하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 용량 결합형 플라즈마 소스에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 전력을 펄스로서 공급하는 것은 제 1 시간 동안 제 1 크기의 전력을 인가하는 과정과, 제 2 시간동안 전력 인가를 중단하는 과정을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    내부에 기판을 수용하는 공간을 가지는 하우징과;
    상기 하우징 내에 배치되며, 기판을 지지하는 지지부재와;
    상기 하우징 내로 가스를 공급하는 가스 공급 부재와;
    상기 하우징 내로 공급된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스와; 그리고
    상기 하우징 내에서 플라즈마가 발생된 영역에 자기장을 형성하는 자기장 형성 부재를 포함하되,
    상기 플라즈마 소스는,
    상기 하우징 내 상부에 배치되는 제 1 전극과;
    상기 하우징 내 하부에 배치되는 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극으로 전력을 인가하는 전력 공급기;
    공정 진행 중 상기 제 1 전극으로 인가되는 전력이 펄스로 제공되도록 상기 전력 공급기를 제어하는 소스 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 소스 제어기는 상기 제 1 전극에 제 1 시간 동안 제 1 크기의 전력을 인가하는 과정과, 상기 제 1 전극에 제 2 시간 동안 전력의 공급을 중단하는 과정을 반복되도록 상기 전력 공급기를 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 자기장 형성 부재는,
    상기 하우징의 둘레에 배치되는 제 1 자석 유닛과;
    상기 하우징의 둘레에 배치되며, 상기 제 1 자석 유닛과 층으로 나누어지도록 제공되는 제 2 자석 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 자석 유닛은 상기 하우징을 감싸는 형상으로 배치되며 서로 간에 이격된 복수의 제 1 자석들을 포함하고,
    상기 제 2 자석 유닛은 상기 하우징을 감싸는 형상으로 배치되며 서로 간에 이격되는 복수의 제 2 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 자석 유닛과 상기 제 2 자석 유닛 사이를 가로지르는 평면을 기준으로 상기 제 1 자석들과 상기 제 2 자석들은 비대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 자석들과 상기 제 2 자석들은 상기 제 1 자석 유닛과 상기 제 2 자석 유닛이 각각 상부에서 바라볼 때 정다각형의 형상을 가지도록 배치되고, 상기 제 2 자석 유닛은 그 중심축을 기준으로 상기 제 1 자석 유닛에 대해 상기 정다각형의 내각의 배수 이외의 각도로 회전하여 배치되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
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