KR101196649B1 - 건식 식각 장치와 건식 식각 방법 - Google Patents

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Abstract

면내 균일성이 좋고, 동시에 식각률이 높은 건식 식각 장치 및 건식 식각 방법이 제공된다. 상부의 플라즈마 발생실 및 하부의 기판 처리실로 구성된 진공챔버와, 상기 플라즈마 발생실의 측벽의 외측에 설치된 자장 코일과, 이 자장 코일과 측벽의 외측과의 사이에 배치되고 고주파전원에 접속한 안테나 코일과, 플라즈마 발생실 상부에 설치된 식각가스 도입수단을 구비한 건식 식각 장치로서, 상기 측벽이 비유전율이 4 이상의 재료로 된다.

Description

건식 식각 장치와 건식 식각 방법{DRY ETCHING APPARATUS AND DRY ETCHING METHOD}
본 발명은 건식 식각 장치 및 건식 식각 방법에 관한 것이다.
종래, 레지스트 마스크로 덮인 SiO2 등의 층간절연막을 식각하는 경우, 고주파 유도 자장에 의해 생기는 유도 전계에 의해 전자를 가속시켜, 이것에 의해 생성된 플라즈마 분위기 중에서 식각하여, 배선용의 홀, 트렌치를 미세가공하는 유전결합형 건식 식각법이 이용된다.
이러한 건식 식각 방법을 실시하기 위한 장치로서, 유전결합형 건식 식각 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌1 참조).
특허문헌1: 일본특허공개 2001-23961호 공보(청구항 1 및 도 1)
그렇지만, 상기의 건식 식각 장치에는, 면내 균일성이 10% 이상이며, 또한, 식각률이 충분하지 않은 문제가 있다.
본 발명의 과제는, 상기 종래기술의 문제점을 해결하는 것으로, 면내 균일성이 좋고, 동시에 식각률이 높은 건식 식각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 건식 식각 장치는, 상부의 플라즈마 발생실 및 하부의 기판 처리실로 구성된 진공 챔버와, 상기 플라즈마 발생실의 측벽의 외측에 설치된 자장 코일과, 이 자장 코일과 측벽의 외측과의 사이에 배치되고 고주파 전원에 접속한 안테나 코일과, 플라즈마 발생실 상부에 설치된 식각가스 도입수단을 구비한 건식 식각 장치로서, 상기 측벽이 비유전율(比誘電率)이 4 이상의 재료로 된 것을 특징으로 한다. 측벽의 재료가 통상 건식 식각 장치에 이용되는 석영의 비유전율: 3.6보다 높은 비유전율 4 이상의 재료인 것에 의해, 교번하는 전장이 효율적으로 측벽을 투과하여 플라즈마가 고밀도화 되기 때문에, 면내 균일성이 개선되고 식각률이 더욱 높게 된다.
상기 재료의 유전 손실이 1×10-4 ~10×10-4인 것이 바람직하다. 10×10-4보다 크면, 입력된 교번하는 전장의 일부가 세라믹을 가열하고, 이 세라믹의 온도상승에 의해 식각 공정이 불안정하게 되기 쉽다. 한편, 1×10-4보다 작으면, 충분한 면내 균일성의 개선, 식각률의 향상을 꾀하지 못한다.
상기 재료로서는, 투광성 세라믹이 바람직하다. 여기서, 투광성 세락믹은 가시광 및 적외선 영역인, 파장이 약 360㎚~800㎛의 광선이 투과하는 것을 말한다. 투광성 세라믹은 비유전율이 높고, 또한, 유전 손실이 작기 때문에, 투광성 세라믹으로 측벽(141)을 제작하는 것에 의해, 교번하는 전장이 측벽을 통과하기 쉽고, 고밀도의 플라즈마가 가능하다. 이 때문에, 면내 균일성이 좋고, 동시에 식각률을 높게 하는 것이 가능하다.
투광성 세라믹으로서는, 고순도 투광성 알루미나 세라믹, 고순도 투광성 이트리아 세라믹 및 고순도 투광성 AlN 세라믹 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 여기서, 고순도라는 것은, 순도가 99.5% 이상인 것을 말한다.
상기 측벽의 안쪽면에, 이트리아가 용사(溶射)되어 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 측벽의 안쪽면의 식각을 방지하고, 파티클 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 건식 식각 방법은, 상기의 건식 식각 장치를 이용해서, 진공챔버내에 식각가스를 도입함과 아울러, 자장 코일에 의해 자기 중성선을 형성하고, 안테나 코일로부터 교번하는 전장을 측벽을 투과시켜, 교번하는 전위를 자기 중성선을 따라 가하여 방전 플라즈마를 발생시키는 것과 함께, 피처리 기판을 식각해서 미세가공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 건식 식각 장치에 의하면, 면내 균일성이 좋고, 동시에 식각률이 높은 식각을 진행하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본발명의 건식 식각 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
(부호의 설명)
1 식각장치 2 기판 받침부 3 식각가스 도입수단
4 플라즈마 발생수단 11 진공챔버 12 진공배기수단
13 기판 처리실 14 플라즈마 발생실 15 상판
21 기판 전극 22 블로킹 콘덴서 23 고주파 전원
31 가스도입경로 32 가스유량 제어수단 33 희가스용 가스원
34 플루오르 카본 가스용 가스원
41 자장 코일 42 고주파 안테나 코일 43 고주파 전원
141 측벽 S 피처리 기판
도 1에 본 발명의 층간절연막의 건식 식각 방법에 이용하는 식각 장치(1)를 표시한다. 식각 장치(1)는 진공챔버(11)를 가지며, 이 진공챔버(11)는 터보 분자펌프 등의 진공배기수단(12)을 구비하고 있다.
진공챔버(11)는 하부의 기판 처리실(13)과 그 상부의 플라즈마 발생실(14)로 구성되어 있다. 하부의 기판 처리실(13) 내의 바닥부 중앙에는 기판 받침부(2)가 설치되어 있다. 기판 받침부(2)에는 기판 전극(21)이 설치되고, 기판 전극(21)은 블로킹 콘덴서(22)를 개재하여 제1 고주파 전원(23)에 접속되어, 전위적으로 부유전극으로 되어 음의 바이어스 전위가 된다.
이 기판 받침부(2)에 대향해서 플라즈마 발생실(14)의 상부에 설치되어 있는 상판(15)은, 플라즈마 발생실(14)의 측벽에 고정된다. 상판(15)에는, 진공챔버(11) 내에 식각가스를 도입하는 가스도입수단(3)의 가스도입경로(31)가 접속되어 있다. 이 가스도입경로(31)는 분기(分岐)하고, 각각의 가스유량 제어수단(32)을 개재해서 희가스용 가스원(33) 및 플루오르 카본 가스용 가스원(34)에 접속되어 있다.
또한, 이 상판(15)에는, 가스를 균일하게 확산시키며 가스도입수단(3)에 접속시킨 샤워 플레이트가 설치되어 있어도 좋다. 더욱이, 식각률 향상을 위해, 상판(15)은, 실리콘으로 형성되어 있거나 실리콘 플레이트가 설치되어도 좋다.
플라즈마 발생실(14)은 원통모양의 측벽(141)을 구비하고 있다. 측벽(141)은, 유전체로 되며, 비유전율 4 이상인 것이 바람직하다. 플라즈마 발생실(14)의 측벽을 통상의 석영의 비유전율(3.6)보다 높은 유전율을 가지는 재료로 작성하는 것에 의해 더 효율적으로 RF 전력을 투과시킬 수 있어, 공정의 균일성, 식각률 및 공정 안정성 향상이 가능하다. 이 경우, 비유전율 4 이상의 재료의 유전손실이 1×10-4 ~10×10-4인 것이 바람직하다. 이러한 특성을 가진 재료로서는, 예를 들어, 투광성 세라믹이 있으며, 이 중에도, 고순도 투광성 알루미나 세라믹 또는 고순도 투광성 이트리아 세라믹이 비전유율 10 이상으로 높아 바람직하다. 또한, 고순도 투광성 AlN 세라믹도 비전유율이 높기 때문에 바람직하다.
그런데 측벽(141)을 고순도 투광성 세라믹으로 제작하는 경우에 있어서, 측벽 재료와 식각대상이 동일하면, 측벽 내부도 식각되어 버리는 경우가 있다. 이 경우에는, 측벽(141)의 내부를 이트리아 용사하는 것이 바람직하다. 이트리아 용사에 의해, 측벽부의 식각을 방지하는 것이 가능하기 때문이다.
측벽(141)의 외측에는, 자장발생수단(4)으로서의 자장 코일(41)이 설치되어 있어서, 이 경우, 자장 코일(41)에 의해 플라즈마 발생실(14) 내에 환상 자기 중성선(도시되어 있지 않음)이 형성된다.
자장 코일(41)과 플라즈마 발생실(14) 측벽(141)의 외측과의 사이에는, 플라즈마 발생용의 고주파 안테나 코일(42)이 배치되어 있다. 이 고주파 안테나 코일(42)은 평행한 안테나 구조의 것으로, 제2 고주파 전원(43)으로부터 전압을 인가 할 수 있도록 구성되어 있다. 그래서, 자장 코일(41)에 의해 자기 중성선이 형성되면, 형성된 자기 중성선을 따라 교번하는 전장을 가해서 이 자기 중성선에 방전 플라즈마를 발생시킨다.
한편, 안테나 코일에의 인가 전압치가 소정의 값이 되도록 하는 기구가 설치되어도 좋다.
상기와 같이 구성된 식각 장치는 간단한 구조이며, 인가하는 고주파 전장이 서로 간섭하는 문제가 없고, 동시에 고효율의 플라즈마를 형성하는 것이 가능하다.
본 발명의 건식 식각 방법을 실시하기 위해 이용되는 식각장치는, 고주파 안테나 코일(42)의 내측에 도시되지 않은 패러데이 쉴드(또는 정전장 쉴드)형태 부유전극을 설치해도 좋다. 이 패러데이 쉴드는 공지의 패러데이 쉴드로, 예를 들어, 복수의 슬릿이 평행하게 설치되고, 이 슬릿의 긴 방향의 중간에 슬릿과 직교하는 안테나 코일이 설치된 금속판이다. 슬릿의 긴 방향의 양단에는, 기다란 모양의 금속판의 전위를 동일하게 하는 금속 테두리가 설치되어 있다. 안테나 코일(42)의 정전장은 금속판에 의해 차폐되지만, 유도자장은 차폐되지 않는다. 이 유도자장이 플라즈마 중에 들어가는 유도전장을 형성한다. 슬릿의 폭은, 목적에 따라서 적당히 설계가능하고, 0.5~10mm, 바람직하게는 1~2mm의 슬릿이다. 이 슬릿의 폭이 너무 넓어지면 정전장의 침투가 일어나서, 바람직하지 않다. 슬릿의 두께는, ~ 2mm 정도라면 좋다.
다음으로, 이 식각 장치(1)를 이용해서 피처리 기판(S)을 식각하는 방법에 대해 설명한다.
상기 식각 장치(1)를 이용해서 식각되는 식각대상으로서는, Si 기판상에, SiO2막 및 SiO2를 포함하는 화합물막, 광학소자에 이용되는 재료로 된 막이 형성된 것을 들 수 있다.
SiO2를 포함하는 화합물로서는, 예를 들어 TEOS-SiO2, 인산실리케이트 글래스(PSG), 붕산첨가 인산실리케이트 글래스, 희토류를 도핑한 글래스, 저팽창 결정화 글래스가 있다. 광학소자에 이용되는 재료로서는, 예를 들어, 니오브산리튬, 탄탈산리튬, 산화티탄, 산화탄탈, 산화비스무스가 있다.
또한, HSQ나 MSQ처럼 스핀코팅에 의해 형성된 SiOCH계 재료막이나, CVD에 의해 형성되는 SiOC계 재료로서 비유전율 2.0~3.2의 저유전율(Low-k) 재료막, 다공질재료막이 형성된 기판인 것도 좋다.
SiOCH계 재료로서는, 예를 들어, 상품명 LKD5109r5/JSR사 제품, 상품명 HSG-7000/일립화성사 제품, 상품명 HOSP/Honeywell Electric Materials사 제품, 상품명 Nanoglass/Honeywell Electric Materials사 제품, 상품명 OCD T-12/동경응화사 제품, 상품명 OCD T-32/동경응화사 제품, 상품명 IPS2.4/촉매화성공업사 제품, 상품명 IPS2.2/촉매화성공업사 제품, 상품명 ALCAP-S5100/욱화성사 제품, 상품명 ISM/ULVAC사 제품이 있다.
SiOC계 재료로서는, 예를 들어, 상품명 Aurola2.7/일본ASM사 제품, 상품명Aurola2.4/일본ASM사 제품, 상품명 Orion2.2/FASTGATE?TRIKON사 제품, 상품명 Coral/Novellus사 제품, 상품명 Black Diamond/AMAT사 제품, 상품명 NCS/부사통사 제품이 있다. 또한, 상품명 SiLK/Dow Chemical사 제품, 상품명 Porous-SiLK/Dow Chemical사 제품, 상품명 FLARE/Honeywell Electric Materials사 제품, 상품명 Porous FLARE/Honeywell Electric Materials사 제품, 상품명 GX-3P/Honeywell Electric Materials사 제품 등이 있다.
이 식각대상인 피처리 기판의 마스크 재료로서는, 예를 들어, KrF 레지스트재료, ArF 레지스트 재료 등의 유기계 재료나, Ni 등의 공지의 금속재료를 들 수 있다.
마스크가 형성된 피처리 기판(S)을 기판 받침대(2)의 위에 놓는다. 다음으로, 식각가스 도입수단(4)으로부터 식각가스를 도입하고, 제2 고주파 전원(43)으로부터 RF 파워를 인가해서 플라즈마 발생실(14) 내에 플라즈마를 발생시켜, 피처리 기판(S)의 식각을 진행한다.
식각가스로서는, 플루오르 카본 가스에, Ar, Xe, Kr 등의 희가스에서 선택된 적어도 1종의 가스를 첨가한 가스를 이용하는 것이 가능하다. 플루오르 카본 가스로서는, 예를 들어, CF4, C2F6, C4F8 또는 C3F8을 이용하는 것이 가능하며, 특히 C4F8및 C3F8이 바람직하다. 이 경우, 희가스는, 식각가스 총유량 기준으로 80~95%가 되도록 가스유량 제어수단(32)에 의해 제어되어 도입된다. 이 식각가스를 플라즈마 분위기중 1Pa 이하의 작동 압력하에서, 100~300sccm 진공챔버(11) 내에 도입해서 식각한다.
이러한 건식 식각 장치(1)를 이용한 건식 식각 방법에 의하면, 종래의 건식 식각 장치보다도 면내 균일성이 좋고, 동시에 식각률을 높게 할 수 있다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 도 1에 나타나는 식각 장치(1)를 이용해서 식각을 진행했다. 측벽부(141)는, 투광성 알루미나 세라믹으로서 상품명 SAPPHAL/도시바 세라믹사 제품(비유전율: 10, 유전손실: 1×10-4)을 이용해서 제작했다.
우선, SiO2막이 1㎛로 형성된 Si로 된 피처리 기판(S)을, 플라즈마 발생실(14)의 측벽(141)이 고순도 투광성 알루미나로 된 식각 장치(1)의 기판 받침대(2) 위에 놓고, 제2 고주파 전원(43)에 의해 플라즈마를 발생시킴과 함께, C3F8가스 8sccm과 Ar가스 152sccm으로 된 식각가스를 도입해서, 피처리 기판(S)의 식각을 진행했다. 식각 조건은, 제1 고주파 전원(기판측) 400W, 제2 고주파 전원(안테나측) 1200W, 기판설정온도: -20℃, 압력:0.6㎩이었다.
1분간 가스를 도입해서 피처리 기판(S)을 식각한 후에, 피처리 기판(S)을 식각 장치(1)에서 꺼내 면내 균일성을 조사한 바, 플러스 마이너스 4.79%이었다. 또한, 식각률은 134 nm/min이었다.
(비교예 1)
실시예 1과는, 식각장치로서, 플라즈마 발생실(14)의 측벽(141)이 석영(비유 전율 3.6, 유전손실 3×10-3)으로 된 식각장치를 사용한 이외는 동일한 조건에서 식각을 진행했다. 피처리 기판(S)을 식각장치에서 꺼내 면내 균일성을 조사한 바, 플러스 마이너스 10.28%이었다. 또한, 식각률은 94.1 nm/min이었다.
(실시예 2)
본 실시예에서는, 실시예 1과는 레지스트로서 G선 레시스트를 두께 2㎛로 형성한 점 이외는 전부 동일한 조건에서 식각을 진행했다. 피처리 기판(S)을 식각 장치(1)에서 꺼내 면내 균일성을 조사한 바, 플러스 마이너스 9.58%이었다. 또한, 식각률은 79.5 nm/min이었다.
(비교예 2)
실시예 2와는, 식각장치로서, 플라즈마 발생실(14)의 측벽(141)이 석영(비유전율 3.6, 유전손실 3×10-3)으로 된 식각장치를 이용한 것 이외는 동일한 조건에서 식각을 진행했다. 피처리 기판(S)을 식각장치에서 꺼내 면내 균일성을 조사한 바, ±36.14%이었다. 또한, 식각률은 66.7 nm/min이었다.
이상에 의해, 플라즈마 발생실의 측벽을 투광성 세라믹으로 형성하면, 식각의 면내 균일성 및 식각률이 개선되는 것을 알았다. 또한, 면내 균일성 및 식각률은 레지스트 재료에 따르지 않고, 거의 같은 정도의 결과를 얻어낸 것에서, 공정의 안전성도 개선되었다.
(실시예 3)
본 실시예에서는, 실시예 1과는 Si 기판을 사파이어 기판으로 한 점 이외는 전부 동일한 조건에서 식각을 진행했다. 피처리 기판(S)을 식각장치(1)에서 꺼내 면내 균일성을 조사한 바, ±5%이었다. 또한, 식각률은 350 nm/min이었다.
(실시예 4)
본 실시예에서는, 실시예 1과는, 실시예 1에서 이용한 식각 장치(1)의 측벽(141)의 안쪽면에 이트리아를 용사(두께 250㎛)한 점, 및 기판을 사파이어 기판으로 한 점 이외는 전부 동일한 조건에서 식각을 진행했다. 피처리 기판(S)을 식각 장치(1)에서 꺼내 면내 균일성을 조사한 바, ±5%이었다. 또한, 식각률은 350nm/min이었다.
실시예 3의 경우, 식각대상과 측벽재료가 동일하기 때문에, 장시간 식각을 진행하면, 측벽(141)이 식각되어 버리는 것이 있었지만, 실시예 4에 있어서는, 식각대상과 측벽 재료가 동일해도 측벽(141)은 식각되지 않았다.
이에 의해, 식각 대상과 측벽재료가 동일한 경우에도, 플라즈마 발생실의 측벽(141) 내부에 이트리아를 용사하면, 높은 면내 균일성 및 식각률를 유지하면서 식각 가능함을 알았다.
(실시예 5)
본 실시예에서는, 실시예 1과는, 측벽(141)을 고순도 투광성 이트리아 세라믹(비유전율: 11.3, 유전손실: 5.5×10-4)으로 형성한 점 이외는 전부 동일한 조건에서 식각을 진행했다. 피처리 기판(S)을 식각 장치(1)에서 꺼내 면내 균일성을 조사한 바, ±8%이었다. 또한, 식각률은 300 nm/min이었다.
(실시예 6)
본 실시예에서는, 실시예 1과는, 측벽(141)을 고순도 투광성 AlN 세라믹(비유전율: 9.1, 유전손실: 2.5×10-4) 에서 형성한 점 이외는 전부 동일한 조건에서 식각을 진행했다. 피처리 기판(S)을 식각 장치(1)에서 꺼내 면내 균일성을 조사한 바, ±7%이었다. 또한, 식각률은 330 nm/min이었다.
본 발명의 건식 식각 장치에 의하면, 면내 균일성이 좋고, 동시에 식각률도 높게 식각하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명은 반도체 기술의 분야에서 이용가능하다.

Claims (6)

  1. 상부의 플라즈마 발생실 및 하부의 기판 처리실로 구성된 진공챔버와, 상기 플라즈마 발생실의 측벽의 외측에 설치된 자장 코일과, 이 자장 코일과 측벽의 외측과의 사이에 배치되고 고주파 전원에 접속한 안테나 코일과, 플라즈마 발생실 상부에 설치된 식각가스 도입수단을 구비한 건식 식각 장치로서, 상기 측벽이 비유전율이 4 이상인 투광성 세라믹이고,
    상기 측벽의 안쪽면에 이트리아가 용사된 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 투광성 세라믹의 유전손실이 1×10-4 ~10×10-4 인 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 투광성 세라믹이 고순도 투광성 알루미나 세라믹, 고순도 투광성 이트리아 세라믹 및 고순도 투광성 AlN 세라믹 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  4. 청구항 1에 기재된 건식 식각 장치를 이용해서, 진공챔버 내에 식각가스를 도입함과 아울러, 자장 코일에 의해 자기 중성선을 형성하고, 안테나 코일로부터 교번하는 전장을 측벽을 투과시켜, 교번하는 전위를 자기 중성선을 따라서 가하여 방전 플라즈마를 발생시킴과 함께, 피처리 기판을 식각해서 미세가공하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
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