KR101559913B1 - 플라즈마 건식 식각 장치 - Google Patents
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Abstract
흔히 폐기되는 5㎜ 안밖의 웨이퍼 최외곽 영역에서 패턴의 임계 선폭이 크게 증가하거나 감소하고, 특히 라디칼 에치가 진행되는 폴리 에치의 경우 라디칼 에천트의 밀도가 높아지면, 폴리실리콘막의 임계 선폭이 작아지고, 폴리메릭 에치가 진행되는 옥사이드 에치의 경우 폴리머의 밀도가 높아지면, 옥사이드막의 임계 선폭이 커지는 웨이퍼 프로세스의 특성상, 식각되는 물질막과 사용되는 프로세스 가스의 선택에 따라 식각 정도가 달라지는 점을 고려하여, 상기 물질막과 프로세스 가스의 종류와 관계 없이 동일한 프로세스 챔버 내에서도 선택적으로 식각 온도를 제어할 수 있는 에지용 냉각수단 및 가열수단을 커플링 링에 별도로 구비한다. 상기 냉각수단은 쿨런트가 플로우되는 쿨런트 채널로 구성되고, 가열수단은 저항성의 히터 코일로 구성된다.
건식 식각, 에지 링, 커플링 링, 쿨런트 채널, 히터 코일
Description
본 발명은 플라즈마 식각 공정 중에 웨이퍼의 최외곽 온도를 제어하는 플라즈마 건식 식각 장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 라디칼 에치(Radical etch)가 진행되는 폴리 에치(Poly etch)의 경우 라디칼 에천트(Radical etchant)의 밀도(Density)가 높아지면, 폴리실리콘막의 건식 식각 속도가 빨라져서 바(Bar)의 임계 선폭(CD)이 작아지고, 폴리메릭 에치(Polymeric etch)가 진행되는 옥사이드 에치(Oxide etch)의 경우 폴리머(Polymer)의 밀도(Density)가 높아지면, 옥사이드막의 건식 식각 속도가 느려져서 바(Bar)의 임계 선폭(CD)이 커지는 웨이퍼 프로세스와 같이, 웨이퍼의 표면 온도가 식각 프로파일에 중요한 파라메터가 되는 점을 고려하여 웨이퍼와 이웃하는 에지 링에 웨이퍼의 표면 온도를 조절하는 냉온 수단을 구비하는 플라즈마 건식 식각 장치에 관한 것이다.
또한 본 발명은, 웨이퍼의 중심과 주변에서 식각 속도를 제어하기 위하여 웨 이퍼를 직접 지지하는 ECS 페데스탈에 백 사이드용 냉각장치 및 가열장치를 구비하는 것은 물론이고, 웨이퍼의 최외곽에서 식각 속도는 백 사이드용 냉각장치 및 가열장치를 통해서는 제어되지 않기 때문에, 커플링 링에 상기 페데스탈과 독립적으로 에지용 냉각수단 및 가열수단을 구비하고, 페데스탈과 커플링 링 사이에 열 차폐막을 설치하여 커플링 링을 독립적으로 제어하는 플라즈마 건식 식각 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조 공정은, 소정의 식각 장치를 사용하여, 반도체 웨이퍼 상에 형성된 물질막을 식각하는 공정을 포함한다. 예를 들면, 절연막을 관통하는 콘택 홀을 형성하는 공정이 그것이다. 이러한 식각 장치는, 식각 방법을 기준으로 건식 식각 장치 또는 습식 식각 장치로 구분될 수 있다.
상기 습식 식각 장치는, 복수의 웨이퍼를 한 번에 처리할 수 있는 장점이 있지만, 등방성의 식각 특성 때문에 언더 컷(under cut) 등의 문제점이 발생 된다. 예를 들면, 콘택 홀 형성을 위한 식각 공정 등에는 습식 식각 장치가 부적합하다.
반면, 건식 식각 장치는, 플라즈마를 이용하여 물질막을 식각하는 장치로서, 이방성의 식각 특성을 갖는다. 이에 따라, 건식 식각 장치는, 라인 앤 스페이스의 형성 공정이나 콘택 홀의 형성 공정 등에 폭넓게 사용될 수 있다.
상기 건식 식각 장치는, 다시 물리적 건식 식각 장치와 화학적 건식 식각 장치로 구분될 수 있다. 상기 물리적 건식 식각 장치는 플라즈마 내에 형성된 이온을 전기장에 의해 가속하여 물질막에 충돌시키는 과정을 이용한다. 이에 따라, 물 리적 건식 식각 장치는, 우수한 이방성 식각 특성을 갖지만, 물질막 아래의 막에 대한 식각 선택비는 좋지 않는 단점이 있다. 반면, 화학적 건식 식각 장치는, 물질막을 상기 플라즈마 내에 형성된 라디칼과의 화학적 반을을 통해 식각한다. 이에 따라, 화학적 건식 식각 장치는 선택적 식각 특성은 우수하지만, 전술한 등방성의 식각 특성을 가질 수도 있다. 최근에는 물리적 및 화학적 건식 식각 장치들의 장점을 조합하여, 선택적 식각 특성과 이방적 식각 특성이 모두 우수한 이온 강화 플라즈마 식각 방법이 사용되기도 한다.
그러나, 이러한 건식 시각 장치에도 불구하고, 라인 앤 스페이스의 형성 공정이나 콘택 홀 형성 공정에서 바(Bar)의 임계 선폭이 일정하지 않거나 혹은 콘택 홀(Hole)이 오픈되지 않는(Not open) 식각 불량이 여전히 존재한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 웨이퍼 가장자리 부분에서 바(Bar)의 선폭이 일정하지 않거나 콘택 홀(Hole)이 오픈되지 않는 식각 불량으로 인하여 대략 5㎜ 안밖의 웨이퍼 최외곽 영역을 폐기해야 하는 경제적 손실이 뒤 따랐기 때문에, 에지 링에 냉각수단 및 가열수단을 더 구비함으로써, 웨이퍼의 최외곽 영역도 상품으로써 활용할 수 있는 플라즈마 건식 식각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 웨이퍼의 표면 온도가 플라즈마 식각 특성에서 중요한 파라메터가 되는 점을 적극 반영하여 웨이퍼의 표면 온도를 액티브하게 제어할 수 있는 플라즈마 건식 식각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 웨이퍼를 직접 지지하는 페데스탈은 물론이고 웨이퍼와 소정 거리를 두고 이웃하는 에지 링의 온도를 독자적으로 제어할 수 있는 플라즈마 건식 식각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 라디칼 에치가 진행되는 폴리 에치와, 폴리메릭 에치가 진행되는 옥사이드 에치와 같이, 프로세스 가스에 따라 식각 속도가 빨라지는 경우는 물론이고 식각 속도가 느려지는 경우에도 식각 제어를 선택적으로 수행할 수 있는 플라즈마 건식 식각 장치를 제공하는 것이다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명 은 식각 공정이 수행되는 프로세스 챔버와, 상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 웨이퍼가 로딩되는 페데스탈과, 상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 고주파(RF) 전원을 인가하는 전극 캐소드 및 전극 플레이트과, 상기 페데스탈의 가장자리에 구비되는 에지 링과, 일측은 상기 페데스탈에 지지되고, 타측은 상기 에지 링과 연결되는 커플링 링과, 상기 커플링 링에 구비되고, 상기 웨이퍼 최외곽(Extreme edge) 온도의 상승(Raise) 혹은 하강(Drop)을 위하여, 상기 에지 링을 냉각(Cooling) 혹은 가열(Heating) 하는 에지용 냉각수단 및 가열수단을 포함한다.
상기 프로세스 챔버는, 프로세스 가스를 플라즈마화함으로써, 웨이퍼 상에 적층된 폴리실리콘막 혹은 옥사이드막을 패턴닝하거나 혹은 콘택 홀을 형성하는 건식 식각하는 장치이고, 상기 에지용 냉각수단은, 폴리 에치(Poly etch) 공정시 패턴의 임계 선폭이 작아지면 상기 커플링 링을 냉각시켜 인접한 에지 링의 온도를 하강시키고, 상기 에지용 가열수단은, 옥사이드 에치(Oxide etch) 공정시 패턴의 임계 선폭이 커지면 상기 커플링 링을 가열시켜 인접한 에지 링의 온도를 상승시킨다.
상기 에지 링은, 폴리 에치(Poly etch) 공정과 옥사이드 에치(Oxide etch) 공정 모두에 범용적으로 사용될 수 있는 세라믹 계열로 성형되고, 상기 커플링 링은, 열 전도성(Conductive) 금속 계열로 성형된다.
상기 페데스탈 상에 로딩되는 웨이퍼 중심과 주변의 온도를 조절하기 위하여, 페데스탈 하부를 냉각 혹은 가열함으로써, 웨이퍼의 백 사이드를 냉각 혹은 가열하는 백 사이드용 냉각장치 및 가열장치를 더 포함하고, 상기 웨이퍼 최외곽 온 도를 조절하는 에지용 냉각수단 및 가열수단은 상기 백 사이드용 냉각장치 및 가열장치와 독립적(Independent)으로 제어되며, 이를 위하여 상기 페데스탈과 커플링 링 사이에는 열 전달을 차단하는 Al2O3, 세라믹, 쿼츠 혹은 엔지니어링 플라스틱 중에서 선택되고, 그 두께는 0.1㎜ ∼ 10㎜ 범위 내에서 결정되는 열 차폐막을 더 포함한다.
상기 에지용 냉각수단은, 상기 링 구조물의 커플링 링 내부를 따라 적어도 1회 이상 턴(Tunr)하는 쿨런트 채널과, 상기 쿨런트 채널을 플로우하는 쿨런트와, 상기 쿨런트를 공급하거나 배출하도록, 상기 쿨런트가 플로우를 시작하는 상기 쿨런트 채널의 양측에서 하부로 각각 연장되는 공급 채널 및 배출 채널을 포함한다.
상기 커플링 링은, 알루미늄(Al)을 재료로 주조(Cast)되고, 주조시 상기 쿨런트 채널이 형성되도록 저면에 개구부를 갖는 환형의 그루브가 성형되며, 상기 그루브의 개구부는 납땜(Brazing) 혹은 용접(Welding)에 의하여 밀봉됨으로써, 높이와 폭이 각각 2㎜ ∼ 20㎜의 상기 쿨런트 채널이 완성된다.
상기 에지 링과 커플링 링은, 0.05㎜ ∼ 5㎜ 범위의 두께로 에폭시(Epoxy) 혹은 실리콘(Silicone)의 폴리머 본더(Polymer bonder)에 의하여 접합되고, 상기 페데스탈과 커플링 링은, 볼트(Bolt)를 이용하여 체결되며, 상기 볼트의 안착 공간을 위하여, 쿨런트 채널은 커플링 링에서 순환하되, 지그재그의 곡선 형태로 턴(Tunr)되며, 상기 쿨런트의 유출을 방지하기 위하여, 상기 공급 채널 및 배출 채널 가장자리에는 상기 커플링 링과 페데스탈이 접하는 부분에 쿨런트와 진공을 상 호 실링(Sealing)하는 오링(O-ring)이 더 설치되고, 상기 오링은 상기 볼트에 의하여 더욱 긴밀하게 밀착된다.
상기 페데스탈의 하부에 절연 플레이트(Isolator plate)가 더 설치되고, 상기 페데스탈의 외주연에 절연 링(Isolator ring)이 더 설치되며, 상기 절연 링의 상부에 커버 링(Cover ring)이 더 설치되며, 상기 쿨런트를 공급하거나 배출하는 공급 채널 및 배출 채널은 상기 절연 플레이트 혹은 절연 링으로 더 연장되며, 상기 페데스탈과 절연 플레이트 혹은 절연 링 사이에도 오링(O-ring)이 더 개재된다.
상기 에지용 가열수단은, 히터 코일과 히터 터미널로 구성되고, 상기 히터 코일은, 상기 쿨런트 채널과 일정한 거리를 두고 쿨런트 채널의 상부에 평행하게 1회 이상 턴(Turn)되며, 상기 히터 터미널은, 상기 쿨런트 채널이 형성되지 않는 상기 공급 채널과 배출 채널 사이에 구비되며, 상기 공급 채널과 배출 채널과 오버랩되지 않는 범위 내에서 히터 코일의 수직으로 각각 연장된다.
상기 히터는, 50W 내지 500W 파워의 저항성 히터(Resistive heater)로서, 상기 히터 코일(Heater coil)이 인서트(Insert)된 상태에서 커플링 링과 일체(Integral)로 주조(Cast)되는 캐스트 인 히터(Cast-in heater)로 구성된다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 웨이퍼의 백 사이드를 직접적으로 냉각 혹은 가열하는 냉각장치 및 가열장치 외에도 웨이퍼의 에지를 간접적으로 냉각 혹은 가열하는 냉각수단 및 가열 수단을 에지 링에 더 설치함으로써, 웨이퍼의 최외곽의 임계 선폭이 일정하게 유지되고 콘택 홀이 오픈되며, 5㎜ 안밖의 웨이퍼의 최외곽 영역도 그대로 상품으로 사용할 수 있는 경제적인 작용효과가 기대된다.
둘째, 웨이퍼의 표면 온도가 플라즈마 식각 특성에서 중요한 파라메터가 되는 점을 고려하여, 폴리 에치의 경우에는 냉각수단을 선택하고, 옥사이드 에치의 경우에는 가열수단을 선택함으로써, 식각될 물질막과 식각용 프로세스 가스의 종류에 따라 적절하게 대응할 수 있는 작용효과가 기대된다.
셋째, 웨이퍼를 직접 지지하는 페데스탈과, 웨이퍼와 소정 거리를 두고 이웃하는 에지 링 사이에 열 차폐막을 설치함으로써, 종래의 백 사이드용 냉각장치 및 가열장치와는 독립적으로 웨이퍼의 최외곽 온도를 조절할 수 있는 작용효과가 기대된다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 플라즈마 건식 식각 장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 건식 식각 장치는, 식각 공정이 수행되는 프로세스 챔버(110)와, 상기 프로세스 챔버(110) 내부에 구비되어 웨이퍼(Ｗ)가 로딩되는 페데스탈(120)과, 프로세스 챔버(110) 상,하부에 각각 설치되어 고주파(RF) 전원을 인가하는 전극 캐소드(130)와 전극 플레이트(도면부호 없음)를 포함할 수 있다.
상기 프로세스 챔버(110)는, 특별히 제한되지 않으나 대략 원통형으로 제작 되고, 그 표면은 알루미늄으로 양극 산화 처리될 수 있다. 프로세스 챔버(110)의 측면 일측에는 급기구(112)가 형성되어 플라즈마 반응에 필요한 프로세스 가스를 공급하며, 바닥 일측에는 배기구(114)가 형성되어 프로세스 챔버(110) 내부를 소정 압력으로 감압할 수 있다. 상기 프로세스 챔버(110)는, 상부 챔버와 하부 챔버로 나누어 구성될 수 있으나, 여기에서는 편의상 구분없이 설명하기로 한다.
상기 전극 캐소드(130)는, 상기 전극 플레이트의 상측에 위치하고, 전극 플레이트와 소정 거리를 두고 평행하게 설치될 수 있다. 전극 캐소드(130)는, 프로세스 가스를 프로세스 챔버(110) 내부에 균일하게 분배할 수 있도록, 샤워 헤드 구조를 취할 수 있다.
상기 전극 플레이트는, 페데스탈(120) 내부 혹은 하부에 구비될 수 있기 때문에 별도로 도면부호를 제공하지 않았다. 즉, 페데스탈(120)은, 웨이퍼를 고정하는 기능을 수행하지만, 고주파 파워 소스를 인가하는 전극 플레이트로도 기능할 수 있다.
여기서 상기 페데스탈(120)은, 상부에 웨이퍼(Ｗ)를 고정하는 고정척을 포함하는 개념으로 사용된다. 상기 고정척은 유전분극 현상과 정전기적 원리를 이용하여 웨이퍼(Ｗ)을 고정하는 정전척(ESC:Electro Static Chuck)에 관한 것이나, 여기에 제한되는 것은 아니고, 기계적 특성을 이용하여 웨이퍼(Ｗ)을 고정하는 진공척(Vacuum chuck) 기타 모든 고정척을 포함할 수 있다. 다만, 프로세스 챔버가 진공 상태에 있고, 진공 상호간의 압력차가 형성되지 않을 가능성이 있기 때문에, 진공척보다는 정밀 고정에 유리한 정전척(ESC)을 사용하는 것이 바람직하다. 따라 서, 정전척(ESC) 혹은 진공척은 페데스탈(Pedestal)의 상부에 별도로 구비되는 것이나, 여기서는 이들을 포함하는 것으로 사용하기로 한다.
상기 페데스탈(120)의 가장자리에는 웨이퍼(Ｗ)를 감싸는 에지 링(Edge ring: 140)이 설치된다. 에지 링(140)은, 웨이퍼(Ｗ)의 상부 표면만이 플라즈마에 노출되도록 하기 위하여, 웨이퍼(Ｗ)의 측면에 설치되는 것으로, 플라즈마를 포커싱하는 등 플라즈마를 컨펌하는 기능을 수행하기도 한다.
한편, 로딩되는 웨이퍼(Ｗ)를 일정한 온도 상태로 유지하기 위하여 페데스탈(120) 하부에는 백 사이드용 냉각장치 혹은 가열장치(도시되지 않음)가 더 구비될 수 있다. 특히, 웨이퍼(Ｗ)의 중심과 주변에서 온도차가 존재할 수 있고, 온도차로 인해 고온에서 저온으로 플라즈마 확산이 발생할 수 있기 때문에, 온도차를 최소화하기 위하여 백 사이드용 냉각장치 혹은 가열장치는 필수적이라고 할 수 있다.
다만, 백 사이드용 냉각장치 혹은 가열장치는, 웨이퍼(Ｗ) 중심과 주변의 온도를 조절하기 위하여, 웨이퍼(Ｗ)의 백 사이드(Back side)를 냉각 혹은 가열하기 때문에, 페데스탈 하부에 설치된다. 따라서, 웨이퍼(Ｗ)의 최외곽(Extreme edge) 부분에 대하여는 어떤식으로든 온도 조절을 수행할 수 없는 한계가 있다. 이 부분에 대하여는 좀더 자세하게 후술하겠다.
이와 같이, 건식 식각 공정은 폴리실리콘막 또는 옥사이드막이 적층된 웨이퍼(Ｗ)를 밀폐된 프로세스 챔버(110) 내에 장착하고, 식각용 프로세스 가스를 프로세스 챔버(110)에 주입한 다음, 고주파 혹은 마이크로 웨이브 전력 등을 인가하여 플라즈마 상태의 가스를 형성함으로써, 상기 폴리실리콘막 또는 옥사이드막을 식각할 수 있다. 이러한 건식 식각 공정은 웨이퍼(Ｗ)가 식각된 후의 세척 공정을 거칠 필요가 없을 뿐만 아니라, 폴리실리콘막 또는 옥사이드막이 이방성으로 식각되는 특성을 갖고 있다. 따라서, 건식 식각 공정은 습식 식각 공정에 비하여 고집적회로를 위한 미세 패턴 형성에 더 적합할 뿐만 아니라 식각 공정을 단순화할 수 있는 잇점이 있다.
그런데, 건식 식각 공정(Dry etch process) 진행시 웨이퍼(Ｗ)의 온도가 일정 온도 이상으로 상승되거나 하강하면, 웨이퍼(Ｗ)의 전면에 걸쳐서 균일한 식각이 진행되지 않는 문제점이 있다.
여기서, 웨이퍼 전면에서 균일 식각이 진행되지 않는 이유는 여러 가지 원인이 있겠지만, 그 중에서도 웨이퍼의 표면 온도를 가장 큰 파라메터(Parameter)로 꼽을수가 있다. 웨이퍼의 표면 온도가 식각률에 영향을 미칠 수 있으며, 식각률은 표면 온도에 비례하여 높아지거나 낮아지기 때문이다. 특히 표면 온도가 과도하게 높아지거나 낮아지면 식각 제어는 전혀 이루어질 수 없게 되고, 식각 불량과 수률 저하로 귀결된다.
식각 불량 및 수률 저하를 방지하기 위하여, 건식 식각 공정 진행중 웨이퍼(Ｗ)의 백 사이드(Back side)로 냉각 가스 혹은 고온 가스를 공급하는 냉각장치 및 가열장치를 통하여 웨이퍼(Ｗ)의 표면 온도를 제어할 수 있다. 가령, 웨이퍼(Ｗ)의 표면 온도 제어를 위하여, 웨이퍼(Ｗ)가 로딩되는 페데스탈(120)에는 웨이퍼(Ｗ)의 백 사이드(Back side)로 헬륨(He) 가스 등이 플로우되는 다수의 홀이 구비 될 수 있다.
위와 같이, 웨이퍼(Ｗ)는 통상 중심과 주변에서 온도차로 인하여 균일 식각이 이루어지지 않으나, 웨이퍼(Ｗ) 중심과 주변에서의 식각 불균형은 페데스탈의 백 사이드용 냉각장치와 가열장치를 통하여 어느 정도 해결할 수 있다. 그러나, 대략 5㎜ 안밖의 웨이퍼 최외곽(Extreme edge)에서는 상기한 백 사이드용 냉각장치와 가열장치를 통해서도 해결되지 않는다.
일례로, 폴리실리콘막 혹은 옥사이드막이 적층된 웨이퍼(Ｗ)를 프로세스 챔버(110) 내에서 라인 앤 스페이스(L&S) 형태로 건식 식각함에 있어서, 바(Bar)의 임계 선폭(CD)을 얼마나 균일하게 형성하는지 여부가 고집적회로 형성에 관건이 된다. 그러나, 이와 같은 바(Bar)의 임계 선폭(CD)이 증가하거나 감소하는 경향이 있다. 이를 폴리실리콘막과 옥사이드막을 나누어 자세하게 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 폴리실리콘막을 라인 앤 스페이스(L&S) 형태로 건식 식각하는 폴리 에치(Poly etch)의 경우, 라디칼 에치(Radical etch)가 진행되기 때문에, 라디칼 에천트(Radical etchant)의 밀도(Density)에 따라 식각 정도가 달라질 수 있다. 이때, 프로세스 가스로 Cl2, F 화합물 혹은 Br 화합물 등이 사용될 수 있다. 웨이퍼(Ｗ)의 최외곽 영역 밖에 있는 에지 링(140)에서는 라디칼 에천트(Radical etchant)가 소모되지 않고 그대로 머물러 있기 때문에, 웨이퍼(Ｗ) 전면에 비하여 라디칼 에천트가 풍부하다. 라디칼 에천트의 밀도가 높아지게 되면, 식각 속도(Etch rate)가 빨라지게 된다. 따라서, 에지 링(140)에서 라디칼 에천트의 밀도 가 높아지고, 인접한 웨이퍼(Ｗ)의 최외곽에서는 식각 속도가 빨라지기 때문에, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 폴리실리콘막에서 바(Bar)의 임계 선폭(CD)이 작아(Drop)지는 경향이 있다.
다음, 옥사이드막을 라인 앤 스페이스(L&S) 형태로 건식 식각하는 옥사이드 에치(Oxide etch)의 경우, 폴리메릭 에치(Polymeric etch)가 진행되기 때문에, 폴리머(Polymer)가 발생하고, 폴리머(Polymer)의 밀도(Density)에 따라 식각 정도가 달라질 수 있다. 이때, 옥사이드는 화학적 반응 혹은 이온 충격의 도움으로 식각될 수 있다. 에지 링(140)에서 폴리머의 밀도가 높아지면 식각 속도(Etch rate)가 느려지기 때문에, 인접한 웨이퍼(Ｗ)의 최외곽에서는 식각 속도가 현저히 낮아지고, 도 2에 도시된 바와 같이 옥사이드막에서 바(Bar)의 임계 선폭(CD)은 커지는(Raise) 경향이 있다.
다른 예로, 반도체 소자에서 층간 배선을 연결하기 위하여 비아 콘택(Via contact)을 형성하는 콘택 에치(Contact etch)의 경우, 옥사이드 에치에서 풍부한 폴리머로 인하여 콘택이 오픈되지 않는(Not open) 경우가 종종 발생하게 된다. 이 경우에도 옥사이드막을 라인 앤 스페이스로 건식 식각하는 경우와 그 원인이 같다.
이와 같이, 폴리 에치 공정에서는 바(Bar)의 임계 선폭(CD)이 감소하고, 옥사이드 에치 공정에서는 바(Bar)의 임계 선폭(CD)가 증가하거나 혹은 콘택(Contact)이 오픈되지 않는 문제점이 있기 때문에, 일방적으로 온도를 내리는 자연 냉각이나 온도를 올리는 자연 가열만으로는 엑티브하게 식각을 제어할 수 없다. 또한, 웨이퍼(Ｗ)의 중심과 주변에서 온도 제어를 하는 백 사이드용 냉각장치 및 가열장치에 의해서는 더더욱 제어할 수 없다. 따라서, 식각 공정에서 사용되는 프로세스 가스에 따라 냉각 공정 혹은 가열 공정을 선택적으로 수행할 수 있도록 에지용 냉각수단 및 가열수단을 모두 구비할 수 있어야 한다.
즉, 폴리실리콘막을 라인 앤 스페이스 형태로 건식 식각하는 폴리 에치(Poly etch) 공정에서는, 웨이퍼(Ｗ)의 최외곽에서의 식각 속도를 다운시키기 위하여, 인접한 에지 링(140)의 온도를 드롭시키는 냉각수단이 필요하다. 반면, 옥사이드막을 건식 식각하는 옥사이드 에치(Oxide etch) 공정에서는, 웨이퍼(Ｗ)의 최외곽에서 식각 속도를 높이기 위하여, 인접한 에지 링(Ｗ)의 온도를 상승시키는 가열수단이 필요하다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 폴리실리콘막 혹은 옥사이드막 모두에서 바(Bar)의 임계 선폭(CD)이 균일해지는 것을 알 수 있다.
여기서, 프로세스 챔버(110)에서 진행되는 웨이퍼 프로세스를 주로 에칭(Etching)에 관하여 설명하고 있지만, 증착(Deposition)의 경우에 대하여도 동일하게 적용될 수 있다. 가령, 웨이퍼(Ｗ)의 표면 온도가 높아지는 경우 플라즈마에 의하여 활성화된 입자(라이칼 등의 중성 입자나 이온)가 웨이퍼(Ｗ) 상에 머무는 시간이 짧아지고, 활성화된 입자의 밀도가 낮아지며, 단위 시간 당 식각 속도가 저하될 때, 단위 시간 당 식각 속도를 제어하기 위하여, 웨이퍼(Ｗ)의 표면 온도를 낮출 수 있도록 냉각수단이 요구될 수 있다.
이와 같이, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 따르면, 에지 링(140)의 하부에는 웨이퍼(Ｗ)의 최외곽 온도를 조절하기 위하여, 열전달 기능을 수행하는 커플링 링(200)과, 커플링 링(200) 내부에 구비되고 커플링 링의 온도를 상승(Raise) 혹은 드롭(Drop)시킴으로써, 에지 링(120)을 냉각 혹은 가열시키는 에지용 냉각수단(210) 및 가열수단(240)을 더 포함한다.
이 때, 본 발명의 실시예에서는 에지 링(140)의 하부에 커플링 링(200)이 링 구조물을 이루는 것으로 되어 있지만, 별도의 커플링 링(200)이 구비되지 않고, 에지용 냉각수단(210) 및 가열수단(240)이 에지 링(140)에 직접 설치될 수 있음을 배제하지 않는다.
상기 에지 링(140)은, 폴리 에치(Poly etch) 공정에서는 쿼츠(Quartz)가 사용될 수 있으나, 옥사이드 에치(Oxide etch) 공정에서는 실리콘(Si)이 사용되며, 더 바람직하게는 세라믹 계열의 알루미나 등이 사용될 수 있다. 여기서, 옥사이드 에치 공정에서는 실리콘으로 에지 링(140)을 제작하여도 무방하지만, 폴리 에지 공정에서는 실리콘이 모두 식각될 수 있기 때문에 적합하지 않고 쿼츠를 사용해야 되나, 본 발명의 실시예에서는 옥사이드 에치와 폴리 에치를 모두 처리할 수 있어야 하고, 웨이퍼(Ｗ)의 최외곽 온도를 조절해야 하기 때문에, 에지 링(140)은 세라믹 계열의 알루미나로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 커플링 링(200)은, 열 전달이 우수하고, 열 분포가 고른 알루미늄(Al)과 같은 금속 혹은 이와 유사한 전도성(Conductive) 물질로 구성될 수 있다. 커플링 링(200)의 내부에는 에지용 냉각수단(210) 혹은 가열수단(240)이 구비되기 때문이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 페데스탈(120)과 커플링 링(200) 사이에는 온도 변화의 폭을 최소화하고, 능동적으로 온도를 제어할 수 있도록, 열 전 달을 차단하는 열 차폐막(Thermal insulator layer: 260)이 구비될 수 있다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 페데스탈(120)에는 웨이퍼(Ｗ)의 중심과 주변의 온도차를 해소하기 위하여, 백 사이드용 냉각장치 및 가열장치(도시되지 않음)가 더 구비될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 페데스탈(120)과 커플링 링(200) 양측에서 온도를 독립적으로 제어하기 위하여, 페데스탈(120)과 커플링 링(200) 사이에서 열 전달을 차단해야 할 이유가 매우 크다.
상기 열 차폐막(260)은, 열 차단에 우수한 알루미나와 같은 세라믹, 쿼츠 혹은 엔지니어링 플라스틱(가령, Polyimide, Teflon, Peek)등의 재료로 구성될 수 있다. 열 차폐막(260)의 두께는 0.1㎜ ∼ 10㎜ 정도로 형성되는 것이 열 차단에 적합하다.
상기 커플링 링(200)은, 에지용 냉각수단(210) 혹은 가열수단(240) 중 어느 하나를 선택적으로 구비할 수 있다. 하지만, 폴리 에치 공정시 사용되는 프로세스 가스와 옥사이드 에치 공정시 사용되는 프로세스 가스가 각각 다를 수 있고, 이에 따라 에지 링(140)을 냉각 혹은 가열시켜야 하기 때문에, 각 공정에서 웨이퍼(Ｗ)의 최외곽 온도를 엑티브하게 조절하기 위하여 두 개의 수단을 모두 구비하는 것이 바람직하다.
상기 냉각수단(210)은, 커플링 링(200)의 링 구조물을 따라 그 내부에 형성된 쿨런트 채널(220)과, 상기 쿨런트 채널(220)을 플로우하는 쿨런트로 구성될 수 있다. 상기 쿨런트는, 냉각수를 비롯하여 모든 냉각제가 포함될 수 있다.
상기 쿨런트 채널(220)은, 링 구조물의 커플링 링(200) 내부를 쿨런트가 순 환할 수 있도록 환형 구조를 가질 수 있다. 이때, 커플링 링(200)은 그 제작이 용이한 주조(Cast)에 의하여 제작될 수 있다. 그리고, 도 9에 도시된 바와 같이 쿨런트 채널(220)을 형성하기 위하여 커플링 링(200)의 저면에 개구부(Opening: 222)를 갖는 환형의 그루브(Groove: 224)가 성형되도록 한다. 다음, 도 10에 도시된 바와 같이 그루브(224)를 따라 개구부(222)에 납땜(Brazing) 혹은 이빔 용접(B-beam welding)을 수행하게 되면, 개방된 그루브(224)가 폐쇄됨으로써 쿨런트 채널(220)이 형성된다. 따라서, 커플링 링(200)에서 쿨런트 채널(220)의 하부 스페이서(S)는 납땜(brazing)이나 이빔 용접(E-beam welding) 방식에 의하여 채워짐으로써, 납땜부 혹은 용접부가 형성될 수 있다. 납땜 혹은 용접 재료는 커플링 링(200)의 재료와 동일하거나 이와 유사하다.
상기 쿨런트 채널(220)은, 커플링 링(200)의 링 구조물을 따라 한 번 혹은 그 이상 회전함에 따라 싱글 턴(Single-turn) 혹은 멀티 턴(Multi-turn)을 구성할 수 있다. 상기 쿨런트 채널(220)은, 쿨런트가 원활하게 플로우할 수 있도록 그 높이가 2㎜ ∼ 20㎜ 정도이고, 그 폭은 2㎜ ∼ 20㎜ 정도로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 쿨런트가 플로우를 시작하는 상기 환형의 쿨런트 채널(220)의 일측과 타측에는 쿨런트 채널과 수직으로 쿨런트가 공급되거나 혹은 배출되는 공급 채널과 배출 채널(230)이 각각 형성될 수 있다.
상기 가열수단(240)은, 히터(Heater)로 구성될 수 있다. 상기 히터는 히터 코일(Heater coil: 242)과 히터 터미널(Heater terminal: 244)로 구성될 수 있다. 히터 코일(242)은 냉각수단 즉, 쿨런트 채널(220)과 일정한 거리를 두고 쿨런트 채널(220)의 상부에 평행하게 설치되는 것이 바람직하다. 상기 히터는, 그 파워(Power)가 50W 내지 500W 정도의 저항성 히터(Resistive heater)가 사용될 수 있다. 따라서 히터 코일(242)은, 저항 변화가 적고, 사용 수명이 비교적 긴 Ni-Cr 계열이 사용될 수 있다. 상기 히터 코일(242)은, 싱글 턴(Single-turn) 혹은 멀티 턴(Multi-turn) 모두 가능하다.
상기 히터 터미널(244)은 냉각수단 즉, 쿨런트 채널(220)이 존재하지 않는 공급 채널과 배출 채널(230) 사이에 구비되는 것이 바람직하다. 따라서, 공급 채널(230)과 히터 터미널(244)은 상호 오버랩(Overlap)되지 않는 범위 내에서 커플링 링(200)의 하부에서 상부로 수직하게 연장되고, 쿨런트 채널(220)과 히터 코일(242)은 다시 환형의 커플링 링(200)에서 수평으로 순환되도록 턴(Turn)한 후, 다시 배출 채널(230)과 히터 터미널(244)은 커플링 링(200)의 상부에서 하부로 수직하게 연장될 수 있다.
상기 히터는 제작 방식에 따라 캐스트 인 히터(Cast-in heater) 또는 타이트 피팅 히터(Tight-fitting heater)로 구분될 수 있다. 특히, 캐스트 인 히터는, 히터 코일(242)을 인서트한 상태에서 주조 하기 때문에, 커플링 링(200)에 히터 코일(242)을 원하는 형상으로 배치할 수 있어 본 발명에 매우 적합하다.
상기 에지 링(140)과 커플링 링(200)은, 에폭시(Epoxy)나 실리콘(Silicone)과 같은 폴리머 본더(Polymer bonder)에 의하여 접합될 수 있다. 상기 본더의 두께는 0.05 ∼ 5㎜ 정도로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 페데스탈(120)과 커플링 링(200)은, 여러 가지 체결수단을 이용하여 고정될 수 있으나, 유체 상태인 쿨런트의 실링(Sealing)을 위하여 페데스탈(120)과 커플링 링(200)을 긴밀하게 결합하는 볼트(Bolt: 270)를 이용할 수 있다. 따라서, 볼트(270)가 안착될 수 있도록 쿨런트 채널(220)은 단면을 기준으로 볼 때 커플링 링(200)의 외주연을 원형으로 턴(Turn)하는 것이 아니고, 지그재그의 곡선 형태로 턴(Tunr)하는 것이 바람직하다.
상기 쿨런트 채널(220)은 상압으로 유지되나 페데스탈(120)의 상부는 진공 상태에 있기 때문에, 압력차에 의하여 상기 쿨런트가 진공으로 유출될 수 있다. 상기 쿨런트의 실링(Sealing)을 더욱 강화하기 위하여, 쿨런트와 진공 사이를 실링(Sealing)하는 오링(O-ring: 272)이 공급 및 배출 채널(230)의 가장자리에 설치될 수 있다. 여기서, 상기 볼트(270)는 전술한 바와 같이 오링(272)이 커플링 링(200)과 페데스탈(120) 사이에 더욱 긴밀하게 밀착되도록 가압하는 기능을 수행한다.
경우에 따라서, 페데스탈(120)의 하부에 절연 플레이트(Isolator plate: 280)가 더 설치되거나 절연 링(Isolator ring: 290)이 더 설치될 수 있다. 이러한 경우 쿨런트를 공급하는 공급 및 배출 채널(230)이 절연 플레이트(280)나 절연 링(282)으로 연장될 수 있다. 이러한 경우에 페데스탈(120)과 절연 플레이트(280) 혹은 절연 링(282) 사이에도 오링(272)이 더 개재될 수 있음은 물론이다.
상기 절연 링(282)이 더 구비되는 경우에는 절연 링의 상부에 커버 링(Cover ring: 284)이 더 구비될 수 있다. 상기 커버 링(284)은 에지 링(140)과 마찬가지 로, 프로세스 가스의 종류에 따라 실리콘(Si), 쿼츠(Quartz) 혹은 세라믹(Ceramic) 등으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 히터의 구동을 위하여 직류(DC) 전류가 사용되나, 플라즈마 방전을 위하여 바이어스 파워 혹은 소스 파워로 고주파(RF)를 사용하기 때문에, 히터가 고주파(RF)에 의하여 교란될 수 있다. 따라서, 바이어스 혹은 소스 RF 파워로부터 히터로 유입되는 고주파(RF)의 누출을 방지하기 위하여, 히터 터미널(244)에는 필터(Filter: 290)가 더 구비될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 식각될 물질막과 사용될 프로세스 가스의 종류에 관계 없이 웨이퍼의 최외곽 영역에서 액티브하게 온도를 올리거나 내릴 수 있는 구성을 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 건식 식각 장치의 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 폴리 에치 공정 및 옥사이드 에치 공정시 웨이퍼의 최외곽 부분에서 바의 임계 선폭이 감소하거나 증가하는 경향을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명에 의한 폴리 에치 공정 및 옥사이드 에치 공정시 웨이퍼의 최외곽 부분의 온도를 냉각시키거나 가열함으로써, 바의 임계 선폭이 균일해지는 경향을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 폴리 에치 공정 및 옥사이드 에칭 공정에서 플라즈마 반응의 차이를 보여주는 테이블.
도 5는 본 발명에 의한 도 1의 Ⅰ-Ⅰ를 절단하되, 나머지 구성을 생략하고 커플링 링의 구성만을 나타내는 평단면도.
도 6은 본 발명에 의한 에지용 냉각수단 및 가열수단이 구비되는 커플링 링의 구성을 나타내는 부분 절개 사시도.
도 7은 본 발명에 의한 도 1의 P부분을 확대하되, 도 5의 B-B를 절단한 부분의 단면도.
도 8은 본 발명에 의한 도 1의 P부분을 확대하되, 도 5의 C-C를 절단한 부분의 단면도.
도 9는 본 발명에 의한 커플링 링을 히터 코일이 인서트된 상태에서 주조하는 공정을 나타내는 부분 절개 사시도.
도 10은 본 발명에 의한 커플링 링의 그루브를 납땜 혹은 용접하여 쿨런트 채널을 완성하는 공정을 나나태는 부분 절개 사시도.
**도면의 주요구성에 대한 부호의 설명**
110: 프로세스 챔버 112: 급기구
114: 배기구 120: 페데스탈
130: 케소드 140: 에지 링
200: 커플링 링 210: 에지용 냉각수단
220: 쿨런트 채널 222: 개구부
224: 그루브 230: 공급 및 배출 채널
240: 에지용 가열수단 242: 히터 코일
244: 히터 터미널 260: 열 차폐막
270: 볼트 272: 오링
280: 절연 플레이트 282: 절연 링
284: 커버 링 290: 필터
Claims (10)
- 식각 공정이 수행되는 프로세스 챔버;상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 웨이퍼가 로딩되는 페데스탈;상기 페데스탈 상에 로딩되는 웨이퍼 중심과 주변의 온도를 조절하기 위하여, 페데스탈 하부를 냉각 혹은 가열함으로써, 웨이퍼의 백 사이드를 냉각 혹은 가열하는 백 사이드용 냉각장치 및 가열장치;상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 고주파(RF) 전원을 인가하는 전극 캐소드 및 전극 플레이트;상기 페데스탈의 가장자리에 구비되는 에지 링;상기 에지 링의 하부에 위치하고, 열 전도성(Conductive) 금속 계열로 성형되는 커플링 링;상기 커플링 링에 구비되고, 상기 웨이퍼 최외곽(Extreme edge) 온도의 상승(Raise) 혹은 하강(Drop)을 위하여, 상기 에지 링을 냉각(Cooling) 혹은 가열(Heating) 하는 에지용 냉각수단 및 가열수단;상기 페데스탈과 커플링 링 사이에 구비되고, 열 전달을 차단하는 열 차폐막;상기 페데스탈의 하부에 위치하는 절연 플레이트(Isolator plate);상기 커플링 링의 외측에 위치하는 절연 링(Isolator ring); 및상기 절연 링의 상부에 위치하는 커버 링(Cover ring)을 포함하되,상기 에지용 냉각수단 및 가열수단은 상기 백 사이드용 냉각장치 및 가열장치와 독립적(Independent)으로 제어되어 상기 웨이퍼의 중심 및 주변과 상기 웨이퍼의 최외곽 사이의 온도차를 해소하는 플라즈마 건식 식각 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 프로세스 챔버는, 프로세스 가스를 플라즈마화함으로써, 웨이퍼 상에 적층된 폴리실리콘막 혹은 옥사이드막을 패턴닝하거나 혹은 콘택 홀을 형성하는 건식 식각하는 장치이고,상기 에지용 냉각수단은, 폴리 에치(Poly etch) 공정시 패턴의 임계 선폭이 작아지면 상기 커플링 링을 냉각시켜 인접한 에지 링의 온도를 하강시키고,상기 에지용 가열수단은, 옥사이드 에치(Oxide etch) 공정시 패턴의 임계 선폭이 커지면 상기 커플링 링을 가열시켜 인접한 에지 링의 온도를 상승시키는 플라즈마 건식 식각 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 에지 링은, 폴리 에치(Poly etch) 공정과 옥사이드 에치(Oxide etch) 공정 모두에 범용적으로 사용될 수 있는 세라믹 계열로 성형되는 플라즈마 건식 식각 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 열 차폐막은 Al2O3, 세라믹, 쿼츠 혹은 엔지니어링 플라스틱 중에서 선택되고, 그 두께는 0.1㎜ ∼ 10㎜ 범위 내에서 결정되는 플라즈마 건식 식각 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 에지용 냉각수단은,상기 링 구조물의 커플링 링 내부를 따라 적어도 1회 이상 턴(Tunr)하는 쿨런트 채널;상기 쿨런트 채널을 플로우하는 쿨런트; 및상기 쿨런트를 공급하거나 배출하도록, 상기 쿨런트가 플로우를 시작하는 상기 쿨런트 채널의 양측에서 하부로 각각 연장되는 공급 채널 및 배출 채널을 포함하는 플라즈마 건식 식각 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 커플링 링은, 알루미늄(Al)을 재료로 주조(Cast)되고, 주조시 상기 쿨런트 채널이 형성되도록 저면에 개구부를 갖는 환형의 그루브가 성형되며, 상기 그루브의 개구부는 납땜(Brazing) 혹은 용접(Welding)에 의하여 밀봉됨으로써, 높이와 폭이 각각 2㎜ ∼ 20㎜의 상기 쿨런트 채널이 완성되는 플라즈마 건식 식각 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 에지 링과 커플링 링은, 0.05㎜ ∼ 5㎜ 범위의 두께로 에폭시(Epoxy) 혹은 실리콘(Silicone)의 폴리머 본더(Polymer bonder)에 의하여 접합되고,상기 페데스탈과 커플링 링은, 볼트(Bolt)를 이용하여 체결되며,상기 볼트의 안착 공간을 위하여, 쿨런트 채널은 커플링 링에서 순환하되, 지그재그의 곡선 형태로 턴(Tunr)되며,상기 쿨런트의 유출을 방지하기 위하여, 상기 공급 채널 및 배출 채널 가장자리에는 상기 커플링 링과 페데스탈이 접하는 부분에 쿨런트와 진공을 상호 실링(Sealing)하는 오링(O-ring)이 더 설치되고, 상기 오링은 상기 볼트에 의하여 더욱 긴밀하게 밀착되는 플라즈마 건식 식각 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 쿨런트를 공급하거나 배출하는 공급 채널 및 배출 채널은 상기 절연 플레이트 혹은 절연 링으로 더 연장되며, 상기 페데스탈과 절연 플레이트 혹은 절연 링 사이에도 오링(O-ring)이 더 개재되는 플라즈마 건식 식각 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 에지용 가열수단은, 히터 코일과 히터 터미널로 구성되고,상기 히터 코일은, 상기 쿨런트 채널과 일정한 거리를 두고 쿨런트 채널의 상부에 평행하게 1회 이상 턴(Turn)되며,상기 히터 터미널은, 상기 쿨런트 채널이 형성되지 않는 상기 공급 채널과 배출 채널 사이에 구비되며, 상기 공급 채널과 배출 채널과 오버랩되지 않는 범위 내에서 히터 코일의 수직으로 각각 연장되는 플라즈마 건식 식각 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 히터는, 50W 내지 500W 파워의 저항성 히터(Resistive heater)로서, 상기 히터 코일(Heater coil)이 인서트(Insert)된 상태에서 커플링 링과 일체(Integral)로 주조(Cast)되는 캐스트 인 히터(Cast-in heater)로 구성되는 플라즈마 건식 식각 장치.
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