KR101931742B1 - 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치 - Google Patents

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이길광
임두호
박재양
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Abstract

본 발명은 플라즈마를 구성하는 반응 활성종(Radical)의 밀도와 산포를 정밀하게 제어할 수 있는 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 관한 것이다.
본 발명은 챔버의 하단부에 구비되며 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 하나 이상이 형성되어 있는 기판이 배치되는 척, 플라즈마 생성영역의 상부에 배치된 상부 RF 전극과 상기 플라즈마 생성영역의 하부에 배치된 하부 RF 전극을 포함하는 CCP 방식의 RF 전극부 및 상기 RF 전극부에 제1 RF 주파수를 갖는 제1 RF 전원과 상기 제1 RF 주파수보다 낮은 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원을 공급하는 RF 전원부를 포함하고, 상기 제1 RF 주파수를 갖는 제1 RF 전원에 의해 상기 실리콘 산화물, 상기 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나를 헥사플루오르규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키기 위한 플라즈마가 생성되어 유지되고, 상기 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원에 의해 상기 플라즈마를 구성하는 반응 활성종의 밀도가 조절된다.

Description

반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치{PLASMA APPARATUS FOR DRY CLEANING OF SEMICONDUCTOR SUBSTRATE}
본 발명은 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 플라즈마를 구성하는 반응 활성종(Radical)의 밀도와 산포를 정밀하게 제어할 수 있는 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 관한 것이다.
실리콘 산화물과 실리콘 질화물은 반도체 소자에서 대표적으로 사용되고 있는 유전체 화합 물질로서, 이들 박막을 식각하는 방법으로 종래에는 습식(wet) 식각과 건식(Dry) 식각 방식이 사용되어 왔다.
그러나 반도체 장치의 회로가 점차 고 집적화 및 고 미세화됨에 따라, 종래의 습식 식각 방식으로는 고 선택비 콘택(High Aspect Ratio Contact)에 존재하는 자연산화막을 제거하기가 어렵고, 원자 레벨(Atomic level)의 미세 식각을 위한 선택비 제어가 어려운 문제가 있다.
또한, 건식 식각 방식은 웨이퍼(Wafer)에 입사되는 이온 충돌(Ion Bombardment)로 인하여, 식각 후에 손상층(Damage layer)이 생성되기 때문에, 이를 제거하기 위한 후속 공정들이 필요한 문제가 있다.
최근 들어, 이러한 문제점을 해결하는 대체 기술로, 유전체들을 가스(Gas) 또는 라디칼(Radical)과 반응시켜 헥사플루오르규산암모늄((NH4)2SiF6)을 생성시킨 후, 이를 가열하여 제거하는 건식 세정(Dry Clean) 기술이 확산되고 있다.
그러나 HF와 NH3 등의 가스 반응을 이용한 건식 세정 기술의 경우, 식각 산포 및 하드웨어 안정성은 우수하나 식각 속도가 낮아 생산성 개선이 필요한 문제를 안고 있다.
반면에, 라디칼 반응을 이용한 건식 세정 기술은 가스 방식보다 우수한 식각 속도와 선택비 특성을 보이나, WIW(Within Wafer) 및 WTW(Wafer To Wafer) 산포 제어가 어려운 문제를 안고 있다.
도 1은 종래의 플라즈마를 이용한 건식 세정 장치로서, 유도결합플라즈마 타입(ICP Type) 건식 세정 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, ICP 방식의 원격 플라즈마 소스(Remote Plasma Source)를 사용하는 방식에 따르면, 높은 플라즈마 밀도(N)와 전자온도(Te)로 인해 불소 라디칼이 과다하게 발생하여 이종 패턴 간의 선택비 저하를 가져올 수 있으며, RF 파워 값의 가변 범위가 공정 압력에 의해 제한을 받는다는 문제점이 있다.
도 2는 종래의 플라즈마를 이용한 건식 세정 장치로서, 마이크로웨이브 타입( Microwave Type) 건식 세정 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 마이크로웨이브 방식의 원격 플라즈마 소스를 사용하는 방식에 따르면, 전자 온도(Te) 특성이 마이크로웨이브가 직접적으로 흐르는 유전체 윈도우(dielectric window) 영역에서는 높고 웨이퍼 영역으로 갈수록 점차 낮아지는 특성을 보이나, 파티클(Particle)에 취약하고 ICP와 같이 파워 가변에 대한 제한이 있다는 문제점이 있다.
도 3은 종래의 플라즈마를 이용한 건식 세정 장치로서, 용량결합플라즈마 타입(CCP Type) 건식 세정 장치를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, CCP 방식의 원격 플라즈마 소스를 사용하는 방식에 따르면, 불소 라디칼의 과다 생성을 억제할 수 있을 정도의 낮은 전자 온도(Te) 특성을 보이고 넓은 공정 압력에서의 파워 가변 능력이 우수한 장점을 가지고 있다. 그러나, 이 방식에 따르면, 라디칼 산포가 RF 주파수에 의해 영향을 받기 때문에, RF 변화에 의한 산포 제어가 용이하지 않다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0007441호(공개일자: 2016년 01월 20일, 명칭: 기판의 고정밀 플라즈마 에칭을 위한 방법)
본 발명은 플라즈마를 구성하는 반응 활성종(Radical)의 밀도와 산포를 정밀하게 제어할 수 있는 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치는 챔버의 하단부에 구비되며 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 하나 이상이 형성되어 있는 기판이 배치되는 척(chuck), 상기 챔버의 상단부에 구비되며, 플라즈마 생성영역의 상부에 배치된 상부 RF 전극과 상기 플라즈마 생성영역의 하부에 배치된 하부 RF 전극을 포함하는 CCP(Capacitive Coupled Plasma) 방식의 RF 전극부 및 상기 RF 전극부에 제1 RF 주파수를 갖는 제1 RF 전원과 상기 제1 RF 주파수보다 낮은 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원을 공급하는 RF 전원부를 포함하고, 상기 제1 RF 주파수를 갖는 제1 RF 전원에 의해 상기 실리콘 산화물, 상기 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나를 헥사플루오르규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키기 위한 플라즈마가 생성되어 유지되고, 상기 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원에 의해 상기 플라즈마를 구성하는 반응 활성종(Radical)의 밀도가 조절된다.
본 발명의 제2 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치는 챔버의 하단부에 구비되며 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 하나 이상이 형성되어 있는 기판이 배치되는 척(chuck), 상기 챔버의 상단부에 구비되며, 플라즈마 생성영역의 상부에 배치된 상부 RF 전극과 상기 플라즈마 생성영역의 하부에 배치된 하부 RF 전극을 포함하는 CCP(Capacitive Coupled Plasma) 방식의 RF 전극부, 상기 상부 RF 전극에 상부 RF 주파수를 갖는 상부 RF 전원을 공급하는 상부 RF 전원부, 상기 하부 RF 전극에 상기 상부 RF 주파수와 동일한 하부 RF 주파수를 갖는 하부 RF 전원을 공급하는 하부 RF 전원부 및 상기 상부 RF 전원과 상기 하부 RF 전원 간의 위상차를 제어하는 위상 제어부를 포함하고, 상기 상부 RF 전원과 상기 하부 RF 전원에 의해 상기 실리콘 산화물, 상기 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나를 헥사플루오르규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키기 위한 플라즈마가 생성되어 유지되고, 상기 위상 제어부에 의해 제어되는 상기 상부 RF 전원과 상기 하부 RF 전원 간의 위상차에 의해 상기 플라즈마를 구성하는 반응 활성종의 밀도와 산포가 제어된다.
본 발명의 양 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 있어서, 상기 RF 전극부에 인가되는 제1 RF 전원과 제2 RF 전원 또는 상기 상부 RF 전극에 인가되는 상부 RF 전원과 상기 하부 RF 전극에 인가되는 하부 RF 전원은 사인파 신호 또는 펄스 변조된 신호인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 있어서, 상기 제1 RF 주파수는 13.56MHz 이상 60MHz 이하이고, 상기 제2 RF 주파수는 1kHz 이상 10MHz 미만인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 있어서, 상기 제1 RF 전원과 상기 제2 RF 전원은 상기 상부 RF 전극에 인가되고, 상기 하부 RF 전극은 접지되어 있고, 상기 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원에 의해 상기 상부 RF 전극의 시스 전위(Sheath Potential) 변화를 통해 발생하는 이차 전자(Secondary Electron)가 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치는 상기 플라즈마 생성영역의 하부에 설치되어 상기 기판으로 공급되는 반응 활성종은 통과시키고 이온(Ion)은 억제하는 이온 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 있어서, 상기 상부 RF 주파수와 상기 하부 RF 주파수는 100kHz 이상 60MHz 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 있어서, 상기 위상 제어부는 상기 상부 RF 전원과 상기 하부 RF 전원 간의 위상차를 0도 이상 360도 이하의 범위에서 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치는 상기 상부 RF 전극과 상기 챔버 사이에 삽입되어 상기 상부 RF 전극과 상기 챔버를 전기적으로 절연시키는 제1 유전체 및 상기 하부 RF 전극과 상기 챔버 사이에 삽입되어 상기 하부 RF 전극과 상기 챔버를 전기적으로 절연시키는 제2 유전체를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치는 상기 하부 RF 전극과 상기 이온 필터 사이에 설치되어 상기 하부 RF 전극과 상기 이온 필터 사이를 전기적으로 차폐하는 유전체 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 있어서, 상기 척의 온도는 20도 - 120도로 제어되고, 가스들이 주입되는 샤워 헤드는 파티클 흡착 및 발생 방지를 위해 100도 - 200도로 가열되고, 상기 챔버의 내부 벽면은 80도 - 100도로 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 있어서, 제1 가스가 상기 플라즈마 생성영역으로 공급되어 상기 반응 활성종을 생성시키고, 제2 가스가 플라즈마 생성영역을 거치지 않고 상기 기판으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 있어서, 상기 제2 가스는 상기 플라즈마 생성영역의 하부에 설치된 이온 필터의 하부로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양 측면에 따른 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치에 있어서, 상기 제1 가스는 불소함유가스이고, 상기 제2 가스는 수소함유가스인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 플라즈마를 구성하는 반응 활성종(Radical)의 밀도와 산포를 정밀하게 제어할 수 있는 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치가 제공되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 플라즈마를 이용한 건식 세정 장치로서, 유도결합플라즈마 타입(ICP Type) 건식 세정 장치를 나타낸 도면이고,
도 2는 종래의 플라즈마를 이용한 건식 세정 장치로서, 마이크로웨이브 타입( Microwave Type) 건식 세정 장치를 나타낸 도면이고,
도 3은 종래의 플라즈마를 이용한 건식 세정 장치로서, 용량결합플라즈마 타입(CCP Type) 건식 세정 장치를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반응 활성종의 밀도와 산포를 정밀하게 제어하는 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 반응 활성종의 밀도와 산포를 정밀하게 제어하는 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치를 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 있어서, 위상차가 0도인 경우의 반응 활성종의 산포와 밀도를 나타내고,
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 있어서, 위상차가 180도인 경우의 반응 활성종의 산포와 밀도를 나타내고,
도 8은 본 발명에 있어서, 펄스 동기화(Pulse Synchronization) 기술이 적용된 실시 예를 나타낸다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 라디칼을 이용한 건식 세정 공정에 있어, 원격(Remote)으로 생성되는 라디칼의 산포와 밀도를 정밀하게 제어할 수 있는 장치 및 방법이다. 종래의 건식 세정 장치를 위해 적용된 CCP 타입의 원격 플라즈마 소스(Remote Plasma Source)의 RF 주파수는 도 3을 통해 설명한 바와 같이 단독 주파수만을 사용하였는데, 이때 주파수 범위는 13.56MHz부터 60MHz까지 HF이상의 영역대를 사용한다. 이렇게 단독 주파수를 사용하는 경우에는 RF 파워 변화를 통해 반응 활성종(Radical)의 밀도를 조절할 수는 있으나 반응 활성종(Radical)의 산포도 동시에 변화할 수 있기 때문에, 종래 기술은 반응 활성종의 밀도와 산포를 개별적으로 정밀하게 제어 하기 어려운 방법이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치는 챔버(10), 척(20), 척 가열부(30), RF 전극부(50), RF 전원부(60) 및 이온 필터(80)를 포함한다. 도 4에 개시된 구성요소 이외에도 다른 구성요소들이 제1 실시 예에 포함될 수 있으나, 본 발명의 특징과 관련성이 낮은 구성요소들은 도 4에서 생략하였음을 밝혀둔다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치의 구체적인 구성을 설명하기에 앞서 제1 가스, 제2 가스를 정의한다. 예를 들어, 제1 가스는 NF3와 같은 불소함유가스 및 N2, Ar, He와 같은 비활성가스를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 제2 가스는 H2 또는 NH3 또는 H2O와 같은 수소함유가스일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 기판(40)은 실리콘 재질을 가질 수 있으며, 이 기판(40)에는 실리콘 산화물과 실리콘 질화물을 포함하는 이종 패턴들이 필수적으로 형성되어 있다.
챔버(10)는 기판(40)이 배치되어 건식 세정을 위한 플라즈마 처리를 통해 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나를 고 선택적으로 제거하는 전체 공정이 수행되는 공간을 제공한다.
척(20)은 챔버(10)의 하단부에 구비되며 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 하나 이상이 형성되어 있는 기판(40)이 배치되는 구성요소이다.
척 가열부(30)는 척(20)을 가열하는 구성요소이다.
CCP(Capacitive Coupled Plasma) 방식의 RF 전극부(50)는 챔버(10)의 상단부에 구비되며, 상부 RF 전극(51)과 하부 RF 전극(52)을 포함할 수 있다.
상부 RF 전극(51)은 플라즈마 생성영역의 상부에 배치되어 있고, 하부 RF 전극(52)은 플라즈마 생성영역의 하부에 배치되어 있다.
RF 전원부(60)는 RF 전극부(50)에 제1 RF 주파수를 갖는 제1 RF 전원(61)과 상기 제1 RF 주파수보다 낮은 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원(62)을 공급한다.
본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 제1 RF 주파수를 갖는 제1 RF 전원(61)에 의해 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나를 헥사플루오르규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키기 위한 플라즈마가 생성되어 유지되고, 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원(62)에 의해 상기 플라즈마를 구성하는 반응 활성종(Radical)의 밀도가 정밀하게 조절된다.
예를 들어, 제1 RF 주파수는 13.56MHz 이상 60MHz 이하이고, 제2 RF 주파수는 1kHz 이상 10MHz 미만일 수 있으며, 제1 RF 전원(61)과 제2 RF 전원(62)은 상부 RF 전극(51)에 인가되고, 하부 RF 전극(52)은 접지되어 있고, 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원(62)에 의해 상부 RF 전극(51)의 시스 전위(Sheath Potential) 변화를 통해 발생하는 이차 전자(Secondary Electron)가 제어될 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
CCP 타입의 원격 플라즈마 소스(Remote Plasma Source)에 듀얼(Dual) RF를 인가하도록 구성된 제1 실시 예에 따르면, 제1 RF 주파수(f1)는 플라즈마 생성과 유지의 역할을 하도록 주파수 범위를 13.56MHz 이상 60MHz 이하 범위 내의 주파수를 적용하며, 제2 RF 주파수(f2)는 상부 시스 전위(Sheath Potential) 제어에 의해 반응 활성종(Radical)의 밀도를 미세 조절할 수 있도록 주파수 범위를 1kHz 이상에서부터 10MHz 이하 범위 내로 제한한다. 먼저, 상부 RF 전극(51)에 제1 RF 주파수가 인가되면 상부 RF 전극(51)으로부터 방출된 전자가 가스와의 반응을 통해 플라즈마를 생 성하고 유지하게 된다. 여기서 플라즈마 내의 반응 활성종(Radical)의 밀도를 미세 조절하기 위해 제2 RF 주파수(f2)를 상부 RF 전극(51)에 동시 또는 시간 차이를 두고 인가한다. 이는 상부의 시스 전위(Sheath Potential)를 증가시켜서 이온 충돌(Ion bombardment)에 의한 이차 전자(Secondary Electron) 수의 증가를 유도하고, 결과적으로 이차 전자에 의해 가스의 해리도(Dissociation Rate)를 조절함에 따라, 건식 세정 공정에 필요한 반응 활성종(Radical)의 밀도를 미세 조절할 수 있다. 따라서, 반응 활성종(Radical)의 밀도를 제1 RF 전원(61)의 크기 변화없이 제2 RF 전원(62)의 크기 변화만으로 제어할 수 있기 때문에, 산포 변화없이 반응 활성종(Radical)을 미세 조절할 수 있다.
예를 들어, RF 전극부(50)에 인가되는 제1 RF 전원(61)과 제2 RF 전원(62)은 사인파 신호 또는 도 8에 개시된 바와 같이 펄스 변조된 신호일 수 있다. 즉, 도 8에 개시된 바와 같이, 각 전극에 인가되는 RF 전원신호들을 사인파(Sinusoidal Waveform)가 아닌 펄스 파형(Pulse Waveform)으로 변조하여 인가함으로써, 각 펄스 신호의 온/오프(On/Off) 주기를 동기화함에 따라 플라즈마의 전자 온도를 조절하고, 이를 통해 건식 세정 공정에 필요한 반응 활성종(Radical)의 밀도를 제어하는 하나의 Parameter로 활용할 수 있다.
이온 필터(80)는 플라즈마 생성영역의 하부, 예를 들어, 하부 RF 전극(52)의 하부에 설치되어 기판(40)으로 공급되는 반응 활성종은 통과시키고 이온(Ion)은 억제한다.
예를 들어, 척(20)의 온도는 20도 - 120도로 제어되고, 가스들이 주입되는 샤워 헤드는 파티클 흡착 및 발생 방지를 위해 100도 - 200도로 가열되고, 챔버(10)의 내부 벽면은 80도 - 100도로 가열될 수 있다.
예를 들어, 제1 가스가 플라즈마 생성영역으로 공급되어 제1 RF 전원(61), 제2 RF 전원(62)에 의해 반응 활성종을 생성시키고, 제2 가스가 플라즈마 생성영역을 거치지 않고 기판(40)으로 공급될 수 있으며, 제2 가스는 플라즈마 생성영역의 하부에 설치된 이온 필터(80)의 하부로 공급될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치는 챔버(10), 척(20), 척 가열부(30), RF 전극부(50), 상부 RF 전원부(63), 하부 RF 전원부(64), 위상 제어부(70), 이온 필터(80), 제1 유전체(91), 제2 유전체(92) 및 유전체 플레이트(93)를 포함한다. 도 5에 개시된 구성요소 이외에도 다른 구성요소들이 제2 실시 예에 포함될 수 있으나, 본 발명의 특징과 관련성이 낮은 구성요소들은 도 5에서 생략하였음을 밝혀둔다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치의 구체적인 구성을 설명하기에 앞서 제1 가스, 제2 가스를 정의한다. 예를 들어, 제1 가스는 NF3와 같은 불소함유가스 및 N2, Ar, He와 같은 비활성가스를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 제2 가스는 H2 또는 NH3 또는 H2O와 같은 수소함유가스일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 기판(40)은 실리콘 재질을 가질 수 있으며, 이 기판(40)에는 실리콘 산화물과 실리콘 질화물을 포함하는 이종 패턴들이 필수적으로 형성되어 있다.
챔버(10)는 기판(40)이 배치되어 건식 세정을 위한 플라즈마 처리를 통해 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나를 고 선택적으로 제거하는 전체 공정이 수행되는 공간을 제공한다.
척(20)은 챔버(10)의 하단부에 구비되며 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 하나 이상이 형성되어 있는 기판(40)이 배치되는 구성요소이다.
척 가열부(30)는 척(20)을 가열하는 구성요소이다.
CCP(Capacitive Coupled Plasma) 방식의 RF 전극부(50)는 챔버(10)의 상단부에 구비되며, 상부 RF 전극(51)과 하부 RF 전극(52)을 포함할 수 있다.
상부 RF 전극(51)은 플라즈마 생성영역의 상부에 배치되어 있고, 하부 RF 전극(52)은 플라즈마 생성영역의 하부에 배치되어 있다.
상부 RF 전원부(63)는 상부 RF 전극(51)에 상부 RF 주파수를 갖는 상부 RF 전원을 공급한다.
하부 RF 전원부(64)는 하부 RF 전극(52)에 상부 RF 주파수와 동일한 하부 RF 주파수를 갖는 하부 RF 전원을 공급한다.
위상 제어부(70)는 상부 RF 전원과 하부 RF 전원 간의 위상차를 제어한다.
본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상부 RF 전원과 하부 RF 전원에 의해 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나를 헥사플루오르규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키기 위한 플라즈마가 생성되어 유지되고, 위상 제어부(70)에 의해 제어되는 상부 RF 전원과 하부 RF 전원 간의 위상차에 의해 플라즈마를 구성하는 반응 활성종의 밀도와 산포가 제어된다.
예를 들어, 상부 RF 주파수와 하부 RF 주파수는 동일하게 100kHz 이상 60MHz 이하일 수 있으며, 위상 제어부(70)는 상부 RF 전원과 하부 RF 전원 간의 위상차를 0도 이상 360도 이하의 범위에서 제어할 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제2 실시 예는 건식 세정 공정에 필요한 반응 활성종(Radical)의 밀도와 산포를 정밀하게 제어하기 위한 수단으로서, 상부 RF 전극(51)에 인가되는 상부 RF 전원과 하부 RF 전극(52)에 인가되는 하부 RF 전원의 위상을 제어하도록 구성되며, 도 6과 도 7에 상부 RF 전원과 하부 RF 전원의 위상 차이에 따른 플라즈마 밀도와 산포 변화가 그래프로 도시되어 있다.
상부 RF 전극(51)과 하부 RF 전극(52)에 100kHz에서 60MHz까지 범위 내의 동일한 주파수(f=fTop=fBottom)를 갖는 RF 전원들을 인가하고, 이 RF 전원들 간의 위상차는 위상 제어부(70)를 통해 제어한다. 이후 다시 설명하겠지만, 상/하부 RF 전극(51, 52)과 챔버(10)의 벽면(Wall) 사이는 이들을 전기적으로 절연시키기 위한 유전체(Dielectric) 링이 삽입되어 있으며, 챔버(10)의 벽면은 접지된다. 상/하부 RF 전극(51, 52) 사이의 플라즈마 생성영역에서 생성된 플라즈마는 하부 RF 전극(52) 밑에 장착된 이온 필터(80)를 통과하면서 이온은 억제되고 반응 활성종(Radical)만 통과하여 기판(40)과 반응하게 된다. 이때 반응 활성종(Radical) 밀도와 산포는 상/하부 RF 전극(51, 52)에 인가되는 RF 전원들의 위상 차이를 이용하여 제어한다.
도 6에 개시된 바와 같이, 상/하부 RF 전극(51, 52)에 인가되는 RF 전원들이 동위상(In phase)인 경우, φTop - φBottom = 0이 되며 전체 플라즈마 밀도는 감소하고 산포는 기판(40)의 중앙 부분이 높은 볼록(Convex) 형태를 보인다.
이와 반대로, 도 7에 개시된 바와 같이, 상/하부 RF 전극(51, 52)에 인가되는 RF 전원들이 역위상(Reverse phase)인 경우, φTop - φBottom = 180이 되며 전체 플라즈마 밀도는 증가하고 산포는 기판(40)의 중앙 부분이 낮은 오목(Concave) 형태를 보인다.
예를 들어, 상부 RF 전극(51)에 인가되는 상부 RF 전원과 하부 RF 전극(52)에 인가되는 하부 RF 전원은 사인파 신호 또는 도 8에 개시된 바와 같이 펄스 변조된 신호일 수 있다. 즉, 도 8에 개시된 바와 같이, 각 전극에 인가되는 RF 전원신호들을 사인파(Sinusoidal Waveform)가 아닌 펄스 파형(Pulse Waveform)으로 변조하여 인가함으로써, 각 펄스 신호의 온/오프(On/Off) 주기를 동기화함에 따라 플라즈마의 전자 온도를 조절하고, 이를 통해 건식 세정 공정에 필요한 반응 활성종(Radical)의 밀도를 제어하는 하나의 Parameter로 활용할 수 있다.
이온 필터(80)는 플라즈마 생성영역의 하부, 예를 들어, 하부 RF 전극(52)의 하부에 설치되어 기판(40)으로 공급되는 반응 활성종은 통과시키고 이온(Ion)은 억제한다.
제1 유전체(91)는 상부 RF 전극(51)과 챔버(10) 사이에 삽입되어 상부 RF 전극(51)과 챔버(10)를 전기적으로 절연시킨다.
제2 유전체(92)는 하부 RF 전극(52)과 챔버(10) 사이에 삽입되어 하부 RF 전극(52)과 챔버(10)를 전기적으로 절연시킨다.
유전체 플레이트(93)는 하부 RF 전극(52)과 이온 필터(80) 사이에 설치되어 하부 RF 전극(52)과 이온 필터(80) 사이를 전기적으로 차폐한다.
예를 들어, 척(20)의 온도는 20도 - 120도로 제어되고, 가스들이 주입되는 샤워 헤드는 파티클 흡착 및 발생 방지를 위해 100도 - 200도로 가열되고, 챔버(10)의 내부 벽면은 80도 - 100도로 가열될 수 있다.
예를 들어, 제1 가스가 플라즈마 생성영역으로 공급되어 상부1 RF 전원, 하부 RF 전원에 의해 반응 활성종을 생성시키고, 제2 가스가 플라즈마 생성영역을 거치지 않고 기판(40)으로 공급될 수 있으며, 제2 가스는 플라즈마 생성영역의 하부에 설치된 이온 필터(80)의 하부로 공급될 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 플라즈마를 구성하는 반응 활성종(Radical)의 밀도와 산포를 정밀하게 제어할 수 있는 반도체 기판의 건식 세정을 위한 플라즈마 장치가 제공되는 효과가 있다.
10: 챔버
20: 척(chuck)
30: 척 가열부
40: 기판
50: RF 전극부
51: 상부 RF 전극
52: 하부 RF 전극
60: RF 전원부
61: 제1 RF 전원
62: 제2 RF 전원
63: 상부 RF 전원부
64: 하부 RF 전원부
70: 위상 제어부
80: 이온 필터
91: 제1 유전체
92: 제2 유전체
93: 유전체 플레이트

Claims (14)

  1. 챔버의 하단부에 구비되며 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 하나 이상이 형성되어 있는 기판이 배치되는 척(chuck);
    상기 챔버의 상단부에 구비되며, 플라즈마 생성영역의 상부에 배치된 상부 RF 전극과 상기 플라즈마 생성영역의 하부에 배치된 하부 RF 전극을 포함하는 CCP(Capacitive Coupled Plasma) 방식의 RF 전극부; 및
    상기 RF 전극부에 제1 RF 주파수를 갖는 제1 RF 전원과 상기 제1 RF 주파수보다 낮은 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원을 공급하는 RF 전원부를 포함하고,
    상기 제1 RF 주파수를 갖는 제1 RF 전원에 의해 상기 실리콘 산화물, 상기 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나를 헥사플루오르규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키기 위한 플라즈마가 생성되어 유지되고,
    상기 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원에 의해 상기 플라즈마를 구성하는 반응 활성종(Radical)의 밀도가 조절되는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  2. 챔버의 하단부에 구비되며 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 하나 이상이 형성되어 있는 기판이 배치되는 척(chuck);
    상기 챔버의 상단부에 구비되며, 플라즈마 생성영역의 상부에 배치된 상부 RF 전극과 상기 플라즈마 생성영역의 하부에 배치된 하부 RF 전극을 포함하는 CCP(Capacitive Coupled Plasma) 방식의 RF 전극부;
    상기 상부 RF 전극에 상부 RF 주파수를 갖는 상부 RF 전원을 공급하는 상부 RF 전원부;
    상기 하부 RF 전극에 상기 상부 RF 주파수와 동일한 하부 RF 주파수를 갖는 하부 RF 전원을 공급하는 하부 RF 전원부; 및
    상기 상부 RF 전원과 상기 하부 RF 전원 간의 위상차를 제어하는 위상 제어부를 포함하고,
    상기 상부 RF 전원과 상기 하부 RF 전원에 의해 상기 실리콘 산화물, 상기 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나를 헥사플루오르규산암모늄((NH4)2SiF6)으로 변화시키기 위한 플라즈마가 생성되어 유지되고,
    상기 위상 제어부에 의해 제어되는 상기 상부 RF 전원과 상기 하부 RF 전원 간의 위상차에 의해 상기 플라즈마를 구성하는 반응 활성종의 밀도와 산포가 제어되는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 RF 전극부에 인가되는 제1 RF 전원과 제2 RF 전원 또는 상기 상부 RF 전극에 인가되는 상부 RF 전원과 상기 하부 RF 전극에 인가되는 하부 RF 전원은 사인파 신호 또는 펄스 변조된 신호인 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 RF 주파수는 13.56MHz 이상 60MHz 이하이고, 상기 제2 RF 주파수는 1kHz 이상 10MHz 미만인 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 RF 전원과 상기 제2 RF 전원은 상기 상부 RF 전극에 인가되고, 상기 하부 RF 전극은 접지되어 있고,
    상기 제2 RF 주파수를 갖는 제2 RF 전원에 의해 상기 상부 RF 전극의 시스 전위(Sheath Potential) 변화를 통해 발생하는 이차 전자(Secondary Electron)가 제어되는 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성영역의 하부에 설치되어 상기 기판으로 공급되는 반응 활성종은 통과시키고 이온(Ion)은 억제하는 이온 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 상부 RF 주파수와 상기 하부 RF 주파수는 100kHz 이상 60MHz 이하인 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 위상 제어부는 상기 상부 RF 전원과 상기 하부 RF 전원 간의 위상차를 0도 이상 360도 이하의 범위에서 제어하는 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 상부 RF 전극과 상기 챔버 사이에 삽입되어 상기 상부 RF 전극과 상기 챔버를 전기적으로 절연시키는 제1 유전체; 및
    상기 하부 RF 전극과 상기 챔버 사이에 삽입되어 상기 하부 RF 전극과 상기 챔버를 전기적으로 절연시키는 제2 유전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 하부 RF 전극과 상기 이온 필터 사이에 설치되어 상기 하부 RF 전극과 상기 이온 필터 사이를 전기적으로 차폐하는 유전체 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 척의 온도는 20도 - 120도로 제어되고, 가스들이 주입되는 샤워 헤드는 파티클 흡착 및 발생 방지를 위해 100도 - 200도로 가열되고, 상기 챔버의 내부 벽면은 80도 - 100도로 가열되는 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 가스가 상기 플라즈마 생성영역으로 공급되어 상기 반응 활성종을 생성시키고, 제2 가스가 플라즈마 생성영역을 거치지 않고 상기 기판으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 가스는 상기 플라즈마 생성영역의 하부에 설치된 이온 필터의 하부로 공급되는 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 가스는 불소함유가스이고, 상기 제2 가스는 수소함유가스인 것을 특징으로 하는, 반도체 건식 세정을 위한 플라즈마 장치.
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