KR102432857B1 - 플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 플라즈마 처리 장치는 공정 챔버 내에 기판이 탑재되는 정전척과, 공정 챔버에 공정 가스를 주입하는 가스 주입부와, 공정 챔버의 상측에 위치하여 공정 챔버 내에 주입된 공정 가스를 플라즈마화시키는 플라즈마 인가부를 포함한다. 플라즈마 인가부는 고주파 안테나를 포함하는 고주파 전극부에 전기적으로 연결된 고주파 파워 소스를 포함한다. 플라즈마 처리 장치는 정전척 및 기판의 둘레에 설치되어 기판 상의 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 플라즈마 조절부를 포함한다. 고주파 안테나는 기판의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나 및 내부 안테나의 외측에 위치하고 기판의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나로 구성된다. 플라즈마 조절부는 정전척의 둘레에 위치하고 강자성체로 이루어진 바디부와, 바디부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스를 포함한다. 바디부는 정전척의 표면과 동일 레벨로 위치하면서 원통 형태로 구성되고, 및 바디부는 보조 바이어스 파워 소스에 의해 기판에서 자기장을 차폐한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법{plasma processing apparatus and manufacturing method of semiconductor device using the same}
본 발명의 기술적 사상은 반도체 제조 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
전자 소자들, 예컨대 반도체 소자, LCD 소자, LED 소자 등은 플라즈마 처리 장치를 이용하여 제조될 수 있다. 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 막질 증착 장치나 플라즈마 식각 장치를 들 수 있다. 플라즈마 처리 장치는 공정 챔버 내에서 플라즈마를 정밀하게 제어하기가 어렵다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 플라즈마를 정밀하게 제어하여 공정 신뢰성을 향상시킬 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 상술한 플라즈마 처리 장치를 이용한 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치는 내부 공간을 포함하는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내에 기판이 탑재되는 정전척; 상기 공정 챔버에 공정 가스를 주입하는 가스 주입부; 상기 공정 챔버의 상측에 위치하여 상기 공정 챔버 내에 주입된 상기 공정 가스를 플라즈마화시키는 플라즈마 인가부를 포함하되, 상기 플라즈마 인가부는 고주파 안테나를 포함하는 고주파 전극부에 전기적으로 연결된 고주파 파워 소스를 포함하고; 및 상기 정전척 및 상기 기판의 둘레에 설치되어 상기 기판 상의 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 플라즈마 조절부를 포함한다.
상기 고주파 안테나는 상기 기판의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나 및 상기 내부 안테나의 외측에 위치하고 상기 기판의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나로 구성된다.
상기 플라즈마 조절부는 상기 정전척의 둘레에 위치하고 강자성체로 이루어진 바디부와, 상기 바디부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스를 포함하되, 상기 바디부는 상기 정전척의 표면과 동일 레벨로 위치하면서 원통 형태로 구성되고, 및 상기 바디부는 상기 보조 바이어스 파워 소스에 의해 상기 기판에서 자기장을 차폐한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치는 내부 공간을 포함하는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내의 하측에 기판이 탑재될 수 있고 바이어스 파워가 인가될 수 있는 정전척; 상기 공정 챔버에 공정 가스를 주입하는 가스 주입부; 상기 공정 챔버의 상측에 위치하고 고주파 안테나를 통해 고주파 파워가 인가될 수 있는 고주파 전극부; 및 상기 정전척 및 상기 기판의 둘레에 설치되고, 상기 바이어스 파워 및 상기 고주파 파워에 의해 상기 공정 챔버 내에 발생된 플라즈마의 밀도를 조절할 수 있는 플라즈마 조절부를 포함한다.
상기 고주파 안테나는 상기 기판의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나 및 상기 내부 안테나의 외측에 위치하고 상기 기판의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나로 구성된다.
상기 플라즈마 조절부는 상기 정전척의 둘레에 상기 정전척의 표면과 동일 레벨로 위치하고 강자성체로 이루어진 원통형의 바디부와, 상기 원통형의 바디부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스로 구성된다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치는 내부 공간을 포함하는 공정 챔버; 상기 공정 챔버에 공정 가스를 주입하는 가스 주입부; 상기 공정 챔버의 상측에 위치하고 고주파 안테나를 통해 고주파 파워가 인가될 수 있는 고주파 전극부; 상기 고주파 전극부와 떨어져서 위치하고, 상기 공정 챔버 내의 하측에 기판이 탑재될 수 있고 바이어스 파워가 인가될 수 있는 정전척; 및 상기 정전척 및 상기 기판의 둘레에 설치되고, 상기 바이어스 파워 및 고주파 파워에 의해 발생된 플라즈마의 상기 기판 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도 차이를 조절할 수 있는 플라즈마 조절부를 포함한다.
상기 고주파 안테나는 상기 기판의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나 및 상기 내부 안테나의 외측에 위치하고 상기 기판의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나로 구성된다.
상기 플라즈마 조절부는 원통형의 강자성체 코어부, 상기 강자성체 코어부를 둘러싸도록 코팅하는 절연체 코팅부, 및 상기 강자성체 코어부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스를 포함하되, 상기 원통형의 강자성체 코어부 및 상기 절연체 코팅부는 상기 정전척의 표면과 동일 레벨로 위치하고, 상기 보조 바이어스 파워 소스를 통해 상기 강자성체 코어부에 전압을 인가하여 상기 기판 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 자계(magnetic field)를 조절한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법은 공정 챔버 내의 정전척 상에 기판을 탑재하는 단계; 상기 공정 챔버 내에 공정 가스를 주입하는 단계; 및 상기 정전척의 둘레에 플라즈마 조절부가 설치된 플라즈마 처리 장치로 상기 공정 가스를 플라즈마화시켜 상기 기판을 프로세싱하는 단계를 포함한다.
상기 기판을 프로세싱하는 단계는, 상기 공정 챔버의 상측에 위치한 플라즈마 인가부를 이용하여 상기 공정 챔버 내의 상기 공정 가스를 플라즈마화시키고, 상기 플라즈마 조절부를 이용하여 상기 기판 상의 플라즈마 밀도를 조절하는 것을 포함한다.
상기 플라즈마 인가부는 고주파 안테나를 포함하는 고주파 전극부에 전기적으로 연결된 고주파 파워 소스를 포함한다. 상기 고주파 안테나는 상기 기판의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나 및 상기 내부 안테나의 외측에 위치하고 상기 기판의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나로 구성된다.
상기 플라즈마 조절부는 상기 정전척의 둘레에 상기 정전척의 표면과 동일 레벨로 위치하고 강자성체를 포함하는 원통형의 바디부와, 상기 바디부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스를 포함하고, 상기 보조 바이어스 파워 소스를 통해 상기 바디부에 전압을 인가하여 자계(magnetic field)를 조절한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예의 플라즈마 처리 장치는 정전척의 둘레에 기판 상의 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 플라즈마 조절부가 설치될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 기판 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도를 조절하여 공정 균일도를 향상시킬 수 있다. 아울러서, 상술한 플라즈마 처리 장치로 신뢰성 있는 반도체 소자를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 2a는 도 1의 플라즈마 조절부를 도시한 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 IIB-IIB에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 고주파 전극부의 평면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 조절부의 직류 전압 인가에 따른 정전척 상의 자계 변화를 도시한 시뮬레이션 도면들이다.
도 8d 및 도 8e는 도 8a 내지 도 8c에 따른 바디부를 구성하는 강자성체 코어부의 자구 변화를 도시한 도면이다.
도 9a는 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치에서 기판의 중심 부분으로부터 수평 이격 거리에 따른 자속 밀도를 도시한 시뮬레이션 도면이다.
도 9b는 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치에서 기판의 중심 부분으로부터 수평 이격 거리에 따른 식각 속도도를 도시한 시뮬레이션 도면이다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치에서 기판의 표면에 대한 수직 방향 및 수평 방향으로의 자속 밀도를 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치에서 기판의 중심 부분으로부터 수평 이격 거리 및 기판의 표면으로부터 수직 이격거리에 따른 자속 밀도를 도시한 시뮬레이션 도면들이다.
도 12a 및 도 12b는 도 6 및 도 7의 플라즈마 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리를 수행할 경우 기판의 중심 부분과 모서리 부분의 패턴 임계 치수(Critical dimension, CD)를 도시한 도면이다.
도 13은 도 6의 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치를 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 본 발명의 실시예들은 어느 하나로만 구현될 수도 있고, 또한, 이하의 실시예들은 하나 이상을 조합하여 구현될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 하나의 실시예에 국한하여 해석되지는 않는다.
본 명세서에서, 구성 요소들의 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 본 명세서에서는 본 발명을 보다 명확히 설명하기 위하여 도면을 과장하여 도시한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 도시한 단면도이고, 도 2a는 도 1의 플라즈마 조절부를 도시한 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 IIB-IIB에 따른 단면도이다.
구체적으로, 플라즈마 처리 장치(PTA)의 일예로써 유도 결합형 플라즈마(ICP, inductively coupled plasma) 식각 또는 증착 장치를 제시한다. 플라즈마 처리 장치(PTA)는 가스 주입부(16)와 가스 배출부(18)가 설치된 공정 챔버(10)를 포함한다. 공정 챔버(10)는 내부 공간(6)을 가질 수 있다. 내부 공간(6)은 플라즈마 처리하는 처리실일 수 있다. 공정 챔버(10)는 접지되어 있을 수 있다. 공정 챔버(10)에는 공정 가스, 예컨대 식각 가스 또는 증착 가스가 가스 주입부(16)를 통해 유입되며 가스 배출부(18)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 공정 챔버(10)는 플라즈마 반응시 파티클(particle)과 같은 오염 물질에 의해 발생될 수 있는 공정 결함을 방지하기 위하여 고진공으로 유지될 수 있다.
공정 챔버(10) 내에는 고주파 전극부(26) 및 정전척(14)이 설치될 수 있다. 고주파 전극부(26) 및 정전척(14)은 각각 제1 전극 및 제2 전극으로 이용될 수 있고, 서로 대향하여 설치될 수 있다. 고주파 전극부(26)는 공정 챔버(10)의 상측의 유전체창(20) 상에 설치될 수 있다. 고주파 전극부(26)는 고주파 안테나(22, 24)로 구성될 수 있다.
고주파 안테나(22, 24)는 기판(12)의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나(22) 및 내부 안테나(22)의 외측에 위치하고 기판(12)의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나(24)로 구성될 수 있다. 고주파 전극부(26)에는 임피던스 정합기(28)를 통해 고주파 전력(파워), 즉 RF(Radio Frequency) 주파수의 전력을 인가하는 고주파 파워 소스(30)가 연결되어 있다.
고주파 파워 소스(30)를 통해 인가되는 고주파 전력은 27MHz 이상의 주파수를 갖는 전력일 수 있다. 예컨대, 고주파 파워 소스(30)를 통해 인가되는 고주파 전력은 60MHz의 주파수를 갖는 전력일 수 있다. 고주파 안테나(22, 24)를 내부 안테나(22) 및 외부 안테나(24)로 구성할 경우, 자계를 보다 정밀하게 제어하여 기판(12) 상의 플라즈마 밀도를 균일하게 할 수 있다.
정전척(14) 상에는 기판(12), 예컨대 웨이퍼가 탑재될 수 있다. 웨이퍼는 직경이 300mm로 큰 웨이퍼일 수 있다. 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 정전척(14)에는 임피던스 정합기(32)를 통해 고주파 전력을 인가하는 바이어스 파워 소스(34)가 연결되어 있을 수 있다. 바이어스 파워 소스(34)를 통해 인가되는 고주파 전력은 100KHz 내지 10MHz의 주파수를 갖는 전력일 수 있다. 예컨대, 바이어스 파워 소스(34)를 통해 인가되는 고주파 전력은 2MHz의 주파수를 갖는 전력일 수 있다. 임피던스 정합기(28, 32)는 필요에 따라 설치되지 않을 수 있다.
공정 챔버(10) 내에 주입된 공정 가스는 플라즈마 인가부(40)에 의해 플라즈마화될 수 있다. 플라즈마 인가부(40)는 고주파 전극부(26)에 전기적으로 연결된 고주파 파워 소스(30)를 포함할 수 있다. 고주파 파워 소스(30)를 통해 고주파 전극부(26)에 파워를 인가할 경우, 공정 챔버(10) 내에 주입된 공정 가스는 플라즈마화될 수 있다. 바이어스 파워 소스(34)를 통해 정전척(14)에 고주파 또는 저주파 전력이 인가될 경우, 공정 챔버(10) 내에 발생된 플라즈마는 기판(12) 측으로 더욱더 잘 유도될 수 있다.
플라즈마 처리 장치(PTA)는 정전척(14)의 둘레에 플라즈마 조절부(50)가 설치될 수 있다. 플라즈마 조절부(50)는 기판(12) 상의 플라즈마 밀도를 조절하는 역할을 수행할 수 있다. 플라즈마 밀도는 기판(12) 상의 막질의 식각 균일도 또는 증착 균일도의 양불량을 좌우할 수 있다. 예컨대, 기판(12) 상의 플라즈마 밀도가 균일하지 않을 경우 기판(12)의 중심 부분의 식각 속도가 기판(12)의 모서리 부분의 식각속도와 다를 수 있다.
플라즈마 조절부(50)는 정전척(14)의 둘레에 위치하는 바디부(36), 및 바디부(36)에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스(38)를 포함할 수 있다. 바디부(36)는 공정 챔버(10)의 내측벽(11)에 지지될 수 있다. 바디부(36)는 도 2a에 도시한 바와 같이 원통형으로 구성될 수 있다. 바디부(36)는 링 형태일 수 있다. 바디부(36)는 도 2b에 도시한 바와 같이 강자성체 코어부(36a, ferromagnetic core unit)와 강자성체 코어부(36a)를 둘러싸도록 코팅하는 절연체 코팅부(36b, insulation coating unit)를 포함할 수 있다.
강자성체 코어부(36a)는 퍼몰로이(Permalloy) 또는 슈퍼몰로이(supermalloy) 물질로 구성될 수 있다. 퍼몰로이는 Ni(니켈)-Fe(철)계의 자성 합금(magnetic alloy)일 수 있다. 퍼멀로이는 Ni이 60~90% 및 Fe가 나머지 부분일 수 있다. 예컨대, 퍼몰로이는 Ni이 78%, Fe가 22%일 수 있다. 슈퍼몰로이(supermalloy)는 Ni(니켈)-Mo-Fe(철)계의 자성 합금(magnetic alloy)일 수 있다. 슈퍼퍼멀로이는 Ni이 79%, Mo가 5%, 및 Fe가 나머지 부분일 수 있다. 퍼몰로이 및 슈포몰로이는 약한 자기장 안에서 쉽게 자화되기 쉬운 성질을 가져 비투자율(relative permeability)이 400 내지 10,000,000로써 높은 합금일 수 있다.
절연체 코팅부(36b)는 산화 물질, 예컨대 이트륨 산화층(Y2O3)이나 알루미늄 산화층(Al2O3)일 수 있다. 보조 바이어스 파워 소스(38)를 통해 바디부(36)의 강자성체 코어부(36a)에 파워, 즉 직류 전압을 인가할 경우 기판(12)의 모서리 부분의 자계(magnetic field)를 조절할 수 있다. 강자성체 코어부(36a)는 비투자율이 큰 자성체로 자기적 영향, 즉 자계를 차폐하는 역할을 수행할 수 있다.
이에 따라, 플라즈마 조절부(50)는 기판(12) 상의 모서리 부분의 전계(electric field)를 조절하여 기판(12) 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도 차이를 조절할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 조절부(50)는 기판(12) 상의 플라즈마 밀도가 균일하게 하여 기판(12) 상의 중앙 부분의 식각 속도와 모서리 부분의 식각속도를 거의 동일하게 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 도시한 단면도이다.
구체적으로, 플라즈마 처리 장치(PTA-1)는 평판 전극으로 구성되는 고주파 전극부(26-1)를 구성하고, 정전척(14)이 접지되어 있는 것을 제외하고는 도 1의 플라즈마 처리 장치(PTA)와 동일할 수 있다. 도 3에서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
플라즈마 처리 장치(PTA-1)의 일예로써 용량 결합형 플라즈마(CCP, charge coupled plasma) 식각 또는 증착 장치를 제시한다. 플라즈마 처리 장치(PTA-1)는 고주파 전극부(26-1)로써 평판 전극을 이용한다. 고주파 파워 소스(30)를 통해 고주파 전극부(26-1)에 파워를 인가할 경우, 공정 챔버(10) 내에 주입된 공정 가스는 플라즈마화될 수 있다.
플라즈마 처리 장치(PTA-1)는 정전척(14)의 둘레에 플라즈마 조절부(50)가 설치될 수 있다. 플라즈마 처리 장치(PTA-1)는 보조 바이어스 파워 소스(38)를 통해 바디부(36)에 파워, 직류 전압을 인가하여 기판(12) 상의 모서리 부분의 전계(electric field)를 조절할 수 있다.
이에 따라, 플라즈마 처리 장치(PTA-1)는 기판(12) 상의 중앙 부분과 모서리 부분 간의 플라즈마 밀도 차이를 조절할 수 있다. 플라즈마 조절부(50)는 기판(12) 상의 중앙 부분의 식각 속도나 모서리 부분의 식각속도나 증착 속도를 거의 동일하게 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 도시한 단면도이다.
구체적으로, 플라즈마 처리 장치(PTA-2)는 기판(12)과 떨어져서 정전척(14-1)의 모서리 부분에 포커스부(54)가 설치된 것을 제외하고는 도 1의 플라즈마 처리 장치(PTA)와 동일할 수 있다. 도 4에서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
플라즈마 처리 장치(PTA-2)는 기판(12)의 둘레 및 정전척(14-1)의 모서리 부분에 포커스부(54)가 설치되어 있을 수 있다. 포커스부(54)는 기판(12)과 떨어져 위치할 수 있고, 정전척(14-1)의 리세스 홈부(52)에 설치될 수 있다. 포커스부(54)는 기판(12)과 떨어져서 기판(12)의 둘레에 원통형으로 설치될 수 있다. 포커스부(54)는 포커스 링으로 명명될 수 있다.
포커스부(54)는 기판(12) 상의 모서리 부분의 전계(electric field)를 조절하는 역할을 수행할 수 있다. 포커스부(54)는 기판(12)의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도를 균일하게 하기 위하여 제공될 수 있다. 플라즈마 처리 장치(PTA-2)는 정전척(14-1)의 둘레에 플라즈마 조절부(50)가 더 설치될 수 있다.
플라즈마 처리 장치(PTA-2)는 포커스부(54) 및 플라즈마 조절부(50)로 인하여 기판(12) 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도 차이를 조절할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 처리 장치(PTA-1)는 기판(12) 상의 중앙 부분의 식각 속도나 모서리 부분의 식각속도를 거의 동일하게 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 도시한 단면도이다.
구체적으로, 플라즈마 처리 장치(PTA-3)는 플라즈마 조절부(50)를 구성하는 바디부(36-1)가 공정 챔버(10)의 바닥부(13)에 지지되는 것을 제외하고는 도 1의 플라즈마 처리 장치(PTA)와 동일할 수 있다. 도 5에서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
플라즈마 처리 장치(PTA-3)는 플라즈마 조절부(50)를 구성하는 바디부(36-1)가 공정 챔버(10)의 바닥부(13)에 지지 부재(56)을 통해 지지될 수 있다. 바디부(36-1)를 공정 챔버(10)의 바닥부(13)에 지지할 경우 보다 안정적으로 기판(12)과 근접되게 바디부(36-1)를 설치할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(PTA-3)는 보조 바이어스 파워 소스(38)를 통해 바디부(36-1)에 파워, 즉 직류 전압을 인가하여 기판(12) 상의 모서리 부분의 전계(electric field)를 더욱더 잘 조절할 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 처리 장치(PTA-3)는 기판(12) 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도 차이를 더욱더 잘 조절할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 조절부(50)는 기판(12) 상의 중앙 부분 및 모서리 부분의 식각속도를 거의 동일하게 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 7은 도 6의 고주파 전극부의 평면도이다.
구체적으로, 플라즈마 처리 장치(1000)는 일예로써 유도 결합형 플라즈마(ICP, inductively coupled plasma) 식각 또는 증착 장치를 개략적으로 제시한다. 플라즈마 처리 장치(1000)는 도 1, 도 2a 및 도 2b에 모식적으로 도시한 플라즈마 처리 장치(PTA)와 유사할 수 있다. 도 6 및 도 7에서, 도 1, 도 2a 및 도 2b에 대응되게 설명된 내용은 그대로 적용할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치(1000)는 유도 결합형 플라즈마 식각 또는 증착 장치에 제한되는 것은 아니며, 플라즈마를 이용하는 장치라면 모두 적용될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상이 도 6 및 도 7에 제한적으로 해석되지는 않는다.
플라즈마 처리 장치(1000)는 유도 결합 방식으로 발생되는 플라즈마(ICP, inductively coupled plasma)를 이용하여 공정 챔버(1110) 내의 기판(90)을 처리, 예컨대 박막을 식각하거나 박막을 증착하는 장치일 수 있다. 기판(90)은 웨이퍼, 예컨대 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 웨이퍼의 직경은 300mm일 수 있다. 공정 챔버(1110)는 내부 공간을 포함하는 플라즈마 챔버일 수 있다. 기판(90) 상에는 물질막, 예컨대 산화막이나 질화막이 형성되어 있을 수 있다.
플라즈마 처리 장치(1000)는 공정 챔버(1110) 내에 기판(90)이 탑재되는 정전척(101), 공정 챔버(1110) 내로 공정 가스를 주입하는 상면 가스 주입부(500), 공정 챔버(1110) 내에 주입된 공정 가스를 플라즈마화시키는 플라즈마 인가부(260), 및 플라즈마 밀도를 조절하는 플라즈마 조절부(170)를 포함할 수 있다. 다시 말해, 플라즈마 처리 장치(1000)는 정전척(101), 상면 가스 주입부(500), 플라즈마 인가부(260) 및 플라즈마 조절부(170) 등을 포함할 수 있다. 플라즈마 처리 장치(1000)는 각 구성 부품을 제어하는 제어부(300)를 포함할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(1000)의 각 구성을 아래에 순차적으로 설명한다. 정전척(101)은 베이스(110, base), 접착층(130)에 의해 베이스(110)에 접착된 히터 유전층(140, heater dielectric layer)과 정전 유전층(150, electrostatic dielectric layer)을 포함할 수 있다. 접착층(130)은 제1 접착제(131)와 제2 접착제(132)를 포함하는 이중막 구조일 수 있다. 제1 접착제(131)와 제2 접착제(132) 사이에 금속판(120)이 더 제공될 수 있다. 베이스(110)는 원형 형태나 디스크 형태를 가질 수 있다. 베이스(110)는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 스테인레스 스틸(stainless steel), 텅스텐(W), 혹은 이들의 합금과 같은 금속으로 구성될 수 있다.
정전척(101)이 설치되는 공정 챔버(1110)의 내부가 고온 환경으로 조성되고, 고온의 플라즈마에 기판(90)이 노출될 경우 기판(90)에 이온 충격(ion bombardment)과 같은 손상이 가해질 수 있다. 기판(90)의 손상을 피하기 위해 그리고 균일한 플라즈마 처리를 위해 기판(90)을 냉각할 필요성이 있을 수 있다.
기판(90)의 냉각을 위해 베이스(110)에는 냉각수가 흐르는 냉각수 채널(112)이 제공될 수 있다. 예컨대, 냉각수는 물, 에틸렌글리콜, 실리콘오일, 액체 테플론, 물과 글리콜과의 혼합물을 포함할 수 있다. 냉각수 채널(112)은 베이스(110)의 중심축을 중심으로 동심원형(concentrical) 혹은 나선형(helical)의 파이프 구조를 가질 수 있다. 냉각수 채널(112)은 온도 조절기(230, temperature adjuster) 및 제어부(300)에 연결될 수 있다. 온도 조절기(230) 및 제어부(300)에 의해 냉각수 채널(112)에서 순환하는 냉각수의 흐름 속도와 온도가 조절될 수 있다.
베이스(110)는 바이어스 파워 소스(220, bias power source)에 전기적으로 연결될 수 있다. 바이어스 파워 소스(220)로부터 고주파 파워(high frequency or radio frequency)가 베이스(110)에 인가될 수 있다. 바이어스 파워 소스(220)를 통해 베이스(110)에 고주파 전력이 인가될 경우, 공정 챔버(1110) 내에 발생된 플라즈마는 기판(90) 측으로 더욱더 잘 유도될 수 있다.
베이스(110)는 온도 센서(114)를 포함할 수 있다. 온도 센서(114)는 측정된 베이스(110)의 온도를 제어부(300)로 전송할 수 있다. 온도 센서(114)로부터 측정된 온도를 토대로 정전척(101)의 온도나 기판(90)의 온도가 예측될 수 있다.
히터 유전층(140)은 임베디드된(embedded) 히터 전극(145, heater electrode)을 포함할 수 있다. 히터 유전층(140)은 세라믹, 예컨대, 알루미늄 산화층(Al2O3), 알루미늄 질화층(AlN), 이트륨 산화층(Y2O3)이나 레진, 예컨대 폴리이미드와 같은 유전체로 구성될 수 있다. 히터 유전층(140)은 원형 형태나 디스크 형태일 수 있다.
히터 전극(145)은 전도체, 예컨대 텅스텐(W), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 타이타늄(Ti), 니켈-크롬 합금(Ni-Cr alloy), 니켈-알루미늄 합금(Ni-Al alloy) 등과 같은 금속 혹은 텅스텐 카바이드(WC), 몰리브덴 카바이드(MoC), 타이타늄나이트라이드(TiN) 등과 같은 전도성 세라믹으로 구성될 수 있다.
히터 전극(145)은 히터 파워 소스(240, heater power source) 및 제어부(300)와 전기적으로 연결될 수 있다. 히터 파워 소스(240)로부터 파워, 예컨대 교류 전압에 의해 히터 전극(145)이 발열되어 정전척(101) 및 기판(90)의 온도가 조절될 수 있다. 히터 전극(145)은 히터 유전층(140)의 중심축을 기준으로 동심원형 혹은 나선형의 패턴을 가질 수 있다.
정전 유전층(150) 내에는 임베디드된 흡착 전극(155, adsorption electrode)이 설치될 수 있다. 흡착 전극(155)은 클램프 전극이라 칭할 수도 있다. 정전 유전층(150)은 세라믹, 예컨대, 알루미늄 산화층(Al2O3), 알루미늄 질화층(AlN), 이트륨 산화층(Y2O3)이나 레진, 예컨대 폴리이미드와 같은 유전체로 구성될 수 있다. 정전 유전층(150)은 원형 형태나 디스크 형태일 수 있다.
정전 유전층(150) 상에 기판(90)이 배치될 수 있다. 흡착 전극(155)은 전도체, 가령 텅스텐(W), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 니켈-크롬 합금(Ni-Cr alloy), 니켈-알루미늄 합금(Ni-Al alloy) 등과 같은 금속 혹은 텅스텐 카바이드(WC), 몰리브덴 카바이드(MoC), 타이타늄나이트라이드(TiN) 등과 같은 전도성 세라믹으로 구성될 수 있다.
흡착 전극(155)은 제어부(200) 및 정전척 파워 소스(210, ESC power source)와 전기적으로 연결될 수 있다. 정전척 파워 소스(210)로부터 인가된 파워, 예컨대 직류 전압에 의해 흡착 전극(155)과 기판(90) 사이에 정전기력(electrostatic force)이 발생되어 기판(90)이 정전 유전층(150) 상에 흡착될 수 있다.
정전척 파워 소스(210), 바이어스 파워 소스(220), 히터 파워 소스(240), 및 온도 조절기(230)는 제어부(300)에 의해 제어될 수 있다. 가령, 온도 센서(114)로부터 측정된 온도를 토대로 제어부(350)는 정전척(101) 및 기판(90)의 온도를 읽어내고, 히터 파워 소스(240)의 파워를 조절하여 히터 전극(145)으로부터 발생되는 발열량을 조절할 수 있다. 이에 따라, 정전척(101)이나 기판(90)의 온도가 적절하게 제어될 수 있다.
정전척(101)은 공정 챔버(1110)의 내측벽에 고정된 지지부(1114)에 의해 지지될 수 있다. 정전척(101)과 공정 챔버(1110)의 내측벽 사이에 배플판(1120)이 제공될 수 있다. 공정 챔버(1110)의 하부에 가스 배출부(1124)가 마련되고, 가스 배출부(1124)는 진공 펌프(1126)에 연결될 수 있다. 공정 챔버(1110)의 외측벽 상에 기판(90)의 반입과 반출을 담당하는 개구(1127)를 개폐하는 게이트 밸브(1128)가 제공될 수 있다.
플라즈마 처리 장치(1000)는 정전척(101)의 상부의 둘레에 플라즈마 조절부(170)가 설치될 수 있다. 플라즈마 조절부(170)는 정전척(101)의 상부 둘레에 위치하는 바디부(166), 및 바디부(166)에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스(168)를 포함할 수 있다. 보조 바이어스 파워 소스(168)는 제어부(300)와 전기적으로 연결될 수 있다. 바디부(166)는 공정 챔버(1110)의 내측벽에 지지될 수 있다. 바디부(166)는 원통형으로 구성될 수 있다. 바디부(166)는 링 형태일 수 있다.
바디부(166)는 도 1, 도 2a 및 도 2b에 설명한 바와 같이 강자성체 코어부(도 2b의 36a) 및 절연체 코팅부(도 2b의 36b)를 포함할 수 있다. 강자성체 코어부는 퍼몰로이 또는 슈퍼몰로이 물질로 구성될 수 있다. 절연체 코팅부는 산화 물질로 구성될 수 있다. 강자성체 코어부(36a)는 비투자율이 큰 자성체로 공정 챔버(1110)의 외부로부터의 자기적 영향, 즉 자계를 차폐하는 역할을 수행할 수 있다. 이에 따라, 보조 바이어스 파워 소스(168)를 통해 바디부(166)의 강자성체 코어부에 파워, 즉 직류 전압을 인가할 경우 기판(90)의 모서리 부분의 자계(magnetic field)를 조절할 수 있다.
공정 챔버(1110)의 천장에 정전척(101)으로부터 이격된 유전체창(1152)이 제공될 수 있다. 유전체창(1152) 위에 고주파 전극부(1155)를 수용하는 안테나실(1156)이 공정 챔버(1110)와 일체로 설치될 수 있다. 고주파 전극부(1155)는 나선 혹은 동심원과 같은 코일 형상의 고주파 안테나(1154)로 이루어질 수 있다.
고주파 전극부(1155)를 구성하는 고주파 안테나(1154)는 도 7에 도시한 바와 같이 기판(90)의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나(1154I) 및 내부 안테나(1154I)의 외측에 위치하고 기판(90)의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나(1154O)로 구성될 수 있다. 고주파 안테나(1154)를 내부 안테나(1154I) 및 외부 안테나(1154O)로 구성할 경우, 자계를 보다 정밀하게 제어하여 기판(90) 상의 플라즈마 밀도를 균일하게 제어할 수 있다.
고주파 전극부(1155)는 임피던스 정합기(1158)를 거쳐 고주파 파워 소스(1157, RF power source)와 전기적으로 연결될 수 있다. 고주파 파워 소스(1157)는 플라즈마 발생에 적합한 고주파 파워를 출력할 수 있다. 임피던스 정합기(1158)는 고주파 파워 소스(1157)의 임피던스와 부하, 예컨대 고주파 전극부(1155)의 임피던스의 정합을 위해 제공될 수 있다. 플라즈마 인가부(260)는 고주파 전극부(1155)와 전기적으로 연결된 고주파 파워 소스(1157) 및 임피던스 정합기(1158)를 포함할 수 있다.
가스 공급 소스(1166)는 상면 가스 주입부(500)를 통하여 공정 가스를 주입할 수 있다. 가스 공급 소스(1166)는 유전체창(1152)에 설치된 상면 가스 주입부(500), 예컨대 홀을 통하여 공정 가스를 주입할 수 있다. 공정 가스는 식각 가스나 증착 가스일 수 있다. 가스 공급 소스(1166)는 정전척(101)의 상부에 설치될 수 있다.
플라즈마 처리 장치(1000)를 이용하여 식각 처리를 실행하기 위해, 기판(90)을 공정 챔버(1110) 내의 정전척(101) 상에 로딩(또는 탑재)할 수 있다. 정전척 파워 소스(210)로부터 정전척(101)으로의 파워 인가로써 발생되는 정전기력에 의해 기판(90)이 정전척(101)에 흡착될 수 있다.
가스 공급 소스(1166)로부터 상면 가스 주입부(500)를 통하여 공정 가스, 예컨대 식각 가스가 공정 챔버(1110)로 도입될 수 있다. 이 때, 진공 펌프(1126)로써 공정 챔버(1110) 내의 압력을 정해진 수치로 설정할 수 있다. 고주파 파워 소스(1157)로부터 파워가 임피던스 정합기(1158)를 거쳐 고주파 전극부(1155)에 인가될 수 있다. 아울러, 바이어스 파워 소스(220)로부터 파워가 베이스(110)에 인가될 수 있다.
공정 챔버(1110)로 도입된 식각 가스는 유전체창(1152) 아래의 공정 챔버(1100)의 처리실(1172)에서 균일하게 확산될 수 있다. 고주파 전극부(1155)에 흐르는 전류에 의해서 자기장이 고주파 전극부(1155) 주위에서 발생하고 자력선이 유전체창(1152)을 관통하여 처리실(1172)을 통과할 수 있다. 자기장의 시간적 변화에 의해 공정 챔버(1110) 내에 유도 전기장이 발생하고, 유도 전기장에 의해 가속된 전자가 식각 가스의 분자나 원자와 충돌하여 플라즈마가 발생할 수 있다.
이와 같이 고주파 파워 소스(1157), 임피던스 정합기(1158)를 포함하는 플라즈마 인가부(260)를 이용하여 플라즈마가 기판(90)에 공급됨으로써 처리실(1172)에서 기판 프로세싱, 즉 식각 처리나 증착 처리가 수행될 수 있다. 공정 챔버(1110)의 처리실(1172) 내에 발생하는 플라즈마를 정밀하게 제어하기 위하여, 본 발명의 플라즈마 처리 장치(1000)는 플라즈마 조절부(170)를 포함할 수 있다.
플라즈마 조절부(170)는 기판(90) 상의 모서리 부분의 자계(magnetic field) 및 이에 따른 전계(electric field)를 조절하여 기판(90) 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도 차이를 조절할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 조절부(170)는 기판(90) 상의 플라즈마 밀도가 균일하게 하여 기판(90) 상의 중앙 부분의 식각 속도와 모서리 부분의 식각속도를 거의 동일하게 할 수 있다.
이하의 도 8 내지 도 12에서는 도 6 및 도 7의 플라즈마 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리, 예컨대 식각 처리를 수행할 경우 자계 변화 및 이에 따른 플라즈마 밀도나 식각 속도의 시뮬레이션 결과에 대해 자세히 설명한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 조절부의 직류 전압 인가에 따른 정전척 상의 자계 변화를 도시한 시뮬레이션 도면들이고, 도 8d 및 도 8e는 도 8a 내지 도 8c에 따른 바디부를 구성하는 강자성체 코어부의 자구 변화를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 8a는 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)에 보조 바이어스 파워 소스(168)를 통해 직류 전압을 인가하지 않은 경우이고, 도 8b 및 도 8c는 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구성하는 바디부(166)에 보조 바이어스 파워 소스(168)를 통해 직류 전압을 각각 -50V 및 -100V를 인가한 경우이다.
도 8a 내지 도 8c에서, 유전체창(1152) 상에 위치하는 고주파 안테나(1154)로 구성된 고주파 전극부(1155)와 인접한 부분의 자계 강도는 크고, 고주파 전극부(1155)로부터 정전척(101) 방향으로 떨어진 부분의 자계 강도는 작을 수 있다. 도 8a 내지 도 8c에서, 참조부호 ML은 자기력선을 나타낸다.
아울러서, 도 8a에 도시한 바와 같이 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)에 직류 전압을 인가하지 않을 경우, 정전척(101) 표면 상의 자계, 즉 기판(90)의 표면 상의 자계는 균일하며 감소되지 않음을 알 수 있다. 이는 도 8d에 도시한 바와 같이 바디부(166)의 강자성체 코어부에서 자구(magnetic domain)의 자기 모멘트가 불규칙한 방향으로 형성되어 바디부(166)가 자계를 차폐하지 않기 때문이다.
이에 반하여, 도 8b 및 도 8c에 도시한 바와 같이 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)에 보조 바이어스 파워 소스(168)를 통해 직류 전압을 인가할 경우, 정전척(101)의 표면 상의 자계, 즉 기판(90)의 표면 상의 자계는 균일하지 않고 모서리 부분에서 차폐됨을 알 수 있다. 특히, 도 8c에 도시한 바와 같이 바디부(166)에 직류 전압을 크게 인가할 경우 정전척(101)의 표면 상의 자계, 즉 기판(90)의 표면 상의 자계는 모서리 부분에서 크게 차폐됨을 알 수 있다.
이는 도 8e에 도시한 바와 같이 바디부(166)의 강자성체 코어부에서의 자구(magnetic domain)의 자기 모멘트가 일방향으로 규칙적으로 형성되어 바디부(166)가 자계를 차폐하기 때문이다.
결과적으로, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 조절부(170)를 구비하고, 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)에 보조 바이어스 파워 소스(168)를 통해 직류 전압을 인가할 경우 정전척(101) 및 기판(90) 표면 상의 자계 범위 및 이에 따른 전계 범위를 조절하여 플라즈마 밀도를 균일하게 가져갈 수 있다.
도 9a는 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치에서 기판의 중심 부분으로부터 수평 이격 거리에 따른 자속 밀도를 도시한 시뮬레이션 도면이고, 도 9b는 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치에서 기판의 중심 부분으로부터 수평 이격 거리에 따른 식각 속도도를 도시한 시뮬레이션 도면이다.
구체적으로, 도 9a 및 도 9b에서, X축의 0은 직경 300mm인 기판의 중심 부분을 나타내고, 150 및 -150은 기판의 모서리를 나타낸다. 거리는 기판의 중심 부분으로부터의 수평 이격 거리를 나타낸다. 도 9a의 원형 모양으로 도시한 바와 같이 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가하지 않을 경우, 기판의 중심 부분과 모서리 부분간의 자속 밀도는 차이가 크게 나타난다.
이에 반하여, 도 9a의 마름모 모양 및 네모 모양으로 도시한 바와 같이 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가할 경우, 기판의 중심 부분과 모서리 부분간의 자속 밀도는 차이가 원형 모양보다 크게 나타나지 않음을 알 수 있다.
한편, 도 9b의 원형 모양으로 도시한 바와 같이 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가하지 않을 경우, 기판의 중심 부분과 모서리 부분간의 식각 속도는 차이가 크게 나타난다.
이에 반하여, 도 9b의 마름모 모양 및 네모 모양으로 도시한 바와 같이 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가할 경우, 기판의 중심 부분과 모서리 부분간의 식각 속도는 차이가 원형 모양보다 크게 나타나지 않음을 알 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구비하고, 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가할 경우 기판의 중심 부분과 모서리 부분간의 자속 밀도나 식각 속도의 차이를 줄여 플라즈마 밀도를 균일하게 가져갈 수 있다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치에서 기판의 표면에 대한 수직 방향 및 수평 방향으로의 자속 밀도를 설명하기 위한 도면이고, 도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치에서 기판의 중심 부분으로부터 수평 이격 거리 및 기판의 표면으로부터 수직 이격거리에 따른 자속 밀도를 도시한 시뮬레이션 도면들이다.
구체적으로, 도 10에 도시한 바와 같이 플라즈마 처리 장치의 정전척(101) 상의 기판(90)의 표면에서부터 수직 방향으로 바닥 부분(BOTTOM), 중간 부분(MIDDLE) 및 상부 부분(TOP)이 위치할 수 있다. 도 10에서, 도 8a 내지 도 8c와 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 11a 내지 도 11c는 각각 도 10의 플라즈마 처리 장치의 정전척(101) 상의 기판(90)의 표면에서부터 수직 방향으로 상부 부분(TOP), 중간 부분(MIDDLE) 및 바닥 부분(BOTTOM)의 기판(90)의 중심으로부터 수평 이격 거리에 따른 자속 밀도를 도시한 것이다.
도 11a 내지 도 11c에서, X축의 0은 직경 300mm인 기판의 중심 부분을 나타내고, 150 및 -150은 기판의 모서리를 나타낸다. 거리는 기판(90)의 중심 부분으로부터의 수평 이격 거리를 나타낸다.
도 11a에 도시한 바와 같이, 정전척(101) 상의 기판(90)의 표면에서부터 수직 방향으로 상부 부분(TOP)은 참조부호 a로 표시한 바와 같이 기판(90)의 중심 부분에서 자속 밀도가 높고 모서리 부분에서는 자속 밀도가 낮음을 알 수 있다.
도 11b에 도시한 바와 같이, 정전척(101) 상의 기판(90)의 표면에서부터 수직 방향으로 중간 부분(MIDDLE)은 참조부호 b1및 c1로 표시한 바와 같이 기판(90)의 중심 부분에서 자속 밀도가 높고 모서리 부분에서는 자속 밀도가 낮다.
더하여, 도 11b의 참조부호 b1로 표시한 바와 같이 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구성하는 바디부(도 6의 166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가하더라도 기판(90)의 중심 부분과 모서리 부분에서 자속 밀도는 차이가 남을 알 수 있다. 도 11b의 참조부호 c1은 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가하지 않은 경우이다.
도 11c에 도시한 바와 같이, 정전척(101) 상의 기판(90)의 표면에서부터 수직 방향으로 바닥 부분(BOTTOM)은 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구성하는 바디부(도 6의 166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가하지 않을 경우 참조부호 c2로 표시한 바와 같이 기판(90)의 중심 부분과 모서리 부분간의 자속 밀도 차이는 크다.
이에 반해, 정전척(101) 상의 기판(90)의 표면에서부터 수직 방향으로 바닥 부분(BOTTOM)은 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가할 경우 참조부호 b2로 표시한 바와 같이 기판(90)의 중심 부분과 모서리 부분간의 자속 밀도는 차이가 크지 않음을 알 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구비하고, 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가할 경우 기판(90)의 중심 부분과 모서리 부분간의 자속 밀도 차이를 줄여 플라즈마 밀도를 균일하게 가져갈 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 도 6 및 도 7의 플라즈마 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리를 수행할 경우 기판의 중심 부분과 모서리 부분의 패턴 임계 치수(Critical dimension, CD)를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 12a 및 도 12b는 도 6 및 도 7의 플라즈마 처리 장치를 이용하여 플라즈마 처리, 예컨대 식각 처리를 수행할 경우 기판의 중심 부분과 모서리 부분의 패턴 임계 치수(Critical dimension, CD)를 도시한 것이다. 도 12a 및 도 12b에서, X축의 0은 직경 300mm인 기판의 중심 부분을 나타내고, 150은 기판의 모서리를 나타낸다. 거리는 기판(90)의 중심 부분으로부터의 수평 이격 거리를 나타낸다.
도 12a는 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가하지 않은 경우이고, 도 12b는 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압, 즉 -50V나 -100V를 인가한 경우이다.
도 12a에 도시한 바와 같이 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가하지 않을 경우, 기판의 모서리 부분에서 패턴 CD는 급격히 낮아짐을 알 수 있다.
이에 반하여, 도 12b에 도시한 바와 같이 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가할 경우, 기판의 모서리 부분에서 패턴 CD는 낮아지지 않음을 알 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 조절부(도 6의 170)를 구비하고, 플라즈마 조절부(170)를 구성하는 바디부(166)의 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가할 경우 기판의 중심 부분과 모서리 부분간의 식각 속도 차이를 줄일 수 있다.
도 13은 도 6의 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
구체적으로, 도 13의 설명에서, 도 6과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 13의 설명에서 도 6과 동일한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다. 플라즈마 처리 방법은 물질막, 예컨대 산화막이나 질화막이 형성된 기판(90)을 공정 챔버(1110)의 정전척(101) 상에 탑재(로딩)하는 단계를 포함한다(S100).
공정 챔버(1110)의 압력 및 정전척(101)의 온도를 미리 정해진 수치로 설정한다(S120). 공정 챔버(1110)의 압력 및 정전척(101)의 온도는 공정 파라미터의 일부일 수 있다. 공정 챔버(1110)의 압력 및 정전척(101)의 온도는 플라즈마 처리 과정에 변경될 수 있다.
이어서, 공정 챔버(1110) 내에 공정 가스를 주입한다(S140). 공정 가스는 앞서 설명한 바와 같이 공정 파라미터의 일부로써 상면 가스 주입부(500)를 이용하여 공정 챔버(1110) 내에 주입할 수 있다.
이어서, 공정 챔버(1110) 내에 주입된 공정 가스를 플라즈마화시켜 기판(90) 상의 물질막을 플라즈마 처리한다(S160). 공정 챔버(1110) 내에 주입된 공정 가스는 앞서 설명한 바와 같이 플라즈마 인가부(260)를 이용하여 플라즈마화될 수 있다. 플라즈마 처리는 기판(90) 상에 형성된 물질막을 식각하는 공정이나 박막을 형성하는 공정일 수 있다. 플라즈마 처리시에 플라즈마 조절부(170)를 이용하여 기판(90) 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도를 조절한다.
플라즈마 인가부(260)는 고주파 파워 소스(1157) 및 임피던스 정합기(1158)를 포함할 수 있다. 플라즈마 조절부(170)는 정전척(101)의 상부 둘레에 위치하는 바디부(166), 및 바디부(36)에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스(168)를 포함할 수 있다. 플라즈마 인가부(260)에 포함된 고주파 파워 소스(1157)와 플라즈마 조절부(170)에 포함된 보조 바이어스 파워 소스(168)에 의한 파워(파워값)는 공정 파라미터를 구성할 수 있다.
플라즈마 처리하는 일련의 공정 중에 공정 파라미터를 제어부(300)를 이용하여 제어할 수 있다. 제어부(300)는 공정 챔버의 압력, 정전척(101)의 온도, 및 상면 가스 주입부(500)에서 공급되는 공정 가스의 가스 유량, 및 플라즈마 인가부(260)나 플라즈마 조절부(170)의 파워중 적어도 하나의 공정 파라미터를 제어할 수 있다. 계속하여, 플라즈마 처리된 기판(90)을 공정 챔버(1110)로부터 언로딩하여 플라즈마 처리를 완성한다(S180).
도 14는 본 발명의 기술적 사상의 플라즈마 처리 장치를 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
구체적으로, 도 14의 설명에서, 도 6과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나나타낸다. 도 14의 설명에서 도 6과 동일한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다. 편의상 도 6의 플라즈마 처리 장치(1000)을 이용하여 반도체 소자의 제조방법을 설명한다.
반도체 소자의 제조 방법은 공정 챔버(1110) 내의 정전척(101) 상에 기판(90)을 탑재(로딩)하는 단계를 포함한다(S200). 공정 챔버(1110)의 압력 및 정전척(101)의 온도를 미리 정해진 수치로 설정한다(S220). 공정 챔버(1110)의 압력 및 정전척(101)의 온도는 공정 파라미터의 일부일 수 있다. 공정 챔버(1110)의 압력 및 정전척(101)의 온도는 기판의 프로세싱 과정에 따라 변경될 수 있다.
이어서, 공정 챔버(1110) 내에 공정 가스를 주입한다(S240). 공정 가스는 공정 파라미터의 일부로써 상면 가스 주입부(500)를 이용하여 주입할 수 있다. 공정 가스는 식각 가스이거나 증착 가스(즉 박막 형성용 가스)일 수 있다.
계속하여, 정전척(101)의 둘레에 플라즈마 조절부(170)가 설치된 플라즈마 처리 장치로 공정 가스를 플라즈마화시켜 상기 기판을 프로세싱한다(S260). 공정 챔버(1110) 내에 주입된 공정 가스는 플라즈마 인가부(260)를 이용하여 플라즈마화될 수 있다. 플라즈마 인가부(260)는 고주파 파워 소스(1157) 및 임피던스 정합기(1158)를 포함할 수 있다.
기판(90)을 프로세싱하는 단계는 공정 챔버(1110) 내에 탑재된 기판(90) 상에 박막층을 형성하거나 기판(90) 상에 형성된 물질막을 식각하는 것을 포함할 수 있다. 다시 말해, 기판 프로세싱은 기판(90) 상에 박막, 예컨대 산화막이나 질화막을 증착하는 증착 공정일 수 있다. 기판 프로세싱은 기판(90) 상에 형성된 물질막, 예컨대 산화막이나 질화막을 식각하는 식각 공정일 수 있다.
기판을 프로세싱하는 단계는, 공정 챔버(1110) 내의 공정 가스를 플라즈마 인가부를 이용하여 플라즈마화시키는 단계와, 플라즈마 조절부를 이용하여 기판(90) 상의 플라즈마 밀도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 플라즈마 조절부(170)는 정전척(101)의 둘레에 위치하는 바디부(166) 및 바디부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스(168)를 포함하여 기판(90) 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도 차이를 조절할 수 있다.
플라즈마 조절부(170)는 원통형의 강자성체 코어부(도 2b의 36a)와, 강자성체 코어부를 둘러싸도록 코팅하는 절연체 코팅부(도 2b의 36b) 및 강자성체 코어부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스(168)를 포함할 수 있다. 보조 바이어스 파워 소스(168)를 통해 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가하여 기판(90) 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 자계(magnetic field)를 조절할 수 있다.
계속하여, 프로세싱 완료된 기판(90)을 공정 챔버(1110)로부터 언로딩하여 반도체 소자의 제조 방법을 완성한다(S280).
이상 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형, 치환 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해하여야 한다. 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1000: 플라즈마 처리 장치, 1110: 공정 챔버, 1152: 유전체창, 1157: 고주파 파워 소스, 90: 기판, 101: 정전척, 112: 냉각수 채널, 114: 온도 센서, 145: 히터 전극, 155: 흡착 전극, 220: 바이어스 파워 소스, 240: 히터 파워 소스, 300: 제어부, 500: 상면 가스 주입부, 260: 플라즈마 인가부

Claims (20)

  1. 내부 공간을 포함하는 공정 챔버;
    상기 공정 챔버 내에 기판이 탑재되는 정전척;
    상기 공정 챔버에 공정 가스를 주입하는 가스 주입부;
    상기 공정 챔버의 상측에 위치하여 상기 공정 챔버 내에 주입된 상기 공정 가스를 플라즈마화시키는 플라즈마 인가부를 포함하되, 상기 플라즈마 인가부는 고주파 안테나를 포함하는 고주파 전극부에 전기적으로 연결된 고주파 파워 소스를 포함하고; 및
    상기 정전척 및 상기 기판의 둘레에 설치되어 상기 기판 상의 플라즈마 밀도를 조절할 수 있는 플라즈마 조절부를 포함하되,
    상기 고주파 안테나는 상기 기판의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나 및 상기 내부 안테나의 외측에 위치하고 상기 기판의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나로 구성되고, 및
    상기 플라즈마 조절부는 상기 정전척의 둘레에 위치하고 강자성체로 이루어진 바디부와, 상기 바디부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스를 포함하되,
    상기 바디부는 상기 정전척의 표면과 동일 레벨로 위치하면서 원통 형태로 구성되고, 및 상기 바디부는 상기 보조 바이어스 파워 소스에 의해 상기 기판에서 자기장을 차폐하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정전척에는 고주파 전력을 인가하는 바이어스 파워 소스가 더 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 바디부는 상기 공정 챔버의 내측벽에 지지되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 바디부는 지지 부재를 통해 바닥부에 지지되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 바디부는 강자성체 코어부와 상기 강자성체 코어부를 둘러싸도록 코팅하는 절연체 코팅부로 이루어지는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 강자성체 코어부는 퍼몰로이 또는 슈퍼몰로이 물질로 이루어지고, 상기 절연체 코팅부는 산화 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 조절부는 상기 기판 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도 차이를 조절하는 구성 요소인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기판과 떨어져 상기 정전척의 모서리 부분에 전계를 조절하기 위한 포커스부가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 내부 공간을 포함하는 공정 챔버;
    상기 공정 챔버 내의 하측에 기판이 탑재될 수 있고 바이어스 파워가 인가될 수 있는 정전척;
    상기 공정 챔버에 공정 가스를 주입하는 가스 주입부;
    상기 공정 챔버의 상측에 위치하고 고주파 안테나를 통해 고주파 파워가 인가될 수 있는 고주파 전극부; 및
    상기 정전척 및 상기 기판의 둘레에 설치되고, 상기 바이어스 파워 및 상기 고주파 파워에 의해 상기 공정 챔버 내에 발생된 플라즈마의 밀도를 조절할 수 있는 플라즈마 조절부를 포함하되,
    상기 고주파 안테나는 상기 기판의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나 및 상기 내부 안테나의 외측에 위치하고 상기 기판의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나로 구성되고, 및
    상기 플라즈마 조절부는 상기 정전척의 둘레에 상기 정전척의 표면과 동일 레벨로 위치하고 강자성체로 이루어진 원통형의 바디부와, 상기 원통형의 바디부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 원통형의 바디부는 상기 공정 챔버의 내측벽에 지지되거나, 지지 부재를 통해 상기 공정 챔버의 바닥부에 지지되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 원통형의 바디부는 강자성체 코어부와 상기 강자성체 코어부를 둘러싸도록 코팅하는 절연체 코팅부로 이루어지고,
    상기 강자성체 코어부는 퍼몰로이 또는 슈퍼몰로이 물질로 이루어지고, 상기 절연체 코팅부는 산화 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  12. 삭제
  13. 내부 공간을 포함하는 공정 챔버;
    상기 공정 챔버에 공정 가스를 주입하는 가스 주입부;
    상기 공정 챔버의 상측에 위치하고 고주파 안테나를 통해 고주파 파워가 인가될 수 있는 고주파 전극부;
    상기 고주파 전극부와 떨어져서 위치하고, 상기 공정 챔버 내의 하측에 기판이 탑재될 수 있고 바이어스 파워가 인가될 수 있는 정전척; 및
    상기 정전척 및 상기 기판의 둘레에 설치되고, 상기 바이어스 파워 및 고주파 파워에 의해 발생된 플라즈마의 상기 기판 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도 차이를 조절할 수 있는 플라즈마 조절부를 포함하되,
    상기 고주파 안테나는 상기 기판의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나 및 상기 내부 안테나의 외측에 위치하고 상기 기판의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나로 구성되고,
    상기 플라즈마 조절부는 원통형의 강자성체 코어부, 상기 강자성체 코어부를 둘러싸도록 코팅하는 절연체 코팅부, 및 상기 강자성체 코어부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스를 포함하되, 상기 원통형의 강자성체 코어부 및 상기 절연체 코팅부는 상기 정전척의 표면과 동일 레벨로 위치하고, 및
    상기 보조 바이어스 파워 소스를 통해 상기 강자성체 코어부에 전압을 인가하여 상기 기판 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 자계(magnetic field)를 조절하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서, 상기 강자성체 코어부는 퍼몰로이 또는 슈퍼몰로이 물질로 이루어지고, 상기 절연체 코팅부는 산화 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  16. 공정 챔버 내의 정전척 상에 기판을 탑재하는 단계;
    상기 공정 챔버 내에 공정 가스를 주입하는 단계; 및
    상기 정전척의 둘레에 플라즈마 조절부가 설치된 플라즈마 처리 장치로 상기 공정 가스를 플라즈마화시켜 상기 기판을 프로세싱하는 단계를 포함하되,
    상기 기판을 프로세싱하는 단계는,
    상기 공정 챔버의 상측에 위치한 플라즈마 인가부를 이용하여 상기 공정 챔버 내의 상기 공정 가스를 플라즈마화시키고, 상기 플라즈마 조절부를 이용하여 상기 기판 상의 플라즈마 밀도를 조절하는 것을 포함하고,
    상기 플라즈마 인가부는 고주파 안테나를 포함하는 고주파 전극부에 전기적으로 연결된 고주파 파워 소스를 포함하고,
    상기 고주파 안테나는 상기 기판의 중앙 부분에 대응하는 내부 안테나 및 상기 내부 안테나의 외측에 위치하고 상기 기판의 모서리 부분에 대응하는 외부 안테나로 구성되고,
    상기 플라즈마 조절부는 상기 정전척의 둘레에 상기 정전척의 표면과 동일 레벨로 위치하고 강자성체를 포함하는 원통형의 바디부와, 상기 바디부에 전기적으로 연결된 보조 바이어스 파워 소스를 포함하고, 및
    상기 보조 바이어스 파워 소스를 통해 상기 바디부에 전압을 인가하여 자계(magnetic field)를 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기판을 프로세싱하는 단계는 상기 공정 챔버 내에 탑재된 상기 기판 상에 박막층을 형성하거나 상기 기판 상에 형성된 물질막을 식각하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 바디부는 상기 정전척 및 상기 기판의 둘레에 위치하고, 상기 플라즈마 조절부는 상기 기판 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 플라즈마 밀도 차이를 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 바디부는 원통형의 강자성체 코어부와, 상기 강자성체 코어부를 둘러싸도록 코팅하는 절연체 코팅부를 포함하고, 상기 보조 바이어스 파워 소스는 상기 강자성체 코어부와 전기적으로 연결되어 자계(magnetic field)를조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 플라즈마 조절부는 상기 보조 바이어스 파워 소스를 통해 상기 강자성체 코어부에 직류 전압을 인가하여 상기 기판 상의 중앙 부분과 모서리 부분간의 자계(magnetic field)를 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
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