KR20000027767A - 플라즈마 장치 - Google Patents

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KR20000027767A
KR20000027767A KR1019980045784A KR19980045784A KR20000027767A KR 20000027767 A KR20000027767 A KR 20000027767A KR 1019980045784 A KR1019980045784 A KR 1019980045784A KR 19980045784 A KR19980045784 A KR 19980045784A KR 20000027767 A KR20000027767 A KR 20000027767A
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박신승
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김영환
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Abstract

본 발명은 식각 모니터링이 용이한 플라즈마 장치를 개시한다. 개시된 본 발명의 플라즈마 장치는, 반응 챔버와, 상기 반응 챔버의 상부에 배치된 반응 가스 공급부, 상기 반응 가스 공급부에서 공급된 반응 가스에 파워를 인가하여 플라즈마로 형성시키는 소스 파워 인가부, 상기 반응 챔버의 외주에 배치되어, 웨이퍼로 확산되는 플라즈마의 분포 균일도를 자기력으로 제어하는 자기력 인가부, 상기 반응 챔버의 하부에 배치되어, 상기 웨이퍼가 안치되는 웨이퍼 척, 상기 웨이퍼 척에 연결되어, 플라즈마의 이온 에너지를 제어하는 RF 바이어스 인가부, 및 상기 플라즈마를 제어하기 위하여 상기 반응 가스 공급부와 상기 소스 파워 인가부와 자기력 인가부 및 RF 바이어스 인가부의 상태를 조절하는 메인 제어부를 포함한다. 이때, 웨이퍼 척과 상기 RF 바이어스 인가부 및 메인 제어부 사이에 상기 반응 챔버내의 임피던스를 센싱하는 임피던스 센서 및 임피던스 센서로부터 인가된 데이터를 분석하는 국부 제어부가 설치된다.

Description

플라즈마 장치
본 발명은 반도체 제조장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 모니터링을 용이하게 하여, 최적의 식각 조건을 구현할 수 있는 플라즈마 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마 장치의 원리는 여러가지의 반응 가스를 RF(radio frequency ) 파워(power)에 의해 플라즈마를 형성시키어, 플라즈마 이온 상태를 만든다. 그런다음, 이 플라즈마의 이온들을 전극에 안치된 웨이퍼상에 충돌 또는 반응시키므로써, 웨이퍼상에 소정의 막을 제거시키거나, 또는 형성한다.
도 1은 종래의 플라즈마 장치의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 도면으로서, 도면에 도시된 바와 같이, 진공 상태로 유지되는 반응 챔버(1) 내의 상측 부분은 플라즈마가 형성되는 플라즈마 발생 소스부(plasma generation source:2)이다. 이 플라즈마 발생 소스부(2)는 반응 가스를 공급시키는 반응 가스 공급부(3)와, 반응 가스 공급부(3)로부터 공급된 반응 가스를 플라즈마화시키기 위하여 소정의 전압을 인가하는 소스 파워 인가부(4)를 포함한다. 여기서, 반응 가스 공급부(3)는 반응 챔버(1)내의 외측으로부터 챔버(1)의 내측으로 진입되어 있으며, 소스 파워 인가부(4)는 반응 챔버(1) 상측 외주면을 둘러싸도록 배치되어 있다.
한편, 웨이퍼(5)는 반응 챔버(1)내의 하부에 배치된 히터 내장형 웨이퍼 척(6)상에 고정되어 있고, 플라즈마 이온 에너지(plasma ion energy)를 제어하는 RF 바이어스 인가부(7)가 웨이퍼 척(6)의 하부에 연결되어 있다.
또한, 반응 챔버(1) 하단의 외주 부분에는 반응 챔버(1)내에 자기력이 가해지도록, 마그네틱 시스템(8)이 설치되고, 미설명 부호 9는 OES(Optical Emission Spectroscope)로서, 플라즈마 조성 변화를 체크하는 역할을 한다.
상기와 같이 구성된 플라즈마 장치에서 반응 가스는 CF4로 하여 실리콘 산화막(SiO2)을 식각하는 경우 반응 메카니즘은 다음과 같다.
반응 가스인 CF4가스는 플라즈마에 의하여 C+, F+, C2+, CF+, CF2+, 및 CF3+등의 여기된 입자들로 변화된다. 이때, 이러한 성분들 중에서, C 성분들은 이온 에너지의 충격에 의해 실리콘 산화막에서 발생되는 산소 성분들과 반응하여 CO를 이루고, 남은 F 성분들과 Si가 반응하여 식각이 진행되며, Si 표면에서는 산소 성분이 더 이상 존재하기 않기 때문에, 식각 반응이 정지된다. 또한, CF 성분들은 산소 성분이 존재하지 않는 Si 측벽이나 포토레지스트상에서 테프론(teflon)과 같은 중합막을 형성하여 식각을 억제하므로써, 웨이퍼의 프로파일을 유지시키는 기능을 수행한다.
즉, 상기와 같은 성분의 반응 가스는 공급부(3)를 통해 반응 챔버(1)내로 공급되고, 이 반응 가스는 소스 파워 인가부(4)로부터 인가되는 소스 파워에 의하여 플라즈마 발생 소스부(2)에 플라즈마가 형성된다. 플라즈마는 웨이퍼 척상에 안치되어 히터에 의해 가열된 웨이퍼로 확산되어서, 웨이퍼상의 실리콘 산화막을 식각하게 된다.
이러한 플라즈마 식각 공정은 어느 시점에서 공정을 완료하여야 하는지를 결정하는 방법이 매우 중요하며, 이러한 식각 종결점은 다음과 같은 모니터링 방법에 의하여 결정된다.
그중 첫 번째 방식은 타임 모니터링(time monitoring) 방식으로, 몇Å에서는 몇분(또는 몇시간)이 소요되는지 실험을 통한 데이터 수집 분석등에 의하여 사전 조사한다음, 증착 두께에 따라 식각시간을 결정하는 방식이다.
두 번째 방식으로는 엔드 포인트 디텍션(End Point Detection) 방식으로, 플라즈마 챔버내에 OES(Optical Emission Spectroscope)를 이용하여 플라즈마 조성 변화를 체크한다음, 공정 완료 시점을 결정한다.
그러나, 상기한 식각 종말점을 알아내기 위한 모니터링 방법은 다음과 같은 문제점을 지니고 있다.
첫째로, 타임 모니터링 방법은, 공정자가 확인할 수 없으므로, 식각시 발생할 수 있는 많은 조건 변화에 대처할수 없으므로, 장치의 재현성에만 의존해야 한다.
둘째로, 엔드 포인트 디텍션 방식은 변화하는 공정 조건에 대하여 유동적으로 공정 완료점을 제어할 수 있으나, 공정 진행 상태를 공정자가 모니터링하기가 불가능하다.
따라서, 본 발명은 종래의 플라즈마 장치가 안고 있는 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 피식각층의 식각 진행 상태를 정밀하게 모니터링하여, 최적의 식각 조건을 구현할 수 있는 플라즈마 장치를 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 종래의 플라즈마 장치의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 장치의 개략적인 단면도.
도 3은 도 2의 4중 전극을 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 플라즈마 장치의 동작을 설명하기 위하여, 플라즈마 장치에 안치되는 웨이퍼의 단면도.
도 5는 도 4의 웨이퍼를 플라즈마 처리하였을 때, 임피던스를 측정한 임피던스 스펙트럼을 나타낸 도면.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
11 : 반응 챔버 12 : 플라즈마 발생 소스부
13 : 반응가스 공급부 14 : 소스 파워 인가부
15 : 웨이퍼 척 16 : DC-RF 바이어스 인가부
17 : 임피던스 센서 18 : 국부 제어부
19 : 메인 제어부 25 : 4중 극자
26 : RF 전원 27 : 마그네틱 시스템
30 : 웨이퍼 31 : 산화막
32 : Ti막 33,35 : TiN막
34 : 알루미늄막 36 : 자연 산화막
37 : 포토레지스트 패턴
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 플라즈마 장치는 다음과 같은 구성으로 이루어진다.
본 발명의 플라즈마 장치는, 반응 챔버와, 상기 반응 챔버의 상부에 배치된 반응 가스 공급부, 상기 반응 가스 공급부에서 공급된 반응 가스에 파워를 인가하여 플라즈마로 형성시키는 소스 파워 인가부, 상기 반응 챔버의 외주에 배치되어, 웨이퍼로 확산되는 플라즈마의 분포 균일도를 자기력으로 제어하는 자기력 인가부, 상기 반응 챔버의 하부에 배치되어, 상기 웨이퍼가 안치되는 웨이퍼 척, 상기 웨이퍼 척에 연결되어, 플라즈마의 이온 에너지를 제어하는 RF 바이어스 인가부, 및 상기 플라즈마를 제어하기 위하여 상기 반응 가스 공급부와 상기 소스 파워 인가부와 자기력 인가부 및 바이어스 인가부의 상태를 조절하는 메인 제어부를 포함한다. 이때, 웨이퍼 척과 상기 RF 바이어스 인가부 및 메인 제어부 사이에 상기 반응 챔버내의 임피던스를 센싱하는 임피던스 센서 및 임피던스 센서로부터 인가된 데이터를 분석하는 국부 제어부가 설치된다.
본 발명의 플라즈마 장치의 반응 챔버 외주에 4개의 막대 자석이 등간격으로 배치된 4중 극자가 배치되고, 상기 대향,배치된 한 쌍의 각 막대 자석은, 직류 전원과 교류인 RF 전원이 병렬로 연결된 직류 및 RF 전원의 양극과 음극에 각기 연결되어, 상기 각 막대 자석은 직류 전원에 의해 항상 양극이나 음극으로 대전되고, 상기 전체의 막대 자석은 교류 전원에 의해 일정 주기로 양극과 음극으로 번갈아 대전되는 것에 의해, 플라즈마의 이온 성분이 질량에 따라 각 막대 자석으로부터 인력과 척력을 선택적으로 받아서, 상기 4중 극자내를 선택적으로 통과되도록 구성된다.
상기 국부 제어부에서 분석된 임피던스 데이타들은 메인 제어부로 전달되어, 메인 제어부에서 반응 챔버내의 식각 상태를 모니터링하며, 챔버내에 발생된 플라즈마를 조절하도록 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기된 본 발명의 구성에 의하면, 임피던스 센서에 의하여 반응 챔버내의 임피던스를 위상각값으로 알아내서 공정자가 용이하게 모니터링하게 된다. 따라서, 식각 종말점을 찾는 것이 용이해지며, 장치의 재현성에 의존하지 않아도 되므로, 식각 신뢰성이 향상된다.
(실시예)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.
첨부한 도면 도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 4중 극자를 나타낸 평면도이다. 도 4는 본 발명의 플라즈마 장치의 동작을 설명하기 위하여, 플라즈마 장치에 안치되는 웨이퍼의 단면도이고, 도 5는 도 4의 웨이퍼를 플라즈마 처리하였을 때, 임피던스를 측정한 임피던스 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 2를 통하여, 본 발명의 플라즈마 장치를 설명하면, 반응 챔버(11) 내의 상측 부분은 플라즈마가 형성되는 플라즈마 발생 소스부(12)로서, 이 플라즈마 발생 소스부(12)는 반응 가스를 공급시키는 반응 가스 공급부(13)와, 반응 가스 공급부(13)로부터 공급된 반응 가스를 플라즈마화시키기 위하여 소정의 파워를 인가하는 소스 파워 인가부(14)를 포함한다. 여기서, 반응 가스 공급부(13)는 반응 챔버(11)내의 외측으로부터 챔버(11)의 내측으로 진입되어 있으며, 소스 파워 인가부(14)는 반응 챔버(11) 상측 외주면을 둘러싸도록 배치되어 있다.
한편, 반응 챔버(11)의 하부에는 웨이퍼(30)가 안치되는 히터 내장형 웨이퍼 척(15)이 배치된다. 웨이퍼 척(15)의 하부에는 플라즈마 이온 에너지를 제어하는 RF 바이어스 인가부(16)가 웨이퍼 척(15)의 하부에 연결되어 있다.
여기서, 웨이퍼(30) 상부의 챔버내 공간(A)은 플라즈마 발생 소스부(12)로부터 발생된 플라즈마가 확산되어, 반응이 일어나는 부분으로서, 이하 반응 공간이라 칭한다.
이 반응 공간(A)의 외주에는 반응 공간(A)내에 전기장을 형성하여 주기 위한 4중 극자(25)가 배치되고, 이 4중 극자(25)의 외곽에는 반응 공간(A)내에 자기장을 형성하여 주기 위한 마그네틱 시스템(27)이 구비된다.
여기서, 4중 극자(25)는 도 3에 도시된 바와 같이, 원주선을 따라서 일정 등간격 이격되는 4개의 전극(25a,25b,25c,25d)으로 구성된다. 이 4개의 전극 중 제 1 전극(25a)과 이 제 1 전극(25a)과 마주하는 제 3 전극(25c)에는 (+) 전압이 인가되고, 제 2 전극(25b)과 마주하는 제 4 전극(25d)에는 (-) 전압이 인가된다. 이때, 4중 극자(25a,25b,25c,25d)은 DC-RF 파워박스(26)와 연결되어, 각각의 해당 전압을 인가받는다.
한편, 웨이퍼 척(15)과 RF 바이어스 인가부(16) 사이에는 플라즈마 식각중인 막의 임피던스(impedance)를 감지하는 임피던스 센서부(17)와, 임피던스 센서부(17)와 직렬 연결되고 각각의 막의 임피던스 데이터가 입력되는 국부 제어부(18)와, 국부 제어부(18)와 직렬로 연결되고 임피던스 데이터에 의하여 플라즈마 상태를 조절하는 메인 제어부(19)가 연결된다. 즉, 메인 제어부(19)는 RF 파워박스(26), 반응 가스 공급부(13) 등 플라즈마 상태를 조절하는 각 부분과 연결되어, 플라즈마 장치 내부의 플라즈마 상태를 조절한다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 실시예의 동작을 상세히 설명한다.
소소 파워 인가부(14)로부터 반응 챔버(11)내에 소정의 전기 에너지 공급되고, 반응 가스 공급부(13)로부터 불활성 가스 및 식각 가스가 주입된다. 그러면, 소스 파워 인가부(14)로 둘러싸여진 반응 챔버(11) 상측 부분, 즉, 플라즈마 발생 소스부(12)에 플라즈마(P)가 발생된다.
이렇게 형성된 플라즈마(P)는 확산되면서 웨이퍼(30)상으로 가속된다. 이때, 플라즈마 분포 균일도는 마그네틱 시스템(27)의 자기력에 의하여 제어된다. 또한, 상기 4중 극자(25a,25b,25c, 25d)는 기출원된 1997년 대한민국 특허출원 75227호에 제시된 바와 같이, 4극자를 이용해서 플라즈마의 구성 성분을 질량에 따라 선택적으로 통과시킬 수가 있게 되므로써, 최적의 반응 성분만으로 식각 공정을 실시할 수가 있게 한다. 즉, 개략적으로 설명하면, 4개의 막대 자석(25a,25b,25c,25d)이 원주를 따라 등간격으로 배치된 4중 극자(25)를 형성하고, 상기 대향,배치된 한 쌍의 각 막대 자석(25a,25c 또는 25b,25d)은, 직류 전원과 교류인 RF 전원(26)이 병렬로 연결된 직류 및 RF 전원(26)의 양극과 음극에 각기 연결되어, 상기 각 막대 자석은 직류 전원에 의해 항상 양극이나 음극으로 대전되고, 상기 전체의 막대 자석은 교류 전원에 의해 일정 주기로 양극과 음극으로 번갈아 대전되는 것에 의해, 플라즈마의 이온 성분이 질량에 따라 각 막대 자석으로부터 인력과 척력을 선택적으로 받아서, 상기 4중 극자내를 선택적으로 통과되도록 구성된다.
이와같이, 웨이퍼(30) 상부의 층들이 플라즈마(P)에 의하여 식각이 진행되게 되면, 임피던스 센서(17)는 현재 진행중인 식각 공정의 임피던스를 센싱하여 국부 제어부(18)로 보낸다.
그러면, 국부 제어부(18)에서는 임피던스 센서(17)로부터 입력받은 데이터를 분석하여, 분석된 데이터를 메인 제어부(19)로 보낸다.
메인 제어부(19)에서는 분석된 데이터를 통하여, 웨이퍼 상의 어느층을 식각하고 있는지를 임피던스 결과치에 의하여 알 수 있다. 이에 따라, 메인 제어부(19)에서는 임피던스 결과치에 의하여 식각 종말점을 용이하게 모니터링할 수 있으며, 식각 종말점에 다다랐을때에는 플라즈마 상태를 조절하는 각 파트에 제어 신호를 인가하여, 식각 진행을 중단하게 한다.
즉, 본 발명에 따른 플라즈마 장치의 동작을 예를들어 설명하면, 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 예를들어, 웨이퍼(30)상에 산화막(31)을 형성되고, 산화막(31) 상부에 베리어 금속막(barrier metal)으로서의 Ti막(32)과 TiN막(33)을 순차적으로 증착한다. 이때, Ti막(32)은 약 500Å 정도로 형성하고, TiN막(33)은 1000Å 정도로 형성한다. 그런다음, TiN막(33) 상부에 주 금속막으로 알루미늄 금속막(34)을 약 5000 내지 6000Å 정도로 증착하고, 그 상부에 난반사 방지막으로 TiN막(35)을 증착한다. 그후, 금속 배선을 형성하기 위하여, 공지의 포토리소그라피 방식으로, 포토레지스트 패턴(37)을 형성한다. 이때, 포토레지스트 패턴(37)을 형성하는 공정시, 난반사 방지막인 TiN막(35) 상부에 자연 산화막(36)이 형성된다.
이러한 구조물이 형성된 웨이퍼(30)를 상기한 플라즈마 장치내에 장입하고, 식각 공정을 실시하게 되면, 상기 임피던스 센서(17)로부터 도 5에 도시된 것과 같은 데이터를 얻게 된다.
즉, 막질이 다른 막을 식각할 때 위상각(phase angle) 스펙트럼이 큰 각도 만큼 변화되어, 다른 막으로 변화되는 것인지를 공정자가 용이하게 알수 있다. 도면에서 위상각이 크게 변화되는 부분별로 나눌 수 있으며, 도면의 "A" 구간은 자연 산화막(36)이 식각되는 구간이고, "B" 구간은 난반사 방지용 TiN막(35)이 식각되는 구간이며, 비교적 긴 시간대를 차지하는 "C" 구간은 가장 두꺼운 두께를 갖는 알루미늄 금속막(33)의 식각 구간이다. 또한, "D" 구간은 베리어 금속막으로서의 Ti막(33)과 TiN막(32)이 식각되는 구간이다.
이와같이, 본 실시예에 의하면, 플라즈마 장치의 웨이퍼 척(15)과 DC-RF 바이어스 인가부(16) 및 메인 제어부(19) 사이에 챔버(11)내의 임피던스값을 센싱하는 임피던스 센서(17)와 임피던스 센서(17)로부터 센싱된 데이터를 분석하는 국부 제어부(18)를 설치한다. 식각 공정중 메인 제어부(19)에서는 챔버(11)내의 식각 과정을 임피던스 센서(17)를 통한 임피던스값에 의하여 모니터링 할 수 있게 된다.
상기된 바와 같이 본 발명에 의하면, 임피던스 센서에 의하여 반응 챔버내의 임피던스를 위상각값으로 알아내서 공정자가 용이하게 모니터링하게 된다. 따라서, 식각 종말점을 찾는 것이 용이해지며, 장치의 재현성에 의존하지 않아도 되므로, 식각 신뢰성이 향상된다.
한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (3)

  1. 반응 챔버; 상기 반응 챔버의 상부에 배치된 반응 가스 공급부; 상기 반응 가스 공급부에서 공급된 반응 가스에 파워를 인가하여 플라즈마로 형성시키는 소스 파워 인가부; 상기 반응 챔버의 외주에 배치되어, 웨이퍼로 확산되는 플라즈마의 분포 균일도를 자기력으로 제어하는 자기력 인가부; 상기 반응 챔버의 하부에 배치되어, 상기 웨이퍼가 안치되는 웨이퍼 척; 상기 웨이퍼 척에 연결되어, 플라즈마의 이온 에너지를 제어하는 RF 바이어스 인가부; 및 상기 플라즈마를 제어하기 위하여 상기 반응 가스 공급부와 상기 소스 파워 인가부와 자기력 인가부 및 바이어스 인가부의 상태를 조절하는 메인 제어부를 포함하는 플라즈마 장치에 있어서,
    상기 웨이퍼 척과 상기 RF 바이어스 인가부 및 메인 제어부 사이에 상기 반응 챔버내의 임피던스를 센싱하는 임피던스 센서 및 임피던스 센서로부터 인가된 데이터를 분석하는 국부 제어부가 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응 챔버의 외주에 4개의 막대 자석이 등간격으로 배치된 4중 극자가 배치되고, 상기 대향,배치된 한 쌍의 각 막대 자석은, 직류 전원과 교류인 RF 전원이 병렬로 연결된 직류 및 RF 전원의 양극과 음극에 각기 연결되어,
    상기 각 막대 자석은 직류 전원에 의해 항상 양극이나 음극으로 대전되고, 상기 전체의 막대 자석은 교류 전원에 의해 일정 주기로 양극과 음극으로 번갈아 대전되는 것에 의해, 플라즈마의 이온 성분이 질량에 따라 각 막대 자석으로부터 인력과 척력을 선택적으로 받아서, 상기 4중 극자내를 선택적으로 통과되도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 국부 제어부에서 분석된 임피던스 데이타들은 메인 제어부로 전달되어, 메인 제어부에서 반응 챔버내의 식각 상태를 모니터링하며, 챔버내에 발생된 플라즈마를 조절하도록 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 플라즈마 장치.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030069705A (ko) * 2002-02-22 2003-08-27 주식회사 아토 임피던스를 이용한 웨이퍼의 식각 종료점, 공정챔버의화학 기상증착 및 아킹 검출 장치
KR20040032410A (ko) * 2002-10-09 2004-04-17 아남반도체 주식회사 반도체 소자 제조 공정의 건식 식각 엔드 포인트 검출 장치
KR100478034B1 (ko) * 2000-11-06 2005-03-21 알프스 덴키 가부시키가이샤 플라즈마 처리장치의 성능평가방법
KR100636052B1 (ko) * 2000-08-28 2006-10-18 삼성전자주식회사 플라즈마 챔버의 부하 측정 장치
KR100710923B1 (ko) * 2004-06-02 2007-04-23 동경 엘렉트론 주식회사 플라즈마 처리장치 및 임피던스 조정방법

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