KR20010090301A - 플라즈마 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법 - Google Patents

Abstract

웨이퍼의 소정 부분을 플라즈마 가스에 의하여 식각할 때, 플라즈마 가스와 반응하여 형성된 부산물인 폴리머가 식각되는 부분에 침적되는 것을 방지하여 플라즈마 식각이 정밀하게 수행되도록 한 플라즈마 식각 장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 플라즈마 식각 방식으로 웨이퍼를 식각하여 원하는 패턴을 형성할 때, 식각 과정에서 발생하는 부산물이 식각되는 곳에 적층되지 못하도록 웨이퍼에 진동을 가하여 부산물이 웨이퍼로부터 분리되어 배기되도록 함으로써 식각 불량이 발생하는 것을 방지한다.

Description

플라즈마 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법{Plasma etching apparatus and method for etching thereof}

본 발명은 플라즈마 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 웨이퍼의 소정 부분을 플라즈마 가스에 의하여 식각할 때, 플라즈마가스와 반응하여 형성되는 폴리머와 같은 부산물이 식각되는 부분에 적층되기 이전에 웨이퍼로부터 비산시켜 플라즈마 식각이 정밀하게 수행되도록 한 플라즈마 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법에 관한 것이다.

최근들어, 대부분의 산업, 예를 들어 전자 산업, 정보 통신 산업, 정보처리장치 산업, 기타 제조 산업의 기술 개발이 급속히 진전되고 있는 바, 이들 대부분의 산업들은 생산 제품이 기존 제품보다 작으면서도 보다 강력한 기능을 갖도록 하는 것을 개발 목적으로 하고 있다. 이와 같은 대부분 산업의 개발은 매우 작은 면적에 방대한 데이터를 저장하거나, 저장된 데이터를 고속으로 처리하는 기능을 갖는 반도체 제품의 기술 발달에 큰 영향을 받고 있는 실정이다.

이와 같이 타 산업에 많은 영향을 미치는 반도체 제품은 매우 정밀한 반도체 박막 공정이 반복적으로 진행된 후 제작되는 바, 이미 개발된 반도체 제품보다 한 단계 높은 집적도 및 빠른 처리속도를 갖는 반도체 제품을 생산하기 위해서는 보다 높은 정밀도를 갖는 반도체 박막 공정 설비 및 반도체 박막 제조 방법이 요구된다.

이미 개발된 반도체 제품보다 한 단계 높은 집적도를 갖는 반도체 제품을 생산하기 위해서는 반도체 칩의 배선 폭 및 배선간 간격이 요구되고, 이 요구를 부합하기 위해서는 반도체 박막 공정 전반에 걸쳐 정밀도가 증가되어야 하지만 특히, 사진 공정과 식각 공정에서의 정밀도가 증가되어야 한다.

이들중 식각 공정은 웨이퍼의 상면에 적어도 1 개 이상의 반도체 박막, 예를 들어 산화막, 질화막 BPSG 박막 등이 성장 혹은 증착된 상태에서 공정 목적에 따라 일부분을 선택적으로 제거하는 공정으로, 이를 수행하는 방법으로는 습식 식각법과건식 식각법이 개발된 바 있다.

첨부된 도 1에는 습식 식각 장치가 도시되어 있다. 도면부호 1은 순수 실리콘 웨이퍼 조각이고, 웨이퍼(1)의 상면에는 일례로 증착 또는 성장에 의하여 산화막(1a)이 형성되고, 산화막(1a)의 상면에는 산화막(1a)중 일부를 선택적으로 제거하기 위하여 소정 부분이 소정 패턴으로 개구된 포토레지스트막(1b)이 형성된다.

이와 같은 웨이퍼 조각(1)은 산화막(1a)을 용해시켜 식각하는 불산(2)이 담긴 습식 식각 챔버(3)에 넣어지고, 웨이퍼 조각(1)중 불산(2)에 노출된 부분은 불산(2)에 의하여 식각되기 시작한다.

이때, 산화막(1a)은 불산(2)에 의하여 수직 방향 및 수평 방향 모두가 식각되는 이른바 "등방형 식각(isotropic etching)"이 이루어지는데, 이 결과 포토레지스트막(1b)에 의하여 보호되어야 할 산화막(1a) 부분이 원형으로 식각되어 제거되는 "언더컷(undercut) 현상"이 일어난다.

이와 같은 언더컷 현상은 배선의 선폭 및 배선간 폭이 매우 좁은 고접적 반도체 소자를 제조할 때, 이웃한 배선이 형성될 부분까지 식각이 진행되어 배선중 일부 또는 전부가 단선되는 치명적인 결과를 가져오게 된다.

이와 같은 습식 식각법의 치명적인 문제점은 습식 식각법과 전혀 다른 식각 방식인 건식 식각법 및 건식 식각 장치에 의하여 완전히 해결된다.

건식 식각법은 강한 전기장이 형성된 두 전극 사이에 특정 반응 가스를 넣어 반응 가스가 전기장에 의하여 전자를 잃으면서 중성 상태에서 반응성이 매우 뛰어난 이온화된 플라즈마 가스가 되도록 하고, 플라즈마 가스가 산화막중 포토레지스트막에 의하여 가려지지 않고 노출된 부분과 반응하여 부산물이 생성되면서 식각이 진행되도록 한다.

건식 식각법에 의하여 식각된 곳은 도 2에 도시된 바와 같이 "비등방향 식각(anisotropic etching)"이 진행되는 바, 이로써 원하는 식각된 곳의 프로파일을 의도한 바와 같이 정확하게 얻을 수 있음으로, 반도체 소자의 배선 선폭 및 배선간 간격이 좁을 경우 특히 유리하다. 미설명 도면부호 4는 웨이퍼 조각, 도면부호 5는 산화막, 6은 포토레지스트막, 4a는 식각홈이다.

그러나, 이와 같은 건식 식각법에 의하여 식각을 진행할 때, 첨부된 도 3에 도시된 바와 같이 플라즈마 가스와 산화막이 반응하면서 발생한 부산물 또는 플라즈마 가스와 챔버 내부에 존재하는 다른 가스가 반응하여 형성된 고형 부산물이 포함된 다양한 부산물(7)이 식각이 진행되는 부분에 점차 적층되어 식각 되어야 할 곳이 식각되지 못함으로써 식각 불량을 유발시키는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점은 배선의 선폭을 좁게 형성할수록, 배선과 배선의 간격을 좁게 형성할수록 빈번히 발생한다.

즉, 이는 배선의 선폭 및 배선간 간격이 좁을수록 식각된 곳에 적층된 부산물이 쉽게 배출되기 어렵다는 것을 의미하고, 이로 인하여 앞서 언급한 바와 같이 식각되어야 할 곳이 식각되지 못하는 식각 불량이 발생된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 목적은 건식 식각 장치에서 식각이 진행되어 형성된 식각홈에 부산물이 적층되지 않도록 함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 상세한 설명에 의하여 보다 명확해질 것이다.

도 1은 습식 식각 장치에 의하여 웨이퍼의 산화막을 식각하는 것을 도시한 개념도.

도 2는 건식 식각 장치에 의하여 웨이퍼의 산화막을 식각하는 것을 도시한 개념도.

도 3은 건식 식각 장치에 의하여 웨이퍼의 산화막을 식각할 때 식각 불량이 발생한 것을 도시한 개념도.

도 4는 본 발명에 의한 플라즈마 식각 장치의 개념도.

도 5는 본 발명에 의한 플라즈마 식각 장치에 의하여 웨이퍼의 산화막을 식각할 때 부산물이 진동에 의하여 식각 되는 곳으로부터 외부로 배출되는 것을 도시한 부분 단면 확대 사시도.

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 건식 식각 장치는 플라즈마 챔버와, 플라즈마 챔버에 설치된 캐소드 전극과, 캐소드 전극과 대향하도록 플라즈마 챔버에 설치되며 웨이퍼가 안착되는 애노드 전극과, 캐소드 전극을 통하여 플라즈마 챔버로 반응 가스를 공급하는 반응가스 공급 장치와, 캐소드 전극과 애노드 전극에 공급된 반응 가스가 이온화되도록 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 포함하며, 웨이퍼가 이온화된 반응가스와 반응하는 과정에서 발생한 부산물이 식각이 진행하는 곳에 부착되기 이전에 웨이퍼로부터 이탈되도록 하는 부산물 적층 방지 장치를 포함한다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 건식 식각 방법은 플라즈마 가스를 이용하여 웨이퍼를 식각하는 방법에 있어서, 플라즈마 챔버의 내부에 전기장이 형성되도록 마련된 2 개의 전극중 어느 하나에 식각될 웨이퍼를 로딩하고, 2 개의 전극 사이에 반응 가스를 공급하여 플라즈마 가스를 생성하며, 식각이 이루어지는 웨이퍼에 소정 주기를 갖는 진동을 인가하여, 웨이퍼의 식각 부위에 부산물이 적층되지 않도록 한다.

이하, 본 발명에 의한 건식 식각 장치 및 건식 식각 방법을 첨부된 도 4 또는 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 4에는 본 발명에 의한 건식 식각 장치의 개념도가 도시되어 있다.

본 발명에 의한 건식 식각 장치(200)는 전체적으로 보아 플라즈마 챔버(210), 애노드 전극(220), 캐소드 전극(230), 가스 공급장치(240), 냉각수 공급장치(250), 배기 장치(260) 및 부산물 적층 방지 장치(270)를 포함한다.

구체적으로, 플라즈마 챔버(210)는 소정 내부 면적을 갖는 통체 형상으로, 플라즈마 챔버(210)의 내측면에는 플라즈마 가스에 의하여 손상되지 않도록 식각 방지 처리가 되어 있다.

이와 같은 플라즈마 챔버(210)의 내측에는 플레이트 형상을 갖는 캐소드 전극(230)이 플라즈마 챔버(210)를 매개로 고정되고, 플라즈마 챔버(220)중 캐소드 전극(230)과 대향하는 곳에는 애노드 전극(220)이 설치된다. 이 애노드 전극(220)의 상면에는 식각될 웨이퍼(300)가 로딩되어 안착된다.

이때, 웨이퍼(300)의 상면에는 첨부된 도 4, 도 5에 도시된 바와 같이 소정 두께를 갖는 산화막(310)이 형성되고, 산화막(310)중 일부를 선택적으로 식각하기 위하여 산화막(310)의 상면에는 식각될 부분이 소정 패턴을 갖도록 개구된 포토레지스트막(320)이 형성된다.

캐소드 전극(230)은 도전성으로 내부가 빈 통체 형상으로 캐소드 전극(230)중 애노드 전극(220)과 대향하는 곳은 적어도 1 개 이상의 개구(미도시)가 형성된다.

이와 같은 구성을 갖는 캐소드 전극(230)에는 캐소드 전극(230)의 내부와 연통되도록 반응가스 공급관(245)이 설치되고, 반응가스 공급관(245)의 단부에는 소정 반응 가스가 캐소드 전극(230)의 내부로 분사되도록 하는 가스 공급장치(240)가 설치된다.

결국, 반응가스 공급장치(240)에서 캐소드 전극(230)의 내부로 분사된 반응 가스는 캐소드 전극(230)에 형성된 개구를 통하여 플라즈마 챔버(210)의 내부로 분사된다.

이와 같이 가스 공급장치(240) - 캐소드 전극(230) - 플라즈마 챔버(210)의 경로를 따라서 플라즈마 챔버(210) 내부로 분사된 반응가스, 예를 들어 반응 가스가 산화막을 식각하는데 사용되는 CF₄가스라 하였을 때, CF₄에 의하여 산화막(310)을 식각하기 위해서는 <화학식 1>과 같이 CF₄를 이온화하여 반응성이 강한 플라즈마 가스가 되도록 해야 한다.

e + CF₄→CF₃ ⁺+ F + 2e

<화학식1>과 같이 CF₄를 이온화하기 위해서는 RF 전원, DC 전원 또는 마이크로 웨이브를 필요로 하는 바, 본 발명에서는 이들중 어느 하나를 선택하여 사용하기로 하며 이하, 이들을 통칭하여 전원공급장치(280)라 칭하기로 한다.

전원공급장치(280)는 캐소드 전극(230)에 RF 전원을 공급 및 애노드 전극(220)은 접지, 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220)에 소정 주기로 번갈아가며 RF 전원을 공급하는 방법 등 다양한 방법을 통하여 캐소드 전극(230)과 애노드전극(220)의 사이에 CF₄가스가 이온화되기에 적합한 전기장이 형성 되도록 한다.

중요한 것은 어떠한 전원 공급방법을 사용하더라도 앞서 설명한 바와 같이 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220)의 사이에 CF₄가 이온화될 정도의 전기장이 걸리도록 해야 한다는 것이다.

이와 같이 이온화 전원공급장치(280)에 의하여 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220)의 사이에 전기장이 형성된 상태에서 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220)의 사이에 가스 공급장치(240)에 의하여 반응 가스인 CF₄가 공급되면, CF₄는 전기장에 의하여 <화학식 1>과 같이 전자 2 개를 내어 놓고 이온화된다.

이때, CF₄가 이온화되면서 다량의 열이 발생되는 바, 열을 냉각시키기 위해서 캐소드에는 냉각수 공급장치(250)에 의하여 공급된 냉각수가 통과하는 냉각수 배관(255)을 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같이 이온화된 반응 가스는 매우 강력한 반응성을 갖고, 반응 가스는 애노드 전극(220)의 상면에 놓여진 웨이퍼(300)중 포토레지스트막(320)에 의하여 보호받지 못하는 부분과 반응하여 첨부된 도 5에 도시된 바와 같이 산화막(310)을 식각하여 등방성 식각홈(anisotropic etching groove;315)을 형성하기 시작한다.

이때, 산화막(310)중 식각되는 식각홈(315)에는 이온화된 반응가스와 반응하면서 휘발성 부산물, 고형 부산물 등과 같은 부산물(330)이 복합적으로 발생하게 되는데, 이들 부산물(330)은 스폰지와 유사한 구조를 갖으면서 식각홈(315) 내부에 점차적으로 적층되고, 이 부산물(330)들은 이온화된 반응가스가 더 이상 산화막을식각하지 못하도록 방해하는 역할을 한다.

부산물(330)에 의한 산화막 식각 불량을 극복하기 위해서 본 발명에서는 애노드 전극(220)에 부산물 적층 방지 장치(270)를 설치한다.

부산물 적층 방지 장치(270)는 부산물이 식각된 부분에 적층되기 이전에 배기되도록 하는 역할을 한다.

이를 구현하기 위하여, 본 발명에서는 부산물(330)이 식각된 부분에 적층되기 이전에 식가된 부분으로부터 제거되도록 애노드 전극(220) 또는 웨이퍼(300)에 소정 주파수를 갖는 진동을 가한다.

이때, 애노드 전극(220) 또는 웨이퍼(300)에 가해지는 진동은 기계적인 진동과 주파수에 의한 진동을 개별적으로 사용하거나 모두 사용할 수 있다.

이를 구현하기 위하여 도 4에 도시된 진동 발생장치(270)는 매우 다양한 장치가 사용될 수 있다.

일실시예로 애노드 전극(220)에는 기계적으로 가벼운 충격을 발생하는 진동자(미도시)가 소정 주기로 애노드 전극(220)에 진동을 인가하고, 애노드 전극(220)에 가해진 진동이 웨이퍼(300)로 인가되도록 함으로써 식각홈(315)에 부산물(330)이 적층되기 이전에 진동에 의하여 진공 배기장치(260)에 의하여 배기되도록 할 수 있다.

첨부된 도 5에는 다른 실시예가 도시되어 있는 바, 애노드 전극(220)에는 식각홈(315)에 적층되려 하는 부산물(330)이 식각홈(315)의 내부에 안착되기 이전에 배기 되도록 초음파 진동판(275)이 애노드(220)와 견고하게 밀착되어 설치되고, 초음파 진동판(275)에는 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치(277)가 설치되어 초음파 발생장치(277)에서 발생한 초음파는 초음파 진동판(275)에서 소정 진동수를 갖는 미세 진동으로 변형된 후 애노드 전극(220) 및 웨이퍼(300)에 전달되어 웨이퍼(300)를 미세 진동시킨다.

이하, 본 발명에 의한 플라즈마 식각 장치를 이용한 식각 방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전원공급 장치(280)는 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220) 사이에 소정 전기장이 걸리도록 전원을 공급한다.

캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220)에 소정 전기장이 걸리면, 가스 공급 장치(240)에서는 반응가스 공급관(245)을 통하여 반응가스가 캐소드 전극(230)으로부터 플라즈마 챔버(210)로 공급된다.

플라즈마 챔버(210)로 공급된 반응 가스는 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220)의 사이에 형성된 전기장에 의하여 이온화되고, 이온화된 반응 가스는 웨이퍼(300)중 포토레지스트막(320)에 의하여 보호받지 못하는 산화막(310)과 반응하여 식각홈(315)이 형성되도록 한다.

이때, 산화막(310)이 식각되면서 식각홈(315)에서 발생한 부산물은 애노드 전극(220)에 설치된 부산물 적층 방지 장치(270)에서 발생한 진동에 의하여 식각홈(315)에 적층되기 이전에 부유된 후 진공 배기 장치(260)에 의하여 외부로 배기됨으로써, 웨이퍼(300)가 플라즈마 식각될 때 식각홈(315)에 부산물(330)이 적층되는 것을 방지한다.

이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 플라즈마 식각 방식으로 웨이퍼를 식각하여 원하는 패턴 형상을 갖는 식각홈을 형성할 때, 식각 과정에서 발생하는 부산물이 식각홈에 적층되기 이전에 배출되도록 웨이퍼에 진동을 가하여 부산물이 웨이퍼로부터 분리되어 배기되도록 함으로써 식각 불량이 발생하는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 플라즈마 챔버와;

   상기 플라즈마 챔버에 설치된 캐소드 전극과;

   상기 플라즈마 챔버 중 상기 캐소드 전극과 대향하는 곳에 웨이퍼가 안착되도록 설치된 애노드 전극과;

   상기 플라즈마 챔버로 반응 가스를 공급하는 반응가스 공급 장치와;

   상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극의 사이에 전기장을 형성시켜 상기 반응가스를 이온화시키는 전원 공급 장치를 포함하며,

   상기 웨이퍼가 상기 이온화된 반응가스와 반응하는 과정에서 발생한 부산물이 식각이 진행되는 상기 웨이퍼의 식각홈 내부에 적층되기 이전에 제거되도록 하는 부산물 적층 방지 장치를 포함하는 플라즈마 식각 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 부산물 적층 방지 장치는 상기 애노드 전극에 소정 주기를 갖는 진동을 가하는 진동자인 플라즈마 식각 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 부산물 적층 방지 장치는 상기 애노드 전극에 설치된 진동판, 상기 진동판에 초음파가 인가되도록 하는 초음파 발생 장치인 플라즈마 식각 장치.
4. 소정 전기장에 의하여 발생한 플라즈마 가스를 이용하여 웨이퍼를 식각하는 방법에 있어서,

   플라즈마 챔버의 내부에 상기 소정 전기장이 형성되도록 마련된 2 개의 전극중 어느 하나에 식각될 웨이퍼를 로딩하는 단계와;

   2 개의 상기 전극 사이에 반응 가스를 공급하여 플라즈마 가스를 생성하는 단계와;

   식각이 이루어지는 상기 웨이퍼에 소정 주기를 갖는 진동을 인가하여 플라즈마 가스에 의하여 생성된 부산물이 상기 웨이퍼에 부착되기 이전에 상기 웨이퍼로부터 비산되도록 하는 단계와;

   상기 비산된 부산물을 외부로 배기시키는 단계를 포함하여, 상기 웨이퍼의 식각 부위에 상기 부산물이 적층되지 않도록 하는 플라즈마 식각 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 웨이퍼에 진동을 인가하는 단계는

   초음파를 발생시키는 단계와;

   상기 초음파를 상기 웨이퍼가 안착된 상기 전극에 인가하는 단계를 포함하는 플라즈마 식각 방법.