KR20020029714A - 역경사 구조물을 제작하는 플라즈마 식각장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 웨이퍼를 지지하는 시편홀더를 경사지게 구성하고 플라즈마 건식식각을 통해 역경사 구조물을 제작하는 플라즈마 식각방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 진공도를 갖는 분위기상태에서 전력을 인가하고 반응가스를 혼입하여 실리콘 반도체를 식각하는 방법에 있어서, 시편을 올려놓는 반응판(10)의 상부에는 소정의 두께로 형성되어 있고 상부면의 중심에서 테두리부를 향해 점점 높아지게 경사진 경사면을 갖는 시편홀더(20)를 결합하고, 시편홀더(20)의 상부면에 식각하고자 하는 실리콘 반도체(22)를 안치한 후, 진공도는 100-200mtorr, 반응가스인 SiCl4와 아르곤 가스의 혼합비는 1:5 내지 1:20 그리고 인가전력은 100-300Watt인 상태에서 식각하여, 실리콘 반도체(22)의 식각면의 한 쪽은 역 메사식각의 형상이고 다른 쪽은 메사식각의 형상을 갖게 식각되어 역경사 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 플라즈마 식각장치에 관한 것이며, 특히, 실리콘 반도체를 플라즈마 건식식각하여 역경사 구조물을 만드는 플라즈마 식각장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 실리콘 반도체를 플라즈마 건식식각하여 역경사 구조물을 만드는 식각방법에 관한 것이기도 하다.
화학약품을 사용하여 반도체 웨이퍼를 경사 식각하는 방법은 이미 널리 알려져 있으며, 그 대표적인 약품으로는 KOH 용액을 이용한다. 그러나, 화학약품을 이용하는 식각방법은 일정 방위성을 갖는 반도체 웨이퍼를 결정방향에 따라 실리콘이 식각되기 때문에 경면 경사면을 만들기는 사실상 어렵다. 또한, 화학약품을 이용하는 식각방법은 실리콘의 결정방향성 식각이므로 역으로 형성된 메사식각은 불가능하다고 볼 수 있다. 여기서, 메사식각이란 일정한 경사면이나 각을 가진 구조로 식각하는 것을 의미한다.
플라즈마 건식식각 방법을 이용한 실리콘 식각에 있어서, 사용하는 반응가스가 최적의 공정조건을 만족한다면, 건식식각은 물리적, 화학적 반응에 의해 실리콘 표면을 식각한다. 여기서, 식각하고자 하는 부분은 식각저지막으로 덮혀진 나머지 부분과 다르게 빠르게 식각되며, 식각속도에 따라 식각되는 면이 경면이 되거나 표면이 거칠은 면으로 나타난다. 그러나, 식각의 경과는 표면에서 안으로 좁혀지는(역사다리꼴 형상) 메사식각 형상으로 진행되며, 이러한 메사식각 형상 때문에 쉽게 역경사 구조물을 얻을 수가 없다. 여기서, 역경사 구조란 역 메사식각의 형상, 또는 한 쪽은 역 메사식각이고 다른 쪽은 메사식각의 형상을 갖는 것을 의미한다(도 2 참조).
또한, 플라즈마 건식식각은 화학적 반응과 플라즈마 특성상 물리적 식각이 동반된다. 여기서, 종래의 플라즈마 식각은 플라즈마를 안정화시키기 위해서 플라즈마 외부로 전자와 이온이 빠져나가는 것을 일정하게 하는 플라즈마 시스(PlasmaSheath - 전자의 움직임은 둔화시키고 이온의 움직임은 활성화시킴)로부터 에너지를 얻은 이온들이 반응 시편홀더에 대해서 수직방향으로 방향성을 가지고 시편에 도달하여 이등방성 식각을 유도하기 때문에 역경사 구조를 얻을 수가 없다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 웨이퍼를 지지하는 시편홀더를 경사지게 구성하고 플라즈마 건식식각을 통해 역경사 구조물을 제작하는 플라즈마 식각장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 역경사 구조물을 제작하는 플라즈마 식각장치의 개략도이고,
도 2는 실리콘 반도체의 메사식각 형상과 역경사 구조형상을 각각 도시한 도면이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
10 : 반응판 20 : 시편홀더
21 : 유동로 22 : 실리콘 반도체
23 : 식각저지막 24 : 플라즈마 시스
25 : 반응라디칼
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 챔버, 진공장치, 가스주입장치, RF소스 및 전원공급장치를 포함하는 플라즈마 식각장치에 있어서,
상기 챔버에 결합되어 시편을 올려놓는 반응판의 상부에는 소정의 두께를 갖는 판으로 형성된 시편홀더가 결합되고, 상기 시편홀더의 상부면에는 중심에서 테두리부를 향해 점점 높아지게 경사진 경사면이 형성되며, 상기 시편홀더의 내부에는 시편홀더의 상부면을 냉각시키는 냉각수가 유동하는 유동로가 형성되어 있어,
상기 경사면을 갖는 시편홀더의 상부에 놓여져 식각되는 실리콘 반도체의 식각면이 냉각수에 의한 화학적 반응이 제한되고 물리적 반응이 작용하여 한 쪽은 역 메사식각의 형상이고 다른 쪽은 메사식각의 형상을 갖게 식각되어 역경사 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 진공도를 갖는 분위기상태에서 전력을 인가하고 반응가스를 혼입하여 실리콘 반도체를 식각하는 방법에 있어서,
시편을 올려놓는 반응판의 상부에는 소정의 두께로 형성되어 있고 상부면의 중심에서 테두리부를 향해 점점 높아지게 경사진 경사면을 갖는 시편홀더를 결합하고, 상기 시편홀더의 상부면에 식각하고자 하는 실리콘 반도체를 안치한 후,
진공도는 100-200mtorr, 반응가스인 SiCl4와 아르곤 가스의 혼합비는 1:5 내지 1:20 그리고 인가전력은 100-300Watt인 상태에서 식각하여, 상기 실리콘 반도체의 식각면의 한 쪽은 역 메사식각의 형상이고 다른 쪽은 메사식각의 형상을 갖게 식각되어 역경사 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
아래에서, 본 발명에 따른 역경사 구조물을 제작하는 플라즈마 식각장치 및 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 역경사 구조물을 제작하는 플라즈마 식각장치의 개략도이고, 도 2는 실리콘 반도체의 메사식각 형상과 역경사 구조형상을 각각 도시한 도면이다.
본 발명의 플라즈마 식각장치는 시편을 올려놓는 반응판(10)의 상부에 경사지게 형성된 시편홀더(20)를 결합하고, 이런 시편홀더(20)의 내부를 따라 냉각수가 유동할 수 있는 유동로(21)를 형성한다는 것을 제외하고는 통상적으로 사용되고 있는 종래의 플라즈마 식각장치와 동일하게 구성되어 있다. 즉, 본 발명의 플라즈마 식각장치는, 챔버, 진공장치, 가스주입장치, RF소스 및 전원공급장치 등으로 구성된 종래의 플라즈마 식각장치에 시편홀더(20)와 유동로(21)를 형성한 것이다. 이때, 시편홀더(20)는 챔버에 결합되는 반응판(10)의 상부에 결합된다.
본 발명의 시편홀더(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 소정의 두께를 갖는 원판 형상으로서, 그 상부면 중심에서 원주방향을 향해 소정의 각도(α : 30, 45, 60)로 경사지게 형성되는 데, 경사각(α)은 30。 ∼ 60。 인 것이 가장 양호하다. 즉, 상부면의 중심은 낮고 원주방향(테두리부)을 향할수록 높아지도록 형성되어 있다. 상기 시편홀더(20)는 소정의 두께를 갖는 네각판 형상으로 형성될 수도 있다.
이런 시편홀더(20)의 내부에는 유체가 유동할 수 있는 유동로(21)가 형성되는 데, 이런 유동로(21)는 반응판(10)에 공급되는 유체공급라인과 연결되어 있다. 그러나, 유동로(21)는 별도의 유체공급라인과 연결되어 냉각수를 공급받을 수도 있다. 이렇게 형성된 유동로(21)에는 냉각수가 공급되며, 이 냉각수에 의해 시편홀더(20)의 상부면이 가열되지 않게 된다. 즉, 유동로(21)를 따라 냉각수가 연속적으로 순환하면서 시편홀더(20)의 상부면이 가열되지 않게 되는 것이다.
아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마 식각장치를 사용하여 실리콘 반도체(22)를 식각하는 방법을 설명하겠다.
반응가스로는 SiCl4와 아르곤 가스를 사용하고, 주어진 인가전력과 시간, 반응가스의 공급은 종래의 플라즈마 건식식각과 거의 동일한 조건에서 실시한다. 그리고, 플라즈마 건식식각에 의한 물리적 식각이 식각저지막을 국부적으로 식각할 수 있으므로 이를 방지하기 위해서 실리콘 산화물을 식각저지막(23)으로 사용한다. 이 때, 시편홀더(20)에 의한 국부적인 물리적, 화학적 식각반응을 최소로 하기 위해서 시편홀더(20)의 내부에 위치하는 유동로(21)를 따라 순환하는 냉각수를 공급하여 물리적인 식각을 최대로 하고, 상대적으로 화학반응을 돕는 열적 에너지를 낮출 수 있도록 한다.
즉, 시편홀더(20)를 감싸고 있는 플라즈마 시스(24)로부터 반응성 가스가 시스에 의한 전계방향으로 식각저지막(23)이 없는 부분인 실리콘 반도체(22)의 표면을 일정한 전계에너지를 가진 반응라디칼(25)로 물리, 화학적 방법으로 식각한다. 이 때, 건식식각에 의한 식각율은 플라즈마 시스(24)와 시편홀더(20)의 구조에 의해 제한을 받는다. 즉, 시편홀더(20)의 경사각과 냉각효과에 의해 역경사 식각이 가능해진다. 그래서, 시편홀더(20)의 경사각(α)을 30, 45, 그리고 60°로 하여, 역 메사식각 실험을 하였다. 이와 같은 본 발명에 의해 실리콘 반도체(22)를 식각할 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 한 쪽은 역 메사식각이고 다른 쪽은 메사식각의 형상을 갖게 된다.
아래에서는, 더욱 구체적인 실험예를 통해 본 발명의 식각방법에 대해 설명하도록 하겠다.
먼저, 본 발명의 시편홀더(20)를 반응판(10)의 상부에 결합하고, 이렇게 결합된 시편홀더(20)의 상부면에 실리콘 반도체(22)를 위치한 후, 공정 진공도를 50-400mtorr로 실리콘 반도체(22)를 식각하였다. 이 때, 식각 반응가스로는 SiCl4와 아르곤을 1:1 내지 1: 30으로 혼합하여 사용하였고, 인가전력은 50-400Watt로 하였다. 식각시간은 10분으로 하여 식각공정을 수행하였다.
이와 같은 조건에서 실험한 결과, 표 1, 표 2 및 표 3에 나타난 바와 같은 실험결과를 확인하였다.
| 시편홀더(도)공정진공도(mtorr) | 30 | 45 | 60 |
| 50 | 41 | 51 | 65 |
| 100 | 33 | 46 | 61 |
| 200 | 29 | 44 | 62 |
| 300 | 21 | 35 | 50 |
| 400 | 17 | 30 | 46 |
| 시편홀더 경사(도)SiCl4: 아르곤 가스비 | 30 | 45 | 60 |
| 1 : 1 | 18 | 30 | 44 |
| 1 : 2 | 22 | 34 | 49 |
| 1 : 5 | 26 | 46 | 57 |
| 1 : 10 | 30 | 44 | 62 |
| 1 : 20 | 32 | 48 | 67 |
| 1 : 30 | 35 | 51 | 71 |
| 시편홀더 경사(도)인가전력(Watt) | 30 | 45 | 60 |
| 50 | 22 | 35 | 50 |
| 100 | 26 | 40 | 54 |
| 200 | 30 | 46 | 62 |
| 300 | 35 | 50 | 65 |
| 400 | 39 | 54 | 70 |
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 공정 진공도가 크면 클수록 역메사 각도가 감소하고 식각이 넓게 일어남을 알 수 있다. 이것은 공정 진공도가 크면 클수록 플라즈마 반응 중에서 화학반응이 우세하게 진행되어 측면을 넓게 식각함을 의미한다. 한편, 표 2에서 알 수 있듯이, 플라즈마 반응에 참여하는 반응가스의 비에 대해서는 SiCl4가스보다는 아르곤 가스에 민감하여 아르곤 가스가 증가할수록 역경사 식각이 강하게 일어남을 알 수 있다. 이것은 아르곤 이온은 화학반응보다는 주어진 인가전력에 의한 시스 전계로부터 방향성 에너지를 가지고 반응에 주도적으로 참여한 결과로 볼 수 있다. 그리고, 표 3에서 알 수 있듯이, 인가전력에 의한 역 경사구조의 형성은 인가전력이 너무 낮으면 비방향성 식각이 주로 일어나 원하는 역메사 구조를 얻기가 힘들고, 에너지가 너무 높으면 역메사 식각이 너무 일어나며 또한 식각저지막(23)인 실리콘 산화물를 식각시켜 원하는 역경사 식각이 어려운 것으로 나타났다.
표 1 내지 표 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 역경사 구조물을 제작하기 위해서는, 진공도는 100-200mtorr, SiCl4와 아르곤 가스의 혼합비는 1:5 내지 1:20 그리고 인가전력은 100-300Watt로 하는 것이 양호한 역경사 구조물을 제작할 수 있음을 확인하였다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 역경사 구조물을 제작하는 플라즈마 식각장치 및 방법은 반도체 웨이퍼를 지지하는 시편홀더를 경사지게 구성하고 플라즈마 건식식각을 통해 역경사 구조물을 제작하는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 역경사 구조물을 제작하는 플라즈마 식각장치 및 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
Claims (3)
- 챔버, 진공장치, 가스주입장치, RF소스 및 전원공급장치를 포함하는 플라즈마 식각장치에 있어서,상기 챔버에 결합되어 시편을 올려놓는 반응판의 상부에는 소정의 두께를 갖는 판으로 형성된 시편홀더가 결합되고, 상기 시편홀더의 상부면에는 중심에서 테두리부를 향해 점점 높아지게 경사진 경사면이 형성되며, 상기 시편홀더의 내부에는 시편홀더의 상부면을 냉각시키는 냉각수가 유동하는 유동로가 형성되어 있어,상기 경사면을 갖는 시편홀더의 상부에 놓여져 식각되는 실리콘 반도체의 식각면이 냉각수에 의한 화학적 반응이 제한되고 물리적 반응이 작용하여 한 쪽은 역 메사식각의 형상이고 다른 쪽은 메사식각의 형상을 갖게 식각되어 역경사 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치.
- 제1항에 있어서, 상기 시편홀더의 경사면은 30。 ∼ 60。 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치.
- 진공도를 갖는 분위기상태에서 전력을 인가하고 반응가스를 혼입하여 실리콘 반도체를 식각하는 방법에 있어서,시편을 올려놓는 반응판의 상부에는 소정의 두께로 형성되어 있고 상부면의 중심에서 테두리부를 향해 점점 높아지게 경사진 경사면을 갖는 시편홀더를 결합하고, 상기 시편홀더의 상부면에 식각하고자 하는 실리콘 반도체를 안치한 후,진공도는 100-200mtorr, 반응가스인 SiCl4와 아르곤 가스의 혼합비는 1:5 내지 1:20 그리고 인가전력은 100-300Watt인 상태에서 식각하여, 상기 실리콘 반도체의 식각면의 한 쪽은 역 메사식각의 형상이고 다른 쪽은 메사식각의 형상을 갖게 식각되어 역경사 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각방법.
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2000
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