KR20020057688A - 플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법 - Google Patents

플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방식에 관한 것으로, 플라즈마 형성 전력과 전위차 발생 전력이 주파수를 달리하며 별도로 인가되는 플라즈마형 에칭 장비에 있어서, 상대적으로 고주파를 인가하는 플라즈마 형성 전력을 공정 챔버에 먼저 운전 전력보다 낮은 값으로 인가하고, 상대적으로 저주파를 인가하는 전위차 발생 전력을 상기 플라즈마 형성 전력이 운전 전력에 도달하기 전에 인가하고 증가시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 각 인가 전력은 복수의 단계로, 단계적으로 상승할 수 있고, 시간에 따라 지속적으로 운전 전력까지 상승할 수 있다. 경우에 따라서는 지속적으로 전력을 증가시키되 단계를 나누어 전력 증가율을 달리 하면서 전력을 높일 수 있다.

Description

플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법 {METHOD OF ENHANCING POWER TO PLASMA TYPE ETCHER}
본 발명은 플라즈마형 에칭 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법에 관한 것이다.
고집적 반도체 장치의 미세한 패턴을 형성할 수 있도록 하는 중요 기술로 노광 및 에칭 작업이 있다. 에칭의 방법에는 여러 가지가 있으나, 정확히 형성된 식각 마스크 패턴에 따라 하부 막을 정밀하게 에칭하기 위해 통상 건식 이방성 에칭을 많이 사용하게 된다. 또한 에칭의 효율을 높이기 위해 에천트 가스를 플라즈마화 하여 사용하게 된다.
따라서, 근래에 사용되는 에칭 장비는 공급되는 에천트 가스를 플라즈마화하고 플라즈마를 형성하는 입자들을 기판으로 가속시킬 수 있도록 이루어진다. 그리고, 에천트 가스를 플라즈마화 시키고 이를 기판에 작용시킬 수 있는 장치로 많이 사용되는 것이 공정 챔버의 에천트 가스에 고주파 전계를 작용시킬 수 있는 고주파 전압 인가 장치이다. 이들은 전기 선로에 고주파 전원이 연결되는 형태를 취하고 있다. 특히, 에천트를 플라즈마화하는 데 주로 작용하는 고주파 전원에 의한 인가 전력과, 플라즈마화된 에천트를 기판에 작용시키도록 전압을 인가하는, 상대적으로 낮은 주파수 전원에 의한 인가 전력을 분리하여 사용하는 에칭 장비가 많이 도입되고 있다. 이때 상대적 고주파 전원에 연결된 고주파 인가 장치가 챔버 위쪽에 설치되는 경우가 많으므로 여기에 인가되는 전력을 흔희 탑 파워(TOP POWER)라 하고, 상대적 저주파를 인가하는 장치가 기판쪽에 설치되는 경우가 많으므로 여기에 인가되는 전력을 흔희 바텀 파워(BOTTOM POWER)라 일컫는다. 두 종류의 공급 전력의 역할에 대하여 절대적인 구별은 적합하지 않으나, 통상 탑 파워는 플라즈마 발생의 역할을 바텀 파워는 플라즈마를 기판에 충돌시키는 전위차 형성의 역할을 하는 것으로 볼 수 있다.
그런데, 이런 에칭 장비를 사용할 때 에천트 가스를 공급하면서 먼저 탑 파워를 에칭 챔버에 인가하면 반도체 장치에서 패턴이 넓게 형성되는 영역에 에칭이 정상적으로 이루어지지 않는 현상이 발생한다. 가령, 질화막으로 커버된 게이트 패턴을 형성하고 실리콘 산화막으로 층간 절연막을 적층한 뒤 콘택 패드를 형성하기 위해 자기정렬방식으로 패드 홀을 형성할 때, 홀 크기가 작은 셀 영역에서 산화막 에칭이 이루어지나 산화막 두께를 측정하기 위한 검사대상 영역(monitoring site)과 같이 패턴이 넓게 형성되는 영역에서는 에칭이 잘 이루어지지 않는 현상이 발생한다.
이런 현상이 발생하면, 해당 에칭 단계와 후속 에칭 단계에서 산화막의 두께를 정확히 측정할 수 없고, 또한 노광 정렬 키의 형태에도 불량이 생길 수 있다. 또한 에칭 불량이 발생하는 영역에서 표면이 불균일하게 되어 후속의 증착, CMP, 습식 식각 등의 공정을 거치면서 파티클의 소오스가 되거나 기타 불량의 원인이 될 수 있다. 그리고, 이런 에칭 불량 현상은 식각 선택비를 높이기 위해 다량의 폴리머를 플라즈마형 에칭 장비 내에 발생시킬 때 발견될 수도 있다.
이런 에칭 불량 현상의 원인은 기판에 에칭을 막는 폴리머가 적층되기 때문인 것으로 알려져 있다. 즉, 탑 파워가 바텀 파워와 분리된 에칭 장비에서 에천트로 불소 등의 에천트 가스를 공급하면서 탑 파워를 먼저 인가하면 에칭 챔버에서 플라즈마가 형성되지만 기판으로 가속되지 않아 높은 밀도로 불소 함유 이온 등을 포함하는 플라즈마가 형성된다. 이때 플라즈마 내에서 불소 함유 이온 등이 포토레지스트의 유기 화합물과 반응하여 유기 불소 등의 폴리머를 만든다. 이 폴리머는 기판을 포함하는 챔버 내에 증착되어 바텀 파워가 걸리는 에칭 단계에서 에천트가 층간 절연막을 에칭하는 것을 방해한다는 것이다.
도1은 이러한 종래의 예를 나타내는 그래프이다. 탑 파워와 바텀 파워의 시간에 따른 증가와 폴리머의 발생 영역을 개략적으로 나타내고 있다.
이런 종래 기술의 문제를 방지하기 위해 에칭 장비에서 바텀 파워를 먼저 인가하는 도2의 그래프와 같은 경우를 생각할 수 있다. 이 경우, 탑 파워를 먼저인가할 때와 같은 에칭 불량은 발생하지 않는다. 그러나, 550W 정도의 바텀 파워를 인가할 때 반사 전력(reflected power)이 가령, 300W에 달하게 된다. 즉, 바텀 파워에 의해 인가되는 전력의 상당 부분이 반사파를 발생시켜 인가전력을 손상시키고 연쇄적으로 영향을 미쳐 탑 파워가 인가되는 후속 단계에서도 챔버에 안정적인 고주파 전계의 인가와 플라즈마 형성을 방해할 수 있다. 또한, 아크와 같이 취약부를 타고 순간적인 전류가 흘러서 장비나 기판 손상을 유발시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 플라즈마형 에칭 장비에서 상이한 주파수를 가진 고주파 전력이 인가될 때의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폴리머 형성에 따른 에칭 불량을 방지할 수 있는 플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법을 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 인가된 전력의 상당 부분이 반사전력을 형성하여 장비의 작동상의 안정성을 흐트러뜨리고, 장비의 손상을 유발시키는 문제를 일으키지 않는 플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1 및 도2는 플라즈마형 에칭 장비에서 전력을 인가하는 종래의 방식들을 나타내는 그래프이다.
도3 내지 도5는 플라즈마형 에칭 장비에서 본 발명에 따른 전력 인가 벙법의 실시예들을 나타내는 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 플라즈마 형성 전력과 전위차 발생 전력이 주파수를 달리하며 별도로 인가되는 플라즈마형 에칭 장비의 운용에 있어서, 상대적으로 고주파를 인가하는 플라즈마 형성 전력을 공정 챔버에 먼저 운전 전력보다 낮은 값으로 인가하고, 상대적으로 저주파를 인가하는 전위차 발생 전력을 상기 플라즈마 형성 전력이 운전 전력에 도달하기 전에 인가하고 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 인가된 플라즈마 형성 전력은 복수의 단계로, 단계적으로 상승할 수 있고, 시간에 따라 지속적으로 운전 전력까지 상승할 수 있다. 경우에 따라서는 지속적으로 전력을 증가시키되 단계를 나누어 전력 증가율을 달리 하면서 전력을 높일 수 있다. 단, 단계적으로 상승할 때 적어도 2이상의 단계를 가져야 한다.
또한, 인가된 전위차 발생 전력도 플라즈마 형성 전력과 같은 다양한 방식으로 전력을 높여나갈 수 있다. 즉, 복수의 단계로, 단계적으로 상승할 수 있고, 시간에 따라 지속적으로 운전 전력까지 상승할 수 있다. 경우에 따라서는 지속적으로 전력을 증가시키되 단계를 나누어 전력 증가율을 달리 하면서 전력을 높일 수 있다.
본 발명에서 통상 운전 전력의 20% 이하 값으로 플라즈마 형성 전력을 인가하고, 전위차 발생 전력을 플라즈마 형성 전력이 운전 전력의 20%를 벗어나지 않은 상태에서 점진적으로 증가시키며, 전위차 발생 전력을 증가시키는 과정에서 플라즈마 형성 전력을 다시 증가시키는 교번적인 증가를 택하게 된다.
이하 도면을 참조하면서 몇 가지 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
(실시예1)
도3은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 그래프이다.
도3을 참조하면, 좌에서 우로 시간의 흐름을 나타내고, 상대적으로 위쪽의선그래프가 플라즈마 형성 전력인 탑 파워의 값을 나타내며, 아래쪽 선그래프가 전위차 발생 전력인 바텀 파원의 값을 나타낸다. 탑 파워는 60MHz의 고주파이며, 바텀 파워는 2MHz의 주파수를 가진다. 에칭 챔버에 기판을 탑재하고 에천트 가스를 공급하면서 우선 탑 파워에 200watt의 전력을 먼저 인가한다. 그리고, 1초 경과후 바텀 파워를 0에서 550watt까지 1초에 걸쳐 점진적으로 증가시킨다. 그리고 바텀 파워를 0으로부터 증가시키는 과정에서 0.5초 지난 후 탑 파워를 운전 전력인 1600watt로 수직으로 상승시킨다. 한편, 바텀 파워는 550watt에 달한 후 즉시로 운전 전력인 1500watt로 수직으로 상승시킨다.
본 예에서는 먼저 탑 파워를 플라즈마가 형성되는 최소 전력인 200watt 정도의 전력을 인가하여 후속 바텀 파워 인가시의 반사전력(reflected power)를 20watt 정도로 최소화할 수 있다. 또한, 탑 파워를 먼저 200watt로 1초 정도 운전한 것에 의해서 발생되고 기판에 증착되는 불화탄소(CxFy) 계열 폴리머의 절대량은 미미하다. 따라서, 바텀 파워를 인가할 때의 전압차에 의해 기판에 충돌하는 에천트 플라즈마 입자에 의해 적층된 미량의 폴리머막은 쉽게 제거될 수 있고, 산화막 등 하부막의 에칭에 거의 영향을 주지 않게 된다. 따라서 패턴이 큰 조사대상 영역 등에서 에칭 불량을 방지할 수 있다.
(실시예2)
도4는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 그래프이다. 본 예와 관련하여서는 조건들을 일반화시켜 설명한다. 먼저 13.56MHz 이상으로 주파수가 큰 탑 파워를 먼저 공정 챔버에 인가하여 전력 값을 0에서 200watt까지 서서히 증가시킨다. 증가에 걸리는 시간은 1 내지 2초로 한다. 그리고 탑 파워의 증가 과정 중간에 상대적으로 주파수가 낮은 바텀 파워를 인가하여 0에서 가령, 1500watt까지 점차 증가시킨다. 이때 전력의 증가 비율은 탑 파워의 전력 증가보다 높은 초당 200 내지 400watt 정도로 할 수 있다. 그리고 바텀 파워를 증가시키는 과정에서 탑 파워가 200watt에 도달하면 증가율을 보다 높여 가령, 초당 500watt 정도로 탑 파워를 운전 전력까지 증가시킨다.
본 예에서 탑 파워는 2단계의 점진적 전력 상승 방식을 택하고, 바텀 파워는 단순한 점진적 전력 상승 방식을 택하였다. 이러한 점진적 전력 상승 방식은 기존의 전력 발생기(power generator)로도 가능하며, 실시예1과 같이 전력을 200watt에서 1600watt와 같이 큰 폭으로 수직 상승시키는 단계에서 발생되는 반사 전력을 감소시킨다는 면에서 보다 바람직하다. 한편 전력의 점진적 상승의 기울기가 너무 낮으면 정상 운전까지 시간이 많이 걸리게 되며, 초기 상승의 기울기가 너무 높으면 공정시간 마아진이 작아 조절이 어렵고, 반사 전력의 발생이나, 폴리머의 발생과 관련하여 종래와 같은 문제점을 노출시키기 쉬울 것이다.
(실시예3)
도5는 본 발명의 또다른 예를 나타내는 그래프이다. 도5를 참조하면, 13.56MHz 이상의 주파수를 가지는 전력을 먼저 인가하여 운전 전력까지 단일한 기울기로 시간에 따라 전력을 증가시킨다. 그리고, 1초 정도 후에 바텀 파워를 인가하면서 0에서 운전 전력까지 탑 파워와 동일한 기울기로 전력을 시간에 따라 증가시킨다. 이런 실시예를 적용하기 위해서 탑 파워 및 바텀 파워의 전력공급장치의 조화로운 가동이 필요하다. 모든 구간에서 점진적인 전력 증가가 이루어져 공정에 과도기적 쇼크가 없고, 먼저 탑 파워를 가동하여 플라즈마를 일부 형성하면서 바텀 파워를 인가하여 반사 전력의 문제와 함께 에칭 불량을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상이한 주파수를 가진 고주파 전력이 인가되는 플라즈마형 에칭 장비에서 폴리머 형성에 따른 넓은 패턴 영역의 에칭 불량을 방지하는 동시에 반사전력이 과다하게 형성되어 장비의 작동상의 안정성을 흐트러뜨리고, 장비의 손상을 유발시키는 문제를 방지할 수 있다.

Claims (5)

  1. 플라즈마 형성 전력과 전위차 발생 전력이 주파수를 달리하며 별도로 인가되는 플라즈마형 에칭 장비를 운용함에 있어서,
    상대적으로 고주파를 인가하는 플라즈마 형성 전력을 공정 챔버에 먼저 플라즈마 형성 전력에 대한 운전 전력보다 낮은 값으로 인가하고,
    상대적으로 저주파를 인가하는 전위차 발생 전력을 상기 플라즈마 형성 전력이 플라즈마 형성 전력에 대한 운전 전력에 도달하기 전에 인가하여 증가시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전위차 발생 전력이 전위차 발생 전력에 대한 운전 전력에 도달하기 전에 상기 플라즈마 형성 전력을 먼저 플라즈마 형성 전력에 대한 운전 전력에 도달하도록 하는 조작이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    먼저, 상기 플라즈마 형성 전력에 대한 운전 전력의 20% 이하 값으로 상기 플라즈마 형성 전력을 인가하고,
    상기 전위차 발생 전력을 상기 플라즈마 형성 전력이 상기 플라즈마 형성 전력에 대한 운전 전력의 20%를 벗어나지 않은 상태에서 인가하여 일정율로 시간에 따라 점진적으로 증가시키며,
    상기 전위차 발생 전력을 시간에 따른 상기 일정율로 증가시키는 과정에서 상기 플라즈마 형성 전력을 다시 증가시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 전력을 복수의 단계로, 단계적으로 상승시키 것을 특징으로 하는
    플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 전력을 하나 이상의 단계에서 상기 단계마다 특정 전력증가율을 가지도록 하면서 시간에 따라 지속적으로 상승시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마형 에칭 장비의 전력 인가 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111863591A (zh) * 2019-04-28 2020-10-30 北京北方华创微电子装备有限公司 一种预清洗方法

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