KR20030019973A - 전원공급구조가 개선된 플라즈마 식각장치 및 그 장치의세정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전원공급구조가 개선된 플라즈마식각장치 및 그 장치의 세정방법에 관한 것으로서, 그 구성은 진공상태를 유지하고 플라즈마가 채워지는 챔버와; 상기 챔버의 하부에 설치되어 바이어스전원이 인가되는 하부전극과; 상기 챔버의 상부에 설치되어 소오스전원이 인가되는 코일형상을 갖는 상부전극과; 상기 상부전극의 상부에 설치되어 전·자기장 분포를 균일하게 형성시키는 보조전극과; 상기 챔버의 상부에 설치되어 공정가스를 분사하는 가스분사판을 포함한다.

또한, 그와 같이 구성된 플라즈마 식각장치는 챔버의 내부를 소정의 식각 공정을 끝낸 웨이퍼를 언로딩시키고 미처리 된 웨이퍼를 로딩시키는 동안 빈 챔버의 내부에 플라즈마를 형성시켜 챔버 내벽의 폴리머를 제거하여 챔버의 외부로 배기시키는 방법에 의해 세정작업을 행한다.

상술한 바와 같이 상부전극의 구조를 개선하여 전·자기장이 고르게 분포되도록 함으로써 폴리머가 가스분사판의 내벽에 국부적으로 축적되는 것을 해소시킬 수 있는 이점을 갖음과 아울러 세정방법 개선에 의한 클린 주기를 늘릴 수 있게 되어 설비 가동률 향상에 따른 수율 향상의 이점을 갖는다.

Description

전원공급구조가 개선된 플라즈마 식각장치 및 그 장치의 세정방법{Dry Etching Apparatus and Clean Method}

본 발명은 플라즈마식각장치 및 그 플라즈마식각장치의 세정방법에 관한 것으로서, 특히, 소오스전원이 인가되는 상부전극의 구조를 개선하여 파티클 발생률을 최소화함과 아울러 그 세정방법을 개선하여 세정주기 단축에 의한 전체 수율을 향상시키는 플라즈마식각장치 및 그 플라즈마식각장치의 세정방법에 관한 것이다.

반도체 장치의 제조는 실리콘 웨이퍼 상에 여러 층의 반도체, 도체, 부도체 물질들을 적층하고 패터닝 등의 가공을 하면서 이루어진다. 그런데, 패터닝 과정은 감광성 물질인 포토레지스트를 도포하고 패턴마스크를 이용하여 노광, 현상하는 포토리소그래피 공정과, 이때, 이루어진 포토레지스트 패턴에 따라 하층막을 식각하는 에칭공정을 통해 이루어지는 것이다. 따라서, 반도체 장치 제조에서 에칭공정은 가장 빈번하게 이루어지는 공정의 하나이다. 에칭공정에서 대상 물질을 원하는 만큼 제거하기 위해 여러 가지 식각 기술이 개발되고, 다양한 식각 장비가 운용되고 있다.

반도체장치 제조에 사용되는 식각 방식을 크게 나누면 등방성 식각과 비등방성 식각으로 나눌 수 있다. 등방성 식각은 특정 방향으로 더 빠르게 이루어지는 식각이다. 기본적으로 화학적인 성격만을 가지는 반응에 의한 식각은 등방성 식각이 되며, 습식식각과 배럴 플라즈마 식각이 이에 속한다. 비등방석 식각으로는 RIE(Reactive Ion Etching)가 대표적이다. 이 경우 에천트는 공정챔버에서 이온화되고 전기적으로 가속되어 주로 전계 방향으로 식각을 하게 된다. 건식식각에서는대개 에천트 활성을 주기 위해 플라즈마를 형성하게 되는데 플라즈마를 형성하기 위한 방법으로 주로 사용하는 것이 고주파 전계를 인가하는 방법이다.

플라즈마를 형성하는 방법을 간단히 살펴보면, 챔버 내의 두 전극 사이에 전압을 걸어 전계를 형성하고 전극 사이의 공간에는 저압을 유지하면서 에천트 가스를 공급하게 된다. 전극 사이에 걸리는 전압은 직류가 될 수도 있으나 대개 고주파 교류를 사용한다. 이는 직류를 사용할 경우 전류의 흐름을 막게 되므로 전극 위에 절연물질을 덮어 사용할 수 없다는 단점 때문이며, 또한, 고주파의 경우 전극 단부를 반드시 전도성 물질로 할 필요가 없고 전계의 진동에 의해 공간에 존재하는 전자가 충분한 에너지를 얻어 중성 원자와 충돌하여 보다 많은 하전입자를 낼 수 있기 때문이다. 공간에서 생성된 전자는 중성가스와 충돌하여 분해, 발광을 일으키며 더 많은 이온과 전자를 발생시키고, 양이온은 전계에 의해 가속되어 전극과 충돌할 때 역시 전자를 추가로 발생시킨다.

한편, 플라즈마를 구성하는 하전입자가 증가하면 다른 극성의 하전입자 끼리 충돌하여 그 수를 줄이게 되며 공정 중 발생하는 하전입자와 중성입자로 전환되는 하전입자의 수가 균형을 이루면 플라즈마는 안정상태를 이루게 된다. 그리고, 이 안정된 상태는 대개 부분적으로 이온화된 입자와 다수 부분의 중성 입자를 갖는 낮은 압력의 가스상태가 된다.

상술한 바와 같이 플라즈마를 형성하여 식각 공정을 행하는 장치에 관한 것으로, 소오스전원이 인가되는 전극이 나선형을 갖는 TCP(Transformer Coupled Plasma)방식에 의한 식각장치의 예가 공개된 바 있다.

그 일 예로 국내특허 공개번호 실1999-0025113호 “반도체 웨이퍼용 플라즈마 식각장치”가 있다.

그 기본구성을 살펴보면, 소정의 용적을 갖는 챔버와, 그 챔버의 하부에 설치되어 식각하는 반도체 웨이퍼가 위치하는 인너포커스링과 그 인너포커스링의 외주면을 지지하는 아웃터포커스링으로 구성된 포커스링과, 그 포커스링의 인너포커스링에 위치하는 상기 반도체 웨이퍼를 고정함과 아울러 바이어스 전원이 인가되는 ESC(Electro Static Chuck)와, 상기 챔버의 상부에 설치되어 소오스전원이 인가되는 코일과, 또 상기 챔버의 상부에 설치되어 가스를 분사하는 가스분사판과, 그 가스분사판의 외주면에 설치되어 상기 챔버에서 생성되는 플라즈마가 그 챔버의 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 실드링이 구비된 반도체 웨이퍼용 플라즈마 식각장치를 구성하며, 상기 인너포커스링을 화학적으로 안정한 합성수지로 형성되고, 또, 상기 아웃터포커스링은 상기 챔버 내에 생성되는 플라즈마 영역의 외측이 위치하는 곳에서 상기 인너포커스링을 지지하도록 형성되며, 그리고, 상기 실드링은 상기 플라즈마 영역이 위치하는 곳에서는 화학적으로 안정한 합성수지로 형성된 인너실드링과 상기 플라즈마 영역의 외측이 위치하는 곳에서 상기 인너실드링을 지지하는 아웃터실드링으로 구성된다.

또 다른 예로, 국내특허 등록번호 10-0258867호(등록일자 2000년 3월 15) “반도체 웨이퍼용 플라즈마 식각장치”에 개시된 바 있다.

그 구성을 살펴보면, 소정의 용적을 갖는 밀폐된 챔버와 그 챔버의 하부에 설치되어 식각 할 반도체 웨이퍼가 장착 고정됨과 아울러 바이어스 전원이 인가되는 웨이퍼스테이지와, 상기 챔버의 상부에 설치되어 가스공급라인으로부터 공급된 가스를 그 챔버 내에 분사 공급하는 가스분사판과, 또, 상기 챔버의 상부에 설치되어 소오스 전원이 인가되는 코일을 구비하여 구성된 반도체 웨이퍼용 플라즈마 식각장치에 있어서, 상기 챔버 내에 형성되는 플라즈마를 상기 웨이퍼스테이지에 장착 고정된 반도체 웨이퍼가 위치하는 부분에 집중할 수 있도록 그 챔버 내에 전원이 인가되는 프로브를 설치하여 구성된다.

상술한 바와 같은 TCP 방식에 의한 식각장치는 가스분사판을 통해 가스를 분사함과 아울러 챔버의 하부에 설치된 ESC, 또는 웨이퍼스테이지에 바이어스전원을 인가하고, 챔버의 상부에 설치된 코일에 소오스 전원을 인가하여 챔버의 내부에 수직방향의 자기장과 수평방향의 전기장을 형성한다. 이에 따라 상기 ESC 또는 웨이퍼스테이지에서 방출된 자유전자는 전·자기장에 의해서 운동에너지를 얻어 가속된 후, 상기 식각가스를 통과하며 그 식각가스 분자와 충돌하여 식각가스에 에너지를 전달하게 된다. 여기서 상기 에너지를 전달받은 식각가스는 이온화되어 이온들을 형성하며 상기 이온들도 전·자기장에 의해서 운동에너지를 얻어 가속된 후 상기 식각가스를 통과하며 식각가스에 에너지를 전달하게 된다. 전술한 바와 같은 과정이 반복됨에 따라 챔버의 내부에는 양이온, 음이온, 원자단 등이 공존하는 플라즈마 상태가 형성되고, 그 플라즈마에 의해 웨이퍼는 식각되게 된다.

상술한 플라즈마에 의해 소정시간 동안 식각공정을 진행하며, 식각가스와 웨이퍼 상에 도포된 포토레지스트의 탄소(C) 성분이 화학 반응하여 형성된 폴리머(polymer)등의 공정 부산물이 챔버의 내부에 축적된다.

그런데, 상술한 바와 같은 식각장치는 소오스전원이 인가되는 코일이 나선형상을 갖도록 구성됨에 따라 챔버의 내부, 특히, 가스분사판의 내벽에 코일의 전자기장이 형성되지 않은 부분, 즉 코일의 전극이 형성되지 않은 부분에 폴리머가 국부적으로 데포지션(Deposition)된다는 문제점이 있다.

그와 같이 폴리머가 데포지션되면 폴리머의 플레킹(FLAKING)률이 높게 되어 파티클 발생소지가 더 높게 되는 것이다.

또한, 상술한 바와 같이 폴리머는 파티클로 작용할 소지가 높으므로 소정의 식각공정을 마친 후 챔버 내부를 세정하는 과정을 필연적으로 필요로 하고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출 된 것으로서, 본 발명의 첫 번째 목적은 소오스전원이 공급되는 나선형을 갖는 코일형 상부전극의 구조를 개선하여 전·자기장이 가스분사판의 전면에 고르게 분포되도록 함에 따라 폴리머가 국부적으로 축적되는 것을 방지하는 전원공급구조가 개선된 플라즈마 식각장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 두 번째 목적은 챔버의 세정방법을 개선하여 클린 주기를 늘려줌으로써 설비의 가동율을 향상시키는 플라즈마 식각장치의 세정방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 진공상태를 유지하고 플라즈마가 채워지는 챔버와; 상기 챔버의 하부에 설치되어 바이어스전원이 인가되는 하부전극과; 상기 챔버의 상부에 설치되어 소오스전원이 인가되는 코일형상을 갖는 상부전극과; 상기 상부전극의 상부에 설치되어 전·자기장 분포를 균일하게 형성시키는 보조전극과; 상기 챔버의 상부에 설치되어 공정가스를 분사하는 가스분사판을 포함하여 구성된다.

상기 보조전극은 방사형을 갖도록 다수의 슬릿이 형성된 원판으로 이루어진다.

또한, 본 발명은 상술한 플라즈마 식각장치를 이용하여 소정의 식각공정을 끝낸 후 챔버의 내부를 소정의 식각 공정을 끝낸 웨이퍼를 언로딩시키고 새로운 웨이퍼를 로딩시키는 동안 빈 챔버의 내부에 플라즈마를 형성시켜 챔버 내벽의 폴리머를 제거하는 세정방법에 의한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 의한 건식식각장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도,

도 2는 상기 도 1에 도시된 상부전극의 구조를 도시한 도면,

도 3은 상기 도 1에 도시된 보조전극의 구조를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 챔버

3 : 하부전극

5 : 가스분사판

7a: 브라켓

7b: 전극부재

7: 상부전극

9 : 보조전극

9a : 슬릿

W : 웨이퍼

이하, 첨부된 도면 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 본 발명의 일 실시 예에 의한 구성 및 작용에 대해서 설명한다.

상기 도면에 도시된 바와 같이 소정의 용적을 갖는 밀폐된 챔버(1)가 형성되며, 그 챔버(1)의 내부 저부에는 식각을 행할 웨이퍼(W)가 안착됨과 아울러 바이어스(Bias)전원이 인가되는 하부전극(3)이 설치되며, 상기 챔버(1)의 상부에는 가스공급라인(미도시)으로부터 공급된 가스를 그 챔버(1)의 내부에 분사하는 가스분사판(5)이 설치되며, 상기 가스분사판(5)의 상측에는 소오스(Source)전원이 인가되는 코일형상을 갖는 상부전극(7)이 설치되며, 상기 상부전극(7)의 상측에는 전·자기장의 분포를 균일하게 보조전극(9)이 설치된다.

상기 상부전극(7)은 도 2에 도시된 바와 같이 십자형의 브라켓(7a)을 매개로그 상면에 코일형상을 한 전극부재(7b)가 부착되어 형성된다.

상기 보조전극(9)은 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 방사상의 슬릿홀(9a)을 갖는 원판으로 이루어진다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 플라즈마 식각장치는 먼저, 가스분사판(5)을 통해 가스를 분사함과 아울러 챔버(1)의 하부에 설치된 하부전극(3)에 바이어스전원을 인가하고, 챔버(1)의 상부에 설치된 상부전극(7)에 소오스 전원을 인가하여 챔버(1)의 내부에 수직방향의 자기장과 수평방향의 전기장을 형성한다. 이에 따라 상기 하부전극(3)에서 방출된 자유전자는 전·자기장에 의해서 운동에너지를 얻어 가속된 후, 상기 식각가스를 통과하며 그 식각가스 분자와 충돌하여 식각가스에 에너지를 전달하게 된다. 여기서 상기 에너지를 전달받은 식각가스는 이온화되어 이온들을 형성하며 상기 이온들도 전·자기장에 의해서 운동에너지를 얻어 가속된 후 상기 식각가스를 통과하며 식각가스에 에너지를 전달하게 된다. 전술한 바와 같은 과정이 반복됨에 따라 챔버의 내부에는 양이온, 음이온, 원자단 등이 공존하는 플라즈마 상태가 형성되고, 그 플라즈마에 의해 웨이퍼는 식각되게 된다.

한편, 상술한 바와 같은 식각공정을 행하는 동안 상기 상부전극(7)의 상측에 설치된 원판형태를 갖는 보조전극(9)은 상기 상부전극(7)이 코일 형상으로 이루어짐에 따라 전·자기장이 나선형태로 형성되는 것을 해소하여 가스분사판(5)의 전면에 고르게 분포되도록 함에 따라 폴리머가 국부적으로 상기 가스분사판(5)의 내벽에 축적되었던 문제점을 해소시키게 된다.

다음은 상술한 바와 같이 구성된 플라즈마 식각장치의 세정방법에 대해서 설명한다.

본 발명이 제안하는 세정방법은 각 식각공정을 끝낸 웨이퍼를 인출시키고, 미 처리된 웨이퍼를 챔버 내로 로딩시키는 작업이 이루어지는 시간을 이용하여 식각공정을 끝낸 챔버의 내부를 세정하는 것에 관한 것이다.

좀더 자세히 설명하면, 먼저, 소정의 식각 공정을 끝낸 웨이퍼는 챔버로부터 인출되고, 미처리 된 웨이퍼가 다시 챔버의 내부로 로딩되어 식각공정을 진행하는 과정을 반복적으로 행하게 된다.

상기와 같이 처리된 웨이퍼를 언로딩시키고, 미처리된 웨이퍼를 로딩시키는 동안 웨이퍼가 없는 빈 챔버에서는 소정량의 산소, 염소, 아르곤가스를 이용하여 플라즈마를 형성하여 실리콘 웨이퍼 식각 원리와 동일한 원리에 의해 챔버의 내벽에 축적된 폴리머를 분리해내어 챔버의 일측에 설치된 배기라인을 통해 진공펌프를 가동시켜 펌핑 아웃시킴으로서, 분리된 폴리머를 제거시키는 것이다.

상기 폴리머를 제거시킴은 다음과 같은 단계에 의해 이루어진다.

먼저, 챔버의 내부를 소정의 압력을 유지시키며 소정의 산소(O₂)를 공급하는 제1안정화단계(S1)와, 상기 제1안정화단계(S1)의 조건에서 상·하부전극에 소정의 시간동안 소정의 전압을 인가하는 제2안정화단계(S2)와, 상기 제2안정화단계(S2)의 조건에서 하부전극의 전원을 차단하고, 그 하부전극에 전원이 차단된 상태에서 소정 시간동안 산소(O₂)에 의한 플라즈마를 형성시켜 폴리머를 분리하는 제1클린단계(S3)와, 상기 제1클린단계(S3)에서 공급되는 산소(O₂)를 차단하고 소정 시간동안 소정량의 염소(Cl₂)를 챔버 내부로 공급하여 염소(Cl₂)에 의한 플라즈마를 형성시켜 폴리머를 분리하는 제 2클린단계(S4)와, 챔버 내부의 진공압 및 상·하부전극을 완전히 차단시킨 상태에서 무게가 무거운 소정량의 아르곤(Ar)가스를 주입하여 폴리머를 챔버의 하부로 가라앉힌 후 폴리머를 최종 배기시키는 제3클린단계(S4)로 이루어진다.

상술한 바와 같은 클린 과정에 있어 챔버의 배기라인과 연결된 배기펌프는 계속 동작되어 챔버의 내부로부터 식각된 폴리머를 계속 펌핑아웃시키게 되는 것이다.

상술한 바와 같은 클린 방법의 구체적 실시 예를 다음의 표로 나타냈다.

클린단계챔버조건	S1	S2	S3	S4	S5
진공압[mTorr]	30	30	30	30	0
상부전극[W]	0	800	800	800	0
하부전극[W]	0	30	0	0	0
아르곤(Ar)[sccm]	0	0	0	0	100
염소(Cl2)[sccm]	0	0	0	160	0
산소(O2)[sccm]	200	200	200	0	0
시간[초]		3	12	15	5

상술한 바와 같이 본 발명은 세정과정을 종래에는 단순히 웨이퍼를 로딩·언로딩시키는 과정으로만 이용되었던 웨이퍼 이송작업시간을 이용하여 하나의 식각공정이 끝날 때마다 챔버 내부를 세정시키도록 함에 따라 챔버 내부를 항상 깨끗하게 유지할 수 있게 됨으로써 파티클 발생률을 효과적으로 줄일 수 있게 된다.

또한, 설비의 클린 주기를 월등히 늘려 결과적으로 수율 향상을 갖게 된다.

예컨대, 종래에는 600매의 웨이퍼를 식각공정 진행 후에 클린공정을 행했으나, 본 발명에 의한 세정방법에 의함에 따라 1000매 수준으로 증가시킬 수 있게 되었다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 플라즈마 식각장치는 상부전극의 구조를 개선하여 전·자기장이 고르게 분포되도록 함으로써 폴리머가 가스분사판의 내벽에 국부적으로 축적되는 것을 해소시킬 수 있는 이점을 갖는다.

또한, 세정방법 개선에 의한 클린 주기를 늘릴 수 있게 되어 설비 가동률 향상에 따른 수율 향상의 이점을 갖는다.

이와 같이 구성되는 이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 진공상태를 유지하고 플라즈마가 채워지는 챔버;

   상기 챔버의 하부에 설치되어 바이어스전원이 인가되는 하부전극;

   상기 챔버의 상부에 설치되어 소오스전원이 인가되는 코일형상을 갖는 상부전극;

   상기 상부전극의 상부에 설치되어 전·자기장 분포를 균일하게 형성시키는 보조전극;

   상기 챔버의 상부에 설치되어 공정가스를 분사하는 가스분사판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급구조가 개선된 플라즈마 식각장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 보조전극은 방사상의 다수의 슬릿이 형성된 원판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전원공급구조가 개선된 플라즈마 식각장치.
3. 챔버의 내부 상·하측에 상·하부전극을 마련하고, 상기 상부전극의 하부에 공정가스를 분사하는 가스분사판을 마련하여 상기 하부전극에 바이어스전원을 공급하고, 상기 상부전극에 소오스전원을 공급하며, 상기 가스분사판을 통해 챔버의 내부로 공정가스를 분사시킴으로써, 챔버 내부에 형성되는 플라즈마를 이용하여 식각공정을 행하는 플라즈마 식각장치에 있어서,

   상기 챔버의 내부를 소정의 식각 공정을 끝낸 웨이퍼를 언로딩시키고 미처리된 웨이퍼를 로딩시키는 동안 빈 챔버의 내부에 플라즈마를 형성시켜 챔버 내벽의 폴리머를 제거하여 챔버의 외부로 배기시키도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치의 세정방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 폴리머의 배기는 진공챔버의 내부를 소정의 진공압을 유지시키며 소정의 산소를 공급하는 제1안정화단계;

   상기 제1안정화단계의 조건에서 상·하부전극에 소정의 시간동안 소정의 전압을 인가하는 제2안정화단계;

   상기 제2안정화단계의 조건에서 하부전극의 전원을 차단하고, 그 하부전극에 전원이 차단된 상태에서 소정 시간동안 산소(O₂)에 의한 플라즈마를 형성시켜 폴리머를 분리하는 제1클린단계;

   상기 제1클린단계에서 공급되는 산소(O₂)를 차단하고 소정 시간동안 소정량의 염소(Cl₂)를 챔버 내부로 공급하여 염소(Cl₂)에 의한 플라즈마를 형성시켜 폴리머를 분리하는 제2클린단계;

   챔버 내부의 진공압 및 상·하부전극을 완전히 차단시킨 상태에서 무게가 무거운 소정량의 아르곤(Ar)를 주입하여 폴리머를 챔버의 하부로 가라앉혀 후 폴리머를 최종 배기시키는 제3클린단계에 의한 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각장치의 세정방법.