KR20050001831A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 제조 공정에 사용되는 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 이 플라즈마 처리 장치의 상부 전극은 서로 다른 내부저항을 갖는 복수의 영역들로 이루어진다. 이러한 상부 전극의 특징은 기판으로 전달되는 플라즈마의 밀도를 균일하게 만들어 공정 균일성을 높일 수 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히 변형된 상부 전극을 구비하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자는 기판 상에 소정의 막을 증착시키고, 상기 막을 식각하여 패턴을 형성시킴으로써 제조된다. 식각 공정은 반도체 소자가 고집적화됨에 따라, 습식 식각 공정에서 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정으로 발달되어가고 있다.
도 5는 플라즈마를 이용한 식각 장치의 구성을 나타낸다.
식각챔버(10)에는 상부 전극(12)과 하부 전극(14)이 구비된다. 이들 전극에는 고주파(radio frequency wave)의 전력을 인가하여 플라즈마(20)를 생성한다. 고주파 공급기(22,24)로부터 공급되는 고주파는 매치박스를 통해 상부 전극(12) 및 하부전극(14)에 인가된다. 이온, 라디칼(radical) 및 전자 등 플라즈마를 이루는 입자들은 전자기력에 의해 하부전극(14) 쪽으로 흘러간다. 기판(w)는 하부전극(14) 상부에 배치되어, 이러한 플라즈마 가스에 의해 식각된다.
또한, 식각 공정시 챔버(10) 내의 고진공을 유지하기 위하여 펌핑 시스템이 구비된다. 상기의 펌핑 시스템은 식각 챔버(10) 하부에 위치한다. 식각이 진행되면서 발생한 폴리머(polymer) 및 식각 부산물 등이 기판(w)에 흡착되어, 기판(w)에 파티클 소스(particle source)가 생기지 않도록 하기 위함이다.
도 5의 화살표는 플라즈마 가스의 흐름을 도시한 것이다. 펌핑 시스템이 하부에 배치되어, 기판(w)의 가장자리에서 플라즈마 가스는 급격히 아래로 펌핑된다. 기판(w)가 위치한 하부전극(14)에 인가되는 고주파 전력은 하부전극의 중심부나 가장자리에서 동일한 반면에, 하부전극(14)의 외곽은 펌핑 압력이 더 높기 때문이다.
이로 인해, 식각 공정 시 플라즈마 가스의 플럭스(flux)는 하부전극(14) 상면에 위치한 기판(w) 표면에서 균일하지 않다. 기판(w) 가장자리에서 바깥쪽으로 플라즈마 가스의 흐름이 꺾이는 현상이 나타난다. 따라서, 기판(w) 중심부보다 가장자리에서의 식각율이 더 크다.
상기와 같은 특성에 의해서, 기판(w)의 중앙부와 가장자리에서의 식각율 및 표면의 균일도(uniformity) 차이가 발생하는 문제점이 있다. 한편, 이러한 문제점은 기판의 크기가 커질수록 더 심해진다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 현재 사용되고 있는 플라즈마 처리 장치의 전체적인 구조를 크게 변화시키지 않으면서, 기판 표면에서의 식각 균일도(uniformity)을 개선할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마 발생의 밀도를 중심부분과 가장장리부분을 균일하게 조정할 수 있는 새로운 형태의 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마 발생지역의 중심과 가장자리에 인가되는 RF 전압값을 차별화하여 기판의 식각 균일도를 개선할 수 있는 새로운 형태의 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 플라즈마 식각 처리 장치를 개략적으로 도시하는 단면도;
도 2 내지 도 4는 서로 다른 내부저항을 갖는 전극판을 설명하기 위한 도면들;
도 5는 일반적인 건식 식각 처리 장치에서의 공정을 설명하기 위한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 챔버
120 : 서셉터
130 : 상부전극
150 : 배기관
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 건식 식각 공정 및 이에 준하는 플라즈마 처리 공정을 진행하기 위하여 사용되는 상부 전극이 서로 다른 내부저항을 갖는 복수의 영역들로 이루어진다는데 그 특징이 있다.
이러한 상부 전극의 특징은 기판으로 전달되는 플라즈마의 밀도를 균일하게 만들어 공정 균일성을 높일 수 있다.
이러한 상부 전극의 특징은 중심영역과 가장자리영역 그리고 이들 영역 사이에 위치되는 적어도 하나의 미들영역을 포함한다는데 있다. 이 상부 전극은 상기 영역들에 따라 상이한 양의 이온을 주입함으로써 영역들간의 내부저항 차이를 갖는다는데 있다.
이러한 상부 전극은 상기 중심영역과 가장자리영역 그리고 이들 영역 사이에 위치되는 적어도 하나의 미들영역으로 이루어지는 복수의 플레이트들로 이루어진다는데 있다.
이상과 같이 상부 전극은 여러 가지 우수한 효과를 가져올 수 있으며 상부 전극(실리콘 전극)의 내부저항 형성에 따라 그 성능을 다양하게 변경할 수 있는 이점도 있다.
예컨대, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하, 첨부된 도면 도 1 내지 도 4를 참조하면서 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 상기 도면들에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호가 병기되어 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 플라즈마 식각 처리 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
이 플라즈마 식각 처리 장치(100)는, 상하 전극판(electrode plates)이 평행하게 대향하고, 한 쪽 전극에 플라즈마 생성용 전원이 접속되고, 다른 쪽 전극에 이온인입(ion extracting)용 전원이 접속된 용량결합형 평행평판 에칭장치로서 구성되어 있다.
이 플라즈마 식각 처리 장치(100)는, 예를 들면 그 표면이 알루마이트 처리(양극산화 처리)된 알루미늄으로 이루어지는 원통형상으로 성형된 챔버(110)를 갖고 있고, 이 챔버(110)는 보안접지(safety-grounded) 되어 있다. 그리고, 상기 챔버(110)의 바닥부에는 배기관(150)이 접속되어 있고, 이 배기관(150)에는 배기장치(152)가 접속되어 있다. 배기장치(152)는 터보분자펌프(turbo-molecular pump) 등의 진공펌프를 구비하고 있고, 이에 따라 챔버(110) 내부를 소정의 감압 분위기, 예를 들면 0.1 mTorr 이하의 소정의 압력까지 진공흡인 할 수 있도록 구성되어 있다.
상기 챔버(110)내의 바닥부에는 하부전극을 구성하는 그리고 기판(w)을 얹어놓기 위한 대략 원주형상의 서셉터(susceptor)(120)가 설치되어 있다. 상기 서셉터(120)는 기판(W)와 대략 동일한 형상의 정전척 (electrostatic chuck)(122)을 포함하며, 하부전극으로서의 서셉터(120)에는, 제2의 고주파전원(190)이 접속되어 있다. 이 제2의 고주파전원 (190)은, 기판(w) 내로 이온을 끌어들이고 기판(w)를 손상시키지 않고도 기판 (w)에 적절한 이온작용을 주는 것이고, 주파수는 2㎒이다.
상기 서셉터(120)의 위쪽에는, 이 서셉터(120)와 평행하게 대향하여 상부전극 (130)이 설치된다.
이 상부전극(130)은 절연재(116)를 통해 챔버(110)의 상부에 지지되어 있고, 서셉터(120)와의 대향면을 구성한다. 상부전극(130)은, 다수의 토출구멍 (discharge hole)(134)을 가지며, 예를 들면 실리콘, SiC, 또는 비정질탄소로 이루어지는 전극판(132)과, 이 전극판(132)을 지지하고, 도전성재료, 예를 들면 표면이 알루마이트 처리된 알루미늄으로 이루어지는 수냉구조의 전극지지체(136)를 구비한다. 또한, 서셉터(120)와 상부전극(130)은, 예를 들면 약 10-60 mm 정도 이격되어 있다.
상기 상부전극(130)에 있어서의 전극지지체(136)에는 가스도입구(139)가 설치되고, 또한 이 가스도입구(139)에는 가스공급관(140)이 접속되어 있고, 이 가스공급관 (140)에는 처리가스공급원(142)이 접속되어 있다. 처리가스공급원(142)으로부터 플라즈마 에칭처리를 위한 처리가스가 공급된다. 처리가스로서는, 종래 사용되고 있는 여러 가지의 것을 채용할 수가 있다. 예를 들면, 플로로카본가스(fluorocarbon gas)(CxFy)나 하이드로플로로카본가스 (hydrofluorocarbon gas)(CpHqFr) 같은 할로겐원소를 함유하는 가스를 적절하게 사용할 수 있다. 그밖에, Ar, He 등의 희가스(rare gas)나 N2를 첨가하더라도 좋다.
상기 전극지지체(136)에는 제1의 고주파전원(196)이 접속되어 있다. 이 제1의 고주파전원(136)은 60 ㎒이상의 주파수를 갖고 있다. 이와 같이 높은 주파수를인가함으로써, 고밀도의 플라즈마를 형성할 수 있고, 1O mTorr 이하라는 저압조건 하에서 플라즈마처리가 가능해져서, 디자인 룰(design rule)의 미세화에 대응하는 것이 가능하게 된다.
상기 전극판(132)은 플라즈마 발생영역(p)으로 가해지는 RF 인가율 변화를 주기 위하여, 서로 다른 내부저항을 갖는 중심 영역과 가장자리 영역을 갖는다. 상기 전극판(132)의 내부저항을 다르게 하는 방법으로는, 임프란트(implant)를 이용하여 이온을 주입함으로써 영역별로 저항값을 다르게 제작할 수 있다. 예컨대, 상기 전극판(132)은 중심영역과 가장자리영역 사이에 위치되는 적어도 하나의 미들영역을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3에서처럼, 전극판은 75Ω으로 제작된 인고트(ingot)를 플레이트로 가공한 후, 이 플레이트에 이온 주입(기판에 이온을 주입하는 방법과 동일한 방법)을 실시하여 내부 저항값에 변화를 준다.
예컨대, 기판의 식각률이 가장자리가 중심보다 높을 경우에는, 중심영역의 내부저항(2Ω)이 가장자리 영역의 내부저항(75Ω)보다 낮은 전극판을 적용하여 공정을 실시하는 것이 바람직하다. 즉, 이러한 전극판은 중심영역의 RF인가율이 가장자리영역의 RF인가율보다 상대적으로 높아지기 때문에, 기판의 가장자리영역에 비해 중심영역의 식각율을 높일 수 있게 된다. 이러한 전극판(132')은 도 2에서처럼, 가장자리 영역에 PR 마스킹을 한 후 중심영역에 이온주입을 실시함으로써 제작될 수 있다.
이와는 반대로, 기판의 식각률이 가장자리가 중심보다 낮을 경우에는, 내부저항이 가장자리 영역(2Ω)보다 중심 영역(75Ω)이 높은 전극판을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 전극판(132")은 중심영역의 RF인가율이 가장자리영역의 RF인가율보다 상대적으로 낮아지기 때문에, 기판의 중심영역에 비해 가장자리영역의 식각율을 높일 수 있게 된다. 이러한 전극판(132")은 도 3에서처럼, 가장자리 영역에만 이온주입이 이루어지도록 중심 영역에 PR 마스킹을 한 후 이온주입을 실시함으로써 제작된다.
이와 같이, 전극판을 형성하는 플레이트는 영역들에 따라 상이한 양의 이온이 주입됨으로써 영역들간의 내부저항 차이를 가질 수 있게 된다.
도 4에서처럼, 이온 주입을 이용한 방법 이외에 서로 다른 내부저항을 갖는 중심 플레이트(132a)와 가장자리 플레이트(132b)로 구성된 전극판(132)을 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 상부 전극은 사용 설비의 구조와 공정 특성, 그리고 부품의 제조 공정에 맞게끔 설계되어 사용할 수 있다. 일반적으로 전극의 구조는 재료의 결정, 챔버의 구조, 조립 방식의 결정, 플라즈마 컨파인 기능의 결정을 통해 설계되어진다. 여기에 상부 전극의 경우 홀의 개수, 조립 방법이 결정되면 여러 가지 가공 공정을 통해 최적화하여 제작을 하게 된다. 물론 기판 제조회사의 원가를 고려하여야만 한다.
위에서 발명품의 목적과 특징 등에서 강조하였듯이 본 발명의 특징은 다음과 같다. 먼저 공정 능력 향상에서 가장 큰 특징을 나타낸다. 상기 상부전극은 상기 전극판의 내부 저항의 차이로 인해 플라즈마 발생영역의 중앙과 가장자리간의 RF인가율에 차이를 유발시킨다. 이러한 RF 인가율 차이는 플라즈마 밀도(PLASMA DENSITY) 등에 변화를 갖고 오게 된다. 이러한 이유로 인해 영역별 저항이 다른 상부 전극을 사용할 경우, 식각율과 선택비 등에서 탁월한 향상 효과를 나타내게 된다. 특히, 기판의 중앙부와 가장자리에서의 식각율 및 균일도(uniformity) 차이를 제어할 수 있는 것이다.
본 발명의 전극판은 반도체 제조 공정 중 건식 식각 공정을 진행하는 설비에 사용되는 상부전극(캐소드) 또는 일반적인 샤워헤드(가스 분배) 기능을 하는 부품에 적용될 수 있다. 또한 CVD설비의 샤워 헤드류와 동일한 기능을 하는 공정설비의 부품에도 적용이 될 수 있다.
본 발명품의 실제 적용은 반도체 제조 공정 중 건식 식각 설비인 미국의 LAM사의 OXIDE 공정 설비 -특히 Si 전극을 사용하는 EXELAN설비와 RAINBOW설비-를 대상으로 개발을 하여 적용하는 것이 바람직하며, TEL사의 SCCM MODEL 설비와 같은 OXIDE 공정 설비의 전극에도 적용이 가능하다. 기타 여러 가지 공정 설비에도 적용이 가능하며 특히 CVD의 샤워헤드류와 같은 부품에도 동일한 특성이 유지될 수 있다.
상기 전극판의 재질도 여러 가지 제품 중에서 그 특성에 알맞게 SINTERED SiC, 재반응법 SiC, 반응소결품 등 고순도의 SiC의 적용이 가능하다. 단 발명의 목적에 부합하여 그 재료를 최적화하여 선정하면 된다.
이상에서, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성 및 작용을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
이와 같은 본 발명품의 효과를 정리하여 보면 기판 표면에서의 식각율을 조절할 수 있으므로, 기판 표면에서의 식각 균일도(uniformity)을 개선할 수 있다.

Claims (7)

  1. 플라즈마 처리 장치에 있어서:
    기판이 수용되는 챔버;
    상기 챔버 내에 서로 대향되도록 설치된 제1전극과 제2전극;
    상기 제1전극에 고주파를 제공하는 고주파 전원을 포함하되;
    상기 제1전극은 서로 다른 내부저항을 갖는 복수의 영역들을 가짐으로써, 플라즈마 발생영역으로 가해지는 RF 인가율 변화를 가져오는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 중심영역과 가장자리영역 그리고 이들 영역 사이에 위치되는 적어도 하나의 미들영역을 포함하고, 이들 영역들은 서로 다른 내부 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1전극은
    실리콘 소재의 플레이트로 이루어지고,
    이 플레이트는 상기 영역들에 따라 상이한 양의 이온을 주입함으로써 영역들간의 내부저항 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1전극은
    상기 중심영역과 가장자리영역 그리고 이들 영역 사이에 위치되는 적어도 하나의 미들영역으로 이루어지는 복수의 플레이트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극은
    상기 고주파 전원으로부터 고주파를 인가받는 상부플레이트와;
    상기 상부플레이트 아래에 겹쳐지게 설치되는 하부플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하부플레이트는 실리콘 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극은
    반응 가스 분배를 위한 다수의 가스 분배홀들을 갖는 것을 특징으로 하는반도체 제조 공정에 사용되는 플라즈마 처리.
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