KR20050011349A - 바이어스 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용하는 식각 장치의 바이어스 제어장치에 관한 것으로서, 다수의 바이어스 제어부와, 일단은 정전척에 연결되며 타단은 상기 바이어스 제어부에 연결되는 스위치를 포함하는 바이어스 제어 장치를 제공한다.

본 발명은 정전척에 바이어스 전원을 인가함에 있어, 식각되는 박막 물질에 따라 진동수를 각기 달리하는 복수 개의 바이어스 제어부 중에서 최적의 진동수를 가지는 고주파를 인가할 수 있도록 함으로써, 선택비와 패턴 프로파일의 개선을 제고할 수 있게 해준다.

Description

바이어스 제어 장치{Bias control device}

본 발명은 바이어스 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하는 식각장치에 있어서, 선택비와 패턴의 프로파일을 개선시킬 수 있는 바이어스 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로 식각 공정은 포토레지스트(photoresist 또는 PR) 층의 구멍을 통해 기판의 최상단층을 선택적으로 제거하는 공정으로서, 식각 방식에 따라 식각액을 이용하는 습식 식각(wet etch)과 가스를 이용하는 건식 식각(dry etch)으로 대별될 수 있다.

건식 식각 방식 중 식각 수단으로서 플라즈마를 이용하는 경우에는, 기판을 수용하는 진공 챔버 내부에 가스를 주입하고, 높은 에너지의 고주파를 진공 챔버에 인가함으로써, 주입된 가스의 분자들을 고 에너지 준위로 여기시켜 플라즈마 상태로 형성시킨 다음 기판의 표면에 여기된 이온입자들을 입사시켜 식각을 수행하게 된다.

플라즈마를 이용하여 웨이퍼를 식각함에 있어, 플라즈마 소스는 구현되는 웨이퍼가 고 선택비(selectivity)를 가짐과 동시에 표면손상(damage)이 적어야 한다는 상반된 조건을 충족시키기 위한 중요한 요인 중의 하나로 작용하고 있는데, 이러한 플라즈마 소스 측면에서 상호 상반되는 조건을 충족시키기 위해 개발된 것이 정전결합 플라즈마(capacitively coupled plasma, CCP)를 이용하는 방식과, 유도결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP)를 이용하는 방식이 바로 그것이다.

도 1은 이 중에서 종래 유도결합 플라즈마를 이용하는 식각 장치의 개략적인 구성도를 보여준다.

유도결합 플라즈마를 이용하는 식각 장치는 소정의 용적을 가지며 배기 라인(50)과 연결되는 배기 홀을 포함하는 진공 챔버(10)와, 상기 진공 챔버(10) 상부에 위치하며 상기 진공 챔버(10)에 소스 가스를 유입시키는 가스 분사부(14) 및 소스 전원이 인가되는 코일부(12), 코일부(12)와 가스분사부(14)의 사이에 위치하는 절연플레이트(13), 그리고 상기 코일부(12)와 연결되는 소스 제어 장치(60)와, 상기 진공 챔버(10)의 하부에 설치되며 기판(W)이 안치되는 포커스 링(22)과, 상기 포커스 링(22) 내부에 위치하며 상기 기판을 고정하며 바이어스 전압을 인가하는 정전척(electrostatic chuck, 20)과, 상기 포커스 링(22) 외부를 감싸며 상기 포커스 링(22) 외부에 설치되는 배플(baffle, 24)과, 상기 정전척(20)과 연결되는 바이어스 제어 장치(70) 및 상기 정전척(20)에 DC전원을 공급하는 전원 공급부(80)를 포함하여 이루어진다. 또한 도 2에 도시된 것처럼, 정전척(20)의 상면에는 세라믹 등으로 이루어진 절연판(16)이 부착되며, 절연판(16)의 내부에는 전원공급부(80)에서 전원이 인가되는 정전척 전극(17)이 형성된다. 그리고 정전척(20)의 하부에는환형의 절연링(26)이 설치되어 정전척을 전기적으로 절연한다.

한편, 미도시된 별도의 가스 공급부로부터 정전척(20)과 포커스 링(22)에 안치되는 기판사이의 공간으로 헬륨 등과 같은 가스가 가스유입관(30)을 통해 지속적으로 유입됨으로써, 상기 정전척(20)에 바이어스 전압이 인가되어 기판이 정전력에 의해 상기 정전척(20)에 고정될 때, 기판표면의 온도전달을 용이하게 해주어 기판 표면의 손상을 방지하게 해준다.

또한, 미 도시된 칠러(chiller)는 정전척(20)의 열 부하를 제어하여 가공부의 온도를 저온으로 냉각시키기 위해 전기적 및 화학적으로 안정한 특성을 갖는 갈덴(galden)과 같은 냉각제를 도시된 냉각제 유입, 유출관(40)을 통해 상기 정전척(20) 내부의 냉각 유로(미도시)에 유입, 유출시키게 된다.

상기 소스 제어 장치(60)는 상기 코일부(12)에 소스 전원을 인가하는 소스 고주파 발진기(source RF generator, 64)와, 상기 소스 고주파 발진기(64)에 연결되는 연결케이블을 포함한 특성 임피던스(characteristic impedance)에 로드 임피던스(load impedance)를 맞추기 위해, 상기 소스 고주파 발진기(64)에 연결되는 소스 매처(source matcher, 62)로 이루어진다.

상기 배플(24)은 소스 가스의 유량을 조절하기 위한 격벽으로서, 진공 챔버(10) 내 벽면을 향해 돌출되는 돌출단을 가지며, 상기 돌출단에는 복수 개의 관통홀이 형성되어 식각 공정을 완료한 소스 가스들이 빠져나가는 통로로서 작용한다.

상기 바이어스 제어 장치(70)는 고주파 바이어스 전원을 인가하기 위한 제1,2바이어스 고주파 발진기(bias RF generator, 75, 76)와, 상기 제1, 2바이어스 고주파 발진기(75, 76)에 연결되는 연결케이블을 포함한 특성 임피던스에 로드 임피던스를 맞추기 위해 상기 제1, 2바이어스 고주파 발진기(75, 76) 각각에 연결되는 제1, 2바이어스 매처(bias matcher, 72, 74)로 구성되어진다.

이러한 구성을 가지는 유도결합 플라즈마 식각 장치의 작동구성은 다음과 같다.

먼저, 포커스 링(22)에 기판을 안치시키고 전원 공급부(80)에서 정전척(20)에 전원을 인가하면 웨이퍼는 정전력에 의해 상기 포커스 링(22)에 장착되어 고정된다.

상기 상태에서 진공 챔버(10) 상부의 가스분사부(14)에서 상기 진공 챔버(10) 내부로 소스가스를 분사함과 동시에 정전척(20)에는 바이어스 전원이, 그리고 코일부(12)에는 소스 전원이 인가되면, 상기 진공 챔버(10) 내부에는 플라즈마(P)가 생성되는데, 이렇게 생성되는 플라즈마 중의 양이온들이 웨이퍼 표면에 입사, 충돌함으로서 기판이 식각되는 것이다.

도 1은 유도결합형 플라즈마 식각장치를 도시한 것이나, 도 1에서 고주파 소스가 코일부(12) 대신에 플라즈마전극에 인가되는 것으로 변경하면, 정전결합형 플라즈마 식각장치가 된다. 이 경우 플라즈마전극은 가스분사부(14)와 일체로 형성되는 것이 보통이지만 반드시 그러한 것은 아니다.

정전결합형 플라즈마 식각장치와 유도결합형 플라즈마 식각장치는 플라즈마 밀도나 공정분위기에서 차이가 있으므로, 공정에 따라 선택적으로 사용되나, 일반적으로 유도결합형 플라즈마 식각장치가 이방성 식각(anisotropic etching)을 용이하게 하고, 높은 식각율을 얻을 수 있으며, 동시에 기판의 표면손상을 감소시킬 수 있는 장점이 있어 선호된다.

그러나 플라즈마 식각장치에 있어서, 플라즈마 생성은 인가되는 소스·바이어스 고주파 전원 및 주파수, 유입되는 소스가스의 유량 및 압력, 그리고 안치된 기판의 온도 등과 같은 비교적 외부에서 제어하기 용이한 외부적 요인들에 의해 크게 좌우되나, 일단 플라즈마가 생성되고 나면 생성된 플라즈마의 밀도, 플라즈마를 이루는 이온들의 에너지 분포 및 플럭스(flux), 그리고 전자온도 등과 같이 외부에서 제어가 곤란한 플라즈마 내부적 요인들이 외부적 요인들과 상호 강하게 연관되어 적절하게 플라즈마를 제어하기가 어렵다는 문제점을 안고 있다.

또한, 종래 플라즈마 식각장치는 박막의 유전율에 따라 서로 상이한 이온 에너지 분포를 가지는 플라즈마를 생성시켜 식각을 하여야 함에도, 생성되는 플라즈마의 이온 에너지 분포를 적절하게 제어할 수 없는 문제점을 안고 있었는데, 이는 근자 활발하게 연구 중인 초미세 패턴 구현에 있어서는 더욱 그러하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 극복하기 위해 고안된 것으로서, 플라즈마의 전자온도 및 이온 에너지 분포를 적절하게 제어할 수 있는 장치를 제공함으로서 식각에 있어 선택비와 패턴 프로파일을 개선함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 이방성 식각을 용이하게 하고, 높은 식각율을 얻을 수 있으며, 식각되는 기판상의 패턴들에 플라즈마가 미치는 표면손상을 최소화할 수 있는 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.

도 1은 종래 유도결합 플라즈마 식각장치의 개략적인 구성도.

도 2는 도 1의 A부분 부분확대도

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이어스 제어 장치를 포함하는 유도결합 플라즈마 식각장치의 구성도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이어스 제어 장치를 포함하는 정전결합 플라즈마 식각장치의 구성도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 바이어스 제어 장치를 포함하는 정전결합 플라즈마 식각장치의 다른 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10, 100 : 진공 챔버 12, 120 : 코일부

13, 130 : 절연플레이트 14, 140 : 가스 분사부

150 : 플라즈마전극 16 : 절연판

17, 170 : 정전척 전극 20, 200 : 정전척

22, 220 : 포커스 링 24, 240 : 배플

260 : 절연체 링 30, 300 : 가스 유입관

40, 400 : 냉각제 유입, 유출관 60, 600 : 소스 제어 장치

70, 700 : 바이어스 제어 장치 80, 800 : 전원 공급부

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 다수의 바이어스 제어부와; 일단은 정전척에 연결되며, 타단은 상기 다수의 바이어스 제어부에 연결되는 스위치를 포함하는 바이어스 제어장치를 제공한다.

상기 다수의 바이어스 제어부 각각은, 바이어스 고주파 발진기와, 임피던스 매칭을 위해 상기 바이어스 고주파발진기와 상기 스위치사이에 연결되는 바이어스 매처를 포함한다.

상기 다수의 바이어스 제어부는, 300KHz 내지 2MHz 범위의 바이어스 고주파 발진기를 포함하는 제1 바이어스 제어부와; 2MHz 내지 28MHz 범위의 바이어스 고주파 발진기를 포함하는 제2 바이어스 제어부와; 28MHz 내지 300MHz 범위의 바이어스 고주파 발진기를 포함하는 제3 바이어스 제어부로 이루어진다.

또한 상기 스위치는 RF 모듈레이터, RF 아이솔레이터 또는 RF 필터 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 더욱 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보면 다음과 같은데, 동일한 부분에 대해서는 도면부호만 달리할 뿐 동일한 명칭을 사용하기로 한다.

본 발명에 따른 바이어스 제어장치는 기본적으로 다수의 바이어스 제어부와상기 제어부와 연결되는 스위치를 포함하는 데, 도 3은 그 예로 3개의 바이어스 제어부를 포함하는 바이어스 제어장치를 구비한 유도결합 플라즈마 식각장치의 구성도로서, 제1, 2, 3바이어스 제어부와, 상기 제1, 2, 3바이어스 제어부와 연결되는 스위치(780)를 포함하는 바이어스 제어장치(700)를 도시하고 있다.

상기 제1, 2, 3바이어스 제어부는 고주파를 발생시키며 일단이 접지되는 제1, 2, 3 바이어스 고주파 발진기(750, 760, 770)와, 임피던스 매칭을 위해 상기 제1, 2, 3 바이어스 고주파 발진기(750, 760, 770) 각각에 연결되는 제1, 2, 3바이어스 매처(720, 730, 740)로 이루어진다.

상기 제1, 2, 3바이어스 고주파 발진기(750, 760, 770)는 각각 일정 범위내의 주파수를 가지는 고주파를 발생시키게 되는데, 그 각각은 300KHz 내지 2MHZ, 2MHz 내지 28MHz, 그리고 28MHZ 내지 300MHz 범위 내가 바람직하다.

상기 스위치(780)는 일단이 정전척(200)과 연결되고, 타단이 상기 제1, 2, 3바이어스 제어부와 연결되며, 상기 제1, 2, 3바이어스 제어부 중에서 선택되는 어느 하나의 바이어스 제어부 또는 두 개 이상의 바이어스 제어부를 상기 정전척(200)과 연결시키는 역할을 한다.

상기 스위치(780)는 정전척(200)과 제1, 2, 3바이어스 제어부 중에서 선택되어지는 바이어스 제어부를 적절하게 연결시켜 주면 족하므로, RF 모듈레이터(radio frequency modulator), RF 아이솔레이터(radio frequency isolator) 또는 RF 필터(radio frequency filter) 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않음은 물론이다.

본 발명에 따른 바이어스 제어 장치의 작동구성은 다음과 같다.

기판(W)을 포커스 링(220)에 안치시켜 전원 공급부(800)에서 정전척 전극(170)에 전원을 인가하면, 기판은 정전력에 의해 상기 포커스 링(220)에 장착되어 고정되는데, 이 상태에서 진공 챔버(100) 상부의 가스 분사부(140)에서 상기 진공 챔버(100) 내부로 소스가스를 분사함과 동시에 정전척(200)에는 바이어스 전원이, 그리고 코일부(120)에는 소스 전원이 인가되면 상기 진공 챔버(100) 내부에 플라즈마(P)가 형성된다.

도 4는 본 발명에 따른 정전결합 플라즈마 식각장치의 구성을 도시한 것으로서, 도 3의 코일부(120)와 절연플레이트(130)를 플라즈마전극(150)으로 대치한 점에서만 차이가 있을 뿐, 나머지 구성은 유도결합 플라즈마 장치와 전반적으로 동일하다. 또한 소스 제어장치(600)가 챔버 상부에 인가되지 않고 도 5와 같이 정전척(200)에 인가되는 구조도 예상할 수 있다. 이 경우 정전척(200)은 인가되는 소스 제어장치(600)와 바이어스 제어장치(700)가 상호 절연될 수 있도록 구성되어야 한다.

어떠한 유형의 플라즈마 식각장치 이든지 간에, 바이어스 전원의 인가에 있어 고주파 발진기에서 생성되는 고주파의 진동수가 높아질수록 생성되는 플라즈마 이온 에너지 분포의 폭이 좁아지고(narrow width), 이와 반대로 고주파의 진동수가 낮아질수록 이온 에너지 분포의 폭이 넓어지는(wide width) 특성이 있다.

그리고 고 유전율을 가지는 물질로 이루어지는 박막은 다소 이온 에너지 분포의 폭이 넓은 이온들이 식각에 적합하고, 저 유전율을 가지는 물질 또는 유기물질로 이루어지는 박막은 다소 이온 에너지 분포의 폭이 좁은 이온들이 식각에 적합하다.

따라서 본 발명에 따른 바이어스 제어 장치에 있어서, 스위치를 식각하고자 하는 박막의 성질에 따라 고 유전율을 가지는 유전체 물질의 식각은 제1바이어스 제어부를, 저 유전율을 가지는 유전체 물질의 식각은 제3바이어스 제어부를 정전척과 연결시킴으로써, 식각되는 박막의 재질에 따른 세밀한 패턴 구현이 가능해지는 것이다.

또한, 정전척에 연결되는 바이어스 제어부를 조작함에 있어 스위치를 제1, 2, 3바이어스 제어부 중에서 두 개의 바이어스 제어부를 동시에 상기 정전척에 연결하는 경우는, 각각의 바이어스 제어부의 특징을 동시에 활용할 수 있으며, 만일 제1, 2, 3바이어스 제어부 모두를 동시에 연결하는 경우에는 소스 가스의 해리(dissociation)를 적절하게 조절할 수 있어 더욱 제고된 미세 패턴 또는 초미세 패턴의 구현 역시 가능해지는 것이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나 본 발명은 다양하게 변경 또는 수정이 가능함은 물론이다.

본 발명에 의하면, 정전척에 바이어스 전원을 인가함에 있어 식각되는 박막 물질에 따라 진동수를 각기 달리하는 복수 개의 바이어스 제어부 중에서 최적의 진동수를 가지는 고주파를 인가할 수 있도록 함으로써, 선택비와 패턴 프로파일의 개선을 제고할 수 있게 해준다.

또한, 본 발명은 복수 개의 바이어스 제어부 중에서 선택되는 하나 이상의 바이어스 제어부를 정전척과 연결될 수 있도록 함으로서 미세 패턴 가공시 CD(critical dimension) 바이어스 제어 및 플라즈마에 의한 기판의 손상을 최소화시킬 수 있게 해준다.

Claims (4)

1. 다수의 바이어스 제어부와;

   일단은 정전척에 연결되며, 타단은 상기 다수의 바이어스 제어부에 연결되는 스위치

   를 포함하는 바이어스 제어장치
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 바이어스 제어부 각각은, 바이어스 고주파 발진기와, 임피던스 매칭을 위해 상기 바이어스 고주파발진기와 상기 스위치사이에 연결되는 바이어스 매처를 포함하는 바이어스 제어 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 다수의 바이어스 제어부는, 300KHz 내지 2MHz 범위의 바이어스 고주파 발진기를 포함하는 제1 바이어스 제어부와; 2MHz 내지 28MHz 범위의 바이어스 고주파 발진기를 포함하는 제2 바이어스 제어부와; 28MHz 내지 300MHz 범위의 바이어스 고주파 발진기를 포함하는 제3 바이어스 제어부로 이루어지는 바이어스 제어장치
4. 제1항에 있어서,

   상기 스위치는 RF 모듈레이터, RF 아이솔레이터 또는 RF 필터 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 더욱 포함하는 바이어스 제어 장치.