KR20060018531A - Plasma process having enhanced productivity - Google Patents

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Abstract

향상된 생산성을 갖는 플라즈마 공정을 제공한다. 상기 플라즈마 공정은 플라즈마 공정 챔버 내의 웨이퍼 지지대 상에 반도체 웨이퍼를 위치시키는 것을 구비한다. 상기 반도체 웨이퍼와 상기 웨이퍼 지지대의 밀착성을 향상시키기 위하여 상기 반도체 웨이퍼를 제1 시간 동안 예비 플라즈마에 노출시킨다. 상기 반도체 웨이퍼를 상기 제1 시간을 포함하는 제2 시간동안 가열한다. 상기 반도체 웨이퍼를 공정 플라즈마에 노출시켜 플라즈마 처리한다.It provides a plasma process with improved productivity. The plasma process includes placing a semiconductor wafer on a wafer support in a plasma process chamber. The semiconductor wafer is exposed to a preliminary plasma for a first time to improve the adhesion between the semiconductor wafer and the wafer support. The semiconductor wafer is heated for a second time including the first time. The semiconductor wafer is exposed to a process plasma and subjected to plasma treatment.

예비 플라즈마 처리, 웨이퍼 가열, 플라즈마 공정, 플라즈마 처리Preliminary plasma treatment, wafer heating, plasma process, plasma treatment

Description

향상된 생산성을 갖는 플라즈마 공정{Plasma process having enhanced productivity}Plasma process having enhanced productivity

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정을 나타낸 공정 흐름도이다.1 is a process flow diagram illustrating a plasma process according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정에 사용되는 플라즈마 공정 챔버를 예시적으로 간략히 도시한 단면도이다. 2 is a schematic cross-sectional view of an exemplary plasma process chamber used in a plasma process according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위한 공정에 관한 것으로, 특히 향상된 생산성을 갖는 플라즈마 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a process for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a plasma process with improved productivity.

반도체 소자들을 제조하기 위하여, 많은 이송 및 가공 단계들이 반도체 웨이퍼에 연속적으로 적용된다. 일반적으로, 반도체 웨이퍼 상에 수많은 박막들을 증착하기도 하고, 수많은 열처리 공정이 실시되기도 한다. 반도체 소자를 제조하기 위하여 반도체 웨이퍼 상에 플라즈마 공정이 수행될 수 있다. 상기 플라즈마 공정은 플라즈마를 이용하여 수행되는 공정을 의미한다. 상기 플라즈마 공정을 통하여 반도체 웨이퍼 상에 박막을 형성할 수 있다. 또는, 상기 플라즈마 공정을 통하여 반 도체 웨이퍼 상에 형성되어 있는 박막의 특성을 개선하기 위하여 플라즈마 어닐을 수행할 수 있다. 상기 플라즈마 공정이 수행되기 위하여 플라즈마 장비를 사용한다. 상기 플라즈마 장비로는 상기 플라즈마 공정의 목적에 맞는 다양한 장비가 널리 알려져 있다. 상기 플라즈마 공정은 널리 알려진 기술이다. 예를 들어, 화학기상증착법, 플라즈마 어닐법 또는 건식 식각법 등이 플라즈마를 이용하여 공정을 진행한다. In order to fabricate semiconductor devices, many transfer and processing steps are applied successively to semiconductor wafers. In general, many thin films are deposited on a semiconductor wafer, and many heat treatment processes are performed. A plasma process may be performed on a semiconductor wafer to manufacture a semiconductor device. The plasma process means a process performed by using a plasma. A thin film may be formed on the semiconductor wafer through the plasma process. Alternatively, plasma annealing may be performed to improve characteristics of the thin film formed on the semiconductor wafer through the plasma process. Plasma equipment is used to perform the plasma process. As the plasma equipment, various equipments suitable for the purpose of the plasma process are widely known. The plasma process is a well known technique. For example, chemical vapor deposition, plasma annealing, or dry etching are performed using plasma.

플라즈마 공정의 프로세스 온도는 300℃ 이상의 고온에서 종종 진행된다. 반도체 웨이퍼는 상기 플라즈마 공정에 의하여 고온으로 가열된다. 상기 반도체 웨이퍼 주위의 온도를 실온에서 갑자기 고온으로 변화시키면, 반도체 웨이퍼에 열 쇼크(thermal shock)가 발생한다. 반도체 웨이퍼의 갑작스런 온도변화는 반도체 웨이퍼의 뒤틀림 또는 휨등의 현상이 발생되어 원하지 않는 공정 결과를 초래할 수 있다. 이에 대한 대안으로, 고온의 플라즈마 공정을 진행하기 위하여 반도체 웨이퍼 주위 온도를 단계적으로 증가시키는 공정이 사용되고 있다. 보다 구체적으로, 반도체 웨이퍼를 프로세스 챔버 내로 이송하여 웨이퍼 지지대 부근에 배치한다. 이어서, 반도체 웨이퍼 주위의 온도를 반도체 웨이퍼가 프로세스 온도로 예열되도록 증가시키는 반도체 웨이퍼의 예비 열처리 공정을 진행한 후, 고온의 플라즈마 공정을 진행한다. 이와 같은 방안은, 반도체 웨이퍼의 열 스트레스 및 기계적 스트레스를 감소시키지만, 전체 공정 시간을 늘리는 결과를 초래한다. 즉, 상기 반도체 웨이퍼의 온도를 예열시키는 시간만큼 전체 공정 시간은 늘어난다. 공정 시간은 비용과 연계되어 중요한 요소 중 하나로 인식되고 있다. 상기 공정 시간을 줄이기 위한 방안들 이 다각도로 연구되고 있다. The process temperature of the plasma process often proceeds at high temperatures of at least 300 ° C. The semiconductor wafer is heated to a high temperature by the plasma process. When the temperature around the semiconductor wafer changes suddenly from room temperature to high temperature, thermal shock occurs on the semiconductor wafer. Sudden changes in temperature of the semiconductor wafer may cause warpage or warpage of the semiconductor wafer, resulting in undesired process results. As an alternative to this, a step of increasing the temperature around the semiconductor wafer in order to proceed with the high temperature plasma process is used. More specifically, the semiconductor wafer is transferred into the process chamber and placed near the wafer support. Subsequently, after performing a preliminary heat treatment process of the semiconductor wafer which increases the temperature around the semiconductor wafer so that the semiconductor wafer is preheated to the process temperature, a high temperature plasma process is performed. This approach reduces the thermal and mechanical stress of the semiconductor wafer, but results in an increase in the overall process time. That is, the total process time is increased by the time for preheating the temperature of the semiconductor wafer. Process time is recognized as an important factor in relation to cost. Measures for reducing the process time have been studied in various angles.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 향상된 생산성을 갖는 플라즈마 공정을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a plasma process having improved productivity.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 실시예는 향상된 생산성을 갖는 플라즈마 공정을 제공한다. In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention provides a plasma process with improved productivity.

상기 플라즈마 공정은 플라즈마 공정 챔버 내의 웨이퍼 지지대 상에 반도체 웨이퍼를 위치시키는 것을 구비한다. 상기 반도체 웨이퍼와 상기 웨이퍼 지지대의 밀착성을 향상시키기 위하여 상기 반도체 웨이퍼를 제1 시간 동안 예비 플라즈마에 노출시킨다. 상기 반도체 웨이퍼를 상기 제1 시간을 포함하는 제2 시간동안 가열한다. 상기 반도체 웨이퍼를 공정 플라즈마에 노출시켜 플라즈마 처리한다. The plasma process includes placing a semiconductor wafer on a wafer support in a plasma process chamber. The semiconductor wafer is exposed to a preliminary plasma for a first time to improve the adhesion between the semiconductor wafer and the wafer support. The semiconductor wafer is heated for a second time including the first time. The semiconductor wafer is exposed to a process plasma and subjected to plasma treatment.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the spirit of the present invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정을 나타낸 공정 흐름도이 고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정에 사용되는 플라즈마 공정 챔버를 예시적으로 간략히 도시한 단면도이다. 1 is a process flow diagram illustrating a plasma process according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a plasma process chamber used in the plasma process according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체 웨이퍼(107)를 플라즈마 공정 챔버(109) 내로 로딩한다.(S1) 이 경우에, 상기 반도체 웨이퍼(107)는 상기 플라즈마 공정 챔버(109) 내의 가열 장치(105)가 구비된 웨이퍼 지지대(103) 상에 배치된다. 상기 가열 장치(105)가 구비된 상기 웨이퍼 지지대(103)는 전원 장치(101)와 연결된다. 상기 전원 장치(101)는 상기 가열 장치(105)에 전류를 공급하여 발열시킬 수 있으며, 상기 웨이퍼 지지대(103)에 RF-파워를 인가할 수 있다. 상기 가열 장치(105)는 열을 발생시킬 수 있는 코일 또는 저항체일 수 있다. 1 and 2, the semiconductor wafer 107 is loaded into the plasma process chamber 109. (S1) In this case, the semiconductor wafer 107 is a heating apparatus (in the plasma process chamber 109). 105 is disposed on the wafer support 103 provided. The wafer support 103 with the heating device 105 is connected to the power supply 101. The power supply 101 may generate heat by supplying a current to the heating device 105, and may apply RF power to the wafer support 103. The heating device 105 may be a coil or a resistor capable of generating heat.

상기 플라즈마 공정 챔버(109) 내의 상기 반도체 웨이퍼(107) 상에 예비 열처리 공정을 진행한다. 상기 예비 열처리 공정은 예비 플라즈마(pre-plasma) 처리(S2) 및 반도체 웨이퍼 가열(pre-heat) 공정(S3)으로 진행된다. A preliminary heat treatment process is performed on the semiconductor wafer 107 in the plasma process chamber 109. The preliminary heat treatment process is performed by a pre-plasma treatment (S2) and a semiconductor wafer pre-heat process (S3).

상기 예비 플라즈마 처리(S2)는 상기 반도체 웨이퍼(107)와 상기 웨이퍼 지지대(103)의 밀착성을 향상시키기 위하여 상기 반도체 웨이퍼(107)를 제1 시간 동안 예비 플라즈마(111)에 노출시키는 공정이다. 상기 예비 플라즈마(111)는 50 내지 1000W의 RF 파워에 의하여 발생될 수 있다. 상기 예비 플라즈마 처리(S2) 시간은 0.1초 내지 20초일 수 있다. 플라즈마 공정의 생산성 측면에서 보면, 상기 예비 플라즈마 처리(S2) 시간은 짧을수록 바람직하다. 상기 플라즈마 공정 챔버(109) 내의 압력은 10 내지 250Pa로 할 수 있다. 상기 예비 플라즈마 처리(S2)에서 플라즈마 소스 가스는 후속 공정인 공정 플라즈마 처리 조건에 의하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 예비 플라즈마 소스 가스는 Ar을 포함하는 불활성 가스, 산소를 포함하는 가스 또는 질소를 포함하는 가스일 수 있다. 상기 예비 플라즈마(111)의 활성화에 의하여 상기 반도체 웨이퍼(107)의 전면 상에 약한 정전기장을 유도시킴으로써, 상기 반도체 웨이퍼(107)의 보잉 현상을 줄여 준다. 그 결과, 상기 반도체 웨이퍼(107)와 상기 웨이퍼 지지대(103)의 밀착도를 높여준다. 상기 예비 플라즈마(111)에 의하여 상기 반도체 웨이퍼(107)와 상기 웨이퍼 지지대(103) 사이에서 발생된 정전력은 상기 반도체 웨이퍼(107)와 상기 웨이퍼 지지대(103)의 밀착도를 높여준다. 상기 예비 플라즈마 처리(S2)에 의하여 상기 웨이퍼 지지대(103)와 상기 반도체 웨이퍼(107)의 밀착도를 높이기 위한 별도의 장치 없이 상기 웨이퍼 지지대(103)와 상기 반도체 웨이퍼(107)의 밀착도를 높일 수 있다. The preliminary plasma treatment S2 is a process of exposing the semiconductor wafer 107 to the preliminary plasma 111 for a first time in order to improve the adhesion between the semiconductor wafer 107 and the wafer support 103. The preliminary plasma 111 may be generated by RF power of 50 to 1000W. The preliminary plasma treatment (S2) time may be 0.1 seconds to 20 seconds. In terms of productivity of the plasma process, the shorter the preliminary plasma treatment (S2) time is, the better. The pressure in the plasma process chamber 109 may be 10 to 250 Pa. In the preliminary plasma processing S2, the plasma source gas may be determined by process plasma processing conditions which are subsequent processes. For example, the preliminary plasma source gas may be an inert gas containing Ar, a gas containing oxygen, or a gas containing nitrogen. By activating the preliminary plasma 111, a weak electrostatic field is induced on the entire surface of the semiconductor wafer 107, thereby reducing the bowing phenomenon of the semiconductor wafer 107. As a result, the adhesion between the semiconductor wafer 107 and the wafer support 103 is increased. The electrostatic force generated between the semiconductor wafer 107 and the wafer support 103 by the preliminary plasma 111 increases the adhesion between the semiconductor wafer 107 and the wafer support 103. The adhesion between the wafer support 103 and the semiconductor wafer 107 may be increased without a separate device for increasing the adhesion between the wafer support 103 and the semiconductor wafer 107 by the preliminary plasma treatment S2. .

상기 전원 장치(101)로부터 상기 가열 장치(105)에 전류를 공급하여 열을 발생시키는 반도체 웨이퍼 가열 공정을 진행한다.(S3) 상기 반도체 웨이퍼 가열 공정(S3)은 상기 예비 플라즈마 처리(S2)가 시작됨과 동시에 진행될 수 있다. 상기 가열 장치(105)로부터 발생된 열이 상기 반도체 웨이퍼(107)의 온도를 증가시킨다. 상기 반도체 웨이퍼 가열 공정(S3)은 750℃ 이하의 온도에서 실시될 수 있다. 상기 반도체 웨이퍼 가열 공정(S3)은 20초 내지 180초 동안 실시될 수 있다.보다 상세하게는, 상기 반도체 웨이퍼(107)는 상기 예비 플라즈마 처리(S2)에 의하여 상기 웨이퍼 지지대(103)와의 밀착도가 높아진 상태이다. 그 결과, 상기 웨이퍼 지지대(103)의 상부면으로부터 상기 반도체 웨이퍼(107)로 전달되는 열은 효과적으로 전달될 수 있다. 반도체 웨이퍼 가열 공정(S3) 시간은 상기 플라즈마 처리 공정을 수 행하지 않았을 경우에 비하여 더욱 짧아지게 된다. 상기 예비 열처리 공정 시간은 줄어들게 된다. 상기 반도체 웨이퍼 가열 공정(S3)이 수행된 반도체 웨이퍼 상에 공정 플라즈마를 노출시켜 플라즈마 처리를 한다.(S4) 상기 플라즈마 처리(S4)는 고온에서 플라즈마를 이용하여 공정을 진행하는 것을 의미한다. 상기 공정 플라즈마 처리(S4)는 200℃이상의 고온에서 실시될 수 있다. 상기 플라즈마 처리(S4)는 플라즈마 CVD, 플라즈마 PVD, 플라즈마 식각 또는 플라즈마 열처리등의 플라즈마를 이용하는 공정을 의미한다.The semiconductor wafer heating step of generating heat by supplying current to the heating device 105 from the power supply device 101 is performed. It can be started at the same time as it starts. Heat generated from the heating device 105 increases the temperature of the semiconductor wafer 107. The semiconductor wafer heating process S3 may be performed at a temperature of 750 ° C. or less. The semiconductor wafer heating process S3 may be performed for 20 seconds to 180 seconds. More specifically, the semiconductor wafer 107 has a degree of adhesion with the wafer support 103 by the preliminary plasma treatment S2. It is elevated. As a result, heat transferred from the upper surface of the wafer support 103 to the semiconductor wafer 107 can be effectively transferred. The semiconductor wafer heating step (S3) time is shorter than when the plasma processing step is not performed. The preliminary heat treatment process time is reduced. Plasma treatment is performed by exposing a process plasma onto a semiconductor wafer on which the semiconductor wafer heating step S3 has been performed (S4). The plasma treatment S4 means that a plasma process is performed at a high temperature. The process plasma treatment (S4) may be carried out at a high temperature of 200 ℃ or more. The plasma treatment S4 refers to a process using plasma such as plasma CVD, plasma PVD, plasma etching, or plasma heat treatment.

예를 들면, 상기 플라즈마 처리(S4)는 고유전막(high-k dielectric layer)에 대한 플라즈마 처리를 하는 공정일 수 있다. 상기 고유전막은 Al2O3, HfO2, Ta2O5, La2O5, ZrO2 중에서 선택된 적어도 하나의 막 일 수 있다. 상기 고유전막에 대하여 공정 플라즈마 처리를 하기 위하여, 우선 상기 고유전막을 갖는 반도체 웨이퍼를 플라즈마 공정 챔버 내에 로딩시킨다.(S1) 상기 플라즈마 공정 챔버 내에 예비 플라즈마를 활성화시키는 예비 플라즈마 처리를 실시하여 상기 반도체 웨이퍼와 웨이퍼 지지대의 밀착도를 높인다.(S2) 상기 예비 플라즈마를 활성화시킴과 동시에 상기 반도체 웨이퍼의 온도를 높여주는 반도체 웨이퍼 가열공정을 진행한다.(S3) 상기 고유전막에 대한 공정 플라즈마 처리를 하기 위하여, 산소를 포함하는 가스를 소스 가스로서 공급한 후, 플라즈마 처리를 한다.(S4) 이와 같은 상기 고유전막에 대한 공정 플라즈마 처리 이외에, 플라즈마를 이용하는 모든 공정에 대하여 본 발명이 이용될 수 있음은 당업자라면 이해할 것이다. For example, the plasma treatment S4 may be a process of performing a plasma treatment on a high-k dielectric layer. The high dielectric layer may be at least one selected from Al 2 O 3 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , La 2 O 5 , and ZrO 2 . In order to perform a process plasma treatment on the high dielectric film, a semiconductor wafer having the high dielectric film is first loaded into a plasma process chamber. (S1) The semiconductor wafer is subjected to a preliminary plasma process for activating a preliminary plasma in the plasma process chamber. And increase the adhesion of the wafer support. (S2) A semiconductor wafer heating process is performed to activate the preliminary plasma and increase the temperature of the semiconductor wafer. (S3) In order to perform a process plasma treatment on the high dielectric film, After supplying a gas containing oxygen as a source gas, plasma treatment is performed. (S4) In addition to the process plasma treatment for the high-k dielectric film, the present invention can be used for all processes using plasma. I will understand.

결론적으로, 상기 플라즈마 처리(S4)가 고온에서 실시되거나 또는 고온의 열을 발생시키는 경우, 반도체 웨이퍼에 대한 예비 열처리 공정은 필요하다. 상기 예비 열처리 공정을 진행함으로써, 상기 반도체 웨이퍼의 열적 스트레스를 줄여줄 수 있다. 그 결과, 상기 반도체 웨이퍼의 뒤틀림 또는 휨 현상등을 방지할 수 있다. 그러나, 상기 플라즈마 처리(S4)를 진행하기 전에 실시되는, 종래의 예비 열처리 공정은 전체 반도체 제조 공정 시간을 늘어나게 한다. 결국, 공정 시간이 늘어난다는 것은 생산 비용이 증가된다고 볼 수 있다. In conclusion, when the plasma treatment S4 is performed at a high temperature or generates high temperature heat, a preliminary heat treatment process for the semiconductor wafer is necessary. By performing the preliminary heat treatment process, thermal stress of the semiconductor wafer can be reduced. As a result, distortion or warpage of the semiconductor wafer can be prevented. However, the conventional preliminary heat treatment process, which is performed before the plasma treatment S4 is performed, increases the overall semiconductor manufacturing process time. As a result, the increase in processing time increases the production cost.

본 발명의 실시예에서와 같이 예비 열처리 공정을 실시하면, 종래의 예비 열처리 공정에 비하여 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 반도체 웨이퍼가 예비 플라즈마 처리에 의하여 상기 웨이퍼 지지대에 더욱 밀착되어, 상기 반도체 웨이퍼 표면의 온도 균일성은 종래 기술에 비하여 더욱 높아질 수 있다. 반도체 웨이퍼 표면의 온도 균일성이 높아진 상태에서 후속 공정을 진행하게 되면, 반도체 웨이퍼 전체에 걸쳐서 균일한 플라즈마 공정 처리가 가능해진다.By performing the preliminary heat treatment process as in the embodiment of the present invention, the process time can be shortened as compared with the conventional preheat process. In addition, the semiconductor wafer is further brought into close contact with the wafer support by the preliminary plasma treatment, so that the temperature uniformity of the surface of the semiconductor wafer can be higher than in the prior art. If the subsequent process is performed while the temperature uniformity of the semiconductor wafer surface is increased, a uniform plasma process can be performed over the entire semiconductor wafer.

<실험예들; examples>Experimental Examples; examples>

이하에서는, 플라즈마 공정에서 플라즈마 처리 전에 반도체 웨이퍼의 급격한 온도변화에 의한 열 스트레스 및 기계적 스트레스를 방지하고자 실시하는 반도체 웨이퍼의 예비 열처리 방법들이 후속 공정에 미치는 영향을 실험하였다. 상기 실험을 진행하기 위하여 다음과 같은 장비를 준비하였다. In the following, the effects of pre-heating methods of the semiconductor wafer to prevent the thermal stress and mechanical stress caused by the rapid temperature change of the semiconductor wafer in the plasma process to the subsequent process was examined. In order to proceed with the experiment, the following equipment was prepared.

상기 플라즈마 어닐을 실시하기 위한 장비로써, MMT 플라즈마 어닐(Modified Magnetron Type Plasma Anneal) 장비를 사용하였다. 본 실험에서 사용된 MMT 플라 즈마 어닐 장비는 플라즈마 공정 챔버 내에서 플라즈마가 점화(ignition)되어 활성화될 경우에, 플라즈마의 분포 형태를 균일하게 할 수 있도록 고안된 장비이다. 즉, 상기 플라즈마 공정 챔버 외벽에 영구 자석(permanent margnet)을 배치하여, 상기 영구 자석의 위치를 조정함으로써 플라즈마를 가장 균일하도록 형성하고, 플라즈마 어택(plasma attack)을 최소화 할 수 있는 장비이다.상기 MMT 플라즈마 어닐 장비의 특징은 영구 자석의 형태와 배치 그리고 플라즈마 공정 챔버 디자인의 개선으로 플라즈마 어닐에 알맞은 플라즈마 분포를 얻을 수 있는데 있다. As the equipment for performing the plasma annealing, MMT plasma annealing (Modified Magnetron Type Plasma Anneal) equipment was used. The MMT plasma annealing equipment used in this experiment is designed to make the distribution shape of plasma uniform when the plasma is ignited and activated in the plasma processing chamber. In other words, by placing a permanent margnet on the outer wall of the plasma process chamber, the position of the permanent magnet is adjusted to form the most uniform plasma and minimize the plasma attack. Plasma anneal equipment is characterized by the shape and placement of permanent magnets and the improvement of the plasma process chamber design to achieve a plasma distribution suitable for plasma anneal.

상기 플라즈마 어닐 장비의 플라즈마 공정 챔버 내에 반도체 웨이퍼를 로딩한다. 상기 반도체 웨이퍼는 챔버 내의 웨이퍼 지지대 상에 위치한다. 상기 웨이퍼 지지대는 상기 웨이퍼 지지대 상에 상기 반도체 웨이퍼를 밀착시키기 위한 별도의 장치가 없다. 상기 웨이퍼 지지대는 질화알루미늄(AlN)로 형성되어 있고, 상기 웨이퍼 지지대 내에는 가열 장치가 있다. 상기 웨이퍼 지지대 및 가열 장치는 전원 장치와 연결되어 있다. The semiconductor wafer is loaded into the plasma processing chamber of the plasma annealing apparatus. The semiconductor wafer is located on a wafer support in the chamber. The wafer support does not have a separate device for bringing the semiconductor wafer into close contact with the wafer support. The wafer support is made of aluminum nitride (AlN), and there is a heating device in the wafer support. The wafer support and heating device are connected to a power supply.

본 발명의 실시예에 따른 효과를 검증하기 위하여, 다음과 같이 예비 열처리 공정들을 실시한 후 반도체 웨이퍼 상에 공정 플라즈마 처리를 진행하였다. 상기 공정 플라즈마 처리는 모든 실험예에서 동일한 조건으로 실시하였다. 이어서, 상기 실험 결과들를 분석하기 위하여, 상기 반도체 웨이퍼 상에 형성된 산화막의 두께 편차를 측정하였다. 상기 산화막의 두께 편차는 반도체 웨이퍼를 산소 플라즈마 처리 한 후, 반도체 웨이퍼 전체에 걸쳐서 형성된 산화막 두께의 차이를 나타낸다. 보다 구체적으로, 반도체 웨이퍼 전체에 걸쳐서 산화막 두께가 가장 두께운 영역과 산화막 두께가 가장 얇은 영역의 산화막 두께 차이를 나타낸다. In order to verify the effect according to the embodiment of the present invention, after performing the preliminary heat treatment process as follows, a process plasma treatment was performed on the semiconductor wafer. The process plasma treatment was performed under the same conditions in all experimental examples. Then, in order to analyze the experimental results, the thickness variation of the oxide film formed on the semiconductor wafer was measured. The thickness variation of the oxide film represents a difference in oxide film thickness formed over the entire semiconductor wafer after oxygen plasma treatment of the semiconductor wafer. More specifically, the oxide film thickness difference between the region having the thickest oxide film and the region having the thinnest oxide film is shown throughout the semiconductor wafer.

본 실험에서의 예비 열처리 공정은 공정 방법에 따라 3가지 그룹으로 구분하여 실시하였고, 각각의 그룹으로 구분된 공정들은 공정 시간들을 변수로 하여 다시 3가지로 나누어서 다음과 같이 실시하였다. The preliminary heat treatment process in this experiment was divided into three groups according to the process method, and the processes divided into each group were divided into three again using the process time as variables.

[실험 A 그룹] : 예비 플라즈마 처리 없이, 가열 장치에 의한 반도체 웨이퍼의 가열 온도를 250℃에서 진행하는 반도체 웨이퍼 가열 공정을 실시하였다. 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간을 60초, 90초, 180초로 각각 실시하였다. [실험 A1]은 반도체 웨이퍼의 가열시간을 60초, [실험 A2]는 반도체 웨이퍼의 가열시간을 90초, [실험 A3]은 반도체 웨이퍼의 가열시간을 180초로 각각 실시하였다. [Experiment A group]: A semiconductor wafer heating step of advancing the heating temperature of the semiconductor wafer by the heating apparatus at 250 ° C. without preliminary plasma treatment was performed. The semiconductor wafer heating process time was performed at 60 second, 90 second, and 180 second, respectively. [Experiment A1] performed the heating time of the semiconductor wafer at 60 seconds, [Experiment A2] performed the heating time of the semiconductor wafer at 90 seconds, and [Experiment A3] performed the heating time of the semiconductor wafer at 180 seconds.

[실험 B 그룹] : 아르곤 분위기에서, 예비 플라즈마 처리를 RF 파워 500W 에서 10초간 실시하고, 250℃에서 진행하는 반도체 웨이퍼 가열 공정을 실시하였다. 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간은 다음과 같이 각각 실시하였다. [실험 B1]은 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간을 50초, [실험 B2]는 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간을 80초, [실험 B3]은 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간을 170초로 각각 나누어 실시하였다.[Experiment B group]: In an argon atmosphere, a preliminary plasma treatment was performed for 10 seconds at 500 W of RF power, and a semiconductor wafer heating step was performed at 250 ° C. The semiconductor wafer heating process time was performed as follows, respectively. [Experiment B1] performed the semiconductor wafer heating process time by 50 seconds, [Experiment B2] performed the semiconductor wafer heating process time by 80 seconds, and [Experiment B3] divided the semiconductor wafer heating process time by 170 second, respectively.

[실험 C 그룹] : 아르곤 분위기에서, 예비 플라즈마 처리와 반도체 웨이퍼 가열 공정을 같은 공정 시간동안 동시에 실시하였다. 상기 예비 플라즈마 처리는 RF 파워 500W에서 실시하고, 상기 반도체 웨이퍼 가열 공정은 250℃에서 실시하였다. 이 경우에, 다음과 같이 시간을 구분하여 실험을 진행하였다. [실험 C1]은 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간을 60초, [실험 C2]는 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간을 90초, [실험 C3]은 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간을 180초로 각각 실시하였다. [Experiment C group]: In an argon atmosphere, a preliminary plasma treatment and a semiconductor wafer heating step were simultaneously performed during the same process time. The preliminary plasma treatment was performed at RF power 500 W, and the semiconductor wafer heating process was performed at 250 ° C. In this case, the experiment was conducted by dividing the time as follows. [Experiment C1] performed the semiconductor wafer heating process time for 60 seconds, [Experiment C2] performed the semiconductor wafer heating process time for 90 seconds, and [Experiment C3] performed the semiconductor wafer heating process time for 180 seconds, respectively.

상기 각각의 예비 열처리 공정들을 진행한 후, 아르곤 분위기의 챔버를 산소 분위기의 챔버로 변화시켰다. 이 경우에, 산소를 공급하여 산소 분위기의 챔버로 변화시키는데 5초의 시간이 소요되었다. 상기 각각의 예비 열처리 공정들이 수행된 반도체 웨이퍼들을 모두 동일한 조건으로 산소 플라즈마 처리하였다. 상기 산소 플라즈마 처리는 RF 파워 500W에서 60초 동안 실시하였다. After each of the preliminary heat treatment processes, the chamber in the argon atmosphere was changed to the chamber in the oxygen atmosphere. In this case, it took 5 seconds to supply oxygen and change it into a chamber of oxygen atmosphere. The semiconductor wafers subjected to the respective preliminary heat treatment processes were all subjected to oxygen plasma treatment under the same conditions. The oxygen plasma treatment was performed for 60 seconds at 500W RF power.

[실험 A1], [실험 A2] 및 [실험 A3]을 각각 실시하였을 경우, 반도체 웨이퍼 상에 형성된 산화막 두께 편차는 각각 1.27, 0.67, 0.58[Å]을 나타내었다. When [Experiment A1], [Experiment A2] and [Experiment A3] were each performed, the oxide film thickness deviations formed on the semiconductor wafer showed 1.27, 0.67, and 0.58 [mm], respectively.

[실험 B1], [실험 B2] 및 [실험 B3]을 실시하였을 경우, 산화막 두께 편차는 각각 0.92, 0.69, 0.59[Å]을 나타내었다.When [Experiment B1], [Experiment B2] and [Experiment B3] were conducted, the oxide film thickness deviations were 0.92, 0.69, and 0.59 [kV], respectively.

[실험 C1], [실험 C2] 및 [실험 C3]을 실시하였을 경우, 산화막 두께 편차는 각각 1.3, 1.46, 1.87[Å]을 나타내었다. When [Experiment C1], [Experiment C2] and [Experiment C3] were conducted, the oxide film thickness deviations were 1.3, 1.46, and 1.87 [kV], respectively.

상기 실험들의 결과들을 살펴보면, 상기 [실험 C그룹]의 산화막 두께 편차가 상기 [실험 A그룹] 및 [실험 B그룹]에 비하여 큰 것으로 나타났다. 이것은 상기 예비 플라즈마 처리 시간이 늘어날수록 플라즈마 공정에 있어서 바람직하지 않다는 것을 보여준다.Looking at the results of the experiments, it was found that the oxide film thickness variation of the [Experiment C group] is larger than the [Experiment A group] and the [Experiment B group]. This shows that as the preliminary plasma treatment time increases, it is not preferable in the plasma process.

상기 [실험 A그룹] 및 [실험 B그룹]의 실험결과들을 살펴보면 다음과 같다.상기 [실험 A그룹] 및 [실험 B그룹]은 산화막 두께 편차가 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간이 길어질수록 낮게 나왔다. 이것은, 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간이 길어질수록 반도체 웨이퍼와 웨이퍼 지지대의 밀착도는 더욱 높아지게 되고, 반도체 웨 이퍼 표면의 온도 균일성은 보다 개선된다는 것을 의미한다. 이와 같은 결과는 후속 공정인 플라즈마 처리 시에 발생되는 공정 플라즈마의 균일도가 높아졌음을 의미한다. 그러나, 공정 시간이 길어질수록 반도체 제조 공정의 생산성 측면에서 불리하게 된다.The experimental results of the [Experiment A group] and the [Experiment B group] are as follows. This means that the longer the semiconductor wafer heating process time, the higher the adhesion between the semiconductor wafer and the wafer support, and the more uniform the temperature uniformity of the semiconductor wafer surface. This result means that the uniformity of the process plasma generated during the subsequent plasma treatment is increased. However, the longer the processing time, the more disadvantageous in terms of productivity of the semiconductor manufacturing process.

상기 [실험 A2]의 결과 및 상기 [실험 B2]의 결과가 유사하게 나왔고, 또한 상기 [실험 A3]의 결과 및 상기 [실험 B3]의 결과가 유사하게 나왔다. 이와 같은 결과는 예비 플라즈마 처리시간이 짧고 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간이 길어질 경우에, 예비 열처리 공정의 공정 변수는 반도체 웨이퍼 가열 공정 시간에 의하여 결정된다는 것을 보여준다. 그러나, 공정 시간이 길어지는 것은 바람직하지 않다.The result of [Experiment A2] and the result of [Experiment B2] came out similarly, and the result of [Experiment A3] and the result of [Experiment B3] came out similarly. These results show that when the preliminary plasma treatment time is short and the semiconductor wafer heating process time is long, the process parameters of the preliminary heat treatment process are determined by the semiconductor wafer heating process time. However, it is not desirable to increase the process time.

상기 [실험 A1] 및 상기 [실험 B1]의 결과를 분석하면 다음과 같다. [실험 A1]의 실험결과는 두께 편차가 1.27Å 이고, 상기 [실험 B1]의 실험결과는 두께 편차가 0.92Å으로 나왔다. 이것은, 상기 예비 플라즈마 처리를 짧은 시간동안 실시해주는 것이, 상기 반도체 웨이퍼 가열 공정만을 실시하는 것보다 바람직하다는 것을 보여준다. 보다 상세하게는, 상기 예비 플라즈마 처리에 의하여 반도체 웨이퍼의 휨 또는 뒤틀림등을 줄여주어 반도체 웨이퍼와 웨이퍼 지지대의 밀착도를 높여 주었다는 것을 의미한다. 상기 반도체 웨이퍼와 웨이퍼 지지대의 밀착도가 높아지게 됨에 따라, 상기 웨이퍼 지지대로부터 상기 반도체 웨이퍼로 전달되는 열이 고르게 전달되어, 반도체 웨이퍼 표면의 온도 균일도가 종래기술에 비하여 개선된다. 이와 같은 결과는, 플라즈마 처리 시에 반도체 웨이퍼 표면 상에서 형성되는 공정 플라즈마가 보다 균일해진다는 것을 의미한다.The results of the above [Experiment A1] and [Experiment B1] are as follows. The experimental result of [Experiment A1] has a thickness variation of 1.27 ms, and the experimental result of [Experiment B1] has a thickness variation of 0.92 ms. This shows that it is preferable to perform the preliminary plasma treatment for a short time than to perform only the semiconductor wafer heating process. More specifically, it means that the preliminary plasma treatment reduces the warpage or distortion of the semiconductor wafer, thereby increasing the adhesion between the semiconductor wafer and the wafer support. As the adhesion between the semiconductor wafer and the wafer support becomes higher, heat transferred from the wafer support to the semiconductor wafer is evenly transferred, thereby improving the temperature uniformity of the surface of the semiconductor wafer compared with the prior art. Such a result means that the process plasma formed on the semiconductor wafer surface at the time of plasma processing becomes more uniform.

[실험 A그룹] 및 [실험 B그룹]에서, 산화막 두께 편차가 1Å인 경우의 예비 열처리 공정시간을 비교해보면, 상기 [실험 A그룹}에서는 대략 75초 정도의 공정시간이 소요되고, 상기 [실험 B그룹]에서는 60초 미만의 공정 시간이 소요된다는 것을 알 수 있다. 이것은, 동일한 효과를 나타내기 위하여, 상기 예비 플라즈마 처리를 수행하였을 경우가 상기 반도체 웨이퍼 가열 공정만을 수행하였을 경우 보다 공정시간이 단축됨을 의미한다. 예비 열처리 공정 시간을 줄이고자 할 경우에, 예비 플라즈마 처리를 실시해주는 것이 반도체 웨이퍼 가열 공정만을 진행하는 경우보다 더욱 효과적임을 알 수 있다.In the [Experiment A group] and the [Experiment B group], when comparing the preliminary heat treatment process time when the oxide film thickness deviation is 1 ms, the [Experiment A group] takes about 75 seconds, and the [Experimental] B group], it can be seen that less than 60 seconds process time. This means that the process time is shorter when the preliminary plasma treatment is performed than when only the semiconductor wafer heating process is performed. In the case of shortening the preliminary heat treatment process time, it can be seen that performing the preliminary plasma treatment is more effective than performing only the semiconductor wafer heating process.

결론적으로, 반도체 웨이퍼의 예비 열처리 공정 시간은 짧을수록 좋다. 그러나, 상기 예비 열처리 공정의 주목적은 반도체 웨이퍼의 급격한 열변화를 방지하고자 하는데 있는 만큼, 너무 빠른 열변화는 바람직하지 않다. 그러나, 본 발명의 실시예에서와 같이, 예비 플라즈마 처리를 실시함과 동시에 반도체 웨이퍼 가열 공정을 진행하는 반도체 웨이퍼의 예비 열처리 공정은 반도체 웨이퍼와 웨이퍼 지지대의 밀착도를 높여주어, 상기 웨이퍼 지지대으로부터 전달되는 열이 반도체 웨이퍼 전면에 고르게 전달될 수 있도록 한다. 그 결과, 상기 반도체 웨이퍼의 열적 스트레스 및 기계적 스트레스를 줄이면서, 웨이퍼의 예비 열처리 공정 시간을 줄일 수 있다. 또한, 이와 같은 결과는 반도체 웨이퍼 표면의 온도 분포를 보다 균일하게 해주어, 후속 공정인 플라즈마 처리시에 발생되는 공정 플라즈마의 균일성을 보다 높여주어, 반도체 웨이퍼 전체에 걸쳐서 고른 플라즈마 처리가 가능하게 해준다.In conclusion, the shorter the pre-heating process time of the semiconductor wafer is, the better. However, since the main purpose of the preliminary heat treatment process is to prevent a sudden thermal change of the semiconductor wafer, too fast thermal change is not preferable. However, as in the embodiment of the present invention, the preliminary heat treatment process of the semiconductor wafer which performs the preliminary plasma treatment and the semiconductor wafer heating process increases the adhesion between the semiconductor wafer and the wafer support, and is transferred from the wafer support. Allows heat to be transferred evenly to the front of the semiconductor wafer. As a result, while reducing the thermal stress and mechanical stress of the semiconductor wafer, it is possible to reduce the pre-heating process time of the wafer. In addition, this result makes the temperature distribution on the surface of the semiconductor wafer more uniform, thereby increasing the uniformity of the process plasma generated in the subsequent plasma processing, and enabling even plasma treatment throughout the semiconductor wafer.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 반도체 웨이퍼의 예비 플라즈마 처리에 의하여 반도체 웨이퍼와 웨이퍼 지지대의 밀착도는 높아진다. 이에 따라 상기 웨이퍼 지지대으로부터 상기 반도체 웨이퍼로 전달되는 열은 효과적으로 전달될 수 있다. 그 결과, 상기 반도체 웨이퍼의 보잉 현상과 같은 기계적 스트레스를 줄일 수 있고, 상기 반도체 웨이퍼의 열 스트레스를 줄이기 위한 반도체 예비 가열 공정 시간을 줄일 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 공정에서 공정 시간을 단축시킬 수 있으므로, 반도체 제조 공정의 생산성을 개선시킬 수 있다. As described above, according to the embodiment of the present invention, the adhesion between the semiconductor wafer and the wafer support is increased by the preliminary plasma treatment of the semiconductor wafer. Accordingly, heat transferred from the wafer support to the semiconductor wafer can be effectively transferred. As a result, mechanical stress such as the bowing phenomenon of the semiconductor wafer can be reduced, and the semiconductor preheating process time for reducing the thermal stress of the semiconductor wafer can be reduced. As a result, since the process time can be shortened in the plasma process, the productivity of the semiconductor manufacturing process can be improved.

Claims (7)

플라즈마 공정 챔버 내의 웨이퍼 지지대 상에 반도체 웨이퍼를 위치시키고,Placing the semiconductor wafer on a wafer support in the plasma processing chamber, 상기 반도체 웨이퍼와 상기 웨이퍼 지지대의 밀착성을 향상시키기 위하여 상기 반도체 웨이퍼를 제1 시간 동안 예비 플라즈마에 노출시키고,Exposing the semiconductor wafer to a preliminary plasma for a first time to improve the adhesion between the semiconductor wafer and the wafer support; 상기 반도체 웨이퍼를 상기 제1 시간을 포함하는 제2 시간동안 가열하고,Heating the semiconductor wafer for a second time including the first time, 상기 반도체 웨이퍼를 공정 플라즈마에 노출시켜 플라즈마 처리하는 것을 포함하는 플라즈마 공정.Plasma processing by exposing the semiconductor wafer to a process plasma. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 웨이퍼 지지대는 상기 반도체 웨이퍼를 가열하기 위한 가열 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정.And the wafer support comprises a heating device for heating the semiconductor wafer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 예비 플라즈마 공정은 50 내지 1000W의 RF 파워에 의하여 발생되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정.The preliminary plasma process is generated by the RF power of 50 to 1000W. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 시간은 0.1초 내지 20초인 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정.The first time is a plasma process, characterized in that 0.1 to 20 seconds. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제2 시간은 20초 내지 180초인 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정.The second time is a plasma process, characterized in that 20 to 180 seconds. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 반도체 웨이퍼를 가열하는 것은 750℃ 이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정.Heating the semiconductor wafer is performed at a temperature of 750 ° C. or less. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 플라즈마 처리는 플라즈마 CVD, 플라즈마 PVD, 플라즈마 식각 또는 플라즈마 열처리인 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정.The plasma treatment is plasma CVD, plasma PVD, plasma etching or plasma heat treatment.
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