KR20070036215A - 반도체소자 제조용 건식식각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼의 중앙부와 에지부에서의 CD 차이를 최소화하고 낫오픈 현상을 방지할 수 있는 반도체소자제조용 건식식각 장치를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 반도체소자 제조용 건식식각 장치는 웨이퍼 상의 피식각층 표면을 식각하기 위한 반응 가스가 제공되는 챔버, 상기 챔버의 하부에 구비되며, 원기둥 형상을 갖는 바디부와 상기 바디부의 상부면으로부터 돌출되며 상기 웨이퍼를 고정 지지하기 위한 돌출부를 포함하는 정전척, 상기 웨이퍼 상에 상기 반응 가스를 포커싱하기 위해 원형 링 형상으로 상기 돌출부의 가장자리를 둘러싸도록 구비되는 실리콘산화물 재질의 포커스링, 및 상기 포커스링의 외주면 및 상부면 일부를 둘러싸도록 구비되는 커버링을 포함하고, 이와 같은 본 발명은 커버링(특히 이너커버링)의 구조를 포커스링을 위로 일부 감싸는 구조로 바꿈과 동시에 그 재질을 실리콘산화물로 변경하여 웨이퍼 에지부의 CD를 증가시키므로써 웨이퍼 중앙부와 에지부의 CD 차이를 거의 동일 수준으로 확보하여 안정적적인 공정관리가 가능하고, 낫오픈 현상의 가능성을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

건식식각, 웨이퍼, 정전척, 커버링, 포커스링, CD

Description

반도체소자 제조용 건식식각장치{DRY ETCHING APPARATUS FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}

도 1은 종래기술에 따른 반도체소자 제조용 건식식각장치의 구조 개략도,

도 2는 종래기술에 따른 웨이퍼의 중앙부와 에지부에서의 CD 차이를 나타낸 사진,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조용 건식식각장치의 구조도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼의 중앙부와 에지부에서의 CD 차이를 나타낸 사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 챔버 110 : 정전척

120 : 포커스링 130 : 이너커버링

140 : 아웃커버링 150 : 베이스링

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 식각균일도를 개선시킨 반도체소자 제조용 건식식각장치에 관한 것이다.

반도체 소자를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 형성 및 가공하고, 가공된 웨이퍼를 선별하는 작업등을 수행한다. 상기 가공을 위해서 사진(photo) 공정, 식각(etching) 공정, 확산 공정, 박막 공정 등의 단위 공정이 반복적으로 실시된다.

상기 공정 중에서 식각 공정은 크게 건식 식각(dryetching)과 습식 식각(wet etching)으로 나눌 수 있으며, 현재 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 등방성(isotropic)특성을 나타내는 습식 식각에 비해 이방성(anisotropic) 특성을 나타내는 건식 식각이 많이 이용된다. 건식 식각에는 플라즈마 식각, 이온 빔 밀링(ion beam milling), 반응성 이온 식각(reactive ion etch:RIE) 등의 방식이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 반도체소자 제조용 건식식각 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 정전척(ESC) 위에 식각될 피식각층이 형성된 웨이퍼(W)가 놓이고, 정전척(ESC)의 측부에는 정전척을 주변부로부터 절연시켜주기 위한 여러개의 절연성 물질의 링이 구비된다.

예컨대, 정전척의 측부 중 하측부분에는 정전척의 하측부분을 절연시켜주는 베이스링(Base ring, 11)이 설치되고, 정전척(ESC)의 측부 중 상측부분에는 정전척(ESC)의 상측부분을 절연시켜주는 커버링(12, 13)이 설치된다. 여기서, 커버링(12, 13)은 아웃커버링(Out cover ring, 12)과 이너커버링(Inner cover ring, 13)으로 구성된다.

또한, 웨이퍼(W)가 안착될 수 있도록 하는 정전척(ESC)의 측부 곧, 커버링(12, 13) 중 이너커버링(13)의 일측 상면에는 플라즈마 상태인 반응가스를 웨이퍼(W)측으로 모으기 위한 포커스링(Focus ring, 14)이 설치된다. 여기서, 포커스링(14)은 이너커버링(13)과 정전척(ESC)의 에지에 동시에 걸치는 형태가 된다.

그러나, 도 1과 같은 식각장치는 웨이퍼 끝단 10nm 정도 바깥쪽에서 식각률 감소가 급격하게 발생하고 있다.

도 2는 종래기술에 따른 웨이퍼의 중앙부와 에지부에서의 CD 차이를 나타낸 사진이다.

도 2에 도시된 것처럼, 웨이퍼 중앙부에서는 87nm로 측정되고, 에지부에서는 75nm로 측정되어 웨이퍼 중앙부와 웨이퍼 에지부의 CD(Critical Dimension) 차이가 10nm 이상 발생하고 있음을 알 수 있다.

이로 인하여 웨이퍼의 균일도는 악화되어 공정관리에 어려운 점이 있으며, 취약한 부분에서는 콘택홀의 낫오픈(Not open) 문제도 발생한다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 웨이퍼의 중앙부와 에지부에서의 CD 차이를 최소화하고 낫오픈 현상을 방지할 수 있는 반도체소자제조용 건식식각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자 제조용 건식식각 장치는 웨이퍼 상의 피식각층 표면을 식각하기 위한 반응 가스가 제공되는 챔버, 상기 챔버의 하부에 구비되며, 원기둥 형상을 갖는 바디부와 상기 바디부의 상부면으로부터 돌출되며 상기 웨이퍼를 고정 지지하기 위한 돌출부를 포함하는 정전척, 상기 웨이퍼 상에 상기 반응 가스를 포커싱하기 위해 원형 링 형상으로 상기 돌출부의 가장자리를 둘러싸도록 구비되는 포커스링, 및 상기 포커스링의 외주면 및 상부면 일부를 둘러싸도록 구비되는 커버링을 포함하는 것을 특징으로 하고, 바람직하게 상기 커버링의 재질은 실리콘산화물인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조용 건식식각장치의 구조를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 건식식각 장치는 챔버(100), 정전척(110), 포커스링(120), 이너커버링(130), 아웃커버링(140) 및 베이스링(150)을 포함한다.

먼저, 챔버(100)는 공정이 진행되기 위한 공간을 제공한다. 도시되지는 않았지만 챔버(100)의 상부에는 가스 주입구가 있고, 챔버(100)의 하부에는 배출구가 있다. 가스 주입구는 고주파 전원과 연결되어 있어, 가스 주입구를 통해 주입된 웨이퍼(W) 상의 피식각층을 식각하기 위한 반응 가스가 고주파 전압에 의해서 플라즈 마 상태로 변환된다. 플라즈마 상태의 반응 가스는 포토레지스트 패턴이 형성되지 않은 피식각층의 표면과 반응함에 따라 피식각층의 소정영역을 식각한다.

정전척(110)은 챔버(100)의 하부에 구비된다. 정전척(110)은 원기둥 형상을 갖는 바디부(111)와, 바디부(111)의 상부면으로부터 돌출되어 웨이퍼(W)를 지지하기 위한 돌출부(112)를 포함한다. 돌출부(112) 역시 바디부(111)의 형상과 같은 원기둥 형상을 갖는다. 바디부(111)의 지름이 돌출부(112)의 지름보다 크다. 돌출부(112)에는 웨이퍼(W)을 상승 또는 하강시키기 위한 리프트 설비(도시 생략)가 설치되어 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 식각 공정 진행중에 웨이퍼(W)의 배면을 냉각시키기 위한 헬륨 가스를 공급하는 헬륨 가스 공급관이 정전척(110)의 내부를 통하여 돌출부(112)의 상부면까지 형성되는 것이 바람직하다. 정전척(110)은 공급된 반응 가스를 플라즈마 상태로 변환시키기 위해 고주파 전압이 인가되는 전극의 역할도 한다.

포커스링(120)은 정전척(110)의 돌출부(112)의 측면 외주면과 정전척(110)의 바디부(111)의 상부면을 둘러싸도록 구비되는 원형 링 형상으로서, 포커스링(120)의 일부가 정전척(110)이 측면 외측으로 돌출된 상태이다.

위와 같은 포커스링(120)은 전극 역할을 하는 정전척(110)과 접하여 전극의 면적을 넓혀주는 역할을 한다. 또한 포커스링(120)은 웨이퍼(W) 상에 반응 가스를 포커싱하여 피식각층의 표면이 잘 식각되도록 한다. 포커스링(120)은 반도체의 성질을 가지는 실리콘(Si) 재질로 형성된다.

이너커버링(Inner cover ring, 130)은 포커스링(120)의 외주면 및 상부면 일 부를 둘러싸도록 구비된다. 이너커버링(130)은 반응가스에 의한 식각을 최소화하기 위해 실리콘산화물(SiO₂)로 형성된다.

아웃커버링(140)은 이너커버링(130)의 외주면을 둘러싸도록 구비된다. 아웃커버링(140)은 반응 가스에 의한 식각을 최소화하기 위해 석영(Quartz) 재질로 형성한다.

상기 이너커버링(130) 및 아웃커버링(140)은 정전척(110)과 포커스링(120)의 외측에서 절연체 역할을 하며, 웨이퍼가 흔들리는 것을 방지하는 역할도 한다.

마지막으로, 베이스링(150)는 포커스링(120), 이너커버링(130) 및 아웃커버링(140)의 하부를 지지하면서, 또한 정전척(110)의 바디부(111)의 외주면을 둘러싸도록 구비된다. 결국, 포커스링(120), 이너커버링(130), 아웃커버링(140) 및 베이스링(150)은 정전척(110)의 주변부와 정전척(110)을 절연시키기 위한 절연물질의 절연링이다. 베이스링(150)은 아웃커버링(140)과 동일하게 석영(Quartz) 재질로 형성한다.

도 3에서, 포커스링(120)은 베이스링(150)과 정전척(110)의 바디부(111) 상부면에 동시에 걸치는 형태가 되며, 또한 커버링(130, 140) 중 이너커버링(130)에 의해 일측 측부 및 상면이 덮이게 된다. 즉, 이너커버링(130)은 베이스링(150)의 상면에 형성되고, 아웃커버링(140)의 일측면과 접촉하면서 포커스링(120)의 일측 측부와 상면의 일부를 덮는 형태가 된다. 예컨대, 이너커버링(130)은 "┗"가 아닌 "┏" 형태로서, 포커스링(120)을 아래로 감싸던 구조를 포커스링(120)을 위로 일부 감싸는 구조로 변경한다.

따라서, 포커스링(120)을 위로 일부 감싸는 구조의 이너커버링(130)에 의해 웨이퍼(W)의 에지부와 이너커버링(130)간 간격(S2)이 좁아져 웨이퍼(W)의 에지부와 이너커버링(130)이 근접한 형태가 된다. 즉, 이너커버링(130)이 웨이퍼 에지부쪽으로 더 근접한 형태가 된다. 참고로, 본 발명의 웨이퍼 에지부와 이너커버링간 간격(S2)은 종래 이너커버링과 웨이퍼 에지부간 간격(S1)에 비해 더욱 좁다.

그리고, 이너커버링(130)은 그 재질이 실리콘산화물(SiO₂)이다. 참고로, 종래기술에서 이너커버링은 석영(Quartz)이다. 이처럼, 이너커버링(130)의 재질을 실리콘산화물로 바꾸는 이유는 옥시전 효과(Oxygen effect)를 유발하기 위함이며, 옥시전 효과를 유발하므로써 웨이퍼 에지부에서의 CD를 증가시키는 효과를 얻는다.

이하, 이상과 같이 구성된 건식식각장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 웨이퍼 이송암(미도시) 등에 의해 챔버(100)의 정전척(110) 상에 식각될 피식각층이 형성된 웨이퍼(W)가 로딩(Loading)되면, 챔버(100)에는 소정 반응가스의 공급과 함께 소정 전력이 인가된다.

이에 챔버(100)에 공급되는 반응가스는 인가된 전력에 의해 유도되는 전기장에 의해 활성화되면서 플라즈마 가스상태로 변환된다.

이후, 플라즈마 상태의 반응가스는 포커스링(120)의 작용에 의해 웨이퍼(W) 방향으로 집중되어서 정전척(110) 상에 로딩된 웨이퍼(W) 상의 피식각층을 식각하게 된다.

이러한 식각공정동안 구조 및 재질이 바뀐 이너커버링(130)에 의해 즉, 이너커버링(130)과 웨이퍼 에지부가 근접하게 되고 실리콘산화물의 옥시젼 효과에 의해 웨이퍼 에지부에서의 CD가 증가한다(옥시젼 효과는 웨이퍼 중앙부에는 영향을 미치지 않는다). 통상적으로, 식각공정에서 웨이퍼 중앙부와 에지부에서 CD 차이가 발생하는데, 본 발명은 웨이퍼 에지부의 CD를 증가시켜 중앙부와 에지부의 CD를 거의 동일한 수준으로 확보한다.

전술한 바에 따르면, 본 발명은 이너커버링(130)을 포커스링(120)의 일측 측부와 상면의 일부를 감싸는 형태로 설치하고 그 재질을 실리콘산화물로 바꾸고 있다.

이로써, 석영재질의 이너커버링으로 포커스링을 바깥쪽 아래로 감싸던 구조일때의 웨이퍼 에지부 CD에 비해 10nm 이상 증가하는 결과를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼의 중앙부와 에지부에서의 CD 차이를 나타낸 사진이다.

도 4에 도시된 바에 따르면, 웨이퍼 중앙부에서는 88nm로 측정되고, 에지부에서는 86nm로 측정되어 웨이퍼 중앙부와 웨이퍼 에지부의 CD(Critical Dimension) 차이가 2nm에 불과함을 알 수 있다.

이처럼, 웨이퍼 에지부의 CD가 종래 75nm였던 것에 비해 상대적으로 증가한 86nm가 되는 이유는 전술한 바와 같이 이너커버링의 구조를 포커스링을 위로 일부 감싸는 구조로 바꿈과 동시에 그 재질을 실리콘산화물로 변경하므로써 얻는 것이다.

결국, 본 발명은 웨이퍼 중앙부와 에지부의 CD 차이를 현저히 감소시키고, 즉 거의 동일 수준의 CD를 확보하게 되어 안정적인 공정관리가 가능하고, 낫오픈 현상의 가능성을 크게 감소시킨다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은 이너커버링의 구조를 포커스링을 위로 일부 감싸는 구조로 바꿈과 동시에 그 재질을 실리콘산화물로 변경하여 웨이퍼 에지부의 CD를 증가시키므로써 웨이퍼 중앙부와 에지부의 CD 차이를 거의 동일 수준으로 확보하여 안정적적인 공정관리가 가능하고, 낫오픈 현상의 가능성을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 웨이퍼 상의 피식각층 표면을 식각하기 위한 반응 가스가 제공되는 챔버;

   상기 챔버의 하부에 구비되며, 원기둥 형상을 갖는 바디부와 상기 바디부의 상부면으로부터 돌출되며 상기 웨이퍼를 고정 지지하기 위한 돌출부를 포함하는 정전척;

   상기 웨이퍼 상에 상기 반응 가스를 포커싱하기 위해 원형 링 형상으로 상기 돌출부의 가장자리를 둘러싸도록 구비되는 포커스링; 및

   상기 포커스링의 외주면 및 상부면 일부를 둘러싸도록 구비되는 커버링

   을 포함하는 반도체소자 제조용 건식 식각 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 커버링의 재질은 실리콘산화물인 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조용 건식식각 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 포커스링의 재질은 실리콘인 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조용 건식식각 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 커버링의 외주면을 둘러싸도록 구비되는 제1절연링;

   상기 포커스링, 커버링 및 제1절연링의 하부를 지지하면서, 상기 정전척의 바디부의 외주면을 둘러싸도록 구비된 제2절연링

   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조용 건식식각 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1절연링과 상기 제2절연링의 재질인 석영인 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조용 건식식각 장치.

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