KR20070068571A - 반도체 디바이스 제조를 위한 플라즈마 식각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 디바이스 제조를 위한 플라즈마 식각 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 플라즈마 식각 장치의 프로세스 챔버 내부로 공정 가스를 주입하는 캐소드를 구현함에 있어서, 상기 캐소드의 하부면에 주변 영역에 비해 중심 영역에 상대적으로 적은 개수의 공정 가스 분사홀을 형성함을 특징으로 한다. 이처럼, 캐소드 하부면의 중심 영역에 타 영역에 비해 보다 적은 개수의 공정 가스 분사홀을 형성함으로써, 프로세스 챔버의 중심 영역으로는 타 영역에 비해 보다 적은 양의 공정 가스가 분사되도록 한다. 그 결과, 프로세스 챔버 내부의 전체 영역에 공정 가스가 고르게 플로우되어 플라즈마 또한 프로세스 챔버 전체 영역에 고르게 분포됨으로써, 웨이퍼 전체 영역에 대해 균일한 공정 산포를 얻을 수 있게 된다.

반도체, 캐소드, 공정 가스 분사홀, 플라즈마, 공정 산포

Description

반도체 디바이스 제조를 위한 플라즈마 식각 장치{plasma etching apparatus for semiconductor device manufacturing}

도 1은 반도체 디바이스 제조를 위한 통상의 플라즈마 식각 장치의 단면 구조를 나타낸다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1실시예에 따른 캐소드 구조를 나타낸다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2실시예에 따른 캐소드 구조를 나타낸다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제3실시예에 따른 캐소드 구조를 나타낸다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100: 프로세스 챔버 102: 정전척

104: 웨이퍼 106: 가이드 링

108: RF 전원 110: 캐소드

112: 공정 가스 분사홀 114: 플라즈마

120: 컨파인먼트 링(116: 상부 컨파인먼트 링, 118: 하부 컨파인먼트 링)

본 발명은 반도체 디바이스 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 디바이스 제조를 위해 플라즈마를 이용하여 웨이퍼 상부의 물질막을 패터닝하는 플라즈마 식각 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 디바이스는 웨이퍼 표면 상부에 여러 가지 기능을 수행하는 박막을 증착하고 이를 패터닝하여 다양한 회로 기하구조를 형성함으로써 제조하게 되는데, 이러한 반도체 디바이스를 제조하기 위한 공정은 크게 반도체 기판 내부로 3B족 또는 5B족의 불순물을 주입하는 이온주입 공정, 반도체 기판 상에 물질막을 형성하는 증착(deposition)공정, 상기 물질막을 소정의 패턴으로 형성하는 식각 공정, 그리고 웨이퍼 상부에 층간절연막등을 증착한 후에 일괄적으로 웨이퍼 표면을 연마하여 단차를 없애는 평탄화(CMP:Chemical Mechanical Polishing) 공정을 비롯하여 불순물 제거를 위한 웨이퍼 세정공정등과 같은 여러 단위 공정들로 구분할 수 있다. 반도체 디바이스를 제조하기 위해서는 상기와 같은 여러 단위 공정들을 반복 실시하게 되는데, 이러한 단위공정별로 해당 공정을 수행하기 위한 각각의 공정 설비가 사용된다.

특히, 상기 식각 공정은 증착된 전체 물질막 중에서 필요한 부분은 남겨두고 불필요한 부분은 제거하기 위한 공정으로서, 용액성 화학물질을 사용하여 물질막을 패터닝하는 습식 식각 및 용액성 화학물질을 사용하지 않고 가스 플라즈마나 이온빔 또는 스퍼터링을 이용하여 물질막을 패터닝하는 건식 식각으로 크게 구분할 수 있다. 그러나, 최근 반도체 소자의 고집적화 추세가 가속됨에 따라 메모리셀을 구 성하는 각각의 단위 영역들간의 단차가 증가하여 종횡비(aspect ratio)가 증가됨으로 인하여 보다 미세한 가공기술들의 연구가 불가피한 실정이다. 따라서, 밀착성이 나쁘고 감광막과 하부물질막 사이에 식각에천트가 스며들어 패터닝의 정확도가 불량한 단점이 있는 습식 식각은 제한적으로 실시되는 반면, 감광막의 밀착성을 특히 우수하게 유지하여야 할 필요성이 습식 식각에 비해 낮으며, 사이드 에치가 적어 정확한 프로파일이 얻어지는 장점이 있는 건식 식각 공정이 광범위하게 실시되고 있다. 이러한 건식 식각공정으로서는 플라즈마, 스퍼터링 또는 이온 빔을 이용한 건식 식각 공정이 통상적으로 행해지고 있다.

그러나, 플라즈마 식각 설비를 이용하여 웨이퍼 상부의 물질막에 대해 식각 공정을 실시함에 있어서, 웨이퍼 영역에 따라 공정 산포가 서로 달라지는 문제점이 있다. 이는 프로세스 챔버 내부로 주입되어 플로우되는 공정 가스의 양과 상기 공정 가스에 의해 형성된 플라즈마 입자들이 프로세스 챔버 전체에 고르게 분포되지 못함으로 인해 야기되는 것으로 분석되고 있다. 특히, 프로세스 챔버 내부로 주입된 공정 가스는 프로세스 챔버의 중심 영역으로 밀집되는 현상을 보이게 되는데, 이로 인해 플라즈마 또한 프로세스 챔버의 중심 영역에 밀집하게 된다. 따라서, 프로세스 챔버의 중심 영역에 플라즈마가 밀집된 상태에서 웨이퍼 상부의 물질막에 대해 식각 공정을 실시할 경우, 실제 웨이퍼 상부의 공정 산포 또한 에지 영역에 비해 센터 영역이 조밀한 특성을 보이게 된다. 이처럼, 웨이퍼 영역에 따라 공정 산포가 불균일하게 나타날 경우, 반도체 디바이스의 신뢰성이 저하될 뿐 아니라 수율에도 심각한 악영향을 미치게 된다.

상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 프로세스 챔버 내부에 공정 가스가 고르게 플로우될 수 있도록 하는 플라즈마 식각 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 프로세스 챔버 내부에 플라즈마가 고르게 형성될 수 있도록 하는 플라즈마 식각 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 웨이퍼 전체 영역에 대해 균일한 공정 산포를 얻을 수 있도록 하는 플라즈마 식각 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 반도체 디바이스의 신뢰성 및 수율 저하를 방지할 수 있는 플라즈마 식각 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 식각 장치는, 웨이퍼가 로딩되며, 플라즈마 형성을 위한 전원공급부가 연결되어 있는 정전척; 상기 정전척에 로딩된 웨이퍼의 슬라이딩을 방지하기 위하여 웨이퍼의 에지영역을 감싸고 있는 가이드 링; 및 프로세스 챔버 내부로 플라즈마 형성을 위한 공정 가스를 공급하며, 그 하부면에는 주변 영역에 비해 중심 영역에 보다 적은 개수의 공정 가스 분사홀이 형성되어 있는 캐소드를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 식각 장치는, 웨이퍼가 로딩되며, 플라즈마 형성을 위한 전원공급부가 연결되어 있는 정전 척; 상기 정전척에 로딩된 웨이퍼의 슬라이딩을 방지하기 위하여 웨이퍼의 에지영역을 감싸고 있는 가이드 링; 프로세스 챔버 내부로 플라즈마 형성을 위한 공정 가스를 공급하는 캐소드; 및 상기 캐소드의 하부면을 구성하며, 상기 캐소드를 통해 공급되는 공정 가스가 프로세스 챔버의 전체 영역중 중심 영역으로 보다 적은양이 분사되도록 하는 공정 가스 분사홀을 포함함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 카테고리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

하기의 도 1에는 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정중의 하나인 LRC사의 EXELAN 설비의 단면 구조가 개략적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 상기 EXELAN 설비의 프로세스 챔버(100) 내부의 하부 영역에는 웨이퍼(104)가 로딩되는 정전척(102), 상기 정전척(102)에 로딩된 웨이퍼(104)의 에지영역을 감싸는 형태의 가이드 링(106)이 형성되어 있다. 그리고 상기 정전척(102) 내부에는 전극(도시되지 않음)이 형성되어 있으며, 이러한 전극은 RF 전원(108)과 연결된다.

그리고, 프로세스 챔버(100) 내부의 상부 영역에는 플라즈마 형성을 위한 공정 가스가 주입되는 캐소드(110)가 형성되어 있다. 그리고, 상기 캐소드(110)의 하부면에는 상기 캐소드(110)로부터 주입된 공정 가스를 프로세스 챔버(100) 내부로 분사시키기 위한 공정 가스 분사홀(112)이 형성되어 있다. 따라서, 플라즈마 식각 공정시 상기 공정 가스 분사홀(112)을 통해 프로세스 챔버(100) 내부로 유입된 공정 가스는 RF 전원(108)을 인가함에 의해 플라즈마(114) 상태가 되어 웨이퍼(104) 표면에 증착되어 있는 물질막을 식각하게 된다. 그리고, 상기 플라즈마 식각 공정을 위해 발생된 플라즈마(114)가 웨이퍼(104) 상부에만 작용할 수 있도록 하는 컨파인먼트 링(120)이 형성되어 있다. 즉, 상기 컨파인먼트 링(120)은 플라즈마에 의한 식각 효율을 높이기 위하여, 프로세스 챔버(100) 내부에 발생된 플라즈마가 웨이퍼(104) 이외의 영역으로 벗어나는 것을 최소화하기 위해 설치되는 것으로서, 상부 컨파인먼트 링(116) 및 하부 컨파인먼트 링(118)으로 이루어져 있다. 그리고, 상기 컨파인먼트 링(120)은 통상적으로 쿼르츠(quartz) 재질로 제작된다.

종래에는 공정 가스가 분사되는 공정 가스 분사홀이 캐소드 하부면에 균일한 간격으로 형성되어 있었다. 따라서, 공정 가스 분사홀을 통해서 균일한 양의 공정 가스가 분사되더라도 프로세스 챔버의 중심 영역으로 공정 가스가 밀집되는 현상으로 인하여 플라즈마 또한 프로세스 챔버의 중심 영역에 조밀하게 형성되었다. 이처럼 플라즈마 입자들이 프로세스 챔버 전체에 고르게 분포되지 못할 경우, 웨이퍼 상부의 공정 산포 또한 에지 영역에 비해 센터 영역이 조밀한 특성을 보이게 되어 결과적으로 반도체 디바이스의 신뢰성 및 수율 저하가 야기되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하고자, 상기 캐소드(110)의 구조를 개선하였다. 즉, 플라즈마를 이용한 식각 설비에 있어서, 캐소드(110) 하부면에 형성되어 있는 공정 가스 분사홀(112)의 형태에 따라 웨이퍼 전체 영역에 대한 공정 산포가 결정되는 점에 착안하여, 공정 가스 분사홀(112)의 형태를 개선하였다. 하기 도 2a 내지 도 4b에는 본 발명의 실시예에 따른 캐소드의 하부면 구조가 도시되어 있다.

먼저, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1실시예에 따른 캐소드(200) 하부면의 구조를 나타낸다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 캐소드(200) 하부면의 중심 영역(204)에는 주변 영역(202)에 비해 보다 적은 개수의 공정 가스 분사홀이 형성되어 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2실시예에 따른 캐소드(300) 하부면의 구조를 나타낸다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 제1실시예에서와 같이 캐소드(300) 하부면의 중심 영역(304)에는 주변 영역(302)에 비해 보다 적은 개수의 공정 가스 분사홀이 형성되어 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제3실시예에 따른 캐소드(400) 하부면의 구조를 나타낸다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 제1실시예 및 제2실시예에서와 같이 캐소드(400) 하부면의 중심 영역(404)에는 주변 영역(402)에 비해 보다 적은 개수의 공정 가스 분사홀이 형성되어 있다.

이처럼, 캐소드(200,300,400) 하부면에 공정 가스 분사홀을 형성함에 있어서, 중심 영역(204,304,404)의 공정 가스 분사홀의 개수를 주변 영역(202,302,402)에 비해 상대적으로 적게 형성할 경우, 프로세스 챔버의 중심 영역을 향해 분사되는 공정 가스의 양을 보다 줄일 수 있게 된다. 그로 인해 프로세스 챔버 내부로 주입된 공정 가스가 프로세스 챔버의 중심 영역으로 밀집되는 현상이 발생되더라도 최초에 프로세스 챔버의 중심 영역을 향해 분사되는 공정 가스의 양이 종래에 비해 희박하므로, 프로세스 챔버 내부의 전체 영역에 공정 가스가 고르게 플로우된다. 그리고, 프로세스 챔버 내부의 전체 영역에 공정 가스가 고르게 플로우됨으로 인해 플라즈마 또한 프로세스 챔버 내부의 전체 영역에 고루 분포된다. 또한, 프로세스 챔버 내부에 플라즈마가 고르게 분포함으로 인해 웨이퍼 전체 영역에 대해 균일한 공정 산포를 얻을 수 있게 되어 반도체 디바이스의 신뢰성 및 수율 저하를 방지할 수 있게 된다. 실제, 상기 도 2 내지 도 4에 도시된 것과 같은 형태로 공정 가스 분사홀이 형성된 캐소드를 플라즈마 식각 공정에 적용할 경우, 종래의 공정 산포(15nm)가 3~4nm로 개선되는 효과를 확인할 수 있다.

또한, 종래에는 캐소드와 캐소드 주변 구조물의 재질이 서로 다름으로 인하여 공정 가스의 흐름이 원활하지 못했으며, 파티클 발생률이 높았다. 그러나, 본 발명에서는 캐소드 및 캐소드 주변 구조물을 동일한 재질로 형성함으로써, 공정 가스의 흐름을 보다 원활히 할 수 있으며, 파티클 발생율 또한 저하시킬 수 있게 된다.

이상, 상기 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 여러 실시예에 따른 공정 가스 분사홀의 형태를 제시하였다. 그러나, 이는 본 발명의 목적 달성을 위해 제시된 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명의 핵심적 기술사상, 즉, 프로세스 챔버 내부로 주입되는 공정 가스 분사량을 영역별로 차별화시킬 수 있는 범위 내에서 그 형태는 얼마든지 변경 가능하다. 즉, 상기 실시예에서는 프로세스 챔버의 중심 영역으로 보다 적은 양의 공정 가스가 분사되도록 하는 목적을 이루기 위하여, 캐소 드 하부면의 중심 영역에 보다 적은 개수의 공정 가스 분사홀을 형성한 것이다. 이처럼, 공정 특성에 따라 캐소드 하부면에 공정 가스 분사홀의 개수를 차별화하여 형성함으로써, 이루고자 하는 소정의 목적을 달성할 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는, 프로세스 챔버 내부로 공정 가스를 주입하는 캐소드 하부면의 공정 가스 분사홀을 형성함에 있어서, 주변 영역에 비해 중심 영역에 상대적으로 적은 개수의 공정 가스 분사홀을 형성한다. 그 결과, 프로세스 챔버의 중심 영역으로는 타 영역에 비해 보다 적은 양의 공정 가스가 분사되어 프로세스 챔버의 중심 영역으로 공정 가스가 밀집되는 현상이 발생되더라도 프로세스 챔버 내부의 전체 영역에 공정 가스가 고르게 플로우된다. 그리고, 공정 가스로부터 발생되는 플라즈마 또한 프로세스 챔버 전체 영역에 고르게 분포하여 웨이퍼 전체 영역에 대해 균일한 공정 산포를 얻을 수 있게 되어, 결과적으로 반도체 디바이스의 신뢰성 및 수율 저하를 방지할 수 있게 된다. 또한, 상기 캐소드 및 캐소드 주변 구조물을 동일한 재질로 형성함으로써, 공정 가스의 흐름을 보다 원활히 할 수 있으며, 파티클 발생율 또한 현저히 줄일 수 있다.

Claims (5)

1. 반도체 디바이스 제조를 위한 플라즈마 식각 장치에 있어서:

   웨이퍼가 로딩되며, 플라즈마 형성을 위한 전원공급부가 연결되어 있는 정전척;

   상기 정전척에 로딩된 웨이퍼의 슬라이딩을 방지하기 위하여 웨이퍼의 에지영역을 감싸고 있는 가이드 링; 및

   프로세스 챔버 내부로 플라즈마 형성을 위한 공정 가스를 공급하며, 그 하부면에는 주변 영역에 비해 중심 영역에 보다 적은 개수의 공정 가스 분사홀이 형성되어 있는 캐소드를 포함함을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조를 위한 플라즈마 식각 장치.
2. 반도체 디바이스 제조를 위한 플라즈마 식각 장치에 있어서:

   웨이퍼가 로딩되며, 플라즈마 형성을 위한 전원공급부가 연결되어 있는 정전척;

   상기 정전척에 로딩된 웨이퍼의 슬라이딩을 방지하기 위하여 웨이퍼의 에지영역을 감싸고 있는 가이드 링;

   프로세스 챔버의 전체 영역중 타 영역에 비해 중심 영역으로 보다 적은양의 공정 가스가 분사되도록 하는 공정 가스 분사홀이 하부면에 형성되어 있는 캐소드 를 포함함을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조를 위한 플라즈마 식각 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 캐소드 하부면에는 주변 영역에 비해 중심 영역에 상대적으로 적은 개수의 공정 가스 분사홀이 형성되어 있음을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조를 위한 플라즈마 식각 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 프로세스 챔버 내부에 형성된 플라즈마가 웨이퍼 이외의 영역으로 벗어나는 것을 방지하기 위하여 컨파인먼트 링을 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조를 위한 플라즈마 식각 장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 컨파인먼트 링은 프로세스 챔버의 상부 영역에 형성되어 있으며, 상부 컨파인먼트 링 및 하부 컨파인먼트 링으로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 디바이스 제조를 위한 플라즈마 식각 장치.

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