KR20100001552A - Etching apparatus using plasma and method of etching using plasma - Google Patents

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신철호
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Abstract

PURPOSE: An etching apparatus using plasma and a method of etching using the plasma are provided to accelerate a minus charged particle which is projected to a substrate by controlling and synchronizing radio frequencies of an etch apparatus. CONSTITUTION: In a etching apparatus using plasma and a method of etching using the plasma, a process chamber(110) etches a thin film on a substrate on a lower electrode by using plasma which is generated by a bias power and a source power. A bias power unit](112) transfers a radio frequency of the bias power to a pulse type mode. A source power unit(114) transfers the radio frequency of the source power to the pulse-type mode. A synchronizing unit(120) synchronizes a supply time of the pulse-type radio frequencies of the bias power and the source power.

Description

플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법{Etching apparatus using plasma and method of etching using plasma}Etching apparatus using plasma and method of etching using plasma

본 발명은 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 기판 상에 형성된 박막을 식각하여 우수한 패턴을 형성할 수 있는 플라즈마를 이용하는 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an etching apparatus and a plasma etching method using a plasma. More specifically, the present invention relates to an etching apparatus using a plasma capable of etching a thin film formed on a substrate to form an excellent pattern and an etching method using the same.

최근, 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 보급에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있으며, 이러한 반도체 장치는 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 미세 패턴의 가공 기술이 발전되고 있다. 근래의 미세 패턴의 가공 기술의 예로서는 플라즈마를 사용하여 기판 상에 형성된 박막을 식각함으로써, 패턴을 형성하는 플라즈마 식각 기술을 들 수 있다. 이러한 플라즈마 식각 기술로서는 고밀도 플라즈마(high density plasma : HDP)를 이용하여 비휘발성 금속막(non-volatile metal layer)을 식각하는 기술이 있다. BACKGROUND ART In recent years, with the rapid spread of information media such as computers, semiconductor devices are also rapidly developing, and such semiconductor devices have been developed with fine pattern processing technology in the direction of improving integration, reliability, and response speed. As an example of the recent fine pattern processing technique, the plasma etching technique which forms a pattern by etching the thin film formed on the board | substrate using plasma is mentioned. As such a plasma etching technique, there is a technique of etching a non-volatile metal layer using a high density plasma (HDP).

종래의 고밀도 플라즈마를 사용하여 비휘발성 금속막을 식각하는 기술에 이용되는 식각 장치는 대체로 하부 전극 및 상부 전극을 포함하는 공정 챔버를 포함 한다. 상기 하부 전극에 전달되는 바이어스(bias) 파워와 상기 상부 전극에 전달되는 소스(source) 파워에 의해 가스와 같은 소스 물질로부터 고밀도 플라즈마를 생성한 후, 생성된 고밀도 플라즈마를 이용하여 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막을 식각하게 된다. Etching apparatuses used in a technique for etching a nonvolatile metal film using a conventional high density plasma generally include a process chamber including a lower electrode and an upper electrode. After generating a high density plasma from a source material such as a gas by a bias power delivered to the lower electrode and a source power delivered to the upper electrode, the ratio formed on the substrate using the generated high density plasma is generated. The volatile metal film is etched.

전술한 고밀도 플라즈마를 이용하여 비휘발성 금속막을 식각하는 장치는 주로 테갈(TEGAL)사, 어플라이드 머티어리얼스(APPLIED MATERIALS)사, 시그마 멜텍(SIGMA MELTEC)사 등에서 제조하고 있는데, 각 제조사마다 식각 장치의 특성이 약간 상이하다. 예를 들면, 어플라이드 머티어리얼스사의 식각 장치는 바이어스 파워의 무선 주파수(radio frequency : RF)가 약 0.03 ~ 3MHz 정도이고, 소스 파워의 무선 주파수는 약 30 ~ 400MHz 정도이다. 반면, 테갈사와 시그마 멜텍사의 식각 장치는 하부 전극에 바이어스 파워와 소스 파워가 함께 전달된다. 이때, 소스 파워의 무선 주파수는 약 13.56MHz으로 공통이나, 바이어스 파워의 무선 주파수는 각기 약 450kHz와 약 100MHz로 서로 상이하다. The apparatus for etching the nonvolatile metal film using the high density plasma described above is mainly manufactured by TEGAL, APPLIED MATERIALS, SIGMA MELTEC, etc. The characteristics of are slightly different. For example, the Applied Materials etchant has a radio frequency (RF) of about 0.03 to 3 MHz for bias power and a radio frequency of about 30 to 400 MHz for source power. On the other hand, in Tegalsa and Sigma Meltec's etching devices, the bias power and the source power are delivered to the lower electrode. At this time, the radio frequency of the source power is common to about 13.56MHz, but the radio frequency of the bias power is different from each other at about 450kHz and about 100MHz, respectively.

상술한 바와 같이, 종래의 플라즈마 식각 장치는 다소 상이한 특성을 가지지만, 식각 장치 내에 플라즈마를 형성하고, 상기 플라즈마 내에 양(+)으로 대전된 입자들이 생성되어 이들을 이용하여 박막을 식각하는 개념은 동일하다. 즉, 종래의 식각 장치는 플라즈마 내에 양(+)으로 대전된 입자들을 이용하여 박막을 식각하는 경우가 대부분이다. As described above, the conventional plasma etching apparatus has somewhat different characteristics, but the concept of forming a plasma in the etching apparatus, positively charged particles are generated in the plasma, and etching the thin film using the same is the same. Do. That is, in the conventional etching apparatus, the thin film is mostly etched by using positively charged particles in the plasma.

그러나, 양(+)으로 대전된 입자들을 이용하여 비휘발성 금속막을 식각하는 경우, 비휘발성 반응 생성물을 제대로 제거하기 어렵기 때문에 식각 속도가 저하되 며, 패턴의 측벽이 원하는 수직 프로파일을 가지기 어려울 뿐만 아니라, 반응 생성물이 패턴이나 기판에 재증착되는 문제가 발생된다. 또한, 종래의 플라즈마 식각 장치에서는 비휘발성 금속막에 대한 식각 속도를 증가시킬 수 있는 음(-)으로 대전된 입자들을 기판 상에 위치하는 박막으로 최대한 입사시킬 수 있도록 하는 조건은 고려되고 있지 않다. 따라서, 비휘발성 금속막으로부터 원하는 패턴을 형성할 수 있는 플라즈마를 이용하는 새로운 식각 장치가 요구되고 있다.However, when the non-volatile metal film is etched using positively charged particles, the etching rate is lowered because it is difficult to properly remove the nonvolatile reaction product, and it is difficult for the sidewalls of the pattern to have a desired vertical profile. Rather, a problem arises in which the reaction product is redeposited onto the pattern or substrate. In addition, in the conventional plasma etching apparatus, a condition for allowing the negatively charged particles, which may increase the etch rate with respect to the nonvolatile metal film, to be allowed to enter the thin film positioned on the substrate to the maximum, is not considered. Therefore, there is a need for a new etching apparatus using a plasma capable of forming a desired pattern from a nonvolatile metal film.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 생성하여 기판 상에 형성된 박막을 높은 식각 속도로 식각할 수 있는 플라즈마를 이용한 식각 장치를 제공하는데 있다. One object of the present invention for solving the above problems is to provide an etching apparatus using a plasma capable of etching the thin film formed on the substrate at a high etching rate by generating negatively charged particles in the plasma. .

또한, 본 발명의 다른 목적은 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 이용하여 기판 상에 형성된 박막을 높은 식각 속도로 식각하는 플라즈마 식각 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a plasma etching method for etching a thin film formed on a substrate at a high etching rate by using negatively charged particles in a plasma.

상술한 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치는 하부 전극 및 상부 전극을 구비하며, 상기 하부 전극에 전달되는 바이어스 파워 및 상기 상부 전극에 전달되는 소스 파워에 의해 생성되는 플라즈마를 이용하여 상기 하부 전극 상에 위치하는 기판 상에 형성된 박막을 식각하는 식각 공정이 수행되는 공정 챔버와, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수(radio frequency)를 50kHz 내지 500kHz의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하는 바이어스 파워부와, 상기 소스 파워의 무선 주파수를 27MHz 내지 500MHz의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하는 소스 파워부 및 상기 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수 및 상기 소스 파워의 펄스형 무선 주파수의 인가 시간을 완전한 역위상(out of phase)으로 동기화시키는 동기화부를 포함한다. The etching apparatus using a plasma according to an embodiment of the present invention for achieving the above object has a lower electrode and an upper electrode, by the bias power delivered to the lower electrode and the source power delivered to the upper electrode A process chamber in which an etching process of etching a thin film formed on a substrate positioned on the lower electrode using the generated plasma is performed, and a radio frequency of the bias power is pulsed within a range of 50 kHz to 500 kHz. A bias power unit for applying a mode, a source power unit for applying a radio frequency of the source power in a pulsed mode within a range of 27 MHz to 500 MHz, a pulsed radio frequency of the bias power, and a pulsed radio frequency of the source power And a synchronizer for synchronizing the application time of the signal to the full out of phase.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극에는 상기 플라즈마 내의 음 으로 대전된 입자들을 상기 기판 방향으로 가속하기 위해 DC(direct current) 네거티브 파워를 제공하는 DC 파워부가 연결될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the upper electrode may be connected to a DC power supply that provides a direct current (DC) negative power to accelerate the negatively charged particles in the plasma toward the substrate.

이때, 상기 DC 파워부는 DC 파워를 상기 상부 전극에 -50V 내지 -1,000V의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하며, 상기 DC 파워의 인가 시간은 5us 내지 10us일 수 있다. In this case, the DC power unit may apply DC power to the upper electrode in the pulsed mode within the range of -50V to -1,000V, the application time of the DC power may be 5us to 10us.

그리고, 상기 상부 전극의 온도는 100℃ 내지 300℃, 상기 하부 전극의 온도는 100℃ 내지 350℃이며, 상기 공정 챔버의 내벽 온도는 50 내지 200℃일 수 있다.The temperature of the upper electrode may be 100 ° C. to 300 ° C., the temperature of the lower electrode may be 100 ° C. to 350 ° C., and the inner wall temperature of the process chamber may be 50 to 200 ° C.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마를 이용한 식각 장치는 고밀도 플라즈마(high density plasma : HDP)에 의해 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막을 식각하기 위한 장치일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the etching apparatus using the plasma may be a device for etching the non-volatile metal film formed on the substrate by a high density plasma (HDP).

상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법은 공정 챔버에 식각 공정이 수행될 박막이 형성된 기판을 로딩한다. 상기 공정 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 공정 가스를 제공한다. 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 생성하기 위하여 상기 공정 가스에 소스 파워를 펄스형 모드로 인가한다. 상기 소스 파워의 인가를 멈춘 후, 상기 플라즈마가 상기 기판 방향으로 향하여 상기 박막을 식각하기 위해 상기 기판에 바이어스 파워를 펄스형 모드로 인가한다. 상기 바이어스 파워 및 상기 소스 파워를 끈다. 상기 공정 가스의 주입을 차단한다. 상기 기판을 상기 공정 챔버로부터 언로딩한다. 특히, 상기 바이어스 파워 및 상기 소스 파워는 완전한 역위상의 펄스를 갖도록 동기화된다.In accordance with another aspect of the present invention, a plasma etching method loads a substrate on which a thin film to be etched is formed in a process chamber. A process gas for generating a plasma is provided inside the process chamber. Source power is applied to the process gas in a pulsed mode to generate a plasma from the process gas. After stopping the application of the source power, bias power is applied to the substrate in pulsed mode to etch the thin film toward the substrate. Turn off the bias power and the source power. The injection of the process gas is blocked. The substrate is unloaded from the process chamber. In particular, the bias power and the source power are synchronized to have a complete antiphase pulse.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이어스 파워를 인가한 후에, 상기 플라즈마 내의 음(-)으로 대전된 입자들을 상기 기판 방향으로 가속화시키도록 DC 파워를 -50V 내지 -1,000V의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하고, 상기 바이어스 파워가 턴온(turn-on)된 상태에서, 상기 DC 전압을 끌 수 있다. According to an embodiment of the present invention, after applying the bias power, the DC power is pulsed in the range of -50V to -1,000V to accelerate negatively charged particles in the plasma toward the substrate. The DC voltage may be turned off while the device is applied in a mold mode and the bias power is turned on.

이때, 상기 DC 파워는 짧은 펄스(short pulse)로 인가되며, 상기 DC 파워의 인가 지속 시간은 5us 내지 10us일 수 있다.At this time, the DC power is applied in a short pulse (short pulse), the application duration of the DC power may be 5us to 10us.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소스 파워의 무선 주파수는 27MHz 내지 100MHz의 범위를 가지고, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수는 50kHz 내지 500kHz의 범위를 가질 수 있다. 또한, 상기 소스 파워 및 상기 바이어스 파워를 펄스형 모드로 바꾸기 위하여, 듀티 싸이클(duty cycle)이 20% 내지 90%이고 무선 주파수가 100Hz 내지 10kHz인 파워를 인가시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the radio frequency of the source power may have a range of 27MHz to 100MHz, the radio frequency of the bias power may have a range of 50kHz to 500kHz. In addition, in order to change the source power and the bias power into a pulsed mode, a power having a duty cycle of 20% to 90% and a radio frequency of 100Hz to 10kHz may be applied.

본 발명에 따르면, 플라즈마를 생성할 때 상기 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들이 기판 방향으로 향하도록 바이어스 파워의 무선 주파수 및 소스 파워의 무선 주파수를 동기화시켜 인가함으로서 잔류 반응 생성물이 최소화시키면서, 높은 식각 속도 및 수직한 측벽 프로파일을 갖는 우수한 식각 공정을 수행할 수 있다. 특히, 식각 가스를 플라즈마 상태로 유지시키기 위해 소스 파워의 무선 주파수를 높게 조정하고, 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 기판 표면으로 입사시키기 위하여 바이어스 파워의 무선 주파수를 낮게 조정한다. 이때, 상기 무선 주파수들은 펄스화하여 인가되며, 완벽한 역위상을 갖도록 인가 시간은 동기화시킨다. 이와 같이, 식각 장치의 무선 주파수들을 조정하고, 동기화시켜 인가함으로서, 기판 방 향으로 입사되는 음(-)으로 대전된 입자들을 가속시킬 수 있다. According to the present invention, while generating a plasma by minimizing the residual reaction product by applying the radio frequency of the bias power and the radio frequency of the source power in synchronization so that negatively charged particles in the plasma are directed toward the substrate, Good etching processes with high etching rates and vertical sidewall profiles can be performed. In particular, the radio frequency of the source power is adjusted high to maintain the etching gas in the plasma state, and the radio frequency of the bias power is adjusted low to inject negatively charged particles in the plasma to the substrate surface. At this time, the radio frequencies are pulsed and applied, and the application time is synchronized to have a perfect antiphase. As such, by adjusting, synchronizing and applying the radio frequencies of the etching apparatus, negatively charged particles incident toward the substrate can be accelerated.

상기와 같이 본 발명의 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법에 따르면, 플라즈마를 생성할 때 상기 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 기판 상에 형성된 박막으로 향하도록 바이어스 파워의 무선 주파수 및 소스 파워의 무선 주파수를 역위상을 갖도록 동기화시켜 인가함으로서 잔류 반응 생성물이 최소화시키면서, 높은 식각 속도 및 수직한 측벽 프로파일을 갖는 우수한 식각 공정을 수행할 수 있다. According to the etching apparatus and the plasma etching method using the plasma of the present invention as described above, the radio frequency and source of the bias power to direct the negatively charged particles in the plasma to the thin film formed on the substrate when generating the plasma By synchronizing and applying the radio frequency of power to have an in-phase, it is possible to perform a good etching process with a high etching rate and a vertical sidewall profile while minimizing residual reaction products.

특히, 식각 가스를 플라즈마 상태로 유지시키기 위해 소스 파워의 무선 주파수를 높게 조정하고, 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 기판 표면으로 입사시키기 위하여 바이어스 파워의 무선 주파수를 낮게 조정한다. 이때, 상기 무선 주파수들은 펄스화하여 인가되며, 완벽한 역위상을 갖도록 인가 시간은 동기화시킨다. 상기와 같이, 식각 장치의 무선 주파수들을 조정하고 동기화시켜 인가함으로서, 기판 방향으로 입사되는 음(-)으로 대전된 입자들을 가속시킬 수 있다. 또한, 상기 플라즈마를 이용한 식각 장치를 통해 음(-)으로 대전된 입자들의 기판을 향한 입사 에너지도 제어가능하여, 우수한 식각 특성을 갖도록 조절할 수 있다.In particular, the radio frequency of the source power is adjusted high to maintain the etching gas in the plasma state, and the radio frequency of the bias power is adjusted low to inject negatively charged particles in the plasma to the substrate surface. At this time, the radio frequencies are pulsed and applied, and the application time is synchronized to have a perfect antiphase. As described above, by adjusting and synchronizing and applying the radio frequencies of the etching apparatus, negatively charged particles incident toward the substrate may be accelerated. In addition, the incident energy toward the substrate of the negatively-charged particles through the etching apparatus using the plasma is also controllable, and thus can be adjusted to have excellent etching characteristics.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명 의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 즉, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본문에 설명된 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니므로 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, an etching apparatus and a plasma etching method using a plasma according to 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 following embodiments, and is commonly used in the art. Those skilled in the art will be able to implement the invention in various other forms without departing from the spirit of the invention. That is, specific structural to functional descriptions are merely illustrated for the purpose of describing embodiments of the present invention, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms and should be construed as being limited to the embodiments described herein. Is not. It is not to be limited by the embodiments described in the text, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but such components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해될 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 또는 "~에 인접하는" 등도 마찬가지로 해석될 것이다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may exist in the middle. Will be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it will be understood that there is no other component in between. Other expressions describing the relationship between the components, such as "between" or "adjacent to", will also be interpreted as well.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 것이다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "include" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, or combination thereof described, and one or more other features or numbers, It will be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries are to be interpreted as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and are not construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. .

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치를 설명하기 위한 구성도이다. 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치는 고밀도 플라즈마(high density plasma : HDP)를 사용하여 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막을 효율적으로 식각할 수 있는 플라즈마를 이용한 식각 장치이다.1 is a configuration diagram illustrating an etching apparatus using plasma according to embodiments of the present invention. An etching apparatus using a plasma according to embodiments of the present invention is an etching apparatus using a plasma capable of efficiently etching a nonvolatile metal film formed on a substrate using a high density plasma (HDP).

도 1을 참조하면, 플라즈마를 이용한 식각 장치(100)는 하부 전극(104) 및 상부 전극(106)을 포함하는 공정 챔버(110), 하부 전극(104)에 전달되는 바이어스 파워를 인가하는 바이어스 파워부(112), 상부 전극(106)에 전달되는 소스 파워를 인가하는 소스 파워부(114), 그리고 상기 바이어스 파워와 소스 파워의 무선 주파 수들의 인가 시간을 실질적으로 완전한 역위상으로 동기화시킬 수 있는 동기화부(120)를 포함한다. 또한, 플라즈마를 이용한 식각 장치(100)는 공정 챔버(110)를 진공으로 형성하며, 공정 챔버(110) 내에 잔류하는 식각 가스를 배출시키기 위한 펌프(122)를 추가적으로 구비한다.Referring to FIG. 1, the etching apparatus 100 using plasma includes a bias power for applying a bias power transmitted to a process chamber 110 including a lower electrode 104 and an upper electrode 106, and a lower electrode 104. The unit 112, the source power unit 114 for applying the source power delivered to the upper electrode 106, and the application time of the radio frequency of the bias power and the source power can be synchronized to a substantially complete antiphase It includes a synchronization unit 120. In addition, the etching apparatus 100 using the plasma forms the process chamber 110 in a vacuum, and further includes a pump 122 for discharging the etching gas remaining in the process chamber 110.

공정 챔버(110)는 상부 전극(106)의 중심을 통과하는 가스 제공부(116)를 통하여 유입되는 공정 가스로부터 플라즈마가 생성되는 공간을 제공한다. 또한, 공정 챔버(110)는 생성된 플라즈마를 이용하여 기판(102) 상에 형성된 막을 건식 식각하는 공간을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 공정 챔버(110)는 원통형 형상을 가질 수 있다. 또한, 공정 챔버(110)의 상부는 평탄한 구조나 반구 형상을 가질 수 있다. The process chamber 110 provides a space in which plasma is generated from the process gas introduced through the gas providing unit 116 passing through the center of the upper electrode 106. In addition, the process chamber 110 provides a space for dry etching the film formed on the substrate 102 using the generated plasma. In one embodiment of the invention, the process chamber 110 may have a cylindrical shape. In addition, the upper portion of the process chamber 110 may have a flat structure or a hemispherical shape.

하부 전극(104)은 공정 챔버(110)의 하부에 위치하며, 원판의 형상을 가질 수 있다. 하부 전극(104)은 바이어스 파워가 인가되어 기판(102) 상부의 공정 챔버(110) 내에 형성된 플라즈마의 이온들에 방향성을 부여하는 역할을 수행한다. 또한, 하부 전극(104)은 공정 챔버(110) 내부로 유입되는 상부에 박막이 형성된 기판(102)을 지지하는 척(chuck)의 역할도 수행할 수 있다. 이 경우, 기판(102) 상에 형성되어 플라즈마로 식각되는 박막은 비휘발성 금속막에 해당될 수 있다. 예를 들면, 상기 비휘발성 금속막은 코발트(Co), 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 등의 비휘발성 금속을 포함할 수 있다. The lower electrode 104 may be positioned below the process chamber 110 and may have a disc shape. The lower electrode 104 is applied with a bias power to provide directionality to the ions of the plasma formed in the process chamber 110 on the substrate 102. In addition, the lower electrode 104 may also function as a chuck supporting the substrate 102 having a thin film formed thereon, which flows into the process chamber 110. In this case, the thin film formed on the substrate 102 and etched by plasma may correspond to a nonvolatile metal film. For example, the nonvolatile metal layer may include a nonvolatile metal such as cobalt (Co), gold (Au), platinum (Pt), aluminum (Al), tungsten (W), titanium (Ti), or the like.

기판(102)은 하부 전극(104)의 아래에 배치되며, 하부 전극(104)을 관통하여 수직 방향으로 배치된 다수의 리프트 핀들(도시되지 않음)에 의해 하부 전극(104) 상으로 로딩(loading)되거나, 하부 전극(104)으로부터 언로딩(unloading)될 수 있다. 상기 리프트 핀들은 하부 전극(104)의 하부에 결합되는 리프터들(도시되지 않음)에 의해 공정 챔버(110) 내에서 실질적으로 수직한 방향을 따라 구동될 수 있다.The substrate 102 is disposed below the lower electrode 104 and is loaded onto the lower electrode 104 by a plurality of lift pins (not shown) disposed vertically through the lower electrode 104. ), Or may be unloaded from the lower electrode 104. The lift pins may be driven along a substantially vertical direction in the process chamber 110 by lifters (not shown) coupled to the bottom of the lower electrode 104.

본 발명의 실시예들에 있어서, 하부 전극(104)의 저면 또는 내부에는 하부 전극(104) 상에 지지되는 기판(102)을 가열하기 위한 히터(도시되지 않음)와 공정 챔버(110) 내부의 반응 온도를 유지하기 위한 온도 센서(도시되지 않음)가 추가적으로 구비될 수 있다. 이러한 히터로는 램프 방식의 히터 또는 열선 방식의 히터가 이용될 수 있으며, 상기 온도 센서로는 열전대 온도계가 사용될 수 있다. In embodiments of the present invention, a bottom (or inside) of the lower electrode 104 may include a heater (not shown) for heating the substrate 102 supported on the lower electrode 104 and inside the process chamber 110. A temperature sensor (not shown) may be additionally provided to maintain the reaction temperature. Such a heater may be a lamp heater or a heater heater, a thermocouple thermometer may be used as the temperature sensor.

상부 전극(106)은 하부 전극(104)에 대향하여 공정 챔버(110)의 상측 에 구비된다. 상부 전극(106)은 알루미늄으로 구성된 제1 전극과 제2 전극 및 실리콘으로 이루어진 제3 전극을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 상부 전극(106)은 샤워 헤드(shower head) 역할을 수행할 수 있다. 상부 전극(106)의 제1 전극에는 가스 제공부와 연결되는 제1 관통공이 형성된다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 기판(102)을 가공하기 위한 반응 가스가 수납되는 공간이 형성되어 있으며, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극에는 상기 반응 가스를 공정 챔버(110) 내부로 균일하게 제공하기 위한 다수개의 관통공(도시되지 않음)들이 형성되어 있다. The upper electrode 106 is provided above the process chamber 110 to face the lower electrode 104. The upper electrode 106 may have a structure including a first electrode made of aluminum, a second electrode made of silicon, and a third electrode made of silicon. The upper electrode 106 may serve as a shower head. A first through hole connected to the gas providing part is formed in the first electrode of the upper electrode 106. A space is formed between the first electrode and the second electrode to accommodate a reaction gas for processing the substrate 102, and the reaction gas is disposed in the process chamber 110 in the second electrode and the third electrode. A plurality of through holes (not shown) are formed for uniformly providing the furnace.

바이어스 파워부(112)는 하부 전극(104)에 연결되어 하부 전극(104)에 바이어스 파워를 전달하며, 소스 파워부(114)는 상부 전극(106)에 연결되어 상부 전극(106)으로 소스 파워를 전달한다. 바이어스 파워부(112)와 소스 파워부(114)는 각기 하부 전극(104)과 상부 전극(106)을 통해 공정 챔버(110) 내로 유입되는 공정 가스에 소스 파워 및 바이어스 파워를 인가함으로써, 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 생성시키는 역할을 수행한다. 이 경우, 상기 소스 파워의 무선 주파수와 상기 바이어스 파워의 무선 주파수는 각각은 가변적으로 조정될 수 있다. 이를 위하여, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수를 가변적으로 조정할 수 있는 제1 가변부(112a)가 바이어스 파워부(112)에 연결되어 있으며, 상기 소스 파워의 무선 주파수를 가변적으로 조정할 수 있는 제2 가변부(114a)가 소스 파워부(114)에 연결되어 있다. 따라서, 기판(102) 상에 형성된 비휘발성 금속막을 식각할 때 제1 가변부(112a) 및 제2 가변부(114a)를 이용함으로써, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수 및 상기 소스 파워의 무선 주파수를 각기 원하는 설정 범위 내에서 조정할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 소스 파워의 무선 주파수는 약 27MHz 내지 약 100MHz 정도로 설정될 수 있으며, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수는 약 50kHz 내지 약 500kHz 정도로 설정될 수 있다. The bias power unit 112 is connected to the lower electrode 104 to transfer the bias power to the lower electrode 104, and the source power unit 114 is connected to the upper electrode 106 to source power to the upper electrode 106. To pass. The bias power unit 112 and the source power unit 114 respectively apply the source power and the bias power to the process gas flowing into the process chamber 110 through the lower electrode 104 and the upper electrode 106, thereby performing the process. It serves to generate a plasma from the gas. In this case, the radio frequency of the source power and the radio frequency of the bias power may each be variably adjusted. To this end, a first variable part 112a capable of variably adjusting the radio frequency of the bias power is connected to the bias power part 112, and a second variable part capable of variably adjusting the radio frequency of the source power. 114a is connected to the source power unit 114. Therefore, when the nonvolatile metal film formed on the substrate 102 is etched, the first variable part 112a and the second variable part 114a are used to respectively adjust the radio frequency of the bias power and the radio frequency of the source power. You can adjust within the desired setting range. In embodiments of the present invention, the radio frequency of the source power may be set to about 27MHz to about 100MHz, the radio frequency of the bias power may be set to about 50kHz to about 500kHz.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 소스 파워의 무선 주파수와 상기 바이어스 파워의 무선 주파수는 각기 펄스형 모드로 인가될 수 있으며, 실질적으로 완전한 역위상(out of phase)으로 동기화되어 인가될 수 있다. 이 경우, 상기 소스 파워 및 상기 바이어스 파워를 펄스형 모드로 바꾸기 위하여, 듀티 싸이클(duty cycle)은 약 20% 내지 약 90% 정도이며, 무선 주파수가 약 100Hz 내지 약 10kHz 정도인 파워를 인가할 수 있다.According to embodiments of the present invention, the radio frequency of the source power and the radio frequency of the bias power may be applied in a pulsed mode, respectively, and may be applied in synchronization with a substantially complete out of phase. . In this case, in order to change the source power and the bias power into the pulsed mode, the duty cycle may be about 20% to about 90%, and a power having a radio frequency of about 100 Hz to about 10 kHz may be applied. have.

동기화부(120)는 바이어스 파워부(112) 및 소스 파워부(114)와 연결되며, 상 기 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수 및 상기 소스 파워의 펄스형 무선 주파수가 제공될 때, 주파수의 위상이 완전히 반대가 되도록 조절하는 역할을 수행한다. 예를 들면, 동기화부(120)는 상기 소스 파워의 무선 주파수를 인가하고 업 펄스 기간이 끝난 후, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수를 인가하는 방식으로 각각의 설정 범위 내에서 번갈아 인가하도록 조절할 수 있다. The synchronization unit 120 is connected to the bias power unit 112 and the source power unit 114, when the pulsed radio frequency of the bias power and the pulsed radio frequency of the source power is provided, the phase of the frequency is The role is to control the opposite. For example, the synchronization unit 120 may be adjusted to alternately apply within the respective setting ranges by applying the radio frequency of the source power and applying the radio frequency of the bias power after the up pulse period ends.

상술한 구성을 갖는 플라즈마를 이용한 식각 장치는 소스 파워 및 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수들을 역위상으로 동기화시켜 인가함으로써, 기판 상의 박막을 식각하여 실질적으로 수직한 측벽 프로파일을 갖는 패턴을 형성할 수 있는 동시에 높은 식각 속도로 박막을 식각할 수 있으므로 기판 상에 형성된 박막의 식각 효율을 크게 향상시킬 수 있다. The etching apparatus using the plasma having the above-described configuration can form a pattern having a substantially vertical sidewall profile by etching thin films on a substrate by applying pulsed radio frequencies of source power and bias power in synchronization with an inverse phase. At the same time, since the thin film may be etched at a high etching rate, the etching efficiency of the thin film formed on the substrate may be greatly improved.

도 2는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치를 설명하기 위한 구성도이다. 도 2에 있어서, 플라즈마를 이용한 식각 장치(200)는 DC 파워부(218)를 추가적으로 포함하는 점을 제외하면, 도 1을 참조하여 설명한 플라즈마를 이용한 식각 장치(100)와 실질적으로 유사한 구성을 가진다. 2 is a configuration diagram illustrating an etching apparatus using plasma according to other embodiments of the present invention. In FIG. 2, the etching apparatus 200 using the plasma has a configuration substantially similar to that of the etching apparatus 100 using the plasma described with reference to FIG. 1, except that the etching apparatus 200 further includes a DC power unit 218. .

도 2를 참조하면, 플라즈마를 이용한 식각 장치(200)는 하부 전극(204), 상부 전극(206), 공정 챔버(210), 바이어스 파워부(212), 소스 파워부(214), 가스 제공부(216), DC 파워부(218), 동기화부(220), 그리고 펌프(222)를 구비한다. Referring to FIG. 2, the etching apparatus 200 using plasma includes a lower electrode 204, an upper electrode 206, a process chamber 210, a bias power unit 212, a source power unit 214, and a gas providing unit. 216, a DC power unit 218, a synchronizer 220, and a pump 222.

이러한 플라즈마를 이용한 식각 장치(200)에 있어서, 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수의 인가 후, DC(direct current) 네거티브 파워를 인가하기 위하여 상부 전극(206)에 연결되는 DC 파워부(218)가 추가적으로 구비된다. 여기서, 상기 DC 네거티브 파워는 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간에 인가될 수 있다. 예를 들면, 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간 동안 음(-)으로 대전된 입자들이 집중적으로 생성되며, 상기 바이어스 파워가 인가됨에 따라 상기 음으로 대전된 입자들이 기판(202) 방향으로 이동하게 된다. 이에 따라, 상기 DC 네거티브 파워가 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간 동안 인가됨으로써, 음(-)으로 대전된 입자들에 척력을 제공하여 상기 입자들의 속도를 증가시킬 수 있다. In the etching apparatus 200 using the plasma, a DC power unit 218 connected to the upper electrode 206 to apply a direct current (DC) negative power after the application of the pulsed radio frequency of the bias power is additionally added. It is provided. Here, the DC negative power may be applied in the down pulse period of the source power. For example, negatively charged particles are intensively generated during the down pulse period of the source power, and the negatively charged particles move toward the substrate 202 as the bias power is applied. Accordingly, the DC negative power is applied during the down pulse period of the source power, thereby providing repulsive force to the negatively charged particles to increase the speed of the particles.

본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 DC 네거티브 파워는 짧은 펄스(short pulse)로 인가될 수 있으며, 이러한 DC 네거티브 파워의 인가 지속 시간은 약 5us 내지 약 10us 정도가 될 수 있다. 또한, 상부 전극(206)에 인가되는 DC 전압은 약 - 50V 내지 약 - 1,000V 정도가 될 수 있다. In embodiments of the present invention, the DC negative power may be applied in a short pulse, and the application duration of the DC negative power may be about 5 us to about 10 us. In addition, the DC voltage applied to the upper electrode 206 may be about −50V to about −1,000V.

전술한 바와 같이, DC 파워부를 포함하는 플라즈마를 이용한 식각 장치는 소스 파워 및 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수들을 인가시켜 생성된 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들의 기판을 향하는 입사 속도를 증가시킬 수 있다. 또한, DC 전압의 조절을 통해 음(-)으로 대전된 입자들을 이용한 식각 속도를 추가로 제어할 수 있으므로 기판 상에 형성된 박막의 식각 효율을 보다 향상시킬 수 있다. As described above, an etching apparatus using a plasma including a DC power unit may increase the incident speed toward the substrate of negatively charged particles in the plasma generated by applying pulsed radio frequencies of source power and bias power. Can be. In addition, since the etching speed using negatively charged particles may be further controlled by adjusting the DC voltage, the etching efficiency of the thin film formed on the substrate may be further improved.

이하, 상기 플라즈마를 이용한 식각 장치를 이용한 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막을 식각하는 방법을 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method of etching the nonvolatile metal film formed on the substrate using the etching apparatus using the plasma will be described in detail.

도 3은 도 2에 도시된 플라즈마를 이용한 식각 장치를 이용하는 플라즈마의 식각 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 도 4는 소스 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이며, 도 5는 바이어스 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이며, 도 6은 DC 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이다. FIG. 3 is a flowchart illustrating a plasma etching method using the etching apparatus using the plasma shown in FIG. 2. 4 is a graph showing a wave mode of the source power according to the process time, FIG. 5 is a graph showing a wave mode of the bias power according to the process time, and FIG. 6 is a wave mode of the DC power according to the process time. The graph shown.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 먼저 공정 챔버 내로 식각 공정이 수행될 박막이 형성된 기판을 로딩시킨다(단계 S110). 상기 기판은 공정 챔버 내에 배치된 하부 전극 상에 위치한다. 상기 박막은 비휘발성 금속막을 포함할 수 있다. 상기 기판을 공정 챔버 내에 로딩시킨 다음, 상기 공정 챔버 내에 설정된 공정 조건을 조성한다. 예를 들면, 상기 박막의 종류에 따라 상기 공정 챔버 내의 압력 및 온도 등을 적절한 조건으로 조성한다. 3 to 6, first, a substrate on which a thin film to be etched is performed is loaded into a process chamber (step S110). The substrate is located on a lower electrode disposed in the process chamber. The thin film may include a nonvolatile metal film. The substrate is loaded into a process chamber and then established process conditions are set in the process chamber. For example, the pressure and temperature in the process chamber are formed under appropriate conditions according to the type of the thin film.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상부 전극과 하부 전극 및 공정 챔버의 측벽은 각기 설정 온도 범위로 가열시켜 유지시킨다. 이에 따라, 상기 공정 챔버의 내벽의 온도를 높게 유지시켜 비휘발성 식각 반응물을 포함하는 반응물의 탈착(desorption) 반응을 원활하게 수행되도록 보조할 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 전극의 설정 온도 범위는 약 100℃ 내지 약 300℃ 정도가 될 수 있고, 상기 하부 전극의 설정 온도 범위는 약 100℃ 내지 약 350℃ 정도가 될 수 있다. 또한, 상기 공정 챔버 측벽의 설정 온도 범위는 약 50℃ 내지 약 200℃ 정도가 될 수 있다. According to embodiments of the present invention, the upper and lower electrodes and sidewalls of the process chamber are respectively maintained by being heated to a set temperature range. Accordingly, the temperature of the inner wall of the process chamber may be maintained high to assist in smoothly performing a desorption reaction of the reactant including the nonvolatile etching reactant. For example, the set temperature range of the upper electrode may be about 100 ° C to about 300 ° C, and the set temperature range of the lower electrode may be about 100 ° C to about 350 ° C. In addition, the set temperature range of the process chamber sidewall may be about 50 ℃ to about 200 ℃.

상기 공정 챔버의 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 공정 가스를 제공한다(단계 S120). 예를 들면, 상기 공정 가스는 삼염화붕소(BCl3) 가스, 염소(Cl2) 가스 등을 포함할 수 있다. A process gas for generating a plasma is provided in the process chamber (step S120). For example, the process gas may include boron trichloride (BCl 3 ) gas, chlorine (Cl 2 ) gas, or the like.

상기 공정 가스로부터 플라즈마를 생성하기 위하여 상기 공정 가스에 소스 파워를 펄스형 모드로 인가한다(단계 S130). 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 상부 전극에 연결된 소스 파워부에서 소스 파워를 펄스형 모드로 인가함으로써, 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 생성시킨다. 이 때, 플라즈마 상태로 형성된 공정 가스에서는 양(+)으로 대전된 입자들과 음(-)으로 대전된 입자들 및 전자들이 형성된다. 상기 펄스형 소스 파워의 무선 주파수는 5mT 이하까지도 플라즈마를 안정되게 유지하기 위해서 약 27MHz 내지 약 100MHz 정도의 매우 높은 주파수(very high frequency : VHF) 범위를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 펄스형 소스 파워의 무선 주파수는 약 60MHz 내지 약 80MHz 정도의 범위를 가질 수 있다. Source power is applied to the process gas in a pulsed mode to generate a plasma from the process gas (step S130). In embodiments of the present invention, a plasma is generated from the process gas by applying source power in a pulsed mode at a source power unit connected to the upper electrode. At this time, the positively charged particles and the negatively charged particles and electrons are formed in the process gas formed in the plasma state. The radio frequency of the pulsed source power may have a very high frequency (VHF) range of about 27 MHz to about 100 MHz in order to stably maintain the plasma up to 5 mT or less. For example, the radio frequency of the pulsed source power may range from about 60 MHz to about 80 MHz.

상기 소스 파워의 인가를 멈춘 다음, 상기 플라즈마가 상기 기판 방향으로 향하여 상기 비휘발성 금속막에 식각 반응을 일으키도록 상기 기판에 바이어스 파워를 펄스형으로 인가한다(단계 S140). 상기 바이어스 파워는 상기 하부 전극에 연결된 바이어스 파워부를 통해 기판에 제공된다. 상기 소스 파워의 인가가 멈춘 후에 바이어스 파워가 인가됨으로써, 상기 전자들 및 상기 양(+)으로 대전된 입자들 사이에 충돌이 발생하여 음(-)으로 대전된 입자들이 집중적으로 생성된다. 상기 펄스형 바이어스 파워의 무선 주파수는 상기 음(-)으로 대전된 입자들이 상기 비휘발성 금속막과 식각 반응을 일으키도록 약 50kHz 내지 약 500kHz 정도의 낮은 주파수(low frequency : LF)로 조정된다. 상기 바이어스 파워의 무선 주파수가 약 500kHz 보다 높은 범위를 갖는 경우, 생성된 플라즈마 내에 음(-)으로 대전된 입자들은 반응 시간을 벗어나도록 대응하고, 비교적 가벼운 전자들만이 반응 시간내에 대응하므로, 음의 DC 바이어스 파워가 기판에 제공될 경우 상기 음(-)으로 대전된 입자들은 기판 방향으로 입사되기 어렵다. After the application of the source power is stopped, bias power is pulsed to the substrate so that the plasma causes an etching reaction to the nonvolatile metal film toward the substrate (step S140). The bias power is provided to the substrate through a bias power unit connected to the lower electrode. Bias power is applied after the application of the source power stops, whereby collision occurs between the electrons and the positively charged particles, thereby intensively generating negatively charged particles. The radio frequency of the pulsed bias power is adjusted to a low frequency (LF) of about 50 kHz to about 500 kHz so that the negatively charged particles cause an etching reaction with the nonvolatile metal film. When the radio frequency of the bias power has a range higher than about 500 kHz, the negatively charged particles in the generated plasma correspond to out of the reaction time, and since only relatively light electrons correspond within the reaction time, When DC bias power is provided to the substrate, the negatively charged particles are hardly incident in the substrate direction.

본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 소스 파워의 펄스형 무선 주파수 및 상기 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수는 완전한 역위상(out of phase)을 이루도록 인가 시간이 동기화된다. 즉, 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간 동안 상기 바이어스 파워가 인가됨으로서 음(-)으로 대전된 입자들이 집중적으로 생성되고, 생성된 상기 음(-)으로 대전된 입자들은 상기 바이어스 파워의 제어를 통해 기판 방향으로 향하게 된다. In embodiments of the present invention, the pulsed radio frequency of the source power and the pulsed radio frequency of the bias power are synchronized in time to achieve a complete out of phase. That is, negatively-charged particles are intensively generated by applying the bias power during the down pulse period of the source power, and the negatively-charged particles are generated by controlling the bias power. Will be directed in the direction.

상기 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 상기 기판 방향으로 가속화시키도록, 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간 동안 상기 상부 전극에 음의 DC 파워를 짧은 펄스로 인가한다(단계 S150). 상기 음의 DC 파워를 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간 동안 인가함으로써, 상기 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들과 상기 상부 전극 사이에 척력이 발생되어 상기 입자들의 기판 방향의 입사 속도가 증가하게 된다. 상기 DC 파워는 약 - 50V 내지 약 - 1000V의 범위를 가질 수 있으며, 상기 DC 파워의 인가 지속 시간은 약 5us 내지 약 10us 정도가 될 수 있다. A negative DC power is applied in a short pulse to the upper electrode during the down pulse period of the source power so as to accelerate negatively charged particles in the plasma in the direction of the substrate (step S150). By applying the negative DC power during the down pulse period of the source power, repulsive forces are generated between the negatively charged particles in the plasma and the upper electrode to increase the incident rate of the particles toward the substrate. do. The DC power may range from about −50V to about −1000V, and the duration of application of the DC power may be about 5us to about 10us.

상기 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막의 식각 공정이 완료되면, 상기 음의 DC 파워를 끈다(단계 S160). 이때, 상기 음의 DC 파워는 상기 바이어스 파워가 턴온(turn-on)된 상태에서 끌 수 있다.When the etching process of the nonvolatile metal film formed on the substrate is completed, the negative DC power is turned off (step S160). In this case, the negative DC power may be turned off while the bias power is turned on.

바이어스 파워를 끄고(단계 S170), 이어서 소스 파워를 끈다(단계 S180). 다음에, 상기 식각 공정에 사용된 공정 가스의 주입을 차단한다(단계 S190). 이후에, 상기 공정 챔버 내부의 공정 가스 및 반응 생성물을 펌핑하여 진공 상태로 형성한 후, 식각 반응이 완료된 기판을 상기 공정 챔버로부터 언로딩한다(단계 S200). The bias power is turned off (step S170), and then the source power is turned off (step S180). Next, injection of the process gas used in the etching process is blocked (step S190). Thereafter, the process gas and the reaction product inside the process chamber are pumped to form a vacuum state, and the substrate on which the etching reaction is completed is unloaded from the process chamber (step S200).

상술한 바와 같이, 상기 소스 파워의 무선 주파수 및 상기 바이어스 파워의 무선 주파수를 모두 펄스형으로 인가하고, 실질적으로 완전한 역위상(out of phase)을 이루도록 인가 시간을 동기화시킴으로서, 높은 식각 속도 및 수직한 측벽 프로파일을 갖는 우수한 식각 공정이 수행될 수 있다. 또한, 상기 플라즈마를 이용한 식각 장치 내에 음의 DC 파워의 인가를 통해 음(-)으로 대전된 입자들의 기판을 향한 입사 에너지도 제어 가능하여, 우수한 식각 특성을 갖도록 조절할 수 있다. 또한, 공정 챔버를 가열시켜 반응 생성물의 탈착 반응을 증가시킴으로써 비휘발성 반응 생성물 및 식각 이온 잔류물의 잔류를 최소화시킬 수 있으며, 음이온 식각에 의해 부식성이 강한 잔여 염소(Cl)기도 최소화시킬 수 있다. As described above, by applying both the radio frequency of the source power and the radio frequency of the bias power in a pulsed form and synchronizing the application time to achieve a substantially complete out of phase, high etching rate and vertical Good etching processes with sidewall profiles can be performed. In addition, the incident energy toward the substrate of the negatively-charged particles through the application of the negative DC power in the etching apparatus using the plasma can be controlled, so that it can be adjusted to have excellent etching characteristics. In addition, by increasing the desorption reaction of the reaction product by heating the process chamber, it is possible to minimize the residual of the non-volatile reaction product and etch ion residue, and also minimize the corrosive residual chlorine (Cl) by anion etching.

도 7a 내지 도 7c는 소스 파워 및 바이어스 파워의 무선 주파수를 완전한 역위상으로 인가 시간을 동기화시키는 경우 공정 챔버 내부에 형성된 플라즈마 상태의 공정 가스 입자들의 분포 결과를 나타낸다. 도 7a는 플라즈마 내 양(+)으로 대전된 입자들의 공정 시간에 따른 생성량을 나타낸 그래프이고, 도 7b는 플라즈마 내 공정 시간에 따른 전자 밀도 및 온도를 나타낸 그래프이며, 도 7c는 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들의 공정 시간에 따른 생성량을 나타낸 그래프이다. 7A to 7C show the distribution of process gas particles in a plasma state formed inside the process chamber when synchronizing the application time of the radio frequency of the source power and the bias power to full antiphase. FIG. 7A is a graph showing the amount of production of positively charged particles in the plasma according to the processing time, FIG. 7B is a graph showing the electron density and temperature according to the processing time in the plasma, and FIG. Is a graph showing the amount produced according to the processing time of the particles charged with).

도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 상기 플라즈마를 이용한 비휘발성 금속막의 식각 결과, 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간에 생성된 플라즈마 내 전자의 밀도 및 온도가 급격히 감소되며, 이때, 전자들의 양(+)으로 대전된 입자들과 충돌하여 반응할 확률이 증가되어 음(-)으로 대전된 입자들이 집중적으로 생성되는 것을 확 인할 수 있다. Referring to FIGS. 7A to 7C, as a result of etching the nonvolatile metal film using the plasma, the density and temperature of electrons in the plasma generated during the down pulse period of the source power are drastically reduced. The probability of reacting by colliding with the charged particles is increased to confirm that the negatively charged particles are concentrated.

또한, 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간에 최대로 생성되는 음(-)으로 대전된 입자들은 바이어스 파워의 제어를 통해 기판 방향으로 용이하게 입사시킬 수 있다. 이때, 상기 음(-)으로 대전된 입자들의 기판 방향으로의 입사량은 전체 주기 중 펄스가 차지하는 듀티비(duty ratio)의 제어를 통해 조정될 수 있다. 상기 듀티비를 최소화시킴으로서, 상기 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들의 입사량을 최대화시킬 수 있다.In addition, the negatively charged particles generated at the maximum in the down pulse period of the source power can be easily incident in the direction of the substrate through the control of the bias power. In this case, the incident amount of the negatively charged particles toward the substrate may be adjusted by controlling a duty ratio occupied by a pulse during the entire period. By minimizing the duty ratio, the incident amount of negatively charged particles in the plasma may be maximized.

본 발명의 실시예들에 있어서, 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들이 집중적으로 생성되도록 무선 주파수들을 역위상의 펄스로 인가함으로서 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막에 대하여 우수한 식각 특성을 갖는 음이온 식각을 수행할 수 있다. 또한, 상기 음이온 식각시 공정 챔버의 내벽을 가열해줌으로써 반응 생성물과 부식성 식각 가스 잔류물을 완전히 제거시킬 수 있으며, 식각된 비휘발성 금속막의 측벽 프로파일이 수직하게 형성될 수 있다. In embodiments of the present invention, anions having excellent etching characteristics with respect to the non-volatile metal film formed on the substrate by applying radio frequencies as antiphase pulses so that negatively charged particles in the plasma are generated intensively Etching can be performed. In addition, the reaction product and the corrosive etching gas residue may be completely removed by heating the inner wall of the process chamber during the anion etching, and the sidewall profile of the etched nonvolatile metal layer may be vertically formed.

본 발명에 따르면, 플라즈마의 생성시 무선 주파수들을 역위상의 펄스형으로 인가시켜 음(-)으로 대전된 입자들을 집중적으로 생성시킴으로써, 기판 상에 형성된 박막을 음이온 식각할 수 있는 식각 장치를 제공할 수 있다. 특히, 상기 음이온 식각이 가능한 플라즈마를 이용한 식각 장치는 비휘발성 금속막의 식각시 수직한 측벽 프로파일을 갖도록 식각할 수 있으며, 식각 이온 잔류물의 잔류를 최소화시킬 수 있다. 또한, 높은 식각 속도를 제공할 수 있으며, 음의 DC 파워나 바이어스 파 워의 제어를 통해 상기 식각 속도를 유용하게 조절시킬 수 있다. 따라서, 상기 식각 장치를 이용한 비휘발성 금속막의 음이온 식각 공정에서는 식각 효율성이 증대될 수 있다.According to the present invention, by generating the plasma negatively charged particles by applying radio frequencies in the form of a reverse phase in the generation of plasma, it is possible to provide an etching apparatus capable of anion etching the thin film formed on the substrate. Can be. In particular, the etching apparatus using the plasma capable of anion etching can be etched to have a vertical sidewall profile during the etching of the nonvolatile metal film, and minimize the residue of the etch ion residue. In addition, a high etching rate may be provided, and the etching rate may be usefully controlled through control of negative DC power or bias power. Therefore, in the anion etching process of the nonvolatile metal film using the etching apparatus, the etching efficiency may be increased.

상술한 바에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, those skilled in the art may vary the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be understood that modifications and changes can be made.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치를 설명하기 위한 구성도이다.1 is a configuration diagram illustrating an etching apparatus using plasma according to embodiments of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치를 설명하기 위한 구성도이다.2 is a configuration diagram illustrating an etching apparatus using plasma according to other embodiments of the present invention.

도 3은 도 2에 도시된 플라즈마를 이용한 식각 장치를 이용하는 플라즈마의 식각 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. FIG. 3 is a flowchart illustrating a plasma etching method using the etching apparatus using the plasma shown in FIG. 2.

도 4는 소스 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing a wave mode of source power according to a process time.

도 5는 바이어스 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing a wave-type mode of bias power according to process time.

도 6은 DC 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 6 is a graph showing the wave mode of the DC power according to the process time.

도 7a는 플라즈마 내 양(+)으로 대전된 입자들의 공정 시간에 따른 생성량을 나타낸 그래프이다.7A is a graph showing the amount of production according to the processing time of positively charged particles in the plasma.

도 7b는 플라즈마 내 공정 시간에 따른 전자 밀도 및 온도를 나타낸 그래프이다.7B is a graph showing electron density and temperature according to processing time in plasma.

도 7c는 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들의 공정 시간에 따른 생성량을 나타낸 그래프이다.7C is a graph showing the amount of production according to the processing time of negatively charged particles in the plasma.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100, 200 : 플라즈마를 이용한 식각 장치 100, 200: etching apparatus using plasma

102, 202 : 기판 104, 204 : 하부 전극102, 202: substrate 104, 204: lower electrode

106, 206 : 상부 전극 110, 210 : 공정 챔버106, 206: upper electrodes 110, 210: process chamber

112, 212 : 바이어스 파워부 114, 214 : 소스 파워부112, 212: bias power section 114, 214: source power section

116, 216 : 가스 제공부 120, 220 : 동기화부116, 216: gas providing unit 120, 220: synchronization unit

122, 222 : 펌프 218 : DC 파워부122, 222: pump 218: DC power unit

Claims (10)

하부 전극 및 상부 전극을 구비하며, 상기 하부 전극에 전달되는 바이어스 파워 및 상기 상부 전극에 전달되는 소스 파워에 의해 생성되는 플라즈마를 이용하여 상기 하부 전극 상에 위치하는 기판 상에 형성된 박막을 식각하는 식각 공정이 수행되는 공정 챔버; 및Etching the thin film formed on the substrate disposed on the lower electrode using a plasma generated by the lower electrode and the upper electrode, the bias power delivered to the lower electrode and the source power delivered to the upper electrode A process chamber in which the process is performed; And 상기 바이어스 파워의 무선 주파수(radio frequency)를 50kHz 내지 500kHz의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하는 바이어스 파워부;A bias power unit for applying a radio frequency of the bias power in a pulsed mode within a range of 50 kHz to 500 kHz; 상기 소스 파워의 무선 주파수를 27MHz 내지 500MHz의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하는 소스 파워부; 및A source power unit applying a radio frequency of the source power in a pulsed mode within a range of 27 MHz to 500 MHz; And 상기 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수 및 상기 소스 파워의 펄스형 무선 주파수의 인가 시간을 완전한 역위상(out of phase)으로 동기화시키는 동기화부를 포함하는 플라즈마를 이용한 식각 장치.And a synchronization unit configured to synchronize the application time of the pulsed radio frequency of the bias power and the pulsed radio frequency of the source power to a complete out of phase. 제1항에 있어서, 상기 상부 전극에는 상기 플라즈마 내의 음으로 대전된 입자들을 상기 기판 방향으로 가속하기 위해 DC(direct current) 네거티브 파워를 제공하는 DC 파워부가 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 식각 장치.2. The etching apparatus of claim 1, wherein the upper electrode is connected to a DC power unit providing direct current (DC) negative power to accelerate negatively charged particles in the plasma toward the substrate. . 제1항에 있어서, 상기 DC 파워부는 DC 파워를 상기 상부 전극에 -50V 내지 -1,000V의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하며, 상기 DC 파워의 인가 시간은 5us 내지 10us인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 식각 장치.The plasma power supply of claim 1, wherein the DC power unit applies DC power to the upper electrode in a pulsed mode within a range of -50V to -1,000V, and the application time of the DC power is 5us to 10us. Etching device using. 제1항에 있어서, 상기 상부 전극의 온도는 100℃ 내지 300℃, 상기 하부 전극의 온도는 100℃ 내지 350℃이며, 상기 공정 챔버의 내벽 온도는 50 내지 200℃인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 식각 장치. According to claim 1, wherein the temperature of the upper electrode is 100 ℃ to 300 ℃, the temperature of the lower electrode is 100 ℃ to 350 ℃, the inner wall temperature of the process chamber is 50 to 200 ℃ using a plasma, characterized in that Etching device. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마를 이용한 식각 장치는 고밀도 플라즈마(high density plasma : HDP)에 의해 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막을 식각하기 위한 장치인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 식각 장치.The etching apparatus of claim 1, wherein the etching apparatus using plasma is an apparatus for etching a nonvolatile metal film formed on a substrate by a high density plasma (HDP). 공정 챔버에 식각 공정이 수행될 박막이 형성된 기판을 로딩하는 단계;Loading a substrate on which a thin film to be etched is formed in a process chamber; 상기 공정 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 공정 가스를 제공하는 단계;Providing a process gas for generating a plasma inside said process chamber; 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 생성하기 위하여 상기 공정 가스에 소스 파워를 펄스형 모드로 인가하는 단계;Applying source power to the process gas in a pulsed mode to generate a plasma from the process gas; 상기 소스 파워의 인가를 멈춘 후, 상기 플라즈마가 상기 기판 방향으로 향하여 상기 박막을 식각하기 위해 상기 기판에 바이어스 파워를 펄스형 모드로 인가하는 단계;After stopping the application of the source power, applying a bias power to the substrate in a pulsed mode to etch the thin film toward the substrate; 상기 바이어스 파워 및 상기 소스 파워를 끄는 단계;Turning off the bias power and the source power; 상기 공정 가스의 주입을 차단하는 단계; 및 Blocking injection of the process gas; And 상기 기판을 상기 공정 챔버로부터 언로딩하는 단계를 포함하며, 상기 바이어스 파워 및 상기 소스 파워는 완전한 역위상의 펄스를 갖도록 동기화되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 방법.Unloading the substrate from the process chamber, wherein the bias power and the source power are synchronized to have a complete antiphase pulse. 제6항에 있어서, 상기 바이어스 파워를 인가하는 단계 이후에, The method of claim 6, wherein after applying the bias power, 상기 플라즈마 내의 음(-)으로 대전된 입자들을 상기 기판 방향으로 가속화시키도록 DC 파워를 -50V 내지 -1,000V의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하는 단계; 및 Applying DC power in a pulsed mode within a range of -50V to -1,000V to accelerate negatively-charged particles in the plasma toward the substrate; And 상기 바이어스 파워가 턴온(turn-on)된 상태에서, 상기 DC 전압을 끄는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 방법. And turning off the DC voltage when the bias power is turned on. 제7항에 있어서, 상기 DC 파워는 짧은 펄스(short pulse)로 인가되며, 상기 DC 파워의 인가 지속 시간은 5us 내지 10us인 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 방법.8. The plasma etching method of claim 7, wherein the DC power is applied in a short pulse, and the duration of application of the DC power is 5us to 10us. 제6항에 있어서, 상기 소스 파워의 무선 주파수는 27MHz 내지 100MHz의 범위를 가지고, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수는 50kHz 내지 500kHz의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 방법. The method of claim 6, wherein the radio frequency of the source power has a range of 27MHz to 100MHz, the radio frequency of the bias power has a range of 50kHz to 500kHz. 제6항에 있어서, 상기 소스 파워 및 상기 바이어스 파워를 펄스형 모드로 바 꾸기 위하여, 듀티 싸이클(duty cycle)이 20% 내지 90%이고 무선 주파수가 100Hz 내지 10kHz인 파워를 인가시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 방법. The method of claim 6, wherein in order to change the source power and the bias power into a pulsed mode, a power having a duty cycle of 20% to 90% and a radio frequency of 100Hz to 10kHz is applied. Plasma etching method.
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