KR20100050887A

KR20100050887A - 플라즈마 식각장치

Info

Publication number: KR20100050887A
Application number: KR1020080110001A
Authority: KR
Inventors: 성덕용
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2010-05-14
Also published as: KR101500995B1; CN101740302A

Abstract

본 발명은 챔버 내의 하부전극에 인가되는 저주파전력보다 낮은 주파수의 전력을 상부전극에 인가하여 Oxide-to-PR 선택비를 개선시키는 플라즈마 식각장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마 식각장치는 웨이퍼를 식각하는 공정이 수행되는 챔버;와 상기 챔버 내부로 가스를 주입하기 위한 가스주입장치;와 상기 가스를 플라즈마화하기 위한 고주파전력이 인가되는 상부전극;과 상기 플라즈마를 상기 웨이퍼쪽으로 유도하기 위한 제1저주파전력이 인가되는 하부전극;을 포함하고, 상기 상부전극에는 상기 제1저주파전력보다 낮은 주파수의 제2저주파전력을 더 인가하여 상부전극에도 소량의 이온을 입사시킴으로서 에너지가 높은 2차 전자(hot secondary electrons)를 방출케 하고, 이 2차 전자는 웨이퍼 위로 입사되어 포토레지스트(Photoresist)의 강화 및 Oxide-to-PR 선택비를 효과적으로 개선시킬 수 있다.

Description

플라즈마 식각장치{PLASMA ETCHING APPARATUS}

본 발명은 플라즈마 식각장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 웨이퍼의 Oxide-to-PR 선택비를 개선시킬 수 있는 플라즈마 식각장치에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마란 이온화된 기체로서 양이온, 음이온, 전자, 여기된 원자, 분자 및 화학적으로 매우 활성이 강한 라디칼 등으로 구성되며, 전기적 및 열적으로 보통 기체와는 매우 다른 성질을 갖기 때문에 물질의 4상태라고도 칭한다.

이러한 플라즈마는 이온화된 기체를 포함하고 있기 때문에 전기장 또는 자기장을 이용해 가속시키거나 화학반응을 일으켜 웨이퍼를 식각하는 등 반도체의 제조공정에 유용하게 활용되고 있다.

최근에 반도체 제조공정에서는 고밀도 플라즈마를 사용하는 플라즈마 식각장치를 이용하는 경우가 증가하고 있다. 이는 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 미세 가공의 요구는 커지고 있는 반면 직경이 큰 대구경의 웨이퍼 사용이 늘어나고 있기 때문이다.

이러한 플라즈마 식각장치는 플라즈마를 형성하는 방법에 따라 크게 용량결합형 플라즈마(Capacitive Coupled Plasma ; 이하 CCP라 칭함)타입과, 유도결합형 플라즈마(Inductive Coupled Plasma ; ICP)타입으로 나눌 수 있다.

상술한 타입 중에서 CCP 플라즈마 식각장치는 높은 전기장을 이용하여 고 에너지의 이온을 생성할 수 있는 장점이 있어서 널리 사용되고 있다.

일예로, CCP 플라즈마 식각장치는 챔버 내에 상부전극과 하부전극이 대향 배치된다. 상부전극에는 제 1 고주파 전력을 인가하는 제 1 고주파 전원장치가 연결되고, 하부전극에는 제 1 고주파 전력보다 낮은 제 1 고주파 전력을 인가하는 제 1 고주파 전원장치가 연결된다. 따라서, 상부전극에 인가된 제 1 고주파 전력에 의해 챔버 내에 유입된 식각 가스가 플라즈마화되고, 하부전극에 인가된 제 1 고주파 전력에 의해 플라즈마가 하부전극 상에 마련된 웨이퍼에 인입되어 식각 처리가 이루어진다.

본 발명의 일측면에 의하면 챔버 내의 하부전극에 인가되는 저주파전력보다 낮은 주파수의 전력을 상부전극에 인가하는 플라즈마 식각장치를 제공하고자 한다.

이를 위한 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마 식각장치는 웨이퍼를 식각하는 공정이 수행되는 챔버;와 상기 챔버 내부로 가스를 주입하기 위한 가스주입장치;와 상기 가스를 플라즈마화하기 위한 고주파전력이 인가되는 상부전극;과 상기 플라즈마를 상기 웨이퍼쪽으로 유도하기 위한 제1저주파전력이 인가되는 하부전극;을 포함하고, 상기 상부전극에는 상기 제1저주파전력보다 낮은 주파수의 제2저주파전력이 더 인가되는 것이 바람직하다.

상기 제2저주파전력은 제1저주파전력보다 전력의 크기가 작은 것이 바람직하다.

상기 하부전극에 상기 가스를 플라즈마화하기 위한 고주파전력이 더 인가될 수 있는 것이 바람직하다.

상기 고주파전력의 주파수는 60MHz~100MHz사이의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

제1저주파전력은 800kHz~2MHz사이의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

한편, 상술한 본 발명의 일측면에 의하면 챔버 내의 하부전극에 인가되는 저주파전력보다 낮은 주파수의 전력을 상부전극에 인가하여 Oxide-to-PR 선택비를 개선시킬 수 있다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마 식각장치의 개략적인 구성도이다.

도 1(a)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각장치는 소정의 용적을 가지며 가스유입구(11)와 가스배출구(12)가 형성된 챔버(10)와, 챔버(10)내에 대향 배치된 상부전극(13) 및 하부전극(14)과, 상부전극(13)에 RF(Radio Frequency)전력을 인가하는 고주파 전원(16)과, 상부전극(13) 및 하부전극(14)에 바이어스를 인가하는 제1저주파전원(15) 및 제2저주파 전원(17)으로 구성된다.

챔버(10)는 접지되어 있으며, 식각가스가 챔버(10)의 가스유입구(11)를 통해 내부로 유입되며 가스배출구(12)를 통해 외부로 배출된다. 또한, 챔버(10) 내부에는 상부전극(13)과 하부전극(14)이 대향 배치되어 있다. 한편, 챔버(10)는 플라즈마 반응 시 파티클(Particle)과 같은 오염 물질에 의해 발생될 수 있는 공정 결함을 방지하기 위하여 고진공으로 유지된다.

상부전극(13)은 도전성 재료로 이루어지며 평판 형상이며, 전극의 역할은 물론 외부로부터 공급되는 공정가스를 챔버(10) 내부로 균일하게 공급될 수 있도록 확산시켜주는 역할을 하는 것으로서, 반도체 제조 설비의 각 공정에 적합하게 다양 한 재질 및 구조로 사용될 수 있다.

또한, 상부전극(13)에는 플라즈마를 생성하는 RF(Radio Frequency)전력을 공급하기 위한 고주파 전원(16)이 연결되며, 플라즈마화 된 일부 이온들이 상부전극에 충돌하여 에너지가 높은 이차전자(hot secondary electrons)를 방출케 하기 위해 제2저주파 전원(17)이 연결된다.

한편, 상술한 제2저주파의 주파수는 제1저주파의 주파수보다 낮게 설정된다. 즉, 하부전극(14)에 인가된 제1저주파에 의해 플라즈마가 하부전극 상에 마련된 웨이퍼(W)에 인입되어 식각 처리가 이루어지게 되고, 상부전극(13)에 인가된 제2저주파에 의해 소량의 이온들이 상부전극에 충돌하게 되며, 이로 인해 상부전극에서 에너지가 높은 2차 전자를 방출하게 되는 것이다. 이렇게 방출된 2차 전자는 하부전극 상의 웨이퍼(W)에 입사되어 높은 에너지를 전달함으로서 포토레지스트(Photoresist)를 강화(crosslinking)시키게 된다. 한편, 2차 전자란 고속이온의 충돌에 의해 생기는 전자로서 높은 에너지를 보유하고 있으며, 웨이퍼(W)위로 입사되면 ACL 표면을 개질(즉, Carbon농도 증가)시켜 Oxide-to-PR(Photo Resist) 선택비를 개선시키는 효과가 있다. 한편, RF 전기장의 세기는 상부전극(13)과 웨이퍼(W) 사이의 간격에 반비례하고, 어느 한 지점의 RF 전기장 세기와 플라즈마의 밀도에 의해 식각의 균일도는 정해진다.

하부전극(14)은 챔버(10)의 내부에 설치되며, 그 상면에 웨이퍼(W)가 탑재된다. 또한, 하부전극(14) 상에 배치되는 웨이퍼(W)는 하부전극(14) 배면에 내설되는 냉각 시스템(미도시)에서 방출되는 냉각 가스의 방출 압력에 의해, 그 중앙부분이 상부 방향으로 다소 돌출되게 변형되는 것이 일반적이다.

고주파 전원(16)은 챔버(10)내에 RF(Radio Frequency)전력을 인가하여 플라즈마를 생성하기 위한 소스전원으로서 상부전극(13)에 연결되거나, 상부전극(13) 및 하부전극(14)에 각각 연결될 수 있다.

제1저주파 전원(15)은 하부전극(14)에 연결되며, 챔버(10)에서 생성되는 플라즈마가 웨이퍼(W) 상에 인입되도록 하부전극(14)에 저주파전력(바이오스)을 인가한다.

제2저주파 전원(17)은 상부전극(13)에 연결되며, 제1저주파보다 낮은 주파수의 바이오스를 상부전극(13)에 인가하게 되며, 이로 인해 챔버(10) 내부에 생성된 플라즈마의 소량의 이온이 상부전극(13)에 고속으로 입사하게 되고, 이온이 상부전극(13)에 고속으로 입사하게 되면 에너지가 높은 2차 전자가 발생하게 된다. 이렇게 발생한 2차 전자는 하부전극(14)에 배치되는 웨이퍼(W) 상에 인입함으로서 포토레지스트(Photoresist)를 강화(crosslinking)시키는 효과가 있다.

한편, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 고주파 전원(16,16')를 상부전극 및 하부전극에 각각 연결할 수도 있으며, 도시하지는 않았지만 하부전극에만 고주파전원(16')을 연결하는 것도 가능하다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 이차 전자의 발생 상태를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상부전극(13)에 인가된 제2저주파에 의해 (+)이온이 상부전극(13)으로 입사되면, 2차 전자(e-)가 발생하게 되고, 발생된 2차 전자는 웨이퍼(W) 상에 인입되어 ACL표면을 개질(Carbon농도증가)시키는 것을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마 식각장치에 의한 선택비의 개선을 나타낸 비교표이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 상부전극(13)에 소스전원으로서 100MHz의 1500W의 고주파 전원(16)을 인가하고, 하부전극(14)에는 바이오스전원으로서 2MHz의 4500W의 제1저주파전원(15)을 인가한 상태에서, 하부전극(14)에 인가한 저주파전원의 주파수보다 낮은 주파수의 제2저주파전원(17)을 상부전극(13)에 추가적으로 인가할 때 Oxide-to-PR의 선택비가 개선되는 것을 알 수 있다.

즉, 상부전극(13)에 추가로 제2저주파전원(17)을 인가하지 않을 때 Oxide-to-PR 선택비는 2.2 : 1 이 되며, 상부전극(13)에 800KHz의 300W의 제2저주파전원(17)을 인가할 때 Oxide-to-PR 선택비는 3.6 : 1로 되며, 상부전극(13)에 800KHz의 500W의 제2저주파전원(17)을 인가할 때 Oxide-to-PR 선택비는 4 : 1이 된다.

따라서, 상부전극(13)에 하부전극(14)보다 낮은 주파수의 전원을 추가로 인가할 때 Oxide-to-PR 선택비가 개선되는 것을 알 수 있으며, 상부전극(13)에 추가로 인가되는 전원의 전력이 클수록 선택비가 개선된다는 것을 알 수 있다. 한편, 플라즈마가 하부전극(14) 상에 안착된 웨이퍼(W)에 인입되어야 하므로 상부전극(13)에 추가로 인가되는 저주파전원의 전력은 하부전극(14)에 인가되는 저주파전원의 전력보다 크지 않도록 제한되어야 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 웨이퍼(W)의 식각과정을 도시한 흐름도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 공정이 시작되면 웨이퍼(W)를 로딩하고 챔버(10) 내부에 가스를 주입한다. 가스로는 Ar, CF4, SF6,CL2 등을 사용할 수 있다.(S10,S20)

다음으로, 소스전원인 고주파 전원(16)을 상부전극(13)에 인가한다. 즉, 주파수가 60~100MHz이고 전력이 1500W인 고주파 전원(16)을 상부전극(13)에 인가하여 챔버(10)내부에 공급된 가스를 플라즈마화 할 수 있다. 구체적으로, 상부전극(13)에 인가된 소스전원에 의해 상부전극(13)에서는 자유전자가 방출되는데, 상부전극(13)에서 방출된 자유전자는 전기장에 의해서 운동에너지를 얻어 가속된 다음 챔버(10) 내부의 식각 가스를 통과하면서 식각 가스와 충돌하여 식각 가스에 에너지를 전달하게 된다. 이렇게 에너지를 전달받은 식각 가스는 이온화되어 이온들을 형성하며, 상술한 이온들도 전기장에 의해서 운동에너지를 얻어 가속된 후, 식각 가스를 통과하면서 식각 가스에 에너지를 전달하게 되는 과정이 반복됨으로서 챔버(10) 내부에는 플라즈마가 생성된다.(S30)

다음으로, 상부전극(13) 및 하부전극(14)에 연결되고 바이오스 전원으로서 기능을 하는 제1저주파전원(15) 및 제2저주파전원(17)을 상부전극(13) 및 하부전극(14)에 인가한다. 구체적으로, 하부전극(14)에 인가되는 제1저주파전원(15)은 주파수가 800KHz~2MHz사이이며 전력은 4500W일 수 있다. 하부전극(14)에 제1저주파전원(15)이 인가되면 챔버(10)내에 생성된 플라즈마가 하부전극(14)에 인입되며, 하부전극(14) 상에 장착된 웨이퍼(W)가 플라즈마에 의해 식각된다. 또한, 상부전극(13)에 제2저주파전원(17)이 인가되면 챔버(10)내에 생성된 플라즈마의 소량의 이온들이 상부전극(13)에 입사하게 되며, 이온들이 고속으로 상부전극(13)에 입사하면 2차 전자(hot secondary electrons)가 방출된다. 또한, 에너지가 높은 2차 전자는 웨이퍼(W) 상에 인입되어 포토레지스트(Photoresist)를 강화(Crosslinking)시킬 수 있으며 Oxide-to-PR 선택비를 획기적으로 개선시킬 수 있다.

한편, 플라즈마 상태의 이온들이 대부분 하부전극(14) 상에 배치된 웨이퍼(W)를 식각하도록 방향성을 가져야 하며, 상부전극(13)에 입사되어 2차전자를 발생시키는 이온들을 소량으로 제한하도록 하기 위해서 제2저주파전원(17)은 제1저주파전원(15)보다 주파수 및 전력의 크기를 작게 설정한다.(S40)

다음으로, 상술한 S10~S40단계에 의해 플라즈마와 2차전자가 생성되면 이를 이용해 웨이퍼(W)의 식각공정을 진행한다.(S50)

다음으로, 플라즈마 식각공정이 완료되면 상부전극(13) 및 하부전극(14)에 인가된 전원을 오프하고, 소스전원인 고주파 전원(16)을 오프시키며, 챔버(10)내로 가스 주입을 중단하고 웨이퍼(W)를 챔버(10) 내에서 제거함으로서 식각공정을 종료한다.(S60내지S90)

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마 식각장치의 개략적인 구성도

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 이차 전자의 발생 상태를 나타낸 도면

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마 식각장치에 의해 선택비가 개선됨을 나타낸 비교표

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 웨이퍼의 식각과정을 도시한 흐름도

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

13 : 상부전극 14 : 하부전극

15 : 제1저주파 전원 16 : 고주파 전원

17 : 제2저주파 전원

Claims

웨이퍼를 식각하는 공정이 수행되는 챔버;

상기 챔버 내부로 가스를 주입하기 위한 가스주입장치;

상기 가스를 플라즈마화하기 위한 고주파전력이 인가되는 상부전극;

상기 플라즈마를 상기 웨이퍼쪽으로 유도하기 위한 제1저주파전력이 인가되는 하부전극;을 포함하고,

상기 상부전극에는 상기 제1저주파전력보다 낮은 주파수의 제2저주파전력이 더 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체 식각장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제2저주파전력은 제1저주파전력보다 전력의 크기가 작은 것을 특징으로 하는 반도체 식각장치.
제 1 항에 있어서,

상기 하부전극에 상기 가스를 플라즈마화하기 위한 고주파전력이 더 인가될 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 식각장치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 고주파전력의 주파수는 60MHz~100MHz사이의 범위 내에 있는 것을 특징 으로 하는 반도체 식각장치.
제 1 항에 있어서,

제1저주파전력은 800kHz~2MHz사이의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 식각장치.