KR20120108443A

KR20120108443A - 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터를 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법

Info

Publication number: KR20120108443A
Application number: KR1020110026306A
Authority: KR
Inventors: 고성용; 김민식; 김아람; 박병석; 이원묵
Original assignee: 주식회사 디엠에스
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2012-10-05
Also published as: KR101225544B1

Abstract

본 발명은 마스크 레이어와 산화막이 적층된 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법에 관한 것으로서, 정전척의 인너존(inner zone)과 아우터존(outer zone)의 온도를 최적화하는 정전척 히팅단계, ICP 소스(Inductive Coil Plasma Source)와 CCP 소스(Capacitively Coupled Plasma Source)를 이용하여 마스크 레이어를 식각하는 마스크 레이어 식각단계, 정전척을 노멀 모드(Normal Mode)로 전환하는 챔버 안정화 단계, 및 상기 마스크 레이어 식각단계에서 형성된 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 산화막을 식각하는 산화막 식각단계로 구성됨으로써, 하이브리드 플라즈마 소스(Hybrid Plasma Source) 적용을 통해 정전척 히터의 안정적인 온도 제어를 유도하여 웨이퍼의 중심부(Center)와 에지부(Edge)의 CD(Critical Dimension, 에칭폭)를 각각 독립적으로 제어할 수 있는 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척을 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법을 제공하는 것이다.

Description

하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터를 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법{Multi-stack Mask layer silicon-oxide etching method using the Hybrid Plasma Source and ESC heater}

본 발명은 복합층의 마스크 레이어가 적층된 구조의 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법에 관한 것으로서, 적층 구조의 막질을 순차적으로 식각 처리하되, 하이브리드 플라즈마 소스(Hybride Plasma Source)를 이용하여 플라즈마를 생성함으로써, 정전척에 설치된 히터의 온도를 안정적으로 제어할 수 있게 하여 웨이퍼(Wafer)의 중심부(Center)와 에지부(Edge)의 CD(Critical Dimension, 에칭폭)를 독립적으로 제어할 수 있는 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터를 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 집적회로 소자에 사용되는 웨이퍼(Wafer)는 표면에 여러 박막층이 형성되고, 또한 박막의 일부분만이 선택적으로 제거됨으로써, 표면에 원하는 형태의 초미세 구조의 회로나 패턴이 형성된다.

이러한 미세회로 또는 패턴의 제조는 일반적으로 세척공정, 증착공정, 포토리소그래피(photolithography)공정, 도금공정, 식각(etching)공정 등 많은 제조공정을 통해 이루어지게 된다.

상기와 같은 다양한 처리 공정들은 웨이퍼나 기판을 외부와 격리시킬 수 있는 챔버(chamber) 또는 반응로 내에 투입하여 처리하게 된다.

상기와 같은 공정들 중 특히 식각(etching)공정은 일반적으로 챔버나 반응로 내에 적절한 반응가스(CxFx 계열, SxFx 계열, HBr, O₂, Ar 등)를 분사시킴으로써 플라즈마 상태에서의 물리적 또는 화학적 반응을 통해 웨이퍼 표면에서 원하는 물질을 선택적으로 제거하는 공정으로서, 포토레지스트 패턴(Photoresist Pattern)을 마스크로 하여 포토레지스트로 덮여 있지 않은 부분을 선택적으로 제거함으로써 표면에 미세회로를 패터닝하는 공정이다.

최근에는 반도체 공정의 패턴이 30~40nm 이하 급으로 미세화 됨에 따라 마스크층이 단일 포토레지스트 레이어가 아닌 하드마스크 레이어가 적층된 멀티 스텍 레이어 구조의 마스크가 사용 되고 있다(도6 a참조).

그러나 반도체 웨이퍼가 200mm에서 300mm, 또는 450mm로 점차 대구경화 되어 가는 추세에 따라 보다 많은 공정 변수들의 제어가 필요하게 되고, 이들을 효과적으로 제어하기 위한 많은 노력들이 이루어지고 있다.

특히 웨이퍼(wafer)의 중심부(Center)와 에지부(Edge)의 패턴(Pattern) 밀도의 차이가 더욱 확대되면서 반응가스의 소모량 차이에 의해 발생되는 국부적인 식각원의 고갈로 인해 중심부와 외곽 에지부의 식각속도가 상이하게 되는 현상(Microloading)에 의해 에지부의 CD(Critical Dimension, 에칭폭)와 중심부의 CD가 상이하게 나타나는 현상이 발생하였다.

종래에는 상기와 같은 웨이퍼의 중심부(Center)와 에지부(Edge)에서의 CD(Critical Dimension) 차이를 제거하기 위하여 정전척(ESC:Electro Static Chuck)의 온도를 제어하는 방법이 사용되고 있었다.

일반적으로 식각 공정이 진행될 때 웨이퍼에는 식각을 방해하는 요소로 작용하는 폴리머(Polymer)층이 식각 진행과 동시에 웨이퍼 표면상에 쌓이게 되며, 이때 폴리머(Polymer)층이 쌓이는 정도는 웨이퍼의 온도에 따라 크게 변하게 된다.

즉, 웨이퍼의 온도가 높으면 패턴 사이드에 폴리머가 증착되는 폴리머 Passivation 작용이 감소하여 패텬 옆면으로의 식각 속도가 빠르게 진행되고 이는 곧 CD에 직접적인 영향을 미치게 된다.

물론 웨이퍼의 온도가 낮으면 그 반대의 현상이 나타난다.

따라서 종래에는 정전척에 설치된 히터에 교류 전류를 인가하여 정전척의 온도를 조절함으로써, 웨이퍼의 온도를 제어하여 CD를 콘트롤 하였다.

그러나 상기와 같은 종래의 웨이퍼 온도 제어 방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.

실제 식각 공정 진행중에는 챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위하여 RF 파워(Radio Frequency Power)가 정전척에 전달되어야 하기 때문에 정전척의 히터시스템이 RF 간섭을 심하게 받게 된다.

또한 이를 차단하기 위하여 히터시스템에 저역통과필터(LPF:Law Pass Filter) 등을 추가하여 간섭을 일으키는 RF가 필터링 되도록 시스템을 구성하였다.

그러나 산화막(Oxide) 식각 공정은 기본적으로 높은 바이어스(Bias) 파워를 인가하는 공정이기 때문에 RF 필터링에 한계가 있게 되고, 또한 이로 인해 정전척 히터의 온도 조절을 통해 웨이퍼 표면의 CD를 콘트롤 하는 것이 매우 어렵게 되는 것이다.

따라서 종래의 산화막 식각 공정에서는 정전척의 히터를 사용하여 웨이퍼의 온도를 컨트롤하는 작업은 시행되지 않고 있다.

그 결과 웨이퍼의 중심부와 에지부에서의 CD를 정확하게 제어하지 못하게 됨으로써, 웨이퍼 전체 표면에서 CD(Critical Dimension)나 식각 균일도(Etching Uniformity)를 유지할 수 없게 되어 칩수율이 현저히 저하되는 문제점이 있었고, 또한 웨이퍼의 대구경화 추세와 반도체 Device의 고집적화가 진행되면서 CD 제어 효과가 더욱 어려워지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 하이브리드 플라즈마 소스(Hybrid Plasma Source)를 이용하여 플라즈마를 생성함으로써, 정전척에 설치된 히터의 온도를 RF의 간섭없이 안정적으로 정밀제어 함으로써, 멀티 스텍 구조의 마스크를 효과적으로 식각하여 최종적으로 산화막의 CD를 컨트롤 할 수 있게 하여, 웨이퍼의 중심부와 에지부에서의 CD 차이를 보상하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 정전척에 웨이퍼를 로딩시킴과 아울러 상기 정전척의 히터에 전류를 인가한 후 정전척의 인너존(Inner Zone)과 아우터존(Outer Zone)의 온도를 각각 최적화하는 정전척 히팅단계와, 하이브리드 플라즈마 소스(Hybrid Plasma Source)를 ON 시킴으로써 반응챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 마스크 레이어를 식각하는 마스크 레이어 식각단계와, 상기 정전척의 히터에 인가되는 전류를 차단하고 정전척을 냉각시켜 노멀 상태로 복귀시킨 후 다음 식각 공정을 준비하는 챔버 안정화 단계, 및 상기 정전척에 높은 바이어스 파워(Bias Power)를 인가함으로써 상기 마스크 레이어 식각단계에서 형성된 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 산화막을 식각하는 산화막 식각단계를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 하이브리드 플라즈마 소스는 상기 챔버 상부에 위치한 유도성 코일을 이용한 ICP 소스(Inductive Coil Plasma Source)와 상기 정전척으로부터 웨이퍼로 전달되는 바이어스(Bias) 파워를 이용한 CCP 소스(Capacitively Coupled Plasma Source)로 이루어질 수 있다.

또한 상기 정전척 히팅단계는 상기 히터를 상기 정전척의 인너존과 아우터존에 독립적으로 분리 구성하여 상기 웨이퍼의 중심부(Center)와 에지부(Edge)에 독립적으로 온도 제어가 가능하도록 할 수 있다.

또 정전척의 히터에는 ON/OFF 릴레이를 각각 설치하여 온도를 독립적으로 제어할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

한편 상기 마스크 레이어 식각단계는 반사방지막 식각단계와 반사방지막 하부의 비정질 카본층을 식각하는 하드마스크 식각단계로 구성된다.

또한 상기 멀티 스텍 레이어 마스크의 식각단계는 높은 바이어스(Bias) 파워를 정전척에 인가하지 않더라도 ICP 소스를 함께 사용하여 플라즈마를 생성함으로써, 라디컬(Radical) 의한 화학 반응에 의해 식각이 충분히 이루어질 수 있게 할 수 있다.

또 상기 산화막 식각단계는 높은 바이어스 파워(Bias Power)를 인가하여 이온 에너지에 의한 물리적 반응에 의해 식각이 이루어질 수 있게 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 하이브리드 플라즈마 소스(Hybrid Plasma Source)와 정전척 히터의 안정적인 제어를 통해 웨이퍼의 중심부와 에지부에서의 CD를 독립적으로 정밀하게 제어하는 것이 가능하여 웨이퍼 표면 전체에서의 CD 균일도와 식각 균일도(Etching Uniformity)를 확보할 수 있어 공정 효율 향상은 물론 칩수율 증대에 따른 생산성 향상의 효과가 있다.

도 1은 플라즈마 반응기의 일 실시예의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명의 하이브리드 플라즈마 소스의 구성도,
도 3은 본 발명의 정전척 히팅시스템 구성도,
도 4는 도 2의 정전척의 두가지 히팅모드를 각각 나타낸 개략도,
도 5는 본 발명의 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척을 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법의 흐름도,
도 6은 본 발명의 식각 공정도이다.

본 발명은 하이브리드 플라즈마 소스(Hybrid Plasma Source)를 사용함으로써, 정전척(ESC)에 설치된 히터를 안정적으로 제어할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 것으로서, 정전척의 히터를 조절하여 멀티 스텍 레이어 마스크 구조의 산화막 웨이퍼에서 마스크 레이어(Mask Layer)의 CD(Critical Dimension, 에칭폭)를 정밀하게 제어함으로써 웨이퍼 표면의 전체적인 CD 균일도를 구현하고자 하는 것이다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 반응기의 일 실시예의 개략적인 구성도를 나타낸 것으로서, 본 발명의 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척을 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법에 관련된 구성 요소들을 개략적으로 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 반응챔버(100)는 식각 공정에서 외부와 격리되는 플라즈마 반응 공간을 제공하는 것으로서, 내부에 일정 크기의 밀폐 공간을 형성하게 되며, 웨이퍼(W)의 크기나 공정 특성에 따라 다양한 형태로 형성될 수 있다.

여기서 반응챔버(100)의 몸체는 그라운드에 연결되고, 상부에는 RF 쉴드 커버(Shield Cover)(150)가 설치된다.

또한 반응챔버(100) 하측부에는 반응가스나 폴리머(polymer) 또는 미립자(particle) 등과 같은 반응 부산물을 외부로 배출시킬 수 있는 배기부(130)가 설치되며, 이 배기부(130)에는 내부 가스를 강제 배출시켜 내부를 진공 분위기로 전환시킬 수 있는 터보펌프(135)가 설치된다.

한편 반응챔버(100) 중앙부에는 캐소드 어셈블리(Cathode Assembly)(140)가 설치되고, 캐소드 어셈블리(140) 상부에는 식각 공정 수행을 위해 웨이퍼(W)가 로딩되는 정전척(ESC:Electro Static Chuck)(10)이 수평 상태로 설치되며, 이때 정전척(10)은 CCP 소스(Capacitively Coupled Plasma Source)(60)에 연결된다.

이때 정전척(10)에는 상부에 로딩되는 웨이퍼(W)의 온도 조절이 가능하도록 히터(30)가 내설되고, 또한 헬륨(He) 가스 등과 같은 열전달 가스를 분사시킬 수 있는 가스배관(도시하지 않음)이 설치된다.

여기서 웨이퍼(W)는 정전력에 의해 정전척(10) 상부에 수평 상태로 로딩되어 고정되는 것이다.

한편 반응챔버(100) 상부에는 RF 쉴드 커버(Shield Cover)(150)가 결합되며, 이 RF 쉴드 커버(Shield Cover)(150)에는 ICP 소스(Inductively Coupled Plasma Source)(50)로서 유도성코일(Inductive Coil)(55)이 설치된다.

여기서 유도성코일(55)는 RF 제너레이터(13.56MHz)와 연결되는 것이다.

또한 반응챔버(100)의 상측 중앙부와 측면부에는 상부 가스인젝터(110)와 사이드 가스인젝터(120)가 각각 설치되며, 상부 가스인젝터(110)와 사이드 가스인젝터(120)는 외부에 별도로 구비된 유량제어모듈(125)과 연결된다.

여기서 상부 가스인젝터(110)는 반응가스가 반응챔버(100) 내부에 신속하게 확산되어 균일한 플라즈마가 형성될 수 있도록 반응가스를 화살표와 같이 하측 방향과 측면 방향으로 동시에 분사시킬 수 있게 다수의 분사구가 구비된 샤워헤드 형태로 구비되는 것이 바람직하다.

따라서 반응가스는 상부 가스인젝터(110)와 사이드 가스인젝터(120)를 통해 반응챔버(100)의 상부와 측면에서 동시에 분사되는 것이다.

여기서 상부 가스인젝터(110)와 사이드 가스인젝터(120)로부터 분사된 반응가스는 반응챔버(100) 내에 확산됨과 동시에 인가되는 RF 파워에 의해 플라즈마 상태로 변환되고, 이 플라즈마가 웨이퍼(W) 표면과 접촉되어 물리적 또는 화학적으로 반응하게 됨으로써, 웨이퍼(W)의 표면을 일정 패턴으로 식각 처리하게 되는 것이다.

반응가스는 각각의 식각 공정 특성에 맞게 다양한 종류의 가스가 사용될 수 있으나, 통상적으로 CxFx 나 SxFx 계열 또는 HBr, Ar, O₂등의 가스가 사용되며, 반응이 완료된 후 반응가스와 반응 부산물들은 배기부(130)를 통해 외부로 강제 배출되는 것이다.

일반적으로 반응가스는 웨이퍼(W)의 중심부(Center)와 에지부(Edge,외주)에 도달하는 과정에서 확산(diffusion) 정도의 차이에 의해 플라즈마를 균일하게 형성하지 못하게 됨으로써, 웨이퍼(W)는 중심부와 에지부의 식각률(Etch Rate) 및 CD(Critical Dimension) 차이가 발생하게 되어 공정불량은 물론 에지부의 칩수율이 현저히 저하되는 것이다.

특히 웨이퍼(W)의 대구경화 추세와 반도체 디바이스(device)의 고집적화로 인해 공정 마진이 축소되고, 또한 CD가 30nm 이하로 작아짐에 따라 에지부에서의 플라즈마 불균일로 인한 불량 발생이 현저히 증가되고 있는 것이다.

따라서 본 발명의 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법은 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터(30)를 이용하여 높은 바이어스 파워(Bias Power)를 인가하지 않고서도 마스크 레이어(250)(도6에 도시함)를 효과적으로 식각함으로써, 최종적으로 산화막(oxide)(200)의 CD를 콘트롤하고자 하는 것이다.

이때 마스크 레이어(250)의 식각 공정은 정전척(10)에 낮은 RF 바이어스 파워를 인가할 수 있게 됨으로써, 히터(30)가 RF의 간섭없이 정전척(10)의 인너존(Inner Zone)과 아우터존(Outer Zone)의 온도를 효과적으로 제어할 수 있게 되어 웨이퍼(W)의 중심부와 에지부의 식각률(Etch Rate) 차이 및 CD(Critical Dimension) 차이를 정밀하게 보상하여 그 편차를 제거하게 되는 것이다.

한편 도 2는 본 발명의 하이브리드 플라즈마 소스(Hybride Plasma Source)의 구성도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 하이브리드 플라즈마 소스(Hybrid Plasma Source)는 Coil Current에 의한 ICP 소스(Inductively Coupled Plasma Source)(50)와 바이어스 파워(Bias Power)에 의한 CCP 소스(Capacitively Coupled Plasma Source)(60)로 이루어진다.

상기와 두가지 소스를 모두 사용하여 플라즈마를 생성 시키는 것을 하이브리드 플라즈마 소스라고 한다.

RF 제너레이터가 ICP 소스인 유도성코일(Inductive Coil)(55)에 RF 전류를 인가하여 반응챔버(100) 내에 플라즈마를 발생시키게 되며, CCP 소스(60)는 캐소드 어셈블리(140)에 연결된 바이어스 RF 제너레이터2,3(61,65)을 통해 정전척(10)에 바이어스 파워를 인가하여 플라즈마를 발생시키게 되는 것이다.

따라서 유도성코일(Inductive Coil)(55)은 ICP 소스(50)로부터 RF 전류가 인가될 때 자기장(Magnetic Field)을 발생시키게 되고, 이 자기장에 의해 반응챔버(100) 내부에 전기장을 유도함으로써, 고밀도 플라즈마를 발생시키게 되는 것이다.

한편 CCP 소스(60)는 정전척(10)에 바이어스 파워를 공급하여 반응챔버(100) 내에 플라즈마를 발생시키는 것으로서, 상대적으로 낮은 주파수 영역의 바이어스 파워를 인가하는 RF 제너레이터2(2MHz)(61) 및 상대적으로 높은 주파수 영역의 바이어스 파워를 인가하는 RF 제너레이터3(27MHz)(65)로 구성되며, 바이어스 임피던스 정합회로(133)를 포함한다.

이때 바이어스 임피던스 정합회로(133)는 RF 제너레이터2(61)로부터 수신되는 RF 바이어스 파워와, RF 제너레이터3(65)로부터 수신되는 상대적으로 높은 주파수의 RF 바이어스 파워를 혼합하여 캐소드 어셈블리(140)를 통해 정전척(10)에 공급한다.

따라서 CCP 소스(60)는 두 개의 주파수를 혼합한 이중 주파수의 바이어스 파워를 정전척(10)에 인가하게 되는 것이다.

이때 정전척으로 전달되는 파워는 최종적으로 웨이퍼로 직접 전달이 되기 때문에 바이어스 파워(Bias Power)라 칭한다.

이하 도 3을 참조하여 정전척(10)의 히팅시스템을 설명한다.

도시된 바와 같이, 정전척(10)은 CCP 소스(60)와 연결되며, 내부에는 전극판(15)이 설치된다.

따라서 전극판(15)에 전압이 인가되면, 전극판(15)은 양전위를 띠게 되고 이에 대응되어 웨이퍼(W)는 음전하가 충전되어 웨이퍼(W)가 정전력에 의해 정전척(10) 상부에 고정(척킹,chucking)되는 것이다.

한편 정전척(10) 내부에는 웨이퍼(W)를 일정 온도로 가열시키기 위한 히터(30)가 설치된다.

이때 히터(30)는 정전척(10)의 인너존(Inner Zone)과 아우터존(Outer Zone)의 온도를 독립적으로 제어할 수 있게 인너히터(Inner Heater)(31)와 아우터히터(Outer Heater)(35)로 구성되며, 인너히터(31)와 아우터히터(35)는 온도제어부(32,36)와 각각 연결된다.

이때 각각의 온도제어부(32,36)는 RF 필터(31b,35b)가 각각 설치될 수 있고, 인너히터(31)와 아우터히터(35)는 ON/OFF 릴레이(31a,35a)에 의해 연결될 수 있다.

또한 정전척(10)에는 인너존(Inner Zone)과 아우터존(Outer Zone)에 온도센서(12,13)가 각각 설치된다.

따라서 정전척(10)에 내설된 히터(30)는 정전척(10)의 인너존(중심부)과 아우터존(외주부)의 온도를 독립적으로 조절할 수 있게 되어 웨이퍼(W)의 중심부와 에지부의 온도를 각각 제어할 수 있게 되는 것이다.

이하 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척을 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법을 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척을 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법의 흐름도를 나타낸 것이고, 도 5는 정전척의 두가지 히팅모드를 각각 나타낸 개략도이며, 도 6은 본 발명의 멀티 스택 레이어 식각방법에 의한 식각 공정도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 정전척 히팅단계(S10), 마스크 레이어 식각단계(S20), 챔버 안정화 단계(S30), 및 산화막 식각단계(S40)를 포함하여 구성된다.

먼저 정전척 히팅단계(S10)는 이송시스템에 의해 피식각 대상물인 웨이퍼(W)가 반응챔버(100) 내부로 이송되어 정전척(10) 상부에 놓이게 되면, 정전척(10) 온도제어부(32,36)는 ON/OFF 릴레이(31a,35a)를 ON 시켜 히터(30)에 전류를 인가함으로써 정전척(10)을 히팅시키게 된다.

이때 온도제어부(32,36)는 마스크 레이어(250) 식각 공정에 알맞게 최적화된 상태로 인너존(inner zone)과 아우터존(outer zone)이 적정 온도를 유지할 수 있도록 인너히터(31)와 아우터히터(35)에 각각 알맞는 AC 전류를 인가하게 된다.

이와 동시에 반응가스가 상부 가스인젝터(110)와 사이드 가스인젝터(120)를 통해 반응챔버(100) 내부로 주입되고, Vacuum Control System이 배기부(130)의 터보펌프(135)를 작동시켜 반응챔버(100) 내부 압력을 조절하게 된다.

반응챔버(100)가 일정한 압력에 도달하게 되면 반응챔버(100) 상부에 있는 유도성코일(Inductive Coil)(55)에 RF 전류를 인가하여 반응챔버(100) 내부에 플라즈마를 형성시킨다.

그 후 정전척(10) 내부에 설치된 전극판(15)에 일정 전압을 가해 주면 웨이퍼(W)에 음전하가 충전되고, 웨이퍼(W)가 정전력에 의해 정전척(10)에 고정(Chucking)되는 것이다.

웨이퍼(W)가 고정되면 웨이퍼(W)를 냉각시켜주기 위한 헬륨(He)이 정전척(10)의 표면에서 분사됨으로써, 분사된 헬륨을 통하여 정전척(10)의 열이 웨이퍼(W)로 전달되는 것이다.

따라서 웨이퍼(W)는 정전척(10)의 인너히터(31)와 아우터히터(35)에 의해 중심부와 에지부가 최적화된 온도를 독립적으로 각각 유지하게 되는 것이다.

상기와 같이 웨이퍼(W)의 고정과 정전척(10)의 히팅이 완료되면 마스크 레이어(250)를 식각하는 마스크 레이어 식각단계(S20)가 수행된다.

식각 공정 측면에서 보면 본 발명의 식각공정은 크게 2개의 스텝으로 이루어진다.

즉 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각공정은 멀티 스택 마스크 레이어(Mask Layer) 식각(Step 1)과 산화막(Oxide) 식각(Step 2)으로 이루어지게 되며, 각 스텝 사이의 CD Bias가 없다고 가정한다면, 스텝 1에서 형성된 CD가 모든 식각 공정이 완료된 후의 최종 CD를 좌우하기 때문에, 정전척(10)의 히터(30)를 조절하여 웨이퍼(W)의 온도 제어를 통해 마스크 레이어(250)의 CD를 조절함으로써 전체 CD 콘트롤이 가능해지는 것이다.

한편 마스크 레이어(Mask layer)(250)의 식각은 이온 에너지(Ion Energy)에 의한 Physical 반응보다는 Radical에 의한 Chemical 반응에 더 많이 의존하는 공정이다.

기존 방법에서는 많은 Radical을 확보하기 위하여 높은 바이어스(Bias) 파워를 걸어 주어야 했지만, 본 발명에서는 하이브리드 플라즈마 소스(Hybrid Plasma Source) 즉, 바이어스(Bias) 파워와 Coil Current를 혼합 이용하여 많은 양의 Radical을 확보하는 것이다.

따라서 상대적으로 낮은 바이어스(Bias) 파워를 사용할 수 있기 때문에 정전척(10) 히터(30)를 사용하는데 문제가 없어지므로(간단한 RF 필터링 회로만으로 히터에 대한 RF의 간섭 제거 가능) 마스크 레이어(250)를 식각하는 동안에 정전척(10)을 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 Heated Mode로 사용하여 웨이퍼(W)의 중심부(Center)와 에지부(Edge)의 CD를 콘트롤하는 것이다.

이때 정전척(10)의 인너존(Inner Zone)과 아우터존(Outer Zone)을 다른 온도로 각각 설정할 수 있기 때문에 웨이퍼(W)의 중심부와 에지부의 CD를 독립적으로 컨트롤할 수 있는 것이다.

즉 본 발명은 정전척(10)의 온도를 조절함으로써 Polymer양을 컨트롤하여 웨이퍼(W)의 중심부와 에지부의 CD 편차를 제거하는 것이다.

식각 공정이 진행될 때 웨이퍼(W)의 식각을 방해하는 Polymer층이 식각 진행과 동시에 표면상에 쌓이게 되는 데(Polymer Deposition), Polymer Deposition은 보통 패턴 사이드에 많이 형성되기 때문에(Polymer Passivation) 식각의 ER뿐만 아니라 CD에도 크게 영향을 미치게 된다.

즉, 웨이퍼(W)의 온도가 높으면 패턴 사이드에 폴리머가 증착되는 폴리머 Passivation 작용이 감소하여 패텬 옆면으로의 식각 속도가 빠르게 진행되고 이는 곧 CD에 직접적인 영향을 미치게 된다.

물론 웨이퍼(W)의 온도가 낮으면 그 반대의 현상이 나타난다.

한편 산화막 식각단계(S50)는 Dielectric Etch(유전체 식각) 공정에 해당되는 것으로서, 높은 바이어스(Bias) 파워를 인가해야 하는 공정이기 때문에 정전척(10) 히터로 연결되는 전류를 차단하여 정전척(10) 히팅을 OFF 시킴으로써, 정전척(10)을 도 5의 (b)도시된 바와 같이, 노멀(Normal) 모드로 사용한다.

상기 방법으로 정전척(10)을 사용하는 경우에는 정전척(10)의 온도 범위가 낮은 온도부터 높은 온도까지 모두 해당되기 때문에, 정전척(10)은 온도에 따라 척킹력(Chucking Force)이 크게 달라지지 않도록 알맞게 설계된 비저항값을 가질 수 있게 설계되는 것이 바람직하다.

한편 마스크 레이어 식각단계(S20)는 웨이퍼(W)상의 마스크 레이어(250)를 식각하여 특정 패턴으로 패터닝하는 단계이다.

여기서 웨이퍼(W)는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 산화막(Oxide)(200) 상부에 하드마스크층(210)과 반사방지막(220)이 순차적으로 적층된 마스크 레이어(250)가 적층 형성되고, 반사방지막(220) 상부에는 마스크 레이어(250)를 식각 처리하기 위해 포토 레지스트층(230)이 형성된다.

이때 반사방지막(220)은 상부의 포토 레지스트층(230)의 패턴 형성을 위한 노광 공정시 발생하는 광반사를 최소화시키기 위한 것으로서, BARC(Bottom Anti Reflective Coating)이나 'SiON'이 도포될 수 있다.

한편 하드마스크층(210)은 비정질 카본층(ACL:Amorphous Carbon Layer)으로 형성될 수 있다.

마스크 레이어 식각단계(250)는 먼저 최상층에 도포된 포토 레지스트층(230)에 선택적으로 광을 조사하는 노광 공정을 통해 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 포토 레지스트층(230)에 특정 패턴의 CD(235)를 형성한다.

상기와 같이 포토 리소그래피(photolithography) 공정을 통해 패터닝된 포토 레지스트층(230)을 식각 마스크로 하여 반사방지막(220)과 하드마스크층(210)을 순차적으로 식각 처리한다.

이때 마스크 레이어(250)의 식각 공정을 진행하기 위해 알맞은 반응가스가 반응챔버(100)에 주입되며, 이와 동시에 ICP 소스(50)는 유도성코일(Inductive Coil)(55)에 RF 전류를 인가하고, CCP 소스(60)는 정전척(10)에 바이어스 파워를 인가해 줌으로써 반응챔버(100) 내에 플라즈마를 생성시킨다.

이때 정전척(10)의 인너존(Inner Zone)과 아우터존(Outer Zone)은 마스크 레이어(250)가 식각되는 동안에는 서로 다른 온도로 히팅된 상태이기 때문에 웨이퍼(W)의 중심부와 에지부로 전달되는 열이 서로 다르게 되는 것이다.

따라서 웨이퍼(W)에 전달되는 열은 식각 공정이 진행되는 동안 웨이퍼(W)상에 쌓이는 폴리머(Polymer)의 양을 결정하기 때문에, 웨이퍼(W)의 중심부와 에지부의 온도를 각각 콘트롤함으로써, 웨이퍼(W)의 중심부와 에지부의 CD를 독립적으로 조정할 수 있게 되는 것이다.

여기서 마스크 레이어 식각단계(250)는 높은 바이어스(Bias) 파워를 정전척(10)에 인가하지 않더라도 ICP 소스(50)를 함께 사용하여 플라즈마를 생성함으로써, 라디컬(Radical) 의한 화학 반응에 의해 식각이 충분히 이루어질 수 있게 할 수 있다.

이때 산화막(200)은 하드마스크층(210)의 CD에 의해 상부에 노출된 부분이 일정 시간 플라즈마와 반응하여 식각 처리됨으로써, CD(205)를 형성하기 때문에 식각 공정 중 발생되는 CD Bias를 무시한다면 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 하드 마스크층(210)에 결정된 CD(215)가 최종적인 CD(205)를 결정하게 되는 것이다.

한편 챔버 안정화단계(S30)는 산화막 식각단계(S50)를 준비하기 위한 단계로서, 반응챔버(100)의 안정화를 위한 시간(Stablizing Time)을 갖는다.

산화막 식각단계(S50)에서는 높은 바이어스 파워를 사용하기 때문에 정전척(10)의 온도 콘트롤이 매우 어려워지게 된다.

그렇기 때문에 챔버 안정화단계(S30) 동안에 정전척(10)을 쿨링시킨 후 ON/OFF 릴레이(31a,35a)를 OFF시켜 히터(30)로 인가되는 전류를 차단함으로써, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 정전척(10)을 노멀 모드(Normal Mode)로 전환시키는 것이다.

또한 챔버 안정화단계(S30)는 마스크 레이어(250) 식각 진행 과정의 반응가스나 폴리머(polymer) 또는 미립자(particle) 등과 같은 반응 부산물을 배기부를 통해 외부로 배출시켜 다음 식각 공정을 준비하게 되는 것이다.

한편 산화막 식각단계(S50)는 마스크 레이어 식각단계(S20)에서 식각된 하드마스크층(210)을 식각 마스크로 하여 웨이퍼(W)상의 산화막(200)을 패터닝하는 공정이다[도 6의 (c),(d)].

따라서 산화막 식각단계(S50)에서는 적절한 반응가스를 반응챔버(100) 내에 주입함과 동시에 정전척(10)에 높은 바이어스 파워를 인가해 줌으로써 플라즈마를 발생시켜 산화막(200)을 식각하게 되는 것이다.

이때 산화막 식각단계(S50)는 높은 바이어스 파워(Bias Power)를 인가하여 이온 에너지에 의한 물리적 반응을 위주로 식각이 진행되도록 하는 것으로서, 이때 서로 다른 주파수의 바이어스 파워가 서로 다른 주파수의 RF 제네레이터2,3(61,65)을 통해 반응챔버(100)에 인가됨으로써 이중 주파수의 바이어스 파워가 사용되도록 한다.

여기서 인가되는 바이어스 파워는 산화막 식각공정 특성상 4kw 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 산화막 식각단계(S50)가 완료되면 웨이퍼(W)를 디척킹(Dechucking)하여 후속 공정으로 이송시키면 되는 것이다.

따라서 본 발명은 하이브리드 플라즈마 소스(Hybrid Plasma Source)를 이용하여 플라즈마를 생성함으로써, 정전척(10)에 설치된 히터(30)의 온도를 안정적으로 제어하여 웨이퍼(W)의 중심부와 에지부에서의 CD 차이를 제거할 수 있게 되며, 또한 정전척(10) 히터(30)를 인너존과 아우터존으로 분리 구성하여 웨이퍼(W)의 중심부와 에지부의 온도를 독립적으로 정밀하게 제어함으로써, 웨이퍼(W)의 CD를 독립적으로 제어할 수 있게 되어 웨이퍼(W)의 중심부와 에지부에서의 식각률(etch rate) 및 CD 차이를 효과적으로 보상하여 웨이퍼(W) 전체 표면에서의 에칭 균일도(Etching Uniformity)를 확보할 수 있게 되는 것이다.

이상, 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 범주 내에서 다양한 형태로 변형 적용 가능할 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 정전척 12,13 : 온도센서
15 : 전극판 30 : 히터
31 : 인너히터 35 : 아우터히터
31a,35a : ON/OFF 릴레이 31b,35b : RF 필터
32,36 : 온도제어부 50 : ICP 소스
55 : 유도성코일 60 : CCP 소스
61 : RF 제너레이터2
65 : RF 제너레이터3
100 : 반응챔버 110 : 상부 가스인젝터
120 : 사이드 가스인젝터 130 : 배기부
135 : 터보펌프
140 : 캐소드 어셈블리 150 : RF 쉴드 커버
200 : 산화막 205,215,235 : CD
210 : 하드마스크층 220 : 반사방지막
230 : 포토 레지스트층 250 : 마스크 레이어
S10 : 정전척 히팅단계 S20 : 마스크 레이어 식각단계
S23 : 반사방지막 식각단계
S25 : 하드마스크 식각단계
S30 : 챔버 안정화단계
S50 : 산화막 식각단계
W : 웨이퍼

Claims

정전척에 웨이퍼를 로딩시킴과 아울러 상기 정전척의 히터에 전류를 인가한 후 정전척의 인너존(Inner Zone)과 아우터존(Outer Zone)의 온도를 각각 최적화하는 정전척 히팅단계;
하이브리드 플라즈마 소스(Hybrid Plasma Source)를 ON 시킴으로써 반응챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 마스크 레이어를 식각하는 마스크 레이어 식각단계;
상기 정전척의 히터에 인가되는 전류를 차단하고 정전척을 냉각시켜 노멀 상태로 복귀시킨 후 다음 식각 공정을 준비하는 챔버 안정화 단계; 및
상기 정전척에 높은 바이어스 파워(Bias Power)를 인가함으로써 상기 마스크 레이어 식각단계에서 형성된 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 산화막을 식각하는 산화막 식각단계;
를 포함하여 구성되는 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터를 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법.
제 1항에 있어서,
상기 하이브리드 플라즈마 소스는,
상기 챔버 상부에 위치한 유도성코일을 이용한 ICP 소스(Inductive Coil Plasma Source)와 상기 정전척으로부터 웨이퍼로 전달되는 바이어스(Bias) 파워를 이용한 CCP 소스(Capacitively Coupled Plasma Source)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터를 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법.
제1항에 있어서,
상기 정전척 히팅단계는,
상기 히터를 상기 정전척의 인너존과 아우터존에 독립적으로 분리 구성하여 상기 웨이퍼의 중심부(Center)와 에지부(Edge)에 대해 독립적으로 온도 제어가 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터를 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법.
제3항에 있어서,
상기 정전척의 히터에는 ON/OFF 릴레이를 각각 설치하여 온도를 독립적으로 제어할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터를 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법.
제1항에 있어서,
상기 마스크 레이어 식각단계는,
반사방지막 식각단계와 반사방지막 하부의 비정질 카본층을 식각하는 하드마스크 식각단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터를 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법.
제2항에 있어서,
상기 마스크 레이어 식각단계는,
낮은 바이어스(Bias) 파워와 ICP 소스를 함께 사용하여 라디컬(Radical)에 의한 화학 반응에 의해 식각이 이루어질 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터를 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법.
제2항에 있어서,
상기 산화막 식각단계는,
높은 바이어스 파워(Bias Power)를 인가하여 이온 에너지에 의한 물리적 반응에 의해 식각이 이루어질 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 플라즈마 소스와 정전척 히터를 이용한 멀티 스택 레이어 마스크 구조의 산화막 식각방법.