KR20170044506A - 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 웨이퍼 에칭을 위한 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 상기 웨이퍼에 대향되는 위치에 형성되고, 반응성 가스를 공급하는 샤워헤드와, 상기 웨이퍼와 샤워헤드 사이에 배치되고, 상기 샤워헤드의 너비 및 웨이퍼의 지름보다 상대적으로 넓은 지름을 가지며, 상기 샤워헤드의 반응성 가스와 동종 또는 이종의 반응성 가스를 공급하는 가스링을 포함하여 구성되어, 상기 웨이퍼 상에 듀얼로 에칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 중앙부와 엣지부와의 에치 레이트 편차를 최소화하기 위하여 샤워헤드 및 가스링을 도입함으로써, 웨이퍼 에칭 품질을 향상시켜 고품위의 웨이퍼를 제공할 수 있도록 하기 위한 것이다.

Description

듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치{Plasma etching apparatus using dual-etching}
본 발명은 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 중앙부와 엣지부와의 에치 레이트 편차를 최소화하여 웨이퍼 에칭 품질을 향상시켜 고품위의 웨이퍼를 제공하기 위한 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자에 있어서 미세한 패턴의 형성을 위해 에칭 공정이 수행되고 있다. 이러한 에칭 공정은 질화실리콘이나 포토레지스트에 의한 마스크 하부의 웨이퍼를 에칭하기 위한 것으로, 화학물질을 사용한 습식 에칭방법과플라즈마에 의한 건식 에칭방법이 사용되고 있으나, 미세한 패턴의 제어가 가능하고 낮은 언더컷팅, 세척, 건조와 같은 과정이 필요없어 공정의 단순화에 의한 건식 에칭방법이 널리 사용되고 있다.
종래의 건식 에칭 방법으로는 유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 에칭이나 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)에 의한 플라즈마 에칭이 사용되고 있다.
이러한 플라즈마 에칭은 불활성 가스 또는 반응 가스를 공급하여 이를 여기시켜 플라즈마 또는 이온 상태로 공급하여야 하는데, 균일한 플라즈마 또는 이온의 발생을 위해 보통 샤워헤드 방식으로 공급하고 있다.
도 1은 플라즈마 에칭 방식의 하나로 반응성 이온 에칭 장치를 개략적으로 도시한 것으로, 웨이퍼 트레이(1) 상측에 웨이퍼(3)를 형성하고, 그 상측에 샤워헤드(2)를 배치하고 전원을 인가하면 고에너지로 전리된 이온에 의해 웨이퍼의 에칭이 이루어지게 된다.
이 경우 도 2에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 중앙부와 엣지부와의 에치 레이트 차이로 인해 웨이퍼 상에 불균일한 에칭이 이루어지고 있다. 즉, 중앙부의 에칭이 가장 빨리 되며, 엣지부는 중앙부에 비해 5~10분 정도 늦게 에칭이 이루어지는 문제점이 있다.
도 2의 (a)는 정상적인 에치 레이트에 의한 정상 패턴을 개략적으로 도시한 것이고, 도 2의 (b)는 에치 레이트이 차이에 의한 엣지부의 꺾임이 발생한 경우를 개략적으로 도시한 것이다. 이 경우 정상 패턴을 구현하기 위해서는 시간이 길어지고 편차가 발생하게 되어, 에칭 품질의 저하를 초래하고, 제품의 재현성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
종래의 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 반응성 가스(BCl3)의 양을 늘리거나, 에칭 시간을 길게 하거나, 리플로우(reflow) 온도나 파워를 높게 하는 방법을 수행하여 왔으나, 상기의 문제점은 여전히 해소하기 힘든 어려움이 있다.
대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 특0140653호
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 중앙부와 엣지부와의 에치 레이트 편차를 최소화하기 위하여 샤워헤드 및 가스링을 도입함으로써, 웨이퍼 에칭 품질을 향상시켜 고품위의 웨이퍼를 제공할 수 있도록 한 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 웨이퍼 에칭을 위한 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 상기 웨이퍼에 대향되는 위치에 형성되고, 반응성 가스를 공급하는 샤워헤드와, 상기 웨이퍼와 샤워헤드 사이에 배치되고, 상기 샤워헤드의 너비 및 웨이퍼의 지름보다 상대적으로 넓은 지름을 가지며, 상기 샤워헤드의 반응성 가스와 동종 또는 이종의 반응성 가스를 공급하는 가스링을 포함하여 구성되어, 상기 웨이퍼 상에 듀얼로 에칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 샤워헤드는, 가스공급 노즐이 상기 웨이퍼에 대해 수직 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가스링은, 가스공급 노즐이 상기 웨이퍼에 대해 수평, 수직 및 그 사이의 방향 중 어느 하나의 방향으로 형성되거나, 또는 에치 레이트의 편차에 따라 개별적으로 방향이 조절되어 형성되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 가스링은, 펌핑포트에 인접한 위치에서는 가스공급 노즐이 다른 위치에 비해 상대적으로 더 많이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가스링은, 에치 레이트의 편차에 따라 가스공급 노즐을 개방하거나 폐쇄하여 가스공급량을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 샤워헤드의 반응성 가스와 상기 가스링의 반응성 가스의 공급량을 다르게 공급하여 에치 레이트를 조절하도록 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 플라즈마 에칭 장치는, 유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 에칭이나 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)에 의해 구현되는 것이 바람직하다.
본 발명은, 웨이퍼 또는 웨이퍼 상의 패턴의 중앙부와 엣지부와의 에치 레이트 편차를 최소화하여 웨이퍼 에칭 품질을 향상시켜 고품위의 웨이퍼를 제공하고, 제품의 재현성을 개선시켜 웨이퍼 생산 수율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 반응성 가스 공급을 조절하기 위하여, 가스링의 가스공급 노즐의 갯수, 방향 등을 조절하여, 전체적으로 반응성 가스 공급에 따른 에치 레이트 편차 발생을 최소화하는 효과가 있다.
도 1 - 종래의 플라즈마 에칭 방식의 하나로 반응성 이온 에칭 장치를 개략적으로 나타낸 도.
도 2 - 정상적인 에치 레이트에 의한 정상 패턴을 개략적으로 나타낸 것(a)과, 에치 레이트의 차이에 의한 엣지부의 꺾임이 발생한 경우의 패턴을 개략적으로 나타낸 도(b).
도 3 - 본 발명에 따른 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치의 주요부에 대한 모식도.
도 4 - 본 발명에 따른 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치의 샤워헤드(a) 및 가스링(b)의 가스공급 노즐에 대한 모식도.
도 5 - 종래 기술(a) 및 본 발명의 일실시예에 따른 웨이퍼의 에칭 패턴(b)의 사진을 나타낸 도.
본 발명은 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 웨이퍼 또는 웨이퍼 상의 패턴의 중앙부와 엣지부와의 에치 레이트 편차를 최소화하여 웨이퍼 에칭 품질을 향상시켜 고품위의 웨이퍼를 제공하고, 제품의 재현성을 개선시키는 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치에 관한 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 3은 본 발명에 따른 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치의 주요부에 대한 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치의 샤워헤드(a) 및 가스링(b)의 가스공급 노즐에 대한 모식도이며, 도 5는 종래 기술(a) 및 본 발명의 일실시예에 따른 웨이퍼의 에칭 패턴(b)의 사진을 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치는, 웨이퍼 에칭을 위한 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 상기 웨이퍼(10)에 대향되는 위치에 형성되고, 반응성 가스를 공급하는 샤워헤드(100)와, 상기 웨이퍼(10)와 샤워헤드(100) 사이에 배치되고, 상기 샤워헤드(100)의 너비 및 웨이퍼(10)의 지름보다 상대적으로 넓은 지름을 가지며, 상기 샤워헤드(100)의 반응성 가스와 동종 또는 이종의 반응성 가스를 공급하는 가스링(200)을 포함하여 구성되어, 상기 웨이퍼(10) 상에 듀얼로 에칭을 수행하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 구성은, 유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 에칭 장치 또는 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE) 장치 등에 포함되어 실시될 수 있으며, 본 발명의 일실시예로 반응성 이온 에칭 장치를 중심으로 서술하고자 한다.
여기에서, 반응성 가스는 불활성 가스, 에칭용 반응성 가스, BCl3, CH2F2, O2 등이 사용되며, 웨이퍼(10)에 대향되는 위치에 형성된 샤워헤드(100)에 의해 공급되게 된다.
구체적으로는 진공 챔버 내의 상측에는 제1전극과 연결된 샤워헤드(100)가 배치되고, 그에 대향되는 하측에는 제2전극이 배치되며, 상기 제2전극의 상부에는 에칭하고자 하는 대상물 예컨대, 반도체 소자 형성을 위한 반도체 웨이퍼(10)(실리콘, 사파이어 등)가 트레이(1) 상측에 위치되게 된다.
그리고, 상기 샤워헤드(100)의 가스공급 노즐(110)을 통해 반응성 가스를 일정 유량으로 공급하면서 동시에 펌핑포트를 통해 일정한 압력이 유지되도록 하고, 고주파 파워를 인가하여, 반응성 가스 중에 플라즈마를 발생시켜서 반도체 웨이퍼(10)를 에칭하게 되는 것이다. 에칭이 완료되게 되면, 반응성 가스의 공급을 중단하고, 펌핑포트에 의해 반응 생성물을 제거하고, 질소와 같은 불활성 가스를 공급한 후 에칭완료된 반도체 웨이퍼를 꺼내게 된다.
본 발명에서는 상기 샤워헤드(100)에 의한 반응성 가스를 공급함과 동시에, 웨이퍼(10)의 중앙부와 엣지부의 에치 레이트의 편차를 최소화하기 위하여, 상기 웨이퍼(10)와 샤워헤드(100) 사이에 배치되고, 상기 샤워헤드(100)의 너비 및 웨이퍼(10)의 지름보다 상대적으로 넓은 지름을 가지며, 상기 샤워헤드(100)의 반응성 가스와 동종 또는 이종의 반응성 가스를 공급하는 가스링(200)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서의 웨이퍼의 중앙부 및 엣지부는 웨이퍼 자체의 중심부 및 가장자리부일수도 있으며, 웨이퍼에 형성된 패턴에 있어서, 패턴의 중앙부 및 엣지부도 그에 해당될 수 있다.
즉, 플라즈마 에칭 장치의 구조에 의해 전극의 가장자리에서의 불균일한 전자기장에 의한 웨이퍼 자체에 엣지부와 중앙부와의 에치 레이트의 편차가 발생할 수 있으며, 에칭하고자 하는 패턴의 형태에 따라 패턴의 엣지부에 비해 중앙부에서의 에칭이 더 빨리 이루어지게 되어 웨이퍼 상에 형성되는 패턴의 엣지부와 중앙부와의 에치 레이트의 편차가 발생할 수도 있다.
도 2(b)는 웨이퍼 상의 패턴을 나타낸 것으로서, 웨이퍼 상의 패턴의 중앙부와 엣지부와의 에치 레이트 차이에 의한 패턴의 가장자리가 꺾임이 발생(불량)하게 되며, 정상 패턴을 구현하기 위해서는 시간이 많이 걸리면서 편차의 발생이 심해지게 되는 것이다.
본 발명에서는 편의상 웨이퍼 또는 웨이퍼 상에 형성되는 패턴의 중앙부 및 엣지부를 '웨이퍼의 중앙부', '웨이퍼의 엣지부'라고 한다.
여기에서, 상기 가스링(200)은 링 형태의 관 내부에 반응성 가스가 흐르도록 형성되고, 그 링 형태의 관에 가스공급 노즐(210)이 형성되어 반응성 가스를 공급할 수 있도록 형성되거나, 복수 개의 가스공급 노즐 자체가 링 형태로 배치되어 반응성 가스를 공급할 수 있도록 형성될 수도 있다. 이 경우에 각 가스공급 노즐의 방향을 개별적으로 제어할 수 있도록 제어모듈이 부가될 수도 있다.
이에 의해, 상기 가스링(200)에 의해 반응성 가스의 공급량 및 방향성 등을 조절하여 웨이퍼(10)의 엣지부에서의 에치 레이트를 증가시켜 웨이퍼(10)의 중앙부와 엣지부의 에치 레이트의 편차를 최소화하여 웨이퍼(10)의 에칭 유니포머티를 향상시켜, 전체적으로 고품위의 웨이퍼(10)를 제공하도록 하는 것이다.
여기에서, 도 4(a)는 본 발명에 따른 샤워헤드에 대한 정면도를 나타낸 것으로서, 상기 샤워헤드(100)는 가스공급 노즐(110)이 상기 웨이퍼(10)에 대해 수직 방향으로 형성되도록 하여, 반응성 가스에 웨이퍼(10) 상으로의 방향성을 부여하고, 에칭에 관여하는 이온의 속도를 향상시켜 등방성 에칭률을 향상시키도록 하는 것이다.
그리고, 상기 가스링(200)은, 가스공급 노즐(210)이 상기 웨이퍼(10)에 대해 수평, 수직 및 그 사이의 방향 중 어느 하나의 방향으로 형성되거나, 또는 에치 레이트의 편차에 따라 개별적으로 방향이 조절되어 형성되는 것이 바람직하다.
일반적으로는 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 상기 가스링(200)의 가스공급 노즐(210)은 상기 샤워헤드(100)의 가스공급 노즐(210)의 방향에 대해 수직 방향, 즉 기판에 대해 수평한 방향으로 가스공급 노즐(210)이 향하는 측면노즐 방식으로 형성되는 것이 바람직하나, 에치 레이트의 편차에 따라 수직한 방향으로 가스공급 노즐(210)을 형성할 수도 있으며, 각 가스공급 노즐(210)의 방향을 개별적으로 조절하여 형성할 수도 있다.
즉, 에치 레이트의 편차가 높은 경우에는 에치 레이트의 편차가 높은 부위에 많은 양의 반응성 가스가 공급되도록 그 방향으로 가스공급 노즐(210)의 방향이 향하도록 형성하고, 에치 레이트의 편차가 낮은 경우에는 다른 쪽으로 가스공급 노즐(210)의 방향이 향하도록 형성한다.
이러한 가스공급 노즐(210)의 방향은 웨이퍼(10)의 종류, 반응성 가스의 종류, 반응 챔버 내부의 압력이나 온도와 같은 분위기, 에칭 패턴이나 유형, 진공 펌핑포트의 방향 등에 따라서 조절되게 되며, 미리 에치 레이트에 대한 테스트 후 에치 레이트의 편차 발생의 정도를 인지한 후, 에치 레이트 편차 조절을 위해 가스공급 노즐(210)의 방향을 조절하여 가스링(200)을 제공하도록 한다.
이러한 가스공급 노즐(210)의 방향은 가스링(200)의 제조시에 가스공급 노즐(210)의 방향을 조절하여 형성할 수도 있으며, 가스공급 노즐(210) 자체의 방향을 조절하여 형성할 수도 있다.
여기에서, 상기 가스링(200)은 펌핑포트(미도시)에 인접한 위치에서는 가스공급 노즐(210)이 다른 위치에 비해 상대적으로 더 많이 형성되도록 한다. 이는 펌핑포트가 인접한 경우에는, 공급된 반응성 가스의 양이 펌핑포트에 의한 배기되어 줄어들 수 있으므로, 반응성 가스의 양을 조절하기 위해 펌핑포트에 인접한 곳에서는 가스공급 노즐(210)을 더 많이 형성하도록 한다.
또한, 경우에 따라서는 상기 가스링(200)은 에치 레이트의 편차의 발생을 최소화하기 위하여, 가스공급 노즐(210)을 개방하거나, 폐쇄하여 반응성 가스의 공급량을 제어할 수 있도록 한다. 이는 가스링(200)의 설치시 일부의 가스공급 노즐(210)을 개방하거나 폐쇄하여 제공할 수도 있으며, 웨이퍼(10) 상에 발생되는 에치 레이트의 편차에 대한 모니터링을 실시하여 가스공급 노즐(210)의 개방 및 폐쇄를 제어할 수도 있도록 한다.
또한, 상기 샤워헤드(100)의 반응성 가스와 가스링(200)에 의해 제공되는 반응성 가스는 동일한 종류로 제공되거나, 웨이퍼(10)의 종류, 반응성 가스의 종류, 반응 챔버 내부의 압력이나 온도와 같은 분위기, 에칭 패턴이나 유형, 펌핑 분위기 등에 따라서 다른 종류의 반응성 가스를 공급할 수도 있다.
즉, 어떤 종류의 반응성 가스는 이온화된 후 속도의 차이, 에칭 온도나 압력, 이온화 정도, 에칭에 위한 부산물 등이 웨이퍼(10) 에칭 공정 시 에치 레이트에 영향을 미칠 수 있으므로, 이러한 문제점을 최소화하기 위하여 동종 또는 이종의 반응성 가스를 공급할 수 있도록 한다.
또한, 상기 샤워헤드(100)의 반응성 가스와 상기 가스링(200)의 반응성 가스의 공급량을 MFC(Mass Flow Controller) 등을 이용하여 조절함으로써, 상기와 같은 에치 레이트의 편차를 조절할 수도 있다.
도 5는 종래 기술(a) 및 본 발명의 일실시예에 따른 웨이퍼(10) 상의 에칭 패턴(b)의 사진을 나타낸 것으로서, 사파이어 웨이퍼(10) 상에 에칭 패턴을 형성한 것을 나타낸 것이다.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 종래의 샤워헤드(100)만 형성된 구조에 의해서는 패턴의 엣지부가 꺾이는 등(붉은색 동그라미 표시) 불균일한 에칭 패턴의 형성 양상을 보인 반면, 도 5(b)에 형성된 본 발명에 따라 샤워헤드(100)(수직 방향 가스공급 노즐(110)) 및 가스링(200)(수평 방향 가스공급 노즐(210))에 의해 이중으로 반응성 가스를 공급함으로써 엣지부에서의 패턴의 꺾이는 현상 등을 최소화하고, 전체적인 에칭 패턴의 균일성을 형상시킴을 확인할 수 있었다.
종래의 웨이퍼 상의 패턴의 유니포머티(uniformity)는 5~10% 발생하지만, 본 발명에 따른 샤워헤드 및 가스링을 구비한 경우에는 2~5%의 유니포머티의 개선이 이루어졌다.
이와 같이, 본 발명에 따른 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치는, 웨이퍼 또는 웨이퍼 상의 패턴의 중앙부와 엣지부와의 에치 레이트 편차를 최소화하여 웨이퍼 에칭 품질을 향상시켜 고품위의 웨이퍼를 제공하고, 제품의 재현성을 개선시켜 웨이퍼 생산 수율을 향상시키고자 하는 것이다.
또한, 반응성 가스 공급을 조절하기 위하여, 가스링의 가스공급 노즐의 갯수, 방향 등을 조절하여, 즉, 에치 레이트의 편차가 높은 부위에 많은 양의 반응성 가스가 공급되도록 하고, 에치 레이트의 편차가 낮은 경우에는 다른 쪽으로 가스공급 노즐의 방향이 향하도록 하여 전체적으로 반응성 가스 공급에 따른 에치 레이트 편차 발생을 최소화할 수 있도록 하는 것이다.
10 : 웨이퍼 100 : 샤워헤드
110 : 가스공급 노즐 200 : 가스링
210 : 가스공급 노즐

Claims (7)

  1. 웨이퍼 에칭을 위한 플라즈마 에칭 장치에 있어서,
    상기 웨이퍼에 대향되는 위치에 형성되고, 반응성 가스를 공급하는 샤워헤드;
    상기 웨이퍼와 샤워헤드 사이에 배치되고, 상기 샤워헤드의 너비 및 웨이퍼의 지름보다 상대적으로 넓은 지름을 가지며, 상기 샤워헤드의 반응성 가스와 동종 또는 이종의 반응성 가스를 공급하는 가스링;을 포함하여 구성되어,
    상기 웨이퍼 상에 듀얼로 에칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 샤워헤드는,
    가스공급 노즐이 상기 웨이퍼에 대해 수직 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 가스링은,
    가스공급 노즐이 상기 웨이퍼에 대해 수평, 수직 및 그 사이의 방향 중 어느 하나의 방향으로 형성되거나,
    또는 에치 레이트의 편차에 따라 개별적으로 방향이 조절되어 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 가스링은,
    펌핑포트에 인접한 위치에서는 가스공급 노즐이 다른 위치에 비해 상대적으로 더 많이 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 가스링은,
    에치 레이트의 편차에 따라 가스공급 노즐을 개방하거나 폐쇄하여 가스공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 샤워헤드의 반응성 가스와 상기 가스링의 반응성 가스의 공급량을 다르게 공급하여 에치 레이트를 조절하도록 형성된 것을 특징으로 하는 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 에칭 장치는,
    유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 에칭이나 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE)에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 듀얼 에칭을 이용한 플라즈마 에칭 장치.
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