KR20210061846A - 기판 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 플라즈마가 생성되는 플라즈마 영역; 기판이 처리되는 처리 영역; 상기 플라즈마 영역과 상기 처리 영역 사이에서 상기 플라즈마가 유동하는 통로인 제1 채널 및 상기 처리 영역으로 공정 가스가 공급되는 제2 채널을 포함하고, 상기 제1 채널과 상기 제2 채널은 서로 분리된 샤워 헤드; 상기 처리 영역 내에서 상기 기판을 지지하는 기판 지지대; 및 상기 기판 지지대의 냉각 채널로 냉각 유체를 공급하는 냉각 장치;를 포함하는 기판 처리 장치를 제공한다.

Description

기판 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법 {SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}
본 발명의 기술적 사상은 기판 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마를 이용한 기판 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마(Plasma)는 반도체 소자, PDP(Plasma Display Panel: PDP), LCD(Liquid Crystal Display: LCD), 태양전지(solar cell) 등의 제조 공정에 널리 이용되고 있다. 플라즈마가 이용되는 대표적인 공정으로는 건식 식각(Dry Etching), 건식 세정(Dry Cleaning), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링(Sputtering), 에싱(Ashing) 등이 있다. 통상적으로 플라즈마 공정에는 CCP(Capacitively Coupled Plasma), ICP(Inductively Coupled Plasma), CCP와 ICP의 혼용, 헬리콘(Helicon) 플라즈마, 마이크로파(Microwave) 플라즈마 등이 사용되고 있다. 제품의 신뢰성을 향상시키기 위해, 플라즈마 공정 시 플라즈마로 인한 기판의 손상을 최소화할 필요가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 플라즈마를 이용하여 기판을 효과적으로 처리할 수 있는 기판 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상은 플라즈마가 생성되는 플라즈마 영역; 기판이 처리되는 처리 영역; 상기 플라즈마 영역과 상기 처리 영역 사이에서 상기 플라즈마가 유동하는 통로인 제1 채널 및 상기 처리 영역으로 공정 가스가 공급되는 제2 채널을 포함하고, 상기 제1 채널과 상기 제2 채널은 서로 분리된 샤워 헤드; 상기 처리 영역 내에서 상기 기판을 지지하는 기판 지지대; 및 상기 기판 지지대의 냉각 채널로 냉각 유체를 공급하는 냉각 장치;를 포함하는 기판 처리 장치를 제공한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상은 제1 공정 가스로부터 생성된 플라즈마가 공급되는 플라즈마 영역; 상기 플라즈마 영역으로부터 공급된 상기 플라즈마와 제2 공정 가스가 혼합되어 기판을 처리하기 위한 에천트가 생성되는 처리 영역; 상기 처리 영역 내에서 상기 기판을 지지하는 기판 지지대; 및 상기 기판 지지대의 냉각 채널로 냉각 유체를 공급하는 냉각 장치;를 포함하고, 상기 냉각 장치는, 냉매가 순환하는 냉매 사이클; 상기 냉각 유체가 순환하는 냉각 유체 사이클; 및 상기 냉매와 상기 냉각 유체 사이의 열 교환을 수행하는 열 교환기;를 포함하는 기판 처리 장치를 제공한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상은 플라즈마 영역, 처리 영역, 상기 플라즈마 영역과 상기 처리 영역을 분리하는 샤워 헤드, 및 상기 처리 영역 내에서 상기 기판을 지지하는 기판 지지대를 포함하는 공정 챔버; 제1 공정 가스로부터 생성된 플라즈마를 상기 플라즈마 영역으로 공급하는 원격 플라즈마 공급기; 상기 원격 플라즈마 공급기로 상기 제1 공정 가스를 공급하는 제1 가스 공급부; 상기 샤워 헤드로 제2 공정 가스를 공급하는 제2 가스 공급부; 및 상기 기판 지지대를 냉각시키도록 구성된 냉각 장치로서, 냉매가 순환하는 냉매 사이클, 냉각 유체가 순환하는 냉각 유체 사이클, 및 상기 냉매와 상기 냉각 유체 사이의 열 교환을 수행하는 열 교환기를 포함하는 상기 냉각 장치;를 포함하고, 상기 샤워 헤드는 상기 플라즈마 영역의 상기 플라즈마를 상기 처리 영역으로 공급하기 위한 제1 채널 및 상기 제2 공정 가스를 상기 처리 영역으로 공급하기 위한 제2 채널을 포함하고, 상기 제1 채널과 상기 제2 채널은 서로 분리되며, 상기 제1 채널을 통해 상기 처리 영역으로 공급된 라디칼과 상기 제2 채널을 통해 공급된 상기 제2 공정 가스가 혼합되어 상기 기판에 대한 세정을 수행하기 위한 에천트를 생성하는 기판 처리 장치를 제공한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상은 기판의 일부를 제거하여 홀을 형성하는 단계; 상기 기판을 제1 온도로 냉각하고, 상기 제1 온도에서 상기 홀의 내벽 상의 세정 대상과 에천트를 반응시켜, 상기 세정 대상이 포함된 측벽 보호층을 형성하는 단계; 및 상기 측벽 보호층을 제거하여, 상기 홀의 내벽을 노출시키는 단계;를 포함하고, 상기 제1 온도에서 상기 측벽 보호층은 비휘발성인 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 의하면, 극저온 환경에서 기판에 대한 플라즈마 공정, 예를 들어 세정 공정 또는 식각 공정을 수행하여 플라즈마로 인한 기판의 손상을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예들에 의하면, 극저온 환경에서 비휘발성 특성을 가지는 측벽 보호층을 이용하여 세정 공정이 진행되는 동안 기판이 의도치 않게 제거되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 "Ⅱ"로 표시된 부분을 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 냉각 장치를 보여주는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치의 동작 방법을 보여주는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치(10)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 "Ⅱ"로 표시된 부분을 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판 처리 장치(10)는 공정 챔버(110), 제1 가스 공급부(120), 제2 가스 공급부(130), 원격 플라즈마 공급부(125), 및 냉각 장치(200)를 포함할 수 있다.
공정 챔버(110)는 플라즈마를 이용하여 기판(300)을 처리하기 위한 챔버일 수 있다. 예를 들어, 공정 챔버(110)는 기판(300)에 대하여 증착, 식각, 세정 등의 반도체 공정을 수행하기 위한 챔버일 수 있다. 공정 챔버(110)의 기능에 따라, 기판 처리 장치(10)의 명칭이 세분화될 수 있다. 구체적으로, 기판 처리 장치(10)는, 공정 챔버(110)에서 수행되는 공정, 예컨대, 증착, 식각, 세정 공정 등에 따라, 증착, 식각, 세정 장치 등으로 세분화될 수 있다. 실시예에 따라, 공정 챔버(110)에서 식각과 세정 공정이 함께 수행될 수도 있다.
여기서, "기판"은 기판 그 자체, 또는 기판과 그 표면 상에 형성된 소정의 층 또는 막 등을 포함하는 적층 구조체를 의미할 수 있다. 또한, "기판의 표면"이라 함은 기판 그 자체의 노출 표면, 또는 기판 위에 형성된 소정의 층 또는 막 등의 노출 표면을 의미할 수 있다. 예를 들어, 기판은 웨이퍼이거나, 또는 웨이퍼와 웨이퍼 상의 적어도 하나의 물질막을 포함할 수 있다. 상기 물질막은 웨이퍼 상에 증착, 코팅 도금 등 다양한 방법을 통해 형성된 절연막 및/또는 도전막일 수 있다. 예컨대, 절연막은 산화막, 질화막 또는 산화질화막 등을 포함할 수 있고, 도전막은 금속막이나 폴리실리콘막 등을 포함할 수 있다. 한편, 상기 물질막은 웨이퍼 상에 형성된 단일막일 수도 있고 또는 다중막일 수도 있다. 또한, 상기 물질막은 소정 패턴을 가지고 웨이퍼 상에 형성될 수도 있다.
공정 챔버(110)는 챔버 바디(111), 제1 샤워 헤드(113), 제2 샤워 헤드(115), 및 기판 지지대(170)를 포함할 수 있다. 공정 챔버(110)는 플라즈마가 생성되거나 외부에서 생성된 플라즈마가 도입되는 플라즈마 영역(R1)과, 기판(300)이 처리되는 처리 영역(R2)을 포함할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 챔버 바디(111)는 공정 챔버(110)의 내부 공간을 정의하며, 상기 내부 공간은 외부로부터 밀폐될 수 있다. 챔버 바디(111)의 전체적인 외곽 구조는 원기둥, 타원 기둥, 또는 다각 기둥 형태 등을 가질 수 있다. 챔버 바디(111)는 일반적으로 금속 재질로 형성되고, 플라즈마 공정 시에 외부로부터 노이즈를 차단하기 위하여 전기적 그라운드 상태가 유지될 수 있다. 챔버 바디(111)의 내측에는 라이너가 배치될 수 있다. 상기 라이너는 챔버 바디(111)를 보호하고, 챔버 바디(111) 내의 금속 구조물들을 덮어 공정 챔버(110) 내부에서의 아킹(arcing)으로 인한 금속 오염(metal contamination)의 발생을 방지할 수 있다. 한편, 라이너는 알루미늄과 같은 메탈 물질이나 세라믹 물질 등으로 형성될 수 있다. 또한, 라이너는 플라즈마 영역(R1) 쪽에서는 플라즈마에 내성을 갖는 물질막으로 형성될 수 있다. 여기서, 플라즈마에 내성을 갖는 물질막은, 예를 들어 이트륨옥사이드(Y2O3)막일 수 있다. 물론, 플라즈마에 내성을 갖는 상기 물질막이 이트륨옥사이드 막에 한정되는 것은 아니다.
챔버 바디(111)는 배출 배관을 통해 배기 펌프(160)와 연결될 수 있다. 플라즈마 공정 후의 부산물들이 배기 펌프(160)를 이용하여 배출 배관(162)을 통해 배출될 수 있다. 또한, 배기 펌프(160)는 공정 챔버(110) 내부의 압력을 조절하는 기능을 수행할 수도 있다.
제1 샤워 헤드(113)는 챔버 바디(111) 내에 장착될 수 있다. 제1 샤워 헤드(113)는 가스가 유동 가능한 복수의 홀(113H)을 포함할 수 있다. 외부에서 공급된 플라즈마는 제1 샤워 헤드(113)의 홀(113H)을 통해 플라즈마 영역(R1)으로 공급될 수 있다.
원격 플라즈마 공급부(125)는 제1 가스 공급 라인(122)을 통해 제1 가스 공급부에 연결되며, 제1 가스 공급부(120)로부터 공급된 제1 공정 가스를 이용하여 플라즈마를 생성할 수 있다. 원격 플라즈마 공급부(125)는 플라즈마 공급 라인(126)을 통해 생성된 플라즈마를 공정 챔버(110)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 원격 플라즈마 공급부(125)는 제1 공정 가스에 파워를 인가하여 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 파워는, 예를 들어 소정 주파수 및 세기를 갖는 전자기파 형태의 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 파워로 인가될 수 있다. 또한, 파워는 전자기파 형태로 온-오프 주기를 가지고 연속파(Continuous Wave) 형태로 인가되거나 또는 펄스 형태로 인가될 수 있다.
참고로, 플라즈마는 라디칼, 이온, 전자, 자외선 등의 다양한 성분들을 포함할 수 있다. 상기 라디칼, 이온, 전자, 자외선 등의 성분들 중 적어도 하나가 기판(300)의 처리, 예를 들어 식각, 세정, 증착 공정에 이용될 수 있다. 기본적으로 라디칼은 전기적으로 중성이고 이온은 전기적으로 극성을 갖는다. 그에 따라, 라디칼은 플라즈마를 이용한 세정 공정에서 세정 대상을 등방성으로 제거하거나, 또는 플라즈마를 이용한 식각 공정에서 식각 대상을 등방성으로 제거하는데 이용될 수 있다. 또한, 라디칼은 증착 공정에서, 특정 성분의 증착을 방해 내지 억제하는데 이용될 수도 있다. 한편, 이온은 세정 공정에서 세정 대상을 이방성으로 제거할 때 이용하거나, 또는 식각 공정에서 식각 대상을 이방성으로 제거할 때 이용할 수 있다.
제2 샤워 헤드(115)는 챔버 바디(111) 내에 배치되며, 제1 샤워 헤드(113)로부터 하방으로 이격될 수 있다. 제2 샤워 헤드(115)는 제1 샤워 헤드(113)와 함께 플라즈마 영역(R1)을 정의할 수 있다. 또한, 제2 샤워 헤드(115)는 플라즈마 영역(R1)과 처리 영역(R2) 사이에 배치되어, 플라즈마 영역(R1)과 처리 영역(R2)을 분리 및 구별할 수 있다.
제2 샤워 헤드(115)는 평판 형태를 가질 수 있고, 평면적 관점에서 원형, 타원형, 또는 다각형 형태를 가질 수 있다. 제2 샤워 헤드(115)는 플라즈마에 내성이 강한 물질로 형성되거나, 또는 메탈이나 세라믹 등으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 샤워 헤드(115)의 표면 상에는 플라즈마에 내성이 우수한 물질막이 코팅될 수 있다.
제2 샤워 헤드(115)는 플라즈마 영역(R1)의 플라즈마와 제2 가스 공급부(130)로부터 공급된 제2 공정 가스(G2)를 각각 별도의 통로를 통해서 처리 영역(R2)으로 공급할 수 있다. 즉, 제2 샤워 헤드(115)는 플라즈마 영역(R1)의 플라즈마가 처리 영역(R2)으로 공급되는 통로인 제1 채널(115H1) 및 제2 가스 공급부(130)로부터 공급된 제2 공정 가스(G2)를 처리 영역(R2)으로 공급하는 통로인 제2 채널(115H2)을 포함할 수 있다. 이러한 제2 샤워 헤드(115)는 서로 분리된 2개의 채널을 포함하는 점에서, 듀얼-채널 샤워 헤드로 지칭될 수 있다.
제2 샤워 헤드(115)에는 복수의 제1 채널(115H1)이 형성되며, 복수의 제1 채널(115H1)은 각각 제2 샤워 헤드(115)를 수직으로 관통하도록 형성될 수 있다. 플라즈마 영역(R1)의 플라즈마는 복수의 제1 채널(115H1)을 통해 하방으로 유동하여, 처리 영역(R2)으로 공급될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 복수의 제1 채널(115H1)은 서로 동일한 사이즈를 가지며, 서로 등간격으로 이격될 수 있다. 또는, 예시적인 실시예들에서, 복수의 제1 채널(115H1)은 서로 다른 사이즈를 가질 수도 있다. 또한, 제2 샤워 헤드(115)의 위치에 따라 제1 채널(115H1)의 밀집도가 달라질 수도 있다.
제2 채널(115H2)은 제1 채널(115H1)과는 분리된 채널일 수 있다. 제2 채널(115H2)은 제2 가스 공급 라인(132)을 통해 제2 가스 공급부(130)에 연결될 수 있다. 제2 채널(115H2)은 제2 가스 공급부(130)에서 공급된 제2 공정 가스(G2)를 처리 영역(R2)으로 직접 공급할 수 있다. 예를 들어, 제2 공정 가스(G2)는 제2 샤워 헤드(115)의 측부를 통해 유입되고, 제2 채널(115H2)을 통해 제2 샤워 헤드(115)의 전면에 균등하게 분배될 수 있다. 제2 채널(115H2)을 통해 분배된 제2 공정 가스(G2)는 처리 영역(R2)을 향해 노출된 제2 채널(115H2)의 복수의 출구를 통해 처리 영역(R2)으로 공급될 수 있다.
도 1에서는 제2 샤워 헤드(115)가 다수의 네모 박스 형태로 세분화되어 도시되고 있는데, 이는 제2 샤워 헤드(115)를 단면으로 표면함에 따른 것이고, 점선으로 표시된 것과 같이 제2 채널(115H2)의 복수의 출구는 제2 샤워 헤드(115) 내에 마련된 제2 채널(115H2)의 내부 통로를 통해서 서로 연결될 수 있다.
한편, 제2 샤워 헤드(115)는 플라즈마 영역(R1)으로부터 처리 영역(R2)으로 이동하는 플라즈마의 성분들을 필터링하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 플라즈마를 이용한 세정 공정 또는 식각 공정에서, 전기적으로 중성을 가지는 라디칼(R)은 제2 샤워 헤드(115)의 제1 채널(115H1)을 통해 처리 영역(R2)으로 공급되지만, 이온은 제2 샤워 헤드(115)를 통과하지 못할 수 있다. 즉, 제2 샤워 헤드(115)는 플라즈마 영역(R1)으로부터 처리 영역(R2)으로 이동하는 이온을 감소시키거나 또는 실질적으로 제거하도록 기능할 수 있다. 이러한 제2 샤워 헤드(115)의 필터링 기능은 제1 채널(115H1)의 기하학적 형상, 예를 들어 제1 채널(115H1)의 종횡비 또는 테이퍼 형상 등에 의해 달성될 수 있다. 또한, 제2 샤워 헤드(115)에는 이온의 유동을 억제하기 위하여 바이어스 전원이 인가될 수도 있다. 예를 들어, 제2 샤워 헤드(115)는 전기적으로 그라운드 상태일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제1 공정 가스는 적어도 하나의 세정용 소스 가스 또는 적어도 하나의 식각용 소스 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 공정 가스는 불소를 함유한 소스 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 공정 가스는 불소(F2), 삼불화브롬(BrF3), 삼불화염소(ClF3), 삼불화질소(NF3), 불산(HF), 육불화황(SF6), 이불화제논(XeF2)을 포함할 수 있고, 또는 사불화탄소(CF4), 육불화에탄(C2F6), 팔불화프로페인(C3F8), 팔불화시클로부탄(C4F8)과 같은 탄화불소(CxFy)계 가스를 포함할 수 있다. 다만, 제1 공정 가스의 종류가 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 공정 가스는 세정 대상 또는 식각 대상에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 공정 가스는 염소(Cl2), 삼염화붕소(BCl3), 사염화탄소(CCl4), 사염화실리콘(SiCl4)과 같이 염소(Cl)를 함유하는 소스 가스를 포함할 수도 있고, 산소(O2), 오존(O3)과 같이 산소 성분을 함유하는 가스를 포함할 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제2 공정 가스(G2)는 제2 샤워 헤드(115)의 제1 채널(115H1)을 통해 처리 영역(R2)으로 공급된 라디칼(R)과 반응하여 세정 대상 또는 식각 대상을 제거하는데 이용되는 에천트를 생성하기 위한 소스 가스일 수 있다. 예를 들어, 제2 공정 가스(G2)는 수소를 함유한 소스 가스, 예를 들어 메탄(CH4), 암모니아(NH3) 또는 하이드라진(N2H4)을 포함할 수 있다.
플라즈마 영역(R1)의 플라즈마 성분은 제2 샤워 헤드(115)를 통과하는 동안 필터링 가능하므로, 제2 샤워 헤드(115)를 이용하여 처리 영역(R2)으로 공급되는 이온/라디칼 비율을 조절할 수 있다. 이온/라디칼 비율을 제2 샤워 헤드(115)를 이용하여 적절히 조절함으로써, 원하는 특성을 갖는 세정 공정 또는 식각 공정을 수행할 수 있다.
또한, 예시적인 실시예들에서, 제1 공정 가스를 반응성이 높은 플라즈마 상태로 만든 이후, 제2 공정 가스(G2)와 혼합시켜 에천트를 생성할 수 있다. 제2 공정 가스(G2)는 제2 샤워 헤드(115)에 마련된 별도의 채널을 통해서 처리 영역(R2)에 공급되기 때문에, 제2 공정 가스(G2)는 해리되지 않고 본연의 특성을 가지고 제2 샤워 헤드(115)를 통과한 라디컬과 혼합되어 에천트를 생성할 수 있다.
기판 지지대(170)는 공정 챔버(110)의 처리 영역(R2)의 하부에 배치될 수 있다. 기판 지지대(170)는 플라즈마 공정의 대상인 기판(300)을 지지할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 기판 지지대(170)는 정전력(electro-static force)으로 기판(300)을 지지하도록 구성된 정전 척(Electrostatic Chuck)과, 상기 정전 척을 지지하는 척 지지대를 포함할 수 있다. 정전 척은 기판(300)의 처킹 및 디처킹을 위한 전극을 내부에 포함할 수 있다. 척 지지대는 상부에 배치된 정전 척을 지지하며, 알루미늄과 같은 메탈이나 알루미나(Alumina)와 같은 세라믹 절연체로 형성될 수도 있다. 척 지지대의 내부에는 히터와 같은 가열 소자가 배치되고, 히터로부터의 열이 정전 척 또는 기판(300)으로 전달될 수 있다. 또한, 척 지지대에는 정전 척의 전극에 연결된 파워 인가용 배선이 배치될 수 있다. 물론, 기판 지지대(170)의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 기판 지지대(170)는 진공을 이용하여 기판(300)을 지지하도록 구성된 진공 척을 포함하거나, 또는 기계적으로 기판(300)을 지지하도록 구성될 수도 있다.
기판 지지대(170)는 기판(300)이 안착되는 기판 지지대(170)의 표면으로부터 기판(300)을 들어올리도록 구성된 리프트 핀(175)을 포함할 수 있다. 리프트 핀(175)은 기판 지지대(170)에 마련된 홀에 수용되며, 기판 지지대(170)에 수직 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 리프트 핀(175)은 수직 방향으로 이동하여, 기판(300)을 상승 및 하강시킬 수 있다. 기판 지지대(170)는 기판(300)을 지지하기에 적합한 개수의 리프트 핀(175)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판 지지대(170)는 기판 지지대(170)의 원주 방향을 따라서 균등하게 이격된 3개 이상의 리프트 핀들(175)을 포함할 수 있다.
리프트 핀(175)은 처리 대상인 기판(300)이 공정 챔버(110)로 반입되거나 또는 기판(300)이 공정 챔버(110)로부터 반출될 때, 기판 지지대(170)로부터 상방으로 돌출된 핀-업(pin-up) 상태가 되어 기판(300)을 지지할 수 있다. 또한, 리프트 핀(175)은 공정 챔버(110) 내에서 기판(300)이 처리되는 동안, 기판 지지대(170)의 상면보다 아래로 하강된 핀-다운(pin-down) 상태가 되어 기판(300)이 기판 지지대(170) 상에 놓이도록 할 수 있다.
기판 지지대(170)에는 RF 바이어스 소스(150)가 연결될 수 있다. RF 바이어스 소스(150)는 기판 지지대(170)에 RF 파워를 인가하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, RF 바이어스 소스(150)는 기판(300)에 대한 세정 공정 또는 식각 공정이 진행되는 동안, 약 200 kHz 미만의 낮은 주파수의 RF 파워를 기판 지지대(170)에 인가할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, RF 바이어스 소스(150)는 기판(300)에 대한 세정 공정 또는 식각 공정이 진행되는 동안, 기판 지지대(170)에 공급되는 RF 파워를 제거할 수도 있다.
냉각 장치(200)는 기판 지지대(170)를 냉각하도록 구성될 수 있다. 냉각 장치(200)는 기판 지지대(170)의 냉각 채널(171)로 냉각 유체를 공급할 수 있다. 상기 기판 지지대(170)의 냉각 채널(171)은 냉각 유체가 유동 가능한 통로로서, 기판 지지대(170)의 중심축을 중심으로 동심원형(concentrical) 또는 나선형(helical)의 파이프 형태를 가질 수 있다. 냉각 장치(200)는 기판 지지대(170)의 냉각 채널(171)로 공급되는 냉각 유체의 온도, 유량, 유속 등을 조절함으로써, 기판 지지대(170)의 온도 및 기판 지지대(170) 상에 탑재된 기판(300)의 온도를 조절할 수 있다.
냉각 유체는 넓은 온도 범위에서 운용 가능한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 냉각 유체는 물, 에틸렌글리콜, 실리콘오일, 액체 테플론, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 냉각 장치(200)는 냉각 유체의 온도를 극저온의 온도 범위로 조절할 수 있다. 예를 들어, 냉각 장치(200)는 냉각 유체의 온도를 극저온 온도로 조절할 수도 있고, 또한 냉각 유체의 온도를 상온으로 조절할 수도 있다.
냉각 장치(200)는 플라즈마 공정이 진행되는 동안 기판 지지대(170) 상에 탑재된 기판(300)을 극저온 온도로 조절 및 유지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 냉각 장치(200)는 -30℃ 내지 -130℃ 사이에서 선택되는 일정 온도로 기판(300)을 냉각할 수 있다. 이러한 극저온 환경에서 기판(300)에 대한 플라즈마 공정, 예를 들어 세정 공정 또는 식각 공정을 수행하여 플라즈마로 인한 기판(300)의 손상을 줄일 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 기판 처리 장치(10)는 기판 처리 장치(10)를 이용한 기판 처리 공정을 제어하기 위한 제어기를 포함할 수 있다.
상기 제어기는 워크 스테이션 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 랩 탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 컴퓨팅 장치일 수 있다. 상기 제어기는 프로세서, 마이크로 프로세서, CPU(central processing unit), 또는 펌웨어일 수도 있다. 상기 제어기는, 예를 들어, 범용 컴퓨터 또는 DSP(Digital Signal Process), FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 특정 하드웨어에 의해 구현될 수 있다.
상기 제어기의 동작은 하나 이상의 프로세서에 의해 판독되고 실행될 수 있는 기계 판독 가능 매체 상에 저장된 명령들로서 구현될 수 있다. 여기서, 기계 판독 가능 매체는 기계(예를 들어, 컴퓨팅 장치)에 의해 판독 가능한 형태로 정보를 저장 및/또는 전송하기 위한 임의의 메커니즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기계 판독 가능 매체는 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 디스크 저장 매체, 광학 저장 매체, 플래시 메모리 장치들을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 냉각 장치(200)를 보여주는 구성도이다.
도 3을 도 1과 함께 참조하면, 냉각 장치(200)는 냉각 유체가 순환하는 냉각 유체 사이클(201) 및 냉매(refrigerant)가 순환하는 냉매 사이클(203)을 포함할 수 있다. 냉각 유체 사이클(201)과 냉매 사이클(203)은 열 교환기(211)를 통해 연결될 수 있다. 열 교환기(211)는 냉매와 냉각 유체 사이의 열 교환을 수행할 수 있다.
냉각 유체 사이클(201)은 냉각 유체를 가열하도록 구성된 히터(220) 및 냉매와의 열 교환을 통해 냉각 유체를 냉각하도록 구성된 열 교환기(211)를 포함할 수 있다. 상기 기판 지지대(170), 열 교환기(211), 및 히터(220)는 냉각 유체가 유동하는 유로를 통해 연결되며, 상기 유로에는 냉각 유체를 순환시키기 위한 펌프(240)가 장착될 수 있다.
상기 히터(220)는 유로를 따라 유동하는 냉각 유체를 가열하기 위한 소정의 가열 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 히터(220)는 냉각 유체가 유동하는 유로에 설치된 저항 가열 방식의 히터를 포함할 수 있다.
냉각 유체 사이클(201)은 열 교환기(211)를 경유하는 냉각 유체의 유량과 히터(220)를 경유하는 냉각 유체의 유량을 조절하기 위한 삼방 밸브(3-way valve, 230)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 냉각 장치(200)는 삼방 밸브(230)를 통해 열 교환기(211)를 경유하는 냉각 유체의 유량 및 히터(220)를 경유하는 냉각 유체의 유량을 조절하여, 기판 지지대(170)로 공급되는 냉각 유체의 온도를 조절할 수 있다. 냉각 장치(200)는 열 교환기(211)를 경유하는 냉각 유체와 히터(220)를 경유하는 냉각 유체가 혼합된 혼합 냉각 유체를 기판 지지대(170)에 공급하여, 기판 지지대(170) 및 기판 지지대(170) 상의 기판(300)의 온도를 제어할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 쿨러(210)와 냉각 채널(171)의 유출구는 제1 유로(251)에 의해 연결되고, 쿨러(210)와 기판 지지대(170)의 냉각 채널(171)의 유입구는 제2 유로(253)에 의해 연결되고, 히터(220)는 제1 유로(251)와 제2 유로(253)를 연결하는 바이패스 유로(255)에 설치될 수 있다. 바이패스 유로(255)는 열 교환기(211)를 경유하지 않고 제1 유로(251)와 제2 유로(253)를 직접 연결할 수 있다. 바이패스 유로(255)는 냉각 유체의 전부 또는 일부가 열 교환기(211)를 경유하지 않고 기판 지지대(170)로 공급되도록 할 수 있다. 삼방 밸브(230)는 제1 유로(251)와 바이패스 유로(255)가 교차하는 지점에 배치되어, 열 교환기(211)를 경유하는 냉각 유체의 유량 및 히터(220)를 경유하는 냉각 유체의 유량을 조절할 수 있다. 이 경우, 기판 지지대(170)로 공급되는 냉각 유체의 온도는 열 교환기(211)를 경유하는 냉각 유체와 히터(220)를 경유하는 냉각 유체의 혼합에 의해 결정될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 냉각 장치(200)는 삼방 밸브(230)를 제어하여, 열 교환기(211)를 경유하는 냉각 유체의 유량을 줄이거나 완전히 차단하고 히터(220)를 경유하는 냉각 유체의 유량을 증가시킴으로써, 냉각 유체의 온도를 빠르게 높일 수 있다. 또한, 냉각 장치(200)는 삼방 밸브(230)를 제어하여, 히터(220)를 경유하는 냉각 유체의 유량을 줄이거나 완전히 차단하고 열 교환기(211)를 경유하는 냉각 유체의 유량을 증가시킴으로써, 냉각 유체의 온도를 빠르게 낮출 수 있다.
냉매 사이클(203)은 쿨러(210)와 냉매가 순환하는 냉매 유로(219)를 포함할 수 있다. 쿨러(210)는, 예컨대 냉매 유로(219)를 따라 유동하는 냉매를 냉각시키기 위한 각종 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 쿨러(210)는 냉매 사이클(203)의 구성하는 응축기, 압축기, 팽창 밸브 등을 포함할 수 있다. 상기 열 교환기(211)는 냉매가 유동하는 냉매 유로(219)로부터 공급된 냉매와 제1 유로(251)를 통해 공급된 냉각 유체를 열교환시켜, 냉각 유체를 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 의하면, 삼방 밸브(230)를 통해 열 교환기(211)를 경유하는 유량 및 히터(220)를 경유하는 유량을 조절하여 냉각 유체의 온도를 신속하게 조절할 수 있으므로, 극저온 식각 공정을 수행하기에 적합한 온도를 신속하게 기판(300)에 제공할 수 있다.
나아가, 기판 지지대(170)의 온도를 높이고자 할 때, 열 교환기(211)를 경유하는 냉각 유체의 유량을 줄이거나 차단하고 히터(220)를 경유하는 냉각 유체의 유량을 증가시켜 냉각 유체의 온도를 빠르게 높일 수 있다. 따라서, 기판 처리 장치(10)에 대한 예방 정비(Preventive Maintenance, PM)를 위해, 극저온으로부터 PM에 적합한 온도로 상승시킬 필요가 있는 경우, 냉각 장치(200)는 대부분의 냉각 유체를 히터(220)로 흐르게 하여 기판 지지대(170)의 온도를 빠르게 상승시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치(10a)를 나타내는 단면도이다. 이하에서, 설명의 편의를 위하여 도 1 및 도 2에서 설명된 기판 처리 장치(10)와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 제1 샤워 헤드(113)에는 RF 소스(114)가 연결될 수 있다. RF 소스(114)는 RF 파워를 생성하여 제1 샤워 헤드(113)를 통해 플라즈마 영역(R1)으로 인가할 수 있다. RF 소스(114)는 적어도 2개의 소스를 포함하여, 다양한 주파수의 RF 파워를 생성하여 출력할 수 있다. 예컨대, RF 소스(114)는 3개의 소스를 포함할 수 있다. 구체적으로, 3개의 소스, 중 첫 번째 소스는 수 MHz 내지 수십 MHz 범위의 제1 주파수를 갖는 RF 파워를 생성할 수 있고, 두 번째 소스는 수백 kHz 내지 수 MHz 범위의 제2 주파수를 갖는 RF 파워를 생성할 수 있으며, 세 번째 소스는 수십 kHz 내지 수백 kHz 범위의 제3 주파수를 갖는 RF 파워를 생성할 수 있다. 또한, RF 소스(114)의 3개의 소스 각각은 수백 내지 수만 와트(W)의 파워를 생성하여 플라즈마 영역(R1)으로 인가할 수 있다. 물론, 3개의 소스에서 생성되는 RF 파워의 주파수와 파워가 상기 수치들에 한정되는 것은 아니다. 또한, RF 소스(114)의 소스의 개수가 3개에 한정되는 것도 아니다.
그라운드 플레이트(117)는 공정 챔버(110)의 챔버 바디(111) 내에서 제1 샤워 헤드(113)와 제2 샤워 헤드(115) 사이에 배치될 수 있다. 그라운드 플레이트(117)는 평판 형태를 가질 수 있고, 평면적 관점에서 원형, 타원형, 또는 다각형 형태를 가질 수 있다. 그라운드 플레이트(117)는 플라즈마에 내성이 강한 물질로 형성되거나, 또는 메탈이나 세라믹 등으로 형성될 수 있다. 또한, 그라운드 플레이트(117)의 표면 상에는 플라즈마에 내성이 우수한 물질막이 코팅될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 플라즈마 공정에서 제1 샤워 헤드(113)는 상부 전극으로 기능할 수 있고, 제1 샤워 헤드(113)의 하방에 배치된 그라운드 플레이트(117)는 그라운드로 기능할 수 있다. 플라즈마 공정에서, 제1 가스 공급부(120)에서 공급된 제1 공정 가스가 플라즈마 영역(R1)으로 도입되고 RF 소스(114)로부터의 RF 파워가 제1 샤워 헤드(113)로 인가되면, 제1 샤워 헤드(113)와 전기적 그라운드 상태인 그라운드 플레이트(117) 사이의 제1 공정 가스가 여기되어 플라즈마 영역(R1) 내에 플라즈마가 생성될 수 있다. 또는, 다른 예시적인 실시예들에서, 플라즈마 생성을 위해, 제1 샤워 헤드(113)가 상부 전극으로 기능하고, 전기적 그라운드 상태인 제2 샤워 헤드(115)가 그라운드로 기능할 수도 있다.
그라운드 플레이트(117)는 복수의 홀(117H)을 포함할 수 있다. 그라운드 플레이트(117)는 그라운드 플레이트(117)의 복수의 홀(117H)로 유입되는 플라즈마의 성분들을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 공정에서, 전기적으로 중성을 가지는 라디칼은 그라운드 플레이트(117)의 홀(117H)을 통과하지만, 이온은 그라운드 플레이트(117)를 통과하지 못할 수 있다. 이러한 그라운드 플레이트(117)의 필터링 기능은 홀(117H)의 기하학적 형상, 예를 들어 홀(117H)의 종횡비 또는 테이퍼 형상 등에 의해 달성될 수 있다. 또한, 그라운드 플레이트(117)에는 이온의 유동을 억제하기 위하여 바이어스 전원이 인가될 수도 있다. 예를 들어, 그라운드 플레이트(117)는 전기적으로 그라운드 상태일 수 있다.
플라즈마 영역(R1)의 플라즈마 성분은 그라운드 플레이트(117) 및 제2 샤워 헤드(115)를 통과하는 동안 필터링 가능하므로, 그라운드 플레이트(117) 및 제2 샤워 헤드(115)를 이용하여 처리 영역(R2)으로 공급되는 이온/라디칼 비율을 조절할 수 있다. 이온/라디칼 비율을 그라운드 플레이트(117) 및 제2 샤워 헤드(115)를 이용하여 적절히 조절함으로써, 원하는 특성을 갖는 세정 공정 또는 식각 공정을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치(10b)를 나타내는 단면도이다. 이하에서, 설명의 편의를 위하여 도 1 및 도 2에서 설명된 기판 처리 장치(10)와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 기판 처리 장치(10b)의 제2 샤워 헤드(115)는 제2 가스 공급부(130)에서 제2 공정 가스(G2)를 공급받아 제2 공정 가스(G2)를 처리 영역(R2)으로 직접 공급하도록 구성된 제3 채널(115H3)을 포함할 수 있다. 상기 제3 채널(115H3)은 제2 샤워 헤드(115)의 가장자리를 따라 링 형상을 가질 수 있고, 제3 채널(115H3)의 출구는 챔버 바디(111)의 측면으로부터 중심을 향하는 방향, 즉 측 방향을 향하도록 형성될 수 있다. 제3 채널(115H3)은 측 방향으로 제2 공정 가스(G2)를 공급할 수 있다. 그에 따라, 플라즈마 영역(R1)에서 제2 샤워 헤드(115)의 제1 채널(115H1)을 통해 처리 영역(R2)으로 공급된 플라즈마와 제3 채널(115H3)에서 공급된 제2 공정 가스(G2)는 서로 수직하게 교차할 수 있다.
제2 샤워 헤드(115)의 제3 채널(115H3)은 제2 채널(115H2)과 서로 연결될 수 있다. 이 경우, 제2 샤워 헤드(115)는 제2 채널(115H2) 및 제3 채널(115H3)을 통해 제2 공정 가스(G2)를 처리 영역(R2)으로 공급할 수 있다. 또는, 제2 샤워 헤드(115)의 제3 채널(115H3)은 제2 채널(115H2)과는 독립적으로 제2 공정 가스(G2)를 처리 영역(R2)으로 공급하도록 구성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 방법(S10)을 보여주는 흐름도이다. 도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 단면도들이다. 이하에서는 도 1 내지 도 3을 함께 참조하여, 기판 처리 장치(10)를 이용한 예시적인 기판 처리 방법을 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 공정 챔버(110) 내에 기판(300)을 로딩한다(S110). 구체적으로, 공정 챔버(110)의 챔버 바디(111)에 마련된 게이트를 열고, 상기 게이트를 통해 기판(300)을 공정 챔버(110) 내로 반입할 수 있다. 기판(300)은 기판 지지대(170) 상에 로딩(또는, 탭재)될 수 있다. 기판 지지대(170)는 정전기력을 이용하여 기판(300)을 지지할 수 있다.
도 6 및 도 7a를 참조하면, 기판(300)에 대한 식각 공정을 수행하여, 기판(300)에 홀(310)을 형성한다(S120). 예시적인 실시예들에서, 상기 기판(300)의 홀(310)은 높은 종횡비(high aspect ratio) 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 홀(310)의 높이는 상기 홀(310)의 폭보다 30배 이상, 40배 이상, 또는 50배 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 기판(300)의 홀(310)을 형성하기 위해, 기판(300) 상에 기판(300)의 일부를 노출시키는 개구부를 가지는 마스크 패턴(도시 생략)을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 마스크 패턴의 상기 개구부를 통해 노출된 상기 기판(300)의 일부를 제거할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 기판(300)의 일부를 제거하기 위해, 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)을 수행할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 기판(300)에 대한 식각 공정은 극저온 온도에서 기판을 식각하는 극저온 식각 공정일 수 있다. 극저온 식각 공정을 수행하기 위해, 기판 지지대(170)는 기판(300)의 온도가 극저온의 온도 범위 내에 있도록 기판(300)을 냉각할 수 있다. 예를 들어, 기판(300)에 대한 식각 공정이 수행되는 동안, 기판 지지대(170)는 기판(300)의 온도를 -30℃ 내지 -130℃ 사이에서 선택되는 일정 온도로 유지할 수 있다. 이러한 플라즈마를 이용한 극저온 식각 공정은 기판(300)에 가해진 열 부하를 줄일 수 있으므로, 플라즈마로 인한 기판(300)의 손상을 줄일 수 있다. 또한, 이러한 플라즈마를 이용한 극저온 식각 공정에서 식각 프로파일은 기판(300)의 온도에 의해 조절 가능하므로, 기판 처리 장치(10)는 미리 설정된 온도로 기판(300)의 온도를 제어함으로써, 높은 종횡비 특성의 식각 공정의 신뢰성이 향상될 수 있다.
기판(300)에 홀(310)을 형성한 이후, 기판(300)에 대한 세정 공정을 수행할 수 있다(S130). 기판(300)에 대한 식각 공정이 수행되는 동안, 홀(310)의 측벽(301) 및 바닥벽(303) 상에는 자연 산화물, 플라즈마 식각 공정을 수행하는 과정에서 발생된 부산물 등이 흡착된 물질막이 형성될 수 있다. 이러한 물질막은 세정 대상으로서, 세정 공정을 통해 선택적으로 제거될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 기판(300)에 대한 세정 공정은 에천트를 세정 대상(320)과 반응시켜 측벽 보호층을 형성하는 단계와, 상기 측벽 보호층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7b를 참조하면, 세정 대상(320)과 반응성을 가지는 에천트와 상기 홀(310)의 측벽(301)의 상부를 덮는 세정 대상(320)의 일부를 반응시켜 제1 측벽 보호층(331)을 형성할 수 있다(S131). 제1 측벽 보호층(331)은 에천트와 세정 대상(320)이 반응하여 생성된 물질로서, 반응에 참여한 세정 대상(320)을 포함할 수 있다. 상기 제1 측벽 보호층(331)은 대체로 홀(310)의 최상단에 가까운 지점에서 먼저 형성되며, 시간 경과에 따라 하방으로 더 연장될 수 있다. 후속되는 세정 공정을 통해서 홀(310)의 바닥벽(303) 사이에 위치된 홀(310)의 측벽(301)을 덮는 세정 대상(320)이 제거되는 동안, 제1 측벽 보호층(331)에 덮여 있는 기판(300)의 일부는 제거되지 않으므로, 제1 측벽 보호층(331)은 기판(300)이 의도치 않게 제거되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, NF3와 NH3가 혼합되어 생성된 에천트 또는 탄화불소계 가스와 수소-질소 함유 가스가 혼합되어 생성된 에천트를 기판으로 공급하면, 상기 에천트들은 세정 대상(320)과 반응하여 비휘발성의 염(non-volatile salt)을 생성할 수 있다. 이러한 비휘발성의 염은 홀(310)의 측벽(301)의 상부가 식각되는 것을 방지하는 측벽 보호층으로 기능할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 에천트와 세정 대상(320)의 반응을 통해 제1 측벽 보호층(331)을 형성하는 동안, 기판(300)의 온도는 극저온의 온도 범위 내에 있는 제1 온도로 유지될 수 있다. 예를 들어, 기판(300)의 제1 온도는 -30℃ 내지 -130℃ 사이일 수 있다. 이 때, 상기 제1 온도는 제1 측벽 보호층(331)이 비휘발성의 특성을 가지고 제1 측벽 보호층(331)이 안정적으로 홀(310)의 측벽(301) 상에 흡착되는 온도일 수 있다. 이러한 기판(300)의 제1 온도는 냉각 장치(200)에 의해 제공되고 유지될 수 있다.
도 6, 도 7c 및 도 7d를 참조하면, 남아있는 세정 대상(320)을 제거하고, 재증착(re-deposition)을 통해 홀(310)의 측벽(301) 상에 제2 측벽 보호층(333)을 형성한다(S133). 남아있는 세정 대상(320)을 제거하기 위해 기판(300)에 세정 대상(320)과 반응성을 가지는 에천트를 공급하면, 세정 대상(320)이 제거된 홀(310)의 측벽(301) 상에는 부산물 등이 재증착되어 폴리머 등으로 이루어진 제2 측벽 보호층(333)이 형성될 수 있다. 제2 측벽 보호층(333)을 이루는 물질은 극저온의 온도에서 홀(310)의 측벽(301) 상에 안정적으로 흡착될 수 있다. 남아있는 세정 대상(320)을 제거하는데 이용되는 에천트는 제1 측벽 보호층(331) 형성 시에 이용되는 에천트와는 상이할 수 있다.
제2 측벽 보호층(333)은 대체로 제1 측벽 보호층(331)의 하단에 가까운 지점에서 먼저 형성되며, 시간 경과에 따라 하방으로 더 연장될 수 있다. 제2 측벽 보호층(333)과 홀(310)의 바닥벽(303) 사이에 위치된 홀(310)의 측벽(301)을 덮는 세정 대상(320)이 제거되는 동안, 제2 측벽 보호층(333)에 덮여 있는 기판(300)의 일부는 제거되지 않으므로, 제2 측벽 보호층(333)은 세정 공정이 진행되는 동안 기판(300)이 의도치 않게 제거되는 것을 방지할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제2 측벽 보호층(333)을 형성하는 동안, 기판(300)의 온도는 극저온의 온도 범위 내에 있는 제2 온도로 유지될 수 있다. 예를 들어, 기판(300)의 제2 온도는 -30℃ 내지 -130℃ 사이일 수 있다. 이 때, 상기 제2 온도는 제1 측벽 보호층(331) 및 제2 측벽 보호층(333)이 비휘발성의 특성을 가지고, 또한 제2 측벽 보호층(333)을 구성하는 물질이 안정적으로 홀(310)의 측벽(301) 상에 흡착되는 온도일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 제2 온도는 제1 온도와 동일한 온도일 수도 있고, 상이한 온도일 수도 있다. 이러한 기판(300)의 제2 온도는 냉각 장치(200)에 의해 제공되고 유지될 수 있다.
도 6, 도 7e 및 도 7f를 참조하면, 제1 측벽 보호층(331) 및 제2 측벽 보호층(도 7d의 333)을 제거한다(S135). 제1 측벽 보호층(331) 및 제2 측벽 보호층(333)이 제거된 결과, 홀(310)의 측벽(301)이 노출될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제1 측벽 보호층(331) 및 제2 측벽 보호층(333)을 제거하기 위해, 기판(300)을 가열할 수 있다. 제1 측벽 보호층(331) 및 제2 측벽 보호층(333)은 일정 온도 이상에서 휘발되는 성질을 가지므로, 기판(300)을 상기 일정 온도 이상으로 가열하여 제1 측벽 보호층(331) 및 제2 측벽 보호층(333)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 제1 측벽 보호층(331) 및 제2 측벽 보호층(333)을 제거하기 위해, 기판(300)은 25℃ 이상, 50℃ 이상, 또는 100℃ 이상의 온도까지 가열될 수 있다.
기판(300)에 대한 건식 세정 공정이 완료되면, 기판(300)을 공정 챔버(110)로부터 언로딩할 수 있다(S140).
일반적으로, 높은 종횡비 특성의 홀(310)의 표면 처리를 위해 건식 세정을 수행하는 경우, 홀(310)의 측벽(301) 상부가 과도하게 제거되는 문제가 빈번히 발생하였다. 그러나, 본 발명의 예시적인 실시예들에 의하면, 극저온 환경에서 비휘발성인 측벽 호보층을 이용하여 세정 공정이 진행되는 동안 기판이 의도치 않게 제거되는 문제를 방지할 수 있다. 특히, 높은 종횡비를 가지는 홀의 표면을 컨퍼멀하게 세정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치(10)의 동작 방법을 보여주는 단면도이다. 이하에서는, 도 8을 참조하여, 도 7e 및 도 7f에 도시된 제1 측벽 보호층(331) 및 제2 측벽 보호층(333)을 제거하는 방법을 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 기판 지지대(170)는 리프트 핀(175)을 이용하여 기판(300)을 기판(300)이 안착되는 기판 지지대(170)의 상면(또는, 안착면)으로부터 상방으로 들어올릴 수 있다. 기판(300)은 상대적으로 높은 온도(예를 들어, 100 ℃ 이상)를 유지하고 있는 제2 샤워 헤드(115)에는 가까워지고, 극저온 온도를 가지는 기판 지지대(170)로부터 멀어질 수 있다. 리프트 핀(175)에 의해 들어올려진 기판(300)이 높은 온도를 가지는 제2 샤워 헤드(115)에 가까워짐에 따라, 기판(300)이 가열되며, 기판(300)이 가열된 결과 제1 측벽 보호층(331) 및 제2 보호층이 홀(310)의 내벽으로부터 휘발되어 제거될 수 있다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법(S20)을 보여주는 흐름도이다.
본 실시예의 반도체 소자 제조방법(S20)은, 도 6, 도 7a 내지 도 7f를 참조하여 설명된 S110 단계 내지 S140 단계를 순차적으로 수행한다. 상기 S110 단계 내지 S140 단계는 도 6, 도 7a 내지 도 7f의 설명 부분에서 설명한 바와 같다.
이후, 기판에 대한 후속 반도체 공정을 수행한다(S150). 후속 반도체 공정은 다양한 공정들을 포함할 수 있다. 예컨대, 후속 반도체 공정은 증착 공정, 식각 공정, 이온 공정, 세정 공정 등을 포함할 수 있다. 여기서, 증착 공정은 CVD, 스퍼터링, 스핀 코팅 등 다양한 물질층 형성 공정을 포함할 수 있다. 식각 공정과 세정 공정은 플라즈마를 이용한 공정일 수도 있고, 플라즈마를 이용하지 않은 공정일 수도 있다. 이온 공정은 이온 주입, 확산, 열처리 등의 공정을 포함할 수 있다. 이러한 후속 반도체 공정을 수행하여 기판 상에 집적 회로들 및 배선들을 형성하여 요구되는 반도체 소자를 제조할 수 있다.
한편, 후속 반도체 공정은, 기판에 해당하는 웨이퍼를 각각의 반도체 칩으로 개별화하는 공정, 및 반도체 칩을 인쇄회로기판(Printed Circuit Board) 상에 실장하고 밀봉재로 밀봉하는 패키징 공정을 포함할 수 있다. 또한, 후속 반도체 공정은 반도체 소자나 패키지에 대해 테스트를 하는 테스트 공정을 포함할 수도 있다. 이러한 후속 반도체 공정들을 수행하여 반도체 소자 또는 반도체 패키지를 완성할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 의한 반도체 소자의 제조 방법에 의하면, 도 1 내지 도 5의 기판 처리 장치들(10, 10a, 10b)를 이용함으로써, 기판에 대한 플라즈마 공정, 예를 들어 건식 세정 공정 또는 건식 세정 공정을 효과적으로 수행할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 예시적인 실시예들에 의한 반도체 소자의 제조 방법은 신뢰성이 높은 반도체 소자를 제조할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 기판 처리 장치 110: 공정 챔버
111: 챔버 바디 113: 제1 샤워 헤드
115: 제2 샤워 헤드 120: 제1 가스 공급부
125: 원격 플라즈마 공급부 130: 제2 가스 공급부
170: 기판 지지대 200: 냉각 장치

Claims (20)

  1. 플라즈마가 생성되는 플라즈마 영역;
    기판이 처리되는 처리 영역;
    상기 플라즈마 영역과 상기 처리 영역 사이에서 상기 플라즈마가 유동하는 통로인 제1 채널 및 상기 처리 영역으로 공정 가스가 공급되는 제2 채널을 포함하고, 상기 제1 채널과 상기 제2 채널은 서로 분리된 샤워 헤드;
    상기 처리 영역 내에서 상기 기판을 지지하는 기판 지지대; 및
    상기 기판 지지대의 냉각 채널로 냉각 유체를 공급하는 냉각 장치;
    를 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는,
    냉매가 순환하는 냉매 사이클;
    상기 냉각 유체가 순환하는 냉각 유체 사이클; 및
    상기 냉매와 상기 냉각 유체 사이의 열 교환을 수행하는 열 교환기;
    를 포함하는 것을 특징으로 기판 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는,
    상기 냉각 유체를 가열하도록 구성된 히터; 및
    상기 열 교환기를 경유하는 상기 냉각 유체의 유량과 상기 히터를 경유하는 냉각 유체의 유량을 조절하도록 구성된 삼방 밸브(3-way valve);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 기판 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드는 전기적 그라운드 상태인 것을 특징으로 기판 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 영역과 상기 처리 영역은 상기 샤워 헤드에 의해 분리되고,
    상기 처리 영역에서 상기 샤워 헤드의 상기 제1 채널을 통해 공급된 라디칼과 상기 샤워 헤드의 상기 제2 채널을 통해 공급된 상기 공정 가스가 혼합되어 상기 기판을 처리하기 위한 에천트(etchant)를 생성하는 것을 특징으로 기판 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드 상에 배치되고 상기 플라즈마가 유동하는 홀을 포함하는 그라운드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 그라운드 플레이트는 전기적 그라운드 상태인 것을 특징으로 기판 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제1 공정 가스를 공급하는 제1 가스 공급부; 및
    상기 제1 가스 공급부로부터 공급된 상기 제1 공정 가스로부터 상기 플라즈마를 생성하고, 생성된 상기 플라즈마를 상기 플라즈마 영역으로 공급하는 원격 플라즈마 공급기를 더 포함하고,
    상기 샤워 헤드에 공급되는 상기 공정 가스는 상기 제1 공정 가스와 상이한 제2 공정 가스인 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 지지대에 RF 바이어스 파워가 인가되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 지지대는 상기 기판을 수직 방향으로 이동시키도록 구성된 리프트 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드는 상기 처리 영역에 측 방향으로 공정 가스를 공급하는 제3 채널을 포함하고, 상기 제3 채널은 상기 제2 채널과 연결된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  11. 제1 공정 가스로부터 생성된 플라즈마가 공급되는 플라즈마 영역;
    상기 플라즈마 영역으로부터 공급된 플라즈마와 제2 공정 가스가 혼합되어 기판을 처리하기 위한 에천트가 생성되는 처리 영역;
    상기 처리 영역 내에서 상기 기판을 지지하는 기판 지지대; 및
    상기 기판 지지대의 냉각 채널로 냉각 유체를 공급하는 냉각 장치;
    를 포함하고,
    상기 냉각 장치는,
    냉매가 순환하는 냉매 사이클;
    상기 냉각 유체가 순환하는 냉각 유체 사이클; 및
    상기 냉매와 상기 냉각 유체 사이의 열 교환을 수행하는 열 교환기;
    를 포함하는 기판 처리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각 유체 사이클은,
    상기 기판 지지대의 냉각 채널의 유출구와 상기 열 교환기의 유입구 사이에서 연장된 제1 유로;
    상기 열 교환기의 유출구와 상기 냉각 채널의 유입구 사이에서 연장된 제2 유로;
    상기 열 교환기를 경유하지 않고 상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 연결하는 바이패스 유로; 및
    상기 바이패스 유로에 설치되어, 상기 냉각 유체를 가열하도록 구성된 히터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 상기 열 교환기를 경유하는 상기 냉각 유체의 유량과 상기 히터를 경유하는 냉각 유체의 유량을 제어하여, 상기 냉각 유체의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 플라즈마 영역과 상기 처리 영역을 분리하는 샤워 헤드를 더 포함하고,
    상기 샤워 헤드는 상기 플라즈마 영역 내의 상기 플라즈마가 상기 처리 영역으로 공급되는 통로인 제1 채널 및 상기 제2 공정 가스가 상기 처리 영역으로 공급되는 통로인 제2 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드의 상기 제1 채널과 상기 제2 채널은 서로 분리된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 공정 가스로부터 생성된 상기 플라즈마를 상기 플라즈마 영역으로 공급하는 원격 플라즈마 공급기;
    상기 제1 공정 가스를 상기 원격 플라즈마 공급기로 공급하는 제1 가스 공급부; 및
    상기 제2 공정 가스를 상기 샤워 헤드에 공급하는 제2 가스 공급부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드는 상기 처리 영역에 측 방향으로 상기 제2 공정 가스를 공급하고 상기 제2 채널과 연결된 제3 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판 지지대는 상기 샤워 헤드를 향해 상기 기판을 들어올리도록 구성된 리프트 핀을 포함하고,
    상기 기판 처리 장치는 제1 온도에서 상기 에천트를 이용하여 상기 기판을 처리한 이후, 상기 기판이 가열되도록 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도를 가지는 상기 샤워 헤드를 향해 상기 기판을 들어올리는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  19. 제 11 항에 있어서,
    RF 파워가 인가되도록 구성된 상부 전극; 및
    상기 플라즈마 영역을 사이에 두고 상기 상부 전극으로부터 이격되고 전기적으로 그라운드 상태인 그라운드 플레이트;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  20. 기판의 일부를 제거하여 상기 기판에 홀을 형성하는 단계;
    상기 기판을 제1 온도로 냉각하고, 상기 제1 온도에서 상기 홀의 내벽 상의 세정 대상과 에천트를 반응시켜, 상기 세정 대상이 포함된 측벽 보호층을 형성하는 단계; 및
    상기 측벽 보호층을 제거하여, 상기 홀의 내벽을 노출시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제1 온도에서 상기 측벽 보호층은 비휘발성인 반도체 소자의 제조 방법.
KR1020190149877A 2019-11-20 2019-11-20 기판 처리 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법 KR20210061846A (ko)

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