KR20230166832A - 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법 - Google Patents

식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명 개념의 일부 실시예들에 따른 식각 방법은 프로세스 챔버에 기판을 제공하는 것, 상기 프로세스 챔버는 제1 챔버부 및 제2 챔버부를 포함하고, 상기 기판은 제2 챔버부에 제공되고; 상기 제1 챔버부에 고밀도 가스 플라즈마를 공급하는 것; 상기 고밀도 가스 플라즈마의 적어도 일부를 이용하여 상기 제2 챔버부에 극저온 전자 온도 플라즈마를 공급하는 것; 상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 라디칼을 상기 기판의 표면에 흡착시키는 것; 및 상기 기판에 바이어스를 인가하여 상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 이온 또는 전자 중 적어도 하나를 가속시켜 상기 기판에 충돌시키는 것을 포함하는 식각 방법을 포함한다.

Description

식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법 {ETCHING APPARATUS AND METHOD OF ETCHING USING THE SAME}
본 발명은 식각 장치 및 식각 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 극저온 전자 온도 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 식각 방법에 관한 발명에 관한 것이다.
플라즈마란 이온화된 기체로, 양이온, 음이온, 전자, 여기된 원자, 분자 및 화학적으로 매우 활성이 강한 라디칼(radical) 등으로 구성되며, 전기적 및 열적으로 보통 기체와는 매우 다른 성질을 갖기 때문에 물질의 제4상태라고도 칭한다. 이러한 플라즈마는 이온화된 기체를 포함하고 있어, 전기장 또는 자기장을 이용해 가속시키거나, 화학 반응을 일으켜 웨이퍼 혹은 기판을 세정하거나, 식각하거나 혹은 증착하는 등 반도체의 제조공정에 매우 유용하게 활용되고 있다.
최근에 반도체 제조공정에서는 고밀도 가스 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치를 사용하고 있으며, 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 모듈은 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합형 플라즈마(CCP, capacitive coupled plasma)와 유도 결합형 플라즈마(ICP, inductive coupled plasma)가 그 대표적인 예이다.
플라즈마를 이용한 식각 단계는, 라디칼을 흡착시키는 흡착 공정과, 식각 대상을 탈착시키는 탈착 공정이 순차적으로 이루어지고, 흡착 공정과 탈착 공정에 사용되는 가스의 종류가 상이하므로, 두 공정 사이에 '퍼지 공정'을 수행하기도 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 식각 공정에서 기판의 특정 물질층에 물리적, 전기적 손상을 발생시키는 문제를 해결하면서 동시에 식각 공정에서 퍼지 단계를 생략하여 공정 시간을 단축시킬 수 있는 식각 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 식각 공정이 일어나는 플라즈마 챔버 내에 극저온 전자 온도 플라즈마를 조성하여 흡착 공정을 보다 빠르게 진행하여 공정 시간을 단축시킬 수 있는 식각 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 식각 장비는 고밀도 가스 플라즈마가 형성되는 제1 챔버부; 극저온 전자 온도 플라즈마가 형성되는 제2 챔버부; 상기 제2 챔버부 내에 배치되고 전압 조절이 가능한 기판; 및 상기 제1 챔버부와 상기 제2 챔버부 사이의 복수의 그리드들을 포함하되, 상기 복수의 그리드들은 상기 복수의 그리드들의 전위가 상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 전위보다 낮도록하여, 고 에너지 전자가 상기 그리드들을 통과하고 저 에너지 전자가 상기 그리드들에 의해 차단되도록 구성되고, 상기 기판 위의 플라즈마 포텐셜은 상기 제1 챔버부의 플라즈마 포텐셜보다 작고, 상기 복수의 그리드들에 인가되는 전압을 조절하여 전자 또는 이온이 가속되거나 차단되는 식각 장비이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 식각 방법은, 프로세스 챔버에 기판을 제공하는 것, 상기 프로세스 챔버는 제1 챔버부 및 제2 챔버부를 포함하고, 상기 기판은 제2 챔버부에 제공되고; 상기 제1 챔버부에 고밀도 가스 플라즈마를 공급하는 것; 상기 고밀도 가스 플라즈마의 적어도 일부를 이용하여 상기 제2 챔버부에 극저온 전자 온도 플라즈마를 공급하는 것; 상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 라디칼을 상기 기판의 표면에 흡착시키는 것; 및 상기 기판에 바이어스를 인가하여 상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 이온 또는 전자 중 적어도 하나를 가속시켜 상기 기판에 충돌시키는 것을 포함하는 식각 방법이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 식각 방법은, 프로세스 챔버에 기판을 제공하는 것, 상기 프로세스 챔버는 제1 챔버부 및 제2 챔버부를 포함하고, 상기 제1 챔버부와 상기 제2 챔버부 사이에 제1 그리드, 제2 그리드, 및 제3 그리드가 배치되고; 프로세스 챔버의 상기 제1 챔버부에 고밀도 가스 플라즈마를 공급하는 것; 상기 고밀도 가스 플라즈마의 저 에너지 전자 및 음이온을 상기 제1 그리드로 차단시키는 것; 상기 고밀도 가스 플라즈마의 양이온을 상기 제2 그리드로 차단시키는 것; 상기 제1 그리드의 전위와 상기 제2 그리드의 전위 차이로 전자를 가속시키는 것; 상기 제3 그리드로 상기 제2 챔버부의 플라즈마가 상기 제1 챔버부로 이동하는 것을 차단하고; 상기 제1 그리드, 상기 제2 그리드, 상기 제3 그리드를 통과한 상기 고밀도 가스 플라즈마의 고 에너지 전자가 상기 제2 챔버부의 이온과 충돌하여 극저온 전자 온도 플라즈마를 형성하는 것; 상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 라디칼을 기판의 표면에 흡착시키는 것; 및 상기 기판에 바이어스를 인가하여 극저온 전자 온도 플라즈마의 이온 또는 전자 중 적어도 하나를 가속시켜 상기 기판에 충돌시키는 것을 포함하는 식각 방법이다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 개념의 실시예들에 따른 식각 장치 및 식각 방법에 따르면, 복수의 그리드들 및 기판의 전압 조절을 통해 극저온 전자 온도 플라즈마가 공급될 수 있다.
본 발명의 개념의 실시예들에 따른 식각 장치 및 식각 방법에 따르면, 극저온 전자 온도 플라즈마 영역의 낮은 쉬스 포텐셜에 의해 기판 손상이 적게 식각을 할 수 있다.
본 발명의 개념의 실시예들에 따른 식각 장치 및 식각 방법에 따르면, 기판 전압 크기 조절을 통해 기판에 입사하는 입자들의 에너지를 제어할 수 있으며, 기판의 표면 반응에 필요한 에너지만을 공급할 수 있기 때문에 기판 손상 없는 식각 공정이 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 식각 장비를 나타낸 단면도이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 도 1의 P부분을 확대한 도면이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 식각 장비의 확대도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 식각 장비의 확대도이다.
도 5a는 일부 실시예들에 따른 식각 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5b는 일부 실시예들에 따른 식각 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5c는 일부 실시예들에 따른 식각 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5d는 일부 실시예들에 따른 식각 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6a, 6b는 일부 실시예들에 따른 극저온 전자 온도 플라즈마를 이용한 식각 방법의 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 일부 실시예들에 따른 식각 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 실시예들에 대하여 자세히 설명한다.
반도체 소자들의 제조 동안에 반도체 기판 및 그 상에 형성된 층들을 식각하는 방법 및 장치가 본 발명의 실시예들에서 제시된다.
일 예로, 식각은 식각 대상 물질의 표면에 라디칼을 흡착(흡착 공정)시킨 후, 이온 또는 전자를 라디칼이 흡착된 식각 대상 물질에 충돌시켜 제거(탈착 공정)하는 방식을 반복하여 처리층을 원자 단위로 한 층씩 식각할 수 있다.
식각에 있어서, 식각 대상에 물리적 충격을 주기 위해 이온 폭격(ion bombardment)을 이용할 수 있다. 이 경우, 전자 온도 1.0 eV 이하의 매우 낮은 전자 온도를 가지는 플라즈마(극저온 전자 온도 플라즈마)를 이용할 수 있다. 이온을 이용한 식각에서, 기판 위에 극저온 전자 온도 플라즈마를 만들게 되면, 기판 위에 매우 낮은 쉬스 포텐셜이 형성될 수 있다. 이 경우, 이온의 기판을 폭격하는 에너지가 낮아져, 이온 폭격이 표면에 불필요한 영향을 주지 않을 수 있다. 극저온 전자 온도 플라즈마에서는 전자 온도가 낮아 여러 불필요한 화학 반응이 생기지 않을 수 있다. 극저온 전자 온도 플라즈마에서 기판에 펄스 전압을 인가하면 이온 폭격에 의한 기판 손상 없이 빠르게 식각 공정을 진행 할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예들에서는, 처리층을 탈착하는 경우 극저온 전자 온도 플라즈마를 이용하므로, 식각 대상 물질의 구조적인 변형이 최소화될 수 있고, 플라즈마 내에서 빠르게 흡착을 진행할 수 있기 때문에 흡착 시간 단축을 통해 공정 시간을 단축 하고, 전기적 특성의 변화를 최소화 할 수 있다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 식각 장비를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 식각 장비(1)가 제공된다. 식각 장비(1)는 다양한 대상을 식각할 수 있다. 예를 들어, 식각 장비(1)는 기판 또는 마스크를 식각할 수 있다. 즉, 식각 장비(1)는 기판 또는 마스크의 일면을 식각하여, 그 위에 패턴을 형성하는 장비일 수 있다.
식각 장비(1)는 프로세스 챔버(CB), 그리드(GR), 제1 전원부(104), 제2 전원부(105), RF 코일(111) 지지대(101), 및 펌프(PM)를 포함할 수 있다.
프로세스 챔버(CB)는 제1 챔버부(CB1) 및 제2 챔버부(CB2)를 포함할 수 있다. 제2 챔버부(CB2) 위에 제1 챔버부(CB1)가 위치할 수 있다. 제1 챔버부(CB1)와 제2 챔버부(CB2) 사이에 그리드(GR)가 위치할 수 있다.
프로세스 챔버(CB) 내로 가스가 주입될 수 있다. 제1 챔버부(CB1) 내로 가스가 공급될 수 있다.
프로세스 챔버(CB)의 제1 챔버부(CB1) 내에 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)가 형성될 수 있다. 제1 챔버부(CB1)는 고밀도 가스 플라즈마 영역일 수 있다. 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)는 가스의 라디칼, 전자, 이온을 포함할 수 있다. 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)는 제1 챔버부(CB1) 내에 가스를 주입하고, RF 코일(111)에 제1 전원부(104)를 통해 전원을 인가하여 제1 챔버부(CB1) 내에 전기장을 유도함으로써 발생될 수 있다.
제1 챔버부(CB1) 내에 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)를 발생시키는 방법은 위에 설명한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 제1 챔버부(CB1)는 다양한 구성을 가지고 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)를 발생시킬 수 있다. 예컨대, 제1 챔버부(CB1)는 축전 결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma, CCP), 유도 결합 플라즈마(Inductively coupled plasma, ICP), 전자 빔 소스 (Electron beam source), Microwave 플라즈마 등 여러가지 소스를 가지고 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)를 유도할 수 있다. 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)는 흡착 가스 플라즈마, 에칭 가스 플라즈마를 포함할 수 있다.
그리드(GR)를 기준으로 제1 챔버부(CB1)와 제2 챔버부(CB2)가 정의될 수 있다. 제1 챔버부(CB1)와 제2 챔버부(CB2) 사이에 그리드(GR)가 위치할 수 있다. 제2 챔버부(CB2)는 극저온 전자 온도 플라즈마 영역일 수 있다.
일 실시예에서, 그리드(GR)는 금속을 포함할 수 있다. 그리드(GR)는 예를 들어, 그래파이트 또는 몰리브덴을 포함할 수 있다. 그리드(GR)에는 전압이 인가될 수 있고, 인가되지 않을 수도 있다. 그리드(GR)에 전압이 인가되어 고밀도 가스 플라즈마(PS_H) 내의 고 에너지 전자를 가속시킬 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 하나의 그리드(GR)가 다수의 쓰루홀들을 포함할 수 있다.
지지대(101)가 제2 챔버부(CB2) 내에 위치할 수 있다. 지지대(101)는 기판(102)을 지지할 수 있다. 지지대(101)는 금속을 포함할 수 있다. 지지대(101)에 임의의 전압이 인가될 수 있다. 지지대(101)에 전압이 인가될 수도 있고, 인가되지 않을 수도 있다.
기판(102)이 제2 챔버부(CB2) 내에 배치되고 전압 조절이 가능할 수 있다. 기판(102)이 지지대(101) 상에 배치될 수 있다. 기판(102)은 금속 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다. 기판(102)은 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 또는 기타 다른 금속들, 또는 그 합금들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(102)은 실리콘(Si)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 기판(102)은 실리콘 웨이퍼를 포함할 수도 있다.
제2 챔버부(CB2)는 고밀도 가스 플라즈마의 적어도 일부를 이용하여 극저온 전자 온도 플라즈마를 공급받을 수 있다. 본 개시에서 설명하는 극저온 전자 온도 플라즈마는 낮은 전자 온도를 가지는 플라즈마를 가리키는 것으로서, 이하 극저온 전자 온도 플라즈마는 1.0 eV 이하의 전자 온도를 가지는 플라즈마로 정의하여 설명하도록 한다.
제2 전원부(105)는 지지대(101)에 전압을 인가할 수 있다. 제2 전원부 (105)의 전력이 지지대(101)를 통해 기판(102)에 인가될 수 있다.
기판(102)에 인가되는 바이어스를 조절함으로써, 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L) 에 포함된 라디칼(Radical)을 기판(102)의 표면에 흡착시키고, 기판(102)의 적어도 일부를 통해 바이어스를 인가하여 극저온 전자 온도 플라즈마에 포함된 전자 또는 이온 중 적어도 하나를 가속시켜 기판(102)에 충돌시키도록 하여 식각 대상을 식각하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 기판(102)에 0V의 바이어스가 인가되어, 기판(102)의 전위가 0V 일 때는 매우 낮은 전자 온도 때문에 기판(102) 위에 쉬스 포텐셜이 형성되지 않고, 설령 형성되더라도 아주 낮은 쉬스 포텐셜을 가진다. 이에 따라 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)에 포함된 이온 또는 전자와 같은 하전 입자들이 기판(102)으로 가속될 수 있는 전기장이 형성되지 않는다. 따라서 전기적으로 중성인 라디칼들만 확산에 의해 기판(102)에 달라붙으면서 흡착 반응이 일어날 수 있다.
또한, 기판(102)의 적어도 일부를 통해 RF나 DC 전압과 같은 바이어스를 인가하게 되면, 전압의 극성에 따라 + 전압일 경우 전자, - 전압일 경우 (양)이온이 기판(102)으로 향하게 되며, 이들이 가진 에너지로 흡착된 라디칼과 결합한 기판(102) 표면의 일부를 탈착하는 반응이 일어날 수 있다
극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)는 전자 온도가 매우 낮기 때문에 쉬스 포텐셜 또한 매우 낮아서 쉬스를 통해 가속되는 이온의 에너지가 매우 작다. 이를 이용하여 식각을 진행하면 흡착 단계에서 전자 또는 이온이 기판(102) 표면을 식각하지 않는다는 장점이 있다. 따라서, 기판(102)에 펄스 전압이 인가되면, 기존의 식각 공정에서 요구하던 퍼지 단계를 생략할 수 있게 된다.
펌프(PM)는 프로세스 챔버(CB)에 연결되어서 식각 공정 동안 진공 제어를 가능하게 하고, 프로세스 챔버(CB)로부터 가스성 부산물들을 제거할 수 있다. 일 실시예에서, 퍼지 공정에서, 프로세스 챔버(CB)의 가스성 부산물들이 펌프를 통해 배출될 수 있다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 도 1의 P부분을 확대한 도면이다.
도 2를 참조하면, 그리드(GR)를 통해 제2 챔버부(CB2)에 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)를 공급할 수 있다.
제1 챔버부(CB1)의 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)는 저 에너지 전자(131) 및 고 에너지 전자(132)를 포함할 수 있다. 그리드(GR)에 전압이 인가될 수 있다.
그리드(GR)는 그리드(GR)의 전위가 그리드(GR) 아래의 극저온 전자 온도 플라즈마의 전위보다 낮도록하여, 고 에너지 전자(132)가 그리드(GR)를 통과하고 저 에너지 전자(131)가 그리드(GR)에 의해 차단되도록 구성될 수 있다. 이는 그리드(GR)가 복수의 그리드들(GR)를 포함하는 경우도 마찬가지일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 그리드(GR)에는 수십 내지 수백 V의 높은 전압을 인가시킬 수 있는 전압 파워서플라이가 연결될 수 있다. 플라즈마와 전극 또는 절연체 사이에 전위차가 만들어 질 수 있는데, 이 전위차가 생기는 영역을 쉬스라고 정의할 수 있고, 쉬스에서 나타나는 전위 차이를 쉬스 포텐셜이라고 정의할 수 있다. 이를 통해 제1 챔버부(CB1)의 고밀도 가스 플라즈마와 접하는 그리드(GR) 위에 제1 챔버부(CB1)의 쉬스(sheath) 포텐셜이 생성될 수 있다. 이러한 제1 챔버부(CB1)의 쉬스 포텐셜 에너지를 넘어서는 고 에너지 전자들(132)만 제2 챔버부(CB2)로 이동할 수 있게 된다.
고밀도 가스 플라즈마(PS_H)의 고 에너지 전자(132)는 그리드(GR) 위에 생성되는 제1 챔버부(CB1)의 쉬스 포텐셜 에너지를 넘고 제2 챔버부(CB2)로 이동할 수 있다. 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)의 저 에너지 전자(131)는 그리드(GR) 위에 생성되는 제1 챔버부(CB1)의 쉬스(sheath) 포텐셜 에너지를 넘기지 못하고 제2 챔버부(CB2)로 이동할 수 없다. 그리드(GR) 아래에 제2 챔버부(CB2)의 쉬스 포텐셜이 생성될 수 있다. 제2 챔버부(CB2)의 쉬스 포텐셜은 제1 챔버부(CB1)의 쉬스 포텐셜과 달리 전자를 가속시킬 수 있다. 따라서, 제2 챔버부(CB2)의 플라즈마 포텐셜을 제1 챔버부(CB1)의 플라즈마 포텐셜보다 크게 하여 그리드(GR)를 통과하는 고 에너지 전자(132)의 전자 에너지를 증폭 시키면, 이러한 고 에너지 전자(132)와 충돌한 제2 챔버부(CB2)에 존재하는 중성 기체(135)들이 이온화 되어 매우 낮은 전자온도를 가지는 극저온 전자(133) 및 이온(134)이 생성될 수 있다 기판(102) 위에는 제2 챔버부(CB2)의 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)와 기판(102) 사이의 전위차를 통해 기판(102) 위의 쉬스 포텐셜이 형성될 수 있다. 이 경우, 기판(102) 위의 쉬스 포텐셜은 제1 챔버부(CB1)의 쉬스 포텐셜보다 작을 수 있다.
제2 챔버부(CB2)에서 이온화를 통해 생성된 극저온 전자(133)와 제1 챔버부(CB1)에서 에너지를 얻으며 그리드 아래로 내려왔지만 이온화 반응에 참여함으로써 에너지를 잃은 전자들이 매우 낮은 전자 온도를 형성할 수 있다. 이 경우, 제2 챔버부(CB2)에 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)가 형성될 수 있다.
일 실시예들에 따른, 식각 장치 및 방법을 위해서 전자들은 1.0eV 이하의 매우 낮은 전자 온도를 가질 수 있다. 이러한 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)에서는 기판(102) 위의 쉬스 포텐셜이 낮게 형성되며, 낮은 쉬스 포텐셜 때문에 가속되는 이온(134)의 에너지가 낮아 이온 에너지에 의한 기판(102)의 손상이 적을 수 있다.
일 실시예에 따른, 제2 챔버부(CH2)는 전자들이 전기장에 의해 에너지를 획득하지 않고, 매우 낮은 전자 온도를 유지할 수 있도록 외부 전기장이 존재 하지 않거나 매우 작게 발생하는 구조로 형성될 수 있다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 식각 장비의 확대도이다. 도 3은 도 2에 대응될 수 있다.
도 3을 참조하면, 그리드(GRa)는 복수의 그리드들(GRa)을 포함할 수 있다. 그리드(GRa)는 제1 그리드(GR1a) 및 제2 그리드(GR2a)를 포함할 수 있다. 제1 그리드(GR1a)는 제1 챔버부(CB1)에 인접한 그리드일 수 있다. 제2 그리드(GR2a)는 제2 챔버부(CB2)에 인접한 그리드일 수 있다. 제1 그리드(GR1a) 및 제2 그리드(GR2a)를 통해 제2 챔버부(CB2)에 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_La)를 공급할 수 있다.
제1 챔버부(CB1)의 고밀도 가스 플라즈마(PS_Ha)는 저 에너지 전자(131) 및 고 에너지 전자(132)를 포함할 수 있다. 제1 그리드(GR1a) 및 제2 그리드(GR2a)에 전압이 인가될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제1 그리드(GR1a)에는 수십 내지 수백 V의 높은 전압을 인가시킬 수 있는 전압 파워서플라이가 연결될 수 있다. 제2 그리드(GR2a)에는 제1 그리드(GR1a)보다 낮은 전압을 인가시킬 수 있는 전압 파워서플라이 또는 그라운드가 연결될 수 있다.
제1 챔버부(CB1) 내의 고밀도 가스 플라즈마(PS_Ha)의 고 에너지 전자(132)는 제1 그리드(GR1a) 및 제2 그리드(GR2a) 사이의 전위 차이만큼 가속이 되기 때문에 원하는 만큼의 에너지만 전자를 가속시킬 수 있다.
그리드들(GR)을 통과한 고 에너지 전자(132)는 제2 챔버부(CB2)의 중성 기체(135)와 충돌하고, 중성 기체(135)들이 이온화 되어 매우 낮은 전자 온도를 가지는 극저온 전자(133) 및 이온(134)이 생성될 수 있다.
제2 챔버부(CB2)에서 이온화를 통해 생성된 극저온 전자(133)와 제1 챔버부(CB1)에서 에너지를 얻으며 그리드 아래로 내려왔지만 이온화 반응에 참여함으로써 에너지를 잃은 전자들이 매우 낮은 전자 온도를 형성할 수 있다. 이 경우, 제2 챔버부(CB2)에 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_La)가 형성될 수 있다.
가속되는 전자의 에너지를 정밀하게 제어할 경우 제2 챔버부(CB2)에서 선택적으로 라디칼 생성 등을 제어할 수 있게 된다. 또한, 공정 사용 가스를 주입하는 영역을 가스에 따라 다른 위치 별로 주입하여 식각/증착 공정 제어에 활용할 수 있게 된다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 식각 장비의 확대도이다. 도 4는 도 2에 대응될 수 있다.
도 4을 참조하면, 그리드(GRb)는 복수의 그리드들(GRb)을 포함할 수 있다. 그리드(GRb)는 제1 그리드(GR1b), 제2 그리드(GR2b) 및 제3 그리드(GR3b)를 포함할 수 있다. 제1 그리드(GR1)는 제1 챔버부(CB1)에 인접한 그리드일 수 있다. 제3 그리드(GR3)는 제2 챔버부(CB2)에 인접한 그리드일 수 있다. 제2 그리드(GR2)는 제1 그리드(GR1) 및 제3 그리드(GR3) 사이에 위치할 수 있다. 제1 그리드(GR1b), 제2 그리드(GR2b) 및 제3 그리드(GR3b)를 통해 제2 챔버부(CB2)에 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_Lb)를 공급할 수 있다.
제1 챔버부(CB1)의 고밀도 가스 플라즈마(PS_Hb)는 저 에너지 전자(131) 및 고 에너지 전자(132)를 포함할 수 있다. 제1 그리드(GR1b), 제2 그리드(GR2b) 및 제3 그리드(GR3b)에 수십 내지 수백 V의 전압이 인가될 수 있다.
복수의 그리드들(GRb)에 인가되는 전압을 조절하여 전자 또는 이온을 가속하거나 차단할 수 있다. 제1 그리드(GR1b), 제2 그리드(GR2b), 및 제3 그리드(GR3b)의 전압은 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1 그리드(GR1b)에 음의 전압이 인가되어 저 에너지 전자(131) 및 음이온이 차단될 수 있다. 제2 그리드(GR2b)에 양의 전압이 인가되어 양이온이 차단되고, 전자가 가속될 수 있다. 제3 그리드(GR3b)는 제2 챔버부(CB2)의 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_Lb)의 제1 챔버부(CB1)로의 유입을 차단하고, 전자의 선속을 확보할 수 있다.
제1 그리드(GR1b), 제2 그리드(GR2b), 및 제3 그리드(GR3b)를 포함하는 그리드(GRb)는 비교적 정확하게 전자 에너지를 제어할 수 있으며, 전자의 밀집도 또한 증가시켜서 효율적으로 제2 챔버부(CB2) 내에 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)를 발생시킬 수 있게 한다.
일 실시예에서, 아르곤 플라즈마가 사용되는 경우, 기판 전위와 제2 챔버부의 플라즈마 전위 차는 전자 온도의 5배 정도일 수 있다. 예를 들어, 일반적인 전자 온도인 3eV인 경우, 전위차는 15V 일 수 있다. 전자 온도가 1eV 이하인 극저온 전자 온도 플라즈마의 경우 전위차는 5V 이하일 수 있다. 극저온 전자 온도 플라즈마와 기판의 전위차는 5.0V 이하일 수 있다. 전자 온도가 0.5eV 이하인 극저온 전자 온도 플라즈마의 경우 극저온 전자 온도 플라즈마와 기판의 전위차는 2.5V 이하일 수 있다.
도 5a는 일부 실시예들에 따른 식각 방법을 나타내는 순서도이다.
식각 방법은 도 1 내지 도 4를 참고하여 설명한 식각 장비를 이용해 식각 대상의 일면을 식각하는 방법을 의미할 수 있다.
도 1, 2 및 5a를 참조하면, 식각 방법은 제1 챔버부(CB1)에 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)를 공급하는 것(210), 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)의 적어도 일부를 이용하여 제2 챔버부(CB2)에 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)를 공급하는 것(220), 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)의 라디칼을 기판의 표면에 흡착시키는 것(230), 및 기판(102)에 바이어스를 인가하여 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)의 이온(134) 또는 전자(133) 중 적어도 하나를 가속시켜 기판에 충돌시키는 것(240)을 포함할 수 있다. 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)의 이온(134) 또는 전자(133) 중 적어도 하나가 가속되어 기판에 충돌되는 경우, 식각 대상이 탈착될 수 있다. 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)에서 식각 대상이 탈착 되므로, 이온(134) 또는 전자(133)로 인한 기판(102)의 부수적인 손상이 방지될 수 있다.
도 5b는 일부 실시예들에 따른 식각 방법의 순서도이다.
도 1, 2 및 도 5b를 참조하면, 식각 방법은 제1 챔버부(CB1)에 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)를 공급하는 것(310), 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)의 고 에너지 전자(132)가 그리드(GR)를 통과하는 것(320), 제2 챔버부(CB2)에 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)를 공급하는 것(330), 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)의 라디칼을 기판(102)의 표면에 흡착시키는 것(340), 및 기판(102)에 바이어스를 인가하여 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)의 이온(134) 또는 전자(133) 중 적어도 하나를 가속시켜 기판(102)에 충돌시키는 것(350)을 포함할 수 있다.
도 5c는 일부 실시예들에 따른 식각 방법의 순서도이다.
도 1, 3 및 도 5c를 참조하면, 식각 방법은 제1 챔버부(CB1)에 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)를 공급하는 것(410), 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)의 고 에너지 전자(132)가 복수의 그리드들(GRa)을 통과하고, 복수의 그리드들(GRa)의 전압 차이만큼 전자가 가속되는 것(420), 제2 챔버부(CB2)에 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)를 공급하는 것(430), 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)의 라디칼을 기판(102)의 표면에 흡착시키는 것(440), 및 기판(102)에 바이어스를 인가하여 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)의 이온(134) 또는 전자(133) 중 적어도 하나를 가속시켜 기판에 충돌시키는 것(450)을 포함할 수 있다.
도 5d는 일부 실시예들에 따른 식각 방법의 순서도이다.
도 1, 4 및 도 5d를 참조하면, 제1 챔버부(CB1)에 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)를 공급하는 것(510), 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)의 저 에너지 전자(131) 및 음이온을 제1 그리드(GR1b)로 차단시키는 것(520), 고밀도 가스 플라즈마(PS_H)의 양이온을 제2 그리드(GR2b)로 차단시키는 것(530), 제1 그리드(GR1b)와 제2 그리드(GR2b) 전압 차이로 전자(132)를 가속시키는 것(540), 제3 그리드(GR3b)로 제2 챔버부(CB2)의 플라즈마가 제1 챔버부(CB1)로 이동하는 것을 차단하는 것(550), 제2 챔버부(560)에 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)를 공급하는 것(560), 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)의 라디칼을 기판(102)의 표면에 흡착시키는 것(570), 및 기판(102)에 바이어스를 인가하여 극저온 전자 온도 플라즈마(PS_L)의 이온(134) 또는 전자(133) 중 적어도 하나를 가속시켜 기판(102)에 충돌시키는 것(580)을 포함할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는, 일부 실시예들에 따른 극저온 전자 온도 플라즈마를 이용한 식각 방법의 예를 나타내는 도면이다.
도 6a 및 도 6b의 ①은 기판(604)에 인가되는 RF 펄스 바이어스를 나타내고, ②는 기판(604)에 인가되는 DC 펄스 바이어스를 나타내고, ③은 기판(604)에 인가되는 RF 펄스 바이어스를 나타낸다.
도 6a를 참조하면, 이온(602) 빔을 이용한 식각 방법이 제공된다. 기판(604)에 바이어스가 인가되지 않아 기판의 전위가 0V면, 매우 낮은 전자 온도 때문에 기판(604) 위의 쉬스 포텐셜이 매우 낮거나 형성되지 않을 수 있다. 이 경우, 기판(604)의 표면에 전기적으로 중성인 라디칼(601)이 흡착될 수 있다.
이 후, 기판(604)의 적어도 일부를 통해 음의 성질을 갖는 바이어스를 인가하게 되면, 전기적으로 양극인 이온(602)들이 기판(604)에 끌려오게 된다. 전기적으로 양극인 이온(602)들은 끌려오면서 얻은 에너지를 라디칼(601)이 흡착된 기판(604)의 표면층에 전달하여 라디칼(601)이 흡착된 표면이 식각되게 할 수 있다. 극저온 전자 온도 플라즈마 하에서는, 이러한 방식을 반복하더라도, 기판(604)의 손상이 없거나 적기 때문에, 퍼지단계 없이도 식각 대상의 식각을 구현할 수 있게 된다.
또한, 기판(604)에 인가하는 음의 바이어스의 크기를 조절하면 기판으로 향하는 이온의 에너지를 조절할 수 있으며, 공정에 적합한 이온 에너지를 선택하여 플라즈마 공정을 진행할 수 있다는 장점을 가진다.
도 6b를 참조하면, 전자(603)를 이용한 식각 방법이 제공된다. 기판(604)의 적어도 일부를 통해 양의 성질을 갖는 바이어스를 인가하게 되면, 전기적으로 음극을 가진 전자(603)가 가속되어 에너지를 받으며 기판을 폭격할 수 있다. 이 경우에는 에너지를 얻은 전자(603)가 기판(604)에 에너지를 전달하는 매개체가 된다.
기판(604)에 인가하는 양의 바이어스의 크기를 조절하면 기판으로 향하는 전자(603)의 에너지를 조절할 수 있으며, 공정에 적합한 전자(603)의 에너지를 선택하여 공정을 진행할 수 있다는 장점을 가진다.
특히, 전자는 이온보다 질량이 훨씬 작기 때문에 상대적으로 높은 크기의 전압을 기판에 인가해도 기판에 손상 없이 탈착 반응에 필요한 에너지만 전달할 수 있다는 장점을 가진다.
도 7은 일부 실시예들에 따른 식각 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 프로세서 챔버 내부에 기판을 로딩할 수 있다(510). 예를 들어, 피식각층이 노출된 기판을 프로세스 챔버 내부의 지지대에 안착시킬 수 있다. 이때, 상기 기판은 상부에 식각을 위한 식각 마스크가 형성되어, 일부면이 노출되어 있을 수 있다.
피식각층은 실리콘 단결정 또는 폴리실리콘이나 적어도 실리콘을 함유한 반도체 기판 자체이거나, 반도체 기판의 표면상에 피식각층이 일정한 두께로 형성된 것일 수 있다. 식각 마스크는 포토레지스트로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서는 이를 한정하지 않는다.
프로세스 챔버 내부에 극저온 전자 온도 플라즈마를 공급할 수 있다(520).
프로세스 챔버 내부에 극저온 전자 온도 플라즈마를 공급하기 위해서, 고밀도 가스 플라즈마를 이용할 수 있다. 예를 들어, 고밀도 가스 플라즈마에 포함된 고 에너지 전자들을 프로세스 챔버 내부로 이동시키고 전자 에너지를 증폭 시키면, 프로세스 챔버 내부에 존재하는 중성 기체들은 이온화되어 플라즈마를 방전시킬 수 있다.
이러한 과정을 통해, 프로세스 챔버에서 이온화를 통해 생성된 낮은 에너지의 전자와, 이온화 반응에 참여함으로써 에너지를 잃은 전자들은 매우 낮은 전자 온도를 형성하게 되며, 이러한 전자들은 극저온 전자 온도 플라즈마를 형성할 수 있다.
극저온 전자 온도 플라즈마의 라디칼을 기판의 표면에 흡착시킬 수 있다(530).
예를 들어, 기판의 전위가 0 V 일 때는 매우 낮은 전자 온도 때문에 기판 위에 쉬스 포텐셜이 형성되지 않게 되며, 설령 쉬스 포텐셜이 형성되더라도 아주 낮은 쉬스 포텐셜을 가진다. 이에 따라 극저온 전자 온도 플라즈마에 포함된 이온 또는 전자와 같은 하전 입자들이 기판으로 가속될 수 있는 전기장이 형성되지 않아서 전기적으로 중성인 라디칼들만 확산에 의해 기판에 달라붙으면서 흡착 반응이 일어날 수 있다.
기판의 적어도 일부를 통해 바이어스를 인가하여 극저온 전자온도 플라즈마에 포함된 전자 또는 이온 중 적어도 하나를 가속시켜 기판에 충돌시킬 수 있다(540).
예를 들어, 기판의 적어도 일부를 통해 RF나 DC 전압과 같은 바이어스를 인가하게 되면, 전압의 극성에 따라 + 전압일 경우 전자, - 전압일 경우 (양)이온이 기판으로 향하게 되며, 이들이 가진 에너지로 흡착된 라디칼과 결합한 기판 표면의 일부를 탈착하는 반응이 일어날 수 있다.
지금까지 도면을 통해 일 실시예에 따른 식각 장치 및 방법에 대한 구성 요소 및 작동 방법에 대해 자세히 알아보았다.
일 실시예에 따른 식각 장치 및 방법은 기판 전압 크기 조절을 통해 기판에 입사하는 입자들의 에너지를 제어할 수 있으며, 기판의 표면 반응에 필요한 에너지만을 공급할 수 있기 때문에 기판 손상 없는 식각 공정이 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 일 실시예에 따른, 식각 장치 및 방법은 종래의 식각방법 또는 중성빔을 이용한 식각 방법과 다르게 탈착 공정시 시간을 단축시키거나 퍼지 단계를 생략하여 공정 시간을 대폭 단축할 수 있으며, 생산성을 높일 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (20)

  1. 고밀도 가스 플라즈마가 형성되는 제1 챔버부;
    극저온 전자 온도 플라즈마가 형성되는 제2 챔버부;
    상기 제2 챔버부 내에 배치되고 전압 조절이 가능한 기판; 및
    상기 제1 챔버부와 상기 제2 챔버부 사이의 복수의 그리드들을 포함하되,
    상기 복수의 그리드들은 상기 복수의 그리드들의 전위가 상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 전위보다 낮도록하여, 고 에너지 전자가 상기 그리드들을 통과하고 저 에너지 전자가 상기 그리드들에 의해 차단되도록 구성되고,
    상기 기판 위의 플라즈마 포텐셜은 상기 제1 챔버부의 플라즈마 포텐셜보다 작고,
    상기 복수의 그리드들에 인가되는 전압을 조절하여 전자 또는 이온이 가속되거나 차단되는, 식각 장비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판에 인가되는 전압이 조절되어 상기 기판에 입사되는 이온 또는 전자의 에너지가 조절되는, 식각 장비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판에 펄스 전압이 인가되어 퍼지 단계가 생략되는, 식각 장비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 극저온 전자 온도 플라즈마는 1.0eV 이하의 전자 온도를 가지는 전자들을 포함하는, 식각 장비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 라디칼이 기판에 흡착하도록 0V 바이어스가 인가되도록 구성되는, 식각 장비.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 그리드들은 저 에너지 전자를 차단하는 제1 그리드; 및
    전자를 가속시키는 제2 그리드를 포함하고,
    상기 제1 그리드의 전위 및 상기 제2 그리드의 전위 차이만큼 전자가 가속되는, 식각 장비.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 그리드들은 저 에너지 전자 및 음이온을 차단하는 제1 그리드;
    양이온을 차단하고 전자를 가속시키는 제2 그리드; 및
    상기 제2 챔버부의 상기 극저온 전자 온도 플라즈마가 상기 제1 챔버부로 유입하는 것을 차단하는 제3 그리드를 포함하는, 식각 장비.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 전위와 상기 기판의 전위 사이의 차이는 상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 전자 온도의 10배 이하인, 식각 장비.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 전위와 상기 기판의 전위 사이의 차이는 5.0 V 이하인, 식각 장비.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 기판의 적어도 일부를 통해 0V 바이어스를 인가하여 라디칼을 상기 기판의 표면에 흡착시키도록 구성되는, 식각 장비.
  11. 프로세스 챔버에 기판을 제공하는 것, 상기 프로세스 챔버는 제1 챔버부 및 제2 챔버부를 포함하고, 상기 기판은 제2 챔버부에 제공되고;
    상기 제1 챔버부에 고밀도 가스 플라즈마를 공급하는 것;
    상기 고밀도 가스 플라즈마의 적어도 일부를 이용하여 상기 제2 챔버부에 극저온 전자 온도 플라즈마를 공급하는 것;
    상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 라디칼을 상기 기판의 표면에 흡착시키는 것; 및
    상기 기판에 바이어스를 인가하여 상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 이온 또는 전자 중 적어도 하나를 가속시켜 상기 기판에 충돌시키는 것을 포함하는, 식각 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 챔버부에 극저온 전자 온도 플라즈마를 공급하는 것은,
    상기 고밀도 가스 플라즈마의 고 에너지 전자가 상기 제1 챔버부와 상기 제2 챔버부 사이의 그리드를 통과하는 것;
    상기 그리드에 전압이 인가되는 것;
    상기 그리드를 통과한 상기 고 에너지 전자가 상기 제2 챔버부의 이온과 충돌하여 극저온 전자 온도 플라즈마를 형성하는 것을 포함하는, 식각 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 챔버부에 극저온 전자 온도 플라즈마를 공급하는 것은,
    상기 고밀도 가스 플라즈마의 고 에너지 전자가 상기 제1 챔버부와 상기 제2 챔버부 사이의 복수의 그리드들을 통과하는 것; 및
    상기 복수의 그리드들의 전위 차이만큼 상기 고 에너지 전자가 가속되는 것을 포함하는, 식각 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 챔버부와 상기 제2 챔버부 사이에 제1 그리드, 제2 그리드, 및 제3 그리드가 배치되고,
    상기 제2 챔버부에 극저온 전자 온도 플라즈마를 공급하는 것은,
    상기 제1 챔버부의 고밀도 가스 플라즈마의 저 에너지 전자 및 음이온을 상기 제1 그리드로 차단시키는 것;
    상기 고밀도 가스 플라즈마의 양이온을 상기 제2 그리드로 차단시키는 것; 및
    상기 제3 그리드로 상기 제2 챔버부의 상기 극저온 전자 온도 플라즈마가 상기 제1 챔버부로 이동하는 것을 차단시키는 것을 포함하는, 식각 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판에 바이어스를 인가하는 것은,
    펄스 전압을 인가하는 것을 포함하는, 식각 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제2 챔버부에 극저온 전자 온도 플라즈마를 공급하는 것은,
    상기 제1 그리드의 전위와 상기 제2 그리드의 전위 차이로 전자를 가속시키는 것을 더 포함하는, 식각 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 극저온 전자 온도 플라즈마에 포함된 전자들은,
    1.0eV 이하의 전자 온도를 가지는 전자들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 식각 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 라디칼을 상기 기판의 표면에 흡착시키는 것은,
    상기 기판의 적어도 일부를 통해 0V 바이어스를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 식각 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 그리드의 전위와 상기 제2 그리드의 전위 차이는 5.0 V 이하인, 식각 방법.
  20. 프로세스 챔버에 기판을 제공하는 것, 상기 프로세스 챔버는 제1 챔버부 및 제2 챔버부를 포함하고, 상기 제1 챔버부와 상기 제2 챔버부 사이에 제1 그리드, 제2 그리드, 및 제3 그리드가 배치되고;
    프로세스 챔버의 상기 제1 챔버부에 고밀도 가스 플라즈마를 공급하는 것;
    상기 고밀도 가스 플라즈마의 저 에너지 전자 및 음이온을 상기 제1 그리드로 차단시키는 것;
    상기 고밀도 가스 플라즈마의 양이온을 상기 제2 그리드로 차단시키는 것;
    상기 제1 그리드의 전위와 상기 제2 그리드의 전위 차이로 전자를 가속시키는 것;
    상기 제3 그리드로 상기 제2 챔버부의 플라즈마가 상기 제1 챔버부로 이동하는 것을 차단하고;
    상기 제1 그리드, 상기 제2 그리드, 상기 제3 그리드를 통과한 상기 고밀도 가스 플라즈마의 고 에너지 전자가 상기 제2 챔버부의 이온과 충돌하여 극저온 전자 온도 플라즈마를 형성하는 것;
    상기 극저온 전자 온도 플라즈마의 라디칼을 기판의 표면에 흡착시키는 것; 및
    상기 기판에 바이어스를 인가하여 극저온 전자 온도 플라즈마의 이온 또는 전자 중 적어도 하나를 가속시켜 상기 기판에 충돌시키는 것을 포함하는, 식각 방법.
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