KR920006897B1 - Dry etching apparatus using electron cyclotron resonance - Google Patents

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Abstract

A grid having ground level is deposited between a plasma discharging cavity and an etching process cavity to form a RF bias applied ECR etching apparatus and the grid is moved up and down to change the mode of microwave. The apparatus includes a plasma discharging cavity (2) in which a gas discharge is occured, a wave guide (5) for guiding microwave having frequency of 2.45 GHz to the top of the cavity (2), a microwave generator having a structure to prevent damage of a magnetron due to reverse microwave, a solenoid magnetic coil (8) for providing magnetic flux density of 875 Gauss to generate divergent magnetic field, and a process cavity (1) for etching a semiconductor plate.

Description

전자 사이클로트론 공명(ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE) 플라즈마를 이용한 건식식각 장치Dry etching apparatus using ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE plasma

제1도는 본 발명의 전자 사이클로트론 공명방식의 건식식각 장치의 구성도.1 is a block diagram of a dry etching apparatus of an electronic cyclotron resonance method of the present invention.

제2도는 본 발명 마이크로파의 발생장치의 개략구성도.2 is a schematic configuration diagram of a microwave generator.

제3도는 본 발명 마이크로파의 반사 및 이온의 가속을 위한 금속 그리드(Grid)의 사시도.3 is a perspective view of a metal grid for reflection and microwave acceleration of the present invention.

제4a도, 제4b도, 제4c도는 자기 코일(Magnetic Coil)의 배치에 따른 자계분포를 나타낸 것으로, 제4a도는 거울형 자계, 제4b도는 왜곡형 자계, 제4c도는 발산 자계.4a, 4b and 4c show the magnetic field distribution according to the arrangement of the magnetic coil, 4a is a mirror magnetic field, 4b is a distorted magnetic field, and 4c is a diverging magnetic field.

제5도는 본 발명의 알루미나 세라믹판의 사시도.5 is a perspective view of the alumina ceramic plate of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 공정 반응실 2 : 플라즈마 방전실1: process reaction chamber 2: plasma discharge chamber

3 : 마이크로파 발생장치 4 : 임피던스 정합용 조정나사3: microwave generator 4: impedance adjusting screw

5 : 도파관 6 : 석영판5: waveguide 6: quartz plate

7 : 금속 그리드 8 : 자기 코일7: metal grid 8: magnetic coil

9 : 냉각수 주입구 10 : 냉각수 배출구9 coolant inlet 10 coolant outlet

11 : 산소(O2)가스 12 : 육불화황(SF)가스11: oxygen (O 2 ) gas 12: sulfur hexafluoride (SF) gas

13 : C3F8가스 14 : CCl2F2가스13: C 3 F 8 gas 14: CCl 2 F 2 gas

15 : 염소(Cl2)가스15: chlorine (Cl 2 ) gas

16∼20 : 11∼15가스의 각각의 압력 조절기(Regulator)16-20: Each regulator of 11-15 gas

21∼25 : 11∼15가스의 각각의 수동식 차단밸브21 to 25: each manual shut-off valve of 11 to 15 gases

26 : 산소 가스의 유량조절기(Mass Flow Controller)26: Mass Flow Controller of Oxygen Gas

27 : SF6, C3F8, CCl2F2가스의 공용 유량 조절기27: Common flow regulator for SF 6 , C 3 F 8 , CCl 2 F 2 gas

28 : 염소가스의 유량조절기28: chlorine gas flow regulator

29 : 가스의 유량조절기용 전원 및 유량표시기29: power supply and flow indicator for gas flow controller

30 : 자동공압밸브(Pneumatic Valve)30: Pneumatic Valve

31 : 통합 가스관(Gas Manifold) 32 : 가스주입구31: Gas Manifold 32: Gas inlet

33 : 플라즈마 유선(Stream) 34 : 반도체 시편33 Plasma Stream 34 Semiconductor Specimen

35 : 알루미늄 전극 36 : 알루미나 세라믹판35 aluminum electrode 36 alumina ceramic plate

37 : RF 정합조절기 38 : RF전력37: RF matching controller 38: RF power

39 : 분광계 40 : 실리콘광 검지계39: spectrometer 40: silicon light detector

41 : 광섬유 42 : 다원 분광 분석계41 optical fiber 42 multi-spectral spectrometer

43 : 진공통합관(Vacwum Manifold)43: Vacuum Manifold

44 : 트로틀(Throttle)밸브 45 : O-링44: Throttle valve 45: O-ring

46 : 트로틀 밸브제어기 47 : 진공배관46: throttle valve controller 47: vacuum piping

48 : 질소주입구 49 : 수동식 트로틀밸브48: nitrogen inlet 49: manual throttle valve

50 : 오일 확산펌프 51 : 냉간 츄랩(Cold Trap)50: oil diffusion pump 51: cold Trap

본 발명은 각종 고성능 반도체 소자의 제조에 필수적인 소재로 이용되고 있는 다양한 유전재료, 예를들어 산화막이나 질화막 및 반도체에 웨이퍼 등을 원하는 형상대로 정확하게 식각하기 위하여 가스방전 수단으로서 마이크로파와 발생장치와 전자석을 적절한 설계에 따라 배치하고 아울러 플라즈마 공명실(cavity resonator)을 이론적 계산을 토대로 설계 제작함으로써 전자 사이클로트론 공명(electron cyclotron resonance)에 의한 가스방전을 이용한 건식식각 장치에 관한 것이다.The present invention uses microwaves, generators, and electromagnets as gas discharge means to accurately etch wafers into desired shapes in various dielectric materials, such as oxide films, nitride films, and semiconductors, which are used as essential materials for the manufacture of various high-performance semiconductor devices. The present invention relates to a dry etching apparatus using gas discharge by electron cyclotron resonance by arranging according to an appropriate design and designing and manufacturing a plasma resonator based on theoretical calculations.

이제까지 수많은 형태의 건식식각 장치가 미국과 일본 등지에서 개발되어 반도체 제조공정에 이용되어 왔다.Many types of dry etching devices have been developed in the United States and Japan and used in semiconductor manufacturing processes.

현재 가장 널리 사용되고 있는 방식으로는 RF전원을 이용하면서 두개의 평행평판형 전극을 갖는 반응성 이온 혹은 플라즈마 식각장비와 이온빔(ion beam)가속식각 장비등이 있는데 이들은 모두 높은 해상도(resolution)의 비등방성(anisotropy)형상을 달성하기 위해서 상당히 큰 에너지를 이용하기 때문에 피식각 재료간의 식각선택비(etch selectivity)가 낮고 또한 제조된 반도체 소자에 격자결함에 의한 특성저하를 유발할 수 있다.Currently, the most widely used method is a reactive ion or plasma etching device having two parallel plate electrodes and an ion beam acceleration etching device using an RF power source, all of which have high resolution anisotropy ( Since a very large energy is used to achieve the anisotropy shape, the etch selectivity between the materials to be etched is low and the characteristics of the fabricated semiconductor device may be degraded due to lattice defects.

한편 각종 반도체 소자에 대한 고속성, 고집적성, 고신뢰성등에 대한 요구가 점차 증대되면서 미세화의 진전과 함께 높은 식각선택비와 특히 저손상 가공이 더욱더 요망되어 진전과 함께 높은 식각선택비와 특히 저손상 가공이 더욱더 요망되어 기존의 표준화 된 건식식각 장치가 아닌 새로운 개념의 장비의 개발이 절실하였다.On the other hand, as the demand for high speed, high integration, and high reliability for various semiconductor devices is gradually increased, high etching selectivity and especially low damage processing are further desired with the progress of miniaturization, and with high progress, high etching selectivity and especially low damage As processing became more and more demanded, the development of a new concept of equipment rather than the existing standardized dry etching equipment was urgently needed.

이러한 추세에 부응하여 전자의 사이클로트론 공명에 의한 가스방전을 이용한 건식식각 장치가 일본의 히다치사 등에서 연구개발되기 시작하였다.In response to this trend, a dry etching apparatus using gas discharge by cyclotron resonance of electrons has begun to be researched and developed at Hitachi, Japan.

본래 가스플라즈마를 생성시키는 한 방법으로서 전자 사이클로트론 공명(ECR)을 이용한 이온원(ion source)은 고전류 플라즈마를 넓은 면적에 형성시킬 수 있는 특징때문에 1960년대 후반부터 핵융합에의 응용을 목표로 구미 선진국에서 개발되었지만, 반도체 공정에의 실질적 응용연구는 일본의 과학자들에 의해 주도되었다.As an inherent method of generating gas plasmas, ion sources using electron cyclotron resonance (ECR) can form high-current plasmas in large areas. Although developed, practical research in semiconductor processing has been led by Japanese scientists.

특히, ECR 플라즈마는 비교적 낮은 이온에너지(동상 수십전자 볼트 이하)의 분포로 인한 반도체 기판에 대한 저식각손상, 고밀도 플라즈마의 생성(1010∼1012/㎠)에 기인한 고속식각, 고진공(10-3∼10-5Torr)에서의 플라즈마 발생에 따른 긴 평균 자유행로(mean free path)이온에 기인한 높은 식각해상력 등 여러가지 장점이 있다.In particular, ECR plasma has low etching damage to semiconductor substrate due to relatively low distribution of ion energy (several tens of electron volts or less), high-speed etching and high vacuum due to generation of high density plasma (10 10 to 10 12 / cm 2). -3 to 10 -5 Torr), there are various advantages such as high etching resolution due to long mean free path ions due to plasma generation.

따라서 반도체 식각공정에 매우 유망할 것으로 판단되어 일본의 아델바사와 히다치사 등에서 여러건의 특허출원(일본특허등록 제 60198728, 제 61204936 등)을 하였고, 또 상용화된 장비를 제작하여 판매하기 시작한 바 있다.Therefore, it is considered to be very promising for the semiconductor etching process, and several patent applications (Japanese Patent Registration No. 60198728, 61204936, etc.) have been filed by Adelbas, Hitachi, etc. in Japan, and began to manufacture and sell commercialized equipment.

그렇지만 대부분의 장비가 고정된 구조의 마그네트 배열, RF 추가형 ECR장비에서의 공정반응실의 부적절한 설계 등 장비사용자의 요구조건을 충분히 만족시키지 못하고 있다.However, most equipments do not fully meet the requirements of equipment users, such as fixed magnet arrangements and improper design of process reaction chambers in RF additional ECR equipment.

즉, 메가비트(mega-bit)급 소자제조를 위한 식각공정 상의 세부적인 문제점을 완벽하게 해결하지는 못하여 전세계의 건식식각 장비 시장에서 차지하는 몫은 극히 미미한 실정이다.In other words, it does not completely solve the detailed problems of the etching process for manufacturing mega-bit devices, so the share of the dry etching equipment market in the world is very small.

본 발명은 ECR방전의 기본요건인 875 가우스(gauss)의 자속 밀도를 공급하기 위해 공명기(resonator)로서 작용하는 원동형의 플라즈마 발생실을 둘러싸는 4개의 전자석 원반을 배치하여 각각의 간격을 변화시킬 수 있고 또한 직류전원을 가변적으로 공급함으로써 사용자의 공정요구 조건에 따라 방전실 내의 자속밀도의 분포를 조절할 수 있는 자유도를 제공하는 것을 그 특징으로 하며, 이것은 기존의 장치의 영구자석 형태나 전자석의 경우 그 위치가 고정되어 일정한 크기의 자속밀도만을 방전실내의 일정한 구간내에 형성시키도록 하여 그 응용성이 제한되었으나 본 발명에서는 이러한 단점을 개선할 수 있게 고안되었다.In order to supply the magnetic flux density of 875 gauss, which is the basic requirement of ECR discharge, the present invention can arrange four electromagnet disks that surround a circular plasma generating chamber which acts as a resonator. It is possible to control the distribution of magnetic flux density in the discharge chamber according to the user's process requirements by supplying DC power variably. This is the case of the permanent magnet type or electromagnet of the existing device. Its position is fixed so that only a magnetic flux density of a certain size is formed within a certain section of the discharge chamber, and its application is limited. However, the present invention has been devised to improve such a disadvantage.

한편 ECR 식각장치에서도 단점이 있는바 발산자계(divergent magnetic field)를 갖는 ECR 플라즈마에서 웨이퍼가 플라즈마 방전실과 공정반응실 사이의 개구부(aperture)로 부터 멀리 떨어져 있거나 또는 방전실의 직격에 비해 웨이퍼의 크기가 훨씬 클때에는 공정반응실 외벽쪽으로의 플라즈마의 확산에 의해 웨이퍼 가장자리 부근에서 플라즈마 유선(stream)이 경사지게 와닿기 때문에 통상적인 발산자계의 구성에 의해 유도되는 플라즈마 유선만으로 효과적인 비증방성 식각특성을 달성하기 어렵다는 것이다.On the other hand, the ECR etching apparatus also has a disadvantage: in an ECR plasma having a divergent magnetic field, the wafer is far from the aperture between the plasma discharge chamber and the process reaction chamber or the size of the wafer compared to the direct space of the discharge chamber. Is much larger, the plasma stream is obliquely contacted near the edge of the wafer by the diffusion of the plasma toward the outer wall of the process chamber so that the effective non-proliferative etching characteristics are achieved only by the plasma stream, which is induced by the conventional diverging magnetic field. It is difficult.

따라서 근래의 ECR 식각장비 제조업체들은 플라즈마 유선이 웨이퍼와 수직방향으로 부터 평향되는 것을 보정하기 위해 웨이퍼가 놓이는 전극에 RF전원을 추가로 인가함으로써 식각형상의 비등방성을 달성하고자 노력하고 있으나, 이 경우 RF 전원이 걸리는 음극(cathode)에 상대되는 양극(anode)으로서 가운데 구멍이 뚫린 반응실이 상부벽이 역할을 하기 때문에 실질적으로 RF 바이어스(bias)의 보조적인 기능의 효율이 떨어지는 불리점이 파생된다.Therefore, in recent years, ECR etching equipment manufacturers are trying to achieve anisotropic anisotropy by applying RF power to the electrode on which the wafer is placed to compensate the plasma wires from being perpendicular to the wafer. Since the reaction chamber, which has a center hole as an anode relative to a powered cathode, acts as an upper wall, a disadvantage of substantially inefficient efficiency of the auxiliary function of RF bias is derived.

따라서, 본 발명에서는 이러한 단점을 해결하고자 플라즈마 방전실과 반응실 사이에 접지(ground)상태의 금속 격자판(grid)을 설치하였는데, 이 격자판은 마이크로파에 대한 반사판 역할을 하여 반응실 내의 2차 방전을 억제할 뿐만 아니라 방전실 내벽의 나사선을 따라 상하로 높이를 가변 시킬 수 있어 마이크로 모우드(mode)의 변환이 가능하고 또한 RF바이어스를 인가할 경우에는 완벽한 상부 양극으로서 작용하는 특징으로 가지고 있다.Accordingly, in the present invention, a metal grid in a ground state is installed between the plasma discharge chamber and the reaction chamber in order to solve this disadvantage, and the grid serves as a reflector for microwaves to suppress secondary discharge in the reaction chamber. In addition, the height can be changed up and down along the thread of the inner wall of the discharge chamber, it is possible to convert the micro mode (mode) and also to act as a perfect upper anode when applying an RF bias.

이하에서 본 발명의 기술적 구성 및 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, the technical configuration and the preferred embodiment of the present invention will be described in detail.

도면에 도시된 바와같이 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 장치는 마이크로파 발생장치(3), 식각반응실(1), 플라즈마방전실(2), 자기코일(8), 가스공급계 및 진공배기계, 전력 공급계 및 계측제어 시스템 등으로 크게 구분할 수 있다.As shown in the drawing, an electron cyclotron resonance plasma apparatus includes a microwave generator 3, an etching reaction chamber 1, a plasma discharge chamber 2, a magnetic coil 8, a gas supply system and a vacuum exhaust system, a power supply system, and the like. It can be divided into measurement control system.

먼저 마이크로파 발생장치(3)는 제2도와 같이 발진원으로서 주파수 2.45㎓, 출력 8백 와트의 마그네트론(58)이 전원(57)에 연결되어 사용되고, 이어서 분리기(Isolator)(59)를 설치하여 마이크로파의 역류에 의한 마그네트론의 손상을 방지하였다.First, the microwave generator 3 uses a magnetron 58 having a frequency of 2.45 kHz and an output of 800 watts connected to the power source 57 as an oscillation source, and then installs an isolator 59 to supply microwaves. The magnetron was prevented from being damaged by the reverse flow of.

또한 바로 위에 방향성 결합기(Directional Coupler)(60)를 사용하여 마이크로파의 방향성을 향상시켜 감시전력의 오차를 감소시키도록 하였으며, 이어서 인가된 마이크로파 전력 및 재반사된 전력을 전력검지계(Power Meter)(61)로 측정하도록 하였다.In addition, by using a directional coupler (60) directly above to improve the directionality of the microwave to reduce the error of the monitoring power, then applied microwave power and re-reflected power to the power meter (Power Meter) 61).

발생된 마이크로파를 플라즈마 방전실(2)로 전달하는 L형 도파관(Waveguide) 시스템(5) 중간에는 마이크로파 임피던스(Impedance) 정합을 위해서 정합용 조정나사(4)를 설치하였다.In the middle of the L-type waveguide system 5 for transmitting the generated microwaves to the plasma discharge chamber 2, a matching adjusting screw 4 is provided for matching the microwave impedance.

제1도의 플라즈마 방정실(2)은 일종의 원통형 도파관으로서 마이크로파 에너지를 보다 잘 통과시킬 수 있는 진공으로 밀폐된 원형의 석영판(6)에 의해 상측은 L형 도파관시스템(5)에 연결되고, 아래측은 마이크로파를 반사시키며 플라즈마 유선(stream)(33)을 통과시킬 수 있는 접지 혹은 직류전압이 가해지는 제3도와 같은 금속성분의 접지상태의 그리드(Grid)(7)도 연결된다.The plasma chamber 2 of FIG. 1 is a kind of cylindrical waveguide, and the upper side thereof is connected to the L-type waveguide system 5 by a vacuum-sealed circular quartz plate 6 which can pass microwave energy better. The side is also connected to a grid 7 in a ground state of a metallic component such as a third degree to which a ground or direct current voltage is applied, which reflects microwaves and can pass a plasma stream 33.

이 그리드는 플라즈마 방전실(2) 내벽의 나사선을 따라 상하 3㎝정도 이동할 수 있도록 되어 있다.This grid is movable up and down about 3 cm along the screw line of the inner wall of the plasma discharge chamber 2.

상기 플라즈마 방전실(2)은 알루미늄 재질로 구성되었는데 방전실 내벽은 양극산화 처리를 하여 반응성 이온 및 중성기(Radical)에 의한 화학적 침식으로 부터 표면을 보호하였다. 그리고 상기한 가스배관계는 다섯가지의 가스실린더(11∼15)와 각각의 가스압력조절기(Regulator), 수동식 가스차단밸브(21∼25), 가스 유량조절기(Mass Flow Controller)(26), (27), (28) 및 통합 가스공급관(31)상의 최종공압식 가스 차단밸브(30)로 가스 공급을 차단하게 되어 있다.The plasma discharge chamber 2 was made of aluminum, and the inner wall of the discharge chamber was anodized to protect the surface from chemical erosion by reactive ions and neutral groups. In addition, the gas distribution system includes five gas cylinders 11 to 15, respective gas pressure regulators, manual gas shutoff valves 21 to 25, and gas flow controllers 26 and 27. ), (28) and the final pneumatic gas shutoff valve 30 on the integrated gas supply pipe 31 is to cut off the gas supply.

본 발명에 사용되는 다섯가지 가스는 첫째, 반도체 공정에 기본적으로 사용되는 감광막(Photoresist)의 선택적 식각이나 혹은 웨이퍼 전면의 박리(Ashing)를 위해 산소(O2)(11)의 방전을 이용하여 탄소와 수소의 고분자 화합물을 구성된 감광막을 CO2과 H2O의 반응생성물로 분해하여 식각한다.The five gases used in the present invention are, firstly, carbon using the discharge of oxygen (O 2 ) 11 for selective etching of photoresist or ashing of the front surface of the wafer, which is basically used in semiconductor processes. The photoresist composed of a polymer compound of hydrogen and hydrogen is decomposed into a reaction product of CO 2 and H 2 O to be etched.

둘째, 실리콘 트랜지스터의 게이트로서 사용되는 다결정 실리콘, 혹은 트렌치분리(Trench Isolation) 및 트렌치캐패시터(Trench Capacitor)구조의 형성을 위한 실리콘 기판 자체의 식각을 위해 염소(C12)(15)와 육불화 황(SF6)(12)을 사용하여 실리콘을 사불화 실리톤(SiF4) 혹은 사염화 실리콘(SiCl4)으로 분해할 수 있게 한다.Second, chlorine (C 12 ) (15) and sulfur hexafluoride for etching of the silicon substrate itself for the formation of polycrystalline silicon, or trench isolation and trench capacitor structures, used as gates of silicon transistors. (SF 6 ) (12) can be used to decompose the silicon into silicide tetrafluoride (SiF 4 ) or silicon tetrachloride (SiCl 4 ).

셋째, 주로 절연막으로 사용되는 실리콘 산화막(SiO2)의 식각을 위해 보통 사용되는 CHF3와 C2F6(Freon-116)의 혼합 가스 대신에 C3F8(13)만을 사용하여 사불화 실리콘 및 일산화탄소와 이산화탄소로 분해하도록 하였다.Third, silicon tetrafluoride using only C 3 F 8 (13) instead of the mixed gas of CHF 3 and C 2 F 6 (Freon-116), which is usually used for etching silicon oxide film (SiO 2 ), which is mainly used as an insulating film. And decomposition into carbon monoxide and carbon dioxide.

마지막으로 화합물 반도체인 갈륨비소(GaAs)의 알루미늄 갈륨비소(AlGaAs)에 대한 선택적 식각을 위해 CCl2F2(Freon-12) 가스(14)를 사용함으로써 삼염화 알루미늄(AlCl3)생성물의 휘발성이 극히 작은것을 이용하였다.Finally, the volatility of the aluminum trichloride (AlCl 3 ) product is extremely reduced by the use of CCl 2 F 2 (Freon-12) gas (14) for selective etching of gallium arsenide (GaAs) of aluminum gallium arsenide (AlGaAs). A small one was used.

본 발명에서 사용된 세개의 가스유량조절기(26), (27), (28)는 한개의 유량조절기용 전원겸 유량표시기(29)에 연결되며 염소용의 가스배관계는 VCR 연결자재를 사용해서 용점하여 유독가스의 안전취급에 유의 하였다.The three gas flow regulators 26, 27, and 28 used in the present invention are connected to a power supply and flow indicator 29 for one flow regulator, and the gas distribution relationship for chlorine is melted by using a VCR connection material. Careful handling of toxic gases was observed.

또한 플라즈마 방전실(2)은 독립된 4개의 자기코일(Magnetic Coil)(8)에 의해 둘러싸여 마이크로파 발생장치(3)에서 생성된 마이크로파와의 상호작용에 의해 플라즈마 방전실(2) 내로 유입된 공정가스를 전자 사이클로트론 공명현상에 의해 방전시켜 플라즈마를 발생시키게 된다.In addition, the plasma discharge chamber 2 is surrounded by four independent magnetic coils 8 and the process gas introduced into the plasma discharge chamber 2 by interaction with the microwaves generated by the microwave generator 3. Is discharged by electron cyclotron resonance to generate plasma.

일반적으로 전자 사이클로트론 공명조건을 위한 자속밀도(Magnetic Flux Density) B는,In general, magnetic flux density B for electron cyclotron resonance conditions is

Figure kpo00001
Figure kpo00001

로 표시되는데, 여기서 m은 전자의 질량, e는 절대전하량, f는 마이크로파의 주파수[㎐]이다.Where m is the mass of the electron, e is the absolute charge, and f is the frequency of the microwave.

즉, 2.45㎓의 마이크로파 주파수에서 전자 사이클로트론 공명조건을 위한 자속밀도는 875 가우스(Gauss : 10-4T)임을 알 수 있다.That is, it can be seen that the magnetic flux density for the electron cyclotron resonance condition is 875 gauss (Gauss: 10-4T) at a microwave frequency of 2.45 GHz.

4개의 자기코일(8)은 각각 100회전수의 솔레노이드(Solenoid) 코일로 구성되어 있으며, 큰 전류의 흐름에 의해 발생된 열을 효율적으로 방출하기 위하여 냉각수에 의해 주입구(9) 및 배출구(10)를 통해 수냉되도록 되어 있다.Each of the four magnetic coils 8 is composed of a solenoid coil of 100 revolutions each, and the inlet 9 and the outlet 10 are formed by cooling water in order to efficiently dissipate heat generated by a large current flow. It is intended to be water cooled through.

전자 사이클로트론 공명의 플라즈마 시스템에서는 자기코일(8)의 구성배열에 따라 제4a도, 제4b도, 제4c도와 같은 세가지 형태의 자계가 형성된다.In the plasma system of electron cyclotron resonance, three types of magnetic fields are formed as shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C according to the arrangement of the magnetic coil 8.

제4a도는 거울형(Mirror) 자계, 제4b도는 왜곡형(Cusp) 자계, 제4c도는 발산(Divergent) 자계이다.FIG. 4A is a mirror magnetic field, FIG. 4B is a distortion magnetic field, and FIG. 4C is a divergent magnetic field.

여기서는 발산기계의 분포를 취하도록 자기코일(8)의 배치를 하였다.Here, the magnetic coil 8 is arranged to take the distribution of the diverging machine.

보통 발산자계의 구성에 의해 이끌리는 플라즈마 유선(33)에 의해서만 완벽한 비등방성을 달성하기는 어렵다.It is difficult to achieve perfect anisotropy only by the plasma streamline 33, which is usually led by the configuration of the diverging magnetic field.

왜냐하면 플라즈마 방전실(2)과 공정반응실(1)을 연결하고 있는 개구부(Aperture)로 부터 반도체 시편(34)의 일정거리 만큼 떨어져 있기 때문에 플라즈마의 반응실(1) 외벽으로의 퍼짐에 의해서 반도체 시편(34)의 중심부분에 비해 가장자리 부분은 플라즈마 유선(33)이 수직하게 와닿지 않기 때문이다.This is because the semiconductor is separated from the aperture connecting the plasma discharge chamber 2 and the process reaction chamber 1 by a predetermined distance of the semiconductor specimen 34 so that the semiconductor is spread by the plasma to the reaction chamber 1 outer wall. This is because the plasma streamline 33 does not vertically contact the edge portion as compared with the central portion of the specimen 34.

따라서 이를 보상해 주기 위해서 반도체 시편(34)이 놓이는 양극산화 처리된 알루미늄 전극판(35)에 진공 캐패시터의 조절에 의해 임피던스를 정합하는 조절기(RF Matching Network)(37)를 통하여 RF 전원(38)을 인가함으로써 이온의 직류전류 성분을 한층 크게하여 반도체 시편(34)의 비등방성 식각특성을 향상시킬 수 있도록 하였다.Therefore, in order to compensate for this, the RF power source 38 is connected to an anodized aluminum electrode plate 35 on which the semiconductor specimen 34 is placed, through a regulator (RF Matching Network) 37 for matching impedance by adjusting a vacuum capacitor. By applying this, the direct current component of the ions can be further increased to improve the anisotropic etching characteristic of the semiconductor specimen 34.

또, 상기 RF 전원(38)은 제5도와 같이 대칭성의 진공배기를 위해 특수 가공된 알루미나 세라믹판(36)에 의해 공정반응실(1)과 전기적 절연을 이룬다.In addition, the RF power supply 38 is electrically insulated from the process reaction chamber 1 by the alumina ceramic plate 36 specially processed for symmetrical vacuum exhaust as shown in FIG.

가장자리의 구멍(36a)들은 진공배기용이고 내부쪽 구멍(36b)은 RF 전원(38)과 연결을 위한 것이다.The holes 36a at the edges are for evacuation and the inner holes 36b are for connection with the RF power source 38.

한편 식각공정의 종점검출을 위해 플라즈마 방전에 의해 생성된 반응물질의 광학적 분광이 물질의 특성에 따라 다른 것을 이용하여 생성물의 변화를 감지하는 분광계(39)(Spectrograph)와 실리콘 광검출기(40)(Photodetector)를 광섬유(41)를 통해 다원분광 분석계 본체(42)와 연결 설치하였다. 또한 플라즈마의 특성조사를 위한 Langmuir 검침(Plobe)과 자장의 세기를 측정할 수 있는 장치가 부착되었다.On the other hand, the spectrometer 39 (Spectrograph) and the silicon photodetector 40 (detecting the change of the product using the optical spectroscopy of the reaction material generated by the plasma discharge for the end point detection of the etching process according to the properties of the material) Photodetector) was installed in connection with the multispectral analyzer main body 42 through the optical fiber 41. In addition, a Langmuir Plobe for measuring the characteristics of the plasma and a device for measuring the intensity of the magnetic field were attached.

아울러 진공배기 시스템은 오일확산 펌프(50)과 로타리(Rotary) 펌프(55)의 복합 구성에 의해 공정 반응실(1)의 압력이 반응 가스가 유입되지 않았을때 최저 10-6Torr까지 내려갈 수 있게 하였고, 펌프 오일은 배기되는 반응가스와의 화학반응을 극소화하기 위해서 펌블린(Fomblin) 오일을 사용하였다.In addition, the vacuum exhaust system is a combination of the oil diffusion pump 50 and the rotary pump 55 so that the pressure in the process reaction chamber 1 can be lowered to a minimum of 10 -6 Torr when no reaction gas is introduced. Pump oil was used to minimize the chemical reaction with the reaction gas is exhausted (Fomblin) oil.

식각공정중에 압력제어의 적정범위는 10-2-10-5Torr 정도에서 이루어지는데, 진공예비실(43)과 알루미나 세라믹판(36)중의 개구부에 연결된 진공배관과 오일 확산펌프(50) 사이에 트로블밸브 제어기(46)에 설정된 압력값에 맞춰 전기적 신호에 의해 자동적으로 구성되는 스테핑(Stepping) 모터방식의 트로틀밸브(45)가 설치되어 있다.During the etching process, an appropriate range of pressure control is about 10 -2 -10 -5 Torr. The pressure diffusion between the vacuum pipe connected to the opening in the vacuum reserve chamber 43 and the alumina ceramic plate 36 and the oil diffusion pump 50 is shown. The throttle valve 45 of the stepping motor type | system | group which is comprised automatically by an electrical signal according to the pressure value set in the throttle valve controller 46 is provided.

또 다시 트로틀밸브 제어기(46)는 열전대(Themocouple) 압력게(57)(10∼10-3Torr) 및 이온압력계(58)(102r∼10-7Torr)와 연결됨으로써 상호 폐쇄회로를 구성하여 반응실(1)내로의 가스유량의 변화에 관계없이 항시 일정 공정압력을 달성하도록 제작 되었다.The throttle valve controller 46 is connected to a thermocouple pressure gauge 57 (10 to 10 -3 Torr) and an ion pressure gauge 58 (10 2r to 10 -7 Torr) to form a mutually closed circuit. It is designed to achieve a constant process pressure at all times regardless of the change of gas flow rate into the reaction chamber (1).

펌프 오일의 역류를 막기 위해 트로틀밸브(44)와 연결되어 있는 진공배관(47)중에 질소주입구(48)를 통하여 질소를 일정량 흘리게 되어 있으며, 또한 냉간츄랩(51)과 냉각수 세척조(Water Baffle)(52)를 추가 설치하여 그외에도 식각중의 반응생성물을 여과시킨 뒤, 배기가스를 로타리펌프(55)의 배기구(56)를 통해 배출하도록 하였다.In order to prevent the back flow of the pump oil, a certain amount of nitrogen flows through the nitrogen inlet 48 in the vacuum pipe 47 connected to the throttle valve 44, and also the cold chub 51 and the cooling water washing tank (Water Baffle) ( 52) was further installed to filter the reaction product during etching, and then exhaust gas was discharged through the exhaust port 56 of the rotary pump 55.

이상에서 서술한 바와같이 본 발명은 크게 마이크로파 발생 장치 및 플라즈마 방전실을 둘러싸는 가변성이 큰 4쌍의 자기코일 원반, 식각반응실과 웨이퍼가 높이는 음극에 가해지는 RF 전원계, 가스공급계 및 진공배개계 등의 유기적인 구성으로 되어 있으며 그 주요한 특징으로는 플라즈마 방전실과 식각공정 반응실 사이에 접지 상태의 금속격자판(grid)를 설치함으로써 기존의 식각장비에서는 구현하지 못했던 완벽한 RF 바이어스 인가형 ECR 식각장치를 구현하였으며, 이 격자판이 방전실 내벽을 따라 상하 이동될 수 있어, 마이크로파의 모우드 변환이 가능하도록 하였다.As described above, the present invention provides four pairs of highly variable magnetic coil disks enclosing a microwave generator and a plasma discharge chamber, an RF power system, a gas supply system, and a vacuum drain applied to the cathode of the etching reaction chamber and the wafer. It is composed of organic components such as a system, and its main feature is a perfect RF bias-applied ECR etcher which has not been realized in conventional etching equipment by installing a grounded metal grid between the plasma discharge chamber and the etching process reaction chamber. The lattice plate can be moved up and down along the inner wall of the discharge chamber to enable microwave mode conversion.

또한 방전실 외곽의 전자석의 배치 및 전류량을 개별적으로 통제함으로써 방전실 내의 자속밀도의 분포를 임의대로 조절 할 수 있도록 하였으며 적절한 가스공급계의 구성을 통하여 GaAs 및 Si 반도체를 비롯한 각종 박막을 초고집적 소자 제조시에 요구되는 공정조건에 부합되도록 한 것을 들 수 있다.In addition, the distribution of magnetic flux density in the discharge chamber can be arbitrarily controlled by individually controlling the placement of electromagnets and the amount of current outside the discharge chamber. The process conditions required at the time of manufacture can be mentioned.

Claims (3)

마이크로파와 자계는 적절히 응용하여 전자 사이클로트론 공명에 의한 가스방전을 이용하는 장치에 있어서, 가스 방전이 일어나는 고진공이 유지되는 원통형의 플라즈마 방전실(2)과, 상기 플라즈마 방전실의 상측에 체결되는 2.45㎓의 마이크로파를 유도전달 하는 도파관(5)과, 상기 도파관의 하부에 설치되어 마이크로파의 역류에 의한 마그네트론의 손상을 방지하는 마이크로파 발생장치와, 상기 플라즈마 방전실(2)을 둘러싸면서 상부에서 도입되는 마이크로파와 함께 작용하여 전자의 사이클로트론 공명조건을 만족시키도록 875가우스의 자속밀도를 공급해서 발산자계를 형성시킬 수 있는 배치 및 전력 가변형의 솔레노이드 자기코일(8)과, 상기 플라즈마 방전실(2) 하단에 설치되어 반도체 기판의 식각반응이 일어나는 공정반응실(1)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 사이클로트론 공명 플라즈마를 이용한 건식식각 장치.In a device using a gas discharge by electron cyclotron resonance by appropriate application of microwaves and magnetic fields, a cylindrical plasma discharge chamber 2 in which high vacuum in which gas discharge occurs is maintained, and 2.45 kPa fastened to an upper side of the plasma discharge chamber. A waveguide (5) for inductively transmitting microwaves, a microwave generator installed at a lower portion of the waveguide to prevent damage to the magnetron due to backflow of microwaves, and a microwave introduced from the upper portion surrounding the plasma discharge chamber (2); Arranged and powered variable solenoid magnetic coils 8, which are capable of supplying a magnetic flux density of 875 gauss to form a diverging magnetic field to work together to satisfy the electron cyclotron resonance conditions, and are installed at the bottom of the plasma discharge chamber 2 And the process reaction chamber 1 in which the etching reaction of the semiconductor substrate occurs. Dry etching apparatus using an electron cyclotron resonance plasma. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 방전실(2)을 둘러싸는 자기코일(8)를 상하로 위치를 변경 가능하되, 전류 흐름을 조절할 수 있는 4쌍의 원반형태를 갖는 것을 특징으로 하는 사이클로트론 공명 플라즈마를 이용한 건식식각 장치.The cyclotron resonance plasma according to claim 1, wherein the magnetic coil 8 surrounding the plasma discharge chamber 2 can be changed up and down, but has four pairs of disks capable of controlling current flow. Dry etching apparatus using. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 발생장치는 주파수 2.45㎓출력 1킬로와트의 마그네트론(58)과, 이에 연결되는 전원(57)과, 상기 마그네트론(58)에 결합되어 마그네트론의 손상을 방지하는 분리기(59)와, 상기 분리기 일측으로 마이크로파의 방향성을 향상시키는 바로 방향성 결합기(60)와, 인가되는 마이크로파 전력과 재반사되는 전력을 측정하는 전력검지계(61)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 사이클로트론 공명 플라즈마를 이용한 건식식각 장치.2. The separator according to claim 1, wherein the micro-generator is coupled to the magnetron 58 having a frequency of 2.45 GHz output, 1 kilowatt, a power source 57 connected thereto, and a magnetron 58 to prevent damage to the magnetron. And a direct directional coupler 60 for improving the directionality of the microwave toward one side of the separator, and an electric cyclotron resonance plasma for measuring the applied microwave power and the power reflected back. Dry etching apparatus using.
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