KR920008123B1 - 플라즈마 에칭 장치 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치를 도시한 개략도.
제2도는 코일(10 및 11)에 공급된 전류 및 에칭 균일성을 도시한 그래프.
제3도는 캐소드 전극(1)상의 이온 외장에 인가된 고주파 전압(Va), 캐소드 전극(2)에 인가된 고주파 전압의 파형, 및 캐소드 전극(1과 2) 사이의 위상이 서로 전이될 때 캐소드 전극(1)상의 이온 외장 근처의 플라즈마의 전위와 캐소드 전극(2)상의 이온 외장 근처의 플라즈마의 전위 사이의 차(Vd)의 파형을 도시한 파형도.
제4도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치를 도시한 개략도.
제5도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치를 도시한 개략도.
제6도는 코일 수가 2개, 3개 및 4개일 때의 자력선을 도시한 도면.
제7도는 종래의 3극형 에칭 장치를 도시한 개략도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 제1캐소드 전극 3 : 그리드
8 : 개스 공급 시스템 9 : 진공 펌프
10, 24, 30 : 제1자계 발생 코일 11, 25 : 제2자계 발생 코일
12, 13, 27, 28, 29, 34, 35, 36, 37 : 코일 전원
14 : 에칭될 물체 16, 17 : 고주파 증폭기
18 : 발진기 19 : 위상 제어기
20 : 제2캐소드 전극 21 : 진공실
22 : 애노드 전극 23 : 절연 물질
26, 32 : 제3자계 발생 코일 33 : 제4자계 발생 코일
본 발명은 반도체 소자 제조시의 마이크로패터닝(micropatterning)시에 사용된 플라즈마 에칭 장치에 관한 것이다.
반도체 소자 제조시의 마이크로패터닝시에는, 반응 개스의 고주파 글로우 방전을 사용하는 플라즈마 에칭이 주로 사용된다. 특히, 칫수 및 형태의 고-정밀 제어를 요구하는 프로세스시에, 반응성 이온 에칭(RIE)이 샘플(반도체 웨이퍼)이 고주파 전력을 인가 받은 캐소드 전극상에 배치되고, 방향성 에칭이 부(-) 전압으로의 캐소드 전극의 바이어싱시에 전극 표면에 수직한 방향으로 가속된 이온으로 수행되는 경우에 주로 사용된다.
RIE 에칭 특성은 기상(gaseouss phase)으로 발생된 기(radical)의 형태와 양, 및 에칭될 물체를 지지하는 캐소드 전극상에 입사되는 이온의 에너지 및 밀도에 따라 변한다. 정상 상태내에서의 에칭율을 최대가 수십nm/분이다. 고주파 전력이 에칭율을 증가시키기 위해 증가되면, 기의 양 및 이온 전류 밀도가 증가되고 , 이온 에너지도 증가되므로, 에칭 마스크 및 하부층에 관련된 선택성을 감쇠시켜, 반도체 결정을 손상시키게 된다. 시스템 효율을 증가시키기로 위해서, 다수의 반도체 웨이퍼를 프로세스할 수 있는 대형 장치가 요구된다. RIE는 마이크로패터닝이 진행될 때 가속 이온과 캐소드 전극상의 이온 외장(ion sheath)내의 중성 개스 사이의 충돌시에 발생된 이온들을 방해함으로써 야기된 에칭 형태 에러의 문제점을 갖는다.
상기 문제점을 해결하기 위해서, 고주파 전계와 결합된 자계를 인가시켜, 플라즈마를 발생시킴으로써 시스템 효율을 증가시키기 위해 소위 마그네트론 에칭 장치가 제안된다. 이 마그네트론 에칭 장치의 일례는 월터 웨이취, 클래스(Walter H, Class)등에게 허여된 미합중국 특허 제4,422,896호에 기술되어 있다. 또한, 유사한 마그네트론 에칭 장치가 오까노 하루오(Haruo Okano)등의 일본국 특허 공개 제57-159026호에 기술되어 있다. 이 장치내에서, 전자들은 고주파 전계에 수직한 방향으로 자계를 인가시킬 때 전계 및 자계에 수직한 방향으로 드리프트된다. 그 결과, 개스왕의 전자들의 충돌이 활성화되고, 방전 플라즈마 밀도가 증가된다. 캐소드 전극상의 샘플에 공급된 이온 전류의 밀도가 증가되기 때문에, 에칭율은 종래의 RIE 장치에 비해 약 10배 정도 증가될 수 있다. 그러므로, 마그네트론 에칭 장치는 1개의 기판이 에칭되더라도 상당히 높은 시스템 효율을 가질 수 있으므로, 간편한 장치를 얻게 된다.
자계 인가 수단으로서 코일을 사용하는 다른 종래의 에칭 장치도 공지되어 있다. 이 에칭 장치의 일례는 제7차 Dry Process Symposium(1985)에서 김 경식(Kynugshik Kim)등이 발표한 논문, ＂SiO2High-Speed Etching＂, 95페이지에 기술되어 있다. 또한, 코일을 사용하는 마크네트론 에칭 장치는 오웬 윌킨슨(Owen Wilkinson)의 일본국 특허 공개 제63-17530호에 기술되어 있다.
이온 에너지, 전류 밀도, 및 방사상 농도를 독립적으로 제어하기 위한 3극형 플라즈마 에칭 장치를 기술한, 일본국 특허 공고 제12346호, 및 1986년 도꾜에서 개최된 제18차(1986)International Conference on Solid State Devices and Materials에서 발표된 사또 마사아끼(Masaaki Sato) 및 아리따 요시노브(Yoshinobu Arita)의 논문, ＂Double-source Excited Reactive Ion Etching and Its Application to Submicron Trench Etching＂내에 기술된 바와 같이, 보수적인 캐소드가 에칭될 물체가 배치되는 캐소드 전극에 대향하도록 배열되고, 망형 또는 다공성 플레이트를 포함하는 그리드가 캐소드 전극들 사이에 공통애노드 전극으로서 배열된다.
제7도는 3극형 플라즈마 에칭 장치를 설명하기 위한 개략도이다. 참조번호(21)은 진공실을 나타내고, (9)는 진공실(21)에 연결된 진공 펌프를 나타내며, (8)은 진공실(21)에 연결된 개스 공급 시스템을 나타내고, (1 및 2)는 진공실(21)내에 배열된 제1 및 제2 캐소드 전극을 나타내며, (6 및 7)은 캐소드 전극(1 및 2)에 연결된 고주파 전원을 나타내고, (5)는 고주파 전원(6)과 캐소드 전극(1) 사이 및 고주파 전원(7)과 캐소드 전극(2) 사이에 배열된 블록킹 캐패시터를 나타내며, (3)은 캐소드 전극(1과 2) 사이에 배열된 그리드를 나타내고, (4)는 캐소드 전극(1) 상에 배치되는 에칭될 물체를 나타낸다. 3극형 플라즈마 에칭 장치내에서, 캐소드 전극(2)에 대향하는 방전 영역은 에칭될 물체가 배치되는 캐소드 전극(1)에 대향하는 방전 영역으로부터 그리드(3)에 의해 분리된다. 캐소드 전극(2)에 고주파 전력을 인가시킬 때, 개스의 분해 및 이온화는 활성기의 밀도, 및 그리드(3)을 통하는 물체를 지지하는 캐소드 전극(1)의 방전 영역의 플라즈마 밀도를 증가시키도록 가속된다. 그러므로, 물체에 공급된 이온 전류량 및 활성기의 양이 증가될 수 있다. 역전극형 플라즈마 에칭 장치에 비해, 에칭율이 2-4배로 증가될 수 있다. 부수적으로, 에칭될 물체의 표면상에 형성된 이온 외장의 폭은 이온 전류 밀도가 증가함에 따라 감소된다. 그러므로, 이온 외장내의 개스 분자들과의 충돌로 인해 야기된 이온은 방해가 억제될 수 있다. 그러므로, 미크론 이하 영역의 폭 0.25㎛의 약 10배 정도의 깊이로의 에칭이고 정밀도로 수행될 수 있다.
영구 자석을 사용하는 종래의 마그네트론 RIE 장치내에서, 영구 자석에 의해 발생된 자계는 고정되고, 에칭 조건의 융통성이 감쇠된다. 예를들어, 이온 에너지 및 이것의 전류 밀도가 독립적으로 제어될 수 없다. 부수적으로, 고-정밀 에칭 균일성 제어가 수행될 수 없다. 코일을 사용하는 장치내에서, 에칭 조건의 융통성이 영구 자석을 사용하는 장치에 비해 향상될 수 있지만, 이온 에너지 및 이것의 전류 밀도를 독립적으로 제어하기가 어렵다.
자계가 시간의 함수로서 변하는, 예를들어 코일 또는 영구 자석이 물리적으로 이동되거나 코일에 공급된 전류가 시간의 함수로서 변하는 여러 형태의 마그네트론 에칭 장치내에서, 자계의 변화는 시간의 함수로서의 고주파 전계의 변화보다 느리다. 이것은 이온 에너지 및 이것의 방향성을 변화시키므로, 소자 손상 및 에칭 형태의 감쇠를 야기시키게 된다.
종래의 3극형 에칭 장치내에서, 에칭 조건의 융통성은 증가되고, 이온 에너지 및 이것의 전류 밀도는 독립적으로 제어될 수 있다. 부수적으로, 시간의 함수로서의 방전 변화가 제거될 수 있으므로, 손상 및 에칭 형태의 감쇠가 제거될 수 있다. 그러나, 3극형 에칭 장치의 시스템 효율은 다음 이유로 인해 마그네트론 에칭 장치에 비해 충분치 못하다. 캐소드 전극(2)의 방전 영역내에서 발생된 플라즈마는 캐소드 전극(1)의 방전 영역으로 확산되고, 캐소드 전극(2)의 방전 영역내에서 발생된 다량의 플라즈마는 물체(4)로 유도되는 것이 아니라 재결합되기 위해 확산된다. 그러므로, 캐소드 전극(2)에 인가된 고주파 전력이 증가되더라도, 물체(4)에 공급된 이온 전류의 밀도 증가는 포화된다. 또한, 부수적으로, 그리드(3)의 영향으로 인해 불균일한 에칭이 일어난다.
본 발명의 목적은 에칭율이 증가될 수 있고, 양호한 에칭 특성이 유지되는 플라즈마 에칭 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제1캐소드 전극의 표면상의 플라즈마 전위의 균일성이 종래의 에칭 장치에 비해 향상될 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 에칭될 물체에 공급된 이온 전류 밀도가 더욱 증가될 수 있는 플라즈마 에칭 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 목적을 달성하기 위해서, 제1캐소드 전극에 대향하도록 배열되고 정전압에 접속된 애노드 전극, 자력선이 제1캐소드 전극 및 제1캐소드 전극을 둘러싸고 환상 전극인 제2캐소드 전극 근처를 통과하는 자계를 인가시키기 위한 자계 인가 수단, 및 제1 및 제2캐소드 전극에 각각 접속된 고주파 전원을 구성되는 플라즈마 에칭 장치가 제공된다.
고주파 전압에 의해 발생된 방전들 간의 간섭을 향상시키기 위한 수단내에서, 고주파 전원으로부터 캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 주파수들은 서로 동일하게 셋트되고, 제1 및 제2캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 위상들은 변할 수 있도록 셋트된다.
이 경우에, 제2캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 위상은 제1캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 위상으로부터 0 내지 1/3파장만큼 선행된다.
자계 인가 수단은 제2캐소드 전극이 프리셋트되는 측에 대향하는 제1캐소드 전극의 측상에 배열된 제1자계 발생 코일, 제1캐소드 전극이 존재하는 측에 대향하는 제2캐소드 전극의 측상에 배열된 제2자계 발생 코일, 및 제1 및 제2자계 발생 코일에 반대 방향의 전류를 공급하기 위한 코일 전원으로 구성되는데, 전류들은 자력선이 제1캐소드 전극과 거의 평행하도록 제어된다.
자계 인가 수단은 애노드 전극에 대향하여 제1캐소드 전극 근처에 배치된 제1자계 발생 코일, 제2캐소드 전극에 의해 둘러싸여지도록 배열된 제2자계 발생 코일, 제2캐소드 전극을 둘러싸도록 배열된 제3자계 발생 코일, 및 동일한 방향을 갖고 있는 전류를 제1 및 제3자계 발생 코일에 공급하고 전류를 제1 및 제3자계 발생 코일과 반대 방향으로 제2자계 발생 코일에 공급하기 위한 코일 전원으로 구성된다. 선택적으로, 자계 인가 수단은 애노드 전극과 대향하여 배치되고 제1캐소드 전극 근처에 배치된 제1자계 발생 코일, 제1자계 발생 코일을 둘러싸도록 배열되고 제1자계 발생 코일의 직경보다 큰 직경을 갖고 있는 제2자계 발생 코일, 제2캐소드 전극에 의해 둘러싸여지도록 배열된 제3자계 발생 코일, 제2캐소드 전극을 둘러싸도록 배열된 제4자계 발생 코일, 및 동일한 방향을 갖고 있는 전류를 제1 및 제4자계 발생 코일에 공급하고 제1 및 제4자계 발생 코일과 반대 방향으로 제2 및 제3 자계 발생 코일에 공급하기 위한 코일 전원으로 구성되는데, 전원의 전류들은 자력선이 제1 및 제2캐소드 전극의 표면과 거의 평행하도록 제어된다.
제1캐소드 전극에 대향하는 애노드 전극은 정전압에 접속되고, 제2캐소드 전극은 제1캐소드 전극을 둘러싸는 환상 전극이다. 자계 인가 수단은 자력선이 제1 및 제2 캐소드 전극 근처를 통과하는 자계를 인가시키도록 배열되므로, 자계에 의해 봉입된 플라즈마의 밀도가 증가된다. 부수적으로, 전자들이 자력선을 따라 이동되기 때문에, 제1 및 제2캐소드에 인가된 고주파 전압에 의한 플라즈마 간섭이 증가된다. 정전압에 접속된 애노드 전극이 제1캐소드 전극에 대향하여 존재하기 때문에, 제1캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 봉입된 플라즈마의 전위 균일성이 종래 장치에 비해 향상된다. 플라즈마 전위의 균일성을 보장하기 위해 종래의 3극형 RIE 장치내에 사용된 그리드는 생략될 수 있다. 그러므로, 제2캐소드 전극에 인가된 고주파전력에 의해 발생된 플라즈마는 제1캐소드 전극 근처에 효율적으로 유도되고, 에칭될 물체에 인가된 이온 전류의 밀도는 증가될 수 있다. 부수적으로, 그리드가 사용되지 않기 때문에, 그리드의 존재로 인해 야기되는 플라즈마 밀도의 약간의 불균일성이 제거될 수 있다.
고주파 전원으로부터 캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 주파수들이 서로 동일하게 셋트되기 때문에, 제1 및 제2캐소드 전극에 인가되는 시간의 함수로서의 고주파 전압의 변화가 제거될 수 있다. 제2캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 위상은 제1캐소드 전극에 인가된 전압보다 0 내지 1/3파장 만큼 선행되므로, 에칭될 물체 근처의 플라즈마 밀도가 증가될 수 있고, 에칭될 물체에 공급된 이온 전류의 밀도가 증가될 수 있다.
이때, 자계 인가 수단은 제2캐소드 전극이 존재하는 측에 대향하는 제1캐소드 전극의 측상에 배열된 제1자계 발생 코일, 제1캐소드 전극이 존재하는 측에 대향하는 제2캐소드 전극의 측상에 배열된 제2자계 발생 코일, 및 제1 및 제2자계 발생 수단에 반대 방향의 전류들을 공급하기 위한 코일 전원을 포함하므로, 자속선들은 제1캐소드 전극의 표면에 거의 평행하다. 전극 표면 상의 자속의 방향은 전계의 방향과 평행하므로, 전자들이 전극상에서 회전하도록 드리프트된다. 전자와 개스 사이의 충돌은 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해 향상된다. 부수적으로, 자속선들이 에칭될 물체의 방사상 방향으로 통과하기 때문에, 방사상 방향으로의 전자들의 이동성이 향상될 수 있다. 그러므로, 에칭될 물체상의 플라즈마 밀도가 향상될 수 있다.
또한, 이 경우에, 자계 인가 수단은 애노드 전극에 대향하여 제1캐소드 전극 근처에 배열된 제1자계 발생 코일, 제2캐소드 전극에 의해 둘러싸여지도록 배열된 제2자계 발생 코일, 제2캐소드 전극을 둘러싸도록 배열된 제3자계 발생 코일, 및 동일한 방향을 갖고 있는 전류들을 제1 및 제3자계 발생 코일에 공급하고 전류를 제1 및 제3자계 발생 코일에 공급된 전류와 반대 방향으로 제2자계 발생 코일에 공급하기 위한 코일 전원을 포함하는데, 전류들은 제1캐소드 전극에 거의 평행한 자력선들이 제2캐소드 전극에도 거의 평행하도록 공급된다. 자속의 방향은 제1 및 제2 캐소드 전극상의 전계의 방향과 수직이다. 전자들은 2개의 전극들 상에서 회전하도록 드리프트되고, 전자와 개스 사이의 충돌이 향상된다. 그러므로, 플라즈마 밀도가 증가된다. 전자들이 자속선들을 따라 이동되기 때문에, 제1 및 제2캐소드 전극에 인가된 고주파 전압에 의한 플라즈마 간섭이 증가된다. 제2캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 위상은 제1캐소드 전극에 인가된 전압으로부터 0 내지 1/3파장 만큼 선행되므로, 에칭될 물체 근처의 플라즈마 밀도가 증가되고, 에칭될 물체에 공급된 이온 전류의 밀도가 증가된다. 더욱이, 자속선들이 에칭될 물체의 방사상 방향으로 통과하기 때문에, 전자들은 방사상 방향으로 용이하게 이동될 수 있다. 그러므로, 에칭될 물체상의 플라즈마 밀도의 균일성이 향상될 수 있다.
자계 인가 수단은 애노드 전극에 대향하여 배치되고 제1캐소드 전극 근처에 배치된 제1자계 발생 코일, 제1자계 발생 코일을 둘러싸도록 배열되고 제1자계 발생 코일의 직경보다 큰 직경을 갖고 있는 제2자계 발생 코일, 제2캐소드 전극에 의해 둘러싸여지도록 배열된 제3자계 발생 코일, 제2캐소드 전극을 둘러싸도록 배열된 제4자계 발생 코일, 및 동일한 방향을 갖고 있는 전류들을 제1 및 제4자계 발생 코일에 공급하고 전류를 제1 및 제4자계 발생 코일과 반대 방향으로 제2 및 제3자계 발생 코일에 공급하기 위한 코일 전원을 포함하는데, 전원의 전류들은 제1캐소드 전극에 거의 평행한 자력선들이 제2캐소드 전극에도 거의 평행하도록 제어된다. 3개의 코일을 갖고 있는 배열내에서와 동일한 효과가 이 장치내에서 얻어질 수 있다. 그러나, 4개의 코일을 갖고 있는 배열은 자력선들이 3개의 코일을 갖고 있는 배열에 비해 제1 및 제2캐소드 전극에 완전히 평행하도록 셋트될 수 있고, 플라즈마 밀도가 더욱 균일하게 될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 기술한다.
제1도는 본 발명의 한 실시예에서 따른 플라즈마 에칭 장치를 도시한 것이다. 제1도를 참조하면, 참조번호(10)은 제2캐소드 전극(20)이 배치되는 측에 대향하는 제1캐소드 전극(1)의 측상에 배열된 제1자계 발생 코일을 나타내고, (11)은 캐소드 전극(1)이 배치되는 측에 대향하는 캐소드 전극(20)의 측상에 배열된 제2자계 발생 코일을 나타내며, (12 및 13)은 자계 발생 코일(10 및 11)에 전류를 공급하기 위한 코일 전원을 나타낸다. 자계 발생 코일(10 및 11) 및 코일 전원(12 및 13)은 자계 인가 수단을 구성한다. 참조번호(16 및 17)은 각각 캐소드 전극(1 및 20)에 접속된 고주파 증폭기를 나타내고, (18)은 고주파 증폭기(16 및 17)에 접속된 발진기를 나타내며, (19)는 발진기(18)과 고주파 증폭기(17) 사이에 배열된 위상 제어기를 나타낸다. 고주파 증폭기(16 및 17), 발진기(18) 및 위상제어기(19)는 고주파 전원을 구성한다. 참조번호(22)는 캐소드 전극(1)에 대향하는 접지 애노드 전극을 나타내고, (20)은 제2캐소드 전극, 즉 캐소드 전극(1)과 애노드 전극(22) 사이에 배열된 환상 전극을 나타낸다. 이 실시예내에서, 제2캐소드 전극(20)을 원통형으로 되어 있다. 참조번호(23)은 캐소드 전극(1 및 20)을 접지 전위로부터 절연시키기 위한 절연 물질을 나타낸다. 제2캐소드 및 코일들은 서로 거의 동심이다.
단 결정 Si상에 형성된 SiO2막은 마스크로서 유기 저항 막 패턴을 사용함으로써 제1도의 플라즈마 에칭 장치에 의해 에칭된다. 진공실(21)은 진공 펌프(9)에 의해 배기되고, CHF3과 같은 반응 개스가 진공실의 압력을 0.8Pa로 셋트시키도록 50 SCCM의 유동률로 개스 공급 시스템(8)로부터 진공실(21)에 공급된다. 동시에, 9,000A 턴 및 4,000A 턴의 전류들이 코일 전원(12 및 13)으로부터 자계 발생 코일(10 및 11)에 각각 공급된다. 그러므로, 캐소드 전극(1)상의 수십 내지 수백 가우스의 자속 밀도 및 캐소드 전극(1)에 거의 평행하고 캐소드 전극(20) 근처를 통과하는 자력선을 갖고 있는 자계가 인가된다. 13.56㎒의 주파수를 갖고 있는 150W 및 200W의 고주파 전력이 고주파 증폭기(16 및 17)로부터 캐소드 전극(1 및 20)에 공급된다. 반응 개스는 플라즈마를 발생시키기 위해 분해되어 이온화되므로, 에칭될 물체(4)를 에칭하게 된다.
이 경우에, 캐소드 전극(1)에 고주파 전력을 인가시킬 때 형성된 전계는 이 전극 근처의 캐소드 전극(1)의 표면에 거의 수직이다. 자계가 캐소드 전극(1)에 수직한 성분을 갖기 때문에, 전자들은 자력선 주위에서 사이클로트론(cyclotron) 운동을 하게 되고, 소정의 방향, 즉 전계 E 및 자속 밀도 B에 수직한 ExB 방향으로 드리프트된다. 이 방향은 캐소드 전극(1)의 표면을 따르는 원형 회전방향이다. 그러므로, 전자와 개스사이의 충돌은 캐소드 전극(1)의 표면 바로 위에서보다 향상되므로, 플라즈마 밀도를 증가시키게 된다. 종래의 3극형 RIE 장치내에서, 자계가 샘플에 인가되면, 플라즈마 전위는 그리드(3)의 부재시에 캐소드 전극(1)의 중앙을 향할수록 더 큰 부(-) 전위로 셋트되므로, 에칭 균일성을 보장하기가 어렵다. 그러나, 이 실시예의 플라즈마 에칭 장치내에서 애노드 전극(22)가 캐소드 전극(1)에 대향하여 배열되기 때문에, 애노드 전극이 자력선의 방향으로 용이하게 이동되는 전자의 이동성이 증가되는 방향으로 배치된다. 그러므로, 고주파 전류는 캐소드 전극(1)과 애노드 전극(22) 사이에 공급되고, 캐소드 전극(1)의 표면상의 플라즈마 전위의 균일성이 향상될 수 있다. 그러므로, 그리드는 생략될 수 있고, 약간의 에칭 불균일성이 제거될 수 있다. 부수적으로, 그리드 삽입시의 플라즈마 밀도의 손실도 제거될 수 있다. 캐소드 전극에 인가된 고주파 전력이 서로 동일하더라도, 플라즈마 밀도는 증가될 수 있고, 물체(4)에 공급된 이온 전류의 밀도가 증가될 수 있다. 에칭율이 증가될 수 있고, 이온 입사 방향의 변화가 완전히 억제될 수 있다. 부수적으로, 이온 에너지가 감소될 수 있고, 물체(4)의 손상이 최소화될 수 있다.
본 발명자들의 실험 결과, 자계가 제1도에 도시한 플라즈마 에칭 장치를 사용하는 에칭시에 인가되지 않을 때. 에칭율은 약 80nm/분이었다. 그러나, 자계가 에칭시에 인가되었을 때, 에칭율은 약 500nm분으로 증가되었다. 코일(10 및 11)에 공급된 전류와 에칭 균일성 사이의 관계가 제2도에 도시되어 있다. 자력선은 전류 제어시에 캐소드 전극(1)의 중앙으로부터 용이하게 분산되었고, 전극의 방사상 방향으로의 전자들의 밀도는 균일하게 될 수 있었다. 그러므로, 에칭 불균일성이 10cm 웨이프상에서 ±2%의 범위내로 될 수 있었다.
제1도에 도시된 플라즈마 에칭 장치내에서, 캐소드 전극(1 및 20)에 인가된 고주파 전압의 주파수들이 서로 동일하기 때문에, 2개의 주파수의 비트(beat)로 인해 야기된 최대 이온 에너지의 증가는 발생하지 않는다. 부수적으로, 캐소드 전극(20)에 인가된 고주파 전압의 위상은 캐소드 전극(1)에 인가된 전압의 위상으로부터 전이되므로, 캐소드 전극(1과 20)에 인가된 고주파 전압의 방전 사이클들간의 간섭이 변한다. 이에 따라 플라즈마 밀도가 변하고, 전극들 사이의 플라즈마 밀도 분포가 변화될 수 있다. 이 현상은 플라즈마내의 전위 분포 변화시의 전자 흐름의 영향에 의해 야기되고, 다음에 후술한다. 제3도는 캐소드 전극(1)상의 이온 외장에 인가된 고주파 전압(Va)의 파형, 캐소드 전극(20)의 이온 외장에 인가된 고주파 전압(Vc)의 파형, 및 캐소드 전극(1)상의 이온 외장 근처의 플라즈마 전위와 캐소드 전극(20)상의 이온 외장 근처의 플라즈마 전위 사이의 차(Vb)의 파형을 도시한 것이다. 위상차가 존재하지 않을 때(θ=0), 전위차가 발생하지 않는다(Vb=0). 그러나, 캐소드 전극(20)에 인가된 고주파 전압의 위상이 선행될 때(θ=π/4), 차(Vb)의 위상은 전압(Va)의 전압에 가깝고, 전압(Vc)의 위상과 반대이다. 전자 이동이 고려되고, 전압(Va)가 전극의 전위와 거의 동일하면, 차(Vb)는 증가되고, 전자들은 캐소드 전극(1)상에 집중되므로, 에칭될 물체 근처의 플라즈마 밀도를 증가시키게 된다. 이와 대조적으로 캐소드 전극(20)에 인가된 고주파수 전압의 위상이 지체되면(θ=-π/4), 전자들은 전극(20) 근처에 집중되고, 에칭될 물체 근처의 플라즈마 밀도는 감소된다. 그러므로, 캐소드 전극(20)에 인가된 고주파 전압의 위상이 캐소드 전극(1)에 인가된 고주파 전압의 위상으로부터 약간 선행되면, 최대 이온 전류 밀도 및 최소 이온 에너지에서의 에칭이 수행될 수 있다.
본 발명자들의 실험 결과, 캐소드 전극(20)에 인가된 고주파 전압의 위상이 캐소드 전극(1)에 인가된 전압의 위상으로부터 0 내지 ±1/2 파장만큼 선행되었을 때, 전자들은 캐소드(1)상에 집중되었다. 그러나, 전반적으로 고주파 간섭이 위상차의 증가시에 플라즈마 밀도를 감소시켰기 때문에, 플라즈마 밀도의 증가가 무위상차에 비해 발생한 파장 범위는 캐소드 전극(20)에 인가된 전압의 위상이 0 내지 ±1/3 파장 범위내에 있도록 주어졌다. 플라즈마 밀도는 +1/8 내지 +1/4 파장 범위내의 2개의 고주파 전력들 사이의 간섭에 의해 최대화되었다. 최대 캐소드 밀도를 발생시키는 위상차는 2개의 전극에 공급된 고주파 전력들의 비가 변할 때 변화된다. 더욱 상세하게 말하자면, 캐소드 전극(20)에 공급된 고주파 전력이 증가되면, 최대 플라즈마 밀도를 발생시키는 위상차는 증가된다.
상기 실시예내에서, 원통형 전극이 제2캐소드 전극(20)으로서 사용된다. 그러나, 제2캐소드 전극(20)이 캐소드 전극(1)을 둘러싸면, 제2캐소드 전극(20)의 형태는 원형 형태로 제한되는 것이 아니라 다각 중공 형태, 타원 형태, 또는 ExB에 의한 전자들의 드리프트가 회전 모드를 가질 경우에 불완전한 환상 형태로 될 수 있다. 이 경우에, 동일한 전압이 분리된 부분에 인가될 필요가 없고, 이 분리된 부분들의 위상은 서로 동일하게 될 필요가 없다. 상기 실시예내에서, 진공실(21)의 압력은 0.8Pa로 셋트된다. 그러나, 진공실(21)내의 압력은 0.1 내지 100Pa 범위로 될 수 있다. CHF3이 에칭 개스로서 사용된다. 그러나, 상술한 바와 동일한 효과를 얻기 위해 다른 할로겐 함유 개스 또는 함유 개스가 사용될 수 있고, 다른 에칭될 물체가 사용될 수도 있다.
제1도에 도시한 에칭 장치내에서, 2개의 코일들이 자계를 인가시키기 위해 사용된다. 그러나, 영구 자석과 같은 다른 수단이 상술한 바와 동일한 효과를 얻기 위한 자속 분포를 발생시키기 위해 사용될 수 있다.
제4도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예를 3개의 코일을 사용한다. 참조번호(24)는 애노드 전극(22)에 대향하여 캐소드 전극(1) 근처에 배열된 제1자계 발생 코일을 나타내고, (25)는 캐소드 전극(20)에 의해 둘러싸여지도록 배열된 제2자계 발생 코일을 나타내며, (27,28 및 29)는 전류를 자계 발생 코일(24,25 및 26)에 공급하기 위한 코일 전원을 나타낸다. 자계 발생 코일(24,25 및 26) 및 코일 전원(27,28 및 29)는 자계 인가 수단을 구성한다. 이 경우에, 동일한 방향을 갖고 있는 전류들은 자계 발생 코일(24 및 26)에 공급되고, 반대 전류는 자계 발생 코일(25)에 공급된다.
제5도는 4개의 코일을 사용하는 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 참조번호(30)은 애노드 전극(22)에 대향하여 캐소드 전극(1) 근처에 배열된 제1자계 발생 코일을 나타내고, (31)은 캐소드 전극(20)을 둘러싸도록 배열되고 제1자계 발생 코일(30)의 직경보다 큰 직경을 갖고 있는 제2자계 발생 코일을 나타내며, (32)는 캐소드 전극(20)에 의해 둘러싸여지도록 배열된 제3자계 발생 코일을 나타내고, (33)은 캐소드 전극(20)을 둘러싸도록 배열된 제4자계 발생 코일을 나타내며, (34,35,36 및 37)은 자계 발생 코일(30,31,32 및 33)에 전류를 공급하기 위한 코일 전원을 나타낸다. 자계 발생 코일(30,31,32 및 33)은 코일 전원(34,35,36 및 37)은 자계 인가 수단을 구성한다. 이 경우에, 동일한 방향을 갖고 있는 전류는 자계 발생 코일(30 및 33)에 공급되고, 코일(30 및 33)의 전류와 반대인 방향을 갖고 있는 전류는 자계 발생 코일(31 및 32)에 공급된다. 2개의 코일(제1도의 실시예), 3개의 코일(제4도의 실시예), 및 4개의 코일(제5도의 실시예)로부터의 자력선들이 제6a도, 제6b도 및 제6c도에 각각 도시되어 있다.
2개의 코일을 갖고 있는 배열내에서, 캐소드 전극(20) 근처의 전극 표면과 평행하게 통과하는 자력선들은 캐소드 전극(1)을 가로지른다. 그러나, 3개 또는 4개의 코일을 갖고 있는 배열내에서, 캐소드 전극(20) 근처의 전극 표면과 평행하게 통과하는 자력선들은 캐소드 전극(1)의 표면과 평행하게 될 수 있다. 특히, 4개의 코일을 갖고 있는 배열내에서, 코일에 공급된 전류의 값들은 최적화될 수 있고, 자력선과 캐소드 전극(1) 사이의 평행 관계가 더욱 향상될 수 있다. 자력선이 제1 및 제2전극(1 및 20)의 표면과 평행하게 통과하는 자계가 인가될 때, 전자들은 캐소드 전극(20)의 표면에 거의 평행하게 회전하도록 드리프트 운동을 하게 되므로, 방전은 마그네트론 형태로 된다. 그러므로, 전자와 개스 사이의 충돌이 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해 향상된다. 부수적으로, 전자들은 캐소드 전극(1)의 중앙에 관련하여 회전 드리프트 운동을 하게 되므로, 캐소드 전극(1)의 표면상의 방전은 마그네트론 형태로 된다. 그러므로, 플라즈마 밀도가 증가될 수 있다. 더욱이, 자력선들이 캐소드 전극(1 및 20) 근처를 통과하기 때문에, 각각의 캐소드 전극에 인가된 고주파 전극에 의한 방전 사이클들간의 간섭이 향상될 수 있다. 캐소드 전극(20)에 인가된 고주파 전압의 위상이 캐소드 전극(1)에 인가된 전압의 위상보다 0 내지 1/2 파장만큼 선행될 때, 캐소드 전극(1) 근처의 플라즈마 밀도가 더욱 증가될 수 있다. 이에 따라, 에칭될 물체(4)에 공급된 이온 전류의 밀도가 증가될 수 있다. 그러므로, 에칭율이 증가될 수 있다.
본 발명자들의 실험 결과, 에칭 균일성은 캐소드 전극(1) 및 이것의 표면 근처를 통과하는 자력선들간의 평행 관계에 밀접하게 관련된다. 평행 관계가 높은 정확성을 가질 때 에칭 균일성이 향상될 수 있다. 그러므로, 더욱 양호한 평행 관계를 달성하는 4개의 코일들이 사용될 때, 더욱 양호한 균일성을 위한 에칭 조건들이 용이하게 얻어질수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 에칭 장치가 반도체 디바이스 제조 프로세스내에 사용되면, 종래의 프로세스에 의해 얻어진 폭보다 작은 마이크로패터닝 폭의 에칭이 높은 시스템 효율로 수행될 수 있다. 부수적으로, 반도체 디바이스의 손상이 감소될 수 있고, 반도체 디바이스의 성능이 현저하게 향상될 수 있다.
제1캐소드 전극에 대향하는 애노드 전극은 정전압에 접속되고, 제2캐소드 전극은 제1캐소드 전극을 둘러싸는 환상 전극이다. 자계 인가 수단은 자력선들이 제1 및 제2 캐소드 전극 근처를 통과하는 자계를 인가시키도록 배열되므로, 자계에 의해 봉입된 플라즈마의 밀도가 증가된다. 부수적으로, 전자들이 자력선을 따라 이동되기 때문에, 제1 및 제2 캐소드에 인가된 고주파 전압에 의한 플라즈마 간섭이 증가된다. 플라즈마 밀도가 증가될 수 있다. 제1캐소드 전극에 인가될 고주파 전력이 증가되고 이온 에너지가 낮게 유지되기 때문에, 에칭율이 증가될 수 있고, 양호한 에칭 특성이 유지된다. 정전압에 접속된 애노드 전극이 제1캐소드 전극에 대향하여 존재하기 때문에, 제1캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 봉입된 플라즈마의 전위의 균일성이 종래 장치에 비해 향상된다. 플라즈마 전위의 균일성을 보장하기 위해 종래의 3극형 RIE 장치내에 사용된 그리드는 생략될 수 있다. 그러므로, 제2 캐소드 전극에 인가된 고주파 전력에 의해 발생된 플라즈마는 제1캐소드 전극 근처로 효율적으로 유도되어, 에칭될 물체에 인가된 이온 전류의 밀도는 증가될 수 있다. 부수적으로, 그리드가 사용되지 않기 때문에, 그리드의 존재로 인해 야기되는 플라즈마 밀도의 약간의 불균일성이 제거될 수 있다. 그러므로, 에칭 균일성이 향상될 수 있다.
고주파 전원으로부터 캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 주파수들이 서로 동일하게 셋트되기 때문에, 제1 제2 캐소드 전극에 인가되는 시간의 함수로서의 고주파 전압의 변화가 제거될 수 있다. 제2캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 위상은 제1캐소드 전극에 인가된 전압의 위상으로부터 0 내지 1/3 파장만큼 선행되므로, 에칭될 물체 근처의 플라즈마의 밀도가 증가될 수 있고, 에칭될 물체에 공급된 이온 전류의 밀도가 증가될 수 있다. 그러므로, 에칭율이 더욱 증가될 수 있다.
이때, 자계 인가 수단은 제2캐소드 전극이 존재하는 측에 대향하는 제1캐소드 전극의 측상에 배열된 제1자계 발생 코일, 제1캐소드 전극이 존재하는 측에 대향하는 제2캐소드 전극의 측상에 배열된 제2자계 발생 코일, 및 반대 방향의 전류를 제1 및 제2자계 발생 수단에 공급하기 위한 코일 전원을 포함하므로, 자력선들이 제1캐소드 전극 표면에 거의 평행하다. 전극 표면상의 자속의 방향은 전계의 방향과 평행하므로, 전자들은 전극상에서 회전하도록 드리프트 운동을 하게 된다. 전자와 개스 사이의 충돌은 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해 향상되고, 높은 에칭율이 얻어질 수 있다. 부수적으로, 자력선들이 에칭될 물체의 방사상 방향으로 통과하기 때문에, 방사상 방향으로의 전자들의 이동도가 향상될 수 있다. 그러므로, 에칭될 물체상의 플라즈마 밀도의 균일성이 향상될 수 있고 , 에칭 균일성이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 이 경우에, 자계 인가 수단은 애노드 전극에 대향하여 제1캐소드 전극 근처에 배열된 제1자계 발생 코일, 제2 캐소드 전극에 의해 둘러싸여지도록 배열된 제2자계 발생 코일, 제2캐소드 전극을 둘러싸도록 배열된 제3자계 방생 코일, 및 동일한 방향을 갖고 있는 전류를 제1 및 제3 자계 발생 코일에 공급하고 전류를 제1 및 제2자계 발생 코일에 공급된 전류의 방향과 반대 방향으로 제2자계 발생 코일에 공급하기 위한 코일 전원을 포함하는데, 전류들은 제1캐소드 전극과 거의 평행한 자력선이 제2캐소드 전극과 거의 평행하도록 공급된다. 자속의 방향은 제1 및 제2캐소드 전극상의 관계의 방향과 수직이다. 전자들은 2개의 전극들 상에서 회전하도록 드리프트 운동을 하게 되고, 전자와 개스 사이의 충돌이 향상된다. 그러므로, 플라즈마 밀도가 증가된다. 전자들이 자력선을 따라 이동되기 때문에. 제1 및 제2 캐소드 전극에 인가된 고주파 전압에 의한 플라즈마 간섭이 증가된다. 제2캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 위상은 제1캐소드 전극에 인가된 전압의 위상보다 0 내지 1/3 파장만큼 선행되므로, 에칭될 물체 근처의 플라즈마 밀도가 증가되고, 에칭될 물체에 공급된 이온 전류의 밀도가 증가된다. 그러므로, 더 높은 에칭율이 얻어질 수 있다. 더욱이, 자력선들이 에칭될 물체의 방사상 방향으로 통과하기 때문에, 전자들은 방사상 방향으로 용이하게 이동될 수 있다. 그러므로, 에칭될 물체상의 플라즈마 밀도의 균일성이 향상될 수 있고, 높은 에칭율이 얻어질 수 있다.
자계 인가 수단은 애노드 전극에 대향하여 제1캐소드 전극 근처에 배치된 제1자계 발생 코일, 제1자계발생 코일을 둘러싸도록 배열되고 제1자계 발생 코일의 직경보다 더 큰 직경을 갖고 있는 제2자계 발생 코일, 제2캐소드 전극에 의해 둘러싸여지도록 배열된 제3자계 발생 코일, 제2캐소드 전극을 둘러싸도록 배열된 제4자계 발생 코일, 및 동일한 방향을 갖고 있는 전류를 제1 및 제4자계 발생 코일에 공급하고, 전류를 제1 및 제4자계 발생 코일과 반대 방향으로 제2 및 제3자계 발생 코일에 공급하기 위한 코일 전원을 포함하는데, 전원의 전류들은 제1캐소드 전극과 거의 평행한 자력선들이 제2캐소드 전극에 거의 평행하도록 제어된다. 3개의 코일을 갖고 있는 배열내에서와 동일한 효과가 얻어진다. 그러나, 4개의 코일을 갖고 있는 배열은 자력선들이 3개의 코일을 갖고 있는 배열에 비해 제1 및 제2 캐소드 전극과 완전히 평행하도록 셋트될 수 있고, 플라즈마 밀도가 더욱 균일하게 될 수 있다. 그러므로, 높은 에칭 균일성이 용이하게 얻어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 자계는 기본적으로 정 자계이고, 시간의 함수로서의 변화를 수반하지 않는다. 자계 변화에 의해 야기되는 이온 에너지 및 이온 방향의 변화는 일어나지 않는다. 그러므로, 에칭될 물체의 손상이 최소화될 수 있다. 부수적으로, 양호한 방향성과 함께 우수한 에칭 형태 정확도를 갖고 있는 에칭이 높은 시스템 효율로 수행될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 에칭 장치내에서, 제1 및 제2 캐소드 전극에 각각 인가된 고주파 전력 및 고주파 전압들이 방전 사이클간의 간섭도는 에칭될 물체상에 입사하는 이온 에너지, 전류 밀도, 및 방사상 농도를 임의로 제어하도록 조정되므로, 최적한 에칭 조건을 용이하게 얻게 된다.
상기 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 본 발명은 현저한 장점 및 효과를 제공한다.
Claims (8)
- 에칭될 물체가 배치되는 제1캐소드 전극, 제1캐소드 전극으로부터 분리되도록 제1캐소드 전극에 대향하여 정 전위원에 접속된 애노드 전극, 제1캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치되고 절연 상태로 제1캐소드 전극을 거의 둘러싸는 환상 제2캐소드 전극, 에칭될 물체가 배치되는 제1캐소드 전극의 표면에 거의 평행한 환상 제2캐소드 전극을 통과하는 자력선들을 발생시키기 위한 자계 인가 수단, 및 개스 방전에 의해 플라즈마를 발생시킴으로써 제1 및 제2캐소드 전극 근처에서 이온을 발생시키기 위해 제1 및 제2캐소드 전극에 각각 접속된 고주파 전원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
- 제1항에 있어서, 고주파 전원으로부터 제1 및 제2캐소드 전극에 각각 인가된 고주파 전압들의 주파수들이 서로 동일하고, 제1 및 제2캐소드 전극에 인가된 고주파 전압들의 위상을 변화시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제2항에 있어서, 위상 변화 수단이 제2캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 위상을 제1캐소드 전극에 인가된 고주파 전압의 위상으로부터 0 내지 1/3 파장만큼 선행시키는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 자계 인가 수단이 제2캐소드 전극과 동축이 되도록 배열되는 다수의 링-형 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제4항에 있어서, 자계 인가 수단이 제2캐소드 전극이 존재하는 측에 대향하는 제1캐소드 전극의 측상에 배열된 제1자계 발생 코일, 제1캐소드 전극이 존재하는 측에 대향는 제2캐소드 전극의 측상에 배열된 제2자계 발생 코일, 및 반대 방향의 전류를 제1 및 제2 자계 발생 코일에 공급하기 위한 코일 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 자계 인가 수단이 자력선이 제1 및 제2캐소드 전극의 표면에 거의 평행한 자계를 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제6항에 있어서, 자계 인가 수단이 애노드 전극에 대향하여 제1캐소드 전극 근처에 배열된 제1자계 발생 코일, 제2캐소드 전극에 의해 둘러싸여지도록 배열된 제2자계 발생 코일, 제2캐소드 전극을 둘러싸도록 배열된 제3자계 발생 코일, 및 동일한 방향을 갖고 있는 전류를 제1 및 제3자계 발생 코일을 고급하고, 전류를 제1 및 제3자계 발생 코일에 공급된 전류와 반대 방향으로 제2자계 발생 코일에 공급하기 위한 코일 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제6항에 있어서, 자계 인가 수단이 애노드 전극에 대향하여 제1캐소드 전극 근처에 배열된 제1자계 발생 코일, 제1자계 발생 코일을 둘러싸도록 배열되고, 제1자계 발생 코일의 직경보다 큰 직경을 갖고 있는 제2자계 발생 코일, 제2캐소드 전극에 의해 둘러싸여지도록 배열된 제3자계 발생 코일, 제2캐소드 전극을 둘러싸도록 배열된 제4자계 발생 코일, 및 동일한 방향을 갖고 있는 전류를 제1 및 제4자계 발생 코일에 공급하고, 전류를 제1 및 제4자계 발생 코일에 공급된 전류와 반대 방향으로 제2 및 제3자계 발생 코일에 공급하기 위한 코일 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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