KR100556532B1 - 플라즈마 식각 장치 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 식각 장치는 반응 가스가 공급되는 식각 챔버를 포함한다. 웨이퍼가 안치되는 하부 전극이 식각 챔버의 저면에 배치된다. 반응 가스로 고주파 전압을 인가하여 플라즈마를 형성시키는 상부 전극이 식각 챔버의 상부에 배치된다. 하부 전극을 향하는 상부 전극의 대향면에 플라즈마의 반응 부산물인 폴리머가 증착되는 것을 억제하는 증착 억제막이 형성된다. 반응 가스가 분사되는 가스 분사공들을 갖는 가스 확산링이 상부 전극의 가장자리 하부에 배치되어, 식각 챔버의 내벽에 밀착된다. 식각 챔버의 내부 공간으로 노출된 가스 확산링의 내면에 증착 억제막이 형성된다. 식각 공정 후 반응 부산물인 폴리머가 상부 전극과 가스 확산링에 증착되는 것이 증착 억제막에 의해 억제된다. 따라서, 폴리머 제거를 위한 세정 공정 주기가 연장될 수가 있다.

Description

플라즈마 식각 장치{PLASMA ETCHING APPARATUS}
도 1은 종래의 플라즈마 식각 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 종래의 플라즈마 식각 장치의 상부 전극을 나타낸 사시도이다.
도 3은 종래의 플라즈마 식각 장치의 가스 확산링을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ 부위를 확대해서 나타낸 단면도이다.
도 6a는 도 4에 도시된 플라즈마 식각 장치의 상부 전극을 확대해서 나타낸 사시도이다.
도 6b는 도 4에 도시된 플라즈마 식각 장치의 상부 전극을 확대해서 나타낸 단면도이다.
도 7a는 도 4에 도시된 플라즈마 식각 장치의 가스 확산링을 나타낸 사시도이다.
도 7b는 도 4에 도시된 플라즈마 식각 장치의 가스 확산링을 나타낸 단면도이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
100 : 식각 챔버 110 : 하부 전극
120 : 상부 전극 121 : 제 1 증착 억제막
130 : 가스 확산링 135 : 가스 분사공
136 : 제 2 증착 억제막 140 : 진공 펌프
본 발명은 플라즈마 식각 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 플라즈마를 이용해서 반도체 기판을 식각하는 장치의 상부 전극에 관한 것이다.
반도체 장치는 반도체 기판 상에 여러 층의 반도체, 도체, 부도체 물질 등을 적층하고, 이러한 적층막을 패터닝하여 제조된다. 패터닝 공정은 감광성 물질인 반도체 기판 상의 하층막에 도포된 포토레지스트를 마스크를 이용하여 노광 및 현상함으로써 포토레지스트 패턴을 형성하는 포토리소그래피 공정과, 포토레지스트 패턴에 따라 하층막을 식각하는 공정을 포함한다. 이와 같이, 반도체 제조 공정에서 식각 공정은 가장 빈번하게 실시되는 공정 중의 하나이다. 식각 공정에서 대상 물질을 원하는 형태로 제거하기 위해, 여러 가지 식각 기술이 개방되고 또한 다향한 식각 장비가 운용되고 있다.
식각 방식은 크게 등방성 식각과 비등방성 식각으로 구분할 수 있다. 등방성 식각은 특정 방향을 따라 식각이 이루어지는 방식이다. 기본적으로 화학적인 성격만을 가지는 반응에 의한 식각은 등방성 식각이 되고, 습식 식각과 배럴 플라즈마 식각이 등방성 식각에 속한다. 비등방성 식각으로는 반응성 이온 식각(reactive ion etching)이 대표적이다. 반응성 이온 식각에서는 반응 가스가 공정 챔버에서 이온화되고 전기적으로 가속되어, 주로 전계 방향을 따라 식각을 하게 된다. 건식 식각에서는 대개 반응 가스에 활성을 주기 위해 플라즈마를 형성하게 되는데, 플라즈마를 형성하기 위한 방법으로 주로 사용하는 것이 고주파 전계를 반응 가스에 인가하는 방법이다.
플라즈마를 형성하는 방법은 다음과 같다. 플라즈마 챔버 내의 상하부 전극 사이에 전압을 걸어 전계를 형성한다. 상하부 전극 사이의 공간으로 저압을 유지시키면서 반응 가스를 공급한다. 상하부 전극 사이에 인가되는 전압은 직류일 수도 있으나 대개 고주파 교류를 사용한다. 직류를 사용하게 되면, 전류의 흐름이 차단되어 전극 상에 절연물질을 덮어 사용할 수가 없게 된다. 따라서, 고주파 교류를 사용하게 되면, 전극 단부를 반드시 전도성 물질로 할 필요가 없다. 또한, 전계의 진동에 의해 상하부 전극 사이에 존재하는 전자들이 충분한 에너지를 얻을 수가 있게 되므로, 전자가 중성 원자와 충돌하여 보다 많은 하전입자를 생성할 수도 있게 된다. 상하부 전극 사이의 공간에서 생성된 전자는 중성가스와 충돌하여 분해 및 발광을 일으키게 되어 더 많은 이온과 전자를 발생시킨다. 양이온은 전계에 의해 가속되어 전극과 충돌할 때도 전자를 추가로 발생시킨다.
한편, 플라즈마를 구성하는 하전입자가 증가하면, 다른 극성의 하전입자끼리 서로 충돌하게 됨으로써, 하전입자의 수가 줄어들게 된다. 에칭 공정 중에 발생되는 하전입자와 중성입자로 전환되는 하전입자의 수가 균형을 이루면, 플라즈마는 안정된 상태를 이루게 된다. 플라즈마의 안정된 상태는 대개 부분적으로 이온화된 입자와 중성 입자를 갖는 낮은 압력의 가스 상태이다.
도 1은 종래의 플라즈마 식각 장치를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조로, 종래의 플라즈마 식각 장치는 플라즈마를 형성하기 위한 반응 가스가 공급되는 식각 챔버(1)를 포함한다. 웨이퍼(W)가 안치되는 정전척(ElectroStatic Chuck:ESC)인 하부 전극(2)이 식각 챔버(1)의 저면에 배치된다.
반응 가스로 고주파 전압을 인가하여 플라즈마를 형성시키는 상부 전극(3)이 식각 챔버(1)의 상부에 배치된다. 반응 가스를 식각 챔버(1) 내로 제공하는 가스 확산링(7:gas diffusing ring)이 상부 전극(3)의 가장자리 하부에 배치된다.
상부 전극(3)으로 RF 파워를 인가하기 위한 RF 정합기(6)가 식각 챔버(1)의 상부에 배치된다. 즉, RF 정합기(6)는 상부 전극(3) 상에 배치된다. 식각 챔버(1)로 진공을 제공하기 위한 진공 펌프(5)가 식각 챔버(1)의 하부에 연결된다. 진공 센서(4)가 식각 챔버(1)의 측면에 부착된다.
도 2는 종래의 상부 전극을 확대해서 나타낸 사시도이다. 도 2를 참조로, 상부 전극(3)은 대략 원판형의 세라믹 재질로 이루어진다. 상부 전극(3)에 RF 정합기(6)가 연결되어, 상부 전극(3)으로 고주파 전압이 전달된다.
도 3은 종래의 가스 확산링을 확대해서 나타낸 사시도이다. 도 3을 참조로, 가스 확산링(7)은 반응 가스를 식각 챔버(1) 내로 분사하기 위한 다수개의 가스 분사공(7a)을 갖는다.
상기와 같이 구성되어서, 진공 펌프(5)에 의해 식각 챔버(1) 내를 진공 상태로 유지시킨다. 웨이퍼(W)가 하부 전극(2) 상에 안치되면, 반응 가스가 가스 확산링(7)의 가스 분사공(7a)을 통해서 식각 챔버(1)로 공급된다.
상부 전극(3)으로부터 반응 가스로 고주파 전압이 인가되어, 플라즈마가 식각 챔버(1) 내부에 형성된다. 플라즈마는 하부 전극(2) 상에 안치된 웨이퍼(W)로 제공되어, 웨이퍼(W) 상에 형성된 소정의 막을 식각하게 된다.
이러한 식각 공정 후에, 폴리머(polymer)와 같은 반응 부산물이 식각 챔버(1) 내부에 발생하게 된다. 폴리머는 식각 챔버(1)의 내벽, 상부 전극(3)의 밑면 및 가스 확산링(7)의 내벽에 증착된다. 식각 공정이 계속 수행되면, 폴리머막의 증착 두께가 점진적으로 증가하게 된다.
폴리머막의 흡착력은 시간이 경과함에 따라 점차 약해지게 되므로, 폴리머막이 상부 전극(3)과 가스 확산링(7)으로부터 떨어져 나오게 된다. 이러한 폴리머 성분은 웨이퍼(W)에 형성된 회로 패턴에 치명적인 악영향을 미치게 된다.
종래에는, 폴리머가 상부 전극에 증착되는 현상을 방지할 수가 없어서, 상부 전극(3)과 가스 확산링(7) 및 식각 챔버(1)의 내벽에 증착된 폴리머막을 제거하기 위한 세정 공정을 단시간마다 주기적으로 실시해야 한다. 즉, PM(Preventive Maintenance) 시간이 늘어나는 문제가 있다. 또한, 세정 공정 중에는 식각 장치의 가동을 중단시켜야 하기 때문에, 장비 가동 효율이 저하된다.
본 발명의 제 1 목적은 폴리머가 상부 전극와 가스 확산링에 증착되는 것을 억제할 수 있는 플라즈마 식각 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2 목적은 상부 전극과 가스 확산링에 증착된 폴리머를 제거하기 위한 세정 공정의 주기를 연장시킬 수 있는 플라즈마 식각 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 1 및 제 2 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치는 반응 가스가 공급되는 식각 챔버를 포함한다. 웨이퍼가 안치되는 하부 전극이 식각 챔버의 저면에 배치된다. 반응 가스로 고주파 전압을 인가하여 플라즈마를 형성시키는 상부 전극이 식각 챔버의 상부에 배치된다. 하부 전극을 향하는 상부 전극의 대향면에 플라즈마의 반응 부산물인 폴리머가 증착되는 것을 억제하는 증착 억제막이 형성된다. 반응 가스가 분사되는 가스 분사공들을 갖는 가스 확산링이 상부 전극의 가장자리 하부에 배치되어, 식각 챔버의 내벽에 밀착된다. 식각 챔버의 내부 공간으로 노출된 가스 확산링의 내면에 증착 억제막이 형성된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 상부 전극과 가스 확산링에 증착 억제막이 형성됨으로써, 식각 공정 후 반응 부산물인 폴리머가 상부 전극과 가스 확산링에 증착되는 것이 억제된다. 따라서, 폴리머 제거를 위한 세정 공정 주기가 연장될 수가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치를 나타낸 단면도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ 부위를 확대해서 나타낸 단면도이며, 도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 플라즈마 식각 장치의 상부 전극을 확대해서 나타낸 사시도 및 단면도이고, 도 7a 및 도 7b는 도 4에 도시된 플라즈마 식각 장치의 가스 확산링을 나타낸 사시도 및 단면도이다.
도 4를 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치는 식각 챔버(100), 하부 전극(110), 상부 전극(120) 및 가스 확산링(130)을 포함한다.
식각 챔버(100)는 대략 원통형의 형상을 갖는다. 식각 챔버(100)는 웨이퍼(W)를 수용하는 내부 공간을 갖는다. 식각 챔버(100)의 내부 공간에 웨이퍼(W)를 식각하기 위한 플라즈마가 형성된다. 따라서, 플라즈마 형성을 위한 반응 가스가 식각 챔버(100)의 내부 공간으로 제공된다. 한편, 식각 챔버(100)가 반드시 원통형으로 국한되는 형상을 갖는 것은 아니다.
하부 전극(110)은 식각 챔버(100)의 저면 중앙에 배치된다. 하부 전극(110)은 웨이퍼(W)를 정전기로 흡착하는 정전척이다. 이러한 하부 전극(110)은 대략 원판 형상을 갖는다.
한편, 식각 챔버(100)로 진공을 제공하기 위한 진공 펌프(140)가 식각 챔버(100)의 하부에 연결된다. 진공 펌프(140)로부터 제공된 진공을 측정하기 위한 진공 센서(150)가 식각 챔버(100)의 측면에 부착된다.
플라즈마 형성을 위해 반응 가스로 고주파 전압을 인가하는 상부 전극(120)이 식각 챔버(100)의 상부에 배치된다. 상부 전극(120)에는 RF 정합기(160)가 연결된다.
도 6a 및 도 6b를 참조로, 상부 전극(120)은 대략 원판형의 형상을 갖는다. 상부 전극(120)은 세라믹 재질을 포함한다. 특히, 플라즈마 식각 공정 후의 반응 부산물인 폴리머가 상부 전극(120)에 증착되는 것을 억제하는 제 1 증착 억제막(121)이 상부 전극(120)의 대향면에 형성된다. 상부 전극(120)의 대향면이란 하부 전극(110)을 향하는 면을 말한다. 즉, 도 4에서는, 상부 전극(120)의 대향면은 상부 전극(120)의 밑면이 된다.
제 1 증착 억제막(121)은 산화 이트리움(Y2O3) 등의 희토류 금속 산화물을 포함한다. 제 1 증착 억제막(121)은 산화 이트리움을 플라즈마 스프레이 코팅(plasma spray coating)하는 것에 의해 상부 전극(120)의 대향면에 형성될 수 있다. 산화 이트리움은 산소 원자를 포함하는 결정 구조를 갖고 있다. 그러나, 이트리움 원자와 산소 원자의 결합 에너지가 매우 높기 때문에, 산화 이트리움이 이온으로부터 공격을 받아도 산소 원자가 해리되는 것이 억제된다. 따라서, 산화 이트리움을 포함하는 제 1 증착 억제막(121)이 상부 전극(120)의 대향면에 폴리머가 증착되는 것을 억제할 수가 있게 된다.
한편, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 제 1 증착 억제막(121)은 상부 전극(120)의 대향면 전체가 아니라, 대향면의 가장자리를 제외한 부분에만 형성되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 상부 전극(120)의 대향면 최외곽으로부터 대략 25㎜ 정도까지 제 1 증착 억제막(121)을 형성하지 않는 것이 바람직하다.
그 이유를 도 4 및 도 5를 참조로 설명한다. 상부 전극(120)의 대향면 가장자리에는 가스 확산링(130)이 결합된다. 상부 전극(120)과 접촉하는 가스 확산링(130)의 폭이 대략 25㎜ 정도가 된다. 가스 확산링(130)을 상부 전극(120)에 조립할 때, 상부 전극(120)의 대향면 가장자리에도 제 1 증착 억제막(121)이 존재하게 되면, 가스 확산링(130)과 제 1 증착 억제막(121)이 마찰 접촉을 일으키게 된다. 이로 인하여, 제 1 증착 억제막(121)이 파손될 소지가 높다. 파손된 제 1 증착 억제막(121) 성분은 웨이퍼(W)에 치명적인 악영향을 끼치는 파티클로 작용할 우려가 있기 때문에, 제 1 증착 억제막(121)을 상부 전극(120)의 대향면 가장자리에는 형성하지 않는 것이 바람직하다.
도 4 및 도 5를 참조로, 식각 챔버(100) 내부로 반응 가스를 분사하는 가스 확산링(130)이 상부 전극(120)의 대향면, 즉 밑면 가장자리 하부에 배치된다. 가스 확산링(130)은 세라믹을 포함한다.
가스 확산링(130)의 상세한 구조가 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다. 도 7a 및 도 7b를 참조로, 가스 확산링(130)은 명칭대로 링 형상을 갖는다. 가스 확산링(130)은 식각 챔버(100)의 단차면에 밀착되는 수평한 제 1 면(131), 제 1 면(131)의 내측 단부로부터 경사지게 연장된 제 2 면(132), 제 2 면(132)의 단부로부터 수직하게 연장된 제 3 면(133) 및 제 3 면(133)의 단부로부터 수평하게 연장된 제 4 면(134)을 갖는다. 제 1 면(131)이 식각 챔버(100)의 단차면으로 받쳐 지지되는 면이다. 제 4 면(134)은 상부 전극(120)의 대향면 가장자리에 밀착된다. 한편, 제 2 면(132)과 제 3 면(133)이 식각 챔버(100)의 내부 공간으로 노출된다. 따라서, 제 2 및 제 3 면(132,133)에 폴리머가 주로 증착된다.
가스 분사공(135)은 제 2 면(132)에 형성된다. 특히, 가스 분사공(135)은 제 3 면(133)으로 이어지기 직전의 제 2 면(132) 부분에 형성된다.
제 2 증착 억제막(136)이 가스 확산링(130)에 형성된다. 특히, 제 2 증착 억제막(136)은 식각 챔버(100)의 내부 공간으로 노출된 가스 확산링(130)의 제 2 및 제 3 면(132,133)에만 형성되는 것이 바람직하다. 가스 확산링(130)의 제 1 면(131)은 식각 챔버(100)의 단차면과 마찰 접촉하고, 제 4 면(134)은 상부 전극(120)과 마찰 접촉하기 때문에, 제 2 증착 억제막(136)은 제 1 및 제 4 면(131,134)을 제외한 제 2 및 제 3 면(132,133)에만 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 제 2 증착 억제막(136)이 가스 분사공(135)을 막지 않도록 가스 확산링(130)에 형성되어야 함은 물론이다.
제 2 증착 억제막(136)은 제 1 증착 억제막(121)과 마찬가지로 산화 이트리움 등과 같은 희토류 금속 산화물을 포함한다. 산화 이트리움의 폴리머 증착 억제 기능은 상부 전극(120)의 제 1 증착 억제막(121)을 설명하면서 기술되었으므로, 반복 설명은 생략한다.
상기와 같이 구성되어서, 웨이퍼(W)가 식각 챔버(100)로 반입되면, 하부 전극(110) 상에 웨이퍼(W)가 정전기로 흡착된다. 진공 펌프(140)로부터 식각 챔버(100)로 진공이 제공되어, 식각 챔버(100) 내부에 진공 분위기가 형성된다.
가스 확산링(130)의 가스 분사공(135)들을 통해서, 반응 가스가 식각 챔버(100) 내부로 제공된다. 상부 전극(130)으로부터 반응 가스로 RF 파워가 인가되어, 플라즈마가 식각 챔버(100) 내부에 형성된다. 플라즈마는 하부 전극(110) 상에 안치된 웨이퍼를 식각하게 된다.
식각 공정이 완료되면, 반응 부산물인 폴리머가 식각 챔버(100)의 내부 공간 으로 노출된 면들에 증착된다. 즉, 폴리머는 식각 챔버(100)의 내벽, 상부 전극(120)의 대향면 및 가스 확산링(130)의 내면에 증착된다.
그러나, 제 1 및 제 2 증착 억제막(121,136)이 상부 전극(120)의 대향면과 가스 확산링(130)의 내멱에 형성되어 있으므로, 폴리머가 상부 전극(120)의 대향면과 가스 확산링(130)의 내면에 증착되는 것이 억제된다. 따라서, 폴리머 제거를 위한 세정 공정의 실시 주기가 연장된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 상부 전극과 가스 확산링에 증착 억제막이 형성되어, 식각 공정 후의 반응 부산물인 폴리머가 상부 전극과 가스 확산링에 증착되는 것이 억제된다.
따라서, 상부 전극과 가스 확산링에 증착된 폴리머를 제거하기 위한 세정 공정을 실시하는 주기가 종래보다 늘어나게 된다. 결국, 식각 장치의 가동 중단 시간이 줄어들게 되므로, 반도체 제조 수율을 향상시킬 수가 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 반응 가스가 제공되는 내부 공간을 갖는 식각 챔버;
    상기 식각 챔버의 저면에 배치되어, 웨이퍼가 안치되는 하부 전극;
    상기 식각 챔버의 상부에 배치되어 상기 반응 가스로 고주파 전압을 인가하여 플라즈마를 형성시키고, 상기 하부 전극을 향하는 대향면에 상기 플라즈마에 의한 식각 공정의 부산물인 폴리머의 증착을 억제하는 제 1 증착 억제막이 형성된 상부 전극; 및
    상기 상부 전극의 대향면 가장자리에 배치되고, 상기 반응 가스를 분사하는 가스 분사공들을 가지며, 상기 폴리머의 증착을 억제하는 제 2 증착 억제막이 형성된 가스 확산링을 포함하는 플라즈마 식각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 증착 억제막들은 희토류 금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 희토류 금속 산화물은 산화 이트리움을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 증착 억제막은 상기 식각 챔버의 내부 공간으로 노출된 상기 상부 전극 부분에만 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 장치.
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  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 증착 억제막은 상기 식각 챔버의 내부 공간으로 노출된 상기 가스 확산링 부분에만 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 장치.
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