KR100629062B1 - 플라즈마 에칭 장치 및 방법 - Google Patents

플라즈마 에칭 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대전된 입자로부터 웨이퍼를 차폐하기 위해 웨이퍼 상에 자기장을 인가하는 자석을 구비한 웨이퍼 척을 갖는 플라즈마 에칭 시스템에 관한 것이다. 자기장은 웨이퍼와 평행하고, 웨이퍼 표면 근방에서 가장 강하다. 자기장은 직선 또는 원형이다. 동작 중에, 전자는 로렌츠 힘에 의해 웨이퍼로부터 편향되고, 웨이퍼는 정의 전하를 획득하며, 이온은 정전기 척력에 의해 편향된다. 중성 스피시즈는 자기장을 통과하며, 웨이퍼와 충돌한다. 중성 스피시즈는 일반적으로 대전된 입자보다 큰 등방성 및 재료 선택적 에칭을 제공하며, 따라서 본 자기장은 에칭 등방성 및 재료 선택도를 증가시키는 경향이 있다. 또한, 시저닝 프로세스가 통상 대전된 입자에 의해 에칭에 의존하기 때문에, 자기장은 챔버 표면으로부터 원치 않은 막을 제거하도록 설계되어 시저닝 프로세스로부터 웨이퍼를 보호할 수 있다.

Description

플라즈마 에칭 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SHIELDING A WAFER FROM CHARGED PARTICLES DURING PLASMA ETCHING}
본 발명은 일반적으로 마이크로일렉트로닉스(microelectronics)와 같은 박막 구조의 플라즈마 에칭에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 소정의 프로세스 상태에서 보호를 제공하거나 에칭 이방성을 조정하기 위해, 플라즈마 에칭 동안에 대전된 입자로부터 기판을 차폐하는 방법에 관한 것이다.
플라즈마 에칭은 일반적으로 마이크로일렉트로닉스 및 미시 역학적(micromechanical) 장치 제조에 이용된다. 플라즈마 에칭은 박막을 제거하고, 박막을 패터닝하고, 마이크로머신 피처(micromachined feature)를 형성하는데 사용된다. 플라즈마 에칭에서, 무선 주파수 파워(radiofrequency power)가 기체 혼합물에 인가되어 에칭 프로세스를 돕는 대전된 입자를 발생한다. 대전되지 않은 반응 입자들 또한, 이들이 대부분의 재료를 제거한다는 점에 있어서 플라즈마 에칭에서 매우 중요하다.
플라즈마 에칭의 대부분의 애플리케이션에서, 플라즈마가 어떠한 재료에 대 한 선택도를 갖도록 플라즈마 특징들을 제어하는 것이 중요하다. 또한, 재료를 이방성으로 또는 등방성으로 제거하도록 플라즈마를 제어하는 것이 많은 경우에 중요할 수 있는데, 이것은 에칭된 피처의 형상에 크게 영향을 미치기 때문이다. 이것은 에칭된 측벽의 형상이 디바이스의 전기적 특성을 결정할 수 있는 마이크로일렉트로닉스를 제조하는데 매우 중요할 수 있다. 또한, 에칭 이방성은 최종 디바이스의 형상을 결정할 수 있으므로, 플라즈마 에칭 이방성/등방성은 미시 역학적 디바이스를 제조하는데 중요한 요소일 수 있다. 플라즈마 에칭 프로세스의 이방성/등방성을 조정하는 방법을 제공하는 것은 플라즈마 에칭 분야에서 상당한 진전이 될 것이다. 동일 에칭 시스템에서 동일 에칭 기체 혼합물을 사용하여 높은 이방성과 높은 등방성 사이를 전환할 수 있는 것 또한 진전이 될 것이다. 이러한 능력에 의해 신규한 구조를 제조할 수 있으며, 마이크로일렉트로닉스 제조에 있어서의 수율을 증가시킬 수 있다.
플라즈마 에칭과 관련된 다른 문제는 플라즈마 에칭 챔버의 벽에 박막이 형성되는 것이다. 박막은 흔히 플라즈마 에칭 또는 증착 프로세스 동안에 챔버의 벽에 증착된다. 예를 들어 실리콘 이산화물의 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)은 통상 타겟 웨이퍼로부터 먼 챔버의 표면 상에 산화물 증착물을 형성한다. 또한, 중합체가 플라즈마 에칭 동안에 챔버 벽 상에 증착될 수 있다. 이러한 원치 않은 챔버 표면 상의 박막은 챔버의 전자기 특성(예를 들면, 임피던스)을 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 플라즈마에 결합된 무선 주파수 에너지의 양을 변경시킬 수 있다. 그 결과 플라즈마 에칭 특성이 변화되어 제조 수율을 저감시킬 수 있다.
챔버 특성의 변화를 방지하고 일관된 플라즈마 에칭 특성을 유지하기 위해, 챔버는 증착된 박막이 주기적으로 제거된다('시저닝(seasoning)' 프로세스). 시저닝 중에, 특별한 시저닝 혼합물이 챔버로 유입된다. 시저닝 기체 혼합물은 챔버 벽으로부터 박막을 제거하고 챔버를 원래의 상태로 복원시키도록 공식화된다. 시저닝 기체 혼합물이 웨이퍼 상의 박막에 손상을 줄 수 있기 때문에, 웨이퍼는 통상 시저닝 동안에 제거된다. 예를 들면, 챔버 상의 원치 않는 막이 웨이퍼 상의 막과 동일할 수 있으며, 웨이퍼를 시저닝에 노출시키면 웨이퍼의 박막 또한 제거될 것이다.
그러나, 시저닝 동안 웨이퍼를 제거하면 시간이 소요되며 따라서 시스템 수율을 떨어뜨린다. 또한, 웨이퍼를 제거하고 시저닝을 하면 시저닝 플라즈마가 척(chuck)을 공격할 수 있기 때문에 정전 척(electrostatic chuck)에 손상을 줄 수 있다. 웨이퍼를 본래의 장소에 둔 상태에서 웨이퍼에 손상을 주지 않으면서 시저닝 하는 방법을 제공하는 것은 플라즈마 처리 및 챔버 시저닝에 진전이 될 것이다. 이러한 진전은 제조 수율을 증가시키고, 플라즈마 처리에서 제어 능력을 향상시킬 수 있다.
유럽 특허 공개 공보 제 0328078 호는 RIE에서 에칭될 재료의 표면과 평행한 자기장을 생성하는 장치를 개시하고 있다.
따라서, 본 발명은 플라즈마 에칭 프로세스의 이방성/등방성을 조정 또는 변경하고, 인시튜 챔버 시저닝(in-situ chamber seasoning)을 허용하는 장치를 제공한다. 결과적으로, 본 발명은 플라즈마 시스템 성능 개선 및 수율 향상과 같은 많은 이점을 제공한다.
따라서, 본 발명은 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 웨이퍼 척과, 상기 웨이퍼 척 위의 플라즈마를 위한 볼륨(volume)과, 웨이퍼 척 상에 배치된 웨이퍼의 웨이퍼 표면과 평행한 자기장을 생성하는 웨이퍼 척 내의 자석을 포함하고, 자기장이 플라즈마로부터 웨이퍼로 이동하는 전자들을 반사하도록 자기장은 웨이퍼 근방에서 가장 강하고, 플라즈마 쪽으로 갈수록 감소하는 플라즈마 에칭 장치를 제공한다.
바람직하게는, 웨이퍼 쪽으로 이동하는 플라즈마로부터의 전자의 50% 이상이 자기장에 의해 웨이퍼로부터 반사된다.
바람직하게는, 자석은 웨이퍼 척 위에서 봤을 때 시계 방향으로 원형 자기장을 생성한다.
바람직하게는, 자석은 상기 웨이퍼 척 위에서 봤을 때 시계 반대 방향으로 원형 자기장을 생성한다.
바람직하게는, 자석은 전자석이다.
바람직하게는, 자석은 영구 자석이다.
바람직하게는, 자기장은 선형이다.
바람직하게는, 자기장은 웨이퍼에서 5 내지 50 가우스의 범위의 세기를 갖는다.
바람직하게는, 자기장은 그 세기가 웨이퍼로부터 플라즈마를 위한 볼륨의 적어도 약 75% 감소한다.
바람직하게는, 자기장은 Z 방향에서 웨이퍼 쪽으로 이동하는 20 eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사한다.
바람직하게는, 자기장은 Z 방향에서 웨이퍼 쪽으로 이동하는 100 eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사한다.
제 2 측면에서, 본 발명은 플라즈마 내의 대전된 입자로부터 웨이퍼를 차폐하는 방법에 있어서, 웨이퍼 상에 플라즈마를 생성하는 단계와, 웨이퍼와 플라즈마 사이에 자기장을 생성하는 단계를 포함하고, 자기장은 웨이퍼에 평행하고, 자기장이 플라즈마로부터 웨이퍼로 이동하는 전자들을 반사하도록 자기장은 웨이퍼 위로의 거리에 따라서 세기가 감소하는 웨이퍼 차폐 방법을 제공한다.
바람직하게는, 웨이퍼 쪽으로 이동하는 플라즈마로부터의 전자의 50% 이상이 자기장에 의해 웨이퍼로부터 반사된다.
바람직하게는, 플라즈마의 화학제는, 대전된 입자로부터의 웨이퍼의 차폐가 에칭 프로세스의 등방성을 증가시키도록 선택된다.
바람직하게는, 자기장은 Z 방향에서 웨이퍼 쪽으로 이동하는 20 eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사한다.
바람직하게는, 플라즈마의 화학제는 플라즈마가 챔버 시저닝을 제공하도록 선택된다.
바람직하게는, 자기장은 Z 방향에서 웨이퍼 쪽으로 이동하는 100 eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사한다.
바람직하게는, 자기장은 Z 방향에서 웨이퍼 쪽으로 이동하는 4 eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사한다.
제 3 측면에서, 본 발명은 원래의 위치에 웨이퍼를 갖는 챔버 시저닝 방법에 있어서, 웨이퍼 위에 챔버 시저닝 플라즈마를 생성하는 단계와, 웨이퍼와 시저닝 플라즈마 사이에 자기장을 생성하는 단계를 포함하고, 자기장은 상기 웨이퍼에 평행하고, 자기장은 웨이퍼 위로의 거리에 따라서 세기가 감소하며, 자기장은 Z 방향에서 웨이퍼 쪽으로 이동하는 100 eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사하는 챔버 시저닝 방법을 제공한다.
따라서, 본 발명은 바람직하게는 웨이퍼 척 및 웨이퍼 측 상에 플라즈마를 위한 볼륨을 포함하는 플라즈마 에칭 장치를 포함한다. 자석이 웨이퍼 척 내에 배치되어 웨이퍼 척 상에서 웨이퍼에 평행한 자기장을 생성한다. 자기장은 웨이퍼 근방에서 가장 강하고, 웨이퍼에서 위쪽으로 멀어질수록 그 세기가 감소하여, 플라즈마로부터 웨이퍼 쪽으로 이동하는 전자가 자기장에 의해 웨이퍼로부터 반사된다.
자기장은 웨이퍼 척 위에서 봤을 때 둥근 형태(예를 들면, 원형)일 수 있다. 이 경우, 자기장은 시계 방향(바람직함) 또는 기계 반대 방향으로 배향될 수 있다. 자석은 전자석 또는 영구 자석일 수 있다. 자기장은 또한 선형일 수 있다.
일실시예에서, 자기장은 웨이퍼로부터 플라즈마를 위한 볼륨까지 적어도 약 75% 만큼의 세기가 감소한다. 이것은 플라즈마가 자기장에 의해 과도하게 제한되거나 영향을 받지 않도록 하는데, 이와 같이 과도하게 제한되거나 영향을 받는 것은 본 발명에서는 바람직하지 않다. 자기장은 자기장이 Z 방향에서 웨이퍼 쪽으로 이동하는 20eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사하도록 설계될 수 있다. 에칭에 사용된 통상적인 플라즈마에서, 대부분의 전자는 20eV보다 적은 에너지를 갖는다.
본 발명은 플라즈마에서 생성된 대전된 입자로부터 웨이퍼를 차폐하는 방법을 포함한다. 이 방법은 웨이퍼 위에 플라즈마를 생성하는 단계와, 웨이퍼와 플라즈마 사이에 자기장을 생성하는 단계를 포함한다. 자기장은 웨이퍼와 평행하며, 웨이퍼 위로의 거리에 따라서 세기가 감소하여, 플라즈마로부터 웨이퍼 쪽으로 이동하는 전자가 자기장에 의해 웨이퍼로부터 반사된다.
플라즈마 화학제는 대전된 입자로부터 대전된 입자로부터의 웨이퍼의 차폐가 에칭 프로세스의 등방성을 증가시키도록 선택된다. 자기장은 Z 방향에서 웨이퍼 쪽으로 이동하는 20 eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사한다.
플라즈마의 화학제는 플라즈마가 챔버 시저닝을 제공하도록 선택된다. 이 경우에, 자기장은 시저닝 프로세스 동안에 웨이퍼가 손상되지 않도록 보호한다. 자기장은 100 eV 이하의 에너지를 갖는 플라즈마로부터의 전자를 반사하도록 설계될 수도 있다.
본 발명은 또한 웨이퍼 위에 챔버 시저닝 플라즈마를 생성하는 단계와, 웨이퍼와 시저닝 플라즈마 사이에 자기장을 생성하는 단계를 포함하는 챔버 시저닝 방법을 포함한다. 자기장은 웨이퍼에 평행하고, 자기장은 웨이퍼 위로의 거리에 따라서 세기가 감소한다. 자기장은 웨이퍼 쪽으로 이동하는 100 eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사한다.
도 1은 본 발명의 측단면도.
도 2는 웨이퍼에 대한 원형 자기장을 도시한, 도 1의 실시예의 평면도.
도 3은 플라즈마 전자의 궤도를 도시한, 작동 중에 시계 방향 자기장을 갖는 실시예의 단면도.
도 4는 플라즈마 전자의 궤도를 도시한, 작동 중에 시계 반대 방향 자기장을 갖는 실시예의 단면도.
도 5a 및 5b는 선형 자기장을 갖는 실시예의 평면도 및 단면도.
본 발명은 대전된 입자로부터 웨이퍼를 차폐할 수 있는 플라즈마 에칭 시스템을 제공한다. 플라즈마 에칭 시스템은 척 내부에 자석을 갖는 웨이퍼 척을 포함한다. 자석은 웨이퍼 표면과 평행한 자기장을 생성한다. 자기장은 웨이퍼 쪽으로 진행하는 플라즈마 전자를 반사한다. 자기장의 세기를 변화시키면, 웨이퍼에 입사하는 대전 입자의 수를 조절할 수 있다. 자기장은 에칭 프로세스의 이방성/등방성을 조정할 수 있고, 챔버 시저닝 동안 웨이퍼에 대한 손상을 방지할 수 있다. 사실, 에칭은 높은 자기장과 함께 소정의 플라즈마 에칭 화학제에 대해 거의 완전히 등방성으로 될 수 있다. 시저닝 중에, 자기장은 대전된 입자를 차단하며, 이것은 시저닝 플라즈마가 웨이퍼를 손상시키는 것을 거의 완전히 막을 수 있다.
도 1은 챔버(20) 내부의 웨이퍼 척(22)과, 척(22) 상의 웨이퍼(24)와, 플라즈마가 생성되는 플라즈마 볼륨(26)을 포함하는 본 발명의 일실시예의 측면도이다. 전극(28)이 웨이퍼 위에 배치될 수도 있다. 갭 간격(30)은 웨이퍼와 전극(28) 사이의 거리이다. 환상 전류 구성을 갖는 전자석(32)이 웨이퍼 척(22) 내에 배치된다. 전자석(32) 내의 전류의 방향은 화살표로 표시되어 있다. 전자석에 의해 생성된 자기장(34)은 웨이퍼(24) 위에 나타나 있다. 자기장은 웨이퍼 위에 나타낸 바와 같이 원형이며, "원 내의 x" 부호는 페이지로 들어가는 방향의 자기장을 나타내고, "원 내의 점" 부호는 페이지로부터 나오는 방향의 자기장을 나타낸다. 도 1은 본 발명의 설명을 위해, 기준 좌표 시스템(29)을 포함한다. z 방향은 웨이퍼와 직교한다.
챔버(20)는 플라즈마 프로세서에 사용된 유형의 종래의 진공 챔버일 수 있다. 챔버(20)의 벽은 당해 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이, 플라즈마를 여기시키는 전극으로서 기능할 수 있다.
웨이퍼 척은 당해 기술분야에 공지되어 있는 바와 같은 종래의 정전 웨이퍼 척(electrostatic wafer chuck)일 수 있다. 다른 유형의 웨이퍼 척도 사용될 수 있다.
갭의 간격(30)은 플라즈마 에칭 시스템에서 통상적인, 약 1 내지 20cm 범위일 수 있다.
전자석(32)은 세라믹 또는 희토류 자석과 같은 영구 자석으로 대체될 수 있다. 자석(32)은 자기장을 보다 균일하게 하는 폴 부분(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 영구 자석이 사용되면, 이 영구 자석은 도 1의 실시예에서와 같이 원형 자기장이 제공되도록 링 형상을 가질 수 있다. 또한, 영구 자석이 사용되면, 가변 저항 자기 회로(variable-reluctance magnetic circuit)가 제공되어 웨이퍼 상의 자기장의 세기를 제어할 수 있다. 전자석이 사용되는 경우에, 자기장의 세기는 전 류를 변화시키는 것에 의해 조정될 수 있다.
장치(도시되지 않음)에 부가될 수 있는 다른 소자들로는, 플라즈마를 여기시키는 무선 주파수 에너지 제너레이터, RF 제너레이터를 플라즈마에 결합시키는 임피던스 매칭 네트워크, 챔버를 진공으로 만드는 진공 펌프 및 플라즈마와 챔버 벽의 접촉을 방지하는 외부 자석이 있다.
자기장(34)은 웨이퍼 표면에서 가장 강하고 Z 방향으로 갈수록 그 세기가 급속히 감소한다. 자기장은 웨이퍼 상의 갭 간격(30)의 약 1/4의 거리에서 약 75% 감소하거나, 웨이퍼와 플라즈마 볼륨(26) 사이에서 약 75% 감소할 수 있다. 자기장은 균일한 것이 바람직하다(예를 들면, 웨이퍼 표면의 X-Y 평면 내에서 10% 내로 균일하다). 자기장은 예를 들어 웨이퍼 표면에서 약 5 내지 50 가우스(0.0005T-0.005T)의 세기를 가질 수 있다. 자기장은 웨이퍼와 평행(약 20도 내로 평행)한 것이 바람직하지만, 자기장은 웨이퍼 에지부에 대해 보다 큰 각을 이룰 수도 있다.
도 2는 웨이퍼의 평면도이다. 원형 자기장(34)이 명확하게 표시되어 있다. 또한, 표시된 전류 방향을 갖는 전자석(32) 내의 권선이 도시되어 있으며, 전자석의 상부에서의 전류는 중심으로부터 밖으로 나간다. 점선(36)은 도 1의 단면을 나타낸다. 자기장은 원형으로 도시되어 있지만, 위에서 봤을 때 타원형과 같은 둥근 형태가 가장 일반적이다.
도 3은 동작 중인 본 발명을 상세히 도시한 것이다. 여기된 플라즈마에 노출되면, 자기장(34)은 플라즈마 전자에 대해 '자기 미러(magnetic mirror)' 역할을 하며, 플라즈마 이온에 대해서는 보다 적은 범위까지 자기 미러 역할을 한다. 전 자(e-)는 웨이퍼에 접근할 때 로렌츠 힘을 경험한다. 로렌츠 힘은 힘=QV×B로 정의되는데, 여기서 Q는 대전된 입자(예를 들면, 전하(electron charge)), V는 속도, B는 자기장의 세기, ×는 벡터 외적이다. 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 자기장이 시계 방향이면, 전자는 도 3에 도시된 바와 같이 웨이퍼의 에지부 쪽으로 편향된다. 자기장의 세기가 충분하면, 거의 최고 에너지의 전자도 웨이퍼 표면에 도달할 수 없을 것이다. 그러나 이온(도시되어 있지 않음)은 질량이 크기 때문에 자기장(34)을 보다 쉽게 통과할 것이다. 그 결과, 웨이퍼(24) 및 척(22)은 양으로 대전된다(수 RF 사이클을 거쳐서). 양으로 대전된 웨이퍼는 이온을 밀어낼 것이다. 이 결과로서, 모든 대전된 입자들(전자 및 이온)은 자기장(34)이 인가되는 동안 웨이퍼 표면과 충돌하지 않게 된다.
도 4는 전자석(32) 내의 전류가 도 3의 실시예에 비해 반전되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 경우에, 위에서 본 자기장의 방향은 시계 반대 방향이다. 웨이퍼(24) 쪽으로 진행하는 전자는 웨이퍼(24)의 중심 쪽으로의 로렌츠 힘에 의해 편향되며, 따라서 웨이퍼 표면과 충돌하지 않게 된다. 또한, 이 경우에, 이온은 웨이퍼(24) 상에 양의 전하를 생성하며, 이것은 결국 이온이 웨이퍼(24)에 충돌하는 것을 방지한다. 따라서, 도 3 및 도 4의 실시예는 모두 대전된 입자가 웨이퍼 표면과 충돌하지 않도록 기능한다.
그러나, 도 3 및 도 4의 실시예는 중요한 차이점을 갖는다. 도 3의 실시예에서와 같이, 전자를 웨이퍼 에지부로 밀어내는 것은 플라즈마 내에 보다 적은 섭동을 생성하는 경향이 있다(예를 들면, 플라즈마의 화학적 성질 및 에칭 성질을 변 화시킨다). 이것은 전자가 플라즈마로부터 챔버 벽 쪽으로 편향되기 때문이다. 이에 비해, 도 4에서와 같이 전자가 중심 쪽으로 편향되면, 자기장이 온으로 될 때 플라즈마 내에 더 큰 섭동을 생성하는 경향이 있다. 플라즈마 내의 섭동은 일반적으로 플라즈마 에칭 특성을 변경시킬 수 있기 때문에, 가장 잘 회피된다. 한가지 주의할 점은 플라즈마 섭동의 범위는 챔버(20)의 형상에 다소 의존한다는 것이다. 만약 챔버가 매우 넓으면(즉, 웨이퍼의 사이즈에 비해 X 및 Y 방향으로 크면), 도 4의 실시예는 보다 적은 플라즈마 섭동을 생성할 것이다. 이것은 전자가 먼 챔버의 측벽 대신에 챔버(20) 또는 전극(28)의 상부로 이동해야 하기 때문이다. 역으로, 만약 챔버가 협소하면(대부분의 플라즈마 프로세서에서와 같이), 전자를 웨이퍼의 에지부 쪽으로 보내는 것이 최선인데, 이것은 전자를 측벽으로 진행시키기 때문이다. 이러한 이유로, 위에서 봤을 때, 자기장이 시계 방향인 것이 일반적으로 바람직하다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로, 여기서 자기장(34)은 선형이며 웨이퍼(24)의 표면과 평행하다. 도 5a는 웨이퍼(24) 및 자기장(34)의 평면도이다. 자기장(34)은 직선이고, 웨이퍼의 표면과 평행하며, 바람직하게는 전체 웨이퍼 표면에 대해 약 10%로 균일하다. 도 5b는 동작 중인 도 5a의 디바이스를 도시한 것이다. 플라즈마 전자(e-)는 로렌츠 힘에 의해 웨이퍼(24)의 한 쪽으로 편향된다. 도 5a 및 5b의 자기장은 도 2, 3, 4의 실시예와 매우 유사한 방식으로 대전된 입자에 대해 자기 미러로서 기능한다. 그러나, 도 5a 및 5b의 자기장에 대해 요구된 자석은 제조하기가 더 어려울 수도 있다. 따라서, 일반적으로 도 2, 3, 4의 실시예에 비해 바람직하지는 않지만, 도 5a 및 5b의 실시예는 본 발명에 따라 기능하며 본 청구범위 내에 있다.
본 발명에서, 자기장이 웨이퍼(24) 가까이에서 가장 강하고, Z 방향으로 갈수록 감소하도록 자기장(34)이 구배를 갖는 것이 필수적이다. 이 구배는 대부분의 플라즈마 전자(e-)가 로렌츠 힘에 의해 웨이퍼(24)로부터 방향을 바꾸도록 충분히 커야 한다. 모든 전자가 로렌츠 힘에 의해 편향될 필요는 없다(또는 편향될 수는 없다). 자기장(24)을 통과하여 웨이퍼(24)와 충돌하는 전자(e-)의 수는 플라즈마 내의 전자의 에너지 분포와, 자지장의 세기 및 구배와, 자기장의 균일성에 의존한다.
또한, 자기장(34) 및 플라즈마 볼륨은 플라즈마가 자기장(34) 내에 트랩되지 않도록 분리되어야 한다. 플라즈마가 자기장(34) 내에 트랩되면, 웨이퍼로 유동하는 대전된 입자는 일반적으로 증가한다. 자기장은 웨이퍼와 플라즈마 사이에 위치하며, 따라서 자기장은 플라즈마 내의 대전된 입자로부터 웨이퍼를 차폐하도록 작용한다. 본 발명의 자기장(34)은 본래 웨이퍼로 유동하는 하전 입자가 자기장이 없는 상태에 비해 감소하도록 설계된다.
자기장과 전자의 상호작용의 유용한 특징은 웨이퍼 표면에 접근하는 전자의 선회 반경(gyroradius)에 기초한다. 자기장(34) 속을 이동하는 전자는 로렌츠 힘으로 인해 선회한다. 본 발명에서, 자기장(34)은 자기장 내의 플라즈마 전자의 선회 반경보다 더 큰 두께를 가져야 한다. 두께가 충분하면, 대부분의 전자는 웨이퍼 표면으로부터 방향을 바꾼다. 자기장 내의 전자의 선회 반경의 계산은 당해 기 술분야에 공지되어 있다. 그러나, 일특정예로서, 플라즈마 에칭에 사용된 플라즈마 내의 대부분의 전자는 20 eV 미만의 에너지를 가질 것이다. 자기장(34)이 약 13.7 가우스의 세기를 가지면, 20 eV의 전자가 약 1cm의 선회 반경을 가질 것이다. 따라서, 자기 미러 효과를 제공하기 위해, 대략 이 세기 및 두께를 갖는 자기장(34)이 사용될 수 있다. 자기장(34)은 Z 방향으로 매우 균일하지 않지만, 이 때문에 선회 반경은 전자가 웨이퍼에 접근하고 멀어짐에 따라 심하게 변할 것이다.
중성(기체 상태(gas phase)) 스피시즈(species)는 자기장(34)에 의해 차단되지 않는다. 따라서, 중성 입자의 플럭스(flux)는 일반적으로 자기장(34)이 변함에 따라 변하지 않는다. 그러나 중성 스피시즈의 플럭스는 자기장이 플라즈마 화학제 또는 플라즈마의 다른 특성을 변경시키면 변경될 수도 있다. 중성 플럭스의 효과는 애플리케이션 특정적이며, 기체 화학제에 의존한다. 이들은 본 발명의 특정 애플리케이션에 따라서 이하에 논의한다.
본 발명은 많은 용도를 갖고 있지만, 특별히 관심을 가질만한 두 가지 용도로는 (1) 에칭 이방성/등방성 및 화학적 선택도에 대해 인시튜 제어를 제공하는 것과, (2) 챔버 시저닝 동안의 인시튜 웨이퍼 보호가 있다.
현 기술 수준에서는, 등방성 에칭은 흔히 웨이퍼(24)가 플라즈마 에칭 시스템으로부터 제거되어 등방성 에칭을 위해 특별히 설계된 툴 내에 배치될 것을 요구한다. 예를 들면, 등방성 에칭은 화학 에칭에 의해 또는 웨이퍼를 멀리 위치한 플라즈마에서 생성된 중성 스피시즈에 노출시키는 다운스트림 화학적 에칭(CDE) 툴에 의해 제공될 수 있다. 이들 등방성 에칭 기법은 웨이퍼 처리의 증가를 요구하기 때문에 제조 수율을 저감시키는 경향이 있다.
대전된 입자들이 물리적 프로세스(예를 들면, 충돌, 스퍼터링)에 따라서 웨이퍼로부터 재료를 제거할 수도 있기 때문에, 대전된 입자에 의한 플라즈마 에칭은 흔히 이방성이며 화학적으로 비선택적이다. 이것은 재료 선택도 또는 에칭 등방성이 바람직한 일부 프로세스 단계에서 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명의 하나의 중요한 애플리케이션에서, 자기장(34)은 통상 이방성 에칭 프로세스의 등방성을 증가시키는 능력 및 화학적 선택도를 증가시키는 능력을 제공한다. 구체저으로는, 자기장이 대전된 입자들로부터 웨이퍼(24)를 차폐하지만, 중성 스피시즈가 웨이퍼(24)와 충돌하는 것은 허용한다. 중성 스피시즈의 플럭스는 플라즈마의 섭동이 작기 때문에 의해 비교적 자기장(34)에 의해 영향을 받지 않는다. 플라즈마로부터의 중성 스피시즈는 일반적으로 화학적 프로세스에 따라서 에칭되며, 따라서 자기장(34)이 인가될 때 에칭은 더욱 등방성으로 되고 재료 선택적으로 된다.
이방성/등방성 간의 밸런스 및 재료 선택도/비선택도 간의 밸런스가 에칠 프로세스 중에 조정되거나 또는 변화될 수 있도록 자기장의 세기는 조정될 수 있다. 또는, 에칭 프로세스가 높은 이방성과 높은 등방성 사이에서 토글되도록 자기장이 스위칭될 수 있다. 복수 유형의 에칭을 제공하기 위해 웨이퍼가 복수의 에칭 툴 사이에서 왕복할 필요가 없기 때문에, 에칭 이방성 및 재료 선택도의 시간에 따른 변동은 신규한 측벽 프로파일을 제공할 수 있으며, 생산 수율을 개선할 수 있다. 일반적으로, 자기장은 실질적인 등방성을 제공하기 위해 전자의 적어도 약 50%를 반사해야 한다.
자기장이 너무 강하면, 플라즈마는 압착되어 웨이퍼로부터 너무 멀리 올라가서, 결국 중성 스피시즈의 분리가 증가하는 것과 같이 플라즈마 화학제에 바람직하지 못한 변화를 일으킨다. 이런 이유로, 플라즈마 에칭 툴은 플라즈마에 악영향을 미칠 정도로 강한 자기장을 요구하지 않고, 원하는 수준의 등방성이 획득될 수 있도록 설계되어야 한다.
자기장(34)이 플라즈마 에칭의 등방성을 증가시키기 위해, 플라즈마에 사용된 기체 혼합물은 어떠한 특징을 가져야 한다. 예를 들면, 플라즈마 화학제는 플라즈마 화학제 내의 중성 스피시즈가 제거될 웨이퍼의 재료를 공격하도록 선택되어야 한다. 이러한 반응 기체 혼합물의 공통적인 특징은, 이들이 고도로 대전된 입자 플럭스와 결합될 때 상당한 에칭 이방성을 갖는다는 것이다. 따라서, 본 발명은 이전에는 이방성 에칭만이 달성될 수 있었던 경우에 등방성 에칭을 가능하게 하는 기법을 제공할 것이다. 이것은 마이크로마스킹 및 이와 유사한 결함을 제거할 수 있게 한다.
본 등방성 에칭 기법에 대한 다른 이점은 종래의 등방성 에칭의 바람직하지 못한 효과를 회피한다는 것이다. 예를 들면, 등방성 에칭 화학제는 수직으로와 동일한 레이트로 측면으로 에칭한다. 이방성 에칭 단계와 등방성 에칭 단계를 교대함으로써, 측벽 패시베이션층이 증착될 수 있는데, 이것은 등방성 에칭 단계 동안에 측면 컴포넌트를 감소시킨다.
이 등방성 에칭 방법에서는, 중성 스피시즈의 플럭스가 자기장에 의해 영향 을 받지 않는 것이 바람직하다. 예를 들면, 중성 플럭스는 자기장이 이방성 에칭과 등방성 에칭 사이를 조정하도록 변경될 때 약 10% 내로 일정하게 유지되어야 한다. 중성 플럭스를 일정하게 유지하면, 플라즈마 에칭 프로세스 제어 및 예측 가능성을 개선시키는 데 도움이 된다. 설계상, 자기장은 기체 상태의 플라즈마를 크게 섭동하지 않기 때문에, 중성 플럭스는 자기장에 의해 거의 영향을 받지 않는다. 따라서, 반응 중립자(reactive neutral)의 생성은 거의 일정하게 유지되고, 웨이퍼에 대한 이들의 플럭스는 거의 일정하게 유지된다.
또한 자기장은 에칭 프로세스의 이방성 및 화학적 선택도를 제어할 때 균일해야 한다. 에칭 특징에 있어서의 비균일성은 결함있는 제품을 생성한다. 예를 들면, 자기장의 세기는 약 5 내지 10%의 균일성을 가질 수 있다.
대전된 입자가 없는 등방성이 증가된 플라즈마 화학제는 통상 기체 상태로부터 낮은 중합체 증착을 가질 것이다. 본 발명의 등방성/이방성 제어 측면에 이용될 수 있는 플라즈마 화학제의 예로는 Cl2+HBr, N2+O2+CO+CO2, NF3, HCL 및 BCl3가 있다.
앞에서 지적한 바와 같이, 챔버 시저닝은 챔버 벽에 증착된 불필요한 재료의 막을 제거하도록 주기적으로 요구된다. 이들 불필요한 막은 플라즈마 에칭 프로세스를 변경시켜 결과적으로 결함있는 제품을 생성할 수 있다. 웨이퍼는 통상 손상을 방지하기 위해 시저닝 동안에 챔버로부터 제거되어야 하기 때문에, 시저닝은 제조 처리량에 고 비용을 초래한다. 이와 유사하게, 시저닝은 민감한 정전 척 재료 의 손상으로 인해 프로세스 비용을 증가시킬 수 있다.
시저닝에 사용된 플라즈마 화학제는 통상 챔버 벽으로부터 막을 제거하기 위한 대전된 입자에 의존한다. 또한, 통상 챔버 시저닝에 플라즈마 에칭에 비해 더 높은 전력 레벨이 사용된다. 따라서, 챔버 시저닝 동안에, 대전된 입자는 통상 더 높은 에너지를 가지며, 웨이퍼를 차폐하기 위해 더 높은 자기장이 요구될 것이다.
본 발명에서는, 시저닝이 강한 자기장에 의해 수행되므로, 거의 모든 입자들이 웨이퍼로부터 차폐된다. 본 시저닝 방법에서는, 대전된 입자를 차폐하는데 필드 균일성이 요구되지 않기 때문에, 자기장은 균일할 필요가 없다. 시저닝 동안에, 자기장은 가능한 한 많은 대전된 입자들로부터 웨이퍼를 보호해야 한다. 바람직하게는, 약 90 또는 95%의 전자가 시저닝 동안에 자기장에 의해 반사된다. 자기장이 너무 약하면 웨이퍼에 손상이 발생할 수도 있다. 통상, 자기장은 약 20 내지 1000 가우스의 세기를 가져서 시저닝 동안에 대전된 입자들로부터 웨이퍼를 보호할 수 있다.
본 발명에 따른 시저닝 방법에서는, 챔버 벽에 대한 전속(charge flux)이 비교적 자기장의 인가에 의해 영향을 받지 않도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 챔버 벽에 대한 전속은 자기장이 인가될 때 약 10% 미만만큼 변한다.
본 시저닝 방법에 의하면, 웨이퍼는 시저닝 동안에 플라즈마 에칭 챔버 내에서 유지될 수 있으며, 시간이 걸리는 웨이퍼 처리에 대한 필요를 저감시킨다. 그 결과, 제조 수율이 증가하고, 웨이퍼 제조 비용이 저감될 수 있다.
본 발명의 인시튜 시저닝 특성과 함께 사용될 수 있는 챔버 시저닝에 통상 사용되는 플라즈마 화학제로는 O2, CO, C2F6, CF4, NF3, SF6가 있다. 중립자(Neutral)는 인시튜 시저닝 동안에 웨이퍼의 일부 에칭을 여전히 제공하지만, 대전된 입자의 충돌이 없는 경우에, 에칭은 실질적으로 감소될 것이다.
위 실시예는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 여러 방법으로 변경될 수도 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 첨부한 청구범위 및 이들의 법적으로 상당하는 범위에 의해 결정되어야 한다.

Claims (10)

  1. 플라즈마 에칭 장치에 있어서,
    a) 웨이퍼 척(22)과,
    b) 상기 웨이퍼 척(22) 위의 플라즈마(26)를 위한 볼륨(volume)과,
    c) 상기 웨이퍼 척(22) 상에 배치된 웨이퍼(24)의 웨이퍼 표면과 평행한 자기장(34)을 생성하는 상기 웨이퍼 척(22) 내의 자석(32)을 포함하고,
    상기 자기장(34)이 상기 플라즈마로부터 상기 웨이퍼(24)로 이동하는 전자들을 반사하도록 상기 자기장(34)은 상기 웨이퍼(24) 근방에서 가장 강하고, 상기 플라즈마 쪽으로 갈수록 감소하며,
    상기 자석(32)은 상기 웨이퍼 척(22) 위에서 봤을 때 시계 방향으로 원형 자기장(34)을 생성하는
    플라즈마 에칭 장치.
  2. 플라즈마 에칭 방법에 있어서,
    a) 척(22) 내에 웨이퍼(24)를 지지하는 단계와,
    b) 상기 웨이퍼(24) 상에 플라즈마를 생성하는 단계와,
    c) 상기 웨이퍼(24)와 플라즈마 사이에 자기장(34)을 생성하는 단계와,
    상기 자기장(34)은 상기 웨이퍼(24)에 평행하고, 상기 자기장(34)이 상기 플라즈마로부터 상기 웨이퍼(24)로 이동하는 전자들을 반사하도록 상기 자기장(34)은 상기 웨이퍼(24) 위로의 거리에 따라서 세기가 감소하며
    상기 자기장(34) 생성 단계는 상기 웨이퍼 척(22) 위에서 봤을 때 시계 방향으로 원형 자기장(34)을 생성하는
    플라즈마 에칭 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 쪽으로 이동하는 상기 플라즈마로부터의 전자의 50% 이상이 상기 자기장에 의해 상기 웨이퍼로부터 반사되는
    플라즈마 에칭 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장의 세기는 상기 웨이퍼에서 0.0005 T 내지 0.005 T(5 내지 50 가우스)인
    플라즈마 에칭 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장은 Z 방향에서 상기 웨이퍼 쪽으로 이동하는 20 eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사하는
    플라즈마 에칭 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장은 Z 방향에서 상기 웨이퍼 쪽으로 이동하는 100 eV 이하의 에너지를 갖는 전자를 반사하는
    플라즈마 에칭 장치.
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