KR20000044561A - 식각 속도가 개선된 펄스형 플라즈마 식각방법 - Google Patents

식각 속도가 개선된 펄스형 플라즈마 식각방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 제조공정 중 식각공정에 관한 것이며, 더 자세히는 펄스형 플라즈마 식각공정에서 식각속도 향상방법에 관한 것이다. 본 발명은 펄스형 플라즈마를 이용한 식각공정시 기존의 연속형 플라즈마에 상응하는 식각 속도를 확보하면서 펄스 플라즈마의 장점인 저손상 특성을 그대로 유지할 수 있는 펄스형 플라즈마 식각방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 종래기술의 문제점은 듀티 비의 감소에 따른 식각 속도의 저하로 요약될 수 있다. 이에 본 발명에서는 피크 파워를 고정시키지 않고 평균인가 파워(average power)를 고정시키는 방법을 채택함으로써 펄스형 플라즈마 식각 공정시 식각 속도 저하 현상을 보상한다.

Description

식각 속도가 개선된 펄스형 플라즈마 식각방법
본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 제조공정 중 식각공정에 관한 것이며, 더 자세히는 펄스형 플라즈마 식각공정에서 식각속도 향상방법에 관한 것이다.
현재, 플라즈마 식각장비의 대부분은 연속형(CW, continuous wave) 플라즈마(plasma)를 사용하고 있으나, 반도체 소자의 고성능화에 따라 플라즈마 식각시의 식각 손상에 따른 여러 문제점(예컨대, 전도성 물질 식각시 노치(notch) 현상, 절연막 식각시 마이크로 트렌치 현상, 콘택 형성시 전기적 손상 등)이 반도체 제조 공정의 주된 이슈(issue)로 부각되고 있다.
최근에는 이러한 플라즈마 손상을 줄인 펄스형 플라즈마 식각공정이 저손상 식각공정으로 각광 받고 있으며, 아직까지 상용화되지는 않았으나 향후 차세대 반도체 제조에의 적용이 유망하다.
그러나, 이러한 펄스형 플라즈마를 이용한 식각공정은 주어진 파워를 부분적으로 이용하는 속성상 식각 속도가 저하되는 문제점을 야기하였다. 이러한 식각 속도의 저하 문제는 양산시 생산성(throughput)에 지대한 영향을 미치게 된다.
펄스형 플라즈마 식각 공정의 특성에 대해 좀 더 자세히 살펴보자.
펄스형 플라즈마를 이용하면 연속형 플라즈마에 비해 다음과 같은 장점을 가진다. 첫째로, 전자의 에너지 분포 곡선이 크게 변화한다. 즉, 광범위한 에너지로 퍼져있던 전자 에너지 분포 곡선이 작은 에너지 영역으로 변화됨으로써 평균 전자 에너지가 크게 감소하는 효과를 가지게 된다. 둘째로, 펄스 플라즈마일 경우(3∼90% 듀티 비(duty ratio)) 전자의 평균 에너지가 연속형 플라즈마(100% 듀티 비)에 비해 감소하게 되고 전자의 밀도도 크게 감소하게 된다(여기서, 듀티 비는 전체 인가 시간에 대한 펄스-온 시간(pulse-on time)의 백분율). 셋째로, 전자의 밀도가 크게 감소하는 주 요인은 연속형 플라즈마에 비해 음이온의 형성이 증가하는 현상과도 관계가 큰데 전자가 주로 중성 분자에 흡착되어 음이온을 발생시킬 수 있는 확률이 커지기 때문이다. 넷째로, 결과적으로 펄스형 플라즈마를 이용하면 전자의 밀도를 크게 감소시킬 수 있고 전자의 에너지를 저하시켜 기판에 대전되는 음의 전하량을 줄일 수 있어 식각시 이온에 의한 여러 전기적 손상 및 물리적 식각모양 손상도 크게 감소시킬 수 있다.
그러나, 펄스형 플라즈마를 이용하면 연속형 플라즈마에 비해 다음과 같은 단점을 가진다. 즉, 산화막을 식각하는 경우를 예로 들면, 펄스형 플라즈마를 사용하면 식각 속도가 듀티 비에 비례하는 경향을 보인다(도 1 참조). 이 경우, 피크 파워(peak power)를 일정하게 고정시키고 펄스의 지속 기간(duration)을 변화시킨 경우로서, 플라즈마 내의 이온 및 라디칼(radical)의 밀도가 듀티 비에 비례하기 때문이다. 듀티 비를 증가시킨다는 것은 결국 연속형에 가까워지는 것을 의미하는 것으로 식각 속도는 증가하더라도 식각 손상이 증가하는 문제점을 야기하게 된다.
본 발명은 펄스형 플라즈마를 이용한 식각공정시 기존의 연속형 플라즈마에 상응하는 식각 속도를 확보하면서 펄스 플라즈마의 장점인 저손상 특성을 그대로 유지할 수 있는 펄스형 플라즈마 식각방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 펄스형 플라즈마 식각 공정시 듀티 비에 다른 식각 속도 특성 그래프.
도 2는 RF 소오스 파워에 따른 식각 속도 경향을 나타낸 그래프.
종래기술의 문제점은 듀티 비의 감소에 따른 식각 속도의 저하로 요약될 수 있다. 이에 본 발명에서는 피크 파워를 고정시키지 않고 평균인가 파워(average power)를 고정시키는 방법을 채택함으로써 펄스형 플라즈마 식각 공정시 식각 속도 저하 현상을 보상한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 고주파(RF) 발생기와, 상기 고주파 발생기로부터 출력된 RF 소오스 파워를 트리거링하기 위한 펄스 발생기를 구비한 플라즈마 식각 장비를 이용한 펄스형 플라즈마 식각방법에 있어서, 플라즈마 발생을 위하여 상기 고주파 발생기로부터 인가된 초기 RF 소오스 파워를 증가시켜 식각 속도를 증가시키되, 상기 펄스 발생기로부터 인가된 펄스의 듀티 비를 감소시켜 평균인가 고주파 파워를 실질적으로 고정시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
우선, 본 실시예에 따라 펄스형 플라즈마 식각을 진행할 때의 공정 조건은 다음과 같다.
챔버에는 기존 연속형 플라즈마 발생에 사용되는 RF 소오스 파워(radio frequency source power) 발생기에 추가적으로 펄스 발생기를 결합시켜, 펄스 발생기의 펄스로 트리거링(triggering)시켜 원하는 펄스-온 시간 만큼만 RF 소오스 파워를 변조(modulation)시킨다. 이때, 펄스 발생기의 변조 주파수(modulation frequency)는 100KHz∼1MHz로 하며, 변조시 듀티 비는 3∼90%에서 조절한다.
그리고, 형성된 변조된 RF 파워를 유도 결합형 코일에 인가하여 펄스형 플라즈마를 형성하는 ICP(inductively coupled plasma) 식각 챔버에 인가한다. 이때, 반사되는 파워를 최소화하기 위하여 캐패시터와 인덕터로 구성된 정합 네트워크(Matching network)를 유도 코일과 RF 소오스 파워 발생기 사이에 결합시킬 수 있으며, 초기 트리거 펄스에 대한 지연 시간이 1μ초 보다 적게 조절하는 것이 바람직하다.
챔버 내에 소오스 가스를 Ar, N2, O2등의 첨가 가스와 함께 유입시켜 펄스형 플라즈마 내의 전자의 밀도를 균일하게 하고 적절한 전자 밀도를 유지케 한다. 이때, 공정 압력을 1mTorr∼50mTorr 범위에서 일정하게 유지하고, 공정 진행시 초기에 인가하는 초기 RF 소오스 파워를 300∼3000Watt의 범위 내에서 조절한다. 또한, 초기 RF 소오스 파워의 주파수는 13.56MHz를 사용하며, RF 바이어스 파워(bias power)를 100∼1000Watt의 범위 내에서 조절하여 식각 속도를 유지하게 한다.
이와 같은 공정 조건으로 식각 공정을 진행하되, 앞서 언급한 바와 같이 초기 RF 발생기에서 나오는 초기 RF 소오스 파워를 고정할 경우에는 식각 속도의 저하 현상을 일으키기 때문에, 첨부된 도면 도 2에 도시된 바와 같은 경향 곡선(Calibration curve)을 적용하여 이를 보상한다. 그 구체적인 내용은 다음과 같다.
앞서 설명한 바와 같이 펄스형 플라즈마 내에서는 듀티 비에 비례하는 식각 속도를 가지며, 또한 식각 속도는 일반적으로 도 2에 도시된 바와 같이 RF 소오스 파워에 비례하여 증가하는 특성을 가진다.
그러므로, 전자 밀도, 전자 에너지, 이온 에너지, 이온 밀도 등의 조절을 통한 공정 능력의 확보(예컨대, 저손상 특성 향상)를 위하여 펄스형 플라즈마의 듀티 비를 줄일 경우, 초기 RF 소오스 파워를 그 만큼 증가시키면 연속형 플라즈마에 사용하는 식각속도를 얻을 수 있다. 즉, 펄스형 플라즈마에서는 초기 RF 소오스 파워를 증가시킬 경우에도, 듀티 비가 그만큼 감소했기 때문에 최종적으로 소모되는 변조된 RF의 평균인가 파워(average power)는 변하지 않게 된다. 이는 다음의 수학식 1과 같은 원리에서 나온 것이다.
ER = K×DR×RFini
여기서, 'ER'은 식각 속도, 'K'는 상수, 'DR'은 듀티 비, RFini은 초기 RF 소오스 파워를 각각 나타낸 것으로, 평균인가 RF 파워가 식각 속도 및 초기 RF 소오스 파워에 비례하므로, 초기 RF 소오스 파워가 증가되더라도, 듀티 비를 감소시키면, 평균인가 RF 파워는 변화하지 않게 되는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
에를 들어, 전술한 실시예에서는 ICP 방식의 플라즈마 식각 장비를 사용하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 다른 방식의 플라즈마 식각 장비에서도 적용될 수 있다.
전술한 본 발명은 펄스형 플라즈마 식각 공정시 저손상 식각 특성의 확보와 함께 식각 속도를 개선하는 효과가 있으며, 이에 따라 반도체 제조 공정의 생산성을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (9)

  1. 고주파(RF) 발생기와, 상기 고주파 발생기로부터 출력된 RF 소오스 파워를 트리거링하기 위한 펄스 발생기를 구비한 플라즈마 식각 장비를 이용한 펄스형 플라즈마 식각방법에 있어서,
    플라즈마 발생을 위하여 상기 고주파 발생기로부터 인가된 초기 RF 소오스 파워를 증가시켜 식각 속도를 증가시키되, 상기 펄스 발생기로부터 인가된 펄스의 듀티 비를 감소시켜 평균인가 고주파 파워를 실질적으로 고정시키는 것을 특징으로 하는 펄스형 플라즈마 식각방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 식각 장비가,
    유도 결합형 플라즈마 방식의 식각 장비인 것을 특징으로 하는 펄스형 플라즈마 식각방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 펄스 발생기의 고주파 변조 주파수가,
    100KHz∼1MHz인 것을 특징으로 하는 펄스형 플라즈마 식각방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 듀티 비가 3∼90%인 것을 특징으로 하는 펄스형 플라즈마 식각방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    반사 파워를 줄이기 위하여 유도 코일과 상기 고주파 발생기 사이에 캐패시터와 인덕터로 구성된 정합 네트워크를 더 결합시키는 것을 특징으로 하는 펄스형 플라즈마 식각방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    초기 트리거 펄스에 대한 지연 시간이 1μ초 이하로 조절하는 것을 특징으로 하는 펄스형 플라즈마 식각방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 초기 고주파 소오스 파워가,
    300∼3000Watt의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스형 플라즈마 식각방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 초기 인가하는 고주파 소오스 파워가,
    실질적인 13.56MHz의 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 펄스형 플라즈마 식각방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    100∼1000Watt의 바이어스 파워를 더 사용하는 것을 특징으로 하는 펄스형 플라즈마 식각방법.
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