KR20080046822A - 포커스 링 내부에 조절 전극을 갖는 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

Abstract

포커스 링 내부에 조절 전극을 갖는 플라즈마 처리 장치가 제공된다. 상기 플라즈마 처리 장치는 챔버를 구비한다. 상기 챔버 내에 설치된 척이 제공된다. 상기 척의 외주면을 둘러싸는 포커스 링이 제공된다. 상기 포커스 링은 절연성 몸체 및 상기 몸체 내에 내장된 조절 전극을 구비한다.

포커스 링, 조절 전극, 냉각부

Description

포커스 링 내부에 조절 전극을 갖는 플라즈마 처리 장치{Apparatus for plasma process having a control electrode in a focus ring}

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 단면도이다.

도 1b는 도 1a의 A 부분을 확대한 단면도이다.

도 2은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 부분 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 동작을 설명하기 위한 개략 단면도이다.

본 발명은 반도체 소자의 제조 장비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포커스 링 내부에 조절 전극을 갖는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

고집적화된 반도체 소자의 미세 패턴을 형성하기 위해 건식 식각이 주로 사용된다. 건식 식각 설비는 챔버, 상기 챔버 내에 설치된 정전척 및 상기 정전척의 상하에 설치된 전극들 구비한다. 건식 식각 공정은 상기 전극들 사이에 인가된 고 주파 전력에 의해 상기 챔버 내로 유입된 소오스 가스를 플라즈마로 변환시켜 상기 플라즈마를 사용하여 상기 정전척 상에 안착된 웨이퍼를 식각하는 과정으로 진행될 수 있다. 구체적으로, 상기 플라즈마를 구성하는 라디칼 또는 이온들은 상기 웨이퍼 상의 물질막과 물리적 및 화학적으로 반응하여 상기 물질막을 식각한다.

상기 건식 식각 설비에는 상기 웨이퍼의 가장자리를 둘러싸서 상기 웨이퍼 쪽으로 상기 플라즈마를 집중시키기 위해 상기 정전척을 둘러싸는 포커스 링(focus ring)이 설치된다. 그러나 상기 포커스 링은 전기적으로 플로팅되어 상기 포커스 링 부근에 존재하는 플라즈마의 제어가 용이하지 않다. 그 결과, 상기 포커스 링에 인접한 상기 웨이퍼의 부분 즉, 상기 웨이퍼의 가장자리의 식각율은 상기 웨이퍼의 중앙 영역에 비해 낮을 수 있다. 결과적으로, 상기 웨이퍼의 전면에 걸쳐서 균일한 식각 공정이 진행되지 않을 수 있다.

한편, 상기 건식 식각은 상기 웨이퍼의 표면 온도에 영향을 받을수 있다. 다시 말하면, 상기 웨이퍼 표면 온도는 식각율에 영향을 미칠 수 있다. 상기 웨이퍼의 표면 온도가 높을수록 상기 식각율은 높아진다. 그러나 상기 표면 온도가 과도하게 높아질 경우, 상기 건식 식각은 제어되지 않아 식각 불량이 발생될 수 있다. 이에 따라, 상기 건식 식각을 진행하는 중에 상기 웨이퍼의 후면에 대하여 냉각 가스 예를 들어, 헬륨 가스를 공급하여 상기 웨이퍼의 표면 온도를 제어한다. 그러나 상기 헬륨 가스는 상기 정전척과 접한 웨이퍼의 후면에 공급될 뿐, 상기 포커스 링에 인접한 상기 웨이퍼의 가장자리까지 원활하게 공급되지 않는다. 그 결과, 상기 웨이퍼의 가장자리에서 상기 건식 식각은 상기 웨이퍼의 중앙 영역에 비해 불량하 게 진행될 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 포커스 링 내부에 바이어스를 인가할 수 있는 조절 전극을 설치하여 상기 웨이퍼의 전면에 걸쳐서 균일하게 플라즈마 공정을 진행시키는 플라즈마 처리 장치를 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 플라즈마 처리 장치가 제공된다. 상기 플라즈마 처리 장치는 챔버를 구비한다. 상기 챔버 내에 설치된 척이 제공된다. 상기 척의 외주면을 둘러싸는 포커스 링이 제공된다. 상기 포커스 링은 절연성 몸체 및 상기 몸체 내에 내장된 조절 전극을 구비한다.

본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 조절 전극과 전기적으로 접속되는 전압 발생부를 더 포함할 수 있다. 상기 전압 발생부는 RF 전압, 소정의 극성을 갖는 직류 전압 또는 펄스 전압을 상기 조절 전극에 인가할 수 있다.

다른 실시예들에서, 상기 포커스 링의 내부 또는 하부면을 따라 설치되는 냉각부를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각부는 냉각 유체를 통과시키는 냉각 유로 또는 열전 소자(thermoelectric device)를 구비할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 A 부분을 확대한 단면도이다. 본 상세한 설명에서는 본 발명의 플라즈마 처리 장치가 식각 공정을 수행하는 경우를 한 예로 들어 설명하나, 이에 제한되지 않고, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 증착 공정을 수행하는 경우에도 적용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 플라즈마 처리 장치(100)는 웨이퍼(W)에 대한 소정의 공정, 예컨대, 식각 공정이 수행되는 공간을 제공하는 챔버(110)를 구비한다. 상기 챔버(110)의 상부 영역은 돔(dome) 형태를 가지며, 상기 챔버(110)의 상부 영역은 세라믹을 함유하는 재질로 이루어질 수 있다.

상기 챔버(110) 상부 영역의 외부에 상기 챔버(110)의 상부 영역을 감싸는 상부 전극(120)이 설치될 수 있다. 상기 상부 전극(120)은 제 1 RF 발생부(122)와 연결되어 RF 소오스 전력을 인가받을 수 있다.

상기 챔버(110)의 하부 영역 내에 웨이퍼(W)를 안착시키는 척(130)이 배치된다. 상기 식각 공정 중에 상기 척(130)이 손상되는 것을 방지하기 위해 상기 척(130)의 직경은 상기 웨이퍼(W)보다 작게 설계될 수 있다. 상기 척(130)은 정전척(electrostatic chuck; ESC), 진공척 또는 기계적인 척일 수 있다. 상기 척(130) 이 정전척을 사용하는 경우, 상기 정전척에 직류를 인가하여 상기 웨이퍼(W)는 상기 정전척에서 생성된 정전기력을 이용하여 상기 정전척에 안착될 수 있다.

상기 척(130)의 하부에 하부 전극(132)이 설치될 수 있다. 상기 하부 전극(132)은 제 2 RF 발생부(134)와 연결되어 RF 전력을 인가받을 수 있다. 상기 하부 전극(132)은 양극 산화막(알루마이트)이 형성된 알루미늄 전극일 수 있다. 상기 상, 하부 전극(120, 132)에 각각 RF 전력들이 인가되면, 소오스 가스는 소오스 가스 주입구(162)를 통해 상기 챔버(110) 내로 유입되어 상기 소오스 가스는 상기 상, 하부 전극(132) 사이에서 플라즈마로 여기될 수 있다. 상기 소오스 가스는 불소 함유된 식각 가스로 CF₄ 가스일 수 있다. 상기 플라즈마를 구성하는 라디칼 및 이온들은 상기 척(130) 상에 안착된 웨이퍼(W)를 식각할 수 있다. 상기 식각 공정 후에 잔류한 반응 부산물들은 배기구(164)를 통해 상기 챔버(110) 외부로 배출될 수 있다.

상기 식각 공정의 진행 중에, 상기 웨이퍼(W)의 온도를 조절하기 위해 상기 척(130)의 하부에 냉각 가스 라인(136)이 설치될 수 있다. 상기 냉각 가스 라인(136)은 냉각 가스 공급부(138)를 통해 제공된 냉각 가스를 상기 웨이퍼(W)의 후면에 공급하여 상기 식각 공정으로 인해 가열된 상기 웨이퍼(W)를 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각 가스는 헬륨(He) 가스를 사용할 수 있다.

한편, 상기 척(130)의 외주면을 둘러싸는 포커스 링(140)이 위치된다. 상기 포커스 링(140)은 상기 웨이퍼(W)의 둘레를 따라 상기 웨이퍼(W)의 가장자리를 둘 러싸는 몸체(142), 상기 몸체(142) 내부에 위치되는 조절 전극(144) 및 상기 조절 전극(144)과 이격되어 위치되는 냉각부를 포함할 수 있다. 상기 몸체(142)는 상기 척(130)에서 지지하지 않는 웨이퍼(W)의 가장자리를 지지할 수 있다.상기 몸체(142)는 수직으로 신장된 벽을 구비하여 상기 라디칼 또는 이온들이 상기 벽에 부딪힐 수 있다. 그 결과, 상기 라디칼 또는 이온들이 상기 웨이퍼(W)로 집중될 수 있다. 상기 몸체(142)는 절연성을 가지며, 쿼츠(quartz) 재질로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 조절 전극(144)은 상기 몸체(142)를 따라 환형으로 위치될 수 있다. 도 1b에서와 같이, 상기 조절 전극(144)은 상기 웨이퍼(W)와 평행되게 배치될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 상기 몸체(142)의 다양한 형상, 예를 들어 상기 몸체(142)의 단면 형상과 동일한 형상을 가질 수 있다. 상기 조절 전극(144)은 전압 발생부(156)와 연결되어 소정의 극성을 갖는 직류 전압 또는 펄스 전압이 상기 조절 전극(144)에 인가될 수 있다. 또한, 공정 조건에 따라, RF 전압이 상기 조절 전극(144)에 인가될 수 있다. 상기 전압들이 상기 조절 전극(144)에 인가되어 상기 조절 전극(144)은 상기 웨이퍼(W)의 가장자리 상의 플라즈마의 양을 조절할 수 있다. 자세한 설명은 후술하도록 한다.

상기 냉각부는 예를 들면, 도 1b에서와 같이, 냉각 유체를 통과시키는 냉각 유로(146)를 가질 수 있다. 상기 냉각 유로(146)는 상기 몸체(142) 내부를 따라 환형으로 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 냉각 유로(146)는 상기 몸체(142)의 하부에 위치될 수 있으며, 상기 척(130)의 가장자리 하부까지 연장되어 배치될 수 있다. 상기 냉각 유체는 액체일 수 있으며, 상기 냉각 유체는 냉각 유체 공급 부(150), 유입구(152), 상기 냉각 유로(146) 및 배출구(154)를 거쳐 다시 상기 냉각 유체 공급부(150)로 흐르도록 순환될 수 있다. 상기 웨이퍼(W)는 상기 냉각 가스 라인(136)을 통해 공급된 냉각 가스를 이용하여 냉각될 수 있으나, 상기 냉각 가스는 상기 웨이퍼(W)의 가장자리까지 원활하게 공급되지 않을 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 상기 냉각 유로(146)를 통과하는 냉각 유체를 이용하여 상기 웨이퍼(W)의 가장자리는 충분히 냉각될 수 있다. 따라서, 상기 식각 공정 진행 중에 상기 웨이퍼(W)의 가장자리의 온도를 용이하게 조절할 수 있다. 즉, 상기 웨이퍼(W)의 전면에 대하여 균일한 온도를 갖도록 조절할 수 있다. 그 결과, 상기 웨이퍼(W)의 전면에 걸쳐서 균일한 식각이 진행될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 부분 단면도이다. 본 실시예에서는 상기 냉각부의 구현 수단이 도 1a 및 도 1b의 실시예와 다르다. 포커스 링(140a)은 몸체(142), 상기 몸체(142) 내부에 배치되는 조절 전극(144) 및 상기 몸체(142)의 하부를 따라 환형으로 설치되는 열전 소자(thermoelectric device; 148)를 구비할 수 있다. 상기 열전 소자(148)는 상기 웨이퍼(W)의 가장자리에서 냉각 효율을 증대시키기 위해 상기 몸체(142)의 하부로부터 상기 척(130)의 가장자리 하부까지 연장되어 배치될 수 있다. 상기 열전 소자(148)는 전압 제공부(158)로부터 인가된 전력에 의해 구동될 수 있다. 상기 열전 소자(148)는 도 1a의 냉각 유로(146)와 동일한 기능을 수행한다. 다른 실시예에서, 상기 열전 소자(148)는 도1a에서와 같이, 상기 몸체(142) 내부에 설치될 수 있다.

이하, 도 1a 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처 리 장치의 동작에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 동작을 설명하기 위한 개략 단면도이다.

상기 웨이퍼(W)가 상기 척(130) 상에 안착된 후, 상기 상, 하부전극(120, 132)에 각각 RF 전력들을 인가한다. 상기 챔버(110) 내로 유입된 소오스 가스는 상기 상, 하부전극(120, 132) 사이에 플라즈마(P1)로 변환된다. 상기 플라즈마(P1)는 상기 척(130)과 중첩되는 상기 웨이퍼(W)의 영역 즉, 상기 웨이퍼(W)의 중앙 영역 상에는 다량으로 존재하나, 상기 웨이퍼(W)의 가장자리 상에는 상기 웨이퍼(W)의 중앙 영역에 비해 적을 수 있다. 이는 상기 몸체(142)가 절연성 재질로 이루어져 상기 몸체(142) 주변에는 전기장이 약하게 생성되는 것에 기인한다.

상기 조절 전극(144)에 공정 조건에 따라 소정의 극성을 갖는 직류 전압, RF 전압 또는 펄스 전압을 인가한다. 예를 들어, 상기 조절 전극(144)에 음의 전압이 인가되는 경우에 양의 극성을 띠는 라디칼 또는 양이온들이 웨이퍼(W)의 가장자리 상에서 증가한다. 그 결과, 상기 웨이퍼(W)의 가장자리 상부에 상기 라디칼 또는 이온들이 증가되어 확장된 플라즈마(P2)가 생성된다. 상기 인가된 전압을 적절하게 조절하는 경우에 상기 웨이퍼(W)의 중앙 영역부터 상기 웨이퍼(W)의 가장자리까지 상기 라디칼 또는 이온들이 균일한 양을 가질 수 있다. 따라서, 상기 웨이퍼(W)의 전면에 걸쳐서 균일한 식각이 진행될 수 있다. 또한, 상기 웨이퍼(W)의 가장자리에 대한 식각이 과도하게 진행되는 경우에 상기 조절 전극(144)에 인가되는 전압을 감소시키거나 상기 조절 전극(144)을 접지시킬 수 있다. 그 결과, 상기 확장된 플라즈마(P1)는 초기의 플라즈마(P1)로 축소될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 포커스 링 내부에 조절 전극을 설치하여 상기 웨이퍼의 가장자리 상의 플라즈마의 양을 조절한다. 따라서 상기 웨이퍼의 전면에 대하여 플라즈마의 양을 균일하게 제공하여 상기 웨이퍼의 전면에 대하여 식각이 균일하게 진행된다. 아울러, 상기 포커스 링 내부 또는 하부에 냉각부를 설치하여 상기 웨이퍼의 가장자리측의 표면 온도를 조절할 수 있다. 그 결과, 상기 웨이퍼의 전면은 균일한 표면 온도를 가질 수 있어, 상기 웨이퍼의 전면에 걸쳐서 균일한 식각이 진행될 수 있다.

Claims (4)

1. 챔버;

   상기 챔버 내에 설치된 척; 및

   상기 척의 외주면을 둘러싸는 포커스 링을 포함하되, 상기 포커스 링은 절연성 몸체 및 상기 몸체 내에 내장된 조절 전극을 구비하는 플라즈마 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 조절 전극과 전기적으로 접속되는 전압 발생부를 더 포함하되, 상기 전압 발생부는 RF 전압, 소정의 극성을 갖는 직류 전압 또는 펄스 전압을 상기 조절 전극에 인가하는 플라즈마 처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 포커스 링의 내부 또는 하부면을 따라 설치되는 냉각부를 더 포함하는 플라즈마 처리 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 냉각부는 열전 소자(thermoelectric device) 또는 냉각 유체를 통과시키는 냉각 유로를 구비하는 플라즈마 처리 장치.

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