KR20100001552A - 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법 - Google Patents
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Abstract
플라즈마를 이용하여 기판 상에 형성된 박막을 식각하기 위한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법이 개시되어 있다. 상기 식각 장치는 하부 전극 및 상부 전극을 구비하며, 하부 전극에 전달되는 바이어스 파워 및 상부 전극에 전달되는 소스 파워에 의해 생성되는 플라즈마를 이용하여 식각 공정을 수행하기 위한 공정 챔버, 바이어스 파워의 무선 주파수를 펄스형 모드로 인가하는 바이어스 파워부, 소스 파워의 무선 주파수를 펄스형 모드로 인가하는 소스 파워부 및 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수 및 소스 파워의 펄스형 무선 주파수의 인가 시간을 완전한 역위상으로 동기화시키는 동기화부를 포함한다. 따라서, 상기 식각 장치는 소스 파워 및 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수들을 완전히 역위상으로 동기화시켜 인가시킬 수 있으므로 기판 상에 형성된 박막의 식각 특성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 기판 상에 형성된 박막을 식각하여 우수한 패턴을 형성할 수 있는 플라즈마를 이용하는 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법에 관한 것이다.
최근, 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 보급에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있으며, 이러한 반도체 장치는 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 미세 패턴의 가공 기술이 발전되고 있다. 근래의 미세 패턴의 가공 기술의 예로서는 플라즈마를 사용하여 기판 상에 형성된 박막을 식각함으로써, 패턴을 형성하는 플라즈마 식각 기술을 들 수 있다. 이러한 플라즈마 식각 기술로서는 고밀도 플라즈마(high density plasma : HDP)를 이용하여 비휘발성 금속막(non-volatile metal layer)을 식각하는 기술이 있다.
종래의 고밀도 플라즈마를 사용하여 비휘발성 금속막을 식각하는 기술에 이용되는 식각 장치는 대체로 하부 전극 및 상부 전극을 포함하는 공정 챔버를 포함 한다. 상기 하부 전극에 전달되는 바이어스(bias) 파워와 상기 상부 전극에 전달되는 소스(source) 파워에 의해 가스와 같은 소스 물질로부터 고밀도 플라즈마를 생성한 후, 생성된 고밀도 플라즈마를 이용하여 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막을 식각하게 된다.
전술한 고밀도 플라즈마를 이용하여 비휘발성 금속막을 식각하는 장치는 주로 테갈(TEGAL)사, 어플라이드 머티어리얼스(APPLIED MATERIALS)사, 시그마 멜텍(SIGMA MELTEC)사 등에서 제조하고 있는데, 각 제조사마다 식각 장치의 특성이 약간 상이하다. 예를 들면, 어플라이드 머티어리얼스사의 식각 장치는 바이어스 파워의 무선 주파수(radio frequency : RF)가 약 0.03 ~ 3MHz 정도이고, 소스 파워의 무선 주파수는 약 30 ~ 400MHz 정도이다. 반면, 테갈사와 시그마 멜텍사의 식각 장치는 하부 전극에 바이어스 파워와 소스 파워가 함께 전달된다. 이때, 소스 파워의 무선 주파수는 약 13.56MHz으로 공통이나, 바이어스 파워의 무선 주파수는 각기 약 450kHz와 약 100MHz로 서로 상이하다.
상술한 바와 같이, 종래의 플라즈마 식각 장치는 다소 상이한 특성을 가지지만, 식각 장치 내에 플라즈마를 형성하고, 상기 플라즈마 내에 양(+)으로 대전된 입자들이 생성되어 이들을 이용하여 박막을 식각하는 개념은 동일하다. 즉, 종래의 식각 장치는 플라즈마 내에 양(+)으로 대전된 입자들을 이용하여 박막을 식각하는 경우가 대부분이다.
그러나, 양(+)으로 대전된 입자들을 이용하여 비휘발성 금속막을 식각하는 경우, 비휘발성 반응 생성물을 제대로 제거하기 어렵기 때문에 식각 속도가 저하되 며, 패턴의 측벽이 원하는 수직 프로파일을 가지기 어려울 뿐만 아니라, 반응 생성물이 패턴이나 기판에 재증착되는 문제가 발생된다. 또한, 종래의 플라즈마 식각 장치에서는 비휘발성 금속막에 대한 식각 속도를 증가시킬 수 있는 음(-)으로 대전된 입자들을 기판 상에 위치하는 박막으로 최대한 입사시킬 수 있도록 하는 조건은 고려되고 있지 않다. 따라서, 비휘발성 금속막으로부터 원하는 패턴을 형성할 수 있는 플라즈마를 이용하는 새로운 식각 장치가 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 생성하여 기판 상에 형성된 박막을 높은 식각 속도로 식각할 수 있는 플라즈마를 이용한 식각 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 이용하여 기판 상에 형성된 박막을 높은 식각 속도로 식각하는 플라즈마 식각 방법을 제공하는데 있다.
상술한 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치는 하부 전극 및 상부 전극을 구비하며, 상기 하부 전극에 전달되는 바이어스 파워 및 상기 상부 전극에 전달되는 소스 파워에 의해 생성되는 플라즈마를 이용하여 상기 하부 전극 상에 위치하는 기판 상에 형성된 박막을 식각하는 식각 공정이 수행되는 공정 챔버와, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수(radio frequency)를 50kHz 내지 500kHz의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하는 바이어스 파워부와, 상기 소스 파워의 무선 주파수를 27MHz 내지 500MHz의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하는 소스 파워부 및 상기 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수 및 상기 소스 파워의 펄스형 무선 주파수의 인가 시간을 완전한 역위상(out of phase)으로 동기화시키는 동기화부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극에는 상기 플라즈마 내의 음 으로 대전된 입자들을 상기 기판 방향으로 가속하기 위해 DC(direct current) 네거티브 파워를 제공하는 DC 파워부가 연결될 수 있다.
이때, 상기 DC 파워부는 DC 파워를 상기 상부 전극에 -50V 내지 -1,000V의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하며, 상기 DC 파워의 인가 시간은 5us 내지 10us일 수 있다.
그리고, 상기 상부 전극의 온도는 100℃ 내지 300℃, 상기 하부 전극의 온도는 100℃ 내지 350℃이며, 상기 공정 챔버의 내벽 온도는 50 내지 200℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마를 이용한 식각 장치는 고밀도 플라즈마(high density plasma : HDP)에 의해 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막을 식각하기 위한 장치일 수 있다.
상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법은 공정 챔버에 식각 공정이 수행될 박막이 형성된 기판을 로딩한다. 상기 공정 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 공정 가스를 제공한다. 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 생성하기 위하여 상기 공정 가스에 소스 파워를 펄스형 모드로 인가한다. 상기 소스 파워의 인가를 멈춘 후, 상기 플라즈마가 상기 기판 방향으로 향하여 상기 박막을 식각하기 위해 상기 기판에 바이어스 파워를 펄스형 모드로 인가한다. 상기 바이어스 파워 및 상기 소스 파워를 끈다. 상기 공정 가스의 주입을 차단한다. 상기 기판을 상기 공정 챔버로부터 언로딩한다. 특히, 상기 바이어스 파워 및 상기 소스 파워는 완전한 역위상의 펄스를 갖도록 동기화된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이어스 파워를 인가한 후에, 상기 플라즈마 내의 음(-)으로 대전된 입자들을 상기 기판 방향으로 가속화시키도록 DC 파워를 -50V 내지 -1,000V의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하고, 상기 바이어스 파워가 턴온(turn-on)된 상태에서, 상기 DC 전압을 끌 수 있다.
이때, 상기 DC 파워는 짧은 펄스(short pulse)로 인가되며, 상기 DC 파워의 인가 지속 시간은 5us 내지 10us일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소스 파워의 무선 주파수는 27MHz 내지 100MHz의 범위를 가지고, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수는 50kHz 내지 500kHz의 범위를 가질 수 있다. 또한, 상기 소스 파워 및 상기 바이어스 파워를 펄스형 모드로 바꾸기 위하여, 듀티 싸이클(duty cycle)이 20% 내지 90%이고 무선 주파수가 100Hz 내지 10kHz인 파워를 인가시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마를 생성할 때 상기 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들이 기판 방향으로 향하도록 바이어스 파워의 무선 주파수 및 소스 파워의 무선 주파수를 동기화시켜 인가함으로서 잔류 반응 생성물이 최소화시키면서, 높은 식각 속도 및 수직한 측벽 프로파일을 갖는 우수한 식각 공정을 수행할 수 있다. 특히, 식각 가스를 플라즈마 상태로 유지시키기 위해 소스 파워의 무선 주파수를 높게 조정하고, 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 기판 표면으로 입사시키기 위하여 바이어스 파워의 무선 주파수를 낮게 조정한다. 이때, 상기 무선 주파수들은 펄스화하여 인가되며, 완벽한 역위상을 갖도록 인가 시간은 동기화시킨다. 이와 같이, 식각 장치의 무선 주파수들을 조정하고, 동기화시켜 인가함으로서, 기판 방 향으로 입사되는 음(-)으로 대전된 입자들을 가속시킬 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법에 따르면, 플라즈마를 생성할 때 상기 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 기판 상에 형성된 박막으로 향하도록 바이어스 파워의 무선 주파수 및 소스 파워의 무선 주파수를 역위상을 갖도록 동기화시켜 인가함으로서 잔류 반응 생성물이 최소화시키면서, 높은 식각 속도 및 수직한 측벽 프로파일을 갖는 우수한 식각 공정을 수행할 수 있다.
특히, 식각 가스를 플라즈마 상태로 유지시키기 위해 소스 파워의 무선 주파수를 높게 조정하고, 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 기판 표면으로 입사시키기 위하여 바이어스 파워의 무선 주파수를 낮게 조정한다. 이때, 상기 무선 주파수들은 펄스화하여 인가되며, 완벽한 역위상을 갖도록 인가 시간은 동기화시킨다. 상기와 같이, 식각 장치의 무선 주파수들을 조정하고 동기화시켜 인가함으로서, 기판 방향으로 입사되는 음(-)으로 대전된 입자들을 가속시킬 수 있다. 또한, 상기 플라즈마를 이용한 식각 장치를 통해 음(-)으로 대전된 입자들의 기판을 향한 입사 에너지도 제어가능하여, 우수한 식각 특성을 갖도록 조절할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명 의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 즉, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본문에 설명된 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니므로 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해될 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 또는 "~에 인접하는" 등도 마찬가지로 해석될 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치를 설명하기 위한 구성도이다. 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치는 고밀도 플라즈마(high density plasma : HDP)를 사용하여 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막을 효율적으로 식각할 수 있는 플라즈마를 이용한 식각 장치이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마를 이용한 식각 장치(100)는 하부 전극(104) 및 상부 전극(106)을 포함하는 공정 챔버(110), 하부 전극(104)에 전달되는 바이어스 파워를 인가하는 바이어스 파워부(112), 상부 전극(106)에 전달되는 소스 파워를 인가하는 소스 파워부(114), 그리고 상기 바이어스 파워와 소스 파워의 무선 주파 수들의 인가 시간을 실질적으로 완전한 역위상으로 동기화시킬 수 있는 동기화부(120)를 포함한다. 또한, 플라즈마를 이용한 식각 장치(100)는 공정 챔버(110)를 진공으로 형성하며, 공정 챔버(110) 내에 잔류하는 식각 가스를 배출시키기 위한 펌프(122)를 추가적으로 구비한다.
공정 챔버(110)는 상부 전극(106)의 중심을 통과하는 가스 제공부(116)를 통하여 유입되는 공정 가스로부터 플라즈마가 생성되는 공간을 제공한다. 또한, 공정 챔버(110)는 생성된 플라즈마를 이용하여 기판(102) 상에 형성된 막을 건식 식각하는 공간을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 공정 챔버(110)는 원통형 형상을 가질 수 있다. 또한, 공정 챔버(110)의 상부는 평탄한 구조나 반구 형상을 가질 수 있다.
하부 전극(104)은 공정 챔버(110)의 하부에 위치하며, 원판의 형상을 가질 수 있다. 하부 전극(104)은 바이어스 파워가 인가되어 기판(102) 상부의 공정 챔버(110) 내에 형성된 플라즈마의 이온들에 방향성을 부여하는 역할을 수행한다. 또한, 하부 전극(104)은 공정 챔버(110) 내부로 유입되는 상부에 박막이 형성된 기판(102)을 지지하는 척(chuck)의 역할도 수행할 수 있다. 이 경우, 기판(102) 상에 형성되어 플라즈마로 식각되는 박막은 비휘발성 금속막에 해당될 수 있다. 예를 들면, 상기 비휘발성 금속막은 코발트(Co), 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 등의 비휘발성 금속을 포함할 수 있다.
기판(102)은 하부 전극(104)의 아래에 배치되며, 하부 전극(104)을 관통하여 수직 방향으로 배치된 다수의 리프트 핀들(도시되지 않음)에 의해 하부 전극(104) 상으로 로딩(loading)되거나, 하부 전극(104)으로부터 언로딩(unloading)될 수 있다. 상기 리프트 핀들은 하부 전극(104)의 하부에 결합되는 리프터들(도시되지 않음)에 의해 공정 챔버(110) 내에서 실질적으로 수직한 방향을 따라 구동될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 하부 전극(104)의 저면 또는 내부에는 하부 전극(104) 상에 지지되는 기판(102)을 가열하기 위한 히터(도시되지 않음)와 공정 챔버(110) 내부의 반응 온도를 유지하기 위한 온도 센서(도시되지 않음)가 추가적으로 구비될 수 있다. 이러한 히터로는 램프 방식의 히터 또는 열선 방식의 히터가 이용될 수 있으며, 상기 온도 센서로는 열전대 온도계가 사용될 수 있다.
상부 전극(106)은 하부 전극(104)에 대향하여 공정 챔버(110)의 상측 에 구비된다. 상부 전극(106)은 알루미늄으로 구성된 제1 전극과 제2 전극 및 실리콘으로 이루어진 제3 전극을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 상부 전극(106)은 샤워 헤드(shower head) 역할을 수행할 수 있다. 상부 전극(106)의 제1 전극에는 가스 제공부와 연결되는 제1 관통공이 형성된다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 기판(102)을 가공하기 위한 반응 가스가 수납되는 공간이 형성되어 있으며, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극에는 상기 반응 가스를 공정 챔버(110) 내부로 균일하게 제공하기 위한 다수개의 관통공(도시되지 않음)들이 형성되어 있다.
바이어스 파워부(112)는 하부 전극(104)에 연결되어 하부 전극(104)에 바이어스 파워를 전달하며, 소스 파워부(114)는 상부 전극(106)에 연결되어 상부 전극(106)으로 소스 파워를 전달한다. 바이어스 파워부(112)와 소스 파워부(114)는 각기 하부 전극(104)과 상부 전극(106)을 통해 공정 챔버(110) 내로 유입되는 공정 가스에 소스 파워 및 바이어스 파워를 인가함으로써, 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 생성시키는 역할을 수행한다. 이 경우, 상기 소스 파워의 무선 주파수와 상기 바이어스 파워의 무선 주파수는 각각은 가변적으로 조정될 수 있다. 이를 위하여, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수를 가변적으로 조정할 수 있는 제1 가변부(112a)가 바이어스 파워부(112)에 연결되어 있으며, 상기 소스 파워의 무선 주파수를 가변적으로 조정할 수 있는 제2 가변부(114a)가 소스 파워부(114)에 연결되어 있다. 따라서, 기판(102) 상에 형성된 비휘발성 금속막을 식각할 때 제1 가변부(112a) 및 제2 가변부(114a)를 이용함으로써, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수 및 상기 소스 파워의 무선 주파수를 각기 원하는 설정 범위 내에서 조정할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 소스 파워의 무선 주파수는 약 27MHz 내지 약 100MHz 정도로 설정될 수 있으며, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수는 약 50kHz 내지 약 500kHz 정도로 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 소스 파워의 무선 주파수와 상기 바이어스 파워의 무선 주파수는 각기 펄스형 모드로 인가될 수 있으며, 실질적으로 완전한 역위상(out of phase)으로 동기화되어 인가될 수 있다. 이 경우, 상기 소스 파워 및 상기 바이어스 파워를 펄스형 모드로 바꾸기 위하여, 듀티 싸이클(duty cycle)은 약 20% 내지 약 90% 정도이며, 무선 주파수가 약 100Hz 내지 약 10kHz 정도인 파워를 인가할 수 있다.
동기화부(120)는 바이어스 파워부(112) 및 소스 파워부(114)와 연결되며, 상 기 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수 및 상기 소스 파워의 펄스형 무선 주파수가 제공될 때, 주파수의 위상이 완전히 반대가 되도록 조절하는 역할을 수행한다. 예를 들면, 동기화부(120)는 상기 소스 파워의 무선 주파수를 인가하고 업 펄스 기간이 끝난 후, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수를 인가하는 방식으로 각각의 설정 범위 내에서 번갈아 인가하도록 조절할 수 있다.
상술한 구성을 갖는 플라즈마를 이용한 식각 장치는 소스 파워 및 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수들을 역위상으로 동기화시켜 인가함으로써, 기판 상의 박막을 식각하여 실질적으로 수직한 측벽 프로파일을 갖는 패턴을 형성할 수 있는 동시에 높은 식각 속도로 박막을 식각할 수 있으므로 기판 상에 형성된 박막의 식각 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치를 설명하기 위한 구성도이다. 도 2에 있어서, 플라즈마를 이용한 식각 장치(200)는 DC 파워부(218)를 추가적으로 포함하는 점을 제외하면, 도 1을 참조하여 설명한 플라즈마를 이용한 식각 장치(100)와 실질적으로 유사한 구성을 가진다.
도 2를 참조하면, 플라즈마를 이용한 식각 장치(200)는 하부 전극(204), 상부 전극(206), 공정 챔버(210), 바이어스 파워부(212), 소스 파워부(214), 가스 제공부(216), DC 파워부(218), 동기화부(220), 그리고 펌프(222)를 구비한다.
이러한 플라즈마를 이용한 식각 장치(200)에 있어서, 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수의 인가 후, DC(direct current) 네거티브 파워를 인가하기 위하여 상부 전극(206)에 연결되는 DC 파워부(218)가 추가적으로 구비된다. 여기서, 상기 DC 네거티브 파워는 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간에 인가될 수 있다. 예를 들면, 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간 동안 음(-)으로 대전된 입자들이 집중적으로 생성되며, 상기 바이어스 파워가 인가됨에 따라 상기 음으로 대전된 입자들이 기판(202) 방향으로 이동하게 된다. 이에 따라, 상기 DC 네거티브 파워가 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간 동안 인가됨으로써, 음(-)으로 대전된 입자들에 척력을 제공하여 상기 입자들의 속도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 DC 네거티브 파워는 짧은 펄스(short pulse)로 인가될 수 있으며, 이러한 DC 네거티브 파워의 인가 지속 시간은 약 5us 내지 약 10us 정도가 될 수 있다. 또한, 상부 전극(206)에 인가되는 DC 전압은 약 - 50V 내지 약 - 1,000V 정도가 될 수 있다.
전술한 바와 같이, DC 파워부를 포함하는 플라즈마를 이용한 식각 장치는 소스 파워 및 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수들을 인가시켜 생성된 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들의 기판을 향하는 입사 속도를 증가시킬 수 있다. 또한, DC 전압의 조절을 통해 음(-)으로 대전된 입자들을 이용한 식각 속도를 추가로 제어할 수 있으므로 기판 상에 형성된 박막의 식각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
이하, 상기 플라즈마를 이용한 식각 장치를 이용한 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막을 식각하는 방법을 상세하게 설명한다.
도 3은 도 2에 도시된 플라즈마를 이용한 식각 장치를 이용하는 플라즈마의 식각 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 도 4는 소스 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이며, 도 5는 바이어스 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이며, 도 6은 DC 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 먼저 공정 챔버 내로 식각 공정이 수행될 박막이 형성된 기판을 로딩시킨다(단계 S110). 상기 기판은 공정 챔버 내에 배치된 하부 전극 상에 위치한다. 상기 박막은 비휘발성 금속막을 포함할 수 있다. 상기 기판을 공정 챔버 내에 로딩시킨 다음, 상기 공정 챔버 내에 설정된 공정 조건을 조성한다. 예를 들면, 상기 박막의 종류에 따라 상기 공정 챔버 내의 압력 및 온도 등을 적절한 조건으로 조성한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상부 전극과 하부 전극 및 공정 챔버의 측벽은 각기 설정 온도 범위로 가열시켜 유지시킨다. 이에 따라, 상기 공정 챔버의 내벽의 온도를 높게 유지시켜 비휘발성 식각 반응물을 포함하는 반응물의 탈착(desorption) 반응을 원활하게 수행되도록 보조할 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 전극의 설정 온도 범위는 약 100℃ 내지 약 300℃ 정도가 될 수 있고, 상기 하부 전극의 설정 온도 범위는 약 100℃ 내지 약 350℃ 정도가 될 수 있다. 또한, 상기 공정 챔버 측벽의 설정 온도 범위는 약 50℃ 내지 약 200℃ 정도가 될 수 있다.
상기 공정 챔버의 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 공정 가스를 제공한다(단계 S120). 예를 들면, 상기 공정 가스는 삼염화붕소(BCl3) 가스, 염소(Cl2) 가스 등을 포함할 수 있다.
상기 공정 가스로부터 플라즈마를 생성하기 위하여 상기 공정 가스에 소스 파워를 펄스형 모드로 인가한다(단계 S130). 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 상부 전극에 연결된 소스 파워부에서 소스 파워를 펄스형 모드로 인가함으로써, 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 생성시킨다. 이 때, 플라즈마 상태로 형성된 공정 가스에서는 양(+)으로 대전된 입자들과 음(-)으로 대전된 입자들 및 전자들이 형성된다. 상기 펄스형 소스 파워의 무선 주파수는 5mT 이하까지도 플라즈마를 안정되게 유지하기 위해서 약 27MHz 내지 약 100MHz 정도의 매우 높은 주파수(very high frequency : VHF) 범위를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 펄스형 소스 파워의 무선 주파수는 약 60MHz 내지 약 80MHz 정도의 범위를 가질 수 있다.
상기 소스 파워의 인가를 멈춘 다음, 상기 플라즈마가 상기 기판 방향으로 향하여 상기 비휘발성 금속막에 식각 반응을 일으키도록 상기 기판에 바이어스 파워를 펄스형으로 인가한다(단계 S140). 상기 바이어스 파워는 상기 하부 전극에 연결된 바이어스 파워부를 통해 기판에 제공된다. 상기 소스 파워의 인가가 멈춘 후에 바이어스 파워가 인가됨으로써, 상기 전자들 및 상기 양(+)으로 대전된 입자들 사이에 충돌이 발생하여 음(-)으로 대전된 입자들이 집중적으로 생성된다. 상기 펄스형 바이어스 파워의 무선 주파수는 상기 음(-)으로 대전된 입자들이 상기 비휘발성 금속막과 식각 반응을 일으키도록 약 50kHz 내지 약 500kHz 정도의 낮은 주파수(low frequency : LF)로 조정된다. 상기 바이어스 파워의 무선 주파수가 약 500kHz 보다 높은 범위를 갖는 경우, 생성된 플라즈마 내에 음(-)으로 대전된 입자들은 반응 시간을 벗어나도록 대응하고, 비교적 가벼운 전자들만이 반응 시간내에 대응하므로, 음의 DC 바이어스 파워가 기판에 제공될 경우 상기 음(-)으로 대전된 입자들은 기판 방향으로 입사되기 어렵다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 소스 파워의 펄스형 무선 주파수 및 상기 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수는 완전한 역위상(out of phase)을 이루도록 인가 시간이 동기화된다. 즉, 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간 동안 상기 바이어스 파워가 인가됨으로서 음(-)으로 대전된 입자들이 집중적으로 생성되고, 생성된 상기 음(-)으로 대전된 입자들은 상기 바이어스 파워의 제어를 통해 기판 방향으로 향하게 된다.
상기 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들을 상기 기판 방향으로 가속화시키도록, 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간 동안 상기 상부 전극에 음의 DC 파워를 짧은 펄스로 인가한다(단계 S150). 상기 음의 DC 파워를 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간 동안 인가함으로써, 상기 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들과 상기 상부 전극 사이에 척력이 발생되어 상기 입자들의 기판 방향의 입사 속도가 증가하게 된다. 상기 DC 파워는 약 - 50V 내지 약 - 1000V의 범위를 가질 수 있으며, 상기 DC 파워의 인가 지속 시간은 약 5us 내지 약 10us 정도가 될 수 있다.
상기 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막의 식각 공정이 완료되면, 상기 음의 DC 파워를 끈다(단계 S160). 이때, 상기 음의 DC 파워는 상기 바이어스 파워가 턴온(turn-on)된 상태에서 끌 수 있다.
바이어스 파워를 끄고(단계 S170), 이어서 소스 파워를 끈다(단계 S180). 다음에, 상기 식각 공정에 사용된 공정 가스의 주입을 차단한다(단계 S190). 이후에, 상기 공정 챔버 내부의 공정 가스 및 반응 생성물을 펌핑하여 진공 상태로 형성한 후, 식각 반응이 완료된 기판을 상기 공정 챔버로부터 언로딩한다(단계 S200).
상술한 바와 같이, 상기 소스 파워의 무선 주파수 및 상기 바이어스 파워의 무선 주파수를 모두 펄스형으로 인가하고, 실질적으로 완전한 역위상(out of phase)을 이루도록 인가 시간을 동기화시킴으로서, 높은 식각 속도 및 수직한 측벽 프로파일을 갖는 우수한 식각 공정이 수행될 수 있다. 또한, 상기 플라즈마를 이용한 식각 장치 내에 음의 DC 파워의 인가를 통해 음(-)으로 대전된 입자들의 기판을 향한 입사 에너지도 제어 가능하여, 우수한 식각 특성을 갖도록 조절할 수 있다. 또한, 공정 챔버를 가열시켜 반응 생성물의 탈착 반응을 증가시킴으로써 비휘발성 반응 생성물 및 식각 이온 잔류물의 잔류를 최소화시킬 수 있으며, 음이온 식각에 의해 부식성이 강한 잔여 염소(Cl)기도 최소화시킬 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 소스 파워 및 바이어스 파워의 무선 주파수를 완전한 역위상으로 인가 시간을 동기화시키는 경우 공정 챔버 내부에 형성된 플라즈마 상태의 공정 가스 입자들의 분포 결과를 나타낸다. 도 7a는 플라즈마 내 양(+)으로 대전된 입자들의 공정 시간에 따른 생성량을 나타낸 그래프이고, 도 7b는 플라즈마 내 공정 시간에 따른 전자 밀도 및 온도를 나타낸 그래프이며, 도 7c는 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들의 공정 시간에 따른 생성량을 나타낸 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 상기 플라즈마를 이용한 비휘발성 금속막의 식각 결과, 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간에 생성된 플라즈마 내 전자의 밀도 및 온도가 급격히 감소되며, 이때, 전자들의 양(+)으로 대전된 입자들과 충돌하여 반응할 확률이 증가되어 음(-)으로 대전된 입자들이 집중적으로 생성되는 것을 확 인할 수 있다.
또한, 상기 소스 파워의 다운 펄스 기간에 최대로 생성되는 음(-)으로 대전된 입자들은 바이어스 파워의 제어를 통해 기판 방향으로 용이하게 입사시킬 수 있다. 이때, 상기 음(-)으로 대전된 입자들의 기판 방향으로의 입사량은 전체 주기 중 펄스가 차지하는 듀티비(duty ratio)의 제어를 통해 조정될 수 있다. 상기 듀티비를 최소화시킴으로서, 상기 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들의 입사량을 최대화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들이 집중적으로 생성되도록 무선 주파수들을 역위상의 펄스로 인가함으로서 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막에 대하여 우수한 식각 특성을 갖는 음이온 식각을 수행할 수 있다. 또한, 상기 음이온 식각시 공정 챔버의 내벽을 가열해줌으로써 반응 생성물과 부식성 식각 가스 잔류물을 완전히 제거시킬 수 있으며, 식각된 비휘발성 금속막의 측벽 프로파일이 수직하게 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마의 생성시 무선 주파수들을 역위상의 펄스형으로 인가시켜 음(-)으로 대전된 입자들을 집중적으로 생성시킴으로써, 기판 상에 형성된 박막을 음이온 식각할 수 있는 식각 장치를 제공할 수 있다. 특히, 상기 음이온 식각이 가능한 플라즈마를 이용한 식각 장치는 비휘발성 금속막의 식각시 수직한 측벽 프로파일을 갖도록 식각할 수 있으며, 식각 이온 잔류물의 잔류를 최소화시킬 수 있다. 또한, 높은 식각 속도를 제공할 수 있으며, 음의 DC 파워나 바이어스 파 워의 제어를 통해 상기 식각 속도를 유용하게 조절시킬 수 있다. 따라서, 상기 식각 장치를 이용한 비휘발성 금속막의 음이온 식각 공정에서는 식각 효율성이 증대될 수 있다.
상술한 바에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 식각 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 플라즈마를 이용한 식각 장치를 이용하는 플라즈마의 식각 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 4는 소스 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5는 바이어스 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6은 DC 파워의 파동형 모드를 공정 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 7a는 플라즈마 내 양(+)으로 대전된 입자들의 공정 시간에 따른 생성량을 나타낸 그래프이다.
도 7b는 플라즈마 내 공정 시간에 따른 전자 밀도 및 온도를 나타낸 그래프이다.
도 7c는 플라즈마 내 음(-)으로 대전된 입자들의 공정 시간에 따른 생성량을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 플라즈마를 이용한 식각 장치
102, 202 : 기판 104, 204 : 하부 전극
106, 206 : 상부 전극 110, 210 : 공정 챔버
112, 212 : 바이어스 파워부 114, 214 : 소스 파워부
116, 216 : 가스 제공부 120, 220 : 동기화부
122, 222 : 펌프 218 : DC 파워부
Claims (10)
- 하부 전극 및 상부 전극을 구비하며, 상기 하부 전극에 전달되는 바이어스 파워 및 상기 상부 전극에 전달되는 소스 파워에 의해 생성되는 플라즈마를 이용하여 상기 하부 전극 상에 위치하는 기판 상에 형성된 박막을 식각하는 식각 공정이 수행되는 공정 챔버; 및상기 바이어스 파워의 무선 주파수(radio frequency)를 50kHz 내지 500kHz의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하는 바이어스 파워부;상기 소스 파워의 무선 주파수를 27MHz 내지 500MHz의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하는 소스 파워부; 및상기 바이어스 파워의 펄스형 무선 주파수 및 상기 소스 파워의 펄스형 무선 주파수의 인가 시간을 완전한 역위상(out of phase)으로 동기화시키는 동기화부를 포함하는 플라즈마를 이용한 식각 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 상부 전극에는 상기 플라즈마 내의 음으로 대전된 입자들을 상기 기판 방향으로 가속하기 위해 DC(direct current) 네거티브 파워를 제공하는 DC 파워부가 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 식각 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 DC 파워부는 DC 파워를 상기 상부 전극에 -50V 내지 -1,000V의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하며, 상기 DC 파워의 인가 시간은 5us 내지 10us인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 식각 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 상부 전극의 온도는 100℃ 내지 300℃, 상기 하부 전극의 온도는 100℃ 내지 350℃이며, 상기 공정 챔버의 내벽 온도는 50 내지 200℃인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 식각 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마를 이용한 식각 장치는 고밀도 플라즈마(high density plasma : HDP)에 의해 기판 상에 형성된 비휘발성 금속막을 식각하기 위한 장치인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 식각 장치.
- 공정 챔버에 식각 공정이 수행될 박막이 형성된 기판을 로딩하는 단계;상기 공정 챔버 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 공정 가스를 제공하는 단계;상기 공정 가스로부터 플라즈마를 생성하기 위하여 상기 공정 가스에 소스 파워를 펄스형 모드로 인가하는 단계;상기 소스 파워의 인가를 멈춘 후, 상기 플라즈마가 상기 기판 방향으로 향하여 상기 박막을 식각하기 위해 상기 기판에 바이어스 파워를 펄스형 모드로 인가하는 단계;상기 바이어스 파워 및 상기 소스 파워를 끄는 단계;상기 공정 가스의 주입을 차단하는 단계; 및상기 기판을 상기 공정 챔버로부터 언로딩하는 단계를 포함하며, 상기 바이어스 파워 및 상기 소스 파워는 완전한 역위상의 펄스를 갖도록 동기화되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 바이어스 파워를 인가하는 단계 이후에,상기 플라즈마 내의 음(-)으로 대전된 입자들을 상기 기판 방향으로 가속화시키도록 DC 파워를 -50V 내지 -1,000V의 범위 내에서 펄스형 모드로 인가하는 단계; 및상기 바이어스 파워가 턴온(turn-on)된 상태에서, 상기 DC 전압을 끄는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 DC 파워는 짧은 펄스(short pulse)로 인가되며, 상기 DC 파워의 인가 지속 시간은 5us 내지 10us인 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 소스 파워의 무선 주파수는 27MHz 내지 100MHz의 범위를 가지고, 상기 바이어스 파워의 무선 주파수는 50kHz 내지 500kHz의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 소스 파워 및 상기 바이어스 파워를 펄스형 모드로 바 꾸기 위하여, 듀티 싸이클(duty cycle)이 20% 내지 90%이고 무선 주파수가 100Hz 내지 10kHz인 파워를 인가시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080061496A KR20100001552A (ko) | 2008-06-27 | 2008-06-27 | 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020080061496A KR20100001552A (ko) | 2008-06-27 | 2008-06-27 | 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법 |
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| KR20100001552A true KR20100001552A (ko) | 2010-01-06 |
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ID=41811845
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| KR1020080061496A KR20100001552A (ko) | 2008-06-27 | 2008-06-27 | 플라즈마를 이용한 식각 장치 및 플라즈마 식각 방법 |
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR20100001552A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130118441A (ko) * | 2012-04-20 | 2013-10-30 | 세메스 주식회사 | 플라즈마 처리 장치 |
| CN107295739A (zh) * | 2016-04-12 | 2017-10-24 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 产生脉冲等离子体的方法及其等离子体设备 |
| JP2021118314A (ja) * | 2020-01-29 | 2021-08-10 | 東京エレクトロン株式会社 | プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 |
-
2008
- 2008-06-27 KR KR1020080061496A patent/KR20100001552A/ko not_active Application Discontinuation
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