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KR102743911B1 - 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법 - Google Patents

플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법 Download PDF

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KR102743911B1
KR102743911B1 KR1020220136836A KR20220136836A KR102743911B1 KR 102743911 B1 KR102743911 B1 KR 102743911B1 KR 1020220136836 A KR1020220136836 A KR 1020220136836A KR 20220136836 A KR20220136836 A KR 20220136836A KR 102743911 B1 KR102743911 B1 KR 102743911B1
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Abstract

본 발명은 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법에 관한 것으로, 본 발명의 플라즈마 챔버는, 플라즈마를 통해 웨이퍼를 식각하기 위해, 내부에 반응 공간이 구비된 하우징; 상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 웨이퍼가 안착되는 베이스 플레이트; 상기 하우징 내부의 압력을 조절하는 압력 조절부;를 포함하며, 상기 압력 조절부는, 상기 하우징 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은, 상기 압력 조절부를 통해 상기 하우징 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하는 압력 조절 단계; 상기 플라즈마 소스를 통해 상기 플라즈마 소스의 소스 파워(Source power)를 500 내지 3000W로 조절하는 소스 파워 조절 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법 {Plasma chamber and Wafer etching method using the plasma chamber}
본 발명은 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 식각 속도(etch rate)를 유지하면서도 선택비(selectivity)를 향상시킬 수 있는 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체를 제조하는 공정에서는 균일성을 확보하는 것이 매우 중요하며, 반도체의 제조 공정 중 식각(etching) 공정에서 반도체의 균일성이 확보되거나 조절될 수 있다.
반도체의 식각 공정은 플라즈마 챔버 내부에서 진행될 수 있다. 플라즈마 챔버는 내부의 반응 공간 내에 플라즈마를 형성시키고, 상기 플라즈마를 이용하여 반도체의 식각 공정을 수행하게 된다.
플라즈마 챔버의 상부에는 플라즈마를 형성시키기 위한 플라즈마 소스가 구비되어 있으며, 플라즈마 소스의 대표적인 예로는 용량성 결합 플라즈마(CCP; Capacitively Coupled Plasma) 소스 및 유도성 결합 플라즈마(ICP; Inductively Coupled Plasma) 소스 등이 있다.
용량성 결합 플라즈마(CCP) 소스는 전기장을 이용하는 것으로, 일반적으로 유도성 결합 플라즈마(ICP) 보다 약간 더 높은 압력에서 식각이 진행될 수 있다. 용량성 결합 플라즈마(CCP) 소스는 식각 속도가 느리지만 선택비 특성과 공정 재현성이 우수하다고 알려져 있다.
그러나 용량성 결합 플라즈마(CCP) 소스는 웨이퍼 중앙부분에서의 플라즈마 밀도가 웨이퍼의 가장자리에서의 플라즈마 밀도에 비하여 상대적으로 높게 나타나는 플라즈마 밀도 불균일 특성이 있다. 또한, 전체 플라즈마 밀도가 낮은 편이어서 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해 높은 RF 파워를 인가하여야 한다는 문제점이 있다.
유도성 결합 플라즈마(ICP)는 유도 자기장을 이용하는 것으로, 용량성 결합 플라즈마(CCP) 소스에 비하여 전체 플라즈마 밀도가 높다는 장점이 있다. 유도성 결합 플라즈마(ICP)는 용량성 결합 플라즈마(CCP) 소스 보다 낮은 압력에서 식각 속도를 증가시킬 수 있으나, 이 또한 웨이퍼의 중앙 부분에서의 플라즈마 밀도가 웨이퍼의 가장자리 부분에서의 플라즈마 밀도에 비하여 상대적으로 높으며, 식각 속도가 높지만 선택비가 낮고 공정 재현성이 좋지 못하다는 문제점이 있다.
이와 같이 용량성 결합 플라즈마(CCP)와 유도성 결합 플라즈마(ICP) 같은 종래의 플라즈마 소스는 식각 속도와 선택비를 동시에 높이기 어려운 문제점이 있으며, 식각 속도와 선택비는 트레이드 오프(trade-off)의 관계로 인식되어 왔다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0120336호(2010.11.16)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 식각 속도(etch rate)를 유지하면서도 선택비(selectivity)를 향상시킬 수 있는 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법에 관한 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버는, 플라즈마를 형성하는 플라즈마 챔버로서, 플라즈마를 통해 웨이퍼를 식각하기 위해, 내부에 반응 공간이 구비된 하우징; 상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 웨이퍼가 안착되는 베이스 플레이트; 상기 하우징 내부의 압력을 조절하는 압력 조절부;를 포함하며, 상기 압력 조절부는, 상기 하우징 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버는 상기 하우징의 상부에 구비되면서 상기 하우징 내부에 플라즈마를 형성시키는 플라즈마 소스를 더 포함하며, 상기 플라즈마 소스의 소스 파워(Source power)는 500 내지 3000W 일 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버의 상기 압력 조절부는, 상기 플라즈마 소스의 드라이빙 주파수(Driving frequency)와 상기 하우징 내부에서 입자 간의 충돌 주파수가 동일하게 형성되는 공진 압력과 동일하거나, 상기 공진 압력 보다 큰 압력으로 상기 하우징 내부의 압력을 조절할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버의 상기 하우징 내부에는 식각 가스가 공급되며, 상기 하우징 내부로 공급된 상기 식각 가스는 반응 이후 상기 하우징 외부로 배출되며, 상기 식각 가스가 상기 하우징 내부를 잔류하는 시간은 1초 내지 4초일 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버의 상기 하우징의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는, 입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 내지 5E11 일 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버는 상기 베이스 플레이트에 연결되면서, 상기 베이스 플레이트에 바이어스(Bias)를 인가할 수 있는 바이어스 알에프 소스를 더 포함하며, 상기 바이어스 알에프 소스의 바이어스 파워(Bias power)는 500 내지 5000W 일 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버의 상기 하우징의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마는 이온과 라디칼을 포함하며, 상기 웨이퍼는 상기 이온과 상기 라디칼의 시너지 효과(synergy effect)에 의해 식각될 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은, 플라즈마를 통해 웨이퍼를 식각하기 위해, 내부에 반응 공간이 구비된 하우징과, 상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 웨이퍼가 안착되는 베이스 플레이트와, 상기 하우징 내부의 압력을 조절하는 압력 조절부와, 상기 하우징의 상부에 구비되면서 상기 하우징 내부에 플라즈마를 형성시키는 플라즈마 소스를 포함하는 플라즈마 챔버를 통해 웨이퍼를 식각하는 웨이퍼 식각 방법으로, 상기 압력 조절부를 통해 상기 하우징 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하는 압력 조절 단계; 상기 플라즈마 소스를 통해 상기 플라즈마 소스의 소스 파워(Source power)를 500 내지 3000W로 조절하는 소스 파워 조절 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법의 상기 압력 조절 단계에서는, 상기 압력 조절부를 통해 상기 플라즈마 소스의 드라이빙 주파수(Driving frequency)와 상기 하우징 내부에서 입자 간의 충돌 주파수가 동일하게 형성되는 공진 압력과 동일하거나, 상기 공진 압력 보다 큰 압력으로 상기 하우징 내부의 압력을 조절할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법의 상기 하우징 내부에는 식각 가스가 공급되며, 상기 하우징 내부로 공급된 상기 식각 가스는 반응 이후 상기 하우징 외부로 배출되며, 상기 식각 가스가 상기 하우징 내부를 잔류하는 시간은 1초 내지 4초일 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법의 상기 하우징의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는, 입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 내지 5E11 일 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법의 상기 플라즈마 챔버는, 상기 베이스 플레이트에 연결되면서, 상기 베이스 플레이트에 바이어스(Bias)를 인가할 수 있는 바이어스 알에프 소스를 포함하며, 상기 바이어스 알에프 소스를 통해 상기 바이어스 알에프 소스의 바이어스 파워(Bias power)를 500 내지 5000W로 조절하는 바이어스 파워 조절 단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법의 상기 하우징의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마는 이온과 라디칼을 포함하며, 상기 웨이퍼는 상기 이온과 상기 라디칼의 시너지 효과(synergy effect)에 의해 식각될 수 있다.
본 발명은 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법에 관한 것으로, 챔버 내부의 압력을 종래의 챔버 대비 상대적으로 높은 압력으로 형성함에 따라 이온과 라디칼을 동시에 이용하여 웨이퍼의 식각을 진행할 수 있으며, 이를 통해 높은 식각 속도(etch rate)를 유지하면서도 선택비(PR selectivity)를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마 소스 및 바이어스 알에프 소스에서 종래의 챔버 대비 낮은 전력을 사용하면서도 높은 식각 속도(etch rate)와 높은 선택비(PR selectivity)를 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 웨이퍼를 식각하는 이온과 라디칼을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이온과 라디칼을 이용하기 위한 공정 영역을 나타내는 도면이다.
도 5는 이온을 이용하여 웨이퍼의 식각을 진행할 때, 바이어스 파워와 압력에 따른 식각 속도 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 이온과 라디칼을 이용하여 웨이퍼의 식각을 진행할 때, 바이어스 파워와 압력에 따른 식각 속도 변화를 나타내는 도면이다.
본 명세서는 본 발명의 권리범위를 명확히 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록, 본 발명의 원리를 설명하고, 실시 예들을 개시한다. 개시된 실시 예들은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 발명(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어, 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법에 관한 것으로, 높은 식각 속도(etch rate)를 유지하면서도 선택비(selectivity)를 향상시킬 수 있는 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마는 크게 전자, 이온(21), 라디칼(radical)(22)로 구성된다. 플라즈마를 통해 웨이퍼를 식각하는 종래의 방법을 살펴보면, 플라즈마 식각 과정에서 지배종이 이온 또는 라디칼 중 어느 하나로 형성된다.
구체적으로, 플라즈마를 통해 웨이퍼를 식각하는 종래의 방법에서 Metal etch는 주로 라디칼을 이용하게 되며, Oxide etch는 주로 이온을 이용하고 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은, 플라즈마 식각 과정에서 지배종이 이온 또는 라디칼 중 어느 하나로 형성되는 것이 아닌, 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용할 수 있는 것이다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은, 플라즈마 식각 과정에서 이온 지배적인 반응이나 라디칼 지배적인 반응을 하기 보다, 이온(21)과 라디칼(22)이 함께 작용하여 시너지 효과(synergy effect)가 나타내는 공정 영역을 사용하는 것이다.
조금 더 구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은, 가해주는 소스 주파수와 입자들 사이의 충돌로 인해 일어나는 공진현상을 이용하면서 이온과 라디칼의 시너지 효과를 통해 높은 식각 속도(etch rate)를 유지하면서도 선택비(selectivity)를 향상시킬 수 있는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 종래의 유도성 결합 플라즈마(ICP; Inductively Coupled Plasma) 소스를 사용하는 방법의 문제점을 해결하면서 이를 개선한 것일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 공명 현상(resonance)과 시너지 효과(synergy effect)를 이용하는 SRICP(Synergistic resonance ICP)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은, 이온과 라디칼을 동시에 이용하기 위해 플라즈마 챔버의 조건을 조절할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은, 챔버 내부의 압력, 플라즈마 소스의 소스 파워, 챔버 내부의 플라즈마 밀도, 바이어스 알에프 소스의 바이어스 파워 등을 조절할 수 있는 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 플라즈마 챔버에서 상기의 조건을 변경함에 따라 이온과 라디칼을 동시에 이용할 수 있는 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는, 하우징(110), 베이스 플레이트(111), 압력 조절부(120)를 포함한다.
상기 하우징(110)은 플라즈마를 통해 웨이퍼(10)를 식각하기 위해, 내부에 반응 공간이 구비되는 것이다. 상기 하우징(110)은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)의 챔버 외벽일 수 있으며, 내부에 공간이 구비된 것이다. 상기 하우징(110) 내부로 상기 웨이퍼(10)가 로딩되면, 상기 하우징(110) 내부에 형성된 플라즈마에 의해 상기 웨이퍼(10)가 식각될 수 있다.
상기 베이스 플레이트(111)는 상기 하우징(110) 내부에 구비되며, 상기 웨이퍼(10)가 안착되는 것이다. 상기 베이스 플레이트(111)는 상기 하우징(110) 내부에 구비되면서, 상기 웨이퍼(20)가 안착되는 플레이트일 수 있다.
조금 더 구체적으로, 상기 베이스 플레이트(111)는 상기 웨이퍼(10)를 안착시키면서 상기 웨이퍼(10)를 지지하는 웨이퍼 척(chuck)일 수 있으며, 상기 웨이퍼(10)가 상기 베이스 플레이트(111)에 안착되면, 상기 웨이퍼(10)의 식각이 진행될 수 있다.
상기 압력 조절부(120)는 상기 하우징(110) 내부의 압력을 조절하는 것이다. 상기 압력 조절부(120)는 상기 하우징(110) 내부의 압력을 조절하는 압력 조절 장치일 수 있으며, 상기 압력 조절부(120)는 상기 하우징(110) 내부의 압력을 조절할 수 있다면 다양한 구성을 포함하는 장치일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 압력 조절부(120)는 상기 하우징(110) 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절할 수 있다. 상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는, 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용하기 위해 상기 압력 조절부(120)를 통해 상기 하우징(110) 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버에서 상기 하우징(110) 내부의 압력이 50 mTorr 보다 작으면, 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용하는 시너지 효과(synergy effect)를 기대하기 어렵게 된다.
조금 더 구체적으로, 상기 하우징(110) 내부의 압력이 50 mTorr 보다 작으면 이온(21) 지배적인 식각 반응이 발생하게 될 수 있다. 또한, 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용할 때, 상기 하우징(110) 내부의 압력이 50 mTorr 보다 작으면 식각 속도가 감소될 위험이 있다.
상기 하우징(110) 내부의 압력이 500 mTorr 보다 커지면, 입자들 사이의 반응이 너무 많아짐에 따라 반응 시간이 짧아지게 되면서 오히려 식각 속도가 감소할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는 상기 압력 조절부(120)를 통해 상기 하우징(110) 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 압력 조절부(120)를 통해 상기 하우징(110) 내부의 압력을 100 내지 150mTorr, 200 내지 500 mTorr, 300 내지 500 mTorr로 조절할 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는 상기 하우징(110)의 상부에 구비되면서 상기 하우징(110) 내부에 플라즈마를 형성시키는 플라즈마 소스(130)를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 소스(130)는 플라즈마를 형성시킬 수 있는 것으로, 코일(131)과 알에프 파워 제네레이터(RF power generator)(132)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 플라즈마 소스(130)의 소스 파워(Source power)는 500 내지 3000W 로 조절될 수 있다.
상기 플라즈마 소스(130)에 의해 형성되는 소스 파워(Source power)가 500W 보다 작으면, 식각 속도가 감소하게 되기 때문에 상기 플라즈마 소스(130)에 의해 형성되는 소스 파워(Source power)는 500W 보다 큰 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는 상기 압력 조절부(120)를 통해 상기 하우징(110) 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하는 것으로, 상기 하우징(110) 내부 압력이 종래의 플라즈마 챔버 대비 높을 수 있다.
상기 플라즈마 소스(130)에 의해 형성되는 소스 파워(Source power)가 3000W 보다 크면, 상대적으로 높은 상기 하우징(110)의 내부 압력에 의해 플라즈마 밀도가 너무 높아질 수 있게 된다. 플라즈마 밀도가 너무 높아지게 되면, 입자들 사이의 반응이 너무 많아짐에 따라 반응 시간이 짧아지게 되면서 오히려 식각 속도가 감소할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는 상기 플라즈마 소스(130)의 소스 파워(Source power)를 500 내지 3000W 로 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 플라즈마 소스(130)의 소스 파워(Source power)를 500 내지 1500W 로 조절할 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버의 상기 압력 조절부(120)는 공진 압력과 동일하거나, 공진 압력 보다 큰 압력으로 상기 하우징(110) 내부의 압력을 조절할 수 있다.
여기서, 공진 압력이라 함은, 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)와 상기 하우징(110) 내부에서 입자 간의 충돌 주파수가 동일하게 형성되는 압력일 수 있다.
가령, 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)가 13.56 MHz인 경우, 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)와 상기 하우징(110) 내부에서 입자 간의 충돌 주파수가 동일하게 형성되는 공진 압력은 Ar 가스의 경우에 52m torr일 수 있으며, 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)가 27.12 MHz인 경우, 공진 압력은 Ar 가스의 경우에 104 mTorr 일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 압력 조절부(120)는 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)에 따라 결정되는 공진 압력과 동일하거나, 공진 압력 보다 큰 압력으로 상기 하우징(110) 내부의 압력을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 하우징(110) 내부에서 입자 간의 충돌 주파수는 단위 부피당 입자의 수와 충돌 반응에 대한 속도 상수의 곱으로 결정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는 상기 하우징(110) 내부에서 발생하는 입자 간의 충돌 주파수를 분석하기 위한 충돌 주파수 분석부를 포함할 수 있다. 상기 충돌 주파수 분석부를 통해 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)와 상기 충돌 주파수가 동일해지는 공진 압력을 도출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 압력 조절부(120)는 상기 충돌 주파수 분석부를 통해 공진 압력에 대한 데이터를 수신 받을 수 있으며, 이를 통해 상기 압력 조절부(120)는 공진 압력과 동일하거나, 공진 압력 보다 큰 압력으로 상기 하우징(110) 내부의 압력을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는 입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 내지 5E11 인 것이 바람직하다.
상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는 입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 보다 작으면, 목표로 하는 식각 속도를 얻을 수 없게 된다.
반대로, 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도가 입방 센티미터(cm-3) 당 5E11 보다 크면, 이온(21)과 라디칼(22)이 분리되면서 선택비(selectivity)에 악영향을 줄 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는, 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용하여 식각 속도를 향상시키면서 선택비를 향상시키기 위해 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도를 입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 내지 5E11로 형성하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는 상기 플라즈마 소스(130)에 의해 조절될 수 있다. 구체적으로, 상기 플라즈마 소스(130)를 통해 이온(21)과 라디칼(22)이 동시에 이용되기 적합한 플라즈마 밀도를 상기 하우징(110) 내부에 형성할 수 있게 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는 상기 베이스 플레이트(111)에 연결되면서, 상기 베이스 플레이트(111)에 바이어스(Bias)를 인가할 수 있는 바이어스 알에프 소스(Bias RF Source)(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 바이어스 알에프 소스(140)는 상기 베이스 플레이트(111)에 바이어스(Bias)를 인가하여, 식각 공정 중에 플라즈마에 바이어스를 인가할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 바이어스 알에프 소스(140)의 바이어스 파워(Bias power)는 500 내지 5000W로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 바이어스 파워는 이온(21)에 직접적인 영향을 주는 것이다.
상기 바이어스 알에프 소스(140)의 바이어스 파워(Bias power)가 500W 보다 작으면, 이온(21)의 활동에 제약이 발생하여 라디칼(22)이 지배적으로 활동할 수 있게 되면서 이온(21)과 라디칼(22)의 시너지 효과(Synergy effect)를 기대할 수 없게 된다.
반대로 상기 바이어스 알에프 소스(140)의 바이어스 파워(Bias power)가 5000W 보다 크면, 이온이 지배적으로 활동할 수 있게 되면서 이온(21)과 라디칼(22)의 시너지 효과(Synergy effect)를 기대할 수 없게 된다.
결국, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는 이온(21)과 라디칼(22)을 통해 시너지 효과(Synergy effect)를 도출하기 위해 상기 바이어스 알에프 소스(140)의 바이어스 파워(Bias power)를 500 내지 5000W로 조절해야 하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)의 상기 하우징(110) 내부에는 웨이퍼를 식각하기 위한 식각 가스가 공급될 수 있다. 상기 하우징(110) 내부로 공급된 상기 식각 가스는 반응 이후 펌프 등을 통해 상기 하우징(110) 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부를 잔류하는 시간은 1초 내지 4초일 수 있다. 여기서, 상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부를 잔류하는 시간이라 함은, 상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부로 공급되는 시점부터 상기 하우징(110) 외부로 배출되는 시점까지일 수 있다.
상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부를 잔류하는 시간이 1초 보다 작으면, 상기 식각 가스의 유동이 원활하게 이루어지지 않음에 따라 반응을 충분히 하지 못하게 된다.
반대로, 상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부를 잔류하는 시간이 4초 보다 크면, 부산물(byproduct)의 중합 반응(polymerization)으로 인해 상기 하우징(110) 내부에 부산물이 랜덤하게 쌓이게 되면서 공정 프로파일과 식각 속도 및 식각 속도 균일도에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
따라서 상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부를 잔류하는 시간은 1초 내지 4초인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마는 이온(21)과 라디칼(22)을 포함하며, 상기 웨이퍼(10)는 상기 이온(21)과 상기 라디칼(22)의 시너지 효과에 의해 식각될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마는 전자를 포함하며, 상기 전자의 전자 에너지 이완 길이(EERL, Electron energy relaxation length)는 상기 하우징의 직경보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는 Local Electron Kinetics의 공정 영역에서 진행될 수 있다. 종래의 식각 공정은 전자 에너지 이완 길이(EERL, Electron energy relaxation length)가 공정 챔버의 직경보다 항상 큰 Nonlocal electron kinetics의 공정 영역에서 진행되었다.
그러나 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는 전자 에너지 이완 길이(EERL, Electron energy relaxation length)가 공정 챔버의 직경(상기 하우징(110)의 직경) 보다 작은 Local Electron Kinetics의 공정 영역에서 진행될 수 있다.
이를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는 상기 하우징(110)의 가장자리에서의 플라즈마 밀도를 상기 하우징(110)의 중앙 보다 높게 할 수 있으며, 식각 속도도 상기 하우징(110)의 가장자리가 상기 하우징(110)의 중앙보다 높을 수 있다.
종래의 식각 공정에서는 웨이퍼의 가장 자리에서 식각이 약하게 수행되는 문제(low edge yield 문제)가 발생할 수 있는데, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는 상기 하우징(110)의 가장자리에서의 식각 속도가 상기 하우징(110)의 중앙 보다 높게 형성함에 따라 상기의 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 종래의 식각 공정에서는 웨이퍼의 가장 자리에서 식각이 약하게 수행되는 문제(low edge yield 문제)를 해결하기 위해 독립적인 알에프 파워(RF power)를 인가하거나, 히터(heater), 에지 링의 마모(erosion) 방지를 위한 리프트 장치 등을 사용하였다.
그러나 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는 상기 하우징(110)의 가장자리에서의 식각 속도가 상기 하우징(110)의 중앙 보다 높게 형성함에 따라 별도의 장치를 사용하지 않을 수 있으며, 이를 통해 제작 비용이 절감시키면서 수율 향상을 기대할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예에 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은, 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)를 통해 웨이퍼(10)를 식각하는 방법에 관한 것이다.
상술한 설명에서 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)를 상세하게 설명한 바, 이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)의 상세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 압력 조절 단계(S110), 소스 파워 조절 단계(S120)를 포함한다.
상기 압력 조절 단계(S110)는 상기 압력 조절부(120)를 통해 상기 하우징(110) 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하는 단계이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버에서 상기 하우징(110) 내부의 압력이 50 mTorr 보다 작으면, 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용하는 시너지 효과(synergy effect)를 기대하기 어렵게 된다.
조금 더 구체적으로, 상기 하우징(110) 내부의 압력이 50 mTorr 보다 작으면 이온(21) 지배적인 식각 반응이 발생하게 될 수 있다. 또한, 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용할 때, 상기 하우징(110) 내부의 압력이 50 mTorr 보다 작으면 식각 속도가 감소될 위험이 있다.
상기 하우징(110) 내부의 압력이 500 mTorr 보다 커지면, 입자들 사이의 반응이 너무 많아짐에 따라 반응 시간이 짧아지게 되면서 오히려 식각 속도가 감소할 수 있다.
따라서 상기 압력 조절 단계(S110)에서는 상기 압력 조절부(120)를 통해 상기 하우징(110) 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 압력 조절 단계(S110)에서는, 상기 압력 조절부(120)를 통해 상기 하우징(110) 내부의 압력을 100 내지 150mTorr, 200 내지 500 mTorr, 300 내지 500 mTorr로 조절할 수도 있다.
상기 소스 파워 조절 단계(S120)는 상기 플라즈마 소스(130)를 통해 상기 플라즈마 소스(130)의 소스 파워를 500 내지 3000W로 조절하는 단계이다.
상기 플라즈마 소스(130)에 의해 형성되는 소스 파워(Source power)가 500W 보다 작으면, 식각 속도가 감소하게 되기 때문에, 상기 플라즈마 소스(130)에 의해 형성되는 소스 파워(Source power)는 500W 보다 큰 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 상기 압력 조절 단계(S110)에서 상기 압력 조절부(120)를 통해 상기 하우징(110) 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하기 때문에, 상기 하우징(110) 내부 압력이 종래의 플라즈마 챔버 대비 높을 수 있다.
상기 플라즈마 소스(130)에 의해 형성되는 소스 파워(Source power)가 3000W 보다 크면, 상대적으로 높은 상기 하우징(110)의 내부 압력에 의해 플라즈마 밀도가 너무 높아질 수 있게 된다. 플라즈마 밀도가 너무 높아지게 되면, 입자들 사이의 반응이 너무 많아짐에 따라 반응 시간이 짧아지게 되면서 오히려 식각 속도가 감소할 수 있다.
따라서, 상기 소스 파워 조절 단계(S120)에서는, 상기 플라즈마 소스(130)의 소스 파워(Source power)를 500 내지 3000W 로 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 압력 조절 단계(S110)에서는 상기 압력 조절부(120)를 통해 공진 압력과 동일하거나, 상기 공진 압력 보다 큰 압력으로 상기 하우징(110) 내부의 압력을 조절할 수 있다.
여기서, 공진 압력이라 함은, 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)와 상기 하우징(110) 내부에서 입자 간의 충돌 주파수가 동일하게 형성되는 압력일 수 있다.
가령, 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)가 13.56 MHz인 경우, 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)와 상기 하우징(110) 내부에서 입자 간의 충돌 주파수가 동일하게 형성되는 공진 압력은 52m torr일 수 있으며, 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)가 27.12 MHz인 경우, 공진 압력은 104 mTorr 일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 압력 조절 단계(S110)에서 상기 압력 조절부(120)는 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)에 따라 결정되는 공진 압력과 동일하거나, 공진 압력 보다 큰 압력으로 상기 하우징(110) 내부의 압력을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 하우징(110) 내부에서 입자 간의 충돌 주파수는 단위 부피당 입자의 수와 충돌 반응에 대한 속도 상수의 곱으로 결정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는 상기 하우징(110) 내부에서 발생하는 입자 간의 충돌 주파수를 분석하기 위한 충돌 주파수 분석부를 포함할 수 있다. 상기 충돌 주파수 분석부를 통해 상기 플라즈마 소스(130)의 드라이빙 주파수(Driving frequency)와 상기 충돌 주파수가 동일해지는 공진 압력을 도출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 압력 조절 단계(S110)에서 상기 압력 조절부(120)는 상기 충돌 주파수 분석부를 통해 공진 압력에 대한 데이터를 수신 받을 수 있으며, 이를 통해 상기 압력 조절부(120)는 공진 압력과 동일하거나, 공진 압력 보다 큰 압력으로 상기 하우징(110) 내부의 압력을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는 입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 내지 5E11 인 것이 바람직하다.
상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는 입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 보다 작으면, 목표로 하는 식각 속도를 얻을 수 없게 된다.
반대로, 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는 입방 센티미터(cm-3) 당 5E11 보다 크면, 이온(21)과 라디칼(22)이 분리되면서 선택비(selectivity)에 악영향을 줄 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용하여 식각 속도를 향상시키면서도 선택비를 향상시키기 위해, 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도를 입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 내지 5E11로 형성하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는 상기 소스 파워 조절 단계(S120)에서 조절될 수 있다. 상기 소스 파워 조절 단계(S120)에서는, 상기 플라즈마 소스(130)의 소스 파워를 조절하여 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도를 입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 내지 5E11로 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 상기 바이어스 알에프 소스(140)를 통해 상기 바이어스 알에프 소스(140)의 바이어스 파워(Bias power)를 500 내지 5000W로 조절하는 바이어스 파워 조절 단계(S130)를 더 포함할 수 있다.
상기 바이어스 알에프 소스(140)는 상기 베이스 플레이트(111)에 바이어스(Bias)를 인가하여, 식각 공정 중에 플라즈마에 바이어스를 인가할 수 있는 것이다.
상기 바이어스 파워는 이온(21)에 직접적인 영향을 줄 수 있다. 상기 바이어스 알에프 소스(140)의 바이어스 파워(Bias power)가 500W 보다 작으면, 이온(21)의 활동에 제약이 발생하여 라디칼(22)이 지배적으로 활동할 수 있게 되면서 이온(21)과 라디칼(22)의 시너지 효과(Synergy effect)를 기대할 수 없게 된다.
반대로 상기 바이어스 알에프 소스(140)의 바이어스 파워(Bias power)가 5000W 보다 크면, 이온이 지배적으로 활동할 수 있게 되면서 이온(21)과 라디칼(22)의 시너지 효과(Synergy effect)를 기대할 수 없게 된다.
따라서 이온(21)과 라디칼(22)을 통해 시너지 효과(Synergy effect)를 도출하기 위해, 상기 바이어스 파워 조절 단계(S130)에서 상기 바이어스 알에프 소스(140)의 바이어스 파워(Bias power)를 500 내지 5000W로 조절할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)의 상기 하우징(110) 내부에는 웨이퍼를 식각하기 위한 식각 가스가 공급될 수 있다. 상기 하우징(110) 내부로 공급된 상기 식각 가스는 반응 이후 펌프 등을 통해 상기 하우징(110) 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부를 잔류하는 시간은 1초 내지 4초일 수 있다. 여기서, 상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부를 잔류하는 시간이라 함은, 상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부로 공급되는 시점부터 상기 하우징(110) 외부로 배출되는 시점까지일 수 있다.
상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부를 잔류하는 시간이 1초 보다 작으면, 상기 식각 가스의 유동이 원활하게 이루어지지 않음에 따라 반응을 충분히 하지 못하게 된다.
반대로, 상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부를 잔류하는 시간이 4초 보다 크면, 부산물(byproduct)의 중합 반응(polymerization)으로 인해 상기 하우징(110) 내부에 부산물이 랜덤하게 쌓이게 되면서 공정에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
따라서 상기 식각 가스가 상기 하우징(110) 내부를 잔류하는 시간은 1초 내지 4초인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법의 상기 압력 조절 단계(S110), 소스 파워 조절 단계(S120), 상기 바이어스 파워 조절 단계(S130)는 순차적으로 진행될 필요는 없으며, 순서에 상관없이 각각의 과정이 진행될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법의 상기 압력 조절 단계(S110), 소스 파워 조절 단계(S120), 상기 바이어스 파워 조절 단계(S130)는 동시에 진행될 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 상기 압력 조절부(120)를 통해 상기 하우징(110) 내부의 압력을 조절하고, 상기 플라즈마 소스(130)를 통해 소스 파워를 조절하며, 상기 바이어스 알에프 소스(140)를 통해 바이어스 파워를 조절할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은, 상기 하우징(110) 내부의 압력, 상기 소스 파워, 상기 바이어스 파워를 조절함에 따라 입자충돌수에 의한 공진 압력 효과와 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용하여 시너지 효과(Synergy effect)를 발생시켜 높은 식각 속도(etch rate)를 유지하면서도 선택비(selectivity)를 향상시킬 수 있는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마는 이온(21)과 라디칼(22)을 포함하며, 상기 웨이퍼(10)는 상기 이온(21)과 상기 라디칼(22)의 시너지 효과에 의해 식각될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 하우징(110)의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마는 전자를 포함하며, 상기 전자의 전자 에너지 이완 길이(EERL, Electron energy relaxation length)는 상기 하우징의 직경보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는, 에너지 이완 길이(EERL, Electron energy relaxation length)가 공정 챔버의 직경보다 큰 Nonlocal electron kinetics의 공정 영역에서 진행되는 종래의 식각 방법과 다르게, 전자 에너지 이완 길이(EERL, Electron energy relaxation length)가 공정 챔버의 직경(상기 하우징(110)의 직경) 보다 작은 Local Electron Kinetics의 공정 영역에서 진행될 수 있다.
이를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는 상기 하우징(110)의 가장자리에서의 플라즈마 밀도를 상기 하우징(110)의 중앙 보다 높게 할 수 있으며, 식각 속도도 상기 하우징(110)의 가장자리가 상기 하우징(110)의 중앙보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버(100)는 상기 하우징(110)의 가장자리에서의 식각 속도가 상기 하우징(110)의 중앙 보다 높게 형성함에 따라 웨이퍼의 가장 자리에서 식각이 약하게 수행되는 문제(low edge yield 문제)를 해결할 수 있으며, 상기의 문제를 해결하기 위한 별도의 장치를 사용하지 않을 수 있는 장점이 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용할 수 있는 공정 영역을 찾아서 식각을 진행하는 것이다.
도 4에서 A 영역은 stable plasma regime으로 플라즈마가 시간에 따라 변하지 않는 안정성을 유지하는 영역일 수 있다. 도 4에서 B 영역은 부산물(byproduct)이 너무 많이 생성되는 영역이며, 도 4에서 C 영역은 Plasma etch profile이 일그러지는 영역이다. 따라서, 도 4에서 B 영역과 C 영역은 적절한 공정 영역이 될 수 없다.
도 4에서 D 영역은 Center low etch rate를 가지는 영역이며, 도 4에서 E 영역은 공정 결과가 시간에 따라 변하지 않고 반복 재현성이 있는 영역이다. 웨이퍼의 edge yield loss를 피하면서 시간에 따른 반복 재현성을 향상시키기 위해서는 D 영역과 E 영역을 동시에 만족하는 영역이 바람직한 공정 영역이 될 수 있다.
결국, A 영역에 포함되면서 B 영역과 C 영역에 해당되지 않으며, D 영역과 E 영역을 동시에 만족하는 도 4의 F 영역이 적절한 공정 영역이 될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용할 수 있는 F 영역에서 웨이퍼 식각 공정을 조절하기 위해, 상기 하우징(110) 내부의 압력, 소스 파워, 바이어스 파워 등의 조건을 조절할 수 있는 것이다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은, 상기 하우징(110) 내부의 압력, 상기 소스 파워, 상기 바이어스 파워를 조절함에 따라 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용할 수 있는 F 영역으로 공정 영역을 형성할 수 있으며, 이를 통해 이온(21)과 라디칼(22)의 시너지 효과(Synergy effect)를 발생시켜 높은 식각 속도(etch rate)를 유지하면서도 선택비(selectivity)를 향상시킬 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 이온(21)과 라디칼(22)을 동시에 이용함에 따라 높은 식각 속도(etch rate)를 유지할 수 있는 것이다.
도 5를 참조하면, 종래의 식각 방법과 같이 이온만을 이용하는 경우 압력이 증가하면 식각 속도가 감소하는 경향이 있다. 이온은 온도에 무관하며, 압력이 낮을 때에 주로 성능을 발휘하는 것으로, 이온을 통해 식각을 진행할 때 식각 속도를 증가시키기 위해서는 바이어스 파워를 향상시켜야 한다. (도 5를 참조하면, 바이어스 파워가 커질수록 식각 속도가 증가할 수 있다.)
그러나 라디칼은 온도에 지수적으로 증가하며 압력이 커질수록 반응이 활발하여 식각 속도를 증가시킬 수 있는 것이기 때문에, 본 발명의 실시 예와 같이 이온과 라디칼을 동시에 이용하면, 바이어스 파워를 증가시키지 않더라도 압력을 증가시킴에 따라 식각 속도를 향상시킬 수 있게 된다.
구체적으로 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예와 같이 이온과 라디칼을 동시에 이용할 경우, 압력이 증가하면 어느 지점까지는 식각 속도가 감소하다가 임계점이 지나면 압력이 증가하면서 식각 속도가 커지는 것을 알 수 있다.
압력이 증가할수록 식각 속도가 커지는 상기 임계점부터는 이온과 라디칼이 시너지 효과(Synergy effect)를 발생시켜 식각 속도를 향상시키는 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 상기 임계점 이상(50 mTorr)으로 상기 하우징(110)의 압력을 형성하는 것이다.
다만, 압력이 계속적으로 증가하면, 표면 반응 시간(surface reaction time)이 너무 짧아 제대로 식각 속도가 증가하지 않게 될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 상기 하우징(110)의 압력을 50 mTorr 내지 500 mTorr로 형성하는 것이다.
도 6에서 식각 속도-압력의 그래프에서 점선은 실선 보다 바이어스 파워가 감소하였을 때의 그래프이다. 도 6을 참조하면, 바이어스 파워를 적절한 크기로 조절하면, 상기 임계점 이상의 압력에서 높은 식각 속도를 얻을 수 있게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 이를 위해 상기 바이어스 파워를 500 내지 5000W로 하면서, 상기 소스 파워를 500 내지 3000W로 형성할 수 있는 것이다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 이온과 라디칼이 시너지 효과(Synergy effect)를 발생시켜 식각 속도를 향상시킬 수 있는 압력을 형성하고, 바이어스 파워와 소스 파워를 조절하여 최적의 식각 속도를 가지는 공정 영역을 구현할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버는 상기 압력 조절부(120), 상기 플라즈마 소스(130), 상기 알에프 파워 제네레이터(132), 상기 바이어스 알에프 소스(140)의 작동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 압력 조절부(120), 상기 플라즈마 소스(130), 상기 알에프 파워 제네레이터(132), 상기 바이어스 알에프 소스(140)는 상기 제어부를 통해 작동이 조절되면서 이온(21)과 라디칼(22)이 동시에 이용될 수 있는 조건을 형성할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법의 상기 압력 조절 단계(S110), 소스 파워 조절 단계(S120), 상기 바이어스 파워 조절 단계(S130)는 상기 제어부를 통해 제어되면서 진행될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 챔버 내부의 압력을 종래의 챔버 대비 상대적으로 높은 압력으로 형성함에 따라 이온과 라디칼을 동시에 이용하여 웨이퍼의 식각을 진행할 수 있으며, 이를 통해 높은 식각 속도(etch rate)를 유지하면서도 선택비(PR selectivity)를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 local electron kinetics가 적용되는 압력 범위(50 내지 500mTorr)에서 진행될 수 있는 것으로, 이 경우 가장자리의 식각 속도가 중앙 보다 높게 될 수 있다.
이를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 웨이퍼의 가장자리에서 균일성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 HARC(High aspect ratio etch) 공정에 적합하며, 그 이외의 공정에서도 낮은 전력에서 높은 식각 속도와 높은 선택비를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 식각 공정을 중심으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 식각 공정 이외에 증착, ashing, PR stripping, doping 등의 공정에 적용될 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 식각 속도를 필요로 하는 식각 공정이나 증착 공정에 적용될 수 있는 것이지만, 이에 한정되지는 않으며, 낮은 파워로 높은 식각 속도나 선택비 향상이 동시에 요구되는 여러 공정에 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 챔버 및 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법은 유도성 결합 플라즈마(ICP)를 개선하여 사용될 수 있으나, 한정되는 것은 아니며, 다양한 종류의 플라즈마에 이용될 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시 예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110...하우징 111...베이스 플레이트
120...압력 조절부 130...플라즈마 소스
131...코일 132...알에프 파워 제네레이터
140...바이어스 알에프 소스
S110...압력 조절 단계
S120...소스 파워 조절 단계
S130...바이어스 파워 조절 단계

Claims (13)

  1. 플라즈마를 형성하는 플라즈마 챔버에 있어서,
    플라즈마를 통해 웨이퍼를 식각하기 위해, 내부에 반응 공간이 구비된 하우징;
    상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 웨이퍼가 안착되는 베이스 플레이트;
    상기 하우징 내부의 압력을 조절하는 압력 조절부;를 포함하며,
    상기 압력 조절부는, 상기 하우징 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하며,
    상기 하우징의 상부에 구비되면서 상기 하우징 내부에 플라즈마를 형성시키는 플라즈마 소스를 더 포함하며,
    상기 플라즈마 소스의 소스 파워(Source power)는 500 내지 3000W 이며,
    상기 압력 조절부는,
    상기 플라즈마 소스의 드라이빙 주파수(Driving frequency)와 상기 하우징 내부에서 입자 간의 충돌 주파수가 동일하게 형성되는 공진 압력과 동일하거나,
    상기 공진 압력 보다 큰 압력으로 상기 하우징 내부의 압력을 조절하며,
    상기 하우징 내부에는 식각 가스가 공급되며, 상기 하우징 내부로 공급된 상기 식각 가스는 반응 이후 상기 하우징 외부로 배출되며,
    상기 식각 가스가 상기 하우징 내부를 잔류하는 시간은 1초 내지 4초이며,
    상기 베이스 플레이트에 연결되면서, 상기 베이스 플레이트에 바이어스(Bias)를 인가할 수 있는 바이어스 알에프 소스를 더 포함하며,
    상기 바이어스 알에프 소스의 바이어스 파워(Bias power)는 500 내지 5000W 이며,
    상기 하우징의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마는 이온과 라디칼을 포함하며,
    상기 웨이퍼는 상기 이온과 상기 라디칼의 시너지 효과(synergy effect)에 의해 식각되며,
    상기 하우징의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마는 전자를 포함하며, 상기 전자의 전자 에너지 이완 길이(EERL, Electron energy relaxation length)는 상기 하우징의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
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  5. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는,
    입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 내지 5E11 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 플라즈마를 통해 웨이퍼를 식각하기 위해, 내부에 반응 공간이 구비된 하우징과, 상기 하우징 내부에 구비되며, 상기 웨이퍼가 안착되는 베이스 플레이트와, 상기 하우징 내부의 압력을 조절하는 압력 조절부와, 상기 하우징의 상부에 구비되면서 상기 하우징 내부에 플라즈마를 형성시키는 플라즈마 소스를 포함하는 플라즈마 챔버를 통해 웨이퍼를 식각하는 웨이퍼 식각 방법으로,
    상기 압력 조절부를 통해 상기 하우징 내부의 압력을 50 내지 500 mTorr로 조절하는 압력 조절 단계;
    상기 플라즈마 소스를 통해 상기 플라즈마 소스의 소스 파워(Source power)를 500 내지 3000W로 조절하는 소스 파워 조절 단계;를 포함하며,
    상기 압력 조절 단계에서는,
    상기 압력 조절부를 통해 상기 플라즈마 소스의 드라이빙 주파수(Driving frequency)와 상기 하우징 내부에서 입자 간의 충돌 주파수가 동일하게 형성되는 공진 압력과 동일하거나,
    상기 공진 압력 보다 큰 압력으로 상기 하우징 내부의 압력을 조절하며,
    상기 하우징 내부에는 식각 가스가 공급되며, 상기 하우징 내부로 공급된 상기 식각 가스는 반응 이후 상기 하우징 외부로 배출되며,
    상기 식각 가스가 상기 하우징 내부를 잔류하는 시간은 1초 내지 4초이며,
    상기 플라즈마 챔버는, 상기 베이스 플레이트에 연결되면서, 상기 베이스 플레이트에 바이어스(Bias)를 인가할 수 있는 바이어스 알에프 소스를 포함하며,
    상기 바이어스 알에프 소스를 통해 상기 바이어스 알에프 소스의 바이어스 파워(Bias power)를 500 내지 5000W로 조절하는 바이어스 파워 조절 단계;를 더 포함하며,
    상기 하우징의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마는 이온과 라디칼을 포함하며,
    상기 웨이퍼는 상기 이온과 상기 라디칼의 시너지 효과(synergy effect)에 의해 식각되며,
    상기 하우징의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마는 전자를 포함하며, 상기 전자의 전자 에너지 이완 길이(EERL, Electron energy relaxation length)는 상기 하우징의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법.
  9. 삭제
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  11. 제8항에 있어서,
    상기 하우징의 상기 반응 공간에 형성되는 상기 플라즈마의 밀도는,
    입방 센티미터(cm-3) 당 2E11 내지 5E11 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버를 이용한 웨이퍼 식각 방법.
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