KR100318690B1

KR100318690B1 - 자장강화된 유도결합형 플라즈마장치

Info

Publication number: KR100318690B1
Application number: KR1019990009408A
Authority: KR
Inventors: 염근영
Original assignee: 염근영; 우형철
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2001-12-28
Also published as: KR20000060791A

Abstract

본 발명은, 유도결합형 플라즈마장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 자장강화된 유도결합형 플라즈마장치는, 플라즈마에 의한 소정 처리를 위한 적어도 하나의 시편을 수용하는 직사각형 단면을 갖는 반응챔버와; 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 반응챔버 내에 RF소스전력을 제공하기 위한 유도수단과; 상기 반응챔버 내에 상기 플라즈마를 가두기 위한 자기장을 제공하는 상기 반응챔버 내측에 설치된 자기장발생수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 플라즈마의 높은 균일도, 밀도 및 식각속도를 얻을 수 있는 유도결합형 플라즈마장치가 제공된다.

Description

자장강화된 유도결합형 플라즈마장치{INDUCTIVELY COUPLED PLASMA APPARATUS}

본 발명은, 플라즈마장치에 관한 것으로, 특히 자장강화된 유도결합형 플라즈마장치에 관한 것이다.

반도체 제조공정 중 식각(etching)공정은 감광성 수지인 포토리지스트 층의 개구를 통해 그 바로 밑의 박막을 선택적으로 제거하기 위한 것으로, 크게 습식식각과 건식식각으로 나눌 수 있다. 습식식각은 웨이퍼를 보우트에 담아 산에 잠기게 하여 산 혹은 산 혼합물과의 화학반응을 통해 식각하는 방법으로 경제적이지만 식각의 정밀성이 떨어지는 단점이 있다. 건식식각은 미세패턴형성을 위해 개발된 것으로 습식식각에서의 식각액 대신 식각가스를 사용한다. 반도체공정에 가장 많이 사용되고 있는 건식식각 중의 하나로는 플라즈마를 이용한 플라즈마식각을 들 수 있다.

플라즈마란 이온화된 기체로, 양이온, 음이온, 전자, 여기된 원자, 분자 및 화학적으로 매우 활성이 강한 라디칼(radical)로 구성되며, 전기적으로 그리고 열적으로 보통의 기체와는 매우 다른 성질을 갖기 때문에 물질의 제4의 상태라 칭하기도 한다. 플라즈마는 수만도 정도의 온도와 10⁹∼10¹⁰cm^-3밀도를 갖는 저온 글로우(glow)방전프라즈마와 수천만도 이상의 온도와 10¹³∼10¹⁴cm^-3의 밀도를 갖는 초고온 핵융합 플라즈마로 대별할 수 있으며, 반도체 식각공정에 사용되는 것은 대략 90%이상의 중성기체를 포함하고 있는 이온화도가 낮은 저온 글로우방전 플라즈마이다. 그러나, 이온화도가 낮은 플라즈마도 이온화되지 않은 분자상태의 기체와는 전혀 상이한 행태를 나타낸다. 즉, 플라즈마는 이온화된 기체를 포함하고 있기 때문에 전기장 혹은 자기장을 가하여 플라즈마 내에서 혹은 플라즈마와 접하고 있는 고체표면 상에서 이들을 가속시키거나 화학반응을 일으킬 수 있다.

최근 반도체 공정에서 건식식각은 고밀도 플라즈마를 사용한 플라즈마장비를 이용하는 경우가 점차로 증가하고 있다. 이는 반도체소자의 집적도가 높아짐에 따라 미세가공의 요구는 커지는 반면 직경이 8인치가 넘는 대구경 웨이퍼의 사용이 늘어나고 있기 때문이다. 따라서 낮은 공정압력에서 높은 식각속도로 식각을 수행하여야 할 필요성이 증대해가고 있다. 특히 TFT(Thin-Film-Transistor)-LCD를 비롯한 PDP(Plasma Display Panels), FED(Field Emmision Display)와 같은 여러 형태를 가지는 평판디스플레이의 제조공정에 있어서도 실리콘웨이퍼에 비해 대면적의 기판을 사용하고 있을 뿐더러 실리콘웨이퍼와 같은 원형기판이 아닌 사각형의 시편공정이 요구되고 있다. 따라서 평판디스플레이용 건식식각장비 개발에 있어 직사각형 반응챔버 내의 중앙영역 뿐 아니라 모서리부분에서의 고밀도의 균일한 플라즈마의 유지는 매우 중요하다.

고밀도 플라즈마로는, 로렌츠의 법칙에 따라 자기장 내로 입사한 전자가 원형궤도회전운동을 하게 되면 여기에 공진주파수의 마이크로파를 인가하여 공명현상을 이용하는 ECR(eletron cyclotron resonance)플라즈마, 헬리콘 또는 휘슬러 파(whistler wave)를 이용하는 헬리콘(helicon)플라즈마, 저속파(slow wave)를 여기시키는 헬리칼 공진기(helical resonator) 및 고온 저압의 플라즈마를 이용하는 유도결합형 플라즈마(inductively coupled plasma)가 있다.

고밀도 플라즈마는 기판에 독립적으로 전력을 전달함으로써 기판에 입사되는 이온의 에너지를 조절할 수 있으며, 낮은 공정압력에서 반응가스의 높은 분해율을 가지며 높은 이온밀도를 얻을 수 있다. 특히, 유도결합형 플라즈마는, 웨이퍼가반응챔버 상측의 나선형 코일로부터 발생되는 전자기장의 영향권 밖에 있으면서도, 또한 웨이퍼표면으로부터 평균자유이동경로의 수 배가 되지 않는 곳에서부터 플라즈마가 발생되기 때문에 플라즈마의 손실이 적은 편에 속한다.

그러나, 종래의 유도결합형 플라즈마장치는, 최근의 TFT-LCD를 비롯한 PDP, FED와 같은 평판디스플레이의 제조공정에 필요한 대면적의 기판 및 사각 시편공정을 수행하기에는 플라즈마의 균일도, 밀도, 및 식각속도 등이 낮아 고품위 공정을 수행하지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 높은 플라즈마 균일도, 밀도 및 식각속도를 얻을 수 있는 유도결합형 플라즈마장치 및 그 식각방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마장치의 개략도,

도 2는 도 1의 유도결합형 플라즈마장치에 있어서, 반응챔버 내부에 다양한 형태로 배치된 영구자석의 개략도,

도 3(a)는 반응챔버 내측의 영구자석에 의한 자기장의 세기 및 분포도,

도 3(b)는 반응챔버 외측에 설치된 전자석에 의한 자기장의 세기 및 분포도,

도 4는 반응챔버 내부에 영구자석을 설치한 경우와 그렇지 않은 경우에 있어서 측정한 이온포화전류 그래프,

도 5(a)는 반응챔버 내부에 영구자석 타입2 또는 4를 설치한 경우와 그렇지 않은 경우에 있어서 측정한 Ar 플라즈마의 이온밀도 그래프,

도 5(b)는 반응챔버 내부에 영구자석을 설치하지 않은 경우에 있어서 측정한 Ar 플라즈마의 이온밀도 그래프,

도 5(c)는 반응챔버 내부에 영구자석 타입4를 설치한 경우에 있어서 측정한 Ar 플라즈마의 이온밀도 그래프,

도 6(a)와 (b)는 반응챔버 내부에 영구자석 타입4를 설치한 경우에 있어서 반응챔버의 중심부분과 주변에서 측정한 Ar 플라즈마의 이온밀도 그래프,

도 7은 반응챔버 내즉에 영구자석 타입4를 설치하였는지의 여부에 대한 반응챔버 외측에 배치된 전자석에 의한 자기장 변화에 따른 Ar 플라즈마의 이온밀도 그래프,

도 8(a),(b) 및 (c)는 영구자석 타입4에서의 반응챔버 외부의 전자석의 유무에 따른 Ar 플라즈마의 이온밀도, 플라즈마 전위 및 전자온도의 변화를 나타낸 그래프,

도 9는 반응챔버 내부 혹은 외부에 각각 영구자석 타입4 또는 전자석을 설치하였는지 여부에 따라 측정한 다결정실리콘의 식각속도 그래프,

도 10은 반응챔버 내부 혹은 외부에 각각 영구자석 타입4 또는 전자석을 설치하였는지 여부에 따라 측정한 Cl 라디칼의 농도를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 반응챔버 2 : 유도코일

3 : 전자석 4 : 정전프루브

6 : 영구자석 7 : 수정창

9 : 서셉터

상기 목적은, 본 발명에 따라, 유도결합형 플라즈마장치에 있어서, 플라즈마에 의한 소정 처리를 위한 적어도 하나의 시편을 수용하는 직사각형 단면을 갖는 반응챔버와; 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 반응챔버 내에 RF소스전력을 제공하기 위한 유도수단과; 상기 반응챔버 내에 상기 플라즈마를 가두기 위한 자기장을 제공하는 상기 반응챔버 내측에 설치된 자기장발생수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마장치에 의해서 달성된다.

여기서, 상기 반응챔버 내측에 설치된 자기장발생수단은 N극과 S극이 등간격 배열된 적어도 한 쌍의 영구자석인 것이 바람직하다.

한편, 상기 유도결합형 플라즈마장치는 반응챔버 외측에 설치된 전자석을 더포함하는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마장치의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마장치는, 표면이 양극 산화된 알루미늄으로 이루어진 정사각형단면을 갖는 반응챔버(1)와, 반응챔버(1) 내에 위치하며 웨이퍼를 지지하는 높이조절이 가능한 서셉터(9)와, 반응챔버(1) 외부의 상측에 위치하며 금으로 코팅한 구리도선으로 4회에 걸쳐 평판나선형으로 감겨진 유도코일(2)과, 유도코일(2)과 반응챔버(1)의 사이에 개재되어 반응챔버(1)와 유도코일(2)을 공간적으로 분리시키는 RF윈도우인 24mm의 수정창(qaurtz plate)(7)과, 반응챔버(1)의 내측 벽에 등간격으로 N극과 S극이 교대로 배열된 복수쌍의 3000가우스(gauss)의 표면자기장을 갖는 6mm×8mm×14mm소형 영구자석(6) 및 반응챔버(1)의 상하 모서리 외측마다 스퀘어형태로 40회 감긴 50cm×50cm의 헬름홀쯔(Helmholtz)코일형태로 설치되어 있는 전자석(3)을 포함한다.

한편, 반응챔버(1) 내의 영구자석의 배치상태에 따른 효과를 분석하기 위해 도 2와 같이 여러 가지 형태로 영구자석을 배치하였다. 타입1,2,3은 자석 중심과 중심간의 거리가 5.6cm간격으로 N극과 S극을 1쌍으로 한 8쌍의 영구자석이 자극을 교대로하여 배열한 것이고, 타입4,5는 자석중심과 중심간의 거리가 2.8cm간격으로 모두 14쌍을 배열한 것이다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마장치는 반응챔버(1) 내측에 적어도 한 쌍의 영구자석(6)을 갖거나 반응챔버(1) 외측에 적어도 한 쌍의 전자석(3)을 가짐으로써 반응챔버(1) 내의 자기장의 세기를 강화시켰다.

도 3(a)는 가우스미터를 사용하여 반응챔버 내의 기판 중심으로부터 위로 1.5cm의 위치에서 반응챔버(1) 반경방향을 따라 측정한 영구자석으로부터의 자기장의 세기 및 분포를 나타낸 것이다. 사용된 영구자석은 자기장을 가하지 않은 상태와 비교를 위해 추후 실험결과로 나타난 플라즈마 균일도가 가장 높은 타입5를 선택하였다.

영구자석의 표면자기장의 세기는 3000 가우스이다. 자기장의 세기는 반응챔버(1) 중앙으로 갈수록, 자석과 자석사이의 중앙부분으로 갈수록 감소하는 것을 알 수 있었다. 일반적으로 기판 위에서의 강한 자기장은 공정균일도를 얻는데 있어서 어려움이 있다고 보고되고 있는데, 본 발명에 따른 경우에는 도시된 바와 같이 기판 위에서의 자기장의 세기는 약함을 알 수 있다.

도 3(b)는 반응챔버(1) 외측에 설치된 전자석에 의한 자기장의 세기의 변화 및 분포를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 자기장의 세기는 각각의 전자석의 코일에 전류값을 10A에서부터 50A까지 가하였을 때 약 15가우스에서 77가우스 정도까지 선형적으로 증가되는 수직방향의 자기장을 나타내었으며, 자기장분포의 균일도[{(B_max-B_min)/(2×average)}×100]는 200mm×200mm 반응챔버(1) 내부 전체범위에서 2%미만으로 유지되고 있음을 알 수 있다.

먼저, 본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마장치에 있어서, 반응챔버(1) 외측에 설치된 전자석(3)에는 전원을 인가하지 않음으로써 전자석(3)을 제외시키고 반응챔버(1) 내측 벽에 설치된 영구자석(6)에 의한 플라즈마 균일도에 미치는 영향을 알아보기로 한다. 이를 위해 정전프루브 ESP(electrostatic probe)(4)를 사용하여 플라즈마의 이온포화전류(ion saturation current)를 측정하였다.

도 4(a)는 정전프루브(4)를 이용하여, 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치한 경우와 그렇지 않은 경우에 있어서 기판 중심으로부터 위로 1.5cm에서 반응챔버(1) 반경방향을 따라 이온포화전류를 측정한 그래프이다. 단, 이 때 정전프루브(4)에 가해진 DC전압은 -60V이고, 플라즈마의 압력은 Ar 5mTorr이며, 플라즈마에 가해진 RF소스파워는 600W였다.

도시된 바와 같이, 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치하여 자기장을 가한 경우가 자기장을 가하지 않은 경우에 비해 이온포화전류가 더 높다는 것을 알 수 있다. 반응챔버(1) 중심으로부터 반경방향을 따라 측정한 플라즈마 균일도에 있어서는, 타입1,3,4의 경우에는 오히려 자기장을 가하지 않은 경우보다 균일도가 좋지 않음을 보였고 나머지 타입에서는 자기장을 가한 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 향상됨을 알 수 있다. 특히, 이들 여러가지 형태의 영구자석 중에서 타입4가 가장 좋은 균일도를 보였다. 타입1(자석중심과 중심간 거리:5.6cm)의 경우 타입4(자석중심과 중심간 거리:2.8cm)와 자기장의 세기는 동일하나 배열에 있어서 플라즈마 내의 자유전자를 가두는 효과보다는 오히려 전자의 반응챔버(1) 벽쪽으로의 상실지점을 증가시킴으로 인한 플라즈마 균일도의 저하로, 타입3(자석표면자기장의 세기:약 4300 가우스)의 경우 배열에 있어서는 타입1(자석표면자기장의 세기:약 3000 가우스)과 동일하나 약 1.5배 정도 강한 표면자기장의 세기로 인해반응챔버(1) 내부로 강한 자기장이 침투되게 됨에 따른 플라즈마 균일도의 저하로 추정된다.

따라서, 자기장의 세기와 배열이 고려된 적절한 자기장을 반응챔버(1) 내부에 가함으로써 반응챔버(1) 내벽으로의 전자 손실을 줄이고 더욱 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 5는 가장 좋은 플라즈마 균일도를 보인 영구자석타입2와 4를 반응챔버(1) 내부에 자기장을 가하지 않은 상태와 비교하기 위해 동일한 조건에서 정전프루브(4)를 사용하여 측정한 Ar 플라즈마의 이온밀도이다. 단, 이 때 정전프루브(4)에 가해진 DC전압은 -60V이고, 공정변수로서의 압력은 Ar 5mTorr이며, 플라즈마에 가해진 RF소스파워는 600W였다.

도시된 바와 같이, 플라즈마의 이온밀도는 이온포화전류의 경우와 마찬가지로, 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치하여 자기장을 가한 경우가 자기장을 가하지 않은 경우에 비해 이온밀도가 더 높게 나타났다.

도 6(a)는 영구자석을 부착하지 않은 경우에 대해서 Ar 압력에 따라 정전프루브(4)를 사용하여 측정한, 기판중심으로부터의 반경방향거리에 따른 이온밀도를 도시한 그래프이며, 도 6(b)는 반응챔버(1) 내에서 가장 좋은 플라즈마 균일도를 보인 영구자석타입4에 대하여 도 6(a)와 마찬가지 방법으로 측정한 이온밀도를 도시한 그래프이다. 단, 이때 정전프루브(4)에 가해진 전압은 -60V에서 60V이고, 공정조건으로 RF소스파워는 600W이며, 압력은 2mTorr, 5mTorr, 및 10mTorr로 변화를 주었고 기판중심에서부터 반경방향으로 반응챔버(1)의 내벽까지 1cm 간격으로 측정하였다.

도시된 바와 같이, 영구자석이 반응챔버(1) 내에 배치된 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 플라즈마 밀도 및 균일도가 모두 증가하였으며, 또한 자석의 유무와 상관없이 압력이 낮아짐에 따라 이온밀도의 균일도가 향상됨을 알 수 있다. 이는 압력이 낮아짐으로 인하여 이온들의 평균자유이동경로(mean free path)가 증가함으로써 반응챔버(1)중심으로부터 반경방향으로의 확산계수가 커지기 때문이다. 반응챔버(1) 내부에 영구자석을 설치한 경우에 있어서 2mTorr에서의 플라즈마 밀도의 균일도 [{(n_max-n_min)/(2×average)}×100]는 200mm×200mm 반응챔버(1)에서 5.9%를 나타내었다. 따라서, 공정압력을 낮춤으로서 균일도는 더욱 증가될 것으로 추정된다.

도 7(a),(b)는 영구자석 타입4의 경우 반응챔버(1)의 중심부분과 중심으로부터 반경방향으로 6cm 떨어진 주변의 일지점에서 반경방향으로 1cm 간격으로 측정한 이온밀도의 균일도를 나타낸 그래프이다. 단, 측정은 RF소스파워는 600W, 공정압력은 5mTorr 및 2mTorr에서 행해졌다. 반응챔버(1) 내에 자석을 배치한 경우와 그렇지 않은 경우 및 모든 공정압력에 있어서 이온밀도의 균일도는 중심에서보다 주변에서 측정한 결과가 2.8%로 다소 우수한 값을 나타내었다.

이하에서는 본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마장치에 있어서, 반응챔버(1) 외측에 배치된 전자석(3)이 플라즈마에 미치는 영향을 알아보고자 한다.

도 8은 반응챔버(1) 내측에 적합화된 영구자석(6)이 배치되었는지의 여부에 대한 반응챔버(1)외측에 배치된 전자석(3)에 의한 자기장변화에 따른 플라즈마의Ar 이온밀도의 변화를 나타낸다. 여기서, RF소스파워는 600W이고, 공정압력은 5mTorr 및 10 mTorr 이다. 도시된 바와 같이, 전자석(3)에 의한 자기장의 세기가 증가함에 따라 반응챔버(1) 내측의 영구자석(6)의 유무와는 상관없이 모두 점진적으로 이온밀도가 증가하는 경향을 가지며, 다만 특정한 자기장위치에서 헬리칼 여기(helical excitation)로 추정되는 이온밀도의 급격한 증가를 관찰할 수 있었다.

도 9(a),(b) 및 (c)는 영구자석 타입4에서의 반응챔버(1) 외부의 전자석의 유무에 따른 플라즈마밀도의 균일도, 전자온도, 및 플라즈마전위의 변화를 나타낸 그래프이다. 각 값들은 기판중심에서 반응챔버(1) 내벽까지 1cm 간격으로 측정하였고 이 때, 정전프루브(4)에 가해진 전압은 -60V에서 60V이고, 공정조건으로 RF소스파워는 600W 이고, 공정압력은 5mTorr로 동일하고, 가해진 전자석(3)의 자기장은 15가우스, 20가우스이다.

도시된 바와 같이, 전자석(3)과 영구자석(6)을 조합한 경우의 이온밀도는 3.12×10¹¹cm^-3으로, 플라즈마의 균일도는 다소 감소하였지만, 영구자석(6)만을 사용한 경우의 이온밀도 2.42×10¹¹cm^-3보다 증가된 것으로 나타났다. 200mm×200mm 반응챔버(1) 내에서의 플라즈마의 균일도는 반응챔버(1) 외측에 전자석(3)을 설치하여 자기장을 가한 경우 그렇지 않은 경우에 비해 6.9%에서 9%로 감소되었다. 또한 반응챔버(1) 내부에 영구자석을 설치하지 않은 상태에서 반응챔버(1) 외측에 전자석(3)을 설치하여 자기장을 가하였을 경우에는 10%에서 12.5%로 균일도의 감소를 나타내었다.

도 10(a)와 (b)는 반응챔버(1)내측의 영구자석(6)과 외측의 전자석(3)을 모두 설치하여 자기장을 가하였을 경우의 플라즈마 전위와 전자의 온도변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

플라즈마 전위는 기판 중앙에서 반경방향으로 반응챔버(1) 내벽까지 측정하였는 바 큰 변화를 나타내지 않았으며, 도시된 바와 같이, 영구자석(6) 혹은 전자석(3)만으로 자기장을 가한 경우보다 영구자석(6)과 전자석(3)을 모두 설치하여 자기장을 가한 경우에 가장 낮은 플라즈마 전위를 나타내었다. 전자의 온도도 영구자석(6) 혹은 전자석(3)만으로 자기장을 가한 경우보다 영구자석(6)과 전자석(3)을 모두 설치하여 자기장을 가한 경우에 플라즈마 전위와 마찬가지로 가장 낮게 나타났다.

따라서, 상기 실험결과에서 알 수 있는 바와 같이, 유도결합형 플라즈마장치에 있어서 영구자석(6)의 세기와 배치를 변화시켜가면서 플라즈마의 균일도와 밀도에 미치는 영향을 분석하였는 바, 영구자석타입4가 영구자석(6)을 설치하여 자기장을 가하지 않은 경우에 비해 반응챔버(1) 내부의 중심 및 주변에서 우수한 플라즈마 균일도를 나타내었다. 즉, 210mm×210mm 반응챔버(1)의 중심에서 반응챔버(1) 내벽으로부터 1cm 가 되는 지점까지의 플라즈마 균일도를 측정하였는 바, 2mTorr의 Ar과 600W의 RF소스파워에서 영구자석(6)을 설치하지 않은 경우의 10%에서, 적합화된 영구자석(6)을 설치한 경우(영구자석타입4의 경우) 5.9%로 균일도가 향상되었다.

또한, 전자석(3)을 설치하여 반응챔버(1)에 자기장을 가한 경우에 플라즈마의 균일도는 영구자석(6)의 유무에 관계없이 다소 감소하였으나(5mTorr, 600W에서 1.2%정도) 전자석(3)을 사용함으로 인하여 플라즈마의 밀도가 크게 향상됨을 알 수 있었다. 또한 영구자석(6)의 사용은 플라즈마 전위와 전자밀도를 약간 감소시켰으며 영구자석(6)과 전자석(3)을 조합한 경우 가장 낮은 플라즈마 전위(34V_p)와 전자온도(3eV)를 나타내었다.

한편, 본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마장치의 식각 특성을 밝히기 위하여 다결정실리콘의 식각을 수행하였다. 반응챔버(1) 내의 플라즈마 가스로는 Ar가스를, 식각을 위한 가스로는 C₂F₆, CHF₃, C₄F₈, H₂가스를 사용하였다. 유도결합 플라즈마를 발생시키기 위해 13,56MHz의 RF소스파워를 유도코일(2)에 인가하였으며. 한편 바이어스전압을 발생시키기 위해, 도시된 바와 같이 웨이퍼 쪽에 별도의 13.56MHz의 RF전력을 인가하였다.

식각에 사용된 실리콘 웨이퍼에는 1000Å두께로 실리콘산화막을 증착시킨 후 2㎛두께로 다결정실리콘을 증착하였으며 마스크 물질로는 2.5㎛두께의 포토리지스트(PR:photo-resist)를 패터닝하여 사용하였다. 여기서, 포토리지스트란 빛이나 방사, 열 등 여러형태의 에너지에 노출되었을 때 내부구조가 바뀌는 특성을 가진 감광성수지로서, 에너지에 반응하여 구조를 바꾸는 역할의 폴리머(polymer), 상기 폴리머의 운반역할을 하는 용제(solvent), 및 다중체의 화학반응을 조절하는 센시타이저(sensitizer)를 기본구성성분으로 가지고 있다. 반도체 제조공정상에서 포토리지스트는 소정의 패턴을 형성하여 이에 따라 소정 막(본 실시예에서는 산화막)을 선택적으로 제거하는 식각을 용이하게 하기 위하여 사용된다.

도 11은 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치하고 반응챔버(1) 외부에 전자석(3)을 설치하여 동시에 자기장을 가하는 경우, 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치하고 반응챔버(1) 외부에는 전자석(3)을 설치하지 않은 경우, 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치하지 않고 반응챔버(1) 외부에만 전자석(3)을 설치한 경우, 및 반응챔버(1) 내외부에 영구자석(6) 및 전자석(3)을 설치하지 않은 경우에 있어서 실리콘웨이퍼 중심으로부터 반경방향으로 각 2cm 마다 측정한 다결정실리콘의 식각속도를 도시한 그래프이다. 단, 여기서 반응챔버(1) 내부에 설치된 영구자석(6)은 타입4이다.

도시된 바와 같이, 반응챔버(1) 내부 혹은 외부에 영구자석(6)이나 전자석(3)을 설치하여 반응챔버(1) 내의 플라즈마에 자기장을 가해준 경우에 있어서 자석을 전혀 설치하지 않은 경우에 비해 식각속도가 높은 것을 쉽게 알 수 있다. 더욱이, 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치한 경우보다는 반응챔버(1) 외측에 전자석(3)을 설치한 경우에 식각속도가 높게 나타났다. 가장 빠른 식각속도는 반응챔버(1) 내부와 외부에 각각 영구자석(6)과 전자석(3)을 설치한 경우에 얻을 수 있었다. 다만, 실리콘웨이퍼 중심에서 반경방향으로 속도의 균일성은 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치한 경우에 있어서 가장 좋게 나타났다.

라디칼은 에너지를 흡수함에 따라 여기된 불소 혹은 염소 등의 분자 또는 분자결합이 끊긴 원자를 의미하며, 이온과 달리 전기를 갖고 있지 않으나 매우 불안정하여 다른물질과의 반응성이 높다. 따라서 식각속도는 플라즈마 내에 존재하는반응이온과 라디칼의 농도에 주로 의존하게 된다.

도 12는 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치하고 반응챔버(1) 외부에 전자석(20가우스)(3)을 설치하여 동시에 자기장을 가하는 경우, 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치하고 반응챔버(1) 외부에는 전자석(3)을 설치하지 않은 경우, 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치하지 않고 반응챔버(1) 외부에만 전자석(20가우스)(3)을 설치한 경우, 및 반응챔버(1) 내외부에 영구자석(6) 및 전자석(3)을 설치하지 않은 경우에 있어서 RF소스파워의 증가에 따라 측정한 Cl 라디칼의 농도를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이 RF소스파워를 증가시키면 플라즈마 내의 에너지를 증가시키게 되고 따라서 전자의 충돌반응이 활성화되고 라디칼의 수도 증가하게 된다. 따라서 모든 경우에 있어서 RF소스파워를 증가시키면 라디칼의 농도는 증가한다. 다만, 반응챔버(1) 내부 혹은 외부에 영구자석(6)이나 전자석(3)을 설치하여 반응챔버(1) 내의 플라즈마에 자기장을 가해준 경우에 있어서 자석을 전혀 설치하지 않은 경우에 비해 Cl 라디칼 농도가 더 높게 나타났다. 더욱이, 반응챔버(1) 내부에 영구자석(6)을 설치한 경우보다는 반응챔버(1) 외측에 전자석(3)을 설치한 경우에 Cl 라디칼 농도가 높게 나타났다. 가장 높은 Cl 라디칼 농도는 반응챔버(1) 내부와 외부에 각각 영구자석(6)과 전자석(3)을 설치한 경우에 얻을 수 있었다.

상기와 같은, Cl 라디칼의 농도의 변화는 앞서 측정한 식각속도 증가의 원인을 뒷받침해준다.

본 발명에 따른 상술한 실시예에서는, 반응챔버(1) 내의 자기장을 강화시키기 위해 반응챔버(1) 내측에 8쌍 혹은 14쌍의 영구자석을, 반응챔버(1) 외측에 4개의 전자석을 배치시켰으나 수행하고자 하는 프로세스의 요구조건에 따라 영구자석의 개수, 크기 및 자기력을 다양하게 변화시켜 사용할 수 있으며, 물론 영구자석과 전자석의 상호교환이용도 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 플라즈마의 높은 균일도, 밀도 및 식각속도를 얻을 수 있는 유도결합형 플라즈마장치가 제공된다.

Claims

유도결합형 플라즈마장치에 있어서,

플라즈마에 의한 소정 처리를 위한 적어도 하나의 시편을 수용하는 직사각형 단면을 갖는 반응챔버와;

상기 반응챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 반응챔버 내에 RF소스전력을 제공하기 위한 유도수단과;

상기 반응챔버 내에 상기 플라즈마를 가두기 위한 자기장을 제공하도록 상기 반응챔버 내측에 N극과 S극이 등간격으로 배치된 적어도 한 쌍의 영구자석과;

상기 반응챔버 외측에 설치된 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도결합형 플라즈마장치.