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KR100453538B1 - 플라즈마에칭리액터장치및방법 - Google Patents

플라즈마에칭리액터장치및방법 Download PDF

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KR100453538B1
KR100453538B1 KR10-1998-0710862A KR19980710862A KR100453538B1 KR 100453538 B1 KR100453538 B1 KR 100453538B1 KR 19980710862 A KR19980710862 A KR 19980710862A KR 100453538 B1 KR100453538 B1 KR 100453538B1
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electrode
solid source
source
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gas
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스테펀 피. 데오넬라스
레스라이 지. 저디
알퍼드 코퍼
로버트 씨. 베일
쿠트 에이. 올슨
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테갈 코퍼레이션
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Abstract

플라즈마 에칭 리액터(20)는 상부 전극(24), 하부 전극(28) 및 그 사이에 배치된 주변 링 전극(26)을 포함한다. 상기 상부 전극(24)은 접지되어 있고, 상기 주변 전극(26)은 고주파 AC 전원에 의해 전력 공급받고, 그리고 상기 하부 전극(28)은 저주파 AC 전원 뿐만 아니라 DC 전원에 의해 전력 공급받는다. 리액터 챔버(22)가 가스 종들의 솔리드 소스(50) 및 돌출 배플(40)로 구성된다. 노즐(36)은 반도체 웨이퍼(48)의 표면에서 공정 가스를 균일하게 하도록 공정 가스의 분사 스트림(jet stream)을 제공한다. 플라즈마 에칭 리액터(20)의 구성은 리액터(20) 내의 플라즈마에 대한 밀도 범위를 향상시키며, 이런 범위는 전원들(30, 32)을 더 조정함으로써 선택될 수 있다.

Description

플라즈마 에칭 리액터 장치 및 방법{PLASMA ETCH REACTOR AND METHOD}
본 발명은 개선된 플라즈마 에칭 리액터 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼의 플라즈마 에칭에 이용되는 많은 종래의 소자 및 방법이 있다. 하나의 이러한 성공적인 장치 및 방법이 1991년 4월 9일자로 재발행된 미국 특허 제 4,464,223 호에 기술되어 있다. 이런 플라즈마 에칭 리액터 장치는 3개의 전극과 접해있는 리액터 챔버를 나타낸다. 상위 전극은 접지되어 있고, 하위 전극에는 DC전원에 따른 저주파 전원이 제공된다. 이런 하위 전극은 또한 반도체 웨이퍼를 적소에 홀드(hold)하는 처크(chuck)이다. 다른 전극은 상위 전극과 하위 전극의 사이에 위치하고, 실질적으로 원통형인 리액터 챔버 주변에 위치한다. 이 전극에는 고 무선 주파수 전원이 제공된다. 이러한 배치에서, 고주파 전원과 저주파 전원은(1) 공정 가스의 분리와, 그리고 (2) 플라즈마 생성 리액턴트 종들(species)의 이온 에너지를 최적화시키는데 이용된다.
상기 소자는 동작시 매우 성공적이었지만은, 리액터 챔버 내에서 플라즈마를더욱 정확하게 제어함으로써 플라즈마 에칭 리액터의 동작을 유익하게 한다는 것을알게 되었다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 에칭 리액터의 일 실시예의 측면도이다.
도 2는 향상된 공정 가스 입구 노즐이 부가된, 도 1과 유사한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 노즐의 바람직한 실시예의 단면도 및 측면도이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 본 발명의 노즐의 다른 바람직한 실시예의 등측도(isometric), 측면도, 확대 부분 측면도 및 단면도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 노즐의 또다른 바람직한 실시예의 측면도, 확대 부분 단면도 및 단면도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 노즐의 다른 실시예의 측면도, 확대 부분 단면도 및 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 주변 전극과 결합된 자석 배치의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 상위 전극과 결합된 자석 배치의 사시도이다.
따라서, 본 발명은 종래의 플라즈마 에칭 리액터의 동작을 향상시키는 것에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 리액터 챔버에서 수행되는 에칭 공정에 작용하여 제어하기 위해서 증가된 플라즈마 밀도 범위를 갖는 플라즈마 에칭 리액터를 제공하는 것이다. 단지 예로서, 이러한 향상된 플라즈마 밀도 범위는 에칭 공정의 프로파일 제어및 선택도에 유리하게 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 부식되어, 에칭 공정에 유리한 가스 종들을 발생시키는 솔리드 소스(solid source)를 제공하는 것이고, 또한, 부식된 가스 종들과 주입된 공정 가스의 적절한 혼합물이 생기도록 상기 솔리드 소스를 제어하여 부식시키는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 공정 가스의 분사물이 반도체 웨이퍼의 표면에 도달하여 이 표면에서 공정 가스의 균일한 분포가 이루어지도록 하는 독특한(unique)노즐(nozzle) 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 리액터 챔버를 더 한정(confine)하여, 공정 가스의 균일한 분포 및/또는 솔리드 소스로부터 생성된 가스 종들과 혼합된 공정 가스의 균일한 분포가 이루어지도록 하기 위해서 돌출(protruding) 절연물 또는 배플(baffle)을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 솔리드 소스로부터 발생된 가스 종들의 양과 생성된 플라즈마를 제어하도록 향상된 자기장을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 반도체 웨이퍼의 표면에서 프레시(fresh) 공정 가스의 균일한 분포가 이루어지도록 리액터 챔버의 치수를 정의하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 특징들 및 목적들 중 하나 이상의 특징 및 목적과 관련하여 하나 이상의 전원을 제공하여, 리액터 챔버의 전극에 제공된 전력을 조정함으로써 가능한 플라즈마 밀도의 향상된 범위내에서 바람직한 플라즈마 밀도를 선택할 수 있도록 하는 것이다.
최종적으로, 본 발명의 또다른 목적은 상기 목적들 및 특징들 중 어느 하나 또는 모든 목적 및 특징의 조합으로 증가된 플라즈마 밀도 범위를 갖는 리액터 챔버를 제공하는 것이다.
본 발명의 부가적인 특징들, 목적들 및 양상들은 이하의 설명 및 도면들로부터 명백해진다.
상기 도면들 특히, 도 1을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 에칭 리액터(20)의일 실시예의 측면도가 도시된다. 이 리액터(20)는 미국 특허 제 4,464,223 호에 기술된 리액터를 강화하여 향상시킨 것이다. 이 미국 특허는 본원에서 참조문헌으로서 인용된다.
상기 리액터(20)는 접지된 상부 전극(24), 측부 주변 전극(26) 및 하부 전극(28)과 접해있는 리액터 챔버(22)를 포함한다. 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 측부 주변 전극(26)은 이 측부 주변 전극(26)에, 바람직하게는 13.56 MHz로, 바람직하게는 1,100 와트의 전력 레벨로 전력을 제공하는 전원(30)에 접속된다. 이 전원(30)은 (바람직하게는 무선 주파수 범위의) 고주파 전원이고, 그 주파수는 바람직하게는 2 MHz 내지 950 MHz의 범위에 있을 수 있다는 것을 이해해야 한다. 상기 전력은 또한 바람직하게는 100 볼트 내지 5,000 볼트 사이의 전압으로 200 와트 내지 3,000 와트의 범위내에서 공급될 수 있다.
상기 하부 전극(28)에는 제 2 전원(32)이 접속된다. 상기 제 2 전원(32)은 바람직하게는 450 KHz로 동작되고, 바람직하게는 200 볼트의 전압으로 30 와트의 전력이 공급된다. 이 전원(32)은 저주파 전원이다. (바람직하게는, 무선 주파수 범위의) 상기 전원은 10 KHz 내지 1 MHz의 범위내에서 2 와트 내지 1,000 와트의 전력 범위와, 5 볼트 내지 3,000 볼트의 전압 범위로 동작을 행할 수 있다. 또한, 상기 하부 전극(28)에는 DC 전원(34)도 접속된다. 상기 측부 전극(26)에 인가된 고주파 전력은 이온 플럭스(ion flux)를 제어하고, 상기 하부 전극(28)에 인가된 저주파 전력은 독립적으로 이온 에너지를 제어한다.
이는 전원들 주로, 에칭 플라즈마의 밀도를 유리하게 제어하여 우수한 에칭특성을 제공하는 고주파 전원의 제어이다. 더욱이, 이는 전원의 제어로 최적의 플라즈마 밀도가 선택될 수 있는 향상된 플라즈마 밀도 범위를 제공하는 리액터(20)의 설계이다.
상기 접지된 상부 전극(24)에는 공정 가스를 리액터 챔버(22)내로, 반도체 웨이퍼(48)의 방향으로 분사시키는 중앙 노즐(36)이 결합된다. 아래에 더 상세하게 기술되는 바와 같이, 상기 노즐(36)로부터 공정 가스를 분사시키면, 공정 가스가 반도체 웨이퍼(48)의 표면에 효과적으로 도달할 수 있어, 반도체 웨이퍼(48)의 표면 전체에 걸쳐서 공정 가스를 프레시하고 균일하게 분포시킬 수가 있다.
상기 접지된 상부 전극(24)과 노즐(36)의 바로 위에는, 리액터 챔버(22)로부터 소모된 가스 종들을 배기시키는데 이용되는 배기 스택(exhaust stack)(38)이 있다. 리액터 챔버(22)로부터 가스 종들을 배기하기 위해서 상기 배기 스택(38)에는 펌프(도시되지 않음)가 고정된다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 상부 전극(24)과 상기 노즐(36)의 바로 아래에는, 돌출 주변 배플(40)이 있다. 상기 배플(40)은 절연 물질로 구성되고,아래에 기술되는 바와 같이, 플라즈마 에칭 리액터(20)의 노즐(36)과 하우징(housing)(44) 사이의 배기 경로(42)에 돌출해 있다. 상기 돌출 배플(40)은 리액터 챔버(22)내에서 노즐(36)과 솔리드 소스(50)로부터의 각종 가스 종들의 양호한 혼합물이 생기게 한다.
상기 돌출 배플(40)의 바로 아래에는, 본 실시예에서는 측부 주변 전극(26)내에 하나의 자석 또는 다수의 자석(46)이 합체되어 있다. 또한, 바람직하게는 상부 전극(24) 내에 하나의 자석 또는 다수의 자석(47)이 합체되어 있다. 아래에 기술되는 바와 같이, 이 자석들(46 및 47) 중 어느 하나 또는 양자 모두는 리액터 챔버(22)에 대해 및 이에 일치하여 자기 가둠 챔버(magnetic confinement chamber)를 정의한다. 이 자기 가둠 챔버는 리액터 챔버 내에 채워진 이온 종들(charged ion species)이 리액터 챔버로부터 빠져나가지 못하게 하여 반도체 웨이퍼(48)에 모이게 한다. 이 자기 가둠 챔버는 채워진 이온 종들이 리액터 챔버(22)의 벽에 모이지않게 한다.
측면 주변 솔리드 소스(50)가 측부 주변 전극(26)과 자석(46)을 커버(cover)한다. 이 솔리드 소스(50)는 솔리드 소스(50)로부터의 가스 종들의 원자를 충돌시키거나 부식시키는, 예를 들면, 무선 주파수 여기 이온의 충격(bombardment)을 통하여 리액터 챔버(22)로 스퍼터링될 수 있는 가스 종들의 혁신적인 소스를 제공한다. 솔리드 소스의 표면으로부터의 가스 종들의 부식으로 상기 AC 전원들 중 하나 또는 양자 모두를 펄스화시킴으로써 영향을 받을 수 있다. 다른 잇점으로서, 솔리드 소스의 표면의 부분들이 부식하기 때문에, 가스 종들의 조합에 의해 부식 표면상에는 어떠한 입자도 형성될 수 없다. 따라서, 솔리드 표면의 부식 부분들에 형성된 이러한 입자로부터의 오염이 제거되게 된다. 솔리드 소스(50)의 변형에 대해서는 아래에 기술하기로 한다.
상기 솔리드 소스(50)의 바로 아래에는, 리액터 챔버(22)에 대해 반도체 웨이퍼(48)를 위치시키는 웨이퍼 처크(52)가 있다. 웨이퍼 클램프(wafer clamp)(53)가 웨이퍼(48)를 웨이퍼 처크(52)상에 홀드한다. 본 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼처크(52) 뿐만 아니라 하부 전극(28)도 웨이퍼(48)를 삽입 및 제거하도록 수직으로 하향 이동시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 필요한 경우, 냉각수 매니폴드(cooling water manifold)(54)를 이용하여 측부 주변 전극(26)과 자석(46)을 냉각시킬 수 있다. 솔리드 소스(50)는 필요한 경우 온수 매니폴드(hot water manifold)(56)를 이용하여 가열시킬 수 있다는 것을 이해해야 한다. 솔리드 소스(50), 특히 그의 전면 노출면을 가열시키는 다른 방법으로는, 저항 및 유도 가열과, 램프 및 다른 광자 소스에의해 제공되는 방사 가열이 있다.
돌출 배플(40) 뿐만 아니라 자석들의 구성과 노즐로부터의 공정 가스 분사와, 솔리드 소스로부터 부식되는 가스 종들은, 반도체 웨이퍼의 표면에 인접하여 고밀도 플라즈마를 제공한다. 이런 구성은 리액터 챔버(22) 내에서 달성될 수 있는 밀도 범위를 크게 증가시킨다. 전원(30)에 의해 주변 전극(26)에 제공된 전력을 제어함으로써 더욱 큰 밀도 범위로부터 정확한 요구 밀도를 선택할 수 있다. 솔리드소스로부터 가스 종들의 부식 속도를 감소시키고, 플라즈마의 밀도를 감소시키는 것이 바람직한 경우 전원을 턴다운(turn down)시킬 수 있다. 대안적으로, 리액터 챔버(22) 내의 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해서 전원을 턴업(turn up)시킬 수 있다.
단지 예로서, 폴리실리콘 층이 에칭되는 경우, 고주파 전원(30)에 의해 제공된 전력은 덜 조밀한 플라즈마로서 턴다운되고, 솔리드 소스(50)로부터의 낮은 부식 속도가 요구된다. 대안적으로, 실리사이드(silicide)가 에칭되는 경우, 더욱 조밀한 플라즈마로서 전력이 턴업되고, 솔리드 소스로부터의 높은 부식 속도가 바람직하다. 더욱이, 저주파 전원은 또한 조정될 수가 있어, 본 발명에서 에칭 공정의 결과에 영향을 미칠 수 있다.
상기의 동작 범위는 종래의 소자로는 가능하지 않다. 상기 특징들 중 하나 이상은 플라즈마 밀도 범위를 확장하여, 본 발명의 정신 및 범주 내에서 에칭 공정을 향상시키는데 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
리액터(20)의 하나의 대안적인 실시예가 도 2에 도시된다. 유사한 구성요소들은 전술된 바와 같이 유사한 번호로 나타낸다. 도 2에서는, 리액터 챔버(22) 내의 가스 종들의 혼합물의 균일성을 향상시키도록 노즐(36)이 수정되었다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 노즐(36)은 공정 가스를 여러 방향으로 보낼 수 있는 매니 폴드(70)를 포함한다. 매니폴드(70)로부터, 상부 전극(24)에 병렬이고, 수평으로 공정 가스를 분사시키는 수평 포트들(72, 74)이 있다. 포트(76)는 가스가 웨이퍼(48) 상으로 바로 수직 하향하여 분사시킨다. 포트들(78 및 80)은 수평으로 특히, 웨이퍼(48)의 주변 방향으로 비스듬하게 공정 가스를 분사시켜, 공정 가스가 균일하게 분포되게 하고/하거나 솔리드 소스(50) 및 공정 가스의 분사물로부터 스퍼터링되거나, 그렇지 않으면 부식된 가스 종들이 바람직하게 혼합되게 한다. 본 실시예에 있어서, 이는 또한 (1) 솔리드 소스(50)로부터 스퍼터링되거나 부식된 가스 종들과, 그리고 (2) 노즐(36)의 포트들로부터의 공정 가스들의 양호한 혼합물이 반도체 웨이퍼(48)의 표면에 제공되게 하는 돌출 배플(40) 및 매니폴드(70)의 포트들의 조합이다.
이러한 대안적인 실시예에 있어서, 필요한 경우, 주변 전극(26)에 제 2 저주파 전원(31)이 제공될 수도 있다. 이 전원(31)은 바람직하게는 450 KHz의 주파수를 갖는다. 이 전원(31)은 모든 면에서 전원(32)과 유사하다. 고주파 전원(30)은 플라즈마 밀도를 제어하고, 저주파 전원(31)은 솔리드 소스로부터의 가스 종들의 부식속도를 제어한다. 대안적으로, 고주파 전원이 플라즈마의 밀도와 솔리드 소스의 부식 속도 둘다를 제어할 수 있도록 할 수 있다.
종래 장치들에서의 에칭은 통상적으로 300 내지 500 millitorr 범위내에서 수행되며, 이런 범위는 본 발명의 리액터에서 적용하는 저압력보다 높은 1 내지 2정도의 크기이다. 최첨단 반도체 소자가 필요로 하는 초미세 피쳐(feature)의 에칭을 위해서는, 저압력 동작이 바람직하다. 그러나, 저압력에서는, 고밀도 플라즈마를 유지하는 것이 더 어렵다.
도 1 및 도 2의 실시예들에 대해서, 본 발명은 고 플라즈마 밀도(웨이퍼에서의 1011cm3) 및 저 이온 에너지(15 내지 30 전자 볼트 이하)를 가진 저압력(3 내지 5 millitorrs)에서의 플라즈마를 포함하는 자기장을 계획하고 있다. 일반적으로, 저압력 동작은 약 150 millitorr 또는 약 100 millitorr 또는 그 이하 그리고 바람직하게는 약 20 millitorr 또는 약 10 millitorr 또는 그 이하에서 이루어진다. 초 미세(0,5 미크론 이하) 소자에 대해서, 우수한 에칭 결과를 전하기 위해서는 플라즈마 소스는 웨이퍼에서 고밀도의 활성 가스로 인한 저압력과 저 이온 에너지로 동작을 행해야 한다. 저압력 플라즈마는 웨이퍼 피쳐의 언더컷팅(undercutting) 뿐만 아니라 (농축된 피쳐들을 덜 농축된 피쳐보다 더 급속히 에칭하는) 마이크로로딩(microloading)의 영향을 최소화함으로써 에칭의 전체 품질을 향상시키며, 이들 양자 모두는 전체 양품률에 악영향을 미칠 수 있다. 그러나, 저압력은 고속의 에칭 속도를 유지하기 위해서는 에칭되는 반도체 웨이퍼상의 막과 반응하는 플라즈마 입자의 수를 증가시키도록 웨이퍼에서 고밀도 플라즈마를 필요로 한다. 고속의 에칭 속도는 더 높은 평균 처리율(throughput)에 이르게 하는 한 요인이다. 더욱이, 저 이온 에너지는 에칭 선택도를 향상시키고, 웨이퍼 손상을 최소화시킨다. 이들 양자 모두는 전체 양품률을 향상시킨다. 본 실시예들은 약 150 millitorr 또는 그 이하에서 동작을 행할 수 있다는 것이 고려된다.
본 발명의 리액터(20)는 서로 다른 에칭 화학 또는 레시피(recipe)를 필요로 하는 다양한 서로 다른 기판 또는 막을 에칭하는데 이용될 수 있다. 일반적으로, 이 화학은 2 또는 그 이상의 다음의 가스들 즉, 할로겐 가스, 할로겐 함유 가스, 노블 가스(noble gas) 및 2원자성 가스(diatomic gas)를 포함한다.
이제, 전술된 상기 특징들의 변형을 더 상세하게 설명하기로 한다.
솔리드 소스
솔리드 소스(50)로부터 부식되거나 스퍼터링된 가스 종들이나, 그로부터 부식되거나 스퍼터링된 종들의 결핍은 플라즈마 에칭 리액터(20)에서 수행되는 에칭공정의 성공에 큰 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단되어 왔다. 단지 예로서, 솔리드 소스(50)는 무선 주파수 여기 이온에 의한 충격과 동시에 솔리드 소스로부터의 실리콘 및 산소의 가스 이온을 리액터 챔버 안으로 제공하는 예를 들면, 이산화규소(SiO2) 또는 석영과 같은 유전체 물질로 구성될 수 있다. 다른 타입의 유전체 솔리드 소스로는 알루미나(AL203)와 같은 세라믹이 있을 수 있다. 이 세라믹은 여기 가스 이온에 의해 충돌(impact)될 때에 낮은 스퍼터링 또는 부식 속도를 가지며, 솔리드 소스로부터의 어떤 추가적인 기여(contribution)도 요구되거나 희망되지 않는 상황에 유용하다. 특히, 알루미나에 대해서, 대략 600 볼트 피크-대-피크 하의전원으로는, 스퍼터링이 거의 또는 전혀 관측되지 않는다. 그 임계범위(threshold)보다 큰 경우에는, 알루미나 솔리드 소스로부터의 스퍼터링이 일어난다.
일반적으로, 솔리드 소스는 반도체 물질, 유전체 물질 또는 도체로 구성될 수 있다. 사실상, 솔리드 소스는 전극을 포함하는 물질들로 실시되고, 이런 물질들은 적절한 가스 종들을 리액터 챔버 내의 플라즈마에 제공하도록 부식될 수 있다.적절한 유전체 물질들은 또한 알루미나(Al2O3) 이외의 다른 금속 산화물에 추가하여 질화규소(Si3N4)를 포함한다. 반도체 물질은 실리콘 카바이드(SiC)를 포함할 수 있다. 더욱이, 도체는 흑연 및 알루미늄을 포함할 수 있다.
솔리드 소스(50)의 표면 온도는 바람직하게는 적당한 스퍼터링을 제공하도록8O℃ 보다 높다. 이 온도에서 그리고 이들 솔리드 소스의 표면을 부식시키는 적절히 활성화(energize)된 이온들로, 솔리드 소스는 가스 종들로부터의, 본원에서 논의된 바와 같이, 입자들의 형성을 위해 콜드 싱크(cold sink)되지 않으며, 이 입자들은 이탈하여, 리액터 챔버(22)를 오염시킬 수 있다. 상기에 논의된 바와 같이, 솔리드 소스(50)로부터의 가스 종들의 부식 또는 스퍼터링 속도는 고주파 전원(30)에 의해 제어될 수 있다. 상기 전원(30)을 증가시킴으로써, 에칭 공정을 위해 솔리드 소스로부터 가스 종들의 부식 속도를 증가시키기 위해서 솔리드 소스(50)에 충격을 가하는 데에, 더 높은 에너지 이온이 이용될 수 있다. 예로서, 이산화규소의솔리드 소스가 이용되어야 할 경우, 이러한 표면이 가스 에천트(etchant) 종들에 의해 언더커트되지 않도록 이산화규소로부터의 가스 종들 스퍼터가 반도체 웨이퍼상의 수직 표면을 패시베이션(passivation)하기 때문에 증가된 충격은 비등방성 에칭을 향상시킨다. 솔리드 소스(50)로부터의 가스 종들의 추가 부식은 오버-에칭 상황에서 선택도를 제공하는데 이용될 수 있다. 에칭하는 동안에, 에천트 가스는 예를 들면, 산화물층상에 증착된 플리실리콘을 선택적으로 에칭하는데 이용된다. 포토레지스트는 에칭하지 않을 폴리실리콘은 보호하고, 에칭할 폴리실리콘은 노출시킨다. 폴리실리콘을 에칭한 후에는, 그 하부에 존재하는 산화물층이 남게 된다. 어떤 상황에서는, 폴리실리콘의 작은 증착물들이 산화물 기판의 상부에서 원치 않은 지역에 남아있을 수 있다. 오버-에칭은 이런 원치 않은 폴리실리콘을 제거하는데 이용될 수 있다. 그러나, 오버-에칭은 또한 바람직하지 않게는 상기 산화물층을 에칭하여 제거할 수도 있다. 솔리드 소스의 이용을 통해서, 그로부터의 가스 종들은상기 산화물 기판은 에칭하지 않고, 폴리실리콘의 남아있는 잔류 증착물들은 에칭하도록 하는데에 이용될 수 있다. 이런 공정에서, 이산화규소 소스로부터의 종들은 상기 산화물 기판과 상기 잔류 폴리실리콘 양쪽 모두의 위에 증착된다. 그러나, 상기 폴리실리콘의 제거 또는 에칭 속도는 폴리실리콘상에의 솔리드 소스로부터의 종들의 증착 속도보다 높아서, 상기 산화물 기판에 대해 손상을 입힘이 없이도 상기잔류 폴리실리콘이 에칭되게 된다.
상기 오버-에칭 공정 동안에, 플라즈마 전원(30)은 턴다운되고, DC 바이어스(34)는 더 낮아진다. 단지 예로서, 상기 전원(30)은 1 와트까지 턴다운되고, DC 전원은 턴오프된다. 산화물 대 폴리실리콘에 대한 활성화 에너지 곡선은 에너지가 감소됨에 따라, 폴리실리콘은 더 낮은 속도로 계속하여 에칭되고, 산화물의 에칭은 거의 0으로 감소된다.
다른 예에 있어서, 반도체 웨이퍼는 폴리실리콘층상에 증착된 텅스텐 실리사이드(WSi2)를 포함하고, 이 폴리실리콘층은 산화물 기판상에 증착된다. 상기 웨이퍼상에는 적절한 포토레지스트층이 위치하고, 이 웨이퍼는 에천트 챔버(22)내의 공정가스에 노출된다. 제 1 반응 가스는 상기 텅스텐 실리사이드를 에칭하는데, 특히,텅스텐 실리사이드 및 폴리실리콘이 스텝(step) 특성을 가지는 영역 내에, 때때로 스트링거(stringers)라 불리는 텅스텐 실리사이드의 증착물을 남긴다. 이러한 스텝들의 베이스에서는, 텅스텐 실리사이드의 이러한 스트링거들이 남겨질 수 있다. 상기에 설명된 바와 같이 솔리드 소스(50)를 이용함으로써, 폴리실리콘 및 산화물의하부에 있는 층들을 보호하도록 에칭 공정의 선택도가 제어될 수 있어, 반도체 소자의 전기적 성능 및 물리적 치수는 어떠한 바람직하지 않은 방법으로도 변하지 않는다. 따라서, 이런 방법을 이용하여, 이런 선택도를 제어하면, 그 하부에 있는 표면에 대한 침범이 거의 또는 전혀 없어진다. 상기의 구성을 이용하면, 텅스텐 실리사이드 대 폴리실리콘의 제거를 위한 선택도가 대략 4 대 1 이 된다는 것이 판명된다. 다시 말하면, 상기 텅스텐 실리사이드는 폴리실리콘보다 대략 4배 더 큰속도로제거된다. 이러한 구성을 이용하지 않는다면, 선택도가 대략 0.7 대 1 이 된다는 것이 판명되는바, 이는 텅스텐 실리사이드가 폴리실리콘의 에칭 속도의 대략 0.7배로 에칭된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 티타늄 실리사이드, 코발트 실리사이드및 몰리브덴 실리사이드와 같은 다른 타입의 금속 실리사이드에 대해서도 유사한 결과가 얻어진다. 이러한 타입의 금속 실리사이드들은 MOSFET, LED 및 평판 디스플레이를 제조하는데 이용된다.
가스 소스
솔리드 소스로부터 부식된 가스 종들에 관련하여 기술된 이득들에 추가하여,이러한 이득들은 또한 솔리드 소스의 표면으로부터 부식된 가스 종들로부터 생긴 효과를 가지는 가스를 공정 가스에 도입함으로써 얻어질 수 있다. 단지 예로서, 테트라에독시실란(tetraethoxysilane)(TEOS)의 가스형이 공정 가스로 도입될 수 있다. TEOS는 에칭 공정을 위한 실리콘 및 산소의 소스이다. 프로세스 챔버내의 TEOS는 본원에 기술된 에칭 공정에 대한 잇점을 갖는 이산화규소(SiO2)의 솔리드 소스가 제공하는 것과 동일한 가스 종들을 제공한다. 또한, 솔리드 소스와 이러한 종들의 가스 소스 양자의 조합은 본 발명의 정신 및 범주내에 있다.
노즐
도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d, 도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명으로 이용될 수 있는 노즐 구성들의 대안적인 바람직한 실시예들을 도시한 것이다. 통상적인 노즐 구성들은 일반적으로 공정 가스를 배기하는 200개의 포트를 갖는 "쇼우어 헤드(shower head)" 구성으로 이루어진다. 이러한 구성의 취지는 챔버에서 특히, 처리되는 반도체 웨이퍼의 표면에서, 공정 가스를 균일하게 분포시키도록 하는 것이다. 종래의 소자들은 이미 웨이퍼 표면과 반응한 정체(stagnate)성의 이용된 가스들의 층을 생성시켜 상기 표면에 향해진 새로운 공정 가스의 균일성을 저하시키는 것으로 판명되었다. 본 발명은 이러한 종래 기술의 노즐을 개선시킨다. 본 발명은 웨이퍼의 표면에 균일하게 분포시키도록 인접한 웨이퍼 표면에 흡수되는 공정 가스의 불연속 시준 분사(discrete collimated jets)를 발생시키는 노즐을 포함한다. 가스의 속도 및 분사 체적은 프레시 공정 가스가 반도체 웨이퍼의 표면에 도달하게 한다. 따라서, 프레시 공정 가스는 반도체 웨이퍼의 표면에 균일하게 분포되게 된다. 이런 공정 가스 분사는 웨이퍼의 표면에서 가스를 잘 섞어서, 솔리드 소스의 표면으로부터 부식된 가스 종들 및 공정 가스를 균일하게 분포시킨다.
도 3a 및 도 3b는 포트(92)를 가진 1-포트 노즐(90)을 도시한다. 상기 노즐은 바람직하게는 알루미나로 구성된다. 이런 구성에서는, 반도체 웨이퍼를 향하여단일의 가스 분사가 이루어진다.
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 또한 알루미나로 구성된 본 발명의 노즐(94)의 다른 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예에 있어서, 상기 노즐(94)은 반도체 웨이퍼에 향해진 공정 가스의 분사를 정의하는 12개의 포트를 포함한다. 바람직하게는, 이런 분사는 수직에 대해 비스듬한 각도로 향해지고, 각 분사의 중심선은 웨이퍼의 주변 에지에 향해진다. 이런 배치는 웨이퍼의 표면에 새로운 공정 가스를 균일하게 분포시키는 데에 또한 이득이 된다. 도 4d에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 포트들은 상기 노즐의 정면(face) 주변에 분포된다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 노즐(98)의 다른 실시예를 도시한 것이다. 이런 구성에서, 포트(99)들은 별(star) 형상으로 도시되고, 이 포트들 중 일부포트는 노즐(98)의 정면 주변에 제공되고(도 5c), 다른 포트들은 노즐의 중심선상에서 한 포트와 중심으로 위치된다. 도 4a의 노즐로부터의 가스와 같이, 도 5a의 노즐의 분사는 수직에 대해 각을 이루어, 공정 가스를 균일하게 분포시키도록 반도체 웨이퍼의 몸체와 반도체 웨이퍼의 에지의 두 방향으로 향해진다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 노즐(100)의 또다른 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예에 있어서, 포트들(102)은 노즐과 반도체 웨이퍼 사이의수직선에 대해 본질적으로 수직으로 향해진다. 본 실시예에 있어서, 상기 노즐들은 솔리드 소스로부터의 가스 종들과 공정 가스를 더 혼합하도록 측벽(side wall)상의 솔리드 소스에 향해진다.
자기 가둠
전술한 자석들(46, 47)은 저압력에서 고밀도 플라즈마가 형성될 수 있도록 해주는 리액터 챔버(22) 주변에 자기 가둠을 제공한다. 플라즈마는 가스 원자 및 전자의 충돌을 통하여 생성되어, 저압력에서 고밀도 플라즈마를 생성시키기 위해서 이온들을 발생시키는 것으로 상기된다. 본 발명은 플라즈마를 통해 이동하는 전자의 전체 경로 길이를 증가시키고 리액터 벽에 대한 이온 손실을 최소화함으로써, 이것을 달성한다. 플라즈마를 향해 이동하는 전자들은 자기장에 의해 플라즈마에 되돌려 반사되어, 전자들의 경로 길이를 증가시킨다.
본 발명에 의하면, 상기 자석들은 전자석 또는 영구 자석일 수 있으면, 본 발명의 정신과 범주내에 있을 수 있다. 이 자석들은, 에칭 챔버를 둘러싸는 경우,자기장 콘테이너(magnetic field container)를 생성시킨다. 자기장 효과는 리액터벽 근처에만 존재하고, 사실상 웨이퍼에는 존재하지 않으며, 본래의 균일한 플라즈마를 생성시킨다. 상기 자석들은 더욱 강한 자기 가둠에 의해, 전극을 보호하는 기능을 제공할 수 있어, 전극상의 부식이 덜 존재하게 된다. 더욱 약한 가둠은 전극과 솔리드 소스가 더 부식되게 한다.
따라서, 상기 자석들(46, 47)에 의해 생긴 자기 가둠은 플라즈마를 집중시키도록 설계되어, 부식성 플라즈마로부터의 전극을 포함하여 프로세스 챔버의 부분들을 보호하는 효과를 가질 수 있다. 이 결과, 전극을 대체하는 비용이 감소되기 때문에 비용을 상당히 절감할 수 있게 된다.
도 7 및 도 8은 측부 전극(26) 및 상부 전극(24) 각각과 결합한 자석(46, 47)의 배치를 도시한 것이다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 전극(26)과 관련하여 다수의 슬롯들(60)이 존재한다. 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 슬롯들은 모두 자석(46)으로 채워진다. 이러한 특정 실시예에 대해서, 전극(26)에 36개의 세라믹 자석들이 존재한다고 특정된다. 이 자석들은 각각 자극면의 표면에서 약 300 가우스 내지 약 600 가우스의 세기를 갖는다. 이 자석들이 솔리드 소스(50)의 뒤에 위치하면, 솔리드 소스로부터의 가스 종들의 부식 속도에 영향을 미친다.상기 나타낸 바와 같이, 상기 자석들이 없다면, 너무 많은 가스 종들이 솔리드 소스 표면으로부터 부식되어, 에칭 공정에 영향을 미칠 수 있다.
이 자석들은 자극면 자석들(pole face magnets)임에 주목할 필요가 있다. 북극과 남극은 자석의 정면(62)과 그 대향면(64)상에 있다. 대안적으로 상기 자석들은, 먼저 한 자석(46)의 북극면이 챔버의 중앙에 향하게 하고, 그 다음에 제 2 자석(46)의 남극면이 챔버의 중앙에 향하게 하도록 배치될 수도 있다. 전극(26)의 외부 주변에 대해 이것은 반복된다.
도 8은 상부 전극(24)과 결합된 자석(47)의 배치를 도시한 것이다. 도 8에서, 슬롯들(66)은 모두 자석들(46)과 유사한 자석들로 채워진다. 이 특정 실시예에서와 같이, 36개의 자석 단부가 전극(24)의 주변 에지에 나타나도록 전극(24)의 중앙으로부터 스포크 아웃(spoke out)된 36개의 자석이 있다. 다시 말하면, 이 자석들은 북극 자극과 남극 자극이 자석의 측면에서 돌출하는 자극 대향 자석(pole faced magnet)이다. 도 8의 구성에서, 자석들은 챔버를 향해 북극 자극과 이어서 남극 자극이 교번한다.
상기 자석들은 희토류 자석(rare earth magnet)과 같은 더욱 강한 자석으로대체될 수 있다. 이러한 상황에서, 필요한 자석의 수는 비교가능한 자기 가둠들을획득하도록 감소한다. 상기 희토류 자석들은 자석의 자극면의 표면에서 약 1,500 가우스 내지 약 2,500 가우스의 세기를 가질 수 있다. 바람직하게는, 이들 자석은 자석의 자극면의 표면에서 약 2,000 가우스 내지 약 2,200 가우스의 세기를 갖는다.
리액터 챔버
본 발명의 리액터 챔버는 상기와 하기에서 논의된 바와 같이, 플라즈마의 균일성을 향상시키도록 특정하게 설계되었다. 상기에 주지된 바와 같이, 리액터 챔버(22)의 물리적 특성에 관련하여, 배플(40)과 노즐(36, 70)의 배치는 모두 리액터 챔버(22) 내의 공정 가스의 균일성에 기여한다. 상기 배플(40)은 솔리드 소스(50)의 표면으로부터 부식된 가스 종들이 배기 샤프트(exhaust shaft)(38)를 통해 펌프에 의해 즉시 끌어 올려지지는 않지만은, 반도체 웨이퍼(48)에 인접한 리액터 챔버내의 가스와 혼합할 수 있게 해준다. 게다가, 가스를 수직으로, 수평으로, 그리고 비스듬한 각도로 분사시키는 포트들을 갖춘 노즐(38)은 솔리드 소스로부터의 임의의 가스 종들이 노즐로부터의 공정 가스와 완전히 혼합되게 하고, 이런 균일한 혼합물이 반도체 웨이퍼(48)에 제공되게 한다.
노즐에서부터 반도체 웨이퍼의 표면까지의 리액터 챔버의 높이가 최적화될 수 있다. 종래 기술의 장치는 의 높이를 갖는다. 상기 높이 및 노즐 구성으로, 노즐로부터의 가스 분사가 최적화되어 반도체 웨이퍼의 표면에서 공정 가스가 균일하게 분포되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 또한 리액터 높이를 변화시키기 위해서, 챔버 압력과 비교되는 노즐 패턴은 솔리드 소스를 이용한 에칭 공정을 포함하는 에칭 공정을 위해 최적화될 수 있다. 이런 높이는, 비록 하나의 바람직한 실시예에서는 리액터 챔버의 직경이 약 일지라도, 리액터 챔버의 직경과는 무관하다. 단지 예로서, 리액터 챔버(22) 내의 2 내지 3 millitorr 압력에서의 바람직한 동작을 위해서, 리액터 챔버의 높이는 바람직하게는 약 4"이다. 높이가 4"이하인 경우, 분사물은 시준(collimate)되어, 웨이퍼의 표면에 균일하게 퍼지지 않는다. 높이가 4"이상인 경우, 분사물은 반도체 웨이퍼의 표면위에서 병합하여, 웨이퍼의 표면에서 공정 가스를 균일하게 분포시키지 않는다.
최적으로, 소정의 노즐 구성에 대해, 챔버내의 압력과 리액터 챔버(22)의 높이의 곱이 일정해야, 최적의 성능을 제공할 수 있는 것으로 판명되었다. 따라서, 상기에 나타낸 바와 같이, 최적의 성능은 4"의 높이와, 2 내지 3 millitorr의 압력으로 달성될 수 있다. 압력 및 높이의 값의 범위는 100 millitorr에 대응하는 1/1O인치의 높이 내지 최적의 성능을 위한 1 millitorr에 대응하는 10"의 높이의 범위를 포함한다. 즉, 리액터 챔버내에서 압력이 증가함에 따라, 리액터 챔버의 높이는 낮아지고, 그 압력이 감소함에 따라, 높이는 (1) 솔리드 소스로부터 부식된 가스와, (2) 주입된 공정 가스와, 그리고 (3) 웨이퍼 표면으로부터의 반응물(reaction products)의 최적의 혼합을 제공하기 위해 증가한다.
본 발명의 효과는 (1) 선택도를 증가시키고(즉, 예를 들면, 산화물 기판을 보호함), (2) 에칭 공정의 프로파일 제어를 향상시키며, 그리고 (3) 선폭 제어를 향상(즉, 포토레지스트로부터 웨이퍼로 정확한 선폭이 전달되도록 에칭 공정으로부터 포토레지스트를 보호함)시키는 것이다.
본 발명은 (1) 제어된 비등방성 프로파일(즉, 똑바른 수직 측벽)을 제공하고, (2) 산화물 또는 다른 웨이퍼 물질과 같은 하부층 기판에 대한 손상을 최소화시키도록 선택적으로 에칭하고, (3) 스트링거 및 다른 잔류 증착물을 제거하도록 균일하지 않은 지역에 걸쳐서 균일하게 에칭할 수 있게 해주는 에칭 시스템을 제공하는 것으로 볼 수 있다. 본 시스템은 0.5 미크론 이하, 바람직하게는 0.25 미크론이하의 초미세 범위내에서 에칭을 제공한다.
따라서, 본 발명은 리액터 챔버를 통해 더욱 큰 플라즈마 밀도 범위를 제공함으로써 상기 목적들을 충족시킨다. 이런 플라즈마 밀도 범위는 가스 종들의 상기참조된 솔리드 소스, 돌출 배플 및 리액터 높이를 포함하는 리액터 챔버 구성, 노즐 구성 및 자기장의 구성에 의해 영향을 받는다. 그 다음, 이런 밀도는 하나 이상의 전극에 대해 전원을 조정함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들, 양상들 및 목적들은 도면들과 청구범위로부터 획득될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들은 본 발명 및 청구범위의 정신 및 범주내에서 전개될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (22)

  1. 웨이퍼를 식각하기 위한 특히, 웨이퍼상의 피쳐들을 비등방성으로 식각하기위한 플라즈마 에칭 리액터에 있어서,
    리액터 챔버와;
    제 1 전극과;
    제 2 전극과, 여기서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 공정 가스로 플라즈마가 발생되고;
    비등방성 식각을 개선하기 위해서 상기 웨이퍼상의 수직면들을 패시베이션하는 가스 종들의 솔리드 소스와, 여기서 상기 솔리드 소스는 상기 제 1 전극을 커버하고;
    상기 제 1 전극에 접속되는 고주파 전원과; 그리고
    상기 고주파 전원에 의해 상기 제 1 전극에 인가되는 전력을 제어하여 상기 솔리드 소스로부터의 상기 가스 종들의 발생 속도를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리드 소스로부터의 가스 종들의 부식 속도를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 중 하나와 결합된 가스 노즐과;
    상기 가스 노즐의 아래에 위치한 웨이퍼를 홀드하는 웨이퍼 처크를 포함하며,
    여기서, 상기 가스 노즐은 상기 리액터 챔버내의 동작 압력에 따라 상기 웨이퍼 처크에 홀드된 웨이퍼 위에서 10 인치 이하만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 상기 솔리드 소스로부터의 가스 종들을 선택적으로 부식시키도록 전기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 중 하나에 전력 공급하도록 AC 전원이 제공되고; 그리고
    상기 솔리드 소스로부터 가스 종들이 부식되고, 리액턴트 가스 종들의 부식속도가 상기 AC 전원에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리드 소스로부터의 가스 종들의 발생 속도를 제어하도록 상기 솔리드소스의 온도를 제어할 수 있는 온도 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    광자 소스를 포함하고,
    여기서, 상기 가스 종들은 상기 솔리드 소스에 충돌하는 광자 플럭스에 관계하여 상기 솔리드 소스로부터 부식되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 전원은 상기 솔리드 소스로부터의 가스 종들의 발생 속도를 제어하기 위해서 펄스화되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제 2 주파수에서 동작을 행하는 제 2 전원을 포함하고,
    상기 제 2 전원은 상기 제 2 전극에 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마에칭 리액터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리드 소스는 그로부터의 가스 종들의 낮은 발생 속도를 갖는 물질로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리드 소스는 상기 리액터 챔버내에 위치한 워크피스(workpiece)를 패 시베이션하는데 이용되는 가스 종들의 소스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리드 소스는 리액터 챔버에서의 에칭 공정의 선택도를 증가시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리드 소스는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 중 하나의 전극상에 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전원은 약 13.56 MHz에 있고, 상기 제 2 전극에 접속된 제 2 전원은 약 450KHz에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리드 소스를 가열시키는 가열기(heater)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 리액터 챔버는 동작하는 동안 약 150 millitorr 이하에서 홀드되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리드 소스는 그로부터의 가스 종들의 상기 발생 속도를 제어하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극에 접속된 제 1 전원과, 상기 제 2 전극에 접속된 제 2 전원을 포함하며, 그리고
    상기 제 1 전원과 상기 제 2 전원 중 적어도 하나의 전원은 상기 솔리드 소스로부터의 가스 종들의 스퍼터링 속도에 영향을 미치기 위한 펄스형 전원(pulsed power supply)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전원의 전압 레벨은 상기 솔리드 소스로부터의 상기 발생 속도를결정하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리드 소스는 선택도와 프로파일 제어 중 적어도 하나에 영향을 미치도록 가스 종들이 발생될 수 있는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극에는 저주파 전원이 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔리드 소스로부터 가스 종들이 발생되는 속도에 영향을 미치도록 상기 리액터 챔버 주변에 자기 가둠을 형성시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 리액터.
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