KR100851454B1 - 챔버 조건에 대한 공정 민감도를 감소시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

챔버 조건에 대한 반도체 처리공정의 민감도를 감소시키기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 일반적인 공정의 공정 반복성은 챔버 표면에 대한 처리 화학물의 재결합 속도를 변경시키는 표면 조건의 변경에 의해 영향을 받는다. 본 발명의 일면으로서, 하나 이상의 에칭제의 조성은 에칭 성능을 최대화하고 챔버 표면 상의 증착을 감소시키도록 선택된다. 하나 이상의 에칭제는 챔버 표면상의 증착을 최소화함으로써 상이한 표면 조건과 자유 라디칼의 상이한 재결합 속도로 인한 에칭율의 변경을 최소화하도록 챔버 표면 조건을 제어하여 에칭 반복성을 달성한다. 다른 실시예에서, 에칭제 화학물은 세척 사이클 이후의 내부 표면 조건에 대한 변경을 감소시키도록 조절된다. 또다른 실시에에서, 처리 공정은 챔버 조건에 대한 에칭 공정의 민감도를 감소시키도록 선택된다. 또다른 실시예에서, 챔버 표면 재료는 표면 재료 상의 자유 라디칼과 처리 공정 중에 상기 재료에 형성된 부수적인 증착물의 재결합 속도의 차이를 최소화하도록 선택된다.

Description

챔버 조건에 대한 공정 민감도를 감소시키는 방법 {NEW METHODOLOGIES TO REDUCE PROCESS SENSITIVITY TO THE CHAMBER CONDITION}
본 발명은 플라즈마 처리 공정에 관한 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 에칭 공정 도중의 챔버 조건에 대한 공정 민감도를 최소화하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
집적 회로 및 다른 여러 전자 소자의 제조에 있어서, 제조 공정 도중에 여러층의 전도체, 반도체 및 유전체 재료층이 기판에 증착되고 또한 제거된다. 기판으로부터 재료를 제거할 목적으로 소자의 제조에 사용되는 기판 에칭 방법 및 장치는 이미 주지되어 있다. 통상의 에칭 기법은 습식 및 건식 에칭을 포함한다. 그러나, 습식 에칭은 통상적으로 가로 치수가 마이크론 단위이거나 그보다 큰 구성요소의 제조에 제한된다. 고체 상태(solid state)의 소자 및 집적 회로는 현재 1 마이크론 이하 또는 심지어 나노미터 단위의 구성요소로 제조되는 것이 일상화되어 있다. 따라서, 이제는 건식 에칭이 보다 선호된다.
한가지 건식 에칭 기술은 플라즈마 강화 에칭("플라즈마 에칭")으로 흔히 알려져 있다. 플라즈마 에칭은 나노미터 크기의 소자의 제조에 매우 적합하다. 종래의 플라즈마 에칭 반응기는 반응 챔버 및 이러한 반응 챔버 내에 플라즈마를 생성하는 장치를 포함한다. 플라즈마는 예를들어 RF 코일을 이용하여 유도성으로, 및/또는 예를들어 평행 평판형 글로우(glow) 방전 반응기를 이용하여 용량성으로 생성될 수 있다. 통상적으로, 플라즈마는 용량성 및 유도성 양쪽 모두로 생성 및 유지된다.
일반적으로, 플라즈마 에칭은 에칭될 기판의 노출부분을 형성하기 위해 상부 기판 표면 위에 마스크를 놓는 단계를 포함한다. 그런 다음, 기판 혹은 여러장의 기판들이 반응기 챔버 내에 놓여진다. 반응기 챔버 내로 에칭 가스가 주입되고 플라즈마가 가해진다. 처리공정 도중, 플라즈마 내의 반응종이 기판의 노출부분과 접촉하여 금속, 유전체, 또는 반도체 재료의 노출부분을 에칭한다.
분자 레벨에서, 에칭 공정은 플라즈마 내의 반응종과 기판의 노출 표면층 간의 반응이다. 상기 반응종은 자유 라디칼, 이온 및 다른 여러 입자를 포함한다. 기판과 자유 라디칼 간의 반응은 본질적으로 화학적이나, 에칭에 도움을 주며 표면 반응에 활성화 에너지를 공급하는 이온 충격(ion bombardment)에 의해 크게 강화된다. 플라즈마와 기판 간의 반응은 에칭 부산물, 즉, 표면에서 제거되어 반응기 챔버 내로 확산되는 작은 휘발성 분자들을 생성한다. 이후 이러한 휘발성 부산물의 대부분은 반응기 챔버 밖으로 펌핑되어 나간다.
단층 재료의 에칭은 대체로 주 에칭 공정 및 오버에칭(overetch) 공정의 두 가지 주요 단계를 포함하여 이루어진다. 주 에칭 공정은 원하는 미세구조물을 얻기 위해 노출된 기판 표면으로부터 벌크 재료를 제거한다. 오버에칭 공정은 기판으로부터 잔여 재료를 제거하는 한편 언더컷(즉, 등방성 에칭)을 피하고 경계층들, 예컨대 폴리실리콘/산화물 경계층 간의 선택비의 과도한 감소를 피하기 위해 필요하다. 각 단계를 위한 화학물 및 공정 변수들은 이방성, 일정하며 바람직하게는 높은 에칭률, 균일성, 고선택비, 및 재현성을 달성하도록 선택된다.
성공적인 에칭은 각 개별 기판에 대해서는 물론 하나의 기판에서 다음 기판에 대해서도 제어되고 일정한 속도의 균일한 에칭을 보장하는 제어된 공정을 요한다. 에칭률이 제어되지 않고 변화하면 소자의 기하구조 및 치수에 변화를 초래할 수 있다. 특정 기판에 대한 그리고 하나의 기판에서 다음 기판에 대한 에칭률의 변화는 약 10% 미만인 것이 바람직하다.
공정의 안정성은 업계에서 흔히 사용되고 있는 다양한 방법 및 기술의 영향을 받는다. 예를들어, 에칭률의 상당한 변화는 세척 공정 후에 관찰된다. 공정 도중에 내부 챔버 표면 상에 형성된 부산물의 증착을 제거하기 위해 주기적으로 세척 공정이 필요하다. 에칭 도중에 형성되는 휘발성 부산물의 대부분은 챔버 밖으로 펌핑된다. 그러나, 이같은 부산물은 휘발성 부산물의 형성을 줄이기 위해 산소 첨가제 등의 할로겐 플라즈마에 의해 실리콘 에칭에 사용되는 여러 가스 성분과 종종 반응할 수 있다. 다른 경우로, 에칭되는 재료나 에칭 화학물에 따라 부산물 자체의 휘발성이 약할 수 있다. 휘발성이 약한 종은 챔버벽 및 챔버 내부에 둘러싸인 다른 노출 표면 상에 증착될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 이같은 증착물은 챔버 표면으로부터 박리되어 주요 미립자 오염원을 형성할 수 있다. 이러한 미립자는 종종 마스크나 기판 표면에 머물러 결함있는 소자를 생성한다. 에칭된 미세구조물의 크기가 작아질수록, 미립자의 영향은 뚜렷해진다.
따라서, 오염물의 축적을 조절하기 위해, 챔버 표면이 주기적으로 세척된다. 건식 세척으로 알려진, 챔버 세척의 한가지 방법은 챔버 내에 일군의(dummy) 기판을 놓는 단계 및 후속하여 플라즈마를 점화하는 단계를 포함한다. 플라즈마 화학물은 챔버 상의 증착물과 화학적 및 물리적으로 반응하도록 선택됨으로써 상기 증착물이 챔버 밖으로 펌핑될 수 있는 부산물을 형성할 수 있다. 그러나, 챔버의 세척과 관련한 문제는 후속 공정의 에칭률이 나쁜 영향을 받는다는 것이다. 통상의 실리콘 플라즈마 에칭에서, 챔버 세척 작업 이후에 33%를 초과하는 에칭율의 하락이 발생하였다. 에칭률의 변화는 공정 재현성, 또는 반복성의 손실을 초래하기 때문에 바람직하지 못하다. 에칭 공정은 미리 정해진 레서피(recipe)에 따라 시간 조절되므로 에칭률의 변동은 오버 에칭 또는 언더 에칭된 기판을 야기한다. 결과적으로, 기판들 간의 반복성을 잃게 된다.
세척 공정 이후 에칭률 변화의 유해한 영향을 최소화하기 위해, 현재의 업계는 세척 작업에 이어 챔버를 컨디셔닝하는 시즈닝(seasoning) 사이클을 채용하고 있다. 시즈닝이라 함은 챔버 표면 상에 필름의 증착을 허용하는 챔버의 운영을 가리킨다. 회복 기간 동안 챔버 내에 플라즈마를 가하고 챔버 내의 내부 노출 표면 상에 필름을 증착함으로써 챔버 표면 상에 시즈닝 코팅의 형성이 허용된다. 이러한 챔버 시즈닝은 예비세척 에칭률이 완전히 회복될 때까지 계속된다. 회복 기간은 어떤 기판도 처리되지 않는다는 점에서 시간 소모적이며 비생산적이다. 따라서, 시스템의 작업량이 상당히 감소된다.
공정 안정성과 관련된 다른 문제는 고농도의 부식성 화학물이 사용될 때 발생한다. 예를 들어, 평탄화 또는 리세스-에칭 등에서 불소가 주요 에칭제(etchant)인 경우에 문제가 발생한다. 불소는 챔버 표면을 공격하는 매우 부식성이 높은 에칭제여서 표면의 형태의 변화를 초래하고 및/또는 예컨대 Al2O2 챔버 표면의 경우 AlFx와 같은 부산물의 증착을 가져온다. 전술한 바와 같이, 플라즈마 세척 등의 비침투성 세척 방법에 의해 제거될 수 있는 SiOx의 증착과는 달리, 불소 에칭의 효과는 챔버를 개방하고 챔버 표면을 다시 손질함으로써 처리되어야 한다. 따라서, 작업량이 실질적으로 영향을 받는다. 또한, 세척 공정 후에 에칭률의 동요가 관측되는데 이것은 에칭률의 안정성을 해친다.
본 발명자들은 후세척(post-cleaning)과 다른 상황에서 챔버 조건에 대한 민감도를 관측하였다. 예를 들어, 동일한 챔버가 교번적 화학물을 포함하는 상이한 도포를 수행하도록 이용될 때, 에칭률의 변화가 관측된다. 따라서, 불소계 화학물 및 비불소계 화학물 사이에서 교번적으로 수행되는 공정들은 각 사이클 간의 에칭률의 변동을 겪는다. 예를 들어, 챔버가 먼저 하드 마스크 개방 또는 리세스 에칭과 같은 불소계 공정 도중에 다수의 기판을 처리하는데 이용될 수 있다. 후속하여, 챔버는 커패시터 에칭(capacitor etching)과 같이 불소를 사용하지 않는 두 번째 공정을 수행하는데 이용될 수 있다. 이전에는 이해되지 않던 이유들에 의해, 이같은 조건하에서 에칭률이 동요하게 되고 공정 반복성의 손상을 초래한다.
따라서, 챔버 표면 조건에 대한 처리 챔버의 공정 민감도를 감소시킬 필요가 있다.
본 발명은 일반적으로 챔버 조건에 대한 에칭 공정 민감도를 최소화하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 에칭 공정 민감도는 에칭 화학물, 공정 변수 및/또는 챔버 재료의 변경을 포함하는 다양한 방법에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 한가지 양태로, 에칭 성능을 최적화하고 챔버 표면 상의 증착을 감소시키도록, 하나 또는 그 이상의 에칭제의 조성이 선택된다. 하나 또는 그 이상의 에칭제는 챔버 표면 상의 축적을 최소화하여, 상이한 표면 조건에 대한 자유 라디칼의 재결합 속도의 변화로 인한 에칭률의 변화를 최소화하도록 챔버의 표면 조건을 제어함으로써, 에칭 반복성을 가능케 하게끔 선택된다. 일 실시예에서, 챔버 내부로 하나 또는 그 이상의 에칭제가 주입되고 플라즈마가 가해져서 제 1 에칭제로부터 제 1 자유 라디칼 밀도를 형성한다. 에칭제는 자유 라디칼 밀도가 반응하여 챔버의 내부 표면 상에 증착물을 생성하는 속도를 최소화하도록 선택되고, 이때 내부 표면 상에 형성된 증착물 상의 자유 라디칼 밀도의 재결합 속도가 내부 표면에 대한 자유 라디칼 밀도의 재결합 속도와 실질적으로 상이하다.
다른 실시예에서, 염소와 브롬은 각각 제 1 유량 및 제 2 유량으로 챔버에 도입되며, 여기서 제 1 유량이 제 2 유량보다 높다. 브롬에 대한 염소의 비는 약 3:1 보다 큰 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 제 1 에칭제 및 제 2 에칭제는 에칭 챔버로 유입되는데, 여기서 제 1 에칭제는 챔버 내부 표면을 세척하여 부산물이 증착되는 것을 방지하면서, 동시에 기판을 에칭하기에 적합하다. 챔버 표면과 플라즈마 구성 성분의 실질적으로 일정한 재결합 속도를 유지하기 위해 실질적으로 일정한 챔버 표면 프로파일이 유지된다. 제 1 에칭제는 불소를 함유하는 유체인 것이 바람직하며 제 2 에칭제는 염소나 브롬과 같은 할로겐인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 챔버 표면의 부식을 최소로 하도록 에칭 화학물이 선택된다. 부식성이 있는 제 1 에칭제는, 제 1 에칭제보다 부식성이 약하거나 부식성이 없는 것이 바람직한 제 2 에칭제로 희석된다. 제 1 에칭제는 챔버 내부 표면과 접하게 될 때 부식 효과를 나타내는 유체이다. 제 2 에칭제는 제 1 에칭제와 혼합되어, 챔버 표면에 대한 제 1 에칭제의 부식 효과를 감소시킨다. 결과적인 혼합물은, 챔버 표면에 대해 부식성이 낮아져서, 연속되는 다수의 기판에 대한 처리가 거의 유사한 챔버 표면 조건 하에서 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 한 실시예에서, 제 1 에칭제는 CF4, SF6 또는 NF3와 같이 불소를 함유하는 유체이다. 제 2 에칭제는 Cl2와 같이 염소를 함유하는 유체인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 챔버 압력이 제어되어, 챔버 표면의 조건에 따른 에칭 공정의 민감도를 감소시킨다. 챔버 압력은, 오버 에칭 처리가 이루어지는 동안에는, 자유 라디칼에 대한 이온의 비를 증가시키도록 제어되어, 이온의 도움에 의한 에칭을 증가시키고 순수한 자유 라디칼 에칭을 감소시킨다. 한 실시예에서, 폴리 실리콘 층의 오버 에칭 동안의 압력은 약 30mTorr보다 낮은 것이 바람직하다. 에칭 공정은 브롬계 또는 염소계 에칭제에 의하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 챔버 압력 및 챔버 내의 산소 농도가 제어되어, 챔버 표면 조건에 따른 에칭 공정의 민감도를 감소시킨다. 챔버 압력이 오버 에칭(overetch) 공정 동안 제어되어, 자유 라디칼에 대한 이온의 비를 증가시킴으로써, 이온의 도움에 의한 에칭을 증가시키고 자유 라디칼 에칭을 감소시킨다. 산소 농도는, 에칭되는 기판 표면의 산화를 감소시키도록 제어된다. 한 실시예에서, 폴리 실리콘 층의 오버 에칭 동안의 압력은 약 10mTorr보다 낮고, 산소 농도는 챔버 내로 유동하는 전체 가스 부피의 약 25%보다 낮은 것이 바람직하다. 에칭 공정은 브롬계 또는 염소계 에칭제에 의하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 챔버 압력, 챔버 내의 산소 농도, 그리고 전력이 제어되어, 챔버 표면 조건에 따른 에칭 공정의 민감도를 감소시킨다. 챔버 압력이 제어되어, 자유 라디칼에 대한 이온의 비를 증가시킴으로써, 이온의 도움에 의한 에칭을 증가시키고 자유 라디칼 에칭을 감소시킨다. 산소 농도가 제어되어, 에칭되는 기판 표면의 산화를 감소시킨다. 유도 코일에 공급되는 전력이 조정되어 기판 표면의 산화와 에칭을 제어한다. 한 실시예에서, 폴리 실리콘 층의 오버 에칭 동안의 압력은 약 10mTorr보다 낮고, 산소 농도는 챔버로 유입되는 전체 가스 유동의 부피의 약 25% 이하이며, 전력은 약 100-500W인 것이 바람직하다. 산소 농도 및 공급 전력은 역으로 조정되어, 산소 농도가 증가될 때 공급 전력은 감소되며 산소 농도가 감소될 때는 공급 전력이 증가되는 것이 바람직하다. 에칭 공정은 브롬계 또는 염소계 에칭제에 의하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 챔버 표면의 조건에 따른 에칭 공정의 민감도를 감소시키도록 챔버 재료가 선택된다. 챔버 재료는 자유 라디칼과의 재결합 속도에 따라 선택된다. 선택된 재료와 자유 라디칼의 재결합 속도는, 에칭 공정 중에 형성되어 챔버 표면에 증착되는 부산물과 자유 라디칼의 재결합 속도와 거의 동일한 것이 바람직하다. 따라서, 에칭 속도는, 증착물이 챔버 표면에 형성되는 경우에도, 시간에 대해 거의 일정하다. 한 실시예에서, 실리콘 에칭 챔버 환경에 노출되는 챔버 구성요소, 예를 들어 챔버 바디 및 챔버 돔/리드는 대체로 석영으로 이루어진다. 챔버 구성요소는 석영으로 이루어지거나 대안적으로 석영으로 라이닝될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 챔버 온도가 제어되어, 챔버 표면 조건에 따른 에칭 공정의 민감도를 감소시킨다. 온도는 노출된 챔버 표면에의 증착을 감소시킬 수 있도록 충분히 높은 것이 바람직하다. 한 실시예에서, 폴리 실리콘 층은 적어도 약 200℃의 챔버 온도에서 에칭된다.
상술한 본 발명의 목적, 특징, 이점이 구체적으로, 앞서 요약되었던 본 발명에 대한 보다 상세한 설명은, 첨부된 도면에 나타난 실시예를 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
그러나 첨부된 도면은 본 발명의 전형적인 실시예만을 나타내며, 따라서 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주되어서는 안되며, 본 발명의 범위는 다른 균등한 실시예에도 적용된다.
도 1은 에칭 챔버의 개략도이며,
도 2는 에칭제의 증착 속도를 산소의 함수로서 나타낸 개략도이며,
도 3은 HBr계 에칭에 대해, 에칭 속도 강하 및 자유 라디칼의 밀도 강하를 압력의 함수로서 나타낸 그래프이며,
도 4는 Cl2계 에칭에 대해, 에칭 속도 강하 및 자유 라디칼의 밀도 강하를 압력의 함수로서 나타낸 그래프이며,
도 5는 HBr계 에칭에 대해, 에칭 속도 강하를 산소의 함수로서 나타낸 그래프이며,
삭제
도 6은 HBr계 에칭에 대해, 에칭 속도를 산소의 함수로서 나타낸 그래프이며,
도 7은 Cl2계 에칭에 대해, 에칭 속도 강하를 산소의 함수로서 나타낸 그래프이며,
도 8은 Cl2계 에칭에 대해, 에칭 속도를 산소의 함수로서 나타낸 그래프이며,
도 9는 Cl2계 에칭에 대해, 가변적인 공급 전력 레벨에서, 에칭 속도를 산소의 함수로서 나타낸 그래프이며, 그리고
도 10은 에칭 속도 강하를 공급 전력의 함수로서 나타낸 그래프이다.
본 발명은 넓게는 챔버 조건에 따른 에칭 공정의 민감도를 최소화시키는 방법에 대한 것이다. 에칭 공정의 민감도는 에칭 화학물 및/또는 처리 변수의 변화와 챔버 재료의 변화와 같은 다양한 방법에 의해 제어될 수 있다.
명확성을 높이고 설명을 쉽게 하기 위해, 이하 실리콘 에칭 시스템 및 그 내부에서 수행되는 폴리 실리콘의 에칭을 포함한 처리에 대해 주로 설명한다. 그러나 본 발명은, 기판 위에 재료를 증착하거나 기판으로부터 재료를 에칭하기 위해 화학물을 이용하며, 표면 조건의 변경에 따라 응답하는, 다른 형태의 처리에 대해서도 동등하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 화학 기상 증착(CVD) 공정이 본 발명에 유리하게 이용될 수 있다.
본 발명에 따라 유리하게 사용될 수 있는 하나의 챔버(10)가 도 1에 개략적으로 나타나 있다. 챔버(10)는 양극화 처리된 알루미늄과 같은 금속으로 제조되는 것이 바람직한 바디(12), 세라믹과 같은 유전체로 만들어지는 것이 바람직한 돔 천장(13)을 포함한다. 챔버(10)는 플라즈마 영역(14)을 규정하며, 내부에 배치된 지지 부재(16)를 구비한다. 지지 부재(16)는 안에 홈이 있는 기계적 척 또는 정전 척일 수 있다. 이 홈 내에서는 예를 들어 헬륨과 같은 냉각 가스가 들어 있어, 처리가 이루어지는 동안 지지 부재(16) 위에 배치된 기판(20)의 온도를 제어한다. 지지 부재(16)의 적어도 일부는 전기적으로 도전성이 있고 공정에서 음극으로 기능한다. 지지 부재(16)는 접지된 바디(12)와 결합되는데, 이 바디(12)는 양극으로 작용하여, 플라즈마 영역(14) 내에서 전극을 형성한다.
처리 가스는 지지 부재(16)에 대해 둘레 방향으로 배치된 가스 분배기(22)를 통해 챔버(10) 내로 도입된다. 플라즈마는 플라즈마 발생기를 사용하여 처리 가스로부터 형성되는데, 플라즈마 발생기는 전자기장을 플라즈마 영역(14)에 결합시킨다. 플라즈마 발생기는 처리 챔버(10)의 돔 천장(13)에 인접하여 배치되는 인턱터 코일(26)을 포함할 수 있다. 인덕터 코일(26)은 돔 천장(13) 둘레에 둘러싸이며, 코일 전원(27)에 의해 전력을 받을 때 챔버 내에 유도 전기장을 형성할 수 있다.
인덕터 코일(26)에 더해, 지지 부재(16)는 전극 전원(28)에 의해 전력을 받아, 처리 챔버(10) 내에 용량성 전기장을 발생시킨다. 보통, 지지 부재(16)에는 RF 전압이 인가되는 반면, 바디(12)는 전기적으로 접지된다. 용량성 전기장은 지지 부재(16)의 평면에 대해 수직이며, 유도적으로 형성된 플라즈마 종을 기판(20)을 향하여 가속시켜, 보다 수직으로 향하는 이방성의 기판(20) 에칭을 제공한다.
소비 처리 가스와 에칭 부산물들은 처리 챔버(10)로부터 배기 시스템(30)을 통해 배출된다. 스로틀 밸브(32)는 챔버(10)내의 압력을 제어하기 위하여 배기 포트(34)에 제공된다. 또한, 검지 가능한 가스종에 대응하는 특정 파장의 광 방사의 변화를 측정함으로써 특정 층을 위한 에칭 처리의 완료를 결정하는데 광학 종단점 측정 기술이 사용될 수 있다. 검지가능한 가스종의 양에 대한 돌연 감소 또는 증가는 어떠한 층의 에칭의 완료와 다른 층의 에칭의 개시를 나타낸다.
이후에 설명된 처리과정은 도 1을 참조하여 전술한 챔버내에서 수행된다. 그러나, 사용된 특정 처리 챔버는 본 발명을 제한하지는 않는다. 다른 챔버들도 특징적으로 사용될 수 있다.
전술한 바에 따라, 에칭 결과의 반복성을 보장하기 위하여 에칭동안에 처리 안정성이 요구된다. 또한, 챔버 세척과 같은 에칭 챔버에서 사용된 다양한 공통 절차들이 허용할 수 없는 정도의 에칭율 변화를 가져온다는 사실이 주목되어졌다. 본 발명자는 처리 안정성이 챔버 벽 표면 조건과 같은 수동적인 챔버 조건에 의존한다는 것을 발견하였다. 종종, 이러한 챔버 조건은 수반되는 에칭 처리에 대한 영향에 관계없이, 또는 그 영향의 인식없이 변경된다.
본 발명자는 에칭율이 불안정한 원인중 적어도 한가지는 상이한 챔버 표면상에서의 반응성 자유 라디칼의 상이한 재결합율에 기인한다고 추정한다. 예를 들어, 실리콘 에칭인 경우에는, SiOX(여기에서, x = 1-2) 화합물이라고 확인된 부산물이 내부 챔버 표면에 증착된다. 세척 주기 이후에, 부산물이 제거되고 하부 챔버 표면이 드러난다. 여기에서 부산물과 라디칼의 재결합율이 세라믹과 양극 처리된 알루미늄과 같은 통상적인 챔버 재료와 라디칼의 재결합율보다 낮은 경우, 플라즈마내의 자유 라디칼 밀도는 챔버 표면이 부산물로 덮여짐에 따라 증가한다. 그리하여, 세척 주기 직후와 같은 챔버 표면에 증착물이 없을 때, 자유 라디칼은 챔버 표면과 제 1속도로 재결합한다. 일정 주기의 시간에 걸쳐, 부산물의 층은 챔버 표면과 자유 라디칼의 제 2결합 속도로 챔버 표면에 형성되고, 여기에서 제 2결합 속도는 제 1결합 속도보다 적다. 부산물 증착의 두께가 용납되는 수준을 일단 초과하면, 챔버는 하부 챔버 표면을 드러내도록 다시 세척됨으로써, 연속적인 처리에 대한 자유 라디칼의 제 1 재결합 속도를 초래한다. 광학적 광량측정을 이용하여, 본 발명자는 세척 작업 후에 Cl계 및 Br계 에칭의 자유 라디칼 밀도가 50%~70%감소되는 것을 목격하였다. 다양한 재결합율은 기판을 에칭하는데 이용가능한 플라즈마 내의 변동적인 라디칼 밀도를 가져오고, 에칭율은 챔버 표면 조성과 조건의 함수로서 시간에 따라 변한다.
일반적으로, 폴리실리콘 에칭 처리에 대하여, 에칭율은 SiOX (여기에서 x=1-2)와 같은 증착물이 챔버 표면 상에 형성됨에 따라 증가된다. 그러나, 에칭 처리의 일정성과 반복성을 상당히 손상시키는 에칭율의 어떠한 변화도 불리한 것으로 여겨진다. 가변되는 자유 라디칼 밀도의 영향은 처리 공정이 에칭 처리에서의 오버에칭 처리와 같은 자유 라디칼 농도에 의해 지배되는 반응을 수반하는 경우에 특별히 불리하다. 위에서 주목된 바와 같이, 오버에칭 처리는 기판으로부터의 잔류 재료가 고도로 조절된 조건하에서 기판의 미세구조물을 형성하도록 선택적으로 제거되는 과정이다.
본 발명의 일 실시예에서, 에칭 화학물은 챔버 표면에 증착되는 재료와의 라디칼 재결합율이 챔버 표면 재료의 재결합율과 상당이 차이가 있을 때 챔버 표면에서의 부산물 증착을 최소화하도록 조절된다. 기본적인 에칭제는 챔버 표면에 부산물을 증착시키는 에칭 포텐셜에 따라 선택된다. 기본적인 에칭제는 챔버로 유동되는 화학적 혼합물의 개별적인 조성 각각에 대해 가장 큰 용적 유동을 갖는 에칭제로서 정의되며 소정의 경우 단지 에칭제일 수도 있다. 바람직하게는, 기본적인 에칭제는 챔버 표면에 증착되는 부산물의 형성을 최소화하도록 선택된다.
본 발명의 한가지 실례가 표 Ⅰ과 표 Ⅱ에 참고로 도시되었다. 표 Ⅰ은 실리콘의 주 에칭 처리와 오버 에칭 처리에 대한 통상적인 "베이스라인" 처리 레서피를 보여준다. 주 에칭 처리는 비례적으로 Br의 함량이 높은 Cl과 Br 혼합물과 같은 할로겐으로 이루어져 있다. 오버에칭 처리는 Br계 화학물로 구성되고 주 에칭 처리에 대하여 상대적으로 높은 압력에서 수행된다. 오버에칭 공정뿐만아니라 주 에칭 공정을 위한 Br 함유 플라즈마의 사용으로 높은 선택비를 갖는 이방성 폴리 에칭을 제공한다. Cl에 비해서, Br은 폴리 : 산화물 선택비를 증가시키며 에칭 프로파일의 보다 양호한 제어를 가능하게 한다. 표 1에 주어진 공정 변수는 통상적으로 기판 상의 폴리실리콘 층을 에칭시키기 위한 것이다.
변수 주 에칭 오버에칭
조성 Cl2, HBr(1Cl:2Br), O2(<체적비로 5%) HBr O2(<체적비로 3%)
유량 200sccm 155-160sccm
코일 전력 500W 500-1000W
바이어스 전력 80W 100-150W
압력 4mTorr 50mTorr
온도 50℃ 50℃
본 발명자는 일반적인 경향과 예상과는 대조적으로, 보다 높은 속도의 염소가 자유 라디칼에 의해 주로 에칭이 지배되는 오버에칭에서의 변화율과 같은 챔버 표면 조건을 변경시키는 유해한 영향을 최소화시킨다고 결정했다. 도 2는 3000Å의 폴리실리콘의 Cl2 에칭을 위한 증착 곡선과 HBr 에칭을 위한 증착 곡선을 나타내는 비교 그래프이다. 상기 곡선들은 O2 농도가 변함에 따른 챔버 표면 상에서의 SiOx(여기서, x = 1 -2)의 증착 두께가 그려져 있다. 양 곡선의 변수는 실질적으로 동일하며 다음과 같다. Cl-계 : 50℃, 100 sccm(Cl2 및 O2), 3 mTorr, 400W(코일), 60W(바이어스). HBr-계 : 50℃, 100 sccm(HBr 및 O2), 6 mTorr, 400W(코일), 60W(바이어스).
도 2는 HBr와 같은 Br계 화학물이 Cl2와 같은 Cl계 화학물에 의해 증착된 것에 비해서 챔버 내에 높은 수준의 증착물을 야기함을 나타낸다. 이러한 결과는 폴리 에칭 중에 SiCl 및 SiBr 화합물이 형성된다는 사실로 인한 것이다. SiCl은 휘발성이며 챔버로부터 배출된다. 그러나, SiBr은 덜 휘발성이고 O2와의 반응으로 챔버 표면 상에 증착되는 SiOx 화합물을 생성한다.
전술한 바와 같이, 플라즈마 내의 자유 라디칼의 밀도는 챔버 표면 조건과 직접적인 관계가 있다. SiOx와 라디칼의 재결합율이 세라믹과 양극처리된 알루미늄과 같은 통상적인 챔버 재료와 라디칼의 재결합율 보다 낮기 때문에, 플라즈마 내의 자유 라디칼 밀도는 챔버 표면이 SiOx로 피복됨에 따라 증가한다. 따라서, 챔버 표면 조건이 시간에 따라 변하기 때문에 에칭율도 이에 따라 변경된다. 특히, 자유 라디칼이 폴리실리콘의 에칭에 기여하므로, 에칭은 챔버 표면상의 증착물이 증가함에 따라 증가한다. 에칭율의 그러한 변화는 에칭 반복성이 손상되므로 바람직하지 않다. 자유 라디칼 밀도는 오버 에칭이 화학적이고 통상적으로 소정의 에칭율을 유지하기 위해 라디칼의 고 농도에 의존하는 공정 중에 특히 중요하다. 자유 라디칼의 밀도의 변화는 오버에칭율의 변화를 초래하며 그 결과로 반복성의 상실을 초래한다. 따라서, 성공적인 에칭에는 에칭율이 시간의 경과에 대해 제어되고 실질적으로 일정해야 한다.
본 발명자들은 Br에 비해 Cl의 속도가 높도록 에칭 화학물을 조절함으로써 에칭 중에 챔버 표면 상의 SiOx 화합물의 증착을 감소시킬 수 있다고 결정했다. 챔버 표면상의 증착물 적층을 최소화함으로써 에칭 플라즈마 내의 자유 라디칼의 밀도를 거의 일정하게 하고 그 결과, 에칭율을 실질적으로 일정하게 제어한다.
표 2는 본 발명에 따른 처리 레서피를 나타낸다.
변수 주 에칭 오버에칭
조성 Cl, HBr(4Cl : 1Br), HBr,
O2(<체적비로 5%) O2(<체적비로 3%)
유량 100-200 sccm 100-200 sccm
코일 전력 300-500W 300-500W
바이어스 전력 80 W 100 W
압력 4 mTorr 50 mTorr
온도 10-30℃ 10-30℃
표 1과 표 2의 비교로 종래의 레서피에 비해 현저한 효과가 있음을 알 수 있다. 본 발명의 처리 레서피는 바람직하게 Cl : Br의 속도가 약 3 : 1 내지 5 : 1 범위이다. 더 바람직하게, Cl : Br의 속도는 표 2에 나타낸 바와 같이 약 4 : 1이다.
표 Ⅰ에 따른 공정에 의해 단주기 시간에 걸쳐 내부 챔버 표면 상에 상당한 증착이 이루어진다. SiOx 화합물의 증착율이 50-100 Å/min로 측정되었다. 한편, 표 Ⅱ의 처리 레서피에 의한 증착율은 단지 10-30 Å/min로 측정되었다. 이러한 감소된 증착율은 브롬(Br)에 대한 염소(Cl)의 속도가 보다 높기 때문이다.
표 Ⅱ의 오버에칭 공정 동안 사용되는 주 에칭제가 브롬(Br)일 때, 챔버 상의 부산물 증착은 무시될 수 있다. 오버에칭 공정은 주 에칭 공정 동안 실질적으로 형성된 소자 미세구조물로부터 잔류 재료를 제거하는 역할만 한다. 따라서, 주 에칭 공정 동안 바람직하지 못한 챔버 표면 증착이 주로 형성되는 동안, 오버에칭 공정은 챔버 표면 상의 증착을 무시할 수 있게 한다.
그러나, 염소 및 브롬계 에칭은 본 발명의 장점으로 이용될 수 있는 공정의 일례에 불과하다. 본 발명은 자유 라디칼의 재결합 속도에 변화를 가져오게 하는, 챔버 표면 상의 부산물의 증착을 발생시키는 임의의 플라즈마 공정에 적용가능하다. 이러한 공정은 예컨대 플라즈마 강화 화학 기상 증착을 포함한다. 또한, 표 Ⅰ 및 표 Ⅱ에 대해 전술한 설명은 오버에칭에 대한 실리콘 주 에칭의 영향을 설명하지만, 본 발명은 챔버 표면 조건을 변경시키는 임의의 단계 또는 단계들에 대한 적용을 예상한다.
에칭 화학물에 추가로, 압력과 같은 처리 변수도 에칭율에 영향을 준다. 다시 표 Ⅰ을 참조하면, 베이스라인 에칭 레서피에서의 처리 압력은 50mTorr이다. 전형적으로, 압력이 높을수록 폴리 대 산소 선택비가 높아지므로, 오버 에칭 공정에서 처리 변수는 50mTorr이상이다. 50mTorr 이상의 압력에서, 라디칼-대-이온 비가 낮은 압력과 비교해 볼 때 보다 높기 때문에, 에칭은 일반적으로 보다 화학적이다. 압력이 감소함에 따라, 라디칼-대-이온 비도 감소하여 이온 우열 또는 이온-보조식 에칭으로 된다. 이온 보조식 에칭은 라디칼에 의해 수행되는 에칭임을 의미하며, 여기서 이온 충돌은 표면 반응의 활성 에너지 때문이다. 이온 보조식 에칭은 라디칼 밀도에 대한 에칭 공정의 민감도를 감소시키며, 이에 따라 챔버벽 조건의 변화에 따른 자유 라디칼 밀도의 변화에 대한 에칭 민감도가 감소된다.
도 3은 브롬계 에칭에 대한 압력의 함수로서 오버에칭율 강하와 자유 라디칼 밀도 강하를 도시하고 있다. 에칭율/밀도 강하는, 챔버 표면이 축적되는 건습 세척 과정 전의 오버에칭율/밀도와 비교하여 건습 세척 과정 후의 오버에칭률/밀도에서 퍼센트 감소로 계산된다. 도 3의 오버에칭에 대한 처리 레서피는 다음과 같았다: 150sccm HBr 그리고 10HeO2 sccm, 50℃, 1000W(전원), 100W(바이어스 전원). 약 4mTorr의 압력에 상응하는 에칭율 강하는 단지 약 1%이고, 브롬 밀도 강하는 약 50%이다. 압력이 증가함에 따라, 에칭율 강하와 밀도 강하 또한 증가한다. 약 50mTorr의 압력에서, 에칭율 강하는 약 33%이고 자유 라디칼 밀도 강하는 약 58%이다. 도 4는 Cl2계 에칭에 대한 압력의 함수로서 에칭율 강하와 자유 라디칼 밀도를 도시하고 있다. 에칭이 자유 라디칼에 보다 의존적일 경우, 증가하는 압력에서 에칭율 강하와 밀도 강하 역시 압력의 증가와 함께 증가한다.
발명자는 고압에서의 실질적인 에칭율 강하가 내부 챔버 표면과 라디칼의 재결합율에 의한 것으로 가정한다. 세척 과정 후에, 챔버 표면과 라디칼의 재결합율은 하부 챔버 표면이 증착물에 의해 커버되는 예비-세척 과정에서보다 높다. 세척 과정의 결과로, 하부 챔버 표면이 노출된다. 하부 챔버 표면과 자유 라디칼의 재결합율이 챔버 증착물과의 재결합율보다 높기 때문에, 플라즈마 내 이용가능한 라디칼의 밀도는 감소되어, 오버에칭 공정과 같은 라디칼의 고농도에 의존하는 처리 단계에서의 에칭율이 떨어진다. 그러나, 저압에서의 에칭은 이온에 의해 지배되고 자유 라디칼로 인해 화학 에칭이 감소된다. 압력의 감소는 자유 라다칼 대 이온의 비를 감소시켜, 이온 에칭은 증가하고 자유 라디칼 에칭은 감소한다. 따라서, 이런 과정은 자유 라디칼 밀도에 보다 덜 의존하게 된다.
따라서, 오버에칭 공정에서 챔버의 세척 효과는 본 발명의 저압 처리에 따라 완화될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 폴리실리콘에 대한 오버에칭 처리 레서피는 약 30mTorr 보다 낮은 압력, 가장 바람직하게는 약 10mTorr의 압력을 포함한다. 압력은 특정 에칭 화학물 및 처리 변수에 대해 최적화될 수 있다. 바람직하게 세척 공정 후 에칭율 변화는 약 10% 미만이다. 따라서, 종래의 실행과 달리, 본 발명은 챔버 벽 조건의 영향을 최소화하기 위해 오버에칭의 저압법을 제공한다. 이 해결책은 반직관적이다. 왜냐하면 압력이 낮은 경우, 선택비가 좁아지기 때문이다. 하지만, 본 발명의 저압에서의 선택비는 다른 처리 변수를 제어함으로써 증가될 수 있다. 예를 들면, 바이어스 전력은 이온이 기판을 에칭하는 속도를 낮추기 위해 감소될 수 있다. 또한, 산소 유량은 기판 표면의 산화를 증가시키기 위해 증가될 수 있고, 이에 따라 에칭율은 감소한다.
다른 실시예에서, 저압 오버 에칭의 결과는, 보다 높은 선택비를 달성하기 위해 사용되는 에칭 화학물 첨가제인 산소의 농도를 최적화함으로써 더 개선될 수 있다. 도 5 및 도 6은 Hbr계 에칭에 대한 오버에칭율 강하와 오버에칭율을 각각 도시하고 있다. 도 7 및 도 8은 Cl2에 근거한 오버에칭율 강하와 오버에칭율을 각각 도시하고 있다. HBr 및 Cl2계 에칭은 기판의 표면 산화를 야기하는 산소의 농도를 증가시킴으로써 악영향을 받았다.
건습 세척 공정 후에, 자유 라디칼 에칭제, 예를 들면 Cl 및 Br의 농도는 감소되고, 산소의 농도는 이에 비례하여 증가한다. 산소는 에칭될 기판 표면을 산화시키고, 이에 따라 에칭제와 기판 표면간의 반응을 제한한다. 결과적으로, 에칭율은 감소된다. 산소의 일부가 보다 높은 선택비를 달성하는데 바람직하지만, 산소 농도는 기판 표면의 과도한 산화로 인한 에칭율에 대한 유해한 영향을 배제하기 위해 제어되어야 한다. 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 바람직한 산소 농도는 사용된 에칭제 화학물에 달려있다. HBr계 에칭에 있어, 도 6에 도시된 바와 같이, 산소 농도는 약 0% 내지 5%사이가 바람직하다. Cl2계 에칭에 있어, 도 8에 도시된 바와 같이, 산소 농도는 약 0% 내지 15% 사이가 바람직하다.
하지만, 최적의 산소 농도는 다른 처리 변수에 따라 변화될 수 있고 이에 따라 조절되어야 한다. 예를 들면, 바람직한 산소 농도는 전원, 즉 도 1에 도시된 코일(26)과 같은 유도 코일에 제공된 유도성 코일 전원에 달려 있다. 도 9는 Cl2계 에칭에 대한 두 그래프를 도시하고 있다. 여기서, Cl2 유량은 약 50sccm이고, 지지 부재에 대한 바이어스 전원은 약 40W이며, 챔버 압력은 약 3mTorr이다. 제 1 그래프(50)는 약 200W에서의 오버에칭율에 대한 산소 농도의 영향을 나타내고 있으며, 제 2 그래프(52)는 약 400W에서의 오버에칭율에 대한 산소 농도의 영향을 나타내고 있다. 그래프(50)는 약 10%의 산소 농도와 약 400W의 전원에서의 피크 에칭율을 표시하고 있다. 그래프(52)는 약 15%의 산소 농도와 200W의 전원에서의 피크 에칭율을 표시하고 있다.
양 그래프는 정점(54, 56)을 통과한 후 산소 농도의 증가와 함께 에칭율의 감소를 나타내고 있으며, 그래프(52)는 높은 산소의 농도에서 높은 에칭율을 유지한다. 따라서, 약 25% 산소에서, 그래프(50)는 약 800Å/min의 에칭율을 나타내고 그래프(52)는 약 2000Å/min의 에칭율을 나타낸다. 즉, 본 발명에 따라, 산소 농도와 전원 레벨은 에칭율을 최적화하기 위해 조정된다. 높은 산소 레벨이 바람직한 경우에는, 전원 레벨이 최적의 에칭율을 수용하기 위해 감소된다. 반대로, 낮은 산소 레벨이 바람직한 경우에는, 보다 높은 전원 레벨이 최적의 에칭율을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 도 9에 도시되지는 않았지만, HBr과 다른 에칭제는 산소의 존재하에서 전원 레벨의 변화에 유사한 반응을 나타낸다.
하지만, 정점(54, 56) 이후에 하향하는 그래프(50, 52)에 도시된 바와 같이, 상한선에서 전원은 에칭율 강하를 야기한다. 에칭율 강하는 높은 전원 레벨에서 가속화된 표면 산화의 결과이다. 도 10은 약 4%의 산소 농도를 가진 HBr계 에칭 처리에 대한 에칭율 강하를 나타내고 있다. 약 600W의 전원에서, 에칭율 강하는 기판상에서의 과다한 표면 산화로 인하여 갑자기 증가한다. 따라서, 최적의 처리 레서피는 산소와 전원의 레벨을 제어함으로써 달성된다.
산소가 존재하는 저압 오버 에칭 공정의 두 실시예가 표 Ⅲ에 도시되어 있다. 한 실시예에서는 Cl계 화학물이 사용된다. 다른 실시예에서는 Br-계 화학물이 사용된다.
변수 Cl계 오버 에칭 Br계 오버 에칭
조성 Cl2, HBr,
O2(<체적비로 15%) O2(<체적비로 5%)
유량 50 sccm 100 sccm
코일 전력 100-200W 300-500W
바이어스 전력 3-0-50 W 50-100 W
압력 3-5 mTorr 10-30 mTorr
온도 0-10℃ 30-50℃
표 Ⅲ은 단지 실리콘 에칭용 Cl계 화학물과 HBr계 화학물을 나타내지만, 본 발명은 통상적으로 고압 영역에서 수행되고 표면 조건에 민감한 다른 공정을 예상한다. 소정의 에칭 화학물에 대한 최적의 변수는 전술된 압력, 산소 농도, 및 공급 전력 사이의 관계에 따라 결정된다.
본 발명에 따른 또다른 실시예는 에칭 중에 세척제를 사용한다. "세척제"라는 용어는 챔버 표면을 주기적으로 세척하는데 사용되는 고휘발성 가스를 지칭한다. 본 발명은 에칭 공정 중 유리하도록 이러한 가스를 이용한다. 그러므로, 세척제는 에칭 뿐만 아니라 챔버 표면을 청정하게 유지시키는 이중 작용을 한다.
주에칭 공정 중 유리하도록 사용되는 세척 가스는 불소이다. 표 Ⅳ와 표 Ⅴ는 본 발명에 따른 바람직한 처리 레서피를 나타낸다.
변수 주 에칭 : Cl계
조성 : 염소 함유 에칭제 : Cl2; 및 불소 함유 화학물 : CF4(〈50 부피%), SF4(〈20부피%) 또는 NF3(〈20 부피%)
유량 200sccm
코일 전력 300-500W
바이어스 전력 50-100W
압력 4mTorr
온도 30-50℃
변수 주에칭 : HBr계 및/또는 HCl계
조성 : 에칭제 : HBr 및/또는 HCl; 및 불소 함유 화학물 : SF(〈20 부피%), NF3(〈20 부피%), 또는 CF4 및 O2 (〈50 부피%, 여기서 CF4 : O2 = 4 :1)
유량 200sccm
코일 전력 300-500W
바이어스 전력 50-100W
압력 4mTorr
온도 30-50℃
표 Ⅳ는 Cl계 에칭 화학물을 이용하는 바람직한 레서피를 나타낸다. 표 Ⅴ는 HCl 및/또는 HBr계 에칭 화학물을 이용하는 바람직한 레서피를 나타낸다. 상기 두 레서피는 주에칭 처리 레서피이다. 본 발명에 따른 휘발성 세척제의 사용은 높은 에칭율로 인해 소자의 미세구조물로부터 벌크 재료가 제거되는 주 에칭 공정에 적합하다. 보다 큰 선택비를 요구하는 후속적인 오버 에칭 공정은 전술된 소정의 통상적인 레서피 또는 본 발명에 따른 레서피에 따라 수행될 수도 있다.
작동 중에, 챔버의 내부 표면은 기판의 소정의 영역을 에칭하면서 주에칭 공정 중에 형성된 부산물 및 챔버 표면 상에 형성된 증착물과 반응하는 불소계 유체와 같은 세척제에 노출된다. 불소계 유체와 부산물은 챔버로부터 배축되는 휘발성 화합물을 형성한다. 그러므로, 챔버 표면 상의 증착은 최소화되고 챔버 표면은 실질적으로 일정한 조성을 유지한다. 일정한 챔버의 표면 조건을 유지시킨 결과, 챔버 표면 상의 증착물과 자유 라디칼과의 재결합은 통상적인 에칭 방법으로 가능한 시간보다 더 긴 시간 동안 실질적으로 일정하게 유지된다. 챔버는 주기적인 세척을 요구하지 않기 때문에, 세척 사이클 사이의 가동 시간은 에칭 시스템의 개선된 생산성을 허용하도록 증가된다.
상당한 양의 부산물을 생산하는 공정에 소정의 불소 함유 가스의 첨가는 부산물이 챔버 표면 상에 증착되는 것을 방지하지만, 평탄화 및 리세스 에칭과 같은 불소가 주 에칭제인 경우 문제점이 존재한다. 불소는 챔버 표면을 가격하는 고부식성 에칭제이다. 챔버 표면이 변화하면 부식으로 인해 부산물을 형성할 수 있으며, 자유 라디칼은 청정한 챔버 표면에서의 재결합 속도와 상이한 재결합 속도를 나타낸다. 부가적으로, 챔버 표면이 변화하면 노출 표면적을 증가시킬 수 있는 챔버 내부 표면의 구조를 변화시킬 수 있으며, 이에 의해 자유 라디칼의 재결합 위치를 증가시킨다. 일정 시간 후에, 챔버 표면은 재마무리되어야 하며, 또는 극도의 경우 몸체와 돔과 같은 챔버 부재는 폐기되고 교체되어야 한다. 그렇지 않으면, 에칭 결과는 표면 조건의 변화에 따라 변할 것이다.
발명자는 에칭 화학물이 챔버 표면 상에서 불소계 에칭제의 부식 효과를 감소시키도록 변할 수도 있음을 발견하였다. 본 발명에 따른 일 실시예에서, Cl이 에칭 화학물에 첨가된다. 표 Ⅵ은 실리콘 에칭과 관련된 본 발명의 바람직한 레서피를 나타낸다.
Figure 112002000870326-pct00004
일반적으로, Cl 대 F의 비, 즉 Cl : F는 바람직하게 약 1 : 2 내지 2 : 1 범위이며, 가장 바람직하게 약 1 : 1이다. F계 화학물에 Cl의 첨가는 챔버 표면 상에서의 불소의 부식성을 감소시킨다고 공지되어 있다. 그러므로, 챔버의 조건은 종래의 레서피를 사용하여 가능한 시간 보다 더 긴 시간에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지된다. 결과적으로, 챔버 표면 상에서 자유 라디칼의 재결합 속도는 하나의 기판 뿐만 아니라 여러 기판의 처리 중에 실질적으로 일정하게 유지된다.
본 발명에 따른 또다른 실시예에서, 챔버 벽의 온도는 챔버 표면 상에 부산물의 증착을 감소시키도록 조절된다. 현재, 챔버 벽의 온도는 약 60 내지 80℃에서 유지된다. 발명자는 온도가 증가함에 따라 챔버 표면에 증착하는 부산물이 감소됨을 발견했다. 그러므로, 온도는 공정 중에 챔버 표면에 증착되는 부산물의 양을 감소시키도록 조절될 수 있다. 바람직하게, 챔버 벽의 온도는 챔버 표면에 형성되는 증착물을 최소화시키기 위해 약 200℃ 보다 높으며, 이에 의해 공정 중에 표면 프로파일의 변화를 방지한다.
본 발명에 따른 또다른 실시예에서, 에칭 챔버의 재료는 표면 조건의 변화에 대한 에칭 공정의 선택비를 감소시키도록 선택된다. 전술된 것처럼, 챔버의 세척 사이클 후 에칭율 요동의 한 원인은 표면이 변할 때 에칭제의 자유 라디칼 재결합 속도이다. 그러므로, 자유 라디칼은 알루미늄 또는 세라믹과 같은 제 1 재료를 포함하는 챔버 표면 상에서 제 1 재결합 속도를 가질 수도 있으며, 공정 중에 챔버 표면 상에 증착되는 공정 부산물 상에 제 2 재결합 속도를 가질 수도 있다. 일정 시간 후에, 챔버의 표면 재료는 부산물의 증착에 의해 덮히며, 이에 의해 에칭제에 노출된 표면 조성을 변화시켜 에칭율을 변화시킨다.
통상적으로, 자유 라디칼의 재결합 속도의 변화 효과는 에칭 중에 형성된 부산물을 포함하는 박막이 챔버 표면 재료를 덮도록 챔버 상에 증착되는 시즈닝 사이클에 의해 최소화되거나 제거된다. 그러나, 시즈닝 사이클은 시간을 요하며 생산이 중지되므로 시스템의 작업처리량을 감소시킨다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 자유 라디칼의 재결합 속도에 따른 챔버 재료의 선택과 관련된다. 바람직하게, 챔버 재료와 관련된 자유 라디칼의 재결합 속도는 시간에 따라 챔버 표면 상에 형성되는 부산물 증착 재료와의 재결합 속도와 실질적으로 동일하다. 그러므로, 실질적으로 일정한 에칭율이 챔버 표면의 조건 변화 중에 유지된다. 바람직하게, 선택된 재료는 챔버의 내부 표면의 80% 이상을 포함한다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 다중 에칭 챔버는 석영과 같은 하나 이상의 재료로 제조된 내부 표면을 포함한다. 그러나, 선택된 재료는 에칭 화학물에 의존한다. 각각의 경우에, 재료는 챔버 상에 형성되는 증착물의 재결합 속도와 실질적으로 동일한 자유 라디칼 재결합 속도를 나타내도록 선택된다. 도 1을 참조하면, 선택된 재료는 바람직하게 챔버 몸체(12) 및/또는 챔버 돔 리드(13)의 내부 표면을 형성하도록 사용된다.
전술한 실시예는 명확성을 위해 일부 분리되어 설명되었다. 그러나, 본 발명은 에칭율, 반복 가능성 및 선택비를 최적화하기 위해 전술한 실시예의 하나 이상을 사용한다.
전술한 설명들은 본 발명의 양호한 실시예에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예가 본 발명의 기본 범위로부터 벗어남이 없이 고안될 수도 있고, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (29)

  1. 내부 표면을 갖춘 챔버 내의 기판을 에칭하는 방법으로서,
    (a) 상기 챔버 내측으로 하나 또는 그 이상의 에칭제 중 제 1 에칭제를 도입하는 단계, 및
    (b) 상기 제 1 에칭제가 분해되도록 상기 챔버내에 플라즈마를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제 1 에칭제는 상기 챔버 내부 표면 상에 재료의 증착을 최소화하도록, 에칭 중에 형성되는 부산물에 대한 분해된 에칭제의 제 1 재결합 속도가 상기 챔버 내부 표면에 대한 분해된 에칭제의 제 2 재결합 속도와 상이하게 선택되는,
    기판 에칭 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 재료가 상기 내부 표면 상에 형성되는 증착율이 30 Å/분 이하인,
    기판 에칭 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    (c) 상기 (a) 단계 이전에 상기 내부 표면을 세척하는 단계를 더 포함하는,
    기판 에칭 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 에칭제 중 제 1 에칭제는 염소인,
    기판 에칭 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    (d) 실리콘을 포함하는 기판으로부터 하나 이상의 층들을 에칭하는 단계를 더 포함하는,
    기판 에칭 방법.
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  18. 기판 에칭 방법으로서,
    (a) 내부 표면을 갖춘 챔버 내부에 기판을 위치시키는 단계와,
    (b) 화학적 혼합물을 상기 챔버 내측으로 유동시키는 단계와,
    (c) 하나 이상의 플라즈마 구성요소를 형성하도록 상기 화학적 혼합물로부터 챔버 내부에 플라즈마를 형성하는 단계,
    (d) 상기 내부 표면 상에 필름을 증착시키는 단계, 및
    (e) 상기 기판을 에칭시키는 단계를 포함하며,
    상기 챔버 내부 표면과 하나 이상의 플라즈마 구성요소의 제 1 재결합 속도는 필름과 하나 이상의 플라즈마 구성요소의 제 2 재결합 속도와 동일한,
    기판 에칭 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 기판은 폴리실리콘을 포함하며 상기 내부 표면은 석영을 포함하는,
    기판 에칭 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 내부 표면은 챔버 몸체 상에 배열된 라이너를 포함하는,
    기판 에칭 방법.
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  27. 기판을 에칭하는 장치로서,
    (a) 내부 표면을 갖춘 챔버 몸체를 포함하는 처리 챔버와,
    (b) 상기 처리 챔버에 연결된 하나 이상의 에칭제를 위한 하나 이상의 소오스, 및
    (c) 상기 하나 이상의 에칭제를 분해시킴으로써 상기 처리 챔버 내부에 플라즈마를 형성하도록 상기 처리 챔버에 인접 배열된 하나 이상의 코일을 포함하며,
    상기 챔버 내부 표면에 대한 분해된 상기 하나 이상의 에칭제와의 제 1 반응 속도는 처리 공정중 상기 내부 표면상에 형성된 재료에 대한 분해된 상기 하나 이상의 에칭제와의 제 2 반응 속도와 동일한,
    기판 에칭 장치.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 기판은 폴리실리콘을 포함하며 상기 내부 표면은 석영을 포함하는,
    기판 에칭 장치.
  29. 제 27 항에 있어서, 상기 내부 표면은 상기 챔버 몸체에 배열된 라이너를 포함하는,
    기판 에칭 장치.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070056930A1 (en) * 2005-09-14 2007-03-15 International Business Machines Corporation Polysilicon etching methods
US9711365B2 (en) 2014-05-02 2017-07-18 International Business Machines Corporation Etch rate enhancement for a silicon etch process through etch chamber pretreatment
US10950416B2 (en) 2018-11-16 2021-03-16 Mattson Technology, Inc. Chamber seasoning to improve etch uniformity by reducing chemistry

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5332468A (en) 1991-10-23 1994-07-26 Siemens Aktiengesellschaft Method for structuring a layer using a ring electrode and multiple RF power sources
KR970013027A (ko) * 1995-08-18 1997-03-29 김주용 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법
US5756400A (en) 1995-12-08 1998-05-26 Applied Materials, Inc. Method and apparatus for cleaning by-products from plasma chamber surfaces

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5242536A (en) 1990-12-20 1993-09-07 Lsi Logic Corporation Anisotropic polysilicon etching process
JP3298161B2 (ja) 1991-10-29 2002-07-02 ソニー株式会社 ドライエッチング方法
US5256245A (en) 1992-08-11 1993-10-26 Micron Semiconductor, Inc. Use of a clean up step to form more vertical profiles of polycrystalline silicon sidewalls during the manufacture of a semiconductor device
JP3169759B2 (ja) * 1993-12-28 2001-05-28 株式会社日立製作所 プラズマエッチング方法
US5453156A (en) 1994-11-01 1995-09-26 Taiwan Semiconductor Manufactoring Company Ltd. Anisotropic polysilicon plasma etch using fluorine gases
US5880033A (en) 1996-06-17 1999-03-09 Applied Materials, Inc. Method for etching metal silicide with high selectivity to polysilicon
US6136211A (en) * 1997-11-12 2000-10-24 Applied Materials, Inc. Self-cleaning etch process

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5332468A (en) 1991-10-23 1994-07-26 Siemens Aktiengesellschaft Method for structuring a layer using a ring electrode and multiple RF power sources
KR970013027A (ko) * 1995-08-18 1997-03-29 김주용 반도체 소자의 게이트 전극 형성 방법
US5756400A (en) 1995-12-08 1998-05-26 Applied Materials, Inc. Method and apparatus for cleaning by-products from plasma chamber surfaces

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