KR101279530B1 - 건식 식각 방법 - Google Patents

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마나부 요시이
카즈히로 와타나베
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가부시키가이샤 알박
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Abstract

건식 식각 방법은 제1 단계와 제2 단계를 포함한다. 상기 제1 단계는 산화 가스와 불소를 함유하는 가스를 포함하는 가스 혼합물로부터 제1 플라즈마를 생성하는 과정과 상기 제1 플라즈마로 실리콘층(Ls)에 대해 이방성 식각을 수행하여 상기 실리콘층(Ls)에 리세스를 형성하는 과정을 포함한다. 상기 제2 단계는 제2 플라즈마로 상기 리세스의 내부 표면상에 유기막을 적층하는 유기막 형성 공정과 상기 유기막으로 덮인 리세스를 상기 제1 플라즈마로 이방성 식각하는 식각 공정을 교대로 반복하는 과정을 포함한다. 상기 제1 단계에서 형성되는 리세스의 하부 표면의 일부로부터 식각 저지층(Lo)이 노출될 때, 상기 제1 단계가 상기 제2 단계로 변경된다.

Description

건식 식각 방법{DRY ETCHING METHOD}
본 발명은 건식 식각 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘층의 식각을 위한 이방성 식각 방법에 관한 것이다.
종래 기술에 있어서, 예를 들면 소형화된 기계적 요소들 전자적 요소들을 구비하는 멤스(MEMS) 장치를 제조할 때, 상기 멤스 장치에 사용되는 실리콘층들을 식각하는 데 건식 식각이 적용된다. 특허 문헌 1에는 상기 멤스 장치의 실리콘층에 리세스들(recesses)의 패턴, 관통 홀들 및 이와 유사한 구조를 형성하는 데 반응성 건식 식각이 적용된 경우가 기재되어 있다. 종래 기술에 따른 건식 식각 방법을 상기 특허 문헌 1을 근거로 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 건식 식각에 있어서, 육불화황(sulfur hexafluoride; SF6) 가스를 이용한 플라즈마, 즉 불소 라디칼들(F*)을 함유하는 식각제(etchant)(54)와 다양한 형태의 양이온들이 처리되는 기판(S)을 수용하는 진공 컨테이너 내에 생성된다. 기판(S)은 멤스 장치를 형성하는 실리콘층(52)을 포함한다. 상기 실리콘층(52)은, 예를 들면, 식각 저지층인 실리콘 산화물층(51) 상에 적층된다. 식각 마스크(53)는 상기 실리콘층(52)의 표면(52a) 상에 형성된다. 상기 식각 마스크(53)는 상기 실리콘층(52)의 식각되는 영역(52a)을 노출시키도록 패터닝된다. 이후에, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 기판(S)에 인가되는 바이어스 전압에 의해 양이온들이 기판(S) 내로 유도된 양이온들과 상기 기판(S)의 표면에 접촉되는 불소 라디칼들이 상기 식각되는 영역(52a)에서 식각 반응을 진행하고, 상기 식각되는 영역(52) 내에 리세스(55)를 형성한다.
상기 기판(S) 내로 유도되는 양이온들은 상기 실리콘층(52)의 두께 방향을 따라 식각을 진행한다. 그러나, 상기 라디칼들이 상기 실리콘층(52)의 두께 방향을 따라서 뿐만 아니라 상기 두께 방향에 교차하는 방향을 따라 직접적으로 식각을 진행하지는 않는다. 상기 멤스 장치에 있어서, 상기 실리콘층(52)의 두께는 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 정도이다. 따라서, 상기 실리콘층(52)의 전체적인 두께에 대해 이와 같은 라디칼들로 등방성 식각을 연속적으로 수행할 경우, 상기 실리콘층(52) 내에 형성되는 리세스(55)가 상기 실리콘층(52)의 두께 방향뿐만 아니라 상기 두께 방향에 교차되는 방향을 따라 크게 확장될 수 있다. 이와 같은 문제에 관하여, 상기 특허문헌 1에 기재된 건식 식각 방법은 다음과 같은 방식으로 수행된다.
상기 방법에 있어서, 도 4b에 도시한 바와 같이 상기 리세스(55)가 상기 실리콘층(52)의 두께 방향을 따라 하나가 부분적으로 형성된 후, 상기 식각 반응은 일시적으로 중지된다. 이후에, 도 4c에 도시한 바와 같이, 하이드로카본 트리플루오라이드(hydrocarbon trifluoride; CHF3) 가스(56)가 상기 진공 컨테이너 내로 제공되어 상기 리세스(55)의 내부 표면을 포함하는 상기 기판(S)의 전체 표면 상부에 폴리테트라플루오로에틸렌(polytretrafluoroethylene; [C2F2]n)의 보호막(57)을 형성한다. 계속하여, 도 4d에 도시한 바와 같이, 육불화황 가스가 다시 상기 진공 컨테이너 내로 제공되고, 플라즈마화되어 상기 실리콘층(52)의 두께 방향을 따라 식각이 재개된다.
이러한 상태에 있어서, 상기 리세스(55)의 측부 표면상에 형성된 상기 보호막(57)에 주로 상기 라디칼만이 접촉한다. 이와는 달리, 상기 리세스(55)의 바닥 표면상에 형성된 상기 보호막(57)에는 상기 라디칼뿐만 아니라 상기 양이온들도 접촉된다. 그 결과, 상기 리세스(55)의 측부 표면에 비하여 상기 리세스(55)의 바닥 표면에서 상기 식각제(54)에 의한 상기 보호막(57)의 제거가 보다 빨라진다. 따라서, 상기 리세스(55)의 측부 표면은 상기 보호막(57)으로 보호되는 반면, 상기 리세스(55)의 바닥 표면은 상기 실리콘층(52)의 두께 방향을 따라 보다 식각된다. 이 후에, 상기 리세스(55)의 바닥 표면이 상기 실리콘 산화물층(51)의 표면에 도달할 때까지 육불화황 가스를 이용한 상기 식각 단계(도 4d)와 하이드로카본 트리플루오라이드 가스(56)를 이용한 상기 보호막 형성 단계(도 4c)가 교대로 반복된다. 이에 의해 상기 실리콘층(52)을 통해 연장되고, 상기 두께 방향으로 수십 마이크로미터의 두께를 갖는 관통 홀(H)이 형성된다.
[종래 기술 문헌]
특허 문헌 1: 일본 특허 제 4090492호
상기 식각 단계와 상기 보호막 형성 단계를 반복하여 상기 관통 홀(H)을 형성할 때, 상기 실리콘층(52) 아래의 상기 실리콘 산화물층(51)의 표면이 최종 식각 단계에서 노출된다. 이러한 상태에서, 상기 실리콘 산화물층(51)에 바이어스 전압이 인가된다. 따라서, 상기 식각제(54) 내의 양이온들이 상기 실리콘층(52) 이외에도 상기 실리콘 산화물층(51)의 노출된 표면으로 끌려간다.
이와 같은 경우에 있어서, 상기 실리콘 산화물층(51)은 상기 육불화황 가스로부터 유도되는 식각제(54)에 의해 식각되지 않는다. 따라서, 상기 양이온들이 퍼부어지는 상기 실리콘 산화물층(51)의 표면은 양으로 대전된다. 이러한 방식으로, 상기 실리콘 산화물층(51)의 표면이 양으로 대전될 때, 상기 실리콘 산화물층(51) 표면의 부근에서 상기 실리콘 산화물층(51)을 향하는 양이온의 진행 방향이 상기 리세스(55)의 측부 표면, 즉 도 4e에 도시한 바와 같이 상기 실리콘층(52)을 행해 벗어날 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘 산화물층(51)이 지속적으로 노출되는 상기 최종 식각 단계 동안 상기 리세스(55)의 바닥 표면을 향해 진행하는 양이온들의 대부분이 상기 리세스(55)의 측부 표면을 향하여 이동한다. 상기 양이온들은 상기 리세스(55)의 측부 표면 내의 침식을 증가시키며, 상기 관통 홀(H)의 바닥(하측 표면)에 노치(notch)(60)가 형성된다. 즉, 상기 실리콘 산화물층(51)의 표면에서 상기 관통 홀(H)의 개구(Ha)가 원하는 사이즈 보다 커지게 된다. 예를 들면, 상기 관통 홀(H)이 복잡한 멤스 장치에서 광을 안내하는 광학적 통로로 사용될 경우, 상기 개구(Ha)에서 원하는 광 반사를 얻기 어려울 수 있다. 이는 상기 멤스 장치의 기능에 악영향을 미칠 수 있다.
전술한 문제점은 멤스 장치에 사용되는 실리콘층을 식각 하는 경우뿐만 아니라 도 4에 도시한 건식 식각 방법을 통해 유천체로 형성되는 식각 저지층 상에 적층되고 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터의 두께를 갖는 실리콘층을 식각하는 경우에도 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 실리콘층과 식각 저지층 사이의 경계에서의 노치의 생성과 같은 실리콘층의 원하지 않은 침식을 억제하면서 실리콘층을 식각할 수 있는 건식 식각 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 건식 식각 방법에 관한 것이다. 개구를 구비하는 마스크를 통해 유전체로 형성된 식각 저지층 상에 정렬된 실리콘층을 포함하는 기판에 대해 건식 식각을 수행하는 방법은 제1 단계와 제2 단계를 포함한다. 상기 제1 단계는, 상기 실리콘층을 산화시키는 산화 가스와 불소를 함유하는 가스를 포함하는 가스 혼합물로부터 제1 플라즈마를 생성하는 과정, 상기 제1 플라즈마 내에서 상기 기판을 음의 바이어스 전위로 유지하는 과정, 그리고 상기 마스크의 개구를 통해 상기 실리콘층에 대해 상기 제1 플라즈마로 이방성 식각을 수행하여 상기 실리콘층에 리세스를 형성하는 과정을 포함한다. 상기 제2 단계는 유기막 형성 공정과 식각 공정을 교대로 반복하는 과정을 포함한다. 상기 유기막 형성 공정은, 상기 제1 플라즈마로 제거 가능한 유기막을 형성하는 데 이용되는 제2 플라즈마를 생성하는 과정, 상기 제2 플라즈마 내에서 상기 기판을 음의 바이어스 전위로 유지하는 과정, 그리고 상기 제2 플라즈마로 상기 리세스의 내부 표면상에 상기 유기막을 증착하는 과정을 포함한다. 상기 식각 공정은, 상기 가스 혼합물로부터 상기 제1 플라즈마를 생성하는 과정, 상기 제1 플라즈마 내에서 상기 기판을 음의 바이어스 전위로 유지하는 과정, 그리고 상기 제1 플라즈마로 상기 마스크층의 개구를 통해 상기 유기막으로 커버된 상기 리세스에 대해 이방성 식각을 수행하는 과정을 포함한다. 상기 식각 저지층이 상기 제1 단계에 의해 형성되는 상기 제1 리세스의 하부 표면의 일부로부터 노출될 때 상기 제1 단계가 상기 제2 단계로 이동된다.
전술한 방법에 있어서, 상기 제1 단계에서, 상기 제1 플라즈마로 이방성 식각이 수행되어 상기 실리콘층 내에 리세스가 형성된다. 상기 제1 플라즈마는 상기 실리콘층을 산화시키는 산화 가스와 불소를 함유하는 가스를 포함하는 가스 혼합물로부터 생성된다. 이에 따라, 상기 불소를 함유하는 가스가 상기 실리콘층을 식각하는 반면에 상기 산화 가스는 상기 리세스의 내부 표면을 보호한다. 즉, 직접적이지 않은 라디칼들을 사용하는 등방성 식각이 억제되는 반면에 이방성 식각이 강화된다. 상기 제1 단계에 있어서, 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터 상기 식각 저지층이 노출될 때, 상기 제2 단계가 완료되고, 상기 제2 단계가 시작된다. 상기 제2 단게에 있어서, 제2 플라즈마로 수행되는 유기막 형성 과정과 상기 제1 플라즈마를 사용하는 이방성 식각 공정이 교대로 반복된다. 이에 따라, 상기 식각 저지층이 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터 노출된 후, 상기 식각 저지층의 노출된 부분이 유기막으로 덮힌 상태에서 상기 리세스에 대해 이방성 식각이 수행된다. 이와 같은 상태에 있어서, 상기 리세스의 하부 표면을 향해 유도되는 양이온들(상기 제1 플라즈마로부터 발생되는 식각제)이 상기 리세스의 하부 표면을 커버하는 상기 유기막을 제거하는 데 사용된다. 이는 상기 제2 단계에서 상기 식각 저지층이 양으로 대전되는 것을 억제한다. 이에 따라, 상기 실리콘층의 원하지 않은 침식, 즉 상기 실리콘층과 상기 식각 저지층의 경계에서의 노치의 발생이 바람직한 방식으로 억제된다.
상술한 건식 식각 방법에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 제2 플라즈마로 상기 유기막 형성 공정과 상기 제1 플라즈마로 상기 식각 공정을 수차례 교대로 반복한다.
이와 같은 방법에 있어서, 상기 기판의 상기 실리콘층의 두께, 상기 리세스의 개구의 사이즈 및 상기 식각 공정과 같은 다양한 조건들에 따라 바람직한 방식으로 노치의 생성을 억제하면서, 상기 실리콘층을 통해 연장되는 상기 리세스가 적절하게 형성될 수 있다.
상술한 건식 식각 방법에 있어서, 상기 제1 단계는 상기 실리콘층이 식각될 때 발생되는 식각 생성물의 양의 변화에 근거하여 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터 상기 식각 저지층의 노출을 검출하는 과정을 포함한다.
건식 식각 공정은 통상적으로 식각에 사용되는 식각제와 식각되는 물체 사이의 반응을 통해 식각 생성물을 발생시킨다. 상기 식각 생성물이 생성되는 양은 상기 식각 조건들에 따라 독특한 값을 나타낸다. 예를 들면, 상기 식각 조던이 단일 식각 조건일 경우, 상기 식각 생성물의 생성 반응이 일반적으로 일정한 상태에서 일어난다. 따라서, 상기 식각 생성물의 생성량은 공정이 시작될 때 일정한 값이 된다. 상기 식각 조건들이 변화될 경우, 상기 식각 생성물의 생성 반응은 일정하지 않은 상태에서 일어난다. 따라서, 상기 식각 생성물의 발생량은 상기 식각 조건들에 따라 증가하거나 감소한다.
상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터 상기 식각 저지층이 노출될 때, 상기 리세스의 하부 표면을 향해 유도되는 상기 식각제의 일부는 상기 실리콘층 대신에 상기 식각 저지층에 부딪친다. 따라서, 상기 리세스의 하부 표면으로 향하는 모든 식각제가 상기 실리콘층에 부딪히는 경우와 비교할 때, 상기 식각 반응에 사용되는 상기 식각제의 양과 상기 실리콘층의 양은 감소한다. 그 결과, 처리 컨테이너 내의 단위 시간당 상기 식각제의 양은 증가하는 반면, 상기 처리 컨테이너 내의 단위 시간당 상기 식각 생성물의 양은 감소한다. 달리 말하면, 상기 식ㄱ가제와 접촉하는 상기 실리콘층이 감소할 때, 이에 따라 상기 식각 생성물의 발생량도 변화된다.
상술한 방법에 있어서, 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터의 상기 식각 저지층의 노출은 상기 제1 단계에서 상기 식각 생성물의 발생량의 변화에 근거하여 검출된다. 이에 따라, 긴 시간 주기 동안에 상기 식각 저지층의 표면이 양이온들에 노출되는 것이 억제되며, 노치의 발생이 바람직한 방식으로 억제된다.
전술한 건식 식각 방법에 있어서, 상기 제1 단계는 상기 식각 생성물의 양을 모니터링하는 과정과 상기 식각 생성물의 양이 감소할 때 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터 상기 식각 저지층의 노출을 검출하는 과정을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터 상기 식각 저지층이 노출될 때, 상기 리세스의 하부 표면을 향하는 상기 식각제의 일부가 상기 실리콘층 대신에 상기 식각 저지층에 부딪친다. 이에 따라 상기 실리콘층과 상기 식각제의 반응에 의해 발생되는 상기 식각 생성물의 양이 감소된다.
상술한 방법에 있어서, 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터의 상기 식각 저지층의 노출은 상기 식각 생성물의 발생량의 감소로부터 상기 제1 단계에서 검출된다. 따라서, 상기 식각 저지층의 노출이 바람직한 방식으로 검출된다. 이에 따라 상기 제1 단계로부터 상기 제2 단계로의 변경의 지연에 의해 야기되는 상기 식각 저지층의 노출된 부분이 양으로의 대전되는 것이 억제되며, 결과적으로 상기 노치의 발생이 바람직한 방식으로 억제된다.
전술한 건식 식각 방법에 있어서, 상기 제1 단계는 상기 실리콘층을 식각하는 식각제의 양을 모니터링하는 과정과 상기 식각제가 증가할 때 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터의 상기 식각 저지층의 노출을 검출하는 과정을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 식각 저지층이 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터 노출될 때, 상기 리세스의 하부 표면을 향하는 상기 식각제의 일부가 상기 실리콘층 대신에 상기 식각 저지층에 부딪친다. 상기 식각 저지층에 부딪히는 상기 식각제는 상기 식각 반응에 사용되지 않으며, 상기 처리 컨테이너 내에 잔류할 수 있다. 이와는 달리, 상기 식각제가 다른 입자들과 부딪칠 수 있으며, 이후에 상기 실리콘층과 반응할 수 있다. 그러나, 식각 반응에 먼저 사용되는 경우에 비하여, 상기 식각제가 긴 시간 동안 처리 컨테이너 내에 남게 된다.
상술한 방법에 있어서, 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터의 상기 식각 저지층의 노출은 상기 식각 생성물의 발생량의 증가로부터 상기 제1 단계에서 검출된다. 따라서, 상기 식각 저지층의 노출은 바람직한 방식으로 검출된다. 이에 따라 상기 제1 단계에서 상기 제2 단계로의 이동의 지연에 의해 야기되는 상기 식각 저지층의 노출된 부분이 양으로 대전되는 것이 억제되고, 결과적으로 상기 노치의 발생이 바람직한 방식으로 억제된다.
상술한 건식 식각 방법에 있어서, 상기 가스 혼합물은 상기 불소 함유 가스로 작용하는 육불화황 가스, 상기 산화 가스로 작용하는 산소 가스 그리고 브롬화수소 가스를 포함한다. 또한, 상기 제2 플라즈마는 플루오르화 카본 화합물로부터 생성된다, 더욱이, 상기 유기막은 상기 플루오르화 카본 화합물의 폴리머로 형성된다.
전술한 방법에 있어서, 상기 육불화황 가스는 불소 라디칼들을 위한 원료 물질로서 사용된다. 상기 산소 가스는 상기 육불화황 가스와 함께 비휘발성 실리콘산불화물을 발생시킨다. 상기 브롬화수소 가스는 상기 실리콘층을 식각하는 브롬 이온들을 위한 원료 물질로서 사용되며, 상기 산소 가스와 함께 실리콘산브롬화물을 생성시킨다. 따라서, 실리콘산불화물과 실리콘산브롬화물과 같은 실리콘산할로겐화물이 상기 리세스의 측부 표면(실리콘층)을 보호한다. 또한, 상기 리세스의 하부 표면의 식각이 불소 라디칼들과 브롬 이온들에 의해 강화된다. 따라서 상기 이방성 식각이 바람직한 방식으로 구현된다.
전술한 방법에서 플루오르화 카본 화합물의 폴리머로 구성된 유기막이 추가적으로 형성된다. 따라서, 상기 유기막은 상기 제1 플라즈마 내의 상기 식각제에 의해 수행되는 화학적 식각과 물리적 식각에 의해 바람직한 방식으로 제거된다. 이에 따라, 상기 보호막(47)은 상기 리세스를 침삭으로부터 적절한 방식으로 보호하면서 상기 식각의 진행을 방해하지 않는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 리세스의 내부 표면을 상기 산소 가스로 보호하면서 상기 육불화황 가스로 상기 실리콘층에 대해 식각을 수행함에 의하여 상기 라디칼들로 진행되는 방향성을 갖지 않는 등방성 식각을 억제할 수 있다. 이에 따라 이방성 식각이 증대된다. 또한, 상기 실리콘 산화물층의 표면을 향해 유도되는 양이온들이 상기 리세스의 하부 표면상에 형성된 상기 보호막의 제거에 사용되기 때문에, 상기 실리콘 산화물층의 표면이 양으로 대전되는 것으로부터 억제된다. 따라서, 상기 관통 홀의 바닥에서 노치의 생성이 억제된다. 또한, 상기 실리콘 산화물층의 표면이 긴 시간 동안 양이온들로부터 노출되는 것이 억제되며, 노치의 발생이 억제된다. 또한, 상기 제1 단계에서 상기 제2 단계로의 이동이 지연됨에 의해 상기 실리콘 산화물층의 노출된 부분이 양으로 대전되는 것이 억제되고, 상기 노치의 발생이 결과적으로 억제된다. 또한, 상기 실리콘층 상에 형성되는 상기 리세스의 측부 표면은 상기 실리콘산불화물과 상기 실리콘산브롬화물과 같은 실리콘할로겐화물에 의해 보호된다. 또한, 상기 리세스의 하부 표면의 식각이 상기 불소 라디칼들과 상기 브롬 이온들에 의해 강화되기 때문에 상기 이방성 식각이 바람직한 방식으로 구현된다. 더욱이, 상기 보호막은 적합한 방식으로 상기 리세스를 침식으로부터 보호하면서 상기 식각의 진행을 저해하지 않는다. 한편, 상기 실리콘 산화물층의 노출된 부분은 상기 제1 단계로부터 상기 제2 단계로의 변동이 지연됨에 의해 양으로 대전되는 것이 억제되며, 결과적으로 노치의 발생이 억제된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 방법인 플라즈마 식각 방법을 수행하기 위한 플라즈마 식각 장치를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2a 내지 도 2h는 상기 플라즈마 식각 방법을 이용하여 처리되는 기판 내에 관통 홀을 형성하는 단계들을 타나내는 도면들이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 식각 가스 및 옥타플루오로 시클로부탄 가스 제공 공정과 식각 생성물의 양을 나타내는 타이밍도이다.
도 4a 내지 도 4e는 종래 기술에 따른 플라즈마 식각 방법을 작용하여 기판 내에 관통 홀을 형성하는 단계들을 나타내는 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 방법을 설명한다. 이러한 실시예에 있어서, 실리콘층에 대해 플라즈마 식각을 수행하기 위한 방법이 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법을 수행하는 플라즈마 식각 장치의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 처리되는 기판(S)이 그 상부에 위치하는 기판 스테이지(12)가 플라즈마 식각 장치(10)의 진공 컨테이너(11) 내에 형성되는 플라즈마 생성 영역(11a) 내에 정렬된다. 상기 기판(S)은, 예를 들면, 멤스(MEMS) 장치를 위한 기판이며, 식각 저지층으로 기능하는 실리콘 산화물층(Lo)과 상기 실리콘 산화물층(Lo) 상에 적층된 실리콘층(Ls)을 포함한다. 상기 기판(S)은 하측에 위치하는 상기 실리콘 산화물층(Lo)과 함께 상기 기판 스테이지(12) 상에 정렬된다.
고주파 전원(13)이 상기 기판 스테이지(12)에 연결되어 상기 기판 스테이지(12) 상에 위치하는 상기 기판(S)에 바이어스(bias) 전압을 인가한다. 매칭 박스(matching box)(14)가 상기 기판 스테이지(12)와 상기 고주파 전원(13) 사이에 연결된다. 상기 매칭 박스(14)는 매칭 회로와 블로킹 커패시터(blocking capacitor)를 구비한다. 상기 매칭 회로는 부하(load)가 되는 상기 플라즈마 생성 영역(11a) 내의 임피던스(impedance)와 상기 고주파 전원(13)으로부터 상기 기판(S)까지의 전송 파트를 정합(match)시킨다. 샤워 플레이트(15)는 상기 플라즈마 생성 영역(11a) 내의 상기 기판 스테이지(12) 상에 정렬된다. 상기 샤워 플레이트(15)는 상기 플라즈마 생성 영역(11a) 내에서 수행되는 식각 공정의 플라즈마를 위한 원료 물질이 되는 가스를 고르게 분산시킨다.
식각 가스 공급 유닛(21)은 상기 진공 컨테이너(11)의 상부(top portion)(11b)에 형성되는 가스 유입구(11e)에 연결된다. 상기 식각 가스 공급 유닛(21)은 플라즈마를 위한 원료 물질이 되는 가스, 예를 들면, 불소를 함유하는 가스인 육불화황(sulfur hexafluoride; SF6) 가스, 산화 가스(O2) 및 브롬화수소(HBr) 가스의 가스 혼합물을 상기 플라즈마 생성 영역(11a)에 공급한다. 또한, 플루오르화 카본 화합물(carbon fluoride compound) 가스 공급 유닛(22)이 플루오르화 카본 화합물 가스, 예를 들면, 옥타플루오로 시클로부탄(octafluoro cyclobutane; C4F8) 가스를 상기 플라즈마 생성 영역(11a)에 공급하도록 동일한 방식으로 상기 가스 유입구(11e)에 연결된다. 터보 분자 펌프(turbo molecular pump) 또는 이와 유사한 것으로 형성되는 배출 유닛(23)은 상기 진공 컨테이너(11)의 저부(11c)에 형성되는 배출 포트(11f)에 연결되어 상기 플라즈마 생성 영역(11a)으로부터 가스를 배출한다.
검출 유닛(30)은 상기 진공 컨테이너(11)의 측부(11d)에 형성되는 검출 포트(11g)에 연결되어 단위 시간마다 상기 플라즈마 생성 영역(11a) 내에 존재하는 물질들의 양을 검출한다. 상기 플라즈마 식각 장치(10)가 식각 공정을 수행할 때, 상기 플라즈마 생성 영역(11a) 내에 생성되는 생성물, 예를 들면, 상기 검출 유닛(30)이 매초마다 식각 반응에 따라 생성되는 생성물과 상기 식각 반응에 이용되는 식각제(etchant)의 발생량을 검출한다.
상기 플라즈마 식각 장치(10)는 상기 기판(S)에 대해 식각 공정을 수행하여 상기 기판(S), 특히 상기 실리콘층(Ls)을 통해 그 두께 방향을 따라 상기 실리콘 산화물층(Lo)으로 연장되는 관통 홀(through hole)을 형성한다. 상기 식각 공정에 있어서, 상기 기판(S)은 상기 플라즈마 식각 장치(10)의 로딩 파트로부터 상기 진공 컨테이너(11) 내로 일차적으로 로딩되고, 상기 기판 스테이지(12) 상에 위치한다. 상기 식각 가스 공급 유닛(21)에 의해 조절되는 양의 식각 가스가 이후에 상기 가스 유입구(11e) 내로 공급되며, 상기 플라즈마 생성 영역(11a) 내의 상기 샤워 플레이트(15)에 의해 균일하게 분산된다. 상기 식각 가스가 이와 같은 방식으로 전달되는 경우, 상기 플라즈마 생성 영역(11a)의 압력이 상기 배출 유닛(23)에 의해 소장의 압력으로 조절된다. 상기 플라즈마 생성 영역(11a) 내의 압력은 공급되는 가스의 유량과 상기 배출 유닛(23)의 배출량에 의해 상기 식각 공정 동안 소정의 압력으로 유지된다.
상기 플라즈마 생성 영역(11a) 내에서 소정의 압력 이하로 식각 가스 분위기가 형성된 후, 예를 들면, 60㎒ 정도의 고주파 전력이 상기 고주파 전원(14)으로부터 상기 매칭 박스(14)를 통해 상기 기판 스테이지(12)로 인가된다. 이는 상기 기판 스테이지(12) 주위의 상기 식각 가스를 이온화하거나 분리시키고, 상기 기판(S) 부근에 불화황(F*)의 양이온들(SFX +), 브롬의 양이온(Br+)들 등의 다양한 형태의 양이온들 또는 불소 라디칼들(F*)과 같은 라디칼들에 의해 형성되는 플라즈마를 발생시킨다. 상기 고주파 전력의 고주파에 따른 상기 플라즈마 내의 전자들이 상기 기판(S)의 전체 표면에 부딪히며, 상기 매칭 박스(14)의 상기 블로킹 커패시터가 작용하여 상기 기판(S)의 전체 표면이 음의 바이어스 전위로 된다. 상기 양이온들과 라디칼들이 상기 기판(S)의 실리콘층(Ls)과 반응할 때 상기 실리콘층(Ls)이 식각된다.
상술한 식각 공정에 추가적으로, 상기 플라즈마 식각 장치(10)는 상기 플루오르화 카본 화합물 공급 유닛(22)으로부터 제공되는 가스를 이용하여 상기 식각 공정에 의해 상기 실리콘층(Ls)에 형성되는 리세스(recess) 내에 보호막을 형성하는 공정을 수행할 수 있다. 상기 보호막은 플라즈마에 의해 제거될 수 있는 유기막이다. 상기 식각 공정과 상기 보호막 형성 공정(유기막 형성 공정)이 교대로 반복적으로 수행되는 경우, 상기 실리콘 산화물층(Lo)까지 두께 방향을 따라 상기 기판(S)의 실리콘층(Ls)을 통해 연장되는 관통 홀이 형성된다.
이하, 상기 기판(S)에 관통 홀을 형성하기 위해 수행되는 건식 식각 공정의 공정 단계들을 도 2 및 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 2는 상기 관통 홀을 형성 단계들을 순차적으로 나타내도록 실리콘층(42)의 두께 방향을 따라 자른 기판(S)의 단면도들을 도시한 것이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 상기 기판(S)은 이산화실리콘과 같은 실리콘 산화물을 함유하는 실리콘 산화물층(41)과 실리콘을 함유하며 상기 실리콘 산화물층(41) 상에 적층되는 실리콘층(42)을 포함한다. 마스크층인 식각 마스크(43)가 상기 실리콘층(42)의 표면(42s) 상에 형성된다. 상기 식각 마스크(43)는 패터닝되어 상기 관통 홀의 형성 영역에 대응되는 상기 실리콘층(42)의 식각되는 영역(42a)을 노출시킨다. 다음에 설명하는 상기 가스 혼합물의 가스 유량, 상기 식각 공정 동안의 압력, 상기 식각 공정 동안의 고주파 전력의 출력값, 상기 플루오르화 카본 화합물 가스의 가스 유량, 상기 보호막 형성 공정 동안의 압력, 그리고 상기 보호막 형성 공정 동안의 고주파 전력의 출력값은 모두 상기 실리콘층(42)이 100㎛ 정도의 두께를 가지고, 원형의 홀인 상기 식각되는 영역(42a)이 50㎛ 정도의 직경을 가질 때, 상기 기판(S)을 위한 바람직한 값들의 실험예들이다.
상기 기판(S)에 대해 상기 건식 식각 공정을 수행할 때, 상기 식각 가스는 일차적으로 상기 식각 가스 공급 유닛(21)로부터 상기 기판(S)을 수용하는 상기 진공 컨테이너(11)로 공급된다. 본 실시예에 있어서, 육불화황(SF6) 가스, 산소 가스(O2) 및 브롬화수소(HBr) 가스의 가스 혼합물이 상기 식각 가스로 사용된다. 이러한 가스들은, 예를 들면, 육불화황 가스, 산소 가스 및 브롬화수소 가스의 순서로 각기 75sccm, 75sccm 및 15sccm 정도의 유량들로 상기 진공 컨테이너(11)로 제공된다. 보다 상세하게는, 상기 진공 컨테이너(11) 내에서, 육불화황 가스의 분화된 압력(divided pressure)이 PSF이고, 산소 가스의 분화된 압력이 PS이며, 브롬화수소 가스의 분화된 압력이 PHBR일 때, 분화된 압력 비율은 "PSF：PO：PHBr= 5：5：1" 정도가 된다. 상기 가스 혼합물이 이와 같은 방식으로 상기 진공 컨테이너(11)로 제공될 경우, 상기 배출 유닛(23)이 구동되고, 상기 진공 컨테이너(11)로부터 가스가 배출되어 상기 진공 컨테이너(11) 내에 소정의 압력, 예를 들면, 20Pa 정도의 압력을 수득하게 된다.
이후에, 예를 들면, 60㎒ 정도의 고주파 전력이 1,200W 정도의 출력값으로 상기 고주파 전원(13)으로부터 상기 매칭 박스(14)를 경유하여 상기 기판(S)으로 인가된다. 이에 따라 그 상부에 상기 기판(S)이 위치하는 상기 기판 스테이지(12) 부근에 상기 가스 혼합물과 플라즈마가 생성되어 상기 기판(S)의 바이어스 전위가 음의 값이 된다. 여기된 육불화황의 종들(species)인 상기 불소 라디칼들에 추가적으로, 상기 플라즈마는 불화황(SF)의 양이온들과 브롬화수소의 여기된 종들인 브롬의 양이온들 등의 다양한 형태의 양이온들을 함유한다. 이러한 라디칼들과 양이온들은 상기 식각 마스크(43)의 개구를 통해 노출되는 상기 실리콘층(42)의 표면(42s)(식각되는 영역(42a))으로 유도되어 상기 실리콘층(42)을 상기 표면(42s)으로부터 식각하는 식각제(44)로 작용한다.
보다 상세하게는, 상기 기판(S)의 표면(42s) 내로 끌려가는 상기 양이온들은 상기 기판(S)의 표면(42s)에 물리적 및 화학적 식각을 진행하게 된다. 상기 불소 라디칼들 또는 브롬 이온들은 실리콘(Si)과 반응하며, 상기 기판(S)의 표면(42s)에 화학적 식각을 진행하여 휘발성 사불화실리콘(silicon tertafluoride; SiF4) 또는 휘발성 사브롬화실리콘(silicon tetrabromide; SiBr4)을 발생시킨다. 상기 양이온들에 의한 식각은 이른바 이방성 식각이며, 상기 양이온들이 상기 비이어스 전위에 의해 상기 기판(S)에 대해 실질적으로 직교하게 끌려갈 경우에 상기 식각이 상기 실리콘층(42)의 표면(42s)에 직교하는 방향으로 유도되어 진행된다. 상기 불소 라디칼들 또는 상기 브롬 이온들에 의해 수행되는 식각은 방향성을 갖지 않는 등방성 식각이다.
본 실시예에 따른 건식 식각 공정에 있어서, 육불화황 가스와 브롬화수소 가스에 추가적으로 산소 가스가 상기 플라즈마 식각 장치(10)로 제공되어 상기 식각제(44)를 생성한다. 따라서, 상기 산소 가스로부토 유도되는 산소 라디칼들(O*)이 전술한 실리콘의 할로겐화물(halide)들과 반응하며, 실리콘산불화물(SiOXFY) 또는 실리콘산브롬화물(SiOXBrY)을 생성한다. 실리콘산할로겐화물의 하나의 형태인 상기 실리콘산불화물 및 상기 실리콘산브롬화물의 생성 반응은 상기 식각 마스크(43)의 개구인 식각되는 영역(42a) 전체에서 일어나므로, 상기 실리콘산할로겐화물이 상기 식각되는 영역(42a) 전체에 증착된다. 상기 실리콘층(42)의 식각되는 영역(42a) 상에 증착되는 실리콘산할로겐화물은 실리콘층(42)과 동일한 방식으로 상술한 식각 동안 제거되며, 특히 상기 실리콘산브롬화물은 불소 라디칼들과 반응하고, 휘발성 실리콘브롬불화물(SiBrXFY)을 형성하여 상기 실리콘층(42)으로부터 제거된다.
보다 상세하게는, 본 실시예에 있어서, 다양한 형태의 여기된 종들의 다양한 상기 실리콘층(42)의 식각은 상기 여기된 종들, 실리콘 및 산소의 반응 생성물인 상기 실리콘층(42) 상의 실리콘산할로겐화물의 증착과 동시에 진행된다. 전술한 건식 식각 공정이 진행될 경우, 도 2b에 도시한 바와 같이 리세스(45)가 상기 실리콘층(42)의 두께 방향으로 형성될 때에 상기 실리콘산할로겐화물은 상기 리세스(45)의 내부 표면 전체 상에 증착된다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 생성 영역(11a)의 환경이 유지되어 상기 실리콘산할로겐화물에 대한 등방성 식각의 속도와 상기 실리콘산할로겐화물의 증착 속도는 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)과 상기 리세스(45)의 측벽(45b)에 대하여 동일하다. 즉, 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a) 상에 증착된 상기 실리콘산할로겐화물의 양과 상기 리세스(45)의 측벽(45b) 상에 증착된 상기 실리콘산할로겐화물의 양은 실질적으로 동일하며, 상기 라디칼들, 상기 이온들 및 이와 유사한 것들에 의한 상기 등방성 식각의 속도도 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)과 상기 리세스(45)의 측벽(45b)에서 실질적으로 동일하다. 이와 같은 경우에 있어서, 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a) 에서의 식각 속도가 상기 실리콘층(42)의 식각되는 영역(42a)에 형성되는 리세스(45) 내의 상기 양이온들에 의해 증가된다. 특히, 상기 하부 표면(45a)의 중앙의 주변부보다 양이온들이 들어가는 확률이 높은 상기 하부 표면(45a)의 중앙에서 식각 속도가 높아진다. 반대로, 상기 리세스(45)의 측(45b)에서, 그 상부에 증착된 상기 실리콘산할로겐화물이 식각이 완료되지 않는 한 상기 실리콘층(42)의 식각은 진행되지 않는다. 그 결과, 상기 식각되는 영역(42a)에 대해 수행되는 식각 공정은 상기 실리콘층(42)의 두께 방향을 따라 낮아진 리세스(45)를 형성하므로, 도 2b에 도시한 바와 같이 상기 하부 표면(45a)의 중앙이 가장 낮아진다.
본 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 생성 영역(11a) 내의 플라즈마 상태와 상기 기판(S)의 바이어스 전위, 즉 상기 가스 혼합물을 형성하는 다양한 형태의 가스들의 유량들, 상기 고주파 전원(13)으로부터 제공되는 고주파 전력 및 이와 유사한 것들은 사전에 수행된 실험들 및 이와 유사한 것들에 근거하여 정해지므로, 이방성 식각이 진행된다. 이러한 식각 조건들은, 예를 들면, 단일 조건에 의해 또는 복수의 상이하고 연속적인 조건들에 의해 설정될 수 있다.
전술한 이방성 식각이 진행됨에 따라, 상기 실리콘층(42)의 하지층인 상기 실리콘 산화물층(41)이 결과적으로 도 2c에 도시한 바와 같이 상기 실리콘층(42)의 두께 방향에 대해 직교하게 연장되는 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 노출된다. 이와 같은 경우에 있어서, 상기 이방성 식각이 상기 하부 표면(45a), 즉 상기 양이온들의 진입 가능성이 가장 높은 상기 하부 표면(45a)의 중앙에서 대부분 진행되는 경향을 갖는 부분으로부터 상기 실리콘 산화물층(41)이 노출된다. 상기 식각제(44) 중의 하나인 상기 양이온들이 부딪힐 경우에 상기 실리콘 산화물층(41)의 노출된 부분은 양으로 대전된다.
전술한 방식에 있어서, 상기 실리콘층(42)의 식각은 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 상기 실리콘 산화물층(41)이 노출될 때까지 진행될 경우, 상기 식각 가스 공급 유닛(21)로부터 상기 기판(S)으로의 상기 가스 혼합물의 공급이 중단된다. 이후에, 도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 플루오르화 카본 화합물 가스 공급 유닛(22)으로부터의 상기 플루오르화 카본 화합물 가스, 예를 들면, 상기 옥타플루오로 시클로부탄 가스(46)의 공급이 시작된다. 상기 옥타플루오로 시클로부탄 가스(46)는, 예를 들면, 80sccm 정도의 유량으로 상기 진공 컨테이너(11)로 제공된다. 상기 옥타플루오로 시클로부탄 가스(46)가 이러한 방식으로 상기 진공 컨테이너(11)로 제공된 후, 상기 진공 컨테이너(11) 내의 가스가 배출되어 상기 진공 컨테이너(11) 내부가 소정의 압력, 예를 들면 40Pa 정도의 압력이 된다. 예를 들면, 60㎒ 정도의 고주파가 그 후에 상기 고주파 전원(13)으로부터 상기 매칭 박스(14)를 통해 600W 정도의 출력값으로 상기 기판(S)에 인가된다. 이에 의해 상기 기판(S) 부근에 상기 옥타플루오로 시클로부탄 가스(46)를 함유하는 플라즈마가 생성된다.
전술한 방식으로 생성되는 플라즈마에 있어서, 플루오르화 카본의 라디칼들(CXFY *)과 이들의 클러스터(cluster)들이 상기 여기된 종들로서 생성된다. 상기 여기된 종들은 상기 기판(S)에 형성된 상기 리세스(45)의 전체적인 내부 표면상에 중합되어 플루오르화 카본 화합물(CF) 막인 보호막(47)을 형성한다. 이 경우에 있어서, 상기 고주파 전력의 고주파에 후속하여 생성되는 상기 플라즈마 내의 전자들은 양으로 대전된 상기 실리콘 산화물층(41)의 일부(노출된 부분)를 포함하는 상기 기판(S)의 전체 표면에 부딪친다. 이에 의해 상기 실리콘 산화물층(41) 상에 잔류하는 양전하들이 중화된다. 또한, 상기 매칭 박스(14)의 블로킹 커패시터의 동작 때문에 상기 기판(S)의 전체 표면이 다시 음의 바이어스 전위로 된다. 이 경우, 상기 고주파 전력의 고주파에 따른 상기 양이온들은 상기 옥타플루오로 시클로부탄 가스(46)의 플라즈마에 함유되지 않는다. 따라서, 상기 기판(S)은 계속적으로 음으로 대전된다. 그 결과, 상기 여기된 종들은 정전기적으로 중성이거나 음으로 대전된 상기 실리콘 산화물층(41) 상에 조차도 상기 보호막(47)의 생성을 진행한다. 상기 실리콘 산화물층(41)을 포함하는 상기 하부 표면(45a)의 중앙은 상기 여기된 종들이 가장 먼저 진입하는 부분, 즉 상기 여기된 종들의 진입 가능성이 가장 높은 부분이 된다. 이에 따라, 상기 보호막(47)은 상기 하부 표면(45a)의 중앙에서 가장 치밀한 막 구조를 가지거나 가장 큰 막 두께를 가진다. 커본 골격을 갖는 상기 플루오르화 카본 화합물(CF) 보호막(47)은 상기 가스 혼합물의 플라즈마에 의해 제거될 수 있는 조성을 가진다.
전술한 보호막(47) 형성 공정을 20초 정도 수행한 후, 상기 옥타플루오로 시클로부탄 가스(46)의 공급이 중단되고, 도 2e에 도시한 바와 같이 상기 식각 가스 공급 유닛(21)(도 1)으로부터 상기 가스 혼합물이 다시 공급된다. 상기 가스 혼합물에 함유된 상기 육불화황 가스, 상기 산소 가스 및 상기 브롬화수소 가스의 유량들은 각기 75sccm, 75sccm 및 15sccm 정도이다. 상기 가스 혼합물이 제공될 때, 상기 진공 컨테이너(11) 내의 가스가 배출되어 상기 진공 컨테이너(11)의 내부는 소정의 압력, 예를 들면, 20Pa 정도의 압력이 된다. 예를 들면, 60㎒ 정도의 고주파가 이후에 상기 고주파 전원(13)으로부터 상기 매칭 박스(14)를 경유해 1,200W 정도의 출력값으로 상기 기판(S)으로 인가된다.
상기 육불화황 가스의 여기된 종들인 플루오르화황의 양이온들과 상기 식각제(44)로서의 산소 이온들을 이용하여 수행되는 상기 이방성 식각에 의해, 그리고 기 불소 라디칼들 또는 상기 육불화황 가스의 여기된 종들과 상기 식각제(44)로서의 상기 산소 라디칼들을 이용하여 수행되는 상기 등방성 식각에 의해서도 상기 보호막(47) 또는 상기 플루오르화 카본 화합물 중합체 막이 상기 리세스(45)의 내부 표면으로부터 제거된다.
전술한 경우에 있어서, 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)을 커버하는 상기 보호막(47)은 상기 양이온들에 의해 수행되는 이방성 식각과 상기 라디칼들에 의해 수행되는 등방성 식각을 통해 제거된다. 특히, 상기 보호막(47)은 상기 양이온들의 진입 가능성이 높은 부분 또는 상기 양이온들에 의해 쉽게 식각되는 막 구조물의 부분에서 빠르게 제거된다. 상기 하부 표면(45a)의 중앙에 있어서, 상기 보호막(47)의 막 구조물은 높은 식각 저항성 또는 큰 막 두께를 갖기만, 상기 양이온들의 진입 가능성도 높다. 대조적으로, 상기 하부 표면(45a)의 중앙의 주변부에서, 상기 보호막(47)의 막 구조물은 낮은 식각 저항성을 가지며, 상기 중앙에 형성되는 보호막(47) 보다 얇은 막 두께를 갖지만, 상기 중앙 보다 상기 양이온들의 진입 가능성이 낮다. 따라서, 상기 보호막(47)이 제거되는 속도는 상기 하부 표면(45a)의 중앙과 상기 하부 표면(45a)의 중앙의 주변부에서 실질적으로 동일하거나, 상기 하부 표면(45a)의 중앙의 주변부에서 약간 느리다. 달리 말하면, 동일한 공정 시간에 실질적으로 전체 하부 표면(45a)이 노출되거나, 상기 하부 표면(45a)의 중앙이 약간 더 노출된다. 상기 하부 표면(45a)에 비해 상기 등방성 식각이 우세하게 진행되는 상기 리세스(45)의 측벽(45b)에 상기 보호막(47)이 잔류하기 쉽다. 그 결과. 상기 보호막(47)이 상기 측벽(45b) 전에 전체 하부 표면(45a)을 따라 실질적으로 제거되며, 상기 하부 표면(45a)의 중앙의 주변부에 잔류하는 상기 실리콘층(42)의 식각이 계속하여 진행된다.
전술한 방식으로 식각이 다시 진행될 때, 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)에서 노출되는 상기 실리콘 산화물층(41)의 영역 비율은 상기 리세스(45)의 측벽(45b)을 보호하면서 점차 증가한다. 상기 하부 표면(45a)의 중앙에서 노출되는 상기 실리콘 산화물층(41)은 상기 하부 표면(45a)의 중앙의 주변부에 잔류하는 상기 실리콘층(42)에 식각이 진행되면서 다시 양으로 대전되기 시작한다. 그러나, 상기 보호막(47)을 형성하는 동안, 상기 실리콘 산화물층(41)에 잔류하는 양전하들이 중화되거나 상기 기판(S)이 음으로 대전되기 때문에, 실리콘 산화물층(41)에 축적되는 상기 양전하들 시작 타이밍이 상기 실리콘층(42)의 식각이 다시 시작되는 타이밍과 실질적으로 동일하거나 늦어지게 된다. 따라서, 상기 실리콘 산화물층(41) 내의 양전하들의 양은 상기 보호막(47)을 형성하지 않고 식각 공정이 계속되는 경우에 비하여 상기 식각이 시작될 경우에는 크게 감소한다. 이에 따라, 대부분의 양이온들이 상기 실리콘 산화물층(41)에 충돌하며, 그 식각 능력을 상실하여 상기 양이온들이 상기 실리콘 산화물층(41)의 노출된 부분을 향해 진행하더라도 상기 리세스(45)의 측벽(45b)에서 식각 반응이 진행되지 않는다.
상기 실리콘 산화물층(41)을 향하는 상기 양이온들이 상기 실리콘 산화물층(41)으로부터 벗어나더라도 상기 리세스(45)는 상기 하부 표면(45a)의 중앙에서 가장 낮아진다. 따라서, 이러한 양이온들에 의한 식각이 상기 하부 표면(45a)의 실리콘층(42)의 식각에 기여한다. 그러므로, 상기 하부 표면(45a)의 실리콘층(42)은 상기 실리콘층(42)의 두께 방향을 따라 계속하여 식각된다. 즉, (A) 상기 실리콘 산화물층(41)에 양전하가 상기 축적되기 시작하는 타이밍이 상기 실리콘층(42)이 식각되기 시작하는 타이밍과 실질적으로 동일하거나 늦으며, (B) 상기 리세스(45)가 상기 하부 표면(45a)의 중앙에서 가장 낮기 때문에, 상기 실리콘층(42)이 상기 두께 방향을 따라 계속하여 식각된다. 본 실시예에 있어서, 상기 리세스(45)의 측벽(45b) 상에 형성된 상기 보호막(47)이 잔류하고 상기 측벽(45b) 상의 실리콘층(42)의 식각이 진행되지 않는 시간에 대해 상기 식각 시간이, 예를 들면, 10초 정도로 설정된다.
10초 정도 동안 지속되는 상기 식각 공정이 완료된 후, 상기 식각 가스 공급 유닛(21)로부터의 상기 식각 가스의 공급이 도 2f에 도시한 바와 같이 중지되며, 상기 옥타플루오로 시클로부탄 가스(46)가 상기 플루오르화 카본 화합물 가스 공급 유닛(22)으로부터 제공되어 도 2d와 동일한 방식으로 상기 보호막(47)이 상기 리세스(45)의 내부 표면상에 다시 형성된다. 즉, 본 실시예에 있어서, 도 2d 및 도 2e에 도시한 바와 같은 상기 리세스(45)의 내부 표면을 상기 보호막(47)으로 커버하는 보호막 형성 공정과 도 2e에 도시한 바와 같은 상기 가스 혼합물을 사용하는 식각 공정이 교대로 반복되는 제2 단계가, 도 2a 내지 도 2c에 도시한 가스 혼합물을 사용하여 상기 실리콘층(42)의 식각 공정을 수행하는 상기 제1 단계 후에 수행된다.
상기 제2 단계에 있어서, 상기 보호막 형성 공정과 상기 식각 공정은, 예를 들면, 약 25회 정도 반복된다. 이러한 주기 동안, 상기 하부 표면(45a)에 노출되는 상기 실리콘 산화물층(41)은 선행되는 상기 식각 공정에 의해 양으로 대전되지만, 상기 실리콘 산화물층(41) 내의 양전하들은 후속하는 상기 보호막(47)을 형성하는 공정에서 중화된다. 상기 식각 공정과 상기 보호막 형성 공정이 상기 리세스(45)의 측벽(45b) 상에 잔류하는 상기 보호막(47)과 함께 반복되는 경우, 상기 실리콘층(42)은 도 2g에 도시한 바와 같이 상기 하부 표면(45a)에서 전체적으로 식각된다. 이에 따라 상기 두께 방향으로 상기 실리콘층(42)을 통해 연장되는 관통 홀(H)이 형성된다. 상기 관통 홀(H)은 상기 실리콘 산화물층(41)의 노출된 표면에 대응되는 개구(Ha)를 구비한다. 상기 실리콘층(42)의 표면(42a)의 개구와 상기 관통 홀(H)의 개구(Ha)는 실질적으로 동일한 형상을 가진다. 즉, 상기 실리콘층(42)에 형성되는 상기 관통 홀(H)은 상기 실리콘층(42)의 두께 방향을 따라 어떤 위치에서도 상기 실리콘층(42)의 표면(42a)에 평행한 단면과 실질적으로 동일한 형상을 가진다.
상기 두께 방향을 따라 상기 실리콘층(42)을 통해 연장되는 관통 홀(H)이 형성되는 경우, 상기 실리콘층(42) 상에 적층된 상기 식각 마스크(43)와 상기 관통 홀(H)의 내부 표면상에 잔류하는 상기 보호막(47)은 도 2h에 도시한 바와 같이 제거된다.
본 실시예에 있어서, 전술한 바와 같이 상기 관통 홀(H)을 형성할 때, 상기 건식 식각 공정의 반응 생성물, 특히 상기 진공 컨테이너(11)의 가스 상태 내의 사불화실리콘 또는 사브롬화실리콘의 양은 상기 실리콘층(42)의 건식 식각 공정이 시작되는 때로부터 상기 검출 유닛(30)에 의해 검출된다. 휘발성을 갖는 상기 식각 생성물의 발생량의 변화와 상기 식각 가스 및 상기 보호막(47)의 원료 물질인 상기 옥타플루오로 시클로부탄 가스의 공급은 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 상기 진공 컨테이너(11)로의 상기 식각 가스와 상기 옥타플루오로 시클로부탄 가스 가스의 공급 공정과 상기 진공 컨테이너(11) 내의 휘발성 식각 생성물의 존재량의 변화를 나타내는 도면이다. 도 3a에 도시한 바와 같이, 상기 제1 단계 또는 상기 실리콘층(42)의 식각 단계가 타이밍 t1에서 시작될 때, 도 3c에 도시한 바와 같이 상기 실리콘층(42)과 상기 불소 라디칼들 사이의 반응 또는 상기 실리콘층(42)과 상기 브롬 이온들 사이의 반응으로 인하여 휘발성 식각 생성물이 상기 진공 컨테이너(11) 내에 존재한다. 이 경우에 있어서, 상기 옥타플루오로 시클로부탄 가스 또는 상기 보호막(47)을 형성하기 위한 원료 물질은 도 3b에 나타낸 바와 같이 공급되지 않는다.
상기 건식 식각 공정이 수행될 경우, 상기 가스 혼합물은 일정한 조건 하에서 상기 진공 컨테이너(11)로 제공되며, 일정한 조건 하에서 상기 진공 컨테이너(11)로부터 가스가 배출된다. 이는 상기 진공 컨테이너(11)의 내부를 소정의 압력 하로 유지한다. 따라서, 단위 시간당 상기 식각 생성물의 양이 일정하다면, 즉, 식각 속도가 일정하다면, 상기 잔공 컨테이너(11) 내의 식각 생성물의 양은 상기 건식 식각 공정 동안 일정하게 유지된다. 예를 들면, 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 단위 시간 당 상기 실리콘층(42)의 식각되는 영역(42a)에 부딪치는 식각제(44)의 양과 상기 식각제(44)와 반응하는 실리콘의 양은 상기 실리콘층(42)의 식각에 의해서만 리세스(45)가 형성될 때에는 실질적으로 동일한 것으로 간주된다. 따라서, 상기 진공 컨테이너(11) 내의 식각 생성물의 양은 실질적으로 일정하게 남게 된다.
상기 제1 단계에서 상기 실리콘층(42)의 식각이 진행되고, 상기 실리콘층(42)의 하지층인 상기 실리콘 산화물층(41)이 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 노출될 때(타이밍 t2), 상기 실리콘층(42)의 식각 반응에 의해 생성되는 식각 생성물의 양은 도 3c에 나타낸 바와 같이 감소한다. 이는 상기 실리콘 산화물층(41)이 상기 하부 표면(45a)의 일부로부터 노출될 때 상기 식각되는 영역(42a)에서 상기 실리콘층(42)과 상기 식각제(44)가 반응하지 않기 때문이다. 즉, 상기 식각제(44)와 함께 식각 반응을 위하여 단위 시간당 제공되는 상기 실리콘층(42)의 양이 감소할 때에 휘발성 식각 생성물의 생성량이 감소된다. 따라서, 일단 상기 실리콘 산화물층(41)이 노출되면, 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 노출되는 상기 실리콘 산화물층(41)의 면적은 상기 실리콘층(42)의 식각이 진행됨에 따라 확장된다. 이에 따라 단위 시간 당 상기 식각제(44)와 반응하는 상기 실리콘층(42)의 양이 감소된다. 따라서, 상기 진공 컨테이너(11) 내의 식각 생성물의 양도 점차적으로 감소한다.
본 실시예에 있어서, 상기 진공 컨테이너(11)의 가스 상태 내에 존재하는 상기 식각 생성물의 양은 전술한 바와 같이 상기 실리콘층(42) 내에 상기 관통 홀(H)의 형성이 시작될 때 상기 검출 유닛(30)에 의해 검출되고 모니터된다. 상기 실리콘층(42) 내의 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 상기 실리콘 산화물층(41)이 노출될 때 상기 식각 생성물의 양이 감소되기 시작한다. 따라서, 상기 식각 생성물의 양이 감소가 검출되는 시간의 시점이 상기 실리콘 산화물층(41)이 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 노출되기 시작하는 타이밍으로 이해될 수 있다.
도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 건식 식각 공저에 의해 형성되는 상기 리세스(55)의 하부 표면으로부터 상기 실리콘 산화물층(51)의 일부가 노출된 후에도 상기 관통 홀(H)의 형성이 완료될 때까지 상기 건식 식각 공정이 계속하여 진행될 경우, 상기 식각제(54)는 상기 실리콘 산화물층(51)에 부딪치고, 상기 실리콘 산화물층(51)이 양으로 대전된다. 상기 실리콘 산화물층(51)의 양전하는 상기 식각제(54)의 통로, 특히 상기 실리콘 산화물층(51)의 표면 부근에서 상기 관통 홀(H)의 측벽을 형성하는 상기 실리콘층(52)을 향하도록 상기 기판(S)을 향해 상기 양이온들이 수직하게 유도되어 통로를 변화시킨다. 상기 관통 홀(H)의 개구(Ha)가 확장, 즉 상기 식각제(54)에 의해 상기 통로가 변화되는 노치(60)가 형성된다.
본 실시예에 있어서, 상기 검출 유닛(30)이 상기 실리콘 산화물층(41)이 타이밍 t2에서 노출된 후에 상기 식각 생성물의 소정의 감소 경향을 발견되는 지를 결정할 경우, 상기 검출 유닛(30)은 이후에 상기 실리콘 산화물층(41)의 일부가 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)으로부터 노출되는 지(타이밍 t3)가 결정된다. 이러한 결정이 이루어진 타이밍에서 상기 식각 가스 공급 유닛(21)으로부터의 상기 식각 가스의 공급이 중단되고, 상기 플루오르화 카본 화합물 가스 공급 유닛(22)으로부터의 상기 옥타플루오로 시클로부탄의 공급이 시작된다.
상기 실리콘 산화물층(41)이 상기 하부 표면(45a)의 일부로부터 노출된 후에 상기 제1 단계에서 상기 제2 단계로의 변화는, 상기 관통 홀(H)의 설계된 치수, 상기 제1 단계에서 수득되는 상기 리세스(45)의 형상, 상기 보호막(47)의 막 구조물 및 단차 도포 특성(step covering property), 상기 제2 단계에서 수득되는 보호막(47)의 식각 형상 및 이와 유사한 것들과 같은 이전에 수득된 결과들을 근거로 하여 적당하게 선택된다. 예를 들면, 상기 관통 홀(H)의 직경이 작고 상기 관통 홀(G)이 얕다면, 전술한 구조(B)가 상기 리세스(45) 내에 수득되기 어려우며, 이에 따라 상기 제1 단계에서 상기 제2 단계로의 이동이 바람직하게 진행된다. 상기 관통 홀(H)의 직경이 크고 상기 관통 홀(H)이 깊을 경우, 상기 리세스(45) 내에 전술한 구조(B)가 용이하게 얻어지고, 이에 따라 상기 제1 단계로부터 상기 제2 단계로의 변화가 바람직하게 지연된다. 예를 들면, 상기 보호막(47)의 식각 저항 특성이 상기 하부 표면(45a)의 중앙 부근에서 높아질 경우, 전술한 상태(A)가 용이하게 얻어지며, 이에 따라 상기 제1 단계에서 상기 제2 단계로의 이동이 바람직하게 지연된다.
상기 옥타플루오로 시클로부탄이 이후에 제공되어 타이밍 t3로부터 타이밍 t4 동안 상기 리세스(45)의 내부 표면상에 상기 보호막(47)이 형성된다. 타이밍 t4에서, 상기 옥타플루오로 시클로부탄의 공급이 중단되고, 상기 식각 가스의 공급이 재개된다. 예를 들면, 상기 식각 가스의 공급이 중단되는 시점에서 타이밍 t3로부터 타이밍 t4로의 주기가 타이밍 t4로부터 타이밍 t5로의 주기보다 2배 정도 크게 설정된다.
상술한 방식에 있어서, 상기 기판(S) 내에서 상기 실리콘층(42)으로부터 상기 실리콘 산화물층(41)까지 연장되는 상기 관통 홀(H)이 형성될 경우, 상기 건식 식각 공정을 수행하는 상기 제1 단계가 타이밍 t3에서 상기 보호막 형성 공정과 상기 건식 식각 공정을 교대로 반복하는 제2 단계로 변화된다. 따라서, 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)으로부터 노출되는 상기 실리콘 산화물층(41)의 일부가 이전의 보호막(47)에 의해 커버되면서 상기 가스 혼합물에 의해 식각된다. 따라서, 상기 보호막(47)을 형성한 후에 수행되는 상기 건식 식각 공정에 있어서, 상기 하부 표면(45a) 상에 형성된 상기 보호막(47)이 제거되면서 상기 식각되는 영역(42a)에 잔류하는 상기 실리콘층(42)이 제거된다.
상기 실리콘층(42)의 식각되는 영역(42a) 내의 실리콘이 완전히 제거되며, 개구(Ha)를 구비하는 상기 관통 홀(H)이 상기 보호막 형성 공정과 상기 전식 식각 공정(도 3c의 타이밍 t6)을 교대로 반복함에 의해 상기 실리콘 산화물층(41) 내에 형성된다.
본 실시예에 따른 건식 식각 방법은 다음과 같은 장점들을 가진다.
(1) 상기 실리콘층(42)의 식각이 상기 실리콘층(42)의 식각을 위한 육불화황 가스와 상기 실리콘층(42)의 산화를 위한 산소 가스를 포함하는 상기 가스 혼합물로부터 생성되는 플라즈마를 이용하는 이방성 식각으로 시작된다. 상기 실리콘 산화물층(41)의 적어도 하나의 부분이 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)으로부터 노출될 때, 식각에 의해 형성되는 상기 리세스(45)의 내부 표면을 상기 보호막(47)으로 커버하는 공정과 상기 식각 공정이 교대로 수행된다. 이러한 방식에 있어서, 상기 리세스(45)의 내부 표면을 상기 산소 가스로 보호하면서 상기 육불화황 가스로 상기 실리콘층(42)에 대해 식각을 수행함에 의하여 상기 라디칼들로 진행되는 방향성을 갖지 않는 등방성 식각을 억제할 수 있다. 이에 따라 이방성 식각이 진전된다. 또한, 상기 실리콘 산화물층(41)이 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 노출된 후, 상기 보호막(47)으로 덮인 노출된 영역과 함께 상기 실리콘층(42)의 식각이 수행된다. 상기 실리콘 산화물층(41)의 표면을 향해 유도되는 양이온들이 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a) 상에 형성된 상기 보호막(47)의 제거에 사용되기 때문에, 상기 실리콘 산화물층(41)의 표면이 양으로 대전되는 것으로부터 억제된다. 따라서, 상기 관통 홀(H)의 바닥에서 노치의 생성이 억제된다.
(2) 상기 실리콘층(42) 내의 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 상기 실리콘 산화물층(42)이 노출되는 경우, 상기 제1 단계에서 생성되는 식각 생성물의 양이 변화된다. 상기 검출 유닛(30)이 이러한 변화를 검출할 때, 상기 제1 단계가 종료되고 상기 제2 단계가 시작된다. 따라서, 상기 실리콘 산화물층(41)의 표면이 긴 시간 동안 양이온들로부터 노출되는 것이 억제되며, 노치의 발생이 억제된다.
(3) 상기 검출 유닛(30)은 상기 제1 단계에서 생성되는 식각 생성물의 양을 검출하고 모니터하며, 상기 식각 생성물의 감소를 검출한다. 이에 의해 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 상기 실리콘 산화물층(41)의 노출이 결정된다. 따라서, 상기 실리콘 산화물층(41)의 일부의 노출이 적절하게 검출된다. 그러므로, 상기 제1 단계에서 상기 제2 단계로의 이동이 연기됨에 의해 상기 실리콘 산화물층(41)의 노출된 부분이 양으로 대전되는 것이 억제되고, 상기 노치의 발생이 결과적으로 억제된다.
(4) 상기 가스 혼합물은 상기 육불화황 가스, 상기 산소 가스 및 상기 브롬화수소 가스를 포함한다. 상기 육불화황 가스는 상기 실리콘층(42)을 식각하는 불소 라디칼들을 위한 원료 물질로서 사용된다. 상기 산소 가스는 상기 육불화황 가스와 공동으로 비휘발성 실리콘산불화물을 생성한다. 상기 브롬화수소 가스는 상기 실리콘층(42)을 식각하기 위한 브롬 이온들의 원료 물질로서 사용되며, 상기 산소 가스와 함께 실리콘산브롬화물을 생성한다. 따라서, 상기 실리콘층(42) 상에 형성되는 상기 리세스(45)의 측부 표면은 상기 실리콘산불화물과 상기 실리콘산브롬화물과 같은 실리콘할로겐화물에 의해 보호된다. 또한, 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 식각이 상기 불소 라디칼들과 상기 브롬 이온들에 의해 강화되기 때문에 상기 이방성 식각이 바람직한 방식으로 구현된다.
(5) 플루오르화 카본 화합물의 중합체는 원료 물질 가스인 플루오르화 카본 화합물인 옥타플루오로 시클로부탄(C4F8)으로 상기 보호막(47)으로서 형성된다. 따라서, 상기 보호막(47)은 상기 가스 혼합물의 플라즈마 내에서 상기 식각제(44)에 의해 수행되는 화학적 식각 또는 물리적 식각에 의해 적절한 방식으로 제거된다. 이에 따라, 상기 보호막(47)은 적합한 방식으로 상기 리세스(45)를 침식으로부터 보호하면서 상기 식각의 진행을 저해하지 않는다.
상술한 실시예는 후술하는 바와 같이 변경될 수 있다.
상기 플라즈마 식각 장치(10)는 이른바 상기 기판 스테이지(12)에 인가되는 고주파 전력으로 플라즈마를 유도하는 커패시턴스 결합(capacitance coupling) 타입의 식각 장치이다. 본 발명이 이러한 방식에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 기판 스테이지(12)에 마주하는 전극이 상기 진공 컨테이너(11)의 상부(11b)의 부근에 정렬될 수 있으며, 고주파가 상기 전극에 인가될 수 있다.
상기 플라즈마 식각 장치(10)는 진공 컨테이너(11)의 상부(11b) 상에 장착되거나 상기 진공 챔버(11)의 측부(11d)의 외측 주변부 표면을 따라 정렬되는 고주파 안테나를 포함할 수 있으며, 상기 고주파 안테나에 고주파 전력을 인가함에 의해 상기 플라즈마가 상기 진공 컨테이너(11) 내에 유도될 수 있다. 즉, 본 발명은 이른바 유도 결합(inductive coupling) 타입의 플라즈마 식각 장치이다.
또한, 상기 유도 결합 타입 장치가 상기 플라즈마 식각 장치로서 채용되는 경우, 예를 들면, 계자 권선(magnetic field coil)이 상기 진공 컨테이너(11)의 측부(11d)의 외측 주변부 표면을 따라 정렬되어 상기 진공 컨테이너(11) 내에 자기장이 0이 되는 영역을 형성할 수 있다.
상기 식각 가스가 전술한 가스 혼합물, 즉 육불화황 가스, 산소 가스 및 브롬화수소 가스를 포함하는 상기 가스 혼합물에 한정되는 것은 아니며, 상기 실리콘층의 두께 방향을 따라 연장되는 리세스를 형성할 수 있는 한, 상기 삭각 가스는 상기 실리콘층을 산화시키기 위한 산화 가스와 상기 불소를 함유하는 가스를 포함할 수 있다. 예를 들면, 불소를 함유하는 가스인 펜타플루오르화 요오드(iodine pentafluoride) 가스가 상기 육불화황 가스 대신에 사용될 수 있다. 산화 가스인 오존 가스가 상기 산소 가스 대인에 사용될 수 있다. 또한, 상기 브롬화수소 가스는 생략될 수 있다.
상기 육불화황 가스, 상기 산소 가스 및 상기 브롬화수소 가스에 추가적으로, 상기 가스 혼합물은 다른 가스들, 예를 들면, 상기 육불화황 가스와 상이한 불소를 함유하는 가스 또는 상기 산소 가스와 상이한 산소를 함유하는 가스를 포함할 수 있다.
상기 보호막(47)을 형성하는 경우, 그 원료 물질이 되는 가스가 옥타플루오로 시클로부탄 가스에 한정되는 것은 아니며, 옥타플루오로 프로판 가스 또는 이와 유사한 가스를 포함할 수 있다. 상기 식각 가스에 의해 제거되는 유기막을 형성할 수 있는 플루오르화 카본 화합물 가스만이 요구된다.
상기 제1 단계 및 상기 제2 단계에서의 상기 건식 식각 공정에 관련된 조건들과 상기 제2 단계에서 상기 보호막(47)을 형성하는 공정에 관련된 조건들이 상술한 조건들에 한정되는 것은 아니며, 상기 기판(S) 내의 상기 실리콘층(42)의 두께, 상기 실리콘층(42) 내의 상기 관통 홀(H)의 사이즈 및 상기 식각 공정에 관련된 조건들에 따라서 적절하게 변화될 수 있다.
상기 제2 단계에 있어서, 상기 보호막(47)을 형성하는 공정과 상기 건식 식각 공정은 25회 정도 교대로 반복된다. 그러나, 본 발명에 이러한 방식에 한정되는 것은 아니며, 반복되는 횟수는 상기 기판(S) 내의 상기 실리콘층(42)의 두께, 상기 실리콘층(42) 내의 상기 관통 홀(H)의 사이즈 또는 상기 식각 공정에 관련된 조건들에 따라 변경될 수 있다.
상기 검출 유닛(30)은 상기 진공 컨테이너(11) 내에 존재하는 휘발성 식각 생성물의 양을 검출하고 모니터하며, 상기 식각 생성물의 양이 감소될 때에 상기 제1 단계로부터 상기 제2 단계로 이동시킨다. 그러나, 본 발명에 이러한 방식에 한정되는 것은 아니며, 상기 검출 유닛(30)이 상기 실리콘층(42)을 식각하는 상기 식각제(44)의 양을 검출할 수 있다.
상기 제1 단계에서 상기 실리콘층(42)의 식각이 진행되고, 상기 실리콘층(42)의 하지층인 상기 실리콘 산화물층(41)이 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 노출될 때, 상기 실리콘층(42)을 식각하기 위한 상기 식각제(44)의 양이 증가한다. 이는 상기 실리콘 산화물층(41)이 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)으로부터 노출될 때에 상기 식각되는 영역(42a) 내에 생성되는 상기 실리콘층(42)과 상기 식각제(44)가 반응하지 않기 때문이다. 즉, 상기 식각제(44)는 상기 진공 컨테이너(11)의 상기 식각 가스 공급 유닛(21)으로부터 상기 기판(S)을 향하지만, 상기 실리콘 산화물층(41)에 부딪치고 상기 진공 컨테이너(11)의 상기 식각 가스 공급 유닛(21)으로 복귀하게 된다. 즉, 상기 실리콘 산화물층(41)이 노출된다면, 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)으로부터 노출되는 상기 실리콘 산화물층(42)의 면적이 상기 실리콘층(42)의 식각이 진행됨에 따라 확장되며, 단위 시간당 상기 실리콘층(42)과 반응하는 상기 식각제(44)의 양은 감소한다. 이에 따라 상기 진공 컨테이너(11) 내의 상기 식각제(44)의 양이 점차적으로 증가한다.
상술한 이유들로 인하여, 상기 검출 유닛(30)이 상기 진공 컨테이너(11) 내의 상기 식각제(44)의 양의 증가를 검출할 때 상기 제1 단계가 상기 제2 단계로 변경될 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 단계들의 변경은 상기 실리콘 산화물층(41)이 상기 실리콘층(42) 내에 형성된 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)으로부터 노출될 때 일어난다. 이에 따라 상술한 (3)번째 장점 대신에 다음과 같은 장점이 얻어진다.
(6) 상기 검출 유닛(30)은 상기 제1 단계에서 상기 실리콘층(42)의 삭각을 위한 식각제(44)의 양을 모니터하고, 상기 식각제(44)의 양의 증가를 검출한다. 상기 검출은 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a)의 일부로부터 노출된 상기 실리콘 산화물층(41)을 결정한다. 이에 따라, 상기 실리콘 산화물층(41)의 일부의 노출이 적절하게 결정된다. 상기 실리콘 산화물층(41)의 노출된 부분은 상기 제1 단계로부터 상기 제2 단계로의 변동이 지연됨에 의해 양으로 대전되는 것이 억제되며, 결과적으로 노치의 발생이 억제된다.
상기 진공 컨테이너(11) 내의 식각 생성물의 양이 감소될 때 상기 제1 단계에서 상기 제2 단계로 이동된다. 본 발명이 이러한 방식에 한정되는 것은 아니며,
상기 실리콘 산화물층(41)이 상기 리세스(45)의 하부 표면(45a) 의 일부로부터 노출될 때로부터 상기 건식 식각 공정이 시작될 때까지의 시간이 이전의 실험들 및 이와 유사한 것을 통해 측정될 수 있으며, 이에 따라 상기 제1 단계를 수행하는 기간이 설정될 수 있으므로 이러한 기간이 흐를 때 상기 제2 단계로의 이동이 일어난다.
상기 제1 단계와 상기 제2 단계에 있어서, 상기 가스 혼합물의 유량, 압력 및 상기 고주파 전력의 출력값과 같은 식각 조건들은 단일 조건들이다. 그러나, 상기 단계들 중에서 적어도 하나에서 복수의 상이한 식각 조건들이 계속적으로 수행될 수 있다.
유전체인 상기 식각 저지층은 상기 실리콘 산화물층(41) 대신 실리콘 질화물층, 실리콘 산질화물층, 또는 이러한 물질들의 적층 구조(lamination)로 형성될 수 있으며, 상기 실리콘층(42)에 대해 접착력을 확보할 수 있는 다양한 형태의 유전체층이 될 수 있다.
본 발명의 범주가 본 명세서에 기재된 상술한 특정한 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다. 실질적으로, 전술한 실시예들 외에도 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 첨부된 도면과 본 명세서의 기재 사항으로부터 본 발명에 대한 다른 다양한 실시예들 및 변형예들이 가능함을 명백하게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 다른 실시예들 및 변형 예들로 본 발명의 범주에 속함을 이해할 수 있을 것이다. 하기 특허 청구 범위는 본 명세서에 개시된 본 발명의 폭넓은 범주의 관점에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 개구를 갖는 마스크를 통해 유전체로 형성된 식각 저지층 상에 정렬된 실리콘층을 포함하는 기판에 대해 건식 식각을 수행하는 방법에 있어서,
    상기 실리콘층을 산화시키는 산화 가스와 불소를 함유하는 가스를 포함하는 가스 혼합물로부터 제1 플라즈마를 생성하는 과정, 상기 제1 플라즈마 내에서 상기 기판을 음의 바이어스 전위로 유지하는 과정, 그리고 상기 마스크의 개구를 통해 상기 실리콘층에 대해 상기 제1 플라즈마로 이방성 식각을 수행하여 상기 실리콘층에 리세스(recess)를 형성하는 과정을 포함하는 제1 단계; 및
    유기막 형성 공정과 식각 공정을 교대로 반복하는 제2 단계를 포함하며,
    상기 유기막 형성 공정은,
    상기 제1 플라즈마로 제거 가능한 유기막을 형성하는 데 이용되는 제2 플라즈마를 생성하는 과정, 상기 제2 플라즈마 내에서 상기 기판을 음의 바이어스 전위로 유지하는 과정 및 상기 제2 플라즈마로 상기 리세스의 내부 표면상에 상기 유기막을 증착하는 과정을 포함하고,
    상기 식각 공정은,
    상기 가스 혼합물로부터 상기 제1 플라즈마를 생성하는 과정, 상기 제1 플라즈마 내에서 상기 기판을 음의 바이어스 전위로 유지하는 과정 및 상기 제1 플라즈마로 상기 마스크층의 개구를 통해 상기 유기막으로 커버된 상기 리세스에 대해 이방성 식각을 수행하는 과정을 포함하며,
    상기 식각 저지층이 상기 제1 단계에 의해 형성되는 상기 제1 리세스의 하부 표면의 일부로부터 노출될 때 상기 제1 단계가 상기 제2 단계로 변경되고,
    상기 제1 단계는 상기 실리콘층이 식각될 때 발생되는 식각 생성물의 양의 변화에 근거하여 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터 상기 식각 저지층의 노출을 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 제2 플라즈마로 상기 유기막 형성 공정과 상기 제1 플라즈마로 상기 식각 공정을 수차례 교대로 반복하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 단계는 상기 식각 생성물의 양을 모니터링하는 과정과 상기 식각 생성물의 양이 감소할 때 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터 상기 식각 저지층의 노출을 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1 단계는 상기 실리콘층을 식각하는 식각제의 양을 모니터링하는 과정과 상기 식각제의 양이 감소할 때 상기 리세스의 하부 표면의 일부로부터 상기 식각 저지층의 노출을 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 혼합물은 상기 불소 함유 가스로 작용하는 육불화황 가스, 상기 산화 가스로 작용하는 산소 가스 및 브롬화수소 가스를 포함하고,
    상기 제2 플라즈마는 플루오르화 카본 화합물로부터 생성되며,
    상기 유기막은 상기 플루오르화 카본 화합물의 폴리머로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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