KR101445299B1 - 반도체 구조물을 에칭하기 위한 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 시스템 - Google Patents

반도체 구조물을 에칭하기 위한 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 시스템 Download PDF

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Abstract

반도체 구조물을 에칭하기 위해 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 시스템이 개시된다. 일 실시예에서, 샘플의 일부분이 펄스화된 플라즈마 프로세스의 인가에 의해서 제거되고, 상기 펄스화된 프로세스 프로세스는 복수의 듀티 사이클들을 포함한다. 네거티브 바이어스가 각각 듀티 사이클의 ON 상태 동안 샘플로 인가되는 한편, 제로 바이어스는 각각 듀티 사이클의 OFF 상태 동안 샘플로 인가된다. 다른 실시예에서, 샘플의 제 1 부분이 연속적인 플라즈마 프로세스의 인가에 의해서 제거된다. 이어서, 연속적인 플라즈마 프로세스가 종료되고, 샘플의 제 2 부분이 펄스화된 플라즈마 프로세스의 인가에 의해서 제거된다.

Description

반도체 구조물을 에칭하기 위한 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 시스템 {PULSED PLASMA SYSTEM WITH PULSED SAMPLE BIAS FOR ETCHING SEMICONDUCTOR STRUCTURES}
본 발명은 반도체 구조물 및 반도체 설비에 관한 것이다.
지난 몇 년 동안, 반도체 구조물의 피쳐(features)를 매우 작은 치수로 스케일링(scaling)함으로써, 집적 회로(IC), 예를 들어 연산을 위한 논리 회로들 및 정보 저장을 위한 메모리 회로의 성능 및 역량이 크게 개선되었다. 그러나, IC를 제조하기 위해 사용되는 설비나 프로세스를 문제점 없이 스케일링하는 경우는 드물었다. 반도체 프로세스 기술 및 그러한 프로세스를 실행하기 위해서 이용되는 설비 모두의 계속적인 발전으로 인해, 반도체 산업에서의 스케일링에 대해서 끊임없이 지속적으로 추구할 수 있게 되었다.
의미있는 구조물 내로 반도체 스택(stacks)을 패터닝하기 위해서, 리소그래피(lithography)/에칭 프로세스가 통상적으로 이용된다. 현 기술 수준의 에칭 프로세스는 이온화된 가스 즉, 플라즈마를 포함하는 시스템을 이용하여 반도체 스택을 에칭하는 단계를 포함한다. 플라즈마 에칭 프로세스는 미세한 피쳐들을 가지는 복수의 인접 구조물들을 에칭하는데 있어서 특히 유용할 수 있다. 그러나, 피쳐 크기 및 간격들에 대한 요구가 보다 엄격해짐에 따라, 플라즈마 에칭 프로세스의 한계가 나타나게 되었다.
플라즈마 에칭의 하나의 잠재적인 한계는, 단일 샘플 내의 여러 반도체 구조물들 사이의 다양한 간격을 갖는 IC의 제조와 관련될 수 있다. 예를 들어, 에칭 속도(etch rate; 에칭율)는 패턴의 밀도에 의존할 수 있으며, 이는 "마이크로-로딩(micro-loading)"이라고 지칭되는 현상이다. 매우 적은 치수(dimensions)에서, 그리고 특히 높은 종횡비 조직들(regimes)의 경우에, 고밀도(즉, 피쳐들 사이의 간격이 작은)로 패턴화된 물질의 에칭 속도는 저밀도(즉, 피쳐들 사이의 간격이 큰)로 패턴화된 동일 물질의 에칭 속도에 비해서 느릴 수 있다. 그에 따라, 단일 샘플 내의 여러 구조물들을 모두 완전히 에칭하기 위해서는 "과다-에치"가 필요할 수 있으며, 다시 말해 완전히 에칭되지 않은 면적이 에칭 프로세스의 완료를 대기(undergo)하는 동안에, 먼저 완전히 에칭된 면적들도 계속하여 에칭 프로세스에 노출될 것이다. 일부 경우에, 이러한 과다-에치가 최종 반도체 구조물에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.
도 1을 참조하면, 마이크로-로딩이 발생되는 단일 샘플 내의 여러 반도체 구조물의 밀도(즉, 피쳐들 사이의 간격)와 특정 반도체 물질의 에칭 속도의 상호관계의 플롯이 도시된다. 상호관련 라인의 감소되는 경사도로 표시되는 바와 같이, 에칭 속도는 밀도 증가에 따라 감소된다. 도 2A를 참조하면, 반도체 스택(200)이 기판(202), 반도체 층(204), 및 마스크(206)를 포함한다. 도 2B를 참조하면, 플라즈마 에칭 프로세스를 이용하여 마스크(206)의 패턴이 반도체 층(204)으로 에칭된다. 반도체 스택(200)의 에칭 프로세스 동안에 마이크로-로딩이 발생될 수 있으며, 그에 따라, 도 2B에 도시된 바와 같이 반도체 층(204)이 중밀도 영역(210) 및 고밀도 영역(212)에서 보다 저밀도 영역(208)에서 더 빨리 에칭될 것이다. 도 2C를 참조하면, 반도체 스택(200)에서 수행되는 에칭 프로세스가 중밀도 영역(210) 및 고밀도 영역(212)에서의 완료에 앞서서 저밀도 영역(208)에서 먼저 완료된다. 그에 따라, 고밀도 영역에서 에칭이 완료되는 동안에, 저밀도 영역(208)의 구조물들이 과다-에치에 노출된다. 도 2D를 참조하면, 과다-에치 동안에, 저밀도 영역내의 구조물에서 일부 유해한 언더컷팅(214)이 발생될 수 있다. 도 2D에 도시된 바와 같이, 언더컷팅은 밀도에 따라서 달라질 것이고, 특정 영역이 경험하는 과다-에치의 정도에 의존할 것이다.
그에 따라, 반도체 구조물을 에칭하기 위한 방법은 그러한 방법이 실시될 수 있는 시스템과 함께 본 명세서에서 설명된다.
도 1은, 종래 기술에 따른, 에칭 속도 대 구조물 밀도의 상호관계 플롯(plot)을 도시한 그래프이다.
도 2A-D는, 종래 기술에 따른, 실시되는 에칭 프로세스 동안에 반도체 스택 상에 미치는 마이크로-로딩의 영향을 나타내는 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른, 에칭 속도 대 구조물 밀도의 상호관계 플롯을 도시한 그래프이다.
도 4A-C는, 본 발명의 실시예에 따른, 펄스화된 샘플 바이어스를 이용하여 실행되는 펄스화된 에칭 프로세스 동안에 반도체 스택 상에 미치는 마이크로-로딩의 상당한 감소의 영향을 나타낸 단면도이다.
도 5A는 및 도 5B는, 본 발명의 실시예에 따른, 펄스화된 샘플 바이어스를 이용한 펄스화된 플라즈마 프로세스에서의 일련의 단계들을 도시한, 흐름도 및 파형 그래프이다.
도 6A-F는, 본 발명의 실시예에 따른, 반도체 스택 상에서 수행되는 도 5A로부터의 흐름도의 단계들을 나타내는 단면도이다.
도 7A-C는, 본 발명의 실시예에 따른, 반도체 스택 상에서 수행되는 펄스화된 샘플 바이어스를 이용한 연속적인/펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 나타내는 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 실시예에 따른, 펄스화된 샘플 바이어스를 이용하는 펄스화된 플라즈마 프로세스에서의 일련의 단계들을 나타내는 흐름도이다.
도 9A-D는, 본 발명의 실시예에 따른, 반도체 스택 상에서 수행되는 도 8의 흐름도의 단계들을 나타내는 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 실시예에 따른, 펄스화된 샘플 바이어스를 이용하는 펄스화된 플라즈마 프로세스가 실시되는 시스템을 도시한 도면이다.
도 11A-B는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 10의 시스템의 챔버를 플라즈마 '온(ON)' 상태 및 플라즈마 '오프(OFF)' 상태에서 각각 도시한 도면이다.
도 12A-D는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 ON/바이어스 OFF 상태, 플라즈마 ON/바이어스 ON 상태, 플라즈마 OFF/바이어스 ON 상태, 그리고 플라즈마 OFF/바이어스 OFF 상태 각각에서 도 10의 시스템의 챔버를 도시한 도면이다.
반도체 구조물을 에칭하기 위한 방법 및 시스템이 설명된다. 이하의 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 특정 치수 및 화학적 표기 체계(chemical regimes)와 같은 수치적인 구체적인 세부사항들이 설명된다. 본 발명이 이들 구체적인 세부사항들이 없이도 실시될 수 있다는 점이 소위 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 패터닝 단계들 또는 습식 화학적 세정과 같은 주지의 프로세싱 단계들에 대해서는 구체적으로 설명하지 않았는데, 이는 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 방지하기 위한 것이다. 또한, 도면에 도시된 여러 실시예들은 예시적인 설명을 위한 것이며, 반드시 등축적인 것도 아님을 이해할 수 있다.
본 명세서에서, 반도체 구조물들을 에칭하기 위한 펄스화된 플라즈마 방법 및 그에 상응하는 시스템이 개시된다. 펄스화된 플라즈마 프로세스의 인가에 의해서 샘플의 일부가 제거될 수 있으며, 여기서 펄스화된 플라즈마 프로세스는 복수의 듀티 사이클들(duty cycles)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라서, 네거티브(negative) 바이어스가 각 듀티 사이클의 ON 상태 동안 샘플로 인가되는 한편, 제로(zero) 바이어스가 각 듀티 사이클의 OFF 상태 동안 샘플로 인가된다. 특정 실시예에서, 샘플의 제 1 부분이 연속적인 플라즈마 프로세스의 인가에 의해서 제거된다. 그리고 나서, 연속적인 플라즈마 프로세스가 종료되고 펄스화된 샘플 바이어스를 이용한 펄스화된 플라즈마 프로세스의 인가에 의해서 샘플의 제 2 부분이 제거된다.
에칭 프로세스 동안에 플라즈마를 반복적으로 펄스화함으로써, 구조물 밀도에 대한 에칭 속도의 의존도를 완화시킬 수 있다. 플라즈마의 ON 상태 동안에(즉, 플라즈마가 이온화된 가스 형태일 때), 그에 따라 플라즈마 에칭 프로세스에서의 반도체 물질의 일차 에칭 페이즈(primary etching phase) 동안에, 에칭 부산물들(by-products)이 형성된다. 보다 높은 밀도의 영역에서 에칭 프로세스가 진행됨에 따라, 이들 부산물이 샘플의 저밀도 영역에서 보다 느린 속도로 샘플로부터 이동될 수 있다. 그에 따라, 연속적인 ON 상태에서, 에칭 부산물들이 에칭 프로세스를 방해하여 마이크로-로딩을 유발할 수 있다. 그러나, OFF 상태에서 이들 부산물은 에칭 프로세스와의 경합(competing) 없이 모든 영역으로부터 제거될 수 있다. 구조물 밀도와 관계 없이, 전체 샘플에 걸쳐 실질적으로 동일한 에칭 속도로 반도체 물질을 에칭하기 위해서, 복수의 듀티 사이클들(즉, ON/OFF 상태의 사이클)이 적용될 수 있다. 도 3은, 본 발명의 실시예에 따른, 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에서, 에칭 속도 대 구조물 밀도의 상호관계 플롯을 도시한다. 상호관계 라인의 무시할 수 있는 정도의 기울기로 표시된 바와 같이, 에칭 속도는 밀도 증가시에도 실질적으로 동일하다. 이러한 방식으로 에칭되는 반도체 물질은 과다-에치에 의한 손해가 적을 수 있는데, 이는 에칭 프로세스가 샘플의 모든 부분들에서 실질적으로 동일한 시간에 완료될 것이기 때문이다.
펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 듀티 사이클의 ON 상태 동안에, 포지티브 대전(positive charge)이 에칭되는 샘플에 부가될 수 있다. 일부 경우에, 샘플의 포지티브 대전은 플라즈마로부터 방사되는(eject) 포지티브 대전된 에치 종(etch species)을 부분적으로 편향(deflect)시키기에 충분히 클 수 있다. 에칭 종의 그러한 편향은 특정 샘플 내로 에칭되는 피쳐들의 유해한 언더컷팅을 초래할 수 있다. 에칭 프로세스 동안에 네거티브 대전으로 샘플을 바이어싱 시킴으로써, 포지티브 대전된 입자들의 편향이 완화될 수 있다. 한편, 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 듀티 사이클의 ON 상태로부터 OFF 상태로의 전환 중에, 샘플이 네거티브 바이어스 된다면, 플라즈마로부터의 네거티브-대전된 입자들의 방출(discharge)이 방지될 수 있다. 듀티 사이클의 OFF 상태 동안에 샘플을 제로-바이어싱시킴으로써, 그리고 그에 따라 플라즈마 방전(plasma discharge)시에 방출된 네거티브-대전 입자들을 추방(repelling)하지 않음으로써, 플라즈마 배출에 필요한 시간을 감소시킬 수 있다. 추가적으로, 네거티브 대전된 종들이 에칭 프로세스에 기여하고 그러한 에칭 프로세스를 개선할 것이다. 그에 따라, 본 발명의 실시예에 따라서, 펄스화된 샘플 바이어스 프로세스가 펄스화된 플라즈마 프로세스와 병행하여(parallel to) 실시된다. 즉, 샘플은 ON 상태 동안 네거티브 바이어스되고 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 듀티 사이클의 OFF 상태 동안에 제로-바이어스된다.
반도체 스택이 펄스화된 샘플 바이어스를 이용하는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에 의해서 에칭된다. 도 4A-C는, 본 발명의 실시예에 따른, 펄스화된 샘플 바이어스를 이용하여 실행되는 펄스화된 에칭 프로세스 동안에 반도체 스택 상에서 마이크로-로딩의 상당한 감소의 영향을 나타낸 단면도를 도시한다.
도 4A를 참조하면, 반도체 스택(400)이 기판(402), 에칭 층(404), 및 마스크(406)를 포함한다. 마스크(406)는 저밀도 영역(408), 중밀도 영역(410) 및 고밀도 영역(412)으로 패턴화된다. 반도체 스택(400)은 보다 복잡한 물질 층들 및/또는 패턴 타입들의 스택을 포함할 수 있으나, 여기에서는 설명을 위한 방식으로 도시되었다.
기판(402)은 제조 프로세스에 견딜 수 있고 반도체 층들이 적절하게 배치될 수 있는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 기판(402)은 결정질 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘/게르마늄과 같은 Ⅳ족-계 물질로 구성된다. 일 실시예에서, 기판(402) 내의 실리콘 원자들의 원자 농도가 99%를 초과한다. 다른 실시예에서, 기판(402)은, 갈륨 니트라이드, 갈륨 포스파이드, 갈륨 아세나이드, 인듐 포스파이드, 인듐 안티모나이드, 인듐 갈륨 아세나이드, 알루미늄 갈륨 아세나이드, 인듐 갈륨 포스파이드 또는 이들의 조합과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 물질로 구성되나, 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예에서, 기판(402)은 별개의(distinct) 결정질 기판 정상에서(atop) 성장된 에피텍셜 층, 예를 들어, 보론-도핑된 벌크(bulk) 실리콘 단-결정 기판 정상에서 성장된 실리콘 에피텍셜 층으로 구성된다. 기판(402)은 또한 벌크 결정 기판과 에피텍셜 층 사이의 절연 층을 포함하여, 예를 들어, 실리콘-온-인슐레이터 기판을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 절연 층은 실리콘 디옥사이드, 실리콘 니트라이드, 실리콘 옥시니트라이드, 및 고-k 유전체 층으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 구성된다. 다른 실시예에서, 기판(402)은 에칭 층(404)에 직접적으로 인접하는 상부 절연 층을 포함한다.
기판(402)은 전하-캐리어 도펀트 불순물 원자들을 추가적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라, 기판(402)이 실리콘 및/또는 게르마늄으로 구성되고 그리고 전하-캐리어 도펀트 불순물 원자들이 보론, 아세닉, 인듐, 안티몬, 또는 인으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 기판(402)은 Ⅲ-Ⅴ족 물질로 구성되고 그리고 전하-캐리어 도펀트 불순물 원자들을 탄소, 실리콘, 게르마늄, 산소 ,황, 셀레늄 또는 텔루륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
에칭 층(404)은 명확하게 형성되는 반도체 구조물들의 어레이(array)로 패턴화되기에 적합할 수 있는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 에칭 층(404)은, 기판(402)과 관련하여 전술한 바와 같은, Ⅳ족-계 물질 또는 Ⅲ-Ⅴ족 물질로 구성된다. 추가적으로, 에칭 층(404)은 명확하게 형성되는 반도체 구조물들의 어레이로 패턴화되기에 적합할 수 있는 임의의 조직(morphology)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 에칭 층(404)의 조직은 비정질, 단결정 및 다결정으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일 실시예에서, 에칭 층(404)은 기판(402)과 관련하여 전술한 바와 같은 전하-캐리어 도펀트 불순물 원자들을 포함한다.
에칭 층(404)의 구성물은 반드시 반도체 물질들 자체로 제한되지 않는다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 에칭 층(404)은, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 금속 니트라이드, 금속 카바이드, 금속 실리사이드, 하프늄, 지르코늄, 티타늄, 탄탈륨, 알루미늄, 루테늄, 팔라듐, 플래티늄, 코발트, 니켈 또는 예를 들어 루테늄 옥사이드와 같은 전도성 금속 산화물과 같은 금속 층으로 이루어지나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 에칭 층(404)이 절연 층으로 구성된다. 일 실시예에서, 에칭 층(404)은 실리콘 디옥사이드, 실리콘 옥시-니트라이드 및 실리콘 니트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 절연 물질로 구성된다. 다른 실시예에서, 에칭 층(404)은 하프늄 옥사이드, 하프늄 실리케이트, 란탄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 지르코늄 실리케이트, 탄탈륨 옥사이드, 바륨 스트론튬 티타네이트, 바륨 티타네이트, 스트론튬 티타네이트, 이트륨 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 납 스칸듐 탄탈륨 옥사이드 및 납 아연 니오베이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 고-k 유전체 층으로 구성된다.
마스크(406)는 리소그래피 또는 다이렉트-라이트(direct-write) 기술을 통해서 패터닝하기에 적합한 어떠한 물질로도 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 마스크(406)는 포토-레지스트 물질로 구성된다. 특정 실시예에서, 포토-레지스트 물질은 리소그래피 프로세스에서 이용되고 그리고 포지티브 포토-레지스트 및 네거티브 포토-레지스트로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 마스크(406)는 에칭 층(404)을 패턴화하기 위해서 이용되는 플라즈마 에칭 프로세스와 같은 플라즈마 에칭 프로세스를 차단하기에 적합한 물질을 더 포함할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 마스크(406)가 또한 실리콘 디옥사이드, 실리콘 옥시-니트라이드, 실리콘 니트라이드, 및 금속 필름으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하드-마스크 층과 같은 하드-마스크 층을 포함한다.
도 4B를 참조하면, 부분적으로 패턴화된 에칭 층(414)을 형성하기 위해서 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 이용하여 마스크(406)의 패턴이 에칭 층(404)으로 에칭된다. 적절한 조건하에서, 그리고 본 발명의 실시예에 따라, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 프로세스가 채용될 때, 도 4B에 도시된 바와 같이, 모든 밀도 영역들(408, 410 및 412)의 에칭 속도는 실질적으로 유사하다. 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 프로세스는 복수의 듀티 사이클들을 포함하고, 상기 각각의 듀티 사이클은 에칭 플라즈마의 ON 상태 및 OFF 상태의 조합을 나타낸다. 네거티브 바이어스가 듀티 사이클의 ON 상태 동안 샘플로 인가되는 한편, 듀티 사이클의 OFF 상태 동안 제로-바이어스가 샘플로 인가된다. 듀티 사이클은 하나의 ON 상태와 하나의 OFF 상태로 구성될 수 있고, ON 상태 및 OFF 상태의 지속시간들은 밀도 영역들(408, 410 및 412)에 대해서 실질적으로 유사한 에칭 속도로 마스크(406)의 패턴을 에칭 층(404)으로 전사하기에 적합하게 결정될 것이다. 본 발명의 실시예에 따라, ON 상태로 이루어진 각 듀티 사이클의 부분들은 듀티 사이클의 5-95% 범위 내이다. 특정 실시예에서, ON 상태로 이루어진 각 듀티 사이클의 부분은 듀티 사이클의 65-75% 범위 내이다. 다른 실시예에서, 복수의 듀티 사이클들의 주파수는 1 Hz - 200 kHz 범위 내이고, 즉 각 듀티 사이클은 5 마이크로-초 내지 1 초 범위의 지속시간을 가진다. 특정 실시예에서, 복수의 듀티 사이클들의 주파수가 50 kHz 이고, 상기 ON 상태로 이루어진 각 듀티 사이클의 부분은 70% 이다. 듀티 사이클의 ON 상태 동안 반도체 스택(400)에 인가되는 네거티브 바이어스는 플라즈마로부터 방출되는 포지티브-대전된 에칭 종의 편향을 완화시키기에 충분하여야 한다. 본 발명의 실시예에 따라, 듀티 사이클의 ON 상태 동안 반도체 스택(400)에 인가되는 네거티브 바이어스는 5 - 1000 Watts의 범위 내이다. 특정 실시예에서, 듀티 사이클의 ON 상태 동안 반도체 스택(400)에 인가되는 네거티브 바이어스는 100 - 200 Watts의 범위 내이다.
에칭 층(404)을 에칭하기 위해서 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 프로세스에서 이용하기 위한 플라즈마를 생성하는 방법은 듀티 사이클에서 ON 상태의 지속시간을 충족시키기에 충분한 지속시간 동안 플라즈마를 타격(strike)하고 유지하기에 적합한 임의의 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라, 플라즈마 생성 방법은 전자 사이클로트론 공진(electron cyclotron resonance ;ECS) 플라즈마, 헬리콘 웨이브 플라즈마(helicon wave plasma), 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma ;ICP), 및 표면 웨이브 플라즈마(surface wave plasma)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 플라즈마 생성 방법을 포함한다. 특정 실시예에서, 플라즈마 생성 방법은 Applied MaterialsTM AdvantEdge G3 etcher에서 유도 결합 플라즈마를 생성하는 방법을 포함한다.
펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 위해서 생성된 플라즈마는 마스크(406)의 패턴에 유해한 충격이 없이 에칭 층(404)의 부분들을 제거하기 위한 이온 및 반응성 라디칼을 생성하기에 적합한 임의의 반응 가스로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라, 반응 가스는 할라이드 종으로 구성되고 그리고 실리콘-계 물질을 에칭하는데 이용될 수 있다. 특정 실시예에서, 반응 가스는 종(species) HBr, He 및 70%/30% He/O2 혼합물이 약 300:50:12의 비율로 각각 구성되고, 그리고 펄스화된 플라즈마는 비정질 실리콘, 폴리-실리콘 또는 단결정 실리콘을 에칭하는데 이용된다. 다른 실시예에서, 반응 가스는 플루오르카본 종으로 구성되고 그리고 유전체 층을 에칭하는데 이용된다. 특정 실시예에서, 반응 가스는 종 CF4 로 구성되고 그리고 펄스화된 플라즈마는 실리콘 디옥사이드 또는 탄소-도핑된 실리콘 옥사이드를 에칭하는데 이용된다. 반응 가스는 제어된 에칭 속도를 제공하기에 적합한 압력을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 압력은 1 - 100 mTorr 범위 내이다. 다른 실시예에서 압력은 3 - 100 mTorr 범위 내이다. 특정 실시예에서, 반응 가스는 HBr, He 및 O2 로 이루어지고, 반응 가스의 압력은 30 - 50 mTorr 범위 내가 되며, 폴리-실리콘의 에칭 속도는 500 - 6000 Angstroms/minute이 된다.
도 4C를 참조하면, 전술된 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 프로세스는 부분적으로 패턴화된 에칭 층(414)이 패턴화된 에칭 층(424)이 될 때까지 계속된다. 에칭 층(404)의 에칭 완료까지 전술한 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 이용함으로써, 에칭 프로세스가 밀도 영역들(408, 410 및 412)에서 실질적으로 동일한 시간에 완료된다. 그에 따라, 무시할 수 있을 정도의 과다-에칭 만이 패턴화된 에칭 층(424)을 형성하는데 요구될 수도 있다. 그와 같은 경우에, 패턴화된 에칭 층(424)의 여러 구조물들의 유해한 언더컷팅이 상당히 완화될 수 있을 것이며, 이는 도 4C에서의 언더컷팅 부재로 도시된 바와 같다.
펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 듀티 사이클에서 ON 상태와 OFF 상태의 지속시간은 에칭 부산물들의 형성 및 제거에 상응하게 타게팅 수 있다. 도 5A는 흐름도이고 도 5B는 파형 그래프이며, 이들 모두는, 본 발명의 실시예에 따른, 펄스화된 샘플 바이어스를 이용한 펄스화된 플라즈마 프로세스에서의 일련의 이러하 타게팅된 단계들을 나타낸다. 도 6A-D는, 반도체 스택 상에서 수행되는 도 5A로부터의 흐름도의 단계들을 나타내는 단면도들을 나타낸다.
도 6A에 상응하는 흐름도(500)의 단계(502)를 참조하면, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 시작시에, 반도체 스택(600)은 기판(602), 에칭 층(604), 및 마스크(606)를 포함한다. 마스크(606)는 저밀도 영역(608), 중밀도 영역(610) 및 고밀도 영역(612)으로 패턴화된다. 기판(602), 에칭 층(604), 및 마스크(606)는 도 4A로부터의 기판(402), 에칭 층(404) 및 마스크(406)와 관련하여 설명한 임의 물질들로 각각 구성될 수 있다. 반도체 스택(600)은 보다 복잡한 물질 층들 및/또는 패턴 타입들의 스택을 포함할 수 있다, 여기에서는 설명을 위한 방식으로 도시하였다.
도 6B에 상응하는 흐름도(500)의 단계(504)를 참조하면, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에서 듀티 사이클의 ON 상태 동안에 마스크(606)의 패턴이 에칭 층(604)으로 부분적으로 에칭되어 부분적으로 패턴화된 에칭 층(614A)을 형성한다. 도 6B에 도시된 바와 같이, 에칭 층(604)의 비-마스크(unmasked) 부분에는 플라즈마 에칭 종들(620)들이 접근할 수 있는 반면, 마스크(606)에 의해서 덮여진 에칭 층(604)의 마스크 부분은 플라즈마 에칭 종들(620)으로부터 보호된다. 에칭 부산물들(616)이 반도체 스택(600)의 반응 영역(618) 내에서 생성된다.
에칭 종들(620)은 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에서 이용되는 플라즈마로부터 방사된 임의의 대전 종들 및 반응성 중성체들(neutrals)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라, 에칭 종들(620)은 포지티브-대전된 이온들 및 라디칼들로 구성된다. 일 실시예에서, 반응 가스는 HBr, He 및 O2 로 구성되고, 에칭 종들(620)은 H+, Br+, He+, O+, H, Br 및 O 로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 반응 가스는 플루오르카본으로 구성되고, 에칭 종들(620)은 F+, CF+, CF2 + 및 CF3 +, F, CF, CF2 그리고 CF3 로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 에칭 부산물들(616)이 에칭 종들(620) 및 반도체 층(604)으로부터의 원자들의 임의의 조합으로 구성될 수 있다. 특정 실시예에서, 에칭 종들(620)은 할라이드 양이온(cation) X+ 및/또는 할라이드 라디칼 X (X = F, Cl, Br)로 구성되고, 반도체 층(604)은 실리콘 원자들로 구성되며, 그리고 에칭 부산물들(616)은 중성 종들 SiXn 들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 부산물로 구성되며, 이때 n 은 1, 2, 3 또는 4 이다.
부분적으로 패턴화된 에칭 층(614A)의 모든 밀도 영역들(608, 610 및 612)에 대해서 실질적으로 유사한 에칭 속도를 유지하면서 에칭 효율을 최대화하기 위해서, 듀티 사이클의 ON 상태의 지속시간이 선택될 수 있다. 도 6B에 도시된 바와 같이, 부분적으로 패턴화된 에칭 층(614A)의 부분적으로 에칭된 피쳐들 사이에서, 즉 반응 영역(618) 내에서, 에칭 부산물들(616)이 형성되고 적어도 소정 시간 동안 존재한다. 반응 영역(618)은 형성되는 에칭 부산물들(616)이 플라즈마 에칭 종들(620)을 방해(interfere)할 수 있는 반도체 스택(600)에 인접한 영역이다. 즉, ON 사이클의 지속시간을 통해서 반응 영역(618) 내에서 에칭 부산물들(616)의 양이 증대됨에 따라서, 플라즈마 에칭 종들(620)이 부분적으로 패턴화된 에칭 층(604)의 비-마스크 부분들로 접근하는 것을 방해를 받는다. 플라즈마 에칭 종들(620)의 그러한 방해는 낮은 구조물 밀도 영역들에 비해서 높은 구조물 밀도 영역들에서 보다 심각할 수 있으며, 이는 저밀도 영역들의 에칭 속도에 대비하여 고밀도 영역들에서의 에칭 속도를 늦추게 된다. 그에 따라, 본 발명의 실시예에 따라, 낮은 밀도 영역의 에칭 속도에 대한 높은 밀도 영역의 에칭 속도를 늦추기에 충분한 양의 에칭 부산물들이 생성되는 시간 보다 적게 또는 최대로는 이에 대응되도록, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에서 듀티 사이클의 ON 상태가 선택된다. 일 실시예에서, 부분적으로 패턴화된 에칭 층(614A)의 에칭 속도가 마스크(606)의 패턴의 밀도에 의존하게 되는 시간에 실질적으로 매칭(match)되도록 ON 상태의 지속시간이 선택된다. 다른 실시예에서, ON 상태는 반응 영역(618) 내에서 마이크로-로딩을 실질적으로 방지할 수 있는 충분히 짧은 지속시간이 될 것이다. 일 실시예에서, ON 상태의 지속시간은 도 4B와 관련하여 논의되는 듀티 사이클의 ON 상태에 대해서 설명된 범위들 중 임의의 범위 이내이다. 듀티 사이클의 ON 상태 동안에 반도체 스택(600)에 인가되는 네거티브 바이어스는 플라즈마로부터 방출되는 포지티브-대전된 에칭 종들의 편향을 완화시키기에 충분하여야 할 것이다. 본 발명의 실시예에 따라, 듀티 사이클의 ON 상태 동안 반도체 스택(600)에 인가되는 네거티브 바이어스는 5 - 1000 Watts 범위 내이다. 특정 실시예에서, 듀티 사이클의 ON 상태 동안 반도체 스택(600)에 인가되는 네거티브 바이어스는 100 - 200 Watts 이다.
도 6C에 상응하는 흐름도(500)의 단계(506)을 참조하면, 플라즈마가 OFF 상태이며, 그에 따라 에칭 종들(620)은 더 이상 반도체 스택(600)의 반응 영역(618) 내에 존재하지 않는다. 도 6C에 도시된 바와 같이, 에칭 부산물들(616)이 반응 영역(618)으로부터 제거되고 그리고 반도체 스택(600)은 제로-바이어스된다.
에칭 부산물들(616)이 반응 영역(618)으로부터 제거(즉, 산개(dissipate) 또는 배출)될 수 있는 충분한 시간을 부여하도록, 듀티 사이클의 OFF 상태의 지속시간이 선택될 수 있다. 전술한 바와 같이, ON 상태 동안에, 에칭 부산물들(616)이 반응 영역(618) 내에서 형성된다. 추가적으로, 플라즈마의 ON 상태로부터 OFF 상태로의 전환 중에, 플라즈마 가스가 중성화됨에 따라 네거티브 대전된 이온들이 플라즈마로부터 방사될 수 있을 것이며, 그에 따라 새로운 세트의 에칭 종들을 생성할 수 있다. 이들 새로운 에칭 종들은 반응 영역(618) 내에 존재하는 에칭 부산물들의 양을 추가로 증대시킬 수 있다(contribute).
듀티 사이클의 OFF 상태의 시작시에, 부산물들(616)의 농도는 반응 영역(618)의 외부에서 보다 반응 영역(618)의 내부에서 실질적으로 클 수 있다. 그에 따라, 자연적인 확산 구배가 형성될 것이고 그리고 에칭 부산물들(616)이 반응 영역(618)으로부터 외부로 확산될 것이다. 이러한 프로세스는 추가적인 압력 구배에 의해서 강화될 것이다. 즉, ON 상태 동안의 에칭 부산물들(616)의 축적과 함께, 반응 영역(618) 내의 압력이 반응 영역(618) 외부의 압력 보다 커질 것이며, 그에 따라 에칭 부산물들(616)의 압출(extrusion)을 촉진할 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라, 반응 영역(618)으로부터의 에칭 부산물들(616)의 세트의 실질적인 제거를 가능케하도록 충분한 긴 지속시간이 되도록, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에서의 듀티 사이클의 OFF 상태가 선택된다. 다른 실시예에서, 반응 영역(618) 내에 잔류하는 모든 에칭 부산물들이 후속 듀티 사이클의 ON 상태 동안 에칭 종들과 실질적으로 간섭하지 않도록, 충분한 양의 에칭 부산물들(616)이 제거된다. 그러한 하나의 실시예에서, 에칭 부산물들(616)의 50% 초과가 반응 영역(618)으로부터 제거되는 시간에 실질적으로 매칭하도록, OFF 상태의 지속시간이 선택된다. 다른 실시예에서, 에칭 부산물들(616)의 75% 초과가 반응 영역(618)으로부터 제거되는 시간에 실질적으로 매칭하도록, OFF 상태의 지속시간이 선택된다. 대안적인 실시예에서, OFF 상태의 지속시간은 도 4B와 관련하여 논의되는 듀티 사이클의 OFF 상태에 대해서 설명한 범위 중 임의의 범위 이내이다.
도 6D-E에 상응하는 흐름도(500)의 단계(508)를 참조하면, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 후속 듀티 사이클 동안에 마스크(606)의 패턴이 에칭 층(604)으로 계속적으로 에칭되어, 보다 광범위하게 에칭된 부분적으로 패턴화된 에칭 층(614B)을 형성한다. 원하는 양의 에칭 층(604)이 에칭될 때까지 듀티 사이클들(즉, 단계 508)이 반복될 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 실시예에 따라, 에칭 층(604)의 일부가 복수의 듀티 사이클들을 포함하는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 이용하여 제거된다. 듀티 사이클의 ON 상태 동안 네거티브 바이어스가 샘플에 인가되는 한편, 듀티 사이클의 OFF 상태 동안 제로-바이어스가 샘플에 인가된다. 도 5B는, 파형 형태로 나타낸, 듀티 사이클의 타임 라인을 도시한다.
도 6F에 상응하는 흐름도(500)의 단계(510)를 참조하면, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스가 원하는 양의 에칭 층(604)이 제거된 후에 종료된다. 에칭 층(604)의 에칭의 완료까지 전술한 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 이용함으로써, 에칭 프로세스가 밀도 영역들(608, 610 및 612)에서 실질적으로 동일한 시간에 완료된다. 그에 따라, 무시할 수 있을 정도의 과다-에칭 만이 패턴화된 에칭 층(624)을 형성하기 위해 요구될 수도 있다. 그와 같은 경우에, 패턴화된 에칭 층(624)의 여러 구조물들의 유해한 언더컷팅이 상당히 완화될 수 있을 것이며, 이는 도 6F에서의 언더컷팅 부재로 도시된 바와 같다. 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 프로세스를 언제 종료하는지에 대한 결정은 임의의 적절한 인자들에 의해서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 종료는 미리결정된 시간에서의 듀티 사이클의 반복의 만료(ending)에 의해 결정된다. 대안적인 실시예에서, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 종료는 에칭 층(604)의 에칭의 완료시에 에칭 부산물들(616)의 변화 및 기판(602) 상부 표면의 대응하는 노출을 탐지함으로써 결정된다. 다른 실시예에서, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 종료는 간섭계 검출(interferometric) 기법을 이용하여 트렌치의 깊이를 측정함으로써 결정된다.
펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스는 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스와 조합될 수 있다. 예를 들어, 반도체 스택의 일부가 에칭될 때까지 반도체 스택의 밀도 영역들을 구분하는 에칭 속도 편차가 크지 않은 경우에 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스와 조합될 수 있을 것인데, 이는 에칭 프로세스가 패턴의 종횡비가 높을 수록 보다 심각한 마이크로-로딩을 겪을 수 있기 때문이다. 그와 같은 경우에, 특정 깊이에 도달할 때까지, 반도체 스택의 제 1 부분을 에칭하기 위해서 연속적인 플라즈마를 인가하고, 이어서 반도체 스택의 제 2 부분을 제거하기 위해서 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 인가하는 것이 보다 효율적일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 원하는 깊이에 도달할 때까지 반도체 스택이 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스에 의해서 에칭된다. 이어서, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 이용함으로써, 반도체 스택의 에칭이 완료된다. 일 실시예에서, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 연속적인/펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 이용하여 단일-웨이퍼 프로세싱 툴(tool)에서의 웨이퍼들의 생산성을 증대시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 이러한 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 연속적인/펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스가 도 7A-C에 도시되어 있다. 마스크(712)를 이용하여 패턴화된 에칭 층(704)(도 7A 참조)이 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스로 부분적으로 패턴화된다(도 7B 참조). 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스가 후속하여 채용되어, 도 7C에 도시된 바와 같이, 에칭-정지 층(706)에서 에칭이 중단될 때까지, 에칭 층(704)의 에칭을 완료한다. 일 실시예에서, 플라즈마 에칭 프로세스가 연속적인 형태로부터 펄스화된 형태로 변경되는 깊이는 가장 높은 구조물 밀도의 영역의 간격 폭(spacing width)의 0.5-4배 범위에서 선택된다. 일 실시예에서, 그러한 깊이는 구조물 밀도가 가장 높은 영역의 간격 폭과 실질적으로 동일하도록, 즉 가장 높은 밀도의 구조물들 사이에서 1의 종횡비가 달성되도록 선택된다.
도 8은, 본 발명의 실시예에 따른, 연속 플라즈마 에칭 프로세스와 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 후속 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 조합하는(combining) 일련의 단계들을 나타내는 흐름도이다. 도 9A-D는, 더 복잡한 반도체 스택 상에서 수행되는 도 8의 흐름도의 단계들을 도시한 단면도를 도시한다.
도 9A에 상응하는 흐름도(800)의 단계(802)를 참조하면, 연속적인/펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 시작시에, 반도체 스택(900)은 기판(902), 2개의 에칭 층들(904 및 908), 2개의 유전체 층들(906 및 910), 그리고 마스크(912)를 포함한다. 기판(902), 에칭 층들(904 및 908), 그리고 마스크(912)는, 도 4A에서의, 기판(402), 에칭 층(404) 및 마스크(406)와 관련하여 설명한 임의의 물질로 각각 구성될 수 있다. 반도체 스택(900)은 보다 복잡한 또는 덜 복잡한 물질 층들의 스택을 포함할 수 있을 것이나, 여기에서는 설명의 목적을 위한 방식으로 도시하였다. 일 실시예에서, 반도체 스택(900)은 통상적인 플래시 메모리 스택에서와 발견되는 바와 같이 폴리-실리콘/SiON/폴리-실리콘/SiO2 로 구성된다.
유전체 층들(906 및 910)은 반도체 스택의 전도성 부분들을 절연하기에 적합한 임의의 물질로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 유전체 층들(906 및 910)은 실리콘 디옥사이드, 실리콘 옥시-니트라이드 및 실리콘 니트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 절연 물질로 구성된다. 다른 예에서, 유전체 층들(906 및 910)은 하프늄 옥사이드, 하프늄 실리케이트, 란탄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 지르코늄 실리케이트, 탄탈륨 옥사이드, 바륨 스트론튬 티타네이트, 바륨 티타네이트, 스트론튬 티타네이트, 이트륨 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 납 스칸듐 탄탈륨 옥사이드 및 납 아연 니오베이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 고-k 유전체 층으로 구성된다.
도 9B에 대응하는 흐름도(800)의 단계(804)를 참조하면, 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스를 이용하여 에칭 층(904)에 마스크(912)의 패턴이 에칭되어 패턴화된 에칭 층(914)을 형성한다. 반도체 스택(900)의 제 1 부분의 밀도 영역들을 구분하기 위한 에칭 속도 편차가 크지 않을 경우에, 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스는 에칭 층(904)의 에칭을 위해 충분할 수 있다. 패턴화된 에칭 층(914)을 형성하기 위해서 연속적인 플라즈마 프로세스에서 이용하기 위한 플라즈마를 생성하는 방법은 연속적인 에칭 프로세스의 지속시간을 충족시키기에 충분한 지속시간 동안 플라즈마를 타격하고 유지하기에 적합한 임의의 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라, 연속적인 플라즈마 생성 방법은 전자 사이클로트론 공진(ECS) 플라즈마, 헬리콘 웨이브 플라즈마, 유도 결합 플라즈마(ICP), 및 표면 웨이브 플라즈마로 이루어진 그룹으로부터 선택된 플라즈마 생성 방법을 포함한다. 특정 실시예에서, 연속적인 플라즈마 생성 방법은 Applied MaterialsTM AdvantEdge G3 etcher에서 유도 결합 플라즈마를 생성하는 방법을 포함한다.
도 9B에 상응하는 흐름도(800)의 단계(806)를 참조하면, 연속적인 플라즈마 프로세스를 언제 종료하는지에 대한 결정은 임의의 적절한 인자들에 의해서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라, 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스의 종료는 에칭되는 물질의 특성을 기초로 하는 미리결정된 시간의 만료에 의해서 결정된다. 대안적인 실시예에서, 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스의 종료는 에칭 층(904)의 에칭 완료시에 에칭 부산물들의 변화 및 유전체 층(906) 상부 표면의 대응하는 노출의 탐지에 의해서, 즉 종료점(end-point) 탐지에 의해서 결정된다. 일 실시예에서, 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스의 종료는 연속적인 에칭 프로세스 중에 생성되는 화학적 종들의 세트의 실시간 구성물에 의해서 결정된다. 도 9C를 참조하면, 유전체 층(906)의 노출된 부분들이 제거되어, 에칭 층(904)의 패터닝에 후속하는 패턴화된 유전체 층(916)을 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 유전체 층(906)의 노출된 부분들이 습식 에칭 프로세스, 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스 및 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 에칭 프로세스에 의해서 제거된다.
도 9C-D에 상응하는 흐름도(800)의 단계들(808, 810 및 812)을 참조하면, 마스크(912)의 패턴이 반도체 스택(900)으로 계속적으로 에칭된다. 이러한 지점에서, 반도체 스택(900)의 제 1 부분이 이미 에칭되었기 때문에, 에칭 층(908)의 밀도 영역들을 구분하기 위한 에칭 속도의 편차가 중요해질 수 있으며, 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 적용을 필요로 하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 이용하여 에칭 층(908)을 패터닝함으로써 패턴화된 에칭 층(914)을 형성한다. 원하는 양의 에칭 층(908)이 에칭될 때까지 듀티 사이클들(즉, 단계 712)이 반복될 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 실시예에 따라, 반도체 스택(900)의 제 1 부분이 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스에 의해서 패턴화되고 그리고 반도체 스택(900)의 제 2 부분이 복수의 듀티 사이클들을 포함하는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에 의해서 패터닝된다. 듀티 사이클의 ON 상태 동안 네거티브 바이어스가 샘플에 인가되는 한편, 듀티 사이클의 OFF 상태 동안 제로-바이어스가 샘플에 인가된다.
도 9D에 상응하는 흐름도(800)의 단계(814)를 참조하면, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스가 원하는 양의 에칭 층(908)이 제거된 후에 종료된다. 에칭 층(908)의 에칭의 완료까지 전술한 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 이용함으로써, 에칭 프로세스는 여러 밀도 영역들에서 실질적으로 동일한 시간에 완료된다. 그에 따라, 무시할 수 있을 정도의 과다-에칭 만이 패턴화된 에칭 층(918)을 형성하기 위해 요구될 수도 있다. 그와 같은 경우에, 패턴화된 에칭 층(918)의 여러 구조물들의 유해한 언더컷팅이 상당히 완화될 수 있을 것이며, 이는 도 9D에서의 언더컷팅 부재로 도시된 바와 같다. 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 프로세스를 언제 종료하는지에 대한 결정은 임의의 적절한 인자들에 의해서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 종료는 미리결정된 시간의 듀티 사이클들의 반복 만료에 의해서 결정된다. 대안적인 실시예에서, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 종료는 에칭 층(908)의 에칭의 완료시의 에칭 부산물들의 변화 및 유전체 층(910) 상부 표면의 대응하는 노출을 탐지함으로써 결정된다.
전술한 바와 같이, 연속적인 그리고 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 조합하는 접근 방식은 주기적인(cyclic) 연속적인/펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스들의 인가에 의해서 보다 복잡한 물질 스택들에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라, 반도체 스택의 제 1 부분이 제 1 의 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스에 의해서 패턴화되고, 반도체 스택의 제 2 부분이 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 제 1의 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에 의해서 패턴화되며, 반도체 스택의 제 3 부분이 제 2의 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스에 의해서 패턴화되며, 반도체 스택의 제 4 부분은 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 제 2 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에 의해 패턴화된다. 특정 실시예에서, 반도체 스택(900)의 에칭 층(904) 역시 제 1의 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스를 이용하여 패턴화되고, 이어서 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 제 1의 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스가 후속된다. 이어서, 에칭 층(908)은 제 2의 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스를 이용하여 패턴화되고, 이어서 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 제 2의 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스가 후속된다.
펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스는 에칭하기 위한 샘플에 근접하여 에칭 플라즈마를 제공하기에 적합한 임의의 프로세싱 설비에서 실시될 수 있다. 도 10은, 본 발명의 실시예에 따라, 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스가 내부에서 실시되는 시스템을 도시한다.
도 10을 참조하면, 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스를 실시하기 위한 시스템(1000)은 샘플 홀더(1004)를 구비한 챔버(1002)를 포함한다. 배기 장치(1006), 가스 유입구 장치(1008), 및 플라즈마 점화(ignigion) 장치(1010)가 챔버(1002)와 커플링된다. 전압 소오스(source)(1014)가 샘플 홀더(1004)와 커플링된다. 연산 장치(1012)가 플라즈마 점화 장치(1010) 및 전압 소오스(1014)와 커플링된다. 시스템(1000)은 챔버(1002)와 커플링된 탐지기(1016)를 추가적으로 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 연산 장치(1012)는 또한 배기 장치(1006), 가스 유입구 장치(1008), 및 탐지기(1016)와 커플링될 수 있다.
챔버(1002) 및 샘플 홀더(1004)는, 이온화된 가스 즉, 플라즈마를 수용하기에 적합하고 그리고 샘플을 이온화된 가스 또는 그로부터 방사된 대전된 종들에 근접시키기에 적합한, 샘플 포지셔닝(positioning) 장치 및 임의의 반응 챔버를 포함할 수 있다. 배기 장치(1006)는 챔버(1002)를 감압하고 배기하기에 적합한 임의의 장치일 수 있다. 가스 유입구 장치(1008)는 챔버(1002) 내로 반응 가스를 주입하기에 적합한 임의 장치일 수 있다. 플라즈마 점화 장치(1010)는 가스 유입구 장치(1008)에 의해서 챔버(1002) 내로 분사되는 반응 가스로부터 유도되는 플라즈마 점화에 적합한 임의의 장치일 수 있다. 탐지 장치(1016)는 프로세싱 단계의 종료점을 탐지하기에 적합한 임의의 장치일 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 Applied MaterialsTM AdvantEdge G3 etcher에 포함되는 것과 동일한, 또는 그와 유사한 챔버(1002), 샘플 홀더(1004), 배기 장치(1006), 가스 유입구 장치(1008), 플라즈마 점화 장치(1010), 및 탐지기(1016)를 포함한다.
연산 장치(1012)는 프로세서 및 메모리를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라, 연산 장치(1012)의 메모리는 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에서 플라즈마의 ON 상태와 OFF 상태 사이의 스위칭을 위해서 플라즈마 점화 장치(1010)를 제어하기 위한 명령어(instructions) 세트를 포함한다. 일 실시예에서, 명령어 세트는 복수의 듀티 사이클들을 유효화할 수 있는 기계 작동 코드를 포함하며, 여기서 각각의 듀티 사이클은 플라즈마의 하나의 ON 상태와 하나의 OFF 상태의 조합을 나타낸다. 연산 장치(1012)의 메모리는 또한 네거티브 바이어스와 제로 바이어스 사이의 스위칭을 위한 전압 소오스(1014) 제어용 명령어 세트를 포함한다. 네거티브 바이어스는 플라즈마의 ON 상태 동안 상기 샘플 홀더(1004)에 인가되는 한편, 제로 바이어스는 플라즈마의 OFF 상태 동안 샘플 홀더(1004)에 인가된다. 특정 실시예에서, 플라즈마 점화 장치(1010)를 제어하기 위한 명령어 세트는 ON 상태가 듀티 사이클의 지속시간의 5 - 95% 범위 내가 되도록 하는 각 듀티 사이클에 대한 타이밍 명령어들을 포함한다. 실시예에서, 플라즈마 점화 장치(1010)를 제어하기 위한 명령어 세트는 ON 상태가 듀티 사이클의 지속시간의 65 - 75% 범위 내가 되도록 하는 각 듀티 사이클에 대한 타이밍 명령어들을 포함한다. 다른 실시예에서, 플라즈마 점화 장치(1010)를 제어하기 위한 명령어 세트는 복수의 듀티 사이클들의 주파수가 1Hz - 200 kHz 범위 내가 되도록 즉, 각 듀티 사이클이 5 마이크로-초 내지 1 초 범위 내의 지속시간을 가지도록 하는 타이밍 명령어들을 포함한다. 특정 실시예에서, 플라즈마 점화 장치(1010)를 제어하기 위한 명령어 세트는 복수의 듀티 사이클들의 주파수가 50 kHz 가 되도록 그리고 ON 상태로 구성되는 각 듀티 사이클의 부분이 70% 가 되도록 하는 타이밍 명령어들을 포함한다. 일 실시예에서, 듀티 사이클의 ON 상태 동안에 전압 소오스(1014)에 의해서 샘플 홀더(1004)로 인가되는 네거티브 바이어스는 5 - 1000 Watts 범위 내이다. 특정 실시예에서, 듀티 사이클의 ON 상태 동안에 전압 소오스(1014)에 의해서 샘플 홀더(1004)로 인가되는 네거티브 바이어스는 100-200 Watts 범위 내이다.
도 11A-B는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 10의 시스템의 챔버를 플라즈마 ON 상태 및 플라즈마 OFF 상태 상태에서 각각 도시한다. 도 11A를 참조하면, 시스템(1000)의 챔버(1002)는 ON 상태에서 그리고 샘플 홀더(1004) 상의 샘플(1102)에 인접하여 플라즈마(1100)를 포함한다. 반응 영역(1104)이 샘플(1002)에 직접 인접한다. 에칭 프로세스 동안에, 반응 영역(1104) 내에서 에칭 부산물들이 형성되고 적어도 어느 정도의 시간 동안 존재하게 될 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라, 플라즈마 점화 장치(1010)를 제어하기 위한 명령어 세트는, ON 상태가 반응 영역(1104) 내에서 마이크로-로딩을 실질적으로 방지할 수 있는 충분히 짧은 지속시간이 되도록 하는 타이밍 명령어들을 포함한다. 도 11B를 참조하면, 시스템(1000)의 챔버(1002)는 OFF 상태(즉, 중성 반응 가스)의 플라즈마를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라, 플라즈마 점화 장치(1010)를 제어하기 위한 명령어 세트는, 반응 영역(1104)으로부터 에칭 부산물들의 세트를 실질적으로 제거할 수 있는 충분한 긴 지속시간이 되도록 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스 내의 듀티 사이클의 OFF 상태가 선택될 수 있게 하는 타이밍 명령어들을 포함한다.
펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에서 듀티 사이클의 ON 상태 동안에, 포지티브 대전(charge)이 에칭되는 샘플에 부여될 수 있다. 일부 경우에, 샘플의 포지티브 대전이 플라즈마로부터 방사되는 포지티브 대전 에칭 종들을 부분적으로 편향시키기에 충분히 클 수 있다. 에칭 종들의 그러한 편향은 특정 샘플로 에칭되는 피쳐들의 유해한 언더컷팅을 초래할 수 있다. 에칭 프로세스 동안에 샘플을 네거티브 대전 상태로 바이어싱함으로써, 포지티브 대전된 입자들의 편향이 완화될 수 있다. 한편, 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스에서 듀티 사이클의 ON 상태로부터 OFF 상태로의 전환 중에, 샘플이 네거티브로 바이어스된다면 플라즈마로부터 네거티브-대전된 입자들이 방전(discharge)되는 것이 방지될 수 있다. 듀티 사이클의 OFF 상태 동안 샘플을 제로-바이어싱함으로써, 그리고 그에 따라 플라즈마 방전으로서 방출되는(emitted) 네거티브-대전된 입자들을 추방(repelling)하지 않음으로써, 플라즈마 방전에 필요한 시간이 감소될 수 있다. 추가적으로, 네거티브 대전된 종들이 에칭 프로세스에 기여를 할 것이고, 그에 따라 에칭 프로세스를 향상시킬 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라, 펄스화된 샘플 바이어스 프로세스가 펄스화된 플라즈마 프로세스와 병행하여 실시된다. 즉, 샘플은 ON 상태 동안 네거티브로 바이어스되고 그리고 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 듀티 사이클의 OFF 상태 동안 제로-바이어스된다.
도 12A-D는, 본 발명의 실시예에 따라, 플라즈마 ON/바이어스 OFF 상태, 플라즈마 ON/바이어스 ON 상태, 플라즈마 OFF/바이어스 ON 상태, 그리고 플라즈마 OFF/바이어스 OFF 상태에서 도 10의 시스템(1000)의 챔버(1002)를 각각 도시한다. 전압 소오스(1014)가 샘플 홀더(1004)에 커플링되고 그리고 듀티 사이클의 ON 상태 동안 샘플 홀더(1004) 및 그에 따른 샘플(1102)을 바이어스시키는데 이용된다. 도 12A를 참조하면, 전압 소오스(1014)가 OFF 상태에 있고, 그리고 플라즈마(1100)로부터 방사되는 포지티브 대전 에칭 종들이 샘플(1102)의 표면 부근에서 부분적으로 편향된다. 그러나, 도 12B를 참조하면, 전압 소오스(1014)가 ON 상태(즉, 샘플 홀더(1004)를 네거티브 바이어싱)에 있고, 그에 따라, 플라즈마(1100)로부터 방사된 포지티브 대전 에칭 종들이 샘플(1102)의 표면 부근에서 직교적인 궤적(orthogonal trajectory)(즉, 이방성(anisotropic) 궤적)으로 유지된다. 본 발명의 실시예에 따라, 듀티 사이클의 ON 상태 동안 5-1000 Watts 범위 내로 네거티브 바이어스를 샘플 홀더(1004)로 인가하기 위해서 전압 소오스(1014)가 이용된다. 특정 실시예에서, 듀티 사이클의 ON 상태 동안 100-200 Watts 범위 내로 네거티브 바이어스를 샘플 홀더(1004)로 인가하기 위해서 전압 소오스(1014)가 이용된다. 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스는 (연속적인 플라즈마 에칭 프로세스에 대비할 때) 에칭 프로세스 동안에 샘플(1102)상에 누적되는 포지티브 대전의 정도를 감소시킬 수 있다. 그러나, 전압 소오스(1014)를 이용한 추가적인 샘플 홀더(1004) 바이어싱 단계가 또한 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 일부로서 이용되어, 에칭 프로세스 동안에 구조물들의 언더컷팅 완화를 최적화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 전압 소오스(1014)를 이용하여 샘플 홀더(1004)를 바이어싱하는 추가적인 단계가, 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 듀티 사이클의 ON 상태의 지속시간을 연장하기 위해 사용된다.
도 12C를 참조하면, 전압 소오스(1014)가 ON 상태에 있고 그리고 플라즈마 ON 상태로부터 플라즈마 OFF 상태로의 전환 중에 방사되는 네거티브-대전된 입자들이 샘플(1102)의 표면에 접근하는 것이 방지되어, 그에 따라 플라즈마 OFF 상태 단계를 느리게 한다(slowing). 그러나, 도 12D를 참조하면, 전압 소오스(1014)가 OFF 상태(즉, 샘플 홀더(1004)를 제로-바이어싱)이고, 그에 따라, 플라즈마 ON 상태로부터 플라즈마 OFF 상태로 전환하는 동안에 방사되는 네거티브-대전 입자들이 샘플(1102)의 표면으로 접근하는 것이 방지된다. 본 발명의 실시예에 따라, 듀티 사이클의 OFF 상태 동안에 샘플 홀더(1004)에 제로 바이어스를 인가하기 위해서, 전압 소오스(1014)가 오프된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라, 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 듀티 사이클의 ON 상태의 지속시간을 연장시키기 위해서 샘플 홀더(1004)가 전압 소오스(1014)에 의해서 네거티브 바이어스되는 한편, 듀티 사이클의 OFF 상태의 지속시간을 감소시키기 위해서 샘플 홀더(1004)는 전압 소오스(1014)에 의해서 제로-바이어스된다.
따라서, 반도체 구조물을 에칭하기 위한 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 시스템이 개시된다. 일 실시예에서, 샘플의 부분이 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 인가에 의해서 제거되고, 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스는 복수의 듀티 사이클들을 포함한다. 네거티브 바이어스가 각 듀티 사이클의 ON 상태 동안 샘플에 인가되는 한편, 제로 바이어스가 각각의 듀티 사이클의 OFF 상태 동안 샘플로 인가된다. 다른 실시예에서, 샘플의 제 1 부분이 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스의 인가에 의해서 제거된다. 이어서, 그러한 연속적인 플라즈마 에칭 프로세스가 종료되고, 샘플의 제 2 부분이 펄스화된 샘플 바이어스를 가지는 펄스화된 플라즈마 에칭 프로세스의 인가에 의해서 제거된다. 펄스화된 샘플 바이어스 프로세스가 펄스화된 플라즈마 프로세스와 반드시 연관될 필요가 없다는 것을 이해하도록 한다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 펄스화된 플라즈마 듀티 사이클의 ON 상태와 펄스화된 샘플 바이어스의 ON 상태가 서로 독립적이 된다. 다른 실시예에서, 펄스화된 플라즈마 듀티 사이클의 OFF 상태 및 펄스화된 샘플 바이어스의 OFF 상태가 서로 독립적이다.

Claims (23)

  1. 샘플을 에칭하기 위한 방법으로서:
    연속적인 플라즈마 프로세스를 인가함으로써 제 1 구성물을 갖는, 상기 샘플의 제 1 부분을 제거하는 단계;
    상기 연속적인 플라즈마 프로세스를 종료하는 단계; 그리고
    펄스화 플라즈마 프로세스를 인가함으로써 상기 제 1 구성물과 상이한 제 2 구성물을 갖는, 상기 샘플의 제 2 부분을 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 펄스화된 플라즈마 프로세스는 복수의 듀티 사이클들을 포함하고, 각각의 듀티 사이클은 플라즈마의 ON 상태와 OFF 상태의 조합을 나타내는,
    샘플을 에칭하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 듀티 사이클의 지속시간이 5 마이크로-초 내지 1초의 범위인,
    샘플을 에칭하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속적인 플라즈마 프로세스를 종료하는 단계는 상기 샘플의 특성에 기초하여 미리결정된 시간에서 종료되는 것을 포함하는,
    샘플을 에칭하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 2의 연속적인 플라즈마 프로세스를 인가함으로써 상기 제 2 구성물과 상이한 제 3 구성물을 갖는, 상기 샘플의 제 3 부분을 제거하는 단계;
    상기 2의 연속적인 플라즈마 프로세스를 종료하는 단계; 그리고
    제 2 의 펄스화 플라즈마 프로세스를 인가함으로써 상기 제 3 구성물과 상이한 제 4 구성물을 갖는, 상기 샘플의 제 4 부분을 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 제 2의 펄스화된 플라즈마 프로세스는 복수의 제 2 듀티 사이클들을 포함하고, 각각의 듀티 사이클은 제 2 플라즈마의 ON 상태와 OFF 상태의 조합을 나타내는,
    샘플을 에칭하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 ON 상태로 구성되는 각각의 듀티 사이클의 부분은 5 - 95% 범위인,
    샘플을 에칭하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 듀티 사이클들의 주파수가 1 Hz - 200 kHz 범위인,
    샘플을 에칭하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속적인 에칭 프로세스를 종료하는 단계는 종점을 검출하는 것을 포함하는,
    샘플을 에칭하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 종점은 연속적인 에칭 프로세스 동안 생성되는 화학 종 세트의 실시간 구성물에 의해 검출되는,
    샘플을 에칭하기 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 종점은 간섭계에 의해 측정되는 실시간 필름 두께에 의해 검출되는,
    샘플을 에칭하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    네거티브 바이어스가 상기 ON 상태 동안 상기 샘플로 인가되고, 그리고 제로 바이어스가 상기 OFF 상태 동안 상기 샘플로 인가되는,
    샘플을 에칭하기 위한 방법.
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