KR101680379B1 - 저온에서 플라즈마 인가 원자층 증착법에 의한 산화규소박막 증착 방법 - Google Patents

저온에서 플라즈마 인가 원자층 증착법에 의한 산화규소박막 증착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마인가원자막증착법(PEALD, plasma enhanced atomic layer deposition)에 의해 기판 위의 레지스트 패턴 또는 에칭된 라인 위에 산화규소(SiO2)박막을 증착시키는 방법에 있어서, 기판 위에 레지스트 패턴 또는 에칭된 라인을 PEALD 반응장치에서 형성하는 제1단계; 증착 온도로서 상기 기판이 위치한 서셉터(susceptor)의 온도를 50℃ 또는 그 이하로 제어하는 제2단계; 증착온도가 50℃ 이하의 온도에서 안정적으로 제어되는 동안 PEALD 반응장치(PEALD reactor)에 실리콘 함유 전구체(silicon-containing precursor) 및 산소 공급 반응제(oxygen-supplying reactant)를 도입하고, RF전력을 일 사이클 내에서 공급하여 SiO2원자층을 상기 레지스트 패턴 또는 상기 에칭된 라인 위에 형성하는 제3단계; 및 상기 사이클을 일정한 온도에서 반복 수행하여 상기 레지스트 패턴 또는 상기 에칭된 라인 위에 SiO2원자층을 형성하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 위의 레지스트 패턴 또는 에칭된 라인 위에 SiO2박막을 증착시키는 방법에 관한 것이다.

Description

저온에서 플라즈마 인가 원자층 증착법에 의한 산화규소박막 증착 방법 {Method of Depositing Silicon Oxide Film by Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition at Low Temperature}
본 발명은 플라즈마 인가 원자층 증착법(PEALD; Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition, 이하 PEALD)에 의해 산화규소박막을 증착시키는 방법에 대한 것으로, 특히 플라즈마 인가 원자층 증착방법에 의한 박막 형성 과정 중에 손상에 의해 레지스트(resist) 등의 유기막(Organic film)의 변형이 발생하는 것을 방지하는 방법에 대한 발명이다.
SiO2 원자막증착법(atomic layer deposition)은 종래 박막을 증착하기 위해 300℃ 정도의 고온을 필요로 하였으나 최근 장비의 고집적화에 수반된, 리소그래피(lithography) 해상도 이상의 미세화에 대응하기 위해 레지스트 위에 등각SiO2박막(Conformal SiO2 Film)을 증착시킬 요구가 증가하였다. 그러나 다양한 종류의 모든 레지스트는 대부분이 유기체이므로 고온에서는 소실되는 문제가 있었다.
상기와 같이 종래의 PEALD 방식에 의해 SiO2박막을 증착시키는 방법은 300℃ 정도의 고온에서 박막을 증착하는 것이었으나 이로 인해 대부분이 유기체인 레지스트가 고온에서는 소실되는 문제점이 있었다. 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로 저온에서 SiO2박막을 레지스트 위에 증착시킬 수 있도록 하여 PEALD를 통해 기판(substrate) 위에 적층 구조를 형성하는 과정에 있어서 기판 위의 유기막이 손상되어 형상이 변형되는 것을 방지하고, 그럼으로써 리소그래피보다 고도의 미세한 패턴(pattern)을 만들 수 있도록 하는 것에 있다. 또한 박막증착온도와 박막증착속도 간의 관계를 제시하여 박막의 두께와 박막증착시간을 제어하는 것을 현저하게 간단하게 하고 생성량(throughput)을 향상시키는 것을 또 다른 목적으로 한다. 또한 종래의 모든 서셉터히터(susceptor heater)가 50℃ 미만에서 온도 제어가 불가능하여 50℃ 미만의 온도에서 박막을 증착하려면 히터를 종료하고 실온 하에서 프로세스를 진행할 수 밖에 없었다. 따라서 약 20℃ 내지 30℃ 정도의 실온에서 프로세스를 진행하므로 온도의 안정성 및 반복가능성을 얻을 수 없었던 문제점이 있었다. 상기 문제의 해결을 위해 본 발명은 서셉터(susceptor) 내부에 냉각재가 순환되는 칠러유닛(chiller unit)을 구비한 구조로 되어 있어 종래보다 낮은 온도의 제어가 가능해져 반복가능성이 우수한 저온 박막 증착이 가능해졌다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 플라즈마 인가 원자층 증착법(PEALD)에 의한 기판 위에 형성된 레지스트 패턴(pattern) 또는 에칭(etching)된 라인(line) 위에 산화규소박막을 증착시키는 방법에 있어서 다음과 같은 단계로 구성된 것을 특징으로 갖는다.
레지스트 패널 또는 에칭된 라인이 형성된 기판을 PEALD 반응장치 내에 제공하는 단계; 기판이 위치한 서셉터의 온도를 증착온도로 50℃ 이하로 제어하는 단계; 증착온도가 50℃ 미만의 일정한 온도로 제어되는 동안 일 사이클 내에서 PEALD 반응장치(PEALD reactor)에 실리콘 함유 전구체 및 산소 공급 반응제(O2 supplying reactant)를 도입하고 RF전력을 공급하여 산화규소원자막(atomic layer)을 레지스트 패턴 또는 에칭된 라인 위에 형성하는 단계; 및 상기 사이클을 일정한 온도에서 여러번 반복 수행하여 레지스트 패턴 또는 에칭된 라인 위에 산화규소원자막을 형성하는 단계.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 증착 온도는 40℃ 이하의 일정한 온도 또는 30℃ 이하의 일정한 온도로 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 사이클 내에서 실리콘 함유 전구체의 초과분을 제거하기 위해 PEALD 반응장치에 퍼지가스(purge gas)를 도입할 수도 있다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 사이클 내에서 제1 펄스에 실리콘 함유 전구체가 도입되고, 제2 펄스에 RF전력이 공급되며, 상기 제1 펄스와 제2 펄스는 중첩되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 산소 공급 반응제가 일정하게 도입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 사이클에서 퍼지가스가 일정하게 PEALD 반응장치 내에 도입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 실리콘 함유 전구체를 아미노 시레인(Amino Silane)으로 하는 것을 특징으로 한다. 또한 다른 실시예에 있어서는 상기 아미노 시레인 가스는 비스디에틸아미노시레인 (BDEAS, bisdiethylaminosilane), 비스에틸메틸아미노시레인 (BEMAS, bisethylmethylaminosilane), 트리스디에틸아미노시레인 (3DMA, trisdimethylaminosilane) 및 헥사키스에틸아미노시레인 (HEAD, hexakisethylaminosilane) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기의 실시예에 있어서, 산소 공급 가스는 산소 기체로 할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 퍼지 가스를 희(稀)가스(rare gas)로 할 수 있다. 다른 실시예에 있어선 상기 퍼지 가스로 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 가스를 사용할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 사이클의 지속시간이 1.5초 내지 3.0초인 것을 특징으로 하는 것이다. 다른 실시예에서는 약 1초 내지 약 5초 사이의 간격을 두는 것이다.
상기의 실시예에 있어서, SiO2층의 성장률을 0.120nm/사이클 이상으로 하는 것을 특징으로 한다. 다른 실시예에 있어서 SiO2층의 성장률을 약 0.125 nm/사이클 내지 약 0.145nm/사이클로 하는 것이다.
상기의 실시예에 있어서, 서셉터의 온도는 수식 y=-0.0005x + 0.1397에 따라서 세팅하는 것을 특징으로 한다. 여기서 y는 성장률(nm), x는 증착온도(℃)이다. 다른 실시예에선 성장률(nm) y'를 y±10%로 할 수도 있다.
상기의 실시예에 있어서, 증착 온도는 서셉터 내에 형성된 유로(流路, flow channel)를 통해 냉각재를 유동, 통과시켜 조정되는 것을 특징으로 한다.
상기의 실시예에 있어서, RF전력은 커패시티 결합된 평행 전극(capacitively coupled parallel electrodes)을 이용하여 공급되며, 여기서 서셉터가 낮은 전극으로 기능하면서 일(一) 기판을 고정시키고 있는 것을 특징으로 한다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 방법은 기판이 PEALD 반응장치 내에 제공되기 전에 다음의 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 이산화규소층의 성장률과 증착 온도간의 관계를 규정하는 표준곡선(standard curve)을 구하는 단계; 하나의 사이클 내에서 SiO2층의 성장률을 설정하는 단계; 및 표준곡선을 이용해서 설정된 성장률을 기본으로 하여 증착온도를 구하는 단계.
상기 단계를 포함하는 박막 증착 방법에 있어서 일실시예는 상기 표준곡선은 y = -0.0005x + 0.1397인 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서 y는 성장률(nm) 이고 x는 증착온도(℃)이다.
본 발명은 PEALD를 통해 기판 위에 적층 구조를 형성하는 과정에 있어서 기판 위의 유기막이 손상되어 형상이 변형되는 것을 방지하고, 그럼으로써 리소그래피보다 고도의 미세한 패턴을 만들 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명은 등각산화규소박막이 빠른 박막증착속도로 증착될 수 있는 것을 특징으로 한다. 상기에 있어서 산화규소박막은 PEALD에 의해 증착된 패턴화된 유기막 위에 성막(成膜)되는데, 이 경우 박막증착속도는 박막증착온도가 낮은 범위 내에서는 박막증착온도에 대해 일차함수 관계가 성립되어 이를 통해서 상기 박막증착속도를 제어할 수 있다는 특징이 있다. 이 경우 PEALD에 의한 SiO2박막증착프로세스 중의 유기막의 훼손과 변성은 50℃ 이하, 바람직하게는 약 40℃ 이하, 더욱 바람직하게는 30℃ 이하의 일정한 범위로 박막증착온도를 제어함으로써 효과적으로 방지될 수 있다. 발명자가 실험한 바에 의하면, 몇몇 경우에는 50℃에서도 손상에 의해 레지스트의 형태가 변형된다. 그러므로 저온의 박막증착온도에서 성막할 필요가 있다. 약 30℃ 또는 그 이하의 온도에서는 레지스트의 종류에 무관하게 실질적으로 상기 손상을 방지할 수 있다. 상기 온도 범위 내에서는 박막증착속도는 박막증착온도에 완벽한 일차함수 또는 거의 일차함수에 가까운 함수 관계로 성립하고 상기 함수에 따라 상기 박막증착속도를 제어하는 것이 가능해진다. 이러한 경우에서 박막의 두께와 박막증착시간을 제어하는 것은 현저하게 간단해지고, 생성량(throughput)이 향상된다. 상기에 있어서 박막증착속도는 놀랍게도 박막증착온도와 음(-)의 경사값을 갖는 일차함수의 관계가 성립된다는 것이다.
한편 PEALD를 이용한 SiO2박막증착에 있어서, 일(一) ALD(Atomic Layer Deposition) 사이클 중에 실리콘 함유 전구체(silicon-containing precursor)가스의 도입과 RF전력(RF power)의 추가를 각각 일 펄스(pulse)로 하고, 산소 공급 가스의 도입과 퍼지가스(Purge Gas)의 도입 및 배출이 일정하게 진행되도록 한다. 즉, 일 사이클 내에서 실리콘을 공급하는 전구체 기체의 도입 펄스와 RF 전력 공급 펄스의 길이 및 각 펄스 간의 인터벌을 제어하는 방법으로 (본 발명에 대한 실시예에서는 오직 상기 두 펄스를 제어하는 것에 의해서) PEALD에 의한 SiO2박막증착을 제어할 수 있다는 것이다.
또한 만약 50℃ 이하의 저온에서 SiO2박막을 증착시키는데 PEALD 방법을 사용한다면 종래의 서셉터히터를 이용해서 온도 제어하는 것은 곤란하였다. 종래의 어떤 서셉터히터도 대략 50℃ 정도가 온도 제어가 가능한 하한이며 따라서 그 미만의 온도에서 박막을 증착하려면 히터를 종료하여 실온 하에서 프로세스를 진행해야 했다. 히터 또는 다른 유사 장치를 사용하지 않는 때는 약 20℃ 내지 30℃ 정도의 실온에서 프로세스를 진행하게 되므로 온도의 안정성과 반복가능성은 얻을 수 없었다. 종래의 서셉터히터를 이용한 온도 제어 방법에 있어 50℃ 미안의 온도 제어가 불가능한 문제에 대하여 본 발명은 서셉터 내부에 냉각재가 순환되는 칠러유닛을 구비한 구조로 되어 있어 가열과 냉각을 가능하게 하였고, 이러한 방법에서는 예를 들어, -10℃에서 50℃(또는 -10℃에서 80℃)에서의 온도 제어가 가능해져 반복가능성이 우수한 저온 박막 증착이 가능해졌다.
본 발명의 개별 특징들과 본 발명이 관련 기술에 기여하는 장점에 대해 요약하기 위해 본 명세서에서는 본 발명의 목적과 이점을 언급할 것이다. 물론, 특정 실시예에 따라서 상기 목적과 이점 모두가 당연히 달성되는 것은 아니라는 점을 이해해야 할 것이다. 따라서 예를 들어, 당업자는 여기서 언급된 하나 또는 여러 이점을 성취하거나 최적화하였다고 해서 여기서 언급된 다른 목적이나 이익도 당연히 성취되는 것은 아니라는 태도로 상기 발명을 구현하거나 실시한다는 것을 인식할 것이다.
이 발명에 대한 그 외의 측면, 특징, 이점들은 아래의 상세한 설명을 통해 명확히 할 것이다.
본 발명의 다양한 특징은 최선 실시예를 도시한 도면을 참조하면서 기술할 것이다. 이러한 실시예는 발명에 대해 도시하기 위한 것일 뿐 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 도면은 도시화할 목적으로 극단적으로 단순화한 것이므로 불필요하게 치수를 표기하지는 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 성장률(nm/사이클)과 SiO2 ALD박막 증착 온도(℃) 간의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 성장률(nm/사이클)과 SiO2 ALD 박막의 증착 온도(℃)간의 관계 및 기존 방법에 의한 성장률(nm/사이클)과 금속 ALD 박막의 증착 온도(℃)간의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 PEALD에 의한 SiO2 ALD 박막을 증착시키는 일 사이클에 대한 시계열표이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 SiO2 ALD 박막을 이용한 콘택트 어레이(contact array)의 더블 패터닝(double patterning)에 대한 도안이다.
도 5a 와 도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 각각 냉각부분이 결합된 서셉터에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 6은 PEALD에 의한 SiO2 ALD 박막의 증착 온도에 따른 레지스트 형태의 변화에 대한 도식이다.
본 발명은 다음의 실시예를 포함하고 있으나, 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 플라즈마 인가 원자층 증착법(PEALD)에 의한 기판 위에 형성된 레지스트 패턴(pattern) 또는 에칭(etching)된 라인(line) 위에 산화규소박막을 증착시키는 방법에 있어서 다음과 같은 단계로 구성된 것을 특징으로 갖는다.
(1) 레지스트 패널 또는 에칭된 라인이 형성된 기판을 PEALD 반응장치 내에 제공하는 단계; (2) 기판이 위치한 서셉터의 온도를 증착온도로 50℃ 이하로 제어하는 단계; (3) 증착온도가 50℃ 미만의 일정한 온도로 제어되는 동안 일 사이클 내에서 PEALD 반응장치(PEALD reactor)에 실리콘 함유 전구체 및 산소 공급 반응제(O2 supplying reactant)를 도입하고 RF전력을 공급하여 산화규소원자막(atomic layer)을 레지스트 패턴 또는 에칭된 라인 위에 형성하는 단계; 및 (4) 상기 사이클을 일정한 온도에서 여러번 반복 수행하여 레지스트 패턴 또는 에칭된 라인 위에 산화규소원자막을 형성하는 단계.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 증착 온도는 40℃ 이하의 일정한 온도 또는 30℃ 이하의 일정한 온도로 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 사이클 내에서 실리콘 함유 전구체의 초과분을 제거하기 위해 PEALD 반응장치에 퍼지가스(purge gas)를 도입할 수도 있다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 사이클 내에서 제1 펄스에 실리콘 함유 전구체가 도입되고, 제2 펄스에 RF전력이 공급되며, 상기 제1 펄스와 제2 펄스는 중첩되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 산소 공급 반응제가 일정하게 도입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 사이클에서 퍼지가스가 일정하게 PEALD 반응장치 내에 도입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 실리콘 함유 전구체를 아미노 시레인(Amino Silane)으로 하는 것을 특징으로 한다. 또한 다른 실시예에 있어서는 상기 아미노 시레인 가스는 비스디에틸아미노시레인 (BDEAS, bisdiethylaminosilane), 비스에틸메틸아미노시레인 (BEMAS, bisethylmethylaminosilane), 트리스디에틸아미노시레인 (3DMA, trisdimethylaminosilane) 및 헥사키스에틸아미노시레인 (HEAD, hexakisethylaminosilane) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기의 실시예에 있어서, 산소 공급 가스는 산소 기체로 할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 퍼지 가스를 희(稀)가스(rare gas)로 할 수 있다. 다른 실시예에 있어선 상기 퍼지 가스로 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 가스를 사용할 수 있다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 사이클의 지속시간이 1.5초 내지 3.0초인 것을 특징으로 하는 것이다. 다른 실시예에서는 약 1초 내지 약 5초 사이의 간격을 두는 것이다.
상기의 실시예에 있어서, SiO2층의 성장률을 0.120nm/사이클 이상으로 하는 것을 특징으로 한다. 다른 실시예에 있어서 SiO2층의 성장률을 약 0.125 nm/사이클 내지 약 0.145nm/사이클로 하는 것이다.
상기의 실시예에 있어서, 서셉터의 온도는 수식 y=-0.0005x + 0.1397에 따라서 세팅하는 것을 특징으로 한다. 여기서 y는 성장률(nm), x는 증착온도(℃)이다. 다른 실시예에선 성장률(nm) y'를 y±10%로 할 수도 있다.
상기의 실시예에 있어서, 증착 온도는 서셉터 내에 형성된 유로(流路, flow channel)를 통해 냉각재를 유동, 통과시켜 조정되는 것을 특징으로 한다.
상기의 실시예에 있어서, RF전력은 커패시티 결합된 평행 전극(capacitively coupled parallel electrodes)을 이용하여 공급되며, 여기서 서셉터가 낮은 전극으로 기능하면서 일(一) 기판을 고정시키고 있는 것을 특징으로 한다.
상기의 실시예에 있어서, 상기 방법은 기판이 PEALD 반응장치 내에 제공되기 전에 다음의 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. (1) 이산화규소층의 성장률과 증착 온도간의 관계를 규정하는 표준곡선(standard curve)을 구하는 단계; (2) 하나의 사이클 내에서 SiO2층의 성장률을 설정하는 단계; 및 (3) 표준곡선을 이용해서 설정된 성장률을 기본으로 하여 증착온도를 구하는 단계.
상기 단계를 포함하는 박막 증착 방법에 있어서 일실시예는 상기 표준곡선은 y = -0.0005x + 0.1397인 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서 y는 성장률(nm) 이고 x는 증착온도(℃)이다.
이하에서는 전형적인 실시예를 통해 본 발명을 설명할 것이다. 그러나 아래의 설명은 본 발명을 제한하려는 목적은 아니다.
당해 발명에 대한 실시예에 있어서의 한가지 특징은 박막증착온도를 제어하기 위한 장치 구성(system configuration)과 관련이 있다는 것이다. 종래의 서셉터히터로는 약 50℃ 정도가 온도 제어의 한계여서 만약 박막을 더 낮은 온도에서 증착시킬 경우엔 히터의 전원을 종료하고 실내 온도에서 프로세스를 실행해야 했다. 히터 또는 다른 유사 장치를 사용하지 않는 때는 약 20℃ 내지 30℃ 정도의 상온에서 프로세스를 진행하므로 온도안정성과 반복가능성은 얻을 수 없었다. 그러므로 칠러유닛에 의해 순환되는 냉각재를 이용하여 가열과 냉각이 가능한 서셉터를 도입한다면, -10℃ ~ 80℃의 범위에서 온도를 제어할 수 있게 되고, 반복가능성이 양호해지고 저온에서 박막을 증착시킬 수 있게 된다.
본 발명의 실시예의 또 하나의 특징은 유기막 또는 다른 종류의 레지스트 위에 박막이 증착될 때 발생하는 레지스트의 손상을 방지할 수 있다는 점이다. 박막 증착 온도를 저하시킴으로써 종래 고온하의 ALD-SiO2프로세스에서 발생하던 레지스트 위에 박막 증착에 의한 레지스트 손상 및 손실을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 있어서 또 다른 특징은 박막 성장 속도가 향상된다는 점이다. 박막증착온도를 낮춤에 따라 박막증착속도를 향상시키는 것이 가능해진다. 결과적으로 생성량도 향상시키는 것이 가능해진다.
이하 본 발명의 장치 구성에 대해 설명한다. 그렇지만 본 발명은 다음 내용에 의해 한정하려는 것은 아님을 밝혀둔다. 도 5a는 칠러유닛이 장비된 서셉터의 일례를 보여주는 평면도이고, 도 5b는 도 5a를 선분 5b에 따라 절단했을 때의 종단면도이다. 상기 칠러유닛이 장비된 서셉터는 냉각재(일 예로 에틸렌글리콜(ethylene glycol))가 상부판(51)과 서셉터(53) 사이에서 흐를 수 있도록 도면 5a와 같은 나선형으로 구성된 홈(54)이 형성된 판(52)을 구비하여 냉각재가 상기 홈 사이로 흘러 순환된다. 냉각재는 판의 중심 근처에 형성된 입구(56)로 유입되어 나선형의 홈을 통해 외측 방향으로 나선형으로 이동하고, 외각 둘레 근처에 배치된 홈의 말단(57)으로부터 판의 중앙 부근에 배치된 배출구(55)로 이동하여 방출된다. 냉각기(chiller)를 사용하면 -10℃ ~ 80℃ 범위의 온도 조절이 가능해진다. 박막증착온도의 범위를 -10℃ ~ 80℃의 범위까지 확장함으로써 다양한 유기막에 의한 손상을 방지할 수 있다. 실시예에 있어서 온도는, 유기막에 대한 손상을 방지하기 위한 관점에서, 50℃미만, 바람직하게는 40℃ 이하, 또는 더욱 바람직하게는 30℃이하에서 조정된다. (또는 다른 실시예에서는 20℃ 이하, 10℃ 이하 또는 0℃이하에서 조정된다). 냉각재의 유동속도 및 유동량은 상부판의 온도가 소망하는 일정 온도가 되도록 적절하게 조정할 수 있다.
냉각재가 흘러가는 유로는 중앙에서 외부로 흘러가는 나선형의 형상으로 제한되는 것은 아니다. 외부에서 중앙으로 흘러들어오는 나선형 형상을 가질 수도 있고 또는 외각의 일방 말단에서 타방 말단으로 진행되는 지그재그 형태로 형성될 수도 있다. 또는 중앙에서 외부 말단으로 복수의 냉각재 유로를 방사형으로 형성할 수도 있다. 상기 실시예에서 냉각재 유로의 총길이는 적어도 원주의 두 배 또는 바람직하게는 세 배 이상이 된다.
온도를 낮춤으로써 레지스트의 형태 변화를 개선될 수 있으므로 -10℃ 미만으로 감온(感溫)하는 것도 가능할 것이다. 그러나 만약 온도를 -10℃ 미만으로 낮춘다면 칠러유닛 대신에 거대한 규모의 냉각 장치가 필요하게 될 것이다.
냉각재에 관하여 선택, 사용함에 있어서 적절한 것은 다음과 같다. 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 글리세린 그외 다른 부동액, 기체(실온 이상), 물(0℃ 이상), 질소기체, 액체질소, 이산화탄소, 암모니아, 액체헬륨, 수소, 프로판, 부탄, 이소부탄 또는 다른 탄화수소 기체(hydrocarbon gas), CFCs, 할로겐화 탄화수소 등이 선택, 사용하기에 적절할 것이다.
냉각방법에 있어서 선택, 사용함에 있어서 적절하다고 판단되는 것은 다음과 같다. 칠러에 의해 순환되는 냉각재에 의한 냉각 방법, 펠티에(Peltier) 소자를 이용한 전자적 냉각 방법, 질소 기체를 이용한 강제공급(force-feed) 냉각 방법 등이 선택, 사용하기에 적절할 것이다.
실시예에 있어서 SiO2박막 증착을 위해 온도 외의 요소는 아래와 같이 설정될 수 있다. 예를 들어,
RF전력(13.56 MHz): 20~100W
박막증착압력: 약 400 Pa
실리콘함유전구체의 유량(流量) : 300~500 sccm
산소 유량: 100~1000 sccm
퍼지가스(일례로 Ar) 유량 : 약 1500sccm
실시예에 있어서 압력은 약 100~1000Pa 정도 내에서 선택할 수 있고, 퍼지가스의 유량은 1000 ~ 2500sccm의 정도 내에서 선택할 수 있다.
도 3은 PEALD 사이클에 대한 시계열 차트의 한 예를 도시한 것이다. 먼저 퍼지가스의 반응장치 내로의 유입이 안정화된 후 퍼지가스는 일정 유량으로 반응장치 내에서 상시 흐르도록 한다. 다음으로 산소반응기체가 일정 유량으로 지속적으로 반응장치로 도입되는 동안, 단일 펄스로 하여 실리콘 함유 전구체를 공급한다. 실리콘 함유 전구체 펄스가 정지되었을 때, 단일 펄스로 하여 RF전력을 공급한다. 실리콘 함유 전구체펄스와 RF전력펄스는 서로 중첩되지 않는다. 퍼지가스의 지속적인 유입과 동일하게 반응장치는 항상 배기되어 일정압력이 유지된다. 실리콘 함유 전구체가 펄스로 도입되는 동안에도 퍼지가스는 지속적으로 유입되나 상기 실리콘 함유 전구체 펄스가 정지한 후에는 퍼지가스와 산소반응가스만이 유입되고 실질적으로 실리콘 함유 전구체가 기판 표면에서 퍼지(purge)될 수 있다. 도 3은 하나의 사이클을 보여주고 있고, 일 사이클은 약 1.5~3초 정도 소요된다. 도 1에서 보이듯이 일 사이클로 얻을 수 있는 SiO2박막의 두께는 대략 완전하게 일차함수의 형태로 의존하는바, 박막증착온도가 감온되면 박막증착속도는 증가한다. 실시예에 있어서 박막증착속도는 박막증착온도가 약 40℃ 이하인 때 약 0.12 nm/사이클 이상(예를 들어 0.12~0.15nm/사이클)이다.(후술하는 일례 참조) 상기 PEALD 사이클에 대해서, 실시예에선 산소반응기체와 퍼지가스가 펄스로 도입되는 것도 가능하다. 또한 각각의 가스는 한가지 형태의 기체만으로 구성될 뿐만 아니라 여러 종류로 혼합된 혼합 가스 또한 사용 가능하다.
놀랍게도 상기에서 설명한 PEALD에 의해 SiO2박막을 형성하는 경우에 있어서, 박막증착속도와 박막증착온도는 대략 완벽하게 음의 경사도를 갖는 일차함수의 관계를 갖는다. 그리고 이것은 명백히 종래의 PEALD에 의한 금속막의 증착속도와 차이가 있다. 도 2에서는 금속막(W)에 대한 PEALD에 의한 박막증착속도와 박막증착온도 간의 관계에 대해 보여주고 있다. 박막증착온도가 상승함에 따라 박막증착속도 역시 상승한다. 또한 원자막을 형성하기 위해서 비교적 높은 온도에서 처리할 필요가 있으며, 여기서 온도는 통상 200℃ 이상(전형적으로 300℃ 이상)이다. 만약 온도가 200℃ 이하로 하강한다면 박막증착속도 역시 명백하게 감소한다. 한편 PEALD에 의한 SiO2박막에서는 박막증착속도는 저온에선 증가되고 승온(昇溫)될수록 저하된다. 더구나 100℃를 초과하는 온도에선 박막증착속도와 박막증착속도의 관계는 일차함수 관계로부터 멀어진다.
도1에 도시된 바와 같이 박막증착속도와 박막증착온도와의 관계는 y=-0.0005x+0.1397의 관계를 만족한다. 여기서 y는 박막증착속도를, x는 박막증착온도를 나타낸다. 먼저 이와 같은 표준곡선을 사전에 구함으로써 기대 수준의 박막의 두께를 얻기 위해 필요한 온도와 시간과의 관계를 정확하게 파악하는 것이 가능하고 정확한 박막 증착을 용이하게 제어할 수 있다. 예를 들어 기대 수준의 박막 두께와 박막증착온도가 설정되면 박막증착시간은 정확하게 계산할 수 있다. 또한 만약 박막 증착 사이클이 일정할 때는 기대 수준의 박막 두께를 얻기 위해 필요한 박막증착온도는 정확하게 계산할 수 있다. 목적에 따라 차이가 있으나 실시예에 의하면, SiO2 박막 두께는 약 5~40nm정도이고, 사이클수는 40~330 정도가 된다.
본 출원서는 상태 또는 구조가 특정되지는 않았으나 당업자는 본 출원서의 검토와 통상적인 실험을 통해서 상태 또는 구조를 쉽게 정할 수 있을 것이다.
본 발명은 구체적인 일례를 통해 상세하게 설명될 것이다. 다만 이런 예들은 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 각 일례에 적용된 숫자들은 적어도 ±50%의 범위에 의해 수정될 수 있다. 상기 범위의 각 마지막 값은 포함될 수도 있고 배제될 수도 있다.
이하 본 발명의 구체적인 일례에 대한 설명이다.
기판 위의 유기막에 있어서 ArF 레이져용 포토레지스트는 아크릴레이트(acrylate) 또는 메타크릴레이트 에스테르(metacrylate ester) 중합체 또는 공중합체(共重合體 copolymer)의 알킬(alkyl) 치환체을 기반으로 조성된 구조를 갖는 세 종류의 포토레지스트 A, B, C(라인의 폭은 40nm이고, 두께는 120nm이다)를 형성하고, 그 위에 SiO2박막을 PEALD 방식으로 증착시킨다. 막을 형성하는 조건은 다음과 같다.
실리콘 함유 전구체 : BDEAS
실리콘 함유 전구체의 유량 : 500sccm
실리콘 함유 전구체의 펄스 : 0.5초
산소 유량 : 600sccm
아르곤(Ar) 유량 : 1.5sccm
RF 전력(13.56 MHz): 50W
RF 전력 펄스 : 0.3초
실리콘 함유 전구체 펄스와 RF전력펄스 간의 간격 (RF전력이 공급되기 전에 퍼지): 0.3초
RF전력펄스와 실리콘 함유 전구체 펄스 간의 간격 (RF전력이 공급된 후의 퍼지): 0.3초
박막증착압력 : 400Pa
사이클 사이의 간격 : 1.5초
서셉터에 대해선 도 5a와 도 5b에 도시된 것이 사용된다. 에틸렌글리콜이 냉각재로 사용되고, 칠러유닛에서 냉각재의 유량 및 온도를 조정해서, 서셉터 온도(상판면의 표면 온도)를 80℃, 50℃ 및 30℃로 제어할 수 있다. 박막의 두께는 각각 9nm로 정해진다. 박막증착온도와 박막증착속도의 관계가 도 1에 도시된 것으로 성립되는 이상, 각 온도에 있어서의 박막증착시간은 고도로 정확하게 설정될 수 있다.
도 6은 절단면을 관찰함으로써 그 결과를 평가하기 위한 도식이다. PEALD에 의해 SiO2박막을 형성하는 동안 필름증착온도에 따라 유기막 또는 포토레지스트의 변형이 발생한다는 것이 관찰 가능하다. 구체적으로 포토레지스트B는 SiO2박막증착온도가 80℃ 또는 50℃인 경우에 거의 완전히 소실된다. 포토레지스트C는 SiO2박막온도가 50℃인 경우 완전히 소실되지는 않으나 대부분 소실되었고 현저하게 형상이 변형되었다. 포토레지스트A는 SiO2필름증착온도가 50℃인 경우에도 거의 원형을 유지하고 있었다. 이런 식으로 특정 종류의 포토레지스트에 대해서 SiO2박막온도가 약 50℃인 경우에는 현저한 형상 변형이 발생하였다. 한편으로는, 모든 포토레지스트에 대해서 SiO2박막증착온도가 30℃인 경우에 거의 원형을 유지하였으며 어떠한 변형도 발생하지 않았다.
종래 ALD에서 박막증착온도가 300℃ 또는 그 이상인 고온 프로세스이고, 여기서 유기막과 다른 레지스트 패턴은 소멸된다. 또한 PEALD에 의해 약 50℃ 정도에서 박막 증착을 할 수 있었음에도 불구하고 기존의 가열 서셉터로는 안정적인 온도 제어가 어려웠고 저온에서는 사용할 수 없었다. 따라서 ALD/PEALD 방식은 특정한 레지스트를 사용하는 어플리케이션(application)에는 사용할 수 없는 문제점이 있었다. 본 발명의 실시예에 따라 냉각재가 순환되는 서셉터를 사용함으로써 -10℃ ~ 80℃의 박막증착온도에서 유기막 또는 다른 종류의 레지스트의 손상을 유발하는 변형을 개선하고 소멸을 방지할 수 있다. 특히 박막증착온도를 50℃ 이하로 낮추거나 바람직하게는 40℃ 또는 그 이하로 제어함으로써 레지스트의 손상을 확실히 믿을 수 있을 만큼 억제할 수 있다.
이러한 SiO2박막은, 스페이서(spacer) 기술에 적절하게 적용될 수 있고, 더블패터닝(double patterning)에 응용하는 것도 가능하다. 도 4a 내지 도 4f는 이런 일례를 도시한 것이다. 여기서 SiO2박막은 네가티브 모드(negative mode)에서 더블패터닝 스페이서(double patterning spacer)로 기능하고, 패턴 변환자(transfer)를 위한 에칭 마스크로 사용될 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이 기판(41)에서 패터닝층(42, patterning layer, 예를 들어 폴리실리콘(poly-silicon))이 형성되고 상기 패터닝층(42) 최상단에 유기막으로 된 포토레지스트를 사용함으로써 라인 또는 에칭된 라인(43)이 형성된다. 도 4b에서는 스페이서 재료(44, spacer material)로서 SiO2박막을, 본 발명의 실시예에 따라 PEALD를 통하여 포토레지스트 라인 또는 에칭된 라인(43) 및 패터닝층(42)의 최상단에 형성시킨다. 도 4c에 도시된 바에 따라 상기 스페이서 재료(44)는 에칭되어 라인(43)의 최상단이 스페이서 재료(44)로부터 노출되고 라인(43) 사이에서 패터닝층(42)이 노출되어 상기 스페이서 재료(44)가 라인(42)의 양 측벽을 제외하고 제거된 상태(45)를 갖게 된다. 도 4d에 의하면, 상기 라인(43)은 제거되서 오직 라인의 양 측벽에 잔존하는 스페이서 재료(45)만 남게 되는 상태(46)가 된다. 도 4e에 도시된 바에 따라 상기 스페이서 재료(46)를 하드 마스크(hard mask)로 사용하여 패터닝층(42)를 에칭시키고, 패턴(47)을 형성시킨다. 이때 스페이서 물질은 부분적으로 패턴(47)의 최상단에 잔존하게 된다. 도 4f에 도시된 바와 같이, 상기 잔존 스페이서 재료(48)은 제거되고 패터닝은 완료된다. 본 발명의 상기 실시예에 의하면 유기막인 포토레지스트 물질(43)은 PEALD에 의한 SiO2박막형성과정 중에는 훼손되지 않아 상기 물질의 변형을 억제하는 것이 가능하게 된다. 결과적으로 스페이서 패턴은 SiO2박막을 사용하여 우수한 해상도를 가지도록 에칭될 수 있다. 더블패터닝에 있어서 유기체 필름이 변형을 수반하지 않는다는 것은 중요하기에 본 발명의 실시예를 적용하는 것은 매우 효과적인 것이다. 당업자들은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 SiO2박막을 본 명세서에 개시된 정보에 기초한 다른 패터닝 기술 및 스페이서 기술에도 마찬가지로 적용할 수 있고 실시 가능할 것이다.
당업자들은 본 발명의 기본 개념으로부터 벗어나지 않는 한 많고 다양한 개선안을 만들 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 형상은 도식적으로 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명을 제한하기 위한 의도는 명백히 아니다.

Claims (18)

  1. 플라즈마 인가 원자층 증착법(PEALD, plasma enhanced atomic layer deposition)에 의해 기판(substrate) 위에 형성된 레지스트 패턴(resist pattern) 또는 에칭(etch)된 라인 위에 산화규소박막(SiO2박막)을 증착시키는 방법에 있어서,
    레지스트 패턴 또는 에칭된 라인이 형성된 기판을 PEALD 반응장치에 제공하는 단계;
    증착 온도로서 상기 기판이 위치한 서셉터(susceptor)의 온도를 30℃ 이하로 제어하는 단계;
    증착온도가 40℃ 이하의 일정한 온도에서 제어되는 동안 일 사이클 내에서 상기 PEALD 반응장치(PEALD reactor)에 실리콘 함유 전구체(silicon-containing precursor) 및 산소 공급 가스를 도입하고 RF전력을 공급하여 산화규소층을 상기 레지스트 패턴 또는 상기 에칭된 라인 위에 증착하는 단계; 및
    상기 사이클을 일정한 온도에서 반복 수행하여 상기 레지스트 패턴 또는 상기 에칭된 라인 위에 상기 산화규소박막을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 산화규소층의 성장률은 상기 증착 온도에 대해 음의 경사도에 기초한 일차 함수의 형태로, 상기 증착 온도는 칠러유닛에 의해 순환되는 냉각재를 이용하여 가열과 냉각에 의해 제어되며, 상기 성장률은 하나의 사이클에서 얻어지는 상기 산화규소층의 두께인 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 증착 온도는 30℃ 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  3. 청구항 제2항에 있어서, 상기 증착 온도는 20℃ 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  4. 청구항 제1항에 있어서, 상기 사이클 내에서 상기 실리콘 함유 전구체의 초과분을 제거하기 위해 퍼지가스가 상기 PEALD 반응장치 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  5. 청구항 제1항에 있어서, 상기 사이클 내에서 제1 펄스에 실리콘 함유 전구체가 도입되고, 제2 펄스에 RF전력이 공급되며, 상기 제1 펄스와 제2 펄스는 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  6. 청구항 제5항에 있어서, 상기 산소 공급 가스가 일정하게 도입되는 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  7. 청구항 제5항에 있어서, 상기 사이클에서 퍼지 가스가 일정하게 PEALD 반응장치 내에 도입되는 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  8. 청구항 제1항에 있어서, 상기 실리콘 함유 전구체가 아미노 시레인(amino silane) 가스인 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  9. 청구항 제8항에 있어서, 상기 아미노 시레인 가스는 비스디에틸아미노시레인 (BDEAS, bisdiethylaminosilane), 비스에틸메틸아미노시레인 (BEMAS, bisethylmethylaminosilane), 트리스디메틸아미노시레인 (3DMA, trisdimethylaminosilane) 및 헥사키스에틸아미노시레인 (HEAD, hexakisethylaminosilane) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  10. 청구항 제1항에 있어서, 상기 산소 공급 가스는 산소 기체인 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  11. 청구항 제4항에 있어서, 상기 퍼지가스는 희(稀)가스(rare gas)인 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  12. 청구항 제1항에 있어서, 상기 사이클의 지속시간이 1.5초 내지 3.0초인 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  13. 청구항 제1항에 있어서, 상기 산화규소층의 상기 성장률은 0.120nm/사이클 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  14. 청구항 제13항에 있어서, 상기 서셉터의 온도는 방정식
    y= -0.0005x + 0.1397 (y는 성장률. 단위:nm / x는 증착온도. 단위:℃)
    에 따라 설정된 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  15. 청구항 제1항에 있어서, 증착온도는 상기 서셉터 내에 형성된 유로를 따라 유동하는 냉각유(冷却流)로 제어하는 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  16. 청구항 제1항에 있어서, 상기 RF전력은 커패시티 결합된 평행 전극을 사용하여 공급되고, 상기 서셉터가 하부 전극으로 기능하면서 하나의 기판을 고정시키고 있는 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  17. 청구항 제1항에 있어서, 기판이 PEALD 반응장치에 제공되기 전에,
    산화규소층의 성장률과 증착 온도간의 관계를 규정하는 표준곡선을 구하는 단계;
    하나의 사이클 내에서 산화규소층의 성장률을 설정하는 단계; 및
    표준곡선을 이용해서 설정된 성장률을 기본으로 하여 증착온도를 구하는 단계;
    를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
  18. 청구항 제17항에 있어서, 상기 표준곡선은
    y= -0.0005x+0.1397 (y는 성장률. 단위: nm / x는 증착온도. 단위: ℃)
    인 것을 특징으로 하는 산화규소박막 증착 방법
KR1020100028336A 2009-04-01 2010-03-30 저온에서 플라즈마 인가 원자층 증착법에 의한 산화규소박막 증착 방법 KR101680379B1 (ko)

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