KR102165039B1 - 건식 식각 방법 및 이에 사용되는 식각 전구체 - Google Patents

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Abstract

액상으로 유지되는 식각 전구체를 기화시켜 진공 챔버로 공급하는 단계, 진공 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계 및 플라즈마에 의해 이온화된 식각 전구체에 의해 피식각층을 식각하는 단계를 포함하는 건식 식각 방법이 개시된다. 본 발명에 의하면, 식각 공정 후 배기 가스를 배기 영역에서 액상으로 회수가 가능하여 온실가스 방출을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

건식 식각 방법 및 이에 사용되는 식각 전구체 {DRY ETCHING METHOD AND ETCHING PRECURSOR USED THEREFOR}
본 발명은 건식 식각 방법 및 이에 사용되는 식각 전구체에 관한 것으로, 구체적으로는 대기압에서 끓는점이 0℃ 이상인 식각 전구체 및 이를 이용한 건식 식각 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조를 위해 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등의 절연막을 식각하는 공정이 수행된다. 식각 공정은 일반적으로 진공 챔버 내에 기판을 배치한 후 식각 가스를 공급하고 플라즈마를 발생시켜 진행한다. 플라즈마 에너지에 의해 식각 가스로부터 형성된 이온(ion)이나 래디칼(radical)이 기판의 피식각층과 반응하여 식각이 이루어진다. 이방성 식각을 위해 기판 지지부재에는 바이어스(bias) 전압이 인가된다.
식각 가스로는 CF4, NF3, C4F8 등의 과불화탄소(PFCs; Perfluorocarbon) 계열의 가스가 많이 사용된다. 이러한 과불화탄소 계열 가스들은 구조적으로 매우 안정하여 대기 중에서 분해되는 시간이 매우 오래 걸린다. 따라서 지구 온난화 방지를 위해 배출량을 최소화하는 것이 필요하다. 이를 위해 공정 후 배기 영역에서 회수 또는 분해하여 대기 중으로 배출되는 양을 감축하는 공정을 진행하고 있으나, 이 공정이 매우 복잡하고 고비용이 소모되며 고열 공정이어서 또 다른 온실가스가 방출되는 문제가 있다.
KR 10-1159227 B1 (2012. 6. 18)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 하는 것으로, 온실가스 방출을 최소화할 수 있는 식각 전구체 및 이를 이용한 건식 식각 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
보다 구체적으로는, 대기압에서 끓는점이 0℃ 이상이어서 식각 공정 후 배기 영역에서 액상으로 회수가 가능한 식각 전구체 및 이를 이용한 건식 식각 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 액상의 식각 전구체를 사용하면서도 실제 식각 공정에 적용 가능한 정도로 식각 조건을 최적화하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각 방법은, 액상으로 유지되는 식각 전구체를 기화시켜 진공 챔버로 공급하는 단계, 진공 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계 및 플라즈마에 의해 이온화된 식각 전구체에 의해 피식각층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 식각 전구체는 대기압에서 끓는점이 0℃ 이상인 물질일 수 있고, 구체적으로는 C7F14, C7F8, CF2Br2, C4F9I, C6F12O 중의 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 식각 전구체는 캐리어 가스에 의해 버블링 방식으로 기화되거나, 또는 히팅 시스템에 의해 기화될 수 있다.
또한, 식각 전구체 외에 하나 이상의 처리 가스, 예를 들어 산소 가스가 진공 챔버 내로 공급될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 식각 전구체로 식각하는 대상인 피식각층은 기판에 형성된 실리콘 산화막일 수 있고, 실리콘 산화막 상부에는 마스크층 패턴이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 식각 전구체가 C7F14 인 경우, 플라즈마 생성을 위해 인가되는 RF 소스 전력은 350W 이상이며, 기판에 인가되는 바이어스 전압(-V)은 200V 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 식각 전구체가 C7F8 인 경우, 실리콘 산화막을 식각하는 단계에서 C7F8 외에 산소 가스가 함께 진공 챔버 내로 공급될 수 있다. 이때, 산소 가스 공급 유량은 30sccm 이상일 수 있으며, 플라즈마 생성을 위해 인가되는 RF 소스 전력은 400W 이상이고 기판에 인가되는 바이어스 전압(-V)은 300V 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 식각 전구체는, 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정에 사용하기 위한 식각 전구체로서 대기압에서 끓는점이 0℃ 이상인 것을 특징으로 한다. 구체적으로는 C7F14, C7F8, CF2Br2, C4F9I, C6F12O 중의 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의하면, 대기압에서 끓는점이 0℃ 이상인 식각 전구체를 이용하여 건식 식각 공정을 진행함으로써, 식각 공정 후 배기 가스를 배기 영역에서 액상으로 회수가 가능하여 온실가스 방출을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 액상의 식각 전구체를 사용하면서도 실제 식각 공정에 적용 가능한 정도의 식각률 및 식각 선택비가 얻어지는 식각 조건을 제공할 수 있는 효과가 있다.
다만, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 식각 공정을 진행하기 위한 플라즈마 처리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 바이어스 전압(-V)을 80V로 고정한 상태에서 RF 소스 전력에 따른 C7F14와 C4F8의 식각률 및 식각 선택비를 비교한 그래프이다.
도 4는 RF 소스 전력을 300W로 고정한 상태에서 바이어스 전압에 따른 C7F14와 C4F8의 식각률 및 식각 선택비를 비교한 그래프이다.
도 5 및 도 6은 산소 공급 유량에 따른 C7F8와 C4F8의 식각률 및 식각 선택비 그래프이다.
도 7은 C7F8 식각 전구체의 바이어스 전압에 따른 식각률 및 선택비 그래프이다.
도 8은 C7F8 식각 전구체의 RF 소스 전력에 따른 식각률 및 선택비 그래프이다.
도 9는 ACL 마스크층을 사용하여 실리콘 산화막에 홀(hole) 패턴을 식각한 후의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 10은 바이어스 전압(-V)을 80V로 고정한 상태에서 RF 소스 전력에 따른 CF2Br2, C4F9I와 CF4의 식각률 및 식각 선택비를 비교한 그래프이다.
도 11은 RF 소스 전력을 500W로 고정한 상태에서 바이어스 전압에 따른 CF2Br2, C4F9I와 CF4의 식각률 및 식각 선택비를 비교한 그래프이다
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이하의 설명은 구체적인 실시예들을 포함하지만, 본 발명이 설명된 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 액상 물질을 식각 전구체로 사용할 경우 배기 영역에서 액상으로 회수가 가능하므로 복잡한 배기 공정을 거치지 않고 간단하게 회수가 가능하여 대기 중 온실가스 배출량을 크게 줄일 수 있다는 점에 착안하여 이루어진 것이다. 액상으로 회수하면 간단한 정제 과정을 거쳐 재사용이 가능하다는 점도 장점이 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 식각 공정을 진행하기 위한 플라즈마 처리 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 처리 장치는 기판 처리부(1)와 가스 공급부(2)를 포함한다. 기판 처리부(1)는 진공 챔버(10), 척 부재(20), 플라즈마 소스(30) 및 가스 분사 유닛(40)을 포함한다.
진공 챔버(10)는 플라즈마를 발생시켜 기판 처리 공정을 수행하기 위한 내부 공간을 제공한다. 기판 처리 공정은 진공 분위기에서 수행될 수 있으며, 이를 위해 처리 챔버(10)에는 배기구(11)가 형성된다. 배기구(11)에는 배기라인(12)이 연결되고, 배기라인(12)에는 미도시한 펌핑 시스템 및 배기 가스 회수 시스템 등이 연결될 수 있다.
진공 챔버(10) 내부에는 기판(W)을 지지하기 위한 척 부재(20)가 구비된다. 척 부재(20)는 기판(W)을 흡착하여 고정하기 위한 정전척(22), 정전척(22)을 지지하는 베이스 플레이트(21)를 포함하여 구성될 수 있다. 정전척(22)은 알루미나 등의 유전체판으로 이루어질 수 있으며, 내부에 정전기력(Electrostatic force)을 발생시키기 위한 척 전극(23)이 구비될 수 있다. 전원(34)에 의해 척 전극(23)에 전압이 인가되면, 정전기력이 발생하여 기판(W)이 정전척(22)에 흡착 고정된다.
베이스 플레이트(21)는 정전척(22)의 하부에 위치하며, 알루미늄 등의 금속 물질로 이루어질 수 있다. 베이스 플레이트(21)는 내부에 냉각 유체가 흐르는 냉매 유로가 형성되어, 정전척(22)을 냉각시키는 냉각 수단의 기능을 수행할 수 있다. 냉매 유로는 냉각 유체가 순환하는 순환 통로로서 제공될 수 있다.
가스 분사 유닛(40)은 기판 처리를 위한 처리 가스를 분사하는 구성으로, 가스 공급부(2)와 연결된 확산 챔버(41) 및 복수의 분사홀(42)을 포함할 수 있다. 복수의 분사홀(42)은 기판(W)과 대향하는 면에 형성될 수 있다. 도 1에서는 가스 분사 유닛이 샤워헤드 형태인 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 진공 챔버(10)의 측벽에 구비된 가스 분사 노즐을 통해 가스가 진공 챔버(10) 내로 공급될 수도 있다.
플라즈마 소스(30)는 진공 챔버(10) 내의 처리 공간에 플라즈마를 발생시키기 위한 구성이다. 플라즈마는 다양한 방식으로 발생될 수 있으며, 예를 들어 유도결합형 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma) 방식, 용량결합형 플라즈마(CCP: Capacitively Coupled Plasma) 방식 또는 리모트 플라즈마(Remote Plasma) 방식이 사용될 수 있다. 도 1의 용량결합형 플라즈마 장치를 예로 들면, 상부 전극 및 하부 전극 사이에 전위차를 발생시키기 위한 하나 이상의 RF 전원(31, 32)이 구비될 수 있다. 도 1의 장치 구성에서는 가스 분사 유닛(40)이 상부 전극, 척 부재(20)가 하부 전극으로 작용할 수 있다. 즉, 상부 전극에 해당하는 가스 분사 유닛(40)은 접지되고, 하부 전극에 해당하는 척 부재(20), 그 중에서도 베이스 플레이트(21)에 RF 전원(31, 32)이 전기적으로 결합될 수 있다. 베이스 플레이트(21)와 RF 전원(31, 32) 사이에는 정합 유닛(matching unit)(33)이 구비될 수 있다.
RF 전원은 제1 RF 전원(31) 및 제2 RF 전원(32)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 RF 전원(31)은 플라즈마 생성 및 유지를 위한 RF 전력을 제공할 수 있고, 제2 RF 전원(32)은 기판(W)에 인입되는 이온 방향성을 조절하기 위한 RF 전력을 제공할 수 있다. 제1 RF 전원(31) 및 제2 RF 전원(32)은 서로 다른 주파수의 RF 전력을 출력할 수 있다. 정합 유닛(33)은 RF 전원(31, 32) 측의 임피던스와 부하 측 임피던스를 일치시키기 위한 장치로, 제1 RF 전원(31) 및 제2 RF 전원(32)에 각각 대응할 수 있도록 복수의 정합 회로를 포함할 수 있다. 제1 RF 전원(31) 및 제2 RF 전원(32) 외에 또 다른 주파수의 제3 RF 전원이 구비될 수 있다. 또는 바이어스 전원으로 제2 RF 전원(32) 대신 직류 전원이 사용될 수도 있다.
가스 공급부(2)는 식각 전구체(50)를 포함할 수 있다. 식각 전구체(50)는 대기압에서 끓는점이 0℃ 이상인 물질일 수 있다. 식각 전구체(50)는 기판(W)의 피식각층과 반응하여 식각하기 위한 물질일 수 있다. 예를 들어, 피식각층은 실리콘 산화막일 수 있다. 이때 피식각층은 홀(hole)이나 트랜치(trench) 등 특정 패턴으로 식각될 수 있다. 이를 위해, 피식각층 상부에는 마스크층이 패턴 형성되어 있을 수 있다. 마스크층은 실리콘 질화막(Si3N4) 또는 비정질 탄소막(ACL: Amorphous Carbon Layer)일 수 있다. 식각 선택비 확보를 위해 식각 전구체(50)에 의한 식각률은 피식각층은 크고 마스크층은 작을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 식각 전구체(50)는 구체적으로 C7F14, C7F8, CF2Br2, C4F9I, C6F12O 중 하나일 수 있다.
공정 진행 시 식각 전구체(50)는 액상으로 유지될 수 있으며, 액상의 식각 전구체(50)를 기화시켜 진공 챔버(10)로 공급하기 위해 캐리어 가스(51)가 사용될 수 있다. 캐리어 가스(51)로는 질소, 아르곤, 헬륨 등이 사용될 수 있다. 캐리어 가스(51)는 가스 유로(52)를 통해 식각 전구체(50)가 보관된 용기(캐니스터)로 유입될 수 있다. 캐리어 가스(51)는 액상의 식각 전구체(50)를 버블링 방식으로 기화시켜 가스 유로(53)를 통해 가스 분사 유닛(40)으로 전달할 수 있다. 가스 유로(52, 53)에는 가스 유량을 조절하기 위한 MFC(Mass flow controller)(54, 56)와 밸브(55, 57)가 설치될 수 있다. 식각 전구체(50)가 일정한 온도로 유지될 수 있도록 보관 용기에는 온도 유지부재(미도시)가 구비될 수 있다. 온도 유지부재는 히터 또는 쿨러일 수 있다. 캐리어 가스를 이용한 버블링 방식 외에도 히팅 시스템을 이용하여 액상의 식각 전구체를 가열하여 기화시켜 진공 챔버(10)로 공급하는 방식이 사용될 수 있다.
가스 분사 유닛(40)에는 식각 전구체(50) 외에 하나 이상의 다른 처리 가스(61)가 공급될 수 있다. 처리 가스는 식각률 또는 식각 선택비 조절을 위해 공급될 수 있다. 처리 가스(61)는 산소(O2)일 수 있다. 처리 가스(61)는 가스 유로(62)를 통해 가스 분사 유닛(40)에 연결될 수 있다. 가스 유로(62)에는 가스 유량을 조절하기 위한 MFC(63)와 밸브(64)가 설치될 수 있다.
도 1에는 식각 전구체(50)를 하나만 도시하였으나, 복수의 식각 전구체가 구비될 수 있다. 또한, 캐리어 가스(51) 외에 아르곤, 헬륨 등의 비활성 가스가 가스 분사 유닛(40)으로 독립적으로 공급될 수 있도록 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 1과 도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각 방법은, 진공 챔버 내로 기판을 반입하는 단계(S21), 진공 챔버 내로 식각 가스를 공급하는 단계(S22), 플라즈마를 생성하는 단계(S23), 식각 공정을 진행하는 단계(S24) 및 공정을 종료하고 기판을 반출하는 단계(S25)를 포함할 수 있다.
진공 챔버 내로 기판을 반입하는 단계(S21)는 진공 챔버(10)와 연통 가능하도록 배치된 반송 모듈로부터 기판 반송 로봇에 의해 반입된 기판(W)을 척 부재(20) 상면에 안착하는 단계일 수 있다. 기판(W)이 안착되면 전원(34)에 의해 척 전극(23)에 전압이 인가되어 기판(W)이 정전척(22)에 정전 흡착될 수 있다.
기판(W)이 흡착되고 진공 챔버(10) 내부 압력이 소정의 진공 압력까지 조절되면, 진공 챔버 내로 식각 가스를 공급하는 단계(S22)를 수행할 수 있다. 식각 가스는 캐리어 가스(51) 또는 히팅 시스템에 의해 기화되어 운반된 식각 전구체(50)일 수 있다. 또는 식각 전구체(50)와 함께 하나 이상의 처리 가스(61) 및/또는 비활성 가스가 소정 비율로 함께 공급될 수 있다. 예를 들어, 식각 전구체(50)와 함께 산소 및/또는 아르곤 가스가 공급될 수 있다. 식각 가스는 가스 분사 유닛(40)을 통해 진공 챔버(10) 내로 분사될 수 있다.
다음은 플라즈마를 생성하는 단계(S23)가 수행될 수 있다. 이를 위해 상부 전극과 하부 전극 사이에 RF 전력이 인가될 수 있다. 예를 들어, 상부 전극으로 기능하는 가스 분사 유닛(40)은 접지되고 하부 전극으로 기능하는 척 부재(20)에 연결된 RF 전원(31, 32)에 의해 RF 전력이 제공될 수 있다. RF 전원(31, 32)은 2 이상의 RF 전원이 구비될 수 있다. 2 이상의 RF 전원 중 상대적으로 높은 주파수의 제1 RF 전원(31)은 플라즈마 생성 및 유지를 위한 전원으로, 상대적으로 낮은 주파수의 제2 RF 전원(32)은 이온 방향성 조절을 위한 바이어스 전원으로 사용될 수 있다.
식각 공정을 진행하는 단계(S24)는 식각 전구체(50) 물질이 플라즈마에 의해 이온화되고 기판(W) 방향으로 입사되어 피식각층의 식각이 진행되는 단계이고, 이 단계가 종료되면 공정을 종료하고 기판을 반출하는 단계(S25)가 수행될 수 있다. 식각 공정은 피식각층을 소정의 패턴으로 식각하는 공정일 수 있다. 이를 위해 피식각층 상부에는 마스크층이 패턴 형성되어 있을 수 있다. 식각 공정의 종료는 종말점(End-point) 검출에 의해 이루어질 수 있다. 기판의 반출은 진공 챔버(10)와 연통 가능하도록 배치된 반송 모듈로부터 진입한 기판 반송 로봇이 기판(W)을 파지하여 반출하는 단계일 수 있다
이하 본 발명에 따른 액상의 식각 전구체(50)를 이용하여 실리콘 산화막 식각 공정을 수행한 결과를 구체적인 실시예로 설명한다. 본 실시예에서는 식각 전구체(50)로 C7F14, C7F8, CF2Br2, C4F9I를 사용한 결과를 제시하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 비교예로 기상 식각 가스인 C4F8 또는 CF4를 식각 가스로 사용한 결과도 함께 제시한다.
1. C 7 F 14 과 C 4 F 8 식각 특성 비교
진공 챔버에 식각 가스로 C7F14와 C4F8를 각각 공급하고 실리콘 산화막 식각 공정을 진행하였다. 5mTorr의 공정 압력에서 플라즈마 생성을 위한 RF 소스 전력(Source power) 및 바이어스 전압(Bias voltage)을 변화시키면서 식각 특성을 조사하였다. RF 소스 전력은 200W에서 600W 범위에서 변화시켰으며, 바이어스 전압(-V)은 80V에서 240V 범위에서 조절하였다.
도 3은 바이어스 전압을 80V로 고정한 상태에서 RF 소스 전력에 따른 C7F14와 C4F8의 식각률 및 식각 선택비를 비교한 그래프이다. 도 3(a)에 의하면 RF 소스 전력이 증가함에 따라 식각률도 증가하는 경향이 나타나며, 액상 식각 전구체인 C7F14를 사용한 경우에도 C4F8과 식각률이 유사하였다. 도 3(b)의 식각 선택비 그래프에 의하면, 마스크층으로 실리콘 질화막(Si3N4)을 사용한 경우와 비정질 탄소막(ACL)을 사용한 경우 모두 액상 식각 전구체인 C7F14를 사용하여도 유사한 정도의 선택비를 얻을 수 있음이 확인되었다. 특히 마스크층이 비정질 탄소막(ACL)이고 RF 소스 전력이 약 350W 이상인 경우 C7F14의 선택비가 더 우수한 것으로 나타났다.
도 4는 RF 소스 전력을 300W로 고정한 상태에서 바이어스 전압에 따른 C7F14와 C4F8의 식각률 및 식각 선택비를 비교한 그래프이다. 도 4(a)에 의하면 바이어스 전압이 증가할수록 식각률도 증가하는 경향이 나타났으며, 200V 이하의 바이어스 전압에서는 오히려 C7F14를 사용한 경우가 식각률이 더 우수하였다. 도 4(b)의 식각 선택비 그래프에 의하면, 마스크층으로 실리콘 질화막(Si3N4)을 사용한 경우와 비정질 탄소막(ACL)을 사용한 경우 모두 액상 식각 전구체인 C7F14를 사용하여도 바이어스 전압을 적절히 조절하면 유사한 정도의 선택비를 얻을 수 있음이 확인되었다. 특히 약 160V 이하의 바이어스 전압에서는 마스크층의 종류와 관계없이 C7F14와 C4F8의 식각 선택비가 유사하였다.
2. C 7 F 8 과 C 4 F 8 식각 특성 비교
진공 챔버에 식각 가스로 C7F8와 C4F8를 각각 공급하고 실리콘 산화막 식각 공정을 진행하였다. C7F8의 식각률 상승을 위해 처리 가스로서 산소(O2)와 아르곤(Ar)을 함께 공급하였다.
도 5 및 도 6은 산소 공급 유량에 따른 식각률 및 식각 선택비 그래프이다. 도 5(a) 및 도 6(a)는 실시예인 C7F8의 결과이고, 도 5(b) 및 도 6(b)는 비교예인 C4F8의 결과이다. 공정 압력은 10mTorr, 아르곤 유량은 30sccm, RF 소스 전력은 500W, 바이어스 전압(-V)은 240V로 고정하였다.
C7F8의 경우 단일 가스만 사용하거나 산소 유량이 작은 경우 실리콘 산화막 식각이 거의 일어나지 않으나, 산소 유량이 증가할수록 유의미한 식각률이 얻어짐을 알 수 있다(도 5a). 특히 약 45sccm 이상의 산소 유량에서는 식각률이 300nm/min 정도로 포화되었다. 반면 도 5(b)의 C4F8의 경우 산소 유량이 30sccm 이상으로 증가할수록 실리콘 산화막 식각률은 오히려 감소하는 경향이 나타났다.
C7F8의 유용성은 도 6의 선택비 특성에서 명확하게 나타난다. 도 6(a)로부터, 산소 유량이 증가할수록 선택비가 크게 증가하여 30sccm의 산소 유량에서는 실리콘 질화막과 비정질 탄소막(ACL) 마스크층 모두에서 약 4 정도의 선택비가 얻어졌다. 이는 도 6(b)의 C4F8의 경우에 비해 월등히 우수한 결과이다.
도 7은 실시예인 C7F8 식각 전구체의 바이어스 전압(-V)에 따른 식각률 및 선택비 그래프이다. 이때 산소 유량은 30sccm으로 고정하였으며, 공정 압력은 10mTorr, 아르곤 유량은 30sccm, RF 소스 전력은 500W 이었다. 도 7(a)의 식각률 그래프에 의하면 바이어스 전압이 증가함에 따라 실리콘 산화막 식각률이 증가하며, 도 7(b)의 식각 선택비 그래프에 의하면 ACL 마스크층의 경우 약 300V의 바이어스 전압에서, 실리콘 질화막 마스크층의 경우 약 360V의 바이어스 전압에서 식각 선택비가 최대가 됨을 확인할 수 있다.
도 8은 실시예인 C7F8 식각 전구체의 RF 소스 전력에 따른 식각률 및 선택비 그래프이다. 이때 산소 유량은 30sccm으로 고정하였으며, 공정 압력은 10mTorr, 아르곤 유량은 30sccm, 바이어스 전압(-V)은 360V로 고정하였다. 도 8(a)로부터 RF 소스 전력이 증가함에 따라 식각률도 증가함을 알 수 있고, 도 8(b)로부터 약 400W 이상의 RF 소스 전력에서 선택비도 최대가 됨을 확인할 수 있다.
이상의 결과로부터, 액상의 C7F8 식각 전구체를 사용하여 실리콘 산화막을 식각하는 경우, 산소 가스를 함께 공급하면서 식각 공정을 진행하는 것이 식각률 및 선택비 측면에서 바람직함을 알 수 있다. 또한, RF 소스 전력과 바이어스 전압도 최적화가 필요하며, 30sccm의 산소 가스 공급 및 10mTorr의 공정 압력 기준으로, 약 400W 이상의 RF 소스 전력 및 약 300V 이상의 바이어스 전압이 바람직함을 알 수 있다. 이러한 식각 공정 조건 하에서 실리콘 질화막 대비 식각 선택비는 약 7.5, ACL막 대비 식각 선택비는 약 5.8까지 확보가 가능하였다.
도 9는 ACL 마스크층을 사용하여 실리콘 산화막에 홀(hole) 패턴을 식각한 후의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 액상의 C7F8 식각 전구체를 사용한 경우가 C4F8 가스를 사용하여 식각한 경우에 비해 패턴 프로파일이 수직으로 잘 형성됨을 확인할 수 있다.
3. CF 2 Br 2 , C 4 F 9 I와 CF 4 의 식각 특성 비교
진공 챔버에 식각 가스로 실시예인 CF2Br2, C4F9I와 비교예인 CF4를 각각 공급하고 실리콘 산화막 식각 공정을 진행하였다. 5mTorr의 공정 압력에서 플라즈마 생성을 위한 RF 소스 전력(Source power) 및 바이어스 전압(Bias voltage)을 변화시키면서 식각 특성을 조사하였다. RF 소스 전력은 200W에서 600W 범위에서 변화시켰으며, 바이어스 전압(-V)은 80V에서 240V 범위에서 조절하였다.
도 10은 바이어스 전압(-V)을 80V로 고정한 상태에서 RF 소스 전력에 따른 식각률 및 식각 선택비를 비교한 그래프이다. 도 10(a)에 의하면 RF 소스 전력이 증가함에 따라 식각률도 증가하는 경향이 나타났으며, 액상 식각 전구체인 CF2Br2를 사용한 경우 CF4보다 식각률이 다소 낮게 나타났지만 C4F9I의 경우는 CF4과 식각률이 거의 유사하였다. 도 10(b)의 식각 선택비 그래프에 의하면, 마스크층으로 실리콘 질화막(Si3N4)을 사용한 경우에는 실시예와 비교예의 선택비가 거의 동일하게 나타났으며, 비정질 탄소막(ACL)을 사용한 경우에는 CF2Br2와 C4F9I의 경우가 비교예인 CF4보다 선택비가 더 우수하였다.
도 11은 RF 소스 전력을 500W로 고정한 상태에서 바이어스 전압에 따른 식각률 및 식각 선택비를 비교한 그래프이다. 도 11(a)에 의하면 바이어스 전압이 증가할수록 식각률도 증가하는 경향이 나타났으며, 약 160V 이하의 바이어스 전압에서는 오히려 C4F9I의 경우가 CF4보다 식각률이 더 우수하였다. 도 11(b)의 식각 선택비 그래프에 의하면, 마스크층으로 실리콘 질화막(Si3N4)을 사용한 경우에는 실시예와 비교예의 선택비가 거의 동일하게 나타났으며, 비정질 탄소막(ACL)을 사용한 경우에는 CF2Br2와 C4F9I의 경우가 비교예인 CF4보다 선택비가 더 우수하였다.
이상의 결과로부터, 액상의 식각 전구체가 실제 식각 공정에 적용 가능한 수준의 식각 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 액상의 식각 전구체를 사용하면 식각 특성도 유지하면서 식각 공정 후 배기 가스를 배기 영역에서 액상으로 회수가 가능하여 온실가스 방출을 최소화할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
실리콘 산화막 식각에 사용할 수 있는 과불화탄소 계열 물질 중 대기압에서 끓는점이 0℃ 이상인 액상 물질은 다수 존재하나, 실제 식각 공정에 사용되려면 CF4, C4F8 등 기존의 기상 식각 소스를 대체할 수 있을 정도의 식각 특성이 얻어져야 한다. 본 발명의 실시예를 통해 C7F14, C7F8, CF2Br2, C4F9I의 경우 식각률이 기존의 기상 식각 소스와 유사하거나 사용 가능한 수준이고, 선택비 특성은 더욱 우수함을 확인할 수 있다.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 이는 실시예일뿐이며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.
1: 기판 처리부
2: 가스 공급부
10: 진공 챔버
20: 척 부재
30: 플라즈마 소스
40: 가스 분사 유닛
50: 식각 전구체

Claims (13)

  1. 액상으로 유지되는 식각 전구체를 기화시켜 진공 챔버로 공급하는 단계;
    진공 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계;
    플라즈마에 의해 이온화된 상기 식각 전구체에 의해 피식각층을 식각하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 식각 전구체는 대기압에서 끓는점이 0℃ 이상인 물질로서, C7F14, CF2Br2, C4F9I, C6F12O 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 식각 전구체는 캐리어 가스에 의한 버블링 방식으로 기화되거나 또는 히팅 시스템에 의해 기화되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 식각 전구체 외에 하나 이상의 처리 가스가 진공 챔버 내로 공급되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하나 이상의 처리 가스는 산소 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피식각층은 기판에 형성된 실리콘 산화막이고,
    상기 실리콘 산화막 상부에는 마스크층 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 식각 전구체는 C7F14 이고,
    플라즈마 생성을 위해 인가되는 RF 소스 전력은 350W 이상이며,
    기판에 인가되는 바이어스 전압(-V)은 200V 이하인 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정에 사용하기 위한 식각 전구체로서, 대기압에서 끓는점이 0℃ 이상인 것을 특징으로 하며, C7F14, CF2Br2, C4F9I, C6F12O 중의 어느 하나인 식각 전구체.
  13. 삭제
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