KR102316457B1 - 불소 가스 혼합물로 이방성 drie 에칭을 하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

불소 가스 혼합물로 이방성 drie 에칭을 하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에칭 단계 및 패시베이션 단계를 여러 번 교대로 연속하여 수행하는 딥 반응성-이온 에칭(DRIE)을 이용하여 기판(101)을 이방성으로 구조화시키는 에칭 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 25% 초과 내지 40% 이하의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 60%의 비율의 불활성 가스를 포함하는 불소 가스 혼합물이 에칭에 사용된다. 또한, 본 발명은 본 발명의 불소 가스 혼합물을 사용하여 기판(101, 302)을 구조화시키기 위한 이러한 불소 가스 혼합물의 용도 및 대응하는 장치(300)에 관한 것이다.

Description

불소 가스 혼합물로 이방성 DRIE 에칭을 하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 청구항 1의 특징을 갖는 불소 가스 혼합물을 사용하여 딥 반응성-이온 에칭(deep reactive-ion etching, DRIE)을 하기 위한 방법, 청구항 10의 특징을 갖는 딥 반응성-이온 에칭을 하기 위한 불소 가스 혼합물의 용도, 및 청구항 12의 특징을 갖는 본 발명의 불소 가스 혼합물을 사용하여 딥 반응성-이온 에칭을 하기 위한 리액터를 갖는 장치에 관한 것이다.
반도체 소자 및 MEMS (Micro Electromechanical Structures) 시스템을 제조하기 위해 기판은 구조화된다. 이를 위해, 다양한 에칭 공정이 사용될 수 있다. 웨트-화학적 에칭 방법 및 드라이-에칭 방법이 알려져 있고, 드라이-에칭 방법은 화학적 공정과 물리적인 공정으로 나뉜다.
화학적 드라이-에칭(CDE) 공정은 중성 입자/분자(보통 라디칼)와 기판의 표면 사이의 화학적 반응을 수반하며, 이로 인해 기판이 구조화된다. 라디칼은 플라즈마에서 생성되며, 이것이 화학적 드라이-에칭 공정이 일반적으로 플라즈마 에칭 방법으로 언급되는 이유이다. 화학적 드라이-에칭 공정은 보통 매우 등방성인 에칭 행태를 보인다.
다른 한편으로, 물리적 드라이-에칭 방법은 다소 이방성인 에칭 패턴을 보인다. 여기서, 기판의 표면은 이온, 전자 또는 광자를 사용하여 충격에 의해 에칭된다. 기판을 구조화시키는 것에 수반되는 공정은 스퍼터링에 수반되는 공정과 유사하다. 그러나, 물리적 드라이-에칭 방법은 일반적으로 오직 낮은 물질 선택성을 더 포함하는 비교적 낮은 에칭률을 갖는다. 마스크 관련 에칭은 라운딩된 에지를 생성한다. 또한, 이온이 더 큰 깊이로 물질을 통과시키도록 에칭에 높은 에너지를 필요로 한다. 따라서, 에칭은 표면에서 수행될 뿐 아니라, 더 깊은 층도 손상된다. 다른 단점은 기판 및 마스크, 또는 마스크 에지 상에 에칭된 입자의 기생 증착(재증착)이다.
화학적 및 물리적 드라이-에칭의 이점을 혼합한 2개의 드라이-에칭 방법의 혼합된 형태는 일반적으로 플라즈마-보조 에칭(plasma-assisted etching)이라고 하는 물리-화학적 드라이-에칭 방법(물리-화학적 드라이-에칭)이다. 추출물(educt)은 대개 플라즈마에 의해 활성화 또는 라디칼화 된 후, 이온 가속에 의해 기판 상에 유도된다(guided). 잘 알려진 대표적인 물리-화학적 드라이-에칭 방법은 반응성-이온 에칭(RIE) 및 딥 반응성-이온 에칭(DRIE)이다. 딥 반응성-이온 에칭(DRIE)은 보쉬 공정(Bosch process)으로도 알려져 있다.
상술한 에칭 방법 전체에서, 특수한 가스 또는 가스 혼합물이 에칭 가스로 사용된다. 각각의 에칭 가스는 각각의 에칭 방법에 특이적이다. 특히, 가스 혼합물의 경우에, 각각의 가스 성분의 1%만큼 작은 편차가 선택된 에칭 방법이 더 이상 실행 가능하지 않게 할 수 있다.
예를 들어, 황 헥사플루오라이드(sulfur hexafluoride) SF6은 매우 우수하고, 재생 가능한 공정 제어를 가능하게 하므로, 딥 반응성-이온 에칭을 위한 에칭 가스로 사용된다. 또한, 황 헥사플루오라이드 SF6은 처리가 쉽고, 상대적으로 무해하다.
그러나, 황 헥사플루오라이드 SF6은 GWP 값이 22800 초과(GWP = 지구 온난화 지수)인 환경에 매우 유해한 가스이고, 지구 온난화에 매우 기여한다("기후 킬러(climate killer)"). 또한, 연속 조작에서, 에칭 기기는 리액터의 진공 펌프 라인에서 많은 양의 부분적으로 반응된 황 화합물을 축적한다. 이는 24시간 조작에 바람직하지 않으며, 상대적으로 높은 유지 비용을 야기한다.
본 발명의 목적은 이러한 방법의 특성인 에칭 특성을 유지하면서 더욱 친환경적으로 기판의 이방성 구조화를 위해 딥 반응성-이온 에칭이 되도록 한다.
본 발명에 따라서, 이러한 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 에칭 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 에칭 방법은 에칭 단계(etching step) 및 패시베이션 단계(passivation step)를 여러 번 교대로 연속하여 수행하는 딥 반응성-이온 에칭(DRIE)을 이용하여 기판을 이방성으로 구조화시키는(anisotropically structuring) 단계를 포함한다. 본 발명에 따라서, 상기 에칭에 25% 초과 내지 40% 이하의 비율의 불소(25%　<　F2　<=　40%), 1% 내지 50%의 비율의 질소(1%　<=　N2　<=　50%) 및 30% 내지 60%의 비율의 불활성 가스 (noble gas)(30%　<=　불활성 가스 <=　60%)를 갖는 불소 가스 혼합물이 사용된다. 본 발명의 불소 가스 혼합물의 이러한 특별한 조성은 이전에 사용된 SF6를 대체하기에 매우 적합하다. 본 발명은 이전 지식에 따라서, F2 불소 가스 혼합물이 강하게 등방성인 에칭 행태를 가지고, 즉 불소-함유 분자들(예를 들어, CF4, CHF3, C4F8, 등)과 대조적이고, 측벽(=생성된 구조체의 매우 부드러운 측면)에 따라서 높은 선택성을 갖는 순수한 반응성-이온 에칭이 이러한 목적을 위해 사용되기 때문에 F2 불소 가스 혼합물은 나노미터 범위의 미세 구조, 예를 들어 반도체 부품을 실현하는데 적합하지 않다는 사실에 기초한다. 따라서, F2 불소 가스 혼합물은 깨끗한 CVD 시스템에만 사용되고, 이러한 CVD 시스템은 F2 불소 가스 혼합물이 넘치고 등방성 에칭 행태가 요구된다. 포토레지스트 마스크를 사용하는 반도체 또는 MEMS 부품의 미세 구조화를 위해 사용되는 거의 전체의 종래의 플라즈마 시스템은 항상 목적하지 않은 "언더컷(undercut)"(=에칭할 층을 언더에칭하는(underetching))을 억제하기 위해 연속적인 측벽 패시베이션 및 마스크에 대응하는 선택성을 필요로 한다. 그러나, 이는 보통 CHF3와 같은 중합화 가스를 이용함으로써만 가능하다. 이러한 점에서, 높은 라디칼 밀도를 갖는 F2-가스 혼합물이 추가적인 중합화 가스 없이 오직 등방적으로 에칭하고, 즉 언더컷을 생성하고, 따라서 이방성 에칭이 고려될 수 없으므로, F2-가스 혼합물은 이러한 목적을 위해 사용될 수 없거나 매우 제한된 범위에서만 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 가스 조성을 이용하면, 기존의 추측과는 달리 기판을 이방성으로 구조화시키기 위해 F2 불소 가스 혼합물을 사용하는 것이 가능하다.
처음 부분에서 이미 언급한 바와 같이, DRIE 에칭 방법에서, 오직 1%의 범위에서 가스 조성의 편차는 에칭률 및 방법의 실현 가능성에 상당한 변화를 초래할 수 있다. 실험을 수행하는 동안, 35% 내지 40%의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 59%의 비율의 불활성 가스를 갖는 불소 가스 혼합물이 이러한 조성의 이론적인 예상보다 에칭률과 공정 제어의 관점에서 현저히 우수한 결과를 생성한다는 것을 놀랍게도 알 수 있었다.
불소 가스 혼합물은 아르곤, 네온, 크립톤, 헬륨, 라돈 및 제논으로 이루어진 군으로부터 선택된 불활성 가스를 함유하는 것이 가능하다.
양태에 따라서, 불소 가스 혼합물은 오직 불활성 가스 성분으로서 아르곤을 포함할 수 있다. F2 및 N2와 조합되는 아르곤의 사용은 본 발명의 방법을 이용하여 에칭에서 특히 우수한 결과를 얻는 것을 보인다.
다른 양태에 따라서, 패시베이션의 단계는 공정 가스로서 C4F6를 이용하여 기판 상에 패시베이션층을 적용하는 단계를 포함한다. 지금까지, 중합화 가스 C4F8은 공지된 DRIE 공정에서 패시베이션에 사용된다. 그러나, 이러한 중합화 가스 C4F8은 환경에 매우 유해하고, 즉 이러한 중합화 가스의 GWP 지수(지구 온난화 지수)는 8700이다. 그러나, 중합화 가스 C4F6은 매우 친환경적이고, 즉 이러한 공정 가스는 GWP 지수가 1이다. 따라서, 본 발명의 C4F8의 C4F6로의 대체는 본 발명의 근본적인 문제를 해결하는데 기여하고, 즉 공지된 DRIE 공정을 더욱 친환경적이도록 한다.
본 발명의 양태에 따라서, 다른 것들 중에서, 본 발명은 고주파수 직접 플라즈마(high-frequency direct plasma)에서 반응성 이온을 생성시키는 단계를 포함한다. 이른바 원격 플라즈마(remote-plasma)와는 달리, 직접 플라즈마에서, 플라즈마는 에칭 챔버 내에서 직접 생성된다. 고주파수 직접 플라즈마는 3　MHz 내지 300　GHz의 여기(excitation) 주파수로 생성되는 플라즈마인 것으로 이해된다.
여기서, 본 발명은 3 MHz 내지 30 MHz의 주파수 범위의 단파 주파수 밴드에서의 여기 주파수로 유도 결합된(inductively coupled) 또는 축전 결합된(capacitively coupled) 고주파수 직접 플라즈마 내에서 반응성 이온을 생성시키는 단계를 포함하는 것이 가능하다. 바람직한 고주파수 범위는 10 MHz 내지 15 MHz에 이른다. 예를 들어, 선택된 주파수는 13.56 MHz이다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 본 발명은 0.3 GHz 내지 3 GHz의 주파수 범위의 마이크로파 주파수 밴드에서의 여기 주파수로 고주파수 플라즈마 내에서 반응성 이온을 생성시키는 단계를 포함한다. 바람직한 고주파수 범위는 2 GHz 내지 3 GHz에 이른다. 예를 들어, 선택된 주파수는 2.45 GHz이다. 에칭 가스로서 SF6를 사용하는 공지된 DRIE 공정에서, 예를 들어 2.5　GHz에서 마이크로파 여기는 SF6과 같은 무거운 가스에 부적합하고, SF6을 F 라디칼로 분리하기 위해 요구되는 고주파수 전력은 매우 복잡하고 불충분하게 높은 방식에서만 결합될 수 있기 때문에 사용되지 않는다. 에칭 가스로서 청구되는 F2 불소 가스 혼합물을 사용하는 본 발명과 조합하여, 마이크로파 여기의 사용은 시너지적으로 매우 흥미롭다. 불소 가스 혼합물은 비교에서 3배 낮은 전력 밀도에서 이미 불소 라디칼로 해리되므로, 마이크로파 여기에서 조차 높은 불소 라디칼 밀도를 허용한다. 따라서, 마이크로파 플라즈마는 상대적으로 낮은 에너지 투입으로 매우 높은 라디칼 밀도를 생성하여, 특히 불소 가스 혼합물을 이용할 때 상당히 높은 F 라디칼 밀도를 초래한다.
마이크로파 여기를 사용함으로써 대응하는 실리콘 기판(직경 200-300 mm)에 충분히 우수한 에칭 균질성을 달성하기 위해, 다른 양태는 평면 방식으로 규칙적으로 배열되고, 최대 주파수 전력 제어를 이용하여 제거율의 균질성을 마스크하거나 실리콘 균질성을 최적화할 수 있는 다수의, 개별적으로 제어되는 마이크로파 결합 공급원(microwave coupling sources)의 사용이다.
다른 양태에 따라서, 본 발명의 방법은 반응성 불소 이온 및 불소 라디칼을 생성시키는 단계를 포함하고, 제1 시간 기간에 불소 라디칼보다 반응성 불소 이온을 더 생성시키고, 이어지는 제2 시간 기간에 반응성 불소 이온보다 불소 라디칼을 더 생성시킨다. 반응성 불소 이온은 패시베이션층, 또는 중합층을 파괴하기 위해 필요하다. 다른 한편으로, 라디칼은 구조화되는 기판을 높은 선택성을 가지고 에칭한다. 따라서, 본 발명에 따라서, 반응성 불소 이온은 우선 에칭 단계가 시작될 때 생성된(예를 들어, 0.5초 동안) 후, 이전의 패시베이션 단계에서 적용되는 패시베이션층을 통해 파괴하기 위해 기판 상에 조사된다(directed). 이어서, 불소 라디칼은 기판을 에칭 또는 구조화시키기 위해 노출된 기판 상에 생성 및 유도된다. 예를 들어, 특정 시간 창(time window)에서 라디칼 및 반응성 이온의 생성은 플라즈마 공급원이 플라즈마 내에서 다양한 비율 분포의 불소 라디칼 및 불소 이온을 다양한 시점에 생성시키도록 플라즈마 공급원을 제어하도록 구성되는, 플라즈마 공급원에 연결된 컨트롤러에 의해 실현될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 에칭 단계 및 패시베이션 단계를 여러 번 교대로 연속하여 수행하는 딥 반응성-이온 에칭(DRIE)을 이용하여 기판을 이방성으로 구조화시키기 위한 불소 가스 혼합물의 용도이고, 이러한 불소 가스 혼합물은 25% 초과 내지 40% 이하의 비율의 불소(25%　<　F2　<=　40%), 1% 내지 50%의 비율의 질소(1%　<=　N2　<=　50%) 및 30% 내지 60%의 비율의 불활성 가스(30%　<=　불활성 가스　<=　60%)를 갖는다.
본 발명의 다른 측면은 에칭 단계 및 패시베이션 단계를 여러 번 교대로 연속하여 수행하는 딥 반응성-이온 에칭(DRIE)을 이용하여 기판을 이방성으로 구조화시키기 위한 리액터; 및 상기 리액터로 에칭 가스를 공급하기 위한 가스 주입구;를 포함하는 장치에 관한 것이고, 이러한 불소 가스 혼합물은 25% 초과 내지 40% 이하의 비율의 불소(25%　<　F2　<=　40%), 1% 내지 50%의 비율의 질소(1%　<=　N2　<=　50%) 및 30% 내지 60%의 비율의 불활성 가스(30%　<=　불활성 가스　<=　60%)를 갖는 에칭 가스로 사용된다.
본 발명의 양태는 하기에 설명되고, 하기 도면에서 설명된다:
도 1은 본 발명의 방법을 사용하여 구조화된 기판의 개략 단면도를 도시하고,
도 2는 선행 기술에 따라 공정 가스로서 SF6를 사용하여 딥 반응성-이온 에칭을 하기 위한 종래의 플라즈마 시스템을 도시하고,
도 3은 공정 가스로서 본 발명의 불소 가스 혼합물을 사용하여 딥 반응성-이온 에칭을 하기 위한 본 발명의 플라즈마 시스템을 도시한다.
도 1은 본 발명의 DRIE 공정을 사용하여 구조화된 기판(101)의 에칭 패턴을 개략적으로 도시한다. DRIE 공정은 일반적으로 보쉬 공정이라고 한다.
보쉬 공정의 특성은, 등방성 Si 에칭과 등방성 중합 사이에서 규칙적으로 변하고, 주로 각각의 Si 에칭 단계의 초기에 Si 에칭 단계 당 비교적 적은 이방성을 필요로 하는 것이다. 개별적인 에칭 단계는 등방성일 수 있지만, 기판(101)으로 에칭되는 구조체(104)는 교대로 수행하는 에칭 및 중합화 단계로 인해 높은 이방성을 보인다.
또한, 도 1에 예시적으로 도시되는 실리콘 기판(101)은 패시베이션층(예를 들어, 산화물)(102)을 갖는다. 상기 언급되는 반복되는 패시베이션 단계는 기판(101) 상에 폴리머층(103) 또는 추가 패시베이션층의 증착을 야기한다. 또한, 폴리머층(103)은 캐비티(104) 내에서 하부 패시베이션 및 측벽 패시베이션을 생성시킨다.
보쉬 공정은 실리콘 기판(101)에서 딥 트렌치, 캐비티 또는 TSVs (Through Silicon Vias)(104)를 생성시키기 위해 폴리머 증착과 반응성-이온 에칭의 교대로 수행되는 반복적인 조합을 수반한다. 지금까지, 선행 기술에 따른 보쉬 공정에서, 가스 C4F8은 폴리머 증착에 사용되고, 에칭 가스 SF6은 실제 Si 에칭에 사용된다.
종래의 보쉬 공정은 필수적으로 3가지 공정 단계로 이루어진다:
a) F 라디칼(SF6으로부터 형성되는)에 의한 등방성 화학적 에칭
b) 등방성이고 바이어스 RF가 아닌 C4F8 가스에 의한 표면 패시베이션
c) 가속화된 이온에 의한 하부 패시베이션의 제거(물리적인 에칭)
선행 기술에서 사용되는 에칭 챔버는 캐소드를 통해 이른바 DC 바이어스 또는 가속 전압을 발생시키는 13.56 MHz 또는 400 kHz의 주파수에서 동시에 적용되는 추가적인 플라즈마 공급원과 쌍을 이루는 13.56 MHz의 주파수에서 이른바 유도 결합 플라즈마 여기를 사용한다.
리액터의 상부에서 유도 결합되는 플라즈마는 상대적으로 높은 밀도의 비방향성(undirected) 불소 이온 및 불소 라디칼을 생성하여, 주로 생성되는 높은 라디칼 밀도로 인해 실리콘을 90% 등방성으로 에칭한다. 겹쳐진 제2 플라즈마 공급원은 웨이퍼 표면을 향해 수직으로 SFX 이온을 가속화하여, 유도성 공급원과 관계 없이 제어되는 이방성 에칭 비율을 생성한다.
이방성 에칭부는 생성되는 트랜치(104)의 하부에서 이전에 적층된 박형 테플론과 같은 폴리머층(102)을 통해 파괴하도록 요구된다(폴리머는 언더커팅으로부터 보호하기 위해 트렌치(104)의 측벽 상에 유지되어, 불소 라디칼에 의한 다음 등방성 Si 에칭을 허용함).
중합화는 바이어스 RF 없이, 오직 유도 결합된 13.56 MHz 전력을 인가함으로써, C4F8 플라즈마를 점화하는 것에 의해 박형, PTFE와 같은 층을 "증착"함으로써 얻어진다.
종래의 보쉬 공정에서 사용되는 에칭 가스 SF6은 환경에 매우 유해한, GWP 값이 22800 초과(GWP = 지구 온난화 지수)이고, 지구 온난화("기후 킬러(climate killer)")에 매우 기여하는 가스이다. 또한, 상기 언급된 에칭 기기의 연속 조작에서, 리액터의 진공 펌프 라인에서 많은 양의 부분적으로 반응된 황 화합물을 축적한다. 이는 24시간 조작에 바람직하지 않으며, 상대적으로 높은 유지 비용을 야기한다.
따라서, 본 발명은 다른 것 중에서도 보쉬 공정에서 이전에 사용된 에칭 가스 SF6을 불소 가스 혼합물로 대체하여, 인자가 20:1인 지나치게 과도한 종횡비(종횡비=트렌치 폭에 대한 깊이)를 갖는 기판(예를 들어, 벌크 실리콘)(101)에서 리소그래피로 특정된 딥 구조체(104)를 생성시킬 수 있게 한다.
본 발명에 따라서, 불소 가스 혼합물은 25% 초과 내지 40% 이하의 비율의 불소(25%　<　F2　<=　40%), 1% 내지 50%의 비율의 질소(1%　<=　N2　<=　50%) 및 30% 내지 60%의 비율의 불활성 가스(30%　<=　불활성 가스 <=　60%)를 포함한다. 불활성 가스로서 바람직하게는 아르곤이 사용된다.
35% 내지 40%의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 59%의 비율의 불활성 가스를 함유하는 불소 가스 혼합물을 사용하여 현저하게 우수한 결과가 달성될 수 있다.
또한, 불소 가스 혼합물은 요구되는 선택성 및 이방성 에칭 비율을 최적화 할 수 있도록 청구되는 한계 내의 농도에서 F2/불활성 가스(He, Ar, 네온, 크립톤, 제논)/N2로 이루어질 수 있다.
여기까지, 불소 가스 혼합물은 매우 높은 등방성을 갖는 것으로 알려져 있는데, 즉 불소 가스 혼합물은 대부분 비방향성 방식으로 에칭된다. 따라서, 불소 가스 혼합물은, 예를 들어 CVD 챔버의 세정을 위한 세정 가스로 매우 적합하다. 불소 가스 혼합물은 CVD 챔버에 넘치고, 예를 들어 챔버 벽으로부터 잔여물을 제거 및 등방적으로 에칭하도록 챔버 내에서 큰 면적에 걸쳐 분포된다. 따라서, 이러한 큰 등방성은 세정에 바람직하다. 그러나, 일반적인 지견에 따르면, 불소 가스 혼합물은 이러한 큰 등방성으로 인해 기판의 방향적 구조화에 부적합하다.
예를 들어, F2 가스 혼합물이 CVD 리액터 벽 상에 비정질 실리콘층 또는 유리층의 전체 표면 제거를 위해 사용되는 CVD 세정 플라즈마와 달리, 본 발명은 이전에 독점적으로 사용된 SF6 가스를 환경적인 이유로 대체할 수 있음과 동시에 황 증착의 간섭이 일어날 수 없어 에칭 챔버 및 진공 부품의 서비스 수명을 증가시킬 수 있는 선언하는 목적을 가지고, 구조체 및 기판(예를 들어, 실리콘 웨이퍼)의 생성을 위한 F2 가스 혼합물의 첫번째 용도를 기재한다.
또한, 포토마스크-구조화된 실리콘의 DRIE 에칭에서 SF6을 친환경적인 F2 가스 혼합물로 대체하는 것에 대한 시도는, 불소 가스 혼합물이 넘치도록 비방향성 방식으로 챔버로 유도되는 CVD 세정 공정과 비교하여 상이한 기술적 접근이 요구된다. 이와는 별개로, CVD 세정 공정에서 사용되는 불소 가스 혼합물의 개별 가스 성분의 조성, 또는 퍼센트 분포는 본 발명에 따른 불소 가스 혼합물의 조성과 상이하다. 여기서 불소 가스 혼합물의 경우에, 단일 혼합된 성분의 1% 만큼의 편차가 목적하는 방법이 더 이상 실행 가능하지 않을 수 있음을 언급해야 한다.
DRIE 에칭에서, 실제 Si 에칭을 수행할 수 있기 위해서 동일한 층을 통해 파괴될 때 테플론과 같은 폴리머층에 필요한 선택성 및 최소 이방성이 나타나야 하기 때문에, F2 가스 혼합물로 N2 및 불활성 가스(예를 들어, 비교적 무거운 원자로서 아르곤)의 첨가는 이전에 중합화된 트렌치 하부의 반복적인 개방부에서 요구되는 스퍼터 에너지를 달성할 수 있게 하는 새로운 해결책이다.
100%의 F2가 자기 점화적(self-igniting)이고, 매우 반응적이기 때문에, 100%의 F2 대신에 F2 가스 혼합물의 사용은 안정성의 이유에서 유리하다. 또한, 100%의 F2는 포토레지스트, Si 유리 또는 실리콘 나이트라이드와 같은 종래의 마스킹층에 실리콘의 필요한 선택성을 달성할 수 없는데, 이는 반응성-이온 에칭에 불소 가스 혼합물이 아직 사용되지 않은 다른 이유이다.
본 발명의 방법은 종래의 유도 결합된 플라즈마 (예를 들어, 13.56 MHz에서)에서, 또는 마이크로파 플라즈마 (예를 들어, 2.45 GHz에서)를 사용하여 실현될 수 있다.
마이크로파 플라즈마와 조합되는 본 발명의 불소 가스 혼합물의 용도는 다수의 이점을 갖는다.
예를 들어, 마이크로파 플라즈마는 상당히 낮은 사용 에너지에서 매우 높은 라디칼 밀도를 생성하고, 이는 특히 불소 가스 혼합물이 사용될 때 더 낮은 주파수에서 여기되는 플라즈마와 비교하여 상당히 더 높은 불소 라디칼 밀도를 야기한다.
추가적인 매칭 유닛(전기 기계적 고주파수 조절 유닛)은 F2 라디칼을 형성하기 위해 마이크로파를 사용할 때 요구되지 않기 때문에, 본 발명의 장치의 이점은 유도 결합된 플라즈마 (예를 들어, 13.56 MHz에서)로 현재 사용되는 공정 챔버보다 더욱 신뢰성 있게 확립될 수 있다는 점이다.
중합화 가스 C4F8가 여전히 사용될 수 있다. 그러나, 선행 기술에서 에칭에 사용되는 에칭 가스 SF6 및 패시베이션에 사용되는 C4F8은 환경에 매우 유해하다. 본 발명에 따라서, C4F8 및 SF6의 가능한 대체물로서 C4F6 또는 SF4를 사용하려는 것이다. C4F6은 C4F8 (C4F8: GWP　=　8700)와 비교하여 GWP 지수가 단지 1(C4F6: GWP　=　1)이다.
균일한 Si 제거를 달성하기 위해, 서로 인접하여 몇 번 배열되는 세라믹 도파관을 갖는 세라믹 표면에 의해 결합되는 최신 디자인 마이크로파 공급원만이 전체 웨이퍼 표면 상에 요구되는 평면의 및 균일하게 분포된 라디칼 밀도를 생성한다.
매트릭스와 같은, 규칙적으로 분포된 배열에서 몇 개의 개별적으로 제어 가능한 마이크로파 공급원의 더욱 복잡한 접근법은 직경 범위 200 mm 내지 300 mm에서 실리콘 기판의 달성 가능한 균일성의 추가 최적화를 가능하게 한다. 결합 부품 당 개별적으로 제어 가능한 마이크로파 전력 적용은 매우 정확한 방식으로 전체 리액터 표면 상에서 가능한 한 균질한 에칭 제거를 달성하기 위해 에칭 챔버에서 분포되는 라디칼 밀도 및 에칭 챔버에서 분포되는 이온 에너지를 적용 가능하게 한다.
13.56 MHz 또는 400 kHz에서 제2 RF 제네레이터는 각각 캐소드 또는 웨이퍼 표면을 향해 폴리머 개방부에서 조절 가능하고, 미세하게 조정 가능한 이온 가속(스퍼터 에칭 단계)을 생성할 수 있도록 단지 요구된다. 매우 쉽게 분리할 수 있는 본 발명의 불소 가스 혼합물은 SF6과 비교 가능한 불소 라디칼 밀도, 따라서 높은 Si 에칭률을 생성하기 위해 상대적으로 낮은 RF 전력을 필요로 한다.
본 발명의 방법에서, 불소 이온은 패시베이션층 또는 중합화층(103)을 파괴하기 위해 이용 가능한 경우에 유리하고, 불소 라디칼은 기판(101)을 구조화시키는데 요구된다(패시베이션층 또는 중합화층(103)을 파괴한 후).
따라서, 본 발명의 양태에 따라서, 본 발명의 방법은 반응성 불소 이온 및 불소 라디칼을 생성시키는 단계를 포함하고, 제1 시간 기간에 불소 라디칼보다 반응성 불소 이온을 더 생성시키고, 제2 시간 기간에 반응성 불소 이온보다 불소 라디칼을 더 생성시킨다.
반응성 불소 이온은 패시베이션 또는 중합화층(103)을 파괴하는데 요구된다. 다른 한편으로, 불소 라디칼은 구조화될 기판(101)을 높은 선택성을 가지고 에칭한다. 따라서, 본 발명에 따라서, 반응성 불소 이온은 우선 에칭 단계가 시작될 때 생성된(예를 들어, 0.5초) 후, 이전의 패시베이션 단계에 인가되는 패시베이션층 또는 중합화층(103)을 통해 파괴하기 위해 기판(101) 상에 조사된다. 이어서, 불소 라디칼이 생성되고, 기판(101)을 에칭 또는 구조화시키기 위해 노출된 기판(101) 상에 유도된다.
예를 들어, 특정 시간의 창에서 라디칼 및 반응성 이온의 생성은 플라즈마 공급원이 플라즈마 내에서 다양한 비율 분포의 불소 라디칼 및 불소 이온을 다양한 시점에 생성시키도록 플라즈마 공급원을 제어하도록 구성되는, 플라즈마 공급원에 연결된 컨트롤러에 의해 실현될 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러는 시간에 따라 플라즈마를 생성시키기 위한 여기 주파수를 증가하도록 구성될 수 있다. 마이크로파 주파수 범위 미만의 고주파수에서, 즉 약 30 MHz 내지 300 MHz의 주파수에서, 라디칼 및 반응성 이온은 플라즈마 내에서 형성된다. 마이크로파 주파수 범위의 주파수에서, 즉 약 0.3 GHz 내지 3 GHz의 주파수에서, 이온은 더 이상 이러한 고주파수를 따르지 않을 수 있고, 거의 라디칼만이 플라즈마 내에서 형성된다.
따라서, 컨트롤러는 제1 여기 주파수에서 제1 시간 기간에 및 제2 여기 주파수에서 제2 시간 기간에 플라즈마가 생성되도록 구성될 수 있고, 제1 여기 주파수는 제2 여기 주파수보다 낮고, 제1 여기 주파수는 바람직하게는 마이크로파 주파수 범위 미만이고, 즉 약 30 MHz 내지 300 MHz이고, 제2 여기 주파수는 0.3 GHz 내지 3 GHz의 마이크로파 주파수 범위 내이다.
도 2는 선행 기술에 따라서 딥 반응성-이온 에칭을 위한 종래의 플라즈마 시스템(200)을 도시한다. 플라즈마 시스템(200)은 구조화될 기판(202)을 함유하는 공정 챔버(201)를 포함한다. 또한, 플라즈마 시스템(200)은 플라즈마 공급원(203)과 챔버를 포함하고, SF6은 가스 주입구(205)를 통해 공정 가스(204)로서 도입될 수 있다. 공정 가스(204), 여기서 SF6은 상류의 질량 유량계를 통해 플라즈마 공급원(203)으로 유도된다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 이전에 사용된 플라즈마 시스템은 더 높은 보안 요건을 충족시킬 수 있도록 본 발명의 불소 가스 혼합물을 사용하기 위해 변형되거나, 또는 F2-가스 혼합물이 독성 및 부식성이 높기 때문에 안정성 문제 없이 본 발명에 따른 불소 가스 혼합물의 사용이 가능한 방식과 같이 새로운 리액터가 고안되어야 한다.
따라서, 도 3에 도시되는 바와 같이, 질량 유량계(306)(MFC)의 석션 장치(307)를 갖는 플라즈마 시스템(300)을 제공하는 것이 제안되고, 질량 유량계(30)는 공정 챔버 또는 진공 챔버(301)로 본 발명의 불소 가스 혼합물(304)이 전달된다.
도 3은 딥 반응성-이온 에칭을 위한 본 발명의 플라즈마 시스템(300)을 도시한다. 플라즈마 시스템(300)은 구조화될 기판(302)을 함유하는 공정 챔버(301)를 포함한다. 또한, 플라즈마 시스템(300)은 플라즈마 공급원(303)을 갖는 챔버를 포함한다. 선행 기술(도 2)과 비교하여, 공정 가스(304)로 사용되는 청구하는 불소 가스 혼합물은 가스 주입구(305)를 통해 본 발명의 플라즈마 시스템(300)으로 유도된다. 불소 가스 혼합물은 상류의 질량 유량계(306)를 통해 플라즈마 공급원(303)으로 유도되고, 이전에 언급된 석션 장치(307)가 추가로 제공된다.
2개의 플라즈마 시스템(200, 300)은 공통적으로, 구조화될 기판(202, 302)이 이온 또는 가스 흐름(209, 309)이 조사되는(높은 이방성) 전극(208, 308) 상에 배열된다. 또한, 플라즈마 시스템(200, 300)은 진공 펌프를 위해 접속(210, 310)을 갖는다.
이하, 개별적으로 또는 본 명세서에 기재되는 임의의 특징 및 기능 및 상세한 내용과 조합하여 사용될 수 있는 본 발명의 추가 양태 및 측면이 기재될 것이다.
제1 측면에 따르면, 에칭 방법은, 에칭 단계(etching step) 및 패시베이션 단계(passivation step)를 여러 번 교대로 연속하여 수행하는 딥 반응성-이온 에칭(DRIE)을 이용하여 기판(101, 302)을 이방성으로 구조화시키는(anisotropically structuring) 단계를 포함하고, 상기 에칭에 불소 가스 혼합물이 사용되고, 상기 불소 가스 혼합물은 25% 초과 내지 40% 이하의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 60%의 비율의 불활성 가스를 포함한다.
상기 제1 측면을 참조하여 제2 측면에 따르면, 상기 불소 가스 혼합물은 35% 내지 40%의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 59%의 비율의 불활성 가스를 포함한다.
상기 제1 측면 또는 제2 측면을 참조하여 제3 측면에 따르면, 상기 불소 가스 혼합물은 아르곤, 네온, 크립톤, 헬륨, 라돈 및 제논으로 이루어진 군으로부터 선택된 불활성 가스를 포함한다.
상기 제1 측면 또는 제2 측면을 참조하여 제4 측면에 따르면, 상기 불소 가스 혼합물은 불활성 가스 성분으로서 아르곤을 포함한다.
상기 제1 측면 내지 제4 측면을 참조하여 제5 측면에 따르면, 상기 패시베이션 단계는 공정 가스로서 SF4 또는 C4F6를 사용하여 기판(101, 302) 상에 패시베이션층을 적용하는 것을 포함한다.
상기 제1 측면 내지 제5 측면을 참조하여 제6 측면에 따르면, 상기 방법은 고주파수 직접 플라즈마(high-frequency direct plasma) 내에서 반응성 이온을 생성시키는 단계를 포함한다.
상기 제6 측면을 참조하여 제7 측면에 따르면, 상기 방법은 3 MHz 내지 30 MHz의 주파수 범위, 바람직하게는 13 MHz 내지 15 MHz의 범위, 특히 바람직하게는 13.5 MHz 내지 13.6 MHz의 범위의 단파 주파수 밴드에서의 여기(excitation) 주파수로 유도 결합된 또는 축전 결합된 고주파수 직접 플라즈마 내에서 반응성 이온을 생성시키는 단계를 포함한다.
상기 제1 측면 내지 제6 측면을 참조하여 제8 측면에 따르면, 상기 방법은 0.3 GHz 내지 3 GHz의 주파수 범위, 바람직하게는 0.8 GHz 내지 2.6 GHz의 주파수 범위, 특히 바람직하게는 2.45 GHz의 주파수의 마이크로파 주파수 밴드에서의 여기 주파수로 고주파수 플라즈마 내에서 반응성 이온을 생성시키는 단계를 포함한다.
상기 제1 측면 내지 제8 측면을 참조하여 제9 측면에 따르면, 상기 방법은 반응성 이온 및 라디칼을 생성시키는 단계를 포함하는데, 제1 시간 기간에 라디칼보다 반응성 이온이 더 생성되고, 제2 시간 기간에 반응성 이온보다 라디칼이 더 생성된다.
제10 측면은 에칭 단계 및 패시베이션 단계를 여러 번 교대로 연속하여 수행하는 딥 반응성-이온 에칭(DRIE)을 이용하여 기판(101, 302)을 이방성으로 구조화시키기 위한 불소 가스 혼합물의 용도에 관한 것이고, 상기 불소 가스 혼합물은 25% 초과 내지 40% 이하의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 60%의 비율의 아르곤, 네온, 크립톤, 헬륨, 라돈 및 제논으로 이루어진 군으로부터 선택된 불활성 가스를 포함한다.
상기 제10 측면을 참조하여 제11 측면에 따르면, 상기 불소 가스 혼합물은 35% 내지 40%의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 59%의 비율의 불활성 가스를 포함한다.
상기 제12 측면에 따르면, 장치(300)는 에칭 단계 및 패시베이션 단계를 여러 번 교대로 연속하여 수행하는 딥 반응성-이온 에칭(DRIE)을 이용하여 기판(302)을 이방성으로 구조화시키기 위한 리액터(301); 및 상기 리액터(301)로 에칭 가스(304)를 공급하기 위한 가스 주입구(305);를 포함하고, 상기 에칭 가스로서 불소 가스 혼합물이 사용되고, 상기 불소 가스 혼합물은 25% 초과 내지 40% 이하의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 60%의 비율의 불활성 가스를 포함한다.
상기 제12 측면을 참조하여 제13 측면에 따르면, 상기 불소 가스 혼합물은 35% 내지 40%의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 59%의 비율의 불활성 가스를 포함한다.
상기 제12 측면 또는 제13 측면을 참조하여 제14 측면에 따르면, 상기 불소 가스 혼합물(304)은 아르곤, 네온, 크립톤, 헬륨, 라돈 및 제논으로 이루어진 군으로부터의 적어도 하나의 불활성 가스를 포함한다.
상기 제12 측면 또는 제13 측면을 참조하여 제15 측면에 따르면, 상기 불소 가스 혼합물(304)은 불활성 가스 성분으로서 오직 아르곤을 포함한다.
상기 제12 측면 또는 제15 측면을 참조하여 제16 측면에 따르면, 상기 장치(300)는 고주파수 직접 플라즈마 내에서 반응성 이온을 생성시키도록 구성되는 플라즈마 공급원(plasma source)(303)을 포함한다.
상기 제16 측면을 참조하여 제17 측면에 따르면, 상기 플라즈마 공급원(303)은 3 MHz 내지 30 MHz의 주파수 범위, 바람직하게는 13 MHz 내지 15 MHz의 범위, 특히 바람직하게는 13.5 MHz 내지 13.6 MHz의 범위의 단파 주파수 밴드에서의 여기 주파수로 유도 결합된 또는 축전 결합된 고주파수 직접 플라즈마 내에서 반응성 이온을 생성시키도록 구성된다.
상기 제12 측면 내지 제16 측면을 참조하여 제18 측면에 따르면, 상기 장치(300)는 0.3 GHz 내지 3 GHz의 주파수 범위, 바람직하게는 0.8 GHz 내지 2.6 GHz의 주파수 범위, 특히 바람직하게는 2.45 GHz의 주파수의 마이크로파 주파수 밴드에서의 여기 주파수로 고주파수 플라즈마 내에서 반응성 이온을 생성시키도록 구성되는 플라즈마 공급원(303)을 포함한다.
상기 제16 측면 내지 제18 측면을 참조하여 제19 측면에 따르면, 상기 플라즈마 공급원(303)은 매트릭스와 같이 규칙적으로 분포된 평면 배열로 연결된 다수의 개별적으로 제어 가능한 마이크로파 공급원을 포함한다.

Claims (19)

  1. 에칭 단계(etching step) 및 패시베이션 단계(passivation step)를 여러 번 교대로 연속하여 수행하는 딥 반응성-이온 에칭(DRIE)을 이용하여, 기판(101, 302)을 이방성으로 구조화시키는(anisotropically structuring) 단계를 포함하는 에칭 방법으로서,
    상기 에칭에 불소 가스 혼합물이 사용되고, 상기 불소 가스 혼합물은 25% 초과 내지 40% 이하의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 60%의 비율의 불활성 가스(noble gas)를 포함하는 것인, 에칭 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불소 가스 혼합물은 35% 내지 40%의 비율의 불소, 1% 내지 50%의 비율의 질소 및 30% 내지 59%의 비율의 불활성 가스를 포함하는 것인, 에칭 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 불소 가스 혼합물은 아르곤, 네온, 크립톤, 헬륨, 라돈 및 제논으로 이루어진 군으로부터 선택된 불활성 가스를 포함하는 것인, 에칭 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 불소 가스 혼합물은 불활성 가스 성분으로서 아르곤을 포함하는 것인, 에칭 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션 단계는 공정 가스로서 SF4 또는 C4F6를 사용하여 기판(101, 302) 상에 패시베이션층을 적용하는 것을 포함하는 것인, 에칭 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 고주파수 직접 플라즈마(high-frequency direct plasma) 내에서 반응성 이온을 생성시키는 단계를 포함하는 것인, 에칭 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방법은 3 MHz 내지 30 MHz의 주파수 범위 또는 13 MHz 내지 15 MHz의 범위 또는 13.5 MHz 내지 13.6 MHz의 범위의 단파 주파수 밴드에서의 여기(excitation) 주파수로 유도 결합된(inductively coupled) 또는 축전 결합된(capacitively coupled) 고주파수 직접 플라즈마 내에서 반응성 이온을 생성시키는 단계를 포함하는 것인, 에칭 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 0.3 GHz 내지 3 GHz의 주파수 범위 또는 0.8 GHz 내지 2.6 GHz의 주파수 범위 또는 2.45 GHz의 주파수의 마이크로파 주파수 밴드에서의 여기 주파수로 고주파수 플라즈마 내에서 반응성 이온을 생성시키는 단계를 포함하는 것인, 에칭 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 반응성 이온 및 라디칼을 생성시키는 단계를 포함하는데, 제1 시간 기간에 라디칼보다 반응성 이온이 더 생성되고, 후속하는 제2 시간 기간에 반응성 이온보다 라디칼이 더 생성되는 것인, 에칭 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판(101, 302)은 반도체 기판 또는 실리콘 기판 중 적어도 하나인 것인, 에칭 방법.
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