KR102595941B1 - 플라즈마 식각 방법 및 플라즈마 식각 장치 - Google Patents

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장원준
김희주
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Abstract

플라즈마 식각 방법 및 플라즈마 식각 장치가 개시된다. 상기 플라즈마 식각 방법은 피식각층 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴을 탄소(C) 및 황(S)을 포함하는 개질 가스를 포함하는 제1 방전가스로부터 생성된 제1 플라즈마에 노출시키고 열처리하여 상기 포토레지스트 패턴 표면을 경화시키는 단계; 및 상기 표면 경화된 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하여 상기 피식각층을 제2 방전가스로부터 생성된 제2 플라즈마로 식각하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

플라즈마 식각 방법 및 플라즈마 식각 장치{PLASMA ETCHING METHOD AND PLASMA ETCHING DEVICE}
본 발명은 플라즈마 식각 방법 및 플라즈마 식각 장치에 관한 것이다.
패턴 CD (critical dimension)가 감소됨에 따라 식각 공정 중 마스크의 선택비 저하, LER/LWR 악화가 최종 소자의 성능에 큰 영향을 미쳐 중요한 파라미터로 인지되고 있다. 마스크 선택비 저하는 목표하고 있는 식각 깊이를 얻을 수 없고, 마스크 붕괴로 인해 수직한 프로파일이 아닌 패턴 왜곡이 발생할 수 있다. LER/LWR 악화는 하부막에 악화된 패턴으로 전사되기 때문에 저항 증가, 누출(leakage) 발생 등 문제를 야기할 수 있다. 따라서, 높은 선택비를 갖고 공정이 진행되는 동 안 LER/LWR이 악화되지 않는 방법이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 높은 식각 선택비 및 낮은 LER/LWR을 통해 우수한 패턴의 전사가 가능한 플라즈마 식각 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 플라즈마 식각 방법을 구현할 수 있는 플라즈마 식각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법은 피식각층 상에 포토레지스트(photoresist) 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴을 탄소(C) 및 황(S)을 포함하는 개질 가스를 포함하는 제1 방전가스로부터 생성된 제1 플라즈마에 노출시키고 열처리하여 상기 포토레지스트 패턴 표면을 경화시키는 단계; 및 상기 표면 경화된 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하여 상기 피식각층을 제2 방전가스로부터 생성된 제2 플라즈마로 식각하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 방전가스는 불활성가스를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 방전가스의 압력이 약 2 mtorr 내지 1 torr인 상태에서 방전하여 플라즈마를 발생할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 개질 가스는 CS2를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 CS2를 약 10 sccm 내지 1 slm으로 공급하여 플라즈마 생성에 사용할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 플라즈마 및 상기 제2 플라즈마를 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma), 용량 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 또는 마이크로웨이브 플라즈마(microwave plasma) 방식으로 생성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 플라즈마를 약 20 내지 1000 W의 파워로 유도 결합 플라즈마 방식으로 생성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 포토레지스트 패턴을 상기 제1 플라즈마에 약 1초 내지 5분 노출할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 단계는, 상기 피식각층 및 상기 포토레지스트 패턴을 거치 전극 상에 거치한 상태로 진행하고, 상기 제1 단계에서, 상기 포토레지스트 패턴을 상기 제1 플라즈마에 노출시키는 동안 상기 거치 전극을 부유(floating)하거나, 음의 직류 전압을 인가하거나, RF 전압을 인가할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 거치 전극을 약 40 내지 200 ℃에서 열처리할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 거치 전극을 약 40 내지 150 ℃에서 약 1 내지 20 분간 열처리할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 방전가스는 염소 화합물, 불소 화합물, Cl2, BCl3, HBr, NH3, CF4, CHF3, C2F6, CH2F2, SF6, CxFyHz(여기서, x는 1 내지 6의 자연수, y는 4 내지 8의 자연수, z는 1 내지 4의 자연수), NF3, N2, H2, O2, CO2, CO 및 COS를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 식각 가스; 및 He, Ar, Kr, Xe 및 Ne을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 불활성기체;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 식각은 제2 플라즈마 하에서 약 30 내지 60초 간 진행할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 식각은 제2 플라즈마 하에서 약 2 내지 600초 간 진행할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 표면을 경화하는 단계 후 상기 식각하는 단계를 진행하는 경우, 상기 표면을 경화하는 단계 없이 상기 식각하는 단계를 진행하는 경우에 대하여, 상기 포토레지스트 패턴의 내식각성이 약 50 내지 80 % 증가할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마에의 노출, 상기 열처리 및 상기 제2 플라즈마를 통한 식각은 단일 챔버 내에서 연속적으로 진행되거나, 복수의 챔버에서 각각 진행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치는 챔버; 상기 챔버 내에 수용되고, 피식각대상을 배치할 수 있으며, 가열 및 전압 인가가 가능한 제1 전극; 상기 챔버 내에 수용되고, 상기 제1 전극에 대향하여 배치되어, 상기 챔버 내부의 기체를 방전할 수 있는 제2 전극; 및 상기 챔버에 제1 방전가스 또는 제2 방전가스를 공급할 수 있는 기체 공급부;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 방전가스는 탄소 및 황을 포함하는 개질 가스 및 불활성기체를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 방전가스는 염소 화합물, 불소 화합물, Cl2, BCl3, HBr, NH3, CF4, CHF3, C2F6, CH2F2, SF6, CxFyHz(여기서, x는 1 내지 6의 자연수, y는 4 내지 8의 자연수, z는 1 내지 4의 자연수), NF3, N2, H2, O2, CO2, CO 및 COS를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 식각 가스; 및 He, Ar, Kr, Xe 및 Ne을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 불활성기체;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치는 챔버; 상기 챔버 내에 수용되고, 피식각대상을 배치할 수 있으며, 가열 및 전압 인가가 가능한 제1 전극; 상기 챔버 외부에서 상기 챔버 내부의 기체를 방전할 수 있도록 형성된 안테나 전극; 및 상기 챔버에 제1 방전가스 또는 제2 방전가스를 공급할 수 있는 기체 공급부;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 방전가스는 탄소 및 황을 포함하는 개질 가스 및 불활성기체를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 방전가스는 염소 화합물, 불소 화합물, Cl2, BCl3, HBr, NH3, CF4, CHF3, C2F6, CH2F2, SF6, CxFyHz(여기서, x는 1 내지 6의 자연수, y는 4 내지 8의 자연수, z는 1 내지 4의 자연수), NF3, N2, H2, O2, CO2, CO 및 COS를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 식각 가스; 및 He, Ar, Kr, Xe 및 Ne을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 불활성기체;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법은 포토레지스트 패턴을 경화하여 내식각성을 향상시킨 후, 식각을 진행함으로써 높은 식각 선택비 및 낮은 LER/LWR를 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치는 상기 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 실시예 및 실험예에 따른 실험 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법(1)은 피식각층 상에 포토레지스트(photoresist) 패턴을 형성하는 단계(S110); 상기 포토레지스트 패턴을 탄소(C) 및 황(S)을 포함하는 개질 가스를 포함하는 제1 방전가스로부터 생성된 제1 플라즈마에 노출시키고 열처리하여 상기 포토레지스트 패턴 표면을 경화시키는 단계(S120); 및 상기 표면 경화된 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하여 상기 피식각층을 제2 방전가스로부터 생성된 제2 플라즈마로 식각하는 단계(S130);를 포함할 수 있다.
상기 패턴 형성 단계(S110)는 피식각층 상에 포토레지스트(photoresist) 패턴을 형성하는 단계이다. 본 명세서의 문맥에서, "피식각층"은 식각의 대상이 되는 층을 의미하며, 특히 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법에서, 식각의 대상이 되는 물질을 포함하는 층을 의미한다. 본 명세서의 문맥에서, "포토레지스트"는 감광성이 있는 수지를 통틀어 의미하며, 특히 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법에서, 상기 피식각층의 식각을 막기 위해 상기 피식각층 상에 형성되는 물질을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 패턴 형성 단계(S110)는 상기 피식각층이 식각 될 패턴을 결정한 후, 식각을 원하지 않는 부분에 상기 포토레지스트의 패턴을 형성하는 단계이다.
상기 경화 단계(S120)는 상기 포토레지스트 패턴을 탄소(C) 및 황(S)을 포함하는 개질 가스를 포함하는 제1 방전가스로부터 생성된 제1 플라즈마에 노출시키고 열처리하여 상기 포토레지스트 패턴 표면을 경화시키는 단계이다. 상기 경화는 적어도 2개의 과정으로 진행되는데, 첫번째 과정은 플라즈마, 특히 상기 제1 플라즈마에의 노출이고, 두번째 과정은 열처리이다. 상기 플라즈마에의 노출 및 열처리는 플라즈마에의 노출이 먼저 진행되고, 완료된 후, 열처리가 진행되는 방식으로 수행될 수도 있고, 플라즈마에의 노출과 동시에 열처리가 진행되는 방식으로 수행될 수도 있다.
여기서, 상기 제1 방전가스는, 상기 제1 플라즈마를 발생하기 위하여 방전되는 가스이다. 상기 제1 방전가스는 외부에서 인가되는 전압에 의해 가스에 포함된 분자의 화학 결합이 분리되고/거나 가스에 포함된 원자 및 분자의 전자가 해리되어 플라즈마를 형성할 수 있다. 본 발명은 상기 제1 방전가스가 탄소(C) 및 황(S)을 포함하는 개질 가스를 포함하는 경우, 상기 제1 방전가스로부터 생성된 제1 플라즈마에 포토레지스트 패턴을 노출시키면, 상기 제1 플라즈마가 상기 포토레지스트의 적어도 표면에 황화(Sulfurization)가 일어날 수 있다는 것을 발견한 것에 기초한다. 상기 포토레지스트의 황화는 상기 포토레지스트의 경화를 발생시켜, 내식각성을 향상할 수 있다. 상기와 같은 기능을 수행하는 개질 가스라면 그 종류가 특별히 제한되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 상기 개질 가스는 CS2를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 방전가스는 상기 개질 가스 외에 다른 가스를 더 포함할 수 있다. 특히, 상기 제1 플라즈마를 형성하는 방전을 통해 상기 개질 가스로부터 활성화된 황 화학종(sulfur species)를 생성할 수 있도록 하는 가스가 포함될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 방전가스는 불활성가스를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상기 제1 방전가스로부터 생성된 상기 제1 플라즈마에 상기 포토레지스트 패턴을 노출시키는 공정은 다양한 공정 변수를 적용하여 수행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 방전가스의 압력이 약 2 mtorr 내지 1 torr인 상태에서 방전하여 플라즈마를 발생할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 방전가스의 압력이 약 2 내지 100 mtorr인 상태에서 방전하여 플라즈마를 발생할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 방전가스의 압력이 약 8 내지 10 mtorr인 상태에서 방전하여 플라즈마를 발생할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 방전가스의 압력은 챔버의 부피가 증가하거나, 플라즈마 방전 방식에 따라 증가하거나 감소할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 CS2를 약 10 sccm 내지 1 slm으로 공급하여 플라즈마 생성에 사용할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 CS2를 약 10 내지 30 sccm으로 공급하여 플라즈마 생성에 사용할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 방전가스의 유량은 챔버의 부피가 증가하거나, 플라즈마 방전 방식, 압력 조절 방식에 따라 증가하거나 감소할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상기 제1 방전가스로부터 상기 제1 플라즈마를 생성하는 방법이 다양하게 선택되어 수행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 플라즈마 및 상기 제2 플라즈마를 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma), 용량 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 또는 마이크로웨이브 플라즈마(microwave plasma) 방식으로 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 플라즈마를 약 20 내지 1000 W의 파워로 유도 결합 플라즈마 방식으로 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 플라즈마를 약 40 내지 60 W의 파워로 유도 결합 플라즈마 방식으로 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 포토레지스트 패턴을 상기 제1 플라즈마에 약 1초 내지 5분 노출할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 포토레지스트 패턴을 상기 제1 플라즈마에 약 2 내지 5분 노출할 수 있다.
한편, 일 실시예에 있어서, 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 제1 단계(S110)는, 상기 피식각층 및 상기 포토레지스트 패턴을 거치 전극 상에 거치한 상태로 진행하고, 상기 제1 단계(S110)에서, 상기 포토레지스트 패턴을 상기 제1 플라즈마에 노출시키는 동안 상기 거치 전극을 부유(floating)하거나, 음의 직류 전압을 인가하거나, RF 전압을 인가할 수 있다. 본 명세서의 문맥에서, "전극을 부유" 한다는 표면은, 전극에 다른 부재를 연결하지 않는다는 의미일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 포토레지스트 패턴을 상기 제1 플라즈마에 노출시키는 동안 상기 피식각층 및 상기 포토레지스트 패턴에 전압을 인가할 수 있다. 특히 상기 피식각층 및 상기 포토레지스트 층에 전압을 인가하여 상기 제1 플라즈마가 상기 포토레지스트 층에 더 효율적으로 적용될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 제1 플라즈마가 상기 포토레지스트의 황화를 야기하는 경우, 이를 열처리하는 경우 상기 포토레지스트의 표면에서 발생한 황화를 포토레지스트 내로 확산하여 포토레지스트의 비교적 균일한 내식각성 향상을 발생할 수 있다는 발견에 기초한다. 따라서 상기 열처리는 상기 포토레지스트에 발생한 황화를 확산하되, 상기 포토레지스트 자체를 파괴하지 않는 적절한 온도 및 시간 범위에서 진행되어야 할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 거치 전극을 약 40 내지 200 ℃에서 열처리할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 거치 전극을 약 40 내지 150 ℃에서 열처리할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 거치 전극을 약 40 내지 150 ℃에서 약 1 내지 20 분간 열처리할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 식각 방법은, 상기 거치 전극을 약 70 내지 90 ℃에서 약 10 내지 20 분간 열처리할 수 있다.
상기 식각 단계(S130)는 상기 표면 경화된 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하여 상기 피식각층을 제2 방전가스로부터 생성된 제2 플라즈마로 식각하는 단계이다. 여기서, 상기 제2 방전가스는, 상기 제2 플라즈마를 발생하기 위하여 방전되는 가스일 수 있다. 따라서, 상기와 같은 식각 기능을 수행할 수 있는 한, 상기 제2 방전가스의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 방전가스는 식각 가스 및 불활성가스를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 방전가스는 염소 화합물, 불소 화합물, Cl2, BCl3, HBr, NH3, CF4, CHF3, C2F6, CH2F2, SF6, CxFyHz(여기서, x는 1 내지 6의 자연수, y는 4 내지 8의 자연수, z는 1 내지 4의 자연수), NF3, N2, H2, O2, CO2, CO 및 COS를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 식각 가스; 및 He, Ar, Kr, Xe 및 Ne을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 불활성기체;를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 식각은 제2 플라즈마 하에서 약 30 내지 60초 간 진행할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 식각은 제2 플라즈마 하에서 약 2 내지 600초 간 진행할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법은 포토레지스트 패턴을 경화하여 내식각성을 향상시킨 후, 식각을 진행함으로써 높은 식각 선택비 및 낮은 LER/LWR를 달성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법과 같이 상기 표면을 경화하는 단계 후 상기 식각하는 단계를 진행하는 경우, 상기 표면을 경화하는 단계 없이 상기 식각하는 단계를 진행하는 경우에 대하여, 상기 포토레지스트 패턴의 내식각성이 증가할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법과 같이 상기 표면을 경화하는 단계 후 상기 식각하는 단계를 진행하는 경우, 상기 표면을 경화하는 단계 없이 상기 식각하는 단계를 진행하는 경우에 대하여, 상기 포토레지스트 패턴의 내식각성이 약 50 내지 80 % 증가할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 플라즈마에의 노출, 상기 열처리 및 상기 제2 플라즈마를 통한 식각은 단일 챔버 내에서 연속적으로 진행되거나, 복수의 챔버에서 각각 진행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100)는 챔버(10); 상기 챔버(10) 내에 수용되고, 피식각대상을 배치할 수 있으며, 가열 및 전압 인가가 가능한 제1 전극(21); 상기 챔버(10) 내에 수용되고, 상기 제1 전극(21)에 대향하여 배치되어, 상기 챔버(10) 내부의 기체를 방전할 수 있는 제2 전극(22); 및 상기 챔버(10)에 제1 방전가스 또는 제2 방전가스를 공급할 수 있는 기체 공급부(30);를 포함할 수 있다.
상기 챔버(10)는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100)에서 식각이 진행되는 부재이며, 상기 챔버(10)의 내부에 식각에 필요한 부재 및 가스가 수용된다.
상기 제1 전극(21) 및 상기 제2 전극(22)은 상기 챔버(10)의 내부에 수용된 가스를 방전하여 플라즈마를 발생할 수 있는 부재이다. 즉, 챔버(10)의 내부에 수용된 가스는 상기 제1 전극(21) 및 상기 제2 전극(22)에 인가되는 전압을 통해 방전되어 플라즈마를 발생한다.
상기 제1 전극(21)은 그 위에 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100)를 통해 식각하고자 하는 피식각대상을 배치할 수 있는 부재이다. 상기 제1 전극(21)은 상술된 바와 같이, 가스의 방전을 통해 플라즈마를 발생하기 위해 전압이 인가될 수 있으며, 대안적으로 또는 추가적으로 또는 선택적으로 상기 제1 전극(21)에는 상기 제1 전극(21)의 온도를 조절, 특히 가열할 수 있는 부재가 포함될 수 있다.
상기 제2 전극(22)은 전압을 인가하여 플라즈마를 발생할 수 있는 부재이다. 특히, 상기 제2 전극(22)은 챔버 내에 위치하여 직접 가스를 방전하며, 상기와 같은 구성을 통해 용량 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 방식을 구현할 수 있다. 또한, 상기 제2 전극(22)에는 직류 전압 또는 RF 전압이 인가될 수 있다.
상기 기체 공급부(30)는 상기 챔버(10) 내에 방전가스를 공급할 수 있는 장치이다. 특히 상기 기체 공급부(30)는 포토레지스트 패턴 경화에 사용될 수 있는 제1 방전가스 및 식각에 사용될 수 있는 제2 방전가스 모두를 공급할 수 있다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100)에 관한 다른 설명은, 상술된 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법(1)에서 설명된 바와 동일하거나 유사한 구성에 대하여 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 상기 제1 방전가스는 탄소 및 황을 포함하는 개질 가스 및 불활성기체를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 방전가스는 식각 가스 및 불활성가스를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 방전가스는 염소 화합물, 불소 화합물, Cl2, BCl3, HBr, NH3, CF4, CHF3, C2F6, CH2F2, SF6, CxFyHz(여기서, x는 1 내지 6의 자연수, y는 4 내지 8의 자연수, z는 1 내지 4의 자연수), NF3, N2, H2, O2, CO2, CO 및 COS를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 식각 가스; 및 He, Ar, Kr, Xe 및 Ne을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 불활성기체;를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100')는 챔버(10'); 상기 챔버(10') 내에 수용되고, 피식각대상을 배치할 수 있으며, 가열 및 전압 인가가 가능한 제1 전극(21'); 상기 챔버(10') 외부에서 상기 챔버(10') 내부의 기체를 방전할 수 있도록 형성된 안테나 전극(22'); 및 상기 챔버(10')에 제1 방전가스 또는 제2 방전가스를 공급할 수 있는 기체 공급부(30');를 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100')에 관한 다른 설명은, 상술된 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100)에서 설명된 바와 동일하거나 유사한 구성에 대하여 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다. 특히 상기 안테나 전극(22')은 그 기능 측면에서 상이한 것을 제외하고는, 상기 제2 전극(22)에 관한 설명이 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다.
따라서, 상기 챔버(10')는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100')에서 식각이 진행되는 부재이며, 상기 챔버(10')의 내부에 식각에 필요한 부재 및 가스가 수용된다.
상기 제1 전극(21')은 그 위에 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100')를 통해 식각하고자 하는 피식각대상을 배치할 수 있는 부재이다. 상기 제1 전극(21')은 상술된 바와 같이, 가스의 방전을 통해 플라즈마를 발생하기 위해 전압이 인가될 수 있으며, 대안적으로 또는 추가적으로 또는 선택적으로 상기 제1 전극(21')에는 상기 제1 전극(21')의 온도를 조절, 특히 가열할 수 있는 부재가 포함될 수 있다.
상기 안테나 전극(22')은 전압을 인가하여 플라즈마를 발생할 수 있는 부재이다. 특히, 상기 안테나 전극(22')은 상기 챔버(10') 외부에 위치하여 가스를 방전하며, 상기와 같은 구성을 통해 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 방식을 구현할 수 있다. 도 3에는 상기 안테나 전극(22')이 상기 챔버(10')의 상면에 배치된 것으로 도시되나, 이는 예시적인 것이며, 상기 안테나 전극(22')은 유도 결합 플라즈마 방식을 통해 상기 챔버(10')에 플라즈마를 발생할 수 있는 한, 그 위치는 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 안테나 전극(22')에는 직류 전압 또는 RF 전압이 인가될 수 있다.
상기 기체 공급부(30')는 상기 챔버(10') 내에 방전가스를 공급할 수 있는 장치이다. 특히 상기 기체 공급부(30')는 포토레지스트 패턴 경화에 사용될 수 있는 제1 방전가스 및 식각에 사용될 수 있는 제2 방전가스 모두를 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 방전가스는 탄소 및 황을 포함하는 개질 가스 및 불활성기체를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 방전가스는 식각 가스 및 불활성가스를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 방전가스는 염소 화합물, 불소 화합물, Cl2, BCl3, HBr, NH3, CF4, CHF3, C2F6, CH2F2, SF6, CxFyHz(여기서, x는 1 내지 6의 자연수, y는 4 내지 8의 자연수, z는 1 내지 4의 자연수), NF3, N2, H2, O2, CO2, CO 및 COS를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 식각 가스; 및 He, Ar, Kr, Xe 및 Ne을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 불활성기체;를 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100) 및 상기 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100')에 관한 다른 설명은, 상술된 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법(1)에서 설명된 바와 동일하거나 유사한 구성에 대하여 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다. 따라서, 상기 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법(1)에서 설명된 공정 변수는 상기 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100) 및 상기 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100')에 동일하거나 유사하게 적용될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 장치(100, 100')는 상기 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법(1)을 구현할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기에 기재된 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
플라즈마 식각
피식각층 상에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, CS2를 포함하는 제1 방전 가스를 이용하여 플라즈마를 발생, 상기 포토레지스트 패턴을 개질하였다. 플라즈마 발생은 ICP를 이용하였고, ICP 파워는 50 W, CS2의 유량은 20 sccm, 압력은 9 mtorr에서 약 3분간 개질하였다. 그 후 80 ℃에서 15분 간 열처리하였다.
상기 개질 과정을 완료한 후, 식각을 진행하였다. 식각을 위한 방전가스는 CF4와 아르곤의 혼합 방전 가스를 이용하였고, 유량비는 CF4:아르곤 = 4:40 sccm이었다. 챔버 압력은 3 mtorr 였고, ICP를 이용하였으며, ICP 파워는 1000 W였다. 식각은 40초간 진행하였다.
SEM 이미지 관찰
도 4는 상기 플라즈마 식각 방법에 대하여 SEM 이미지를 수득한 결과이다.
도 4에 표시된 바와 같이, 도 4a는 레퍼런스(reference), 즉 패턴 형성만 한 상태이며, 도 4b는 열처리만 한 상태, 도 4c는 개질만 진행한 상태, 도 4d는 개질 및 열처리를 진행한 상태, 도 4e는 레퍼런스를 식각한 상태, 도 4f는 열처리만 진행한 후 식각한 상태, 도 4g는 개질만 진행한 후 식각한 상태, 도 4h는 개질 및 열처리를 진행한 후 식각한 상태를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 개질 공정을 진행하지 않은 경우, 열처리공정만 진행했을 경우, CS2 플라즈마만 처리했을 경우, LER 및 CD 변화량이 매우 크다. 플라즈마 처리및 열처리를 함께 진행한 경우, 레퍼런스 샘플보다 LER 및 CD 변화가 크게 없으며, 식각 후에도 LER 및 CD 변화량이 최소이며, 플라즈마 내식각성이 향상된 것을 확인할 수 있다.
LER, CD, 두께 측정
도 5는 각각 LER변화량, CD 변화량, 필름 두께 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 5의 Ref, Annealing, CS2, CS2+Annealing의 표시는 도 4에서 설명된 바와 같다.
도 5를 참조하면, 아무런 처리를 진행하지 않은 포토레지스트와 열처리만 한 포토레지스트의 경우 LER 변화량, CD 변화량, 두께 감소폭이 매우 큰 것을 확인할 수 있다. CS2 플라즈마 처리후 LER 변화량, CD 변화량, 두께 감소폭이 감소, 내식각성이 향상된 것을 확인할 수 있다. CS2 플라즈마 처리및 열처리가 동시에 진행된 샘플의 경우, LER 변화량, CD 변화량, 두께 감소폭이 최대로 낮아 내식각성이 최대로 향상된 것을 확인할 수 있다. 결론적으로, 플라즈마 처리단일 공정만으로는 내식각성 향상효과가 최대가 되지 않으며, CS2 플라즈마 처리와 열처리공정이 함께 진행되면 LER 변화량 최소화, CD 감소량 최소화, PR 두께 감소 최소화로 선택비 향상의 효과를 볼 수 있음을 확인할 수 있다.
식각률(ER)
도 6은 아무런 처리를 진행하지 않은 포토레지스트, CS2 처리만 진행한 포토레지스트, CS2 처리와 열처리를 진행한 포토레지스트의 식각률 (ER)을 식각 된 깊이 별로 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 아무런 처리를 진행하지 않은 포토레지스트의 경우, 0 내지 약 20 nm 에서의 ER이 1.08 내지 0.54 nm/sec로 나타난다. CS2 플라즈마 처리를 진행한 포토레지스트의 경우, ER이 0.76 내지 0.36 nm/sec로 ER이 감소한 것을 확인할 수 있다. 즉 아무런 처리를 하지 않은 포토레지스트 대비 내식각성이 향상된 것을 확인할 수 있다. CS2 플라즈마 처리와 열처리를 진행한 포토레지스트의 경우, ER 이 0.53 내지 0.36 nm/sec로 감소, 내식각성이 가장 크게 향상된 것을 확인할 수 있다. 그러나 포토레지스트 25 nm 위치 부터 ER은 세 샘플 간 ER 편차 없이 균일해짐을 확인할 수 있다. 이로써 플라즈마 처리, 혹은 처리와 함께 진행되는 열처리가 포토레지스트 표면부의 성질만 개질 시킨 것일 수 있다.
깊이별 황화 확인
도 7은 CS2 처리만 진행한 포토레지스트 대비 CS2 처리와 열처리를 함께 진행한 포토레지스트에서의 선택비 향상원인을 규명하기 위해 포토레지스트을 아르곤 이온 빔(Ar ion beam)으로 스퍼터링 하여 깊이별 황화 정도를 확인한 결과이다.
도 7을 참조하면, CS2 플라즈마 처리한 샘플의 경우, 표면에 37.19% 의 황화가 확인되며, 약 3 nm 정도 스퍼터링 되었을 때 4.3 %로 급격히 감소함을 확인할 수 있다. 아르곤 스퍼터링(Ar sputtering) 시간이 15 초(약 7.9 nm 식각) 일 때 1% 수준으로 감소함을 확인할 수 있다. CS2 플라즈마 처리와 열처리가 진행된 포토레지스트의 경우, 표면에 31.78 % 의 황화가 확인되며 약 3 nm 정도 스퍼터링 되었을 때 4.4% 로 감소함을 확인할 수 있다. 플라즈마 처리만 된 샘플과는 달리 아르곤 스퍼터링 시간이 15초(약 7.9 nm 식각) 일 때 2% 수준으로, 감소폭이 더 작은 것을 확인할 수 있다.
XPS
도 8은 식각을 진행하기 전의 각 샘플의 표면을 XPS를 통해 확인한 결과이다.
도 8을 참조하면, CS2 처리만 진행한 포토레지스트, CS2 처리와 열처리를 진행한 포토레지스트의 경우 황화 정도가 레퍼런스(아무런 처리도 하지 않음) 대비 증가함을 확인할 수 있다. 열처리를 진행한 포토레지스트의 경우, 바인딩 에너지(binding energy)가 강한 설퍼 옥사이드(sulfur oxide)의 피크 넓이가 더 넓으므로, CS2 처리만 한 포토레지스트보다 설퍼 옥사이드의 양이 더 많음을 확인할 수 있다.
도 9는 도 8의 실험에 사용된 샘플을 각각 CF4를 방전가스로 이용하여 3초간 식각한 후, 표면은 XPS를 통해 확인할 결과이다.
도 9를 참조하면, CS2 처리와 열처리를 진행한 포토레지스트에서 잔존하는 황의 양이 가장 높음을 확인할 수 있고, 이는 내식각성이 가장 좋음을 의미한다. 결론적으로 내식각성을 최대로 향상시키기 위해서는 CS2 플라즈마 처리와 열처리를 진행해야 함을 확인할 수 있다.
열처리온도 고찰
도 10은 열처리온도에 따른 샘플의 두께를 관찰한 결과이다.
유기물로 구성되어 있는 포토레지스트의 특성 상 너무 높은 온도에서 열처리가 진행될 경우, 구조 붕괴, 포토레지스트의 축소 등이 발생하여 패턴 붕괴를 야기할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법에서, 열처리를 진행하는 이유는 플라즈마 내식각성 향상이다. 따라서 처리 후 두께 변화가 최소화되고, 식각 후 남아있는 포토레지스트가 가장 두꺼워야 한다.
도 10을 참조하면, 실험에 사용된 포토레지스트의 경우, 약 80℃에서 두께 변화가 없고, 잔류하고 있는 포토레지스트 가장 두꺼움을 확인할 수 있다. 너무 높은 온도에서는 포토레지스트의 구조 붕괴, 축소를 야기할 수 있기 때문에 적정 온도가 필요함을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 플라즈마 식각 방법
100, 100': 플라즈마 식각 장치
10, 10': 챔버
21, 21': 제1 전극
22: 제2 전극
22': 안테나 전극
30, 30': 기체 공급부

Claims (16)

  1. 피식각층 상에 포토레지스트(photoresist) 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴을 탄소(C) 및 황(S)을 포함하는 개질 가스를 포함하는 제1 방전가스로부터 생성된 제1 플라즈마에 노출시키고 열처리하여 상기 포토레지스트 패턴 표면을 경화시키는 단계; 및
    상기 표면 경화된 포토레지스트 패턴을 마스크로 이용하여 상기 피식각층을 제2 방전가스로부터 생성된 제2 플라즈마로 식각하는 단계;를 포함하고,
    상기 포토레지스트 패턴은 상기 제1 플라즈마에의 노출에 의해 적어도 표면이 황으로 개질되고, 상기 열처리에 의해 상기 황이 상기 포토레지스트 패턴 내부로 확산하는,
    플라즈마 식각 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방전가스는 불활성가스를 더 포함하는,
    플라즈마 식각 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 방전가스의 압력이 2 mtorr 내지 1 torr인 상태에서 방전하여 플라즈마를 발생하는,
    플라즈마 식각 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 개질 가스는 CS2를 포함하고,
    상기 CS2를 10 sccm 내지 1 slm으로 공급하여 플라즈마 생성에 사용하는,
    플라즈마 식각 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 및 상기 제2 플라즈마를 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma), 용량 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 또는 마이크로웨이브 플라즈마(microwave plasma) 방식으로 생성하는,
    플라즈마 식각 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마를 20 내지 1000 W의 파워로 유도 결합 플라즈마 방식으로 생성하는,
    플라즈마 식각 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 포토레지스트 패턴을 상기 제1 플라즈마에 1초 내지 5분 노출하는,
    플라즈마 식각 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 포토레지스트 패턴 표면을 경화시키는 단계는, 상기 피식각층 및 상기 포토레지스트 패턴을 거치 전극 상에 거치한 상태로 진행하고,
    상기 포토레지스트 패턴 표면을 경화시키는 단계에서, 상기 포토레지스트 패턴을 상기 제1 플라즈마에 노출시키는 동안 상기 거치 전극을 부유(floating)하거나, 음의 직류 전압을 인가하거나, RF 전압을 인가하는,
    플라즈마 식각 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 포토레지스트 패턴을 40 내지 200 ℃에서 열처리하는,
    플라즈마 식각 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 포토레지스트 패턴을 40 내지 150 ℃에서 1 내지 20 분간 열처리하는,
    플라즈마 식각 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 방전가스는 염소 화합물, 불소 화합물, Cl2, BCl3, HBr, NH3, CF4, CHF3, C2F6, CH2F2, SF6, CxFyHz(여기서, x는 1 내지 6의 자연수, y는 4 내지 8의 자연수, z는 1 내지 4의 자연수), NF3, N2, H2, O2, CO2, CO 및 COS를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 식각 가스; 및 He, Ar, Kr, Xe 및 Ne을 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 불활성기체;를 포함하는,
    플라즈마 식각 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 식각은 제2 플라즈마 하에서 2 내지 600초 간 진행하는,
    플라즈마 식각 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 포토레지스트 패턴 표면을 경화시키는 단계 후 상기 식각하는 단계를 진행하는 경우, 상기 포토레지스트 패턴 표면을 경화시키는 단계 없이 상기 식각하는 단계를 진행하는 경우에 대하여, 상기 포토레지스트 패턴의 내식각성이 증가하는,
    플라즈마 식각 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마에의 노출, 상기 열처리 및 상기 제2 플라즈마를 통한 식각은 단일 챔버 내에서 연속적으로 진행되거나, 복수의 챔버에서 각각 진행되는,
    플라즈마 식각 방법.
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