KR102650874B1 - 카본 하드마스크, 성막 장치 및 성막 방법 - Google Patents

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히로츠구 스기우라
츠요시 모리야
사토시 다나카
요시노리 모리사다
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
고쿠리츠 다이가쿠 호우징 도우카이 고쿠리츠 다이가쿠 기코우
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Abstract

피에칭막 상에 적층되는 카본 하드마스크는, 하나의 실시 형태에 있어서, 카본 하드마스크에 포함되는 메틸렌기(CH2) 및 메틸기(CH3)의 농도비가, 하기의 식을 충족한다.
Figure 112021069362261-pct00014

Description

카본 하드마스크, 성막 장치 및 성막 방법
본 개시의 다양한 측면 및 실시 형태는, 카본 하드마스크, 성막 장치 및 성막 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는, 처리 챔버 내에서 기판 상에 질소 도프 아몰퍼스 카본층을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는, 기판 상에 소정의 두께의 희생 유전체층이 퇴적되어, 기판의 상부 표면을 노출시키기 위해서 희생 유전체층의 일부분을 제거함으로써 기판 상에 패턴화 특징부가 형성된다. 또한, 패턴화 특징부 및 기판이 노출된 상부 표면에 소정의 두께의 질소 도프 아몰퍼스 카본층이 공형(共形)으로 퇴적된다. 그리고, 이방성 에칭 프로세스를 사용하여, 패턴화 특징부의 상부 표면 및 기판의 상부 표면으로부터 질소 도프 아몰퍼스 카본층이 선택적으로 제거된다.
일본 특허 공표 제2015-507363호 공보
본 개시는, 수소 원자를 함유하고, 에칭 내성이 높은 카본 하드마스크를 제공한다.
본 개시의 일 측면은, 피에칭막 상에 적층되는 카본 하드마스크이며, 카본 하드마스크에 포함되는 메틸렌기(CH2) 및 메틸기(CH3)의 농도비가, 하기의 식을 충족한다.
Figure 112021069362261-pct00001
본 개시의 다양한 측면 및 실시 형태에 따르면, 수소 원자를 함유하고, 에칭 내성이 높은 카본 하드마스크를 제공할 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시 형태에서의 성막 장치의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 2는 본원의 일 실시 형태에서의 구획판의 일례를 도시하는 확대 단면도이다.
도 3은 본원의 일 실시 형태에서의 프로브의 일례를 도시하는 확대 단면도이다.
도 4는 본원의 일 실시 형태에서의 반사율의 비의 측정 결과의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 본원의 일 실시 형태에서의 제2 플라스마실 내의 플라스마의 발광 스펙트럼의 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은 본원의 일 실시 형태에서의 마스크막의 FTIR(Fourier Transform InfraRed spectroscopy) 스펙트럼의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 본원의 일 실시 형태에서의 농도비와 건식 에칭 레이트(DER)의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 EEDF(Electron Energy Distribution Function)의 일례를 도시하는 도면이다.
도 9는 반응 속도 계수와 수소 원자의 여기 온도의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.
도 10은 본원의 일 실시 형태에서의 해리 지표와 농도비의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.
도 11은 본원의 일 실시 형태에서의 해리 지표와 성막 레이트의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.
도 12는 비교예에서의 마스크막의 FTIR 스펙트럼의 일례를 도시하는 도면이다.
도 13은 본원의 일 실시 형태에서의 마스크막의 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
이하에, 개시되는 카본 하드마스크, 성막 장치 및 성막 방법의 실시 형태에 대해서, 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태에 의해, 개시되는 카본 하드마스크, 성막 장치 및 성막 방법이 한정되는 것은 아니다.
그런데, 근년의 반도체 집적 회로의 미세화 경향은 점점 가속되고 있어, 건식 에칭 프로세스로 형성되는 홈이나 구멍의 애스펙트비도 증가하고 있다. 그 때문에, 건식 에칭 프로세스에 있어서 마스크 패턴을 유지하기 위해서는, 마스크막에 높은 에칭 내성이 요구된다. 마스크막의 두께를 두껍게 함으로써, 에칭 내성을 향상시키는 것을 생각할 수 있지만, 건식 에칭 프로세스로 형성되는 홈의 폭이나 구멍의 직경이 작아지면, 마스크막이 도괴되기 쉬워지기 때문에, 마스크막의 두께를 두껍게 하는 것이 어렵다. 그 때문에, 마스크막 자체의 한층 더한 에칭 내성의 향상이 요구되고 있다.
에칭 내성이 높은 마스크막으로서는, 예를 들어 다이아몬드 라이크 카본(DLC)이 알려져 있다. DLC에는 수소 원자가 포함될 수 있지만, DLC에서의 수소 원자의 함유량을 감소시킴으로써, 에칭 내성이 더욱 높아진다. 수소 원자를 포함하지 않는 DLC는, 수소 프리 DLC라고 불린다. 그러나, DLC에서의 수소 원자의 함유량이 적으면, 마스크막의 스트레스가 커진다. 스트레스가 크면, 마스크막에 변형이나 크랙 등이 생겨서, 마스크 패턴의 치수 정밀도가 저하된다. 그 때문에, 건식 에칭 프로세스로 형성된 홈이나 구멍의 형상의 치수 정밀도가 저하된다.
그래서, 본 개시는, 수소 원자를 함유하고, 에칭 내성이 높은 카본 하드마스크를 제공한다.
[성막 장치(10)의 구성]
도 1은, 본원의 일 실시 형태에서의 성막 장치(10)의 일례를 도시하는 개략 단면도이다. 본 실시 형태에서의 성막 장치(10)는, 마이크로파대의 주파수의 전력에 의해 수소 가스를 플라스마화하고, VHF(Very High Frequency)대의 주파수의 전력에 의해 탄소 함유 가스를 플라스마화한다. 그리고, 성막 장치(10)는, 플라스마에 포함되는 이온이나 활성종에 의해, 피에칭막인 피처리체 상에, 에칭 마스크로서 사용할 수 있는 마스크막을 성막한다. 본 실시 형태에서 성막되는 마스크막은, 카본 하드마스크의 일례이다. 또한, 피에칭막은, 예를 들어 SiO2이다.
성막 장치(10)는, 예를 들어 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 장치 본체(11) 및 제어 장치(100)를 구비한다. 제어 장치(100)는, 장치 본체(11)의 각 부를 제어한다. 장치 본체(11)는, 바닥이 있는 상방이 개구된 대략 원통상의 챔버(15)를 갖는다. 챔버(15)의 상부는, 석영 등의 유전체판(14)에 의해 막혀 있고, 유전체판(14) 상에는, 마이크로파를 유도하는 도파관(13)이 마련되어 있다. 도파관(13)에는 전력 공급부(30)가 접속되어 있다. 전력 공급부(30)는, 마이크로파 발생기(300), 고주파 전원(301) 및 고주파 전원(302)을 갖는다. 도파관(13)에는, 마이크로파 발생기(300)가 발생시킨 소정 주파수의 마이크로파가 소정의 전력으로 공급된다. 본 실시 형태에서, 마이크로파 발생기(300)는, 예를 들어 주파수가 2.45[GHz], 전력이 수백[W](예를 들어 400[W])의 마이크로파를 도파관(13)에 공급한다. 도파관(13) 내에 공급된 마이크로파는, 유전체판(14)을 통해서 챔버(15) 내에 방사된다. 마이크로파 발생기(300)는 제1 전력 공급부의 일례이다.
챔버(15)는 구획판(50)에 의해 상하로 구획되어 있다. 이하에서는, 챔버(15) 내에서, 구획판(50)의 상방의 공간을 제1 플라스마실(S1)이라고 정의하고, 구획판(50)의 하방의 공간을 제2 플라스마실(S2)이라고 정의한다. 챔버(15)는, 알루미늄 등의 금속에 의해 구성되어 있고, 내벽에는, 예를 들어 표면에 내플라스마성 재료로 이루어지는 용사 피막이 형성되어 있다. 챔버(15)는 접지되어 있다.
제1 플라스마실(S1)에는, 가스 공급부(40)가 접속되어 있다. 가스 공급부(40)에는, 유량 제어기(400), 가스 공급원(401), 유량 제어기(402) 및 가스 공급원(403)이 포함된다. 제1 플라스마실(S1)에는, 유량 제어기(400)를 통해서, 가스 공급원(401)으로부터 수소 가스가 공급된다. 제1 플라스마실(S1) 내에 공급되는 수소 가스의 유량은, 유량 제어기(400)에 의해 제어된다. 유량 제어기(400)는 제1 가스 공급부의 일례이다.
본 실시 형태에 있어서, 제1 플라스마실(S1) 내에 공급되는 수소 가스의 유량은, 예를 들어 25 내지 133[sccm]으로 제어된다. 제1 플라스마실(S1) 내에 공급된 수소 가스는, 유전체판(14)을 통해서 제1 플라스마실(S1) 내에 방사된 마이크로파에 의해 플라스마화된다. 플라스마에는, 수소 이온, 수소 라디칼 및 전자 등이 포함된다.
제1 플라스마실(S1)의 하부이며, 구획판(50)의 상방에는, 금속으로 구성되고, 복수의 개구(42a)를 갖는 금속 메쉬(42)가 마련되어 있다. 금속 메쉬(42)는, 챔버(15)의 측벽에 전기적으로 접속되어 있고, 챔버(15)를 통해서 접지되어 있다. 금속 메쉬(42)에 의해, 제1 플라스마실(S1) 내의 플라스마에 포함되는 수소 이온이나 전자 등의 하전 입자의 제2 플라스마실(S2) 내에의 침입이 억제된다. 또한, 금속 메쉬(42)에 의해, 구획판(50)에 공급된 고주파의 제1 플라스마실(S1) 내에의 누설이 억제된다.
챔버(15)의 측벽에는, 절연 부재(16)가 마련되어 있고, 구획판(50)은, 절연 부재(16)를 개재해서 챔버(15)의 측벽에 지지되어 있다. 구획판(50)은, 예를 들어 알루미늄 등의 금속에 의해 구성되어 있고, 표면에 내플라스마성 재료로 이루어지는 용사 피막이 형성되어 있다. 구획판(50)에는, 전력 공급부(30) 내의 고주파 전원(301)이 전기적으로 접속되어 있다.
고주파 전원(301)은, VHF대의 주파수의 고주파 전력을 구획판(50)에 공급한다. 고주파 전원(301)은, 예를 들어 주파수가 100[MHz] 내지 300[MHz], 전력이 20[W] 내지 300[W]인 고주파를 구획판(50)에 공급한다. 본 실시 형태에서, 고주파 전원(301)은, 예를 들어 주파수가 100[MHz], 전력이 100[W]인 고주파를 구획판(50)에 공급한다. 고주파 전원(301)은 제2 전력 공급부의 일례이다.
도 2는, 본원의 일 실시 형태에서의 구획판(50)의 일례를 도시하는 확대 단면도이다. 구획판(50)에는, 두께 방향으로 관통하고 있는 복수의 관통구(51)가 형성되어 있다. 제1 플라스마실(S1)과 제2 플라스마실(S2)은, 금속 메쉬(42)의 개구(42a)와 구획판(50)의 관통구(51)를 통해서 연통하고 있다. 이에 의해, 제1 플라스마실(S1) 내에서 생성된 플라스마에 포함되는 수소 라디칼이, 금속 메쉬(42)의 개구(42a)와 구획판(50)의 관통구(51)를 통해서 제2 플라스마실(S2) 내에 공급된다.
구획판(50) 내에는, 확산 공간(52)이 형성되어 있고, 확산 공간(52)의 하부에는, 복수의 토출구(53)가 형성되어 있다. 확산 공간(52)에는, 유량 제어기(402)가 접속되어 있다. 확산 공간(52)에는, 유량 제어기(402)를 통해서, 가스 공급원(403)으로부터 탄소 함유 가스가 공급된다. 제2 플라스마실(S2) 내에 공급되는 탄소 함유 가스의 유량은, 유량 제어기(402)에 의해 제어된다. 유량 제어기(402)는 제2 가스 공급부의 일례이다.
본 실시 형태에서, 제2 플라스마실(S2) 내에 공급되는 탄소 함유 가스의 유량은, 예를 들어 50 내지 266[sccm]으로 제어된다. 확산 공간(52) 내에 공급된 탄소 함유 가스는, 각각의 토출구(53)로부터 제2 플라스마실(S2) 내에 공급된다. 제2 플라스마실(S2) 내에 공급된 탄소 함유 가스는, 고주파 전원(301)으로부터 구획판(50)에 공급된 고주파에 의해 플라스마화된다.
본 실시 형태에서, 탄소 함유 가스는, 예를 들어 메탄(CH4) 가스이다. 또한, 탄소 함유 가스는, 메탄 가스 외에, 아세틸렌(C2H2) 가스, 에틸렌(C2H4) 가스, 에탄(C2H6), 프로필렌(C3H6) 가스, 프로핀(C3H4) 가스, 프로판(C3H8) 가스, 부탄(C4H10) 가스, 부틸렌(C4H8) 가스, 부타디엔(C4H6) 가스, 페닐아세틸렌(C8H6), 또는 이들 가스로에서 선택되는 복수의 가스를 포함하는 혼합 가스이어도 된다.
제2 플라스마실(S2) 내에는, 피처리체(W)를 적재하는 스테이지(20)가 마련되어 있다. 스테이지(20)는, 예를 들어 표면에 양극 산화 처리가 실시된 알루미늄 등의 금속에 의해 구성되어 있다. 스테이지(20) 내에는, 도시하지 않은 온도 제어 기구가 내장되어 있어, 스테이지(20) 상에 적재된 피처리체(W)의 온도를 소정의 온도로 제어할 수 있도록 되어 있다.
또한, 스테이지(20)에는, 전력 공급부(30) 내의 고주파 전원(302)이 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(302)은, HF(High Frequency)대 이하의 주파수, 예를 들어 수백[kHz] 내지 30[MHz]의 주파수의 고주파 전력을 스테이지(20)에 공급한다. 본 실시 형태에서, 고주파 전원(302)은, 주파수가 13.56[MHz], 전력이 50[W]인 고주파를 스테이지(20)에 공급한다. 고주파 전원(302)은 제3 전력 공급부의 일례이다.
제2 플라스마실(S2) 내에 공급된 CH4 가스는, 구획판(50)과 스테이지(20) 상의 피처리체(W)의 사이에서 플라스마화한다. 그리고, 플라스마에 포함되는 이온, 라디칼 및 전자 등과, 구획판(50)의 관통구(51)를 통해서 제1 플라스마실(S1)로부터 공급된 수소 라디칼에 의해, 피처리체(W) 상에 마스크막이 성막된다.
스테이지(20)는, 지지 부재(21)에 의해 지지되어 있고, 지지 부재(21)는, 액추에이터(22)에 의해 상하로 이동 가능하다. 지지 부재(21)가 상하로 이동함으로써, 스테이지(20)도 상하로 이동한다. 스테이지(20)가 상하로 이동함으로써, 구획판(50)과 스테이지(20) 상의 피처리체(W)의 사이의 플라스마 생성 공간의 용적을 변경할 수 있다. 액추에이터(22)는 용적 조정부의 일례이다.
여기서, 제2 플라스마실(S2)의 플라스마 생성 공간 내에서의 가스의 체재 시간(τ)은, 플라스마 생성 공간 내의 용적 및 압력 증가에 수반해서 증가하고, 플라스마 생성 공간 내에 공급되는 가스의 유량의 증가에 수반해서 감소한다. 그 때문에, 수소 가스 및 탄소 함유 가스의 유량, 챔버(15) 내의 압력, 그리고, 플라스마 생성 공간의 용적 중 적어도 어느 것을 변경함으로써, 플라스마 생성 공간 내에서의 가스의 체재 시간(τ)을 변경할 수 있다. 수소 가스의 유량은, 유량 제어기(400)에 의해 변경 가능하고, 탄소 함유 가스의 유량은, 유량 제어기(402)에 의해 변경 가능하다. 챔버(15) 내의 압력은, 후술하는 APC 밸브(80)에 의해 변경 가능하다. 플라스마 생성 공간의 용적은, 액추에이터(22)에 의해 스테이지(20)를 상하 이동시킴으로써 변경 가능하다.
챔버(15)의 저부에는, 개구(17)가 형성되어 있고, 개구(17)에는, 배기관 및 APC(Auto Pressure Controller) 밸브(80)를 통해서 배기 장치(81)가 접속되어 있다. 배기 장치(81)를 구동함으로써, 챔버(15) 내의 가스가 배기되고, APC 밸브(80)를 조정함으로써, 챔버(15) 내의 압력이 제어된다. APC 밸브(80)는 압력 조정부의 일례이다. 본 실시 형태에서, 챔버(15) 내의 압력은, 예를 들어 2 내지 6[Pa]로 제어된다.
챔버(15)의 측벽에는, 제2 플라스마실(S2) 내의 플라스마의 상태를 측정하기 위한 프로브(60)가 설치되어 있다. 프로브(60)에는, 네트워크 애널라이저(61)가 접속되어 있다. 도 3은, 본원의 일 실시 형태에서의 프로브(60)의 일례를 도시하는 확대 단면도이다. 프로브(60)는, 석영 튜브(62)와, 석영 튜브(62) 내에 배치된 동축 케이블(63)을 갖는다.
동축 케이블(63)의 내부 도체(64)의 선단은, 석영 튜브(62) 내에 노출되어 있어, 모노폴 안테나로서 기능한다. 본 실시 형태에서, 노출되어 있는 내부 도체(64)의 선단의 밑동부터 석영 튜브(62)의 선단까지의 거리(d)는, 예를 들어 6mm이다.
프로브(60)에 접속된 네트워크 애널라이저(61)는, 동축 케이블(63)에 공급되는 전류의 주파수를 바꾸면서, 동축 케이블(63)에 공급하는 전류와 반사에 의해 동축 케이블(63)로부터 돌아오는 전류의 비로부터 주파수마다의 전류의 반사율을 산출한다. 동축 케이블(63)에 공급되는 전류의 주파수가, 제2 플라스마실(S2) 내에 생성된 플라스마의 공명 주파수(fsw)에 가까워지면, 그 주파수에서의 전류의 반사율이 저하된다. 제2 플라스마실(S2) 내에 플라스마가 생성되어 있을 때의 반사율(Iplasma-ON)과, 제2 플라스마실(S2) 내에 플라스마가 생성되어 있지 않을 때의 반사율(Iplasma-OFF)의 비로부터, 플라스마의 공명 주파수(fsw)를 추정할 수 있다.
또한, 추정된 공명 주파수(fsw)[GHz]로부터, 예를 들어 하기의 식 (1)에 기초하여, 플라스마 중의 전자 밀도(Ne)[cm-3]를 추정할 수 있다.
Figure 112021069362261-pct00002
상기 식 (1)에서, εd는, 석영 튜브(62)의 유전율이다. 석영의 유전율(εd)은, 예를 들어 3.78이다.
도 4는, 본원의 일 실시 형태에서의 반사율의 비의 측정 결과의 일례를 도시하는 도면이다. 고주파 전원(301)으로부터 공급되는 VHF대의 고주파 전력이 20[W]일 경우, 도 4를 참조하면, 동축 케이블(63)에 공급되는 전류의 반사율의 비가 0.49[GHz] 부근에서 저하되어 있다. 그 때문에, 공명 주파수(fsw)를 0.49[GHz]라고 추정할 수 있다. 이 공명 주파수(fsw)를 상기 식 (1)에 적용하면, 전자 밀도(Ne)는, 1.4×1010[cm-3]라고 추정된다.
또한, 예를 들어 고주파 전원(301)으로부터 공급되는 VHF대의 고주파 전력이 250[W]일 경우, 도 4를 참조하면, 동축 케이블(63)에 공급되는 전류의 반사율의 비가 1.04[GHz]부근에서 저하되어 있다. 그 때문에, 공명 주파수(fsw)를 1.04[GHz]라고 추정할 수 있다. 이 공명 주파수(fsw)를 상기 식 (1)에 적용하면, 전자 밀도(Ne)는, 6.4×1010[cm-3]라고 추정된다. 전자 밀도(Ne)는, 고주파 전원(301)으로부터 공급되는 VHF대의 고주파의 전력 및 주파수를 변경함으로써 제어할 수 있다.
도 1로 돌아가서 설명을 계속한다. 챔버(15)의 측벽에는 석영창(18)이 마련되어 있다. 제2 플라스마실(S2) 내의 이온이나 라디칼의 원소가 발하는 광은, 석영창(18)을 통해서, 챔버(15)의 외부에 마련된 수광부(70)에 의해 수광된다. 수광부(70)에 의해 수광된 광은, 광 파이버(71)를 통해서 분광계(72)에 입력된다. 분광계(72)는, 수광부(70)에 의해 수광된 광의 강도를 파장마다 측정한다.
도 5는, 본원의 일 실시 형태에서의 제2 플라스마실(S2) 내의 플라스마의 발광 스펙트럼의 일례를 도시하는 도면이다. 도 5에는, 제2 플라스마실(S2)의 플라스마 생성 공간 내의 가스의 체재 시간(τ) 및, 구획판(50)에 공급되는 VHF대의 고주파의 전력의 조합마다의 발광 스펙트럼이 예시되어 있다. 분광계(72)에 의해 측정된 발광 스펙트럼은, 플라스마의 전자 밀도의 추정에 사용된다.
본 실시 형태에서는, 예를 들어 2선 강도 비교법을 사용하여, 제2 플라스마실(S2) 내에서의 수소 원자의 여기 온도가 추정된다. 수소 원자의 여기 온도를 Te, 도 5에서의 파장(Hα)에서의 발광 강도를 IHα, 도 5에서의 파장(Hβ)에서의 발광 강도를 IHβ로 나타내면, 수소 원자의 여기 온도(Te), 발광 강도(IHα) 및 발광 강도(IHβ)는, 예를 들어 하기의 식 (2)의 관계를 충족한다.
Figure 112021069362261-pct00003
상기 식 (2)에서, v는 주파수, A는 천이 확률, g는 축퇴도, E는 포텐셜 에너지, kB는 볼츠만 상수이다. 상기 식 (2)를 수소 원자의 여기 온도(Te)에 대해서 풀므로써, 수소 원자의 여기 온도(Te)의 추정값을 구할 수 있다. 수소 원자의 여기 온도(Te)는, 전자 온도와 비례 관계에 있어, 예를 들어 고주파 전원(301)으로부터 공급되는 VHF대의 고주파의 전력 및 주파수를 변경함으로써 제어할 수 있다.
도 1로 돌아가서 설명을 계속한다. 제어 장치(100)는, 프로세서, 메모리 및 입출력 인터페이스를 갖는다. 제어 장치(100)의 메모리 내에는, 프로그램이나 처리 레시피 등이 저장된다. 제어 장치(100)의 프로세서는, 메모리로부터 판독된 프로그램을 실행함으로써, 메모리로부터 판독된 처리 레시피에 따라서, 입출력 인터페이스를 통해서 장치 본체(11)의 각 부를 제어한다.
[성막된 마스크막의 특성]
발명자들은, 성막되는 마스크막의 에칭 내성을 높이기 위해서, 도 1에 예시된 성막 장치(10)를 사용하여, 다양한 처리 조건에서 마스크막을 성막하였다. 그리고, 발명자들은, 종래보다도 에칭 내성이 높은 마스크막의 성막에 성공하였다.
다른 처리 조건에서 성막된 마스크막의 조성을 조사한 결과, 마스크막에 포함되는 메틸렌기(CH2) 및 메틸기(CH3)의 농도비(RCH)가 소정값 이상인 경우에, 종래보다도 에칭 내성이 높아지는 것을 알았다. 본 실시 형태에서, 농도비(RCH)는, 예를 들어 하기의 식 (3)과 같이 정의된다.
Figure 112021069362261-pct00004
도 6은, 본원의 일 실시 형태에서의 마스크막의 FTIR 스펙트럼의 일례를 도시하는 도면이다. 상기 식 (3)에서의 CH2는, 도 6의 스펙트럼에서의 CH2의 합계 피크 면적에 대응하고, 상기 식 (3)에서의 CH3은, 도 6의 스펙트럼에서의 CH3의 합계 피크 면적에 대응한다. 따라서, 마스크막의 스펙트럼 각각의 피크의 면적을 참조함으로써, 마스크막에 포함되는 메틸렌기(CH2) 및 메틸기(CH3)의 농도비(RCH)를 추정할 수 있다.
메틸렌기(CH2) 및 메틸기(CH3)의 농도비(RCH)가 다른 복수의 마스크막에서의 건식 에칭 레이트(DER)를 측정하였다. 도 7은, 본원의 일 실시 형태에서의 농도비(RCH)와 DER의 관계의 일례를 도시하는 도면이다. 예를 들어 도 7에 도시한 바와 같이, 농도비(RCH)가 0부터 0.4까지의 범위에서는, 농도비(RCH)의 증가에 수반해서 DER이 저하된다. 또한, 농도비(RCH)가 0.4보다 큰 범위에서는, 농도비(RCH)의 증가에 수반해서 DER이 저하되지만, 그 저하율은, 농도비(RCH)가 0부터 0.4까지의 범위보다도 낮다.
비교예로서 측정된 종래의 마스크막 에칭 레이트는, 약 8[nm/min]이었다. 그 때문에, 도 7의 실험 결과로부터, 종래보다도 낮은 에칭 레이트, 즉, 종래보다도 높은 에칭 내성을 실현하기 위해서는, 농도비(RCH)가 0.5 이상인 것이 바람직하다. 즉, CH2/(CH2+CH3)≥0.5인 것이 바람직하다.
[처리 조건]
이어서, 0.5 이상의 농도비(RCH)를 달성하기 위한 처리 조건에 대해서 검토하였다. 마스크막의 에칭 내성을 높이기 위해서는, 제2 플라스마실(S2)의 플라스마 생성 공간 내에서의 수소 라디칼의 체재 시간 및 방전 전력을 소정 범위 내로 조정할 필요가 있다. 이에 의해, 과잉 해리의 억제와 성막 전구체의 양의 확보가 양립된다. 그를 위해서는, 고주파 전원(301)으로부터 제2 플라스마실(S2) 내에 공급되는 VHF대의 고주파의 전력, 수소 가스 및 CH4 가스의 유량, 제2 플라스마실(S2) 내의 압력, 그리고, 제2 플라스마실(S2)의 플라스마 생성 공간의 용적 등이 조정될 필요가 있다.
발명자들은, 예의 검토한 결과, 예를 들어 하기의 식 (4)로 표시되는 해리 지표(iD)를 정의하고, 농도비(RCH)와 해리 지표(iD)의 사이에 상관이 있음을 알아내었다.
Figure 112021069362261-pct00005
상기 식 (4)에서, Ne는, 제2 플라스마실(S2) 내에 생성된 플라스마에서의 전자 밀도이다. 또한, <σv>는, CH4+e→CH3+H+e의 반응 과정에서의 반응 속도 상수이며, 예를 들어 하기의 식 (5)를 사용해서 산출된다.
Figure 112021069362261-pct00006
상기 식 (5)에서, σCH3는, CH4+e→CH3+H+e의 반응 과정에서의 전리 단면적이다. 또한, (2E/me)1/2은, 전자의 속도이며, f(E)는 EEDF(Electron Energy Distribution Function)이다.
수소 원자의 여기 온도(Te)마다의 EEDF는, 예를 들어 도 8과 같이 된다. 도 8은, EEDF의 일례를 도시하는 도면이다. 도 8에는, 전자 에너지에 대한 전리 단면적(σCH3)의 일례도 함께 도시되어 있다. 반응 속도 상수 <σv>는, EEDF와 전리 단면적의 곱, 즉, 도 8에서의 사선 부분의 면적으로 표현된다.
여기서, 반응 속도 상수 <σv>와 수소 원자의 여기 온도(Te)는, 예를 들어 도 9와 같은 관계에 있음을 알았다. 도 9는, 반응 속도 계수 <σv>와 수소 원자의 여기 온도(Te)의 관계의 일례를 도시하는 도면이다. 도 9를 참조하면, 수소 원자의 여기 온도(Te)가 2 내지 4[eV]의 범위에서는, 반응 속도 상수 <σv>는, 수소 원자의 여기 온도(Te)의 2승에 비례하고 있다. 즉, 해리 지표(iD)는, 하기의 식 (6)과 같이 다시 정의할 수 있다.
Figure 112021069362261-pct00007
이하에서는, 상기 식 (6)에서 정의된 해리 지표(iD)를 사용해서 설명을 행한다. 상기 식 (6)에서, 전자 밀도(Ne)는, 예를 들어 프로브(60)를 사용하여 측정된 반사율의 비와, 상술한 식 (1)을 사용해서 추정할 수 있다. 또한, 수소 원자의 여기 온도(Te)는, 분광계(72)에 의해 측정된 발광 스펙트럼과, 상술한 식 (2)를 사용해서 추정할 수 있다. 또한, 체재 시간(τ)[ms]은, 플라스마 생성 공간 내의 용적 및 압력, 그리고, 가스의 유량에 기초하여 추정할 수 있다.
해리 지표(iD)와 농도비(RCH)는, 예를 들어 도 10에 도시되는 관계에 있었다. 도 10은, 본원의 일 실시 형태에서의 해리 지표(iD)와 농도비(RCH)의 관계의 일례를 도시하는 도면이다. 도 10을 참조하면, 해리 지표(iD)의 값이 4×108 이하이면, 농도비(RCH)가 0.5 이상으로 된다. 따라서, 해리 지표(iD)의 값은, 0보다 크고 또한 4×108 이하의 범위 내의 값인 것이 바람직하다. 즉, 0<(Ne×Te 2×τ)≤4×108인 것이 바람직하다.
[성막 레이트]
도 11은, 본원의 일 실시 형태에서의 해리 지표(iD)와 성막 레이트의 관계의 일례를 도시하는 도면이다. 예를 들어 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 해리 지표(iD)의 값이 0 내지 8×108까지의 범위에서는, 해리 지표(iD)의 값의 증가에 수반해서 마스크막의 성막 레이트는 증가하는 경향이 있다. 한편, 해리 지표(iD)의 값이 8×108보다 큰 범위에서는, 해리 지표(iD)의 값의 증가에 수반해서 마스크막의 성막 레이트는 감소하는 경향이 있다.
농도비(RCH)가 0.5 이상으로 되기 위해서는, 도 10의 결과로부터, 해리 지표(iD)의 값은, 4×108 이하인 것이 바람직하다. 그러나, 도 11을 참조하면, 해리 지표(iD)의 값이 낮아질수록 마스크막의 성막 레이트는 저하되어버리기 때문에, 생산성이 저하되어버린다. 따라서, 해리 지표(iD)의 값은, 4×108 이하의 범위 내에서, 큰 값이 되도록 제어되는 것이 바람직하다.
[수소 원자의 함유량]
본 실시 형태에서 성막된 마스크막에서는, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같은 FTIR 스펙트럼이 관측되었다. 도 6을 참조하면, 메틸렌기(CH2) 및 메틸기(CH3)의 피크가 관측되어, 마스크막 내에 수소 원자가 어느 정도 포함되어 있는 것을 알 수 있다.
이에 반해, 비교예에서의 마스크막에서는, 예를 들어 도 12에 도시한 바와 같은 FTIR 스펙트럼이 측정되었다. 도 12는, 비교예에서의 마스크막의 FTIR 스펙트럼의 일례를 도시하는 도면이다. 도 12를 참조하면, 메틸렌기(CH2) 및 메틸기(CH3)에 대응하는 파수의 위치에는 거의 피크가 나타나지 않는다. 그 때문에, 비교예의 마스크막에서의 수소 원자의 함유량은, 본 실시 형태에서 성막된 마스크막에서의 수소 원자의 함유량보다도 낮다.
비교예의 마스크막은, 수소 원자의 함유량이 적은 DLC이다. DLC에서의 수소 원자의 함유량이 적으면, 마스크막의 스트레스가 커진다. 이에 반해, 본 실시 형태에서 성막된 마스크막에서의 수소 원자의 함유량은, 비교예의 마스크막에서의 수소 원자의 함유량보다도 많다. 따라서, 본 실시 형태에서 성막된 마스크막은, 비교예에서의 마스크막보다도 막 스트레스가 낮다고 생각된다.
[성막 처리]
도 13은, 본원의 일 실시 형태에서의 마스크막의 성막 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 13에 예시된 성막 방법은, 주로 제어 장치(100)가 장치 본체(11)의 각 부를 제어함으로써 실현된다.
또한, 도 13에 예시된 성막 방법이 실행되기 전에, 사전 실험에 있어서, 프로브(60)를 사용해서 전자 밀도(Ne)가 측정되고, 분광계(72)를 사용해서 수소 원자의 여기 온도(Te)가 측정된다. 그리고, 해리 지표(iD)=Ne×Te 2×τ의 값이 4×108 이하로 되도록, 전자 밀도(Ne), 수소 원자의 여기 온도(Te) 및 체재 시간(τ)이 조정된다. 구체적으로는, 고주파 전원(301)으로부터 공급되는 VHF대의 고주파의 전력 및 주파수, 그리고, 구획판(50)과 스테이지(20)의 사이의 거리 등이 조정된다. 그리고, 해리 지표(iD)의 값이 4×108 이하로 되기 위한, 고주파 전원(301)으로부터 공급되는 VHF대의 고주파의 전력 및 주파수, 그리고, 구획판(50)과 스테이지(20)의 사이의 거리가 특정된다. 이하의 성막 방법에서는, 구획판(50)과 스테이지(20)의 사이가, 특정된 거리로 되도록 액추에이터(22)가 제어되어 있다. 구획판(50)과 스테이지(20)의 사이의 거리는, 예를 들어 30[mm]로 제어된다.
이하, 성막 방법의 일례에 대해서 설명한다. 먼저, 도시하지 않은 로봇 암에 의해 미처리의 피처리체(W)가 챔버(15) 내에 반입되어, 스테이지(20) 상에 적재된다(S10). 스텝 S10은, 반입 공정의 일례이다.
이어서, 제어 장치(100)는, 배기 장치(81)를 제어하여, 제1 플라스마실(S1) 및 제2 플라스마실(S2) 내를 진공 배기한다. 그리고, 제어 장치(100)는, 유량 제어기(400)를 제어해서 제1 플라스마실(S1) 내에 수소 가스를 소정 유량으로 공급하고, 유량 제어기(402)를 제어해서 제2 플라스마실(S2) 내에 CH4 가스를 소정 유량으로 공급한다(S11). 스텝 S11에서는, 수소 가스 및 CH4 가스의 유량은, 각각 예를 들어 50[sccm] 및 100[sccm]이다. 스텝 S11은, 공급 공정의 일례이다.
그리고, 제어 장치(100)는, APC 밸브(80)를 제어함으로써, 제1 플라스마실(S1) 및 제2 플라스마실(S2) 내의 압력을 조정한다. 제1 플라스마실(S1) 및 제2 플라스마실(S2) 내의 압력은, 예를 들어 4[Pa]로 조정된다.
이어서, 제어 장치(100)는, 마이크로파 발생기(300)를 제어해서 제1 플라스마실(S1) 내에 마이크로파대의 주파수의 고주파 전력을 공급하고, 고주파 전원(301)을 제어해서 제2 플라스마실(S2) 내에 VHF대의 주파수의 고주파 전력을 공급한다. 이에 의해, 제1 플라스마실(S1) 내에 수소 가스의 플라스마가 생성되고, 제2 플라스마실(S2) 내에 CH4 가스의 플라스마가 생성된다(S12). 고주파 전원(301)으로부터 공급되는 VHF대의 고주파의 전력 및 주파수는, 사전 실험에 있어서 해리 지표(iD)=Ne×Te 2×τ의 값이 4×108 이하로 되도록 조정된 전력 및 주파수가 사용된다. 예를 들어, 제1 플라스마실(S1) 내에는, 2.45[GHz], 400W의 고주파 전력이 공급되고, 제2 플라스마실(S2) 내에는, 100[MHz], 100[W]의 고주파 전력이 공급된다.
그리고, 제어 장치(100)는, 고주파 전원(302)을 제어하여, 스테이지(20)에 소정 주파수의 고주파 전력을 공급한다. 이에 의해, 제2 플라스마실(S2) 내의 하전 입자가 스테이지(20) 상의 피처리체(W)에 인입되어, 피처리체(W) 상에 마스크막이 성막된다. 스테이지(20)에는, 예를 들어 13.56[MHz], 50[W]의 고주파 전력이 공급된다. 스텝 S12는, 성막 공정의 일례이다.
이어서, 제어 장치(100)는, 피처리체(W) 상에 소정의 두께의 마스크막이 성막될 때까지, 소정 시간 대기한다. 그리고, 제어 장치(100)는, 제1 플라스마실(S1) 및 제2 플라스마실(S2) 내에 플라스마가 생성되고 나서 소정 시간이 경과했는지 여부를 판정한다(S13). 소정 시간이 경과하지 않은 경우(S13: "아니오"), 다시 스텝 S13에 나타낸 처리가 실행된다.
한편, 소정 시간이 경과한 경우(S13: "예"), 제어 장치(100)는 전력 공급부(30)를 제어하여, 제1 플라스마실(S1) 및 제2 플라스마실(S2) 내에의 고주파 전력의 공급을 정지시킨다. 그리고, 제어 장치(100)는, 유량 제어기(400)를 제어해서 제1 플라스마실(S1) 내에의 수소 가스의 공급을 정지하고, 유량 제어기(402)를 제어해서 제2 플라스마실(S2) 내에의 CH4 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 제어 장치(100)는 배기 장치(81)를 정지시킨다. 그리고, 도시하지 않은 로봇 암에 의해 마스크막이 성막된 피처리체(W)가 챔버(15) 내로부터 반출된다(S14).
이어서, 제어 장치(100)는, 미처리의 피처리체(W)가 있는지 여부를 판정한다(S15). 미처리의 피처리체(W)가 있을 경우(S15: "예"), 다시 스텝 S10에 나타낸 처리가 실행된다. 한편, 미처리의 피처리체(W)가 없을 경우(S15: "아니오"), 본 흐름도에 나타낸 성막 방법이 종료된다.
이상, 일 실시 형태에 대해서 설명하였다. 상기한 바와 같이, 본 실시 형태의 마스크막은, 피에칭막 상에 적층되는 카본 하드마스크이며, 카본 하드마스크에 포함되는 메틸렌기(CH2) 및 메틸기(CH3)의 농도비가, 하기의 식을 충족한다.
Figure 112021069362261-pct00008
이에 의해, 수소 원자를 함유하고, 에칭 내성이 높은 카본 하드마스크를 제공할 수 있다.
또한, 상기한 실시 형태에서의 성막 장치(10)는, 챔버(15)와, 스테이지(20)와, 가스 공급부(40)와, 전력 공급부(30)와, 액추에이터(22)와, APC 밸브(80)를 구비한다. 스테이지(20)는, 챔버(15) 내에 마련되어, 피처리체(W)를 적재한다. 가스 공급부(40)는, 챔버(15) 내에 수소 가스 및 탄소 함유 가스를 공급한다. 전력 공급부(30)는, 챔버(15) 내에 소정 주파수의 전력을 공급함으로써, 수소 가스 및 탄소 함유 가스의 플라스마를 생성하여, 플라스마에 포함되는 활성종에 의해 피처리체(W) 상에 카본 하드마스크를 성막한다. APC 밸브(80)는, 챔버(15) 내의 압력을 조정한다. 또한, 가스 공급부(40), 전력 공급부(30) 및 APC 밸브(80)는, 플라스마 내의 전자 밀도(Ne)[cm-3], 플라스마 내의 수소 원자의 여기 온도(Te)[eV] 및 플라스마 내의 가스의 체재 시간(τ)[ms]의 곱의 값이 하기의 식을 충족하도록 제어된다.
Figure 112021069362261-pct00009
이에 의해, 수소 원자를 함유하고, 에칭 내성이 높은 카본 하드마스크를 제공할 수 있다.
또한, 상기한 실시 형태에서의 성막 장치(10)는, 플라스마가 생성되는 공간의 용적을 조정하는 액추에이터(22)를 더 구비한다. 플라스마 내의 수소 가스 및 탄소 함유 가스의 체재 시간(τ)은, 수소 가스 및 탄소 함유 가스의 유량, 챔버(15) 내의 압력 및 플라스마가 생성되는 공간의 용적 중 적어도 어느 것을 변경함으로써 제어된다. 이에 의해, 수소 원자를 함유하고, 에칭 내성이 높은 카본 하드마스크를 성막할 수 있다.
또한, 상기한 실시 형태에서의 성막 방법에는, 반입 공정과, 공급 공정과, 성막 공정이 포함된다. 반입 공정에서는, 챔버(15) 내에 피처리체(W)가 반입되어, 챔버(15) 내에 마련된 스테이지(20) 상에 피처리체(W)가 적재된다. 공급 공정에서는, 챔버(15) 내에 수소 가스 및 탄소 함유 가스가 공급된다. 성막 공정에서는, 챔버(15) 내에 소정 주파수의 전력이 공급됨으로써, 수소 가스 및 탄소 함유 가스의 플라스마가 생성되어, 플라스마에 포함되는 활성종에 의해 피처리체(W) 상에 카본 하드마스크가 성막된다. 또한, 성막 방법에서는, 수소 가스 및 탄소 함유 가스의 유량, 챔버(15) 내에 공급되는 소정 주파수의 전력의 주파수 및 크기, 플라스마가 생성되는 공간의 용적, 챔버(15) 내의 압력이, 플라스마 내의 전자 밀도(Ne)[cm-3], 플라스마 내의 수소 원자의 여기 온도(Te)[eV] 및 플라스마 내의 가스의 체재 시간(τ)[ms]의 곱의 값이 하기의 식을 충족하도록 제어된다.
Figure 112021069362261-pct00010
이에 의해, 수소 원자를 함유하고, 에칭 내성이 높은 카본 하드마스크를 제공할 수 있다.
[기타]
또한, 본원에 개시된 기술은, 상기한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 그 요지의 범위 내에서 수많은 변형이 가능하다.
예를 들어, 상기한 실시 형태에서는, 마이크로파대의 주파수의 전력에 의해 수소 가스가 플라스마화되고, VHF대의 주파수의 전력에 의해 탄소 함유 가스가 플라스마화되지만, 개시의 기술은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 마이크로파대의 주파수의 전력, 및 VHF대의 주파수의 전력 중 어느 한쪽을 사용하여, 수소 가스 및 탄소 함유 가스를 플라스마화해도 된다.
마이크로파대의 주파수의 전력을 사용하여, 수소 가스 및 탄소 함유 가스를 플라스마화할 경우, 제1 플라스마실(S1) 내에 수소 가스 및 탄소 함유 가스가 공급된다. 이 경우, 구획판(50)의 확산 공간(52) 내에는, 탄소 함유 가스가 공급되지 않는다. 또한, 구획판(50)에는, VHF대의 주파수의 전력은 공급되지 않는다.
VHF대의 주파수의 전력을 사용하여, 수소 가스 및 탄소 함유 가스를 플라스마화할 경우, 제1 플라스마실(S1) 내에는 마이크로파대의 주파수의 전력은 공급되지 않는다. 제1 플라스마실(S1) 내에 공급된 수소 가스는, 구획판(50)의 관통구(51)를 통해서 제2 플라스마실(S2) 내에 공급된다. 그리고, 수소 가스 및 탄소 함유 가스는, 구획판(50)에 공급된 VHF대의 주파수의 전력에 의해, 제2 플라스마실(S2) 내에서 플라스마화된다.
또한, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 실제로, 상기한 실시 형태는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 상기 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태에서 생략, 치환, 변경되어도 된다.
S1: 제1 플라스마실 S2: 제2 플라스마실
W: 피처리체 10: 성막 장치
11: 장치 본체 13: 도파관
14: 유전체판 15: 챔버
16: 절연 부재 18: 석영창
20: 스테이지 21: 지지 부재
22: 액추에이터 30: 전력 공급부
300: 마이크로파 발생기 301: 고주파 전원
302: 고주파 전원 40: 가스 공급부
400: 유량 제어기 401: 가스 공급원
402: 유량 제어기 403: 가스 공급원
42: 금속 메쉬 50: 구획판
51: 관통구 52: 확산 공간
53: 토출구 60: 프로브
61: 네트워크 애널라이저 70: 수광부
71: 광 파이버 72: 분광계
80: APC 밸브 81: 배기 장치
100: 제어 장치

Claims (4)

  1. 피에칭막 상에 적층되는 카본 하드마스크에 있어서,
    상기 카본 하드마스크에 포함되는 메틸렌기(CH2) 및 메틸기(CH3)의 농도비가, 하기의 식 (1)을 충족하는 카본 하드마스크.
  2. 챔버와,
    상기 챔버 내에 마련되어, 피처리체를 적재하는 스테이지와,
    상기 챔버 내에 수소 가스 및 탄소 함유 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 챔버 내에 소정 주파수의 전력을 공급함으로써, 상기 수소 가스 및 상기 탄소 함유 가스의 플라스마를 생성하여, 상기 플라스마에 포함되는 활성종에 의해 상기 피처리체 상에 카본 하드마스크를 성막하는 전력 공급부와,
    상기 챔버 내의 압력을 조정하는 압력 조정부
    를 구비하고,
    상기 가스 공급부, 상기 전력 공급부 및 상기 압력 조정부는, 상기 플라스마 내의 전자 밀도(Ne)[cm-3], 상기 플라스마 내의 수소 원자의 여기 온도(Te)[eV] 및 상기 플라스마 내의 가스의 체재 시간(τ)[ms]의 곱의 값이 하기의 식 (2)를 충족하도록 제어되는 성막 장치.
    Figure 112021069362261-pct00012
  3. 제2항에 있어서, 상기 플라스마가 생성되는 공간의 용적을 조정하는 용적 조정부를 더 구비하고,
    상기 플라스마 내의 상기 수소 가스 및 상기 탄소 함유 가스의 체재 시간(τ)은,
    상기 수소 가스 및 상기 탄소 함유 가스의 유량, 상기 챔버 내의 압력 및 상기 플라스마가 생성되는 공간의 용적 중 적어도 어느 것을 변경함으로써 제어되는, 성막 장치.
  4. 챔버 내에 피처리체를 반입하여, 상기 챔버 내에 마련된 스테이지 상에 상기 피처리체를 적재하는 반입 공정과,
    상기 챔버 내에 수소 가스 및 탄소 함유 가스를 공급하는 공급 공정과,
    상기 챔버 내에 소정 주파수의 전력을 공급함으로써, 상기 수소 가스 및 상기 탄소 함유 가스의 플라스마를 생성하여, 상기 플라스마에 포함되는 활성종에 의해 상기 피처리체 상에 카본 하드마스크를 성막하는 성막 공정
    을 포함하고,
    상기 수소 가스 및 상기 탄소 함유 가스의 유량, 상기 챔버 내에 공급되는 소정 주파수의 전력의 주파수 및 크기, 상기 플라스마가 생성되는 공간의 용적, 상기 챔버 내의 압력을, 상기 플라스마 내의 전자 밀도(Ne)[cm-3], 상기 플라스마 내의 수소 원자의 여기 온도(Te)[eV] 및 상기 플라스마 내의 가스의 체재 시간(τ)[ms]의 곱의 값이 하기의 식 (3)을 충족하도록 제어되는 성막 방법.
    Figure 112021069362261-pct00013
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