KR19980071376A - Rf 플라즈마 반응기내의 전극들 사이에서의 전력 분배를 이용한 저온 에칭 방법 - Google Patents
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Abstract
저온(200℃) 산화물 에칭 방법, 특히 이중 레벨(bilevel)의 접촉 구조에 적용 가능한 방법은 RF 에너지를 플라즈마로 커플링시키기 위한 유도성 코일과 병렬의 두 전극을 구비한 고 밀도 플라즈마 에칭 반응기에 적용된다. 상부 전극은 실리콘, 유리질 카본 또는 실리콘 카바이드와 같은 플루오르 스캐빈저로 구성된다. 에칭 정지에 대하여 적절한 이득을 갖는 바람직한 선택도를 달성하기 위해 전체 RF 전력의 25%까지가 스캐빈징 전극에 인가된다. 에칭 화학 반응은 일반적으로 C2F6, CO 및 Ar(또는 C4F8)를 포함하고 전체 챔버는 180℃이하로 유지된다. 본 발명에 따른 방법을 사용한 TEOS-성장 산화물은 800nm/min 이상의 산화물 에칭율과 50 : 1 이상의 폴리실리콘에 대한 선택도의 중앙-포인트 처리 결과를 발생시킨다.
Description
본 발명은 일반적으로 플라즈마 반응기 및 그것의 동작에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체의 플라즈마 에칭에 관한 것이며, 보다 구체적으로 산화물 에칭에 관한 것이다.
반도체 집적 회로에서의 집적 레벨은 계속적으로 증가한다. 다음 세대의 동적 메모리는 64메가비트의 용량을 가질 것이고 다음 세대의 마이크로프로세서는 천만개 이상의 트랜지스터를 가질 것이다. 다음 세대는 계획되고 있다. 이러한 밀도는 단지 형태의 크기를 계속적으로 축소시키므로써 달성 가능하며, 현재 0.15㎛추구한다. 그러나, 층의 두께는 유전 항복 및 저항성 손실과 같은 물리적 효과 때문에 유사하게 축소될 수 없다. 이에 따라 현재의 설계는 높은 애스팩트비, 즉 형태의 높은 가로대 세로비를 갖는 형태를 요구한다. 예를 들어, 비아는 사이에 끼워진 유전층을 통과하여 두 레벨의 두 금속화층을 전기적으로 접속시킨다. 유전층이 알맞게 큰 두께가 되기 때문에, 밀집된 회로는 매우 좁은 비아를 요구하며, 결과적인 애스팩트비는 3 이상이다. 높은 애스팩트비의 홀을 에칭하는 것은 높은 이방성 에칭을 요구한다.
경제적인 이유로 처리될 웨이퍼의 크기가 증가한다는 것이 추가의 문제점이다. 대부분의 현재 높은 생산성의 장비는 200mm웨이퍼에 대해 설계되며, 300mm웨이퍼에 대한 장비는 설계되는 중이다. 이같이 큰 웨이퍼는 에칭 방법에 엄중한 균일도 요구를 부가한다.
소정의 증가된 밀도는 보다 복잡하게 집적된 회로 구조에 의해 달성될 수 있으나, 이는 특히 에칭과 같은 처리에 부가적인 요구를 부가한다. 도 1의 단면도에 도시된 이중 레벨 구조(bilevel)의 접촉을 위한 구조가 그 예이다. 실리콘 기판(10)은 그 내부에 상측 레벨로부터 접촉을 요구하는 이미 형성된 도시되지 않은 구조물을 포함한다. 예를 들어, 플라즈마 증착된 실리콘 디옥사이드의 제 1 산화물 층(12)이 실리콘 기판(10) 상에 증착된다. 상대적으로 얇은 폴리실리콘 상호 접속(14)이 상기 제 1 산화물(12)층 상부에 증착 및 한정되고, 제 2 산화물 층(16)이 상기 상호 접속(14) 및 제 1 산화물 층(12)상에 증착된다. 그후, 단일의 포토마스크를 사용하는 단일의 포토리소그래피 에칭 단계는 상대적으로 얕은 비아 홀(20)과 깊은 기판 콘택 홀(22) 모두를 에칭한다. 상기 두 홀이 상이한 수평면 상의 각 폴리실리콘을 접촉시키는 데에 사용되는 매우 유사한 과정이 사용되는 것이 인정되어야 한다.
이중 레벨의 접촉 구조는 실리콘에 대해 매우 선택적인 에칭 처리를 요구한다. 즉, 이같은 과정이 선택적으로 실리콘 산화물을 에칭하지만 훨씬 적은 양으로 실리콘을 에칭한다. 선택도가 불충분하게 높다면, 상기 폴리실리콘 상호 접속(14)은 동일한 에칭 조건하에서 두꺼운 제 1 산화물 층을 통한 에칭이 수행되는 동안에, 폴리실리콘 상호 접속(14)을 통한 에칭이 수행된다.
산화물 에칭 선택도는 플루오르화 카본 에칭 가스와 플루오르 스캐빈저를 사용하는 플라즈마 반응기에서 달성된다. 플루오르화 카본은 단지 카본과 플루오르로 구성된다. CF4, C2F6,C4F8등이 플루오르화 카본 에칭 가스의 예이다. 일반적인 조건하에서, 플루오르화 카본 가스가 모든 표면상에 폴리머를 증착시킨다고 생각된다. 그러나, 폴리머는 충분히 낮은 플루오르 성분을 가지므로, 아래에 놓인 실리카(SiO2) 층내의 산소는 폴리머와 반응하여 휘발성CO 및 CO2를 형성한다. 즉, 아래에 놓인 실리카는 폴리머가 형성되는 것을 방지하고 실리카는 에칭된다. 반면에 아래에 놓인 실리콘(또는 실리콘 나이트라이드, Si3N4) 층은 산소를 포함하지 않으며, 상기 폴리머는 그것이 에칭되는 것보다 빠르게 증착되며 이에 의해 아래에 놓인 실리콘 층이 에칭되는 것을 방지한다. 결과적으로, 비아 및 콘택 홀(20,22)의 에칭은 실리콘 층(14,10)에 도달할 때까지 진행되며, 이때 이 지점에서 에칭은 멈추거나 실질적으로 감소된다
그러나 폴리머에 의해 제공된 선택도는 상대적으로 낮은 플루오르 성분을 갖는 폴리머에 의존한다. 실리콘은 플루오르화 카본 플라즈마로부터 플루오르를 스캐빈징 제거하기 위해 공지된 다수의 물질중 가장 바람직하다. 상기 실리콘은 플라즈마내의 플루오르 라디컬F*와 반응하여, 플라즈마로부터 유래한 임의의 폴리머는 낮은 플루오르 성분을 포함한다. 그러나, 일반적으로 실리콘은 소정의 활성화를 요구한다. Rice는 미국 특허 5,477,975에서 실리콘의 열적 활성화를 개시하였다. Collins등에 의해 미국 특허 제 5,556,501호 및 유럽 특허 공고 번호 제 552,491-A1호에 개시된 바와 같이, 실리콘 전극의 RF 바이어싱을 사용하여 상기 실리콘은 선택적으로 활성화된다는 것이 인지되었다. 실리콘 전극은 매우 큰 폴리실리콘 조각으로 형성될 수 있다. 대안적인 플루오르 스캐빈징 제거 물질은 유리질 카본 및 실리콘 카바이드이다.
여기에서 참조문으로 인용한 모(parent) 특허 출원에서 Schneider 등은 산화물 에칭에 연관된 이러한 많은 문제점들을 언급하였다. 여러 실시예들 가운에, 그들은 도 2에 단면도로 도시된 원뿔형 모양의 플라즈마 반응기(30)를 개시하였다. 웨이퍼(32)는 바람직하게 하부 챔버 몸체(36)에 대해 수직으로 이동 가능한 페데스털(34) 상에 지지된다. 링(37)은 페데스털(34)의 상부 부분을 둘러싼다. 여기에 기재된 실시예에 있어서, 링(37)은 수정으로 구성되며, 열적으로 플로팅되어 있게 된다. 그러나, 실리콘 링(37)을 형성하여, 그것을 열적으로 활성화된 플루오르 스캐빈저로서 사용하는 것이 가능하다. 가열은 플라즈마 가열에 의존할 수 있거나, 가열은 예를 들어 실리콘 링(37)의 제어된 방사상 가열에 의존하여 활성화될 수 있다. 하부 챔버 온도의 제어를 위하여, 상기 플라즈마 가열은 챔버 부품을 냉각시킴에 의해 보상되어지는 것을 요구한다.
상부 챔버 어셈블리는, 플라즈마 가이드(40), 밀봉 링(42) 및 사이에 끼워진 패드(44)를 구비한 전기적 절연 조인트를 통해 하부 챔버 몸체(36) 상에 지지되는 원뿔형 돔(38)을 포함한다. 바람직하게 원뿔형 돔은 규화 실리콘 카바이드로 이루어진 전기적 절연 벌크 몸체와 화학적 기상증착된(CVD) 실리콘 카바이드 또는 높은 저항(ρ 20Ω-Cm)의 폴리실리콘으로 이루어진 전기적 도전성의 내부 박막으로 구성된다. 코일 캐리어(48)내에 지지되는 RF 유도성 코일(46)은 원뿔형 돔(38) 주위를 감싸게 된다. 원뿔형 돔(38)의 규화되고 CVD 실리콘 카바이드 부분의 저항은, 유도성 코일을 통한 RF 자기장이 최소의 손실을 가지고 돔(38)을 통과할 수 있으나, 접지 평면을 제공하기 위해 상기 내부 CVD 박막이 미리 설정된 전기 전위로 설정될 수 있도록 선택된다.
전기적 절연성의 플라즈마 가이드(50)는 원뿔형 돔(38) 상부의 내부 림상에 위치하고, 전기적 절연성의 O-링 또는 베스펠(Vespel) 간격을 통하여 루프(52)를 교번적으로 지지한다. 중앙 가스 공급 장치(54)는 루프(52)와 통합되며, 처리 가스를 루프(52)내의 도시되지 않은 홀을 통해 반응기(30) 내부로 공급한다. 도시된 잔존하는 대부분의 구조물은 원뿔형 돔(38)과 루프(52)의 온도 제어에 연관되며, 모특허(parent patent) 출원에서 완전히 설명되어 있다. 루프 열 제어는 저항적으로 가열된 플레이트(56)와 수냉식 냉각 플레이트를 포함한다. 돔 열 제어는 저항적으로 가열된 원뿔형 덮개(58)와 수냉식 칼라(59)를 포함한다.
루프(52)의 노출된 부분의 직경은 페데스털의 직경과 대략 동일하다. 즉, 플라즈마를 샌드위칭하는 두 개의 전극은 동일한 크기를 갖는다.
산화물 에칭 장치(echer)를 위하여, 바람직하게 상기 루프(52)는 예를 들어 폴리실리콘, 실리콘 카바이드 및 유리질 카본의 전기적 도전성의 플루오르 스캐빈저로 구성된다. 대체로, 상기 에칭 가스는 플루오르화 카본이며, 에틸 헥사플루오라이드(C2H6)는 도시된 산화물 에칭을 위한 반응기내에서 고가로 테스트되어왔다. 대체로 1 내지 2MHz의 주파수 범위인 RF 전력이 코일(46)과 페데스털(34)과 루프(52)에 의해 형성된 두 개의 전극을 가로질러 제공될 때, 플루오르화 카본 플라즈마는 웨이퍼(32) 상부에 처리 공간(56)을 포함하는 반응기(30)내에서 여기된다. 플루오르 스캐빈저는 플라즈마와 접속하여 플라즈마로부터 소정 양의 플루오르를 스캐빈징 제거하도록 형성된다. 이에 의해 플루오르화 카본 플라즈마로부터 웨이퍼(32) 상에 형성된 임의의 폴리머는 플루오르가 부족하다. 잘 공지된 바와 같이, 낮은-플루오르의 폴리머는 예를 들어 도 1의 이중 레벨의 접촉 구조에서 실리콘에 대한 높은 선택도를 생성할 수 있다.
플루오르 스캐빈저를 활성화시키기 위한 한 방법은 그것에 RF 에너지를 제공하는 것으로 공지되었다. 즉, 루프(52)는 단지 접지되는 것이 아니라, 상당한 RF 신호가 그것에 인가된다. Collins 등은 1996년 10월 23일 제출된 미국 특허 출원 번호 제 08/734,797에서 충분한 양의 RF 전력이 플루오르를 스캐빈징 제거하기 위해 실리콘의 루프로부터 스캐빈징 제거를 촉진시키도록 루프(52)에 제공될 수 있다는 것이 개시되었다. 모 특허 출원에서 도시된 바와 같이, 이러한 용도의 전기 회로는 도 3에 개략적으로 도시된다. 원뿔형 돔(38)은 전기적으로 접지되며 그것을 둘러싸는 코일(46)은 제 1 RF 전력 공급 장치(60)에 의해 전력을 공급 받는다. 전력 분배용 RF 전력 공급 장치(62)는 두 개의 커플링 캐패시터(64,66)를 통해 루프(52) 및 페데스털(34) 모두에 결합된다. 전력 분배용 RF 전력 공급 장치(62)의 예가 도 4에 개략적으로 도시된다. 제 2 RF (66) 전력 공급 장치는 단일 위상의 RF 전력을 전력 분배 회로(68)에 제공한다. 예를 들어, RF 전력은 광대역 트랜스포머(70)의 1차 측에 제공된다. 트랜스포머(70)의 2차측은 복수개의 탭을 가지며, 스위치(72)는 이러한 탭들중 임의의 하나를 접지와 같은 미리 설정된 전위로 선택적으로 연결한다. 트랜스포머 2차측의 각 단들은 커플링 캐패시터(64,66)를 통해 루프(52) 및 페데스털(34)에 연결된다. 트랜스포머 탭 스위치(72)를 설정하는 것에 의존하여, RF 전력의 양을 변화시키는 것은 루프(52) 및 페데스털(34) 사이에서 분배된다. 트랜스포머 2차측의 중앙 지점에 도시된 위치(다음에 설명되는 바와 같이 요구된 위치가 아닌)에서 그리고 루프(52) 및 페데스털(34)에 대해 동일한 크기를 가정함에 있어서, 동일한 양의 RF 전력이 루프(52) 및 페데스털에 전달된다. 반면에, 트랜스포머 2차측의 루프 단부에서 탭이 접지로 스위칭되면, 루프(52)는 AC 접지되고 어떠한 RF 전력도 루프(52)에 전달되지 않는다. 이것은 실리콘에 기초한 플로오르 스캐빈저가 열적으로 활성화될 때 Rice등에 의해 사용된 동작 모드이다. 이러한 두 개의 극단적 수단들 사이의 탭 위치는 상이한 비율의 전력을 분할하여, 대부분의 전력이 페데스털(34)로 이동한다.
스캐빈징 루프(52)에 대하여 요구된 온도가 추가의 고려 대상이다. 상승된 온도는 실리콘 루프를 활성화시킬 수 있다는 것은 공지되었다. 종래의 산화물 에칭 방법이 Rice 등에 의한 특허의 반응기에 적용될 때, 만족할 만한 이중 레벨의 구조는, 에칭 정지의 발생 없이 아래에 놓인 폴리실리콘과 위에 놓인 포토레지스트에 대해 적합한 선택도를 얻기 위하여 실리콘 루프와 수정 돔이 개별적으로 280℃와 220℃까지 가열되도록 요구한다. 그러나, O-링과 같은 진공 밀봉부는 바람직하게 탄성 중합 물질로 형성되기 때문에, 이러한 온도에서 실질적인 문제점을 제공한다. 상승된 온도에서, 특히 에칭 환경에서, 중합물 O-링은 빠르게 경화되고 그들의 밀봉 능력을 상실한다. 플루오르화 카본 또는 하이드로플루오르화 카본으로부터 O-링을 보호하기 위한 특별한 예방조치를 사용함에도 불구하고, 그들이 높은 온도로 유지된다면, 그들은 상대적으로 빈번한 간격으로 교체되는 것이 여전히 필요하다. 결과적으로, 에칭 반응기 벽의 동작 온도를 감소시키는 것이 바람직하다.
상기 플루오르 스캐빈저의 열적 활성화에 의존하는 추가의 문제점은, 고체 스캐빈저가 선택도 및 다른 에칭 이행 파라미터를 얻기 위한 중요한 제어 파라미터가 된다는 것이다. 방법 및 장치의 변화에 기인하여, 시간상에서의 열적 균일도는 종종 너무 빈약하여 요구된 이행 균일도를 달성할 수 없다. 따라서, 열적 활성화보다 플루오르 스캐빈저의 RF 활성화가 더 좋다.
본 발명의 목적은 상이한 양의 RF 전력이 인가되는 두 개의 전극을 구비하고 화학적 활성화를 이용하여 기판을 처리, 특히 산화물 또는 질화물 에칭하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 반도체 집적 회로의 이중 레벨의 접촉 구조의 단면도.
도 2는 본 발명에 따라 적용될 수 있는 플라즈마 에칭 챔버의 단면도.
도 3은 도 2의 챔버의 주요 RF 성분에 대한 전기적 회로를 개략적으로 도시한 회로도.
도 4는 전력 분배 회로의 개략적 회로도.
도 5는 웨이퍼 상에 형성되어 본 발명의 평가에 사용되는 구조물에 대한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 실리콘 기판 14 : 상호 접속층
20 : 비아 홀 22 : 콘택 홀
12 : 제 1 산화물층 16 : 제 2 산화물층
18 : 포토레지스트 50 : 플라즈마 가이드
52 : 루프 46 : 유도성 코일
34 : 페데스털 60 : 전력 공급 장치
본 발명은 두 개의 상반되는 전극을 구비하여 하나는 처리되는 기판을 지지하는 챔버내에서 플라즈마 처리 방법, 특히 산화물 에칭 방법으로 요약될 수 있다. 상이한 양의 RF 전력이 두 개의 전극에 인가되며, 그것에 의하여 제 2 전극은 화학적으로 활성화된다.
본 발명은 원칙적으로 유도적으로 커플링된 플라즈마 반응기내에서 플루오르에 기초한 화학적 작용을 사용하여 특히 산화물 또는 질화물 에칭 방법에 적용될 수 있다. 제 2 전극은 실리콘과 같은 플루오르-스캐빈징 제거 물질로 이루어지며, 기판-지지 전극에 병렬로 대향될 수도 있다. 스캐빈징 제거 전극으로 인가되는 RF 전력은 스캐빈징 물질류(species)를 활성화시키고, 이에 의해 스캐빈저의 온도를 감소시키는 것을 허용한다.
실시예
우리는, 특히 웨이퍼 상부에 놓인 루프 전극이 플로우르 에칭 화학적 작용에서 플루오르에 대한 스캐빈저로 이루어질 때, 두 개의 RF 전극 사이에서 플라즈마 반응기 내부로 용량적으로 유도된 RF 전력을 분할하는 것이 용이하다는 것을 알게 된다. 약 10%와 35% 사이의 RF 전력이 스캐빈징 제거 전극 루프와 커플링되고 나머지 많은 양의 RF전력이 웨이퍼를 붙잡는 페데스털과 커플링된다면, 에칭 정지의 발생 없이 높은 선택도가 상대적으로 낮은 챔버 온도에서 달성된다.
플루오르의 제어는 플루오르에 기초한 산화물 및 질화물 에칭에서 중합체 코팅을 형성 및 유지하기 위해 중요하다. Collins등에 의한 상기와 동일한 출원서에는 실리콘에 대한 높은 선택도를 달성하기 위해 낮은 플루오르 성분을 가져야 한다는 것이 인지되었다. 이러한 것은 플라즈마의 카본에 대한 플루오르의 낮은 성분비(F/C비)를 유지하므로써 달성될 수 있다. 반면에, 높은 에칭율은 높은 F/C비율로 촉진된다. 상기 언급된 바와 같이, 플루오르는 플라즈마로부터 스캐빈징 제거 과정을 통해 제거될 수 있다. 에칭 비율에 대한 효과와는 별도로, 스캐빈징 제거는 산화물속에 높은 애스팩트비를 갖는 홀을 에칭하기 위해 제어된다.
또한 카본이 사용되고 다른 물질이 열적으로 활성화된 처리에서 사용될 수 있을 지라도 선택된 스캐빈저는 고체 실리콘이다. 플루오르를 스캐빈징 제거하기 위한 고체 실리콘에 대하여, 그것은 열적으로나 RF 바이어싱 또는 상기 두 개의 조합에 의해 활성화되어야 한다. 우리는 작지만 한정된 RF 바이어싱 전력을 실리콘 카운터 전극에 인가하는 것은 적당히 낮은 온도의 실리콘 및 관련 챔버 부분과 밀봉부에서 실리콘 스캐빈징을 유용하게 활성화시킨다는 것을 발견하였다. 그러나, 좁은 홀의 딥 에칭이 과도한 폴리머가 산화물로부터 에칭되지 않도록 실리콘 스캐빈저의 RF바이어싱 양을 한정하고 에칭 처리를 종료하는 것은 중요하다. 또한 실리콘 스캐빈저의 RF 활성화 에너지를 낮추어 재현가능한 결과를 제공하기 위해 다소 상승된 온도로 가열되어야 한다.
RF 바이어스를 실리콘 카운터 전극에 인가하는 것은 특히 원칙적으로 유도적으로 커플링된 플라즈마 반응기내에서 RF 바이어스를 웨이퍼를 지지하는 페데스털에 인가하는 것과 유사하다. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing(Wiley, 1994년) 309쪽에서 Lieberman등에 의해 설명된 바와 같이, 유도적으로 커플링된 플라즈마 반응기는 높은 밀도의 플라즈마를 생성할 수 있으나, 상기 플라즈마는 상대적으로 낮은 덮개 전압을 갖는다. 플라즈마로부터 추출된 이온의 이온 충격 에너지를 증가시키기 위하여, RF 바이어스는 웨이퍼에 용량적으로 커플링될 수 있다. 본 발명에 대한 실시예에 있어서, 유사한 개념이 실리콘에 기초한 플루오르 스캐빈저를 화학적으로 활성화시키기 위해 사용된다.
본 발명의 유효성을 측정하고, 일반적인 처리 윈도우를 설정하기 위하여, 테스트 칩은 제조되어 도 5의 구조를 갖도록 에칭된다. 두 산화물 층(12,16)은 플라즈마 TEOS 공정에 의해 형성된다. 일반적인 장치에서 행하여지듯이, 하부의 산화물 층(12)은 고정된 에칭 기간 동안 그것이 에칭되지 않고 콘택 홀(22)이 아래에 놓인 실리콘(10)까지 아래로 연장되지 않도록 충분히 두껍게 형성된다. 상부의 산화물 층(16)은 약 500nm의 두께까지 형성된다. 포토레지스트(18)는 700nm의 두께까지 증착되고 500nm 이하의 임계 측면 크기를 갖는 에칭 마스크를 형성하기 위하여 패터닝된다. 이어 마스킹된 평면 구조물은 특히 아래에 기재된 조건의 범위하에서 에칭된다. 에칭 완료 이후, 상기 테스트 칩은 도 5의 구조를 나타내도록 분할되며, 이로부터 다수의 중요한 파라미터가 연역된다.
산화물 에칭율(ER)은 콘택 홀(22)내의 총 에칭 깊이(DOX)를 에칭 시간으로 나누므로써 측정된다. 폴리실리콘 선택도(Spoly)는 폴리실리콘 에칭율에 대한 실리콘 산화물 에칭율의 비이다. 이러한 것은 바로 폴리실리콘의 중간-레벨 층(inter-level layer :14)에 도달한 후 발생하는 콘택 홀(22)에서의 산화물 에칭의 깊이(D2)와 비아홀(20) 바닥에서 폴리실리콘의 중간-레벨 층(14) 에칭의 깊이(D1)를 비교하므로써, 마이크로그래피로부터 측정될 수 있다.
산화물 깊이(D2)의 상부는 폴리실리콘 중간-레벨 층(14)의 상부에 정렬되도록 가정된다. 폴리실리콘 에칭 깊이(D1) 측정에 대한 분해능은 약 10nm이다.
포토레지스트(18)는 또한 산화물을 따라 에칭한다. 점선(80)은 원래 포토레지스트(18)의 상부 부분을 나타낸다. 그러나, 포토레지스트에 대해 가장 중대한 선택도는 비아 및 콘택 홀(20,22)의 바로 상부의 포토레지스트(18)내에서 전개되는 한 단면(82)을 차지하게 된다. 포토레지스트의 원래 두께는 DPR로 표현되며, 상기 한 단면(70)의 아래에 남아 있는 포토레지스트의 두께는 DREM으로 표현된다. 단면 선택도(SFACET)는 단면(82)의 바닥에서의 포토레지스트(18)의 손실에 대한 산화물 깊이(DOX)의 비로서, 즉
한 세트의 실시예에 있어서, 일련의 테스트 칩이 전력 분배의 양을 제외하고는 유사한 조건하에서 성장된다. 루프 및 돔 모두는 약 220℃로 유지되며, 챔버 압력은 11.5mT로 유지된다. 150sccm의 Ar, 20sccm의 CO 및 50 sccm의 하이드로플루오르화 카본으로 구성된 처리 가스가 흐르게 된다. 2800W의 RF 전력 소오스가 코일에 인가되고 1400W의 바이어스 전력이 페데스털과 루프 사이에서 분배된다. 열을 냉각된 페데스털로 대류 순환시키기 위해 웨이퍼의 후면상에 상승된 압력으로 He를 유지하므로써 웨이퍼 온도는 낮게 유지된다. 총 에칭 시간은 100s이다. 결과는 표 1에 요약된다. 전력 분배에 대한 값은 루프에 인가된 일부의 RF 전력으로 언급되며, 나머지는 페데스털로 인가된다. 루프(52)는 도전성 폴리실리콘으로 형성된다. 원뿔형 돔(38)은 높은 저항성의 폴리실리콘으로 형성되거나, CVD 실리콘 카바이드 박막으로 덮인 벌크 실리콘 카바이드 합성물로 형성된다. 전력 분배 수단의 제로 값은 루프가 접지되는 것을 의미한다. 실시예의 세트에 대하여, 웨이퍼에 인가되는 RF 바이어스는 일정하게 유지된다.
| 전력 분배 | |||
| 0% | 10% | 25% | |
| DOX(nm) | 840 | 803 | 600ES |
| SPOLY | 35 | 40 | 50 |
| SFACET | 3.1 | 2.9 | 3.0 |
모든 바이어싱된 전력이 페데스털에 인가된다면 이어 웨이퍼 근처에서 활성화가 가장 강하기 때문에, 일반적으로 산화물 에칭율에 비례하는 산화물 에칭 깊이는 접지된 루프에 대해 가장 높으며, 이는 놀랍지 않은 결과이다. 그러나, 25%의 전력 분배에서, 에칭 정지가 딥 콘택 홀에서 관찰되며, 이것은 에칭 처리의 중간에서 산화물 에칭이 정지된다는 것을 의미한다. 폴리실리콘 선택도(SPOLY)는 전력 분배의 증가에 따라 증가한다. 25%의 전력 분배에 대해 50 이상의 값은 폴리실리콘 중간 레벨 층의 에칭이 관찰되지 않는다는 것을 의미한다. 단면 선택도(SFACET)의 값은 모든 경우에 있어서 적합하다. 이러한 데이터는, 많은 RF 전력이 실리콘 루프에 인가되기 때문에 증가된 전력 분배는 폴리머 화학 반응을 강하게 하고 이것은 플라즈마로부터 플루오르를 스캐빈징 제거하기 위하여 실리콘을 활성화시키며 이것에 의해 탄소질의 낮은 플루오르 폴리머를 촉진시킨다는 것을 의미하는 것으로 여겨진다. 노출된 실리콘상의 플라즈마가 실리콘 에칭을 감소시키거나 정지시키기 때문에, 폴리실리콘 선택도(SPOLY)는 증가된 전력 분배로부터 이득을 얻는다. 그러나, 폴리머 증착은 초기 증착 및 에칭 제거 사이에서 균형을 이룬다. 산화물 표면상에, 일반적으로 제거는 상당한 축적을 방지할 만큼 충분하게 높다. 그러나, 25%의 전력 분배에 대해, 폴리머 형성은 매우 커서, 콘택 홀의 바닥쪽으로의 에칭 제거가 감속된다는 것으로 생각된다. 그후 어떠한 산화물도 에칭되지 않는다.
다른 실시예의 세트는 50 : 50 전력 분배로서 수행된다. 상기에 제공된 데이터와 일관되어, 실리콘 전극에 인가되는 50%의 RF 전력 분배를 사용하는 경우 에칭 정지는 문제화되는 것으로 관찰된다. 또한 높은 레벨의 전력 분배는 산화물 에칭 율을 감소시킨다. 이러한 높은 값의 전력 분배는 기판상에 매우 많은 전력 손실을 일으킨다는 것으로 생각된다. 더욱이, 실리콘 루프에 인가되는 많은 양의 RF 전력은 실리콘 루프가 기판상의 노출된 임의의 실리콘과 대략 동일한 비율로 에칭된다는 것을 의미하며 이에 따라 실리콘 루프의 라이프타임을 감소시킨다.
미국 특허 4,871,421에서 Ogle등은 외부 아아킹을 감소시키기 위한 목적을 위해 용량성으로 결합된 플라즈마 에칭 장치를 나타내며, 잘 포커싱되고 안정화된 플라즈마를 야기시킨다. Ogle등은 플루오르 스캐빈징 제거 또는 챔버 온도를 고려하지 않았다. 실질적으로 25%, 특히 Ogle등의 50% 레벨을 능가하는 전력 분배에서의 추가의 증가는 단지 에칭 정지를 악화시키는 대가로 폴리실리콘의 선택도를 증가시킨다. 선택도가 치명적인 에칭 정지를 야기시키기 않는다면, 높은 선택도가 바람직하다. Ogle등은 이전의 미국 특허 4,626,312호 Dible에서의 그들의 발명에 기초하여 미국 특허 5,573,595호의 관련된 효과를 개시하였다.
25% 전력 분배에서 초과된 실리콘 루프의 활성화는 열적 활성화가 감소될 수 있다는 것을 함축하여 이해될 것이다. 즉, 루프의 온도는 양호한 처리가 획득되는 동안 감소될 수 있다. 일련의 테스트 칩은 온도가 변화하는 것을 제외하면 표 1의 조건과 유사한 조건하에서 제조된다. 결과는 웨이퍼 중앙부에서의 에칭에 대한 표 2에 도시된다.
| 전력 분배 | |||
| 25% | 25% | 0% | |
| 루프 온도 | 220℃ | 185℃ | 180℃ |
| 돔 온도 | 220℃ | 185℃ | 190℃ |
| DOX(nm) | 600ES | 800 | 720 |
| SPOLY | 50 | 50 | 17 |
| SFACET | 3.0 | 3.1 | 2.5 |
이후와 같이, 220℃의 루프 온도에서 25% 전력 분배는 에칭 정지를 야기시킨다. 그러나, 185℃의 루프 온도에서 25% 전력 분배는 에칭 정지의 발생 없이 상대적으로 큰 에칭 율 및 양호한 폴리실리콘 선택도를 발생시킨다. 비교적으로, 180℃로 유지되는 접지된 루프는 다소 감소된 에칭 율을 가지며, 상대적으로 높지만 감소된 폴리실리콘 선택도를 갖는다.
따라서, 챔버 온도는 220℃로 유지될 수 있으며, 높은 선택적 산화물 에칭을 달성하기 위하여 낮추어지는 것을 알 수 있다. 실제로, 실리콘 루프는 200℃ 이하로 유지될 수 있으며, 이에 따라 상당히 O 링 마모 문제를 간단하게 한다. 폴리머의 화학 작용을 제어하고 챔버 벽의 온도를 감소시키는 추가의 이점은 챔버벽에 감소된 폴리실리콘이 증착된다는 것이다. 따라서 그들은 그렇게 자주 세정되는 것을 요구하지 않는다.
상술한 실시예는 C2F6, 하이드로플루오르카본 (CHF3), 및 카본 모노옥사이드(CO)로 이루어진 처리가스를 사용한다. 다른 처리 가스는 전력 분배를 사용한 경우에 대해 확장하여 탐구되지 않았다. 카본 모노옥사이드(CO)는 중요하게 생각되지 않는다. 플루오르화 카본(CF4)은 본 발명으로부터 이득을 얻을 수 있으며, 하이드로플루오르화 카본의 사용은 요구될 수 없다.
임의의 에칭 가스에 대한 본 발명용 처리 윈도우는 전적인 실시예에 의해 설정되는 것을 필요로 한다. 5%와 35%사이의 전력 분배 비는 다른 에칭 가스를 사용한 경우에 대해 유용하다는 것이 인지된다. 스캐빈저의 온도는 225℃보다 높지 않은 것을 요구하며, 유용하게 200℃ 이하로 유지될 수 있다. 실시예는 180℃ 아래의 스캐빈저 온도에 대해 양호한 에칭 특성을 보여주며, 낮은 온도가 고려될 수 있다.
실시예는 실리콘 상부의 산화물을 에칭하는 경우에 중요성을 지적하고 있지만, 유사한 플루오르 스캐빈징 제거 효과는 나이트라이드(Si3N4) 및 실리콘 옥시나이트라이드(SixNyOz)를 에칭하는 동안에 달성된다는 것이 잘 공지되었다.
실시예는 플라즈마 전력의 대부분이 유도적으로 제공되는 플라즈마 반응기를 유용하게 사용하지만, 또한 전력 분배는 보다 전통적 용량적으로 커플링된 플라즈마 반응기로 인가될 수 있을 뿐만 아니라 헬리컬 소오스, ECR(Electron-Cyclotron Resonance) 소오스 및 원격 플라즈마 소오스와 같은 다른 타입의 높은 밀도의 플라즈마 반응기로 인가될 수 있다. 원뿔형 모양의 코일 및 돔은 본 발명을 실행하기 위하여 유용하지만, 다른 형태의 유도성 코일이 사용될 수 있다. 또한 스캐빈징 제거 전극이 카운터 전극에 병렬이 되는 것을 요구하지 않으며 다른 스캐빈징 제거 표면이 스캐빈징 제거를 활성화시키기 위해 플라즈마를 사용하여 콘택 내부에 위치될 수 있고 RF 바이어싱 될 수 있다는 것이 인정된다. 예를 들어 원뿔형 돔 또는 실린더형 측벽은 스캐빈저로서 동작한다.
실리콘이 플루오르 스캐빈저로서 사용되었지만 다른 고체 물질이 제안될 수 있다. 그 예가 실리콘 카바이드 및 유리질 카본이다.
본 발명은 플라즈마 처리의 부가적인 제어를 제공하는 방법을 제공하며, 이러한 제어는 현존하는 장비에 대한 단지 최소의 부가물로 구현될 수 있다. 플루오르 스캐빈저와 같은 챔버 부분의 용량성 활성화를 사용하여, 챔버 비용 및 유지비의 감소와 더불어 챔버의 동작 온도는 상당히 감소될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 양호한 일 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게는 명백하다.
플루오르에 기초한 화학적 작용을 사용하는 플라즈마 반응기에 있어서, 본 발명은 두 개의 상반되는 전극을 구비하여 하나는 처리되는 기판을 지지하고, 플루오르 스캐빈징 물질로 이루어진 제 2 전극이 화학적으로 활성화되도록 두 전극에 RF 전력을 분해하여 인가하므로써, 산화물 에칭에 대해 높은 선택도를 제공하고, 에칭시의 챔버 및 그 부품의 온도를 감소시킬 수 있다.
Claims (25)
- 기판을 에칭하기 위한 방법에 있어서,에칭될 기판을 플라즈마 반응 챔버 내의 카운터 전극에 대향되는 페데스털 전극상에 지지하는 단계;상기 챔버 내부로 에칭 가스를 공급하는 단계; 및5% 와 35% 사이의 RF 전력이 상기 카운터 전극에 인가되도록 상기 전극들 사이에 RF 전력을 인가하여, 상기 에칭 가스의 플라즈마가 상기 전극들 사이에서 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마에 대해 노출된 상기 전극들의 유효 표면은 다만 25% 만큼 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 플라즈마를 유지하기 위해 상기 챔버 내부로 RF 에너지를 유도적으로 커플링시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 챔버는 유도성 코일로 주변이 둘러싸인 상기 두 개의 전극 사이에 끼인 원뿔형 돔을 포함하며, 상기 유도성 코일을 통해 상기 챔버 내로 RF 에너지를 유도적으로 커플링시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마를 유지하기 위해 상기 챔버 내부로 RF 에너지를 유도적으로 커플링시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 산화물 또는 실리콘 나이트라이드 또는 이들의 조합물로 이루어진 표면 부분과 실리콘으로 이루어진 아래에 놓인 부분을 포함하며, 상기 에칭 가스는 플루오르 함유 가스이고 상기 카운터 전극은 상기 플라즈마로부터 플루오르를 스캐빈징 제거하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 플루오르 함유 가스는 부가적으로 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 플루오르 함유 가스는 플루오르화 카본인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 에칭 가스는 부가적으로 하이드로 플루오르화 카본을 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 카운터 전극은 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 플루오르 함유 가스는 플루오르화 카본으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 에칭 가스는 부가적으로 하이드로 플루오르화 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 챔버 둘레의 유도성 코일, 처리될 기판을 지지하기 위한 페데스털 전극 및 상기 페데스털 전극에 병렬로 대항되며 플루오르 스캐빈징 제거 물질로 이루어진 카운터 전극을 구비한 플라즈마 반응성 챔버내에서의 에칭 방법에 있어서,상기 챔버 내부로 수소와 플루오르를 포함한 에칭 가스를 흐르게 하는 단계;상기 유도성 코일로 RF 전력을 인가하는 단계;상기 페데스털 전극으로 제 1 양의 RF 전력을 인가하는 단계; 및상기 카운터 전극으로 상기 제 1 양의 RF 전력보다 작은 제 2 양의 RF 전력을 인가하여, 상기 에칭 가스의 플라즈마가 상기 챔버내에서 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 카운터 전극의 온도는 220℃ 보다 낮게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 카운터 전극의 온도는 200℃보다 낮게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 플루오르 스캐빈징 제거 물질은 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 카운터 전극의 온도를 220℃ 이하로 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 상기 카운터 전극의 온도는 200℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 챔버 내부의 노출된 모든 부분은 200℃ 이하의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 카운터 전극의 온도는 단지 200이하로 180℃ 또는 그 이상을 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 20 항에 있어서, 상기 RF 전력을 인가하는 단계는 상기 카운터 전극과 상기 페데스털 전극에 인가되는 제 2 및 제 1 양의 RF전력이 25% 이하의 한정된 전력 분배 비율이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 전력 분배 비율은 적어도 10%인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 에칭 가스는 플루오르화 카본으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 23 항에 있어서, 상기 에칭 가스는 부가적으로 하이드로 플루오르화 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 양의 RF 전력을 인가하는 단계는 공통 RF 소오스로부터 상기 페데스털 전극과 상기 카운터 전극 사이에서의 전력 분배를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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