KR19990031223A

KR19990031223A - Dry etching method using plasma

Info

Publication number: KR19990031223A
Application number: KR1019970051857A
Authority: KR
Inventors: 임훈; 신호석; 신철호; 민경진
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1997-10-09
Publication date: 1999-05-06

Abstract

플라즈마를 이용한 건식 식각 방법이 개시되어 있다. 건식 식각 과정의 전체 또는 일부분의 단계에서 다른 공정 변수들은 초기 설정치로 유지한 상태에서 반응 가스의 유입량을 점차 줄이면서 식각을 진행한다. 따라서, 식각 초기에 유입된 유입된 반응 가스에 의해 생성된 반응 생성물(또는 가스)을 플라즈마를 이용하여 강제로 해리시켜 반응 가스로 다시 사용함으로써, 식각하고자 하는 막질과 가장 반응성이 좋은 입자를 계속적으로 반복해서 반응에 참여하게 만듦으로써 원하지 않는 부효과를 최소화할 수 있다.A dry etching method using plasma is disclosed. At some or all stages of the dry etch process, other process variables are etched while gradually reducing the flow of reactant gas while maintaining the initial set point. Therefore, by forcibly dissociating the reaction product (or gas) generated by the introduced reactant gas introduced at the initial stage of etching and using it again as the reactant gas, particles that are most reactive with the film to be etched are continuously By repeatedly participating in the reaction, unwanted side effects can be minimized.

Description

Dry etching method using plasma

본 발명은 식각 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마를 이용한 건식 식각에 있어서 반응 생성물을 공정 변수로 활용할 수 있는 식각 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an etching method, and more particularly, to an etching method that can utilize the reaction product as a process variable in dry etching using plasma.

반도체 장치의 제조 공정이 서브마이크론(sub-micron) 레벨로 진행됨에 따라 가공치수가 미세화하여 0.4 μ m 이하 레벨의 패턴 가공이 필요하게 되었다. 따라서, 식각 공정에 있어서, 하지막과의 높은 식각선택비와 미세 선폭 제어등의 요구가 강조되고 있다. 이에 따라, 이방성 프로파일을 형성하는 건식 식각 방식이 식각 공정의 대다수를 차지하게 되었으며, 수직 프로파일에 대한 요구는 디자인 룰(design rule)의 감소와 더불어 그 정도가 더욱 강해지고 있는 추세이다.As the manufacturing process of the semiconductor device proceeds to the sub-micron level, the processing dimension becomes smaller and becomes 0.4. μ Pattern processing of m or less levels is required. Therefore, in the etching process, demand for high etching selectivity with the underlying film, fine line width control, and the like is emphasized. Accordingly, the dry etching method for forming the anisotropic profile has taken up the majority of the etching process, and the demand for the vertical profile is increasing with the decrease of the design rule.

이러한 건식 식각 공정은 크게, 물리적 스퍼터링 방법, 반응성 이온 식각(Reactive ion etching) 방법, 및 플라즈마 식각 방법으로 나뉘어진다. 최근에는 포토레지스트막과 하지층 모두에 대해 높은 선택비를 갖는 플라즈마 건식 식각이 주로 사용되고 있는데, 상기 건식 식각은 화학적으로 활성이 높은 가스 또는 그들의 조합을 진공으로 유지된 챔버 내에 투입하고 전자기장을 이용하여 플라즈마를 발생시킴으로써 행해진다. 즉, 플라즈마 상태에서 가스들은 이온, 전자, 활성 래디칼 등의 여러 가지 형태의 입자들로 해리되어 각기 기판에서 포토레지스트막 또는 다른 막질의 패턴에 의해 가려지지 않은 부분 (즉, 식각하고자 하는 부분)의 원자들과 결합하여 새로운 생성물을 만들면서 상기 기판 표면으로부터 제거된다. 이때, 식각하고자 하는 막질의 종류 및 형태에 따라 다양한 반응 가스 또는 그들의 조합이 사용된다. 또한, 플라즈마 형성을 위한 전원 및 반응 챔버 내의 압력 등 여러 가지 반응 변수들이 식각 거동을 변화시키는 요인이 된다.The dry etching process is largely divided into a physical sputtering method, a reactive ion etching method, and a plasma etching method. Recently, plasma dry etching, which has a high selectivity for both the photoresist film and the underlying layer, is mainly used. The dry etching is performed by introducing a chemically active gas or a combination thereof into a chamber maintained in a vacuum and using an electromagnetic field. By generating a plasma. That is, in the plasma state, gases are dissociated into various types of particles such as ions, electrons, active radicals, and the like, each of which is not covered by a photoresist film or other film quality pattern (ie, a portion to be etched) on the substrate. It is removed from the substrate surface in combination with atoms to form a new product. At this time, various reaction gases or combinations thereof are used according to the type and form of the film to be etched. In addition, various reaction variables, such as a power source for plasma formation and pressure in the reaction chamber, change the etching behavior.

상술한 바와 같이 플라즈마를 이용한 건식 식각을 진행하면, 반응 가스와 식각하고자 하는 막질과의 반응에 의한 생성물이 생기는데, 통상적으로 이를 반응 변수로 고려하지 않는 경우가 대부분이다. 이러한 반응 생성물 중에서 폴리머 형태의 것들은 식각 패턴에 침착하는 양상에 따라 실제적으로 공정 변수로 작용하고 있지만, 가스 형태의 생성물을 공정 변수로 활용하는 경우는 드문 실정이다.As described above, when dry etching is performed using plasma, a product is formed by a reaction between a reaction gas and a film to be etched, which is usually not considered as a reaction variable. Among these reaction products, the polymer type is actually used as a process variable depending on the deposition pattern on the etching pattern, but it is rare to use a gas type product as the process variable.

따라서, 본 발명의 목적은 플라즈마를 이용한 건식 식각에 있어서 반응 가스와 식각하고자 하는 막질과의 반응 생성물을 반응 가스로 다시 사용함으로써 원하지 않는 부효과를 최소화할 수 있는 건식 식각 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a dry etching method which can minimize unwanted side effects by using a reaction product of a reaction gas and a film to be etched as a reaction gas in dry etching using plasma.

도 1은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 그래프이다.1 is a graph for explaining the principle of the present invention.

도 2는 본 발명에 의한 건식 식각 장치의 모식도이다.2 is a schematic view of a dry etching apparatus according to the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 식각 과정을 설명하기 위한 그래프이다.3 is a graph illustrating an etching process according to an embodiment of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 플라즈마를 이용한 건식 식각 방법에 있어서, 건식 식각 과정의 전체 또는 일부분의 단계에서 다른 공정 변수들은 초기 설정치로 유지한 상태에서 반응 가스의 유입량을 점차 줄이면서 식각을 진행하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the dry etching method using a plasma, during the whole or part of the dry etching process, the etching process while gradually reducing the inflow of the reaction gas while maintaining the other process parameters at the initial set value It provides a dry etching method characterized in that the progress.

상기 반응 가스의 유입량을 줄이고 식각 챔버의 압력은 일정하게 유지하기 위하여, 상기 반응 가스 이외에 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N₂) 등의 비활성 가스를 소량 유입하여 식각을 진행할 수 있다.In order to reduce the flow rate of the reaction gas and to maintain a constant pressure in the etching chamber, etching may be performed by introducing a small amount of inert gas such as helium (He), argon (Ar), and nitrogen (N ₂ ) in addition to the reaction gas. .

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 플라즈마를 이용한 건식 식각 과정을 살펴보면 다음과 같다.First, the dry etching process using plasma is as follows.

진공 상태의 챔버 내로 유입된 반응 가스들은 전자기장에 의해 발생된 플라즈마에 의해 해리된 후, 웨이퍼 위의 포토레지스트 또는 다른 막질의 패턴에 의해 노출되어진 막질(즉, 식각하고자 하는 막질)을 구성하는 원소들과 결합하여 반응 생성물을 형성한다. 그리고, 이러한 반응 생성물들이 웨이퍼의 표면으로부터 떨어져 나가는 과정을 통해 식각 공정이 진행된다. 이때, 패턴으로 사용되는 막질 (통상적으로, 포토레지스트 또는 산화막 등)과 식각하고자 하는 막질의 아래에 있는 하부 막질이 식각되지 않아야 좋은 식각 결과를 얻을 수 있다. 따라서, 여러 반응 가스들의 조합, 플라즈마 발생을 위한 RF 전원, 챔버 압력 및 온도 등의 공정 변수들을 조합하여 가장 적합한 공정을 찾아야 한다. 그러나, 대부분의 경우 최적화된 공정 조건은 경험에 의존하여야 하며, 여러 반응 변수들에 의한 부효과를 불가피하게 동반하게 되는 경우가 종종 생긴다. 이중 가장 큰 요인 중의 하나가, 여러 반응 가스들을 사용함으로써 식각 공정에 큰 역할을 하는 입자뿐만 아니라 다른 부효과를 일으키는 입자들도 포함하게 된다는 것이다.The reactant gases introduced into the chamber in a vacuum are dissociated by the plasma generated by the electromagnetic field and then constitute the elements of the film (ie, the film to be etched) exposed by the photoresist or other film pattern on the wafer. To form a reaction product. Then, the etching process proceeds through the reaction products are separated from the surface of the wafer. At this time, a good etching result may be obtained when the film quality (typically, photoresist or oxide film, etc.) used as the pattern and the lower film quality under the film quality to be etched are not etched. Therefore, a combination of several reaction gases, RF power for plasma generation, and process variables such as chamber pressure and temperature must be combined to find the most suitable process. In most cases, however, optimized process conditions must be empirical and often inevitably accompanied by side effects from various reaction variables. One of the biggest factors is that the use of several reaction gases includes not only particles that play a big role in the etching process, but also particles that cause other side effects.

따라서, 본 발명에서는 이러한 원치않는 부효과를 최소화하기 위해서 공정 초기에 유입된 반응 가스에 의해 생성된 반응 생성물(또는 가스)을 반응 가스로 다시 사용하고자 한다. 즉, 자발적인 반응의 결과물인 생성물을 플라즈마를 이용하여 강제로 해리시켜 반응 가스로 다시 사용함으로써, 식각하고자 하는 막질과 가장 반응성이 좋은 입자를 계속적으로 반복해서 반응에 참여하게 만듦으로써 원하지 않는 부효과를 최소화할 수 있다.Therefore, in the present invention, to minimize such unwanted side effects, the reaction product (or gas) generated by the reaction gas introduced at the beginning of the process is used again as the reaction gas. In other words, the product of spontaneous reaction is forcibly dissociated using plasma and reused as a reaction gas, thereby causing unwanted side effects by continuously participating in the reaction with particles that are most reactive with the film to be etched. It can be minimized.

이것은 먼저, 식각 공정의 초기에 반응가스들이 식각하고자 하는 막질과 충분히 반응을 하게 한 뒤, 적당한 시간이 경과한 후 챔버 내의 압력을 초기와 동일하게 유지한 상태에서 반응 가스의 유입을 차단하고 식각 공정을 계속 진행함으로써 달성할 수 있다. 이때, 반응 가스의 유입을 완전히 차단하면 설비 상의 문제를 일으킬 수 있으므로, 이러한 상황을 근사적으로 실현하는 방법으로 다음의 두가지를 제시하고자 한다.This is done by first reacting the reactants with the film to be etched in the early stage of the etching process, and then blocking the inflow of the reactant gases while maintaining the same pressure in the chamber after the appropriate time has elapsed. This can be accomplished by continuing. At this time, if the inlet of the reaction gas is completely blocked, it may cause a problem on the installation. Therefore, the following two methods are proposed as a method of realizing this situation.

첫 번째 방법은, 플라즈마가 켜있는 상태에서, 즉 식각이 진행하는 상태에서 반응 가스의 유입량을 일정한 또는 정해진 비율로 감소시켜 가능한 최저 유입량까지 도달하게 하는 것이다. 이를 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The first method is to reduce the flow rate of the reaction gas at a constant or fixed rate to reach the lowest possible flow rate while the plasma is on, that is, during the etching. This will be described in more detail with reference to FIG. 1 as follows.

도 1을 참조하면, 반응 평형 상태에서 챔버의 내부는 반응 가스와 생성 가스만으로 이루어지게 되고, 부피가 일정한 챔버 내의 전체 압력을 일정하게 유지하면 반응 가스량(21)의 감소를 상대적으로 생성 가스량(22)의 증가로 간주할 수 있다. 즉, 대기압보다 낮은 챔버 압력을 유지하기 위하여 진공 펌프로 빠져나가는 가스량이 줄어들게 되므로, 반응 가스량(21)과 생성 가스량(22)의 합은 전체 가스량(23)과 일치하게 된다.Referring to FIG. 1, in the reaction equilibrium, the inside of the chamber is composed of only the reaction gas and the product gas. When the total pressure in the chamber with a constant volume is kept constant, the amount of the reaction gas 21 is relatively reduced. Can be regarded as an increase. That is, since the amount of gas exiting the vacuum pump is reduced in order to maintain the chamber pressure lower than the atmospheric pressure, the sum of the reaction gas amount 21 and the product gas amount 22 is equal to the total gas amount 23.

두 번째 방법은, 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N₂) 등의 반응성이 크지 않다고 알려져 있는 비활성 가스를 챔버 내로 미량 유입시켜 챔버 압력을 유지시키는 것이다. 그러나, 이 방법은 시간이 경과함에 따라 지속적으로 생성 가스량이 줄어들게 되고, 비활성 가스들의 화학적 반응이 심하지 않다고 하더라도 운동 에너지에 의한 충돌과 그로 인해 하부 막질을 구성하는 원소들의 표면으로부터의 이탈이 발생할 우려가 있다.The second method is to maintain the chamber pressure by introducing a small amount of inert gas, which is known to be less reactive such as helium (He), argon (Ar), nitrogen (N ₂ ), into the chamber. However, this method continuously decreases the amount of generated gas over time, and even if the chemical reaction of the inert gases is not severe, there is a risk of collision due to kinetic energy and consequent departure from the surface of the elements constituting the lower membrane. have.

따라서, 상술한 방법들을 기초하면, 식각하고자 하는 막질과 선택적으로 반응하는 가스를 선정할 때 일어날 수 있는 여러 부효과를 줄여 우수한 식각 패턴을 얻을 수 있게 된다. 특히, 식각 초기에는 식각 속도가 아주 중요한 인자이므로, 식각 속도를 염두에 둔 공정 변수들의 조합으로 초기 식각을 진행하고, 적절한 시기에 상술한 "생성 가스를 이용한 되먹임 식각" 방법을 조합하여 하부 막질의 식각을 최소화함으로써 원하는 패턴을 얻을 수 있다.Therefore, based on the above-described methods, it is possible to obtain an excellent etching pattern by reducing various side effects that may occur when selecting a gas that selectively reacts with the film quality to be etched. In particular, since the etching rate is a very important factor in the early stage of etching, the initial etching is performed using a combination of process variables with the etching rate in mind, and at the appropriate time, a combination of the above-described "feedback etching using the generated gas" method is used to obtain the lower membrane quality. By minimizing etching, a desired pattern can be obtained.

도 2를 참조하면, 본 발명의 건식 식각 장치에 의하면, 반응 챔버 내의 반응 가스와 생성 가스의 상대적 비율을 조절하기 위하여 초기 설정된 반응 가스의 유량을 플라즈마가 켜져 있는 상태에서 조절한다. 즉, 압력 게이지를 통해 얻은 정보를 토대로 진공 펌프와 반응 챔버를 연결하는 밸브를 조절함으로써 챔버 내의 전체 가스 압력을 일정하게 유지하고 반응 가스의 유입량을 결정한다.Referring to Figure 2, according to the dry etching apparatus of the present invention, in order to control the relative ratio of the reaction gas and the product gas in the reaction chamber, the flow rate of the initially set reaction gas is adjusted while the plasma is turned on. That is, by adjusting the valve connecting the vacuum pump and the reaction chamber based on the information obtained through the pressure gauge, the total gas pressure in the chamber is kept constant and the flow rate of the reaction gas is determined.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한, 램(Lam) 사의 레인보우 4400 식각 장비를 사용한 플라즈마 건식 식각 과정을 도 3을 참조하여 설명하고자 한다. 여기서, 식각 조건은 다음과 같다: 챔버 압력은 425 mT, RF 전원은 350W, 전극 간격은 0.8 ㎝, 반응 가스의 유량은 200 sccm의 Cl₂와 400 sccm의 He, 이면(back-side) He 유량은 13 Torr이다.Hereinafter, a plasma dry etching process using the Rainbow 4400 etching apparatus of RAM according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3. The etching conditions are as follows: chamber pressure is 425 mT, RF power is 350W, electrode spacing is 0.8 cm, reaction gas flow rate is 200 sccm Cl ₂ and 400 sccm He, back-side He flow rate Is 13 Torr.

도 3에 도시한 바와 같이, 전술한 공정 조건으로 장비에 설치되어 있는 자동 식각 완료 시점(end point detection; EPD)까지 식각을 진행한 후, 다른 공정 변수는 그대로 유지한 채 반응 가스의 총 유량(즉, Cl₂유량과 He 유량의 합)을 점진적으로 감소시키면서 식각을 계속 진행하였다. 이때, 유입되는 반응 가스의 유량비(즉, He 유량/Cl₂유량 = 2)는 일정하게 유지하였다. 식각에 사용된 시료는 실리콘 기판 상에 산화막을 1000Å의 두께로 증착하고 그 위에 폴리실리콘막을 4000Å의 두께로 증착한 것이다. 상기 시료 상에 포토레지스트 패턴을 형성한 후 상술한 방법과 같이 식각을 진행한 결과, 하부의 산화막이 식각되지 않고 폴리실리콘막이 제거되어 우수한 형태의 패턴을 얻을 수 있었다.As shown in FIG. 3, after etching is performed to the automatic end point detection (EPD) installed in the equipment under the above-described process conditions, the total flow rate of the reaction gas is maintained while other process variables are maintained. That is, the etching was continued while gradually decreasing the sum of the Cl ₂ flow rate and the He flow rate. At this time, the flow rate ratio of the incoming reaction gas (that is, He flow rate / Cl ₂ flow rate = 2) was kept constant. The sample used for etching is an oxide film deposited on a silicon substrate with a thickness of 1000 kPa and a polysilicon film deposited thereon at a thickness of 4000 kPa. After the photoresist pattern was formed on the sample, the etching was performed in the same manner as described above. As a result, the polysilicon layer was removed without etching the lower oxide layer, thereby obtaining an excellent pattern.

또한, 본 실험에서 식각 공정의 식각 특성을 살펴보기 위하여 각 식각 공정의 식각 막질별 식각 속도를 구하였다. 즉, 반응 가스의 유량을 일정하게 유지하는 일반적인 방법으로 정해진 시각만큼 식각을 진행한 후, 반응 가스의 유량 조절을 통해 되먹임 식각을 수행하여 식각 속도를 구하고 앞부분의 일반적인 방법에 의한 식각량을 빼서 순수한 되먹임 식각에 의한 식각 속도 및 선택비를 구하였다. 그 결과, 같은 비율의 반응 가스를 일정하게 유입시킨 경우보다 반응 가스의 유입량을 점진적으로 줄이면서 식각을 진행한 경우가 더 큰 식각 속도와 우수한 선택비를 갖는 것을 알 수 있었다.In addition, in this experiment, in order to examine the etching characteristics of the etching process, the etching rate for each etching film quality of each etching process was obtained. In other words, the etching process is performed by a predetermined time as a general method of maintaining a constant flow rate of the reaction gas, and then the feedback rate is performed by adjusting the flow rate of the reaction gas to obtain the etching rate and subtracting the etching amount by the conventional method. The etching rate and selectivity by the feedback etching were obtained. As a result, it was found that the etching proceeds with a larger etching rate and an excellent selectivity when the etching proceeds while gradually reducing the inflow amount of the reaction gas than when the reaction gas of the same ratio is constantly introduced.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 식각 초기에 유입된 유입된 반응 가스에 의해 생성된 반응 생성물(또는 가스)을 플라즈마를 이용하여 강제로 해리시켜 반응 가스로 다시 사용함으로써, 식각하고자 하는 막질과 가장 반응성이 좋은 입자를 계속적으로 반복해서 반응에 참여하게 만듦으로써 원하지 않는 부효과를 최소화할 수 있다.As described above, according to the present invention, the reaction product (or gas) generated by the introduced reactant gas introduced at the initial stage of etching is forcibly dissociated using plasma to be used again as the reactant gas, thereby reducing the quality of the film to be etched. Undesirable side effects can be minimized by making the reactive particles participate in the reaction repeatedly.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. And can be changed.

Claims

In the dry etching method using a plasma,

Dry etching method characterized in that the etching proceeds while gradually reducing the inflow of the reaction gas while the other process variables are maintained at the initial set point in the whole or part of the dry etching process.

The method of claim 1, wherein a small amount of inert gas, such as helium (He), argon (Ar), nitrogen (N ₂ ) in addition to the reaction gas in order to reduce the flow rate of the reaction gas and maintain a constant pressure in the etching chamber. Dry etching method characterized in that for etching.