KR20010049274A - 종횡비가 높은 개구에 대한 반응성 플라즈마 에칭 세정 - Google Patents

종횡비가 높은 개구에 대한 반응성 플라즈마 에칭 세정 Download PDF

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바니엠. 코헨
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케니킹-타이 난
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조셉 제이. 스위니
어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

헬륨과 같은 캐리어 가스 및 반응성 할로겐 가스의 플라즈마 가스 선구체 혼합물을 사용하여, 종횡비가 높은 개구로부터 자연 산화물(native oxides)이 제거될 수 있다. 플라즈마에서 발생된 가벼운 이온은 산소와 반응하여 휘발성이 매우 높고 플라즈마 챔버의 배기 시스템을 통해 쉽게 배출될 수 있는 산소 함유종(oxygen-containing species)을 생산해내어, 개구의 바닥이나 측벽 또는 기판 표면 위에 산화물이 재증착되는 것을 방지한다. 기판 위에 플라즈마를 형성하며 기판에 바이어스를 인가할 수 있는 2개의 전원을 가지는 플라즈마 챔버에 기판이 장착될 때, 보이드(voids)의 형성 없이 쉽게 충진될 수 있는 경사진 개구(tapered openings)가 형성된다.

Description

종횡비가 높은 개구에 대한 반응성 플라즈마 에칭 세정{REACTIVE PLASMA ETCH CLEANING OF HIGH ASPECT RATIO OPENINGS}
본 발명은 자연 산화물(native oxides)을 제거하는 개선된 방법에 대한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 종횡비(aspect ratio)가 높은 개구로부터 자연 산화물을 제거하는데 관한 것이다.
반도체 장비 제조에 있어서, 실리콘 웨이퍼 같은 하나의 반도체 기판 위에 더욱 많은 소자(devices)를 제공하기 위한 노력의 하나로, 수개의 소자 층이 만들어지고, 이층들은 유전체층에 의해 분리된다. 유전체층에는 개구(openings)가 만들어지고 이 개구는 다른 층들간의 전기적 접촉을 제공하기 위하여 도전성 물질로 충진된다. 이러한 개구는 작게 유지되지만, 상대적으로 두꺼운 유전체층을 통과할 수 있어야만 한다. 폭에 대한 깊이의 비를 종횡비(aspect ratio; AR)라 하며, 따라서 지름이 작고 깊은 개구는 종횡비가 높은 개구가 된다. 이러한 개구의 종횡비는 소자가 작게 만들어질수록 증가된다.
자연 산화물은 개구 바닥의 물질이 아주 작은 양의 산소에 노출되어도 쉽게 형성된다; 이 반응은 자발적으로 일어나 얇은 "자연 산화물"층을 형성한다. 실리콘, 알루미늄, 구리 등과 같은 물질은, 개구를 에칭하기 위해 사용되며 챔버에 존재할 수 있는 임의의 산소로부터 손쉽게 "자연 산화물"을 형성한다; 이는 기판이 공기 또는 에칭 단계에서 생성될 수 있는 임의의 산소 함유종(oxygen-containing species)에 노출되기 때문이다.
산화물이 유전체이기 때문에, 산화물을 형성하는 실리콘, 알루미늄 또는 구리와 같은 도전성 물질의 산화는 증착된 도전층의 도전율을 낮추고, 연이어 증착되는 도전성 필름에 접촉 저항이 높은 계면(interface)을 형성한다. 따라서 소자의 열화를 방지하기 위해, 종횡비가 높은 개구는 도전성 접촉물질로 충진되기 전에 이들 자연 산화물이 세정되어야 한다.
이제까지는 버퍼된 산화물 에칭(buffered oxides etch), 예를 들면 HF 및 불화암모늄과 같은 "BOE" 에칭액에의 기판 침지 및/또는 아르곤에 의한 기판의 스퍼터 에칭에 의해, 예비 세정 단계(preclean step)에서 자연 산화물을 제거하였다.
따라서 종횡비가 높은 개구의 바닥 또는 그 측벽을 따라 산화물이 재증착되지 않을 효과적인 예비 세정 즉 진공 상태에서의 자연 산화물 제거를 위한 방법이 연구되어 왔다.
더욱이 이러한 방법은 종횡비가 높은, 즉 AR이 4 또는 그 보다 높은 개구의 바닥으로부터, 개구의 측벽을 따라 자연 산화물의 재증착 없이 자연 산화물을 완전히 제거할 수 있어야 한다.
본 발명은 재증착 즉 산화물 함유 물질의 개구 측벽을 따른 증착이 없이, 종횡비가 높은 개구의 바닥으로부터 자연 산화물을 제거하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 세정 단계가 수행될 수 있는 플라즈마 진공 챔버의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의해 세정된 깊게 경사진 개구를 나타낸다.
도 3a는 바닥에 자연 산화물(native oxide)이 있는 개구를 나타낸다.
도 3b는 종래 기술에 의해 스퍼터 에칭된 개구를 나타낸다.
도 3c 및 도 3d는 본 발명의 프로세스에 따라 반응 에칭된(reactively etched) 개구를 나타낸다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
40...챔버 42...기판 지지재
44...축받이 판 46...리세스(recess)
48...알루미늄 절연판 52...상부면
54...기판 56...갭
60...경사부 72...엔클로져(enclosure)
74...RF 전원 76...가스 유입구
78..가스 배기구 80...전원
82...측벽 84...바닥
86...정부 88...돔
90...프로세스 영역 92...가스 공급원
94...서보 컨트롤 스로틀 밸브 96...진공펌프
98...유도 코일
상기 본 발명의 목적은, 챔버에 존재하는 산소를, 진공 챔버 배기 시스템을 통해 신속하고 완전하게 제거될 수 있는 휘발성 산소 함유 가스 또는 할로겐 함유 가스로 변환시키는 플라즈마에 의해 종횡비가 높은 개구의 바닥을 에칭함으로써 이루어진다.
특히 헬륨 및 할로겐 함유 가스의 플라즈마는 적당한 플라즈마 에칭 챔버 내에 형성된다. 이 에칭제의 혼합물은 존재하는 자연 산화물을 원소 상태의 산소 및 휘발성 할로겐 함유 가스로 변환시킨다. 이들 가스는 챔버로부터 신속하고도 완전하게 배기될 수 있어, 종횡비가 높은 개구의 측벽 또는 바닥에 산소 함유 화합물이 재증착하는 것을 방지한다. 벽에 재증착된 물질과 에칭 챔버에 고정된 물질(fixtures)은 부착이 쉽지 않으므로, 결과적으로 입자가 벽으로부터 떨어져 나와 기판에 증착될 수 있다. 이러한 재증착 역시 본 발명에 의해 방지된다.
본 발명에서 유용한 진공 챔버는 도 1에 나타난 바와 같이 이중 전력 에칭 챔버(dual-power etch chamber)이다. 이 챔버는 캘리포니아 산타 클라라의 Applied Materials, Inc.로부터 입수할 수 있는 Pre-Clean II 챔버와 같은, 구매 가능한 챔버이다. 일반적으로 에칭/예비 세정(etch/preclean) 챔버(40)는 엔클로져(72), 챔버(40) 내에 배치되는 기판 지지재(42), 엔클로져(72)에 연결된 가스 유입구(76), 엔클로져(72)에 연결된 가스 배기구(78), 가스 유입구(76)를 통해 주입된 가스로부터 엔클로져(72) 내에 플라즈마를 발생시키기 위해 유도 코일(98)에 연결되는 RF 전원(74), 기판 지지재(42)에 연결된 전원(80)을 포함한다.
엔클로져(72)는 측벽(82), 바닥(84) 및 정부(top; 86)를 포함한다. 정부(86)의 아래, 프로세스 영역(90)의 위에는 교체 가능한 알루미나(Al2O3) 돔(88)이 설치된다. 인덕터 코일(98)은 알루미나 돔(88) 주위에 설치되고 RF 전원(74)에 연결되어 프로세스 영역(90) 내에서 플라즈마를 유도적으로 결합시킨다.
가스 유입구(76)는 프로세스 가스 공급원(92)에 연결되어 프로세스시 프로세스 가스 혼합물을 챔버(40) 내로 도입한다. 가스 배기구(78)는 서보 컨트롤 스로틀 밸브(94) 및 진공펌프(96)를 포함하는 것이 바람직하다. 진공펌프(96)는 프로세스 전에 챔버(40)를 진공으로 하며, 프로세스 중에는 진공펌프(96)와 서보 스로틀 밸브(94)가 챔버(40) 내에 원하는 압력을 유지한다.
기판 지지재(42)는 일반적으로 알루미늄 절연판(48)의 상면(top surface)의 리세스(46) 내에 배치되는 받침판(pedestal plate; 44)을 포함한다. 받침판(44)의 윗면은 절연판의 상부면(52)보다 약간 높게 연장되어, 기판(54)의 바닥면 중앙부 즉 뒷면과 접한다. 받침판(44)은 알루미나를 포함하는 것이 바람직하며 전원(80)에 연결되어 기판(54)에 바이어스를 제공한다. 기판(54)의 둘레부는, 절연판(48)의 상부 환상면(upper annular surface; 52) 위로 연장되며, 기판(54)의 바닥면(58)과 절연판(48)의 상면(52) 사이에 갭(56)을 형성한다. 갭(56)은 그 높이가 5 내지 15mm 사이인 것이 바람직하며, 플라즈마가 기판(54)의 뒷면에 도달하는 것을 방지한다. 절연판(48) 상면(52)의 바깥쪽 에지 지름은 적어도 기판(54) 및 뒷면(58)의 바깥쪽 에지 지름만큼의 크기를 가져, 뒷면(58)이 받침판(44)과 접한다.
알루미나 절연판(48)의 경사부(beveled portion; 60)는 상부 판 표면(52)의 바깥쪽 에지로부터 아래쪽으로 경사져 연장된다. 경사부(60)의 기울기는 수평면으로부터 약 10 내지 60도 사이이다. 도 1에 나타난 기울기는 약 45도이다. 선택적으로, 기판 지지재(42)는 프로세스가 이루어지는 동안 기판의 온도를 조절하기 위해 온도 조절기 또는 가열기(미도시)를 포함할 수 있다.
작업시, 기판(54)은 기판 지지재(42)에 위치하며 챔버(40)는 진공으로 되어 진공 환경을 제공한다. 캐리어 가스 및 할로겐 함유 가스로서의 헬륨을 포함하는 가스가, 가스 유입구(76)를 통해 프로세싱 영역(90)으로 도입된다. 반응가스의 가스 유동 속도는 이하 자세히 설명되는 바와 같이 필요에 따라 조절된다.
반응을 개시하기 위해, 프로세싱 영역(90)에서 프로세싱 가스 혼합물의 플라즈마가 유도 결합 및/또는 용량 결합에 의해 발생된다. 약 1와트에서 약 500와트 사이, 바람직하게는 50 내지 300와트 사이의 전력을, 약 100kHz 내지 약 100MHz 사이의 주파수를 약 3초와 같이 짧은 시간 동안 사용하여 기판 지지재(42)에 인가함으로써 초기 플라즈마가 발생된다. 초기 플라즈마는 전력을 유도 코일(98)에 인가함으로써 발생될 수도 있다. 프로세스되는 동안, 약 1와트 내지 약 1000와트 사이의 전력, 바람직하게는 약 100 내지 약 400와트 사이의 전력이, 약 100kHz 내지 60MHz 사이의 주파수에서, 프로세스 영역(90) 내의 플라즈마를 유도적으로 유지한다. 챔버(40)의 플라즈마는 유도 결합만에 의해서나 용량 결합만에 의해서, 또는 바람직하게는 이들 양자의 결합에 의해서 유지될 수 있다.
기판 내 개구의 바닥으로부터 자연 산화물을 제거하도록 에칭 시간이 조절된다. 개구 바닥으로부터 약 100 내지 500 Å의 물질을 제거하면 자연 산화물 전부가 제거되지만, 스퍼터링을 하지 않으면 개구 측벽에는 임의의 산소 함유종이 존재한다. 도전층의 증착 전에 개구를 정렬하기 위하여 배리어층이 사용될 경우, 측벽에 존재하는 산화물은 알려진 바와 같이 배리어 층과 소자의 질을 낮춘다.
상기 프리클린 II(PreClean II) 챔버는, 기판을 진공상태로부터 제거하여 산소에 노출시키지 않고, 한 프로세싱 챔버로부터 다른 프로세싱 챔버로 이송할 수 있게 하는 다중 챔버 시스템의 일부로 사용될 수 있다. 이와 같은 시스템은 본 명세서의 참고문헌인 Maydan 등의 미국 특허 제4,951,601호에 개시되어 있다.
본 발명에 따라 헬륨과 같은 캐리어 가스와 혼합된 반응성 할로겐 함유 가스인 반응성이 높은 에칭제 가스가 도입되어 산화실리콘과 같은 자연 산화물을 제거한다. 적절한 반응성 할로겐 함유 가스에는 니트로겐 트리플로라이드, 카본 테트라플로라이드, 설퍼 헥사플로라이드, 카본 테트라클로라이드, 보론 트리클로라이드 등이 포함된다. 상술한 바와 같이 챔버의 플라즈마 영역에서, 할로겐 함유 가스는 가벼운 이온 및 라디칼로 분리되어 자연 산화물과 급속하게 반응한다. 헬륨 원자 역시 플라즈마 내에서 이온화하여, 할로겐 함유 분자의 여기(excitation)와 분해를 증가시킨다. 플라즈마 내에서 본 발명의 에칭제 혼합물 사이에서 일어나는 반응, 예를 들어 니트로겐 트리플로라이드 및 헬륨과 산화실리콘 사이에서 일어나는 반응은 아래 반응으로 요약될 수 있다.
1) NFn+ e-→ NFn-1+ F-
2) F-+ e-→ F + 2e-
3) 4F + SiO2→ SiF4↑ + O2↑
따라서 전체 반응은:
4) 3SiO2+ 4NF3→ 3SiF4↑ + 2N2↑ + 3O2↑
플라즈마 내에서 에칭제 혼합물로부터 형성된 이온은 무게가 가볍기 때문에 스퍼터링은 거의 일어나지 않고, 예비 세정 단계는 할로겐 함유 플라즈마 내의 이온 및 라디칼과, 기판의 산화실리콘 사이의 반응에 의해 이루어진다. 니트로겐 트리플로라이드와 같은 반응성 할로겐 함유 가스의 상대적인 양은, 일반적으로 약 20% 이하인 낮은 값으로 유지되어, 낮은 에칭속도를 유지하여, 자연 산화물을 제거하는데 필요한 이상으로 물질을 제거하는 것을 방지한다. 할로겐 함유 가스 및 헬륨 분자의 무게가 가볍기 때문에 스퍼터링은 거의 일어나지 않는다.
그러나 상기 반응을 더욱 촉진하기 위해 a) 아르곤 또는 b) 수소와 아르곤의 혼합체를 첨가함으로써, 산화물의 감소 및/또는 산화물의 스퍼터링이 가능하게 되어, 종횡비가 매우 높은 개구의 바닥 및 측벽으로부터의 신속한 반응 및 제거를 촉진할 수 있다.
본 발명은 이하의 실시예에 의해 더욱 자세히 설명될 것이나, 여기서 설명하는 것에 한정되지는 않는다.
실시예
도 1에 나타난 바와 같은 반응기에서, 위쪽에 자연 산화물층을 가지며 상부면에 12:1의 높은 종횡비의 개구를 가지는 실리콘 기판이, 50sccm의 속도로 챔버 내로 도입되는, 원자 농도 10%의 니트로겐 트리플로라이드와 원자 농도가 90%의 헬륨으로 형성되는 플라즈마에 노출된다. 챔버 압력은 50mTorr이었다.
기판에 가해진 바이어스가 변화되고 에칭은 기판으로부터 500Å의 물질을 제거할 때까지 계속되었다. 산화물을 제거하는데 걸리는 시간이 측정되었다. 그 결과가 아래 표 I에 요약되어 있다.
표 I
실시예 플라즈마/바이어스(W) 에칭량(Å) 시간(초)
1 300/300 500 52.2
2 200/400 500 47.2
컨트롤*300/300 500 93.5
*아르곤 가스 단독
따라서 본 발명의 반응 에칭제 혼합물을 사용함으로써 에칭 시간이 거의 반으로 줄어들며, 아르곤 스퍼터링 가스를 에칭제로 사용할 경우에 비하여, 개구 상부 및 바닥으로부터 제거된 물질의 양이 동등하다.
도 2는 실시예 1에서 형성된 세정이 끝난 경사진 개구로서, 개구 바닥에서의 지름이 0.25㎛이고 깊이가 2.8㎛인 AR비 12:1의 개구를 나타낸다. 이러한 경사진 형상 때문에, 개구는 보이드(voids) 형성 없이 도전성 물질로 충진될 수 있다.
모든 산화물 또는 유전체가 개구의 바닥으로부터 제거되었고, 개구 측벽에는 증착된 물질이 없는 것이 명백하다.
필드 에칭량이라 불리는 기판 상부 표면으로부터 제거된 물질량(옹스트롬으로 표시) 및 바닥 에칭량으로 불리는 개구 바닥 표면으로부터 제거된 물질량 역시 상기 실시예 및 컨트롤에 대해 측정되었다. 그 데이터가 아래 표 II에 요약되어 있다.
표 II
실시예 필드 에칭량(Å) 바닥 에칭량(Å)
1 585 473
2 724 542
컨트롤 613 78
따라서 실시예의 에칭제 혼합물에 의해 개구 바닥에서의 에칭 제거가 상당히 개선되었다.
도 3a는 컨트롤로서 산화실리콘에 형성된 개구의 프로필을 나타낸다.
도 3b는 산화실리콘에 형성되고 자연 산화물을 제거하기 위해 스퍼터 에칭된 개구의 프로필이다.
도 3c 및 도 3d는 본 발명(실시예 1 및 2 각각)에 의해 세정된 반응성 에칭된 개구를 나타낸다. 도 3c 및 도 3d의 경사진 측벽은 도전성 물질로 충진되기가 훨씬 쉽다.
본 발명을 구체적인 반응 챔버 및 반응 가스에 대해 설명하였으나, 당업자라면 다른 예비 세정 챔버 및 다른 에칭제 혼합물이 대신 사용될 수 있고, 이 역시 본 발명의 범주에 들어가는 것임을 알 수 있을 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 재증착 즉 산화물 함유 물질의 개구 측벽을 따른 증착이 없이, 종횡비가 높은 개구의 바닥으로부터 자연 산화물을 제거하는 방법을 제공한다.

Claims (17)

  1. 종횡비가 높은 접촉 개구(contact openings)의 바닥으로부터 자연 산화물(native oxide)을 제거하기 위한 방법으로서,
    챔버 내에서 할로겐 함유 가스와 캐리어 가스의 혼합물의 선구체(precursor)로부터 형성되는 반응 플라즈마로 상기 개구를 에칭하여 무게가 가벼운 산소 함유 반응 생성물을 형성하는 단계와,
    챔버로부터 상기 산소 함유 반응 생성물을 배기시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 할로겐 함유 가스가, 니트로겐 트리플로라이드, 카본 테트라플로라이드, 설퍼 헥사플로라이드, 카본 테트라클로라이드 및 보론 트리클로라이드로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 할로겐 함유 가스가 니트로겐 트리플로라이드인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 헬륨 캐리어 가스 내에서 상기 플라즈마는 할로겐 함유 가스의 약 1 내지 약 50 퍼센트로부터 형성되는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 선구체가 수소를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 플라즈마 선구체가 아르곤을 추가로 포함하는 방법.
  7. 종횡비가 높은 접촉 개구의 바닥으로부터 자연 산화물을 제거하기 위한 방법으로서,
    a) 기판 지지재에 연결되어 기판 및 배기 시스템에 바이어스를 제공하는 전원과 플라즈마 챔버에 플라즈마를 발생시키기 위해 RF 전원에 연결된 외부 코일이 장착된 플라즈마 챔버 내에서, 종횡비가 높은 개구를 가지는 기판을 기판 지지재 위에 설치하는 단계와,
    b) 플라즈마 선구체 혼합물 가스를, 할로겐 함유 가스와 캐리어 가스의 혼합물을 포함하는 챔버로 보내는 단계와, 그리고
    c) 챔버로부터의 산소 함유 반응 생성물을 배기시키는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 할로겐 함유 가스가, 니트로겐 트리플로라이드, 카본 테트라플로라이드, 설퍼 헥사플로라이드, 카본 테트라클로라이드 및 보론 트리클로라이드로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 할로겐 함유 가스가 니트로겐 트리플로라이드인 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 캐리어 가스가 헬륨인 방법.
  11. 제7항에 있어서, 인가된 바이어스 전력이 약 1 내지 500와트 사이인 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 코일에 인가된 RF 전력이 약 1 내지 1000와트 사이인 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 플라즈마 선구체가 수소를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 플라즈마 선구체가 아르곤을 추가로 포함하는 방법.
  15. 제7항에 있어서, 상기 플라즈마 선구체가 아르곤을 추가로 포함하는 방법.
  16. 종횡비가 높은 접촉 개구의 바닥으로부터 자연 산화물을 제거하기 위한 방법으로서,
    a) 기판 지지재에 연결되어 기판 및 배기 시스템에 바이어스를 제공하는 전원과 플라즈마 챔버에 플라즈마를 발생시키기 위해 RF 전원에 연결된 외부 코일이 장착된 플라즈마 챔버 내에서, 종횡비가 높은 개구를 가지는 기판을 기판 지지재 위에 설치하는 단계와,
    b) 플라즈마 선구체 혼합물 가스를, 니트로겐 트리플로라이드와 헬륨의 혼합물을 포함하는 챔버로 보내는 단계와,
    c) 50 내지 300와트의 전력을 기판 지지재에 인가하며 100 내지 400와트의 전력을 외부 코일에 인가하여 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 단계와, 그리고
    d) 챔버로부터의 산소 함유 반응 생성물을 배기시키는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 헬륨 내의 니트로겐 트리플로라이드 농도가 1 내지 약 50 퍼센트인 방법.
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