KR20060028636A - 고-ｋ 유전성 재료 에칭 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 처리 시스템에서 기판 상의 고-k 유전층을 에칭하는 방법에 관한 것이다. 상기 고-k 유전층은 예컨대 HfO2를 포함할 수 있다. 상기 고-k 유전층 에칭 방법은 상기 기판의 온도를 200 ℃ 이상(즉, 통상 대략 400 ℃)으로 상승시키는 단계와, 할로겐 함유 가스를 포함하는 처리 가스를 도입하는 단계와, 상기 처리 가스로부터 플라즈마를 점화하는 단계와, 상기 기판을 상기 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함한다. 상기 처리 가스는 Si 및 SiO2에 대한 HfO2의 에칭 레이트를 향상시키기 위해서 환원 가스를 더 포함할 수 있다.
Description
본원은 2003년 5월 30일에 제출한 미국의 가출원 60/474,224호의 우선권 이익을 주장하며, 그 내용을 완전히 본원에 편입하는 것으로 한다.
또한, 본원은 2003년 5월 30일에 제출한 공동 계류중인 미국의 가출원 60/474,225호의 우선권 이익을 주장하며, 그 내용을 완전히 본원에 편입하는 것으로 한다.
본 발명은 기판 에칭 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 기판 상의 고-k 유전층을 에칭하는 방법에 관한 것이다.
반도체 산업에 있어서, 마이크로프로세서 및 디지털 회로의 고속화 및 저전력화에 대한 요구를 충족시키기 위해서 마이크로 전자 장치의 최소 피처 사이즈가 깊이 1 미크론 이하의 영역(deep sub-micron regime)에 접근하고 있다. 처리 개발 및 통합 문제는 새로운 게이트 스택 재료 및 규화물(silicide) 처리에 있어서, Si02 및 규소산화질화물(Si-oxynitride)(SiNxOy)을 고유전률의 유전성 재료("고-k 재료라고도 함)로 대체하고, 0.1 ㎛ 이하의 상보성 금속 산화 반도체(CMOS) 기술에서 도 핑된 폴리-Si 대체에 다른 게이트 전극 재료를 이용하는 것 등을 핵심 과제로 한다.
유전 상수가 SiO2(k~3.9)의 것보다 큰 것을 특징으로 하는 유전성 재료를 일반적으로 고-k 재료라고 한다. 또한, 고-k 재료는 기판의 표면 상에 성장되는 것(예컨대, SiO2, SiNxOy)이 아닌 기판 상에 증착되는 유전성 재료(예컨대, HfO2, ZrO2)라고 할 수 있다. 고-k 재료는 금속 규산염(metallic silicate) 또는 산화물(예컨대, Ta205(k~26), Ti02(k~80), Zr02(k~25), Al203(k~9), HfSiO, HfO2(k~25))를 포함할 수 있다. 반도체 장치 제조 중에는, 소스/드레인 영역에 대한 규화(silicidation)를 허용하고, 금속 불순물이 이온 주입 중에 소스/드레인 영역으로 주입될 위험성을 제거하기 위해서, 금속 불순물의 고-k 층을 에칭하여 제거해야 한다.
본 발명은 기판 에칭 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 기판 상의 고-k 유전층을 에칭하는 방법에 관한 것이다.
플라즈마 처리 시스템에서 기판 홀더 위 기판 상의 고-k 유전층을 에칭하는 방법은 상기 기판의 온도를 200 ℃ 이상으로 상승시키는 단계와, 상기 플라즈마 처리 시스템에 할로겐 함유 가스를 포함하는 처리 가스를 도입하는 단계와, 상기 처리 가스로부터 플라즈마를 점화하는 단계와, 상기 고-k 유전층을 에칭하기에 충분한 기간 동안 상기 기판을 상기 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함한다. 상기 처리 가스는 환원 가스를 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템의 간략한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템의 간략한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템의 간략한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템의 간략한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템의 간략한 개략도이다.
도 6은 세가지 상이한 조건에 대한 기판 온도의 반응을 도시한 도면이다.
도 7은 네가지 상이한 처리 파라미터의 기판 가열 전력에 대한 기여도를 도시한 도면이다.
도 8은 처리 중에 가열 및 냉각에 대한 기판 온도의 반응을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 기판 가열 방법을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 가열 방법을 도시한 도면이다.
재료 처리 방법에 있어서, 게이트 스택에 고-k 유전층을 폭넓게 채용하는 것 은 그러한 재료를 에칭함에 있어서 더 복잡한 처리를 요구한다. 여기서, 통상의 게이트 스택 드라이 플라즈마 에칭은 다수의 처리 단계를 포함하는 처리 레서피(recipe)에 있어서 모든 처리 단계 중에 기판 홀더에 대한 설정 온도를 일정하게 유지하도록 한다. 일반적으로, 기판 홀더의 온도는 열 교환기에 의해 설정되는데, 이 열 교환기는 본래 열적 관성이 크기 때문에, 처리 단계 간에 열 교환기의 온도를 변경하는 것은 실용적이지 못하다. 따라서, 처리 단계 간에 기판 온도를 변경하는 것도 실용적이지 못하다.
그러나, 한 처리 레서피에 있어서 상이한 처리 단계 간에 기판 온도를 변경할 수 있는 개선된 게이트 스택 에칭에 대한 요구가 증가되고 있다. 예컨대, 도핑된 폴리/TaN/HfO2/Si 스택을 포함하는 게이트 스택에 있어서, 도핑된 폴리 및 TaN층은 기판 홀더의 설정 온도인 80 ℃에서 에칭 가능하다. 그런데, 첫째로, Si에 대한 HfO2의 선택적 에칭은 150 ℃ 이상의 온도를 요구할 수 있고, 둘째로, HfO2 게이트 유전층을 그 밑에 있는 소스/드레인 Si가 노출 시에 손상되는 일없이 드라이 플라즈마 에칭하기에 충분히 큰 파라미터 공간을 갖는 플라즈마 케미스트리를 도입하는 것이 중요하다.
일실시예에 따라, 플라즈마 처리 시스템(1)을 도 1에 도시하였는데, 이 플라즈마 처리 시스템(1)은 플라즈마 처리 챔버(10)와, 플라즈마 처리 챔버(10)에 결합된 진단 시스템(12)과, 진단 시스템(12) 및 플라즈마 처리 챔버(10)에 결합된 제어기(14)를 포함한다. 제어기(14)는 전술한 바와 같이 게이트 스택을 에칭하는 하나 이상의 처리 단계를 포함하는 처리 레서피를 실행하도록 구성되어 있다. 또한, 제어기(14)는 진단 시스템(12)으로부터 적어도 하나의 종료점 신호를 수신하고 그 적어도 하나의 종료점 신호를 후처리하여 처리에 대한 종료점을 정확하게 판정하도록 구성될 수 있다. 도시한 실시예에 있어서, 도 1에 도시한 플라즈마 처리 시스템(1)은 재료 처리에 플라즈마를 이용한다. 플라즈마 처리 시스템(1)은 에칭 챔버를 포함할 수 있다.
도 2에 도시한 실시예에 따라, 플라즈마 처리 시스템(1a)은 플라즈마 처리 챔버(10)와, 처리 기판(25)을 고정하는 기판 홀더(20)와, 진공 펌프 시스템(30)을 포함한다. 기판(25)은 예컨대 반도체 기판, 웨이퍼 또는 액정 디스플레이일 수 있다. 플라즈마 처리 챔버(10)는 예컨대 기판(25)의 표면에 인접한 처리 영역(15)에 플라즈마를 생성하는 것을 촉진하도록 구성될 수 있다. 가스 주입 시스템(도시 생략)을 통해 이온화 가능한 가스 또는 혼합 가스를 도입하고 처리 압력을 조절한다. 예컨대, 제어 메커니즘(도시 생략)을 이용하여 진공 펌프 시스템(30)을 조절할 수 있다. 또한, 플라즈마를 이용하여 미리 결정된 재료 처리에 특유한 재료를 생성하고 노출된 기판(25)의 표면으로부터 재료를 제거할 수 있다. 플라즈마 처리 시스템(1a)은 200 mm 기판, 300 mm 기판 또는 그보다 큰 기판을 처리하도록 구성될 수 있다.
기판(25)은 예컨대 정전 클램핑 시스템(26)을 통해 기판 홀더(20)에 고정될 수 있다. 또한, 기판 홀더(20)는 예컨대 기판 홀더(20)로부터 열을 받아 그 열을 열 교환기 시스템(도시 생략)으로 전달하거나, 가열 시에 열 교환기 시스템으로부 터 열을 전달하는 재순환 냉각제 흐름을 포함하는 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 기판(25)과 기판 홀더(20) 간의 가스 갭 열 전도를 개선하기 위해서, 예컨대배면 가스 분배 시스템(27)을 통해 기판(25)의 배면에 열 전달 가스를 전달할 수도 있다. 그러한 시스템은 기판 온도 제어가 온도 상승 또는 하강으로 요구될 때 이용 가능하다. 예컨대, 배면 가스 분배 시스템(27)은 기판(25)의 중앙과 가장자리마다 배면 가스(갭) 압력을 독립적으로 변경할 수 있도록 2개의 영역 또는 3개의 영역(또는 일반적으로 다중 영역)으로 이루어진 가스 분배 시스템을 포함할 수 있다. 다른 실시예로서, 저항성 가열 요소, 열-전기 히터/쿨러 등의 가열/냉각 요소를 기판 홀더(20)를 비롯해서 플라즈마 처리 챔버(10)의 챔버 벽, 플라즈마 처리 시스템(1a)의 다른 어떤 구성 요소에 설치할 수 있다.
도 2에 도시한 실시예에 있어서, 기판 홀더(20)는 RF 전력을 처리 공간에 있는 플라즈마에 결합시키는 전극을 포함할 수 있다. 예컨대, 기판 홀더(20)는 RF 생성기(40)로부터 RF 전력을 임피던스 정합 회로망(50)을 통해 기판 홀더(20)에 전달함으로써 RF 전압으로 전기적으로 바이어스될 수 있다. RF 바이어스는 전자를 가열하여 플라즈마를 형성 유지하는 기능을 할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 상기 플라즈마 처리 시스템은 반응성 이온 에칭(RIE) 반응기로서 작동 가능한데, 여기서 챔버와 상측 가스 주입 전극은 접지면으로서 기능한다. 통상의 RF 바이어스 주파수의 범위는 0.1 MHz 내지 100 MHz이다. 플라즈마 처리용 RF 시스템은 당업계에 잘 알려져 있다.
이와 달리, RF 전력을 다중 주파수로 기판 홀더에 인가할 수 있다. 또한, 임 피던스 정합 회로망(50)은 반사 전력을 저감시킴으로써 RF 전력이 플라즈마 처리 챔버(10)에 있는 플라즈마에 전달되는 것을 향상시키는 기능을 한다. 정합 회로망 구조(예컨대, L형, π형, T형 등) 및 자동 제어 방법은 당업계에 잘 알려져 있다.
진공 펌프 시스템(30)은 예컨대 펌프 속도가 초당 5000 리터 이하 또는 그 이상으로 가능한 터보 분자 진공 펌프(TMP)와, 챔버 압력을 조절하기 위한 게이트 밸브를 포함할 수 있다. 드라이 플라즈마 에칭에 이용하는 통상의 플라즈마 처리 장치에서는, 일반적으로 초당 1000 내지 3000 리터의 TMP를 채용한다. 예컨대, TMP는 저압력 처리, 통상 50 mTorr 이하의 처리에 유용하다. 고압력 처리(즉, 100 mTorr 이상)의 경우, 기계적 부스터 펌프 및 드라이 러핑 펌프를 이용할 수 있다. 또한, 챔버 압력을 모니터링하기 위한 장치(도시 생략)를 플라즈마 처리 챔버(10)에 결합할 수 있다. 그 압력 측정 장치는 예컨대 MKS 인스트루먼트 인크(instruments, Inc.)(미국 매사추세츠주 앤도버 소재)로부터 상업적으로 입수 가능한 타입 628B 바라트론 절대 용량 압력계일 수 있다.
제어기(14)는 마이크로프로세서, 메모리 및 디지털 I/O 포트를 포함하며, 플라즈마 처리 시스템(1a)에 대한 입력을 전달하고 활성화하는 것과 플라즈마 처리 시스템(1a)으로부터의 출력을 모니터링하기에 충분한 제어 전압을 생성할 수 있다. 또한, 제어기(14)는 RF 생성기(40), 임피던스 정합 회로망(50), 가스 주입 시스템(도시 생략), 진공 펌프 시스템(30), 그리고 배면 가스 분배 시스템(27), 기판/기판 홀더 온도 측정 시스템(도시 생략) 및/또는 정전 클램핑 시스템(26)에 결합되어 정보를 교환할 수 있다. 예컨대, 메모리에 저장되어 있는 프로그램을 이용하여, 고-k 유전층을 포함하는 게이트 스택을 에칭하는 방법을 수행하기 위해서 처리 레서피에 따라 플라즈마 처리 시스템(1a)의 전술한 구성 요소에 대한 입력을 활성화할 수 있다. 제어기(14)의 일례로서, 델 코포레이션(Dell Corporation)(미국 텍사스주 오스틴 소재)으로부터 입수 가능한 DELL PRECISION WORKSTATION 610™이 있다.
진단 시스템(12)은 광학적 진단 서브시스템(도시 생략)을 포함할 수 있다. 이 광학적 진단 서브시스템은 플라즈마로부터 방출되는 광 강도를 측정하기 위한 (실리콘) 포토다이오드나 포토멀티플라이어 튜브(PMT)와 같은 검출기를 포함할 수 있다. 진단 시스템(12)은 협대역 간섭 필터와 같은 광학 필터를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예로서, 진단 시스템(12)은 라인 CCD(전하 결합 장치)와 CID(전하 주입 장치) 어레이와, 그레이팅(grating)이나 프리즘(prism)과 같은 분광 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 추가로, 진단 시스템(12)은 소정의 파장의 빛을 측정하기 위한 모노크로메이터(monochromator)(예컨대, 그레이팅/검출기 시스템)나, 미국 특허 제5,888,337호에 개시되어 있는 장치와 같이 광 스펙트럼을 측정하기 위한 스펙트라미터(spectrometer)(예컨대, 회전 그레이팅)를 포함할 수 있다.
진단 시스템(12)은 예컨대 피크 센서 시스템즈(Peak Sensor Systems)나 베러티 인스트루먼츠 인크(Verity Instruments, Inc.)로부터 입수 가능한 고해상도 광학 방출 스펙트로스코프(high resolution Optical Emission Spectroscopy : OES) 센서를 포함할 수 있다. 그러한 OES 센서는 자외선(UV), 가시광선(VIS) 및 근 적외선(NIR) 광 스펙트럼에 걸친 광범위한 스펙트럼을 갖는다. 그 해상도는 대략 1.4 암스트롱인데, 즉 그 센서가 240 내지 1000 nm의 파장을 5550개 수집할 수 있다. 예컨대, OES 센서는 2048 픽셀의 리니어 CCD 어레이가 통합된 고감도의 소형 광섬유 UV-VIS-NIR 스펙트라미터를 구비할 수 있다.
그 스펙트라미터는 싱글 및 다발 광섬유를 통해 전송되는 광을 수신하며, 여기서 광섬유로부터 출력되는 광은 고정 그레이팅을 통해 라인 CCD 어레이로 분광된다. 전술한 구성과 마찬가지로, 광학 진공 윈도우를 통해 방출된 광은 구면 볼록 렌즈를 통해 광섬유의 입력단에 집광된다. 각각이 특히 소정의 스펙트럼 범위(UV, VIS 및 NIR)로 조정된 3개의 스펙트라미터는 처리 챔버의 센서를 구성한다. 각 스펙트라미터는 독립적인 A/D 변환기를 포함한다. 그리고, 마지막으로, 센서의 이용에 따라, 0.1 내지 1.0 초마다 전체 방출 스펙트럼을 기록할 수 있다.
도 3에 도시한 실시예에 있어서, 플라즈마 처리 시스템(1b)은 예컨대 도 1 또는 도 2의 실시예와 유사하며, 도 1 및 도 2를 참조하며 설명한 구성 요소들 외에도, 잠재적으로 플라즈마 밀도를 증가 및/또는 플라즈마 처리 균일성을 향상시키기 위해서, 고정 자계 시스템(60)이나 기계적 또는 전기적 회전 자계 시스템(60)을 더 포함할 수 있다. 또한, 회전 속도 및 자계 강도를 조절하기 위해서 제어기(14)를 자계 시스템(60)에 결합할 수 있다. 회전 자계 시스템의 설계 및 구현에 대한 것은 당업계에 잘 알려져 있다.
도 4에 도시한 실시예에 있어서, 플라즈마 처리 시스템(1c)은 예컨대 도 1 및 도 2의 실시예와 유사하며, RF 생성기(72)로부터의 RF 전력이 임피던스 정합 회로망(74)을 통해 결합될 수 있는 상측 전극(70)을 더 포함할 수 있다. 상측 전극에 인가되는 RF 전력의 통상의 주파수 범위는 0.1 MHz 내지 200 MHz일 수 있다. 추가 로, 하측 전극에 인가되는 전력의 통상의 주파수 범위는 0.1 MHz 내지 100 MHz일 수 있다. 또한, 상측 전극에 인가되는 RF 전력을 제어하기 위해서 제어기(14)를 RF 생성기(72) 및 임피던스 정합 회로망(74)에 결합할 수 있다. 상측 전극의 설계 및 구현에 대한 것은 당업계에 잘 알려져 있다.
도 5에 도시한 실시예에 있어서, 플라즈마 처리 시스템(1d)은 예컨대 도 1 및 도 2의 실시예와 유사하며, RF 생성기(82)로부터의 RF 전력이 임피던스 정합 회로망(84)을 통해 결합되는 유도 코일(80)을 더 포함할 수 있다. RF 전력은 유도 코일(80)로부터 유전성 윈도우(도시 생략)를 통해 플라즈마 처리 영역(15)에 유도 결합된다. 유도 코일(80)에 인가되는 RF 전력의 통상의 주파수 범위는 10 MHz 내지 100 MHz일 수 있다. 유사하게, 척(chuck) 전극에 인가되는 전력의 통상의 주파수 범위는 0.1 MHz 내지 100 MHz일 수 있다. 추가로, 유도 코일(80)과 플라즈마 간의 용량 결합을 저감시키기 위해서 슬롯형 패러데이 실드(도시 생략)를 채용할 수 있다. 또한, 유도 코일(80)에 인가되는 전력을 제어하기 위해서 제어기(14)를 RF 생성기(82) 및 임피던스 정합 회로망(84)에 결합할 수 있다. 다른 실시예로서, 유도 코일(80)은 변성기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma : TCP) 반응기에서와 같이 상기로부터 플라즈마 처리 영역(15)과 작용하는 "스파이럴" 코일이나 "팬케이크" 코일일 수 있다. 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma : ICP) 소스 또는 변성기 결합 플라즈마(TCP) 소스의 설계 및 구현에 대한 것은 당업계에 잘 알려져 있다.
이와 달리, 전자 사이클로트론 공진(electron cyclotron resonance : ECR)을 이용하여 플라즈마를 생성할 수 있다. 다른 실시예로서, 헬리콘 파동의 발생으로부터 플라즈마를 생성할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 전파하는 표면파로부터 플라즈마를 생성할 수 있다. 전술한 각 플라즈마 소스는 당업계에 잘 알려져 있다.
이하, 플라즈마 처리 장치를 이용하여 고-k 유전층을 포함하는 게이트 스택을 에칭하는 방법을 설명하다. 예컨대, 플라즈마 처리 장치는 도 1 내지 도 5를 참조하여 기술한 각종 구성 요소 및 그 조합을 포함할 수 있다.
통상의 게이트 스택의 예시적인 표현은 TEOS 하드 마스크를 구비한 폴리실리콘/HfO2/SiO2/Si를 포함할 수 있다. 실리콘층(Si)은 소스/드레인으로서 기능하고, Si02 유전층은 때로는 전체 게이트 유전성 K 값을 부분적으로 희생하면서 채널 이동성을 향상시키기 위해서 포함되는 얇은(~5Å) 계면 산화물을 포함한다. 표 1은 폴리실리콘층 및 HfO2층에 걸쳐 에칭하고 SiO2층 상에서 정지하는 예시적인 처리 레서피를 보여준다.
예컨대, 표 1에서, BT는 자연(native) Si02층을 브레이크 스루(break through)하는 제1 처리 단계를 나타내고, ME는 폴리실리콘 주요 에칭 단계를 포함하는 제2 처리 단계를 나타내며, OE는 오버 에칭 처리 단계를 나타내고, PPH는 플라즈마 예열(pre-heat) 처리 단계를 나타내며, DE는 유전체(HfO2) 에칭 처리 단계를 나타내고, cool(냉각)은 냉각(cool down) 처리 단계를 나타낸다.
표 1에 도시한 예에서는, 도 4에 도시한 플라즈마 처리 시스템을 이용하는데, 여기서 top-RF는 상측 전극 RF 전력을 나타내고(여기서, x, xx, xxx는 각각 자연 산화물 브레이크 스루 단계, 주요 에칭 단계 및 오버 에칭 단계 중에 상측 전극에 전달되는 RF 전력에 대한 통상의 값), bot-RF는 하측(기판 홀더) 전극 RF 전력을 나타내며(여기서, y, yy, yyy는 각각 자연 산화물 브레이크 스루 단계, 주요 에칭 단계 및 오버 에칭 단계 중에 하측 전극에 전달되는 RF 전력에 대한 통상의 값), ESC-T는 기판 홀더의 온도를 나타내고, gap(갭)은 상측 전극과 하측 전극 간의 격리 거리를 나타내며(여기서, z, zz, zzz는 각각 자연 산화물 브레이크 스루 단계, 주요 에칭 단계 및 오버 에칭 단계 중에 상측 전극과 하측 전극 간의 격리 거리에 대한 통상의 값), P는 처리 챔버 압력을 나타내고(여기서, p, pp, ppp는 각각 자연 산화물 브레이크 스루 단계, 주요 에칭 단계 및 오버 에칭 단계 중에 처리 챔버 압력에 대한 통상의 값), ESC-volts는 기판 홀더에 인가되는 전극 클램핑 전압을 나타내며, ESC-He는 중앙/가장자리 기판 배면의 He 압력(Torr)을 나타내고, VPP는 설정된 RF 전력에서 상측/하측 전극 상에서 발생되는 통상의 피크간 RF 전압을 나타내며(여기서, r, rr, rrr은 각각 자연 산화물 브레이크 스루 단계, 주요 에칭 단계 및 오버 에칭 단계 중에 하측 전극 상의 피크간 전압에 대한 통상의 값), epd는 종료점 검출 시간을 나타낸다. 플라즈마 처리 시스템의 다른 구성은 다소 다른 파라미터 세트 및 값을 가질 수 있다. DE 단계에 표시된 플로우 레이트(Q)는 단지 높은 플로우 레이트(즉, 낮은 존재 시간)의 조건을 반영한 일례이다(여기서, q, qq, qqq는 각각 자연 산화물 브레이크 스루 단계, 주요 에칭 단계 및 오버 에칭 단계 중에 처리 가스 플로우 레이트에 대한 통상의 값). 선택적 HfO2/Si 에칭 달성 방법을 설명하기 위해서 표시한 가스들을 이용할 수 있다. BT, ME 및 OE 처리 단계와 그 통상의 처리 파라미터는 폴리실리콘 에칭 등의 당업계에 잘 알려져 있다. 냉각 단계 중에는, RF 전력을 제거하여 처리 플라즈마를 소멸시키고, 정전 클램핑(electrostatic clamping : ESC) 및 배면 (헬륨) 열 전도 가스를 이용하여 기판을 냉각시키는데, 기판 온도를 기판 홀더의 온도로 낮추는 데에는 통상 30 초면 충분하다.
플라즈마 예열 단계 중에는, 기판 온도를 폴리실리콘 에칭에 적합한 온도(예컨대, 80 ℃)에서 선택적 HfO2 에칭에 더 적합한 온도(예컨대, 400 ℃)로 상승시킨다. 기판이 단지 기판 홀더에 놓여 있을 때(즉, ESC에 의한 클램핑 및 배면 가스 없이), 기판은 실질적으로 기판 홀더 및 주위 처리 챔버로부터 열 절연되어 있다. 예컨대, 도 6은 더 낮은 온도를 유지하고 있는 기판 홀더 상에 놓여 있을 때 세가지 상이한 조건에 대한 기판 온도의 통상의 반응을 나타내고 있다. 기판이 기판 홀더에 클램핑되어 있지 않고 배면 가스 압력을 받지 않는 경우, 그 때 기판 온도의 변화는 매우 느리다(도 6에서 100으로 나타낸 실선). 한편, 기판이 기판 홀더에 클램핑되어 있으나 배면 가스 압력을 받지 않는 경우, 그 때 기판 온도의 변화는 약간 증가한다(도 6에서 102로 나타낸 긴 파선). 또한, 기판이 기판 홀더에 클램핑되어 있고 배면 가스 압력을 받는 경우, 기판 온도는 처음에 바로 감소하다가 그 후 기판 온도가 기판 홀더의 온도에 가까워지면 점차적으로 감소한다(도 6에서 104로 나타낸 짧은 파선).
기판의 플라즈마 예열은 기판이 열 절연되어 있을 때(즉, 클램핑력과 배면 가스 압력이 제거된 상태) 행한다. 일반적으로, 이온 충격과 대류성 고온 중성자 모두 기판의 가열에 기여하고, 다소 덜 하지만, 전자 (열 및 충격) 가열도 기판 가열 처리에 기여한다. 고 이온화 플라즈마(유도 결합 플라즈마(ICP), 파동 가열 등)에서, 이온 충격 가열이 대류성 고온 중성자보다 우세할 수 있다.
용량 결합 플라즈마(CCP)에서는, 대류성 고온 중성자가 이온 충력만큼 중요할 수 있는데, 어떤 경우에는, 대류성 고온 중성자가 우세한 가열 처리가 될 수 있다. 일실시예에 있어서, 플라즈마 예열 처리는 He, Ar, Kr, Xe 등의 불활성 가스를 도입하는 단계와, 그 불활성 가스로부터 플라즈마를 점화하는 단계와, 기판으로부터 클램핑력을 제거하는 단계와, 기판으로부터 배면 가스 압력을 제거하는 단계를 포함한다. 예컨대, 도 7은 하측 전극에 전달되는 RF 전력, 불활성 가스의 챔버 압력, 불활성 가스의 플로우 레이트 및 불활성 가스의 원자 질량의 변화가 기판 가열 전력에 미치는 영향을 나타내고 있다. 다음과 같이 관찰되었다. 가열 전력은 (a) 하측 전극에 전달되는 RF 전력의 증가에 따라 증가하고(선 110), (b) 불활성 가스의 플로우 레이트의 증가에 따라 어느 정도 증가하며(선 114), (c) 불활성 가스의 압력의 증가에 따라 약간 증가하고(선 112), (d) 불활성 가스의 원자 질량의 증가에 따라 감소한다(즉, 헬륨을 이용하는 것이 아르곤보다 더 효과적임)(선 116).
일례로서, 도 8은 플라즈마 예열(PPH) 방법을 이용한 선택적 HfO2/Si 게이트 유전체 에칭을 설명하고 있다. 대부분의 장치는 두께가 20 내지 50 Å인 게이트 유전층을 포함한다. 따라서, 에칭 시간은 통상 매우 짧다(예컨대, 대략 5 초). PPH 처리 하의 피크 기판 온도는 PPH 시간에 의존한다. 희망하는 피크 기판 온도(예컨대, 400 ℃)에 도달하면, 선택적 HfO2 에칭 처리 레서피가 개시된다. 통상적으로, HfO2 에칭 플라즈마는 PPH보다 낮은 전력을 포함하고, 따라서 기판 가열 속도가 현저하게 감소한다. 이상적인 열 절연에 의하면, 기판 온도는 HfO2 에칭 중에(기간 122 중에) 거의 일정한 상태를 유지할 수 있다. 기간 124 중에는 냉각이 일어난다.
선택적 HfO2/Si 에칭의 경우, HfO2로부터 산소(O)의 환원은 에칭 레이트를 촉진시킬 수 있다는 것을 판정하였다. 일반적으로, HBr이나 HCl은 순수 할로겐(Br2나 Cl2)만에 의한 것보다 더 빠르게 HfO2를 에칭한다. 따라서, 그 희망하는 에천트는 예컨대 HBr, C2H4Br2 등이다. 탄소(C)와 수소(H) 모두 강한 환원제이다. 또한, 환원 처리를 향상시키고 HfBrX 형성 처리를 향상시키기 위해서, HfO2 상에 바구니(caged) br을 구비한 (CH2)n 폴리머를 형성할 수 있다. 모든 Hf 할로겐화물은 비휘발성으로, 유사한 휘발성을 갖는다. 따라서, 이온 충격은 표준 에칭 온도(예컨대, 80 ℃)를 이용할 경우 HfBrX를 탈착해야 한다. 그러나, 할로겐 함유 플라즈마에서의 높은 이온 충격 에너지는 소스/드레인 실리콘(Si)이 노출되면 더 큰 레이트로 밑에 있는 실리콘(Si)을 에칭하게 된다. 따라서, PPH 처리 단계를 이용하여 기판 온도를 상승시키고, 이에 기판 온도가 상승하면, HfBrX의 탈착이 지수적으로 증가한다. 그런데, 높은 기판 온도에서는, Si 에칭 레이트도 순수 할로겐 분위기에서 지수적으로 증가하고, 따라서 H, C와 같은 환원제의 존재에 대한 필요성도 증가한다.
HBr의 일례에 있어서, HBr은 HfO2를 효율적으로 에칭할 수 있는데, 존재하는 일부 가스 상태의 H가 Br을 속박하여 Si 에칭 레이트를 감소시킬 것이다. 총 RF 전력이 낮은 조건 하의 HBr은 효율적인 Si 에칭 조건이 아닌데, 그 강한 이온 결합이 자유 Br을 속박하는 경향이 있다. Si 에칭 레이트를 더 감소시키기 위해서는, C2H4, C2H4Br2과 같은 가스를 HBr에 첨가할 수 있는데, 그 첨가물은 Si 상에 중합되어(예컨대, (CH2)n) Si 에칭 레이트를 더 감소시킨다. 동시에, 그러한 중합체(폴리머)는 그의 환원성으로 인해서 HfO2 에칭 레이트를 방해하지 않는다. 이와 달리, C2H6과 같은 가스를 첨가하여 Si 에칭 레이트를 감소시킬 수 있다. 또한, 이원자 수소(H2)를 첨가하여 Si 에칭 레이트를 감소시킬 수 있다. 더욱이, Si 에칭 레이트를 감소시키는 또 다른 일반적인 방법은 높은 기판 온도 하에서 SiN이나 SiO를 성장시키는 것이다. 그 효과는 O 및/또는 N을 함유하는 첨가물, 예컨대 N2나 O2를 통해서 달성할 수 있다. 그러나, 처리의 최적화를 위해서는 O 및/또는 N의 존재가 HfO2 에칭 레이트에 악영향을 미쳐서는 안된다. 추가적으로, HfO2 에칭 중에 C 및 H가 충분하게 존재한다면, 환원 작용에 의해서 열적 에칭 레이트를 가속화시킬 수 있다.
예컨대, 다음의 레서피를 이용하여, 1649 A/min의 HfO2 에칭 레이트 및 2.2의 HfO2 대 Si 에칭 레이트 선택도를 달성하였다 : PPH 단계 - 상측 전극 RF 전력 = 700 W ; 하측 전극 RF 전력 = 900 W ; 기판 홀더 온도 = 80 ℃ ; 전극 격리 거리 - 80 mm; 압력 = 50 mTorr ; 가스 플로우 레이트 = 500 sccm He, 2 sccm Cl2 ; ESC 클램핑 없음, 헬륨 배면 가스 압력 없음 ; 지속 기간 - 90 초 ; Hf02 에칭 - 상측 전극 RF 전력 = 200 W ; 하측 전극 RF 전력 = 50 W ; 기판 홀더 온도 = 80 ℃ ; 전극 격리 거리 - 80 mm ; 압력 = 5 mTorr ; 가스 플로우 레이트 = 105 sccm HBr ; ESC 클램핑 없음, 헬륨 배면 가스 압력 없음 ; 지속 기간 = 10 초 ; 그리고 COOL - 기판 홀더 온도 = 80 ℃; 전극 격리 거리 - 80 mm; 압력 = 50 mTorr ; 가스 플로우 레이트 = 500 sccm He; 1.5 kV ESC 클램핑, 10 Torr/10 Torr 중앙-가장자리 헬륨 배면 가스 압력 ; 지속 기간 = 30 초.
선택적 Hf02 대 Si02 에칭의 경우, HBr 플라즈마에서의 Si02 에칭은 높은 기판 온도에서 유도된 이온으로 남아 있는 반면에 Hf02 에칭은 화학적 에칭 성질의 하나로 된다는 것을 판정하였다. 그 결과, 높은 기판 온도 하에서의 낮은 하측 전극 RF 전력 조건은 높은 레이트로 HfO2를 화학적 에칭하는 반면에 더 낮은 레이트로 Si02를 에칭하게 된다. 우선, 에칭을 행하기 위해서 Si-O 결합을 푸는 데에는 이온 충격이 필수적이다. C2H4 또는 C2H4Br2 첨가물의 경우, 그 폴리머는 이온 충격으로부터 Si-O를 보호하여, SiO2 에칭 레이트를 더 감소시킬 수 있다.
예컨대, 다음의 레서피를 이용하여, 1649 A/min의 HfO2 에칭 레이트 및 25의 HfO2 대 SiO2 에칭 레이트 선택도를 달성하였다 : PPH 단계 - 상측 전극 RF 전력 = 700 W ; 하측 전극 RF 전력 = 900 W ; 기판 홀더 온도 = 80 ℃ ; 전극 격리 거리 - 80 mm ; 압력 = 50 mTorr ; 가스 플로우 레이트 = 500 sccm He, 2 sccm Cl2 ; ESC 클램핑 없음, 헬륨 배면 가스 압력 없음 ; 지속 기간 - 90 초 ; HfO2 에칭 - 상측 전극 RF 전력 = 200 W ; 하측 전극 RF 전력 = 50 W ; 기판 홀더 온도 = 80 ℃ ; 전극 격리 거리 - 80 mm ; 압력 = 5 mTorr ; 가스 플로우 레이트 = 105 sccm HBr ; ESC 클램핑 없음, 헬륨 배면 가스 압력 없음 ; 지속 기간 = 10 초 ; 그리고 COOL - 기판 홀더 온도 = 80 ℃ ; 전극 격리 거리 - 80 mm ; 압력 = 50 mTorr ; 가스 플로우 레이트 = 500 sccm He ; 1.5 kV ESC 클램핑, 10 Torr/10 Torr 중앙-가장자리 헬륨 배면 가스 압력 ; 지속 기간 = 30 초.
PPH에서 트레이스(trace)-Cl2는 표면 오염을 방지하기 위한 것이다. 대부분의 경우에, 플라즈마 처리 시스템은 석영 부품을 포함할 수 있다. 예컨대, 순수-He PPH에서의 오염은 석영 부품으로부터의 SiO를 포함할 수 있다. PPH 처리 단계에서 트레이스-Cl2는 HfO2층의 표면 상에 SiO가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 이와 달리, 순수-He PPH 중에, BT 처리 단계(브레이크 스루)를 DE 단계 전에 삽입할 수 있다. CF4 BT는 고-k 유전성 재료 표면으로부터 SiO2를 제거하는 데에 효과적인 것으로 알려져 있다.
일실시예에 있어서, HfO2와 같은 고-k 유전층을 에칭하는 방법은 HBr, Cl2, HCl, NF3, Br2, C2H4Br2 및 F2 중 적어도 하나와 같은 가스를 함유하는 할로겐을 이용하는 것을 포함한다. 추가로, 그 처리 가스는 H2, C2H4, C2H4Br2, CH4, C2H2, C2H6, C3H4, C3H6, C3H8, C4H6, C4H8, C4H10, C5H8, C5H10, C6H6, C6H10 및 C6H12 중 적어도 하나와 같은 환원 가스를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 처리 파라미터 공간은 1 내지 1000 mTorr(예컨대, 5 mTorr)의 챔버 압력, 20 내지 1000 sccm(예컨대, 50 sccm)의 가스 플로우 레이트를 포함하는 할로겐, 1 내지 500 sccm(예컨대, 50 sccm)의 환원 가스 플로우 레이트, 100 내지 2000 W(예컨대, 200 W)의 상측 전극 RF 바이어스, 및 10 내지 500 W(예컨대, 50 W)의 하측 전극 RF 바이어스를 포함할 수 있다. 또한, 상측 전극 바이어스 주파수는 0.1 MHz 내지 200 MHz, 예컨대 60 MHz일 수 있다. 게다가, 하측 전극 바이어스 주파수는 0.1 MHz 내지 100 MHz, 예컨대 2 MHz일 수 있다.
도 9는 플라즈마 처리 시스템에서 기판을 가열하는 흐름도(400)를 나타내고 있다. 기판을 높은 온도로 가열함으로써, 예컨대 일련의 상이한 층들, 예컨대 기판 상에 게이트 스택을 형성하는 복수의 층들의 에칭에 이용하는 일련의 처리 단계들에서 예열 처리를 용이하게 할 수 있다. 게이트 스택은 예컨대 실리콘 함유층, 고-k 유전층 등을 포함할 수 있다. 이 방법의 단계 410에서는, 기판의 배면으로부터 배면 가스 압력을 제거한다. 예컨대, 통상의 플라즈마 처리 시스템에 있어서, 배면 가스 분배 시스템은 제어 밸브, 압력 조절기 및 플로우 제어기 중 적어도 하나와, 배면 가스 분배 채널을 배기하기 위한 진공 펌프 등을 구비한 가스 공급 시스템을 포함한다. 배면 가스 압력을 제거할 때에는, 가스 공급 시스템을 배면 가스 분배 채널 등에 접속시키는 제어 밸브를 예컨대 폐쇄하여, 진공 펌프가 이들 채널 등을 배기하는 것을 용이하게 할 수 있다. 기판과 기판 홀더 간의 열 전도를 향상시키기 위한 배면 가스 분배 시스템의 설명 및 이용에 대한 것은 그러한 시스템 구현에 관한 당업계에 잘 알려져 있다.
단계 420에서는, 기판에 인가하는 클램핑력을 제거한다. 예컨대, 기판은 기판 홀더에 기계적 또는 전기적으로 클램핑될 수 있는데, 기계적 클램핑의 경우에는 기계적 클램프에 의해 기판에 가해지는 기계적 압력을 제거하고, 전기적 클램핑의 경우에는 고전압 DC원에 의해 정전 클램핑 전극에 인가되는 전압을 제거한다. 단계 410 및 단계 420에서 배면 가스 압력 및 클램핑력을 제거하고 나면, 기판은 진공 분위기에서 기판 홀더에 놓여 있을 때 기판 홀더로부터 실질적으로 열 절연된다.
단계 430에서는, 플라즈마 처리 시스템에 가열 가스를 도입한다. 일실시예로서, 가열 가스는 He, Ar, Kr 및 Xe 중 적어도 하나와 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다. 다른 실시예로서, 가열 가스는 Cl2와 같은 클리닝 가스를 더 포함할 수 있다.
단계 440에서는, 플라즈마를 점화하고, 단계 450에서는, 소정의 기간 동안 실질적으로 열 절연된 기판을 플라즈마에 노출시킨다. 플라즈마는 도 1 및 도 5를 참조하여 전술한 기술을 이용하여 점화할 수 있다. 예컨대, 도 4에서 설명한 바와 같이 플라즈마 처리 시스템에서 상측 전극과 하측 전극 중 적어도 하나를 통해 RF 전력을 인가함으로써 플라즈마를 점화할 수 있다. 예컨대, 처리 파라미터 공간은 20 mTorr보다 큰 챔버 압력(예컨대, 50 mTorr), 200 sccm보다 크거나 같은 불활성 가스 플로우 레이트(예컨대 500 sccm), 10 sccm보다 작거나 같은 클리닝 가스 플로우 레이트(예컨대, 2 sccm), 100 내지 2000 W(예컨대 700 W)의 상측 전극 RF 바이어스, 및 100 내지 2000 W(예컨대, 900 W)의 하측 전극 RF 바이어스를 포함할 수 있다. 또한, 상측 전극 바이어스 주파수는 0.1 MHz 내지 200 MHz, 예컨대 60 MHz일 수 있다. 게다가, 하측 전극 바이어스 주파수는 0.1 MHz 내지 100 MHz, 예컨대 2 MHz일 수 있다. 예컨대, 실내 온도에서 400 ℃로 기판을 가열하는 시간은 60 내지 120 초일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 플라즈마 처리 시스템에서 기판 상의 고-k 유전층을 에칭하는 방법에 대한 흐름도(500)를 나타내고 있다. 이 방법의 단계 510에서는 기판 노도를 상승시킨다. 예컨대, 기판 온도는 200 ℃보다 클 수 있고, 바람직하게는 300 내지 500 ℃(예컨대 400 ℃)일 수 있다. 기판은 예컨대 도 9를 참조하여 전술한 바와 같이 예열 플라즈마 처리(PPH)를 이용하여 가열할 수 있다.
단계 520에서는, HfO2와 같은 고-k 유전층을 에칭하기 위해서 처리 가스를 플라즈마 처리 시스템에 도입한다. 일실시예로서, 처리 가스는 HBr, Cl2, HCl, NF3, Br2, C2H4Br2 및 F2 중 적어도 하나와 같은 할로겐 함유 가스를 포함한다. 다른 실시예로서, 처리 가스는 H2, C2H4, C2H4Br2, CH4, C2H2, C2H6, C3H4, C3H6, C3H8, C4H6, C4H8, C4H10, C5H8, C5H10, C6H6, C6H10 및 C6H12 중 적어도 하나와 같은 환원 가스를 더 포함한다. 또 다른 실시예로서, 처리 가스는 O2, N2, N2O 및 NO2와 같은 산소 함유 가스 및 질소 함유 가스 중 적어도 하나를 포함한다.
단계 530에서는, 플라즈마를 점화하고, 단계 540에서는, 소정의 기간 동안 기판 상의 고-k 유전층을 플라즈마에 노출시킨다. 플라즈마는 도 1 및 도 5를 참조하여 전술한 기술을 이용하여 점화할 수 있다. 예컨대, 도 4에서 설명한 바와 같이 플라즈마 처리 시스템에서 상측 전극과 하측 전극 중 적어도 하나를 통해 RF 전력을 인가함으로써 플라즈마를 점화할 수 있다. 예컨대, 처리 파라미터 공간은 1 내지 1000 mTorr의 챔버 압력(예컨대, 5 mTorr), 20 내지 1000 sccm의 할로겐 함유 가스 플로우 레이트(예컨대 50 sccm), 1 내지 500 sccm의 환원 가스 플로우 레이트(예컨대, 50 sccm), 100 내지 2000 W(예컨대 200 W)의 상측 전극 RF 바이어스, 및 10 내지 500 W(예컨대, 50 W)의 하측 전극 RF 바이어스를 포함할 수 있다. 또한, 상측 전극 바이어스 주파수는 0.1 MHz 내지 200 MHz, 예컨대 60 MHz일 수 있다. 게다가, 하측 전극 바이어스 주파수는 0.1 MHz 내지 100 MHz, 예컨대 2 MHz일 수 있다.
이상 본 발명에 대해서 일부 실시예만을 가지고 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 신규한 기술적 사상의 범위 내에서 다른 변형례가 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 변형례는 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 한다.
Claims (12)
- 플라즈마 처리 시스템에서 기판 홀더 위 기판 상의 고-k 유전층을 에칭하는 방법에 있어서,상기 기판의 온도를 200 ℃ 이상으로 상승시키는 단계와,상기 플라즈마 처리 시스템에 할로겐 함유 가스를 포함하는 처리 가스를 도입하는 단계와,상기 처리 가스로부터 플라즈마를 점화하는 단계와,상기 고-k 유전층을 에칭하기에 충분한 기간 동안 상기 기판을 상기 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함하는 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 온도의 범위는 300 내지 500 ℃인 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 온도는 실질적으로 400 ℃인 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 할로겐 함유 가스는 HBr, Cl2, HCl, NF3, Br2, C2H4Br2 및 F2 중 적어도 하나를 포함하는 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 처리 가스는 환원 가스를 더 포함하는 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 환원 가스는 수소 함유 가스와 탄소 함유 가스 중 적어도 하나를 포함하는 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 환원 가스는 탄화수소 가스를 포함하는 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 환원 가스는 H2, C2H4, C2H4Br2, CH4, C2H2, C2H6, C3H4, C3H6, C3H8, C4H6, C4H8, C4H10, C5H8, C5H10, C6H6, C6H10 및 C6H12 중 적어도 하나를 포함하는 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 환원 가스는 질소 함유 가스와 산소 함유 가스 중 적어도 하나를 포함하는 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 환원 가스는 O2, N2, N2O 및 NO2 중 적어도 하나를 포 함하는 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 처리 가스는 HBr 및 H2를 포함하는 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고-k 유전층은 HfO2를 포함하는 것인 고-k 유전층 에칭 방법.
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