KR20150037638A - 펄스된 저주파수 ｒｆ 전력에 의한 고 선택도 및 저 응력의 탄소 하드마스크 - Google Patents

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Abstract

PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 를 사용하여 높은 에칭 선택도, 저 응력의 AHM (ashable hard mask) 을 형성하는 방법들이 제공된다. 특정한 실시예들에서, 이 방법들은 듀얼 무선 주파수 플라즈마 소스를 사용하는 AHM의 증착 동안 저주파수 무선 주파수 전력을 펄스하면서 고주파수 무선 주파수 전력을 일정하게 유지하는 단계를 수반한다. 다양한 실시예들에 따라, 저주파수 무선 주파수 전력은 비-제로 레벨들 사이에서 또는 전력을 스위칭 온하고 스위칭 오프함으로써 펄스될 수 있다. 결과적으로 증착된 고 선택도의 AHM은 AHM 상에 부딪히는 감소된 이온 및 원자 그리고 AHM 내에 트랩된 수소의 낮은 레벨들을 포함하는 하나 이상의 요인들로 인해 감소된 응력을 가질 수도 있다.

Description

펄스된 저주파수 ＲＦ 전력에 의한 고 선택도 및 저 응력의 탄소 하드마스크{HIGH SELECTIVITY AND LOW STRESS CARBON HARDMASK BY PULSED LOW FREQUENCY RF POWER}
비정질 탄소 막들은 메모리 및 논리 디바이스 제조를 포함하는, 반도체 프로세싱 시 하드마스크들 (hard masks) 및 에칭 정지층들로서 사용될 수도 있다. 이들 막들은 이들이 애싱 (ashing) 기법에 의해 제거될 수도 있기 때문에 또한 애싱가능한 하드마스크들 (AHMs; ashable hard masks) 로 공지된다. 리소그래피 시 애스팩트 비들이 증가함에 따라, AHM들은 더 높은 에칭 선택도를 요구한다. PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스들을 사용하여 고 선택도의 AHM들을 형성하는 현재 방법들은 하드마스크들로서 AHM들의 유용성을 제한하는, 높은 응력을 갖는 AHM들을 생성한다. 따라서, 높은 에칭 선택도를 갖지만, 낮은 응력을 갖는 AHM들을 생성하는 것이 바람직하다.
메모리 및 논리 디바이스 제조를 포함하는, 반도체 프로세싱에 이용하기 위한 응력 레벨들을 감소시키고 에칭 선택도를 증가시키는 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 에 의해 AHM들 (ashable hard masks) 을 증착하는 신규한 방법들이 제공된다. 다양한 실시예들에서, 이 방법들은 탄화 수소 프리커서를 포함하는 프로세스 가스에 반도체 기판 상의 층을 노출시키는 단계, 및 PECVD에 의한 증착 동안 저주파수 (LF) RF 전력을 펄스하면서 일정한 고주파수 (HF) RF 전력을 유지함으로써 듀얼 무선 주파수 (RF) 소스를 사용하여 플라즈마를 생성하는 단계를 수반한다. 그 위에 AHM이 증착될 수도 있는 층들의 예들은 산화물들 및 질화물들과 같은 유전체 층들, 및 폴리실리콘층들을 포함한다. 다양한 실시예들에 따라, 상기 LF 전력을 펄스하는 것은 비-제로 레벨들 사이에서 변조하는 것 또는 상기 LF 전력을 스위칭 온하고 스위칭 오프하는 것을 수반할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 LF 전력은 약 2 ㎐ 내지 약 200 ㎐의 주파수로 펄스된다. 증착은 높거나 낮은 프로세스 온도들로 수행될 수도 있다.
일 양태에서, 고 선택도, 저 응력의 AHM들을 증착하는 방법이 제공된다. 다양한 실시예들에 따라, 증착 동안 프리커서 가스를 도입함으로써 LF RF 전력은 펄스되는 반면 HF RF 전력은 일정하다. 일부 실시예들에서, 증착된 AHM은 약 10% 내지 약 25%, 예를 들어 약 18%의 수소 함유량을 갖는다. 특정한 실시예들에서, 증착된 AHM은 약 3.6 내지 약 4.4의 에칭 선택도를 갖는다.
다른 양태는 반도체 기판 상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법과 관한 것이다. 다양한 실시예들에서, 비정질 탄소층은 LF RF 전력은 펄스되고 HF 전력은 일정한 듀얼 RF 플라즈마 소스를 사용하여 증착된다. 일부 실시예들에서, 상기 LF 전력은 비-제로 레벨들 사이에서 증착된다. 일부 실시예들에서, LF는 LF 전력을 스위칭 온하고 스위칭 오프함으로써 펄스된다. 특정한 실시예들에서, 상기 LF 전력은 약 2 ㎐ 내지 약 10 ㎐의 주파수로 펄스된다. 증착은 높은 프로세스 온도 또는 낮은 프로세스 온도에서 수행될 수도 있다.
다른 양태는 반도체 기판을 프로세스하도록 구성된 장치에 관한 것이다. 다양한 실시예들에 따라, 장치는 샤워헤드, 기판 지지부, 및 하나 이상의 가스 유입구들 (inlets) 을 포함하는, 증착 챔버; 및 제어기를 포함한다. 제어기는 상기 장치 내에서 상기 동작들을 제어하도록 구성되고 탄화 수소 프리커서 가스를 포함하는 프로세스 가스를 증착 챔버에 유동시키고, 플라즈마를 점화시키도록 듀얼 주파수 RF 전력을 증착 챔버에 인가하고, LF 전력을 펄스하면서 HF 전력을 일정하게 유지하기 위한 머신 판독가능 인스트럭션들을 포함한다.
이들 및 다른 양태들은 도면들을 참조하여 이하에 추가로 기술된다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 에칭 동작들에서 AHM들을 사용하는 방법들의 관련 동작들을 도시하는 프로세스 흐름도이다.
도 2는 다양한 실시예들에 따라 듀얼 무선 주파수 플라즈마 생성기들을 변조함으로써 AHM들을 형성하는 방법들의 관련 동작들을 도시하는 프로세스 흐름도이다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 타이밍 시퀀스 도면이다.
도 4는 다양한 실시예들을 실시하기에 적합한 PECVD 챔버의 개략적인 예시를 도시한다.
도 5는 저온으로 AHM을 증착하는 응력 및 계수를 도시하는 그래프이다.
도 6은 고온으로 AHM을 증착하는 응력 및 계수를 도시하는 그래프이다.
도 7은 열 탈착 분광법 (thermal desorption spectroscopy) 에 의해 측정된 수소 (H2) 를 탈기하는 것을 도시한다.
이하의 기술에서, 다수의 구체적인 상세들은 제시된 실시예들의 전체적인 이해를 제공하기 위해 언급되었다. 개시된 실시예들은 이들 구체적인 상세들의 일부 또는 전부가 없이 실시될 수도 있다. 다른 예에서, 공지의 프로세스 동작들은 개시된 실시예들을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세히 기술되지 않았다. 개시된 실시예들이 구체적인 실시예들과 함께 설명되지만, 이는 개시된 실시예들을 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
반도체 프로세싱에서, 마스킹 방법들이 기판들을 패터닝하고 에칭하기 위해 사용된다. 기판 애스팩트 비들이 증가함에 따라, 고 선택도 하드마스크들에 대한 요구가 증가한다. 높은 에칭 선택도를 갖지만 여전히 기판에 손상을 주지않고 제거하기 쉬운 마스크들이 기판들을 프로세싱하는데 중요하다. AHM들 (ashable hard masks) 은 에칭 정지층들에서, 또는 선택적인 에칭 동안, 또는 포토레지스트가 아래에 놓인 층을 마스크할 만큼 충분한 두께를 갖지 않을 때 마스크들로서 사용될 수 있다. AHM들은 또한 디스플레이 및 다른 기술들에서 유리 기판들 상에 사용될 수도 있다.
AHM들이 이들의 목적을 달성하면, 이들이 “애싱 (ashing)”, “플라즈마 애싱” 또는 “드라이 스트립핑 (dry stripping)” 이라고 하는 기법들에 의해 제거되도록 하는 화학적 조성을 갖는다. AHM의 일 예는 비정질 탄소층 또는 비정질 탄소막이다. AHM은 일반적으로 탄소 및 수소, 그리고 선택적으로, 미량의 하나 이상의 도펀트들 (예를 들어, 질소, 불소, 붕소, 및 실리콘) 로 구성될 수도 있다. AHM의 결합 구조는 증착 조건들에 따라, sp2 (그래파이트형 (graphite-like)) 또는 sp3 (다이아몬드형 (diamond-like)), 또는 양자의 조합일 수도 있다.
도 1은 에칭 동작들에서 하드마스크로서 AHM을 사용하는 방법들의 관련된 동작들을 도시하는 프로세스 흐름도이다. AHM 증착 전에, 에칭되는 층을 갖는 기판이 증착 챔버 내에 제공될 수 있다. 이하의 기술은 주로 반도체 기판들을 참조하지만, 이 방법들은 유리 기판들을 포함하는 다른 타입들의 기판들 상의 층들에 적용될 수도 있다. AHM으로 마스크될 수도 있는 재료들의 예들은 산화물들 (예를 들어, SiO2) 및 질화물들 (예를 들어, SiN 및 TiN) 과 같은 유전체 재료들, 폴리실리콘 (Poly-Si), 및 알루미늄 (Al), 구리 (Cu), 및 텅스텐 (W) 과 같은 금속들을 포함한다. 특정한 실시예들에서, 본 명세서에 기술된 AHM들은 산화물 층들, 질화물 층들, 또는 폴리실리콘층들을 패터닝하도록 사용될 수도 있다.
동작 102에서, AHM은 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 에 의해 에칭되는 층 상에 증착된다. PECVD 프로세스들은 증착 챔버에서 플라즈마를 생성하는 것을 수반한다. 도 2를 참조하여 이하에 더 기술되는 바와 같이, 고주파수 (HF) 전력 및 저주파수 (LF) 전력을 포함하는 듀얼 무선 주파수 (RF) 플라즈마 소스들이 사용될 수도 있다. 일부 프로세스들에서, 하나 이상의 AHM 층들이 증착될 수도 있다.
동작 104에서, 포토레지스트층이 증착되고, 노출되고, 목표된 에칭 패턴에 따라 현상된다. 일부 구현예들에서, 반사-방지층 (ARL) 이 포토레지스트 증착 전에 AHM 상에 증착될 수도 있다.
동작 106에서, AHM은 AHM의 노출된 부분들을 에칭함으로써 개방된다. AHM을 개방하는 것은 플로오린-리치 (fluorine-rich) 건식 에칭에 의해 수행될 수도 있다.
다음에, 동작 108에서, 기판층이 패턴을 기판층에 전사하도록 (transfer) 선택적으로 에칭된다. 선택적인 에칭은 기판층이 AHM 벽들을 실질적으로 약화시키지 않고 에칭되도록 수행될 수도 있다. 에칭들의 예들은 라디컬-기반 에칭 및/또는 이온-기반 에칭을 포함할 수 있다. 에칭 화합물들의 예들은 불소 함유 에칭 화합물과 같은 할로겐-계 에칭 화합물들 및 염소 함유 에칭 화합물들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄화불소 함유 프로세스 가스들로부터 생성된 용량 결합 플라즈마들 (capacitively-coupled plasmas) 이 산화물층들을 선택적으로 에칭하기 위해 사용될 수도 있다. 프로세스 가스들의 구체적인 예들은 선택적으로 산소 (O2) 및 C4H8/CH2F2/O2/Ar과 같은 불활성 가스와 함께 CxFy 함유 프로세스 가스들을 포함한다.
마지막으로, 동작 110에서, AHM을 제거하기 위해 애싱, 플라즈마 애싱, 또는 드라이 스트립핑이라고 지칭되는 기법이 사용된다. 애싱은 산소-리치 건식 에칭에 의해 수행될 수도 있다. 종종, 산소 진공 하에서 챔버에 도입되고, RF 전력은 AHM과 반응하도록 플라즈마 내에 산소 라디컬들을 생성하고 물 (H2O), 일산화 탄소 (CO), 및 이산화 탄소 (CO2) 로 이를 산화한다. 선택적으로, 임의의 남아 있는 AHM 잔여물이 또한 애싱 후에 습식 에칭 프로세스 또는 건식 에칭 프로세스에 의해 제거될 수도 있다. 목표된 패터닝된 기판층이 생성된다.
고 애스팩트 비 패터닝은 높은 에칭 선택도를 갖는 AHM들을 사용한다. 에칭 선택도는 AHM 층의 에칭 레이트를 아래에 놓인 층과 비교함으로써 결정될 수 있다. 에칭 선택도는 또한 AHM 층의 계수, 또는 강도 (rigidity) 를 결정함으로써 근사화될 수 있다. 보다 강하고, 또는 보다 높은 계수의 AHM은 보다 많은 이온 충격들 수반하는 에칭 프로세스에서 보다 높은 에칭 레이트들을 견딜 수 있다. 따라서, 보다 높은 계수를 갖는 AHM들은 보다 높은 선택도 및 보다 낮은 에칭 레이트를 갖고, 고 애스팩트 비 반도체 프로세스들을 프로세싱하기 위해 보다 효율적이고 효과적으로 사용될 수 있다. AHM의 목표된 에칭 선택도 및 계수는 아래에 놓은 층들의 에칭 프로세스 및 조성에 따를 수도 있지만, 에칭 선택도와 계수 간의 상관 관계 (예를 들어, 보다 높은 에칭 선택도에 대해 보다 높은 계수) 가 아래에 놓은 층들의 에칭 프로세스 또는 조성과 관계없이 동일하게 유지된다. 본 명세서에서 기술된 바와 같은 계수-선택도의 상관 관계는 폴리실리콘층들, 산화물 층들, 및 질화물 층들을 포함하는, 모든 타입들의 아래에 놓인 층들에 적용된다.
지금까지, 공지된, 고 선택도의 AHM들은 매우 높은 응력 레벨들을 갖는다. 현재의 방법들은 AHM들을 형성하기 위해 PECVD 프로세스에서 연속파 RF 전력 플라즈마를 사용한다. 연속파 RF 전력 플라즈마를 사용하는 것은 원자들 사이에 보다 많은 sp3 결합들을 생성함으로써 막 밀도를 상승시켜, 에칭 선택도를 증가시키는, 연속하는 이온 충격을 발생한다. 그러나, 연속하는 이온 충격은 또한 막 내에 과도한 결합되지 않은 수소 원자들을 포함하고, 무거운 원자량의 이온들의 높은 이온 충돌들을 유발한다. 이는 높은 응력의 AHM들이 더 쉽게 붕괴하거나 압축되기 때문에 AHM 적용들을 제한하는, 증착된 AHM의 응력을 증가시킬 수도 있다. 증가된 응력 레벨들은 또한 레이저 정렬을 더 어렵게 한다.
다양한 실시예들에 따라, 본 명세서에 고 선택도 및 저 응력을 갖는 AHM들을 형성하는 방법들이 제공된다. 이들 방법들은 주어진 응력 레벨에서 향상된 선택도를 갖는 AHM 또는 주어진 선택도에서 감소된 응력 레벨을 갖는 AHM들 산출하여, 반도체 프로세싱에서 AHM 성능을 향상시킨다.
도 2는 다양한 실시예들에 따라 듀얼 RF 플라즈마 전력을 변조함으로써 AHM들을 형성하는 방법들의 관련 동작들을 도시하는 프로세스 흐름도이다. 방법 (200) 은 동작 202에서, 챔버 내에 기판을 제공함으로써 시작한다. 기판들 및 기판층들의 예들은 도 1을 참조하여 상기에 기술되었다. 도 1에서, 하드마스크로서 AHM을 사용하는 집적 방법이 기술되었다. 일부 다른 실시예들에서, 본 명세서에 기술된 AHM들은 또한 하드마스크들에 부가하여 또는 하드마스크들 대신 에칭 정지층들로서 사용될 수도 있다. 동작 204에서, 기판은 탄소 소스 및 황 소스를 포함하는 프리커서 가스에 노출된다. 일부 실시예들에서, 탄화 수소 프리커서는 일반식 CxHy로 규정된 탄화 수소 프리커서일 수도 있고, 여기서, X는 2 내지 10의 정수이고, Y는 2 내지 24의 정수이다. 예들은 메탄 (CH4), 아세틸렌 (C2H2), 에틸렌 (C2H4), 프로필렌 (C3H6), 부탄 (C4H10), 시클로헥산 (C6H12), 벤젠 (C6H6), 및 톨루엔 (C7H8) 을 포함한다.
일부 실시예들에서, 2종 이상의 탄화 수소 프리커서들이 도입될 수도 있다. 탄화 수소 프리커서들에 부가하여, 캐리어 가스가 프리커서 가스 플로우를 희석하도록 사용될 수도 있다. 캐리어 가스는 헬륨 (He), 아르곤 (Ar), 질소 (N2), 수소 (H2), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 적합한 캐리어 가스일 수도 있다.
증착 챔버 내의 총 압력은 약 1 Torr 내지 약 20 Torr의 범위일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 압력은 약 1 Torr 내지 10 Torr일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 탄화 수소 프리커서는 예를 들어, 본 명세서에 참조로서 통합된 미국 특허 제 7,981,777 호 및 제 7,981,810 호에 기술된 바와 같이, 약 0.01 Torr 내지 약 4 Torr의 낮은 부분 압력으로 도입된다. 특정한 실시예들에서, 부분 압력은 약 0.2 Torr 이하이다.
프리커서 가스 플로우 레이트들은 특정한 증착 챔버 및 기판에 의존한다. 4 개의 300 ㎜ 기판들에 사용된 플로우 레이트들의 예들은 아세틸렌 약 200 sccm 내지 약 4,000 sccm, 수소 약 1,000 sccm 내지 약 20,000 sccm, 및 헬륨 약 1,000 sccm 내지 약 20,000 sccm이다.
본 명세서에 개시된 플로우 레이트들 및 RF 전력들은 300 ㎜ 웨이퍼들에 대해 구성된 4-스테이션 툴에 대한 것이다. 전력 레벨들 및 플로우 레이트들은 일반적으로 스테이션들의 수 및 기판 면적에 선형으로 조정된다. 플로우 레이트들 및 전력들은 면적 당 기준으로, 예를 들어, 2500 W는 0.884 W/㎠로 표현될 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법들은 약 50℃ 내지 약 550℃의 범위의 예들과 함께 목표된 AHM 특성들을 획득하기 위해 임의의 적절한 프로세스 온도로 사용될 수도 있다. 프로세스 온도는 sp2 결합 대 sp3 결합 형성으로 인해 응력, 선택도 및 투과도에 적어도 부분적으로 영향을 줄 수 있다. 보다 높은 온도들이 C-H 결합들의 용이한 파괴 및 이후의 수소의 확산을 가능하게 하기 때문에 보다 높은 온도들은 sp2 리치 비정질 탄소 네트워크 형성을 선호한다. 예를 들어, 약 500℃ 이상의 온도로 증착된 막들은 증가된 탄소 함유량 및 보다 높은 밀도와 함께, sp3 결합들과 비교하여 상당히 많은 sp2 CH 및 CH2 결합들을 가질 수도 있고, 이는 증가된 에칭 선택도와 상관된다. 그러나, 이들 막들은 sp2 탄소 및 보다 낮은 광 밴드갭으로 인해 두꺼운 하드마스크 애플리케이션들에는 적합하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 2 kÅ 이상의 막들은 마스크 정렬을 위한 투과도가 충분하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 633 ㎚ 레이저들이 일반적으로 투과성 막들 및 투과성이 낮은 막들에 사용될 수도 있다. 상기에 참조된 미국 특허 제 7,981,810 호는 보다 낮은 온도들 및/또는 희석된 탄화 수소 프리커서 플로우로 선택성 및 투과성 AHM의 증착을 위한 프로세스 조건들을 제공한다. 보다 낮은 온도들 예를 들어, 약 400℃ 이하에서, 증착된 AHM은 보다 높은 온도들에서 증착된 막에 비해 훨씬 적은 sp2 결합을 가질 수도 있다.
다음에, 동작 206에서, 플라즈마를 고주파수 (HF) RF 성분 및 저주파수 (LF) RF 성분을 포함하는 듀얼 RF 플라즈마 소스를 사용하여 점화함으로써 PECVD에 의해 기판 상에 AHM이 증착된다. 일부 실시예들에서, 실시예들의 방법들은 고 에너지 이온 충격을 생성하기 위해 LF RF 전력을 사용한다. 저주파수 RF 전력은 약 100 ㎑ 내지 약 2 ㎒의 주파수를 갖는 RF 전력을 지칭한다. 일부 실시예들에서, LF 생성기의 동작 능력에 의해 펄스 주파수가 제한될 수도 있다. 일부 실시예들에서, LF RF 전력은 약 400 ㎑, 예를 들어, 430 ㎑의 주파수를 사용하는 RF 전력을 갖는다. 증착 동안, 일부 실시예들에서, LF 전력은 약 0.001 W/㎠ 내지 약 0.05 W/㎠의 범위이고, W/㎠는 제곱 센티미터의 기판 표면 면적 당 와트를 표현한다. 일부 실시예들에서, LF 전력은 약 0 W/㎠ 내지 약 1.25 W/㎠의 범위이다. 고주파수 RF 전력은 약 2 ㎒ 내지 60㎒의 주파수를 갖는 RF 전력을 지칭한다. 일부 실시예들에서, HF RF 전력은 약 13.56 ㎒의 주파수를 사용하는 RF 전력을 갖는다. 증착 동안, 일부 실시예들에서, 기판 면적 당 HF 전력은 약 0.001 W/㎠ 내지 약 0.05 W/㎠의 범위이다. 일부 실시예들에서, 기판 면적당 HF 전력은 약 0.05 W/㎠ 내지 1.25 W/㎠의 범위이다.
다음에, 동작 208에서, 상기 LF 전력은 펄스되는 반면 HF 전력은 일정하다. 다양한 실시예들에서, 상기 LF 전력은 상기 LF 전력을 스위칭 온하고 스위칭 오프함으로써 펄스된다. 특정한 실시예들에서, 상기 LF 전력은 약 0 W/㎠ 내지 약 0.05 W/㎠ 로 펄스된다. 다양한 실시예들에서, 상기 LF 전력은 비-제로 전력 레벨들 사이에서 LF를 스위칭함으로써 펄스된다. 일부 실시예들에서, 상기 LF 전력은 약 0 W/㎠ 내지 0.02 W/㎠로 펄스된다. 많은 실시예들에서, HFRF의 전력 및 LFRF의 전력은 플라즈마를 유지하기에 충분하다.
LF 펄싱에 대한 듀티 사이클 (LF가 온 또는 높은 전력인 동안의 시간의 단편 (fraction)) 은 약 10% 내지 약 70%의 범위이다. 다양한 실시예들에서, 상기 LF 전력은 약 2 ㎐ 내지 약 10 ㎐의 주파수로 펄스된다. 일부 실시예들에서, 상기 LF 전력은 적어도 약 10 ㎐로, 또는 적어도 약 20 ㎐, 또는 적어도 약 100 ㎐, 또는 적어도 약 200 ㎐의 주파수로 펄스된다.
프리커서 가스 플로우는 또한 LF 전력 펄싱에 대해 동기화되거나 동기화되지 않은 방식으로 펄스될 수 있다. 가스 펄싱은 에칭 선택도를 향상시키기 위해 막 특성들을 더 변경할 수도 있는, RF 펄싱과 결합될 수도 있다. 예를 들어, 프로세스 가스는 50%의 듀티 사이클, 또는 0.5 초의 펄스 폭으로 펄스될 수도 있다. 다양한 실시예들에 따라, 프로세스 가스의 펄스 주파수는 약 0.05 ㎐ 내지 약 1 ㎐이다.
일부 실시예들에서, HF RF 성분 및 LF RF 성분은 동기화된 방식으로 펄스될 수 있다. HF 성분이 펄스되면, 이는 높은 전력에서 낮은 전력으로 펄스되고 플라즈마 시스 붕괴를 방지하기 위해 턴 오프되지 않는다. 대안적으로, LF RF 전력만을 펄싱하는 것이 보다 안정한 플라즈마를 형성하는데 유리할 수도 있다.
도 3은 LF 전력이 약 0.5 초의 펄스 폭에 대해 2 ㎐로 펄스되고 LF 전력이 약 0.2 초 동안 온되고 약 0.3 초 동안 오프되는 듀얼 RF 플라즈마 소스를 사용하여 PECVD에 의해 AHM이 증착되는 일부 실시예들에 대한 타이밍 시퀀스도이다. 도 3에 3 개의 펄스들이 도시된다. 다른 실시예들에서, 펄스 주파수는 약 2 ㎐ 내지 약 200 ㎐일 수도 있다. 프리커서 가스 플로우의 프로세스 파라미터들, 압력, 캐리어 가스 플로우, 및 HF 전력은 일정하다.
펄싱 LF 전력은 층에 나쁜 영향을 주는 이온 및 원자를 완화시켜, 층 상에 낮은 응력을 야기한다. 층 상에 나쁜 영향을 주는 이온 및 원자의 이러한 완화는 막의 조밀화를 최적화하고 층 내의 수소 함유량을 감소시킨다. 따라서, 층 상의 응력이 감소된다.
다양한 실시예들에 따라, 증착된 AHM들은 아래에 놓은 층에 비해 약 3.6:1 내지 약 4.4:1의 에칭 선택도를 갖는다. 일부 실시예들에서, 증착된 AHM들은 약 18%의 수소 함유량을 갖는다. 일부 실시예들에서, 증착된 AHM들은 약 15%보다 작은, 약 10%보다 작은, 또는 약 5%보다 작은 수소 함유량을 갖는다.
일부 실시예들에서, 증착된 AHM은 1:1의 계수 대 응력 비 (modulus to stress ratio) 를 갖는다. 일부 실시예들에서, 증착된 AHM의 계수는 약 70 GPa이고 응력은 약 -80 MPa이다.
도 2를 참조하면, 동작 206 및 동작 208은 목표된 두께의 막이 증착될 때까지 계속된다. 다양한 실시예들에 따라, 약 1000 Å 내지 약 90,000 Å의 두께를 갖는 막이 증착된다. 일부 실시예들에서, 얇은 AHM 층이 약 50 Å 내지 약 900 Å의 두께로 증착될 수도 있다.
장치
실시예들은 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 반응 장치에서 구현될 수 있다. 이러한 반응 장치는 많은 상이한 형태들을 취할 수도 있다. 다양한 실시예들은 기존의 반도체 프로세싱 장비 - 특히, Lam Research Corporation으로부터 입수가능한 SequelTM 또는 VectorTM과 같은, 기존의 반도체 프로세싱 장비와 호환가능할 수도 있다. 다양한 실시예들이 멀티-스테이션 또는 단일 스테이션 툴 상에서 구현될 수도 있다. 구체적인 실시예들에서, 4-스테이션 증착 스킴을 갖는 300 ㎜ Lam VectorTM 툴 또는 6-스테이션 증착 스킴을 갖는 200㎜ SequelTM 툴이 사용된다.
일반적으로, 장치는 각각 하나 이상의 스테이션들을 포함하는, 하나 이상의 챔버들 또는 반응 장치들을 포함할 것이다. 챔버들은 하나 이상의 웨이퍼들을 하우징할 수 있고 웨이퍼 프로세싱에 적합하다. 하나 이상의 챔버들은 회전, 진동, 또는 다른 동요를 방지함으로써, 규정된 위치 또는 규정된 위치들에 웨이퍼를 유지한다. 일부 실시예들에서, AHM 증착을 겪는 웨이퍼는 프로세스 동안 챔버 내에서 하나의 스테이션에서 다른 스테이션으로 이동될 수도 있다. 예를 들어, 2000 Å의 AHM 증착은 하나의 스테이션에서 전체적으로 발생할 수도 있고, 또는 500 Å의 막이 다양한 실시예들에 따라 4 개의 스테이션들 각각에서 증착될 수도 있다. 대안적으로, 총 막 두께의 임의의 다른 단편이 임의의 수의 스테이션들에서 증착될 수도 있다. 다양한 실시예들에서 하나 이상의 AHM이 증착될 때, 하나 이상의 스테이션이 각각의 AHM 층을 증착하도록 사용될 수도 있다. 프로세싱 동안, 웨이퍼 각각은 페데스탈, 웨이퍼 척, 및/또는 다른 웨이퍼 홀딩 장치에 의해 제 위치에 홀딩된다. 웨이퍼가 히팅되는 특정한 동작들에서, 장치는 히팅 플레이트와 같은 히터를 가질 수도 있다.
도 4 다양한 실시예들을 실시하기에 적합한 PECVD의 개략적인 예시를 도시한다. 도시된 바와 같이, 반응 장치 (400) 는 다른 반응 장치 구성요소들을 둘러싸고, 접지된 히터 블록 (420) 과 함께 작동하는 샤워헤드 (414) 를 포함하는 캐패시터 타입 시스템에 의해 생성된 플라즈마를 포함하는 프로세스 챔버 (424) 를 포함한다. 고주파수 RF 생성기 (404) 및 저주파수 RF 생성기 (402) 는 샤워헤드 (414) 에 또한 접속되는, 매칭 네트워크 (406) 에 접속된다. 매칭 네트워크 (406) 에 의해 공급된 전력 및 주파수는 프로세스 가스로부터 플라즈마를 생성하기에 충분하다. 제어기는 프리커서 가스를 유입하고, HF RF 생성기 (404) 에서 HF 전력을 스위칭 온하고, HF RF 생성기 (404) 와 LF RF 생성기 (402) 사이에서 LF 전력을 스위칭 온하고 스위칭 오프하기 위한 머신 판독가능한 인스트럭션들을 제공한다. 제어기 (428) 는 장치가 본 실시예들에 따른 방법을 수행하도록 대용량 저장 디바이스 저장되고, 메모리 디바이스로 로딩되고, 프로세서 상에서 실행되는 머신-판독가능 시스템 제어 소프트웨어를 실행한다. 대안적으로, 제어 로직은 시스템 제어기 (428) 내에 하드 코딩 (hard coding) 될 수도 있다. ASIC들 (Applications Specific Integrated Circuits), 프로그램 가능한 논리 디바이스들 (Programmable Logic Devices) (예를 들어, FPGA들 (field-programmable gate arrays), 등이 이들 목적들로 사용될 수도 있다. “소프트웨어” 또는 “코드”가 사용되는 경우, 기능적으로 비교가능한 하드 코딩된 로직이 그 자리에 사용될 수도 있다.
반응 장치 내에서, 웨이퍼 지지부 (418) 는 기판 (416) 을 홀딩한다. 페데스탈은 일반적으로 증착 및/또는 플라즈마 처리 반응들 동안 그리고 증착과 플라즈마 처리 반응들 사이에서 기판을 홀딩하고 이동시키기 위한 척, 포크 (fork), 또는 리프트 핀들 (lift pins) 을 갖는다. 척은 정전 척, 기계적인 척 또는 산업 및/또는 연구에 사용할 수 있는 다양한 다른 타입들의 척일 수도 있다.
프로세스 가스들은 유입구 (412) 를 통해 도입된다. 다수의 소스 가스 선들 (410) 이 매니폴드 (408) 에 접속된다. 가스들은 선택적으로 미리 혼합될 수도 있다. 적절한 밸브 및 질량 유량 (mass flow) 제어 매커니즘들이 프로세스 동안 정확한 가스들이 전달되는 것을 보장하기 위해 채택된다. 임의의 화학적 프리커서(들)가 액체 형태로 전달되는 경우에서, 액체 유량 제어 매커니즘들이 채택된다. 그 후 액체는 기화되고 증착 챔버에 도달하기 전에 자신의 기화점 이상으로 히팅된 매니폴드 내에서의 이동 동안 다른 프로세스 가스들과 혼합된다.
프로세스 가스들은 유출구 (422) 를 통해 챔버 (400) 를 나온다. 진공 펌프 (426) (예를 들어, 1단계 또는 2단계 기계적 드라이 펌프, 또는 터보분자 (turbomolecular) 펌프) 는 프로세스 가스들을 유출하고 (draw out), 쓰로틀 밸브 (throttle valve) 또는 진자 밸브 (pendulum valve) 와 같은 폐루프 제어된 유량 제한 디바이스에 의해 반응 장치 내에 적합한 낮은 압력을 유지한다.
실험
이하의 예들은 다양한 실시예들의 양태들을 더 예시하도록 제공된다. 이들 예들은 양태들을 예를 들고 보다 분명하게 예시하기 위해 제공되고 제한하도록 의도되지 않는다. 이하에 기술된 무선 주파수 (RF) 전력 레벨들은 300 ㎜ 웨이퍼들을 위해 구성된 4-스테이션 툴을 위한 것이다.
예시적인 데이터가 도 2의 프로세스의 실시예를 위해 수집되었다. 도 5는 저온에서 AHM 증착을 위한 MPa 단위의 응력의 함수로서 GPa 단위의 AHM 계수를 도시한다.
AHM은 C2H2를 프리커서로서 그리고 N2 및 He를 캐리어 가스들로서 사용하여 기판 상의 유전체 막 상에 증착된다. LF 변조를 사용하지 않고 증착된 AHM 계수 및 응력이 측정되었다. 이러한 데이터는 도 5에서 다이아몬드형 점들과 실선으로 나타내었다. 캐리어 가스 플로우, 챔버 압력, 프로세스 온도, 및 프리커서 프로세스 가스 플로우가 일정하게 유지된다. 표 1의 파라미터들이 사용되었다.
표 1. 저온 무변조 AHM 증착
파라미터들 파라미터 범위
N2 3000 sccm 0 내지 10000 sccm
C2H2 300 sccm 0 내지 10000 sccm
He 8000 sccm 1000 내지 20000 sccm
HF 전력 0.35 W/㎠ 0.05 내지 1.25 W/㎠
LF 전력 0.42 W/㎠ 0 내지 1.25 W/㎠
압력 2.5 Torr 1 내지 20 Torr
PECVD 방법들을 사용하여 AHM을 증착하기 위해 연속파 플라즈마 생성이 사용된다. 플라즈마 소스가 13.56 ㎒의 주파수를 갖는 HF 전력, 및 430 ㎑의 주파수를 갖는 LF 전력을 생성하였다. HF 전력은 0.35 W/㎠이고 상기 LF 전력은 0.42 W/㎠이다. 상기 LF 전력은 펄스되지 않고; AHM 증착 동안 HF 전력 및 LF 전력 양자가 온이고 일정하다.
LF 변조를 사용하여 증착된 계수 및 AHM 응력이 측정되었다. 이 데이터는 도 5에서 원형 점들과 점선으로 나타낸다. 캐리어 가스 플로우, 챔버 압력, 프로세스 온도, 및 프리커서 프로세스 가스 플로우가 일정하게 유지된다. 표 2의 파라미터들이 사용된다.
표 2. 저온 LF-변조 AHM 증착
LF 온 페이즈 파라미터 범위
N2 3000 sccm 0 내지 10000 sccm
C2H2 300 sccm 0 내지 10000 sccm
He 8000 sccm 1000 내지 20000 sccm
HF 전력 0.35 W/㎠ 0.05 내지 1.25 W/㎠
LF 전력 0.42 W/㎠ 0 내지 1.25 W/㎠
압력 2.5 Torr 1 내지 20 Torr
LF 온 시간 90 sec 1 내지 200 sec
LF 오프 페이즈 파라미터 범위
N2 3000 sccm 0 내지 10000 sccm
C2H2 300 sccm 0 내지 10000 sccm
He 8000 sccm 1000 내지 20000 sccm
HF 전력 0.35 W/㎠ 0.05 내지 1.25 W/㎠
LF 전력 0 W/㎠ 고/저 변조에 대해 0 W/㎠ 이하
(0.02 내지 0.10 W/㎠)
압력 2.5 Torr 1 내지 20 Torr
LF 오프 시간 180 sec 1 내지 200 sec
듀얼 RF 플라즈마 소스가 13.56 ㎒의 주파수를 갖는 HF 전력, 및 430 ㎑의 주파수를 갖는 LF 전력을 생성하였다. HF 전력은 0.35 W/㎠이고 상기 LF 전력은 0 W/㎠ 내지 0.42 W/㎠로 펄스된다. 상기 LF 전력은 2 ㎐의 주파수로 펄스된다.
펄스되지 않은 AHM 및 펄스된 AHM 양자에 대해 응력 및 계수 데이터가 취해지고 결과들이 도 5의 그래프이다. 종합적으로, -450 MPa와 같이 주어진 응력에 대해, LF-펄스된 AHM의 계수는 보다 높다. 이는 증가된 막의 강도와 그에 따라 증가된 에칭 선택도를 제안한다. 임의의 주어진 계수에 대해, 전체 응력이 감속된다. 예를 들어, 60 GPa의 AHM 계수에 대해, 전체 응력은 -450 MPa 내지 -150 MPa로 감소되고, 전체 AHM은 응력이 0 MPa에 도달함에 따라 덜 압축된다는 것을 제안한다.
실험적인 데이터가 도 6의 프로세스의 다른 실시예를 위해 수집되었다. 도 6은 OPOP (산화물/폴리실리콘 스택) 에칭에서 증착된 폴리실리콘에 대한 AHM 에칭 선택도를 고온에서 MPa 단위의 응력의 함수로 도시한다.
응력 및 선택도에 대한 데이터가 연속파 플라즈마 생성을 사용하여 증착된 AHM들에 대해 수집된다. 이 데이터는 도 6에서 다이아몬드형 점들과 실선으로 나타낸다. 폴리실리콘 기판층은 550℃에서 캐리어 가스들 He 및 N2를 사용하여 프리커서 프로세스 가스 C2H2에 노출된다. 캐리어 가스 플로우, 챔버 압력, 프로세스 온도, 및 프리커서 프로세스 가스 플로우는 일정하게 유지된다. LF 펄싱은 AHM 에칭 선택도를 200%만큼 증가시킨다. 이하의 파라미터들이 사용된다:
표 3. 고온 무변조 AHM 증착
파라미터들 파라미터 범위
N2 1000 sccm 0 내지 10000 sccm
C2H2 900 sccm 0 내지 10000 sccm
He 9000 sccm 1000 내지 20000 sccm
HF 전력 0.22 W/㎠ 0.05 내지 1.25 W/㎠
LF 전력 0.22 W/㎠ 0 내지 1.25 W/㎠
압력 5 Torr 1 내지 20 Torr
듀얼 RF 플라즈마 소스가 13.56 ㎒의 주파수를 갖는 HF 전력, 및 430 ㎑의 주파수를 갖는 LF 전력을 생성하였다. HF 전력은 0.22 W/㎠이고 상기 LF 전력은 0.22 W/㎠이다. 상기 LF 전력은 펄스되지 않고; AHM 증착 동안 HF 전력 및 LF 전력 양자가 온이고 일정하다.
다음에, 펄스된 LF PECVD를 사용하여 증착된 AHM 에칭 선택도 및 응력에 대한 데이터가 수집된다. 이 데이터는 도 6에서 원형 점들로 나타낸다. 폴리실리콘 기판층은 550℃에서 프리커서 프로세스 가스 C2H2에 노출된다. 캐리어 가스 플로우, 챔버 압력, 프로세스 온도, 및 프리커서 프로세스 가스 플로우는 일정하다. 이하의 파라미터들이 사용되었다:
표 4. 고온 LF-변조 AHM 증착
LF 온 페이즈 파라미터 범위
N2 1000 sccm 0 내지 10000 sccm
C2H2 900 sccm 0 내지 10000 sccm
He 9000 sccm 1000 내지 20000 sccm
HF 전력 0.22 W/㎠ 0.05 내지 1.25 W/㎠
LF 전력 0.22 W/㎠ 0 내지 1.25 W/㎠
압력 5 Torr 1 내지 20 Torr
LF 온 시간 150 sec 1 내지 200 sec
LF 오프 페이즈 파라미터 범위
N2 1000 sccm 0 내지 10000 sccm
C2H2 900 sccm 0 내지 10000 sccm
He 9000 sccm 1000 내지 20000 sccm
HF 전력 0.22 W/㎠ 0.05 내지 1.25 W/㎠
LF 전력 0 W/㎠ 0 W/㎠ 이하
(0.02 내지 0.10 W/㎠)
압력 5 Torr 1 내지 20 Torr
LF 오프 시간 300 sec 1 내지 300 sec
듀얼 RF 플라즈마 소스가 13.56 ㎒의 주파수를 갖는 HF 전력, 및 430 ㎑의 주파수를 갖는 LF 전력을 생성하였다. HF 전력은 0.22 W/㎠이고 상기 LF 전력은 0 W/㎠ 내지 0.22 W/㎠로 펄스된다. 상기 LF 전력은 2 ㎐의 주파수로 펄스된다.
에칭 선택도는 연속파 및 LF-펄스된 AHM들 양자에 대해 측정되었다. 이 결과들이 도 6의 그래프이다. 종합적으로, 명시된 응력 레벨에서, LF-펄스된 AHM 막의 전체 선택도는 폴리실리콘에 대해 연속파 플라즈마 AHM 막보다 높은 선택도를 갖는다. 이는 증착 프로세스에서 LF 펄싱이 에칭 선택도를 증가시키고, AHM 기술을 상당히 향상시킨다고 제안한다.
관례적인 연속파 플라즈마 AHM들 및 LF-펄스된 AHM들로부터 AHM의 분자 조성을 결정하기 위해, TDS (thermal desorption spectroscopy) 방법들이 사용된다. 도 7은 연속파 플라즈마 및 LF-펄스된 플라즈마를 사용하여 증착된 두 AHM들로부터의 TDS 결과들을 도시한다. 보다 높은 온도들에서, 증착된 AHM 막은 연속파 플라즈마를 사용하여 증착된 AHM보다 적은 H2를 탈기하고, AHM 상에 남아 있는 보다 적은 H 함유량을 제안한다. AHM 내의 보다 적은 H 함유량으로, AHM은 보다 안정한 분자 구조를 가져 보다 높은 선택도 및 개선된 AHM 성능을 갖는다.
결론
전술한 실시예들이 이해의 명확성을 목적으로 다소 상세히 기술되었지만, 특정한 변화들 및 수정들이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 실시예들의 프로세스들, 시스템들, 및 장치를 구현하는 많은 대안적인 방식들이 있다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 본 실시예들은 예시적이고 비제한적인 것으로 간주되고, 실시예들은 본 명세서에 주어진 상세들로 제한되는 것은 아니다.

Claims (15)

  1. 애싱가능한 하드마스크 (AHM; ashable hard mask) 를 형성하는 방법에 있어서,
    탄화 수소 프리커서 가스를 포함하는 프로세스 가스에 반도체 기판을 노출시키는 단계; 및
    고주파수 (HF) 성분 및 저주파수 (LF) 성분을 포함하는 듀얼 무선 주파수 (RF) 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마를 사용하는 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스에 의해 AHM을 상기 기판 상에 증착하는 단계를 포함하고,
    증착 동안, HF 전력은 일정한 반면, LF 전력은 펄스되는, AHM을 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LF 전력은 비-제로 전력 레벨들로 펄스되는, AHM을 형성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 LF 전력은 상기 LF 전력을 스위칭 온하고 스위칭 오프함으로써 펄스되는, AHM을 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    LF RF 전력의 주파수는 약 400 ㎑인, AHM을 형성하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LF 전력은 약 2 ㎐ 내지 약 200 ㎐의 주파수로 펄스되는, AHM을 형성하는 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LF 전력은 약 2 ㎐ 내지 약 10 ㎐의 주파수로 펄스되는, AHM을 형성하는 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증착된 하드마스크는 1의 계수 대 응력 비 (modulus to stress ratio) 를 갖는, AHM을 형성하는 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증착된 하드마스크는 산화물, 질화물 또는 폴리실리콘층에 대해 약 3.6 내지 약 4.4의 에칭 선택도를 갖는, AHM을 형성하는 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증착된 하드마스크는 약 15%보다 작은 수소 함유량을 갖는, AHM을 형성하는 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AHM은 약 275℃ 내지 550℃의 프로세스 온도로 증착되는, AHM을 형성하는 방법.
  11. 비정질 탄소층을 형성하는 방법에 있어서,
    탄화 수소 프리커서 가스를 포함하는 프로세스 가스에 반도체 기판을 노출시키는 단계; 및
    고주파수 (HF) 성분 및 저주파수 (LF) 성분을 포함하는 듀얼 무선 주파수 (RF) 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마를 사용하는 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스에 의해 비정질 탄소층을 상기 기판 상에 증착하는 단계를 포함하고,
    증착 동안 HF 전력은 일정한 반면, LF 전력은 펄스되는, 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 LF 전력은 비-제로 전력 레벨들 사이에서 펄스되는, 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 LF 전력은 상기 LF 전력을 스위칭 온하고 스위칭 오프함으로써 펄스되는, 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LF 전력은 약 2 ㎐ 내지 약 10 ㎐의 주파수로 펄스되는, 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  15. 반도체 기판을 프로세스하도록 구성된 장치에 있어서,
    (a) 증착 챔버로서,
    샤워헤드,
    고주파수 (HF) 성분 및 저주파수 (LF) 성분을 포함하는 듀얼 무선 주파수 (RF) 플라즈마 생성기,
    매칭 네트워크,
    기판 지지부, 및
    하나 이상의 가스 유입구들 (inlets) 을 포함하는, 상기 증착 챔버; 및
    (b) 상기 장치 내에서 동작들을 제어하기 위한 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    반도체 기판을 탄화 수소 프리커서 가스를 포함하는 프로세스 가스에 노출시키고,
    HF 전력을 스위칭 온하고,
    LF 전력을 펄스하고, 그리고
    PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 프로세스에 의해 AHM을 상기 기판 상에 증착하기 위한 머신 판독가능한 인스트럭션들을 포함하고,
    상기 HF 전력은 일정한 반면, 상기 LF 전력은 펄스되는, 상기 반도체 기판을 프로세스하도록 구성된 장치.
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