KR20180008343A - 에천트 막을 이용한 순환적 건식 식각 방법 - Google Patents
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Abstract
적어도 하나의 식각 사이클을 포함하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법으로서, 상기 식각 사이클은: 상기 기판상의 상기 타겟층 상에 반응성 종들을 사용하여 할로겐-함유막을 퇴적시키는 단계로서, 상기 할로겐-함유막 및 상기 타겟층은 서로 접촉하는, 상기 할로겐-함유막을 퇴적시키는 단계; 및 상기 할로겐-함유막 및 상기 타겟층의 경계 영역에서 에천트 종들을 생성하여, 상기 경계 영역 내의 타겟층의 일부를 식각하도록, 플라즈마 단독으로 상기 타겟층을 실질적으로 식각하지 않는, 비-할로겐 식각 가스의 플라즈마를 사용하여 상기 할로겐-함유막을 식각하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 실리콘 또는 금속 산화물, 질화물 또는 탄화물로 구성된 층의 순환적 건식 식각 방법에 관한 것이다.
원자층 식각(Atomic Layer Etching, 이하 ALE)은 일본 특허 공개 공보 제2013-235912호 및 제2014-522104호에 개시된 바와 같이, 타겟막 상에 흡착되고 여기된(excited) 반응 종들과 반응한 에천트 가스를 사용하는 순환적, 원자 층-레벨 식각이다. 종래의 식각 기술과 비교하여, ALE는 미세하고 폭이 좁은 요철 패턴들을 형성하도록 나노 미터 이하 오더(order)의 정밀한, 원자층 수준의 연속 식각을 수행할 수 있으며, 그리고 예를 들어 더블 패터닝 프로세스들 등에 적합할 수 있다. 에천트 가스로서는 Cl2, HCl, CHF3, CH2F2, CH3F, H2, BCL3, SiCl4, Br2, HBr, NF3, CF4, C2F6, C4F8, SF6, O2, SO2 및 COS 등이 알려져 있다. 그러나, 실리콘 산화물 또는 질화물 막과 같은 산화물 또는 질화물 미네랄 막을 식각할 때 ALE에 의한 기판상의 막의 식각의 면내 균일성은 만족스럽지 않다는 것이 밝혀졌다.
에천트 가스로서 Cl2를 사용하는 ALE에 의해 Si 또는 GaAs를 식각할 때, 비교적 양호한 식각의 면내 균일성이 얻어질 수 있다. 그러나, 에천트 가스로서 C4F8과 같은 플루오로 카본을 사용하는 ALE에 의해 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 막을 식각할 때, 양호한 식각의 면내 균일성이 얻어지지 않는다. 이것은, 비록 종래에, 상기 에천트 가스의 흡착을 종종 "화학 흡착 (chemisorption)"이라고 부르곤 했다는 사실에도 불구하고, 상기 에천트 가스는, 화학 흡착이 아닌, 물리적 흡착을 통해 기판의 표면에 흡착되기 때문이다. 즉, 종래의 ALE는 그 표면 상에 물리적으로 흡착된 에천트 가스에 의해, 여기서 상기 흡착된 에천트 가스는 여기된 종들과 반응하고, 그리고 또한 퍼지된 후에 상기 반응 공간에 잔류하여 가스-상(phase) 식각을 야기하는 에천트 가스에 의해 금속 또는 실리콘 산화물 또는 질화물 막을 식각한다. 그 결과, 식각의 면내 균일성이 악화된다. 에천트 가스가 기판의 표면상에 화학 흡착되는 경우, 상기 흡착은 자기-제한 흡착 반응 프로세스인 화학적 포화 흡착인 "화학 흡착"이며, 여기서 상기 퇴적된 에천트 가스 분자의 양은 상기 반응성 표면 사이트들의 수에 의해 결정되고 포화 후 상기 전구체 노출과 독립적이고, 그리고 상기 에천트 가스의 공급은 상기 반응성 표면 사이트들이 그것에 의하여 사이클당 포화되도록 한다(즉, 주기당 표면 상에 흡착된 상기 에천트 가스는 원칙적으로 1 분자 두께를 갖는다). 기판 표면 상에 에천트 가스의 화학 흡착이 일어나면, 식각의 높은 면내 균일성이 달성될 수 있다. 종래의 ALE는, 흡착을 "화학 흡착(chemisorption)"이라고 부름에도 불구하고, 사실상 물리적 흡착에 의해 기판 표면(예를 들어, SiO2 및 SiN) 상에 에천트 가스를 흡착한다. 에천트 가스의 흡착이 화학 흡착인 경우, 식각의 면내 균일성은 논리적으로 높고, 또한 상기 사이클 당 식각률은 상기 표면이 에천트 가스 분자들에 의해 포화된 후에, 상기 에천트 가스의 상기 유량 또는 에천트 가스의 유동의 펄스의 상기 지속 시간에 영향을 받지 않아야 한다. 그러나, 종래의 에천트 가스 중 어느 것도 상기를 만족하지 않는다.
전술한 내용 및 상기 관련된 기술과 관련된 문제 및 해결들의 임의의 다른 논의는 오로지 본 발명을 위한 맥락을 제공하기 위한 목적으로 본 개시 내용에 포함되었고, 그리고 발명 만들어진 당시에 상기 논의의 일부 또는 전부가 알려졌다는 인정으로 받아들여져서는 안된다.
일부 실시예들에서, 에천트의 성분들로 구성된 막(이는 "에천트 막"이라고 지칭될 수 있다)은 타겟층의 표면 상에 퇴적되고, 그 다음, 상기 타겟층 뿐만 아니라 상기 에천트 막이 플라즈마 프로세스를 사용하여 식각된다. 상기 퇴적 단계 및 상기 식각 단계를 수행하고 필요에 따라 그들을 교대로 반복함으로써, 상기 퇴적 단계 및 상기 식각 단계를 식각 사이클로서 수행할 때마다 상기 타겟층이 실질적으로 일정한 소정의 양만큼 식각될 수 있다. 상기에서, 상기 에천트 성분들은 초기에는 상기 타겟층을 식각하는 에천트 가스로서 작용하지 않고 상기 타겟층의 상기 표면 상에 막을 형성한다. 일부 실시예들에서, "막"은 전체 타겟 또는 상기 타겟의 관련된 표면을 덮도록 실질적으로 핀 홀들이 없이 두께 방향에 수직인 방향으로 연속적으로 연장되는 층을 지칭하며, 그리고 일반적으로 막은 단순히 상기 표면상의 가스 분자들의 화학적 또는 물리적 흡착에 의해 형성되는 것이 아니라 반응성 종들을 사용한 반응을 통해 형성된다; 따라서, 퇴적 공정이 계속됨에 따라 상기 막은 두께 방향으로 원자층 두께를 넘어서 성장할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 타겟층의 상기 표면 상에 퇴적된 상기 에천트 막이 산소 플라즈마와 같은 반응성 이온들에 의해 식각될 때, 상기 에천트 막의 상기 성분들이 해리되고 반응성 이온과 반응하여, 상기 에천트 막과 상기 타겟층 사이의 경계에서 상기 타겟층의 일부를 식각할 수 있는 반응성 에천트 종들을 생성한다. 상기에서, 상기 반응성 에천트 종들은 상기 경계의 근방에서 생성될 필요가 있기 때문에 상기 경계에서의 상기 에천트 막의 특정 두께만이 상기 타겟층의 식각 반응에 기여할 수 있다. 또한, 상기 에천트 막을 식각하는 상기 반응성 이온들이 상기 타겟층을 식각하지 않기 때문에, 상기 에천트 막이 상기 반응성 이온들에 의해 제거되면, 상기 타겟층의 상기 식각 반응이 정지한다. 따라서, 상기 방법에 의해, 상기 타겟층의 일정한 양이 항상 하나의 식각 사이클에 의해 식각될 수 있고, 이에 따라, 식각 공정들의 제어성 및 조작성이 제고된다.
예를 들어, 상기 타겟층이 SiO2로 구성된 경우, 플루오로 카본막(CF 막)이 에천트 막으로서 PECVD(plasma-enhanced CVD) 또는 열적 CVD에 의해 상기 타겟층의 표면에 퇴적되고, 상기 에천트 막을 제거하고 동시에 상기 타겟층의 상기 표면을 식각하기 위해, 그 다음 상기 에천트 막의 산소 플라즈마에 대한 노출시킨다. 상기에서, "동시에"는 실질적으로 또는 주로 동시에 또는 실질적으로 또는 주로 시간이 중첩되는 방식으로 발생하는 것을 지칭한다. 상기에서, 상기 에천트 막의 상기 두께가 증가함에 따라 상기 타겟층의 상기 식각된 부분의 상기 깊이는 증가한다; 그러나, 상기 식각된 부분의 상기 깊이는 상기 에천트 막의 상기 두께가 특정 값에 도달할 때 안정 상태에 도달하고 더 이상 증가하지 않는다. 유사하게, 상기 에천트 막의 플라즈마에 대한 노출의 지속 시간이 증가함에 따라 상기 타겟층의 상기 식각된 부분의 상기 깊이는 증가한다; 그러나, 상기 식각된 부분의 상기 깊이는 상기 플라즈마에 대한 상기 에천트 막의 노출의 상기 지속 시간이 특정 값에 도달할 때 안정 상태에 도달하고 더 이상 증가하지 않는다. 즉, 일부 실시예들에서, 상술된 식각 프로세스는 포화점들을 갖는 상기 두 개의 파라미터들을 갖는 자기-제한적 반응 프로세스이다.
상기에서, 상기 CF 막은 CFx, COFx, COx 등의 가스들과 같은 상기 산소 플라즈마에 의해 제거되고, 상기 SiO2 층의 표면의 상기 근방의 영역에서, 상기 SiO2 층의 일부도 또한 동시에 SiFx, COx 등의 가스들로서 제거된다. 상기 CF 막의 상기 경계와 인접한 부분만이 상기 SiO2 층의 상기 부분의 제거에 기여하고, 상기 CF막의 상기 나머지 부분은 상기 SiO2 층의 제거에 기여하지 않으며, 상기 산소 플라즈마에 의해 단순히 제거된다. 따라서, 상기 SiO2층의 상기 식각된 부분의 상기 깊이는 상기 CF막의 상기 두께와 관련하여 안정 상태에 도달한다. 또한, 상기 산소 플라즈마를 이용한 상기 SiO2 층의 식각은 상기 CF막이 존재할 때만 효과적이기 때문에, 상기 CF막이 제거(다 소모)되면, 상기 SiO2 층의 식각이 정지하고, 즉, 상기 SiO2 층의 상기 식각된 부분의 상기 깊이는 또한 상기 산소 플라즈마 노출의 상기 지속 시간과 관련하여 안정 상태에 도달한다.
일부 실시예들에서, 상기 타겟층은 불소를 사용하여, 즉 CF 막을 사용하여 식각될 수 있는 임의의 재료(예컨대, TiO2)로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 타겟층은 적절한 에천트 막이 선택되는 한, 불소 이외의 할로겐을 사용하여 식각될 수 있는 물질로 구성될 수 있다. 일반적으로, 상기 에천트 막은 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 공정에서 산소 플라즈마에 노출된다. 상기 식각 프로세스는 자기-제한적 반응 프로세스(또는 포화 프로세스)를 포함하기 때문에 높은 제어성을 실현할 수 있다.
본 발명의 양상들 및 상기 관련 기술에 대해 달성된 장점들을 요약하기 위해, 본 발명의 특정 목적들 및 장점들이 본 개시에서 설명된다. 물론, 반드시 그러한 모든 목적들 또는 이점들이 본 발명의 임의의 특정 실시예에 따라 달성될 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들어, 본 분야의 숙련된 기술자는, 본 발명은 여기에서 교시 또는 제안될 수 있는 다른 목적 또는 이점을 반드시 필요적으로 달성함 없이, 여기에 교시된 바와 같은 하나의 장점 또는 장점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 수행될 수 있음을 인식할 것이다.
더 이상의 양상들, 특징들 및 이점들은 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들은 바람직한 실시예의 상기 도면을 참조하여 설명될 것이고 이는 본 발명을 제한하려는 것이 아니고 예시하기 위한 것이다. 상기 도면들은 예시적인 목적들을 위해 크게 단순화되었으므로 반드시 스케일될 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 사용할 수 있는 플라즈마-보조 순환적 식각 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 일 사이클의 플라즈마-보조 순환적 식각의 개략적인 공정 순서를 도시하며, 여기서 상기 순서로 도시된 단계는 ON 상태를 나타내는 반면 상기 순서에 도시된 단계는 OFF 상태를 나타내지 않으며, 각 ON 및 OFF 상태들은 각 프로세스의 지속 시간을 나타내지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 공정의 개략적인 도면들로서, (a)는 퇴적 단계, (b)는 식각 전 단계, (c)는 식각 단계를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클 당 식각률(Etching Rate Per Cycle, EPC)(Å/사이클)과 사이클당 퇴적 시간(초) 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클 당 식각률(Etching Rate Per Cycle, EPC)(Å/사이클)과 사이클당 퇴적 시간(초) 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 6은 SiO2층의 두께(nm)와 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 공정에서 반복되는 사이클들의 수 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 사용할 수 있는 플라즈마-보조 순환적 식각 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 일 사이클의 플라즈마-보조 순환적 식각의 개략적인 공정 순서를 도시하며, 여기서 상기 순서로 도시된 단계는 ON 상태를 나타내는 반면 상기 순서에 도시된 단계는 OFF 상태를 나타내지 않으며, 각 ON 및 OFF 상태들은 각 프로세스의 지속 시간을 나타내지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 공정의 개략적인 도면들로서, (a)는 퇴적 단계, (b)는 식각 전 단계, (c)는 식각 단계를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클 당 식각률(Etching Rate Per Cycle, EPC)(Å/사이클)과 사이클당 퇴적 시간(초) 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클 당 식각률(Etching Rate Per Cycle, EPC)(Å/사이클)과 사이클당 퇴적 시간(초) 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 6은 SiO2층의 두께(nm)와 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 공정에서 반복되는 사이클들의 수 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
본 개시에서, "가스"는 기화된 고체 및/또는 액체를 포함할 수 있으며, 단일 가스 또는 가스들의 혼합물로 구성될 수 있다. 본 개시에서, 샤워 헤드를 통한 퇴적을 위해 반응 챔버로 도입된 프로세스 가스는 에천트 가스 및 첨가제 가스를 포함하거나, 필수적으로 구성되거나, 구성될 수 있다. 상기 첨가 가스는 일반적으로 상기 에천트 가스를 희석시키고 여기 상태에 있을 때 상기 에천트 가스와 반응하기 위한 희석 가스를 포함한다. 상기 에천트 가스는 비활성 가스(noble gas)와 같은 캐리어 가스와 함께 도입될 수 있다. 또한, 상기 프로세스 가스 이외의 가스, 즉, 상기 샤워 헤드를 통과하지 않고 도입된 가스는, 예를 들어, 상기 반응 공간을 밀봉하기 위해 사용될 수 있고, 이는 비활성 가스와 같은 밀봉 가스를 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 "에천트 가스"라는 용어는 일반적으로 기판상의 타겟층을 식각하는 식각 반응에 참여하는 적어도 하나의 기체 상태 또는 기화된 화합물을 지칭하며, 그리고 특히 여기 상태에서 상기 타겟층 상에 퇴적하고 플라즈마에 의해 활성화될 때 상기 타겟층을 식각하는 적어도 하나의 화합물을 지칭한다. 상기 "반응 가스"라는 용어는 상기 에천트 막의 퇴적, 상기 에천트 막의 활성화에 기여하거나, 또는 상기 에천트 막의 성분들에 의한 식각 반응을 촉매 작용하는 적어도 하나의 기체 상태 또는 기화된 화합물을 의미한다. 상기 반응 가스는 퍼지 가스로서 작용할 수 있다. 상기 희석 가스 및/또는 캐리어 가스는 "반응 가스"의 역할을 할 수 있다. 상기 "캐리어 가스"란 용어는 에천트 가스를 혼합된 상태에서 상기 반응 공간으로 운반하고, 상기 에천트 가스를 포함하는 혼합 가스로서 상기 반응 공간에 들어가는 비여기 상태의 불활성 또는 비활성 가스를 말한다.
또한, 본 개시에서, 통상적인 작업을 기반으로 상기 실행 가능한 범위를 결정할 수 있기 때문에 변수의 두 숫자가 상기 변수의 실행 가능한 범위를 구성할 수 있고, 지시된 임의의 범위들은 상기 끝점들을 포함하거나 제외할 수 있다. 또한, 지시된 변수들의 임의의 값("약"으로 지시되는지 여부와 상관없이)은 정확한 값 또는 근사값을 나타낼 수 있고 등가치를 포함할 수 있으며, 일부 실시예에서 평균, 중앙값, 대표 값, 다수 등을 나타낼 수 있다. 또한, "구성된" 및 "갖는"이라는 용어는 일부 실시예들에서 독립적으로 "일반적으로 또는 광범위하게 포함하는", "포함하는", "본질적으로 구성된" 또는 "구성된"을 지칭한다. 또한, 단수로 지칭된 대상은 다수의 종들을 포함하는 종들 또는 속을 지칭한다. 본 개시에서, 임의의 정의된 의미들은 일부 실시예들에서 보통의 및 통상적인 의미들을 필수적으로 배제하지 않는다.
조건들 및/또는 구조들이 특정되지 않는 본 개시에서, 상기 기술 분야의 상기 숙련된 기술자는 통상적인 실험의 문제로서 본 개시를 고려하여 그러한 조건들 및/또는 구조들을 용이하게 제공할 수 있다. 개시된 모든 실시예들에서, 일 실시예에서 사용되는 임의의 구성은 의도된 목적들을 위해 여기에 명시적으로, 필연적으로 또는 본질적으로 공개된 요소를 포함하는 이에 상응하는 임의의 구성들로 대체될 수 있다. 또한, 본 발명은 장치들 및 방법들에도 동일하게 적용될 수 있다.
상기 실시예들은 바람직한 실시예들과 관련하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 상기 바람직한 실시예에 한정되지 않는다.
일부 실시예들은 적어도 하나의 식각 사이클을 포함하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판 상의 타겟층을 식각하는 방법을 제공하며, 여기서 식각 사이클은: (i) 상기 기판상의 상기 타겟층 상에 반응성 종들을 사용하여 할로겐-함유막을 퇴적시키는 단계로서, 상기 할로겐-함유막 및 상기 타겟층은 서로 접촉하는, 상기 할로겐-함유막을 퇴적시키는 단계; 및 (ii) 상기 할로겐-함유막 및 상기 타겟층의 경계 영역에서 에천트 종들을 생성하여, 상기 경계 영역 내의 타겟층의 일부를 식각하도록, 플라즈마 단독으로 상기 타겟층을 실질적으로 식각하지 않는, 비-할로겐 식각 가스의 플라즈마를 사용하여 상기 할로겐-함유막을 식각하는 단계;를 포함한다. 단계 (i)에서, 상기 할로겐-함유막은 또한 에천트 막으로도 지칭되고, 상기 할로겐-함유막의 퇴적에 사용되는 할로겐 함유 가스는 또한 에천트 가스로도 지칭된다. 단계 (i)의 상기 "반응성 종들"은 상기 타겟층을 실질적으로 식각하지 않고 상기 타겟층 상에 에천트 막을 형성한다. 본 개시에서, "실질적으로 영(zero)" 또는 이와 유사한 것(예를 들어, "실질적으로 식각하지 않음")은 중요하지 않은 양, 검출 가능한 양보다 적은 양, 상기 목표 또는 의도된 특성들에 실질적으로 영향을 미치지 않는 양, 일부 실시예들에서 상기 전체 또는 상기 기준 값에 비해 10% 미만, 5% 미만, 1% 미만 또는 그 임의의 범위들과 같이 또는 숙련된 기술자가 거의 영으로 인식하는 양을 지칭할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 타겟층은 SiO2, SiN, SiC, TiO2 등과 같은 실리콘 또는 금속 산화물, 질화물 또는 탄화물로 구성되며, 여기서 상기 금속은 Ri, W, Ta 등일 수 있다. 에천트 가스가 Cl 또는 Br을 포함하는 경우, 상기 타겟층은 Al2O3, AlN, GaAs, GaN, GaP, InP 등으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에천트 가스가 Cl을 포함하는 경우, 상기 타겟층은 폴리비닐 클로라이드로 구성될 수 있다. 숙련된 기술자는 필요에 따라 통상적인 실험에 기초하여 에천트 가스 및 타겟층의 가능한 조합을 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 타겟층은 PECVD(plasma-enhanced CVD), 열적 CVD, 순환적 CVD, PEALD(plasma-enhanced ALD), 열적 ALD, REALD(radical-enhanced ALD), 또는 임의의 다른 박막 퇴적 방법에 의해 내벽과 바닥, 및/또는 평평한 표면을 포함하는 트렌치들 또는 비아들 내에 형성될 수 있다. 일반적으로, 상기 타겟층의 두께는 약 50nm 내지 약 500nm의 범위 내에 있다(바람직한 막 두께는 막의 용도 및 목적 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다).
일부 실시예들에서, 단계 (i)에서, 상기 할로겐-함유막은 가스상(gas phase) 반응에 의해 퇴적되고 여기서 상기 반응성 종들은 에천트 가스의 또는 할로겐 및 탄소로 구성된 가스들의 반응성 종들이다. 일부 실시예들에서, 상기 할로겐은 F, Cl 또는 Br이다. 일부 실시예에서, 종래의 에천트 가스들(예를 들어, "관련 기술"의 부분에서 논의된 것)을 포함하는 임의의 적절한 에천트 가스가 사용될 수 있다. 단계 (i)에서, 상기 에천트 가스는 상기 타겟층을 직접 식각하는 반응성 식각 가스로서 작용하지 않고, 퇴적을 위한 가스로서 작용하기 때문에, 바람직하게는, 상기 에천트 가스는 이중 또는 삼중 결합을 갖는 CxFy로서, 여기서 x 및 y는 정수이고 x는 적어도 2이어서, 예를 들어, C2F2, C2F4, C3F6, C4F8, C5F8, C5F10 또는 이들의 임의의 조합이다. 이런 가스들은 여기 상태에서 플루오로 중합체를 용이하게 형성하는 경향이 있다. 단계 (i)에서, 상기 반응 가스는 상기 타겟층을 식각하기 보다는, 에천트 막을 퇴적하기 위해 선택된다. 예를 들어 산소 플라즈마가 실리콘 산화막, 또는 그와 유사한 것의 식각을 위한 상기 에천트 가스로부터 활성 식각 종들을 생성하기 때문에 산소 함유 가스가 사용되지 않는다. 일부 실시예들에서, 상기 반응 가스는 Ar 및 He와 같은 비활성 가스이다. 일부 실시예들에서, 적절한 반응 가스 및 다른 퇴적 조건들을 선택함으로써, CF4, C2F6, C3F8, C4F10 등과 같은 실리콘 산화물 막의 식각에 통상적으로 사용되는 에천트 가스가 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 불소를 함유하는 것 이외의 에천트 가스가 단계 (i)에서 에천트 막을 퇴적시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, C2H3Cl과 같은 알킬 할라이드가 사용될 수 있다. 또한, SF6, HCl, HBr 등은 CH4와 같은 탄화수소와 조합하여 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 에천트 막은 ALD(Atomic Layer Deposition)와 같은 표면 반응에 의해 퇴적될 수 있으며, 여기서 상기 에천트 가스는 상기 타겟층의 표면 상에 화학 흡착되고, 이어서 상기 표면을 반응 가스의 반응성 종들에 노출시킨다.
일부 실시예들에서, 단계 (i)은 PECVD 인 가스상(gas phase) 반응을 사용한다. 일부 실시예들에서, 상기 PECVD는: (a) 상기 기판이 배치되는 반응 공간에 비활성 가스를 연속적으로 공급하는 단계; (b) 상기 반응 공간에 할로겐-함유 가스를 연속적으로 공급하는 단계; 및 (c) 상기 불활성 가스 및 상기 할로겐-함유 가스의 여기 없이 단계들 (a) 및 (b)의 사전 설정된 지속 시간의 경과 후, 상기 타겟층 상에 상기 할로겐-함유막을 퇴적하도록 상기 반응 공간에 RF 전력을 인가하는 단계를 포함하되, 단계들 (i) 내지 (iii)에 걸쳐서 산화 가스가 상기 반응 공간에 공급되지 않는다. 위의, 상기 "연속적"이라는 용어는 실시예에 따라, 공간의 중단없이(예를 들어, 기판에 대한 중단 없는 공급), 흐름의 중단 없이(예를 들어, 중단없는 유입), 및/또는 일정한 속도로(상기 용어는 앞의 모든 것을 동시에 만족시킬 필요는 없다)를 지칭한다. 일부 실시예들에서, "연속적인" 흐름은 일정한 유속을 갖는다 (그 대신, 비록 흐름이 "연속적인"인 경우에도, 그 유량은 시간에 따라 변화될 수 있다). 일부 실시예들에서, 단계 (c)의 지속 시간은 단계들 (a) 및 (b)의 상기 사전 설정된 지속 시간보다 짧다. RF 전력은 퇴적을 위한 짧은 시간 동안 상기 반응 공간에 인가되기 때문에, RF 전력을 인가하기 전에 상기 반응 공간을 할로겐-함유 가스로 완전히 채우는 것이 중요하다.
일부 실시예에서, 단계 (i)은 상기 할로겐-함유막의 두께가, 안정 상태 두께(또는 포화 두께)에 가까운, 0.5nm 내지 10nm, 바람직하게는 1nm 내지 5nm의 범위 내에 들 때까지 계속되며, 그 이상에서는 상기 할로겐-함유막의 상기 두께가 더 증가하더라도 단계 (ii)에서 상기 타겟층의 식각된 양이 증가하지 않는다.
일부 실시예들에서 단계 (i)의 지속 기간은 상기 단계 (i)의 지속 시간이 증가하는 동안 상기 타겟층의 상기 식각된 부분의 두께가 안정 상태에 도달할 때까지 상기 타겟층의 상기 식각된 부분의 상기 두께와 상관되고, 그리고 단계 (i)은 상기 타겟층의 상기 식각된 부분의 상기 두께가 안정 상태 또는 안정 상태 근방의 지점에 도달할 때까지 계속된다. 상기의 메커니즘들은 본 개시에서 앞서 논의되었지만, 상기 메카니즘들은 본 발명을 제한하려는 것이 아니다.
일부 실시예들에서, 단계 (ii)는 상기 할로겐-함유막이 실질적으로 완전히 식각될 때까지 계속되며, 이는 상기 타겟층의 상기 경계 영역의 실질적으로 전부가 식각됨을 나타낸다. 상기에서, "실질적으로 전체" 또는 그와 유사한 것은 전체에서 중요하지 않은 양, 검출 가능한 양보다 적은 양, 상기 목표 또는 의도된 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 양, 일부 실시예들에서 상기 전체 또는 상기 기준 값에 비해 10% 미만, 5% 미만, 1% 미만 또는 그 임의의 범위들과 같이 또는 숙련된 기술자가 거의 영으로 인식하는 양만큼 부족한 것을 지칭할 수 있다. 바람직하게는, 단계 (ii)는 상기 할로겐-함유막이 완전히 식각될 때까지 계속되며, 이는 상기 타겟층의 상기 경계 영역의 전부가 완전히 제거됨을 나타낸다. 상기 타겟층의 상기 "경계 영역"은 상기 할로겐-함유막이 완전히 식각될 때 식각되는 영역으로 정의된다. 상기 할로겐-함유막의 잔류물이 상기 타겟층의 상기 표면 상에 잔류할 때, 상기 잔류물은 상기 타겟층의 상기 식각된 깊이의 면내 균일성에 영향을 주도록 상기 타겟층의 식각과 적어도 부분적으로 간섭할 수 있다.
일부 실시예들에서, 단계 (ii)에서, 상기 타겟층의 상기 식각된 부분의 두께는 0.1nm 내지 2.0nm, 바람직하게는 0.5nm 내지 1.0nm이며, 이것은 0.1nm/사이클보다 작은 원자층 식각(atomic layer etching, ALE)에서 정의된 단일층의 두께보다 두껍다.
일부 실시예들에서, 단계 (ii)에서, 상기 비-할로겐 식각 가스는 산소이다. 그러나, 반응성 이온 식각에 의해 상기 타겟층을 식각하기 위해 상기 에천트 막을 활성화시키기 임의의 적절한 반응 가스가 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, Ar 및 He 가스와 같은 비활성 기체, 수소 가스 또는 질소 가스가 단독으로 또는 산소 기체와 함께 반응 기체로서 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 단계 (ii)에서, 상기 할로겐-함유막은 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE)에 의해 식각된다. 상기 RIE는 유도-결합 플라즈마 식각 또는 용량성-결합 플라즈마 식각일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 용량성-결합 플라즈마 식각은 (a) 상기 기판이 배치되는 반응 공간에 반응 가스를 연속적으로 공급하는 단계; 및 (b) 상기 반응 가스의 여기 없이 단계 (a)의 미리 설정된 지속 시간 경과 후, 상기 할로겐 - 함유막 및 상기 타겟층을 식각하도록 상기 반응 공간에 RF 전력을 인가하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 단계들 (i) 및 (ii)를 포함하는 상기 식각 사이클들은 상기 타겟층의 바람직한 식각 깊이가 얻어질 때까지 적어도 2회 반복된다. 상기 식각 사이클은 자기-제한적인 식각 프로세스 또는 포화 프로세스이므로, 상기 타겟층의 상기 식각된 깊이는 상기 수행된 사이클의 수에 비례한다.
일부 실시예들에서, 단계 (i) 및 단계 (ii)는 상기 동일한 반응 챔버에서 연속적으로 수행된다. 상기에서, 상기 "연속적으로"라는 단어는 실시예에 따라: 진공 상태를 깨지 않고, 대기에 노출되지 않고, 챔버를 개방하지 않고, 인-시츄 공정으로서, 일련의 단계로서 중단 없이, 공정 조건들의 변화 없이, 및 단차들 사이의 기판 표면 상에 화학적 변화를 야기하지 않고 중 적어도 하나를 의미한다. 일부 실시예들에서, 퍼징 또는 상기 맥락에서 무시할 수 있는 다른 단계와 같은 보조 단계는 단계로 간주되지 않으며, 따라서, 상기 "연속적으로"라는 단어는 상기 보조 단계가 개입되는 것을 배제하지 않는다.
일부 실시예들은 상기 도면들을 참조하여 설명되지만, 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 공정의 일 사이클의 개략도들을 도시하고, 여기서 (a)는 퇴적 단계를 나타내고, (b)는 식각 전 공정을 의미하고, 그리고, (c)는 식각 공정을 나타낸다. 상기 퇴적 단계(단계 (a))에 앞서, 그 위에 타겟층(42)이 형성되는 기판(41)(예를 들어, 실리콘 기판 또는 다른 반도체 기판)이 반응 공간에 제공된다. 상기 퇴적 단계에서, 상기 타겟층(42) 상에 포화 두께(T1) 이상의 두께로 할로겐-함유막(43)(에천트 막)이 퇴적되는데, 여기서 상기 할로겐-함유막(43) 및 상기 타겟층(42)은 서로 접촉한다. 상기 포화 두께(T1)는 그를 넘어서는 상기 에천트 막의 일부분은 식각에 기여하지 않는 두께로 정의되고, 즉, 상기 에천트 막의 상기 두께가 상기 포화 두께(T1)를 넘어서 더 증가하더라도 상기 타겟층의 식각된 양은 증가하지 않는다. 식각-전 단계(단계 (b))에서는, 상기 에천트 막(43)은 산소 플라즈마 등의 플라즈마에 노출되고, 그에 의해 상기 에천트 막을 식각하고, CFx, COFx, COx 등의 가스 성분을 발생시키고, 그로부터 상기 포화 두께(T1) 이상에서 상기 에천트 막(43)의 상기 상부를 제거한다. 상기 에천트 막(43)의 식각이 진행되고, 상기 에천트 막(43)이 상기 포화 두께(T1)까지 식각되면, 상기 에천트 막(43)으로부터의 CFx, COFx, COx 등과 같은 가스 성분들은 예를 들어, 다음의 화학 반응에 의해 경계 영역(44)의 상기 산소 플라즈마를 이용하여 깊이(T2)를 갖는 상기 타겟층의 일부로부터 SiFx, COx 등의 가스 성분들을 동시에 발생시킨다.
SiO2 + CFx + O* → SiFx + COx + COFx
상기 경계 영역(44)은 상기 포화 두께(T1)를 갖는 상기 에천트 막(43)의 경계 영역과 깊이(T2)를 갖는 상기 타겟층(42)의 경계 영역으로 구성된다. 상기 경계 영역의 상기 전체 두께(T1 + T2)는 예를 들어, RF 전력 및 상기 반응 공간의 압력에 의존하는 플라즈마 내의 상기 이온 에너지에 의존할 수 있다. 상기 경계 영역(44)은 SiCOF와 같은 혼합된 성분들로 구성된 중간 생성물로 구성될 수 있다. 상기 식각 단계(단계 (c))에서, 상기 경계 영역 또는 중간층(44)은 가스 성분들로서 제거되고, 여기서 상기 타겟층(42)은 식각된 타겟층(45)을 얻도록 깊이(T2)만큼 식각된다. 단계들 (b) 및 (c)가 상기 단계들의 원리를 쉽게 이해할 수 있도록 개별적으로 도시되어 있지만, 이들 단계들은 오히려 동시에 발생한다는 것을 유의해야 한다. 상기 플라즈마 단독으로는 상기 타겟층을 실질적으로 식각하지 않기 때문에, 상기 타겟층(45)의 상기 식각은 상기 경계 영역(44)이 제거될 때 중단된다.
일부 실시예들에서, 상기 프로세스 순서는 도 2에 도시된 바와 같이 설정될 수 있다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 일 사이클의 플라즈마-보조 순환적 식각의 개략적인 공정 순서를 도시하며, 상기 순서로 도시된 단계는 ON 상태를 나타내는 반면 상기 순서로 도시된 단계는 OFF 상태를 나타내지 않으며, 상기 각각의 ON 및 OFF 상태의 길이는 각 프로세스의 지속 시간을 나타내지 않는다. 본 실시예에서, 하나의 식각 사이클은 퇴적 단계 및 식각 단계를 포함한다. 상기 퇴적 단계는 "퍼지" 및 "단계 1"을 포함하고, 식각 단계는 "퍼지" 및 "단계 2"를 포함한다. 상기 퇴적 단계의 "퍼지 (purge)"에서, RF 전력을 인가하지 않고 산화 가스를 공급하지 않으며, 할로겐-함유 가스가 반응 공간으로 연속적으로 공급되는 동안, 상기 기판이 배치된 상기 반응 공간에 Ar 및/또는 He와 같은 희석 가스가 연속적으로 공급된다. "퍼지"의 사전 설정된 지속 시간의 경과 후, 산화 가스를 공급하지 않고서, 상기 퇴적 단계의 "단계 1"에서 타겟층 상에 할로겐-함유막을 퇴적하도록 RF 전력이 상기 반응 공간에 인가된다. "스텝 1"이후, 상기 식각 단계의 "퍼지"가 시작되고, 여기서 상기 희석 가스 및 상기 할로겐 함유 가스를 공급하지 않고 그리고 RF 전력을 인가하지 않고, 산화 가스(반응 가스)가 반응 공간에 연속적으로 공급된다. "퍼지"의 사전 설정된 지속 시간의 경과 후, RF 전력이 상기 할로겐-함유막 및 상기 타겟층을 식각하도록 상기 반응 공간에 인가된다. 이러한 식각 사이클은 상기 타겟층의 원하는 깊이가 식각될 때까지 반복될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 희석 가스의 상기 반응성 종들 및/또는 상기 반응 가스의 그들은 원격 플라즈마 유닛을 사용하여 생성될 수 있으며, 여기에서 도 2에 도시된 순서의 "RF"는 희석 가스 라디칼들의 도입 또는 원격 플라즈마 장치로부터의 반응 가스 라디칼들의 도입으로 대체된다. 일부 실시예들에서, RF 전력은 펄스들로 인가된다.
일부 실시예들에서, 상기 식각 사이클은 하기의 표 1에 도시된 조건 아래에서 수행될 수 있다.
퇴적 조건들 | |
기판 온도 | 0 내지 200°C (바람직하게는 20 내지 100°C) |
압력 | 0.1 내지 10000 Pa (바람직하게는 1 내지 1000 Pa) |
불활성 기체 (캐리어 및/또는 희석 가스로서) | Ar, He |
캐리어 가스의 유량(연속) | 1 내지 5000 sccm (바람직하게는 1 내지 2000 sccm) |
희석 가스의 유량(연속) | 10 내지 10000 sccm (바람직하게는 50 내지 5000 sccm) |
에천트 가스의 유량 | 1 내지 1000 sccm (바람직하게는 10 내지 100 sccm); 상기 에천트가 가열된 병을 사용하여 기화될 때의 캐리어 가스의 유량에 상응 |
300-mm 기판용 RF 파워 | 10 내지 1000 W (바람직하게는 50 내지 200 W); 0.1 내지 100 MHz (바람직하게는 0.4 내지 60 MHz) |
"퍼지"의 지속 시간 | 1 내지 60 초. (챔버 구조에 따라, 바람직하게는 10 초까지) |
"RF"의 지속 시간(단계 1) | 0.1 내지 10 초. (바람직하게는 1 내지 5 초) |
사이클당 성장 속도(Å/사이클) | 5 내지 100 (바람직하게는 40 내지 80) |
막 두께(Å) | 5 내지 100 (바람직하게는 10 내지 50) |
식각 조건들 | |
기판 온도 | 0 내지 200°C (바람직하게는 20 내지 100°C) |
압력 | 0.1 내지 10000 Pa (바람직하게는 1 내지 1000 Pa) |
식각 가스 | O2, N2O, CO2, or H2 |
식각 가스의 유량(연속) | 10 내지 10000 sccm (바람직하게는 50 내지 5000 sccm) |
300-mm 기판용 RF 파워 | 10 내지 1000 W (바람직하게는 50 내지 200 W); 0.1 내지 100 MHz (바람직하게는 0.4 내지 60 MHz) |
"퍼지"의 지속 시간 | 1 내지 60 초 (챔버 구조에 따라, 10 초까지) |
"RF"의 지속 시간(단계 2) | 1 내지 120 초 (바람직하게는 10 내지 30 초) |
사이클당 식각 속도(Å/사이클) | 1 내지 50 (바람직하게는 2 내지 10) |
식각된 두께 (Å) | 1 내지 1000 (바람직하게는 10 내지 100) |
도 2에 도시된 상기 순서에서, 특히 상기 할로겐-함유 가스가 C5F8, C5F10 등과 같은 액체 물질의 기화 가스인 경우, 상기 할로겐-함유 가스는 상기 반응 공간에 연속적으로 공급될 수 있는 캐리어 가스를 사용하여 공급될 수 있다. 이는 유동 경로 스위칭(flow-pass switching, FPS) 시스템(예를 들어, 그 개시는 전체가 참조로서 포함된 2015년 8월 18일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/829,565호에 개시된 상기 시스템.)에 의해 달성될 수 있고 여기서 캐리어 가스 라인에 전구체 저장소(병(bottle))를 갖는 우회 라인이 제공되고, 상기 주라인과 우회 라인이 전환되고, 여기서 캐리어 가스만이 상기 반응 챔버로 공급되도록 의도될 때, 상기 우회 라인은 폐쇄되며, 한편 상기 캐리어 가스 및 전구체 가스 모두가 상기 반응 챔버로 공급되도록 의도되는 경우, 여기서 주라인은 폐쇄되고 그리고 상기 캐리어 가스는 상기 우회 라인을 통해 흐르고 상기 전구체 가스와 함께 상기 병으로부터 유출된다. 이러한 방식으로, 상기 캐리어 가스는 연속적으로 상기 반응 챔버 내로 유동할 수 있고, 상기 주라인 및 상기 우회 라인을 전환함으로써 펄스들의 형태로 상기 전구체 가스를 운반할 수 있다.
상기 공정 사이클은 도 1에 도시된 장치를 포함하는 임의의 적절한 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 도 1은 플라즈마-보조 순환적 식각 장치의 개략도이며, 바람직하게는 본 발명의 일부 실시예들에서 사용할 수 있는 후술하는 순서들을 수행하도록 프로그램된 제어 장치와 관련되어있다. 이 도면에서, 반응 챔버(3)의 상기 내부(11)(반응 영역)에 서로 평행하고 대향하는 한 쌍의 도전성 평판-전극들(4, 2)을 평행하게 제공하고, HRF 전력(13.56 MHz 또는 27 MHz)(20)을 한 쪽에 인가하고, 상기 다른 쪽(12)을 전기적으로 접지시키면, 상기 전극들 사이에 플라즈마가 여기된다. 하부 스테이지(2)(상기 하부 전극)에는 온도 조절기가 제공되고, 그 위에 놓인 기판(1)의 온도는 주어진 온도에서 일정하게 유지된다. 상기 상부 전극(4)은 또한 샤워 플레이트들로 작용하고, 가스 라인들(21, 22, 23) 각각, 및 상기 샤워 플레이트(4)를 통해 상기 반응 챔버(3) 내로 비활성 가스, 반응 가스 및 에천트 가스가 도입된다. 또한, 상기 반응 챔버(3)에는 배기 라인(7)을 갖는 원형 덕트(13)가 제공되며, 이를 통해 상기 반응 챔버(3)의 상기 내부(11) 내의 가스가 배출된다. 또한, 희석 가스가 가스 라인(23)을 통해 상기 반응 챔버(3) 내로 도입된다. 또한, 상기 반응 챔버(3) 아래에 배치된 이송 챔버(5)에 상기 이송 챔버(5)의 상기 내부(16)(이송 구역)를 통해 상기 반응 챔버(3)의 상기 내부(11)로 밀봉 가스를 도입하기 위한 밀봉 가스 라인(24)이 제공되고, 상기 반응 구역과 상기 이송 구역을 분리하기 위한 분리 판(14)이 제공된다(기판이 상기 이송 챔버(5) 내로 또는 이로부터 이송되는 게이트 밸브는 이 도면에서 생략됨). 상기 이송 챔버에는 또한 배출 라인(6)이 제공된다. 일부 실시예들에서, 상기 다-원소 막의 퇴적 및 표면 프로세스는 모든 상기 단계들이 공기 또는 다른 산소 함유 분위기에 상기 기판을 노출시키지 않고 연속적으로 수행될 수 있도록, 상기 동일한 반응 공간에서 수행된다. 일부 실시예들에서, 원격 플라즈마 유닛은 가스를 여기시키기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 이중 챔버 반응기(서로 인접하게 배치된 기판들을 프로세싱하기 위한 2개의 섹션들 또는 격실들)가 사용될 수 있으며, 여기서 반응 가스 및 비활성가스는 공유 라인을 통해 공급될 수 있는 반면 전구체 가스는 비공유 라인을 통해 공급된다. 일부 실시예에서, 상기 퇴적 단계는 상기 식각 단계를 위한 것과 다른 장치를 사용하여 수행될 수 있다.
숙련된 기술자는 본 장치가 여기서 다른 곳에서 설명된 상기 퇴적 및 반응기 세정 프로세스들을 야기하도록 프로그램되거나 그렇지 않으면 구성된 하나 또는 그 이상의 제어기(들)(도시되지 않음)을 포함함을 인식할 것이다. 상기 제어기(들)은 상기 숙련된 기술자가 인식될 바와 같이, 상기 다양한 전원들, 가열 시스템들, 펌프들, 로보틱스들 및 상기 반응기의 가스 흐름 제어기들 또는 밸브들과 통신된다.
본 발명은 이하의 실시예들을 참조하여 더 설명된다. 그러나, 상기 실시예들은 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 조건 및/또는 구조가 명시되지 않은 예들에서, 상기 분야의 상기 숙련된 기술자들은, 본 개시의 관점에서, 통상적인 실험의 문제로서 그러한 조건들 및/또는 구조들을 용이하게 제공할 수 있다. 또한, 특정 실시예들에서 적용된 상기 수치들은 일부 실시예들에서 적어도 ±50%의 범위로 변경될 수 있으며, 상기 수치들은 근사치이다.
예들
예 1
300-mm 기판 상에 PEALD에 의해 두께 24nm의 실리콘 산화막이 형성되었다. 실시예 1에서, 도 1에 도시된 플라즈마-보조 식각 장치를 사용하여, 하기의 표 2에 개시된 조건으로, 에천트 막의 퇴적과 상기 실리콘 산화막의 식각이 수행되었다. 각 식각 사이클에 사용된 순서는 도 2에 나와있다.
퇴적 조건들 | |
기판 온도 | 20°C |
압력 | 2.0 Pa |
퇴적 가스 | C4F8 |
불활성 가스(캐리어, 또는 희석 가스로서) | Ar |
퇴적가스의 유량(식각 가스)(연속) | 10 sccm |
희석 가스의 유량(연속) | 90 sccm |
300-mm 기판용 RF 전력 | 100 W; 60 MHz |
"퍼지" 지속 시간 | 120 초 |
"RF" 지속 시간 (단계 1) | 도 4 참조 ("퇴적 시간[s]") |
사이클당 성장율 (Å/사이클) | 6.9 |
필름 두께(Å) | 6.9 |
식각 조건들 | |
기판 온도 | 20°C |
압력 | 2.0 Pa |
식각 가스 | O2 |
식각 가스의 유량(연속) | 50 sccm |
300-mm 기판용 RF 전력 | 100 W; 60 MHz |
"퍼지" 지속 시간 | 120 초 |
"RF" 지속 시간 (단계 2) | 60 초 |
사이클당 식각률 (Å/사이클) | 도 4 참조 ("사이클 당 식각 [Å/사이클]") |
상기 퇴적 단계 및 상기 식각 단계를 포함하는 상기 식각 사이클은 3, 6 또는 9회 반복되었다. 실시예 1에서는, 에천트 막의 상기 퇴적 시간(공급 시간)을 변화시켰을 때의 상기 사이클 당 식각률(etching rate per cycle, 이하 EPC)이 결정되었다. 그 결과는 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 실시예 1에서의 사이클 당 식각률 (EPC)(Å/사이클)과 사이클 당 퇴적 시간(초)과의 관계를 도시하는 그래프로서, 상기 도시된 EPC 값들은 식각 사이클이 3번, 6번, 9번 반복될 때 얻어진 EPC의 평균값들이다.
도 4는 상기 에천트 막의 상기 두께("퇴적 시간 [s]")가 증가함에 따라 상기 실리콘 산화물층의 상기 식각된 부분의 상기 깊이("사이클 당 식각[Å/사이클]")가 증가함을 나타낸다. 하지만 상기 식각된 부분의 상기 깊이는 상기 에천트 막의 상기 두께가 증가하더라도 식각된 부분의 상기 깊이가 더 이상 증가하지 않는 지점으로 정의되는 안정 상태 근방의 지점에 도달한다. 이는 식각 반응이 오직 상기 경계 영역에서만 일어나고, 상기 경계 영역 위의 상기 에천트 막의 부분은 식각 반응에 기여하지 않기 때문이다. 상기에서, 원칙적으로, "안정 상태 근방의 점"은 저-반응 영역 내의 점으로 정의될 수 있는데 여기서 상기 식각된 부분의 상기 깊이는, 상기 에천트 막의 상기 두께가 증가함에 따라 상기 식각된 부분의 깊이가 높은 비율로 증가하는 고 반응성 영역 또는 상기 고 반응성 영역과 상기 저 반응성 영역 사이에 있는 중간 영역과 비교하여 낮은 비율로 증가한다. 도 4에서, 안정 상태는 약 7초의 퇴적 시간에 상응하는 약 9 Å/사이클 인 것으로 간주되며, 상기 안정 상태 근방의 지점은 약 2초의 퇴적 시간에 상응하는 약 7.9 Å/사이클 인 것으로 간주된다. 일부 실시예들에서, 퇴적 시간과 관련하여 "안정 상태 근방의 지점"은 상기 안정 상태의 80% 또는 그 이상의 지점이다.
예 2
상기 식각 공정은 상기 퇴적 시간(상기 "RF"의 지속 시간(단계 1))을 2초로 설정하고 상기 식각 시간(상기 "RF"의 지속 시간 (단계 2))을 도 5와 같이 변경한다는 점을 제외하고는, 상기 예 1에 따라 예 2에서 수행되었다. 도 5는 실시예 2의 사이클 당 식각률(EPC)(Å/사이클)과 사이클 당 식각 시간(초)과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 식각 시간("식각 시간 [s]")이 증가함에 따라 상기 실리콘 산화물층의 상기 식각된 부분의 상기 깊이("사이클 당 식각[Å/사이클]")가 증가함을 나타낸다. 하지만 상기 식각된 부분의 상기 깊이는 상기 식각 시간이 증가하더라도 식각된 부분의 상기 깊이가 더 이상 증가하지 않는 지점으로 정의되는 안정 상태 근방의 지점에 도달한다. 이것은 상기 에천트 막이 존재할 때만 식각 반응이 일어나고, 상기 에천트막이 제거될 때 식각이 멈추기 때문이다. 상기에서, 원칙적으로, "안정 상태 근방의 점"은 저-반응 영역 내의 점으로 정의될 수 있는데 여기서 상기 식각된 부분의 상기 깊이는, 상기 에천트 막의 상기 두께가 증가함에 따라, 상기 식각된 부분의 깊이가 높은 비율로 증가하는 고 반응성 영역 또는 상기 고 반응성 영역과 상기 저 반응성 영역 사이에 있는 중간 영역에 비해, 낮은 비율로 증가한다. 도 5에서 안정 상태는 약 125초의 식각 시간에 상응하는 약 8 Å/사이클 인 것으로 간주되며, 상기 안정 상태 근방의 지점은 약 60초의 식각 시간에 상응하는 약 7.9 Å/사이클으로 간주된다. 일부 실시예들에서, 식각 시간과 관련하여 "안정 상태 근방의 지점"은 상기 안정 상태의 90 % 또는 그 이상의 지점이다.
예 3
상기 식각 공정은 상기 퇴적 시간(상기 "RF"의 지속 시간(단계 1))이 2초로 설정되었고, 상기 식각 시간(상기 "RF"의 지속 시간 (단계 2))이 60초로 설정되었으며, 상기 반복된 식각 사이클들의 수가 도 6에 도시된 바와 같이 변경한다는 점을 제외하고는, 상기 예 1에 따라 예 3에서 수행되었다. 도 6은 SiO2 층의 두께(nm)와 예 3의 식각 공정에서 반복되는 상기 사이클들의 수 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 6은, 상기 에천트 막의 상기 두께를 의미하고 "상기 실리콘 산화물층의 상기 식각된 부분의 깊이("SiO2 두께(nm)")는 식각 사이클들의 수("사이클 수")의 증가에 비례하여 감소함을 나타낸다. 상기의 둘 사이의 상기 관계는 실질적으로 선형이다. 즉, 상기 식각 공정이 자기-제한 또는 포화 공정을 사용했기 때문에 상기 식각 공정의 제어성은 매우 높았다.
당해 분야의 기술자에 의해 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 다양하고 많은 변형이 이루어질 수 있음을 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 형태들은 단지 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니라는 것을 명확히 이해해야 한다.
Claims (18)
- 적어도 하나의 식각 사이클을 포함하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법으로서, 상기 식각 사이클은:
(i) 상기 기판상의 상기 타겟층 상에 반응성 종들을 사용하여 할로겐-함유막을 퇴적시키는 단계로서, 상기 할로겐-함유막 및 상기 타겟층은 서로 접촉하는, 상기 할로겐-함유막을 퇴적시키는 단계; 및
(ii) 상기 할로겐-함유막 및 상기 타겟층의 경계 영역에서 에천트 종들을 생성하여, 상기 경계 영역 내의 타겟층의 일부를 식각하도록, 플라즈마 단독으로 상기 타겟층을 실질적으로 식각하지 않는, 비-할로겐 식각 가스의 플라즈마를 사용하여 상기 할로겐-함유막을 식각하는 단계;
를 포함하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (ii)는 상기 타겟층의 상기 경계 영역의 실질적으로 전체 부분이 식각됨을 나타내도록, 상기 할로겐-함유막이 실질적으로 완전히 식각될 때까지 계속되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (i)의 지속 시간은 상기 단계 i의 지속 시간이 증가하는 동안 상기 타겟층의 상기 식각된 부분의 두께가 안정 상태에 도달할 때까지 상기 타겟층의 상기 식각된 부분의 상기 두께와 상관 관계가 있고, 그리고 상기 단계 (i)은 상기 타겟층의 상기 식각된 부분의 상기 두께가 상기 안정 상태 또는 상기 안정 상태 근방의 지점에 도달할 때까지 계속되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 식각 사이클은 적어도 2회 반복되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (i)는 상기 할로겐-함유막의 두께가 0.5nm 내지 10nm의 범위 내에 들 때까지 계속되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (ii)에서, 상기 타겟층의 상기 식각된 부분의 두께는 0.1nm 내지 2.0nm 인 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (i)에서, 상기 할로겐-함유막은 가스상(gas phase) 반응에 의해 퇴적되고, 여기서 상기 반응성 종들은 할로겐 및 탄소로 구성된 에천트 가스 또는 가스들인 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 7항에 있어서,
상기 할로겐이 F 또는 Cl인 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 8항에 있어서,
상기 에천트 가스는 이중 또는 삼중 결합을 갖는 CxFy이고, 여기서 x 및 y가 정수이고 x가 적어도 2인 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 가스상 반응은 PECVD(plasma-enhanced CVD)인 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 10에 있어서, 상기 PECVD는,
(a) 상기 기판이 배치된 반응 공간에 비활성 가스를 연속적으로 공급하는 단계;
(b) 할로겐-함유 가스를 상기 반응 공간에 연속적으로 공급하는 단계; 및
(c) 상기 비활성 가스 및 상기 할로겐-함유 가스의 여기 없이 상기 단계들 (a) 및 (b)의 미리 설정된 지속 시간 경과 후, 상기 타겟층 상에 상기 할로겐 함유막을 퇴적시키도록 상기 반응 공간에 RF 전력을 인가하는 단계를 포함하되, 산화 가스는 상기 단계 (a) 내지 상기 단계 (c)를 통해 상기 반응 공간으로 공급되지 않는 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 단계 (c)의 지속 시간은 상기 단계들 (a) 및 (b)의 미리 설정된 지속 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (ii)에서, 상기 비-할로겐 식각 가스는 산소인 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (ii)에서, 상기 할로겐-함유막은 반응성 이온 식각(reactive ion etching, 이하 RIE)에 의해 식각되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 RIE는 용량성-결합 플라즈마 식각인 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 15에 있어서,
상기 용량성-결합 플라즈마 식각은,
(a) 상기 기판이 배치된 반응 공간에 반응 가스를 연속적으로 공급하는 단계; 및
(b) 상기 반응 가스의 여기 없이 상기 단계 (a)의 사전 설정된 지속 시간의 경과 후, 상기 할로겐-함유막 및 상기 타겟층을 식각하도록 상기 반응 공간에 RF 전력을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 타겟층은 SiO2, SiN 또는 SiC로 구성되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (i) 및 상기 단계 (ii)가 상기 동일한 반응 챔버에서 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 프로세스에 의해 기판상의 타겟층을 식각하는 방법.
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