KR20210135084A - 펜타플루오로프로판올(pentafluoropropanol)을 이용한 플라즈마 식각 방법 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 식각 방법이 개시된다. 플라즈마 식각 방법은 액상의 펜타플루오로프로판올(PFP)을 증기화시키는 제1 단계, 상기 증기화된 PFP 및 아르곤 가스를 포함하는 방전가스를 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 공급하는 제2 단계 및 상기 방전가스를 방전시켜 플라즈마를 생성하고, 이를 이용하여 상기 식각 대상을 플라즈마 식각하는 제3 단계를 포함한다.

Description

펜타플루오로프로판올(pentafluoropropanol)을 이용한 플라즈마 식각 방법{PLASMA ETCHING METHOD}
본 발명은 지구 온난화 지수가 낮은 펜타플루오로프로판올(pentafluoropropanol)을 방전 가스로 이용한 플라즈마 식각 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스에서 집적 회로의 고밀도화, 소자의 미세화로 인해 종횡비(Aspect Ratio)가 높은 구조에 대한 요구가 증가하고 있다. 일반적으로 고종횡비 구조는 도전층과 전기적으로 분리하기 위한 절연층에 제작되는데, 이러한 고종횡비 구조를 제조하기 위해 실리콘 산화물(SiO2)을 플라즈마 식각하는 방법이 널리 이용되고 있다. 현재 실리콘 산화물의 플라즈마 식각 공정에서는 주로 CF4, C2F6, C3F6, C3F8, C4F8 등과 같은 과불화탄소(Perfluorocarbon, PFC) 가스를 이용한다. PFC 가스는 플라즈마에 의해 다양한 활성종을 생성하는데, 이때, CFx 활성종에 의한 탄소계 폴리머인 불화탄소 박막을 기판 표면에 증착시켜 마스크를 보호하고 식각제의 소스 역할을 하여 마스크와의 선택비를 향상시킬 수 있다.
그러나, 플라즈마 식각 시 증착되는 불화탄소 박막은 두께에 따라 반응성 이온 및 라디칼의 확산을 방해하여 식각속도를 저해할 수도 있고, 또한 식각 구조물의 벽면에 과도하게 증착되어 식각 정지(Etch Stop) 등이 발생되면 원하는 식각 깊이만큼 식각이 되지 않을 뿐만 아니라 마스크의 직경보다 식각 구조물의 바닥의 직경이 감소하는 현상이 발생하는 문제가 있다.
또한, PFC는 6대 온실가스(CO2, CH4, N2O, HFC, PFC, SF6) 중 하나로, 화학적으로 안정하여 대기 중 평균 체류시간이 길고 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)가 CO2 대비 6500배 이상으로 매우 높아 적은 양의 배출로도 지구온난화 효과가 크다는 문제가 있으나, 반도체 소자 제조에서 식각공정의 비중이 증가함에 따라 PFC 가스의 연간 배출량은 계속해서 증가하고 있는 실정이다. 이에, PFC 가스의 배출량을 감소시키기 위하여 배출되는 PFC 가스 분해, 분리, 회수 기술 등 다양한 방법으로 배출 비중을 낮추고 있기는 하지만, GWP가 높은 PFC 가스의 사용에 따른 원천적인 한계가 있다.
때문에, 종래의 PFC 가스를 대체할 수 있고 낮은 GWP를 가져 친환경적이며 우수한 식각 특성을 가져 고종횡비 식각 구조물을 형성할 수 있는 새로운 식각제 및 이를 이용한 플라즈마 식각 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 일 목적은 높은 지구 온난화 지수를 갖는 종래의 PFC 가스를 대체할 수 있는 낮은 지구온난화 지수를 갖는 펜타플루오로프로판올(PFP)을 방전가스로 이용한 플라즈마 식각 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 플라즈마 식각 방법은 액상의 펜타플루오로프로판올(PFP)을 증기화시키는 제1 단계, 상기 증기화된 PFP 및 아르곤 가스를 포함하는 방전가스를 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 공급하는 제2 단계 및 상기 방전가스를 방전시켜 플라즈마를 생성하고, 이를 이용하여 상기 식각 대상을 플라즈마 식각하는 제3 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 액상의 PFP를 증기화한 후 상기 식각 챔버에 제공하기 위해, 상기 액상의 PFP를 수용하는 제1 용기를 상기 PFP의 끓는점 이상의 제1 온도로 가열하고, 상기 제1 용기와 상기 식각 챔버를 연결하는 연결 배관을 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 증기화된 PFP 및 상기 아르곤 가스는 2:3 내지 1:9의 유량비로 상기 식각 챔버에 공급될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 증기화된 PFP 및 상기 아르곤 가스는 2:3 내지 1:4의 유량비로 상기 식각 챔버에 공급될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 증기화된 PFP 및 상기 아르곤 가스는 2:3 내지 3:7의 유량비로 상기 식각 챔버에 공급될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 방전가스는 산소를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 산소의 유량은 상기 PFP 가스 및 상기 아르곤 가스의 합산 유량과 1:3 내지 1:99의 비율이 되도록 상기 PFP 가스 및 상기 아르곤 가스와 함께 상기 식각 챔버에 공급될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계 동안 상기 식각 챔버 내에서 상기 식각 대상을 지지하는 기판에는 -200 내지 -1400V의 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 식각 대상은 실리콘 산화물 박막일 수 있다.
본 발명에 따르면, 지구온난화지수가 낮은 PFP를 이용하여 종래의 PFC 가스를 이용한 식각 공정보다 온실 가스 배출을 감축할 수 있어, 친환경적인 플라즈마 식각 방법을 제공할 수 있다. 또한, PFP와 함께 Ar가스를 사용하여 플라즈마 식각을 수행함으로써, 우수한 식각 특성으로 식각 대상을 식각할 수 있고, O2 가스를 추가적으로 사용하여 특정 식각 대상의 식각 속도를 높일 수 있고, 보다 곧고 깊은 고종횡비 식각 구조물을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법을 수행할 수 있는 플라즈마 식각 장치의 개략도이다.
도 2는 표 2에 기재된 조건 하에서의 SiO2 박막에 대한 플라즈마 식각 공정에서, PFP 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 방전가스에서 아르곤 가스 유량 비율에 따른 SiO2 박막의 식각 속도의 변화를 측정한 그래프이다.
도 3은 표 2에 기재된 조건 하에서의 SiO2 박막에 대한 플라즈마 식각 공정에서, PFP 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 방전가스에서 아르곤 가스 유량 비율에 따른 라디칼(radical)의 세기 변화를 측정한 그래프이다.
도 4는 표 3에 기재된 조건 하에서의 다양한 박막(Si3N4, SiO2, poly-Si 및 ACL)에 대한 플라즈마 식각 공정에서, 바이어스 전압에 따른 식각 속도의 변화를 측정한 그래프이다.
도 5는 표 3에 기재된 조건 하에서의 SiO2 박막에 대한 플라즈마 식각 공정에서, 바이어스 전압에 따른 라디칼(radical) 세기의 변화를 측정한 그래프이다.
도 6은 플라즈마 식각 전에 실리콘 기판, 이의 표면을 피복하는 이의 표면을 피복하는 SiO2 박막 및 그 위에 형성된 식각 마스크에 대한 FE-SEM 이미지이다. SiO2 박막의 두께는 2400 nm이고, 식각 마스크(Mask)의 두께는 약 1400 nm이다. 식각 마스크는 ACL과 그 위에 형성된 SiON으로 구성되었고, 각각의 두께는 약 1350 nm 및 50 nm이다. 홀 패턴(Hole Pattern)의 직경은 각각 약 200 nm와 100 nm이다.
도 7은 도 6의 구조물에 대해 표 4에 기재된 조건 하에서 다양한 바이어스 전압 인가하여 12분 동안 SiO2 박막의 플라즈마 식각을 진행 후의 식각 프로파일을 나타내는 FE-SEM 이미지들이다.
도 8은 표 5에 기재된 조건 하에서의 다양한 박막(Si3N4, SiO2, poly-Si 및 ACL)에 대한 플라즈마 식각 공정에서, 산소의 유량비에 따른 식각 속도의 변화를 측정한 그래프이다.
도 9는 표 5의 기재된 조건 하에서의 SiO2 박막에 대한 플라즈마 식각 공정에서, 산소 유량비에 따른 라디칼(radical) 세기의 변화를 측정한 그래프이다.
도 10은 표 6에 기재된 조건 하에서 다양한 산소 유량비를 갖는 방전가스를 이용하여 12분 동안 SiO2 박막의 플라즈마 식각을 진행 후의 식각 프로파일을 나타내는 FE-SEM 이미지들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법을 수행할 수 있는 플라즈마 식각 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법은 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 펜타플루오로프로판올(pentafluoropropanol, PFP) 가스 및 아르곤(Ar) 가스를 포함하는 방전가스를 제공하여, 상기 식각 대상을 플라즈마 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 식각 대상은 특별히 제한되지 않으나, 일반적으로 반도체 소자 제조 과정에서 절연층으로 기능하는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등일 수 있다. 예를 들면, 상기 식각 대상은 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide, SiO2)와 같은 실리콘 산화물일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 방전가스는 상기 PFP와 아르곤 외에 산소(O2) 가스를 추가로 더 포함할 수 있다.
상기 PFP는 탄소 3개, 수소 3개, 산소 1개 및 불소 5개로 구성된 물질로, 약 80 ℃의 끓는점을 가져 상온에서 액체 상태로 존재할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 PFP의 구체적인 물성을 하기 표 1에 나타냈다.
화학 구조
(chemical Structure)
Figure pat00001
분자식(Molecular formula) C3H3F5O
분자량(M.W.) (g/mol) 150
끓는점(Boiling Point) (℃) 80
밀도(Density) (g/mL)(25℃) 1.505@20℃
지구온난화지수(GWP) 19
일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법은 도 1에 도시된 식각 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 일 실시예로, 상기 식각 장치(100)는 식각 챔버(110); 제1 용기(120), 제2 용기(130) 및 제3 용기(140)를 포함할 수 있다.
상기 식각 챔버(110)는 플라즈마 소스(115)에 결합될 수 있고, 식각 대상('Wafer')을 내부에 수용하는 방전 공간을 구비할 수 있다. 상기 방전 공간은 상기 제1 내지 제3 용기(120, 130, 140)로부터 방전 가스를 제공받을 수 있고, 상기 플라즈마 소스(115)는 상기 방전 가스에 방전 전압을 인가하여 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 용기(120, 130, 140)는 제1 내지 제3 연결 배관(125, 135, 145)을 통해 상기 식각 챔버(110)에 연결될 수 있다. 상기 제1 용기(120)에는 액체 상태의 PFP가 수용될 수 있고, 상기 제2 및 제3 용기(130, 140)에는 아르곤 가스 및 산소 가스가 각각 수용될 수 있다.
상기 제1 용기(120)에 수용된 PFP는 끓는점이 80℃로 상온에서 액상으로 존재하기 때문에, 액상의 PFP를 상기 식각 챔버(110)에 균일하게 유입하기 위해 PFP를 증기화(Vaporization)한 후 상기 식각 챔버(110)의 방전 공간에 제공할 수 있다. 일 실시예로, 상기 PFP의 증기화는 액상의 PFP를 수용하는 상기 제1 용기(120) 및 상기 제1 용기(120)와 상기 식각 챔버(110) 사이를 연결하는 상기 제1 연결 배관(125)을 상기 PFP의 끓는점 이상의 온도로 가열함으로써 수행될 수 있다. 한편, 일 실시예에 있어서, 액적 튐 현장으로 상기 식각 챔버(110)에 제공되는 상기 PFP의 유량이 흔들리지 않도록, 상기 제1 용기(120)는 상기 PFP의 끓는점 이상의 온도인 제1 온도로 가열할 수 있고, 상기 제1 연결 배관(125)은 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 용기(120)는 가열 재킷(Heating Jacket)을 이용하여 약 90 내지 110℃의 온도로 가열될 수 있고, 상기 제1 연결 배관(125)은 약 120 내지 140℃의 온도로 가열될 수 있다. 한편, 상기 제1 연결 배관(125)의 출구에는 질량유량계(Mass Flow Controller)가 설치되어 일정한 유량의 상기 증기화된 PFP를 상기 식각 챔버(110)의 방전 공간에 제공할 수 있다.
상기 제2 용기(130)에 수용된 아르곤 가스 및 상기 제3 용기(140)에 수용된 산소 가스는 상기 제1 연결 배관(125)과는 다른 상기 제2 연결 배관(135) 및 상기 제3 연결 배관(145)을 통해 각각 상기 식각 챔버(110)의 방전 공간에 제공될 수 있다.
본 발명에 따라, 상기 식각 챔버(110)의 방전 공간에 PFP 가스와 함께 Ar 가스를 공급한 후 플라즈마를 생성하는 경우, 플라즈마 밀도를 높일 수 있고 이온 포격을 통해 상기 식각 대상에 대해 비등방적 식각을 수행할 수 있다. 구체적으로, 음전성(electronegative)의 불화탄소 플라즈마(fluorocarbon plasma)에 양전성(electropositive)의 Ar이 첨가되면 플라즈마 밀도가 향상되어 PFP와 같은 전구체(precursor)의 분해가 증가되고 그로 인해 가스 상(gas phase)과 표면화학(surface chemistry)에 많은 영향을 미치게 된다. 예를 들어, Ar 첨가에 따른 표면화학의 대표적인 변화로는 표면에 형성되는 정상상태(steady state) 불화탄소의 플루오린(fluorine) 함량의 감소가 있다. 또한, Ar은 양전성이기 때문에 음전하를 띄는 웨이퍼(wafer)로 가속되어 이온 포격을 하게 되고, 이에 따라, 상기 웨이퍼에 홀(hole)의 형성시 비등방적 식각이 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 식각 대상이 실리콘 산화물인 경우, 상기 PFP 가스 및 상기 Ar 가스는 약 2:3(=40:60) 내지 1:9(=10:90)의 유량비로 상기 식각 챔버(110)의 방전 공간에 제공될 수 있다. 상기 PFP 가스 및 상기 Ar 가스의 유량비가 2:3(=40:60) 미만인 경우에는 상기 식각 대상에 대한 식각 속도가 지나치게 낮은 문제점이 발생할 수 있고, 상기 PFP 가스 및 상기 Ar 가스의 유량비가 1:9(=10:90)를 초과하는 경우에는 상기 식각 대상을 식각할 수 있는 에천트(Etchant) 양의 감소로 식각 속도가 현저하게 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다. 예를 들면, 상기 식각 대상이 실리콘 산화물인 경우, 상기 PFP 가스 및 상기 Ar 가스는 약 2:3(=40:60) 내지 1:4(=20:80), 약 2:3(=40:60) 내지 3:7(=30:70)의 유량비로 상기 식각 챔버(110)의 방전 공간에 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 방전가스가 상기 PFP와 아르곤 외에 산소(O2) 가스를 추가로 더 포함하는 경우, 상기 산소 가스는 플라즈마 식각에 의해 발생하는 불화탄소 박막의 두께를 적절히 제어하여 식각 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 산소(O2) 가스의 첨가에 의해 과도한 불화탄소의 박막의 두께를 감소시켜 반응성 이온 및 라디칼의 확산의 저해를 방지할 수 있고, 이를 통해 우수한 식각 속도로 식각 대상을 식각할 수 있다. 또한, 식각 대상 구조물의 벽면에 불화탄소 박막이 과도하게 증착되는 것을 방지할 수 있기 때문에 원치 않는 식각 정지를 방지할 수 있고 목적하는 깊이만큼 식각할 수 있어, 본 발명의 플라즈마 식각 방법에 따라 식각 대상에 홀 패턴 마스크를 이용하여 식각 구조물을 형성하는 경우, 홀 패턴 마스크의 직경과 식각 구조물의 직경 차이가 없는 고종횡비 식각 구조물을 형성할 수 있다. 다만, 상기 방전가스 중 상기 산소(O2) 가스의 비율이 지나치게 높아지는 경우, 실리콘 산화물과 같은 식각 대상의 소스 역할을 하는 불화탄소 박막의 형성을 지나치게 방해하여 식각 대상에 대한 이방성 식각을 저해하는 문제점이 발생할 수 있다. 일 실시예로, 상기 산소(O2) 가스의 유량과 상기 PFP 가스 및 상기 아르곤 가스의 합산 유량은 약 1:9(=10:90) 내지 1:99의 비율이 되도록, 상기 산소(O2) 가스, 상기 PFP 가스 및 상기 아르곤 가스가 상기 식각 챔버에 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 산소(O2) 가스의 유량과 상기 PFP 가스 및 상기 아르곤 가스의 합산 유량은 약 7:93의 비율이 되도록, 상기 산소(O2) 가스, 상기 PFP 가스 및 상기 아르곤 가스가 상기 식각 챔버에 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법에 있어서, 상기 식각 대상을 지지하는 기판에 인가되는 바이어스 전압(bias voltage)은 약 -200V 내지 -1400V의 전압일 수 있다. 상기 바이어스 전압이 -200V보다 작은 경우에는 상기 식각 대상에 대한 식각 속도가 지나치게 낮은 문제점이 발생할 수 있고, 상기 바이어스 전압이 -1400V보다 큰 경우에는 식각 속도의 추가적인 향상은 나타나지 않으면서 전력 소모만을 증가시키는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법에 있어서, 상기 방전가스의 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 플라즈마 소스(115)에 인가되는 소스 전력(source power)은 약 200W 이상일 수 있다. 상기 소스 전력이 200W 미만인 경우, 상기 식각 대상에 대한 식각 속도가 현저하게 낮은 문제점이 발생할 수 있다. 한편, 전력 소모를 낮추기 위해 상기 플라즈마 소스(115)에 인가되는 소스 전력(source power)은 약 200 이상 1000W 미만일 수 있다.
본 발명에 따르면, 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)가 3으로서 종래의 PFC 가스보다 현저하게 낮은 PFP와 아르곤(Ar)의 혼합가스 또는 PFP와 아르곤 그리고 산소(O2)의 혼합가스를 방전가스로 적용하여 플라즈마 식각 공정을 수행하므로, 기존 PFC 가스를 이용한 플라즈마 식각 공정에 비해 온실 가스의 배출을 현저하게 감소시킬 수 있고, 또한 우수한 식각 특성으로 플라즈마 식각을 수행할 수 있다.
특히, 본 발명의 플라즈마 식각 공정에 따르면, 식각 대상에서 불화탄소 박막의 증착 속도는 감소시키고 식각 속도를 증가시켜, 불화탄소 박막의 두께를 적절히 제어하면서 식각 대상을 식각할 수 있고, 식각 대상에 홀 패턴 마스크를 이용하여 플라즈마 식각하는 경우, 홀 패턴 마스크의 직경과 식각 구조물의 직경의 차이가 거의 없거나 근소한 고종횡비 식각 구조물을 형성할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 하기에서 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하기로 한다.
이하에서는 보다 구체적인 실시예 및 실험예에 대해 설명한다. 다만, 하기 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예
방전가스로 PFP 및 아르곤의 혼합가스를 이용하여 다양한 조건에서 실리콘 기판 표면에 형성된 SiO2 박막에 대해 플라즈마 식각을 수행하였다. 이때, PFP를 증기화하여 식각 챔버에 공급함에 있어서, 액상의 PFP를 수용하는 캐니스터(Canister)는 100℃로 가열하였고, 상기 캐니스터와 상기 식각 챔버를 연결하는 연결라인은 130℃로 가열하였다.
실험예 1: 아르곤(Ar)의 유량비에 따른 식각 속도 및 라디칼(radical) 분석
도 2는 표 2에 기재된 조건 하에서의 SiO2 박막에 대한 플라즈마 식각 공정에서, PFP 및 Ar으로 이루어진 방전가스에서 Ar 가스 유량 비율에 따른 SiO2 박막의 식각 속도의 변화를 측정한 그래프이다.
소스전력
(Source power)
(W)		 바이어스 전압
(Bias voltage)
(V)		 방전가스
(Discharge Gas)		 총 유량비
(Total Flow Rate)
(sccm)		 압력
(Pressure)
(mTorr)		 기판온도
(Substrate Temperature)
(℃)
250 -600 PFP/Ar 30 10 15
표 2와 함께 도 2를 참조하면, PFP 및 Ar 가스가 특정 유량비로 혼합된 가스를 방전가스로 적용한 경우에 식각 속도가 현저하게 증가하는 것으로 나타났다. 구체적으로, 전체 방전가스에서 Ar의 유량비가 약 50%를 초과하는 경우에는 Ar의 혼합 비율이 증가함에 따라 식각 속도가 증가하는 것으로 나타났고, 특히, 약 50% 내지 60%에서 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 반면, Ar의 유량비가 약 70%를 초과하는 경우에는 Ar의 혼합 비율이 증가함에 따라 다시 식각 속도가 서서히 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 식각 속도의 감소는 SiO2를 식각할 수 있는 에천트(Etchant) 양이 감소하기 때문인 것으로 예상할 수 있다. 이상의 사항을 기초로, 방전가스에서 Ar 가스의 비율은 약 60 내지 90%, 약 60 내지 80% 또는 약 60% 내지 70%인 것이 바람직하다.
도 3은 표 2에 기재된 조건 하에서의 SiO2 박막에 대한 플라즈마 식각 공정에서, PFP 및 Ar으로 이루어진 방전가스에서 아르곤 가스 유량 비율에 따른 라디칼(radical)의 세기 변화를 측정한 그래프이다. 이때, 라디칼의 세기는 광학 방사 분광(optical emission spectroscopy, OES)으로 측정하였다.
표 2와 함께 도 3을 참조하면, 전체 방전가스에서 Ar의 유량비가 약 67%인 경우에는 Ar 유량비가 약 0%인 경우와 비교하여 CF2, C1, C2, C3, F, H, O, Ar 라디칼 세기가 모두 증가한 것으로 나타났다. 라디칼의 세기의 증가는 플라즈마 내 라디칼 발생량 증가를 의미한다. 특히, F 라디칼은 플라즈마 내 F 라디칼 함량이 높을수록 SiO2의 식각 속도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 방전가스에서 특정 유량비로 Ar을 포함하는 경우, 플라즈마 내 F 라디칼의 증가로 인해 SiO2의 식각 속도가 증가하는 것을 알 수 있다.
실험예 2: 바이어스 전압(bias voltage)에 따른 식각 속도, 라디칼(radical) 및 식각 구조물 분석
도 4는 표 3에 기재된 조건 하에서의 다양한 박막(Si3N4, SiO2, poly-Si 및 ACL)에 대한 플라즈마 식각 공정에서, 바이어스 전압에 따른 식각 속도의 변화를 측정한 그래프이다. 이때, 전체 방전가스에서 Ar의 유량비는 약 67%였다.
소스전력
(Source power)
(W)		 바이어스 전압
(Bias voltage)
(V)		 방전가스
(Discharge Gas)
(X/Y)		 총 유량비
(Total Flow Rate)
(sccm)		 압력
(Pressure)
(mTorr)		 기판온도
(Substrate Temperature)
(℃)
250 -400 ~ -1200 PFP/Ar 30
(X/Y = 10/20)		 10 15
표 3과 함께 도 4를 참조하면, Si3N4, SiO2, poly-Si 및 ACL 박막 모두 바이어스 전압이 증가할수록 식각 속도가 증가하는 것으로 나타났다. 또한, Si3N4, SiO2, poly-Si, ACL의 순서로 식각 속도가 낮은 것으로 나타났다.
도 5는 표 3에 기재된 조건 하에서의 SiO2 박막에 대한 플라즈마 식각 공정에서, 바이어스 전압에 따른 라디칼(radical) 세기의 변화를 측정한 그래프이다. 이때, 전체 방전가스에서 아르곤의 유량비는 약 67%였으며, 라디칼의 세기는 광학 방사 분광(optical emission spectroscopy, OES)으로 측정하였다.
표 3과 함께 도 5를 참조하면, 바이어스 전압이 증가함에 따라 CF2, C1 및 C3 라디칼은 증가하는 반면, F, O, C2, H 및 Ar 라디칼은 감소하는 것으로 나타났다. CF2, C1 및 C3 라디칼의 증가는 챔버 벽면에 증착된 불화탄소 박막(fluorocarbon film)에서 방출된 것으로 예상할 수 있다.
도 6은 플라즈마 식각 전에 실리콘 기판, 이의 표면을 피복하는 이의 표면을 피복하는 SiO2 박막 및 그 위에 형성된 식각 마스크에 대한 FE-SEM 이미지이고, 도 7은 도 6의 구조물에 대해 표 4에 기재된 조건 하에서 다양한 바이어스 전압 인가하여 12분 동안 SiO2 박막의 플라즈마 식각을 진행 후의 식각 프로파일을 나타내는 FE-SEM 이미지들이다.
소스전력
(Source power)
(W)		 바이어스 전압
(Bias voltage)
(V)		 방전가스
(Discharge Gas)		 총 유량비
(Total Flow Rate)
(sccm)		 압력
(Pressure)
(mTorr)		 기판온도
(Substrate Temperature)
(℃)		 식각 시간
(min)
250 -400, -800, -1200 PFP/Ar 30
(X/Y = 10/20)		 10 15 12
표 4와 함께 도 6 및 도 7을 참조하면, 바이어스 전압에 따른 SiO2 박막의 식각 깊이는 차이가 없는 것으로 나타났다. 구체적으로, -400, -800 및 ??1200 V의 바이어스 전압에서 각각 12분 동안 식각을 수행한 결과, 모든 시편은 SiO2의 바닥인 약 2400 nm까지 식각되지 않은 것으로 나타났고, 약 2000 내지 2100 nm의 깊이까지만 식각된 것으로 나타났다.
도면 6과 함께 도 5를 참조하면, 도 5에서 바이어스 전압이 증가함에 따라 증착에 관여하는 CF2 라디칼은 증가하지만 식각에 관여하는 F 라디칼은 미세하게 감소하는 것으로 나타나는 것을 확인할 수 있고, 이로 인해 바이어스에 따른 식각 깊이의 차이가 미미한 것을 알 수 있다. 즉, 바이어스 전압이 증가함에 따라 이온에너지는 증가하지만 F/CF2 비율(ratio)이 감소하기 때문에, ??400V를 이용한 경우와 ??1200V를 이용한 경우의 식각 깊이의 차이가 미미한 것으로 해석될 수 있다.
실험예 3: 산소(O 2 ) 첨가에 따른 식각 속도, 라디칼(radical) 및 식각 구조물 분석
도 8은 표 5에 기재된 조건 하에서의 다양한 박막(Si3N4, SiO2, poly-Si 및 ACL)에 대한 플라즈마 식각 공정에서, 산소의 유량비에 따른 식각 속도의 변화를 측정한 그래프이다.
소스전력
(Source power)
(W)		 바이어스 전압
(Bias voltage)
(V)		 방전가스
(Discharge Gas)		 총 유량비
(Total Flow Rate)
(sccm)		 압력
(Pressure)
(mTorr)		 기판온도
(Substrate Temperature)
(℃)
250 -1200 PFP/O2/Ar 30
(X/Y/Z = 8/2/20 ~ 10/0/20)		 10 15
표 5와 함께 도 8을 참조하면, 방전가스에서 PFP의 유량비가 감소하고 산소의 유량비가 증가할수록 SiO2 및 Si3N4의 식각 속도는 감소하는 반면, poly-Si과 ACL의 식각 속도는 증가하는 것으로 나타났다.
도 9는 표 5의 기재된 조건 하에서의 SiO2 박막에 대한 플라즈마 식각 공정에서, 산소 유량비 따른 라디칼(radical) 세기의 변화를 측정한 그래프이다. 이때, 라디칼의 세기는 광학 방사 분광(optical emission spectroscopy, OES)으로 측정하였다.
표 5와 함께 도 9를 참조하면, 방전가스에서 PFP의 유량비가 감소하고 산소의 유량비가 증가함에 따라 F와 O 라디칼은 증가하는 반면, CF2, C1, C2, C3 및 H 라디칼은 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 방전가스에 산소를 첨가하는 경우 PFP에서 생성되는 탄소 라디칼(Carbon radical)과 수소 라디칼(H radical)은 COx, H2O로 반응하여 제거되고, F는 CFx에서 떨어져 나와 증가함으로써 나타나는 것으로 해석될 수 있다.
도 9와 함께 도 8을 참조하면, SiO2는 CFx 및 F로 식각되고 Si3N4는 CFx, F 및 H로 식각되기 때문에, 방전가스에서 산소의 유량비가 증가할수록 에천트(etchant)가 감소하여 SiO2 및 Si3N4 의 식각 속도가 감소하는 것으로 알 수 있고, 반면, poly-Si는 F로 식각되고 ACL는 O로 식각되기 때문에, poly-Si 및 ACL의 식각속도는 증가하는 것을 알 수 있다.
도 10은 표 6에 기재된 조건 하에서 다양한 산소 유량비를 갖는 방전가스를 이용하여 12분 동안 SiO2 박막의 플라즈마 식각을 진행 후의 식각 프로파일을 나타내는 FE-SEM 이미지들이다.
소스전력
(Source power)
(W)		 바이어스 전압
(Bias voltage)
(V)		 방전가스
(Discharge Gas)		 총 유량비
(Total Flow Rate)
(sccm)		 압력
(Pressure)
(mTorr)		 기판온도
(Substrate Temperature)
(℃)		 식각 시간
(min)
250 -1200 PFP/O2/Ar 30
(X/Y/Z = 8/2/20 ~ 10/0/20)		 10 15 12
표 6과 함께 도 10을 참조하면, 방전가스에서 PFP의 유량비가 감소하고 산소의 유량비가 증가함에 따라 식각 깊이가 증가하는 것으로 나타났다. 구체적으로, 총 유량 30sccm일 때 PFP/O2/Ar의 유량이 8/2/20인 조건에서, SiO2의 바닥(2400 nm)까지 식각된 것으로 나타났다. 한편, 방전가스에서 산소의 유량비가 증가함에 따라, ACL 마스크는 식각되어 높이가 점차 감소하고 있는 것으로 나타났으나, SiO2 박막이 바닥까지 식각된 것을 고려하였을 때, 감소된 ACL의 두께는 충분한 두께로 판단될 수 있다. 방전가스에서 산소 첨가로 인해 더 깊고 곧은 식각 프로파일이 형성된 것은 PFP/O2/Ar 플라즈마에서 CFx 및 탄소 라디칼(Carbon radical) 감소로 인해 홀(hole) 내부 바닥과 벽면에 증착되는 불화탄소 박막(fluorocarbon film)이 감소했기 때문이고, 뿐만 아니라 불화탄소 박막이 O 라디칼에 의해 제거되었기 때문으로 해석될 수 있다. 따라서, 방전가스에서 산소 가스를 첨가하는 경우에는 내로잉(narrowing), 식각 중지(etch stop)와 같은 프로파일 왜곡현상이 줄어들어 곧고 깊은 식각 구조물을 형성할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 식각장치
110: 식각 챔버
115: 플라즈마 소스
120: 제1 용기
125: 제1 연결배관
130: 제2 용기
135: 제2 연결배관
140: 제3 용기
145: 제3 연결배관

Claims (9)

  1. 액상의 펜타플루오로프로판올(PFP)을 증기화시키는 제1 단계;
    상기 증기화된 PFP 및 아르곤 가스를 포함하는 방전가스를 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 공급하는 제2 단계; 및
    상기 방전가스를 방전시켜 플라즈마를 생성하고, 이를 이용하여 상기 식각 대상을 플라즈마 식각하는 제3 단계를 포함하는,
    플라즈마 식각 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액상의 PFP를 증기화한 후 상기 식각 챔버에 제공하기 위해, 상기 액상의 PFP를 수용하는 제1 용기를 상기 PFP의 끓는점 이상의 제1 온도로 가열하고, 상기 제1 용기와 상기 식각 챔버를 연결하는 연결 배관을 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 증기화된 PFP 및 상기 아르곤 가스는 2:3 내지 1:9의 유량비로 상기 식각 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 증기화된 PFP 및 상기 아르곤 가스는 2:3 내지 1:4의 유량비로 상기 식각 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 증기화된 PFP 및 상기 아르곤 가스는 2:3 내지 3:7의 유량비로 상기 식각 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방전가스는 산소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 산소의 유량은 상기 PFP 가스 및 상기 아르곤 가스의 합산 유량과 1:3 내지 1:99의 비율이 되도록 상기 PFP 가스 및 상기 아르곤 가스와 함께 상기 식각 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3 단계 동안 상기 식각 챔버 내에서 상기 식각 대상을 지지하는 기판에는 -200 내지 -1400V의 바이어스 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 식각 대상은 실리콘 산화물 박막인 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
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