KR20230000564A - 비정질 탄소막의 형성 방법 - Google Patents

비정질 탄소막의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 탄소를 함유하는 제 1 공정가스를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착 단계를 포함하되, 상기 비정질 탄소막의 식각 선택비를 향상시키기 위해 상기 증착 단계 중 적어도 일 구간에서 상기 기판 상에 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 것을 특징으로 하는 비정질 탄소막의 형성 방법을 제공한다.

Description

비정질 탄소막의 형성 방법{Method of forming amorphous carbon layer}
본 발명은 물질막의 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비정질 탄소막의 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 비정질 탄소막은 생체 재료, 유기발광 다이오드(OLED), 반도체 집적회로, 하드 마스크 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 특히, 종래의 비정질 탄소막을 하드마스크 물질로 사용할 때 선택비가 낮아서 발생하는 패턴 구현의 문제점을 보완하고자 공정 온도를 높여 박막의 선택비를 개선하거나 유기 금속산화물 전구체를 적용하여 개선하는 방식을 사용할 수 있다. 그러나, 고온 공정 시 챔버 부품 내구성 감소 및 온도 하강 후 세정 공정에 따른 설비당 시간당 생산량(UPEH) 감소 문제가 발생할 수 있다. 또한, 후속 공정 연계 시 열 손상(Thermal Damage)이 발생할 수 있다. 나아가, 챔버 내 금속 오염 문제를 해결하기 위하여 추가 공정이 발생할 수 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개공보 제2009-0057487호(2009.06.08.공개, 발명의 명칭: 하드마스크용 비정질탄소막을 이용한 반도체 소자의 제조방법)가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 차세대 개발에서는 후속 공정에서 고온에 의한 열 손상을 줄이고자 저온 공정이 가능하며, 저온 공정에서도 높은 선택비를 가지는 하드 마스크 박막을 개발하여 패턴 구현의 문제점을 개선할 수 있는 비정질 탄소막의 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 비정질 탄소막의 형성 방법을 제공한다. 상기 비정질 탄소막의 형성 방법은 탄소를 함유하는 제 1 공정가스를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착 단계를 포함하되, 상기 비정질 탄소막의 식각 선택비를 향상시키기 위해 상기 증착 단계 중 적어도 일 구간에서 상기 기판 상에 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 증착 단계는 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 지속적으로 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 단속적으로 공급하는 단계를 포함한다.
상기 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 증착 단계는 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계를 교번하는 단위사이클을 복수회 포함할 수 있다.
상기 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조는, 상기 증착 단계 내내 상기 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 단계를 수행하지 않고 구현한 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조와 비교하여, Sp3 구조와 Sp2 구조의 비가 상대적으로 더 높을 수 있다.
상기 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 제 1 공정가스는 CxHy 가스(상기 x와 y는 양의 정수)를 포함할 수 있다.
상기 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 제 2 공정가스는 O2, N2O 또는 NO 를 포함할 수 있다.
상기 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 증착 단계는 공정온도가 400℃이하일 수 있다.
상기 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스는 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급되며, 상기 플라즈마는 중심 주파수 대역이 20 내지 70MHz인 고주파 전원 소스 및 200 내지 400KHz인 저주파 전원 소스를 이용하여 구현될 수 있다.
상기 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 활성화시키기 위한 플라즈마는 RF 주파수 전원 소스를 이용하여 구현되되, 상기 단위 사이클을 반복 수행하는 동안 상기 증착 단계에서 상기 RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 차세대 개발에서는 후속 공정에서 고온에 의한 열 손상을 줄이고자 저온 공정이 가능하며, 저온 공정에서도 높은 선택비를 가지는 하드 마스크 박막을 개발하여 패턴 구현의 문제점을 개선할 수 있는 비정질 탄소막의 형성 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 비정질 탄소막의 형성 방법을 도해하는 도면들이다.
도 3은 다이아몬드, 흑연, 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조를 도해하는 도면이다.
도 4는 비정질 탄소막의 형성 방법에 따른 탄소 원자 결합 구조를 개요적으로 도해하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의한 비정질 탄소막의 형성 방법에서 RF 주파수 전원의 크기에 따른 비정질 탄소막의 RI값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의한 비정질 탄소막의 형성 방법에서 RF 주파수 전원의 크기에 따른 비정질 탄소막의 k(extinction coefficient)값을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의한 비정질 탄소막의 형성 방법에서 RF 주파수 전원의 크기에 따른 비정질 탄소막의 FT-IR 분석값(CHx 밴드)을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의한 비정질 탄소막의 형성 방법에서 RF 주파수 전원의 크기에 따른 비정질 탄소막의 FT-IR 분석값(C=C 밴드)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의한 비정질 탄소막의 형성 방법을 구현하는 박막 형성 장치의 구성을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 형성 방법을 도해하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 선택비(Selectivity)와 증착률(Deposition rate)을 각각 비교한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 막질 특성 변화를 각각 비교한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 XPS 분석 결과 중 400℃에서 C1s 결과를 비교한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 XPS 분석 결과 중 400℃에서 XPS 강도 비율을 비교한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 라만(Raman) 분석 결과를 비교한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 FT-IR 분석 결과 중 C=C 밴드에 대한 결과를 비교한 도면이다.
도 17은 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 FT-IR 분석 결과 중 CHx 밴드에 대한 결과를 비교한 도면이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판 등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명에서 언급하는 고주파 전원과 저주파 전원은 챔버 내에 플라즈마를 형성하기 위하여 인가되는 전원으로서, RF 전력의 주파수 범위를 기준으로 상대적으로 구분될 수 있다. 예를 들어, 고주파 전원은 3 MHz 내지 70 MHz의 주파수 범위를 가지며, 엄격하게는, 20 MHz 내지 70MHz의 주파수 범위를 가질 수 있다. 저주파 전원은 30 KHz 내지 4000 KHz의 주파수 범위를 가지며, 엄격하게는, 200 KHz 내지 400KHz의 주파수 범위를 가질 수 있다.
본 발명에서 언급하는 플라즈마는, 일 예로, 다이렉트 플라즈마(direct plasma) 방식에 의하여 형성될 수 있다. 상기 다이렉트 플라즈마 방식은, 예를 들어, 공정가스를 전극과 기판 사이의 처리공간에 공급하고 주파수 전원을 인가함으로써, 공정가스의 플라즈마가 챔버 내부의 처리공간에서 직접 형성되는 방식을 포함한다.
하지만, 상기 플라즈마는, 다른 예로, 리모트 플라즈마(remote plasma) 방식에 의하여 형성될 수 있다. 상기 리모트 플라즈마 방식은, 예를 들어, 플라즈마를 리모트 플라즈마 발생기에서 활성화시켜 챔버 내부로 유입시키는 방식을 포함하며, 다이렉트 플라즈마에 비하여 전극 등의 챔버 내부 부품의 손상이 적고 파티클 발생을 저감할 수 있다는 이점을 가질 수 있다.
편의상, 본 발명에서는 플라즈마를 이용하여 특정 가스를 활성화시킨 상태를 '특정 가스의 플라즈마'라고 명명한다. 예를 들어, 플라즈마를 이용하여 O2 가스를 활성화시킨 상태를 O2 플라즈마라고 명명할 수 있다.
본 발명에서 비정질 탄소막은 산화막, 질화막 또는 산질화막 상에 하드 마스크막으로 기능할 수 있는 바, 상기 산화막, 질화막 또는 산질화막의 패터닝 공정에서 하드 마스크막으로서 상기 비정질 탄소막은 식각 선택비를 가지는 것이 필요하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 비정질 탄소막의 형성 방법을 도해하는 도면들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 탄소막의 형성 방법은 탄소를 함유하는 제 1 공정가스를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착 단계를 포함하되, 상기 비정질 탄소막의 식각 선택비를 향상시키기 위해 상기 증착 단계 중 적어도 일 구간에서 상기 기판 상에 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소를 함유하는 제 1 공정가스는 Cx1Hy1 가스(상기 x와 y는 양의 정수)를 포함할 수 있으며, 상기 산소를 함유하는 제 2 공정가스는 O2 가스 또는 Nx2Oy2 가스(상기 x2와 y2는 양의 정수)를 포함할 수 있다. 상기 Nx2Oy2 가스는, 예를 들어, N2O 가스 또는 NO 가스를 포함할 수 있다.
상기 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 증착 단계는 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 지속적으로 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 단속적으로 공급하는 단계를 포함한다. 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계는 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 지속적으로 공급하는 단계동안 소정의 적어도 일 구간에서 수행되지만 그 외의 다른 구간에서는 수행되지 않는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성을 구체적으로 살펴보면, 상기 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착 단계는, 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계(S1); 및 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계(S2); 를 교번하는 단위사이클(S10)을 복수회 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 1을 참조하면, 단위사이클(S10)은, 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계(S1); 및 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계(S2);가 순차적으로 교번되는 구성을 포함할 수 있다.
다른 예를 들어, 도 2를 참조하면, 단위사이클(S10)은, 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계(S2); 및 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계(S1);가 순차적으로 교번되는 구성을 포함할 수 있다.
도 1 또는 도 2에 의한 단위사이클(S10)을 복수회 반복함으로써 형성된 상기 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조는, 상기 증착 단계 내내 상기 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 단계를 수행하지 않고 구현한 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조와 비교하여, Sp3 구조와 Sp2 구조의 비가 상대적으로 더 높은 것을 특징으로 한다.
도 3은 다이아몬드, 흑연, 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조를 도해하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 다이아몬드(diamond)는 밀도가 3.51g/cm3이며, 정사면체의 3차원적 결합 구조인 Sp3 구조로만 이루어진 물질이며, 흑연(graphite)은 밀도가 2.26g/cm3이며, 2차원적 결합 구조인 Sp2 구조로만 이루어진 물질임에 반하여, 비정질 탄소막(amorphous carbon)은 밀도가 2.2 ~ 3.5g/cm3이며, Sp3 구조와 Sp2 구조의 혼합 구조로 이해할 수 있다.
도 4는 비정질 탄소막의 형성 방법에 따른 탄소 원자 결합 구조를 개요적으로 도해하는 도면이다.
도 4의 (a)는 탄소를 함유하는 상기 제 1 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하되, 산소를 함유하는 상기 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 단계를 수행하지 않고 구현한 본 발명의 비교예에 따른 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조를 나타내며, 도 4의 (b)는 도 1 또는 도 2에 개시된 형성 방법에 의하여 구현한 본 발명의 실시예에 따른 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조를 나타낸다.
탄소를 함유하는 상기 제 1 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 과정에서 N2 및/또는 Ar 가스를 함께 공급할 수 있으며, 이 경우, C, H, N, Ar 플라즈마가 기판 상에 최종적으로 공급될 수 있다. 한편, 탄소를 함유하는 상기 제 1 공정가스 및 산소를 함유하는 상기 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 과정에서 N2 및/또는 Ar 가스를 함께 공급할 수 있으며, 이 경우, O, C, H, N, Ar 플라즈마가 기판 상에 최종적으로 공급될 수 있다.
한편, 본 발명의 변형된 실시예에서는 제 2 공정가스의 플라즈마가 산소 플라즈마가 아닌 수소 플라즈마일 수 있다.
도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조는 Sp3 구조와 Sp2 구조의 혼합 구조이다. 다만, 도 4의 (b)에 도시된 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조에서 Sp3 구조와 Sp2 구조의 비(= Sp3/Sp2)는 도 4의 (a)에 도시된 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조에서 Sp3 구조와 Sp2 구조의 비(= Sp3/Sp2)보다 상대적으로 높다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 탄소막의 형성 방법에 의하면, 비정질 탄소막을 형성하는 동안 산소 플라즈마 처리를 통하여 선택적으로 Sp2 구조를 제거하고 Sp3 구조로의 재결합을 촉진시켜 효율적으로 저온에서 높은 선택비를 갖는 비정질 탄소 하드 마스크를 형성할 수 있다.
Sp3 구조는 높은 결합 에너지(285.1 eV)를 가지고 있으며, Sp2 구조는 상대적으로 낮은 결합 에너지(284.4eV)를 가져 산소 플라즈마에 노출되었을 때 선택적으로 Sp2 구조가 식각될 수 있다. 또한, Sp2 구조는 판상 구조 특성상 2차원적인 면 구조를 가지며, 이때 Sp2 구조와 Sp2 구조 면 간 결합 에너지는 반데르발스(Van der waals) 결합 에너지로서 매우 약한 결합 에너지 0.05eV를 가지고 있어, 산소 플라즈마에 노출되었을 때 Sp2 구조는 판상으로 매우 쉽게 식각될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 탄소막의 형성 공정은 이러한 비정질 탄소 하드 마스크의 결합 에너지 특성을 이용하여, 산소 플라즈마 처리를 통해 선택적인 Sp3 구조의 비율을 증가시켜 저온에서 높은 선택비를 갖는 비정질 탄소 하드 마스크를 형성하는 공정이며, 이를 편의상 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합(Selective Oxygen Plasma Etching/Re-structure) 공정이라 명명한다.
한편, 상술한 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 활성화시키기 위한 플라즈마는 RF 주파수 전원 소스를 이용하여 구현되되, 도 1 또는 도 2에 개시된 상기 단위 사이클을 반복 수행하는 동안 상기 증착 단계에서 상기 RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가될 수 있다. 즉, 박막 처리 단계 시 RF 주파수 전원의 증가에 따라 Sp3 구조의 비율은 점진적으로 증가될 수 있으며, 이에 따라 선택비가 증가될 수 있다. RF 주파수 전원의 증가에 따라 Sp2 식각이 강하게 발생하고 Sp3 형성을 촉진시켜 Sp3/Sp2 비율을 크게 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의한 비정질 탄소막의 형성 방법에서 RF 주파수 전원의 크기에 따른 비정질 탄소막의 RI값을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의한 비정질 탄소막의 형성 방법에서 RF 주파수 전원의 크기에 따른 비정질 탄소막의 k(extinction coefficient)값을 나타낸 그래프이다. 표 1은 비정질 탄소막의 형성 방법에서 RF 주파수 전원의 크기에 따른 비정질 탄소막의 물성을 나타낸 표이다.
Gap LF VHF Thickness RI K-value Stress WPG Unif D/R D/R
(㎜) (W) (W) (Å) 633 633 (Mpa) um (%) (Å/min) (Å/sec)
8 300 300 2373 1.826 0.089 -127 -17.70 13.24 4746 79
8 600 300 2605 1.868 0.122 -166 -25.33 7.13 7816 130
8 900 300 2453 1.893 0.144 -185 -26.61 8.65 9812 164
14 300 300 2531 1.830 0.083 -99 -14.71 8.96 5625 94
14 600 300 2276 1.873 0.117 -172 16.09 7.16 7802 130
14 900 300 2258 1.895 0.135 -155 -20.49 7.44 11289 188
표 1 및 도 5를 참조하면, 상술한 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 활성화시키기 위한 플라즈마는 RF 주파수 전원 소스를 이용하여 구현되되, 상기 증착 단계에서 상기 RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가함에 따라 비정질 탄소막의 RI값이 증가함을 확인할 수 있다. 즉, RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가함에 따라 비정질 탄소막의 밀도가 증가하고 선택비가 증가함을 확인할 수 있다.
표 1 및 도 6을 참조하면, 상술한 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 활성화시키기 위한 플라즈마는 RF 주파수 전원 소스를 이용하여 구현되되, 상기 증착 단계에서 상기 RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가함에 따라 비정질 탄소막의 k값이 증가함을 확인할 수 있다. 즉, RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가함에 따라 비정질 탄소막 내부의 수소가 감소함을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의한 비정질 탄소막의 형성 방법에서 RF 주파수 전원의 크기에 따른 비정질 탄소막의 FT-IR 분석값(CHx 밴드)을 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의한 비정질 탄소막의 형성 방법에서 RF 주파수 전원의 크기에 따른 비정질 탄소막의 FT-IR 분석값(C=C 밴드)을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상술한 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 활성화시키기 위한 플라즈마는 RF 주파수 전원 소스를 이용하여 구현되되, 상기 증착 단계에서 상기 RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가(300W, 600W, 900W)함에 따라 비정질 탄소막의 CHx 밴드 피크가 감소함을 확인할 수 있다. 즉, RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가함에 따라 비정질 탄소막 내부의 수소가 감소함을 확인할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상술한 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 활성화시키기 위한 플라즈마는 RF 주파수 전원 소스를 이용하여 구현되되, 상기 증착 단계에서 상기 RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가(300W, 600W, 900W)함에 따라 비정질 탄소막의 C=C 밴드 피크가 증가함을 확인할 수 있다. 즉, RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가함에 따라 비정질 탄소막의 막 밀도가 증가함을 확인할 수 있다.
도 7 및 도 8에 의하면, 상기 증착 단계에서 상기 RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가함에 따라 비정질 탄소막의 막 밀도가 증가하고 선택비 특성이 증가함을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상술한 비정질 탄소막의 형성 방법에서, 상기 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 활성화시키기 위한 플라즈마는 RF 주파수 전원 소스를 이용하여 구현되되, 상기 RF 주파수 전원의 크기를 점진적으로 증가/감소시켜 선택비의 증가/감소 조정이 가능하다.
앞에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 탄소막의 형성 방법에서 상기 증착 단계는, 예를 들어, 화학기상증착 공정일 수 있으며, 공정온도가 400℃이하인 저온 공정으로 수행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의한 비정질 탄소막의 형성 방법을 구현하는 박막 형성 장치의 구성을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 탄소막의 형성 방법은 챔버(40) 내에 공정가스(상기 제 1 공정가스 및/또는 상기 제 2 공정가스)를 공급하고 안정화 시키는 제 1 단계, 챔버(40)에 상기 공정가스의 플라즈마를 이용하여 기판(W) 상에 비정질 탄소막을 증착하는 제 2 단계, 챔버(40) 내에 퍼지가스를 제공하는 제 3 단계 및 챔버(40)를 펌핑하는 제 4 단계를 포함할 수 있다.
상기 챔버(40) 내에 공정가스를 공급하고 안정화 시키는 제 1 단계는, 플라즈마를 형성하기 위한 전원을 챔버(40)에 인가하지 않은 상태에서, 하부막이 형성된 기판(W) 상에 공정가스를 공급하고 안정화 시키는 단계이다. 상기 공정가스는 탄소를 함유하는 상기 제 1 공정가스 및/또는 산소를 함유하는 상기 제 2 공정가스를 포함할 수 있다. 상기 제 1 공정가스는 CxHy 가스(상기 x와 y는 양의 정수)를 포함할 수 있다. 상기 CxHy 가스는, 예를 들어, C3H6 또는 C2H4를 포함할 수 있다. 상기 제 2 공정가스는 COx 또는 Ox 가스(상기 x는 양의 실수)를 포함할 수 있다. 상기 Ox 가스는, 예를 들어, O2 를 포함할 수 있다. 또는, 상기 제 2 공정가스는 NxOy 가스(상기 x와 y는 양의 정수)를 포함할 수 있다. 상기 NxOy 가스는, 예를 들어, N2O 또는 NO를 포함할 수 있다. 또는, 상기 제 2 공정가스는 COx 또는 Ox (상기 x는 양의 실수)를 포함할 수 있다. 비정질 탄소막을 증착하기 전의 기판(W)은 기판(W) 상에 하부막이 먼저 형성되어 있을 수 있다. 즉, 비정질 탄소막은 상기 하부막과 접하여 하부막 상에 증착된다. 상기 하부막은, 예를 들어, 산화막, 질화막 또는 산질화막을 포함할 수 있다.
상기 챔버(40)에 상기 공정 가스의 플라즈마를 이용하여 기판(W) 상에 비정질 탄소막을 증착하는 제 2 단계는, 챔버(40)에 중심 주파수 대역이 20 내지 70MHz인 고주파 전원 소스 및 200 내지 400KHz인 저주파 전원 소스를 이용하여 구현된 플라즈마를 이용하여 상기 하부막 상에 비정질 탄소막을 증착하는 단계이다. 상기 비정질 탄소막을 증착하는 단계는, 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 바와 같이, 탄소를 함유하는 제 1 공정가스를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착 단계를 포함하되, 상기 비정질 탄소막의 식각 선택비를 향상시키기 위해 상기 증착 단계 중 적어도 일 구간에서 상기 기판 상에 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 것을 특징으로 한다.
고주파 전원을 이용한 플라즈마는 저주파 전원을 이용한 플라즈마에 비하여 라디컬(radical) 입자의 운동 에너지는 낮으며, 플라즈마 밀도는 높아지고, 증착속도는 상대적으로 낮으며, 시스(sheath) 영역이 작아진다. 한편, 저주파 전원을 이용한 플라즈마는 고주파 전원을 이용한 플라즈마에 비하여 라디컬(radical) 입자의 운동 에너지가 높기 때문에 하부막으로부터 수소기를 잘 떨어지게 할 수 있다.
상기 비정질 탄소막은 상기 하부막과 접하여 상기 하부막 상에 증착될 수 있다. 일 예로, 상기 하부막은 SOH막, TiN막, SiCN막 및 SiON막 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 또는, 상기 하부막은 산화실리콘막 및 질화실리콘막 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
비정질 탄소막을 증착하는 제 2 단계는, 예를 들어, 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정일 수 있다. 화학기상증착(CVD) 공정에서는 챔버 내의 기판 상에 공정가스를 근접시켜 주입하되, 후속적으로, 공정가스는 대상체 표면에서 반응하여 대상체 표면 상에 박막을 형성하고 증착 공정 이후의 반응 부산물은 챔버로부터 제거된다. 공정가스의 반응에 필요한 에너지로서 열을 인가하는 경우 상당히 높은 온도를 필요로 할 수 있으나 이와 같은 증착 온도는 주변 구성 요소에 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있다. 이와 같은 이유 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 탄소막의 형성 방법은 반응 온도를 감소시키고자 하는 CVD 공정에서 실용화된 방법 중의 하나로서 공정가스의 적어도 일부를 이온화하는 플라즈마 강화 화학기상증착 공정을 증착 단계에서 채용할 수 있다.
일반적으로 비정질 탄소막을 하드마스크 물질로 사용할 때 선택비가 낮아서 발생하는 패턴 구현의 문제점을 보완하고자 플라즈마 강화 화학기상증착의 공정 온도를 고온(400 내지 650℃)으로 높여 박막의 선택비를 개선할 수 있다. 그러나, 고온(400 내지 650℃) 공정 시 챔버 부품 내구성 감소 및 온도 하강 후 세정 공정에 따른 설비당 시간당 생산량(UPEH) 감소 문제가 발생할 수 있으며, 후속 공정 연계 시 열 손상(Thermal Damage)이 발생할 수 있다.
본 발명에서는 중심 주파수 대역이 20 내지 70MHz인 고주파 전원 소스 및 200 내지 400KHz인 저주파 전원 소스를 제공하도록 구성되는 플라즈마 전원 공급부를 포함하는 박막 증착 장치를 이용한 비정질 탄소막의 형성 방법으로서, 저온 공정온도 범위에서 상기 고주파 전원 소스 및 상기 저주파 전원 소스를 공급하고, 탄소를 함유하는 제 1 공정가스를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착 단계를 포함하되, 상기 비정질 탄소막의 식각 선택비를 향상시키기 위해 상기 증착 단계 중 적어도 일 구간에서 상기 기판 상에 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 것을 특징으로 하는 비정질 탄소막을 증착하는 구성을 도입함으로써, 후속 공정에서 고온에 의한 열 손상을 줄일 수 있는 400℃ 이하의 저온 공정을 가능하게 하면서 동시에 저온 공정에서도 높은 선택비를 가지는 하드 마스크 박막을 제공할 수 있는 비정질 탄소막의 형성 방법을 제공한다. 나아가, 본 발명에서는 유기 금속산화물 전구체를 적용하여 개선하는 방식을 사용하지 않으므로, 챔버 내 금속 오염 문제를 해결하기 위하여 추가 공정을 진행하지 않을 수 있다.
이러한 듀얼 주파수 전원의 인가 방식을 설명한다. 기판(W)이 장입될 수 있는 챔버(40)는 샤워헤드(42) 및 스테이지 히터(44)를 포함할 수 있다. 기판(W)은 스테이지 히터(44) 상에 장착된다. 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전력이 전극의 역할을 담당하는 샤워헤드(42) 및/또는 스테이지 히터(44)에 인가되어 샤워헤드(42) 및 스테이지 히터(44) 사이의 공간에 플라즈마(P)가 형성된다. RF 전력이 생성되는 제너레이터(10, 20)와 챔버(40) 사이에 매칭부(15, 25, 35)가 개재되어 정합을 구현할 수도 있다.
도 9를 참조하면, 제 1 제너레이터(10)에서 생성된 저주파 RF 전원 및 제 2 제너레이터(20)에서 생성된 고주파 RF 전원은 전극의 역할을 담당하는 샤워헤드(42)에 모두 인가될 수 있다. 저주파 전원이 인가되는 전극 및 고주파 전원이 인가되는 전극은 모두 챔버 내에서 기판(W) 보다 상부에 위치할 수 있다.
챔버(40)에 상기 공정가스의 플라즈마를 이용하여 기판(W) 상에 비정질 탄소막을 증착하는 제 2 단계를 수행한 후에 챔버(40) 내에 퍼지가스를 제공하는 제 3 단계 및 챔버(40)를 펌핑하는 제 4 단계를 수행할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실험예를 통하여, 비정질 탄소 하드 마스크의 결합 에너지 특성을 이용하여, 산소 플라즈마 처리를 통해 선택적인 Sp3 구조의 비율을 증가시켜 저온에서 높은 선택비를 갖는 비정질 탄소 하드 마스크를 형성할 수 있음을 설명한다.
도 10은 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 형성 방법을 도해하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실험예 중 공정조건-1은 탄소를 함유하는 제 1 공정가스(CxHy 가스)를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착하는 동안 상기 기판 상에 산소(Oxygen)를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 단계를 전혀 수행하지 않은 경우에 해당한다.
공정조건-2는 탄소를 함유하는 제 1 공정가스(CxHy 가스)를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착하는 단계 중 적어도 일 구간에서 상기 기판 상에 산소(Oxygen)를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 단계를 수행하되, 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계를 교번하는 단위사이클을 3회 반복하는 경우에 해당한다.
공정조건-3은 탄소를 함유하는 제 1 공정가스(CxHy 가스)를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착하는 단계 중 적어도 일 구간에서 상기 기판 상에 산소(Oxygen)를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 단계를 수행하되, 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계를 교번하는 단위사이클을 5회 반복하는 경우에 해당한다.
공정조건-4는 탄소를 함유하는 제 1 공정가스(CxHy 가스)를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착하는 단계 내내 상기 기판 상에 산소(Oxygen)를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 단계를 동시에 수행하는 경우에 해당하며, 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않으면서 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계가 별도로 존재하지 않는다.
상기 공정조건-2 또는 공정조건-3은 상술한 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합(Selective Oxygen Plasma Etching/Re-structure) 공정조건으로 이해할 수 있다.
도 11 및 표 2는 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 선택비(Selectivity)와 증착률(Depo.rate)을 각각 비교한 도면과 표이다.
oxide carbon hard mask
400℃ 200℃ 400℃
PEOX 공정조건-1 공정조건-2 공정조건-3 공정조건-1 공정조건-2 공정조건-3 공정조건-4
Before THK (Å) 4950 2589 2458 2502 2448 2507 2538 2512
After THK (Å) 4603 2424 2313 2388 2392 2463 2491 2474
Etching Amount (Å) 340 164 145 114 56 43.5 36 38
Etch rate (Å/s) 11 5.46 4.83 3.8 1.86 1.45 1.2 1.27
Selectivity 1 2.06 2.34 3.04 6.03 7.8 9.3 8.95
도 11 및 표 2를 참조하면, 탄소를 함유하는 제 1 공정가스를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하는 증착 단계를 포함하되, 상기 증착 단계 중 적어도 일 구간에서 상기 기판 상에 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 공정조건-2, 공정조건-3, 공정조건-4는 공정조건-1 대비 비정질 탄소 하드 마스크의 선택비가 개선됨을 확인할 수 있다. 예를 들어, 공정온도 400℃에서 공정조건-3의 경우 선택비가 54%가 개선되었다. 이러한 결과는 선택적으로 Sp2 구조가 식각되고 재구조화(restructure)에 기인한 것으로 이해된다.
한편, 공정조건-2 및 공정조건-3에서 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계를 교번하는 단위사이클의 반복횟수가 증가함에 따라 선택비가 증가함을 확인할 수 있다. 또한, 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않으면서 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계가 별도로 존재하지 않는 공정조건-4에서는 선택비가 감소함을 확인할 수 있다.
상술한 결과에 따르면, 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합(Selective Oxygen Plasma Etching/Re-structure) 공정을 통해 상대적으로 저온에서도 Sp3 구조 비율이 상대적으로 높고 선택비가 높은 비정질 탄소막을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 12 및 표 3과 표 4는 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 막질 특성 변화를 각각 비교한 도면과 표이다.
실험예 공정조건 Temp.(℃) N2O Depo. rate
(A/sec) 		THK.(A) Time(s) Unif.
(%)		 RI(@633)
1 공정조건-1 200 - 25.37 2352 92.7 6.51 2.0
2 공정조건-2 200 100 26.48 2458 92.8 6.48 2.0
3 공정조건-3 200 100 26.02 2394 92 6.42 2.01
4 공정조건-1 400 - 12.7 2349 185 6.34 2.02
5 공정조건-2 400 100 12.8 2507 195.85 6.34 2.02
6 공정조건-3 400 100 12.4 2391 193 6.33 2.02
7 공정조건-4 400 100 12.53 2512 200.47 6.33 2.03
실험예 k-value(@633) Stress(Mpa) WPG(um) Selectivity@PEOX Etch rate (A/s)
1 0.15 -435.58 60.08 2.06 5.46
2 0.16 -430.20 60.1 2.34 4.83
3 0.18 -403.18 56.60 3.04 3.8
4 0.35 -653 91.74 6.03 1.86
5 0.40 -719 96.51 7.8 1.45
6 0.44 -742 103.50 9.3 1.2
7 0.54 -853 110.23 8.95 1.27
도 12 및 표 3과 표 4를 참조하면, 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합(Selective Oxygen Plasma Etching/Re-structure) 공정의 적용이 증가됨에 따라 박막 응력(Stress)과 k(extinction coefficient)값이 크게 증가함을 확인할 수 있다. 특히, 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않으면서 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계가 별도로 존재하지 않는 공정조건-4에서는 박막 응력(Stress)과 k(extinction coefficient)값이 현저하게 증가한다. 이에 반하여, 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계를 교번하는 단위사이클을 복수회 반복하는 공정조건-2 또는 공정조건-3에서는 상대적으로 박막 응력(Stress)과 k(extinction coefficient)값의 조정이 가능함을 확인할 수 있다.
도 13 및 표 5는 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 XPS 분석 결과 중 400℃에서 C1s 결과를 비교한 도면과 표이며, 도 14 및 표 6은 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 XPS 분석 결과 중 400℃에서 XPS 강도 비율을 비교한 도면과 표이다.
Atomic (%) 공정조건-1 공정조건-2 공정조건-3 공정조건-4
C 96.18 96.83 95.36 94.62
N 2.84 2.15 3.04 3.63
O 0.98 1.02 1.6 1.75
Intensity ratio 공정조건-1 공정조건-2 공정조건-3 공정조건-4
C-C (284.6 eV) 1 0.9 0.81 0.84
Sp2 carbon (284 eV) 1 1.02 1.17 1.10
Sp3 carbon (284. 8 eV) 1 1.11 1.27 1.22
도 13, 도 14와 표 5 및 표 6을 참조하면, 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합(Selective Oxygen Plasma Etching/Re-structure) 공정에서 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계를 교번하는 단위사이클의 반복횟수에 따라 Sp2 구조/Sp3 구조의 비율이 변화함을 확인할 수 있다. 상기 단위사이클을 반복하여 진행할 경우 Sp3 구조의 형성 비율이 증가함을 확인할 수 있다. 예를 들어, 공정조건-2에서 Sp3 구조의 강도 비율이 27% 증가하였다.
선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합 공정이 도입된 비정질 탄소 하드 마스크는 Sp3 carbon 비율이 증가되어, C1s peak이 0.6eV 가량 peak Shift됨을 확인하였다(284.2 eV(Sp2 Carbon)→ 284.8 eV(sp3 carbon)). 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합 공정이 3 Step 적용(공정조건-2)된 비정질 탄소 하드 마스크는 Sp3 carbon의 비율이 11% 개선되었고, 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합 공정이 5 Step 적용(공정조건-3)된 비정질 탄소 하드 마스크는 Sp3 Carbon 비율이 27% 개선됨이 확인되었다.
한편, 공정조건-4에서와 같이 산소 플라즈마를 연속적으로 처리할 경우 Sp3 구조 비율이 미세하게 감소하며, C-C 단일 형태 결합량이 증가함을 확인할 수 있다. XPS 분석 결과로는, 공정조건-4에서와 같이 산소 플라즈마를 연속적으로 처리할 경우 많은 식각 현상이 유발되어 결합되어 있던 Sp2 구조 및 Sp3 구조의 분해가 증가하고 C-C 단일 형태 결합이 증가된 것으로 보여진다.
선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합(Selective Oxygen Plasma Etching/Re-structure) 공정을 통해 선택적으로 Sp2 구조가 식각되고 재구조화 효과가 발생함을 XPS 분석을 통해 확인하였다.
도 15 및 표 7은 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 라만(Raman) 분석 결과를 비교한 도면과 표이다.
D/G ratio D-shift G-Shift D-FWHM G-FWHM In-plain grain size (Å)
공정조건-1 0.68 2.76 10.54 148.8 68.5 11.12
공정조건-2 0.63 4.57 27.37 115.13 71.07 10.70
공정조건-3 0.797 -1.73 17.51 130.1 71.5 12.06
공정조건-4 0.708 1.2 16.13 160.13 64.21 11.35
도 15 및 표 7을 참조하면, ①과 같이 라만 피크 강도(Raman peak Intensity)가 감소함을 확인할 수 있는 바, 비탄성 스캐터링(Inelastic scattering) 현상이 감소하고 Sp3 구조의 비율이 증가하고 밀도가 증가하는 것을 이해할 수 있다. 또한, ②와 같이 G-Band Red Shift가 발생하고 면 상 그레인 크기가 증가함을 이해할 수 있으며, ③과 같이 D-Band Blue Shift가 발생하고 Sp3 구조의 비율이 증가함을 이해할 수 있다.
구체적으로, 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합 공정을 통해 구조적으로 Sp3 구조의 비율 증가는 Raman 분석을 통해 확인되었다. 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합 공정이 5스텝 도입된 공정조건-3의 비정질 탄소 하드 마스크는 D/G peak ratio이 0.68에서 0.80로 증가되었고, 약 Sp3/Sp2 Carbon 비율이 17% 가량 증가되었다.
즉, 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합(Selective Oxygen Plasma Etching/Re-structure) 공정에서 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계를 교번하는 단위사이클의 반복횟수를 5회 적용하는 공정조건-3에서, D/G 비가 증가하고, Sp3/Sp2 비율이 증가함을 확인할 수 있다. 나아가, Sp3/Sp2 비율이 증가함에 따라 선택비가 개선됨을 이해할 수 있다.
앞에서 살펴본 바와 같이, XPS 및 Raman 분석결과를 통해 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합 공정이 도입됨에 따라서, 비정질 탄소 하드 마스크 내부의 Sp3 carbon 비율 증가를 확인했고, 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합 Cycle 횟수가 증가됨에 따라서 더욱 효과적으로 Sp3 carbon 비율이 증가하는 것을 확인했다. 성장 온도 200℃에서는 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합 공정이 3 Step 적용된 비정질 탄소 하드 마스크는 선택비가 13% 개선되었고, 5 Step 적용된 비정질 탄소 하드 마스크는 선택비가 약 47% 개선되었다. 성장 온도 400℃에서는 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합 공정이 3 Step 적용된 비정질 탄소 하드 마스크는 선택비가 29% 개선되었고, 5 Step 적용된 비정질 탄소 하드 마스크는 선택비가 약 54% 개선되었다.
도 16은 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 FT-IR 분석 결과 중 C=C 밴드에 대한 결과를 비교한 도면이고, 도 17은 본 발명의 실험예에 따른 비정질 탄소막의 FT-IR 분석 결과 중 CHx 밴드에 대한 결과를 비교한 도면이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합(Selective Oxygen Plasma Etching/Re-structure) 공정이 적용된 비정질 탄소 하드 마스크의 CHx 밴드 강도가 약해짐을 확인할 수 있다. 이에 의하면, 선택적 산소 플라즈마 에칭 및 재결합(Selective Oxygen Plasma Etching/Re-structure) 공정을 적용함에 따라 CHx 결합이 사라지고 C=C 결합 및 C=O 결합으로 재결합이 증가됨을 이해할 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 실험예에 의하면, 산소 플라즈마 식각 및 재구조화 공정 추가를 통해 선택적으로 막 내부의 Sp3 구조의 비율을 조정할 수 있음을 확인할 수 있었다. 나아가, 산소 플라즈마 식각 및 재구조화 공정 추가를 통해 비정질 탄소 하드 마스크의 Sp3 구조 비율을 증가시켜 공정온도 400℃ 이하에서 효과적으로 선택비를 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
나아가, 본 발명의 비정질 탄소막의 형성 방법을 패터닝 공정에 적용한다면 높은 종횡비의 단차 구조를 가지는 구조에서도 스텝 커버리지를 개선할 수 있을 것으로 예상된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 탄소를 함유하는 제 1 공정가스를 이용하여 비정질 탄소막을 기판 상에 증착하되, 공정온도가 400℃이하인, 증착 단계를 포함하되,
    상기 비정질 탄소막의 식각 선택비를 향상시키기 위해 상기 증착 단계 중 적어도 일 구간에서 상기 기판 상에 산소를 함유하는 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 것을 특징으로 하는,
    비정질 탄소막의 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 단계는 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 지속적으로 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 단속적으로 공급하는 단계를 포함하는,
    비정질 탄소막의 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 단계는 상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스를 상기 기판 상에 동시에 공급하는 단계 및 상기 제 2 공정가스를 공급하지 않고 상기 제 1 공정가스를 상기 기판 상에 공급하는 단계를 교번하는 단위사이클을 복수회 포함하는 것을 특징으로 하는,
    비정질 탄소막의 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 탄소막의 탄소 원자 결합 구조는, 상기 증착 단계 내내 상기 제 2 공정가스를 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급하는 단계를 수행하지 않은 경우와 비교하여, Sp3 구조와 Sp2 구조의 비가 상대적으로 더 높은 것을 특징으로 하는,
    비정질 탄소막의 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 공정가스는 CxHy 가스(상기 x와 y는 양의 정수)를 포함하는,
    비정질 탄소막의 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 공정가스는 O2, N2O 또는 NO 를 포함하는,
    비정질 탄소막의 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 공정가스 및 상기 제 2 공정가스는 플라즈마에 의해 활성화시켜 공급되며,
    상기 플라즈마는 중심 주파수 대역이 20 내지 70MHz인 고주파 전원 소스 및 200 내지 400KHz인 저주파 전원 소스를 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는,
    비정질 탄소막의 형성 방법.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 플라즈마는 RF 주파수 전원 소스를 이용하여 구현되되,
    상기 단위 사이클을 반복 수행하는 동안,
    상기 증착 단계에서 상기 RF 주파수 전원의 크기가 점진적으로 증가되는 것을 특징으로 하는,
    비정질 탄소막의 형성 방법.
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