KR20230004189A - 산질화실리콘 박막 형성 방법 - Google Patents

산질화실리콘 박막 형성 방법 Download PDF

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최영철
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Abstract

본 발명은 산질화실리콘 박막 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온에서 물성이 우수한 산질화실리콘 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일 실시예는, 서로 다른 주파수를 갖는 적어도 2개의 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 이용하여, 200℃ 이하의 온도에서 기판 상에 산질화실리콘(SiON) 박막을 형성하는 산질화실리콘 박막 형성 단계; 상기 산질화실리콘 박막의 스트레스를 감소시키기 위해 상기 산질화실리콘 박막을 플라즈마 처리하는 중간 플라즈마 처리 단계; 및 상기 산질화실리콘 박막 형성 단계와 상기 중간 플라즈마 처리 단계를 교번적으로 적어도 1회 반복 수행하여 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

산질화실리콘 박막 형성 방법{METHOD OF FORMING SILICON OXYNITRIDE THIN FILM}
본 발명은 산질화실리콘 박막 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온에서 물성이 우수한 산질화실리콘 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조에 있어 집적도를 향상시키기 위하여 미세화된 패턴을 형성하는 것이 필수적이다.
미세화된 패턴을 형성하기 위해 LELE(Litho-Etch-litho-etch) 방법이 가장 널리 이용되어 왔으나, LELE 방법은 줄어드는 피치(pitch)에 대한 분해 횟수가 증가함에 따라 오버레이 에러(overlay error)가 누적되어 전체 오류 허용치를 늘리는 문제점이 있다.
이를 개선하기 위해, 자가 정렬 이중 패터닝(Self-Aligned Double Patterning, SADP), 자가 정렬 사중 패터닝(Self-Aligned Quadruple Patterning, SAQP) 방법을 이용하여 그리드 구조물(Grid Structure)를 만드는 방향으로 연구가 진행되고 있다. SADP 그리드 구조물 또는 SAQP 그리드 구조물을 만들고 이를 회로 구조로 변환하기 위해서는 CUT & BLOCK Litho 공정이 필요하다. 이때 CUT & BLOCK Litho 공정은 SADP 또는 SAQP 방법에 의해 형성된 질화티타늄(TiN) 스페이서(spacer)의 열 손상(Thermal Damage)을 감소시키기 위해 저온 공정이 요구된다.
특히, CUT & BLOCK Litho 공정을 위해 산질화실리콘 박막을 형성하여야 하는데, 현재 이용되고 있는 산질화실리콘 박막 형성 공정은 400℃ 정도의 고온이 요구되므로, 200℃ 이하의 저온에서 물성이 우수한 산질화실리콘 박막을 형성할 수 있는 새로운 방법이 필요한 실정이다.
또한, 하부 박막이 저온 공정에서 형성되므로, 이후 형성되는 산질화실리콘 박막 형성 공정 역시 200℃ 이하의 저온에서 수행되어야 한다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 200℃ 이하의 저온에서도 물성이 우수한 산질화실리콘 박막을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일 실시예는, 서로 다른 주파수를 갖는 적어도 2개의 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 이용하여, 200℃ 이하의 온도에서 기판 상에 산질화실리콘(SiON) 박막을 형성하는 산질화실리콘 박막 형성 단계; 상기 산질화실리콘 박막의 스트레스를 감소시키기 위해 상기 산질화실리콘 박막을 플라즈마 처리하는 중간 플라즈마 처리 단계; 및 상기 산질화실리콘 박막 형성 단계와 상기 중간 플라즈마 처리 단계를 교번적으로 적어도 1회 반복 수행하여 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 산질화실리콘 박막 형성 단계는, 제1 주파수를 갖는 제1 플라즈마 전원과 상기 제1 주파수보다 작은 제2 주파수를 갖는 제2 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 이용한다.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 중간 플라즈마 처리 단계는, 상기 제1 주파수를 갖는 플라즈마에 의해 발생되는 플라즈마를 이용하여 상기 산질화실리콘 박막을 플라즈마 처리한다.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 산질화실리콘 박막을 형성하는 단계는, 실리콘(Si)을 함유하는 실리콘 함유 소스 가스, 질소(N)를 함유하는 질소 함유 반응 가스 및 산소(O)를 함유하는 산소 함유 반응 가스를 이용하며, 상기 질소 함유 반응 가스는 수소(H)를 함유하지 않는다.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 질소 함유 반응 가스는 질소(N2) 가스를 포함한다.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 중간 플라즈마 처리 단계는, 질소(N)를 함유하는 가스를 포함하는 중간 플라즈마 처리 가스 분위기에서 수행한다.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 중간 플라즈마 처리 가스는 암모니아(NH3) 가스를 포함한다.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막을 형성하는 단계 이후, 상기 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막을 불활성 가스와 산소(O) 함유 가스를 포함하는 제1 후속 플라즈마 가스 분위기에서 제1 후속 플라즈마 처리하는 제1 후속 플라즈마 처리 단계; 및 상기 제1 후속 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막을 산소(O) 함유 가스를 포함하는 제2 후속 플라즈마 가스 분위기에서 제2 후속 플라즈마 처리하여, 상기 제1 후속 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막 표면의 물성을 변경시키는 제2 후속 플라즈마 처리 단계;를 더 포함한다.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 후속 플라즈마 처리 단계에서 공급되는 상기 산소 함유 가스가 상기 제1 후속 플라즈마 처리 단계에서 공급되는 상기 산소 함유 가스의 양보다 많다.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 후속 플라즈마 처리 단계에서 공급되는 상기 산소 함유 가스의 공급량은 상기 제1 후속 플라즈마 처리 단계에서 공급되는 상기 산소 함유 가스의 공급량 보다 20 내지 30배 정도 더 많은 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 불활성 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar) 및 헬륨(He) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 산소 함유 가스는 질소(N)가 함유되어 있는 가스이다.
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 후속 플라즈마 처리를 위해 인가되는 전력이 상기 제1 후속 플라즈마 처리를 위해 인가되는 전력보다 더 크다.
본 발명에 따르면, 이중 주파수를 이용하여 산질화실리콘 박막을 형성함으로써, 200℃ 이하의 저온에서도 우수한 물성의 산질화실리콘 박막을 형성할 수 있게 된다.
특히, 산질화실리콘 박막을 형성할 때, 이중 주파수를 이용하면서 수소(H)를 함유하지 않은 질소 함유 반응 가스를 사용함으로써, 실리콘(Si)과 질소(N)의 결합이 증가하고 실리콘(Si)과 수소(H)의 결합이 감소하게 되어 경시성(Aging Effect) 개선된다.
또한, 산질화실리콘 박막 형성 후 교번적으로 플라즈마 처리를 통해 결합길이가 짧은 결합이 증가하여 산질화실리콘 박막의 스트레스가 개선된다.
그리고 불활성 가스 분위기에서 수행되는 제1 후속 플라즈마 처리와 산소 함유 가스 분위기에서 수행되는 제2 후속 플라즈마 처리를 통해 식각 내성을 크게 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일 실시예의 수행 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 도 7은 본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 각 공정별 도면들이다.
도 8는 산질화실리콘 박막 형성 이후, 시간 경과에 따른 산질화실리콘 박막의 두께 변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 산질화실리콘 박막 형성 이후, 시간 경과에 따른 산질화실리콘 박막의 굴절률(Refractive Index, RI) 변화를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 산질화실리콘 박막 내의 결합 관계를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 산질화실리콘 박막들의 스트레스를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명은 이중 주파수를 갖는 플라즈마를 이용하여 기판 상에 산질화실리콘 박막을 형성하고, 이를 플라즈마 처리하는 방법으로 산질화실리콘 박막을 형성하는 것으로써, 저온에서 물성이 우수한 산질화실리콘 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
이하에서는 도면과 함께 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 살펴본다.
도 1은 본 발명에 따른 산질화실리콘 박막의 일 실시예의 수행 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2 내지 도 도 7은 본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 각 공정별 도면들이다.
도 1을 도 2 내지 도 7과 함께 참조하면, 본 발명에 따른 산질화실리콘 박막 형성 방법에 대한 일 실시예는 우선, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 기판(210) 상에 산질화실리콘 박막(230)을 형성한다(S110).
본 발명에 따른 산질화실리콘 박막을 형성하는 방법을 수행하기 위한 박막 형성 장치는 플라즈마를 이용하여 박막을 형성하는 장치로, 서로 다른 주파수를 갖는 적어도 2개의 플라즈마 전원에 의해 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장치이면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 실시예에 이용되는 기판(210)은 실리콘, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 실리콘카바이드, 그라파이트, 그래핀, Ⅲ-Ⅴ 화합물, Ⅱ-Ⅵ 화합물 등으로 이루어진 기판이 이용될 수 있으며, 특별히 제한되지 않으나, 자가 정렬 이중 패터닝(Self-Aligned Double Patterning, SADP), 자가 정렬 사중 패터닝(Self-Aligned Quadruple Patterning, SAQP) 방법을 이용하여 그리드 구조물(Grid Structure)을 만드는 기판이 이용될 수 있다.
기판(210) 상에는 하부막(220)이 형성되어 있을 수 있으며, 기판 상에 형성되는 하부막(220)은 SADP 그리드 구조물 또는 SAQP 그리드 구조물을 만들고 이를 회로 구조로 변환하기 위해서는 CUT & BLOCK Litho 공정 중에 형성된 박막일 수 있다. 또한, 기판(210) 상에 형성되는 하부막(220)은 금속 원소, Ⅳ족 원소, Ⅲ-Ⅴ 화합물, Ⅱ-Ⅵ 화합물, 질소(N), 산소(O) 중 붕소(B) 적어도 하나를 함유할 수 있으며, 예컨대, 실리콘, 실리콘산화물, 실리콘질화물, 금속산화물, 금속질화물, Ⅲ-Ⅴ 화합물, Ⅱ-Ⅵ 화합물, 3원계 화합물, 4원계 화합물로 이루어진 박막일 수 있다. 또한, 하부막(220)은 하드 마스크막의 일부일 수 있으며, 예컨대, SOH(Spin On Hardmask) 물질을 포함할 수 있다. SOH 물질은 실리콘(Si)을 포함하는 Si-SOH, 탄소(C)를 포함하는 C-SOH일 수 있다.
기판(210) 상에 산질화실리콘 박막(230)을 형성하기 위해, 실리콘(Si)을 함유하는 실리콘 함유 소스 가스, 질소(N)를 함유하는 질소 함유 반응 가스 및 산소(O)를 함유하는 산소 함유 반응 가스를 이용한다. 실리콘 함유 소스 가스는 실란(SiH4)과 같은 실란계 가스가 사용될 수 있으며, 산소 함유 반응 가스는 아산화질소(N2O)와 같은 가스가 사용될 수 있다. 질소 함유 반응 가스는 수소(H)를 함유하지 않는 가스가 사용될 수 있으며, 예컨대, 질소(N2) 가스가 사용될 수 있다.
종래의 고온 산질화실리콘 박막 형성 공정에서는 암모니아(NH3) 가스와 같이 수소(H)가 함유된 가스를 질소 함유 반응 가스로 사용하였다. 그러나 200℃ 이하의 저온에서 암모니아 가스와 같이 수소(H)가 함유된 가스를 질소 함유 반응 가스로 사용하게 되면, 저온화에 따른 반응률의 저하로 인해 산질화실리콘 박막 내에 수소(H)가 많이 포함되어 박막의 물성이 저하된다. 이에 따라 본 발명에서는 질소 함유 반응 가스는 질소(N2) 가스와 같이 수소(H)를 함유하지 않는 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 S110 단계에서는 상술한 바와 같이 서로 다른 주파수를 갖는 적어도 2개의 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 사용한다. 예컨대, 고주파 플라즈마 전원과 저주파 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 사용한다. 저주파 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 사용하여 산질화실리콘 박막을 형성하게 되면, 전반적으로 반응률이 상승하게 되므로, 저온 공정시 반응률이 감소하는 것을 억제할 수 있다. 그러나 저주파 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마만을 사용하여 산질화실리콘 박막을 형성하게 되면, 형성되는 산질화실리콘 박막 표면의 거칠기(roughness)가 증가하게 되므로, 본 발명에서는 저온 공정시 반응률을 상승시키면서 박막 표면의 거칠기가 악화되는 것을 방지하기 위해 서로 다른 주파수를 갖는 적어도 2개의 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 사용한다.
다음으로, 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 S110 단계에서 형성된 산질화실리콘 박막(230)을 플라즈마 처리(중간 플라즈마 처리)하여 중간 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막(235)을 형성한다(S120). 그리고 반복 여부를 확인하여(S130), S110 단계와 S120 단계를 교번적으로 반복 수행함으로써 원하는 두께를 갖는 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막(240)을 형성한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막(240)은 중간 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막(235)이 적층된 구조를 갖는다.
S120 단계의 중간 플라즈마 처리는 중간 플라즈마 처리 가스 분위기에서 수행할 수 있으며, 이때 중간 플라즈마 처리 가스는 암모니아(NH3) 가스와 같은 질소(N)가 함유되어 있는 가스가 사용될 수 있다.
고주파 플라즈마 전원과 저주파 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 사용하여 S110 단계를 수행하였을 때, S120 단계는 고주파 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 사용하여 중간 플라즈마 처리 단계를 수행할 수 있다.
S110 단계를 200℃ 이하의 저온에서 수행하는 경우, 고온에서 수행하는 경우와 대비하여, 결합특성의 변화로 인해 형성되는 산질화실리콘 박막 내의 스트레스의 변화가 상이하게 되고, 이러한 산질화실리콘 박막을 이용하여 패턴을 형성하는 경우 위글링(wiggling)이 발생하게 된다. 그러나 S120 단계에 따라 중간 플라즈마 처리를 수행하게 되면, S110 단계에서 형성된 산질화실리콘 박막(230) 내의 스트레스를 감소시킬 수 있게 된다.
상기의 방법으로 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막(240)을 형성하게 되면, 200℃ 이하의 저온에서도 우수한 물성의 산질화실리콘 박막(240)을 형성할 수 있게 된다. 특히, 산질화실리콘 박막(230)을 형성할 때, 이중 주파수를 이용하면서 수소(H)를 함유하지 않은 질소 함유 반응 가스를 사용함으로써, 실리콘(Si)과 질소(N)의 결합이 증가하고 실리콘(Si)과 수소(H)의 결합이 감소하게 되어 경시성(Aging Effect) 개선된다.
또한, 주기적으로 중간 플라즈마 처리를 수행함으로써 결합길이가 짧은 결합이 증가하여 전체 산질화실리콘 박막(240)의 스트레스가 개선된다.
종래의 고온 산질화실리콘 박막 공정에서 온도만 저하시킨 경우, 박막 형성 후 시간 경과에 따라 박막의 두께, 굴절률 등이 열화되는 문제점이 있었는데, 본 발명과 같은 방법으로 산질화실리콘 박막(240)을 형성하게 되면 경시성(Aging Effect)이 개선된다. 이를 도 8 내지 도 10에 나타내었다.
도 8은 산질화실리콘 박막 형성 이후, 시간 경과에 따른 산질화실리콘 박막의 두께 변화를 나타낸 도면이고, 도 9는 산질화실리콘 박막 형성 이후, 시간 경과에 따른 산질화실리콘 박막의 굴절률(Refractive Index, RI) 변화를 나타낸 도면이다.
도 8과 도 9에서 참조번호 810, 910으로 표시된 그래프는 종래의 고온(400℃) 산질화실리콘 박막 공정에서 형성된 산질화실리콘 박막에 대한 그래프이고, 참조번호 820, 920으로 표시된 그래프는 종래의 고온 산질화실리콘 박막 공정에서 온도만 180℃로 변경하여 형성된 산질화실리콘 박막에 대한 그래프이고, 참조번호 830, 930으로 표시된 그래프는 저온(180℃)에서 본 발명에 따른 방법으로 형성된 산질화실리콘 박막에 대한 그래프이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 종래의 고온(400℃) 산질화실리콘 박막 공정에서 형성된 산질화실리콘 박막은 시간이 경과하더라도 형성된 산질화실리콘 박막의 두께와 굴절률의 변화가 크지 않으나, 종래의 고온 산질화실리콘 박막 공정에서 온도만 180℃로 변경하여 형성된 산질화실리콘 박막의 경우에는 시간이 경과하게 되면, 두께가 증가하고 굴절률이 감소하는 문제점이 발생하게 된다.
그러나 본 발명에 따른 방법으로 형성된 산질화실리콘 박막의 경우에는 180℃의 저온에서 공정이 수행되었음에도 시간의 경과에 따라 두께와 굴절률이 크게 변화하지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 방법으로 산질화실리콘 박막을 형성하게 되면, 200℃ 이하의 저온에서도 경시성이 개선되는 것을 알 수 있다. 이는 형성된 산질화실리콘 박막 내의 결합 관계 분석을 통하여 보다 명확하게 알 수 있는데 이를 도 10에 나타내었다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 산질화실리콘 박막 내의 결합 관계를 나타낸 도면으로, 참조번호 1010으로 표시된 그래프는 종래의 고온(400℃) 산질화실리콘 박막 공정에서 형성된 산질화실리콘 박막에 대한 그래프이고, 참조번호 1020으로 표시된 그래프는 종래의 고온 산질화실리콘 박막 공정에서 온도만 180℃로 변경하여 형성된 산질화실리콘 박막에 대한 그래프이고, 참조번호 1030으로 표시된 그래프는 저온(180℃)에서 본 발명에 따른 방법으로 형성된 산질화실리콘 박막에 대한 그래프이다.
도 10에 도시된 바와 같이 종래의 고온(400℃) 산질화실리콘 박막 공정에서 온도만 180℃로 변경하게 되면(도 10(a) 참조), 박막 내에 실리콘(Si)과 질소(N)의 결합(Si-N) 및 실리콘(Si)과 산소(O)의 결합(Si-O)이 감소하고 실리콘(Si)과 수소(H)의 결합(Si-H) 및 질소(N)와 수소(H)의 결합(N-H)의 결합이 증가하는 것을 알 수 있다.
이에 반해, 본 발명에 따른 방법으로 산질화실리콘 박막을 형성하게 되면, 종래의 고온(400℃) 산질화실리콘 박막 공정에서 온도만 180℃로 변경한 경우에 비해(도 10(b) 참조), 박막 내에 실리콘(Si)과 질소(N)의 결합(Si-N) 및 실리콘(Si)과 산소(O)의 결합(Si-O)이 증가하고 실리콘(Si)과 수소(H)의 결합(Si-H) 및 질소(N)와 수소(H)의 결합(N-H)의 결합이 감소하여, 종래의 고온(400℃) 산질화실리콘 박막 공정에서 형성된 산질화실리콘 박막 내의 결합 관계와 유사하게 되는 것을 알 수 있다.
결국 본 발명에 따른 방법으로 산질화실리콘 박막을 형성하게 되면, 박막 내에 수소(H)가 감소하여 경시성이 개선된다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 산질화실리콘 박막들의 스트레스를 나타낸 도면이다.
도 11의 비교예와 실시예의 제조 방법은 아래 표 1과 같다.
플라즈마 처리 방법 플라즈마 처리 가스
비교예 1 플라즈마 처리 없음
비교예 2 SiON 모두 형성 후 최종적으로 플라즈마 처리 -
실시예 1 SiON 모두 형성 후 최종적으로 플라즈마 처리 질소(N2)
실시예 2 SiON 박막 형성과 플라즈마 처리 교번적 수행 질소(N2)
실시예 3 SiON 모두 형성 후 최종적으로 플라즈마 처리 암모니아(NH3)
실시예 4 SiON 박막 형성과 중간 플라즈마 처리 교번적 수행 암모니아(NH3)
도 11과 표 1을 참조하면, 비교예 1, 2와 같이 플라즈마 처리를 하지 않거나 일반적인 플라즈마 처리만 수행한 경우에는 산질화실리콘 박막 내에 스트레스가 매우 큰 것으로 나타났다. 그러나 질소(N2) 가스 또는 암모니아(NH3) 가스를 플라즈마 처리 가스로 이용하여 플라즈마 처리를 한 경우에는 스트레스가 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 산질화실리콘 박막 형성과 중간 플라즈마 처리를 교번적으로 수행하는 경우 스트레스 감소에 큰 영향을 주는 것으로 나타났으며, 암모니아 가스(NH3)를 중간 플라즈마 처리 가스로 사용한 경우가 스트레스 감소에 더욱 효과적인 것을 알 수 있다. 특히 실시예 4의 경우 박막 내에 잔류하는 스트레스가 거의 없는 것으로 나타났다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막(240)을 불활성 가스와 산소(O) 함유 가스를 포함하는 제1 후속 플라즈마 가스 분위기에서 제1 후속 플라즈마 처리를 수행한다(S140). 제1 후속 플라즈마 처리(S140)는 200℃ 이하에서 산질화실리콘 박막(230)을 형성함에 따른 식각 선택비를 보상하기 위해 수행된다.
제1 후속 플라즈마 처리(S140)는 상기의 산질화실리콘 박막(240)을 형성하는 단계(S110 ~ S130)와 인시튜(in-situ)로 수행될 수 있다. 상기 불활성 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar) 및 헬륨(He) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 후속 플라즈마 처리(S140)에 의해 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막(240)을 안정화시킬 수 있다. 경우에 따라 제1 후속 플라즈마 처리(S140)를 수행할 때 산소(O) 함유 가스가 추가적으로 공급될 수 있다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막(240)을 산소(O) 함유 가스를 포함하는 제2 후속 플라즈마 가스 분위기에서 제2 후속 플라즈마 처리를 수행한다(S150). 제2 후속 플라즈마 처리(S150)를 통해 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막(240) 표면의 물성을 변경시킬 수 있다. 제2 후속 플라즈마 처리(S150)는 제1 후속 플라즈마 처리(S140)와 인시튜(in-situ)로 수행될 수 있다.
교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막(240)을 예컨대 질소(N2) 가스 분위기에서 제1 후속 플라즈마 처리하게 되면, 댕글링 본드(dangling bond)들이 제거됨에 따라 막질 특성은 안정화되는 반면, 실리콘(Si)과 질소(N)의 결합(Si-N)이 증대된다. 그런데 실리콘(Si)과 질소(N)의 결합(Si-N)은 식각 선택비를 저해하는 인자로 작용되기 때문에, 실질적으로 식각 내성(식각 선택비)의 변화가 크지 않다. 이에 따라 본 실시예에서는 산질화실리콘 박막(240)의 식각 내성을 개선하기 위하여, 제1 후속 플라즈마 처리(S140)를 수행한 이후, 산소(O) 함유 가스를 포함하는 제2 후속 플라즈마 가스 분위기에서 제2 후속 플라즈마 처리(S150)를 수행한다.
본 실시예에서, 산소(O) 함유 가스로는 아산화질소(N2O) 가스 및 일산화질소(NO) 가스와 같이 질소(N) 및 산소(O) 성분을 동시에 함유하는 가스가 이용될 수 있다. 제2 후속 플라즈마 처리(S150)를 수행할 때 공급되는 산소(O) 함유 가스, 예컨대 N2O 가스는 제1 후속 플라즈마 처리(S140)를 수행할 때 공급되는 산소(O) 함유 가스 보다 약 20 내지 30 배 정도 많은 유량으로 제공될 수 있다. 이에 따라, 산질화실리콘 박막(240) 표면에 다량의 실리콘(O)과 산소(O)의 결합(Si-O)이 발생하여, 산질화실리콘 박막(240)의 식각 내성(식각 선택비)을 개선할 수 있다.
일 예로서, 제1 후속 플라즈마 처리(S140)를 수행할 때 산소(O) 함유 가스가 약 80 내지 90 sccm 정도가 공급되었다면, 제2 후속 플라즈마 처리(S150)를 수행할 때, 산소(O) 함유 가스는 2400 sccm 내지 2700 sccm 정도가 공급될 수 있다.
다른 일 예로서, 제2 후속 플라즈마 처리(S150)를 수행할 때 공급되는 아산화질소(N2O) 가스의 유량은 산질화실리콘 박막(240) 내에 최대로 실리콘(Si)과 산소(O)의 결합(Si-O)을 생성할 수 있을 정도의 유량일 수 있다.
제2 후속 플라즈마 처리(S150)시 플라즈마 발생을 위해 인가되는 전력이 제1 후속 플라즈마 처리(S140)시 플라즈마 발생을 위해 인가되는 전력보다 더 클 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (12)

  1. 서로 다른 주파수를 갖는 적어도 2개의 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 이용하여, 200℃ 이하의 온도에서 기판 상에 산질화실리콘(SiON) 박막을 형성하는 산질화실리콘 박막 형성 단계;
    상기 산질화실리콘 박막의 스트레스를 감소시키기 위해 상기 산질화실리콘 박막을 플라즈마 처리하는 중간 플라즈마 처리 단계; 및
    상기 산질화실리콘 박막 형성 단계와 상기 중간 플라즈마 처리 단계를 교번적으로 적어도 1회 반복 수행하여 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산질화실리콘 박막 형성 단계는,
    제1 주파수를 갖는 제1 플라즈마 전원과 상기 제1 주파수보다 작은 제2 주파수를 갖는 제2 플라즈마 전원에 의해 발생되는 플라즈마를 이용하는 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중간 플라즈마 처리 단계는,
    상기 제1 주파수를 갖는 플라즈마에 의해 발생되는 플라즈마를 이용하여 상기 산질화실리콘 박막을 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산질화실리콘 박막을 형성하는 단계는, 실리콘(Si)을 함유하는 실리콘 함유 소스 가스, 질소(N)를 함유하는 질소 함유 반응 가스 및 산소(O)를 함유하는 산소 함유 반응 가스를 이용하며,
    상기 질소 함유 반응 가스는 수소(H)를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 질소 함유 반응 가스는 질소(N2) 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 플라즈마 처리 단계는,
    질소(N)를 함유하는 가스를 포함하는 중간 플라즈마 처리 가스 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중간 플라즈마 처리 가스는 암모니아(NH3) 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막을 형성하는 단계 이후,
    상기 교번적으로 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막을 불활성 가스와 산소(O) 함유 가스를 포함하는 제1 후속 플라즈마 가스 분위기에서 제1 후속 플라즈마 처리하는 제1 후속 플라즈마 처리 단계; 및
    상기 제1 후속 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막을 산소(O) 함유 가스를 포함하는 제2 후속 플라즈마 가스 분위기에서 제2 후속 플라즈마 처리하여, 상기 제1 후속 플라즈마 처리된 산질화실리콘 박막 표면의 물성을 변경시키는 제2 후속 플라즈마 처리 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 후속 플라즈마 처리 단계에서 공급되는 상기 산소 함유 가스가 상기 제1 후속 플라즈마 처리 단계에서 공급되는 상기 산소 함유 가스의 양보다 많은 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 후속 플라즈마 처리 단계에서 공급되는 상기 산소 함유 가스의 공급량은 상기 제1 후속 플라즈마 처리 단계에서 공급되는 상기 산소 함유 가스의 공급량 보다 20 내지 30배 정도 더 많은 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar) 및 헬륨(He) 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 산소 함유 가스는 질소(N)가 함유되어 있는 가스인 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 후속 플라즈마 처리를 위해 인가되는 전력이 상기 제1 후속 플라즈마 처리를 위해 인가되는 전력보다 더 큰 것을 특징으로 하는 산질화실리콘 박막 형성 방법.
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