KR20230094745A - 기판 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 따른 기판 처리 방법은, 반응 공간이 형성된 공정 챔버(process chamber), 상기 공정 챔버에 결합된 기판 지지부, 상기 기판 지지부에 대향되도록 상기 공정 챔버에 결합된 가스 분사부 및 상기 공정 챔버 외부에 배치되고 상기 가스 분사부와 연결된 플라즈마 반응기(plasma reactor)를 포함하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법으로서, 제 1 절연막 및 제 2 절연막을 포함하는 기판을 상기 기판 지지부 상에 안착시키는 단계와, 상기 플라즈마 반응기에 할로겐 원소를 포함하는 제 1 공정 가스 및 수소 원소를 포함하는 제 2 공정 가스를 포함하는 제 1 반응 가스를 공급하는 단계와, 상기 플라즈마 반응기에 전력을 인가하여 상기 반응 가스를 활성화시켜 활성화된 제 2 반응 가스를 생성하는 단계와, 상기 제 2 절연막에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연막을 식각하도록 상기 제 2 반응 가스를 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 상에 공급하는 식각 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막의 선택적 식각을 위한 기판 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 소자를 제조하기 위해서는 진공 분위기의 기판 처리 장치에서 각종 공정이 수행된다. 예컨대, 공정 챔버 내에 기판을 로딩하고 기판 상에 박막을 증착하거나 박막을 식각하는 등의 공정이 진행될 수 있다. 여기서, 기판은 공정 챔버 내에 설치된 기판 지지부에 지지되며, 기판 지지부의 상부에 설치되는 가스 분사부를 통해 공정 가스를 기판으로 분사할 수 있다.
한편, 기판 상에 하나 또는 복수의 박막 패턴들이 형성될 때, 기판 상에는 다수의 박막들이 노출될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등의 절연막들이 기판 상으로 노출될 수 있다. 이후 이러한 절연막들 중 하나의 절연막을 선택적으로 식각하는 공정이 부가될 수 있다. 최근, 반도체 소자의 고집적화로 이러한 절연막들의 두께가 얇아져, 이러한 절연막들의 식각 단계에서 선택비(selectivity)의 부족으로 원하지 않는 절연막들이 식각되는 문제가 있다. 나아가, 절연막의 두께가 얇아지면 식각액의 침투가 어려워져, 습식 식각이 제한되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고집적 소자 제조 시 높은 식각 선택비를 갖는 건식 식각 공정을 포함하는 기판 처리 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 기판 처리 방법은, 반응 공간이 형성된 공정 챔버(process chamber), 상기 공정 챔버에 결합된 기판 지지부, 상기 기판 지지부에 대향되도록 상기 공정 챔버에 결합된 가스 분사부 및 상기 공정 챔버 외부에 배치되고 상기 가스 분사부와 연결된 플라즈마 반응기(plasma reactor)를 포함하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법으로서, 제 1 절연막 및 제 2 절연막을 포함하는 기판을 상기 기판 지지부 상에 안착시키는 단계와, 상기 플라즈마 반응기에 할로겐 원소를 포함하는 제 1 공정 가스 및 수소 원소를 포함하는 제 2 공정 가스를 포함하는 제 1 반응 가스를 공급하는 단계와, 상기 플라즈마 반응기에 전력을 인가하여 상기 반응 가스를 활성화시켜 활성화된 제 2 반응 가스를 생성하는 단계와, 상기 제 2 절연막에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연막을 식각하도록 상기 제 2 반응 가스를 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 상에 공급하는 식각 단계를 포함한다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각 단계는 상기 제 2 반응 가스를 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 상에 소정 주기로 1회 이상 반복적으로 공급하여 수행할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 제 1 절연막은 실리콘 질화막을 포함하고, 상기 제 2 절연막은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 제 1 공정 가스는 HF, NF3 및 F2 가스들의 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 제 2 공정 가스는 H2 및 NH3 가스들의 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각 단계에서, 상기 제 1 절연막 대 상기 제 2 절연막의 식각 선택비는 50:1 보다 클 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각 단계에서, 상기 기판 지지부의 온도는 70oC ~ 130oC 범위일 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 반응 가스에서 상기 제 1 공정 가스의 유량이 상기 제 2 공정 가스의 유량에 비해서 같거나 또는 더 작을 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각 단계 후, 산소 원소를 포함하는 제 3 공정 가스를 이용하여 상기 기판을 후처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 제 3 공정 가스는 H2O, O2 및 H2O2 가스들을 포함하는 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각 단계 및 상기 후처리하는 단계는 순차로 1회 이상 반복하여 수행될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에 따르면, 고집적 소자 제조 시 절연막 식각 공정에서 높은 식각 선택비를 달성할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법을 보여주기 위한 기판 처리 장치를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 순서도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 공정 가스의 유량에 따른 식각 특성을 보여주는 모식도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 기판 지지부의 온도에 따른 식각 특성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 식각 시간에 따른 식각 특성을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에 의한 식각 결과를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 식각 반복 회수에 따른 식각량 및 식각 선택비를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에 의한 식각 결과를 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 순서도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 공정 가스의 유량에 따른 식각 특성을 보여주는 모식도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 기판 지지부의 온도에 따른 식각 특성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 식각 시간에 따른 식각 특성을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에 의한 식각 결과를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 식각 반복 회수에 따른 식각량 및 식각 선택비를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에 의한 식각 결과를 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 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 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법을 보여주기 위한 기판 처리 장치(100)를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(100)는 공정 챔버(110), 가스 분사부(120), 기판 지지부(130) 및 플라즈마 반응기(150)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 보면, 공정 챔버(110)에는 기판(50)이 처리될 수 있는 반응 공간(112)이 형성될 수 있다. 공정 챔버(110)는 진공 분위기를 형성할 수 있도록 배기 배관(114)을 통해서 진공 펌프(미도시)에 연결될 수 있다. 나아가, 공정 챔버(110)는 기판(50)을 반응 공간(112)으로 로딩하거나 또는 반응 공간(112)으로부터 언로딩하기 위한 출입구와 이를 개폐시키기 위한 게이트 구조(미도시)를 포함할 수 있다. 공정 챔버(110)는 다양한 형상으로 제공될 수 있으며, 예컨대 반응 공간(112)을 한정하는 측벽부와 측벽부 상단에 위치하는 덮개부, 예컨대 탑리드(top lead)를 포함할 수 있다.
가스 분사부(120)는 공정 챔버(110)의 외부로부터 공급된 공정 가스를 반응 공간(112)으로 공급하도록 공정 챔버(110)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 가스 분사부(120)는 기판 지지부(130)에 대향되도록 공정 챔버(110)에 결합될 수 있다. 가스 분사부(120)는 기판 지지부(130) 상에 안착된 기판(S)에 공정 가스를 분사하도록 공정 챔버(110)의 상부에 설치될 수 있다. 예를 들어, 가스 분사부(120)는 가스 배관(152)을 통해서 공정 가스가 인입되는 유입구와, 유입구를 통과한 공정 가스를 분산시키기 위한 블록커 플레이트(blocker plate)와, 공정 가스를 반응 공간(112) 내로 분사하기 위한 분사 플레이트(distribution plate)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 가스 분사부(120)는 샤워 헤드(shower head) 형태, 노즐(nozzle) 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 가스 분사부(120)가 샤워 헤드 형태인 경우, 가스 분사부(120)는 공정 챔버(110)의 상부를 부분적으로 덮는 형태로 공정 챔버(110)에 결합될 수도 있다. 예를 들어, 가스 분사부(120)는 공정 챔버(110)의 덮개부 또는 측벽부에 결합될 수 있다.
기판 지지부(130)는 처리 공간(112) 내에서 기판(S)을 지지하도록 공정 챔버(110)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 기판 지지부(130)는 가스 분사부(120)에 대향되게 공정 챔버(110)에 설치될 수 있다. 나아가, 기판 지지부(130)는 그 내부에 기판(S)을 가열하기 위한 히터(182)를 포함할 수 있다. 히터 전원부(180)는 히터(182)에 전력을 인가하도록 히터(182)에 연결되고, 부가적으로 히터(182)와 히터 전원부(180) 사이에 RF 필터(185)가 개재될 수 있다.
기판 지지부(130)의 상판 형상은 대체로 기판(S)의 모양에 대응되나 이에 한정되지 않고 기판(S)을 안정적으로 안착시킬 수 있도록 기판(S)보다 크게 다양한 형상으로 제공될 수 있다. 일 예에서, 기판 지지부(130)의 샤프트는 승하강이 가능하도록 외부 모터(미도시)에 연결될 수 있으며, 이 경우 기밀 유지를 위하여 벨로우즈관(미도시)이 연결될 수도 있다. 나아가, 기판 지지부(130)는 그 위에 기판(S)을 안치하도록 구성되기 때문에, 기판 안착부, 서셉터 등으로 불릴 수도 있다.
일부 실시예에서, 기판 지지부(130)는 기판(S)에 정전기력을 인가하여 그 상부에 고정하기 위해서 정전 전극을 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 정전 전극은 정전력 전원 공급부로부터 DC 전력을 공급받을 수 있다.
플라즈마 반응기(150)는 가스 분사부(120)와 연결되도록 공정 챔버(110)의 외부에 배치될 수 있다. 플라즈마 반응기(150)는 가스 배관(152)을 통해서 가스 분사부(120)와 연결될 수 있다. 나아가, 플라즈마 반응기(150)에는 가스 배관(154)를 통해서 공정 가스가 유입될 수 있다. 플라즈마 반응기(150)는 공정 챔버(110)의 외부에 배치된다는 점에서 리모트 플라즈마 반응기(remote plasma reactor) 또는 리모트 플라즈마 생성기(remote plasma generator)로 불릴 수도 있다.
나아가, 플라즈마 반응기(150)에는 전력을 인가하기 위한 플라즈마 전원(140)이 연결될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 전원부(140)는 공정 챔버(110)에 적어도 하나의 RF(radio frequency) 전력을 인가하도록 적어도 하나의 RF 전원을 포함할 수 있다. 플라즈마 반응기(150)는 유도결합 플라즈마(inductive coupled plasma, ICP) 방식, 용량결합 플라즈마(capacitive coupled plasma, CCP) 방식, 토로이달 플라즈마(toroidal plasma) 방식, 마이크로웨이브(microwave, MW) 방식 등으로 플라즈마 분위기를 형성할 수 있다.
플라즈마 반응기(150)는 가스 배관(154)을 통해서 적어도 하나의 공정 가스를 공급받고, 내부에 플라즈마 분위기를 형성하여, 공정 가스를 활성화시켜 라디칼 가스를 생성할 수 있다. 이러한 라디칼 가스는 가스 배관(152)을 통해서 가스 분사부(120)로 제공되고, 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상으로 분사될 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 분사부(120)는 가스 배관(152)과 별도로 또는 가스 배관(152)에 부가적인 가스 배관이 연결되어, 플라즈마 반응기(150)와 별도로 부가적인 공정 가스를 공급받을 수도 있다.
이 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)는 기판(S) 상의 박막을 식각하기 위한 에칭 장치 또는 전처리 장치 등으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 기판(S)은 그 상부에 형성된 복수의 절연막들, 예컨대 제 1 절연막 및 제 2 절연막을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 제 1 절연막은 실리콘 질화막을 포함하고, 제 2 절연막은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.
이하에서는 기판 처리 장치(100)를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(S)을 기판 지지부(130) 상에 안착시킬 수 있다(S11). 예를 들어, 제 1 절연막 및 제 2 절연막을 포함하는 기판(S)을 공정 챔버(110) 내로 인입하여 기판 지지부(130) 상에 안착시킬 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 제 1 절연막은 실리콘 질화막을 포함하고, 제 2 절연막은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(S)은 반도체 웨이퍼를 포함하고, 반도체 웨이퍼 상에는 반도체 소자를 형성하기 위한 구조의 일부가 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 기판(S) 상에는 적어도 제 1 절연막 및 제 2 절연막이 노출될 수 있다. 예를 들어, 제 1 절연막 및 제 2 절연막은 기판(S) 상에 병렬적으로 형성되거나, 또는 서로 적층된 후 패터닝 공정에 의해서 노출될 수도 있다.
이어서, 플라즈마 반응기(150)에 제 1 반응 가스를 공급할 수 있다(S13). 예를 들어, 이러한 반응 가스 공급 단계(S13)에서, 제 1 반응 가스는 할로겐 원소를 포함하는 제 1 공정 가스 및 수소 원소를 포함하는 제 2 공정 가스를 포함하는 혼합 가스일 수 있다. 제 1 반응 가스는 제 1 절연막을 선택적으로 식각하기 위해서 제공될 수 있고, 예를 들어 제 1 공정 가스는 HF, NF3 및 F2 가스들의 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 나아가, 제 2 공정 가스는 H2 및 NH3 가스들의 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 이러한 제 1 반응 가스 공급 단계(S13)에서 플라즈마 반응기(150)에 제 1 반응 가스와 더불어 비활성 가스, 예컨대 Ar, N2 등이 더 공급될 수도 있다.
이어서, 제 1 반응 가스를 활성화시켜 활성화된 제 2 반응 가스를 생성할 수 있다(S15). 예를 들어, 제 2 반응 가스 생성 단계(S15)에서, 플라즈마 반응기(150)에 전력을 인가하여 제 1 반응 가스를 활성화시켜 제 2 반응 가스를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이러한 제 1 반응 가스의 활성화 시, 제 1 공정 가스와 제 2 공정 가스가 반응하여 활성화된 제 2 반응 가스를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 반응 가스로 NF3 가스와 NH3 가스가 플라즈마 반응기(150)에서 반응하여 제 2 반응 가스로 불화 암모늄(NH4F) 가스를 생성할 수 있다. 이러한 제 2 반응 가스는 활성화되어, 라디칼 형태로 생성될 수 있다.
다른 예로, 이러한 반응 가스의 활성화 시, 제 1 공정 가스와 제 2 공정 가스가 개별적으로 활성화되어 제 2 반응 가스를 생성할 수도 있다. 이 경우, 제 2 반응 가스는 제 1 공정 가스와 제 2 공정 가스가 라디칼 형태로 생성될 수 있다.
이어서, 제 2 절연막에 대해서 선택적으로 제 1 절연막을 식각하도록 이러한 제 2 반응 가스를 기판(S)에 공급하는 식각 단계가 이어질 수 있다(S17). 예를 들어, 플라즈마 반응기(150)에서 생성된 제 2 반응 가스를 가스 배관(152)을 통해서 공정 챔버(110)에 공급하고, 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상에 분사할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 식각 단계(S17)를 통해서, 제 1 절연막이 식각되어 기판(S)으로부터 제거되고, 제 2 절연막은 기판(S) 상에 잔류할 수 있다.
이러한 식각 단계(S17)에서 제 2 절연막에 대해서 제 1 절연막이 높은 식각 선택비를 가질 필요가 있다. 즉, 제 1 절연막이 식각되는 동안, 제 2 절연막은 식각되지 않거나 최소한으로만 식각될 필요가 있다. 예를 들어, 제 1 절연막 대 제 2 절연막의 식각 선택비는 50:1보다 클 수 있다. 식각 선택비가 50:1 이하인 경우에는 제 1 절연막이 모두 식각되는 동안 제 2 절연막의 식각량이 요구되는 양보다 커질 수 있다. 식각 선택비는 클수록 유리하나, 일부 실시예에서 실질적으로는 최대 100:1 내지 10000:1의 범위에서 포화될 수도 있다.
이 식각 단계(S17)에서, 제 2 반응 가스는 대부분 활성화된 중성 가스로 구성되고, 따라서 등방성 식각(isotropic etching)에 의해서 제 1 절연막이 식각될 수 있다. 이러한 등방성 식각에 의하면, 적층 구조의 식각 시 측면 방향으로의 식각이 가능해진다. 따라서, 이 식각 방법을 이용하면 종래 습식 식각을 대체하여, 건식 식각으로 등방성 식각을 수행할 수 있다. 이러한 라디칼 형태의 제 2 반응 가스는 습식 식각액에 비해서 매우 좁은 공간으로도 침투할 수 있으므로, 이 식각 방법을 이용하여 매우 미세한 패턴에서 제 1 절연막을 선택적으로 식각할 수 있게 된다.
일부 실시예에서, 이 식각 단계(S17)는 제 2 반응 가스를 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상에 소정 주기로 1회 이상 반복적으로 공급하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 식각 시간이 길어지면 제 2 절연막에 대한 식각량이 늘어날 수 있으므로, 소정 주기로 복수회 반복하여, 식각 단계(S17)를 수행할 수 있다. 예를 들어, 밸브(미도시)를 통해서 제 2 반응 가스의 공급을 소정 주기의 펼스 형태로 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1 반응 가스 공급 단계(S1), 제 2 반응 가스의 생성 단계(S15) 및 식각 단계(S17)을 한 사이클로 하여, 이러한 사이클을 소정 회수 반복하여 수행할 수도 있다.
이하에서는 식각 단계(S17)에서 높은 식각 선택비를 갖는 식각 공정 조건에 대해서 보다 구체적으로 설명한다. 이하에서, 제 1 절연막은 실리콘 질화막이고, 제 2 절연막은 실리콘 산화막인 경우에 대해서 예시적으로 설명한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 공정 가스의 유량에 따른 식각 특성을 보여주는 모식도들이다. 여기에서는 제 1 공정 가스로 NF3 가스를 이용하고, 제 2 공정 가스로 NH3 가스를 이용한 경우를 예시적으로 설명한다. 도 4b는 NH3 가스의 유량이 50 sccm인 경우 실리콘 산화막의 식각량을 보여주고, 도 4c는 NH3 가스의 유량이 50 sccm이고, NF3 가스의 유량이 50 sccm인 경우 실리콘 질화막의 식각량을 보여준다.
도 4a를 참조하면, 제 1 공정 가스, 즉 NF3 가스의 유량 및 제 2 공정 가스, 즉 NH3 가스의 유량에 따라서 실리콘 산화막의 식각 속도가 변화되는 것을 알 수 있다. 예를 들어, NH3 가스의 유량이 50 sccm인 경우, NF3 가스의 유량이 5 sccm에서 200 sccm으로 증가되면, 실리콘 산화막의 식각 속도가 미세하가 증가하다가 50 sccm에서 최소 값을 가진 후 이후 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
도 4b를 참조하면, NH3 유량이 50sccm인 경우, NF3 유량이 5 sccm에서 100 sccm으로 증가되면 증가함에 따라서 실리콘 산화막의 식각 두께가 미세하게 증가하다가 50 sccm에서 최소 값을 가진 후 이후 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
도 4c를 참조하면, NH3 가스의 유량이 50 sccm이고, NF3 가스의 유량이 50 sccm인 경우 실리콘 질화막은 약 101 Å의 두께만큼 식각된 것을 알 수 있다.
따라서, 전술한 결과를 바탕으로 보면, 실리콘 산화막의 식각 속도 및 식각량을 줄이려면, 제 1 공정 가스, 예컨대 NF3 가스의 유량을 제 2 공정 가스, 예컨대 NH3 가스의 유량과 같게 하거나 또는 더 작게 할 필요가 있다. 일부 실시예에서, NH3 가스의 유량이 50 sccm이고, NF3 가스의 유량이 50 sccm인 경우, 실리콘 질화막에 대한 식각 속도를 어느 정도 크게 하면서, 실리콘 산화막의 식각 속도는 0.1 Å/s미만으로 유지할 수도 있다. 이러한 유량 조건 하에서, 식각 선택비를 더 크게 하기 위해서 기판 지지부의 온도, 식각 시간 등 다른 조건들이 더 조절될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 기판 지지부의 온도에 따른 식각 특성을 보여주는 그래프이다. 도 5에서, 제 1 공정 가스로 NF3 가스의 유량이 50 sccm이고, 제 2 공정 가스로 NH3 가스의 유량이 50 sccm인 경우를 예로 설명한다.
도 5를 참조하면, 기판 지지부(130)의 온도, 즉 기판(S)의 온도가 증가함에 따라서 식각량, 즉 식각 두께가 변화되는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 실리콘 질화막의 식각 두께는 기판 지지부(130)의 온도가 110oC가 될 때까지 증가하다가 이후 포화되는 반면, 실리콘 산화막의 식각 두께는 기판 지지부(130)의 온도가 증가됨에 따라서 점차 증가하는 것을 알 수 있다.
따라서, 일정 이상의 식각 선택비를 갖기 위해서, 기판 지지부(130)의 온도는 일정 범위로 제한될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 질화막 대 실리콘 산화막의 식각 선택비를 50:1 보다 크게 하기 위해서, 기판 지지부(130)의 온도는 70oC ~ 130oC 범위에서 유지될 수 있다. 기판 지지부(130)의 온도가 70oC보다 낮은 경우에는 실리콘 질화막에 대한 식각이 충분하지 않고, 기판 지지부(130)의 온도가 130oC보다 높은 경우에는 실리콘 산화막의 식각량이 너무 클 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 식각 시간에 따른 식각 특성을 보여주는 그래프이다. 도 6에서, 제 1 공정 가스로 NF3 가스의 유량이 50 sccm이고, 제 2 공정 가스로 NH3 가스의 유량이 50 sccm인 경우를 예로 설명한다.
도 6을 참조하면, 식각 시간이 길어짐에 따라서, 실리콘 질화막의 식각량은 선형적으로 증가하나, 실리콘 산화막의 식각량은 일정 시간 이내에는 거의 변화가 없다가 일정 시간이 지나면 조금씩 증가하는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 식각 시간이 30초 미만인 경우에는, 실리콘 산화막의 식각량이 무시할 만큼 작지만, 30초 이상인 경우에는 2 내지 12 Å으로 증가하는 것을 알 수 있다.
따라서, 이러한 식각 조건에서는, 식각 시간을 30초 미만으로 유지하는 것이 높은 식각 선택비를 유지하는 데 유리할 수 있다. 예를 들어, 전술한 식각 단계(S17)에서 식각 시간을 30초 미만으로 하여, 식각 단계(S17)를 반복적으로 수행하여, 높은 식각 선택비를 유지하면서 실리콘 질화막을 제거할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에 의한 식각 결과를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7을 참조하면, 실리콘 산화막 영역(SiO2 region)에서 실리콘 산화막은 거의 식각되지 않고 잔류되는 반면, 실리콘 질화막 영역(SiN region)에서 실리콘 질화막은 모두 식각된 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서, 식각 반복 회수에 따른 식각량 및 식각 선택비를 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 식각 회수가 1회에서 6회로 증가함에 따라서 식각 선택비가 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 아래 표 1에는 식각량과 식각 선택비를 나타내었다. 따라서, 식각 회수를 적절하게 선택함으로써 식각 선택비를 더 높일 수 있음을 알 수 있다.
| 식각 회수 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| SiO2(Å) | 1.7 | 1.71 | 1.82 | 1.87 | 0.8 | 0.9 |
| SiN(Å) | 21.9 | 73.3 | 117.9 | 158.8 | 202.4 | 248.4 |
| Selectivity | 12.9 | 42.9 | 64.8 | 84.9 | 253.05 | 276 |
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에 의한 식각 결과를 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 9를 참조하면, (a)의 식각 전과 (b)의 식각 후를 비교해 보면, 식각 후 SiN은 모두 제거되고 SiO2는 거의 식각되지 않은 것을 알 수 있다. 도 9에서, 샘플에는 투과전자현미경 사진 분석 전에 경계를 뚜렷하게 나타내기 위해서 ZrO2 표면 코팅이 수행되었다.
따라서, 전술한 본 발명에 따른 기판 처리 방법에 따르면, 실리콘 산화막 대비 높은 식각 선택비를 유지하면서 실리콘 질화막을 식각할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 순서도이다. 이 실시예에 따른 기판 처리 방법은 도 2의 기판 처리 방법에 일부 구성을 부가한 것이고 서로 참조될 수 있는 바, 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
도 3을 참조하면, 식각 단계(S17) 후 기판(S)을 후처리하는 단계(S19)가 이어질 수 있다. 예를 들어, 후처리 단계(S19)는 산소 원소를 포함하는 제 3 공정 가스를 이용하여 수행할 수 있다. 이러한 후처리에 의해서, 기판(S)의 표면을 치밀화하거나 또는 경화(curing) 시킬 수 있다. 예를 들어, 기판(S) 상에 잔류하는 제 2 절연막을 치밀화할 수 있다.
제 3 공정 가스는 H2O, O2 및 H2O2 가스들을 포함하는 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 제 3 공정 가스는 플라즈마에 의해서 활성화되어 기판(S) 상에 공급되거나, 또는 기판(S) 상에 공급된 후 기판(S)에서 열적으로 활성화될 수 있다. 예를 들어, 제 3 공정 가스가 플라즈마에 의해서 미리 활성화되는 경우, 제 3 공정 가스는 플라즈마 반응기(150)에서 활성화되어 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상에 공급될 수 있다. 다른 예로, 제 3 공정 가스가 플라즈마 활성화되지 않은 경우, 플라즈마 반응기(150)를 거치지 않고 가스 분사부(120)에 직접 공급될 수도 있다.
일부 실시에에서, 식각 단계(S17) 및 후처리 단계(S19)는 복수회 반복될 수 있다. 예를 들어, 식각 단계(S17) 및 후처리 단계(S19)를 하나의 사이클로 하여 이러한 사이클을 복수회, 예컨대 N회(N은 자연수) 반복할 수 있다. 이러한 반복 처리는 식각 단계(S17)를 나누어서 진행하고, 그 때마다 후처리 단계(S19)가 부가된다는 점에서 기판(S)에 대한 후처리 효율을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 식각 단계(S17)에서 기판 지지부(130)의 온도, 즉 기판(S)의 온도와 후처리 단계(S19)에서 기판 지지부(130)의 온도, 즉 기판(S)의 온도가 서로 상이하게 제어될 수 있다. 이에 따라, 기판 지지부(130)의 온도를 식각 단계(S17) 및 후처리 단계(S19)에서 각각 최적화하여 제어할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 기판 처리 방법들에 의하면, 절연막들에서 식각 선택비를 높게 유지하면서, 라디칼을 이용한 등방성 건식 식각을 이용하여 일부 절연막을 선택적으로 기판(S)에서 제거할 수 있다.
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.
100: 기판 처리 장치
110: 공정 챔버
120: 가스 분사부
130: 기판 지지부
140: 플라즈마 전원
150: 플라즈마 반응기
110: 공정 챔버
120: 가스 분사부
130: 기판 지지부
140: 플라즈마 전원
150: 플라즈마 반응기
Claims (11)
- 반응 공간이 형성된 공정 챔버, 상기 공정 챔버에 결합된 기판 지지부, 상기 기판 지지부에 대향되도록 상기 공정 챔버에 결합된 가스 분사부 및 상기 공정 챔버 외부에 배치되고 상기 가스 분사부와 연결된 플라즈마 반응기를 포함하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법으로서,
제 1 절연막 및 제 2 절연막을 포함하는 기판을 상기 기판 지지부 상에 안착시키는 단계;
상기 플라즈마 반응기에 할로겐 원소를 포함하는 제 1 공정 가스 및 수소 원소를 포함하는 제 2 공정 가스를 포함하는 제 1 반응 가스를 공급하는 단계;
상기 플라즈마 반응기에 전력을 인가하여 상기 반응 가스를 활성화시켜 활성화된 제 2 반응 가스를 생성하는 단계; 및
상기 제 2 절연막에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연막을 식각하도록 상기 제 2 반응 가스를 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 상에 공급하는 식각 단계를 포함하는,
기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각 단계는 상기 제 2 반응 가스를 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 상에 소정 주기로 1회 이상 반복적으로 공급하여 수행하는,
기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 절연막은 실리콘 질화막을 포함하고, 상기 제 2 절연막은 실리콘 산화막을 포함하는, 기판 처리 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 공정 가스는 HF, NF3 및 F2 가스들의 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함하는, 기판 처리 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 공정 가스는 H2 및 NH3 가스들의 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함하는, 기판 처리 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 식각 단계에서, 상기 제 1 절연막 대 상기 제 2 절연막의 식각 선택비는 50:1 보다 큰, 기판 처리 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 식각 단계에서, 상기 기판 지지부의 온도는 70oC ~ 130oC 범위인, 기판 처리 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 반응 가스에서 상기 제 1 공정 가스의 유량이 상기 제 2 공정 가스의 유량에 비해서 같거나 또는 더 작은, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각 단계 후, 산소 원소를 포함하는 제 3 공정 가스를 이용하여 상기 기판을 후처리하는 단계를 포함하는, 기판 처리 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 3 공정 가스는 H2O, O2 및 H2O2 가스들을 포함하는 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함하는, 기판 처리 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 식각 단계 및 상기 후처리하는 단계는 순차로 1회 이상 반복하여 수행되는, 기판 처리 방법.
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2021
- 2021-12-21 KR KR1020210184131A patent/KR20230094745A/ko unknown
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