KR20230134153A - 순환 플라즈마 에칭 공정 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
도쿄 일렉트론 유.에스. 홀딩스, 인크.
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Abstract

기판을 처리하는 방법은 복수의 사이클을 포함하는 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 복수의 사이클의 각 사이클은, 비-중합 불소 화합물을 포함하는 제1 가스 혼합물을 사용하여 형성된 제1 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 불소 라디칼에 기판의 표면을 노출시킴으로써 기판의 표면과 화학 반응을 일으키는 단계; 기판 위로 제2 가스 혼합물을 흐르게 함과 동시에 기판의 표면과의 화학 반응을 억제함으로써 기판을 냉각시킴과 동시에 잔여 가스 부산물을 제거하는 단계; 및 질소와 수소를 포함하는 가스를 포함하는 제3 가스 혼합물을 사용하여 형성된 제2 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 수소 라디칼에 기판의 표면을 노출시킴으로써 플라즈마 표면 개질 공정을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

순환 플라즈마 에칭 공정
참조에 의한 병합
본 출원은 미국 정규 출원 번호 17/162,623(발명의 명칭: "CYCLIC PLASMA ETCH PROCESS", 출원일: 2021년 1월 29일, 전체 내용이 본 명세서에 병합됨)의 이익을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 반도체 디바이스를 처리하는 방법에 관한 것이고, 특정 실시예에서는 순환 플라즈마 에칭을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 집적 회로(IC)와 같은 반도체 디바이스는 모놀리식 구조로 집적된 전자 구성요소 및 상호연결 요소(예를 들어, 트랜지스터, 저항기, 커패시터, 금속 라인, 접점 및 비아)의 네트워크를 형성하도록 기판 위에 유전체, 전도성 및 반도체 재료의 층을 순차적으로 증착하고 패터닝함으로써 제조된다. 반도체 디바이스의 구성 구조를 형성하는 데 사용되는 많은 처리 단계는 플라즈마 공정을 사용하여 수행된다. 플라즈마 처리 기술은 화학적 건식 에칭(CDE)(예를 들어, 플라즈마 애싱), 물리적 또는 스퍼터 에칭, 반응성 이온 에칭(RIE), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 플라즈마 강화 원자층 에칭(PEALE) 및 원자층 증착(PEALD)을 포함한다.
고기능성 저비용 전자 부품에 대한 만족할 줄 모르는 수요로 인해 최소 특징부 크기를 축소하여 각 연속 기술 노드에서 부품의 패킹 밀도를 대략 두 배로 늘림으로써 비용을 줄여왔다. 침지식 포토리소그래피, 다수의 패터닝, 및 13.5nm 파장의 극자외선(EUV) 광학 시스템과 같은 패터닝의 혁신은 10 나노미터에 가깝게 임계 특징부 크기를 줄였다. 동시에 유기물, 강유전체 및 칼코게나이드와 같은 비전통적인 재료가 제품에 점점 더 많이 사용되고 있다. 이 시나리오는 종종 원자 규모 치수의 정확도, 정밀성 및 프로파일 제어로 특징부를 패터닝하는 공정을 제공하는 플라즈마 기술에 대한 문제를 제시한다. 대량으로 IC를 제조하는 데 필요한 균일성 및 반복성과 함께 이 문제를 해결하려면 추가 혁신이 필요하다.
일 실시예에서, 기판을 처리하는 방법은 복수의 사이클을 포함하는 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 여기서 복수의 사이클의 각 사이클은 비-중합 불소 화합물을 포함하는 제1 가스 혼합물을 사용하여 형성된 제1 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 불소 라디칼에 기판의 표면을 노출시킴으로써 기판의 표면과 화학 반응을 일으키는 단계를 포함한다. 방법은 기판 위로 제2 가스 혼합물을 흐르게 함과 동시에 기판의 표면과의 화학 반응을 억제하는 단계를 포함한다. 방법은 질소와 수소를 포함하는 가스를 포함하는 제3 가스 혼합물을 사용하여 형성된 제2 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 수소 라디칼에 기판의 표면을 노출시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 기판을 처리하는 방법은 복수의 사이클을 포함하는 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 복수의 사이클의 각 사이클은 규소 기반 재료를 부분적으로 제거하기 위해 규소 기반 재료를 포함하는 기판의 표면에 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계, 기판을 냉각시킴과 동시에 잔여 가스 부산물을 제거하는 단계, 및 기판 상에 플라즈마 표면 개질 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 반도체 디바이스를 제조하는 방법은 기판의 하부 층에 인접하여 패터닝된 층의 스택을 형성하는 단계를 포함한다. 패터닝된 층의 스택은 하부 층에 인접한 유기 층, 및 유기 층 위에 규소 기반 재료를 포함하는 하드마스크 층을 포함하고; 방법은 플라즈마 처리 챔버에 기판을 로딩하는 단계를 포함한다. 방법은 플라즈마 공정 챔버에서 제자리에서 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 여기서 순환 플라즈마 에칭 공정은 유기 층에 대해 선택적인 규소 기반 재료를 포함하는 하드 마스크 층을 제거한다.
본 발명과 그 장점을 보다 완전하게 이해하기 위해, 이제 첨부된 도면과 함께 취해진 이하의 설명을 참조한다.
도 1a 내지 도 1c는 다양한 실시예에 따라 순환 플라즈마 에칭 공정을 거치는 제조 공정 흐름에서 제조의 다양한 중간 단계에서 기판의 단면도를 도시하고, 여기서 도 1a는 유입 기판을 도시하고, 도 1b는 패턴 전사 에칭 후를 도시하고, 도 1c는 순환 플라즈마 에칭 공정의 완료 후를 도시한다.
도 1d는 다양한 실시예에 따른 순환 플라즈마 에칭 공정의 흐름도를 도시한다.
도 1e는 도 1d의 흐름도에 도시된 순환 플라즈마 에칭 공정의 상세한 흐름도이다.
도 2는 도 1d의 흐름도에 도시된 순환 플라즈마 에칭 공정의 시간 다중화 구현을 수행하기 위한 플라즈마 시스템의 단면도를 도시한다.
도 3은 도 1d의 흐름도에 도시된 순환 플라즈마 에칭 공정의 공간적으로 분리된 구현을 수행하기 위한 플라즈마 시스템의 단면도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4f는 도 1d의 흐름도에 도시된 순환 플라즈마 에칭 공정을 포함하는 제조 공정 흐름에서 제조의 다양한 중간 단계에서 기판의 단면도를 도시하고, 여기서 도 4a는 패터닝된 희생 마스킹 층을 형성한 후의 기판을 도시하고, 도 4b는 규소 기반 층을 패터닝한 후의 기판을 도시하고, 도 4c는 패턴을 유기 층으로 전사한 후의 기판을 도시하고, 도 4d는 플라즈마 화학적 건식 에칭(CDE) 공정 후의 기판을 도시하고, 도 4e는 냉각 및 세정 공정 후의 기판을 도시하고, 도 4f는 플라즈마 표면 개질 공정을 도시한다.
도 4g는 도 4a 내지 도 4f에 도시된 순환 플라즈마 에칭 공정을 완료한 후의 기판의 단면도를 도시한다.
도 5는 도 1d의 흐름도에 도시된 순환 플라즈마 에칭 공정의 시간 다중화 구현의 하나의 사이클에 대한 타이밍도를 도시한다.
본 발명은 유기물에 대해 선택성을 갖는 규소 기반 재료를 제거하기 위한 순환 플라즈마 에칭 방법의 실시예를 기술한다. 본 명세서에 설명된 실시예는 하부 유기 층의 재료의 손실을 감소시키고, 에칭제에 노출될 수 있는 패터닝된 유기 층의 특징부의 측벽의 변형을 감소시키고, 에칭 부산물을 증착시키는 것에 의해 생성된 결함을 감소시키면서 규소 기반 재료를 효율적으로 제거하는 장점을 제공한다. 혁신적인 방법은 아래에서 보다 상세히 설명된 바와 같이 에칭 공정을 3개의 분리된 구성요소로 분할하는 것을 허용하는 순환 에칭 기술을 사용하여 이러한 장점을 달성한다.
도 1d 내지 도 1e의 흐름도와 함께 도 1a 내지 도 1c의 단면도를 사용하여 순환 플라즈마 공정을 구현하는 일반적인 실시예가 설명될 것이다. 방법의 추가 세부 사항과 실시예는 도 4a 내지 도 4f 및 도 5를 사용하여 설명될 것이다. 방법을 구현하기 위한 시스템은 도 2 및 도 3을 사용하여 설명된다.
도 1a를 참조하면, 순환 플라즈마 에칭 기술은 기판 층(111)의 층의 스택 상에 수행될 수 있다. 도 1a에서, 상부 층은 제거 공정의 대상 층인 규소 기반 층(141)이다. 아래에서 상세히 설명된 처리는 규소 기반 층(141) 아래에 배치된 유기 층(131)에 대해 선택적인 규소 기반 재료를 제거한다. 유기 층(131) 아래에는 집합적으로 기판 층(111)으로 도시된 층 스택 위에 형성된 하부 층(121)이 있다. 순환 플라즈마 에칭을 포함하는 공정 흐름의 일부 실시예에서, 순환 플라즈마 에칭을 위한 유입 기판은 제1 중간 구조물(101)의 층 스택일 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 순환 플라즈마 에칭을 위한 유입 기판은 도 1b에 도시된 제2 중간 구조물(103)의 층 스택일 수 있다. 제2 중간 구조물(103)은 제1 중간 구조물(101)의 규소 기반 층(141)과 유기 층(131)을 패터닝하여 형성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 규소 기반 층(141)은 산화규소, 질화규소, 산질화규소, 또는 규소가 풍부한 산화규소(규소 반사 방지 코팅(SiARC)으로 사용됨)와 같은 재료를 포함할 수 있다. 유기 층(131)은 유기 유전체 층(ODL), 유기 평탄화 층(OPL), 스핀온 탄소(SOC) 또는 비정질 탄소층(ACL)을 포함할 수 있다. 하부 층(121)은 예를 들어 질화티타늄, 산화알루미늄, 산화티타늄 또는 질화알루미늄을 포함할 수 있다.
도 1b는 패터닝된 규소 기반 층(141)을 에칭 마스크로 사용하고 하부 층(121)을 에칭 정지 층으로 사용하여 유기 층(131)을 패터닝하기 위해 패턴 전사 에칭이 수행된 후의 패터닝된 제2 중간 구조물(103)을 도시한다. 규소 기반 층(141)은 적절한 포토리소그래피와 플라즈마 에칭 기술을 사용하여 패터닝되었을 수 있다. 규소 기반 층(141)과 유기 층(131)을 패터닝하는데 사용되는 공정 단계는 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된 바와 같이 규소 기반 층(141)과 유기 층(131)을 패터닝하는데 사용되는 것과 동일할 수 있다.
다양한 응용에서, 도 1b에 도시된 패터닝된 규소 기반 층(141)을 박리하기 위해 순환 플라즈마 에칭이 사용될 수 있다. 순환 플라즈마 에칭 공정은 노출된 유기 층(131)과 노출된 하부 층(121)에 대해 선택적임과 동시에 패터닝된 특징부, 예를 들어, 도 1b의 공동(133)의 무결성을 보존하면서 제2 중간 구조물(103)로부터 규소 기반 층(141)을 박리하도록 설계된다.
도 1c에 도시된 제3 중간 구조물(105)은 플라즈마 순환 에칭이 완료된 후의 구조를 보여준다. 앞에서 언급되고 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 규소 기반 층(141)을 박리하기 위해 플라즈마 순환 에칭 공정을 사용하는 것의 하나의 장점은 규소 기반 층(141)이 박리된 후에 공동(133)의 원래 치수와 형상이 공동(135)(도 1c)에서 대부분 보존된다는 것이다. 규소 기반 층(141)을 박리하는 공정은 유기 층(131)의 패터닝된 특징부를 거의 변형시키지 않았다. 특징부의 변형은 공동(135)의 상부를 따른 에지의 라운딩, 공동(135)의 하부의 언더컷(undercutting) 및 가우징(gouging), 측벽 프로파일의 변화, 및 표면 거칠기의 증가를 포함할 수 있다. 제조 동안 모니터링되는 일부 메트릭은 패터닝된 특징부의 변형에 의해 영향을 받는다. 이들 메트릭은 임계 치수(CD), 예를 들어, 공동(135)의 폭, 및 공동(135)의 측벽의 측벽 각도를 포함한다. 규소 기반 층(141)을 박리하기 위해 플라즈마 순환 에칭을 사용함으로써, 목표 값으로부터 CD의 변화에 대한 상한은 1nm 내지 약 1.8nm일 수 있고, 측벽 각도의 변화에 대한 상한은 0.4° 내지 0.5°일 수 있고, 여기서 다양한 실시예에서, CD에 대한 각 목표 값은 약 10nm 내지 약 18nm일 수 있고, 측벽 각도에 대한 각 목표 값은 약 85° 내지 약 90°일 수 있다.
순환 플라즈마 에칭의 3개의 분리된 구성요소는 도 1d에 도시된 흐름도에 설명되어 있다. 도 1e에 도시된 보다 상세한 흐름도는 각 구성요소의 기능을 설명한다.
도 1d는 기판으로부터 노출된 규소 기반 재료를 제거하는 데 사용될 수 있는 순환 플라즈마 에칭 공정(100)에 대한 흐름도를 도시한다. 도 1d에 도시된 바와 같이, 각 사이클은 기판 상에 연속적으로 수행되는 3개의 분리된 구성요소를 포함한다. 먼저, 규소 기반 재료를 제거하는 플라즈마 화학적 건식 에칭(CDE) 공정(110)은 비-중합 불소 화합물을 포함하는 제1 가스 혼합물을 사용하여 형성된 제1 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 불소 라디칼에 기판의 표면을 노출시킴으로써 수행된다. CDE에 사용되는 에칭 화학 물질은 유기 재료와 이 유기 층 아래의 하부 층의 재료에 대해 선택적인 규소 기반 재료를 제거한다. 일 실시예에서, CDE 공정은 규소 기반 재료를 등방성으로 제거한다. 이후 예를 들어, 플라즈마를 전력 다운시킴으로써 화학 반응을 억제하는 수동 냉각 및 세정 공정(130)이 이어진다. 화학 반응을 유발하지 않고 제2 가스 혼합물을 흐르게 하는 것은 기판을 냉각시키고, 잔여 가스 부산물을 제거하여 표면을 세정하는 이중 목적을 제공할 수 있다. 냉각 및 세정 공정이 완료된 후, 플라즈마 표면 개질 공정(150)은 질소와 수소 원자를 함유하는 가스를 포함하는 제3 가스 혼합물을 사용하여 형성된 제2 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 수소 라디칼에 기판의 표면을 노출시킴으로써 수행된다.
이제 도 1e를 참조하면, 하나 이상의 실시예에서, 플라즈마 화학적 건식 에칭(CDE) 공정(110)은 불소 라디칼을 생성하기 위해 제1 가스 방전 플라즈마를 형성하는 단계(박스(112)), 및 규소 기반 재료를 제거하기 위해 불소 라디칼의 플럭스에 기판의 표면을 노출시키는 단계(박스(114))를 포함한다. 박스(112)에 나타낸 바와 같이, 플라즈마를 형성하는 데 사용되는 제1 가스 혼합물은 비-중합 불소 화합물을 포함한다. 다양한 실시예에서, 제1 가스 혼합물은 삼불화질소(NF3), 육불화황(SF6) 또는 사불화탄소(CF4)를 포함할 수 있다. 제1 가스 혼합물은 또한 희석제로서 아르곤 및 헬륨과 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다. 소량의 산소(O2)가 SF6과 함께 첨가될 수 있다. 마찬가지로, SF6 대신 CF4를 사용하는 경우 소량의 O2가 첨가될 수 있다. O2 함량은 제1 가스 혼합물에 사용되는 공정 가스의 총 부피의 예를 들어 2% 내지 10%일 수 있다. 소량의 O2를 첨가하면 고체 황 또는 탄소 화합물이 침착되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 질소를 포함하는 고체 침착물이 형성되지 않기 때문에 NF3에 산소가 첨가되지 않을 수 있다.
고체 부산물이 표면 위에 무작위로 침착되어 규소 기반 재료를 제거하는 데 사용되는 화학 반응을 억제함으로써 결함을 유발할 수 있기 때문에 고체 부산물은 규소 기반 층(141)(도 1b에 도시됨)을 박리하는 데 사용되는 에칭 화학 물질에는 바람직하지 않다. 도 1b 및 도 1c에서 유기 층(131)의 노출된 표면 위에 종종 불균일하게 중합체가 형성되어 침착되게 할 수 있는 반응 가스는 피한다. 예를 들어, 수소불화탄소(CHF3, CH3F 및 CH2F2) 또는 상대적으로 탄소 함량이 높은 과불화탄소(예를 들어, C2F6 및 C3F8)가 불소 라디칼의 공급원으로 사용되는 경우 중합 반응이 발생할 수 있다. 중합체는 도 1c에서 공동(135)의 측벽을 따라 침착될 수 있고 CD(개구의 폭)와 공동(135)의 측벽 각도를 변화시킬 수 있다. 본 명세서에 설명된 플라즈마 CDE 공정(110)의 실시예에서, 불소 에칭 화학 물질은 고체 부산물의 침착이 억제되도록 선택된다. 순환 플라즈마 에칭 공정(100)에 사용되는 불소 라디칼의 공급원은 수소불화탄소(CHF3, CH3F 및 CH2F2)를 제외한다. 수소불화탄소에서 수소의 존재는 중합에 의해 고체 부산물의 형성을 유발할 수 있다. 상대적으로 탄소 함량이 높은 과불화탄소를 사용하는 에칭 화학 물질에서도 중합이 발생할 수 있기 때문에 C2F6 및 C3F8과 같은 과불화탄소도 제외된다. 탄소 대 불소의 비율이 높을수록 규소 기반 재료를 제거하는 데 사용되는 화학 반응이 중합이 발생하여 유기 층(131)의 표면 상에 고체 침착물이 생성될 가능성이 높아진다.
위에서 언급된 바와 같이 NF3을 사용하는 에칭 화학 물질은 중합이 발생하지 않고; 에칭 공정 동안 고체 침착물이 발생하지 않는다. CF4와 SF6의 비-중합 특성은 CF4의 탄소 대 불소의 원자 비율이 낮고(CF4에서 C:F = 1:4), SF6의 황 대 불소의 원자 비율이 낮은(SF6에서 S:F = 1:6) 것에 기인할 수 있다. 고체 부산물을 무시할 수 있는 비-중합 에칭 화학 물질은 종종 희박 에칭 화학 물질이라고 지칭된다. 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 다양한 실시예에서 불소의 공급원은 NF3, CF4 또는 SF6이므로, 본 발명의 예시적인 실시예에서 규소 기반 재료를 에칭하는 데 사용되는 에칭 화학 물질은 도 1e의 박스(114)에 나타낸 바와 같이 희박 화학 물질 또는 비-중합 불소 기반 화학 물질이라고 지칭될 수 있다.
불소 라디칼의 플럭스는 규소와 반응하여 휘발성 가스 부산물인 사불화규소(SiF4)를 형성함으로써 규소 기반 재료를 화학적으로 제거한다. 다른 휘발성 가스 부산물은 NF3을 사용하는 실시예에서 질소의 산화물(예를 들어, 산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 아산화질소(N2O)), SF6을 사용하는 실시예에서 황의 산화물과 산불화물(예를 들어, SO2 및 SOF2), 및 CF4를 사용하는 실시예에서 탄소의 산화물(예를 들어, CO 및 CO2)을 포함할 수 있다. 유기 재료와 하부 층의 노출된 표면은 노출된 유기 재료 상에 불소 라디칼이 흡착되는 것에 의해 불화될 수 있다.
도 1d 및 도 1e에 도시된 바와 같이, 플라즈마 화학 건식 에칭(CDE) 공정(110) 후에 수동 냉각 및 세정 공정(130)이 수행된다. 규소 기반 재료를 제거하는 데 사용되는 화학 반응은 발열 반응이다. 기판 온도는 급격하게 상승할 수 있고, 온도가 유기 재료의 유리 전이 온도에 근접하게 상승하는 경우 유기 층의 특징부를 열적으로 변형시킬 수 있다. 냉각 및 세정 공정(130) 동안, 기판을 냉각시키고 잔여 가스 부산물을 제거하기 위해 충분히 높은 유량의 제2 가스 혼합물이 사용된다. 박스(132 및 134)에 나타낸 바와 같이, 제2 가스 혼합물이 기판 위로 흐를 때 제2 가스 혼합물에 의해 화학 반응이 유발되지 않는 것을 보장하기 위해 냉각 및 세정 공정(130)은 플라즈마를 형성하지 않고 수행된다. 시간 다중화를 사용하여 각 사이클의 3개의 구성요소를 시간적으로 분리시킴으로써 순환 플라즈마 공정을 구현하는 플라즈마 시스템에 대한 무선 주파수(RF) 전력을 차단(shut off)함으로써 냉각 동안 플라즈마 형성을 방지할 수 있다. 공간적으로 분리된 구현에서 기판은 RF 전력원에 결합되지 않은 플라즈마 시스템의 구획으로 이동된다. 박스(134)에 나타낸 바와 같이, 보다 효율적인 냉각 및 세정을 위해 증가된 가스 유량을 달성하기 위해 상대적으로 높은 압력이 선택될 수 있다. 제2 가스 혼합물의 조성은 플라즈마가 없는 일반적인 온도에서 가스가 기판의 표면을 화학적으로 변경하지 않도록 선택된다. 일 실시예에서, 제2 가스 혼합물에 사용되는 가스는 사이클의 그 다음 구성요소에 사용되는 공정 가스와 동일하도록 선택된다.
도 1d 및 도 1e에 도시된 순환 플라즈마 에칭 공정(100)에 대한 흐름도에 도시된 바와 같이, 그 다음 구성요소는 플라즈마 표면 개질 공정(150)이 수행될 수 있는 사이클의 제3 및 마지막 구성요소이다. 도 1e의 박스(152)에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 표면 개질 공정(150)을 위해 제3 가스 혼합물을 사용하여 제2 가스 방전 플라즈마를 형성한다. 제3 가스 혼합물의 조성은 수소와 소량의 불소 공급원(예를 들어, NF3, CF4 또는 SF6)을 포함한다. 일 실시예에서 제3 가스 혼합물은 NF3과 H2를 포함한다. 다른 실시예에서, 제3 가스 혼합물은 CF4와 H2 또는 SF6과 H2를 포함한다. 소량의 산소가 선택 사항으로 제3 가스 혼합물에 포함될 수 있다.
플라즈마 표면 개질 공정(150)은 제2 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 수소 라디칼에 기판의 표면을 노출시키는 것을 포함한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 규소 기반 층(141)을 에칭 마스크로 사용하고 하부 층(121)을 에칭 정지 층으로 사용하여 유기 층(131)을 패터닝한 후, 제2 중간 구조물(103)의 표면은 규소 기반 재료를 포함하는 제1 부분(예를 들어, 상부 평면 표면), 유기 재료를 포함하는 제2 부분(예를 들어, 특징부의 측벽), 및 유기 층(131) 아래에 하부 층(121)을 포함하는 제3 부분(예를 들어, 하부 벽)을 가질 수 있다. 수소 라디칼에 대한 노출은 표면의 제1 부분을 표면의 다른 부분에 비해 다르게 개질한다.
규소 기반 층(141)의 표면은 표면 개질 공정에서 활성화되고, 여기서 그 다음 사이클에서 Si 기반 재료의 제거를 용이하게 하기 위해 규소 기반 층(141)의 표면(제1 부분)에 수소가 부착된다. 표면 개질이 없으면 에칭률이 낮아진다. 표면의 제2 및 제3 부분과 수소의 상호 작용은 흡착된 불소를 화학적으로 제거하는 표면 재설정이다. 표면 개질 공정 동안, 유기 층(131)과 하부 층(121)의 노출된 표면(제2 및 제3 부분)은 수소와 화학적으로 반응하여 공정 챔버 밖으로 펌핑되는 HF 증기를 형성함으로써 탈불화될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 플라즈마 표면 개질 공정(150)(도 1d 및 도 1e)은 규소 기반 층(141)의 표면 활성화 및 유기 층(131)의 표면 재설정을 위해 수소 플라즈마를 사용한다. 또한, 제3 가스 혼합물에 소량의 불소 공급원(예를 들어, NF3, CF4, 또는 SF6)을 포함함으로써, 규소 기반 층(141)은 플라즈마 CDE 공정(110) 동안의 제거 속도보다 훨씬 더 낮은 제거율이지만 계속 에칭되도록 허용된다.
일부 실시예에서, 순환 플라즈마 공정은 시간 다중화를 사용하여 각 사이클의 3개의 구성요소를 시간적으로 분리함으로써 구현될 수 있다. 기판은 플라즈마 챔버에 로딩될 수 있고, 순환 플라즈마 공정의 각 사이클의 3개의 구성요소는 3개의 연속하는 겹치지 않는 시간 구간에서 플라즈마 공정 챔버에서 제자리에서 수행될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 순환 플라즈마 공정의 3개의 구성요소는 도 3을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된 바와 같이 플라즈마 챔버의 3개의 공간적으로 분리된 구획을 통해 기판을 이동시킴으로써 분리될 수 있다.
시간 다중화 순환 플라즈마 공정의 일 실시예에서, 규소 기반 재료를 제거하는 플라즈마 CDE는 위에서 설명된 바와 같이 제1 가스 혼합물을 사용하여 제1 시간 구간 동안 수행될 수 있다.
제2 시간 구간 동안, 위에서 언급된 바와 같이 제2 가스 혼합물을 사용하여 가스 흐름을 생성함으로써 기판이 냉각될 수 있음과 동시에 잔여 가스 부산물이 제거될 수 있다. 화학 반응을 억제하기 위해, 예를 들어 RF 전력으로부터 플라즈마를 분리하거나 RF 전력원을 차단시킴으로써 플라즈마를 소멸시킬 수 있다. 효율적인 냉각 및 세정을 달성하기 위해 유량을 증가시키기 위해 플라즈마 챔버의 압력을 증가시킬 수 있다.
제2 시간 구간 후의 제3 시간 구간에서, 플라즈마 공정 챔버 내의 압력이 다시 감소될 수 있고, 플라즈마 표면 개질 공정을 위해 수소를 포함하는 제3 가스 혼합물을 사용하여 제2 가스 방전 플라즈마가 점화될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 플라즈마 표면 개질 공정은 규소 기반 재료의 표면을 활성화시키고, 수소 라디칼로 탈불화시킴으로써 유기 재료의 표면을 재설정한다.
도 2 및 도 3은 방법을 구현하고, 유기 층 위에 규소 기반 층을 포함하는 유입 기판 상에 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 데 사용될 수 있는 플라즈마 시스템의 예를 도시한다. 도 2는 순환 플라즈마 에칭 공정의 시간 다중화 구현을 위한 플라즈마 시스템을 도시하고, 도 3은 순환 플라즈마 에칭 공정의 공간적으로 분리된 구현을 위한 플라즈마 시스템을 도시한다.
각 사이클의 3개의 구성요소를 3개의 시간 구간에서 실행하는 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 시간 다중화 실시예가 도 2에 도시된 플라즈마 시스템(200)에서 구현될 수 있다. 도 2의 플라즈마 시스템(200)은 기판 홀더(210) 상에 로딩된 기판(202) 바로 위에 플라즈마를 유지하도록 구성된 플라즈마 공정 챔버(250)를 포함한다. 가스 혼합물은 가스 입구(222)를 통해 플라즈마 공정 챔버(250)에 도입될 수 있고, 가스는 가스 출구(224)를 통해 플라즈마 공정 챔버(250) 밖으로 펌핑될 수 있다. 가스 유량과 챔버 압력은 가스 입구(222)와 가스 출구(224)에 결합된 가스 흐름 시스템(220)에 의해 제어된다. 당업자에 알려진 바와 같이, 가스 흐름 시스템은 고압 가스 캐니스터, 밸브(예를 들어, 스로틀 밸브), 압력 센서, 가스 흐름 센서, 진공 펌프, 파이프, 및 전자 프로그래밍 가능 제어기와 같은 다양한 구성요소를 포함할 수 있다. RF 바이어스 전력원(234) 및 RF 소스 전력원(230)은 플라즈마 공정 챔버(250)의 각 전극에 결합될 수 있다. 플라즈마 공정 챔버(250)에서, 기판 홀더(210)는 또한 RF 바이어스 전력원(234)에 결합된 전극이다. RF 소스 전력원(230)은 유전체 측벽(216) 주위에 감긴 나선형 전극(232)에 결합된 것으로 도시되어 있다. 도 2에서, 가스 입구(222)는 상부 판(212)의 개구이고, 가스 출구(224)는 하부 판(214)의 개구이다. 상부 판(212)과 하부 판(214)은 전도성일 수 있고, 시스템 접지(기준 전위)에 전기적으로 연결될 수 있다.
플라즈마 시스템(200)은 단지 예시를 위한 것이다. 다양한 대안적 실시예에서, 플라즈마 시스템(200)은 상부 유전체 커버 위의 평면 코일에 결합된 RF 소스 전력으로 유도 결합 플라즈마(ICP)를 유지하거나, 또는 플라즈마 공정 챔버(250)에서 디스크형 상부 전극을 사용하여 유지되는 용량 결합 플라즈마(CCP)를 유지하도록 구성될 수 있다. 가스 입구와 출구는 플라즈마 챔버의 측벽에 결합될 수 있고, 펄스 RF 전력원과 펄스 DC 전력원이 또한 일부 실시예에서 사용될 수 있다.
도 3은 불활성 커튼이라고 하는 불활성 가스의 흐름에 의해 격리될 수 있는 여러 공간적으로 분리된 구획을 포함하는 플라즈마 공정 챔버를 포함하는 예시적인 플라즈마 시스템(300)을 도시한다. 공간적으로 분리된 구획을 포함하는 플라즈마 공정 챔버는 본 명세서에서 공간 플라즈마 공정 챔버로 지칭된다. 플라즈마 시스템(300)의 공간 플라즈마 공정 챔버(340)는 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 공간적으로 분리된 구현을 수행하기에 적합하다. 플라즈마 시스템(300)에서, 각 사이클의 3개의 구성요소는 공간 플라즈마 공정 챔버(340)의 3개의 공간적으로 분리된 구획에서 수행될 수 있다. 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 각 사이클의 3개의 구성요소는 도 3에 도시된 바와 같이 예를 들어 회전 가능 스테이지(310)를 사용하여 공간 플라즈마 공정 챔버(340)의 3개의 공간적으로 분리된 구획을 통해 기판을 이동시킴으로써 수행될 수 있다. 도 3의 예시적인 실시예에서, 회전 가능 스테이지(310)는 접지에 전기적으로 결합되었다.
도 3에 도시된 단면도에서 3개의 구획 중 두 구획을 볼 수 있다. 제1 구획(350)은 예를 들어, 도 1d 및 도 1e를 참조하여 위에서 설명된 플라즈마 CDE 공정(110)인, 각 사이클의 제1 구성요소를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 공간 플라즈마 공정 챔버(340)에서, 제1 구획(350)은 RF 전력원(314)에 결합된 상부 전극(312)을 사용하여 용량 결합 플라즈마(CCP)를 유지하도록 구성된다. 도시된 구성에서 접지된 회전 가능 스테이지(310)는 하부 전극 역할을 할 수 있다. 제1 가스 방전 플라즈마는 제1 가스 입구(322)를 통해 제1 구획(350)에 도입된 제1 가스 혼합물을 사용하여 제1 구획(350)에서 형성될 수 있다. 제1 구획(350)의 제1 가스 출구(324)는 가스 흐름 시스템의 진공 펌프에 연결될 수 있고, 제1 가스 출구(324) 부근에 화살표로 나타낸 바와 같이 원하는 압력과 가스 흐름을 유지하도록 제어될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 구획(350)에서 회전 가능 스테이지(310) 상에 로딩된 것으로 도시된 제1 반도체 웨이퍼(302)는 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 복수의 사이클 중 하나의 사이클의 제1 구성요소를 거칠 수 있다. 이후, 제1 반도체 웨이퍼(302)는 사이클의 제2 구성요소를 거치기 위해 공간 플라즈마 공정 챔버(340)의 제2 구획(360)으로 이동될 수 있다. 도 3에 파선으로 개략적으로 나타낸 불활성 커튼(330)은 제2 구획(360)으로부터 제1 구획(350)을 적절히 격리시킬 수 있다. 불활성 커튼(330)은 불활성 가스 입구(320)와 불활성 가스 출구(326) 근처에 화살표로 나타낸 바와 같이 불활성 가스 입구(320)를 통해 도입되고 불활성 가스 출구(326)를 통해 밖으로 펌핑되는 불활성 가스(예를 들어, 아르곤 또는 헬륨)의 흐름일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 구획(360)은 각 사이클의 냉각 및 세정 공정(130)인 제2 구성요소를 수행하도록 지정되었기 때문에 이 제2 구획은 상부 전극을 갖지 않는다. 도 1d 및 도 1e를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 냉각 및 세정 공정(130)에서, 화학 반응을 억제하기 위해 제2 가스 혼합물이 플라즈마 없이 기판 위로 흐를 수 있다. 제2 구획(360)에서 회전 가능 스테이지(310) 상에 로딩된 것으로 도시된 제2 반도체 웨이퍼(304)는 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 복수의 사이클 중 하나의 사이클의 제2 구성요소를 거칠 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 가스 혼합물은 제2 가스 입구(323)를 통해 도입되고, 제2 구획(360)에서 원하는 압력과 유량을 유지하기 위해 별도로 제어되는 진공 펌프에 결합된 제2 가스 출구(325)를 통해 밖으로 흐를 수 있다. 예시적인 플라즈마 시스템(300)에서, 공간 플라즈마 챔버(340)는 3개의 구획을 갖고, 각 구획은 회전 가능 스테이지(310) 상에 로딩된 반도체 웨이퍼를 가질 수 있다. 그러면 회전 가능 스테이지(310)의 1회전은 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 1사이클을 수행하는 것과 동일할 것이다.
순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 복수의 사이클 중 하나의 사이클의 설명에서, 플라즈마 CDE 공정(110)이 먼저 실행되는 구성요소인 것으로 도시되었지만, 3개의 구성요소가 수행되는 순서가 변경되지 않고 유지되는 한, 다른 2개의 구성요소(수동 냉각 및 세정 공정(130)과 플라즈마 표면 개질 공정(150)) 중 임의의 것이 먼저 수행되도록 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 순환 플라즈마 에칭 공정(100)은 플라즈마 표면 개질 공정(150)으로 시작한 후에 플라즈마 CDE 공정(110)을 수행한 다음 수동 냉각 및 세정 공정(130)을 수행하는 제1 사이클을 실행한 다음, 각 기판을 처리하는 데 사용되는 공정 흐름 레시피에 규정된 바와 같이 3개의 구성요소의 이러한 순서를 다수 번 반복할 수 있다.
순환 플라즈마 에칭 기술의 일 실시예를 포함하는 예시적인 제조 공정 흐름이 도 4a 내지 도 4g를 참조하여 설명된다. 도 4a 내지 도 4f에서 유입 기판을 제조하는 데 사용되고 순환 플라즈마 에칭의 복수의 사이클 중 하나의 사이클을 통해 처리되는 공정을 보여주는 제조 공정 흐름의 다양한 중간 단계에서의 기판의 단면도와 함께 순환 플라즈마 에칭 공정이 도시되었다. 도 4g는 순환 플라즈마 에칭 공정을 완료한 후의 기판의 단면도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4f의 기판의 단면도는 도 1d의 흐름도에 도시된 순환 플라즈마 에칭 공정(100)을 포함하는 공정 흐름의 일례를 도시하고, 도 4g는 순환 플라즈마 에칭 공정(100)을 완료한 후의 기판의 단면도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 희생 마스킹 층(450)을 사용하여 패터닝되는 규소 기반 층(440)과, 이 규소 기반 층(440) 아래에 배치된 유기 층(430)을 포함하는 기판의 단면도를 도시한다. 유기 층(430) 아래에는 집합적으로 기판 층(410)으로 도시된 층 스택 위에 형성된 하부 층(420)이 있다. 도 1d 및 도 1e를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 다양한 실시예에서, 규소 기반 층(440), 유기 층(430) 및 하부 층(420)은 다양한 재료를 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 4a에 도시된 예시적인 실시예에서, 규소 기반 층(440)은 SiARC를 포함하고, 유기 층(430)은 SOC를 포함하고, 하부 층(420)은 질화티타늄을 포함한다. 희생 마스킹 층(450)은 포토레지스트를 포함하고, 하부 층(420) 아래에 인접한 기판 층(410)의 재료는 층간 유전체(ILD)로서 사용되는 저유전율 산화규소를 포함한다.
도 4a에 도시된 패터닝된 희생 마스킹 층(450)은 극자외선(EUV) 포토리소그래피와 같은 적절한 포토리소그래피 시스템을 사용하여 패터닝되었을 수 있다. 화학 방사선의 패턴으로 포토레지스트를 패터닝하는 동안, 하부 계면에서의 반사는 포토레지스트 요철 패턴의 패턴 품질을 저하시킬 수 있는 간섭 패턴을 포토레지스트 내에 일으킬 수 있다. 규소 기반 층(440)(SiARC 층)의 하나의 목적은 SiARC의 상부 및 하부 표면에서 반사된 방사선의 상쇄 간섭에 의해 반사를 억제하는 것이다. 규소 기반 층(440)의 제2 목적은 패터닝된 후 패턴을 유기 층(430)에 전사하는 데 사용되는 에칭 공정 동안 하드 마스크 역할을 하는 것이다.
도 4b에서, 포토레지스트를 포함하는 희생 마스킹 층(450)은 규소 기반 층(440)을 패터닝하는 데 사용되었다. 포토레지스트 패턴을 규소 기반 층(440)에 전사하기 위해 이방성 플라즈마 에칭 공정이 사용될 수 있다. 패턴 전사 에칭은 예를 들어 과불화탄소와 수소불화탄소 가스를 포함하는 가스 혼합물, 예를 들어, 사불화메탄(CF4)과 삼불화메탄(CHF3)을 포함하는 혼합물을 사용하여 유지되는 플라즈마를 사용하여 SiARC를 제거할 수 있다. 이 예시적인 에칭 화학 물질은 SOC와 포토레지스트에 대해 선택적인 SiARC를 제거한다. RF 소스 전력은 약 40 MHz 내지 약 60 MHz의 주파수일 수 있고, RF 바이어스 전력은 약 10 MHz 내지 약 15 MHz, 예를 들어, 13.56 MHz의 주파수일 수 있다. 일 실시예에서, 가스 흐름은 약 20 mTorr 내지 약 100 mTorr의 챔버 압력에서 약 50 sccm 내지 약 300 sccm일 수 있다.
가스 혼합물에 수소불화탄소(예를 들어, CHF3)를 사용함으로써, 포토레지스트는 규소 기반 층(440)이 에칭되는 동안 증착된 중합체의 얇은 층으로 코팅될 수 있다. 중합체 코팅은 이방성 에칭 공정 동안 이온 스퍼터링 손실로부터 희생 마스킹 층(450)을 보호하는 이점을 제공한다. 제어된 오버에칭 시간은 에칭이 유기 층(430)에서 정지하는 것을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 유기 층(430)의 표면에 남아 있을 수 있는 임의의 중합체 잔여물은 유기 층(430)의 후속 이방성 플라즈마 에칭 동안 이온 스퍼터링에 의해 제거될 수 있다. 유기 층(430)의 후속 이방성 플라즈마 에칭은 또한 도 1c에 도시된 바와 같이 규소 기반 층(440) 위에 남아 있는 임의의 포토레지스트를 박리한다.
도 4c는 패터닝된 규소 기반 층(440)을 하드 마스크 층으로 사용하여 패턴을 유기 층(430)에 전사하고 하부 층(420)의 상부 표면을 노출시킨 후의 기판을 도시한다. 유기 층(430)으로의 패턴 전사는 예를 들어, 질소와 수소 가스를 포함하는 혼합물, 또는 일산화탄소와 이산화탄소 가스를 포함하는 혼합물, 또는 산소 가스를 포함하는 혼합물로부터 형성된 플라즈마를 사용하여 질화티타늄에 대해 선택적인 SOC를 제거하는 이방성 플라즈마 에칭 공정에 의해 수행될 수 있다. 챔버 압력은 10 mTorr 내지 100 mTorr의 범위에서 선택될 수 있다. 도 4c에 도시된 결과적인 구조물은 노출된 SOC 유기 층(430)과 노출된 하부 층(420)(예를 들어, 질화티타늄 층)에 대해 선택적인 SiARC를 포함하는 남아 있는 규소 기반 층(440)을 박리하기 위해 순환 플라즈마 에칭 공정(100)에 의해 처리될 수 있는 유입 기판(400)일 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 순환 플라스마 에칭 공정(100)은 유기물에 대한 높은 선택성, 유기 층(430)에 패터닝된 특징부의 형상(예를 들어, 측벽 프로파일)의 보존, 및 희박 에칭 화학 물질을 사용함으로써 낮은 결함 수로 SiARC를 효율적으로 제거하는 장점을 제공한다.
유입 기판(400)은 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 복수의 사이클을 통해 처리될 수 있다. 각 사이클에서, 기판은 도 4d, 도 4e 및 도 4f에 연속적으로 도시된 3개의 연속적인 구성요소 공정을 거친다.
도 4d는 플라즈마 CDE 공정(110)을 도시한다. 도 4d 내지 도 4f에 도시된 예시적인 실시예에서, 불소 라디칼이 추출되는 제1 가스 방전 플라즈마는 총 가스 흐름의 50%까지 Ar이 첨가된 NF3 또는 100% NF3을 포함하는 제1 가스 혼합물을 사용하여 형성될 수 있다. 50 mTorr 내지 200 mTorr의 범위의 낮은 압력이 바람직한 라디칼이 풍부한 플라즈마를 얻기 위해 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, NF3에 대한 가스 유량은 10 sccm 내지 500 sccm일 수 있다.
RF 소스 전력은 약 40 MHz 내지 약 60 MHz의 주파수에서 약 100W 내지 약 800W일 수 있다. 낮은 RF 바이어스 전력은 이온을 낮은 에너지 범위로 제한하여 화학 반응을 표면 가까이로 제한하는 데 유리할 수 있다. 원하는 에너지 범위(예를 들어, 약 2eV 내지 약 20eV)의 이온을 포함하는 플라즈마가 적절한 RF 소스 전력과 주파수를 사용하여 제공될 수 있는 구성에서, RF 소스 전력에 더하여 사용되는 RF 바이어스는 없을 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, CCP 구성은 RF 바이어스 없이 약 40 MHz의 주파수에서 약 500W의 RF 소스 전력에 의해 구동되는 플라즈마를 유지하는 데 사용될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 플라즈마는 40 MHz 내지 60 MHz의 주파수 범위에서 100W < 800W의 범위의 RF 소스 전력에 더하여 약 10 MHz 내지 약 15 MHz(예를 들어, 13.56 MHz)의 주파수에서 약 10W 내지 약 50W의 RF 바이어스 전력에 의해 유지될 수 있다.
희박 화학 물질로 규소 기반 재료(예를 들어, SiARC)를 제거하는 것(예를 들어, NF3을 사용하는 플라즈마 CDE 공정(110))은 도 1e를 참조하여 위에서 설명된 바와 같은 고체 침착물의 생성과 관련된 문제 없이 달성될 수 있다. 반응 부산물은 진공 펌프에 의해 공정 챔버로부터 제거될 수 있는 휘발성 가스이다. 예를 들어, 도 4d에 도시된 플라즈마 CDE 공정(110)에서 사용되는 NF3 화학 물질은 SiF4(442)와, NO2(444) 및 NO(446)와 같은 질소의 산화물을 포함하는 휘발성 가스를 생성한다. 휘발성 가스는 (예를 들어, SiARC로부터) 불소에 대해 개방된 원을 사용하고, 규소에 대해 채워진 원을 사용하고, 산소에 대해 대각선으로 빗금친 원을 사용하고, 질소에 대해 점 기호로 채워진 원을 사용하여 도 4d에 개략적으로 도시되어 있다.
도 4e는 플라즈마 없이 제2 가스 혼합물이 기판 위로 흐르는 냉각 및 세정 공정(130)을 도시한다. 냉각 및 세정 공정(130)은 사이클의 이 구성요소 동안 화학 반응이 없기 때문에 퍼지 단계로서 기술될 수 있다. 냉각 및 세정 공정(130) 동안의 압력은 100 sccm 내지 500 sccm의 율로 제2 가스 혼합물을 흐르게 하기 위해 약 100 Torr 내지 500 Torr로 증가되었을 수 있다. 도 4e에 도시된 예시적인 실시예에서, 제2 가스 혼합물은 부피 기준 약 1:9 내지 약 2:3의 NF3:H2 비율로 NF3과 H2를 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 제2 가스 혼합물은 또한 불활성 가스(예를 들어, 아르곤 또는 헬륨)를 포함할 수 있다.
도 4e에 도시된 바와 같이, 규소 기반 층(440)의 일부는 이 예시적인 실시예의 플라즈마 CDE 공정(110)에 의해 등방성으로 제거되었다. 또한, 유기 층(430)과 하부 층(420)을 포함하는 표면은 도 4d에 도시된 플라즈마 CDE 공정(110) 동안 존재하는 불소 라디칼(432)에 의해 불화되었음이 주목된다.
도 4f는 사이클의 제3 구성요소를 보여준다. 사이클의 이 구성요소에서, 플라즈마 표면 개질 공정(150)이 수행될 수 있고, 여기서 도 4e에 도시된 기판의 표면은 도 4f에 도시된 기판의 표면으로 개질된다. 도 4f에 도시된 바와 같이, 도 4e의 불화된 표면의 흡착된 불소 라디칼(432)은 제거되었고, 규소 기반 층(440)의 표면은 도 4f에서 대각선으로 빗금친 원으로 나타낸 수소 라디칼(448)로 활성화되었다. 또한, 이 실시예에서, 플라즈마 표면 개질 공정(150)에 사용되는 가스에는 NF3이 포함되었기 때문에 규소 기반 층(440)으로부터 일부 재료가 제거될 수 있다. 그러나, 제거율은 도 4d에 도시된 플라즈마 CDE 공정(110) 동안의 제거율에 비해 일반적으로 낮다. 예를 들어, 플라즈마 표면 개질 공정(150) 동안의 제거율은 플라즈마 CDE 공정(110) 동안의 제거율의 약 10% 내지 약 50%일 수 있다.
휘발성 HF 가스를 형성하는 탈불화 반응에 참여하는 수소 라디칼뿐만 아니라 규소 기반 층(440)의 표면에 흡착된 수소 라디칼이 제3 가스 혼합물을 사용하여 유지되는 제2 가스 방전 플라즈마로부터 추출된다. 플라즈마 표면 개질 공정(150) 동안, 압력은 다시 50 mTorr 내지 200 mTorr의 범위로 감소될 수 있다. 도 4f에 도시된 예시적인 실시예에서, 제3 가스 혼합물은 부피 기준 약 1:9 내지 약 2:3의 NF3:H2의 비율로 NF3과 H2를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 전체 가스 혼합물의 유량은 약 10 sccm 내지 약 200 sccm일 수 있다.
플라즈마 표면 개질 공정(150) 동안의 RF 소스와 RF 바이어스는 플라즈마 CDE 공정(110) 동안의 RF 소스 및 RF 바이어스와 유사하다. RF 소스 전력은 약 40 MHz 내지 약 60 MHz의 주파수에서 약 100W 내지 약 800W일 수 있다. 낮은 RF 바이어스 전력은 이온을 낮은 에너지 범위로 제한하여 화학 반응을 표면 가까이로 제한하는 데 유리할 수 있다. 원하는 에너지 범위(예를 들어, 약 2eV 내지 약 20eV)의 이온을 포함하는 플라즈마가 적절한 RF 소스 전력과 주파수를 사용하여 제공될 수 있는 구성에서, RF 소스 전력에 더하여 사용되는 RF 바이어스는 없을 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, CCP 구성은 RF 바이어스 없이 약 40 MHz의 주파수에서 약 500W의 RF 소스 전력에 의해 구동되는 플라즈마를 유지하는 데 사용될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 플라즈마는 40 MHz 내지 60 MHz의 주파수 범위에서 100W < 800W의 범위의 RF 소스 전력에 더하여 약 10 MHz 내지 약 15 MHz(예를 들어, 13.56 MHz)의 주파수에서 약 10W 내지 약 50W의 RF 바이어스 전력에 의해 유지될 수 있다.
도 4d 내지 도 4f의 단면도로 도시된 복수의 3-구성요소 사이클은 순환 플라즈마 에칭 공정(100)을 완료하여 유입 기판(400)으로부터 패터닝된 규소 기반 층(440)인 SiARC 하드 마스크를 박리하도록 수행될 수 있다(도 4c 참조). 도 4g에 도시된 에칭 후 기판(460)의 단면도는 순환 플라즈마 에칭 공정(100)을 완료한 후에 생성된 구조를 도시한다.
도 5는 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 설명된 예시적인 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 시간 다중화 구현의 하나의 사이클에 대한 타이밍도를 도시한다. 순환 플라즈마 에칭 공정의 3개의 분리된 부분 각각의 처리 환경 사이의 차이는 도 5에 도시된 바와 같이 순환 플라즈마 에칭 공정의 시간 다중화 구현의 하나의 사이클에 대한 타이밍도를 사용하여 설명된다.
도 5에서 4개의 수평 축은 시간의 경과를 나타낸다. 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 하나의 사이클의 3개의 구성요소 공정에 대해 3개의 시간 구간(T1, T2 및 T3)은 하나의 시간 축에 인접하여 3개의 이중 화살표로 개략적으로 도시되어 있다. 시간 축과 교차하는 3개의 수직 점선은 겹치지 않는 시간 구간(T1, T2 및 T3)을 구분한다. 예시적인 실시예에서, T1은 약 5초 내지 약 10초일 수 있고, T2는 약 5초 내지 약 10초일 수 있고, T3은 약 5초 내지 약 10초일 수 있다. 다양한 실시예에서, T1, T2 및 T3에 대한 범위는 각각 2초 내지 20초, 2초 내지 20초, 및 2초 내지 20초일 수 있다. 지속시간(T1, T2 및 T3)은 각각의 공정 레시피에 따라 동일하지 않을 수 있다.
플라즈마 CDE 공정(110), 냉각 및 세정 공정(130) 및 플라즈마 표면 개질 공정(150)은 도 5의 라벨로 나타낸 바와 같이 각각 T1, T2 및 T3 동안 연속적으로 수행된다. 4개의 시간 축은 예시적인 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 복수의 사이클 중 하나의 사이클 동안 시간에 따른 4개의 공정 파라미터의 플롯을 개략적으로 표시하는 데 사용된다. 도 5에 도시된 4개의 공정 파라미터는 플라즈마 챔버의 전극에 결합된 RF 전력, 챔버 압력, 수소 가스(H2)의 유량, 및 삼불화질소 가스(NF3)의 유량이다.
도 5에 도시된 바와 같이, RF 전력은 시간 구간(T1) 동안 공급되어 플라즈마 CDE 공정(110)에 사용되는 제1 가스 방전 플라즈마를 유지하고, T3 동안 다시 공급되어 플라즈마 표면 개질 공정(150)에 사용되는 제2 가스 방전 플라즈마를 유지한다. 그러나, 플라즈마 CDE 공정(110)이 완료된 후, 냉각 및 세정 공정(130)이 진행 중인 시간 구간(T2) 동안 제1 가스 방전 플라즈마를 소멸시키고 화학 반응을 억제하기 위해 RF 전력이 0으로 떨어진다.
제1 및 제2 가스 방전 플라즈마가 각각 T1 및 T3 동안 점화되고 유지될 때 낮은 압력이 유지된다. 그러나, 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 냉각 및 세정 공정(130) 동안 챔버 압력과 총 가스 유량은 효율적인 냉각 및 세정을 위해 예시적인 실시예에서 제2 시간 구간(T2) 동안 증가되었다.
제1 가스 혼합물은 불소 라디칼의 공급원으로서 NF3을 포함한다. 규소 기반 재료를 제거하기 위해 규소를 SiF4 가스로 효율적으로 변환하기 위해 플라즈마 CDE 공정(110)이 수행되는 T1 동안 수소 라디칼과 같은 환원제는 바람직하지 않다. 따라서, T1 동안 NF3의 유량은 높고 H2의 유량은 0이다. T2 동안 챔버를 통해 흐르는 제2 가스 혼합물은 냉각 및 세정 공정(130)을 위한 것이다. 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 시간 다중화 구현에서, 제2 가스 혼합물은 플라즈마 공정 챔버 내의 환경을 안정화시키는 데 필요한 가스 교환 시간을 줄이기 위해 후속 시간 구간(T3) 동안 흐르는 제3 가스 혼합물에 사용된 것과 동일한 가스를 포함할 수 있다. 따라서, 도 5의 각 플롯에 도시된 바와 같이, NF3과 H2 모두는 T2 및 T3 동안 챔버에 존재한다.
도 5의 플롯은 단지 예시를 위한 것임이 주목된다. 예를 들어 플롯은 계단 함수처럼 변하는 공정 파라미터를 보여주지만, RF 전력, 가스 압력 및 유량의 순간적인 변화는 달성 가능하지 않고 물리적 파라미터가 안정화되기 전에 유한한 응답 시간이 존재하는 것으로 이해된다.
본 명세서에서, 규소 기반 층 아래에 인접한 유기 층으로 패턴을 전사하는 이방성 플라즈마 에칭 공정을 위한 하드 마스크로서 사용되는 패터닝된 규소 기반 층을 박리하는 데 사용될 수 있는 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 실시예가 설명되었다. 포토리소그래피 공정에서 화학 방사선의 패턴에 포토레지스트를 노출시킬 때 하부 계면에서 일어나는 반사에 의해 포토레지스트 층에서 바람직하지 않은 간섭 패턴이 형성되는 것을 억제하기 위해 규소 기반 재료가 종종 무기물 반사 방지 코팅(ARC)으로 사용된다. 본 명세서에 설명된 예시적인 응용에서, 포토레지스트 마스크로 패터닝되고 이후 SOC 층을 패터닝하기 위한 하드 마스크로 사용되는 SiARC 층은 본 발명의 공정에 의해 제공되는 장점을 예시하기 위해 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 일 실시예를 사용하여 박리되는 것으로 제시되어 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 적절한 실시예를 사용함으로써, 규소 기반 재료는 유기 재료에 대해 선택적인 것으로 효율적으로 제거될 수 있다. 나아가, 희박 불소 에칭 화학 물질(예를 들어, CF4, NF3 및 SF6과 같은 비-중합 에칭제)을 사용하고, 순환 플라즈마 에칭 공정(100)의 각 사이클에서 플라즈마 CDE 공정(110) 후에 냉각 및 세정 공정(130)을 삽입하는 것에 의해 화학적 변형뿐만 아니라 열적 변형이 감소되었기 때문에 패터닝된 유기 층의 특징부의 패턴 품질이 유지될 수 있다. 그 다음 사이클의 플라즈마 CDE 공정(110)으로 진행하기 전에 각 사이클에서 플라즈마 표면 개질 공정(150)을 수행함으로써 규소 기반 재료에 대한 제거 효율과 유기물에 대한 선택성이 도움이 되었다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 수소 라디칼은 규소 기반 재료를 포함하는 표면을 활성화함으로써 제거 반응을 도와주고, 휘발성 불화수소를 형성하는 탈불화 반응에 의해 노출된 표면의 다른 영역을 보호하는 데 사용된다. 유기 재료를 포함하는 측벽, 및 하부 층 재료를 포함하는 하부 벽으로부터 흡착된 불소 라디칼을 제거하는 것은 에칭 선택성을 개선하고 패턴 변형을 저지한다.
공정을 복수의 사이클로 분리하고 각 사이클을 3개의 구성요소 공정으로 분리하는 방법은 2개의 클래스의 플라즈마 시스템으로 구현될 수 있다고 설명되었다. 시간 다중화 구현은 플라즈마 공정 챔버에서 제자리에서 구성요소 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 공간적으로 분리된 구현은 이동 가능 스테이지 상에 기판을 로딩하고, 공간 플라즈마 챔버의 공간적으로 분리된 구획을 통해 기판을 이동시킴으로써 달성될 수 있다.
공정을 3개의 구성요소 공정으로 분리하는 것은 하나의 예시적인 실시예의 시간 다중화 구현을 위한 타이밍도를 설명함으로써 본 명세서에서 예시된 바와 같이 공정 파라미터를 독립적으로 선택하는 것을 허용함으로써 본 명세서에서 언급된 장점을 달성하는 것을 용이하게 한다. 유기 층에 전사된 패턴의 충실도를 보존하는 것은 다양한 응용에서 유기 층이 하부 층을 패터닝하기 위한 하드 마스크 층으로 사용되기 때문에 유리하다.
실시예 1. 기판을 처리하는 방법은 복수의 사이클을 포함하는 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 복수의 사이클의 각 사이클은 비-중합 불소 화합물을 포함하는 제1 가스 혼합물을 사용하여 형성된 제1 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 불소 라디칼에 기판의 표면을 노출시킴으로써 기판의 표면과 화학 반응을 일으키는 단계를 포함한다. 방법은 기판 위로 제2 가스 혼합물을 흐르게 함과 동시에 기판의 표면과의 화학 반응을 억제하는 단계를 포함한다. 방법은 질소와 수소를 포함하는 가스를 포함하는 제3 가스 혼합물을 사용하여 형성된 제2 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 수소 라디칼에 기판의 표면을 노출시키는 단계를 포함한다.
실시예 2. 실시예 1에 있어서, 기판의 표면은, 규소 기반 재료를 포함하는 제1 부분; 및 유기 재료를 포함하는 제2 부분을 포함하는, 방법.
실시예 3. 실시예 1 또는 실시예 2 중 하나에 있어서, 불소 라디칼에 기판의 표면을 노출시키는 단계는 유기 재료에 대해 선택적인 규소 기반 재료를 제거하는, 방법.
실시예 4. 실시예 1 내지 실시예 3 중 하나에 있어서, 수소 라디칼에 기판의 표면을 노출시키는 단계는 기판의 표면을 화학적으로 개질시키고, 표면을 화학적으로 개질시키는 것은, 규소 기반 재료를 포함하는 제1 부분 상에 수소와 질소의 흡착 층을 형성하는 단계; 및 유기 재료를 포함하는 제2 부분을 탈불화하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 5. 실시예 1 내지 실시예 4 중 하나에 있어서, 제1 가스 혼합물은 삼불화질소 또는 육불화황을 포함하는, 방법.
실시예 6. 실시예 1 내지 실시예 5 중 하나에 있어서, 제2 가스 혼합물을 흐르게 하는 것은 기판을 냉각시키고 잔여 가스 부산물을 제거하는, 방법.
실시예 7. 실시예 1 내지 실시예 6 중 하나에 있어서, 기판의 표면과의 화학 반응을 억제하는 단계는 제2 가스 혼합물이 가스 방전 플라즈마를 형성하는 것을 방지하는 것을 포함하는, 방법.
실시예 8. 실시예 1 내지 실시예 7 중 하나에 있어서, 불소 라디칼에 기판의 표면을 노출시키는 것, 기판 위로 제2 가스 혼합물을 흐르게 하는 것, 및 수소 라디칼에 기판의 표면을 노출시키는 것은 3개의 공간적으로 겹치지 않는 영역에서 수행되고, 불활성 가스의 커튼이 3개의 공간적으로 겹치지 않는 영역의 인접한 영역 사이에 배치되고; 순환 에칭 공정의 하나의 사이클을 수행하는 단계는 3개의 공간적으로 겹치지 않는 영역을 통해 기판을 연속적으로 이동시키는 것을 포함하는, 방법.
실시예 9. 기판을 처리하는 방법으로서, 복수의 사이클을 포함하는 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 복수의 사이클의 각 사이클은, 규소 기반 재료를 부분적으로 제거하기 위해 규소 기반 재료를 포함하는 기판의 표면에 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계, 기판을 냉각시킴과 동시에 잔여 가스 부산물을 제거하는 단계, 및 기판 상에 플라즈마 표면 개질 공정을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 10. 실시예 9에 있어서, 플라즈마 공정 챔버에서 제자리에서 복수의 사이클을 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 11. 실시예 9 또는 실시예 10 중 하나에 있어서, 플라즈마 에칭 공정은 제1 시간 구간에서 수행되고, 냉각시킴과 동시에 잔여 가스 부산물을 제거하는 단계는 제2 시간 구간에서 수행되고, 플라즈마 표면 개질 공정은 제3 시간 구간에서 수행되고; 제1 시간 구간, 제2 시간 구간 및 제3 시간 구간은 겹치지 않는 시간 구간인, 방법.
실시예 12. 실시예 9 내지 실시예 11 중 하나에 있어서, 제1 시간 구간 후에 복수의 사이클을 수행하는 플라즈마 공정 챔버의 압력을 증가시키는 단계; 제2 시간 구간 동안 플라즈마 공정 챔버에서 증가된 압력을 유지하는 단계; 및 제2 시간 구간 후 플라즈마 공정 챔버의 압력을 감소시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 13. 실시예 9 내지 실시예 12 중 하나에 있어서, 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계는, 불소 라디칼을 포함하는 가스 방전 플라즈마를 형성하는 단계로서, 가스 방전 플라즈마를 형성하는 단계는 비-중합 불소 화합물을 포함하는 가스 혼합물에 무선 주파수(RF) 전력을 결합시키는 것을 포함하는, 단계; 및 비-중합 불소 기반 화학 물질을 사용하여 규소 기반 재료를 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 14. 실시예 9 내지 실시예 13 중 하나에 있어서, 기판을 냉각시킴과 동시에 잔여 가스 부산물을 제거하는 단계는, 플라즈마 공정 챔버로부터 무선 주파수(RF) 전력을 분리함으로써 가스 방전 플라즈마를 소멸시키는 단계; 및 플라즈마 공정 챔버를 통한 가스 혼합물의 가스 유량을 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 15. 실시예 9 내지 실시예 14 중 하나에 있어서, 플라즈마 표면 개질 공정을 수행하는 단계는, 질소와 수소를 포함하는 가스를 포함하는 가스 혼합물을 사용하여 수소 라디칼을 포함하는 가스 방전 플라즈마를 형성하는 단계; 및 수소 라디칼과 기판의 표면을 화학적으로 반응시키는 단계를 포함하고, 표면을 반응시키는 단계는, 규소 기반 재료를 포함하는 기판의 표면의 일부 상에 수소와 질소의 흡착 층을 형성하는 단계; 및 가스 불화수소를 형성하여 기판의 표면의 나머지 부분 상에 흡착된 불소 라디칼을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 16. 반도체 디바이스를 제조하는 방법으로서, 기판의 하부 층에 인접하여 패터닝된 층의 스택을 형성하는 단계를 포함한다. 패터닝된 층의 스택은, 하부 층에 인접한 유기 층; 및 유기 층 위에 규소 기반 재료를 포함하는 하드마스크 층을 포함하고; 방법은 플라즈마 처리 챔버에 기판을 로딩하는 단계를 포함한다. 방법은 플라즈마 공정 챔버에서 제자리에서 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 순환 플라즈마 에칭 공정은 유기 층에 대해 선택적인 규소 기반 재료를 포함하는 하드 마스크 층을 제거한다.
실시예 17. 실시예 16에 있어서, 순환 플라즈마 에칭 공정은 복수의 사이클을 포함하고, 복수의 사이클의 각 사이클은, 삼불화질소 또는 육불화황을 포함하는 제1 가스 혼합물을 사용하여 플라즈마 공정 챔버에 형성된 제1 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 불소 라디칼에 기판을 노출시키는 것을 포함하는 화학적 건식 에칭(CDE) 공정을 수행하는 단계; CDE 공정을 완료한 후, 제1 가스 방전 플라즈마를 소멸시키고, 플라즈마 처리 챔버의 압력을 증가시키고 기판 위로 제2 가스 혼합물을 흐르게 함으로써 기판을 냉각시키는 단계; 및 기판의 냉각을 완료한 후, 수소 라디칼에 기판의 표면을 노출시키는 것을 포함하는 플라즈마 표면 개질 공정을 수행하는 단계로서, 수소 라디칼은 규소 기반 재료를 포함하는 표면을 화학 흡착에 의해 활성화시키고, 휘발성 불화수소를 형성하는 화학 반응에 의해 유기 재료를 포함하는 표면을 탈불화시키는, 단계를 포함하는, 방법.
실시예 18. 실시예 16 또는 실시예 17 중 하나에 있어서, 규소 기반 재료는 규소가 풍부한 반사 방지 코팅(SiARC), 산화규소, 질화규소 또는 산질화규소를 포함하는, 방법.
실시예 19. 실시예 16 내지 실시예 18 중 하나에 있어서, 유기 층은 유기 유전체 층(ODL), 유기 평탄화 층(OPL), 스핀온 탄소(SOC) 층 또는 비정질 탄소층(ACL)을 포함하고, 하부 층은 질화티타늄, 산화알루미늄, 산화티타늄 또는 질화알루미늄을 포함하는, 방법.
실시예 20. 실시예 16 내지 실시예 19 중 하나에 있어서, 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행한 후, 유기 층의 측벽 각도의 변화는 0.5° 이하인, 방법.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 설명은 본 발명을 제한하는 의미로 해석되도록 의도된 것이 아니다. 본 발명의 예시적인 실시예뿐만 아니라 다른 실시예의 다양한 수정과 조합이 설명을 참조할 때 당업자에게 명백할 것이다. 따라서 첨부된 청구범위는 임의의 이러한 수정 또는 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 기판을 처리하는 방법으로서,
    복수의 사이클을 포함하는 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 사이클의 각 사이클은,
    비-중합 불소 화합물을 포함하는 제1 가스 혼합물을 사용하여 형성된 제1 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 불소 라디칼에 기판의 표면을 노출시킴으로써 상기 기판의 표면과 화학 반응을 일으키는 단계;
    상기 기판 위로 제2 가스 혼합물을 흐르게 함과 동시에 상기 기판의 표면과의 화학 반응을 억제하는 단계; 및
    질소와 수소를 포함하는 가스를 포함하는 제3 가스 혼합물을 사용하여 형성된 제2 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 수소 라디칼에 상기 기판의 표면을 노출시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 표면은,
    규소 기반 재료를 포함하는 제1 부분; 및
    유기 재료를 포함하는 제2 부분
    을 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 불소 라디칼에 상기 기판의 표면을 노출시키는 단계는 상기 유기 재료에 대해 선택적인 상기 규소 기반 재료를 제거하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서, 수소 라디칼에 상기 기판의 표면을 노출시키는 단계는 상기 기판의 표면을 화학적으로 개질시키고, 상기 표면을 화학적으로 개질시키는 것은,
    규소 기반 재료를 포함하는 상기 제1 부분 상에 수소와 질소의 흡착 층을 형성하는 단계; 및
    유기 재료를 포함하는 상기 제2 부분을 탈불화하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 가스 혼합물은 삼불화질소 또는 육불화황을 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 가스 혼합물을 흐르게 하는 것은 상기 기판을 냉각시키고 잔여 가스 부산물을 제거하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판의 표면과의 화학 반응을 억제하는 단계는 상기 제2 가스 혼합물이 가스 방전 플라즈마를 형성하는 것을 방지하는 것을 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    불소 라디칼에 상기 기판의 표면을 노출시키는 것, 상기 기판 위로 상기 제2 가스 혼합물을 흐르게 하는 것, 및 수소 라디칼에 상기 기판의 표면을 노출시키는 것은 3개의 공간적으로 겹치지 않는 영역에서 수행되고, 불활성 가스의 커튼이 상기 3개의 공간적으로 겹치지 않는 영역의 인접한 영역 사이에 배치되고;
    상기 순환 에칭 공정의 하나의 사이클을 수행하는 단계는 상기 3개의 공간적으로 겹치지 않는 영역을 통해 상기 기판을 연속적으로 이동시키는 것을 포함하는, 방법.
  9. 기판을 처리하는 방법으로서,
    복수의 사이클을 포함하는 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 사이클의 각 사이클은,
    규소 기반 재료를 부분적으로 제거하기 위해 상기 규소 기반 재료를 포함하는 기판의 표면에 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계,
    상기 기판을 냉각시킴과 동시에 잔여 가스 부산물을 제거하는 단계, 및
    상기 기판 상에 플라즈마 표면 개질 공정을 수행하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    플라즈마 공정 챔버에서 제자리에서 상기 복수의 사이클을 수행하는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 플라즈마 에칭 공정은 제1 시간 구간에서 수행되고, 상기 냉각시킴과 동시에 잔여 가스 부산물을 제거하는 단계는 제2 시간 구간에서 수행되고, 상기 플라즈마 표면 개질 공정은 제3 시간 구간에서 수행되고;
    상기 제1 시간 구간, 상기 제2 시간 구간 및 상기 제3 시간 구간은 겹치지 않는 시간 구간인, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 시간 구간 후에 상기 복수의 사이클을 수행하는 플라즈마 공정 챔버의 압력을 증가시키는 단계;
    상기 제2 시간 구간 동안 상기 플라즈마 공정 챔버에서 증가된 압력을 유지하는 단계; 및
    상기 제2 시간 구간 후 상기 플라즈마 공정 챔버의 압력을 감소시키는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계는,
    불소 라디칼을 포함하는 가스 방전 플라즈마를 형성하는 단계로서, 상기 가스 방전 플라즈마를 형성하는 단계는 비-중합 불소 화합물을 포함하는 가스 혼합물에 무선 주파수(RF) 전력을 결합시키는 것을 포함하는, 단계; 및
    비-중합 불소 기반 화학 물질을 사용하여 규소 기반 재료를 제거하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 기판을 냉각시킴과 동시에 잔여 가스 부산물을 제거하는 단계는,
    상기 플라즈마 공정 챔버로부터 무선 주파수(RF) 전력을 분리함으로써 상기 가스 방전 플라즈마를 소멸시키는 단계; 및
    상기 플라즈마 공정 챔버를 통한 가스 혼합물의 가스 유량을 증가시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 플라즈마 표면 개질 공정을 수행하는 단계는,
    질소와 수소를 포함하는 가스를 포함하는 가스 혼합물을 사용하여 수소 라디칼을 포함하는 가스 방전 플라즈마를 형성하는 단계; 및
    수소 라디칼과 상기 기판의 표면을 화학적으로 반응시키는 단계
    를 포함하고, 상기 표면을 반응시키는 단계는,
    규소 기반 재료를 포함하는 기판의 표면의 일부 상에 수소와 질소의 흡착 층을 형성하는 단계; 및
    가스 불화수소를 형성하여 상기 기판의 표면의 나머지 부분 상에 흡착된 불소 라디칼을 제거하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  16. 반도체 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    기판의 하부 층에 인접하여 패터닝된 층의 스택을 형성하는 단계로서, 상기 패터닝된 층의 스택은,
    상기 하부 층에 인접한 유기 층; 및
    상기 유기 층 위에 규소 기반 재료를 포함하는 하드마스크 층
    을 포함하는, 단계;
    플라즈마 처리 챔버에 상기 기판을 로딩하는 단계; 및
    상기 플라즈마 공정 챔버에서 제자리에서 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행하는 단계
    를 포함하고,
    상기 순환 플라즈마 에칭 공정은 상기 유기 층에 대해 선택적인 규소 기반 재료를 포함하는 하드 마스크 층을 제거하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 순환 플라즈마 에칭 공정은 복수의 사이클을 포함하고, 상기 복수의 사이클의 각 사이클은,
    삼불화질소 또는 육불화황을 포함하는 제1 가스 혼합물을 사용하여 상기 플라즈마 공정 챔버에 형성된 제1 가스 방전 플라즈마로부터 추출된 불소 라디칼에 상기 기판을 노출시키는 것을 포함하는 화학적 건식 에칭(CDE) 공정을 수행하는 단계;
    상기 CDE 공정을 완료한 후, 상기 제1 가스 방전 플라즈마를 소멸시키고, 상기 플라즈마 처리 챔버의 압력을 증가시키고 상기 기판 위로 제2 가스 혼합물을 흐르게 함으로써 상기 기판을 냉각시키는 단계; 및
    상기 기판의 냉각을 완료한 후, 수소 라디칼에 상기 기판의 표면을 노출시키는 것을 포함하는 플라즈마 표면 개질 공정을 수행하는 단계로서, 상기 수소 라디칼은 상기 규소 기반 재료를 포함하는 표면을 화학 흡착에 의해 활성화시키고, 휘발성 불화수소를 형성하는 화학 반응에 의해 상기 유기 재료를 포함하는 표면을 탈불화시키는, 단계
    를 포함하는, 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 규소 기반 재료는 규소가 풍부한 반사 방지 코팅(SiARC), 산화규소, 질화규소 또는 산질화규소를 포함하는, 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 유기 층은 유기 유전체 층(ODL), 유기 평탄화 층(OPL), 스핀온 탄소(SOC) 층 또는 비정질 탄소층(ACL)을 포함하고, 상기 하부 층은 질화티타늄, 산화알루미늄, 산화티타늄 또는 질화알루미늄을 포함하는, 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 순환 플라즈마 에칭 공정을 수행한 후, 상기 유기 층의 측벽 각도의 변화는 0.5° 이하인, 방법.
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