KR20230151810A - 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 - Google Patents

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230151810A
KR20230151810A KR1020220051602A KR20220051602A KR20230151810A KR 20230151810 A KR20230151810 A KR 20230151810A KR 1020220051602 A KR1020220051602 A KR 1020220051602A KR 20220051602 A KR20220051602 A KR 20220051602A KR 20230151810 A KR20230151810 A KR 20230151810A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substrate
gas injection
temperature
gas
insulating layers
Prior art date
Application number
KR1020220051602A
Other languages
English (en)
Inventor
김민수
박상준
박주환
조병철
진광선
Original Assignee
주식회사 원익아이피에스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 원익아이피에스 filed Critical 주식회사 원익아이피에스
Priority to KR1020220051602A priority Critical patent/KR20230151810A/ko
Priority to US18/086,366 priority patent/US20230343609A1/en
Priority to CN202211650253.4A priority patent/CN116959976A/zh
Priority to TW111149488A priority patent/TWI833516B/zh
Publication of KR20230151810A publication Critical patent/KR20230151810A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
    • H01L21/3105—After-treatment
    • H01L21/311—Etching the insulating layers by chemical or physical means
    • H01L21/31105—Etching inorganic layers
    • H01L21/31111—Etching inorganic layers by chemical means
    • H01L21/31116—Etching inorganic layers by chemical means by dry-etching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67242—Apparatus for monitoring, sorting or marking
    • H01L21/67248—Temperature monitoring
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32174—Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32357—Generation remote from the workpiece, e.g. down-stream
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3244—Gas supply means
    • H01J37/32449—Gas control, e.g. control of the gas flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32458—Vessel
    • H01J37/32522—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32715—Workpiece holder
    • H01J37/32724—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02123—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing silicon
    • H01L21/02164—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing silicon the material being a silicon oxide, e.g. SiO2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02123—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing silicon
    • H01L21/0217—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing silicon the material being a silicon nitride not containing oxygen, e.g. SixNy or SixByNz
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67017—Apparatus for fluid treatment
    • H01L21/67063—Apparatus for fluid treatment for etching
    • H01L21/67069—Apparatus for fluid treatment for etching for drying etching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67103—Apparatus for thermal treatment mainly by conduction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67109—Apparatus for thermal treatment mainly by convection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/673—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere using specially adapted carriers or holders; Fixing the workpieces on such carriers or holders
    • H01L21/67326—Horizontal carrier comprising wall type elements whereby the substrates are vertically supported, e.g. comprising sidewalls

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Abstract

본 발명의 일 관점에 따른 기판 처리 방법은, 복수의 제 1 절연층들 및 복수의 제 2 절연층들이 교대로 적층된 복합막 패턴이 형성된 기판을 처리하기 위한 반응 공간이 형성된 공정 챔버, 상기 기판을 지지하도록 상기 공정 챔버에 결합된 기판 지지부, 상기 기판 지지부에 대향되도록 상기 공정 챔버의 상부에 결합된 가스 분사부 및 상기 공정 챔버 외부에 배치되고 상기 가스 분사부와 연결된 플라즈마 반응기를 포함하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법으로서, 상기 가스 분사부의 온도가 상기 기판 지지부의 온도와 같거나 또는 더 낮게 유지되도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 분사부를 가열하는 단계와, 상기 플라즈마 반응기에 할로겐 함유 가스를 포함하는 반응 가스를 공급하는 단계와, 상기 플라즈마 반응기에 전력을 인가하여 상기 할로겐 함유 가스를 활성화시켜 라디칼을 생성하는 단계와, 상기 라디칼을 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 지지부 상에 안착된 상기 기판 상에 공급하여, 상기 복수의 제 2 절연층들에 대해서 선택적으로 상기 복수의 제 1 절연층들을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각하는 단계를 포함한다.

Description

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법{Substrate processing apparatus and method of processing substrate}
본 발명은 반도체 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 처리 장치 및 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 식각이 가능한 기판 처리 장치 및 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, 복수의 제 1 절연층들 및 복수의 제 2 절연층들이 교대로 적층된 복합막 패턴이 형성된 기판을 처리하기 위한 반응 공간이 형성된 공정 챔버, 상기 기판을 지지하도록 상기 공정 챔버에 결합된 기판 지지부, 상기 기판 지지부에 대향되도록 상기 공정 챔버의 상부에 결합된 가스 분사부 및 상기 공정 챔버 외부에 배치되고 상기 가스 분사부와 연결된 플라즈마 반응기를 포함하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법으로서, 상기 가스 분사부의 온도가 상기 기판 지지부의 온도와 같거나 또는 더 낮게 유지되도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 분사부를 가열하는 단계와, 상기 플라즈마 반응기에 할로겐 함유 가스를 포함하는 반응 가스를 공급하는 단계와, 상기 플라즈마 반응기에 전력을 인가하여 상기 할로겐 함유 가스를 활성화시켜 라디칼을 생성하는 단계와, 상기 라디칼을 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 지지부 상에 안착된 상기 기판 상에 공급하여, 상기 복수의 제 2 절연층들에 대해서 선택적으로 상기 복수의 제 1 절연층들을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각하는 단계를 포함한다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 복합막 패턴에서 상기 복수의 제 1 절연층들 중 탑부의 제 1 절연층들과 바닥부의 제 1 절연층들의 식각 균일성을 높이기 위하여, 상기 가열하는 단계에서 상기 가스 분사부의 온도를 상기 기판 지지부의 온도보다 낮게 유지할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 기판 지지부의 온도는 상온보다 높고 110 oC 미만으로 유지하고, 상기 가스 분사부의 온도는 상온보다 높고 70 oC 미만으로 유지할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 기판 지지부의 온도는 상온보다 높고 80 oC 이하로 유지하고, 상기 가스 분사부의 온도는 상온보다 높고 50 oC 이하로 유지할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 반응 가스는 할로겐 함유 가스와 함께 불활성 가스를 포함하고 수소 함유 가스를 포함하지 않을 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 반응 가스는 NF3 가스 및 Ar 가스만을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각하는 단계에서, 상기 가스 분사부 및 상기 기판 지지부 사이의 갭 거리는 25mm보다 클 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 가열하는 단계에서, 상기 기판 지지부의 온도는 상기 기판 지지부에 구비된 제 1 히터를 가열하여 제어하고, 상기 가스 분사부의 온도는 상기 가스 분사부에 구비된 제 2 히터를 가열하여 제어할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 복수의 제 1 절연층들은 실리콘 질화막을 포함하고, 상기 복수의 제 2 절연층들은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 기판 처리 장치는, 복수의 제 1 절연층들 및 복수의 제 2 절연층들이 교대로 적층된 복합막 패턴이 형성된 기판을 처리하기 위한 반응 공간이 형성된 공정 챔버와, 상기 기판을 지지하도록 상기 공정 챔버에 결합된 기판 지지부와, 상기 기판 지지부에 대향되도록 상기 공정 챔버의 상부에 결합된 가스 분사부와, 상기 공정 챔버 외부에 배치되고 상기 가스 분사부와 연결된 플라즈마 반응기와, 상기 기판 지지부, 상기 가스 분사부 및 상기 플라즈마 반응기를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 가스 분사부의 온도가 상기 기판 지지부의 온도와 같거나 또는 더 낮게 유지되도록 제어하고, 상기 플라즈마 반응기에 할로겐 함유 가스를 포함하는 반응 가스를 공급하고 상기 플라즈마 반응기에 전력을 인가하여 상기 할로겐 함유 가스를 활성화시켜 라디칼을 생성하도록 상기 플라즈마 반응기를 제어하고, 상기 라디칼을 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 지지부 상에 안치된 상기 기판 상에 공급하여 상기 복수의 제 2 절연층들에 대해서 선택적으로 상기 복수의 제 1 절연층들을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각하도록 상기 가스 분사부를 제어할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 복합막 패턴에서 상기 복수의 제 1 절연층들 중 탑부의 제 1 절연층들과 바닥부의 제 1 절연층들의 식각 균일성을 높이기 위하여, 상기 제어부는 상기 가스 분사부의 온도를 상기 기판 지지부의 온도보다 낮게 유지되도록 제어할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 기판 지지부의 온도를 상온보다 높고 100 oC보다 낮게 유지하고 상기 가스 분사부의 온도를 상온보다 높고 70 oC보다 낮게 유지하도록 제어할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 기판 지지부의 온도를 상온보다 높고 80 oC 이하로 유지하고 상기 가스 분사부의 온도를 상온보다 높고 70 oC 이하로 유지하도록 제어할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 기판 지지부에 구비된 제 1 히터 및 상기 가스 분사부에 구비된 제 2 히터를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제 1 히터 및 상기 제 2 히터를 이용하여, 상기 기판 지지부 및 상기 가스 분사부의 온도를 제어할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 복수의 제 1 절연층들의 식각 시 상기 가스 분사부 및 상기 기판 지지부 사이의 갭 거리를 25mm보다 크게 유지할 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 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 순서도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 기판의 개략적인 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 기판 지지부와 가스 분사부의 온도에 따른 복합막 패텬의 식각 프로파일을 모식적으로 보여주는 개념적인 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 기판 지지부의 온도에 따른 복합막 패텬의 식각 프로파일을 모식적으로 보여주는 개념적인 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 가스 분사부의 온도에 따른 복합막 패텬의 식각 프로파일을 모식적으로 보여주는 개념적인 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 반응 가스의 종류에 따른 열전도 특성을 보여주는 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 반응 가스 중의 하나인 아르곤(Ar) 가스 및 NF3 가스 유량에 따른 복합막 패턴의 탑과 바닥에서 식각비를 각각 보여주는 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 반응 가스로 NH3 가스가 포함된 경우 복합막 패텬의 식각 프로파일을 모식적으로 보여주는 개념적인 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 공정 챔버 내 압력에 따른 복합막 패턴의 탑부와 바닥부에서 식각 속도를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 기판 지지부와 가스 분사부 사이의 갭 거리에 따른 복합막 패텬의 식각 프로파일을 모식적으로 보여주는 개념적인 단면도들이다.
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 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(100)는 공정 챔버(110), 가스 분사부(120), 기판 지지부(130), 플라즈마 반응기(150) 및 제어부(190)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. 보다 구체적으로 보면, 가스 분사부(120)는 기판 지지부(130)에 대향되도록 공정 챔버(110)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 가스 분사부(120)는 기판 지지부(130) 상에 안착된 기판(S)에 공정 가스를 분사하도록 공정 챔버(110)의 상부에 설치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 가스 분사부(120)는 가스 배관(152)을 통해서 공정 가스가 인입되는 유입구(122)와, 유입구(122)를 통해서 유입되어 내부에서 분산된 공정 가스를 반응 공간(112) 내로 분사하기 위한 분사 플레이트(distribution plate, 124)를 포함할 수 있다. 나아가, 가스 분사부(120)는 유입구(122)를 통과한 공정 가스를 분산시키기 위한 블록커 플레이트(blocker plate)를 더 포함할 수도 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 탑리드에 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)에는 기판(S)을 가열하기 위한 히터(182)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 히터(182)는 기판 지지부(130) 내에 구비될 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 실시예들에서, 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 공급부(미도시)로부터 DC 전력을 공급받을 수 있다.
플라즈마 반응기(plasma reactor, 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 전원부(140)가 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 반응 가스를 공급받고, 플라즈마 전력을 인가 받아 내부에 플라즈마 분위기를 형성하여, 반응 가스를 활성화시켜 라디칼을 생성할 수 있다. 이러한 라디칼은 가스 배관(152)을 통해서 가스 분사부(120)로 제공되고, 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상으로 분사될 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 분사부(120)는 플라즈마 반응기(150)를 통하지 않고 별도로 부가적인 공정 가스를 공급받을 수도 있다.
일부 실시예들에서, 가스 분사부(120)에는 가열 수단, 예컨대 히터(128)가 구비될 수 있다. 이에 따라, 가스 분사부(120)는 히터(128)에 의해서 그 온도가 제어될 수 있다. 히터(128)는 카트리지 히터, 열선 히터, 열교환기, 적외선 히터, 레이저 히터 등 다양한 방식의 가열 수단을 포함할 수 있다.
이하에서, 구분상 편의를 위하여, 기판 지지부(130)에 구비된 히터(182)를 제 1 히터(182)로 지칭하고, 가스 분사부(120)에 구비된 히터(128)을 제 2 히터(128)로 지칭할 수 있다.
제어부(190)는 기판 처리 장치(100)의 동작, 예컨대 플라즈마 반응기(150), 가스 분사부(120), 기판 지지부(130) 등을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(190)는 가스 분사부(120)의 온도(TSH)와 기판 지지부(130)의 온도(THT) 등을 제어하고, 플라즈마 반응기(150) 내 플라즈마 전력의 인가 및 반응 가스의 공급 등을 제어하고, 가스 분사부(120)를 통한 가스의 공급을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(190)는 제 1 히터(182) 및 제 2 히터(128)를 이용하여, 기판 지지부(130)의 온도(THT) 및 가스 분사부(120)의 온도(TSH)를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어부(190)는 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 기판 지지부(130)의 온도(THT)와 같거나 또는 더 낮게 유지되도록 제어할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판 처리 장치(100)는 기판(S)의 박막을 식각하기 위한 에칭 장치 또는 전처리 장치 등으로 이용될 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 순서도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 기판의 개략적인 단면도들이다.
도 3a를 참조하면, 기판(S)에는 복합막 패턴(56)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(S)은 반도체 웨이퍼(52)를 포함하고, 반도체 웨이퍼(52) 상에 반도체 소자를 형성하기 위한 구조가 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 복합막 패턴(56)이 반도체 웨이퍼(52) 상에 형성될 수 있다. 반도체 웨이퍼(52)는 반도체 물질, 예컨대 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄 등의 단결정 구조를 포함할 수 있고, 나아가 반도체 에피택셜층 등을 더 포함할 수도 있다.
복합막 패턴(56)은 복수의 제 1 절연층들(54) 및 복수의 제 2 절연층들(55)이 교대로 적층된 패턴 구조를 포함할 수 있다. 제 1 절연층들(54) 및 제 2 절연층들(55)이 교대로 적층된 후 포토리소그래피 및 에칭 기술을 이용하여 복수의 트렌치들(57)이 형성되도록 패터닝 될 수 있다. 예를 들어, 제 1 절연층들(54)은 실리콘 질화막을 포함하고, 제 2 절연층들(55)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3a를 참조하면, 일부 실시예들에서, 기판(S)은 기판 처리 장치(100)를 이용하여 처리될 수 있다. 예를 들어, 기판(S)은 공정 챔버(110) 내 기판 지지부(130) 상에 안착된 상태에서 처리될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 기판(S)을 공정 챔버(110) 내로 인입하여 기판 지지부(130) 상에 안착시키는 단계가 수행될 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3b를 참조하면, 이 실시예에 따른 기판 처리 방법에 따르면, 기판 지지부(130) 및 가스 분사부(120)를 가열하고(S10), 플라즈마 반응기(150)에 반응 가스를 공급하고(S20), 플라즈마 반응기(150)에 전력을 인가하여 라디칼을 생성하고(S30), 라디칼을 기판(S) 상에 공급하여 제 1 절연층들(54)을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각할 수 있다(S40).
예를 들어, 제어부(190)는 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 기판 지지부(130)의 온도(THT)와 같거나 또는 더 낮게 유지되도록 제어하고(S10), 플라즈마 반응기(150)에 할로겐 함유 가스를 포함하는 반응 가스를 공급하고 플라즈마 반응기(150)에 전력을 인가하여 할로겐 함유 가스를 활성화시켜 라디칼을 생성하도록 플라즈마 반응기(150)를 제어하고(S20, S30), 이 라디칼을 가스 분사부(120)를 통해서 기판 지지부(130) 상에 안치된 기판(S) 상에 공급하여 제 2 절연층들(55)에 대해서 선택적으로 제 1 절연층들(54)을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각하도록 가스 분사부(120)를 제어할 수 있다(S40).
보다 구체적으로 보면, 전술한 가열하는 단계(S10)는 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 기판 지지부(130)의 온도(THT)와 같거나 또는 더 낮게 유지되도록 기판 지지부(130) 및 가스 분사부(120)를 가열하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 가열하는 단계(S10)에서, 기판 지지부(130)의 온도(THT)는 기판 지지부(130) 내 제 1 히터(182)를 가열하여 제어하고, 가스 분사부(120)의 온도(TSH)는 가스 분사부(120) 내 제 2 히터(128)를 가열하여 제어할 수 있다. 한편, 공정 챔버(110)의 벽면 온도가 가스 분사부(120)의 온도(TSH)와 유사하게 제어될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 복합막 패턴(56)에서 제 1 절연층들(54) 중 탑부의 제 1 절연층들(54b)과 바닥부의 제 1 절연층들(54a)의 식각 균일성을 높이기 위하여, 가열하는 단계에서 가스 분사부(120)의 온도(TSH)를 기판 지지부(130)의 온도(THT)보다 낮게 유지할 수 있다. 이러한 기판 지지부(130)의 온도(THT) 및 가스 분사부(120)의 온도(TSH)는 제어부(190)를 통해서 제어될 수 있다.
이러한 기판 지지부(130)의 온도(THT) 및 가스 분사부(120)의 온도(TSH) 제어는 제 2 절연층들(55)에 대한 제 1 절연층들(54)의 식각 선택비에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 제 1 절연층들(54)이 실리콘 질화막이고, 제 2 절연층들(55)이 실리콘 산화막인 경우, 반응 가스로 사용되는 할로겐 함유 가스는 실리콘 질화막뿐만 아니라 실리콘 산화막까지 식각시킬 수 있다. 다만, 기판(S)의 온도가 낮아질수록 실리콘 산화막의 식각 속도가 실리콘 질화막에 비해서 크게 감소하기 때문에, 식각 선택비를 높이기 위해서 기판(S)의 온도는 소정 온도 이하, 예컨대 110 oC 미만으로 유지될 수 있다.
한편, 복합막 패턴(56)의 높이가 높아짐에 따라서 트렌치(57)의 깊이가 깊어짐에 따라서 상부와 하부에서 식각 속도 차이가 발생할 수 있다. 특히, 탑부의 제 1 절연층들(54b)의 식각 속도가 빠르고, 바닥부의 제 1 절연층들(54a)의 식각 속도가 늦어질 수 있다. 이에 따라, 수직 방향으로 식각 균일도를 높이기 위해서, 탑부의 제 1 절연층들(54b)에 가까운 가스 분사부(120)의 온도(TSH)를 바닥부의 제 1 절연층들(54a)에 가까운 기판 지지부(130)의 온도(THT)보다 낮게 할 수 있다.
전술한 가열 단계(S10)는 기판(S)이 기판 지지부(130) 상에 안착되기 전에 수행되거나 또는 기판(S)이 기판 지지부(130) 상에 안착된 후에 수행될 수도 있다.
또한, 반응 가스를 공급하는 단계(S20)는, 플라즈마 반응기(150)에 할로겐 함유 가스를 포함하는 반응 가스를 공급하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 가스 배관(154)을 통해서 플라즈마 반응기(150) 내로 반응 가스를 공급할 수 있다. 반응 가스는 할로겐 함유 가스로 HF, NF3 및 F2 가스들의 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 나아가, 반응 가스는 할로겐 함유 가스와 함께 불활성 가스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반응 가스는 열전달 효율을 고려하여 수소 함유 가스, 예컨대 H2, NH3 가스 등을 포함하지 않을 수 있다.
또한, 라디칼을 생성하는 단계(S30)에서, 플라즈마 전원부(140)를 통해서 플라즈마 반응기(150)에 전력을 인가하여 할로겐 함유 가스를 활성화시켜 라디칼이 생성될 수 있다. 이 실시예에서, 반응 가스가 수소 함유 가스를 포함하지 않고 할로겐 함유 가스와 불활성 가스로 구성되는 경우, 반응 가스의 활성화 시 새로운 화합물이나 염이 생성되지 않고, 할로겐 함유 가스가 활성되어 라디칼이 형성될 수 있다.
또한, 식각하는 단계(S40)에서, 라디칼이 가스 분사부(120)를 통해서 기판 지지부(130) 상에 안착된 기판(S) 상에 공급되어, 제 2 절연층들(55)에 대해서 선택적으로 제 1 절연층들(54)이 측방향으로 적어도 부분적으로 식각될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 반응기(150)에서 생성된 라디칼을 가스 배관(152)을 통해서 공정 챔버(110)에 공급하고, 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상에 분사할 수 있다.
이러한 식각 단계(S40)에서 제 2 절연층들(55)에 대해서 제 1 절연층들(54)이 높은 식각 선택비를 가질 필요가 있다. 즉, 제 1 절연층들(54)이 식각되는 동안, 제 2 절연층들(55) 식각되지 않거나 최소한으로만 식각될 필요가 있다. 예를 들어, 제 1 절연층들(54) 대 제 2 절연층들(55)의 식각 선택비는 50:1보다 클 수 있다.
이러한 라디칼에 의한 식각은 화학적 건식 식각(chemical dry etching)으로 등방성 식각(isotropic etching)을 유도할 수 있다. 이에 따라, 라디칼이 트렌치들(57)을 통해서 수직으로 공급되고, 이어서 측방향으로 확산되면서 제 1 절연층들(54)을 측방향으로 소정 깊이만큼 식각할 수 있다. 따라서, 이 식각 방법을 이용하면 종래 습식 식각을 대체하여, 건식 식각으로 등방성 식각을 수행할 수 있다. 이러한 라디칼은 습식 식각액에 비해서 매우 좁은 공간으로도 침투할 수 있으므로, 이 식각 방법을 이용하여 매우 미세한 패턴에서 제 1 절연층들(54)을 선택적으로 식각할 수 있게 된다.
한편, 전술한 바와 같이, 식각 선택비를 높이기 위해서 기판(S)의 온도 제어가 필요함에 따라서, 기판 지지부(130) 및 가스 분사부(120)의 가열과 병행하거나 또는 별도로 반응 가스 또는 라디칼의 온도를 조절하여, 기판(S)의 온도를 조절할 수도 있다. 다만, 반응 가스 또는 라디칼에 의한 기판(S)의 온도 조절은 복합막 패턴(56)의 주로 표면에만 영향을 끼친다는 점에서 제약이 따를 수 있다.
일부 실시예들에서, 이 식각 단계(S40)는 라디칼을 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상에 소정 주기로 1회 이상 반복적으로 공급하여 수행할 수도 있다. 예를 들어, 식각 시간이 길어지면 제 2 절연층들(55)에 대한 식각량이 늘어날 수 있으므로, 소정 주기로 복수회 반복하여, 식각 단계(S40)가 수행될 수도 있다.
이하에서는 기판 처리 장치(100)를 이용한 기판 처리 방법에서 공정 조건에 대해서 보다 구체적으로 설명한다. 이하 실시예들에서, 제 1 절연층들(54)은 실리콘 질화막이고, 제 2 절연층들(55)은 실리콘 산화막이고, 반응 가스로는 NF3와 Ar의 혼합 가스가 사용되었다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 기판 지지부(130)와 가스 분사부(120)의 온도에 따른 복합막 패텬(56)의 식각 프로파일을 모식적으로 보여주는 개념적인 단면도들이다. 도 4a는 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 기판 지지부(130)의 온도(THT)와 같거나 더 낮은 경우를 나타내고, 도 4b는 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 기판 지지부(130)의 온도(THT)보다 더 높은 경우를 나타낸다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 기판 지지부(130)의 온도(THT)와 같거나 더 낮은 경우, 제 1 절연층들(54)의 식각 프로파일이 전체적으로 양호한 것을 알 수 있다. 이에 반해서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 기판 지지부(130)의 온도(THT)보다 더 높은 경우, 제 1 절연층들(54)의 식각 프로파일이 전체적으로 불량하며, 제 1 절연층들(54)의 식각량이 상부에서 하부로 갈수록 적어지는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 기판 지지부(130)의 온도에 따른 복합막 패텬(56)의 식각 프로파일을 모식적으로 보여주는 개념적인 단면도들이다.
도 5를 참조하면, (d)의 경우 기판 지지부(130)의 온도(THT)가 110 oC로 높은 경우 과식각(over etch)이 심하여 니들(needle) 모양이 형성되고 식각 선택비가 나쁘지만, (a) 내지 (c)에서 기판 지지부(130)의 온도(THT)가 낮아질수록 식각 프로파일이 양호해지는 것을 알 수 있다. 따라서, 기판 지지부(130)의 온도(THT)는 적어도 110 oC 미만으로 유지될 수 있고, 좁게는 80 oC 이하로 유지될 수 있고, 더 좁게는 65 oC 미만으로 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판 지지부(130)의 온도(THT)는 어느 정도의 식각 속도 확보와 제어의 편의성을 위해서 적어도 상온보다는 높게 유지도고 50 oC 이하로 유지될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 가스 분사부의 온도에 따른 복합막 패텬의 식각 프로파일을 모식적으로 보여주는 개념적인 단면도들이다.
도 6을 참조하면, 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 높아질수록 제 1 절연층들(54)의 상부와 하부에서 식각이 불균일해지는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로 보면, (a)의 경우 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 30 oC인 경우, 제 1 절연층들(54)의 식각 프로파일이 양호하고, (b)의 경우 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 50 oC인 경우 하부로 갈수록 식각량이 줄어드는 경향을 보이기 시작하고, (c) 및 (d)의 경우 가스 분사부(120)의 온도(TSH)가 70 ~ 90 oC 범위에서 제 1 절연층들(54)의 상부에서 하부로 갈수록 식각량이 더욱 줄어드는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 조건에서 가스 분사부(120)의 온도(TSH)는 70 oC 미만으로 유지될 수 있고, 좁게는 50 oC 이하로 유지되고, 더욱 좁게는 50 oC 미만으로 유지될 수 있다. 가스 분사부(120)의 온도(TSH)는 어느 정도의 식각 속도 확보와 제어의 편의성을 위해서 적어도 상온보다는 높게 유지될 수 있다.
전술한 결과를 볼 때, 복합막 패턴(56)의 식각 균일성을 의해서, 기판 지지부(130)의 온도(THT)는 상온보다 높고 110 oC 미만으로 유지하고 가스 분사부(120)의 온도(TSH)는 상온보다 높고 70 oC 미만으로 유지될 수 있다. 바람직하게는, 기판 지지부(130)의 온도(THT)는 상온보다 높고 80 oC 이하로 유지하고 가스 분사부(120)의 온도(TSH)는 상온보다 높고 50 oC 이하로 유지될 수 있다. 더욱 바람직하게는 기판 지지부(130)의 온도(THT)는 상온보다 높고 65 oC 미만으로 유지하고 가스 분사부(120)의 온도(TSH)는 상온보다 높고 50 oC 미만으로 유지될 수 있다. 이러한 온도 제어는 제어부(190)를 통해서 수행될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 반응 가스의 종류에 따른 열전도 특성을 보여주는 개략도이다.
도 7을 참조하면, 반응 가스의 종류에 따라서 열전도율에 차이가 있음을 알 수 있다. 반응 가스의 열전도율이 높은 경우, 플라즈마 반응기(150) 내 높은 온도가 반응 가스를 통해서 기판(S)으로 전달될 수 있다. 전술한 바와 같이, 기판(S)의 온도가 높아지면 복합막 패턴(56)의 식각 선택비가 나빠지기 때문에, 플라즈마 반응기(150)의 온도가 기판(S)으로 전달되는 것을 막기 위해서 반응 가스의 열전도율이 낮을 필요가 있다.
이에 따라, 에천트로 사용되는 할로겐 함유 가스는 주요하게 정해져 있기 때문에, 캐리어 가스로 사용되는 불활성 가스가 열전도율이 낮은 가스로 선택될 필요가 있다. 이러한 점에서 아르곤(Ar)은 다른 캐리어 가스들, 예컨대 헬륨(He), 질소(N2), 네온(Ne) 가스 등에 비해서 유리하다. 한편, 수소(H) 가스의 경우도 반응 가스의 일부로 사용될 수 있지만, 열전도율이 높다는 점에서 불리하다. 따라서, 이러한 열전도율을 고려하여, 반응 가스는 할로겐 함유 가스와 함께 불활성 가스, 예컨대 아르곤(Ar) 가스를 포함하되, 수소 함유 가스를 포함하지 않을 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 반응 가스 중의 하나인 아르곤(Ar) 가스 및 NF3 가스 유량에 따른 복합막 패턴(56)의 탑과 바닥에서 식각비를 각각 보여주는 그래프들이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 아르곤(Ar) 유량이 증가함에 따라서 바닥부에 대한 탑부의 식각비가 커짐에 반해서, 도 8b에 도시된 바와 같이 NF3 유량이 증가함에 따라서 바닥부에 대한 탑부의 식각비가 작아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 전술한 조건에서 수직 방향의 식각 균일성을 유지하기 위해서 아르곤(Ar) 유량은 소정값 이하, 예컨대 3000 sccm이하로 유지하고, NF3 유량은 소정값 이상, 예컨대 60 sccm 이상으로 유지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 반응 가스로 NH3 가스가 포함된 경우 복합막 패텬(56)의 식각 프로파일을 모식적으로 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 9를 참조하면, 반응 가스로 Ar 및 NF3와 더불어 NH3가 포함된 경우, 수직 방향의 식각 균일성이 매우 나쁜 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 전술한 바와 같이 수소(H) 함유 가스의 높은 열전도율에 일부 기인할 수 있다. 나아가, NH3 가스는 플라즈마 반응기(150)에서 NF3 가스와 반응하여 NH4F, NH4(HF)x 등의 무거운 중합체를 생성할 수 있고, 이러한 중합체가 일부 복합막 패턴(56)의 식각 균일성을 나쁘게 할 수 있다.
이러한 중합체는 무겁고 형성되는 양이 조절하기 어려울 뿐만 아니라 평균 자유 경로(mean free path)가 짧아서 이동 거리가 짧을 수 있다. 따라서, 이러한 중합체는 복합막 패턴(56)의 애스펙트비가 크지 않은 경우 식각에 별 영향을 주지 않지만, 애스펙트비가 큰 경우 트렌치들(57)의 하부로 이동이 제한되어 식각 불량을 초래한다. 특히, 복합막 패턴(56)의 상부에서 주로 식각이 일어나고 하부에서는 식각 속도가 크게 줄 수 있다.
따라서, 이러한 점을 고려하여, 복합막 패턴(56)의 애스펙트비가 큰 경우에, 반응 가스는 NH3 가스를 배제하고, NF3 가스 및 Ar 가스로만 구성될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 공정 챔버(110) 내 압력에 따른 복합막 패턴(56)의 탑부와 바닥부에서 식각 속도를 보여주는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 공정 챔버(110)의 압력이 증가할수록 식각 속도가 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 공정 챔버(110)의 압력이 증가할수록 라디칼의 생성율이 저하되고 라디칼의 평균 자유 경로(mean free path)가 짧아지기 때문으로 해석될 수 있다. 따라서, 이러한 조건에서 적절한 식각 속도를 확보하기 위해서, 공정 챔버(110)의 압력은 소정 압력 이하, 예컨대 2.5 Torr 이하, 보다 엄격하게는 2.0 Torr 이하로 유지될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 기판 지지부(130)와 가스 분사부(120) 사이의 갭 거리에 따른 복합막 패텬(56)의 식각 프로파일을 모식적으로 보여주는 개념적인 단면도들이다.
도 11을 참조하면, 공정 진행 시 기판 지지부(130)와 가스 분사부(120) 사이의 갭 거리가 줄어들수록 식각 불량이 발생되는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 기판 지지부(130)와 가스 분사부(120) 사이의 갭 거리가 15mm 이하인 (a) 내지 (b)의 경우 식각 프로파일이 크게 불량하나, 갭 거리가 25mm인 (c)이 경우에는 식각 프로파일이 다소 불량하나 수용 가능한 정도이고, 갭 거리가 35mm인 (d)의 경우에는 식각 프로파일이 매우 양호한 것을 알 수 있다. 따라서, 이 조건에서, 수용 가능한 식각 프로파일을 얻기 위하여, 기판 지지부(130)와 가스 분사부(120) 사이의 갭 거리는 25mm보다 크게 유지될 수 있고, 보다 엄격하게는 35mm 이상으로 유지될 수 있다.
전술한 바와 같이, 고애스펙트비의 복합막 패턴(56)에서 제 1 절연층들(54)의 측"??* 식각 시, 라디칼을 이용한 화학 건식 식각 시 적절한 공정 조건을 이용하여, 높은 식각 선택비를 갖고 균일한 식각 프로파일을 얻을 수 있다. 이에 따라, 이 후 복합막 패턴(56)을 따라서 수직 구조의 반도체 소자가 신뢰성 있게 형성될 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
190: 제어부

Claims (15)

  1. 복수의 제 1 절연층들 및 복수의 제 2 절연층들이 교대로 적층된 복합막 패턴이 형성된 기판을 처리하기 위한 반응 공간이 형성된 공정 챔버, 상기 기판을 지지하도록 상기 공정 챔버에 결합된 기판 지지부, 상기 기판 지지부에 대향되도록 상기 공정 챔버의 상부에 결합된 가스 분사부 및 상기 공정 챔버 외부에 배치되고 상기 가스 분사부와 연결된 플라즈마 반응기를 포함하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법으로서,
    상기 가스 분사부의 온도가 상기 기판 지지부의 온도와 같거나 또는 더 낮게 유지되도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 분사부를 가열하는 단계;
    상기 플라즈마 반응기에 할로겐 함유 가스를 포함하는 반응 가스를 공급하는 단계;
    상기 플라즈마 반응기에 전력을 인가하여 상기 할로겐 함유 가스를 활성화시켜 라디칼을 생성하는 단계; 및
    상기 라디칼을 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 지지부 상에 안착된 상기 기판 상에 공급하여, 상기 복수의 제 2 절연층들에 대해서 선택적으로 상기 복수의 제 1 절연층들을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각하는 단계를 포함하는,
    기판 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합막 패턴에서 상기 복수의 제 1 절연층들 중 탑부의 제 1 절연층들과 바닥부의 제 1 절연층들의 식각 균일성을 높이기 위하여, 상기 가열하는 단계에서 상기 가스 분사부의 온도를 상기 기판 지지부의 온도보다 낮게 유지하는, 기판 처리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판 지지부의 온도는 상온보다 높고 110 oC 미만으로 유지하고,
    상기 가스 분사부의 온도는 상온보다 높고 70 oC 미만으로 유지하는,
    기판 처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판 지지부의 온도는 상온보다 높고 80 oC 이하로 유지하고,
    상기 가스 분사부의 온도는 상온보다 높고 50 oC 이하로 유지하는,
    기판 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 가스는 할로겐 함유 가스와 함께 불활성 가스를 포함하고 수소 함유 가스를 포함하지 않는, 기판 처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응 가스는 NF3 가스 및 Ar 가스만을 포함하는, 기판 처리 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 식각하는 단계에서, 상기 가스 분사부 및 상기 기판 지지부 사이의 갭 거리는 25mm보다 큰, 기판 처리 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계에서, 상기 기판 지지부의 온도는 상기 기판 지지부에 구비된 제 1 히터를 가열하여 제어하고, 상기 가스 분사부의 온도는 상기 가스 분사부에 구비된 제 2 히터를 가열하여 제어하는,
    기판 처리 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 절연층들은 실리콘 질화막을 포함하고,
    상기 복수의 제 2 절연층들은 실리콘 산화막을 포함하는,
    기판 처리 방법.
  10. 복수의 제 1 절연층들 및 복수의 제 2 절연층들이 교대로 적층된 복합막 패턴이 형성된 기판을 처리하기 위한 반응 공간이 형성된 공정 챔버;
    상기 기판을 지지하도록 상기 공정 챔버에 결합된 기판 지지부;
    상기 기판 지지부에 대향되도록 상기 공정 챔버의 상부에 결합된 가스 분사부;
    상기 공정 챔버 외부에 배치되고 상기 가스 분사부와 연결된 플라즈마 반응기; 및
    상기 기판 지지부, 상기 가스 분사부 및 상기 플라즈마 반응기를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 가스 분사부의 온도가 상기 기판 지지부의 온도와 같거나 또는 더 낮게 유지되도록 제어하고, 상기 플라즈마 반응기에 할로겐 함유 가스를 포함하는 반응 가스를 공급하고 상기 플라즈마 반응기에 전력을 인가하여 상기 할로겐 함유 가스를 활성화시켜 라디칼을 생성하도록 상기 플라즈마 반응기를 제어하고, 상기 라디칼을 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 지지부 상에 안치된 상기 기판 상에 공급하여 상기 복수의 제 2 절연층들에 대해서 선택적으로 상기 복수의 제 1 절연층들을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각하도록 상기 가스 분사부를 제어하는,
    기판 처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복합막 패턴에서 상기 복수의 제 1 절연층들 중 탑부의 제 1 절연층들과 바닥부의 제 1 절연층들의 식각 균일성을 높이기 위하여, 상기 제어부는 상기 가스 분사부의 온도를 상기 기판 지지부의 온도보다 낮게 유지되도록 제어하는,
    기판 처리 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기판 지지부의 온도를 상온보다 높고 100 oC보다 낮게 유지하고 상기 가스 분사부의 온도를 상온보다 높고 70 oC보다 낮게 유지하도록 제어하는,
    기판 처리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기판 지지부의 온도를 상온보다 높고 80 oC 이하로 유지하고 상기 가스 분사부의 온도를 상온보다 높고 70 oC 이하로 유지하도록 제어하는,
    기판 처리 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판 지지부에 구비된 제 1 히터; 및
    상기 가스 분사부에 구비된 제 2 히터를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제 1 히터 및 상기 제 2 히터를 이용하여, 상기 기판 지지부 및 상기 가스 분사부의 온도를 제어하는,
    기판 처리 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수의 제 1 절연층들의 식각 시 상기 가스 분사부 및 상기 기판 지지부 사이의 갭 거리를 25mm보다 크게 유지하는, 기판 처리 장치.
KR1020220051602A 2022-04-26 2022-04-26 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 KR20230151810A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220051602A KR20230151810A (ko) 2022-04-26 2022-04-26 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법
US18/086,366 US20230343609A1 (en) 2022-04-26 2022-12-21 Substrate processing apparatus and substrate processing method
CN202211650253.4A CN116959976A (zh) 2022-04-26 2022-12-21 基板处理装置和基板处理方法
TW111149488A TWI833516B (zh) 2022-04-26 2022-12-22 基板處理裝置和基板處理方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220051602A KR20230151810A (ko) 2022-04-26 2022-04-26 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230151810A true KR20230151810A (ko) 2023-11-02

Family

ID=88415954

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220051602A KR20230151810A (ko) 2022-04-26 2022-04-26 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230343609A1 (ko)
KR (1) KR20230151810A (ko)
CN (1) CN116959976A (ko)
TW (1) TWI833516B (ko)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5413670A (en) * 1993-07-08 1995-05-09 Air Products And Chemicals, Inc. Method for plasma etching or cleaning with diluted NF3
US9613822B2 (en) * 2014-09-25 2017-04-04 Applied Materials, Inc. Oxide etch selectivity enhancement
KR102663833B1 (ko) * 2017-02-10 2024-05-03 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 딥 트렌치에서의 저온 선택적 에피택시를 위한 방법 및 장치
KR102179717B1 (ko) * 2019-05-17 2020-11-17 무진전자 주식회사 플라즈마와 증기를 이용한 건식 세정 장치
CN113950735A (zh) * 2019-07-18 2022-01-18 东京毅力科创株式会社 具有可控金属蚀刻选择性的气相蚀刻
US20210335586A1 (en) * 2020-04-22 2021-10-28 Applied Materials, Inc. Methods and apparatus for cleaning a showerhead

Also Published As

Publication number Publication date
TWI833516B (zh) 2024-02-21
US20230343609A1 (en) 2023-10-26
CN116959976A (zh) 2023-10-27
TW202343563A (zh) 2023-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11551925B2 (en) Method for manufacturing a semiconductor device
TW202119494A (zh) 基板處理方法
KR20190114682A (ko) 기판 처리 방법
US7531460B2 (en) Dry-etching method
US10256107B2 (en) Substrate processing method
US11217454B2 (en) Plasma processing method and etching apparatus
US11996296B2 (en) Substrate processing method and substrate processing system
KR101276262B1 (ko) 반도체 제조 장치 및 반도체 제조 방법
KR101147964B1 (ko) 플라즈마 에칭 처리 방법 및 플라즈마 에칭 처리 장치
US11380555B2 (en) Etching method and etching apparatus
KR20230151810A (ko) 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법
US10170336B1 (en) Methods for anisotropic control of selective silicon removal
KR101098975B1 (ko) 기판 처리 장치
KR102599830B1 (ko) 결함 평탄화
KR20230134554A (ko) 펄스형 hfrf(high-frequency radio-frequency) 플라즈마를사용한 갭 충전 프로세스
KR20230166329A (ko) 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법
US11538677B2 (en) Systems and methods for depositing high density and high tensile stress films
US20220235462A1 (en) Film forming method and film forming apparatus
US11688609B2 (en) Etching method and plasma processing apparatus
US11682554B2 (en) Catalytic thermal deposition of carbon-containing materials
KR20240071927A (ko) 기판 처리 방법
US20240162046A1 (en) Substrate processing method
WO2023058460A1 (ja) チタン膜を形成する方法、及びチタン膜を形成する装置
KR102095983B1 (ko) 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법
KR20230094745A (ko) 기판 처리 방법