KR20230154175A - 에칭 방법 - Google Patents
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Abstract
금속 질화물에 대해 금속 탄화물을 에칭하기 위한 연속적인 또는 순환적인 에칭 방법이 개시된다. 에칭 방법은, N2와 H2를 함유하고 불소, 염소, 브롬, 및 요오드를 포함한 할로겐 가스를 함유하지 않는 가스 혼합물로부터 생성되는 플라스마를 금속 탄화물의 표면으로 표면의 적어도 일부에 공급하여, 금속 탄화물의 표면을 개질하는 단계, 및 이온 조사 또는 가열에 의해 금속 탄화물 상의 개질면을 제거하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 에칭 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 3차원 구조의 진보된 제조에서는, 제조 중에 손상되지 않는 다른 재료의 어떠한 제거 없이 1종 이상의 재료를 선택적으로 제거할 필요가 있다. 이것은, 등방성 에칭 기술 및 티타늄 함유 화합물로 이루어진 다수의 금속 게이트 재료를 제어할 수 있다.
일함수 금속 게이트는 핀형 전계 효과 트랜지스터(FinFET)에서 다층의 적층 구조에 사용될 수 있다. 이들 금속 게이트 중, TiAlC의 3원계 화합물은 n형 FinFET의 임계 전압 및 반도체 제조 프로세스의 열 저항에 대한 양호한 제어성을 갖는다. FinFET을 제조하는 것은, 비대상 재료, 예를 들어 TiAlC 주변 영역에서 노출되거나 TiAlC 막 아래에 나타나는 p형 FinFET용 TiN 금속 게이트의 어떠한 제거 없이 이 TiAlC 막을 에칭하는 것으로 달성된다. 예시된 TiN, TaN, HfO2, Si 등과 같은 금속 화합물, 절연체, 및 반도체에 대한 TiAlC의 선택성이 요구된다.
본 발명까지는 H2O2 혼합물을 사용한 습식 에칭이 적용되었다. 화학 물질을 선택하면, 습식 에칭에 의해 TiAlC 막을 제거할 수 있지만, 이 습식 에칭은 낮은 에칭률과 불충분한 선택비로 인해 다른 노출된 재료를 손상시켜, 처리 시간을 연장시키게 될 것이다.
관련 기술에서는, 습식 과산화물 혼합물을 사용한 알루미늄을 함유할 수 있는 티타늄 탄화물의 에칭이 US 2015/0132953 A1에 개시되어 있다. 이 방법에서, TiN에 대한 TiC의 최대 선택비는, TiC의 에칭률이 8.6nm/min인 25℃의 온도에서 암모니아, 과산화물, 및 물의 액체 혼합물로 얻어질 수 있다.
반도체 산업에서 차세대 FinFET을 제조하기 위해서는, 제어 가능하고 고도의 선택적 제거 방법이 요구된다. TiAlC 막에 대한 에칭률의 선택비를 증가시키기 위해서는, 건식 에칭 및 플라스마 에칭 기술이 적합하다. 관련 기술에서는, 근대기압(near atmospheric pressure) 플라스마에 의한 삼원계 재료 TiAlC에 대한 건식 에칭이 개발되었다. 이것은 PCT/JP2021/038955에 개시되어 있다. 이 방법은 NH4OH 증기, H2O 증기, 또는 NH4OH, H2O2, 및 H2O의 증기 혼합물과 같은 Ar/액체 증기 플라스마에서 생성된 고밀도의 라디칼에 의한 처리에 의존한다. 이온 및 하전 입자는 매우 짧은 수명을 가지므로, 먼 기판 표면은 이온 없이는 조사되지 않을 것이다. 따라서, 등방성 에칭은 NH 및 H 원자의 발광이 관찰되는 조건에서 얻어질 수 있다.
차세대 핀형 및 나노시트 전계 효과 트랜지스터는 금속 박층의 적층체가 강하게 필요하다. TiN 막 상의 TiAlC 막의 적층 구조가 필요하다. 이 경우, 이방성 에칭과 등방성 에칭 양쪽 모두가 필요하다. 이방성 에칭의 경우, 비대상 막에 대한 측벽에서의 측방향 에칭(lateral etching)을 억제하는 것이 중요한 이슈이다. 금속 함유 막은 일반적으로 할로겐 함유 가스 혼합물 플라스마를 사용하여 에칭된다. 그러나, 할로겐 혼합물은 측방향 에칭 특징부를 생성한다. 이로 인해 비할로겐 혼합물 플라스마가 필요하다. 등방성 에칭의 경우, 하층에 생기는 손상을 억제하는 것이 중요하다.
본 발명자들은 비할로겐 혼합물 플라스마를 사용하여 금속 질화물의 어떠한 제거 없이 금속 탄화물의 이방성 및 등방성 에칭을 위한 새로운 건식 에칭 방법을 개발해왔다.
플라스마는 이온, 라디칼 등의 소스이다. 이온 또는 하전 입자가 기판 표면에 도달할 수 있다. 1000Pa보다 낮은 압력에서, 이온 또는 하전 입자는 특정 경우에 바이어스 전력의 인가에 의해 표면에 충돌한다. 100Pa 미만의 저압 플라스마가 더 바람직하다.
여기에서, 연속적인 에칭(continuous etching)과 순환적인 에칭(cyclic etching) 양쪽 모두의 기술이 적용된다. 원자층 에칭의 경우, 순환적인 에칭은 한 막을 다른 막에 대해 선택적으로 제거하는 자기 제한 방식으로 처리될 수 있다. 본 발명에서는 이온 조사 또는 가열이 필요하고 이방성 또는 등방성 에칭이 얻어진다.
우선, 표면 개질은 여기종(勵起種) 및 광자와 같은 해당 이온 및 라디칼로 표면을 처리하여 제어될 수 있다. 개질층은 질소, 탄소, 및 수소를 함유하는 금속 화합물로 이루어진다.
본원은, N2와 H2 가스의 혼합물에 10% 미만의 소량의 산소를 첨가하여 플라스마 에칭 프로세스를 처리함으로써, 금속 질화물에 대해 금속 탄화물을 선택적으로 제거하는 최선의 실시예를 개시하고 있다. 에칭 메커니즘은, 금속 탄화물 상에서 NH 및 CN을 함유하는 휘발성 생성물을 선택적으로 제거하는 것과 금속 질화물 상에서 질화를 통해 선택적으로 억제하는 것에 의해 설명될 수 있다. 표면을 향한 이온 충격 에너지를 제어하기 위한 바이어스 전력은 금속 질화물의 이온 강화 제거 시작의 임계값 미만의 범위에서 설정되어야 한다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 대표적인 구성에 의해 얻어지는 효과는 다음과 같다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 표면 개질층의 이온 유도 또는 열 유도 제거에 의해 높은 표면 반응을 갖는 티타늄 알루미늄 탄화물 막을 연속적인 또는 순환적인 에칭 방식으로 건식 에칭하는 기술을 제공할 수 있다. 티타늄 질화물 및 기타 재료에 대한 티타늄 알루미늄 탄화물의 높은 선택적 에칭은 강력한 이온 충격 또는 가열 하에서 상이한 표면 반응에 의해 얻어질 수 있다. 불소, 염소, 브롬과 같은 할로겐을 사용하는 대신에, 비대상 재료의 측벽에서의 측방향 에칭이 억제될 수 있다. 비할로겐계 화학 물질, 즉 N2, H2 및 O2 혼합물은 50℃에서 또는 20℃ 초과에서 사용될 수 있다. 이 방법은 금속 질화물에 대한 다른 금속 탄화물의 이방성 또는 등방성 선택적 에칭에 적용될 수 있다.
도 1은 용량 결합 플라스마(Capacitively Coupled Plasma: CCP) 에칭 시스템의 설계 예를 도시하는 도면이다.
도 2는 티타늄 알루미늄 탄화물 막의 연속적인 에칭 방법의 개략 절차이다.
도 3은 4Pa에서 유량이 150sccm인 순수한 N2의 에칭 프로세스 동안 TiAlC 막두께의 변화를 도시하는 도면이다.
도 4는 4Pa에서 유량이 각각 75sccm과 75sccm인 N2와 H2의 혼합물의 에칭 프로세스 동안 TiAlC 막 두께의 변화를 도시하는 도면이다.
도 5는 4Pa에서 유량이 100sccm인 순수한 H2의 에칭 프로세스 동안 TiAlC 막 두께의 변화를 도시하는 도면이다.
도 6은 4Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 H2와 N2 가스의 혼합물 내의 H2 분율의 함수로서 TiAlC와 TiN의 에칭률 및 선택비(TiAlC/TiN)의 의존성을 도시하는 도면이다.
도 7은 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 H2와 N2 가스의 혼합물 내의 H2 분율의 함수로서 TiAlC와 TiN의 에칭률 및 선택비(TiAlC/TiN)의 의존성을 도시하는 도면이다.
도 8은 4Pa의 압력 및 10분 동안의 처리 시간에서 다양한 혼합 조건에서의 플라스마 에칭 전후의 TiAlC 및 TiN 막의 단면 주사 전자 현미경 이미지를 도시하는 뷰의 요약이다.
도 9는 4Pa의 압력에서 N2와 H2의 다양한 혼합물에 의해 얻어진 플라스마의 발광 스펙트럼 및 사진 이미지를 도시하는 도면이다.
도 10은 336.3nm의 파장에서의 NH, 337.2nm에서의 N2에 대한 제2 포지티브 시스템, 656.3nm 및 486.1nm에서의 H 원자에 대한 발머 라인(Balmer line)의 강도비의 의존성을 도시하는 도면이다.
도 11은, 200W의 바이어스 전력, 2Pa의 압력, 및 5분간의 처리 시간에서, 유량이 50 및 50sccm인 H2와 N2의 혼합 전후의 TiAlC 막 표면에서 얻어진 X-선 광전자 스펙트럼에서의 Al 2p, C 1s, Ti 2p, 및 N 1s의 코어 영역에 대한 내로우 스캔(narrow scan)을 도시하는 도면이다.
도 12는, 200W의 바이어스 전력, 2Pa의 압력, 및 5분간의 처리 시간에서, 유량이 50 및 50sccm인 H2와 N2의 혼합 전후의 TiN 막 표면에서 얻어진 X-선 광전자 스펙트럼에서의 Ti 2p, 및 N 1s의 코어 영역에 대한 내로우 스캔을 도시하는 도면이다.
도 13은 대표적인 조건의 XPS 분석에서 화학적 시프트에 대한 원소비 및 피크 조성의 요약을 도시하는 도면이다.
도 14는 N2/H2 플라스마를 사용하는 TiAlC의 선택적 플라스마 에칭의 단면도이다.
도 15는 -20 내지 50℃인 기판 온도 범위에 대한 TiAlC 및 TiN 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 유량이 각각 100과 50sccm인 N2와 H2의 혼합물의 플라스마. 200W의 바이어스 전력이 인가되고 압력은 4Pa이다.
도 16은 25 내지 200W인 바이어스 전력 범위에 대한 TiAlC 및 TiN 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 유량이 각각 50과 50sccm인 N2와 H2의 혼합물의 플라스마. 300W의 여기 VHF 전력이 인가되고 작동 압력은 2Pa이다.
도 17은 900 내지 1300Vpp인 Vpp 범위의 √Vpp에 대한 TiN 스퍼터 레이트의 의존성을 도시하는 도면이다. 1Pa의 압력에서 유량이 50sccm인 Ar의 플라스마.
도 18은, 2Pa의 압력, 20℃의 기판 온도에서, 25, 50, 100, 및 200W의 다양한 바이어스 전력을 이용하여 유량이 50 및 50sccm인 H2와 N2의 혼합 전후의 TiAlC 및 TiN 막 표면에서 얻어진 X-선 광전자 스펙트럼에서 N 1s의 코어 영역에 대한 내로우 스캔을 도시하는 도면이다. 200W의 바이어스 전력을 사용하는 시료의 처리 시간은 5분이고, 그 외의 처리 시간은 20분이다.
도 19는 대표적인 조건의 XPS 분석에서 화학적 시프트에 대한 원소비 및 피크 조성의 요약을 도시하는 도면이다.
도 20은 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 O2와 N2 가스의 혼합물 내의 O2 분율의 함수로서 TiAlC의 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 참고로, TiN 에칭률의 의존성도 나타낸다.
도 21은 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 10% O2가 첨가된 H2와 N2 가스의 혼합물 내의 N2 분율의 함수로서 TiAlC의 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 참고로, TiN 에칭률의 의존성도 나타낸다.
도 22는 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 H2, O2, 및 N2 가스의 혼합물 내의 N2, O2 및 H2 분율의 함수로서 TiAlC 및 TiN 에칭률의 컨투어(contour)를 도시하는 도면이다.
도 23은 N2/H2/O2 플라스마에서의 TiN의 에칭 억제의 단면도이다.
도 24는 2Pa의 압력에서 N2, O2 및 H2의 다양한 혼합물에 의해 얻어진 플라스마의 발광 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 25는 2Pa의 압력에서 N2, O2 및 H2의 다양한 혼합물에 의해 얻어진 플라스마의 발광 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 26은 본 발명의 일 실시형태에 따른 등방성 에칭용 장치의 개략적인 단면을 도시하는 도면이다.
도 27은 본 발명의 일 실시형태에 따른 등방성 원자층 에칭에서 파라미터의 시간적 변화의 일례를 도시한 도면으로, 처리 가스 유량, 무선 주파수 전원, 적외선 램프 전력, 이면 He 유량, 및 웨이퍼 표면 온도를 상단으로부터 순서대로 도시하는 도면이다.
도 2는 티타늄 알루미늄 탄화물 막의 연속적인 에칭 방법의 개략 절차이다.
도 3은 4Pa에서 유량이 150sccm인 순수한 N2의 에칭 프로세스 동안 TiAlC 막두께의 변화를 도시하는 도면이다.
도 4는 4Pa에서 유량이 각각 75sccm과 75sccm인 N2와 H2의 혼합물의 에칭 프로세스 동안 TiAlC 막 두께의 변화를 도시하는 도면이다.
도 5는 4Pa에서 유량이 100sccm인 순수한 H2의 에칭 프로세스 동안 TiAlC 막 두께의 변화를 도시하는 도면이다.
도 6은 4Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 H2와 N2 가스의 혼합물 내의 H2 분율의 함수로서 TiAlC와 TiN의 에칭률 및 선택비(TiAlC/TiN)의 의존성을 도시하는 도면이다.
도 7은 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 H2와 N2 가스의 혼합물 내의 H2 분율의 함수로서 TiAlC와 TiN의 에칭률 및 선택비(TiAlC/TiN)의 의존성을 도시하는 도면이다.
도 8은 4Pa의 압력 및 10분 동안의 처리 시간에서 다양한 혼합 조건에서의 플라스마 에칭 전후의 TiAlC 및 TiN 막의 단면 주사 전자 현미경 이미지를 도시하는 뷰의 요약이다.
도 9는 4Pa의 압력에서 N2와 H2의 다양한 혼합물에 의해 얻어진 플라스마의 발광 스펙트럼 및 사진 이미지를 도시하는 도면이다.
도 10은 336.3nm의 파장에서의 NH, 337.2nm에서의 N2에 대한 제2 포지티브 시스템, 656.3nm 및 486.1nm에서의 H 원자에 대한 발머 라인(Balmer line)의 강도비의 의존성을 도시하는 도면이다.
도 11은, 200W의 바이어스 전력, 2Pa의 압력, 및 5분간의 처리 시간에서, 유량이 50 및 50sccm인 H2와 N2의 혼합 전후의 TiAlC 막 표면에서 얻어진 X-선 광전자 스펙트럼에서의 Al 2p, C 1s, Ti 2p, 및 N 1s의 코어 영역에 대한 내로우 스캔(narrow scan)을 도시하는 도면이다.
도 12는, 200W의 바이어스 전력, 2Pa의 압력, 및 5분간의 처리 시간에서, 유량이 50 및 50sccm인 H2와 N2의 혼합 전후의 TiN 막 표면에서 얻어진 X-선 광전자 스펙트럼에서의 Ti 2p, 및 N 1s의 코어 영역에 대한 내로우 스캔을 도시하는 도면이다.
도 13은 대표적인 조건의 XPS 분석에서 화학적 시프트에 대한 원소비 및 피크 조성의 요약을 도시하는 도면이다.
도 14는 N2/H2 플라스마를 사용하는 TiAlC의 선택적 플라스마 에칭의 단면도이다.
도 15는 -20 내지 50℃인 기판 온도 범위에 대한 TiAlC 및 TiN 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 유량이 각각 100과 50sccm인 N2와 H2의 혼합물의 플라스마. 200W의 바이어스 전력이 인가되고 압력은 4Pa이다.
도 16은 25 내지 200W인 바이어스 전력 범위에 대한 TiAlC 및 TiN 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 유량이 각각 50과 50sccm인 N2와 H2의 혼합물의 플라스마. 300W의 여기 VHF 전력이 인가되고 작동 압력은 2Pa이다.
도 17은 900 내지 1300Vpp인 Vpp 범위의 √Vpp에 대한 TiN 스퍼터 레이트의 의존성을 도시하는 도면이다. 1Pa의 압력에서 유량이 50sccm인 Ar의 플라스마.
도 18은, 2Pa의 압력, 20℃의 기판 온도에서, 25, 50, 100, 및 200W의 다양한 바이어스 전력을 이용하여 유량이 50 및 50sccm인 H2와 N2의 혼합 전후의 TiAlC 및 TiN 막 표면에서 얻어진 X-선 광전자 스펙트럼에서 N 1s의 코어 영역에 대한 내로우 스캔을 도시하는 도면이다. 200W의 바이어스 전력을 사용하는 시료의 처리 시간은 5분이고, 그 외의 처리 시간은 20분이다.
도 19는 대표적인 조건의 XPS 분석에서 화학적 시프트에 대한 원소비 및 피크 조성의 요약을 도시하는 도면이다.
도 20은 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 O2와 N2 가스의 혼합물 내의 O2 분율의 함수로서 TiAlC의 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 참고로, TiN 에칭률의 의존성도 나타낸다.
도 21은 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 10% O2가 첨가된 H2와 N2 가스의 혼합물 내의 N2 분율의 함수로서 TiAlC의 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 참고로, TiN 에칭률의 의존성도 나타낸다.
도 22는 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 H2, O2, 및 N2 가스의 혼합물 내의 N2, O2 및 H2 분율의 함수로서 TiAlC 및 TiN 에칭률의 컨투어(contour)를 도시하는 도면이다.
도 23은 N2/H2/O2 플라스마에서의 TiN의 에칭 억제의 단면도이다.
도 24는 2Pa의 압력에서 N2, O2 및 H2의 다양한 혼합물에 의해 얻어진 플라스마의 발광 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 25는 2Pa의 압력에서 N2, O2 및 H2의 다양한 혼합물에 의해 얻어진 플라스마의 발광 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 26은 본 발명의 일 실시형태에 따른 등방성 에칭용 장치의 개략적인 단면을 도시하는 도면이다.
도 27은 본 발명의 일 실시형태에 따른 등방성 원자층 에칭에서 파라미터의 시간적 변화의 일례를 도시한 도면으로, 처리 가스 유량, 무선 주파수 전원, 적외선 램프 전력, 이면 He 유량, 및 웨이퍼 표면 온도를 상단으로부터 순서대로 도시하는 도면이다.
본 발명자들은 비할로겐 가스 혼합물을 사용하여 티타늄 알루미늄 탄화물 막을 에칭하려고 시도하였다. 그 결과, 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) 비할로겐계 가스 혼합물을 사용하는 처리에 의해 TiAlC 표면의 개질이 성공적으로 이루어졌다.
(2) 휘발성 생성물의 탈착은 적절한 입사 에너지를 이용한 이온 충격에 의해 또는 가열에 의해 얻어질 수 있다.
(3) N2와 H2 혼합물 플라스마에 소량의 O2를 첨가하여 TiN 에칭의 억제가 성공적으로 이루어졌다. 이것은 TiN 막에 대한 TiAlC의 높은 선택적 제거를 유도한다.
(4) 이온의 입사 에너지는 TiAlC 및 TiN 막의 이온 강화 제거 프로세스를 위한 임계값 아래로 설정되어야 한다. TiAlC의 상대적으로 높은 에칭률은 TiN에 대한 TiAlC의 선택비를 개선한다.
(5) 비선택적 탈착이 TiN에 대한 TiAlC 제거의 선택비를 감소시키기 때문에, 기판 온도는 50℃로 또는 20℃ 초과로 설정되어야 한다.
<예시적인 프로세스 1>
본 발명의 최선의 실시예를 도 1 내지 도 13을 참조하여 설명한다. 실리콘 웨이퍼 상의 티타늄 질화물 막 상의 티타늄 알루미늄 탄화물 막의 이방성 플라스마 에칭 프로세스의 설계 예와 금속 질화물(TiAlN, TiN, 및 AlN)에 대한 금속 탄화물(TiAlC, TiC, 및 AlC)의 고도의 선택적 제거를 위해 선택된 플라스마 화학 물질에 대해 설명될 것이다.
도 1은 용량 결합 플라스마(CCP) 에칭 시스템(300)의 설계 예를 도시하는 도면이다. 분광 엘립소미터(350)는 하부 전극(301) 상에 재치되는 웨이퍼(340)의 표면(시료(341))의 현장 관찰(situ observation)을 위한 시스템을 구비하고 있다. 상부 전극(311)은 매칭 회로(312)를 통해 초고주파수(Very High Frequency: VHF) 전력(313)(100MHz)과 연결된다. 하부 전극(301)은 다른 매칭 회로(302)를 통해 중간 주파수(MF) 전력(303)(2MHz)과 연결된다. 여기에서, 이 실시예는 본 발명을 CCP 에칭 시스템에 적용하는 것을 설명하지만, 본 발명은 또한 유도 결합 플라스마(ICP) 및 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라스마 에칭 시스템을 포함한 다른 에칭 시스템에도 적용 가능하다.
도 2는 이 실시형태에 따른 티타늄 알루미늄 탄화물 막의 연속적인 에칭 방법의 절차를 개략적으로 도시하고 있다. 웨이퍼는 용량 결합 플라스마의 생성 시스템을 갖는 챔버에서 처리될 것이다. 웨이퍼는 챔버의 하부 전극(301) 상에 로딩된다(S01). 그 후, 냉각재를 순환시켜 웨이퍼의 온도가 설정된다(S02). 그 후, N2와 H2의 가스 혼합물이 상부 전극(311)을 통해 가스 주입구로부터 챔버로 도입된다(S03). 그 후, VHF 전력과 바이어스 전력을 인가하여 플라스마가 생성된다(S04). 달리 언급되지 않는 한, 300W의 여기 VHF 전력이 사용된다. 수소 함유 및 질소 함유 이온 및 라디칼은 금속 탄화물을 개질시켜 금속-질소-탄화수소 결합을 형성할 수 있다. 에너지 제어 이온 충격에 의해, 금속 함유 탄화수소 층만이 탈착될 수 있는 한편, 금속 및 질소 함유 층은 탈착되지 않는다. 표면 개질 및 금속 함유 휘발성 물질의 제거의 사이클로 금속 질화물에 대해 금속 탄화물만을 선택적으로 에칭할 수 있다. 에칭량이 충분하면, 웨이퍼가 챔버로부터 언로딩된다(S05, S06).
도 3은, 현장 엘립소미트리(in situ ellipsometry)를 이용하여 측정한, 4Pa에서 유량이 150sccm인 순수한 N2의 에칭 프로세스 동안 TiAlC 막 두께의 변화를 도시하는 도면이다. 최상위 막의 개질이 동시에 모니터링된다. 200W의 바이어스 전력이 인가되고 기판 온도는 20℃이다.
도 4는, 현장 엘립소미트리를 이용하여 측정한, 4Pa에서 유량이 각각 75sccm과 75sccm인 N2와 H2의 혼합물의 에칭 프로세스 동안 TiAlC 막 두께의 변화를 도시하는 도면이다. 최상위 막의 개질이 동시에 모니터링된다. 200W의 바이어스 전력이 인가되고 기판 온도는 20℃이다.
도 5는, 현장 엘립소미트리를 이용하여 측정한, 4Pa에서 유량이 100sccm인 순수한 H2의 에칭 프로세스 동안 TiAlC 막 두께의 변화를 도시하는 도면이다. 최상위 막의 개질이 동시에 모니터링된다. 200W의 바이어스 전력이 인가되고 기판 온도는 20℃이다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 순수한 N2 또는 순수한 H2 경우(도 3 및 도 5)와 비교하여 N2와 H2 플라스마의 혼합물에서 TiAlC의 에칭률이 현저하다.
도 6은 4Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 H2와 N2 가스의 혼합물 내의 H2 분율의 함수로서 TiAlC 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 참고로, TiN 에칭률의 의존성도 나타낸다. 선택비는 TiN 에칭률에 대한 TiAlC 에칭률의 비로 표현된다.
도 7은 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 H2와 N2 가스의 혼합물 내의 H2 분율의 함수로서 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 참고로, TiN 에칭률의 의존성도 나타낸다. 선택비는 TiN 에칭률에 대한 TiAlC 에칭률의 비로 표현된다.
도 8은 4Pa의 압력 및 10분 동안의 처리 시간에서 다양한 혼합 조건에서의 플라스마 에칭 전후의 TiAlC 및 TiN 막의 단면 주사 전자 현미경 이미지를 도시하는 도면의 요약이다.
도 9는 4Pa의 압력에서 N2와 H2의 다양한 혼합물에 의해 얻어진 플라스마의 발광 스펙트럼 및 사진 이미지를 도시하는 도면이다.
도 10은 336.3nm의 파장에서의 NH, 337.2nm에서의 N2에 대한 제2 포지티브 시스템, 656.3nm 및 486.1nm에서의 H 원자에 대한 발머 라인의 강도비의 의존성을 도시하는 도면이다. N2와 혼합된 H2에서 플라스마가 생성될 때, NH에 대한 발광 강도는 현저하다. 유량이 50sccm과 100sccm인 H2와 N2의 혼합물에서, 가장 강한 NH 방출이 관찰되었다.
도 11은, 200W의 바이어스 전력, 2Pa의 압력 및 5분간의 처리 시간에서, 유량이 50 및 50sccm인 H2와 N2의 혼합 전후의 TiAlC 막 표면에서 얻어진 X-선 광전자 스펙트럼에서의 Al 2p, C 1s, Ti 2p, 및 N 1s의 코어 영역에 대한 내로우 스캔을 도시하는 도면이다.
도 12는, 200W의 바이어스 전력, 2Pa의 압력 및 5분간의 처리 시간에서, 유량이 50 및 50sccm인 H2와 N2의 혼합 전후의 TiN 막 표면에서 얻어진 X-선 광전자 스펙트럼에서의 Ti 2p, 및 N 1s의 코어 영역에 대한 내로우 스캔을 도시하는 도면이다.
TiAlC 막의 경우, TiAlC 막의 질화를 나타내는, 플라스마 에칭 프로세스 후에 TiN 및 AlN의 화학적 시프트가 보인다. N 1s에서는, 3개 이상의 성분이 있다. 2개의 성분은 AlN 및 TiN에 할당 가능하며, 나머지 부분은 NH 및 CN 결합을 나타내는, 수소와 탄소의 결합으로 인한 화학적 시프트로 식별된다.
TiN 막의 경우, 플라스마 에칭 프로세스 전후에 TiN에 대한 화학적 시프트가 보인다. 플라스마 에칭 프로세스 후에 피크 특징부는 거의 변화되지 않는다.
도 13은 대표적인 조건의 XPS 분석에서 화학적 시프트에 대한 원소비 및 피크 조성의 요약을 도시하는 도면이다.
에칭 메커니즘은 다음과 같다. 탄화물에서 NH 결합이 형성될 수 있다. 이 설정에서, 탄화수소기는 금속 원소에 결합된다. Ti와 Al은 가교 질소를 통해 탄화수소기의 배위에 의해 중심으로 된다. 이들 유기금속 착체는 휘발성 생성물을 형성하여 탈착될 수 있다. 이것은 Al(CxHy)z, Ti-(N(CxHy)z), 및 Ti-(CN)x와 같은 휘발성 생성물을 생성할 가능성을 보여준다. TiAlC의 선택적 플라스마 에칭의 단면도가 도 14에 도시되어 있다.
여기에서, 이 실시예가 이방성 에칭에 대한 본 발명의 적용을 설명하지만, 본 발명은 또한 이온 조사 대신에 가열을 이용함으로써 등방성 에칭에도 적용 가능하다.
<예시적인 프로세스 2>
도 15를 참조하여 제2 실시형태를 설명할 것이다.
실리콘 웨이퍼 상의 티타늄 질화물 막 상의 티타늄 알루미늄 탄화물 막의 건식 플라스마 에칭의 전개 예에 대해 설명될 것이다.
도 15는 -20 내지 50℃인 기판 온도 범위에 대한 TiAlC 및 TiN 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 유량이 각각 100과 50sccm인 N2와 H2의 혼합물의 플라스마. 200W의 바이어스 전력이 인가되고 압력은 4Pa이다.
이 설정에서, TiN 막에 대한 TiAlC의 에칭률 및 선택비는 기판 온도가 20℃를 초과하여 증가함에 따라 증가하게 된다.
<예시적인 프로세스 3>
도 16 내지 도 19를 참조하여 제3 실시형태를 설명할 것이다.
실리콘 웨이퍼 상의 티타늄 질화물 막 상의 티타늄 알루미늄 탄화물 막의 건식 플라스마 에칭의 전개 예에 대해 설명될 것이다.
도 16은 25 내지 200W인 바이어스 전력 범위에 대한 TiAlC 및 TiN 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 유량이 각각 50과 50sccm인 N2와 H2의 혼합물의 플라스마. 300W의 여기 VHF 전력이 인가되고 작동 압력은 2Pa이다. 바이어스 전력은 피크간(peak-to-peak) 전압의 제곱근 √Vpp으로 변환된다. 동일한 바이어스 전력에서, TiAlC 에칭률은 더 큰 √Vpp에서 TiN 에칭률보다 높다. 그 추세는 √Vpp와 에칭률의 선형 상관 관계에 의해 맞춰진다. 에칭률에서 0에 대한 교차값(임계값)은 TiN 에칭률보다 TiAlC 에칭률에서 더 낮은 것으로 밝혀졌다. 임계값보다 낮은 바이어스 전력의 경우, TiN 막에 대한 TiAlC의 고도의 선택적 제거가 가능할 수 있다.
도 17은 900 내지 1300Vpp인 Vpp 범위의 √Vpp에 대한 TiN 스퍼터 레이트의 의존성을 도시하는 도면이다. 1Pa의 압력에서 유량이 50sccm인 Ar의 플라스마. 그 추세는 √Vpp와 TiN 스퍼터링 레이트의 선형 상관 관계에 의해 맞춰진다. 스퍼터 레이트에서 0에 대한 교차값(임계값)은 H2와 N2 혼합물 플라스마에서 TiN 에칭률에 대한 25의 √Vpp에서 거의 동일한 것으로 밝혀졌다. 그러나, TiAlC 추세는 물리적 스퍼터 레이트를 따르지 않는다. 다시 말해, 물리적 스퍼터 레이트는 N2와 H2 혼합물 플라스마 및 낮은 바이어스 전력 인가로 얻어지는 본 발명의 결과를 추적할 수 없다. 이것은 N2 및 H2 화학 물질이 TiN에 대한 TiAlC의 선택적 에칭에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.
도 18은, 2Pa의 압력, 20℃의 기판 온도에서, 25, 50, 100, 및 200W의 다양한 전력을 이용하여 유량이 50 및 50sccm인 H2와 N2의 혼합 전후의 TiAlC 및 TiN 막 표면에서 얻어진 X-선 광전자 스펙트럼에서 N 1s의 코어 영역에 대한 내로우 스캔을 도시하는 도면이다. 200W의 바이어스 전력을 사용하는 시료의 처리 시간은 5분이고, 그 외의 처리 시간은 20분이다.
TiN 막의 경우, 플라스마 에칭 전에는 N 1s 영역에서 화학적 시프트의 2개의 성분이 있다. 하나는 벌크 TiN에 할당되고 다른 하나는 TiON을 나타내는 TiN 막의 자연 산화물에 할당된다. 402eV 부근의 결합 에너지에서, 특히 25W 및 50W의 낮은 바이어스 전력에 대해 작은 특징부가 관찰된다. 이것은 NO 결합으로 식별된다.
TiAlC 막의 경우, 플라스마 에칭 전에는 확실히 질소가 없다. 이 본래의(pristine) TiAlC 막이 에칭되고 N 1s XPS 스펙트럼에 현저한 피크가 보인다. TiN 막에서와 마찬가지로, TiN과 AlN 및 TiON과 AlON의 자연 산화물에 대한 성분이 있다. 50W 초과의 바이어스 전력에서, 이들 피크는 바이어스 전력과 관계없이 거의 변화되지 않는다. 25W 및 50W의 낮은 바이어스 전력의 경우, 402eV 부근의 높은 결합 에너지의 피크 성분의 강도가 커진다. TiAlC 표면에서 관찰된 개질은 N2와 H2 혼합물 플라스마에서 휘발성 생성물을 형성하게 한다. 결합 Al-C, Ti(Al)-N, N-H 및 C-N이 플라스마 처리된 시료에서 발견되었으며, 이것은 메틸(Al-CH3), 메틸아민(Ti(Al)-NHn-CH3-n)을 포함한 화학적 결합을 갖는 휘발성 생성물을 형성하는 것을 입증하는 것이다. 이들 결합 성분은 휘발성 생성물을 얻기 위해 제어되어야 한다.
도 19는 대표적인 조건의 XPS 분석에서 화학적 시프트에 대한 원소비 및 피크 조성의 요약을 도시하는 도면이다.
<예시적인 프로세스 4>
도 20 내지 도 23을 참조하여 제4 실시형태를 설명할 것이다.
실리콘 웨이퍼 상의 티타늄 질화물 막 상의 티타늄 알루미늄 탄화물 막의 건식 플라스마 에칭의 전개 예에 대해 설명될 것이다.
도 20은 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 O2와 N2 가스의 혼합물 내의 O2 분율의 함수로서 TiAlC의 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 참고로, TiN 에칭률의 의존성도 나타낸다.
도 21은 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 10% O2가 첨가된 H2와 N2 가스의 혼합물 내의 N2 분율의 함수로서 TiAlC의 에칭률의 의존성을 도시하는 도면이다. 참고로, TiN 에칭률의 의존성도 나타낸다.
도 22는 2Pa의 압력, 200W의 바이어스 전력, 및 20℃의 기판 온도에서 H2, O2, 및 N2 가스의 혼합물 내의 N2, O2 및 H2 분율의 함수로서 TiAlC 및 TiN 에칭률의 컨투어를 도시하는 도면이다.
TiAlC 막의 경우, 2개의 최대값이 나타난다. 하나는 O2와 N2 혼합물 플라스마에 있고 다른 하나는 N2와 H2 혼합물 플라스마에 있다. N2와 H2 혼합물의 경우, 10% 미만의 O2 첨가는 TiAlC와 거의 동일한 에칭률을 얻을 수 있다. O2를 더 첨가하는 것은 TiAlC 에칭률을 크게 감소시키지만, 여전히 에칭률은 상대적으로 높다.
TiN 막의 경우, 에칭률의 최대값은 O2, H2 및 N2 간의 이 혼합물에서 순수한 N2에서 나타난다. O2 첨가의 경우, 표면 산화에 의해 TiN 막의 에칭 오프가 현저하게 억제된다.
TiN에 대한 TiAlC의 에칭 선택비와 TiAlC 막의 높은 에칭률을 얻기 위해서는, 25% 내지 75% 범위의 H2 분율을 갖는 H2와 N2의 혼합물이 최선의 예이며, O2는 H2와 N2 혼합물에 10% 미만의 O2 분율로 첨가되어야 한다.
본 발명의 에칭 결과에 따르면, TiAlC 및 TiN 막 각각의 표면 개질은 가스 혼합 비율의 제어를 의미하는 플라스마 에칭 화학 물질에 의해 제어될 수 있다. 플라스마는 다양한 종류의 이온과 라디칼을 생성한다. 주로, NH 및 CN 성분의 표면 개질은 TiAlC 막을 제거하는 데 도움을 줄 수 있다. 이 개질층은 Ti 및 Al 중심을 배위하도록 탄화수소기가 질소 가교와 결합하는 형태와 같은 휘발성 생성물을 형성할 가능성이 있다. 양쪽 막의 소량의 산화는 TiON을 형성하여 TiN 막의 에칭을 억제하는 데 도움을 줄 수 있다. N2/H2/O2 플라스마에서 TiN의 에칭 억제의 단면도가 도 23에 도시되어 있다.
<예시적인 프로세스 5>
도 24 및 도 25는 2Pa의 압력에서 N2, O2 및 H2의 다양한 혼합물에 의해 얻어진 플라스마의 발광 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 100% N2에서는, 337, 357 및 380nm 부근의 N2에 대한 제2 포지티브 시스템, 600 내지 800nm 부근의 N2에 대한 제1 포지티브 시스템이 명확하게 관찰된다. 100% H2에서는, 656.3nm 및 486.1nm에서 H 원자에 대한 발머 라인이 명확하게 관찰된다. 100% O2에서는, 777 및 844nm에서 O 원자 방출이 보인다. N2와 H2 혼합물에서는, NH 방출이 관찰될 수 있지만, N2 방출의 중첩은 이 설정에서 NH 밴드를 관찰하는 데 방해가 된다. N2와 O2 혼합물에서는, 자외선 범위에서 245nm 부근의 NO 방출이 관찰될 수 있다. H2와 O2 혼합물에서는, 310nm 부근의 강한 OH 방출과 H 발머 라인이 명확하게 보인다. N2, H2 및 10% O2 혼합물에서는, NO 및 H 원자로부터의 모든 방출이 중첩된다. 그 후, 발광 스펙트럼 관찰을 이용하여, 가스가 어떻게 혼합되는지 이 상태를 모니터링할 수 있다. 또한, O2를 10%로 고정하면, N2와 H2의 균형이 변화된다. H 원자(656nm), N2(337nm), OH(310nm), 및 NO(245nm)의 스펙트럼 강도는 플라스마에 이들 가스가 어떻게 혼합되는지를 나타낸다.
<예시적인 프로세스 6>
도 26 및 도 27을 참조하여 일 실시형태에 대해 설명할 것이다. 이 실시형태는, N2와 H2의 혼합물로부터 생성된 플라스마를 사용하고, 300mm 웨이퍼용 플라스마 처리 장치에서 적외선 가열을 이용하여 TiN 막 상의 TiAlC 막을 선택적으로 등방성 에칭하는 실시예에 대응한다.
전술한 바와 같이 티타늄 알루미늄 탄화물을 함유하는 막의 에칭을 수행하는 플라스마 처리 장치를 설명할 것이다. 도 26은 플라스마 처리 장치(100)의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
처리 챔버(1)는 베이스 챔버(11)로 구성되며; 처리 챔버(1) 내에는 피처리 시료로서 제공되는 웨이퍼(2)가 재치되는 웨이퍼 스테이지(4)(이하, 스테이지(4)라고 칭함)가 배치되어 있다. 석영 챔버(12), ICP 코일(34), 및 고주파 전원(20)을 포함하는 플라스마 소스가 베이스 챔버(11) 위에 배치된 용기(60)에 배치된다. 이 실시예에서는, 플라스마 소스에 유도 결합 플라스마(ICP) 방전 방법이 사용된다. 플라스마를 생성하는 고주파 전원(20)은 매칭 유닛(22)을 통해 원통형 석영 챔버(12) 외부의 ICP 코일(34)에 연결된다. 고주파 전력의 주파수로서 13.56MHz 등의 수십MHz의 주파수 대역이 사용된다.
석영 챔버(12)의 상부에는 상부 플레이트(6)가 배치된다. 샤워 플레이트(5)가 상부 플레이트(6)에 배치된다. 가스 분산 플레이트(17)가 상부 플레이트(6) 아래에 배치된다. 처리 가스는 가스 분산 플레이트(17)의 외주로부터 처리 챔버(1) 내에 도입된다.
처리 가스의 공급 유량은 처리 가스의 각 가스 종류별로 배치된 매스 플로우 컨트롤러(50)에 의해 조정된다. 도 26은 처리 가스로서 N2와 H2를 사용하는 예를 도시한다. 그러나, 처리 가스의 가스 종류는 이에 한정되지 않는다.
진공 배기 파이프(16)가 펌프(15)에 연결되어 처리 챔버(1)의 하부를 감압한다. 펌프(15)는, 예를 들어 터보 분자 펌프, 메커니컬 부스터 펌프, 또는 건식 펌프로 구성된다. 처리 챔버(1) 또는 석영 챔버(12) 내의 방전 영역(3)의 압력을 조정하기 위해서, 펌프(15)의 상류에 압력 조정 기구(14)가 배치된다. 압력 조정 기구(14), 펌프(15), 및 진공 배기 파이프(16)를 총칭하여 배기 기구라고 한다. 스테이지(4)에는, 스테이지(4)와 베이스 챔버(11)의 바닥면 사이를 진공 밀봉하는 O-링(81)이 구비된다.
웨이퍼(2)를 가열하는 적외선(IR) 램프 유닛은 스테이지(4)와 ICP 플라스마 소스를 구성하는 석영 챔버(12) 사이에 배치된다. IR 램프 유닛은 주로 IR 램프(62), IR 광을 반사시키는 반사 플레이트(63), 및 IR 광 투과창(74)을 포함한다. IR 램프(62)로서 원형(라운드형) 램프가 사용된다. IR 램프(62)로부터 방출되는 광(전자파)은 주로 가시광 내지 적외선 영역 내의 광을 포함하는 광(이하, IR 광이라고 칭함)이다. 이 실시예에서, IR 램프(62)는 3 바퀴의 IR 램프(62-1, 62-2, 62-3)를 포함한다. 그러나, IR 램프(62)는 2 또는 4 바퀴의 IR 램프를 포함할 수 있다. IR 광을 아래쪽(웨이퍼(2)의 재치 방향)으로 반사시키는 반사 플레이트(63)는 IR 램프(62) 상부에 배치된다.
IR 램프 전원(64)이 IR 램프(62)에 연결된다. 고주파 차단 필터(25)가 IR 램프 전원(64)과 IR 램프(62) 사이에 배치된다. 고주파 차단 필터(25)는 고주파 전원(20)에 의해 생성되는 플라스마를 생성하기 위한 고주파 전력의 노이즈가 IR 램프 전원(64)으로 유입되는 것을 방지한다. IR 램프 전원(64)은 각각의 IR 램프(62-1, 62-2 및 62-3)에 공급되는 전력을 독립적으로 제어하는 기능을 갖고 있으므로, 웨이퍼(2)의 가열량의 반경 방향 분포가 조정될 수 있다.
이 실시예에서는, 석영 챔버(12)에 공급되는 가스가 처리 챔버(1)로 유입되기 때문에 IR 램프 유닛의 중앙에 가스 유로(75)가 형성된다. 가스 유로(75)에는 석영 챔버(12) 내부에서 생성된 플라스마의 이온 및 전자를 차폐하고 중성 가스 또는 중성 라디칼만을 투과시켜 웨이퍼(2)를 조사하는 슬릿 플레이트(이온 차폐 플레이트)(78)가 구비된다. 슬릿 플레이트(78)는 복수의 구멍을 포함한다.
한편, 스테이지(4)를 냉각시키도록 냉매 유로(39)가 스테이지(4)에 형성되며; 냉매가 칠러(38)에 의해 공급 및 순환된다. 정전 흡착에 의해 스테이지(4)에 웨이퍼(2)를 고정하기 위해서, 판상의 전극 플레이트인 정전 흡착용 전극(30)이 스테이지(4)에 내장된다. 정전 흡착용 DC 전원(31)이 정전 흡착용 전극(30)에 각각 접속된다.
웨이퍼(2)를 효율적으로 냉각하기 위해서, 스테이지(4)와 스테이지(4) 상에 재치되는 웨이퍼(2)의 이면 사이에 He 가스(냉각 가스)가 공급될 수 있다. 스테이지(4)의 표면(웨이퍼의 재치면)은 폴리이미드 등의 수지로 코팅되어, 웨이퍼(2)가 정전 흡착되는 동안 정전 흡착용 전극(30)이 작동되어 가열 및 냉각을 수행하더라도 웨이퍼(2)의 이면이 손상되는 것을 방지한다. 스테이지(4)의 온도를 측정하는 열전대(thermocouple)(70)가 스테이지(4) 내부에 배치되고, 열전대 온도계(71)에 연결된다.
광섬유(92-1, 92-2)가 웨이퍼(2)의 온도를 측정하기 위해 3개소, 즉 스테이지(4) 상에 재치된 웨이퍼(2)의 중심부 근처의 개소, 웨이퍼(2)의 반경 방향 중앙부 근처의 개소, 및 웨이퍼(2)의 외주 근처의 개소에 배치된다. 광섬유(92-1)는 외부 IR 광원(93)으로부터의 IR 광을 웨이퍼(2)의 이면으로 가이드하여, 웨이퍼(2)의 이면에 IR 광을 조사한다. 한편, 광섬유(92-2)는 광섬유(92-1)에 의해 방출된 IR 광 중 웨이퍼(2)를 투과하거나 반사된 IR 광을 집광하고, 투과 또는 반사된 IR 광을 분광기(96)로 전송한다.
즉, 외부 IR 광원(93)에 의해 생성된 외부 IR 광은 광로를 온/오프시키는 광로 스위치(94)로 전송된다. 그 후, 외부 IR 광은 광 분배기(95)에 의해 복수개(여기서는 3개)의 광으로 분기되고, 웨이퍼(2)의 이면 상의 다양한 위치에 3개의 광섬유(92-1)를 통해 복수개의 IR 광이 조사된다. 웨이퍼(2)에 의해 흡수 또는 반사된 IR 광은 광섬유(92-2)에 의해 분광기(96)로 전송되고 스펙트럼 강도의 파장 의존성의 데이터가 검출기(97)에 의해 얻어진다. 검출기(97)에 의해 얻어진 스펙트럼 강도의 파장 의존성의 데이터는 제어 유닛(40)의 연산 유닛(41)으로 전송되어 흡수 파장을 산출하고, 흡수 파장에 기초하여 웨이퍼(2)의 온도가 결정될 수 있다. 광섬유(92-2)의 중간 부분에 광 다중화기(98)가 배치되어, 웨이퍼의 중심, 웨이퍼의 중간 및 웨이퍼의 외주의 측정 지점에서 분광 측정을 실시할 광을 스위칭할 수 있다. 따라서, 연산 유닛(41)은 웨이퍼의 중심, 웨이퍼의 중간 및 웨이퍼의 외주의 각각의 온도를 결정할 수 있다.
제어 유닛(40)은 플라스마 처리 장치(100)를 구성하는 각 메커니즘을 제어한다. 구체적으로, 제어 유닛(40)은 고주파 전원(20)을 제어하고 ICP 코일(34)에 대한 고주파 전원의 ON 및 OFF를 제어한다. 가스 공급 유닛(51)은 각각의 매스 플로우 컨트롤러(50-1 내지 50-4)로부터 석영 챔버(12) 내부로 공급되는 가스의 종류 및 유량을 조정하도록 제어된다. 에칭 가스가 공급되면, 제어 유닛(40)은 펌프(15)를 작동시키고 압력 조정 기구(14)를 제어하여 처리 챔버(1) 내부의 압력을 원하는 압력으로 조정한다.
웨이퍼(2)를 스테이지(4)에 정전 흡착하기 위한 정전 흡착용 DC 전원(31)을 작동시키고, 웨이퍼(2)와 스테이지(4) 사이에 He 가스를 공급하는 매스 플로우 컨트롤러(50-4)를 작동시키면서, 제어 유닛(40)은 열전대 온도계(71)에 의해 측정된 스테이지(4)의 온도뿐만 아니라 연산 유닛(41)에 의해 결정된 웨이퍼(2)의 온도 분포 정보에 기초하여 IR 램프 전원(64) 및 칠러(38)를 제어하여, 웨이퍼(2)의 온도가 미리 정해진 온도 범위 내에 있도록 한다. 웨이퍼(2)의 온도 분포에 대한 정보는, 검출기(97)에 의해 측정되는 웨이퍼(2)의 중심부 근처, 웨이퍼(2)의 반경 방향의 중간부 근처 및 웨이퍼(2)의 외주부 근처의 스펙트럼 강도에 대한 정보에 기초하여 결정된다.
도 27은 플라스마 처리 장치(100)에 의해 TiAlC 막의 등방성 원자층 에칭을 수행할 때의 1사이클에 대한 타임차트이다.
우선, 에칭될 TiAlC 막이 형성된 웨이퍼(2)가 처리 챔버(1)에 구비된 수송 포트(미도시)를 통해 처리 챔버(1) 내로 반입되어 스테이지(4) 상에 재치된다. 제어 유닛(40)은 DC 전원(31)을 작동시켜 웨이퍼(2)를 스테이지(4)에 정전 흡착하고 고정시키고, 가스 공급 유닛(51)을 제어하여 He 가스에 대응하는 매스 플로우 컨트롤러(50-4)로부터 웨이퍼(2)의 이면과 스테이지(4) 사이에 웨이퍼 냉각을 위한 He 가스를 공급하여, 웨이퍼(2)의 이면과 스테이지(4) 사이의 He 가스의 압력(230)이 미리 정해진 압력(231)으로 설정되고 웨이퍼 온도(240)가 온도(241)로 설정되도록 한다. 이 실시예에서, 웨이퍼 온도(241)는 20℃이다.
이어서, 제어 유닛(40)은 매스 플로우 컨트롤러(50-2, 50-3)에 의해 처리 챔버(1) 내에 공급되는 반응 가스인 N2와 H2의 혼합물인 가스의 유량을 조정하고, 압력 조정 기구(14)의 개도(opening degree)를 조정하여, 처리 챔버(1) 내부의 압력과 석영 챔버(12) 내부의 압력이 목표 압력으로 설정되도록 한다. 이 상태에서, 제어 유닛(40)은 고주파 전원(20)을 온하여 방전 전력(211)을 인가함으로써, 석영 챔버(12) 내부에서 플라스마 방전을 개시하여 석영 챔버(12) 내부에서 플라스마(10)를 생성한다. 이때, 웨이퍼(2)의 온도가 20℃로 유지되므로, IR 램프(62)에 인가되는 전력(220)은 0(전력(221))이다.
이 상태에서, N2와 H2의 혼합물의 일부가 플라스마(10)에서 이온화되어 해리된다. 플라스마(10)가 생성되는 영역에서 이온화되지 않은 중성 가스 및 중성 라디칼은 슬릿 플레이트(78)를 통과하여 NH를 포함하는 중성 가스 및 중성 라디칼이 웨이퍼(2)에 조사된다. 라디칼은 웨이퍼(2)의 표면에 흡착되어 TiAlC 막과 반응하여 Al(CxHy)z, Ti-(N(CxHy)z) 및 Ti-(CN)x를 포함하는 표면 반응층을 생성한다. 슬릿 플레이트(78)의 영향으로 인해, 플라스마(10)에서 생성된 이온은 웨이퍼(2)에 거의 들어가지 않는다. 따라서, TiAlC 막의 표면 반응은 주로 라디칼에 의해 등방적으로 진행되고, TiAlC 막의 표면 상에 표면 반응층이 생성된다. 생성된 표면 반응층의 두께는 혼합 가스를 사용한 플라스마 처리 시간과 플라스마 처리 온도에 따라 증가한다. 그러나, 이 경우의 온도에서 15초 경과했을 경우 표면 반응층의 양이 포화된다. 따라서, 증기를 사용한 플라스마 처리 시간은 15초로 설정된다.
표면 반응을 형성하는 데 필요한 플라스마 처리 시간이 경과한 후, 제어 유닛(40)은 고주파 전원(20)(방전 전력(212))을 오프하고 플라스마 방전을 정지한다. 처리 챔버(1) 내에 잔류하는 가스는 배기 기구에 의해 배기된다. 웨이퍼의 이면에 대한 He 가스의 공급을 정지하고, 밸브(52)를 열고, 웨이퍼(2)의 이면의 압력을 처리 챔버(1) 내의 압력과 동일하게 설정한다. 웨이퍼의 이면의 He 가스를 제거함으로써, 웨이퍼의 이면의 He 가스의 압력(230)을 압력(232)으로 설정한다. 상기한 것이 제1 단계이다.
이어서, 제어 유닛(40)은 IR 램프 전원(64)의 출력을 온하여 IR 램프(62)를 온(전력(222))한다. IR 램프(62)로부터 방출된 IR 광은 IR 광 투과창(74)을 통과하여 웨이퍼(2)를 가열한다. 따라서, 웨이퍼의 온도는 웨이퍼 온도(242)로 표시된 바와 같이 상승된다. 웨이퍼 온도(240)는 제2 단계가 종료될 때 승온 시작 후 25초 후에 200℃에 도달한다. 이 실시예에서, 도달해야 할 웨이퍼 온도는 200℃로 설정된다.
웨이퍼 온도(240)가 200℃(웨이퍼 온도(243))에 도달하면, 제어 유닛(40)은 IR 램프 전원(64)의 출력을 전력(223)으로 감소시켜, 웨이퍼(2)의 온도를 소정 기간 동안 온도(243)에서 일정하게 유지한다. 압력은 5Pa로 설정된다. Al(CxHy)z, Ti-(N(CxHy)z), 및 Ti-(CN)x로 이루어지는 표면 반응층은 고온에서 휘발성이 되어 제거되므로, TiAlC막의 두께가 감소된다. 표면 반응층 전체를 제거하여, 에칭이 정지되고 TiAlC층의 표면이 노출된다.
제2 단계 및 본 단계(제3 단계)에서는, IR 램프(62)로부터의 전자파에 의해 웨이퍼(2)를 가열하여, 반드시 가열되어야 할 웨이퍼의 표면이 효율적으로 가열될 수 있다. 예를 들어, 약 180℃의 온도차가 있더라도, 신속하게 가열이 완료될 수 있다. 웨이퍼(2)를 스테이지(4) 상에 재치한 상태에서 웨이퍼(2)를 가열하는 것으로 설명되어 있지만, 리프트 핀 등을 사용하여 웨이퍼(2)를 스테이지(4)로부터 상승시켜 스테이지(4)와 열 접촉하지 않은 상태에서 웨이퍼(2)에 IR 광(전자파)을 조사할 수 있다. 따라서, 웨이퍼(2)로부터 스테이지(4)로의 열 전달이 방지될 수 있고, 이에 따라 웨이퍼(2)의 온도가 단시간에 원하는 온도까지 상승될 수 있다. 이 경우, IR 램프(62)로부터 방출되어 웨이퍼(2)를 투과하여 광섬유(92-2)에 도달하는 광을 사용하여 웨이퍼(2)의 온도를 측정할 수 있다. IR 램프(62-1, 62-2, 62-3)의 전력비는 웨이퍼(2)의 평면에서 방사상 온도 분포에 기초하여 제어될 수 있다.
그 후, 제어 유닛(40)은 IR 램프 전원(64)(전원(224))의 출력을 오프하고 웨이퍼(2)의 가열을 정지시킨다. 처리 챔버(1) 내에 잔류하는 가스는 배기 기구에 의해 급속히 배기된다. 따라서, 제3 단계가 종료된다.
이어서, 제어 유닛(40)은 Ar 가스 공급용 매스 플로우 컨트롤러(50-1) 및 He 가스 공급용 매스 플로우 컨트롤러(50-4)를 제어하여 Ar 가스를 처리 챔버(1) 내에 공급하고 He 가스를 웨이퍼(2)의 이면과 스테이지(4) 사이에 공급해서, 웨이퍼(2)의 이면과 스테이지(4) 사이의 He 가스의 압력(230)이 미리 정해진 압력(233)으로 설정되고 웨이퍼(2)의 냉각이 개시되도록 한다(온도 244). 웨이퍼 온도는 20℃로 냉각되고 냉각에 필요한 시간은 30초이다. 따라서, 제4 단계가 종료된다.
이와 같이, 본 실시형태에서는, 제1 단계에서의 표면 반응 처리와 제3 단계에서의 승화 제거 처리가 등방적으로 진행되어, TiAlC 막의 두께가 막의 초기 두께보다 감소한다. 이 실시예에서는 제1 내지 제4 단계를 포함하는 사이클을 10회 반복하여, 전체 TiAlC 막의 에칭을 수행하였다. 그리고 TiN 하층의 표면이 노출되었다. 가열 단계의 손상 특성이 낮기 때문에 TiN 하층에 생긴 손상은 무시 가능하다.
1: 처리 챔버, 2: 웨이퍼, 3: 방전 영역, 4: 웨이퍼 스테이지, 5: 샤워 플레이트, 6: 상부 플레이트, 11: 베이스 챔버, 12: 석영 챔버, 14: 압력 조정 기구, 15: 펌프, 16: 진공 배기 파이프, 17: 가스 분산 플레이트, 20: 고주파 전원, 22: 매칭 유닛, 25: 고주파 차단 필터, 30: 전극, 31: DC 전원, 34: ICP 코일, 38: 칠러, 39: 냉매 유로, 40: 제어 유닛, 41: 연산 유닛, 50: 매스 플로우 컨트롤러, 51: 가스 공급 유닛, 60: 용기, 62: IR 램프, 63: 반사 플레이트, 64: IR 램프 전원, 70: 열전대, 71: 열전대 온도계, 74: IR 광 투과창, 75: 가스 유로, 78: 슬릿 플레이트(이온 차폐 플레이트), 81: O-링, 92: 광섬유, 93: 외부 IR 광원, 94: 광로 스위치, 95: 광 분배기, 96: 분광기, 97: 검출기, 98: 광 다중화기, 100: 플라스마 처리 장치, 200: 가스 흐름, 210: RF 전원, 220: IR 램프 전력, 230: He 압력, 240: 웨이퍼 온도, 300: 용량 결합 플라스마(CCP) 에칭 시스템, 301: 하부 전극, 302: 매칭 회로, 303: MF 전력, 311: 상부 전극, 312: 매칭 회로, 313: VHF 전력, 340: 웨이퍼, 341: 시료, 350: 분광 엘립소미터
Claims (11)
- 금속 질화물에 대해 금속 탄화물을 에칭하기 위한 연속적인 에칭 방법으로서,
N2와 H2를 함유하고 불소, 염소, 브롬, 및 요오드를 포함한 할로겐 가스를 함유하지 않는 가스 혼합물로부터 생성되는 플라스마를 상기 금속 탄화물의 표면으로 상기 표면의 적어도 일부에 공급하여, 상기 금속 탄화물의 표면을 개질하는 단계, 및 이온 조사에 의해 상기 금속 탄화물 상의 개질면을 제거하는 단계를 포함하는 연속적인 에칭 방법. - 금속 질화물에 대해 금속 탄화물을 에칭하기 위한 순환적인 에칭 방법으로서,
N2와 H2를 함유하고 불소, 염소, 브롬, 및 요오드를 포함한 할로겐 가스를 함유하지 않는 가스 혼합물로부터 생성되는 플라스마를 상기 금속 탄화물의 표면으로 상기 표면의 적어도 일부에 공급하여, 상기 금속 탄화물의 표면을 개질하는 단계, 및 이온 조사에 의해 상기 금속 탄화물의 표면으로부터 개질면을 제거하는 단계의 사이클을 하나 이상 포함하는 순환적인 에칭 방법. - 금속 질화물에 대해 금속 탄화물을 에칭하기 위한 순환적인 에칭 방법으로서,
N2와 H2를 함유하고 불소, 염소, 브롬, 및 요오드를 포함한 할로겐 가스를 함유하지 않는 가스 혼합물로부터 생성되는 플라스마를 상기 금속 탄화물의 표면으로 상기 표면의 적어도 일부에 공급하여, 상기 금속 탄화물의 표면을 개질하는 단계, 및 가열에 의해 상기 금속 탄화물의 표면으로부터 개질면을 제거하는 단계의 사이클을 하나 이상 포함하는 순환적인 에칭 방법. - 제1항, 제2항, 및 제3항에 있어서,
금속 탄화물이 티타늄 알루미늄 탄화물인 에칭 방법. - 제1항, 제2항, 및 제3항에 있어서,
금속 질화물이 티타늄 질화물인 에칭 방법. - 제1항, 제2항, 및 제3항에 있어서,
상기 가스 혼합물은 O2를 함유하는 에칭 방법. - 제6항에 있어서,
상기 가스 혼합물 중의 O2의 유량비가 10% 미만인 에칭 방법. - 제1항, 제2항, 및 제3항에 있어서,
상기 개질면은 CH, CN, 및 NH를 포함하는 에칭 방법. - 제1항, 제2항, 및 제3항에 있어서,
상기 플라스마의 압력은 1000Pa 미만인 에칭 방법. - 제1항, 제2항, 및 제3항에 있어서,
상기 금속 탄화물의 온도는 50℃이거나, 20℃를 초과하는 에칭 방법. - 제3항에 있어서,
상기 가열은 램프로부터 적외선 광을 조사하여 수행된 에칭 방법.
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