KR20230166329A - 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 따른 기판 처리 방법은, 제 1 절연층 및 제 2 절연층이 적어도 부분적으로 노출된 기판을 준비하는 단계와, 단위 사이클을 복수회 반복하여 상기 제 2 절연층에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연층을 식각하는 단계를 포함하고, 상기 단위 사이클은, 상기 제 2 절연층에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연층을 소정 시간만큼 식각하기 위하여 상기 기판 상에 식각 가스를 공급하는 단계와, 상기 제 2 절연층 상에 흡착된 상기 식각 가스를 제거하기 위하여 상기 기판 상에 리셋 가스를 공급하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 상의 절연막을 식각하기 위한 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 소자를 제조하기 위해서는 다양한 기판 처리 장치에서 각종 공정이 수행된다. 예를 들어, 진공 분위기의 공정 챔버 내에 기판을 로딩하고 기판 상에 박막을 증착하거나 박막을 식각하는 등의 공정이 진행될 수 있다. 다른 예로, 습식 분위기에서 기판 상에 약액을 공급하여 기판을 세정하거나 식각하는 공정이 수행될 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 필요할 수 있다.
최근, 반도체 소자의 고집적화로 이러한 절연막들의 두께가 얇아져, 이러한 절연막들의 식각 단계에서 선택비(selectivity)의 부족으로 원하지 않는 절연막들이 식각되는 문제가 발생되고 있다. 나아가, 절연막의 두께가 얇아지고 패턴이 미세해지면서 패턴 내로 약액의 침투가 어려워져, 습식 식각으로 고선택비 식각이 어려워지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고집적 소자 제조 시 높은 식각 선택비를 갖는 절연막의 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, 제 1 절연층 및 제 2 절연층이 적어도 부분적으로 노출된 기판을 준비하는 단계와, 단위 사이클을 복수회 반복하여 상기 제 2 절연층에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연층을 식각하는 단계를 포함하고, 상기 단위 사이클은, 상기 제 2 절연층에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연층을 소정 시간만큼 식각하기 위하여 상기 기판 상에 식각 가스를 공급하는 단계와, 상기 제 2 절연층 상에 흡착된 상기 식각 가스를 제거하기 위하여 상기 기판 상에 리셋 가스를 공급하는 단계를 포함한다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각 가스는 불소 라디칼을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 불소 라디칼은 리모트 플라즈마 방식으로 생성되어 상기 기판 상으로 제공될 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각 가스를 공급하는 단계는 상기 제 2 절연층에 대한 상기 제 1 절연층의 식각 선택비가 20:1 이상이 되는 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각 가스를 공급하는 단계는 상기 제 2 절연층의 식각이 시작되기 전에 종료될 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 리셋 가스는 수소 라디칼을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 수소 라디칼은 리모트 플라즈마 방식으로 생성되어 상기 기판 상으로 제공될 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각 가스를 공급하는 단계와 상기 리셋 가스를 공급하는 단계 사이에, 진공 펌핑 또는 퍼지 가스 공급 단계가 부가될 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 제 1 절연층은 실리콘 질화막을 포함하고, 상기 제 2 절연층은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 기판 처리 장치는, 제 1 절연층 및 제 2 절연층이 적어도 부분적으로 노출된 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 기판이 상기 기판 지지부 상에 안착된 상태에서 단위 사이클을 복수회 반복하여 상기 제 2 절연층에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연층을 식각하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 분사부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 단위 사이클 동안, 상기 제 2 절연층에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연층을 소정 시간만큼 식각하기 위하여 상기 기판 상에 식각 가스를 공급하는 단계 및 상기 제 2 절연층 상에 흡착된 상기 식각 가스를 제거하기 위하여 상기 기판 상에 리셋 가스를 공급하는 단계를 수행하도록 상기 가스 분사부를 제어할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 공정 챔버 외부에 배치되고 상기 가스 분사부와 연결된 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기를 포함하고, 상기 식각 가스는 상기 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기에서 생성된 불소 라디칼을 포함하고, 상기 리셋 가스는 상기 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기에서 생성된 수소 라디칼을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 불소 라디칼은 상기 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기에 Ar 및 NF3 혼합 가스를 공급하고 RF 전력을 인가하여 생성될 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 수소 라디칼은 상기 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기에 Ar 및 H2 혼합 가스를 공급하고 RF 전력을 인가하여 생성될 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 가스 분사부에 RF 전력을 공급하여 상기 공정 챔버 내 플라즈마 분위기를 형성하기 위한 플라즈마 전원부를 포함하고, 상기 식각 가스는 상기 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기에서 생성된 불소 라디칼을 포함하고, 상기 리셋 가스는 상기 공정 챔버 내 플라즈마 분위기에서 생성된 수소 라디칼을 포함할 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 방법을 보여주는 순서도이다.
도 2는 도 1의 기판 처리 방법에서 단위 사이클을 보여주는 순서도이다.
도 3은 도 1의 기판 처리 방법에서 가스 공급을 보여주는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 단위 사이클 동안 식각 과정을 보여주는 단면도들이다.
도 5는 도 2의 단위 사이클 동안 식각 가스를 공급하는 단계에서 식각 시간에 따른 절연막들의 식각 두께를 보여주는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법들에서 단위 사이클의 회수에 따른 절연막들의 식각 두께를 보여주는 그래프들이다.
도 8a는 식각 전 기판을 보여주는 사진이고, 도 8b는 비교예에 따른 기판 처리 방법에 따라서 식각된 기판을 보여주는 사진이고, 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 방법에 따라서 식각된 기판을 보여주는 사진이다.
도 9는 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 기판 처리 방법에서 단위 사이클을 보여주는 순서도이다.
도 3은 도 1의 기판 처리 방법에서 가스 공급을 보여주는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 단위 사이클 동안 식각 과정을 보여주는 단면도들이다.
도 5는 도 2의 단위 사이클 동안 식각 가스를 공급하는 단계에서 식각 시간에 따른 절연막들의 식각 두께를 보여주는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법들에서 단위 사이클의 회수에 따른 절연막들의 식각 두께를 보여주는 그래프들이다.
도 8a는 식각 전 기판을 보여주는 사진이고, 도 8b는 비교예에 따른 기판 처리 방법에 따라서 식각된 기판을 보여주는 사진이고, 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 방법에 따라서 식각된 기판을 보여주는 사진이다.
도 9는 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
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 방법을 보여주는 순서도이고, 도 2는 도 1의 기판 처리 방법에서 단위 사이클을 보여주는 순서도이고, 도 3은 도 1의 기판 처리 방법에서 가스 공급을 보여주는 그래프이고, 도 4a 내지 도 4c는 도 2의 단위 사이클 동안 식각 과정을 보여주는 단면도들이다.
도 1 및 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법은 제 1 절연층(54) 및 제 2 절연층(56)이 형성된 기판(S)을 준비하는 단계(S10) 및 단위 사이클을 복수회 반복하여 제 1 절연층(54)을 식각하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기판(S)은 반도체 웨이퍼(52)를 포함하고, 반도체 웨이퍼(52) 상에 반도체 소자를 형성하기 위한 구조가 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.
제 1 절연층(54) 및 제 2 절연층(56)은 식각 특성이 서로 다른 절연막들에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 제 1 절연층(54)은 실리콘 질화막을 포함하고, 제 2 절연층(56)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 다른 예로, 제 1 절연층(54) 및 제 2 절연층(56)은 반도체 물질의 질화막, 산화막, 산질화막 등에서 선택된 두 절연막일 수도 있다. 결합 분해 에너지 관점에서 보면, Si-O 본딩의 경우 798 kJ/mol이고, Si-N 본딩의 경우 439 kJ/mol이고, Si-F 본딩의 경우 339 kJ/mol이고, Si-H 본딩의 경우 298 kJ/mol이다. 따라서, 동일한 식각 조건에서, 실리콘 산화막에 비해서 실리콘 질화막이 더 빠르게 식각될 수 있고, 수소 또는 불소가 결합되는 경우 식각이 더 빨라질 수 있다.
보다 구체적으로 보면, 반도체 웨이퍼(52) 상에 제 1 절연층(54) 및 제 2 절연층(56)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제 1 절연층(54) 및 제 2 절연층(56)이 반도체 웨이퍼(52) 상에서 패턴을 형성하여 적어도 부분적으로 노출될 수 있다. 다른 예로, 제 1 절연층(54) 및 제 2 절연층(56)이 반도체 웨이퍼(52) 상에 교대로 복수개 적층된 후 포토리소그래피 및 에칭 기술을 이용하여 패터닝되어, 적어도 그 측벽이 노출될 수도 있다.
제 1 절연층(54)을 식각하는 단계(S20)에서, 제 1 절연층(54)은 제 2 절연층(56)에 대해서 선택적으로 식각될 수 있다. 따라서, 제 1 절연층(54)이 식각되는 동안 제 2 절연층(56)은 거의 식각되지 않거나 제 1 절연층(54)이 식각되는 양에 비해서 현저하게 적은 양으로 식각될 수 있다. 예를 들어, 이 식각하는 단계(S20)에서, 제 2 절연층(56)에 대한 제 1 절연층(54)의 식각 선택비는 적어도 20:1 이상일 수 있다.
제 1 절연층(54)을 식각하는 단계(S20)는 단위 사이클을 복수회 반복하여 수행함으로써, 식각 시작이 빠른 제 1 절연층(54), 예컨대 실리콘 질화막은 반복적으로 식각하고, 식각 시작이 느린 제 2 절연층(56)은 거의 식각이 되지 않도록 할 수 있다. 즉, 단위 사이클의 식각 시간을 조절함으로써, 단위 사이클 동안 제 2 절연층(56)에 대해서 선택적으로 제 1 절연층(54)이 조금씩 식각되도록 할 수 있고, 이러한 단위 사이클을 복수회 반복함으로써, 제 1 절연층(54)을 원하는 두께, 예컨대 전체 두께만큼 식각할 수 있다.
도 2 및 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 전술한 제 1 절연층(54)을 식각하는 단계(S20)에서, 단위 사이클은 기판(S) 상에 식각 가스를 공급하는 단계(S22)와 기판(S) 상에 리셋 가스를 공급하는 단계(S24)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 보면, 식각 가스를 공급하는 단계(S22)에서, 제 2 절연층(56)에 대해서 선택적으로 제 1 절연층(54)을 소정 시간만큼 식각하기 위하여 기판(S) 상에 식각 가스를 공급할 수 있다. 식각 가스는 산화막 또는 질화막을 식각하기 위해 할로겐 원소, 예컨대 불소 또는 염소를 함유할 수 있다. 예를 들어, 식각 가스는 HF, NF3 및 F2 가스들의 군에서 선택된 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 나아가, 식각 가스는 할로겐 함유 가스와 함께 불활성 가스를 포함하되, 열전달 효율을 고려하여 수소 함유 가스, 예컨대 H2, NH3 가스 등을 포함하지 않을 수 있다.
일부 실시예에서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 식각 가스는 불소를 함유할 수 있고, 보다 구체적으로는 반응성을 높이기 위해서 불소 라디칼을 포함할 수 있다. 불소 라디칼은 불소를 함유하는 가스를 플라즈마를 이용하여 활성화시켜 형성될 수 있다. 예를 들어, 불소 라디칼은 리모트 플라즈마 방식으로 생성되어 기판(S) 상으로 제공될 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 이 단계(S22)에서 실리콘 질화막이 불소 라디칼과 반응하여 휘발성 실리콘 불화물(SiF4)을 생성하면서 실리콘 질화막이 식각될 수 있다. 이러한 라디칼에 의한 식각은 화학적 건식 식각(chemical dry etching)으로 등방성 식각(isotropic etching)을 유도할 수 있다. 이러한 라디칼은 습식 식각액에 비해서 매우 좁은 공간으로도 침투할 수 있으므로, 이러한 라디칼을 이용한 식각을 통해서 매우 미세한 패턴에서 제 1 절연층들(54)을 선택적으로 식각할 수 있게 된다.
한편, 리셋 가스를 공급하는 단계(S24)에서, 제 2 절연층(56) 상에 흡착된 식각 가스를 제거하기 위하여 기판(S) 상에 리셋 가스를 공급할 수 있다. 예를 들어, 리셋 가스는 제 2 절연층(56), 예컨대 실리콘 산화막 상에 흡착된 식각 가스, 예컨대 불소 라디칼을 제거하기 위하여 기판(S) 상에 공급될 수 있다. 이 단계(S24)에서 제 2 절연층(56), 예컨대 실리콘 산화막에 흡착된 불소 라디칼을 제거하여 제 2 절연층(56)의 표면을 리셋시킴으로써, 이후 식각 가스를 공급하는 단계(S22)에서 다시 불소 라디칼이 공급되어 실리콘 산화막이 식각되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 이러한 리셋 가스를 공급하는 단계(S24)에서 제 1 절연층(54), 예컨대 실리콘 질화막 상에 잔류된 수소 라디칼도 제거될 수 있다.
일부 실시예에서, 리셋 가스는 수소를 함유할 수 있고, 보다 구체적으로는 반응성을 높이기 위해서 수소 라디칼을 포함할 수 있다. 수소 라디칼은 수소를 함유하는 가스를 플라즈마를 이용하여 활성화시켜 형성될 수 있다. 예를 들어, 수소 라디칼은 직접 플라즈마 또는 리모트 플라즈마 방식으로 생성되어 기판(S) 상으로 제공될 수 있다. 리셋 가스는 제 2 절연층(56) 상에 흡착된 식각 가스를 제거하는데 충분한 시간 동안 공급될 수 있고, 따라서 식각 가스보다는 짧은 시간 동안 공급될 수 있다. 예를 들어, 리셋 가스의 공급 시간은 식각 가스의 공급 시간의 1/10 이내일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 식각 시간이 증가함에 따라서, 실리콘 질화막(SiN)은 그 식각 두께가 증가하지만, 실리콘 산화막(SiO2)은 초기에 오히려 두께가 증가하다가 일정 시간 경과 후 그 식각 두께가 증가하는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 흡착 단계(A) 동안 불소 라디칼이 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막 상에 흡착될 수 있다. 이후 농도 증가 단계(B) 동안 흡착된 불소 라디칼 농도가 증가되면서 실리콘 질화막이 먼저 식각되고, 실리콘 산화막에서는 불소 라디칼의 흡착 두께가 증가하면서 오히려 두께가 증가하다가 점차 본래 두께로 돌아온다. 이후, 본격적인 식각 단계(C)에서 실리콘 질화막은 계속적으로 식각되고, 실리콘 산화막도 식각되기 시작한다.
따라서, 식각 가스를 공급하는 단계(S22)에서, 식각 시간이 길어지면 실리콘 질화막뿐만 아니라 실리콘 산화막도 식각되는 것을 알 수 있다. 따라서, 실리콘 산화막에 대해서 실리콘 질화막을 선택적으로 식각하기 위해서는 이 단계(S22)에서 식각 시간은 소정 시간 이내로 제한될 필요가 있다.
예를 들어, 식각 가스를 공급하는 단계(S22)는 제 2 절연층(56), 예컨대 실리콘 산화막에 대한 제 1 절연층(54), 예컨대 실리콘 질화막의 식각 선택비가 일정 수준 이상, 예컨대 20:1 이상 되는 시간 동안 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 식각 가스를 공급하는 단계(S22)는 제 2 절연층(56), 예컨대 실리콘 산화막의 식각이 시작되기 전에 종료될 수 있다. 예를 들어, 식각 가스를 공급하는 단계(S22)의 식각 시간은 5초 내지 35초 범위일 수 있고, 실리콘 산화막 상의 불소 라디칼의 흡착량을 줄이기 위해서 20초 이내, 나아가 12초 이내일 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 단위 사이클 동안, 리셋 가스를 공급하는 단계(S24)는 식각 가스를 공급하는 단계(S22) 후 진공 펌핑 또는 퍼지 가스 공급 단계의 부가 없이 바로 이어질 수 있다. 리셋 가스가 식각 가스와 반응하여 식각 가스를 제거할 수 있기 때문에, 두 단계들(S22, S24)을 연속적으로 진행함으로써 공정 시간을 줄일 수 있다. 단위 사이클이 복수회 반복되는 동안, 식각 가스는 펄스 형태로 공급되고, 리셋 가스는 식각 가스의 휴지기에 펄스 형태로 공급될 수 있다.
다른 일부 실시예들에서, 리셋 가스를 공급하는 단계(S24)와 식각 가스를 공급하는 단계(S22) 사이에 진공 펌핑 또는 퍼지 가스의 공급 단계가 부가될 수 있다. 예를 들어, 제 1 절연층(54) 및 제 2 절연층(56)이 고애스펙트비의 패턴으로 형성된 경우, 식각 중에 패턴 내부에서 폴리머 생성 및 적층을 억제하기 위해서, 퍼지 가스의 공급 단계가 부가될 수 있다. 예를 들어, 퍼지 가스는 불활성 가스, 예컨대 알곤(Ar) 가스를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에 따르면, 단위 사이클을 반복함으로써, 제 1 절연층(54)과 제 2 절연층(56)의 식각 선택비를 높일 수 있고, 나아가 단위 사이클 공정 중 리셋 공정을 부가함으로써 단위 사이클이 반복되더라도 식각 선택비가 낮아지지 않도록 할 수 있다.
한편, 제 1 절연층(54)과 제 2 절연층(56)의 식각 선택비는 절연막의 종류뿐만 아니라 절연막의 형성방법의 차이에 따른 막질에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 전술한 바와 같이, Si-H 본딩은 Si-O 본딩 또는 Si-N 본딩에 비해서 분해 에너지가 낮기 때문에, 막질 내에 수소가 포함된 경우 식각이 더 빨라질 수 있다. 이러한 점에서, 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)법에 의해서 형성된 절연막이 원자층증착(ALD)법에 의해서 ??성된 절연막보다 식각 속도가 더 빠를 수 있다. 이하에서는 이러한 절연막의 형성방법에 따른 식각 선택비의 차이를 보여준다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법들에서 단위 사이클의 회수에 따른 절연막들의 식각 두께를 보여주는 그래프들이다.
도 6을 참조하면, 원자층증착(ALD)법에 의해서 형성된 실리콘 질화막(ALD SiN)을 제 1 절연층(54)으로 이용하고, 원자층증착(ALD)법에 의해서 형성된 실리콘 산화막(ALD SiO2)을 제 2 절연층(56)으로 이용하는 경우, 단위 사이클을 약 30회 반복한 후 식각 선택비는 약 30:1 수준이 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, ALD SiN과 ALD SiO2의 경우 식각 선택비는 20:1 이상, 나아가 30:1 이상이 되도록 선택될 수 있다. 이러한 식각 선택비는 통상적으로 리셋 공정 부가 없이 원샷 식각을 하는 경우에 얻을 수 있는 약 3:1의 식각 선택비보다 10배 이상 높은 것을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)법에 의해서 형성된 실리콘 질화막(PECVD SiN)을 제 1 절연층(54)으로 이용하고, ALD SiO2를 제 2 절연층(56)으로 이용하는 경우, 단위 사이클을 약 15회 반복한 후 식각 선택비는 약 560:1 수준이 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, PECVD SiN과 ALD SiO2의 경우 식각 선택비는 100:1 이상, 나아가 500:1 이상이 되도록 선택될 수 있다.
도 8a는 식각 전 기판을 보여주는 사진이고, 도 8b는 비교예에 따른 기판 처리 방법에 따라서 식각된 기판을 보여주는 사진이고, 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 방법에 따라서 식각된 기판을 보여주는 사진이다.
도 8a를 참조하면, 반도체 웨이퍼(52) 상에 제 1 절연층(54)으로 실리콘 질화막(SiN)이 약 56nm 두께로 형성되고, 제 2 절연층(56)으로 실리콘 산화막(SiO2)이 약 70nm 두께로 형성된 것을 알 수 있다.
도 8b를 참조하면, 비교예에 따른 기판 처리 방법으로 리셋 단계 없이 원샷 식각을 하는 경우, 실리콘 질화막(SiN)이 모두 식각되는 동안, 실리콘 산화막(SiO2)도 약 13nm 두께만큼 식각된 것을 알 수 있다.
도 8c를 참조하면, 실시예에 따른 기판 처리 방법에 의하면, 실리콘 질화막(SiN)이 모두 식각되는 동안, 실리콘 산화막(SiO2)이 거의 식각되지 않은 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 방법에 따르면, 식각 가스, 예컨대 불소 라디칼을 이용한 화학적 건식 식각을 이용함으로써, 종래 습식 식각에 비해서 균일한 식각 프로파일을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 리셋 공정을 포함하는 단위 사이클을 반복함으로써, 제 1 절연층(54) 및 제 2 절연층(56) 사이에서 높은 식각 선택비를 얻을 수 있다.
이하에서는 전술한 기판 처리 방법을 구현하기 위한 기판 처리 장치들에 대해서 예시적으로 설명한다.
도 9는 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 9를 참조하면, 기판 처리 장치(100)는 공정 챔버(110), 가스 분사부(120), 기판 지지부(130) 및 제어부(190)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 보면, 공정 챔버(110)에는 기판(S)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(S)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. 선택적으로, 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.
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.
부가적으로, 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기(plasma reactor, 150)가 가스 분사부(120)와 연결되도록 공정 챔버(110)의 외부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 리모트 플라즈마 반응기(150)는 가스 분사부(120) 상에 연결될 수 있다. 나아가, 리모트 플라즈마 반응기(150)에는 가스 배관(154)를 통해서 공정 가스가 유입될 수 있다. 리모트 플라즈마 반응기(150)는 리모트 플라즈마 생성기(remote plasma generator, RPG)로 불릴 수도 있다. 리모트 플라즈마 반응기(plasma reactor, 150)는 하나 또는 복수개로 제공되거나 또는 듀얼 챔버를 갖도록 제공될 수도 있다.
나아가, 리모트 플라즈마 반응기(150)에는 RF 전력을 인가하기 위한 플라즈마 전원부(140)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 전원부(140)는 리모트 플라즈마 반응기(150)에 적어도 하나의 RF(radio frequency) 전력을 인가하도록 적어도 하나의 RF 전원을 포함할 수 있다. 리모트 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.
제어부(190)는 기판 처리 장치(100)의 동작, 예컨대 리모트 플라즈마 반응기(150), 가스 분사부(120) 및 기판 지지부(130) 중 하나 또는 그 이상을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(190)는 전술한 도 1 내지 도 3의 기판 처리 방법을 구현하도록 기판 처리 장치(100)를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로 보면, 제어부(190)는 기판(S)이 기판 지지부(130) 상에 안착된 상태에서 단위 사이클을 복수회 반복하여 제 2 절연층(56)에 대해서 선택적으로 제 1 절연층(54)을 식각하도록 기판 지지부(130) 및 가스 분사부(130)를 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(190)는, 단위 사이클 동안, 제 2 절연층(56)에 대해서 선택적으로 제 1 절연층(54)을 소정 시간만큼 식각하기 위하여 기판(S) 상에 식각 가스를 공급하는 단계 및 제 2 절연층(56) 상에 흡착된 식각 가스를 제거하기 위하여 기판(S) 상에 리셋 가스를 공급하는 단계를 수행하도록 가스 분사부(130)를 제어할 수 있다.
전술한 기판(S)을 준비하는 단계(S10)에서, 제어부(190)는 기판(S)을 공정 챔버(110) 내로 인입하여 기판 지지부(130) 상에 안착시키는 단계를 수행할 수 있다.
예를 들어, 식각 가스는 리모트 플라즈마 반응기(150)에서 생성된 불소 라디칼을 포함하고, 리셋 가스는 리모트 플라즈마 반응기(150)에서 생성된 수소 라디칼을 포함할 수 있다. 불소 라디칼 및 수소 라디칼은 리모트 플라즈마 반응기(150)에 공정 가스를 공급하고 플라즈마 전원부(140)로부터 RF 전력을 인가해서 각각 생성될 수 있다. 이러한 불소 라디칼 및 수소 라디칼은 가스 분사부(120)를 통해서 기판 지지부(130) 상에 안착된 기판(S) 상으로 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 불소 라디칼은 리모트 플라즈마 반응기(150)에 가스 배관(154)을 통해서 공정 가스, 예컨대 Ar 및 NF3 혼합 가스를 공급하고 플라즈마 전원부(140)로부터 RF 전력을 인가하여 리모트 플라즈마 방식으로 생성될 수 있다. 수소 라디칼은 리모트 플라즈마 반응기(150)에 가스 배관(154)을 통해서 공정 가스, 예컨대 Ar 및 H2 혼합 가스를 공급하고 플라즈마 전원부(140)로부터 RF 전력을 인가하여 리모트 플라즈마 방식으로 생성될 수 있다. 예를 들어, Ar 가스는 500 ~ 10000 sccm 범위로 공급되고, NF3 가스는 5 ~ 500 sccm 범위에서 공급되고, H2 가스는 50 ~ 10000 sccm 범위에서 공급되고, RF 전력은 50 ~ 2000 W 범위에서 공급될 수 있다.
예를 들어, 불소 라디칼 및 수소 라디칼은 하나의 리모트 플라즈마 반응기(150)에서 서로 다른 시간에 각각 생성될 수 있다. 다른 예로, 불소 라디칼 및 수소 라디칼은 두 개의 리모트 플라즈마 반응기들(150)에서 분리되어 각각 생성될 수도도 있다. 또 다른 예로, 불소 라디칼 및 수소 라디칼은 듀얼챔버 타입의 리모트 플라즈마 반응기(150)의 각 챔버에서 생성될 수도 있다.
기판 처리 장치(100)에 따르면, 리모트 플라즈마 반응기(150)에서 불소 라디칼 및 수소 라디칼을 생성하여 공정 챔버(110) 내로 제공함으로써, 공정 챔버(110) 내에서 두 번의 플라즈마를 생성해야 하는 번거로움 없이 식각 단계(S22)에서 불소 라디칼을 기판(S) 상으로 공급하고, 리셋 단계(S24)에서 수소 라디칼을 기판(S) 상으로 공급할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치(100a)를 보여주는 개략적인 단면도이다. 기판 처리 장치(100a)는 도 9의 기판 처리 장치(100)에서 일부 구성을 변형한 것으로 서로 참조될 수 있는 바, 두 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
도 10을 참조하면, 기판 처리 장치(100a)는 리모트 플라즈마 반응기(150)를 이용한 리모트 플라즈마와 공정 챔버(110) 내 직접 플라즈마를 모두 이용할 수 있다. 기판 처리 장치(100a)에서 가스 배관(154)은 리모트 플라즈마 반응기(150)로 연결되고, 가스 배관(156)은 가스 분사부(120)로 연결될 수 있다. 도 10에서 가스 배관들(154, 156)은 하나로 만나서 가스 분사부(120)로 연결되는 것으로 도시되었으나, 서로 분리되어 가스 분사부(120)로 연결되는 것도 가능하다.
플라즈마 전원부(140)는 리모트 플라즈마 반응기(150)와 가스 분사부(120)에 공통으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 전원부(140)로부터 가스 분사부(120)로 RF 전력을 공급하여, 공정 챔버(110) 내에 직접 플라즈마 분위기를 형성할 수 있고, 플라즈마 전원부(140)로부터 리모트 플라즈마 반응기(150)로 RF 전력을 공급하여 리모트 플라즈마 분위기를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 전원부(140)는 두 개로 구비되어, 플라즈마 전원부(140)와 리모트 플라즈마 반응기(150)로 각각 연결될 수도 있다.
기판 처리 장치(100a)에서, 식각 가스는 리모트 플라즈마 반응기(150)에서 생성된 불소 라디칼을 포함하고, 리셋 가스는 공정 챔버(110) 내 플라즈마 분위기에서 생성된 수소 라디칼을 포함할 수 있다. 예를 들어, 불소 라디칼은 가스 배관(154)을 통해서 공정 챔버(110) 내에 공정 가스, 예컨대 Ar 및 NF3 혼합 가스를 공급하고 플라즈마 전원부(140)로부터 리모트 플라즈마 반응기(150)에 RF 전력을 인가하여 생성될 수 있고, 수소 라디칼은 가스 배관(156)을 통해서 공정 챔버(110) 내에 공정 가스, 예컨대 Ar 및 H2 혼합 가스를 공급하고 플라즈마 전원부(140)로부터 가스 분사부(120)에 RF 전력을 인가하여 생성될 수 있다.
기판 처리 장치(100a)의 경우, 제 1 절연층(54) 및 제 2 절연층(56)이 낮은 애스펙트비의 패턴으로 형성된 경우 유용할 수 있다. 리셋 가스로 이용되는 수소 라디칼의 경우 라이프 타임이 짧다는 점에서, 공정 챔버(110) 내에서 기판(S)의 표면에서 가깝게 형성될 경우 라이프 타임 면에서 유리할 수 있다. 다만, 제 1 절연층(54) 및 제 2 절연층(56)이 고애스펙트비의 패턴으로 형성된 경우, 이온에 의한 방향성 식각이 문제될 수 있어서 라디칼 농도가 높은 리모트 플라즈마 방식이 직접 플라즈마 방식보다 유리할 수 있다. 따라서, 적어도 식각 가스는 리모트 플라즈마 방식을 이용하여 기판(S) 상에 제공될 필요가 있다.
전술한 바와 같이, 기판 처리 장치들(100, 100a)을 이용하여, 고집적 소자 제조 단계에서, 제 2 절연층(56)에 대해서 높은 선택비로 제 1 절연층(54)을 식각할 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, 100a: 기판 처리 장치
110: 공정 챔버
120: 가스 분사부
130: 기판 지지부
140: 플라즈마 전원
150: 플라즈마 반응기
190: 제어부
110: 공정 챔버
120: 가스 분사부
130: 기판 지지부
140: 플라즈마 전원
150: 플라즈마 반응기
190: 제어부
Claims (14)
- 제 1 절연층 및 제 2 절연층이 적어도 부분적으로 노출된 기판을 준비하는 단계; 및
단위 사이클을 복수회 반복하여 상기 제 2 절연층에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연층을 식각하는 단계를 포함하고,
상기 단위 사이클은,
상기 제 2 절연층에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연층을 소정 시간만큼 식각하기 위하여 상기 기판 상에 식각 가스를 공급하는 단계; 및
상기 제 2 절연층 상에 흡착된 상기 식각 가스를 제거하기 위하여 상기 기판 상에 리셋 가스를 공급하는 단계를 포함하는,
기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각 가스는 불소 라디칼을 포함하는, 기판 처리 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 불소 라디칼은 리모트 플라즈마 방식으로 생성되어 상기 기판 상으로 제공되는, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각 가스를 공급하는 단계는 상기 제 2 절연층에 대한 상기 제 1 절연층의 식각 선택비가 20:1 이상이 되는 시간 동안 수행되는, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각 가스를 공급하는 단계는 상기 제 2 절연층의 식각이 시작되기 전에 종료되는, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 리셋 가스는 수소 라디칼을 포함하는, 기판 처리 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 수소 라디칼은 리모트 플라즈마 방식으로 생성되어 상기 기판 상으로 제공되는, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각 가스를 공급하는 단계와 상기 리셋 가스를 공급하는 단계 사이에, 진공 펌핑 또는 퍼지 가스 공급 단계가 부가되는, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 절연층은 실리콘 질화막을 포함하고,
상기 제 2 절연층은 실리콘 산화막을 포함하는,
기판 처리 방법. - 제 1 절연층 및 제 2 절연층이 적어도 부분적으로 노출된 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 기판이 상기 기판 지지부 상에 안착된 상태에서 단위 사이클을 복수회 반복하여 상기 제 2 절연층에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연층을 식각하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 분사부를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 단위 사이클 동안, 상기 제 2 절연층에 대해서 선택적으로 상기 제 1 절연층을 소정 시간만큼 식각하기 위하여 상기 기판 상에 식각 가스를 공급하는 단계 및 상기 제 2 절연층 상에 흡착된 상기 식각 가스를 제거하기 위하여 상기 기판 상에 리셋 가스를 공급하는 단계를 수행하도록 상기 가스 분사부를 제어하는,
기판 처리 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 공정 챔버 외부에 배치되고 상기 가스 분사부와 연결된 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기를 포함하고,
상기 식각 가스는 상기 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기에서 생성된 불소 라디칼을 포함하고,
상기 리셋 가스는 상기 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기에서 생성된 수소 라디칼을 포함하는,
기판 처리 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 불소 라디칼은 상기 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기에 Ar 및 NF3 혼합 가스를 공급하고 RF 전력을 인가하여 생성되는, 기판 처리 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 수소 라디칼은 상기 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기에 Ar 및 H2 혼합 가스를 공급하고 RF 전력을 인가하여 생성되는, 기판 처리 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 가스 분사부에 RF 전력을 공급하여 상기 공정 챔버 내 플라즈마 분위기를 형성하기 위한 플라즈마 전원부를 포함하고,
상기 식각 가스는 상기 적어도 하나의 리모트 플라즈마 반응기에서 생성된 불소 라디칼을 포함하고,
상기 리셋 가스는 상기 공정 챔버 내 플라즈마 분위기에서 생성된 수소 라디칼을 포함하는,
기판 처리 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220066156A KR20230166329A (ko) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220066156A KR20230166329A (ko) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230166329A true KR20230166329A (ko) | 2023-12-07 |
Family
ID=89163438
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220066156A KR20230166329A (ko) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230166329A (ko) |
-
2022
- 2022-05-30 KR KR1020220066156A patent/KR20230166329A/ko unknown
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