KR20240071927A - 기판 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 따른 기판 처리 방법은, 하지층과 상기 하지층 상에 적어도 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 분사부를 통해서 상기 기판 상으로 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 포함하는 전처리 가스를 공급하여 패시베이션층을 형성하는 전처리 단계와 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 상으로, 할로겐 함유 가스, 수소 함유 가스, 산소 함유 가스 및 상기 할로겐 함유 가스와 상기 수소 함유 가스가 반응하여 생성된 할로겐 및 수소를 함유하는 반응물을 포함하는 에천트를 공급하여, 상기 복수의 제 1 절연층들에 대해서 선택적으로 상기 복수의 제 2 절연층들을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각하는 단계를 포함한다.
Description
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, 산화막, 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.
또한, 절연막의 두께가 얇아지면 식각액의 침투가 어려워져, 통상적인 습식 식각이 제한되고 있다. 할라이드계 식각 가스를 이용한 건식 식각이 연구되고 있으나, 식각 선택비가 높지 않다는 문제가 있다. 나아가, 절연막 하부에 반도체층이 있는 경우 절연막 식각 시 반도체층도 같이 식각되는 문제가 발생되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고집적 반도체 소자 제조 시 높은 식각 선택비를 갖는 건식 식각을 이용한 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, 하지층과 상기 하지층 상에 적어도 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 분사부를 통해서 상기 기판 상으로 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 포함하는 전처리 가스를 공급하여 패시베이션층을 형성하는 전처리 단계와, 상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 상으로, 할로겐 함유 가스, 수소 함유 가스, 산소 함유 가스 및 상기 할로겐 함유 가스와 상기 수소 함유 가스가 반응하여 생성된 할로겐 및 수소를 함유하는 반응물을 포함하는 에천트를 공급하여, 상기 복수의 제 1 절연층들에 대해서 선택적으로 상기 복수의 제 2 절연층들을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각하는 단계를 포함하고, 상기 식각하는 단계에서, 상기 할로겐 함유 가스 및 상기 수소 함유 가스 중 적어도 하나의 가스는 상기 플라즈마 반응기에서 활성화되어 라디칼 형태로 상기 가스 분사부로 공급된다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각하는 단계에서, 상기 플라즈마 반응기로 상기 할로겐 함유 가스 및 불활성 가스를 공급하고, 상기 가스 분사부로 상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스를 공급할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각하는 단계에서, 상기 플라즈마 반응기로 상기 할로겐 함유 가스 및 불활성 가스를 공급하고, 또한 상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스를 공급할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각하는 단계에서, 상기 플라즈마 반응기로 상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스를 공급하고, 상기 가스 분사부로 상기 할로겐 함유 가스를 공급할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각하는 단계 후, 상기 패시베이션층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 패시베이션층은 적어도 상기 하지층의 노출된 부분 상에 형성되고, 상기 식각하는 단계에서 상기 복수의 제 2 절연층들은 상기 복수의 제 1 절연층들 및 상기 하지층에 대해서 선택적으로 식각될 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 복수의 제 1 절연층들은 실리콘 산화막을 포함하고, 상기 복수의 제 2 절연층들은 실리콘 질화막을 포함하고, 상기 하지층은 폴리실리콘층을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 식각하는 단계에서, 상기 할로겐 함유 가스가 상기 플라즈마 반응기에서 활성화되어 라디칼 형태로 상기 가스 분사부로 공급되고, 상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스가 비활성 상태로 상기 가스 분사부로 공급될 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스는 상기 플라즈마 반응기와 상기 가스 분사부를 연결하는 연결 배관을 통해서 상기 가스 분사부로 공급될 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 할로겐 함유 가스는 NF3 가스를 포함하고, 상기 수소 함유 가스는 NH3 가스를 포함하고, 상기 반응물은 암모늄 플루오라이드(NH3(HF)x)를 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 산소 함유 가스는 O2 가스, O3 가스 또는 N2O 가스를 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 장치를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 순서도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 기판의 개략적인 단면도들이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 기판의 개략적인 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 식각 단계에서 에천트의 성분을 보여주는 RGA 분석 결과이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 기판 처리부의 온도에 따른 절연막들의 식각 선택비를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 전처리 여부에 따른 각 층의 식각량을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 순서도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 기판의 개략적인 단면도들이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 기판의 개략적인 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 식각 단계에서 에천트의 성분을 보여주는 RGA 분석 결과이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 기판 처리부의 온도에 따른 절연막들의 식각 선택비를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 전처리 여부에 따른 각 층의 식각량을 보여주는 그래프이다.
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) 및 플라즈마 반응기(150)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. 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 AC 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 연결 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 공정 가스를 공급받고, 플라즈마 전력을 인가 받아 내부에 플라즈마 분위기를 형성하여, 공정 가스를 활성화시켜 라디칼을 생성할 수 있다. 이러한 라디칼은 연결 배관(152)을 통해서 가스 분사부(120)로 제공되고, 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상으로 분사될 수 있다. 선택적으로, 연결 배관(152)은 부산물의 생성 또는 흡착을 방지하기 위하여 가열될 수 있다. 예를 들어, 연결 배관(152)에는 히터 자켓 또는 히팅 테이프가 감겨 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 가스 분사부(120)는 플라즈마 반응기(150)를 통하지 않고 연결 배관(152)에 연결된 별도의 가스 배관(153)을 통해서 부가적인 공정 가스를 공급받을 수도 있다. 가스 배관(153)을 통해서 공급된 공정 가스와 플라즈마 반응기(150)를 통해서 공급된 공정 가스 또는 라디칼은 연결 배관(152)에서 혼합되거나 서로 반응할 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.
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 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 기판의 개략적인 단면도들이다.
도 3을 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 산화막을 포함하고, 제 2 절연층들(55)은 실리콘 질화막을 포함할 수 있다.
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 내지 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 기판 처리 방법에 따르면, 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상으로, 에천트를 공급하여, 제 1 절연층들(54)에 대해서 선택적으로 제 2 절연층들(55)을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 식각하는 단계(S20)에서, 에천트는 할로겐 함유 가스, 수소 함유 가스, 산소 함유 가스 및 할로겐 함유 가스와 수소 함유 가스가 반응하여 생성된 할로겐 및 수소를 함유하는 반응물을 포함할 수 있다. 에천트 내 반응물은 연결 배관(152) 내부, 가스 분사부(120) 내부 또는 공정 챔버(110) 내 반응 공간(112)에서 할로겐 함유 가스와 수소 함유 가스가 반응하여 생성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 플라즈마 반응기(150)로 불활성 가스를 공급하여, 플라즈마 반응기(150) 내 플라즈마 이그니션(plasma ignition) 공정을 수행할 수 있다.
일부 실시예들에서, 식각하는 단계(S20)에서, 할로겐 함유 가스 및 수소 함유 가스 중 적어도 하나의 가스는 플라즈마 반응기(150)에서 활성화되어 라디칼 형태로 가스 분사부(120)로 공급될 수 있다.
예를 들어, 식각하는 단계(S20)에서, 플라즈마 반응기(150)로 할로겐 함유 가스 및 불활성 가스를 공급하고, 가스 분사부(120)로 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 공급할 수 있다. 이에 따라, 할로겐 함유 가스가 플라즈마 반응기(150)에서 활성화되어 라디칼 형태로 가스 분사부(120)로 공급되고, 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스가 플라즈마 반응기(150)를 거치지 않고 가스 배관(153)을 통해서 비활성화 상태로 가스 분사부(120)로 공급될 수 있다.
보다 구체적으로 보면, 할로겐 함유 가스가 플라즈마 반응기(150)에서 활성화되어 라디칼 형태로 연결 배관(152)을 통해서 가스 분사부(120)로 공급되고, 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스가 가스 배관(153)을 통해서 연결 배관(152)으로 공급될 수 있다. 나아가, 할로겐 함유 가스의 라디칼과 수소 함유 가스는 연결 배관(152) 또는 가스 분사부(120)에서 서로 반응하여 할로겐 및 수소를 함유하는 반응물을 생성할 수도 있다.
다른 예로, 수소 함유 가스가 플라즈마 반응기(150)에서 활성화되어 라디칼 형태로 가스 분사부(120)로 공급되고, 할로겐 함유 가스 및 산소 함유 가스가 플라즈마 반응기(150)를 거치지 않고 가스 배관(153)을 통해서 비활성화 상태로 가스 분사부(120)로 공급될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 수소 함유 가스가 플라즈마 반응기(150)에서 활성화되어 라디칼 형태로 연결 배관(152)을 통해서 가스 분사부(120)로 공급되고, 할로겐 함유 가스 및 산소 함유 가스가 가스 배관(153)을 통해서 연결 배관(152)으로 공급될 수 있다. 나아가, 수소 함유 가스의 라디칼과 할로겐 함유 가스는 연결 배관(152) 또는 가스 분사부(120)에서 서로 반응하여 할로겐 및 수소를 함유하는 반응물을 생성할 수도 있다.
또 다른 예로, 식각하는 단계(S20)에서, 수소 함유 가스, 할로겐 함유 가스 및 산소 함유 가스 중 둘 이상 또는 모두가 플라즈마 반응기(150)를 통해서 가스 분사부(120)로 공급될 수도 있다. 이 경우, 이들 가스들 중 적어도 하나 또는 전부가 활성화되어 라디칼 형태로 플라즈마 반응기(150)에서 배출될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 반응기(150)로 할로겐 함유 가스 및 불활성 가스를 공급하고 또한 플라즈마 반응기(150)로 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 공급할 수 있다.
이 경우, 수소 함유 가스의 라디칼과 할로겐 함유 가스의 라디칼은 연결 배관(152) 또는 가스 분사부(120)에서 서로 반응하여 할로겐 및 수소를 함유하는 반응물을 생성할 수도 있다. 다만, 수소 함유 가스와 할로겐 함유 가스가 모두 플라즈마 반응기(150)에서 활성화되는 경우, 이들의 라디칼들이 플라즈마 반응기(150) 내에서 반응하여 반응물을 생성하여 플라즈마 반응기(150)에 부산물이 흡착될 우려가 있다.
따라서, 수소 함유 가스 및 할로겐 함유 가스 중 하나의 가스만 플라즈마 반응기(150)를 통해서 활성화시키고 나머지 가스들은 비활성 형태로 연결 배관(152) 또는 가스 분사부(120)로 공급함으로써 플라즈마 반응기(150)가 오염되는 것을 줄일 수 있다.
또 다른 예로, 식각하는 단계(S20)에서, 플라즈마 반응기(150)로 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 공급하고, 가스 분사부(120)로 할로겐 함유 가스를 공급할 수 있다. 이 경우, 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스가 플라즈마 반응기(150)에서 활성화되어 라디칼 형태로 가스 분사부(120)로 공급될 수 있다.
일부 실시예들에서, 할로겐 함유 가스는 불소계 또는 염소계 가스를 포함할 수 있고, 수소 함유 가스는 수소 및 질소를 모두 함유하는 가스를 포함할 수다. 보다 구체적인 예에서, 할로겐 함유 가스는 NF3 가스를 포함하고, 수소 함유 가스는 NH3 가스를 포함하고, 불활성 가스는 아르곤(Ar) 가스를 포함할 수 있다.
NF3 가스와 NH3 가스는 둘 중의 적어도 하나의 가스가 활성화된 상태에서 서로 반응하여 암모늄 플루오라이드(NH3(HF)x) 반응물을 생성할 수 있다. 이러한 암모늄 플루오라이드가 제 2 절연층들(55)을 주요하게 식각하는 에천트로 이용될 수 있다. NF3 가스, NH3 가스, Ar 가스를 가스 분사부(120)로 공급하고, NF3 가스 및 NH3 가스 중 적어도 하나를 활성화시키는 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, RGA 분석을 통해서 공정 챔버(110) 내 반응 공간(112)에는 Ar, NH3, HF 가스 외에 NH3(HF)3가 생성된 것을 알 수 있다.
나아가, 산소 함유 가스는 O2 가스, O3 가스 또는 N2O 가스를 포함할 수 있다. 산소 함유 가스는 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 적층막으로 구성된 복합막 패턴(56)에서 제 2 절연층들(55), 예컨대 실리콘 질화막을 식각할 때, 탑부(top portion)과 바닥부(bottom portion)에서 실리콘 질화막의 균일한 식각을 도와줄 수 있다.
예를 들어, 암모늄 플루오라이드에 상대적으로 전기 음성도가 높은 산소 함유 가스, 예컨대 O2 가스를 부가하여 상대적으로 약한 수소 결합에 산소 결합을 추가함으로써 불소의 이온화 효율을 감소시켜 불소에 의한 표면 개질 효율을 감소시키고 암모늄 플로우라이드가 복합막 패턴(56)의 바닥까지 열분해되지 않고 도달할 수 있도록 도와줄 수 있다. 이에 따라, 복합막 패턴(56)에서 실리콘 질화막 식각 시 수직 방향의 균일성을 높일 수 있다.
복합막 패턴(56)의 식각 시, 식각 선택비는 기판(S)의 온도, 즉 기판 지지부(130)의 온도에 의존할 수 있다. 도 10을 참조하면, 기판 지지부(130) 내 히터(182)의 온도에 따라서, 실리콘 질화막(SiN)과 실리콘 산화막(SiO2)의 식각량과 식각 선택비가 달라지는 것을 알 수 있다. 실리콘 산화막(SiO2)에 대해서 상대적으로 실리콘 질화막(SiN)을 선택적으로 식각하기 위해서, 히터(182) 또는 기판 지지부(130)의 온도는 100 oC 이상일 수 있고, 높은 식각 선택비를 얻기 위해서는 110 oC 이상으로 유지될 수 있다.
다만, 이러한 결과는 원자층증착(ALD)법에 의해서 증착된 실리콘 질화막(SiN)과 실리콘 산화막(SiO2)의 식각 결과이고, 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)법 등 다른 방법과 다른 조건에 의해서 형성된 실리콘 질화막(SiN)과 실리콘 산화막(SiO2)의 식각 시 식각 선택비에 대한 온도 범위는 달라질 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 방법을 보여주는 기판의 개략적인 단면도들이다. 이 실시예에 따른 기판 처리 방법은 도 3 내지 도 4의 기판 처리 방법을 참조할 수 있고, 두 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
도 1, 도 2 및 도 5 내지 도 8을 참조하면, 기판 처리 방법은 전처리 가스를 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상으로 공급하여 기판(S) 상에 패시베이션층(58)을 형성하는 전처리 단계(S10) 및 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상으로 에천트를 공급하여 제 1절연층들(54)에 대해서 선택적으로 제 2 절연층들(55)을 적어도 부분적으로 측방향으로 식각하는 단계(S20)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 기판 처리 방법은 식각하는 단계(S20) 후 패시베이션층(58)을 제거하는 단계(S30)를 더 포함할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 복합막 패턴(56)은 하지층(53) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 하지층(53)은 반도체 웨이퍼(52) 상에 형성되고, 복합막 패턴(56)은 하지층(53) 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하지층(53)은 폴리실리콘층을 포함할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 6을 참조하면, 전처리 단계(S10)에서 패시베이션층(58)이 기판(S) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(58)은 적어도 하지층(58)의 복합막 패턴(56)에 의해서 노출된 부분 상에 형성될 수 있다. 나아가, 패시베이션층(58)은 트렌치들(57)에 의해서 노출된 제 1 절연층들(54) 및 제 2 절연층들(55)의 측벽, 하지층(53)의 상면 및 복합막 패턴(56)의 상면 상에 형성될 수 있다.
보다 구체적으로 보면, 전처리 단계(S10)에서 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 포함하는 전처리 가스를 기판(S) 상으로 공급할 수 있다. 전처리 단계(S10)에서 전처리 가스 중 주로 산소 함유 가스가 기판(S)의 노출된 부분을 산화시킬 수 있다. 패시베이션층(58)은 하지층(53) 및 복합막 패턴(56) 상에서 서로 상이한 박막 및 상이한 두께로 형성될 수 있다.
예를 들어, 패시베이션층(58)은 하지층(53) 상에서 실리콘 산화막으로 형성될 수 있으나, 제 1 절연층들(54) 및 제 2 절연층들(55) 상에서는 별도의 박막으로 구분되지 않을 수 있다. 즉, 도 6에도 불구하고, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막의 적층막으로 구성된 복합막 패턴(56) 상에서 패시베이션층(58)은 별도의 층으로 구분되지 않고 표면 처리층이 될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전처리 단계(S10)는 산소-처리(O2-treatment) 단계로 불릴 수도 있고, 전처리 가스에서 수소 함유 가스가 생략될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 전처리 단계(S10)에서 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스는 비활성화 상태로 가스 분사부(120)로 공급될 수 있다. 예를 들어, 전처리 단계(S10)에서 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스는 가스 배관(153)을 통해서 연결 배관(152)으로 공급될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전처리 단계(S10)에서, 할로겐 함유 가스는 플라즈마 반응기(150)를 통해서 비활성 상태로 가스 분사부(120)로 공급되거나 또는 그 공급이 차단될 수 있다. 전처리 단계(S10)에서 할로겐 함유 가스는 실질적으로 필요하지 않으므로 그 공급이 차단되거나 또는 반응에 참여하지 않도록 비활성 상태로 공급될 수 있다. 다른 예로, 할로겐 함유 가스가 가스 배관(153)을 통해서 연결 배관(152)으로 비활성 상태로 공급될 수도 있다.
도 1, 도 2 및 도 7을 참조하면, 식각 단계(S20)에서 가스 분사부(120)를 통해서 기판(S) 상으로, 할로겐 함유 가스, 수소 함유 가스, 산소 함유 가스, 및 할로겐 및 수소를 함유하는 반응물을 포함하는 에천트를 공급하여, 제 1 절연층들(54)에 대해서 선택적으로 제 2 절연층들(55)을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각할 수 있다.
이 실시예의 식각 단계(S20)에 대해서는 도 3 및 도 4의 실시예서 식각 단계(S20)에 대한 설명을 참조할 수 있다.
패시베이션층(58)은 식각 단계(S20)에서 하지층(53)이 식각되는 것을 줄여주거나 방지할 수 있다. 나아가, 식각 단계(S20)에서 에천트로 암모늄 플루오라이드 외에 산소 함유 가스를 더 부가함으로써, 하지층(53) 상에 패시베이션층(58)이 지속적으로 부가 형성되게 할 수 있다. 이에 따라, 식각 단계(S20)에서 하지층(53) 상의 패시베이션층(58)이 일부 식각되더라도 지속적으로 보충되게 함으로써, 하지층(53)의 식각을 방지할 수 있다.
나아가, 제 2 절연층들(54) 상의 패시베이션층(58)은 실질적으로 별도의 층이 아닌 표면 처리층에 지나지 않다는 점에서, 식각 단계(S20)에서 제 2 절연층들(54) 상의 패시베이션층(58)은 제 2 절연층들(54)과 구분되지 않고 식각될 수 있다.
전술한 바와 같이, 식각 단계(S20)에서 할로겐 함유 가스, 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 같이 공급함으로써, 할로겐 및 수소를 함유하는 반응물을 생성하여 에천트로 이용함으로써, 복합막 패턴(56)에서 제 2 절연층들(55)을 하지층(53) 및 제 2 절연층들(54)에 대해서 선택적으로 식각할 수 있다. 식각 단계(S20)에서, 산소 함유 가스는 하지층(53)을 산화시켜 하지층(53)의 식각을 방지하는 역할뿐만 아니라 복합막 패턴(56)에서 제 2 절연층들(55)의 바닥부 및 탑부에서 식각 균일성을 높이는 데 기여할 수 있다.
일부 실시예들에서, 전술한 전처리 단계(S10)를 생략하고, 식각 단계(S20)가 수행될 수도 있다. 이 경우, 식각 단계(S20)에서 산소 가스에 의한 하지층(53)의 산화가 하지층(53)의 식각을 부분적으로 방지할 수 있다. 다만, 식각과 산화가 동시에 수행될 수 있다는 점에서, 하지층(53)이 부분적으로 식각되는 것을 배제하기 어려울 수 있다.
일부 실시예들에서, 식각 단계(S20)가 두 단계 이상으로 시간적으로 분리되어 수행될 수도 있다. 예를 들어, 전처리 단계(S10)의 후단에 식각 단계(S20)가 부분적으로 수행되고, 이어서 본격적으로 식각 단계(S20)가 이어질 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 8을 참조하면, 식각하는 단계(S20) 후에 패시베이션층(58)을 제거하는 단계(S30)가 수행될 수 있다. 예를 들어, 기판(S) 상에 산화물 식각 가스를 공급한 상태에서 어닐링 처리를 하여, 패시베이션층(58), 예컨대 실리콘 산화막을 제거할 수 있다. 예컨대, 산화물 식각 가스는 할라이드 라디칼 또는 NH4F 반응물을 포함할 수 있고, 나아가 H2 가스 및 O3 가스를 더 포함할 수도 있다. 이러한 분위기에서, 표면 산화물이 제거되면서 표면 세정이 수행될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 기판 처리 방법에서 전처리 여부에 따른 각 층의 식각량을 보여주는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 전처리가 생략된 경우 실리콘 질화막(SiN)이 식각되면서 하지층(53)으로 폴리실리콘층이 부분적으로 식각되지만, 전처리로 산소-처리(O2-treatment)를 부가한 경우 하지층(53)과 실리콘 산화막(SiO2)이 거의 식각되지 않으면서 실리콘 질화막(SiN)이 높은 선택비로 식각되는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 장치(100) 및 기판 처리 방법에 따르면, 복합막 패턴(56)에서 제 1 절연층들(54)에 대해서 상대적으로 높은 선택비로 제 2 절연층들(55)을 균일하게 식각할 수 있고, 나아가 하지층(53)의 식각을 줄이거나 방지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 기판 처리 장치
110: 공정 챔버
120: 가스 분사부
130: 기판 지지부
140: 플라즈마 전원
150: 플라즈마 반응기
110: 공정 챔버
120: 가스 분사부
130: 기판 지지부
140: 플라즈마 전원
150: 플라즈마 반응기
Claims (11)
- 하지층과 상기 하지층 상에 적어도 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 분사부를 통해서 상기 기판 상으로 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 포함하는 전처리 가스를 공급하여 패시베이션층을 형성하는 전처리 단계; 및
상기 가스 분사부를 통해서 상기 기판 상으로, 할로겐 함유 가스, 수소 함유 가스, 산소 함유 가스 및 상기 할로겐 함유 가스와 상기 수소 함유 가스가 반응하여 생성된 할로겐 및 수소를 함유하는 반응물을 포함하는 에천트를 공급하여, 상기 복수의 제 1 절연층들에 대해서 선택적으로 상기 복수의 제 2 절연층들을 측방향으로 적어도 부분적으로 식각하는 단계를 포함하고,
상기 식각하는 단계에서, 상기 할로겐 함유 가스 및 상기 수소 함유 가스 중 적어도 하나의 가스는 상기 플라즈마 반응기에서 활성화되어 라디칼 형태로 상기 가스 분사부로 공급되는,
기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각하는 단계에서, 상기 플라즈마 반응기로 상기 할로겐 함유 가스 및 불활성 가스를 공급하고, 상기 가스 분사부로 상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스를 공급하는, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각하는 단계에서, 상기 플라즈마 반응기로 상기 할로겐 함유 가스 및 불활성 가스를 공급하고, 또한 상기 플라즈마 반응기로 상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스를 공급하는, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각하는 단계에서, 상기 플라즈마 반응기로 상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스를 공급하고, 상기 가스 분사부로 상기 할로겐 함유 가스를 공급하는, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각하는 단계 후, 상기 패시베이션층을 제거하는 단계를 포함하는, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 패시베이션층은 적어도 상기 하지층의 노출된 부분 상에 형성되고,
상기 식각하는 단계에서 상기 복수의 제 2 절연층들은 상기 복수의 제 1 절연층들 및 상기 하지층에 대해서 선택적으로 식각되는,
기판 처리 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 절연층들은 실리콘 산화막을 포함하고,
상기 복수의 제 2 절연층들은 실리콘 질화막을 포함하고,
상기 하지층은 폴리실리콘층을 포함하는,
기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각하는 단계에서,
상기 할로겐 함유 가스가 상기 플라즈마 반응기에서 활성화되어 라디칼 형태로 상기 가스 분사부로 공급되고,
상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스가 비활성 상태로 상기 가스 분사부로 공급되는,
기판 처리 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스는 상기 플라즈마 반응기와 상기 가스 분사부를 연결하는 연결 배관을 통해서 상기 가스 분사부로 공급되는, 기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 할로겐 함유 가스는 NF3 가스를 포함하고,
상기 수소 함유 가스는 NH3 가스를 포함하고,
상기 반응물은 암모늄 플루오라이드(NH3(HF)x)를 포함하는,
기판 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 산소 함유 가스는 O2 가스, O3 가스 또는 N2O 가스를 포함하는, 기판 처리 방법.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220154021A KR20240071927A (ko) | 2022-11-16 | 2022-11-16 | 기판 처리 방법 |
| CN202310889902.4A CN118053746A (zh) | 2022-11-16 | 2023-07-19 | 基板处理方法 |
| US18/449,996 US20240162046A1 (en) | 2022-11-16 | 2023-08-15 | Substrate processing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220154021A KR20240071927A (ko) | 2022-11-16 | 2022-11-16 | 기판 처리 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240071927A true KR20240071927A (ko) | 2024-05-23 |
Family
ID=91028714
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220154021A KR20240071927A (ko) | 2022-11-16 | 2022-11-16 | 기판 처리 방법 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240162046A1 (ko) |
| KR (1) | KR20240071927A (ko) |
| CN (1) | CN118053746A (ko) |
-
2022
- 2022-11-16 KR KR1020220154021A patent/KR20240071927A/ko unknown
-
2023
- 2023-07-19 CN CN202310889902.4A patent/CN118053746A/zh active Pending
- 2023-08-15 US US18/449,996 patent/US20240162046A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN118053746A (zh) | 2024-05-17 |
| US20240162046A1 (en) | 2024-05-16 |
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