WO2022124604A1 - 실리콘 함유막의 에칭 방법 및 이를 포함한 반도체 디바이스의 제조방법 - Google Patents

실리콘 함유막의 에칭 방법 및 이를 포함한 반도체 디바이스의 제조방법 Download PDF

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pressure
film
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곽정훈
권병향
조용준
권기청
김우재
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광운대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a method for etching a silicon-containing film and a method for manufacturing a semiconductor device including the same, and more particularly, to an etching method for etching a silicon-containing film by direct plasma using an etching gas containing F 3 NO, and the etching method It relates to a method of manufacturing a semiconductor device, including
  • a series of processes such as deposition, etching, and cleaning are performed. These processes are performed in a deposition apparatus (eg, a CVD apparatus), an etching apparatus, or a cleaning apparatus having a process chamber.
  • the double etching process is a process of forming an ultra-fine structure of a desired shape by selectively removing a portion of a thin film formed on a substrate by a deposition process or the like.
  • a vapor phase etching gas reacts with a thin film to be etched, for example, a silicon-containing film to form a highly volatile reaction dispersion, thereby removing a portion of the thin film.
  • a plasma etching method using plasma is mainly used. Plasma increases the reactivity by making the etching gas into highly reactive active species or radicals.
  • direct plasma technology such as capacitive coupled plasma (CCP) or inductive coupled plasma (ICP) is employed.
  • CCP capacitive coupled plasma
  • ICP inductive coupled plasma
  • the direct plasma technique or direct plasma refers to a technique for directly generating plasma in a process chamber, which is a substrate processing space, or the generated plasma.
  • CCP is largely divided into plasma etching (Plasma Etching, PE) or PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) method and reactive ion etching (RIE) or reactive ion deposition (Reactive Ion Chemical Vapor Deposition), and ICP is It is divided into Remote Plasma (RP) and Direct ICP (Helical, TCP, ECR, Helicone Plasma Source, etc.) and includes both of them in direct plasma.
  • PE plasma etching
  • PECVD Pullasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • RIE reactive ion etching
  • Reactive Ion Chemical Vapor Deposition reactive Ion Chemical Vapor Deposition
  • ICP is It is divided into Remote Plasma (RP) and Direct ICP (Helical, TCP, ECR, Helicone Plasma Source, etc.) and includes both of them in direct plasma.
  • the film quality to be etched should have a high etch rate, whereas the film quality not to be etched should have a low etch rate. There were limits.
  • the etching gas used in the etching process is required to have as little influence on the global environment as possible without emitting harmful gases after the etching process.
  • perfluoro compound gases such as CF 4 , C 2 F 6 , SF 6 , and NF 3 have been used in large quantities as the etching gas.
  • the conventional perfluoro compound etching gas it is difficult to treat the waste gas discharged after the etching process, and accordingly, it is expensive to lower it to an acceptable level before discharge to the atmosphere.
  • the conventional perfluoro compound etching gas is a stable compound with a long lifespan in the atmosphere, and since it has a very high global warming potential, it is pointed out as a major factor in global warming.
  • Patent Document 1 Registered Patent Publication No. 10-2010466
  • the present invention is to solve the problems of the prior art, and a method capable of etching a silicon-containing film with a high selectivity by activating an etching gas containing F 3 NO, which is environmentally friendly, with a relatively low global warming potential, by direct plasma, and
  • An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device including the same.
  • a method for etching a silicon-containing film comprising: introducing a substrate including a first silicon-containing film and a second silicon - containing film into a process chamber of an etching apparatus; supplying at least one etching gas; generating a direct plasma in the process chamber by applying a predetermined power to the process chamber maintained at a predetermined pressure; and activation of the etching gas activated by the direct plasma etching the first silicon-containing film on the substrate by radical, wherein the predetermined pressure is such that a slope of the etch rate of the first silicon-containing film with respect to the pressure is an etch rate of the second silicon-containing film. It is characterized in that the slope and the sign of the pressure are set within a different predetermined range.
  • the first silicon-containing film is a silicon nitride film
  • the second silicon-containing film is a silicon oxide film, characterized in that.
  • the predetermined pressure is greater than the intermediate value within the range in which the slope of the etch rate of the silicon nitride film with respect to the pressure is positive and the slope of the etch rate of the silicon oxide film with respect to the pressure of the pressure is negative. It is characterized in that it is set to a value.
  • the predetermined pressure is characterized in that it is within the range of 1 mTorr ⁇ 10 Torr, more preferably, it is characterized in that 200 mTorr ⁇ 270 mTorr.
  • the predetermined power is characterized in that it is in the range of 10W or more and 50,000W or less, and more preferably, it is characterized in that it is 240W or more and 320W or less.
  • a semiconductor device manufacturing method includes a deposition step of forming a silicon-containing film including a first silicon-containing film and a second silicon-containing film on a substrate, and using the etching method according to an aspect of the present invention. and an etching step of etching the silicon-containing film.
  • a silicon-containing film such as a silicon nitride film can be etched with a high selectivity by controlling the pressure and applied power during direct plasma generation while using an environmentally friendly etching gas containing F 3 NO.
  • FIGS. 1A and 1B are schematic diagrams of an etching apparatus for performing an etching method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart of an etching method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a graph illustrating an etch rate according to a pressure and applied power of a silicon oxide layer.
  • FIG. 4 is a graph illustrating an etch rate according to a pressure and applied power of a silicon nitride layer.
  • FIG 5 is a graph showing the etching selectivity of the silicon nitride film to the silicon oxide film according to the pressure and applied power.
  • FIG. 1a and 1b show an etching apparatus 1 for carrying out an etching method according to an embodiment of the present invention.
  • the etching apparatus 1 is a capacitively coupled plasma apparatus capable of generating a direct plasma, and plasma P is directly generated in the process chamber 10 of the etching apparatus 1 through plasma discharge. .
  • the etching apparatus 1 includes a shower head 20 serving as an electrode and an RF power source connected to the shower head 20, and the RF power source includes an RF generator 30 and an impedance matching network 40 (Impedance Matching) Network: I.M.N.).
  • the RF power source includes an RF generator 30 and an impedance matching network 40 (Impedance Matching) Network: I.M.N.).
  • the shower head 20 of the etching apparatus 1 is disposed above the inside of the process chamber 10 , and is used to supply an etching gas or a control gas into the process chamber 10 .
  • the RF generator 30 generates RF power, and the impedance matching network 40 adjusts the impedance to stabilize the plasma.
  • the etching apparatus 1 includes a stage 50 holding a substrate S as a processing object at a lower portion in the process chamber 10 .
  • the stage 50 of the etching apparatus 1 is grounded and functions as a ground electrode.
  • a heating wire 510 or a heater electrode may be disposed inside the stage 410 to control the temperature of the substrate S.
  • the stage 50 may include fixing means (eg, an electrostatic chuck, etc.) capable of fixing the substrate S during the etching process.
  • radical (R) ions When the plasma P is generated, components such as radical (R) ions, electrons, and ultraviolet rays may also be generated from the etching gas. At least one of these radicals (R) and components such as ions, electrons, and ultraviolet rays may be used for etching. Basically, the radical (R) is electrically neutral and the ion is electrically polar. Accordingly, when the plasma P is used for the etching process, the radicals R are used to isotropically etch the etching target, and the ions are used to anisotropically etch the etching target.
  • the etching apparatus 1 of FIG. 1A has a structure in which RF power is connected to the shower head 20, but the etching apparatus 1 is not limited thereto.
  • an RF power supply may be additionally connected to the stage 50 as shown in FIG. 1B .
  • the etching apparatus 1 of this embodiment may have a form in which an ICP apparatus is combined.
  • a coil antenna may be disposed in the etching apparatus 1 , and an RF power source may be connected to the coil antenna.
  • the etching apparatus 1 of the present embodiment may have a form in which a remote plasma apparatus is combined.
  • FIG. 2 is a flowchart of an etching method using direct plasma according to the present embodiment.
  • the substrate S on which the silicon-containing film is formed is loaded into the process chamber 10 of the etching apparatus 1 through a gate valve (not shown).
  • the substrate S is placed on the stage 50 in the etching apparatus 1 (S01).
  • the silicon-containing film formed on the substrate S includes at least a silicon nitride film (SiNx, a first silicon-containing film) and a silicon oxide film (SiO 2 , a second silicon-containing film).
  • the etching method of the present invention is not limited thereto, and other silicon-containing films (eg, polysilicon, silicide, etc.) may be included.
  • an etching gas including F 3 NO is supplied into the process chamber 10 through the shower head 20 (S02).
  • a control gas eg, H 2 O, H 2 , HBr, etc.
  • the concentration of active species generated in the direct plasma of F 3 NO can be adjusted, thereby controlling the etching selectivity of the silicon-containing film to be etched.
  • an inert gas such as Ar may be additionally supplied.
  • direct plasma is generated in the process chamber 10 ( S03 ).
  • the silicon oxide film It is possible to maximize the etching selectivity of the silicon nitride film to In the embodiment of the present invention, since F 3 NO is used as the etching gas, active species such as F, F 2 , FNO, and NO are generated in the direct plasma generated in the process chamber 10 .
  • the silicon nitride film can be etched with a high selectivity to the silicon oxide film.
  • the substrate S on which the etching process is completed is unloaded from the process chamber 10 and transferred to the next process.
  • FIG. 3 shows a silicon oxide film according to pressure and applied power when direct plasma is generated while flowing F 3 NO having a purity of 99.99% into the etching apparatus 1 at a flow rate of 120 sccm in the direct plasma generation step S03 (S03) SiO 2 ) is a graph showing the etch rate
  • FIG. 4 is an oxide film of a silicon nitride film (SiNx) with respect to pressure and applied power when a direct plasma is generated under the same conditions as in the case of FIG. 3 in the plasma generating step (S03). It is a graph showing the etch rate of .
  • the etch rate decreases in inverse proportion to the pressure in the process chamber 10 . That is, in FIG. 3 , the slope (tangential slope) of the etch rate graph with respect to pressure is negative. Accordingly, the higher the pressure, the lower the etching rate of the silicon oxide film by the direct plasma of the etching gas containing F3NO.
  • the applied power during direct plasma generation is 240W
  • the pressure during direct plasma generation is increased to 200 mTorr or less, compared to the case where the pressure condition is 130 mTorr, the etch rate of the silicon oxide film is reduced by about 18%. If the pressure during direct plasma generation is further increased to 270 mTorr, the etch rate of the silicon oxide film is lowered, but the absolute value of the slope becomes smaller.
  • the applied power of the etching gas containing F 3 NO is increased to 320 W, the overall concentration of active species is increased, so the overall etch rate is increased compared to the case where the power is 240 W, but when the direct plasma is generated As the pressure of , the etch rate of the silicon oxide film decreases, and therefore, the slope of the graph of the etch rate with respect to the pressure is negative as in the case of 240W.
  • the etch rate of the silicon nitride film is different from the etch rate of the silicon oxide film, when the direct plasma is generated.
  • the overall increase in proportion to the pressure of That is, in FIG. 4 , the slope (tangential slope) of the etch rate graph with respect to the pressure is positive, unlike the graph of FIG. 3 . Therefore, the higher the pressure in the direct plasma generation, the higher the etch rate of the silicon nitride film by the direct plasma of the etching gas containing F3NO.
  • the etch rate of the silicon nitride film increases by about 14% compared to the case where the pressure condition is 130 mTorr.
  • the pressure condition is further increased to 270 mTorr, the etch rate of the silicon nitride film is further increased by about 15% compared to the case of 200 mTorr.
  • the etch rate of the silicon nitride film itself does not change significantly compared to the case where the applied power is 240W.
  • the etch rate of the silicon nitride film generally increases as the pressure during direct plasma generation increases, and thus, the slope of the graph of the etch rate with respect to the pressure is generally positive.
  • the pressure is increased from 130 mTorr to 200 mTorr, the etch rate of the silicon nitride film hardly changes, and when the pressure is further increased to 270 mTorr, the etch rate sharply increases by nearly 30%.
  • the etch rate of the silicon oxide film should be as low as possible and the etch rate of the silicon nitride film should be as high as possible.
  • the etching selectivity of the silicon nitride film to the silicon oxide film can be greatly improved by adjusting the pressure and the applied power during direct plasma generation of the etching gas containing F 3 NO.
  • the etching selectivity of the silicon nitride film to the silicon oxide film can be increased as the pressure during direct plasma generation of the etching gas containing F 3 NO is increased. This is because, as described above, in the pressure range of 130 mTorr to 270 mTorr, the slope of the graph of the etch rate with respect to the pressure of the silicon oxide film is negative, whereas the slope of the graph of the etch rate with respect to the pressure of the silicon nitride film is positive.
  • the intermediate value of the pressure range (in Figs. 3 and 5, By setting the pressure condition to a value greater than 200 mTorr), it is possible to increase the possible etching selectivity.
  • the present invention is not limited thereto, and even if the sign of the slope of the graph of the etch rate with respect to pressure is the same, if the absolute values of the slope of the etch rate according to the pressure of the silicon nitride layer and the silicon nitride layer are different from each other, the pressure condition is adjusted This makes it possible to increase the etching selectivity of the silicon nitride film to the silicon oxide film.
  • the etch rate of the silicon oxide film increases as the pressure increases
  • increase the pressure in the pressure range as much as possible to obtain the etching selectivity can be made larger
  • the etch rate of the silicon oxide film does not substantially change as the pressure increases and the etch rate of the silicon nitride film increases as the pressure increases in the corresponding pressure range
  • the pressure in this pressure range by appropriately adjusting the pressure in this pressure range, the It is possible to increase the etching selectivity of the silicon nitride film.
  • a pressure range in which the rate of change of the etch rates of the silicon nitride film and the oxide film is different is found, and the pressure condition can be selected so that the etching selectivity is maximized.
  • the pressure range is exemplified as 130 mTorr to 270 mTorr, considering the gradient of the etch rate of the silicon nitride film and the silicon oxide film according to the pressure, and maximizing the etching selectivity, but the present invention provides this pressure range (and application power range), and may be similarly applied to other pressure ranges with a large difference in the slope of the etch rate according to the pressure.
  • the pressure range may be any range capable of increasing the etching selectivity within the range of 1 mTorr to 10 Torr.
  • the etch rate of the silicon oxide film is greatly increased, whereas the relative increase rate of the silicon oxide film is small. Accordingly, as can be seen from FIG. 5 , under the same pressure condition, the lower the applied power for direct plasma generation, the higher the etching selectivity of the silicon nitride film to the silicon oxide film. However, since the etch rate of the silicon nitride film decreases as the applied power is lowered, when the etch selectivity is increased by adjusting the applied power, it is preferable to determine the applied power so that the etch rate does not excessively decrease.
  • the applied power is exemplified in the range of 240W or more and 320W or less, but the present invention is not limited thereto.
  • the range of the applied power may be any range capable of increasing the etching selectivity within the range of 10 W or more and 50,000 W or less.
  • a semiconductor device can be manufactured on a substrate by using the above-described etching method of the present invention.
  • a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a deposition step of depositing a silicon-containing film including a silicon nitride film (first silicon-containing film) and a silicon oxide film (second silicon-containing film) on a substrate; , etching the silicon nitride film with a high selectivity to the silicon oxide film using the etching method according to the present invention described above.

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Abstract

본 발명에 따른 실리콘 함유막의 에칭 방법은, 에칭 장치의 공정 챔버내로 제1 실리콘 함유막 및 제2 실리콘 함유막을 포함하는 기판을 도입하는 단계와, 상기 공정 챔버에 F3NO를 포함하는 적어도 하나의 에칭 가스를 공급하는 단계와, 소정의 압력으로 유지되는 상기 공정 챔버에 소정의 파워를 인가하여 상기 공정 챔버내에 다이렉트 플라즈마를 생성하는 단계와, 상기 다이렉트 플라즈마에 의해 활성화된 에칭 가스의 활성종(radical)에 의해 상기 기판상의 상기 제1 실리콘 함유막을 에칭하는 단계를 포함하며, 상기 소정의 압력은, 상기 제1 실리콘 함유막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기가 상기 제2 실리콘 함유막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기와 그 부호가 다른 소정의 범위내로 설정되는 것을 특징으로 한다.

Description

실리콘 함유막의 에칭 방법 및 이를 포함한 반도체 디바이스의 제조방법
본 발명은 실리콘 함유막의 에칭 방법 및 이를 포함하는 반도체 디바이스의 제조방법에 관한 것으로, 특히, F3NO를 포함하는 에칭가스를 사용하여 다이렉트 플라즈마에 의해 실리콘 함유막을 에칭하는 에칭 방법 및 그 에칭 방법을 포함한 반도체 디바이스의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기판상에 반도체 디바이스를 제조하기 위하여, 증착, 에칭, 세정 등의 일련의 공정들이 행해진다. 이러한 공정들은 공정 챔버를 구비한 증착 장치(예컨대, CVD 장치), 에칭 장치 또는 세정 장치에서 행해진다. 이중 에칭 공정은 증착 공정 등에 의해 기판상에 성막된 박막의 일부분을 선택적으로 제거함으로써 원하는 형태의 초미세 구조물을 형성하는 공정이다.
에칭 공정, 특히, 드라이 에칭 공정에서는 기상의 에칭 가스가 에칭 대상인 박막, 예컨대, 실리콘 함유막과 반응하여 휘발성이 강한 반응분산물을 형성함으로써 박막의 일부분을 제거한다. 에칭 가스와 에칭 대상인 박막과의 반응성을 더욱 높이기 위해, 플라즈마를 활용하는 플라즈마 에칭 방법이 주로 사용되고 있다. 플라즈마는 에칭 가스를 반응성이 강한 활성종 또는 라디칼로 만들어 반응성을 증가시킨다.
플라즈마를 활용한 드라이 에칭에서는 용량성 결합 플라즈마(Capacitive Coupled Plasma, CCP)나 유도성 결합 플라즈마(Inductive Coupled Plasma, ICP)와 같은 다이렉트 플라즈마(Direct plasma) 기술이 채용되고 있다. 여기서, 다이렉트 플라즈마 기술 또는 다이렉트 플라즈마는 기판 처리 공간인 공정 챔버 내에서 플라즈마를 직접 생성하는 기술 또는 그 생성된 플라즈마를 의미한다. 또한 CCP는 크게 플라즈마 에칭(Plasma Etching, PE) 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법과 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE) 또는 반응성 이온 증착(Recative Ion Chemical Vapor Deposion)으로 구분되고, ICP는 원격 플라즈마(Remote Plasma, RP)와 다이렉트 ICP(Helical, TCP, ECR, Helicone Plasma Source등이 이에 속함)로 구분되어 다이렉트 플라즈마에 모두 포함된다.
에칭 공정에서는, 에칭하고자 하는 막질은 높은 에치 레이트 (Etch Rate)을 가져야 하는 반면, 에칭을 원하지 않는 막질은 낮은 에치 레이트를 가져야 하는데, 종래, 다이렉트 플라즈마를 이용한 에칭의 경우, 에칭 선택비의 개선에 한계가 있었다.
또한, 에칭 공정에서 사용되는 에칭 가스는 에칭 공정후 유해한 가스를 배출하지 않고 지구환경에의 영향이 가능한 적을 것이 요구된다.
종래 에칭가스로서 CF4, C2F6, SF6, NF3 등 퍼플루오로 화합물 가스가 대량으로 사용되어 왔다. 그러나, 종래의 퍼플루오로 화합물 에칭 가스는 에칭 공정후 배출되는 폐가스의 처리가 힘들며, 이에 따라 대기중에 배출하기 전에 이를 허용 레벨까지 낮추는데 큰 처리비용이 든다. 또한, 종래의 퍼플루오로 화합물 에칭 가스는 대기중에서 수명이 긴 안정한 화합물이어서, 지구온난화지수가 매우 높기 때문에, 지구온난화의 주요한 요인으로 지적되고 있다.
이에 따라, 지구온난화지수가 낮으면서도 실리콘 함유막에 대한 에칭 성능이 우수한 대체 에칭 가스가 요구되고 있으며, 그 중의 하나로서, 특허문헌 1에 기재된 F3NO 가 알려져 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 등록특허공보 10-2010466
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지구 온난화 지수가 상대적으로 낮은 친환경의 F3NO를 포함하는 에칭 가스를 다이렉트 플라즈마에 의해 활성화하여 실리콘 함유막을 높은 선택비로 에칭할 수 있는 방법 및 이를 포함하는 반도체 디바이스 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 따른 실리콘 함유막의 에칭 방법은, 에칭 장치의 공정 챔버내로 제1 실리콘 함유막 및 제2 실리콘 함유막을 포함하는 기판을 도입하는 단계와, 상기 공정 챔버에 F3NO를 포함하는 적어도 하나의 에칭 가스를 공급하는 단계와, 소정의 압력으로 유지되는 상기 공정 챔버에 소정의 파워를 인가하여 상기 공정 챔버내에 다이렉트 플라즈마를 생성하는 단계와, 상기 다이렉트 플라즈마에 의해 활성화된 에칭 가스의 활성종(radical)에 의해 상기 기판상의 상기 제1 실리콘 함유막을 에칭하는 단계를 포함하며, 상기 소정의 압력은, 상기 제1 실리콘 함유막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기가 상기 제2 실리콘 함유막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기와 그 부호가 다른 소정의 범위내로 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제1 실리콘 함유막은 실리콘 질화막이고, 상기 제2 실리콘 함유막은 실리콘 산화막인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 소정의 압력은, 실리콘 질화막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기가 플러스이고 실리콘 산화막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기가 마이너스인 범위내에서 그 중간값보다 큰 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 소정의 압력은 1mTorr ~ 10 Torr의 범위내인 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 200mTorr ~ 270mTorr인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 소정의 파워는 10W 이상 50,000W 이하의 범위내인 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 240W 이상 320W이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 태양에 따른 반도체 디바이스 제조방법은, 기판상에 제1 실리콘 함유막 및 제2 실리콘 함유막을 포함하는 실리콘 함유막을 형성하는 증착 단계와, 본 발명의 일 태양에 따른 에칭 방법을 사용하여 실리콘 함유막을 에칭하는 에칭 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 친환경인 F3NO를 포함하는 에칭 가스를 사용하면서도 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력 및 인가 파워를 조절함으로써, 실리콘 질화막 등과 같은 실리콘 함유막을 높은 선택비로 에칭할 수 있다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에칭 방법을 수행하기 위한 에칭 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에칭 방법의 흐름도이다.
도 3은 실리콘 산화막의 압력 및 인가파워에 따른 에치 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실리콘 질화막의 압력 및 인가파워에 따른 에치 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 5는 압력 및 인가파워에 따른 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 에칭 선택비를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에칭 방법을 실시하기 위한 에칭 장치(1)를 도시한다.
에칭 장치(1)는, 다이렉트 플라즈마를 생성할 수 있는 용량 결합형 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 장치로서, 플라즈마 방전을 통해 플라즈마(P)가 에칭 장치(1)의 공정 챔버(10) 내에 직접 생성된다.
이를 위해, 에칭 장치(1)는 전극의 역할을 겸하는 샤워 헤드(20) 및 샤워 헤드(20)에 연결된 RF 전원을 포함하며, RF 전원은 RF 생성기(30) 및 임피던스 매칭 네트워크(40, Impedance Matching Network: I.M.N.)를 포함한다.
에칭 장치(1)의 샤워 헤드(20)는 공정 챔버(10) 내부의 상부에 배치되며, 에칭 가스나 제어 가스를 공정 챔버(10) 내로 공급하는데 사용된다.
RF 생성기(30)는 RF 전원을 생성하고, 임피던스 매칭 네트워크(40)는 임피던스를 조절하여 플라즈마를 안정화한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 에칭 장치(1)는 처리 대상물인 기판(S)을 보유지지하는 스테이지(50)를 공정 챔버(10)내의 하부에 포함한다. 에칭 장치(1)의 스테이지(50)는 접지되어, 접지 전극으로서 기능한다. 스테이지(410) 내부에는 열선(510) 또는 히터 전극 등이 배치되어, 기판(S)의 온도를 조절할 수 있다. 또한, 도 1a 및 1b에 도시하지 않았으나, 스테이지(50)는 에칭 공정 동안 기판(S)을 고정할 수 있는 고정 수단(예컨대, 정전척 등)을 포함할 수 있다.
스테이지(50)가 접지된 상태에서, 샤워 헤드(20)에 소정의 파워의 RF 전원을 인가하면, 샤워헤드(20)와 스테이지(50) 사이에 강한 교번 전기장이 생성되어 플라즈마(P)가 생성된다. 다이렉트 CCP 형태의 에칭 장치의 경우, RF 전원의 파워를 높이면 활성종의 농도가 높아져서, 에치 레이트가 커진다.
플라즈마(P)를 발생시키면, 에칭 가스로부터 라디칼(R) 이온, 전자, 자외선 등의 성분들도 생성될 수 있다. 이러한 라디칼(R)과 이온, 전자, 자외선 등의 성분들 중 적어도 하나가 식각 이용될 수 있다. 기본적으로 라디칼(R)은 전기적으로 중성이고 이온은 전기적으로 극성을 갖는다. 그에 따라, 플라즈마(P)가 식각 공정에 이용되는 경우, 라디칼(R)은 에칭 대상을 등방성으로 에칭할 때 이용하고, 이온은 에칭 대상을 이방성으로 에칭할 때 이용한다.
도 1a의 에칭 장치(1)는 샤워 헤드(20)에 RF 전원을 연결하는 구조를 가지나, 에칭 장치(1)는 이에 한정되지 않으며, 라디칼에 의한 화학적 에칭뿐만 아니라 플라즈마내의 이온의 물리적인 충돌에 의한 에칭을 함께 행하기 위해, 도 1b에 도시한 바와 같이, 스테이지(50)에도 RF 전원이 추가적으로 연결될 수도 있다.
또한, 본 실시예의 에칭 장치(1)는 ICP 장치가 복합된 형태를 가질 수도 있다. 이 경우, 에칭 장치(1)에는 코일 안테나가 배치될 수 있고, 그러한 코일 안테나에 RF 전원이 연결될 수 있다. 또한, 본 실시예의 에칭 장치(1)는 리모트 플라즈마 장치가 결합한 형태를 가질 수도 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 다이렉트 플라즈마를 이용한 에칭 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 다이렉트 플라즈마를 이용한 에칭 방법은, 먼저, 에칭 장치(1)의 공정 챔버(10)내로 도시하지 않은 게이트 밸브를 통해 실리콘 함유막이 형성된 기판(S)을 반입하여, 에칭 장치(1)내의 스테이지(50)상에 기판(S)을 재치한다(S01). 여기서, 기판(S)에 형성된 실리콘 함유막은 적어도 실리콘 질화막(SiNx, 제1 실리콘 함유막) 및 실리콘 산화막(SiO2, 제2 실리콘 함유막)을 포함한다. 다만, 본 발명의 에칭 방법은 이에 한정되지 않으며, 다른 실리콘 함유막(예컨대, 폴리 실리콘, 실리사이드막 등)을 포함할 수 있다.
이어서, 공정 챔버(10)내로 F3NO를 포함한 에칭 가스를 샤워 헤드(20)를 통해 공급한다(S02). 이때, F3NO 이외에 제어 가스(예컨대, H2O, H2, HBr 등)를 추가로 공급하여도 된다. 수소원자를 포함하는 제어 가스를 혼합하면, F3NO의 다이렉트 플라즈마내에 생성되는 활성종의 농도를 조절할 수 있으며, 이에 의해 에칭 대상인 실리콘 함유막의 에칭 선택비를 조절할 수 있다. 또한, 물리적 충돌에 의한 에칭을 함께 행하는 경우(예컨대, 반응성 이온 에칭)에는, Ar과 같은 비활성 가스를 추가로 공급하여도 된다. Ar을 혼합하면 이온 충돌이 증가하여 물리적 에칭에 의한 에칭 속도 및 이방성이 향상되며, Ar+ 이온빔이 실리콘 함유막의 실리콘 원자들 사이의 결합을 파괴하여 에칭 가스의 활성종과의 반응의 활성화 에너지(activation energy)를 낮추므로, 활성종에 의한 화학적 에칭 속도도 향상시킬 수 있다. CF4나 NF3와 같은 종래의 퍼플루오로 에칭 가스의 경우 F 활성종의 농도를 높여 에칭 속도를 높이기 위해 O2를 함께 혼합하는 경우가 있으나, 본 발명의 에칭 방법에 있어서는 F3NO를 메인 에칭 가스로 사용하므로, O2를 별도로 혼합하지 않아도 충분히 에칭속도를 증가시킬 수 있다.
이어서, 적정 압력 및 온도 조건하에서 에칭 장치(1)에 RF 생성기(30)를 통해 적정 파워를 인가함으로써, 공정 챔버(10)내에 다이렉트 플라즈마를 생성한다(S03). 도 3 내지 도 5를 참조하여 후술하는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에칭 방법에 있어서는, F3NO를 포함하는 에칭 가스의 다이렉트 플라즈마 생성시에 압력 및 인가파워를 조절함으로써, 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 에칭 선택비를 극대화할 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서는 에칭 가스로서 F3NO가 사용되므로, 공정 챔버(10)내에 생성된 다이렉트 플라즈마내에는 F, F2, FNO, NO 등의 활성종이 생성된다.
공정 챔버(10)내에 생성된 다이렉트 플라즈마내의 활성종은 스테이지(50)에 재치된 기판(S)상의 실리콘 함유막과 반응하여 에칭 대상인 실리콘 함유막을 선택적으로 에칭한다(S04). 본 발명의 실시예의 에칭방법에 의하면, 실리콘 질화막을 실리콘 산화막에 대해 높은 선택비로 에칭할 수 있다.
에칭 공정이 완료된 기판(S)은 공정 챔버(10)로부터 반출되어 다음 공정으로 반송된다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, F3NO를 포함하는 에칭가스의 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력 및 인가파워에 따른, 실리콘 함유막의 에치 레이트 및 에칭 선택비에 대하여 설명한다.
도 3은, 다이렉트 플라즈마 생성 단계(S03)에서, 에칭 장치(1)내로 99.99%의 순도를 가지는 F3NO를 120sccm의 유량으로 흘리면서 다이렉트 플라즈마를 생성하였을 경우의 압력과 인가파워에 따른 실리콘 산화막(SiO2)의 에치 레이트를 나타내는 그래프이며, 도 4는, 플라즈마 생성 단계(S03)에서 도 3의 경우와 동일한 조건하에서 다이렉트 플라즈마를 생성하였을 경우의 압력 및 인가 파워에 대한 실리콘 질화막(SiNx)의 산화막의 에치 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 플라즈마 생성 단계(S03)에서의 압력 및 인가 파워에 따른 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 에칭 선택비를 나타낸다.
도 3에 도시한 바와 같이, F3NO를 포함하는 에칭 가스의 다이렉트 플라즈마에 의한 실리콘 산화막의 에칭에 있어서, 에치 레이트는 공정 챔버(10)내의 압력에 반비례하여 작아진다. 즉, 도 3에 있어서 압력에 대한 에치 레이트 그래프의 기울기(접선 기울기)는 마이너스이다. 따라서, 압력이 높아질수록 F3NO를 포함하는 에칭 가스의 다이렉트 플라즈마에 의한 실리콘 산화막의 에칭 레이트는 낮아진다.
예컨대, 다이렉트 플라즈마 생성시의 인가 파워가 240W인 경우, 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력이 200mTorr 이하로 높아지면 압력조건이 130mTorr인 경우에 비해, 실리콘 산화막의 에치 레이트는 약 18% 정도 감소한다. 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력을 270mTorr로 더욱 높이면, 실리콘 산화막의 에치 레이트는 낮아지기는 하나 그 기울기의 절대값은 작아진다.
F3NO를 포함하는 에칭 가스의 다이렉트 플라즈마 생성시의 인가 파워를 320W로 올리면, 전반적으로 활성종의 농도가 높아지기 때문에, 파워가 240W인 경우에 비해 전반적으로 에치 레이트가 증가하지만, 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력이 증가할수록 실리콘 산화막의 에치 레이트는 감소하며, 따라서, 압력에 대한 에치 레이트의 그래프의 기울기는 240W의 경우와 마찬가지로 마이너스이다.
한편, 도 4에 도시한 바와 같이, F3NO를 포함하는 에칭 가스의 다이렉트 플라즈마에 의한 실리콘 질화막의 에칭에 있어서, 실리콘 질화막의 에치 레이트는, 실리콘 산화막의 에치 레이트와는 달리, 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력에 비례하여 전반적으로 커진다. 즉, 도 4에 있어서 압력에 대한 에치 레이트 그래프의 기울기(접선 기울기)는, 도 3의 그래프와는 달리, 플러스이다. 따라서, 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력이 높아질수록 F3NO를 포함하는 에칭 가스의 다이렉트 플라즈마에 의한 실리콘 질화막의 에치 레이트는 높아진다.
예컨대, 다이렉트 플라즈마 생성시의 인가 파워가 240W인 경우, 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력이 200mTorr 이하로 높아지면 압력조건이 130mTorr인 경우에 비해, 실리콘 질화막의 에치 레이트는 약 14% 정도 증가한다. 압력조건을 270mTorr까지 더욱 높이면, 실리콘 질화막의 에치 레이트는 200mTorr인 경우에 비해, 약 15% 정도 추가로 증가한다.
다이렉트 플라즈마 생성시의 인가 파워를 320W로 올리면, 실리콘 산화막의 에치 레이트의 거동과는 달리, 실리콘 질화막의 에치 레이트 자체는 인가 파워가 240W인 경우에 비해 에치 레이트가 크게 변하지 않는다. 다만, 인가 파워가 240W인 경우와 마찬가지로 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력이 증가함에 따라 전반적으로 실리콘 질화막의 에치 레이트는 증가하며, 따라서, 압력에 대한 에치 레이트의 그래프의 기울기는 전반적으로 플러스이다. 다만, 압력이 130mTorr에서 200mTorr로 증가하는 동안에는, 실리콘 질화막의 에치 레이트는 거의 변화하지 않으며, 압력이 270mTorr로 더욱 증가하면, 에치 레이트가 30% 가까이 급격히 증가한다.
NAND나 DRAM과 같은 반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 에칭 선택비를 가능한 크게 하여야 하는 경우가 있다. 이를 위해서는, 동일한 조건에서 실리콘 산화막의 에치 레이트를 가능한 낮게 하고, 실리콘 질화막의 에치 레이트를 가능한 높게 하여야 한다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, F3NO를 포함하는 에칭가스의 다이렉트 플라즈마에 의한 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막의 에칭에 있어서, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막의 압력/인가 파워에 대한 에치 레이트 거동은 서로 다르다. 따라서, 이를 이용하여, F3NO를 포함하는 에칭 가스의 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력 및 인가 파워를 조절함으로써 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 에칭 선택비를 크게 향상시킬 수 있다.
즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 동일한 인가 파워의 경우, F3NO를 포함하는 에칭 가스의 다이렉트 플라즈마 생성시의 압력을 높게 할수록 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 에칭 선택비를 크게 할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이, 130mTorr ~ 270mTorr의 압력 범위내에서 실리콘 산화막의 압력에 대한 에치 레이트의 그래프의 기울기가 마이너스인데 비해, 실리콘 질화막의 압력에 대한 에치 레이트의 그래프의 기울기가 플러스이기 때문이다. 즉, 실리콘 질화막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기가 플러스이고 실리콘 산화막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기가 마이너스인 조건을 만족하는 압력 범위내에서 해당 압력 범위의 중간값(도 3 및 도 5에서는, 200mTorr)보다 큰 값으로 압력조건을 설정함으로써, 가능한 에칭 선택비를 증가시킬 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 압력에 대한 에치 레이트의 그래프의 기울기의 부호가 동일하다고 하더라도 실리콘 질화막 및 실리콘 질화막의 압력에 따른 에치 레이트의 기울기의 절대값이 서로 다르다면, 압력조건을 조절함으로써, 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 에칭 선택비를 크게 할 수 있다. 예컨대, 압력이 증가함에 따라 실리콘 산화막의 에치 레이트가 증가하는 압력 범위라도, 해당 압력 범위에서 압력이 증가함에 따라 실리콘 질화막의 에치 레이트가 더 가파르게 증가한다면 해당 압력범위에서 압력을 가능한 크게 하여 에칭 선택비를 크게 할 수 있다. 또한, 압력이 증가함에 따라 실리콘 산화막의 에치 레이트가 실질적으로 변하지 않고 해당 압력범위에서 압력이 증가함에 따라 실리콘 질화막의 에치 레이트가 증가한다면, 이러한 압력범위에서도 압력을 적절히 조절함으로써, 마찬가지로 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 에칭 선택비를 증가시킬 수 있다.
즉, 소정의 압력범위에서 압력이 증가함에 따라 실리콘 질화막 및 산화막의 에치 레이트의 변화율이 다른 압력 범위를 찾아내어, 에칭 선택비가 극대화되도록 압력조건을 선택할 수 있다.
도 3 내지 도 5에서는 압력범위를 130mTorr 내지 270mTorr로 예시하여, 압력에 따른 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 에치 레이트의 기울기를 고려하여, 에칭 선택비를 극대화하고 있으나, 본 발명은 이러한 압력범위(및 인가파워 범위)에 한정되지 않으며, 압력에 따른 에치레이트의 기울기의 차가 큰 다른 압력 범위에서도 마찬가지로 적용될 수 있다. 예컨대, 압력범위는 1 mTorr ~ 10 Torr 범위내에서 에칭 선택비를 증가시킬 수 있는 임의의 범위이면 된다.
한편, 동일한 압력조건하에서 다이렉트 플라즈마 생성을 위한 인가 파워를 증가시킬수록, 실리콘 산화막은 에치 레이트가 크게 증가하는데 비해, 실리콘 산화막은 상대적인 증가율이 작다. 따라서, 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 동일한 압력조건하에서는 다이렉트 플라즈마 생성을 위한 인가 파워가 낮을수록 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 에칭 선택비가 증가한다. 다만, 인가 파워를 낮춤에 따라 실리콘 질화막의 에치 레이트가 감소하게 되므로, 인가 파워를 조절하여 에칭 선택비를 증가시키는 경우에는, 에치 레이트가 지나치게 감소하지 않도록 인가 파워를 결정하는 것이 바람직하다. 도 3 내지 도 5에서는 인가파워를 240W 이상 320W 이하의 범위로 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 인가 파워의 범위는, 10 W 이상 50,000W 이하의 범위내에서 에칭 선택비를 증가시킬 수 있는 임의의 범위이면 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 본 발명의 에칭 방법을 사용하여, 기판상에 반도체 디바이스를 제조할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 디바이스의 제조방법은, 기판상에 실리콘 질화막(제1 실리콘 함유막) 및 실리콘 산화막(제2 실리콘 함유막)을 포함하는 실리콘 함유막을 증착하는 증착단계와, 상술한 본 발명에 따른 에칭 방법을 사용하여, 실리콘 질화막을 실리콘 산화막에 대해 높은 선택비로 에칭하는 단계를 포함한다.

Claims (10)

  1. 실리콘 함유막의 에칭 방법으로서,
    에칭 장치의 공정 챔버내로 제1 실리콘 함유막 및 제2 실리콘 함유막을 포함하는 기판을 도입하는 단계와,
    상기 공정 챔버에 F3NO를 포함하는 적어도 하나의 에칭 가스를 공급하는 단계와,
    소정의 압력으로 유지되는 상기 공정 챔버에 소정의 파워를 인가하여 상기 공정 챔버내에 다이렉트 플라즈마를 생성하는 단계와,
    상기 다이렉트 플라즈마에 의해 활성화된 에칭 가스의 활성종(radical)에 의해 상기 기판상의 상기 제1 실리콘 함유막을 에칭하는 단계를 포함하며,
    상기 소정의 압력은, 상기 제1 실리콘 함유막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기가 상기 제2 실리콘 함유막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기와 그 부호가 다른 소정의 범위내로 설정되는 것을 특징으로 하는 실리콘 함유막의 에칭 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 실리콘 함유막은 실리콘 질화막이고, 상기 제2 실리콘 함유막은 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 실리콘 함유막의 에칭 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소정의 압력은, 실리콘 질화막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기가 플러스이고 실리콘 산화막의 에치 레이트의 압력에 대한 기울기가 마이너스인 범위내에서 그 중간값보다 큰 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 실리콘 함유막의 에칭 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소정의 압력은 1 mTorr ~ 10 Torr의 범위내인 것을 특징으로 하는 실리콘 함유막의 에칭 방법.
  5. 제4항에 있어서
    상기 소정의 압력은 200mTorr 이상 270mTorr 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 함유막의 에칭 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 소정의 파워는 10 W 이상 50,000W 이하의 범위내인 것을 특징으로 하는 실리콘 함유막의 에칭 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 소정의 파워는 240W 이상 320W이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 함유막의 에칭 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에칭 장치는 다이렉트 CCP 장치인 것을 특징으로 하는 실리콘 함유막의 에칭 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 에칭 가스는 수소원자를 포함하는 제어가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 함유막의 에칭 방법.
  10. 기판상에 제1 실리콘 함유막 및 제2 실리콘 함유막을 포함하는 실리콘 함유막을 형성하는 증착 단계와,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 에칭 방법을 사용하여 실리콘 함유막을 에칭하는 에칭 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조방법.
PCT/KR2021/016462 2020-12-09 2021-11-11 실리콘 함유막의 에칭 방법 및 이를 포함한 반도체 디바이스의 제조방법 WO2022124604A1 (ko)

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