WO2024029776A1 - 헵타플루오로프로필 메틸 에테르와 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 이용한 플라즈마 식각 방법 - Google Patents

헵타플루오로프로필 메틸 에테르와 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 이용한 플라즈마 식각 방법 Download PDF

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WO2024029776A1
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methyl ether
hfe
plasma
thin film
etching method
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김창구
유상현
이유종
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아주대학교산학협력단
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    • C09K13/00—Etching, surface-brightening or pickling compositions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
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    • H01L21/3105—After-treatment
    • H01L21/311—Etching the insulating layers by chemical or physical means
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere

Definitions

  • the present invention relates to a plasma etching method using heptafluoropropyl methyl ether and heptafluoroisopropyl methyl ether, which have a low global warming potential, as discharge gases.
  • the demand for structures with a high aspect ratio is increasing due to the increased density of integrated circuits and miniaturization of devices.
  • high aspect ratio structures are fabricated on an insulating layer to electrically separate them from the conductive layer.
  • a method of plasma etching silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) is widely used. It is being used.
  • the plasma etching process of silicon oxide or silicon nitride mainly uses perfluorocarbon (PFC) gas such as CF 4 , C 2 F 6 , C 3 F 6 , C 3 F 8 , and C 4 F 8 .
  • PFC gas generates various active species by plasma.
  • a fluorocarbon thin film, a carbon-based polymer is deposited on the surface of the substrate by CF can be improved.
  • the fluorocarbon thin film deposited during plasma etching may hinder the diffusion of reactive ions and radicals, thereby inhibiting the etching rate, and may also be excessively deposited on the wall of the etched structure, causing etch stop, etc. If this happens, not only is the etching not done to the desired etching depth, but there is a problem in that the diameter of the bottom of the etched structure decreases compared to the diameter of the mask.
  • PFC is one of the six major greenhouse gases (CO 2 , CH 4 , N 2 O, HFC, PFC, SF 6 ), and is chemically stable, has a long average residence time in the atmosphere, and has a global warming potential (GWP).
  • GWP global warming potential
  • One object of the present invention is to provide a plasma etching method using heptafluoropropyl methyl ether and heptafluoroisopropyl methyl ether, which have a low global warming potential, as discharge gases, which can replace conventional PFC gases with a high global warming potential. It is provided.
  • the plasma etching method includes a first step of vaporizing liquid heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) and liquid heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy), respectively, the vapor
  • a first container containing the liquid heptafluoropropyl methyl ether is added to the heptafluoropropyl methyl ether. It may be heated to a first temperature higher than the boiling point of ether, and a connection pipe connecting the first container and the plasma chamber may be heated to a second temperature higher than the first temperature.
  • a second container containing the liquid heptafluoroisopropyl methyl ether is added to the heptafluoro. It may be heated to a third temperature higher than the boiling point of isopropyl methyl ether, and the connection pipe connecting the second container and the plasma chamber may be heated to a fourth temperature higher than the third temperature.
  • the mixed gas and argon gas are supplied to the plasma chamber at a flow ratio of 1:2, and in the mixed gas, vaporized heptafluoropropyl methyl ether and vaporized heptafluoroisopropyl methyl ether Can be supplied to the plasma chamber at a flow rate ratio of 1:3 to 3:1.
  • a bias voltage of -800 to -1200 V may be applied to the substrate supporting the etching target in the plasma chamber.
  • the object to be etched may be a semiconductor substrate on which an amorphous carbon layer (ACL) is formed and a silicon oxide thin film or silicon nitride thin film is formed on the silicon substrate.
  • ACL amorphous carbon layer
  • the mixed gas and argon gas are supplied to the plasma chamber at a flow ratio of 1:2, and in the mixed gas, vaporized heptafluoropropyl methyl ether and vaporized heptafluoroisopropyl methyl ether Can be supplied to the plasma chamber at a flow rate ratio of 1:2.3 to 2.3:1.
  • the etch selectivity of the silicon oxide thin film or silicon nitride thin film with respect to the silicon substrate may be 7.5 or more.
  • the etch selectivity of the silicon oxide thin film or silicon nitride thin film with respect to the amorphous carbon layer (ACL) may be 10 or more.
  • a bias voltage of -800 to -1200 V is applied to the substrate supporting the etching object in the plasma chamber, and as the applied bias voltage increases, the silicon substrate and the amorphous
  • the etch selectivity of the silicon oxide thin film or silicon nitride thin film to the amorphous carbon layer (ACL) may be reduced.
  • heptafluoropropyl methyl ether and heptafluoroisopropyl methyl ether which have a low global warming potential, as discharge gases in the plasma etching process, it is more environmentally friendly and has the effect of reducing national greenhouse gases,
  • an optimal high aspect ratio etched structure can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a plasma etching device capable of performing a plasma etching method according to an embodiment of the present invention.
  • SiO 2 to 5 show the SiO 2 thin film and Si 3 according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate ratio at various bias voltages in the plasma etching process for each of the SiO 2 thin film, Si 3 N 4 thin film, poly-Si, and ACL.
  • This is a graph measuring the change in etch rate of N 4 thin film, poly-Si, and amorphous carbon layer (ACL).
  • Figure 6 is a graph showing the etch selectivity of the SiO 2 thin film to ACL according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate ratio at various bias voltages.
  • Figure 7 is a graph showing the etch selectivity of the Si 3 N 4 thin film to ACL according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate ratio at various bias voltages.
  • Figure 8 is a graph showing the etch selectivity of the SiO 2 thin film to poly-Si according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate ratio at various bias voltages.
  • Figure 9 is a graph showing the etch selectivity of the Si 3 N 4 thin film to poly-Si according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate ratio at various bias voltages.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a plasma etching device capable of performing a plasma etching method according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma etching method involves adding heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) and heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy) to a plasma chamber where an etching object is placed. It may include the step of plasma etching the etching target by providing a discharge gas including a mixed gas and argon (Ar) gas.
  • a discharge gas including a mixed gas and argon (Ar) gas.
  • the etching target is not particularly limited, but may be silicon oxide, silicon nitride, etc., which generally function as an insulating layer in the semiconductor device manufacturing process.
  • the object to be etched may be silicon oxide such as silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride such as Si 3 N 4 .
  • the heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) is a material composed of 4 carbons, 3 hydrogens, 1 oxygen, and 7 fluorines. It has a boiling point of about 34°C and can exist in a liquid state at room temperature.
  • the heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy) is a material composed of 4 carbons, 3 hydrogens, 1 oxygen, and 7 fluorines. It has a boiling point of about 29°C and can exist in a liquid state at room temperature.
  • the plasma etching method according to the embodiment of the present invention may be performed using the etching device shown in FIG. 1.
  • the etching device 100 may include a plasma chamber 110, a first container 120, a second container 130, and a third container 140.
  • the plasma chamber 110 may be coupled to the plasma source 115 and may have a discharge space that accommodates an etching target ('wafer') therein.
  • the discharge space may receive discharge gas from the first to third containers 120, 130, and 140, and the plasma source 115 may generate plasma by applying a discharge voltage to the discharge gas.
  • the first to third containers 120, 130, and 140 may be connected to the plasma chamber 110 through first to third connection pipes 125, 135, and 145.
  • the first container 120 may contain heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) in a liquid state
  • the second container 130 may contain heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy) in a liquid state. ) can be accommodated, and argon gas can be accommodated in the third container 140.
  • heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) contained in the first container 120 has a boiling point of 34°C and exists in liquid form at room temperature
  • liquid heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) is used in the plasma.
  • heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) may be vaporized and then provided to the discharge space of the plasma chamber 110.
  • the vaporization of heptafluoropropyl methyl ether is carried out using the first container 120 and the first container (120) containing liquid heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3).
  • 120) and the first connection pipe 125 connecting the plasma chamber 110 may be heated to a temperature higher than the boiling point of heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3).
  • the first container 120 contains the heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) so that the flow rate of the heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) provided to the plasma chamber 110 does not fluctuate. It can be heated to a first temperature that is higher than the boiling point of propyl methyl ether (HFE-347mcc3), and the first connection pipe 125 can be heated to a second temperature that is higher than the first temperature.
  • the first container 120 may be heated to a temperature of about 70 to 80°C using a heating jacket, and the first connection pipe 125 may be heated to a temperature of about 85 to 95°C. can be heated.
  • a mass flow controller is installed at the outlet of the first connection pipe 125 to discharge a constant flow rate of the vaporized heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) into the plasma chamber 110. It can be provided in space.
  • heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy) contained in the second container 130 has a boiling point of 29°C and exists in liquid form at room temperature
  • liquid heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy) In order to uniformly flow into the plasma chamber 110, heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy) may be vaporized and then provided to the discharge space of the plasma chamber 110.
  • the vaporization of heptafluoroisopropyl methyl ether is carried out using the second container 130 and the second container 130 containing liquid heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy). This may be performed by heating the second connection pipe 135 connecting the vessel 130 and the plasma chamber 110 to a temperature higher than the boiling point of heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy).
  • the second container 130 contains the heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy) so that the flow rate of the heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy) provided to the plasma chamber 110 does not fluctuate. It can be heated to a third temperature that is higher than the boiling point of fluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy), and the second connection pipe 135 can be heated to a fourth temperature that is higher than the third temperature.
  • the second container 130 may be heated to a temperature of about 70 to 80°C using a heating jacket, and the first connection pipe 125 may be heated to a temperature of about 85 to 95°C. can be heated.
  • a mass flow controller is installed at the outlet of the second connection pipe 135 to supply the vaporized heptafluoroisopropyl methyl ether (HFE-347mmy) at a constant flow rate to the plasma chamber 110. It can be provided in the discharge space.
  • Argon gas contained in the third container 140 is provided to the discharge space of the plasma chamber 110 through the third connection pipe 145, which is different from the first and second connection pipes 125 and 135. You can.
  • the plasma density can be increased and anisotropic etching can be performed on the etching object through ion bombardment.
  • electropositive Ar is added to electronegative fluorocarbon plasma, the plasma density is improved, resulting in heptafluoropropyl methyl ether (HFE-347mcc3) and heptafluoroisopropyl methyl.
  • Decomposition of precursors such as ether (HFE-347mmy) increases, which greatly affects the gas phase and surface chemistry.
  • a representative change in surface chemistry due to the addition of Ar is a decrease in the fluorine content of steady-state fluorocarbons formed on the surface.
  • Ar is positive, it is accelerated to a negatively charged wafer and bombards it with ions, and thus, anisotropic etching can proceed when a hole is formed in the wafer.
  • the flow ratio of vaporized heptafluoropropyl methyl ether and vaporized heptafluoroisopropyl methyl ether in the mixed gas is supplied to the plasma chamber 110 at a flow rate of 1:2.3 to 2.3:1.
  • the etch selectivity of the silicon oxide thin film or silicon nitride thin film with respect to the silicon substrate may be 7.5 or more, and the etch selectivity of the silicon oxide thin film or silicon nitride thin film with respect to the amorphous carbon layer (ACL) may be 10 or more.
  • a bias voltage applied to the substrate supporting the etching object may be a voltage of about -800V to -1200V. If the bias voltage is less than -800V, a problem may occur where the etch rate for the etch object is too low, and if the bias voltage is greater than -1200V, there is no additional improvement in the etch rate and only increases power consumption. Problems may arise.
  • the object to be etched is a semiconductor substrate on which an amorphous carbon layer (ACL) is formed and a silicon oxide thin film or silicon nitride thin film is formed
  • a mixed gas having the same flow rate is supplied.
  • the etch selectivity of the silicon oxide thin film or silicon nitride thin film with respect to the silicon substrate and an amorphous carbon layer (ACL) may decrease.
  • the increase in the etching rate of the silicon substrate and the amorphous carbon layer (ACL) is greater than the increase in the etching rate of the silicon oxide thin film or silicon nitride thin film. Because it's big.
  • the source power applied to the plasma source 115 to generate plasma of the discharge gas may be about 200W or more. If the source power is less than 200W, a problem may occur in which the etch rate for the etch target is significantly low. Meanwhile, in order to reduce power consumption, the source power applied to the plasma source 115 may be about 200 W or more and less than 1000 W.
  • GWP Global Warming Potential Since the plasma etching process is performed by applying gas as a discharge gas along with Ar gas, greenhouse gas emissions can be significantly reduced compared to the plasma etching process using existing PFC gas, and plasma etching can also be performed with excellent etching characteristics. You can.
  • the etch selectivity of the silicon oxide thin film with respect to the silicon substrate and the amorphous carbon layer (ACL), and the etch selectivity with respect to the silicon substrate and the amorphous carbon layer (ACL) Due to the high etch selectivity of silicon nitride thin films, when plasma etching is performed using a hole pattern mask including an amorphous carbon layer (ACL) as the etching target, the difference between the diameter of the hole pattern mask and the diameter of the etched structure is almost It is possible to form a high aspect ratio etched structure that is absent or slightly high. A more detailed description of this will be provided below with reference to embodiments of the present invention.
  • Plasma etching is performed on the ACL, SiO 2 thin film, and Si 3 N 4 thin film formed on the surface of the silicon substrate under various conditions using a mixed gas of heptafluoropropyl methyl ether, heptafluoroisopropyl methyl ether, and argon as a discharge gas. did.
  • a mixed gas of heptafluoropropyl methyl ether, heptafluoroisopropyl methyl ether, and argon as a discharge gas.
  • the first canister containing liquid heptafluoropropyl methyl ether was heated to 75°C.
  • the connection line connecting the first canister and the etching chamber was heated to 90°C.
  • the second canister containing liquid heptafluoroisopropyl methyl ether was heated to 75°C
  • the connection line connecting the second canister and the etching chamber was heated to 90°C.
  • FIG. 2 is the result of measuring the SiO 2 etch rate
  • the etch rate of the SiO 2 thin film according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate was almost constant at 0/10/20 ⁇ 7.5/2.5/20 sccm, and at 10/0/20 sccm. showed a decreasing result.
  • the etch rate of Si 3 N 4 thin film according to HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate was almost constant at 0/10/20 ⁇ 7.5/2.5/20 sccm, and 10/0/20 A decrease in sccm was observed.
  • the etch rate of poly-Si according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate tends to decrease as HFE-347mcc3 increases in the range of 0/10/20 to 5/5/20 sccm. showed a tendency to increase as HFE-347mcc3 increased in the range of 6/4/20 to 10/0/20 sccm.
  • the etch rate of ACL according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate tended to decrease as HFE-347mcc3 increased in the range of 0/10/20 to 5/5/20 sccm.
  • Figure 6 is a graph showing the etch selectivity of the SiO 2 thin film to ACL according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate ratio at various bias voltages under the conditions listed in Table 2 above.
  • the SiO 2 /ACL etch selectivity according to the flow rate of HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar increases in the range of 0/10/20 to 5/5/20 sccm for HFE-347mcc3. It tended to increase as HFE-347mcc3 increased in the range of 6/4/20 to 10/0/20 sccm, and tended to decrease as HFE-347mcc3 increased.
  • the SiO 2 /ACL etch selectivity was highest when the flow rate of HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar was 5/5/20 sccm.
  • the increase in the ACL etching rate is greater than the increase in the SiO 2 etching rate, so the SiO 2 /ACL etch selectivity decreases as the bias voltage increases.
  • Figure 7 is a graph showing the etch selectivity of the Si 3 N 4 thin film to ACL according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate ratio at various bias voltages under the conditions shown in Table 2 above.
  • the Si 3 N 4 /ACL etch selectivity according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate is HFE-347mcc3 in the range of 0/10/20 to 5/5/20 sccm. It tended to increase as HFE-347mcc3 increased in the range of 6/4/20 to 10/0/20 sccm, and it tended to decrease as HFE-347mcc3 increased.
  • the Si 3 N 4 /ACL etch selectivity was highest when the flow rate of HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar was 5/5/20 sccm.
  • the increase in the ACL etching rate is greater than the increase in the Si 3 N 4 etching rate, so the Si 3 N 4 /ACL etch selectivity decreases as the bias voltage increases.
  • Figure 8 is a graph showing the etch selectivity of the SiO 2 thin film to poly-Si according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate ratio at various bias voltages under the conditions listed in Table 2 above.
  • the SiO 2 /poly-Si etch selectivity according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate is HFE-347mcc3 in the range of 0/10/20 to 5/5/20 sccm. It tended to increase as HFE-347mcc3 increased in the range of 6/4/20 to 10/0/20 sccm, and it tended to decrease as HFE-347mcc3 increased.
  • the SiO 2 /poly-Si etch selectivity was highest when the flow rate of HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar was 5/5/20 sccm.
  • the increase in the poly-Si etching rate is greater than the increase in the SiO 2 etching rate, so the SiO 2 /poly-Si etch selectivity decreases as the bias voltage increases.
  • Figure 9 is a graph showing the etch selectivity of the Si 3 N 4 thin film to poly-Si according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate ratio at various bias voltages under the conditions shown in Table 2 above.
  • the Si 3 N 4 /poly-Si etch selectivity according to the HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar flow rate is HFE in the range of 0/10/20 to 5/5/20 sccm. It tended to increase as -347mcc3 increased, and tended to decrease as HFE-347mcc3 increased in the range of 6/4/20 to 10/0/20 sccm.
  • the Si 3 N 4 /poly-Si etch selectivity was highest when the flow rate of HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar was 5/5/20 sccm.

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Abstract

플라즈마 식각 방법이 개시된다. 플라즈마 식각 방법은 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)과 액상의 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)를 각각 증기화시키는 제1 단계, 상기 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 상기 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 포함하는 혼합가스와 아르곤 가스를 포함하는 방전가스를 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 공급하는 제2 단계, 및 상기 방전가스를 방전시켜 플라즈마를 생성하고, 이를 이용하여 상기 식각 대상을 플라즈마 식각하는 제3 단계를 포함할 수 있다.

Description

헵타플루오로프로필 메틸 에테르와 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 이용한 플라즈마 식각 방법
본 발명은 지구 온난화 지수가 낮은 헵타플루오로프로필 메틸 에테르와 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 방전 가스로 이용한 플라즈마 식각 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스에서 집적 회로의 고밀도화, 소자의 미세화로 인해 종횡비(Aspect Ratio)가 높은 구조에 대한 요구가 증가하고 있다. 일반적으로 고종횡비 구조는 도전층과 전기적으로 분리하기 위한 절연층에 제작되는데, 이러한 고종횡비 구조를 제조하기 위해 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(Si3N4)을 플라즈마 식각하는 방법이 널리 이용되고 있다. 현재 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물의 플라즈마 식각 공정에서는 주로 CF4, C2F6, C3F6, C3F8, C4F8 등과 같은 과불화탄소(Perfluorocarbon, PFC) 가스를 이용한다. PFC 가스는 플라즈마에 의해 다양한 활성종을 생성하는데, 이때, CFx 활성종에 의한 탄소계 폴리머인 불화탄소 박막을 기판 표면에 증착시켜 마스크를 보호하고 식각제의 소스 역할을 하여 마스크와의 선택비를 향상시킬 수 있다.
그러나, 플라즈마 식각 시 증착되는 불화탄소 박막은 두께에 따라 반응성 이온 및 라디칼의 확산을 방해하여 식각속도를 저해할 수도 있고, 또한 식각 구조물의 벽면에 과도하게 증착되어 식각 정지(Etch Stop) 등이 발생되면 원하는 식각 깊이만큼 식각이 되지 않을 뿐만 아니라 마스크의 직경보다 식각 구조물의 바닥의 직경이 감소하는 현상이 발생하는 문제가 있다.
또한, PFC는 6대 온실가스(CO2, CH4, N2O, HFC, PFC, SF6) 중 하나로, 화학적으로 안정하여 대기 중 평균 체류시간이 길고 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)가 CO2 대비 6500배 이상으로 매우 높아 적은 양의 배출로도 지구온난화 효과가 크다는 문제가 있으나, 반도체 소자 제조에서 식각공정의 비중이 증가함에 따라 PFC 가스의 연간 배출량은 계속해서 증가하고 있는 실정이다. 이에, PFC 가스의 배출량을 감소시키기 위하여 배출되는 PFC 가스 분해, 분리, 회수 기술 등 다양한 방법으로 배출 비중을 낮추고 있기는 하지만, GWP가 높은 PFC 가스의 사용에 따른 원천적인 한계가 있다.
때문에, 종래의 PFC 가스를 대체할 수 있고 낮은 GWP를 가져 친환경적이며 우수한 식각 특성을 가져 고종횡비 식각 구조물을 형성할 수 있는 새로운 식각제 및 이를 이용한 플라즈마 식각 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 일 목적은 높은 지구 온난화 지수를 갖는 종래의 PFC 가스를 대체할 수 있는 낮은 지구온난화 지수를 갖는 헵타플루오로프로필 메틸 에테르와 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 방전가스로 이용한 플라즈마 식각 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법은 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)과 액상의 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)를 각각 증기화시키는 제1 단계, 상기 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 상기 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 포함하는 혼합가스와 아르곤 가스를 포함하는 방전가스를 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 공급하는 제2 단계, 및 상기 방전가스를 방전시켜 플라즈마를 생성하고, 이를 이용하여 상기 식각 대상을 플라즈마 식각하는 제3 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르를 증기화한 후 상기 플라즈마 챔버에 제공하기 위해, 상기 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르를 수용하는 제1 용기를 상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르의 끓는점 이상의 제1 온도로 가열하고, 상기 제1 용기와 상기 플라즈마 챔버를 연결하는 연결 배관을 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 액상의 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 증기화한 후 상기 플라즈마 챔버에 제공하기 위해, 상기 액상의 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 수용하는 제2 용기를 상기 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르의 끓는점 이상의 제3 온도로 가열하고, 상기 제2 용기와 상기 플라즈마 챔버를 연결하는 연결 배관을 상기 제3 온도보다 높은 제4 온도로 가열할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 혼합가스 및 아르곤 가스는 1:2 의 유량비로 상기 플라즈마 챔버에 공급되고, 상기 혼합가스 중 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르는 1:3 ~ 3:1 의 유량비로 상기 플라즈마 챔버에 공급될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계 동안 상기 플라즈마 챔버 내에서 상기 식각 대상을 지지하는 기판에는 -800 내지 -1200V의 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 식각 대상은 실리콘 기판 상에 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)이 형성되고, 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막이 형성된 반도체 기판일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 혼합가스 및 아르곤 가스는 1:2 의 유량비로 상기 플라즈마 챔버에 공급되고, 상기 혼합가스 중 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르는 1:2.3 ~ 2.3:1 의 유량비로 상기 플라즈마 챔버에 공급될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계 후, 실리콘 기판에 대한 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각선택비는 7.5 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계 후, 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)에 대한 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각선택비는 10 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계 동안 상기 플라즈마 챔버 내에서 상기 식각 대상을 지지하는 기판에는 -800 내지 -1200V의 바이어스 전압이 인가되고, 상기 인가되는 바이어스 전압 크기가 증가할수록 상기 실리콘 기판 및 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)에 대한 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각선택비는 감소할 수 있다.
본 발명에 따르면, 지구 온난화 지수가 낮은 헵타플루오로프로필 메틸 에테르와 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 방전가스로 하여 플라즈마 식각 공정에 이용함으로써, 보다 친환경적이고 국가 온실가스 감축할 수 있는 효과가 있으며, 특히, 반도체 제조 공정에 응용함으로써 최적의 고종횡비 식각 구조물을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법을 수행할 수 있는 플라즈마 식각 장치의 개략도이다.
도 2 내지 5는 SiO2 박막, Si3N4 박막, poly-Si, ACL 각각에 대한 플라즈마 식각 공정에서, 여러 바이어스 전압에서 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 SiO2 박막, Si3N4 박막, poly-Si, 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)의 식각 속도의 변화를 각각 측정한 그래프이다.
도 6은 여러 바이어스 전압에서 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 ACL에 대한 SiO2 박막의 식각 선택비를 나타낸 그래프이다.
도 7은 여러 바이어스 전압에서 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 ACL에 대한 Si3N4 박막의 식각 선택비를 나타낸 그래프이다.
도 8은 여러 바이어스 전압에서 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 poly-Si에 대한 SiO2 박막의 식각 선택비를 나타낸 그래프이다.
도 9는 여러 바이어스 전압에서 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 poly-Si에 대한 Si3N4 박막의 식각 선택비를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법을 수행할 수 있는 플라즈마 식각 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법은 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3) 및 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)를 포함하는 혼합가스와 아르곤(Ar) 가스를 포함하는 방전가스를 제공하여, 상기 식각 대상을 플라즈마 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 식각 대상은 특별히 제한되지 않으나, 일반적으로 반도체 소자 제조 과정에서 절연층으로 기능하는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등일 수 있다. 예를 들면, 상기 식각 대상은 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide, SiO2)와 같은 실리콘 산화물 또는 Si3N4와 같은 실리콘 질화물일 수 있다.
상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)는 탄소 4개, 수소 3개, 산소 1개 및 불소 7개로 구성된 물질로, 약 34℃의 끓는점을 가져 상온에서 액체 상태로 존재할 수 있다.
상기 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)는 탄소 4개, 수소 3개, 산소 1개 및 불소 7개로 구성된 물질로, 약 29℃의 끓는점을 가져 상온에서 액체 상태로 존재할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 혼합가스의 구체적인 물성을 하기의 표 1에 나타냈다.
Chemical Name Chemical Formula Molecular Weight
(g/mol)		 Boiling Point (℃) GWP
Heptafluoropropyl methyl ether
(HFE-347mcc3)		 C4H3F7O 200 34 530
Heptafluoroisopropyl methyl ether
(HFE-347mmy)		 C4H3F7O 200 29 353
일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법은 도 1에 도시된 식각 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 일 실시예로, 상기 식각 장치(100)는 플라즈마 챔버(110), 제1 용기(120), 제2 용기(130) 및 제3 용기(140)를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 챔버(110)는 플라즈마 소스(115)에 결합될 수 있고, 식각 대상('Wafer')을 내부에 수용하는 방전 공간을 구비할 수 있다. 상기 방전 공간은 상기 제1 내지 제3 용기(120, 130, 140)로부터 방전 가스를 제공받을 수 있고, 상기 플라즈마 소스(115)는 상기 방전 가스에 방전 전압을 인가하여 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 용기(120, 130, 140)는 제1 내지 제3 연결 배관(125, 135, 145)을 통해 상기 플라즈마 챔버(110)에 연결될 수 있다. 상기 제1 용기(120)에는 액체 상태의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)가 수용될 수 있고, 상기 제2 용기(130)에는 액체 상태의 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)가 수용될 수 있고, 상기 제3 용기(140)에는 아르곤 가스가 수용될 수 있다.
상기 제1 용기(120)에 수용된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)는 끓는점이 34℃로 상온에서 액상으로 존재하기 때문에, 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)를 상기 플라즈마 챔버(110)에 균일하게 유입하기 위해 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)를 증기화(Vaporization)한 후 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 제공할 수 있다.
일 실시예로, 상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)의 증기화는 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)를 수용하는 상기 제1 용기(120) 및 상기 제1 용기(120)와 상기 플라즈마 챔버(110) 사이를 연결하는 상기 제1 연결 배관(125)을 상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)의 끓는점 이상의 온도로 가열함으로써 수행될 수 있다. 한편, 일 실시예에 있어서, 액적 튐 현장으로 상기 플라즈마 챔버(110)에 제공되는 상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)의 유량이 흔들리지 않도록, 상기 제1 용기(120)는 상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)의 끓는점 이상의 온도인 제1 온도로 가열할 수 있고, 상기 제1 연결 배관(125)은 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 용기(120)는 가열 재킷(Heating Jacket)을 이용하여 약 70 내지 80℃의 온도로 가열될 수 있고, 상기 제1 연결 배관(125)은 약 85 내지 95℃의 온도로 가열될 수 있다. 한편, 상기 제1 연결 배관(125)의 출구에는 질량유량계(Mass Flow Controller)가 설치되어 일정한 유량의 상기 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)를 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 제공할 수 있다.
상기 제2 용기(130)에 수용된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)는 끓는점이 29℃로 상온에서 액상으로 존재하기 때문에, 액상의 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)를 상기 플라즈마 챔버(110)에 균일하게 유입하기 위해 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)를 증기화(Vaporization)한 후 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 제공할 수 있다.
일 실시예로, 상기 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)의 증기화는 액상의 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)를 수용하는 상기 제2 용기(130) 및 상기 제2 용기(130)와 상기 플라즈마 챔버(110) 사이를 연결하는 상기 제2 연결 배관(135)을 상기 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)의 끓는점 이상의 온도로 가열함으로써 수행될 수 있다. 한편, 일 실시예에 있어서, 액적 튐 현장으로 상기 플라즈마 챔버(110)에 제공되는 상기 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)의 유량이 흔들리지 않도록, 상기 제2 용기(130)는 상기 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)의 끓는점 이상의 온도인 제3 온도로 가열할 수 있고, 상기 제2 연결 배관(135)은 상기 제3 온도보다 높은 제4 온도로 가열할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 용기(130)는 가열 재킷(Heating Jacket)을 이용하여 약 70 내지 80℃의 온도로 가열될 수 있고, 상기 제1 연결 배관(125)은 약 85 내지 95℃의 온도로 가열될 수 있다. 한편, 상기 제2 연결 배관(135)의 출구에는 질량유량계(Mass Flow Controller)가 설치되어 일정한 유량의 상기 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)를 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 제공할 수 있다.
상기 제3 용기(140)에 수용된 아르곤 가스는 상기 제1 및 제2 연결 배관(125, 135)과는 다른 상기 제3 연결 배관(145)을 통해 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 제공될 수 있다.
본 발명에 따라, 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3) 및 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)의 혼합가스와 함께 Ar 가스를 공급한 후 플라즈마를 생성하는 경우, 플라즈마 밀도를 높일 수 있고 이온 포격을 통해 상기 식각 대상에 대해 비등방적 식각을 수행할 수 있다. 구체적으로, 음전성(electronegative)의 불화탄소 플라즈마(fluorocarbon plasma)에 양전성(electropositive)의 Ar이 첨가되면 플라즈마 밀도가 향상되어 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3), 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)와 같은 전구체(precursor)의 분해가 증가되고 그로 인해 가스 상(gas phase)과 표면화학(surface chemistry)에 많은 영향을 미치게 된다. 예를 들어, Ar 첨가에 따른 표면화학의 대표적인 변화로는 표면에 형성되는 정상상태(steady state) 불화탄소의 플루오린(fluorine) 함량의 감소가 있다. 또한, Ar은 양전성이기 때문에 음전하를 띄는 웨이퍼(wafer)로 가속되어 이온 포격을 하게 되고, 이에 따라, 상기 웨이퍼에 홀(hole)의 형성 시 비등방적 식각이 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 식각 대상이 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물인 경우, 상기 혼합가스 및 상기 Ar 가스는 약 1:2 의 유량비로 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 제공될 수 있고, 상기 혼합가스 중 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르는 1:3(=2.5:7.5) 내지 3:1(=7.5:2.5)의 유량비로 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 식각 대상이 실리콘 기판 상에 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)이 형성되고, 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막이 형성된 반도체 기판인 경우, 상기 혼합가스 및 상기 Ar 가스는 약 1:2 의 유량비로 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 제공될 수 있고, 상기 혼합가스 중 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르는 1:2.3(=3:7) 내지 2.3:1(=7:3)의 유량비로 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 제공될 수 있다.
상기 혼합가스 중 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르의 유량비가 1:2.3 내지 2.3:1의 유량비를 벗어나는 경우에는 상기 실리콘 기판 및 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)에 대한 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각선택비가 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다. 예를 들면, 상기 혼합가스 중 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르는 약 1:2.3(7:3) 내지 2.3:1(3:7), 또는 약 1:1.5(=4:6) 내지 1.5:1(=6:4), 가장 바람직하게는 약 1:1(=5:5)의 유량비로 상기 플라즈마 챔버(110)의 방전 공간에 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 혼합가스 중 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르의 유량비가 1:2.3 ~ 2.3:1 로 플라즈마 챔버(110)에 공급되는 경우, 상기 실리콘 기판에 대한 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각선택비는 7.5 이상일 수 있고, 상기 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)에 대한 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각선택비는 10 이상일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법에 있어서, 상기 식각 대상을 지지하는 기판에 인가되는 바이어스 전압(bias voltage)은 약 -800V 내지 -1200V의 전압일 수 있다. 상기 바이어스 전압이 -800V 보다 작은 경우에는 상기 식각 대상에 대한 식각 속도가 지나치게 낮은 문제점이 발생할 수 있고, 상기 바이어스 전압이 -1200V보다 큰 경우에는 식각 속도의 추가적인 향상은 나타나지 않으면서 전력 소모만을 증가시키는 문제점이 발생할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 식각 대상이 실리콘 기판 상에 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)이 형성되고, 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막이 형성된 반도체 기판인 경우, 동일한 유량비를 가진 혼합 가스의 공급 조건 하에, 상기 인가되는 바이어스 전압 크기가 증가할수록 상기 실리콘 기판 및 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)에 대한 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각선택비는 감소할 수 있다. 이는 상기 범위 내에서 바이어스 전압의 인가 시에, 바이어스 전압이 증가할수록 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각 속도의 증가폭보다 실리콘 기판 및 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)의 식각 속도의 증가폭이 더 크기 때문이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법에 있어서, 상기 방전가스의 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 플라즈마 소스(115)에 인가되는 소스 전력(source power)은 약 200W 이상일 수 있다. 상기 소스 전력이 200W 미만인 경우, 상기 식각 대상에 대한 식각 속도가 현저하게 낮은 문제점이 발생할 수 있다. 한편, 전력 소모를 낮추기 위해 상기 플라즈마 소스(115)에 인가되는 소스 전력(source power)은 약 200 이상 1000W 미만일 수 있다.
본 발명에 따르면, 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)가 종래의 PFC 가스보다 현저하게 낮은 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3) 및 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)의 혼합가스를 Ar 가스와 함께 방전가스로 적용하여 플라즈마 식각 공정을 수행하므로, 기존 PFC 가스를 이용한 플라즈마 식각 공정에 비해 온실 가스의 배출을 현저하게 감소시킬 수 있고, 또한 우수한 식각 특성으로 플라즈마 식각을 수행할 수 있다.
특히, 본 발명의 플라즈마 식각 공정에 따르면, 실리콘 기판 및 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)에 대한 실리콘 산화물 박막의 식각선택비와, 실리콘 기판 및 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)에 대한 실리콘 질화물 박막의 식각선택비가 높아, 식각 대상에 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)을 포함하는 홀 패턴 마스크를 이용하여 플라즈마 식각하는 경우, 홀 패턴 마스크의 직경과 식각 구조물의 직경의 차이가 거의 없거나 근소한 고종횡비 식각 구조물을 형성할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 하기에서 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하기로 한다.
이하에서는 보다 구체적인 실시예 및 실험예에 대해 설명한다. 다만, 하기 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
방전가스로 헵타플루오로프로필 메틸 에테르, 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르 및 아르곤의 혼합가스를 이용하여 다양한 조건에서 실리콘 기판 표면에 형성된 ACL, SiO2 박막 및 Si3N4 박막에 대해 플라즈마 식각을 수행하였다. 이때, 헵타플루오로프로필 메틸 에테르, 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 증기화하여 식각 챔버에 공급함에 있어서, 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르를 수용하는 제1 캐니스터(Canister)는 75℃로 가열하였고, 상기 제1 캐니스터와 상기 식각 챔버를 연결하는 연결라인은 90℃로 가열하였다. 또한 액상의헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 수용하는 제2 캐니스터(Canister)는 75℃로 가열하였고, 상기 제2 캐니스터와 상기 식각 챔버를 연결하는 연결라인은 90℃로 가열하였다.
[실험예 1: HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 식각 속도 분석]
도 2 내지 5는 표 2에 기재된 조건 하에서의 SiO2 박막, Si3N4 박막, poly-Si, ACL 각각에 대한 플라즈마 식각 공정에서, 여러 바이어스 전압에서 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 SiO2 박막, Si3N4 박막, poly-Si, ACL의 식각 속도의 변화를 각각 측정한 그래프이다. 식각 속도는 플라즈마 식각 공정 전/후로 박막의 두께를 측정하여 계산하였다.
Source Power
(W)		 Bias Voltage
(V)		 Discharge Gas Flow Rate (sccm) Pressure
(mTorr)		 Electrode
Temperature (℃)
250 -800, -1000, -1200 X/Y/Z
X: HFE-347mcc3
Y: HFE-347mmy
Z: Ar		 1. X/Y/Z = 0/10/20
2. X/Y/Z = 2.5/7.5/20
3. X/Y/Z = 3/7/20
4. X/Y/Z = 4/6/20
5. X/Y/Z = 5/5/20
6. X/Y/Z = 6/4/20
7. X/Y/Z = 7/3/20
8. X/Y/Z = 7.5/2.5/20
9. X/Y/Z = 10/0/20		 10 15
먼저, SiO2 식각속도를 측정한 결과인 도 2를 참조하면, 바이어스 전압이 증가할수록 모든 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에서 SiO2 박막의 식각 속도는 증가하는 것으로 나타났다.
한편, 일정한 바이어스 전압에서, HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에 따른 SiO2 박막의 식각속도는 0/10/20 ~ 7.5/2.5/20 sccm에서 거의 일정하였고, 10/0/20 sccm에서 감소하는 결과를 보였다.
Si3N4 식각속도를 측정한 결과인 도 3을 참조하면, 바이어스 전압이 증가할수록 모든 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에서 Si3N4 박막의 식각 속도는 증가하는 것으로 나타났다.
한편, 일정한 바이어스 전압에서, HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에 따른 Si3N4 박막의 식각속도는 0/10/20 ~ 7.5/2.5/20 sccm에서 거의 일정하였고, 10/0/20 sccm에서 감소하는 결과를 보였다.
poly-Si 식각속도를 측정한 결과인 도 4를 참조하면, 바이어스 전압이 증가할수록 모든 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에서 poly-Si의 식각 속도는 증가하는 것으로 나타났다.
한편, 일정한 바이어스 전압에서, HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에 따른 poly-Si의 식각속도는 0/10/20 ~ 5/5/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였고, 6/4/20 ~ 10/0/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다.
ACL 식각속도를 측정한 결과인 도 5를 참조하면, 바이어스 전압이 증가할수록 모든 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에서 ACL의 식각 속도는 증가하는 것으로 나타났다.
한편, 일정한 바이어스 전압에서, HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에 따른 ACL의 식각속도는 0/10/20 ~ 5/5/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였고, 6/4/20 ~ 10/0/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다.
[실험예 2: HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 SiO2/ACL, Si3N4/ACL 식각 선택비 분석]
도 6은 상기 표 2에 기재된 조건 하에서, 여러 바이어스 전압에서 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 ACL에 대한 SiO2 박막의 식각 선택비를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 일정한 바이어스 전압에서, HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에 따른 SiO2/ACL 식각선택비는 0/10/20 ~ 5/5/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였고, 6/4/20 ~ 10/0/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. SiO2/ACL 식각선택비는 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 의 유량비가 5/5/20 sccm 인 경우 가장 높았다.
한편, 바이어스 전압이 증가할수록 SiO2 식각속도의 증가폭보다 ACL 식각속도의 증가폭이 더 크기 때문에, 바이어스 전압이 증가함에 따라 SiO2/ACL 식각선택비는 감소하는 결과를 보였다.
도 7은 상기 표 2에 기재된 조건 하에서, 여러 바이어스 전압에서 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 ACL에 대한 Si3N4 박막의 식각 선택비를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 일정한 바이어스 전압에서, HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에 따른 Si3N4/ACL 식각선택비는 0/10/20 ~ 5/5/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였고, 6/4/20 ~ 10/0/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. Si3N4/ACL 식각선택비는 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 의 유량비가 5/5/20 sccm 인 경우 가장 높았다.
한편, 바이어스 전압이 증가할수록 Si3N4 식각속도의 증가폭보다 ACL 식각속도의 증가폭이 더 크기 때문에, 바이어스 전압이 증가함에 따라 Si3N4/ACL 식각선택비는 감소하는 결과를 보였다.
[실험예 3: HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 SiO2/poly-Si, Si3N4/poly-Si 식각 선택비 분석]
도 8은 상기 표 2에 기재된 조건 하에서, 여러 바이어스 전압에서 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 poly-Si에 대한 SiO2 박막의 식각 선택비를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 일정한 바이어스 전압에서, HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에 따른 SiO2/poly-Si 식각선택비는 0/10/20 ~ 5/5/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였고, 6/4/20 ~ 10/0/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. SiO2/poly-Si 식각선택비는 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 의 유량비가 5/5/20 sccm 인 경우 가장 높았다.
한편, 바이어스 전압이 증가할수록 SiO2 식각속도의 증가폭보다 poly-Si 식각속도의 증가폭이 더 크기 때문에, 바이어스 전압이 증가함에 따라 SiO2/poly-Si 식각선택비는 감소하는 결과를 보였다.
도 9는 상기 표 2에 기재된 조건 하에서, 여러 바이어스 전압에서 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량비에 따른 poly-Si에 대한 Si3N4 박막의 식각 선택비를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 일정한 바이어스 전압에서, HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 유량에 따른 Si3N4/poly-Si 식각선택비는 0/10/20 ~ 5/5/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였고, 6/4/20 ~ 10/0/20 sccm 범위에서 HFE-347mcc3 가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. Si3N4/poly-Si 식각선택비는 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 의 유량비가 5/5/20 sccm 인 경우 가장 높았다.
한편, 바이어스 전압이 증가할수록 Si3N4 식각속도의 증가폭보다 poly-Si 식각속도의 증가폭이 더 크기 때문에, 바이어스 전압이 증가함에 따라 Si3N4/poly-Si 식각선택비는 감소하는 결과를 보였다.
이의 결과를 통해, 특히 HFE-347mcc3/HFE-347mmy/Ar 의 유량비가 3:7:20 ~ 7:3:20 인 경우, poly-Si 및 ACL 에 대한 Si3N4 및 SiO2 의 식각선택비가 높은 것을 확인하였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[부호의 설명]
100: 식각장치
110: 플라즈마 챔버
115: 플라즈마 소스
120: 제1 용기
125: 제1 연결배관
130: 제2 용기
135: 제2 연결배관
140: 제3 용기
145: 제3 연결배관

Claims (10)

  1. 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)과 액상의 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르(HFE-347mmy)를 각각 증기화시키는 제1 단계;
    상기 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 상기 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 포함하는 혼합가스와 아르곤 가스를 포함하는 방전가스를 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 공급하는 제2 단계; 및
    상기 방전가스를 방전시켜 플라즈마를 생성하고, 이를 이용하여 상기 식각 대상을 플라즈마 식각하는 제3 단계;를 포함하는,
    플라즈마 식각 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르를 증기화한 후 상기 플라즈마 챔버에 제공하기 위해, 상기 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르를 수용하는 제1 용기를 상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르의 끓는점 이상의 제1 온도로 가열하고, 상기 제1 용기와 상기 플라즈마 챔버를 연결하는 연결 배관을 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액상의 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 증기화한 후 상기 플라즈마 챔버에 제공하기 위해, 상기 액상의 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르를 수용하는 제2 용기를 상기 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르의 끓는점 이상의 제3 온도로 가열하고, 상기 제2 용기와 상기 플라즈마 챔버를 연결하는 연결 배관을 상기 제3 온도보다 높은 제4 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼합가스 및 아르곤 가스는 1:2 의 유량비로 상기 플라즈마 챔버에 공급되고,
    상기 혼합가스 중 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르는 1:3 ~ 3:1 의 유량비로 상기 플라즈마 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 단계 동안 상기 플라즈마 챔버 내에서 상기 식각 대상을 지지하는 기판에는 -800 내지 -1200V의 바이어스 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 식각 대상은 실리콘 기판 상에 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)이 형성되고, 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막이 형성된 반도체 기판인 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 혼합가스 및 아르곤 가스는 1:2 의 유량비로 상기 플라즈마 챔버에 공급되고,
    상기 혼합가스 중 증기화된 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 및 증기화된 헵타플루오로이소프로필 메틸 에테르는 1:2.3 ~ 2.3:1 의 유량비로 상기 플라즈마 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 단계 후, 실리콘 기판에 대한 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각선택비는 7.5 이상인 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제3 단계 후, 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)에 대한 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각선택비는 10 이상인 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제3 단계 동안 상기 플라즈마 챔버 내에서 상기 식각 대상을 지지하는 기판에는 -800 내지 -1200V의 바이어스 전압이 인가되고,
    상기 인가되는 바이어스 전압 크기가 증가할수록 상기 실리콘 기판 및 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer; ACL)에 대한 실리콘 산화물 박막 또는 실리콘 질화물 박막의 식각선택비는 감소하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
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