WO2024049022A1 - 건식 식각 방법 - Google Patents

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WO2024049022A1
WO2024049022A1 PCT/KR2023/010990 KR2023010990W WO2024049022A1 WO 2024049022 A1 WO2024049022 A1 WO 2024049022A1 KR 2023010990 W KR2023010990 W KR 2023010990W WO 2024049022 A1 WO2024049022 A1 WO 2024049022A1
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reaction
dry etching
reaction chamber
gas
hydrogen fluoride
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PCT/KR2023/010990
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French (fr)
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이우진
이홍재
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주식회사 테스
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    • H01L21/3105—After-treatment
    • H01L21/311—Etching the insulating layers by chemical or physical means

Definitions

  • the present invention relates to a dry etching method, and more specifically, to a dry etching method using a plurality of reaction gases.
  • the present invention relates to a method of dry etching a silicon oxide layer using hydrogen fluoride (HF) gas and ammonia (NH 3 ) gas.
  • HF hydrogen fluoride
  • NH 3 ammonia
  • etching processes are included to form a desired pattern on a wafer.
  • the etching process is divided into wet etching using an etchant and dry etching using an etching gas.
  • a wet etching method was mainly used in which etching was performed by immersing the wafer to be etched in an etchant.
  • the wet etching method has limitations in improving the precision of semiconductor devices, and recently, a dry etching method in which etching is performed by supplying etching gas into a reaction chamber where the wafer to be etched is placed is mainly used.
  • Dry etching methods generally use two or more reaction gases. Reactive gases are determined depending on the material of the layer to be etched. For example, when dry etching a silicon oxide layer, hydrogen fluoride gas and ammonia gas are mainly used as reaction gases.
  • each passage is provided independently so that the reaction gases do not mix with each other in the showerhead, and the first reaction gas
  • the discharge port was formed at the bottom edge of the showerhead, and the discharge port for the second reaction gas was formed at the center.
  • the first reaction gas has a faster diffusion rate than the second reaction gas
  • the first reaction gas emitted from the bottom edge of the showerhead diffuses toward the center of the substrate at a relatively high speed, but the bottom center of the showerhead
  • the etch rate at the center of the substrate may be greater than the etch rate at the edge of the substrate, and as a result, etch unevenness may occur between the center and the edge of the substrate. And, this etching non-uniformity phenomenon may be more noticeable in devices for dry etching large-area substrates.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a dry etching method that can improve etching uniformity even for large-area substrates.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a method of dry etching the silicon oxide layer of a substrate with high etching uniformity using hydrogen fluoride gas and ammonia gas.
  • the dry etching method according to the present invention for solving the above problem uses a plurality of reaction gases including a first reaction gas having a first diffusion rate and a second reaction gas having a second diffusion rate slower than the first diffusion rate.
  • a method of dry etching an object comprising: (a) supplying a second reaction gas with a relatively slow diffusion rate into a reaction chamber where an etching object is placed; and (b) supplying a first reaction gas with a relatively high diffusion rate into the reaction chamber to etch the object.
  • the second reaction gas may have a higher molecular weight than the first reaction gas.
  • the second reaction gas may be supplied into the reaction chamber at a lower injection pressure than the first reaction gas.
  • step (b) the supply of the first reaction gas may be started after the pressure inside the reaction chamber becomes constant.
  • the dry etching method according to the present invention to solve the above problem is a method of dry etching a silicon oxide layer using hydrogen fluoride and ammonia.
  • (a) hydrogen fluoride is placed inside the reaction chamber where the substrate containing the silicon oxide layer is placed.
  • supplying step and
  • step (a) hydrogen fluoride can be supplied at a constant flow rate for more than 15 seconds.
  • step (b) the supply of ammonia may be started after the pressure inside the reaction chamber becomes constant.
  • step (b) the silicon oxide layer can be etched through the following reaction.
  • the dry etching method according to the present invention can maintain the supply of hydrogen fluoride into the reaction chamber in step (b).
  • the dry etching method according to the present invention may further include the step of additionally supplying ammonia into the reaction chamber after step (b).
  • the dry etching method according to the present invention may further include the step (d) of sublimating at least the etching product generated in step (b) by raising the temperature of the substrate.
  • Each of the hydrogen fluoride and ammonia may be supplied together with an inert gas.
  • a gas with a relatively slow diffusion rate is first supplied into the reaction chamber, and then a reaction gas with a relatively fast diffusion rate is supplied into the reaction chamber.
  • a reaction gas with a relatively fast diffusion rate is supplied into the reaction chamber.
  • FIG. 1 is a flowchart schematically showing a substrate processing method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a flowchart schematically showing a substrate processing method according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 3a is data showing the change in pressure inside the reaction chamber according to the flow rate and time of hydrogen fluoride.
  • Figure 3b is the corrected data of Figure 3a.
  • Figure 3c shows the stabilization pressure inside the reaction chamber according to the flow rate of hydrogen fluoride based on the data of Figures 3a and 3b.
  • Figure 4a shows the etch rate in various areas of the substrate dry-etched by the method according to Example 1.
  • Figure 4b shows the etch rate in various areas of the substrate dry-etched by the method according to Comparative Example 1.
  • references to an element or layer being “above” or “below” another element or layer includes both directly above or below the other element or layer as well as with another layer or element intervening. Additionally, when an element is described as being “connected,” “coupled,” or “connected” to another element, the elements may be directly connected or connected to each other, but other elements may not be “interposed” between each element, or each element may be “connected.” It should be understood that elements may be “connected,” “combined,” or “connected” through other elements.
  • the substrate to be processed in the present invention may be a glass substrate for display manufacturing, a silicon wafer for semiconductor manufacturing, etc.
  • the thin film to be etched may be a film that reacts with fluorine species, such as a silicon oxide film or a silicon nitride film.
  • the silicon oxide film to be etched may be a natural oxide film formed on a mother substrate or a metal layer, or an artificially formed silicon oxide film.
  • the etching gas used in the present invention includes a first reaction gas and a second reaction gas with different diffusion rates.
  • FIG. 1 is a flowchart schematically showing a substrate processing method according to an embodiment of the present invention.
  • an object such as silicon oxide on a substrate is dry-processed using a plurality of reaction gases including a first reaction gas with a first diffusion rate and a second reaction gas with a second diffusion rate slower than the first diffusion rate.
  • a plurality of reaction gases including a first reaction gas with a first diffusion rate and a second reaction gas with a second diffusion rate slower than the first diffusion rate.
  • the dry etching method according to the present invention includes a second reaction gas supply and stabilization step with a slow diffusion rate (S110) and a first reaction gas supply and etching step with a fast diffusion rate (S120). .
  • the diffusion rate of the reaction gases is determined by the molecular weight of the gases, the pressure of the gas, etc.
  • the rate of diffusion of a reactant gas is inversely proportional to the square root of the molecular weight of the gas at constant temperature and pressure, as known as Graham's law.
  • the diffusion rate of low-pressure gas is slower than that of high-pressure gas.
  • the etch depth and etch uniformity of the object could be improved by controlling the supply into the reaction chamber using the diffusion rate of these reaction gases.
  • a second reaction gas with a relatively slow diffusion rate is supplied into the reaction chamber where an etching object, such as a substrate with a silicon oxide film disposed on the upper portion, is disposed.
  • the first reaction gas and/or the second reaction gas may be supplied individually or may be supplied together with a carrier gas.
  • the carrier gas may be an inert gas such as argon gas.
  • the first reaction gas with a relatively fast diffusion rate is supplied into the reaction chamber to etch the etching object.
  • a first reaction gas and a second reaction gas chemically react to form a reactive species (etchant), and then the formed reactive species reacts with the object to be etched to proceed with the etching of the object.
  • the second reaction gas with a relatively slow diffusion rate may have a larger molecular weight than the first reaction gas.
  • the second reaction gas may be a low-pressure gas supplied into the reaction chamber at a lower injection pressure than the first reaction gas.
  • a gas with a relatively slow diffusion rate is first supplied into the reaction chamber, and then the reaction gas with a relatively fast diffusion rate reacts. It is supplied inside the chamber.
  • the second reaction gas with a slow diffusion rate is first supplied into the reaction chamber, so that the second reaction gas exists evenly throughout the entire area of the object, and the first reaction gas with a high diffusion rate is supplied into the reaction chamber, thereby supplying the entire area of the object. Even etch uniformity can be achieved. As a result, etching unevenness between the center of the substrate and the edge of the substrate can be reduced due to the difference in diffusion rates of the reaction gases.
  • etch unevenness between the center of the substrate and the edge of the substrate is reduced. It can be reduced more effectively.
  • the first reaction gas with a relatively fast diffusion rate is If the second reaction gas is supplied first and stabilized, a relatively high etch rate will be observed at the edges of the substrate rather than at the center of the substrate due to the slow diffusion rate of the second reaction gas, and at the center and at the edges of the substrate.
  • the etch rate deviation will be large. However, if the second reaction gas with a relatively slow diffusion rate is supplied first and stabilized before the first reaction gas is supplied, an even etch rate can be achieved over the entire area of the substrate due to the fast diffusion rate of the first reaction gas.
  • the start of supply of the first reaction gas may be performed after the pressure inside the reaction chamber becomes constant.
  • the fact that the pressure inside the reaction chamber becomes constant means that the second reaction gas first supplied into the reaction chamber is stabilized. It is advantageous to obtain higher etch uniformity when the inside of the reaction chamber is stabilized than when it is not.
  • Stabilization of the second reaction gas can be achieved by supplying the second reaction gas into the reaction chamber at a constant flow rate and maintaining the pressure inside the reaction chamber constant over time. When the flow rate of the second reaction gas increases, the second reaction gas is stabilized at a higher pressure inside the reaction chamber.
  • Figure 2 is a flowchart schematically showing a substrate processing method according to another embodiment of the present invention.
  • the illustrated substrate processing method includes a hydrogen fluoride supply and stabilization step (S210) and an ammonia supply and etching step (S220).
  • a post-processing step (S230) and/or an etch product removal step (S240) may be additionally included.
  • the dry etching method according to this embodiment is a method of dry etching a silicon oxide layer, for example, a natural oxide layer formed on a substrate, using hydrogen fluoride and ammonia.
  • hydrogen fluoride is supplied into the reaction chamber where the substrate containing the silicon oxide layer is placed.
  • hydrogen fluoride is supplied as a low-pressure gas
  • ammonia is supplied as a high-pressure gas, so the diffusion rate of hydrogen fluoride is slower.
  • hydrogen fluoride may be supplied into the reaction chamber at a predetermined constant flow rate for 15 seconds or more, more preferably 15 to 40 seconds.
  • Figure 3a is data showing the change in pressure inside the reaction chamber according to the flow rate and time of hydrogen fluoride.
  • Figure 3b is the corrected data of Figure 3a.
  • Figure 3c shows the stabilization pressure inside the reaction chamber according to the flow rate of hydrogen fluoride based on the data of Figures 3a and 3b.
  • Hydrogen fluoride was supplied at various flow rates into the reaction chamber for 60 seconds, and the pressure change in the reaction chamber over time was measured.
  • ammonia is supplied inside the reaction chamber to etch the silicon oxide layer.
  • the start of supply of ammonia may be performed after the pressure inside the reaction chamber becomes constant.
  • ammonia can be supplied at a flow rate of about 20 to 30 sccm.
  • the supply of hydrogen fluoride can be maintained.
  • hydrogen fluoride may be supplied at a flow rate of about 15 to 25 sccm.
  • the supply flow rate of hydrogen fluoride in this step may be the same as the hydrogen fluoride supply flow rate in the previous hydrogen fluoride supply and stabilization step (S210).
  • the hydrogen fluoride/ammonia flow rate ratio is preferably 0.5 to 2.0. In the above range, the amount of residual fluorine produced may be relatively small.
  • the silicon oxide layer can be etched through the following reaction.
  • ammonia and hydrogen fluoride When ammonia is supplied and diffused into the reaction chamber, ammonia and hydrogen fluoride generate reactive species (for example, ammonium fluoride (NH 4 F)) on the surface of the silicon oxide, and the generated reactive species chemically reacts with the silicon oxide to produce an etching product.
  • reactive species for example, ammonium fluoride (NH 4 F)
  • NH 4 F ammonium fluoride
  • the hydrogen fluoride supply and stabilization step (S210) and the ammonia supply and etching step (S220) may be performed at a substrate temperature of about 20°C to about 150°C and a process pressure of about 200 mTorr to about 2000 mTorr.
  • the first reaction gas and/or the second reaction gas may be supplied individually or together with a carrier gas.
  • the carrier gas may be an inert gas such as argon gas, and may be supplied at a flow rate of about 50 sccm to about 500 sccm.
  • the dry etching method according to this embodiment may additionally include a post-processing step (S230) after the ammonia supply and etching step (S220).
  • a post-processing step S230
  • ammonia may be additionally supplied into the reaction chamber, either alone or together with an inert gas, while the supply of hydrogen fluoride is cut off, to further react unreacted hydrogen fluoride in the reaction chamber.
  • Post-processing steps can be performed in about 60 seconds or less.
  • the post-processing step (S230) may be performed at a substrate temperature of about 20°C to about 150°C, similar to the hydrogen fluoride supply and stabilization step (S210) and the ammonia supply and etching step (S220).
  • the inside of the reaction chamber can be purged using an inert gas.
  • the dry etching method according to the present embodiment may further include an etching product removal step (S240) after the ammonia supply and etching step (S220) or after the post-processing step (S230).
  • S240 etching product removal step after the ammonia supply and etching step (S220) or after the post-processing step (S230).
  • the etch product (e.g., (NH 4 ) 2 ) generated in the ammonia supply and etching step (S220) or the ammonia supply and etching step (S220) and the post-processing step (S230) SiF 6 ) is removed.
  • the etch product e.g., (NH 4 ) 2
  • the etching product removal step (S240) may include the salt decomposition reaction and heat treatment of 3) below.
  • (NH 4 ) 2 SiF 6 produced by dry etching is decomposed into NH 3 , SiF 4 and HF through a sublimation reaction or salt decomposition reaction.
  • the sublimation reaction can be achieved by increasing the substrate temperature to a temperature higher than the sublimation temperature of the etching product (for example, a temperature of 90° C. or higher) using a method such as ramping.
  • Heat treatment may be performed in a vacuum atmosphere to immediately remove substances generated through sublimation reaction or salt decomposition reaction, and may be performed at about 150°C to about 350°C.
  • Example 1 hydrogen fluoride was first supplied and stabilized, and then ammonia was supplied to etch the natural oxide film on a rectangular glass substrate.
  • Comparative Example 1 contrary to Example 1, ammonia was first supplied and stabilized, and then hydrogen fluoride was supplied to etch the natural oxide film on the rectangular glass substrate.
  • Example 1 The process conditions in Example 1 and Comparative Example 1 were as follows:
  • Substrate temperature approximately 40°C
  • Example 1 HF 25 sccm, Ar 100 sccm, 30 seconds
  • Example 1 HF 25 sccm, NH 3 , 25 sccm, Ar 100 sccm, 30 seconds
  • Example 1 NH 3 , 25 sccm, 30 seconds
  • Table 1 shows the etching amount, etching rate, and etching uniformity in various areas of the substrate dry-etched using the method according to Example 1 and Comparative Example 1.
  • Figure 4a shows the etch rate in various areas of the substrate dry-etched using the method according to Example 1
  • Figure 4b shows the etch rate in various areas of the substrate dry-etched using the method according to Comparative Example 1.
  • the average etch rate in Example 1 was 6.2 ⁇ /s, which is higher than the average etch rate of 4.24 ⁇ /s in Comparative Example 1, and in particular, the etch uniformity was also excellent. there is.
  • Example 1 The results of Example 1 can be attributed to the fast diffusion rate of ammonia in the etching step, due to the preferential supply and stabilization of hydrogen fluoride.
  • Comparative Example 1 looking at FIG. 4B, it can be seen that the etching rate in the right part (near the hydrogen fluoride inlet) is quite high, which is due to the slow diffusion rate of hydrogen fluoride.
  • Example 1 in the dry etching process using two or more reaction gases with different diffusion rates, the gas with a relatively slow diffusion rate is first supplied into the reaction chamber and After stabilization, it is advantageous in terms of both etch rate and etch uniformity to start supplying gas with a relatively fast diffusion rate and proceed with dry etching.

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Abstract

본 발명에 따른 건식 식각 방법은 제1 확산 속도를 갖는 제1 반응 가스 및 상기 제1 확산 속도보다 느린 제2 확산 속도를 갖는 제2 반응 가스를 포함하는 복수의 반응 가스를 이용하여 대상물을 건식 식각하는 방법으로서, (a) 식각 대상물이 배치된 반응 챔버 내부에 제2 반응 가스를 공급하는 단계; 및 (b) 상기 반응 챔버 내부에 제1 반응 가스를 공급하여 식각 대상물을 식각하는 단계;를 포함한다.

Description

건식 식각 방법
본 발명은 건식 식각 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 반응 가스를 이용한 건식 식각 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 불화수소(HF) 가스 및 암모니아(NH3) 가스를 이용하여 실리콘 산화물층을 건식 식각하는 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 과정 또는 디스플레이 제조 과정에 있어서, 웨이퍼 상에 원하는 패턴을 형성하기 위해 다수의 식각 공정이 포함된다. 식각 공정은 식각액을 이용한 습식 식각과, 식각 가스를 이용한 건식 식각 방식으로 구분된다.
종래에는 식각 대상이 되는 웨이퍼를 식각액에 침지하여 식각이 진행되는 습식 식각 방식이 주로 이용되었다. 그러나, 습식 식각 방식의 경우 반도체 소자의 정밀도 향상에 한계가 있어, 최근에는 식각 대상이 되는 웨이퍼가 배치되어 있는 반응 챔버 내에 식각 가스를 공급하여 식각이 진행되는 건식 식각 방식이 주로 이용되고 있다.
건식 식각 방식에는 일반적으로 2 이상의 반응 가스가 이용된다. 반응 가스들은 식각 대상이 되는 층의 재질에 따라 결정된다. 예를 들어, 실리콘 산화물층을 건식 식각하는 경우, 불화수소 가스와 암모니아 가스를 반응 가스로서 주로 이용하고 있다.
건식 식각 공정에서 2 이상의 반응 가스가 이용될 경우, 이들은 일반적으로 동시에 투입된다. 이 경우, 반응 가스들이 샤워헤드 내에서 반응하여 고체 생성물을 형성하고, 생성된 고체 생성물이 샤워헤드 내벽에 증착되는 결과를 가져옴으로써 식각 효율의 저하, 샤워헤드 오염 등의 문제를 가져온다.
이를 개선하는 방식으로 샤워헤드의 구조 개선을 통해 반응 가스들이 가능한 샤워헤드 내에서 반응하지 않도록 하는 방식이 제안되었다.
예를 들어, KR10-2000-0051046A에서는 상호 반응성 있는 2 이상의 반응가스를 반응 챔버 내부로 유입할 때, 반응가스들이 샤워헤드 내에서 서로 혼합되지 않도록 각각의 통로를 독립적으로 마련하고, 제1 반응가스의 방출구는 샤워헤드의 저면 가장자리에 형성하고, 제2 반응가스의 방출구는 그 중앙부에 형성하였다.
이를 이용한 건식 식각 공정의 경우, 제1 반응가스와 제2 반응가스의 확산 속도의 차이로 인해 기판의 중앙부와 기판의 가장자리에서의 식각률의 차이가 클 수 있다.
예를 들어 제1 반응가스가 제2 반응가스보다 확산속도가 빠르다고 가정하면, 샤워헤드의 저면 가장자리로부터 방출된 제1 반응가스는 상대적으로 빠른 속도로 기판 중앙부를 향하여 확산되나, 샤워헤드의 저면 중앙부로부터 방출된 제2 반응가스는 상대적으로 느린 속도로 기판 가장자리를 향하여 확산된다. 이 경우, 기판 중앙부에서의 식각률이 기판 가장자리에서의 식각률보다 더 클 수 있고, 그 결과, 그에 따라 기판 중앙부와 가장자리부 간의 식각 불균일이 발생할 수 있다. 그리고, 이러한 식각 불균일 현상은 대면적 기판을 건식 식각하기 위한 장치에서 보다 현저할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 대면적 기판에 대하여도 식각 균일도를 향상시킬 수 있는 건식 식각 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 불화수소 가스 및 암모니아 가스를 이용하여 기판의 실리콘 산화물층을 높은 식각 균일도로 건식 식각하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 건식 식각 방법은 제1 확산 속도를 갖는 제1 반응 가스 및 상기 제1 확산 속도보다 느린 제2 확산 속도를 갖는 제2 반응 가스를 포함하는 복수의 반응 가스를 이용하여 대상물을 건식 식각하는 방법으로서, (a) 식각 대상물이 배치된 반응 챔버 내부에 상대적으로 확산 속도가 느린 제2 반응 가스를 공급하는 단계; 및 (b) 상기 반응 챔버 내부에 상대적으로 확산 속도가 빠른 제1 반응 가스를 공급하여 식각 대상물을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 반응 가스는 상기 제1 반응 가스보다 더 큰 분자량을 갖는 것일 수 있다.
상기 제2 반응 가스는 상기 제1 반응 가스보다 더 낮은 분사 압력으로 반응 챔버 내에 공급되는 것일 수 있다.
상기 (b) 단계에서, 상기 제1 반응 가스의 공급 개시는 반응 챔버 내부의 압력이 일정하게 된 이후에 수행될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 건식 식각 방법은 불화수소 및 암모니아를 이용하여 실리콘 산화물층을 건식 식각하는 방법으로서, (a) 실리콘 산화물층이 포함된 기판이 배치된 반응 챔버 내부에 불화수소을 공급하는 단계; 및 (b) 반응 챔버 내부에 암모니아를 공급하여 실리콘 산화물층을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서 불화수소을 일정한 유량으로 15초 이상 공급할 수 있다.
상기 (b) 단계에서, 상기 암모니아의 공급 개시는 반응 챔버 내부의 압력이 일정하게 된 이후에 수행될 수 있다.
상기 (b) 단계에서 하기의 반응을 통해 실리콘 산화물층을 식각할 수 있다.
1) HF + NH3 → NH4F
2) 6NH4F + SiO2 → (NH4)2SiF6 + H2O + 4NH3
본 발명에 따른 건식 식각 방법은 상기 (b) 단계에서 반응 챔버 내부로의 불화수소 공급을 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 건식 식각 방법은 상기 (b) 단계 이후, 반응 챔버 내부로 암모니아를 추가 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 건식 식각 방법은 (d) 기판의 온도를 승온하여 적어도 상기 (b) 단계에서 생성된 식각 생성물을 승화시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 불화수소 및 암모니아 각각은 불활성 가스와 함께 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 건식 식각 방법에 의하면, 복수의 반응 가스를 이용한 건식 식각 공정을 수행함에 있어서, 확산 속도가 상대적으로 느린 가스를 반응 챔버 내부로 먼저 공급한 후에 확산 속도가 상대적으로 빠른 반응 가스를 챔버 내부로 공급함으로써 반응가스들의 확산 속도 차이에 의해 기판 중앙부와 기판 가장자리부 간의 식각 불균일을 저감할 수 있다.
특히, 확산 속도가 상대적으로 느린 가스를 반응 챔버 내부로 먼저 공급하고, 반응 챔버 내부를 안정화한 후에 확산 속도가 상대적으로 빠른 반응 가스의 공급이 개시되는 경우, 기판 중앙부와 기판 가장자리부 간의 식각 불균일을 보다 효과적으로 저감할 수 있다.
구체적으로, 불화수소과 암모니아를 이용하여 기판 상의 실리콘 산화물층을 건식 식각 하는 방법의 경우, 확산 속도가 상대적으로 느린 저압 가스인 불화수소을 먼저 반응 챔버 내부로 공급한 후에 확산 속도가 상대적으로 빠른 고압 가스인 암모니아 공급을 개시함으로써 기판 중앙부와 기판 가장자리부 간의 실리콘 산화물층에 대한 식각 불균일을 저감할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과는 아래의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3a는 불화수소의 유량 및 시간에 따른 반응 챔버 내부 압력 변화를 나타낸 데이터이다.
도 3b는 도 3a의 데이터를 보정한 것이다.
도 3c는 도 3a 및 도 3b의 데이터를 토대로 불화수소의 유량에 따른 반응 챔버 내부의 안정화 압력을 나타낸 것이다.
도 4a는 실시예 1에 따른 방법으로 건식 식각된 기판의 여러 영역에서의 식각률을 나타낸 것이다.
도 4b는 비교예 1에 따른 방법으로 건식 식각된 기판의 여러 영역에서의 식각률을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장될 수 있다.
요소 또는 층이 다른 요소 또는 층의 "상부" 또는 "하부"에 있다고 언급되는 것은 다른 요소 또는 층의 바로 위 또는 아래 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 또한, 어떤 요소가 다른 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 요소 사이에 다른 요소가 "개재"되거나, 각 요소가 다른 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 요소, 소자, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 요소, 소자, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판 처리 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 처리 대상이 되는 기판은 디스플레이 제조용 글래스 기판, 반도체 제조용 실리콘 웨이퍼 등이 될 수 있다. 본 발명에서 식각 대상이 되는 박막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등과 같이 불소종과 반응하는 막일 수 있다. 본 발명에서 식각 대상이 되는 실리콘 산화막은 모 기판이나 금속층 상에 형성된 상에 형성된 자연 산화막, 인위적으로 형성한 실리콘 산화막이 될 수 있다.
또한, 본 발명에서 이용되는 식각 가스는 확산 속도가 상이한 제1 반응 가스 및 제2 반응 가스를 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
본 발명에서는 제1 확산 속도를 갖는 제1 반응 가스 및 상기 제1 확산 속도보다 느린 제2 확산 속도를 갖는 제2 반응 가스를 포함하는 복수의 반응 가스를 이용하여 기판 상의 실리콘 산화물과 같은 대상물을 건식 식각하는 방법을 제공한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 건식 식각 방법은 느린 확산 속도를 갖는 제2 반응 가스 공급 및 안정화 단계(S110) 및 빠른 확산 속도를 갖는 제1 반응 가스 공급 및 식각 단계(S120)를 포함한다.
반응 가스들의 확산 속도는 가스들의 분자량, 가스의 압력 등에 의해 결정된다. 예를 들어, 반응 가스의 확산 속도는 그레이엄의 법칙으로 알려져 있는 바와 같이, 일정한 온도와 압력 하에서 가스의 분자량의 제곱근에 반비례한다. 또한 분자량이 비슷한 반응 가스들의 경우 저압 가스의 확산 속도가 고압 가스의 확산 속도보다 느리다. 본 발명에서는 이러한 반응 가스들의 확산 속도를 이용하여 반응 챔버 내부로의 공급을 제어함으로써 대상물의 식각 깊이 및 식각 균일도를 향상시킬 수 있었다.
먼저, 제2 반응 가스 공급 및 안정화 단계(S110)에서는 상부에 실리콘 산화막이 배치된 기판과 같은 식각 대상물이 배치된 반응 챔버 내부에 상대적으로 확산 속도가 느린 제2 반응 가스를 공급한다.
제1 반응 가스 및/또는 제2 반응 가스는 각각 단독으로 공급될 수 있으며, 캐리어 가스와 함께 공급될 수 있다. 캐리어 가스는 아르곤 가스와 같은 불활성 가스가 이용될 수 있다.
다음으로, 제1 반응 가스 공급 및 식각 단계(S120)에서는 반응 챔버 내부에 상대적으로 확산 속도가 빠른 제1 반응 가스를 공급하여 식각 대상물을 식각한다. 식각 대상물의 식각은 예를 들어 제1 반응 가스와 제2 반응 가스가 화학 반응하여 반응종(etchant)을 형성한 후, 형성된 반응종이 식각 대상물과 반응하여 대상물의 식각이 진행된다.
전술한 바와 같이, 확산 속도가 상대적으로 느린 제2 반응 가스는 제1 반응 가스보다 더 큰 분자량을 갖는 것일 수 있다. 다른 예로, 제2 반응 가스는 제1 반응 가스보다 더 낮은 분사 압력으로 반응 챔버 내에 공급되는 저압 가스일 수 있다.
본 발명에 따른 건식 식각 방법에 의하면, 복수의 반응 가스를 이용한 건식 식각 공정을 수행함에 있어서, 확산 속도가 상대적으로 느린 가스가 반응 챔버 내부로 먼저 공급된 후에 확산 속도가 상대적으로 빠른 반응 가스가 반응 챔버 내부로 공급한다.
확산 속도가 느린 제2 반응 가스를 반응 챔버 내부로 먼저 공급함으로써 대상물 전체 영역에 걸쳐 제2 반응 가스가 균등하게 존재하는 상태에서 확산 속도가 빠른 제1 반응 가스가 반응 챔버 내부로 공급됨으로써 대상물 전체 영역에 걸쳐 고른 식각 균일도를 얻을 수 있다. 그 결과, 반응가스들의 확산 속도 차이에 의해 기판 중앙부와 기판 가장자리부 간의 식각 불균일이 저감될 수 있다.
특히, 확산 속도가 상대적으로 느린 가스를 반응 챔버 내부로 먼저 공급하고, 반응 챔버 내부를 안정화한 후에 확산 속도가 상대적으로 빠른 반응 가스의 공급이 개시되는 경우, 기판 중앙부와 기판 가장자리부 간의 식각 불균일을 보다 효과적으로 저감할 수 있다. 예를 들어, 제1 반응가스가 반응 챔버 내부의 샤워헤드 중앙부를 통해 공급되고, 제2 반응가스가 반응 챔버 내부의 샤워헤드 가장자리부를 통해 공급되는 경우, 확산 속도가 상대적으로 빠른 제1 반응가스가 먼저 공급되고 안정화된 후에 제2 반응가스가 공급되면 제2 반응가스의 느린 확산 속도로 인해 기판의 중앙부보다는 기판의 가장자리부에서 상대적으로 높은 식각률을 나타낼 것이고, 기판의 중앙부에서와 기판의 가장자리부에서의 식각률 편차가 클 것이다. 그러나, 확산 속도가 상대적으로 느린 제2 반응 가스가 먼저 공급되고 안정화된 후에 제1 반응가스가 공급되면 제1 반응 가스의 빠른 확산 속도로 인해 기판의 전체 영역에 걸쳐 고른 식각률을 나타낼 수 있다.
한편, 제1 반응 가스의 공급 개시는 반응 챔버 내부의 압력이 일정하게 된 이후에 수행될 수 있다. 반응 챔버 내부의 압력이 일정하게 된다는 것은 반응 챔버 내부로 먼저 공급된 제2 반응 가스가 안정화되었다는 것을 의미한다. 반응 챔버 내부가 안정화되었을 때가 그렇지 않은 경우보다 더 높은 식각 균일도를 얻는데 유리하다.
제2 반응 가스의 안정화는 제2 반응 가스를 일정한 유량으로 반응 챔버 내부로 공급하면 시간이 경과함에 따라 반응 챔버 내부의 압력이 일정하게 유지되는 방법으로 달성될 수 있다. 제2 반응 가스의 유량이 증가하면 반응 챔버 내부의 압력도 더 높은 상태에서 제2 반응 가스가 안정화된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 기판 처리 방법은 불화수소 공급 및 안정화 단계(S210) 및 암모니아 공급 및 식각 단계(S220)를 포함한다. 또한, 도 2에 도시된 기판 처리 방법에 의하면, 후처리 단계(S230) 및/또는 식각 생성물 제거 단계(S240)를 추가로 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 건식 식각 방법은 불화수소 및 암모니아를 이용하여 실리콘 산화물층, 예를 들어 기판 상에 형성된 자연 산화물층을 건식 식각하는 방법이다.
불화수소 공급 및 안정화 단계(S210)
먼저, 불화수소 공급 및 안정화 단계(S210)에서는 실리콘 산화물층이 포함된 기판이 배치된 반응 챔버 내부에 불화수소을 공급한다. 일 예로, 불화수소은 저압 가스로 공급되고, 암모니아는 고압 가스로 공급되어, 불화수소의 확산 속도가 더 느리다.
이때, 반응 챔버 내에서 불화수소의 안정화를 위해, 반응 챔버 내에 불화수소을 미리 정해진 일정한 유량으로 15초 이상, 보다 바람직하게는 15초 내지 40초동안 공급할 수 있다.
도 3a는 불화수소의 유량 및 시간에 따른 반응 챔버 내부 압력 변화를 나타낸 데이터이다. 도 3b는 도 3a의 데이터를 보정한 것이다. 도 3c는 도 3a 및 도 3b의 데이터를 토대로 불화수소의 유량에 따른 반응 챔버 내부의 안정화 압력을 나타낸 것이다.
반응 챔버 내부에 60초 동안 불화수소을 다양한 유량으로 공급하여 시간의 경과에 따른 반응 챔버의 압력 변화를 측정하였다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 20 sccm 내지 100 sccm 유량의 불화수소 공급시 공급 초기에 급격한 압력 증가를 보이다가 약 15초 이후에는 반응 챔버 내부 압력이 일정해지는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 3를 참조하면, 불화수소 유량이 증가할수록 불화수소 안정화를 위한 반응 챔버 압력이 더 높은 것을 볼 수 있다.
암모니아 공급 및 식각 단계(S220)
다음으로, 암모니아 공급 및 식각 단계(S220)에서는 반응 챔버 내부에 암모니아를 공급하여 실리콘 산화물층을 식각한다.
이때, 암모니아의 공급 개시는 반응 챔버 내부의 압력이 일정하게 된 이후에 수행될 수 있다.
본 단계에서 암모니아는 약 20~30 sccm 정도의 유량으로 공급될 수 있다.
본 단계(S220)에서 불화수소 공급이 유지될 수 있다. 예를 들어, 본 단계에서 불화수소은 약 15~25 sccm 정도의 유량으로 공급될 수 있다. 또한, 본 단계에서 불화수소의 공급 유량은 앞선 불화수소 공급 및 안정화 단계(S210)에서의 불화수소 공급 유량과 동일할 수 있다. 또한, 본 단계에서 불화수소/암모니아 유량비는 0.5~2.0인 것이 바람직하다. 상기 범위에서 잔류 불소 생성량이 상대적으로 적게 나타날 수 있다.
불화수소이 안정화된 상태에서 암모니아를 공급함에 따라, 하기의 반응을 통해 실리콘 산화물층이 식각될 수 있다.
1) HF + NH3 → NH4F
2) 6NH4F + SiO2 → (NH4)2SiF6 + H2O + 4NH3
암모니아가 반응 챔버 내부로 공급 및 확산되면, 암모니아와 불화수소이 실리콘산화물 표면에서 반응종(예를 들어, 불화암모늄(NH4F))을 생성하고, 생성된 반응종이 실리콘산화물과 화학반응하여 식각 생성물을 생성함으로써 실리콘산화물의 식각이 진행된다. 이 식각 반응은 약 30초 이내로 수행될 수 있다.
불화수소 공급 및 안정화 단계(S210) 및 암모니아 공급 및 식각 단계(S220)는 약 20℃ 내지 약 150℃의 기판 온도, 약 200 mTorr 내지 약 2000 mTorr 의 공정압력에서 수행될 수 있다.
또한, 불화수소 공급 및 안정화 단계(S210) 및 암모니아 공급 및 식각 단계(S220)에서 제1 반응 가스 및/또는 제2 반응 가스는 각각 단독으로 공급될 수 있으며, 캐리어 가스와 함께 공급될 수 있다. 캐리어 가스는 아르곤 가스와 같은 불활성 가스가 이용될 수 있으며, 약 50 sccm 내지 약 500 sccm의 유량으로 공급될 수 있다.
후처리 단계(S230)
한편, 본 실시예에 따른 건식 식각 방법은 암모니아 공급 및 식각 단계(S220) 이후 후처리 단계(S230)를 추가로 포함할 수 있다. 후처리 단계에서는, 불화수소 공급을 차단한 상태에서 반응 챔버 내부로 암모니아를 단독으로 또는 불활성 가스와 함께 추가 공급하여, 반응 챔버 내 미반응 불화수소을 추가 반응시킬 수 있다. 후처리 단계는 약 60초 이내로 수행될 수 있다.
후처리 단계(S230)는 불화수소 공급 및 안정화 단계(S210) 및 암모니아 공급 및 식각 단계(S220)와 마찬가지로 약 20℃ 내지 약 150℃의 기판 온도에서 수행될 수 있다.
후처리 단계 또는 식각 생성물 제거 단계 이후에는 불활성 가스를 이용하여 반응 챔버 내부를 퍼지할 수 있다.
식각 생성물 제거 단계(S240)
또한, 본 실시예에 따른 건식 식각 방법은 암모니아 공급 및 식각 단계(S220) 이후 또는 후처리 단계(S230) 이후, 식각 생성물 제거 단계(S240)를 추가로 포함할 수 있다.
구체적으로, 식각 생성물 제거 단계(S240)에서는 암모니아 공급 및 식각 단계(S220) 또는 암모니아 공급 및 식각 단계(S220)와 후처리 단계(S230)에서 생성된 식각 생성물(예를 들어, (NH4)2SiF6)을 제거한다.
상기 식각 생성물 제거 단계(S240)는 이하 3)의 염 분해 반응 및 열처리를 포함할 수 있다.
3) (NH4)2SiF6 → 2NH3 + SiF4 + 2HF
건식 식각에 의해 생성된 (NH4)2SiF6는 승화 반응 또는 염 분해 반응을 통해 NH3, SiF4 및 HF로 분해된다. 승화 반응은 승화는 램핑(lamping) 등의 방법으로 기판 온도를 식각 생성물 승화온도보다 높은 온도(예를 들어, 90℃ 이상의 온도)로 승온시킴으로써 달성될 수 있다.
열처리는 승화 반응 또는 염 분해 반응을 통해 생성된 물질들의 즉시 제거를 위해 진공 분위기에서 수행될 수 있으며, 약 150℃ 내지 약 350 ℃에서 수행될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예의 경우, 불화수소과 암모니아를 이용하여 기판 상의 실리콘 산화물층을 건식 식각함에 있어서, 확산 속도가 상대적으로 느린 저압 가스인 불화수소을 먼저 반응 챔버 내부로 공급하여 안정화한 후에, 확산 속도가 상대적으로 빠른 고압 가스인 암모니아 공급을 개시함으로써 기판 중앙부와 기판 가장자리부 간의 실리콘 산화물층에 대한 식각 불균일을 저감할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 1에서는 불화수소 우선 공급 및 안정화 후에 암모니아를 공급하여 직사각형 글래스 기판 상의 자연 산화막을 식각하였다. 비교예 1에서는 실시예 1과 반대로, 암모니아 우선 공급 및 안정화 후에 불화수소을 공급하여 직사각형 글래스 기판 상의 자연 산화막을 식각하였다.
실시예 1 및 비교예 1에서 공정 조건은 다음과 같다:
기판 온도 : 약 40℃
안정화 단계:
실시예 1 : HF 25 sccm, Ar 100 sccm, 30초
비교예 1 : NH3 25 sccm, Ar 100 sccm, 30초
식각 단계:
실시예 1 : HF 25 sccm, NH3, 25 sccm, Ar 100 sccm, 30초
비교예 1 : HF 25 sccm, NH3, 25 sccm, Ar 100 sccm, 30초
후처리 단계
실시예 1 : NH3, 25 sccm, 30초
비교예 1 : NH3, 25 sccm, 30초
표 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 방법으로 건식 식각된 기판의 여러 영역에서의 식각량 및 식각률, 그리고 식각 균일도를 나타낸 것이다. 또한, 도 4a는 실시예 1에 따른 방법으로 건식 식각된 기판의 여러 영역에서의 식각률을 나타낸 것이고, 도 4b는 비교예 1에 따른 방법으로 건식 식각된 기판의 여러 영역에서의 식각률을 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure PCTKR2023010990-appb-img-000001
표 1, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 실시예 1의 경우 평균 식각률이 6.2 Å/s를 나타내어, 비교예 1의 평균 식각률 4.24Å/s보다 더 높으면서, 특히 식각 균일도도 더 우수한 것을 볼 수 있다.
이러한 실시예 1의 결과는 불화수소 우선 공급 및 안정화에 따라, 식각 단계에서 암모니아의 빠른 확산 속도에 기인하는 것이라 볼 수 있다. 반면, 비교예 1의 경우, 도 4b를 보면 오른쪽 부분(불화수소 투입구 부근)이 식각률이 상당히 높은 것을 볼 수 있는데, 이는 불화수소의 느린 확산 속도에 기인한다.
따라서, 이상의 실시예 1 및 비교예 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 확산 속도가 상이한 2 이상의 반응 가스를 이용한 건식 식각 공정에 있어서, 확산 속도가 상대적으로 느린 가스를 반응 챔버 내부에 먼저 공급하고 안정화한 후, 확산 속도가 상대적으로 빠른 가스 공급을 개시하여 건식 식각을 진행하는 것이 식각률 및 식각 균일도 모두에서 유리하다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 제1 확산 속도를 갖는 제1 반응 가스 및 상기 제1 확산 속도보다 느린 제2 확산 속도를 갖는 제2 반응 가스를 포함하는 복수의 반응 가스를 이용하여 대상물을 건식 식각하는 방법으로서,
    (a) 식각 대상물이 배치된 반응 챔버 내부에 상대적으로 확산 속도가 느린 제2 반응 가스를 공급하는 단계; 및
    (b) 상기 반응 챔버 내부에 상대적으로 확산 속도가 빠른 제1 반응 가스를 공급하여 식각 대상물을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반응 가스는 상기 제1 반응 가스보다 더 큰 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반응 가스는 상기 제1 반응 가스보다 더 낮은 분사 압력으로 반응 챔버 내에 공급되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 제1 반응 가스의 공급 개시는 반응 챔버 내부의 압력이 일정하게 된 이후에 수행되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  5. 불화수소 및 암모니아를 이용하여 실리콘 산화물층을 건식 식각하는 방법으로서,
    (a) 실리콘 산화물층이 포함된 기판이 배치된 반응 챔버 내부에 불화수소을 공급하는 단계; 및
    (b) 반응 챔버 내부에 암모니아를 공급하여 실리콘 산화물층을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 불화수소을 일정한 유량으로 15초 이상 공급하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 암모니아의 공급 개시는 반응 챔버 내부의 압력이 일정하게 된 이후에 수행되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 하기의 반응을 통해 실리콘 산화물층을 식각하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
    1) HF + NH3 → NH4F
    2) 6NH4F + SiO2 → (NH4)2SiF6 + H2O + 4NH3
  9. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 반응 챔버 내부로의 불화수소 공급을 유지하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    (c) 상기 (b) 단계 이후, 반응 챔버 내부로 암모니아를 추가 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    (d) 기판의 온도를 승온하여 적어도 상기 (b) 단계에서 생성된 식각 생성물을 승화시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  12. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불화수소 및 암모니아 각각은 불활성 가스와 함께 공급되는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
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