KR100281345B1 - 전자기 결합성 플래너 플라즈마 장치에서의 산화물 에칭 공정 - Google Patents
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Abstract
한 벽에 유전체 차폐부를 가지는 챔버와, 상기 챔버의 외부에 그리고 무선 주파수 소스에 결합된 상기 윈도우에 근접한 평면코일을 포함하는 전자기 결합된 평면 플라즈마 제조장치에서, 플루오르 스캐빈저가 상기 챔버 내에 장착되거나 또는 챔버에 추가된다. 실리콘 산화물이 플루오르탄화수소의 플라즈마로 에칭될 경우, 플루오르 스캐빈저는 자유 플루오르 라디칼을 감소시키고, 그럼으로써 선택성 및 에칭의 이방성을 개선시키고, 또한 입자형성을 감소시키는 한편 에칭율을 증가시킨다.
Description
제1도는 본 발명에 따른 장치의 단면도.
제2도는 제1도의 장치에 대한 회로의 개략도.
제3도는 제1도의 장치에 의해 제조된 전자기장 측면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
12 : 진공 챔버 14 : 액세스 포트
18 : 유전체 차폐부 20 : 플래너 코일
26 : 실리콘 아티클
본 발명은 전자기 결합성 플래너 플라즈마 장치에서 산화물을 에칭하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
오글의 미국특허 제 4,948,458호에는 넓은 압력 범위에서 동작하는 플래너 플라즈마 처리 장치가 기술되어 있다. 그 장치는 챔버의 한 벽에 유전체 윈도우 또는 차폐부를 가지는 진공 챔버이다. 챔버 외부의 그리고 유전체 차폐부에 근접한 플래너 코일 및 RF 소스는 코일에 결합된다. 챔버에는, 그 챔버 내로의 플라즈마 선구물질 가스 유입용 포트와, 처리 기판의 유입 및 배출용 포트와, 뿐만아니라 유전체 윈도우에 평행한 기판용 지지부가 설비되어 있다. RF 전류가 코일에 가해질 경우, 유전체 차폐부를 통하여 챔버 내부로 확장하며 챔버의 처리영역 내에 전자의 원형 흐름을 유도하는 변화하는 자기장이 유도된다. 이렇게 유도된 원형 전기장은 대략 플래너 코일에 평행한 평면에 있고, 그것은 비평면 방향에서 운동에너지의 이동을 감소시킨다. 또한 에칭될 기판이 플라즈마의 평면 방향으로 배치되므로 처리 동안 기판에 대해 비평면 방향으로 하전된 입자의 속도 성분은 최소화되며, 기판의 처리는 RF 바이어스가 접지 전극 또는 챔버에 대하여 기판에 가해지는 경우를 제외하고 일반적으로 기판과 플라즈마 종의 화학적 상호 작용으로 제한된다. 미국특허 제 4,948,458호의 전체 내용이 참조문헌으로써 이에 포함된다.
상기 플라즈마 반응기는 알루미늄과 같은 에칭 재료에 유용하지만, 실리콘 산화물과 같은 산화물 에칭에 대해서는 한계를 가진다. 실리콘 산화막 및 층은 예를 들어 실리콘, 금속층, 실리콘 질화물 등을 포함하는 실리콘 소자의 제조 중에 여러가지 기판이 부가된다. 전형적으로, 포토레지스트가 에칭 및 패턴 형성 실리콘 산화물 층 상에 증착되고, 상기 실리콘 산화물 층은 CF4, C2F6, C3F8, CHF3등과 같은 플루오르화 탄화수소 가스로 에칭된다. 예를들면, 폴리실리콘 상의 실리콘 산화물 층에 비아가 에칭될 수 있고, 그후 상기 비아는 하부의 폴리실리콘과 상기 실리콘 산화물 위에 놓이는 도전층 사이에 접촉부를 형성하기 위해 도체로 채워진다. 더 작아지고 더 깊어지고 있는 비아를 채우기 위하여, 에칭 공정은 여러가지 엄격한 필요조건을 가진다. 즉, 상기 비아의 측벽은 일직선이어야하며(이방성에칭), 상기 에칭은 상부 포토레지스트층 및 하부 재료에 대하여 선택적이어야 하는데, 예를 들어 상기 에칭 공정은 상부 및 하부층 보다 적어도 더 빠른 속도로 실리콘 산화물 층을 에칭해야 하고, 바람직하게는 그 선택성이 약 10 : 1 이상이어야 한다. 다른 반도체 소자 및 어레이에 대하여, 크고 작은 형상이 제공되어 동시에 에칭되어야 하는데, 예를들어 실리콘 산화물과 같은 동일한 재료의 크고 작은 형상이 동일한 속도로, 즉 미세로딩 없이 에칭될 것을 요구한다. 본 발명의 목적을 위한 미세로딩은 다음과 같이 정의된다.
더욱이, 실리콘 산화물 층은 일반적으로 아주 두껍기 때문에, 특히 단일 웨이퍼 처리가 실행될 경우 작업수율을 높히기 위해서는 높은 에칭율이 바람직하다(배치형 처리에 비해).
오글의 에칭 반응기는 도전 금속층을 에칭하는데 유용한 반면, 실리콘 산화물과 같은 산화물에 대한 상술된 에칭 필수조건을 만족하지 않는다. 일반적으로 실리콘 산화물은 상술된 바와같은 플루오르 함유 에칭가스로 에칭된다. 실리콘 산화물은 높은 C : F 비율의 가스를 사용하면 빈약한 선택도로 에칭되고, 또는 수소함유 가스를 사용하면 선택도를 증가시키지만, 에칭율이 나빠지고 테이퍼링된 프로파일 및 미세 로딩을 형성한다. 그러므로 에칭 가스의 탄소 : 플루오르 비율을 단순히 증가시키는 것, 또는 가스 유입율을 증가시키는 것은 측벽의 테이퍼링된 프로파일을 심화시키고 미세로딩을 증가시키며 에칭율을 감소시킨다. 추가로, 플루오르 탄화수소 에칭 가스는 기판상에 증착하는 파티클을 형성할 수 있는 폴리머 고체를 형성하며, 에칭 공정중에 기판의 오염을 초래한다.
그러므로 상술된 전자기 결합성 플래너 플라즈마 장치에서 산화막 또는 층의 에칭을 향상시키는 수단이 매우 필요하게 된다.
전자기 결합성 플래너 플라즈마 장치에서 플루오르 스캐빈저의 추가는 산화물의 에칭 선택도에 관하여 플루오르 탄화수소 에칭제를 사용한 산화막 에칭을 향상시키고, 이방성 및 에칭률을 향상시킨다는 것을 알았다.
본 발명은 제 1 도를 참조로 하여 추가로 기술될 것이다. 단일 반도체 웨이퍼 에칭에 적당한 플라즈마 처리 장치(10)는 챔버(12)의 상부벽(16)에 액세스 포트(14)를 가지는 진공 챔버(12)를 포함한다. 유전체 차폐부(18)는 상부벽(16)의 아래에 배치되고 액세스 포트(14)를 횡단하여 연장한다. 유전체 차폐부(18)는 진공 밀봉 가능한 챔버(12)를 형성하기 위하여 상부벽(16)에 밀봉된다. 또한 챔버(12)는 챔버(12)로 플라즈마 선구물질 가스를 유입시키기 위한 포트(17)를 가진다.
플래너 코일(20)은 유전체 차폐부(18)에 인접한 액세스 포트(14)내에 배치된다. 코일(20)은 중앙탭(22) 및 외부탭(24)을 가지는 나선형으로 형성된다. 코일(20)의 평면은 챔버내에 처리될 웨이퍼(15)용 지지대(13) 및 유전체 차폐부(18) 둘다에 대해 평행한 방향이다. 코일(20)은 이리하여 웨이퍼에 평행한 챔버(12)내에서 플래너 플라즈마를 형성할 수 있게 된다. 코일(20) 및 지지표면(13) 사이의 간격은 보통 약 3-15cm 내의 범위에 있고 조절가능하다. 실리콘 아티클(26)로 설명된 플루오르용 스캐빈저는 지지표면(13)의 사이 및 유전체 차폐부(18) 근처에 배치된다. 그리하여 플루오르 스캐빈저는 그 발생된 플라즈마 내에 또는 근처에 있다.
제 1 도 및 제 2 도에 따르면, 플래너 코일(20)은 약 100kHz 내지 100MHz 범위의 주파수에서 동작하고, 바람직하게는 13.56MHz 이하인 주파수 범위에서 동작하는 형태의 RF 발생기(30)에 의해 구동된다. 상기 발생기(30)의 출력은 동축 케이블(32)에 의해 매칭 회로(34)에 공급된다. 상기 매칭 회로(34)는 회로의 효과적인 결합을 허용하도록 배치될 수 있고 동작 주파수에서의 회로의 로딩을 위한 1차 코일(36) 및 2 차 루프(38)를 포함한다. 상기 1차 코일(36)은 상기 결합을 조절하기 위해 수직축(42) 둘레를 회전할 수 있는 디스크(40)상에 장착된다. 가변 캐패시터(44)는 RF 발생기(30)의 주파수 출력으로 회로 공명 주파수를 조절하기 위하여 2 차 루프(38)와 직렬 연결된다. 임피던스 매칭은 플래너 코일(20)에 대한 전력 이동의 효율을 최대화한다. 추가의 커패시턴스(46)가 상기 회로에서 상기 코일(36)의 유도성 리액턴스 부분을 상쇄하도록 1차 회로에 제공된다.
RF 바이어스 전력은 챔버(12)내에서 산화물을 에칭할 경우 기판 지지대(13)를 경유하여 기판에 가해질 수 있다. 제 1 RF 신호는 RF 바이어스(30)로부터 전달될 수 있고, 또는 개별 RF 소스(도시되지 않음)가 기판지지부(13)에 연결될 수 있다. 이런 경우에 상기 챔버(12)의 벽은 접지 전극으로서 기능한다. 다른 대안은 카운터 전극으로서 상기 플래너 코일, 또는 실리콘 혹은 다른 고체 플루오르 스캐빈저 아티클을 사용하는 것이다. RF 바이어스 전력은 기판 외장 전압을 제어한다.
제 3 도를 참조로 하여, 플래너 코일(20)은 유전체 차폐부(18)를 관통하고 점선으로 도시한 바와같은 장의 세기 단면(60)을 가지는 전자기장을 유도한다. 상기 균일한 전자기장은 선구물질 가스 분자에 영향을 끼치는 전자기장 영역내에 전자의 균일한 원형장을 제공하고, 플라즈마 영역내에 플라즈마를 발생시키게 된다. 상기 RF 바이어스 전력으로 일부러 초래될 때를 제외하고 비평면 방향의 기판에는 거의 또는 전혀 충격을 주지않기 때문에, 반응성 플라즈마는 웨이퍼에 거의 손상을 입히지 않을 것이다.
상기 플루오르 스캐빈저는 고체 아티클일 경우 200mm 직경 실리콘 웨이퍼와 같이 큰 기판 상부에서의 최대 효율성 및 우수한 균일성을 위하여 에칭되는 표면에 대해 상부에 평행하게, 그리고 유전체 차폐부 근처에 배치되어야 한다. 플루오르 스캐빈저는 실리콘 평판과 같은 고체 아티클인 경우 유전체 차폐부를 통하여 발생된 RF 유도장과 간섭하지 않도록 크기가 정해지고 배치된다. 이것은 고체 아티클의 두께, 고체 아티클의 온도 함수로서의 저항, 및 코일에 유도성을 결합될 수 있는 RF 전력의 주파수를 고려함으로써 실행된다. 상기 RF 전력 주파수 및 상기 아티클의 두께와 저항은 최고의 고체 아티클 동작 온도에서 그 저항이 최저일 경우 플루오르 스캐빈저에서의 RF 전자기장의 표피 깊이가 그 재료 두께에 비하여 크도록 선택된다. 전형적으로 이것은, 예를들면, 수 밀리미터 두께 이하의 실리콘 박막과 함께 13.56MHz 이하의 낮은 동작 주파수를 필요로 한다. 고체 스캐빈저 소스의 저항은, 도판트가 섭씨 수백도 까지의 동작온도에서 실리콘 저항을 감소시키기 때문에, 도핑된 실리콘 평판을 제공하는 등에 의하여 변화된다. 공정처리 안정성을 제공하기 위하여, 또한 스캐빈저 소스의 온도 제어가 제공될 수 있다.
본 발명의 방법은 플루오르탄화수소 선구물질 가스가 플라즈마 발생장에 노출될 경우 F, CF 및 CF2라디칼을 포함하여 여러가지 파편이 발생된다는 사실에 입각한다. 자유 플루오르는 실리콘 산화물과 같은 산화물을 에칭하지만, 다른 성분은 일반적으로 약 50%의 플루오르를 포함하는 C-F 폴리머를 형성하며, 그것은 에칭된 통로의 측벽 상에 증착될 수 있고 상하부층이 에칭되지 않도록 보호하는 기능을 한다. 그러나, 이 폴리머는 실리콘 산화물에 의해 발생된 산소에 의해 침식되고, 또한 자유 플루오르에 의해 침식되고, 그리하여 실리콘 산화물 및 에칭될 기판상에서의 다른 재료 사이에서 선택도가 높지않다. 그러나, 플루오르 스캐빈저가 실리콘 소스와 같은 플라즈마내에 제공될 때, 스캐빈저는 자유 플루오르를 포획하고, 이리하여 자유 플루오르에 의한 기판의 침식을 감소시킨다. 추가로, 플라즈마내에 자유 플루오르 라디칼이 거의 존재하지 않을 경우, 상기 보호 폴리머는 탄소가 풍부해지는데, 예를 들어 단지 약 40 중량 %의 플루오르를 함유한다.
플루오르 스캐빈저는 플라즈마 내에 또는 근처에 고체 실리콘 아티클, 예를들면 평판 또는 슬라이스 형태로 매우 쉽게 제공된다. 그러나, 플라즈마 선구물질 가스에 첨가되는 실리콘의 다른 소스, 이를 테면 TEOS, 디에틸 실란, 테트라플루오르실란 등을 포함하는 실란 또는 다른 실리콘 함유가스 등이 제공될 수 있다. 탄소화합물도 또한 적당한 플루오르 스캐빈저이다. 예를들면, 벤젠(C6H6) 또는 아세틸렌(C2H2)과 같은 탄소 부화(carbon-rich) 가스가 플라즈마 선구물질 가스에 첨가될 수 있다. 그래파이트 또는 실리콘 카아바이드와 같은 고체 탄소 함유 화합물이 사용될 수 있고 실리콘 평판을 대신할 수도 있다. 다시, 상기 탄소 함유 아티클의 두께는 사용 온도에서 인가되는 RF 전력의 표피 깊이에 비하여 작아야 한다. 만약 플루오르 스캐빈저 소스가 플라즈마 영역의 외부에 배치된다면, 상기 스캐빈저 소스는 플라즈마내로 자유 실리콘 또는 탄소 원자를 전달할 온도까지 가열될 수 있다. 그러한 경우에 실리콘 또는 탄소 소스 가열 수단이 또한 제공될 수도 있다. 고체 아티클의 형태는 예를들어 평판, 링 또는 실린더형이 될 수 있다.
본 발명이 비록 특별한 실시예에 관하여 기술하고 있다하더라도, 본 발명은 그것으로 한정되지는 않는다. 예를들면, 만약 유전체 윈도우와 기판 사이의 간격이 크다면, 그래서 챔버의 다른 부분에 대한 활성 플라즈마의 확산이 발생하게 된다면, 플루오르 스캐빈저는 기판 둘레의 링 내부 또는 유전체 윈도우의 모서리 등과 같은 다른 위치에 배치될 수 있다. 그러한 경우에, RF 유도장은 고체 플루오르 스캐빈저를 관통할 필요가 없고, 상술한 바와같이 고체 플루오르 스캐빈저에서 RF 표피 깊이는 깊을 필요가 없다. 당업자에 의해 장소 및 재료의 다른 변형이 제시될 수 있으며 이 발명의 범위에 포함되는 것이다.
Claims (17)
- 한 단부에 유전체 윈도우를 가지는 챔버, 상기 챔버에 공급될 플라즈마 선구물질 가스용 포트, 액세스 포트에 평행하고 처리될 기판을 홀딩하기 위한 상기 챔버내에 기판 지지부, 상기 챔버 외부 및 상기 유전체 윈도우 근처의 전기적 전도성 플래너 코일, 및 상기 코일에 무선 주파수 소스를 결합하기 위한 수단을 포함하는 플래너 플라즈마 형성 장치에 있어서, 상기 챔버내에 발생된 플라즈마내에 또는 근처에 플루오르 스캐빈저를 제공하는 것을 특징으로 하는 플래너 플라즈마 형성 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 플루오르 스캐빈저는 실리콘 또는 실리콘 화합물로 이루어진 아티클인 것을 특징으로 하는 플래너 플라즈마 형성 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 플루오르 스캐빈저는 상기 유전체 윈도우와 상기 기판 지지부 사이에서 그들에 평행하게 장착된 실리콘 아티클인 것을 특징으로 하는 플래너 플라즈마 형성 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 유전체 윈도우와 상기 기판 지지부 사이에 실리콘 화합물로 이루어진 아티클이 그들에 평행하게 장착되는 것을 특징으로 하는 플래너 플라즈마 형성 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 실리콘 소스는 상기 기판의 주변에 중첩하는 실리콘 카아바이드 링인 것을 특징으로 하는 플래너 플라즈마 형성 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 플루오르 스캐빈저는 그래파이트로 이루어진 링 또는 실린더인 것을 특징으로 하는 플래너 플라즈마 형성 장치.
- 제1항에 있어서, 제 2 무선 주파수 소스가 상기 기판 지지부에 연결되는 것을 특징으로 하는 플래너 플라즈마 형성 장치.
- 산소 함유층을 포함하는 기판을 처리하기 위한 방법에 있어서, 상기 기판이 유전체 차폐부에 평행하도록 상기 차페부와 피팅된 진공 챔버내에 상기 기판을 배치하고, 상기 기판에 무선 주파수 바이어스를 인가하고, 상기 챔버에 플루오르탄화수소 에칭가스를 유입하고, 상기 유전체 윈도우에 근접한 상기 챔버의 외부에 배치된 플래너 코일에 무선 주파수 전류를 인가함으로써 상기 가스로부터 플라즈마를 형성하며, 상기 챔버내로 플루오르 스캐빈저를 진입시킴으로써, 상기 기판상의 비산소 함유층에 대해 선택적으로 상기 산소 함유층을 에칭하는 것을 특징으로 하는 산소 함유층을 포함하는 기판 처리 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 플루오르 스캐빈저는 실리콘으로 이루어진 고체 아티클인 것을 특징으로 하는 산소 함유층을 포함하는 기판 처리 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 아티클은 상기 기판과 상기 유전체 차폐부 사이에서 그들에 평행하게 장착되는 것을 특징으로 하는 산소 함유층을 포함하는 기판 처리 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 플루오르 스캐빈저는 실리콘 함유 화합물인 것을 특징으로 하는 산소 함유층을 포함하는 기판 처리 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 플루오르 스캐빈저는 실리콘 카아바이드 평판인 것을 특징으로 하는 산소 함유층을 포함하는 기판 처리 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 실리콘 함유 화합물은 실리콘 함유 가스인 것을 특징으로 하는 산소 함유층을 포함하는 기판 처리 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 플루오르 스캐빈저는 탄소 함유 화합물인 것을 특징으로 하는 산소 함유층을 포함하는 기판 처리 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 플루오르 스캐빈저는 탄소 부화 가스인 것을 특징으로 하는 산소 함유층을 포함하는 기판 처리 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 탄소 부화 가스는 벤젠 및 아세틸렌으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 산소 함유층을 포함하는 기판 처리 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 탄소 함유 화합물은 그래파이트 재료인 것을 특징으로 하는 산소 함유층을 포함하는 기판 처리 방법.
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