KR20200018897A - 플라즈마 식각 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 플라즈마 식각 방법은 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(Heptafluoropropyl methyl ether) 가스, 아르곤 가스 및 산소 가스를 제공하여, 식각 대상을 플라즈마 식각하는 단계를 포함한다.

Description

플라즈마 식각 방법{PLASMA ETCHING METHOD}
본 발명은 지구 온난화 지수가 낮은 식각제를 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)을 플라즈마 식각하는 방법이 널리 이용되고 있다. 현재 실리콘 산화물의 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 지구온난화 지수를 갖는 종래의 PFC 가스를 대체하여 낮은 지구온난화 지수를 갖는 식각제를 이용한 플라즈마 식각 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 플라즈마 식각 방법은 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(Heptafluoropropyl methyl ether) 가스, 아르곤 가스 및 산소 가스를 제공하여, 식각 대상을 플라즈마 식각하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 가스 및 상기 아르곤 가스는 1:2 내지 1:4의 유량비로 제공할 수 있다.
이때, 상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 가스 및 상기 아르곤 가스는 1:2의 유량비로 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 가스 및 상기 산소 가스는 9:1 내지 8:2의 유량비로 제공할 수 있다.
이때, 상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 가스 및 상기 산소 가스는 8:2의 유량비로 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 식각 대상은 실리콘 산화물일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 식각 대상은 홀 패턴 마스크가 형성된 실리콘 산화물이고, 상기 플라즈마 식각하는 단계에서, 고종횡비 식각 구조물이 형성될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 식각 방법에 따르면, 지구온난화지수가 530으로 PFC 가스보다 월등히 낮은 HFE를 이용하여 기존 PFC 가스를 이용한 반도체 제조 공정보다 온실 가스 배출을 감축할 수 있고 친환경적으로 플라즈마 식각을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, HFE와 함께 Ar 및 O2 가스를 사용하여 플라즈마 식각을 수행함으로써, 우수한 식각 특성으로 식각 대상을 식각할 수 있을 뿐만 아니라, 특히, 식각 대상에서 불화탄소 박막의 증착 속도는 감소시키고 식각 속도를 증가시켜 불화탄소 박막의 두께를 적절히 제어하면서 식각 대상을 식각할 수 있다. 이에, 식각 대상에 홀 패턴 마스크를 이용하여 플라즈마 식각하는 경우, 홀 패턴 마스크의 직경과 식각 구조물의 직경의 차이가 거의 없거나 근소한 고종횡비 식각 구조물을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법을 설명하기 위한 플라즈마 식각 장치의 개략도를 나타낸다.
도 2는 HFE 및 Ar 유량비에 따른 SiO2 박막의 식각속도 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 HFE 및 O2의 유량비에 따른 식각 속도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 HFE 및 O2의 유량비에 따른 불화탄소 박막의 증착 및 식각 속도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 광학 발광 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 8은 본 발명에 따른 고종횡비 식각 구조물의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
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.
본 발명의 플라즈마 식각 방법은 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(Heptafluoropropyl methyl ether, HFE) 가스, 아르곤(Ar) 가스 및 산소(O2) 가스를 제공하여, 식각 대상을 플라즈마 식각하는 단계를 포함한다.
이때, HFE 가스를 플라즈마 챔버에 제공하기 위해, 먼저, HFE이 담긴 용기 및 상기 용기와 플라즈마 챔버를 연결하는 챔버 연결 라인을 가열한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 식각 방법을 설명하기 위한 플라즈마 식각 장치의 개략도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, HFE는 끓는점이 34℃로 상온에서 액상으로 존재하기 때문에, 액상의 HFE를 플라즈마 챔버에 균일하게 유입하기 위해 HFE를 증기화(Vaporization)한다. 일 실시예로, 본 발명에 따른 HFE의 증기화는 액상의 HFE를 수용하는 캐니스터(canister) 및 캐니스터와 플라즈마 식각 챔버 사이를 연결하는 챔버 연결 라인을 가열하여 수행할 수 있다. 이때, 캐니스터는 액상의 HFE가 기화될 수 있도록 HFE의 끓는점 이상으로 가열하고, 챔버 연결 라인은 플라즈마 챔버 내부에 액적 튐 현장으로 유량이 흔들리지 않도록 캐니스터 보다 더 높은 온도로 가열하는 것이 바람직할 수 있다. 일례로, 상기 캐니스터는 75℃로 가열하고, 상기 챔버 연결 라인은 90℃로 가열할 수 있다. 이때, 캐니스터는 히팅 자켓(heating jacket)을 이용하여 가열할 수 있다. 증기화된 HFE, 즉, HFE 가스는 플라즈마 챔버 내부로 제공되는데, 이때, 플라즈마 챔버 직전에 질량유량계(Mass Flow Controller)를 설치하여 증기화된 HFE의 유량을 일정하게 유지하면서 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 증기화된 HFE 가스와 함께 플라즈마 챔버 내부에 Ar 가스 및 O2 가스를 제공하는데, 이때, Ar 가스 및 O2 가스는 각각 플라즈마 챔버와 연결된 별도의 Ar 가스 주입 라인 및 O2 가스 주입 라인을 통해 HFE 가스와 별도로 주입된다.
본 발명에 따라 HFE 가스와 함께 Ar 가스를 주입함으로써 플라즈마 식각 공정에서 플라즈마 밀도를 높여주고 이온 포격을 통해 비등방적 식각 구조를 형성하도록 할 수 있다. 구체적으로, 음전성(electronegative)의 불화탄소 플라즈마(fluorocarbon plasma)에 양전성(electropositive)의 Ar이 첨가되면 플라즈마 밀도가 향상되어 HFE와 같은 전구체(precursor)의 분해가 증가되고 그로 인해 가스 상(gas phase)와 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 웨어퍼(wafer)로 가속되어 이온 포격을 하게 되고, 이에 따라, 홀(hole)과 같은 패턴 구조에서 비등방적 식각 구조물을 형성할 수 있도록 할 수 있다. 일례로, HFE 가스 및 Ar 가스는 1:2 내지 1:9의 유량비로 플라즈마 챔버 내로 제공될 수 있다. 일례로, 바람직하게는 HFE 가스 및 Ar 가스의 유량비는 1:2 내지 1:4일 수 있다.
이때, 상기 플라즈마 챔버에 O2 가스가 함께 주입됨으로써 플라즈마 식각에 의해 발생하는 불화탄소 박막의 두께를 적절히 제어하여 식각 효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 플라즈마 식각 공정에서는 O2 가스를 함께 사용하여 과도한 불화탄소의 박막의 두께를 감소시켜 반응성 이온 및 라디칼의 확산의 저해를 방지할 수 있고, 이를 통해 우수한 식각 속도로 식각 대상을 식각할 수 있다. 또한, 식각 대상의 구조물의 벽면에 불화탄소 박막이 과도하게 증착되는 것을 방지할 수 있기 때문에 원치 않는 식각 정지를 방지할 수 있고 목적하는 깊이만큼 식각할 수 있어, 본 발명의 플라즈마 식각 방법에 따라 식각 대상에 홀 패턴 마스크를 이용하여 식각 구조물을 형성하는 경우, 홀 패턴 마스크의 직경과 식각 구조물의 직경 차이가 없는 고종횡비 식각 구조물을 형성할 수 있다. 다만, O2 가스의 지나친 첨가는 실리콘 산화물과 같은 식각 대상의 소스 역할을 하는 불화탄소 박막의 형성을 지나지체 방해하여 식각 대상이 식각되는 것으로 저해할 수도 있다. 이에, 본 발명에서는 일례로, O2 가스를 HFE 가스 및 O2 가스의 유량비가 9:1 내지 8:2이 되도록 첨가하는 것이 바람직할 수 있고, 보다 바람직하게는 HFE 가스 및 O2 가스의 유량비가 8:2이 되도록 첨가할 수 있다.
본 발명의 식각 대상은 본 발명의 식각 방법에 따라 식각될 수 있는 물질이면 가능하나, 예를 들어 실리콘 다이옥사이드(silocon dioxide)와 같은 실리콘 산화물일 수 있다.
본 발명에 따르면, 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)가 530으로 PFC 가스보다 월등히 낮은 HFE와 Ar 및 O2 가스를 이용하여 플라즈마 식각 공정을 수행함으로써, 기존 PFC 가스를 이용한 반도체 제조 공정보다 온실 가스 배출을 감축할 수 있고 친환경적이며, 우수한 식각 특성으로 플라즈마 식각을 수행할 수 있다. 특히, 본 발명의 플라즈마 식각 공정에 따르면, 식각 대상에서 불화탄소 박막의 증착 속도는 감소시키고 식각 속도를 증가시켜, 불화탄소 박막의 두께를 적절히 제어하면서 식각 대상을 식각할 수 있고, 식각 대상에 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 실시예를 들어, 본 발명의 플라즈마 식각 방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 식각하기 위해, 먼저, 액상의 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(HFE-347mcc3)가 수용된 캐니스터를 75℃로 가열하여 HFE 가스를 준비하고, 캐니스터와 플라즈마 챔버를 연결하는 챔버 연결 라인은 90℃로 가열하였다.
HFE/O2/Ar 플라즈마 식각을 수행하기 이전에, HFE 및 Ar 유량비에 따른 식각 속도를 확인하기 위해, HFE 및 Ar만을 이용하여 플라즈마 식각을 수행하였다. 구체적으로, HFE 가스 및 Ar 가스의 유량비를 변화시키면서 각각의 가스를 플라즈마 챔버로 제공하고, 실리콘 상의 500nm 두께의 SiO2 박막을 플라즈마 식각하였다(HFE 및 Ar의 총 유량비가 30 sccm이 되도록 제어). 구체적인 플라즈마 식각 공정 조건은 하기 표 1과 같고, Ar 유량비에 따른 식각 속도는 도 2에 나타낸다.
소스전력
(Source power)
(W)		 바이어스 전압
(Bias voltage)
(V)		 방전가스
(Discharge Gas)		 총 유량비
(Total Flow Rate)
(sccm)		 압력
(Pressure)
(mTorr)		 기판온도
(Substrate Temperature)
(℃)
250 -600 HFE/Ar 30 10 15
(상기에서 제시하는 전체 유량, 압력, 기판 온도는 일 예일 뿐, 본 발명이 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명에서 제시된 전체 유량, 압력, 기판 온도는 플라즈마 식각 장비마다 상이할 수 있다)
도 2는 HFE 및 Ar 유량비에 따른 SiO2 박막의 식각속도 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, Ar의 유량비가 0 ~ 60% 까지는 SiO2 박막이 식각되지 않고 증착되는 반면, Ar 유량비가 63% (HFE-347mcc3 11 sccm, Ar 19 sccm) 이상부터 SiO2 박막이 식각되는 것을 확인할 수 있다. 특히, Ar 유량비가 80%일 때 식각속도가 가장 빠른 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, HFE 가스 및 Ar 가스를 1:2 내지 1:9의 유량비로 플라즈마 챔버 내로 제공함으로써 우수한 식각 속도로 식각 대상을 식각할 수 있음을 확인할 수 있고, 특히, HFE 가스 및 Ar 가스를 1:2 내지 1:4의 유량비로 제공하는 것이 가장 바람직함을 확인할 수 있다.
다만, Ar의 유량비가 증가할수록 플라즈마 밀도가 계속해서 증가하여 고 바이어스 전압을 형성하기 어려운 상황이 된다. 때문에, 본 발명에 따라 플라즈마 고종횡비 식각 구조물을 형성하는 경우, 고 바이어스 전압을 형성하도록 Ar 유량비가 총 70% 이내인 것이 바람직할 수 있다. 이에, 하기에서는 안정적인 -1200 V 바이어스 전압을 달성하도록 하기에서는 Ar 유량비를 67%(Ar 20 sccm, 총 유량 30 sccm)로 설정하였다.
이어서, HFE 및 O2의 유량비에 따른 식각 특성을 확인하기 위해, Ar 유량비가 전체 유량의 67%가 되도록 설정하고(20 sccm), HFE 및 O2의 유량비를 변화시켜, 본 발명에 따른 HFE/O2/Ar 플라즈마 식각에 따른 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer, ACL)과 SiO2 박막의 식각 속도를 확인하였다. 구체적인 식각 공정 조건은 하기 표 2와 같고, 식각 속도는 도 3에 나타낸다.
소스전력
(Source power)
(W)		 바이어스 전압
(Bias voltage)
(V)		 방전가스
(Discharge Gas)
(X/Y/Z)		 총 유량비
(Total Flow Rate)
(sccm)		 압력
(Pressure)
(mTorr)		 기판온도
(Substrate Temperature)
(℃)
250 -1200 HFE-347mcc3/O2/Ar 1. X/Y/Z: 10/0/20
2. X/Y/Z: 9/1/20
3. X/Y/Z: 8/2/20		 10 15
도 3은 HFE 및 O2의 유량비에 따른 식각 속도를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, O2가 첨가되고 HFE의 유량이 감소됨에 따라 SiO2의 식각속도는 4230 Å/min에서 3616 Å/min으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 탄소(Carbon)가 주성분인 ACL은 O2의 유량이 증가할수록 848 Å/min에서 1500 Å/min까지 식각 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 SiO2에서는 O2의 유량이 증가하고 HFE의 유량이 감소함에 따라 SiO2를 식각할 수 있는 식각제의 양이 감소하여 식각 속도가 감소하나 ACL은 O2 유량 증가로 인해 O2+C→CO2의 화학반응이 진행되어 식각속도 증가함을 나타낸다. 또한, O2가 첨가되고 HFE-347의 유량이 감소됨에 따라 SiO2와 ACL의 식각 선택비는 5.0에서 2.4로 감소한다.
또한, Ar 유량비가 전체 유량의 67%가 되도록 설정하고(20 sccm), HFE 및 O2의 유량비를 변화시켜, 본 발명에 따른 HFE/O2/Ar 플라즈마 가스에 따른 불화탄소 박막의 증착과 불화탄소 박막의 식각 속도를 확인하였다. 먼저, 구체적인 불화탄소 박막의 증착 공정 조건은 하기 표 3과 같고, 증착된 불화탄소 박막의 식각 공정 조건은 상기 표 2와 같다. 각각의 결과는 도 4a 및 도 4b에 나타낸다.
소스전력
(W)		 바이어스 전압
(V)		 방전가스
(X/Y/Z)		 총 유량비
(sccm)		 압력
(mTorr)		 기판온도
(℃)
250 0 HFE-347mcc3/O2/Ar 1. X/Y/Z: 10/0/20
2. X/Y/Z: 9/1/20
3. X/Y/Z: 8/2/20		 10 15
도 4a 및 도 4b는 각각 HFE 및 O2의 유량비에 따른 불화탄소 박막의 증착 및 식각 속도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, HFE의 유량이 감소하고 O2의 유량이 증가할수록 불화탄소 박막의 증착 속도는 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 4b에 도시한 바와 같이, HFE의 유량이 감소하고 O2의 유량이 증가할수록 불화탄소 박막은 O2 라디칼에 의해 O2+C→CO2의 화학반응으로 식각되어 식각속도가 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다.
탄소와(C)과 플루오린(F)으로 이루어진 물질을 이용한 식각은 기판 표면에 불화탄소 박막을 형성하며 식각하는데, F/C 비율이 작을수록 불화탄소 박막 형성이 많아지게 된다. HFE의 F/C 비율은 1.75로 고종횡비 SiO2 식각 구조 구현 시 가장 많이 사용되는 C4F8 (F/C: 2)과 C4F6 (F/C:1.5) 사이이다. 이때, 본 발명의 HFE/O2/Ar 플라즈마 식각에서는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 확인한 바와 같이, O2 유량 증가로 인한 불화탄소 박막의 증착속도 감소 및 식각 속도 증가를 통해 고종횡비 SiO2 식각 시 표면에 형성되는 불화탄소 박막의 두께를 감소시킬 수 있어 식각 정지(Etch Stop), 사이드 월 네킹(Sidewall Necking) 등을 방지할 수 있다.
이에 대해 보다 구체적으로 확인하기 위해, HFE 및 O2의 유량비를 변화시켜, 광학 발광 분석(Optical Emission Spectroscopy, OES)을 수행하였고, 그 결과는 도 5에 나타낸다.
도 5는 광학 발광 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)는 HFE(HFE-347mcc3) 플라즈마의 광학 발광 분석 결과를 나타내고, 도 5의 (b)는 본 발명의 HFE/O2/Ar 플라즈마에서 HFE 및 O2의 유량비에 따른 CF2 라디칼 및 O 라디칼의 발생량 변화를 나타낸다.
도 5의 (a)를 참조하면, 먼저, HFE 플라즈마의 광학 발광 분석 결과로부터 CF2 라디칼과 F 라디칼이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, HFE-347mcc3는 물질 자체에 산소 원자를 포함하고 있으며 플라즈마 형성에 의해 분자가 분해되어 O 라디칼도 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이와 비교하여, 도 5의 (b)를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 식각에 따르면, HFE의 유량이 감소하고 O2의 유량이 증가할수록 CF2 라디칼의 발생량은 감소하고 O 라디칼의 발생량은 증가하는 것을 확인할 수 있다. CF2 라디칼 및 O 라디칼은 불화탄소 박막을 형성의 핵심 라디칼로, O2의 유량이 증가할수록 CF2 라디칼의 발생량은 감소하고 O 라디칼의 발생량은 증가하는 결과는 상기 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 것과 같은, 불화탄소 박막의 증착 속도는 감소하고 불화탄소 박막의 식각속도는 증가하는 결과와 상응하는 결과이다.
즉, 본 발명의 플라즈마 식각 공정에 따라 HFE, Ar 및 O2을 제공하여 플라즈마 식각 공정을 수행함으로써, SiO2의 식각 소스가 되는 불화탄소 박막을 형성하는 동시에 불화탄소 박막을 식각하여 불화탄소 박막의 두께를 적절히 제어할 수 있음을 확인할 수 있고, 이에 따라, 과도한 불화탄소 박막에 의해 유도되는 식각 정지나 사이드 월 네킹과 같은 문제를 방지할 수 있어, 우수한 식각 효율로 식각 대상을 식각할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 식각 공정을 통해 고종횡비 식각 구조물을 제조하기 위해, 먼저, 시편(SiO2 박막)에 홀 패턴 마스크를 형성하였다. 홀 패턴 마스크는 총 1400 nm의 두께로 1350 nm ACL 위에 50 nm SiON 박막이 존재하는 구조이고, 2400 nm 두께의 SiO2 박막 상에 형성되었다. 형성된 홀 패턴 마스크의 직경은 각각 200 nm이었다. 그 다음, 홀 패턴 마스크가 형성된 시편(SiO2 박막)을 하기 표 4의 조건으로 플라즈마 식각하였으며, 그 결과를 도 6 내지 도 8에 나타낸다.
소스전력
(W)		 바이어스 전압
(V)		 방전가스
(X/Y/Z)		 총 유량비
(sccm)		 압력
(mTorr)		 기판온도
(℃)		 식각시간
(min)
250 -1200 HFE-347mcc3/O2/Ar 1. X/Y/Z: 10/0/20
2. X/Y/Z: 9/1/20
3. X/Y/Z: 8/2/20		 10 15 12
도 6 내지 8은 본 발명에 따른 고종횡비 식각 구조물의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 식각 전 홀 패턴 마스크가 형성된 시편의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope) 단면 사진이고, 도 7은 직경 200 nm 홀 패턴 마스크가 형성된 시편을 상기 표 4의 유량비 조건에 따라 12분 식각한 후 시편의 SEM 단면 사진이며, 도 8은 식각 후 남아있는 홀 패턴 마스크를 포함하여 수직 길이에 따른 직경 변화를 나타낸 그래프이다. 이때, ACL 마스크와 SiO2 경계를 0으로 설정하였다.
도 6 내지 8을 참조하면, 먼저, 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따라 12분 식각 후 모든 시편이 2400 nm 깊이인 바닥까지 식각되는 것을 확인할 수 있다. 다만, HFE 10 sccm, O2 0 sccm인 시편에서는 ACL 마스크의 높이가 1020 nm인 위치에서 네킹(necking)이 발생하였음을 확인할 수 있고, ACL 마스크의 상부에 네킹이 형성됨에 따라 도 8에 도시한 바와 같이, 식각 직경이 균일하지 않고, 마스크의 초기 직경인 200 nm 보다 감소된 130 nm의 직경으로 식각되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경우, ACL 마스크의 직경이 감소하거나 식각할 SiO2의 깊이가 길어질 때 식각 정지가 발생할 수 있다. 한편, HFE 9 sccm, O2 1 sccm인 시편에서는 ACL 마스크의 높이가 598 nm인 위치에서 네킹이 발생하였으나, HFE 10 sccm, O2 0 sccm인 시편 보다 상대적으로 균일하고 큰 직경으로 식각되는 것을 확인할 수 있다. 한편, HFE 8 sccm, O2 2 sccm인 시편에서는 ACL 마스크의 높이가 335 nm인 위치에서 네킹이 발생되긴 하였으나, 식각 직경이 195 내지 202 nm로 마스크의 초기 직경인 200 nm에 매우 근접한 수치임을 확인할 수 있다.
즉, HFE, O2 및 Ar 가스를 이용한 본 발명에 따른 플라즈마 식각 공정을 통해 보다 균일하고 마스크 패턴과 유사한 직경의 고종횡비 식각 구조물을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, HFE 및 O2의 유량비가 8:2인 경우 마스크 패턴과 거의 흡사한 직경을 갖는 균일한 고종횡비 식각 구조물이 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 이에, 더 작은 직경의 홀 패턴을 이용하는 경우에도 본 발명에 따른 플라즈마 식각 공정에 따라 마스크와 유사하고 전반적으로 균일한 직경을 갖는 고종횡비 식각 구조물을 형성 가능할 것이다.
따라서, 상기에서 확인한 바와 같이, 본 발명에 따라 GWP가 낮은 HFE, Ar 및 O2 가스를 이용하여, 기존의 PFC 가스보다 온실효과가 적고, 친환경적으로 실리콘 산화물을 우수한 식각 특성으로 식각할 수 있고, 나아가, 고종횡비 식각 구조물을 제작 가능함을 확인할 수 있다. 이에, 본 발명의 플라즈마 식각 방법은 종래의 PFC 기반의 플라즈마 식각 공정을 대체하여 우수한 특성으로 반도체, 디스플레이, MEMS 등 소자의 플라즈마 식각 공정 분야에 적용될 수 있을 것으로 예상된다.
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.

Claims (7)

  1. 식각 대상이 배치된 플라즈마 챔버에 헵타플루오로프로필 메틸 에테르(Heptafluoropropyl methyl ether) 가스, 아르곤 가스 및 산소 가스를 제공하여, 식각 대상을 플라즈마 식각하는 단계를 포함하는,
    플라즈마 식각 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 가스 및 상기 아르곤 가스는 1:2 내지 1:4의 유량비로 제공하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 가스 및 상기 아르곤 가스는 1:2의 유량비로 제공하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 가스 및 상기 산소 가스는 9:1 내지 8:2의 유량비로 제공하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 헵타플루오로프로필 메틸 에테르 가스 및 상기 산소 가스는 8:2의 유량비로 제공하는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 식각 대상은 실리콘 산화물인 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 식각 대상은 홀 패턴 마스크가 형성된 실리콘 산화물이고,
    상기 플라즈마 식각하는 단계에서, 고종횡비 식각 구조물이 형성되는 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 식각 방법.
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