2020. 10. 26.  
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   제목: CF 가스의 플라스마 이용 식각 기술
글쓴이: 관리자  조회: 2767
CF 가스의 플라스마 이용 식각 기술

ASET의 식각 개발 프로젝트


웨이퍼의 크기가 300mm로 대형화되고 소자의 최소선폭이 100nm 이하로 미세화 됨에 따라 첨단 기술의 식각기술이 필요하게 됐다. 일본 차세대반도체 연구개발 컨소시엄인 ASET(Association of Super-advanced Electronics Technologies)에서는 식각 장비 및 공정의 개발 및 평가를 체계적으로 수행할 수 있는 체계를 갖추기 위해 노력하고 있다. 이 프로젝트에 대해 정리한다.

글 : 박성호 기자 / reporter@sgmedia.co.kr


ASET의 식각 개발 프로젝트

기존에는 실험적인 방법에 의하여 식각 장비 및 공정을 개발했기 때문에 향후 차세대 반도체용 식각기술 개발에는 막대한 자원과 시간이 필요하다. 이를 해결하기 위하여 ASET에서는 CF 가스의 플라스마를 이용하여 SiO2 막에 지름 100nm 이하의 contact hole을 형성하는 공정에 대해서 플라스마 원, 플라스마와 표면관의 반응, 플라스마 공정의 모니터링 및 모텔링 등의 일련의 연구를 통해 식각 기술을 체계적으로 개발하는 계획을 수립하여 진행했다.
다음은 ASET의 프로젝트를 진행하면서 나타난 결과를 설명하고 있다.

활성종 생성 및 이동의 제어

활성종은 플라스마 내에서 생성되어 웨이퍼 표면으로 이동하여 식각을 일으킨다. 활성종의 조성에 따라 웨이퍼 표면에 형성되는 C-F 폴리머의 조성 및 두께도 달라지므로 식각특성도 변하게 된다. 따라서 균일하고 효과적인 식각을 위해서는 플라스마의 특성을 분석하고 활성종의 조성 및 분포에 미치는 영향을 조사하여야 한다.
전자충돌에 의한 원료기체의 분해
C4F8과 같이 분자량이 큰 원료기체들은 플라스마 내에서 전자와의 충돌에 의해 점차 분해되어 결국 CFx, C, F 등의 작은 활성종이 된다. 따라서 전자와의 충돌 횟수가 증가할수록 크기가 작은 활성종의 농도가 증가한다. 전자와의 충돌 횟수는 원료기체가 반응관내에 머무르는 시간 및 전자의 밀도에 비례하므로 기체의 유량, 압력, RF 파워 등의 변수를 조절하여 식각 선택성을 나쁘게 하는 F 활성종의 농도를 제어할 수 있다.

플라스마와 반응관 내벽과의 상호작용

활성종의 농도는 반응관 내벽에 따라서도 달라진다. RF-CCP에서 상부 전극 재료를 Al으로 한 경우에는 O2 유량이 증가함에 따라서 F 농도가 과도하게 증가하지만 상부 전극을 Si으로 만든 경우에는 O2 유량이 증가함에 따라서 F의 농도가 낮아진다. 상부 전극과 웨이퍼 사이의 거리를 줄이면 전자 밀도는 감소하고 전자 온도는 증가하며 F 농도 및 식각에 관련된 모든 반응의 속도가 빨라진다. 내벽 온도를 높이면 플라스마의 전자 밀도 및 CF2의 농도가 증가한다.

활성종의 공간적 분포-플라스마 밀도 분포의 영향

VHF-IVP 및 RF-ICP에 대해서 전자 밀도의 분포를 관찰한 결과 VHF의 경우에는 비교적 균일한 분포를 보였으나 RF의 경우에는 전자의 분포가 coil 아래에만 집중되어 있고 반응관 내벽에 가까워질수록 급격하게 감소하였다. 이 때문에 VHF에서는 CF 및 CF2 활성종의 농도가 균일한 데 반해서 RF의 경우에서는 가운데 부분에서 활성종의 농도가 낮게 측정되었다.

활성종 입사량의 조절

SiO2의 식각속도는 (a) 플라스마에서의 활성종의 조성, (b) 활성종의 웨이퍼로의 입사량 , (c) 이온 에너지, 그리고 (d) 이온의 입사량에 의해 결정되는데 특히 중요한 것은 (a)와 (b)이다. 따라서 RF-CCP 반응관에서 C4F8/Ar/O2 혼합 기체로 SiO2를 식각할 때 (c)와 (d)를 일정하게 유지하면서 활성종의 이동량을 측정하였는데, 원료기체인 C4F8의 분압이 증가함에 따라 활성종들의 입사량은 모두 증가하였고 Ar+ 이온의 입사량은 감소했다. 활성종 중 입사량이 가장 많은 것은 CF2이었다.

SiO2 식각 반응 모델

SiO2 식각 반응에 대해 기초 모델을 만들고 실험결과들과 잘 일치함을 확인했다. C4F8 B유량이 적어서 SiO2 표면에 폴리머가 1nm미만 형성되는 경우, 활성종들의 농도가 증가함에 따라 식각속도가 증가하였고, 웨이퍼에 입사되는 이온 에너지가 증가함에 따라 활성종이 표면 반응을 일으킬 확률이 높아진다.

깊은 contact hole에서 일어나는 현상

작은 hole 내부에서의 식각은 넓은 면적에서와 달라서 잘 이해되고 있지 않다. 따라서 micro-machnining 기술을 사용하여 실제 contact hole과 비슷한 크기와 aspect ratio를 갖는 microcapillary plate(MCP)를 제작하였고, 이를 전극 위에 올려놓고 전극에 도달하는 이온을 분석함으로써 깊은 hole의 통해 입사되는 이온에 대해 연구했다. MPC를 통과한 이온의 에너지는 크게 변하지 않았고, 실제 contact hole의 하부에서 charge build-up은 수십 V에 불과하다. 따라서 고(高) aspect ratio의 hole의 식각에서 발생되는 micro-loading 효과 및 식각이 멈추는 현상은 중성 활성종이 hole 내부로 어떻게 이동하느냐의 관점에서 고찰해야 할 것이다.

차세대 식각 시스템

플라스마 소스
RF-CCP의 경우, 전자 에너지는 높지만 전극 간의 거리를 좁게 하고 기체유량을 매우 크게 하여 기체가 반응관에 머무르는 시간을 줄임으로써 C4F8이 과도하게 분해되는 것을 막을 수 있었고 Si 상부전극도 F 농도를 감소시키는 역할을 한다. 다른 반응관들은 RF-CCP보다 전자 에너지가 낮았으나 반응관의 부피가 커서 기체가 반응관 내에 머무르는 시간이 길기 때문에 C4F8이 과도하게 분해 된다. 식각 속도를 높이기 위해서는 플라스마 밀도를 높여서 이온의 입사량을 늘려야 하는데, 이 역시 C4F8의 분해를 더욱 촉진시킨다. 차세대 식각 장비들은 웨이퍼의 크기가 300mm로 증가하기 때문에 반응관 부피도 증가하므로 이러한 문제는 더욱 심화될 것으로 예상된다.
이에 대한 해결책으로는 먼저 웨이퍼 바로 위에만 얇게 고밀도 플라스마를 형성하는 방법이 있는데, 현재 magnetron RIE 장비 및 두 가지 RF 파워를 동시에 사용하는 장비에 적용되고 있다(고주파수의 RF는 플라스마 형성에, 저주파수의 RF는 웨이퍼에 바이어스를 걸어주는데 사용한다). 또 다른 방법은 Ar 대신 Xe와 같이 보다 쉽게 이온화되면서 C4F8을 덜 분해 시키는 기체를 사용하는 것이다. Xe는 매우 고가이므로 재활용 시스템을 이용해야 할 것이다.
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