본 논문은, 반도체 소자의 고 집적화에 대응하기 위한 고효울, 고선택비를 가지는 NF3/NH3 gas를 이용한 플라즈마 건식 세정 기술에 관한 것이다. 일반적인 습식 세정 공정은 미세 패턴의 종횡비가 증가하면서 표면에 고르게 세정액이 침투되지 않아 세정력이 감소되고, 세정액의 ...
본 논문은, 반도체 소자의 고 집적화에 대응하기 위한 고효울, 고선택비를 가지는 NF3/NH3 gas를 이용한 플라즈마 건식 세정 기술에 관한 것이다. 일반적인 습식 세정 공정은 미세 패턴의 종횡비가 증가하면서 표면에 고르게 세정액이 침투되지 않아 세정력이 감소되고, 세정액의 표면 장력에 의한 패턴 무너짐 등의 큰 문제점이 있다. 그리고 미세 패턴에서 습식 세정 공정의 한계와 낮은 선택비, 그 외에도 환경오염 및 비용증가와 같은 습식 세정의 단점들로 인하여 건식 세정에 대한 관심과 연구 개발이 급격하게 증가, 활용되고 있다. 건식 세정 공정 중, 플라즈마 건식 세정 법은 플라즈마를 이용하여 반응물을 활성화 시켜, 반응물과 기판의 화학적 또는 물리적 반응을 이용하여 세정한다. 이런 건식 세정은 고 선택비를 가지고 저온 공정이 유리하다는 장점이 있다. 하지만 건식 플라즈마 세정 공정 시 플라즈마 에너지가 기판을 식각 하면서 표면을 거칠게 만들거나, 플라즈마에 의해 활성화된 원소가 기판 표면에 흡착 하거나 침투하여 결함을 야기 시킬 수 있는 단점이 있다. 본 연구에서는, 건식 세정 반응 시 기판 표면에 박막 형태의 by-product를 형성하여 플라즈마에 의해 활성화된 입자로 인한 물리적, 전기적 손상을 최소화하고, 고 선택비를 확보하기 위하여 NF3와 NH3를 반응가스로 사용하였다. 그리고 기판 표면의 손상이 적도록 플라즈마로 여기된 반응가스를 안정화시켜 기판의 반응 표면에 전달하는 간접 플라즈마(Remote Plasma) 방식을 채택하여 연구하였다. NF3/NH3 플라즈마 건식 세정 기구는 반응(Reaction)단계와 어닐(Anneal)단계로 나누며, 각각의 단계에서의 화학 반응식은 아래와 같다. SiO2(s) + 2NF3(g) + 4NH3(g) → (NH4)2SiF6(s) + 2H2O(g) +2N2(g) (반응단계) (NH4)2SiF6(s) → SiF4(g)+ 2NH3(g) +2HF(g) (어닐 단계) 반응단계에서 생성되는 (NH4)2SiF6는 기판 표면에 고체상으로 존재 하고, 어닐(180℃) 단계에서 기화 되어 제거 된다. 이때 SiO2의 제거 반응에 주로 참여하는 것은 HF2- ion으로 NF3/NH3 gas가 플라즈마 상태에서 이온화 되고, 이온화의 정도는 NF3/NH3 gas의 비율과 plasma power에 의해서 달라지게 된다. 본 연구 결과에서는 NF3/NH3 gas의 비율이 1:2 이고 plasma power가 높을수록 이온화 밀도가 높아, SiO2의 제거율이 높은 것으로 나타났다. 그리고 NF3/NH3 gas의 비율에 따라, 공정 진행 후 기판 표면의 거칠기가 달라졌다. NF3/NH3 gas의 비율 1:2 조건에서의 기판 표면 거칠기의 변화는 없었으나, 1:1 조건에서는 거칠기가 30% 이내로 증가 하였으며, 이것은 SiO2의 제거 반응에 주로 참여하는 HF2- ion 과 다른 ion (HF, F 등)의 생성 비율이 NF3:NH3 gas 비율에 따라 달라지고 각각의 ion이 다른 mechanism으로 SiO2 제거 반응이 이루어지기 때문인 것으로 판단된다. 또한 Si3N4 막질과 SiO2 막질과의 선택비도 이들 ion의 생성 비율과 관계가 있는 것으로 나타났다. HF2- ion 이 가장 많이 생성되는 NF3/NH3 gas의 비율 1:2 조건에서 선택비(12) 1:1 비율 조건(6)보다 높았다. 따라서 NF3/NH3 gas의 비율이 1:2이고 plasma power가 70W 일 때, 높은 식각률과 고 선택비, 저 손상의 세정 효율을 얻을 수 있었다. 건식세정 시에 사용 되는 NF3 gas에 기인한, SiO2 제거 반응에 관여하는 F 원자는 전기음성도가 거 Si Wafer 표면에 잘 흡착 된다. 특히 DHF를 사용한 습식 세정에서는 wafer 표면이 Si-H로 종단(termination)되는 반면 건식 세정에서는 F으로 종단되는 비율이 높다. 이렇게 세정 후 표면에 남는 불소(F)은 기판 표면을 친수성으로 만들고, 전기음성도가 커 다른 오염물들을 잘 흡착 하게해 계면특성을 저하시켜 소자의 quality를 저하 시키는 원인이 될 수 있다. 본 연구에서 건식 세정 후 표면에 잔류하는 불소(F)를 제거 할 수 있는 방법으로, 건식 세정 후 post treatment로 H2 anneal과 O2 plasma를 제시하였다. 그리고 NF3/NH3 플라즈마 건식 세정을 HfO2 게이트 스택(gate stack)의 후속 cleaning 공정에 응용하여, HfO2 gate stack의 화학적, 물리적, 전기적 특성을 확인하였다. 건식 세정 후 HfO2 박막의 화학적으로 중대한 변화는 없었으며, Si wafer와 HfO2 박막 사이에 계면 층 (Interface Layer, SiO2)이 감소하였고, EOT와 leakage current의 전기적 측면에서 소폭 향상된 결과를 얻었다. 그러나 본 연구에서 사용한 NF3/NH3 플라즈마 건식 세정조건은 HfO2 게이트 스택(gate stack)에 최적화된 조건이라고 할 수는 없으며, HfO2 박막에서의 NF3/NH3 플라즈마 건식 세정 mechanism을 규명하기 위한 후속 연구가 더 필요할 것으로 보인다. 따라서, 본 연구에서는 NF3/NH3 플라즈마 건식 세정 반응 mechanism을 제시하였고, 이를 통하여 고효율/고선택비를 가지며, 표면 손상이 없는 공정 조건을 제시하였다. 그리고 이것을 이용하여 HfO2 gate stack의 후속 cleaning 공정에 응용하여 HfO2 gate stack의 전기적인 특성 저하 없이 F defect passivation과 계면 층(Interfacial Layer) 제거의 가능성을 보여주었다. 향후 HfO2 gate stack의 후속 cleaning 공정 최적화를 통해, 물리적 화학적 전기적으로 향상된 HfO2 gate stack의 성능을 기대할 수 있을 것으로 보인다.
본 논문은, 반도체 소자의 고 집적화에 대응하기 위한 고효울, 고선택비를 가지는 NF3/NH3 gas를 이용한 플라즈마 건식 세정 기술에 관한 것이다. 일반적인 습식 세정 공정은 미세 패턴의 종횡비가 증가하면서 표면에 고르게 세정액이 침투되지 않아 세정력이 감소되고, 세정액의 표면 장력에 의한 패턴 무너짐 등의 큰 문제점이 있다. 그리고 미세 패턴에서 습식 세정 공정의 한계와 낮은 선택비, 그 외에도 환경오염 및 비용증가와 같은 습식 세정의 단점들로 인하여 건식 세정에 대한 관심과 연구 개발이 급격하게 증가, 활용되고 있다. 건식 세정 공정 중, 플라즈마 건식 세정 법은 플라즈마를 이용하여 반응물을 활성화 시켜, 반응물과 기판의 화학적 또는 물리적 반응을 이용하여 세정한다. 이런 건식 세정은 고 선택비를 가지고 저온 공정이 유리하다는 장점이 있다. 하지만 건식 플라즈마 세정 공정 시 플라즈마 에너지가 기판을 식각 하면서 표면을 거칠게 만들거나, 플라즈마에 의해 활성화된 원소가 기판 표면에 흡착 하거나 침투하여 결함을 야기 시킬 수 있는 단점이 있다. 본 연구에서는, 건식 세정 반응 시 기판 표면에 박막 형태의 by-product를 형성하여 플라즈마에 의해 활성화된 입자로 인한 물리적, 전기적 손상을 최소화하고, 고 선택비를 확보하기 위하여 NF3와 NH3를 반응가스로 사용하였다. 그리고 기판 표면의 손상이 적도록 플라즈마로 여기된 반응가스를 안정화시켜 기판의 반응 표면에 전달하는 간접 플라즈마(Remote Plasma) 방식을 채택하여 연구하였다. NF3/NH3 플라즈마 건식 세정 기구는 반응(Reaction)단계와 어닐(Anneal)단계로 나누며, 각각의 단계에서의 화학 반응식은 아래와 같다. SiO2(s) + 2NF3(g) + 4NH3(g) → (NH4)2SiF6(s) + 2H2O(g) +2N2(g) (반응단계) (NH4)2SiF6(s) → SiF4(g)+ 2NH3(g) +2HF(g) (어닐 단계) 반응단계에서 생성되는 (NH4)2SiF6는 기판 표면에 고체상으로 존재 하고, 어닐(180℃) 단계에서 기화 되어 제거 된다. 이때 SiO2의 제거 반응에 주로 참여하는 것은 HF2- ion으로 NF3/NH3 gas가 플라즈마 상태에서 이온화 되고, 이온화의 정도는 NF3/NH3 gas의 비율과 plasma power에 의해서 달라지게 된다. 본 연구 결과에서는 NF3/NH3 gas의 비율이 1:2 이고 plasma power가 높을수록 이온화 밀도가 높아, SiO2의 제거율이 높은 것으로 나타났다. 그리고 NF3/NH3 gas의 비율에 따라, 공정 진행 후 기판 표면의 거칠기가 달라졌다. NF3/NH3 gas의 비율 1:2 조건에서의 기판 표면 거칠기의 변화는 없었으나, 1:1 조건에서는 거칠기가 30% 이내로 증가 하였으며, 이것은 SiO2의 제거 반응에 주로 참여하는 HF2- ion 과 다른 ion (HF, F 등)의 생성 비율이 NF3:NH3 gas 비율에 따라 달라지고 각각의 ion이 다른 mechanism으로 SiO2 제거 반응이 이루어지기 때문인 것으로 판단된다. 또한 Si3N4 막질과 SiO2 막질과의 선택비도 이들 ion의 생성 비율과 관계가 있는 것으로 나타났다. HF2- ion 이 가장 많이 생성되는 NF3/NH3 gas의 비율 1:2 조건에서 선택비(12) 1:1 비율 조건(6)보다 높았다. 따라서 NF3/NH3 gas의 비율이 1:2이고 plasma power가 70W 일 때, 높은 식각률과 고 선택비, 저 손상의 세정 효율을 얻을 수 있었다. 건식세정 시에 사용 되는 NF3 gas에 기인한, SiO2 제거 반응에 관여하는 F 원자는 전기음성도가 거 Si Wafer 표면에 잘 흡착 된다. 특히 DHF를 사용한 습식 세정에서는 wafer 표면이 Si-H로 종단(termination)되는 반면 건식 세정에서는 F으로 종단되는 비율이 높다. 이렇게 세정 후 표면에 남는 불소(F)은 기판 표면을 친수성으로 만들고, 전기음성도가 커 다른 오염물들을 잘 흡착 하게해 계면특성을 저하시켜 소자의 quality를 저하 시키는 원인이 될 수 있다. 본 연구에서 건식 세정 후 표면에 잔류하는 불소(F)를 제거 할 수 있는 방법으로, 건식 세정 후 post treatment로 H2 anneal과 O2 plasma를 제시하였다. 그리고 NF3/NH3 플라즈마 건식 세정을 HfO2 게이트 스택(gate stack)의 후속 cleaning 공정에 응용하여, HfO2 gate stack의 화학적, 물리적, 전기적 특성을 확인하였다. 건식 세정 후 HfO2 박막의 화학적으로 중대한 변화는 없었으며, Si wafer와 HfO2 박막 사이에 계면 층 (Interface Layer, SiO2)이 감소하였고, EOT와 leakage current의 전기적 측면에서 소폭 향상된 결과를 얻었다. 그러나 본 연구에서 사용한 NF3/NH3 플라즈마 건식 세정조건은 HfO2 게이트 스택(gate stack)에 최적화된 조건이라고 할 수는 없으며, HfO2 박막에서의 NF3/NH3 플라즈마 건식 세정 mechanism을 규명하기 위한 후속 연구가 더 필요할 것으로 보인다. 따라서, 본 연구에서는 NF3/NH3 플라즈마 건식 세정 반응 mechanism을 제시하였고, 이를 통하여 고효율/고선택비를 가지며, 표면 손상이 없는 공정 조건을 제시하였다. 그리고 이것을 이용하여 HfO2 gate stack의 후속 cleaning 공정에 응용하여 HfO2 gate stack의 전기적인 특성 저하 없이 F defect passivation과 계면 층(Interfacial Layer) 제거의 가능성을 보여주었다. 향후 HfO2 gate stack의 후속 cleaning 공정 최적화를 통해, 물리적 화학적 전기적으로 향상된 HfO2 gate stack의 성능을 기대할 수 있을 것으로 보인다.
As the pattern size of the semiconductor continues to decrease under the 10nm, chemical dry cleaning process technique using NF3 and hydrogen-containing gas, such as H2 and NH3, has been well studied for the removal of SiO2 layer in name of chemical oxide removal(COR) or native oxide removal (NOR). ...
As the pattern size of the semiconductor continues to decrease under the 10nm, chemical dry cleaning process technique using NF3 and hydrogen-containing gas, such as H2 and NH3, has been well studied for the removal of SiO2 layer in name of chemical oxide removal(COR) or native oxide removal (NOR). In this paper, we have investigated the NF3/NH3 plasma dry cleaning mechanism and cleaning efficiencies. The SiO2 layer etching mechanism by NF3/NH3 plasma process was revealed as follows: The reaction of NF3/NH3 gas with SiO2 generated ammonium hexafluorosilicate (NF4)2SiF6 as a byproduct. And then, the compound is readily vaporized by sample annealing at 180 oC. And we have found that the NF3/NH3 dry cleaning has high etch rate and high selectivity (SiO2/Si3N4) with 1:2 (NF3/NH3) gas ratio at 70W of plasma power. In general, SiO2 dry cleaning technique was mainly used for high aspect ratio (HAR) trench etch and contact hole bottom clean, as an alternative to the wet cleaning technique. In this study, the novel application of NF3/NH3 dry cleaning technique was proposed by a post gate cleaning. We have found that a post-gate dry cleaning using the NF3/NH3 plasma can incorporate fluorine into HfO2 and reduce the interfacial SiOx layer without any significant degradation in the electrical properties. Moreover, the fluorinated HfO2 gate stack with a monolayer-thin interfacial layer showed the better electrical properties in terms of gate leakage current and EOT compared to the non-cleaned HfO2 gate stack. Although the further study should be done to understand the mechanism, we suggest that the interfacial layer of HfO2 gate stack can be controlled using the novel NF3/NH3 dry cleaning process technique.
As the pattern size of the semiconductor continues to decrease under the 10nm, chemical dry cleaning process technique using NF3 and hydrogen-containing gas, such as H2 and NH3, has been well studied for the removal of SiO2 layer in name of chemical oxide removal(COR) or native oxide removal (NOR). In this paper, we have investigated the NF3/NH3 plasma dry cleaning mechanism and cleaning efficiencies. The SiO2 layer etching mechanism by NF3/NH3 plasma process was revealed as follows: The reaction of NF3/NH3 gas with SiO2 generated ammonium hexafluorosilicate (NF4)2SiF6 as a byproduct. And then, the compound is readily vaporized by sample annealing at 180 oC. And we have found that the NF3/NH3 dry cleaning has high etch rate and high selectivity (SiO2/Si3N4) with 1:2 (NF3/NH3) gas ratio at 70W of plasma power. In general, SiO2 dry cleaning technique was mainly used for high aspect ratio (HAR) trench etch and contact hole bottom clean, as an alternative to the wet cleaning technique. In this study, the novel application of NF3/NH3 dry cleaning technique was proposed by a post gate cleaning. We have found that a post-gate dry cleaning using the NF3/NH3 plasma can incorporate fluorine into HfO2 and reduce the interfacial SiOx layer without any significant degradation in the electrical properties. Moreover, the fluorinated HfO2 gate stack with a monolayer-thin interfacial layer showed the better electrical properties in terms of gate leakage current and EOT compared to the non-cleaned HfO2 gate stack. Although the further study should be done to understand the mechanism, we suggest that the interfacial layer of HfO2 gate stack can be controlled using the novel NF3/NH3 dry cleaning process technique.
주제어
#건식 세정 NF3/NH3 플라즈마 선택비 F passivation interface layer dry cleaning NF3/NH3 plasma HfO2 F interfacial layer
학위논문 정보
저자
이민선
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
신소재공학과
지도교수
고대홍
발행연도
2015
총페이지
xi, 97장
키워드
건식 세정 NF3/NH3 플라즈마 선택비 F passivation interface layer dry cleaning NF3/NH3 plasma HfO2 F interfacial layer
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