[논문]높은 A/R의 콘택 산화막 에칭에서 바닥모양 변형 개선에 관한 연구

황원태; 김길호

doi:10.4313/jkem.2005.18.5.389

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The etching technology of the high aspect ratio contact(HARC) is necessary at the critical contact processes of semiconductor devices. Etching the $SiO_{2}$ contact hole with the sub-micron design rule in manufacturing VLSI devices, the unexpected phenomenon of 'profile tilting' or 'botto...

The etching technology of the high aspect ratio contact(HARC) is necessary at the critical contact processes of semiconductor devices. Etching the $SiO_{2}$ contact hole with the sub-micron design rule in manufacturing VLSI devices, the unexpected phenomenon of 'profile tilting' or 'bottom distortion' is often observed. This makes a short circuit between neighboring contact holes, which causes to drop seriously the device yield. As the aspect ratio of contact holes increases, the high C/F ratio gases, $C_{4}F_{6}$, $C_{4}F_{8}$ and $C_{5}F_{8}$, become widely used in order to minimize the mask layer loss during the etching process. These gases provide abundant fluorocarbon polymer as well as high selectivity to the mask layer, and the polymer with high sticking yield accumulates at the top-wall of the contact hole. During the etch process, many electrons are accumulated around the asymmetric hole mouth to distort the electric field, and this distorts the ion trajectory arriving at the hole bottom. These ions with the distorted trajectory induce the deformation of the hole bottom, which is called 'profile tilting' or 'bottom distortion'. To prevent this phenomenon, three methods are suggested here. 1) Using lower C/F ratio gases, $CF_{4}$ or $C_{3}F_{8}$, the amount of the Polymer at the hole mouth is reduced to minimize the asymmetry of the hole top. 2) The number of the neighboring holes with equal distance is maximized to get the more symmetry of the oxygen distribution around the hole. 3) The dual frequency plasma source is used to release the excessive charge build-up at the hole mouth. From the suggested methods, we have obtained the nearly circular hole bottom, which Implies that the ion trajectory Incident on the hole bottom is symmetry.

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문제 정의

1 “彻 이하로 줄 어들고 있고 있으며, 그에 따른 반도체 단위 공정의 기술적 정확성과 재현성이 요구되고 있다. 본 논문은 반도체를 구성하고 있는 단위 구조의 제작 공정 중에서 콘택 (Contact) 산화막 (SiO₂) 건식식 (Dry Etching) 공정의 바닥모양 변화 (Profile Tilting or Bottom Distortion)의 원인을 분석한 실험 및 결과에 따른 개선을 다루고자 한다. 보통 반 도체에서 콘택 공정이라 함은 집적 회로의 다층 배선의 위, 아래를 연결하기 위해 절연막에 구멍을 뚫고 그 구멍에 전도성 물질을 채워 넣는 반도체 제조 공정 중 하나이다.
앞서 언급한 바와 같인 처음 시 작 모양은 원형이었는데, 바닥면에서는 모양이 찌 그러져 바닥 모양간 거리가 불균일해질 뿐만 아니라, 그 크기가 제 멋대로여서 콘택들간 바닥에서 붙어 있는 것을 쉽게 확인할 수 있었다. 그렇다면, 왜 식각이 진행될수록 바닥 모양이 변형되는지 몇 가지 모델링을 통해 각각의 대한 실험을 진행하고, 그 결과를 토대로 바닥 모양 변형을 개선할 수 있 는지 알아보았다.

가설 설정

그림 8. 콘택내에 입사하는 이온의 운동방향 변경 모델, (a) 마스크에 전자 축적, (b) 비대칭 마스크에서의 이온 경로 변경.

제안 방법

4"他이다. 이때, 콘택간 최단 거리에 위치한 또 다른 콘택의 개수를 4, 6개를 가질 수 있도록 tetragonal, hexagonal 타입의 두 가지 패턴을 만들어 패턴 의 존성도 평가하였다.
더불어 식각 후에 바닥모양 변화가 어느 정도 일 어났는지를 확인할 수 있도록 산화막만 선택적으 로 제거할 수 있는 BOE(Buffered Oxide Etchant) 공정을 이용하였으며, 변형정도를 위에서 관찰하기 위한 SEM(Scanning Electron Microscope)을 사용하였다.
실험은 위에서 준비한 시료로 산화막 두께에 대해 바닥면까지 콘택 식각할 수 있도록 그림 1(a)와 같은 플라즈마 형성 장치에서 충분한 시간동안 진 행하였으며, 식각 조건은 오늘날 콘택 산화막 식각 에 널리 사용되고 있는 20 —50 seem C₄F6 / 30~ 40 seem O₂ / 500—1000 seem Ar을 기본으로 식 각하였다. 이때 식각 조건을 변경하는 경우에는 변 경 조건에 대한 산화막 식각율을 알아내어 변경된 조건에서도 콘택면 바닥 식각이 가능하도록 하였다.
/ 500—1000 seem Ar을 기본으로 식 각하였다. 이때 식각 조건을 변경하는 경우에는 변 경 조건에 대한 산화막 식각율을 알아내어 변경된 조건에서도 콘택면 바닥 식각이 가능하도록 하였다.
가스만 가지고는 높은 "의 콘택 산화막 식각 에서 바닥모양 변형을 개선이 어렵기 때문에 패턴 의 영향성을 평가하였다. 본 실험에서는 하나의 콘 택 패턴과 최단 거리에 있는 콘택 패턴의 개수를 각각 4개와 6개로 만들어 콘택간 발생하는 식각 반응물(byproduct) 혹은 폴리머들이 미치는 영향을 평가하였다.
가스만 가지고는 높은 "의 콘택 산화막 식각 에서 바닥모양 변형을 개선이 어렵기 때문에 패턴 의 영향성을 평가하였다. 본 실험에서는 하나의 콘 택 패턴과 최단 거리에 있는 콘택 패턴의 개수를 각각 4개와 6개로 만들어 콘택간 발생하는 식각 반응물(byproduct) 혹은 폴리머들이 미치는 영향을 평가하였다. 식각조건은 GiFs/OdAr의 동일한 조건 으로 식각하여 상부 마스크인 PR과 산화막을 제거 하지 않은 상태에서 SEM을 통해 위에서 차이를 관찰한 것이 그림 6이다.
이것은 마스크 모양이 완전히 대칭일 수 없고, 마스크에서 의 전자들의 축적으로 인해 콘택 내부의 전하축적 이 비대칭이 되어 콘택 내부에 전기장을 형성하여 후속 이온의 운동 방향에 영향을 주는 것으로 생 각할 수 있다. 이러한 가설을 입증하기 위해 플라 즈마 생성 장치 중 그림 1(b)의 dual frequency feeding CCP(DFFCCP)를 이용하였다. DFFCCP는 LF에 플라즈마 해리를 시켜주는 HF 시그널이 올 라다고 이론적으로 웨이퍼 위에서의 시간에 따른 전류 변화를 빠르게 함으로써, 전자들이 마스크에 축적되는 것을 줄여주는 역할을 한다는 것이다.

대상 데이터

본 실험에서의 건식식각 장치는 그림 1과 같이 두 가지의 플라즈마 생성 장치를 사용하였다. 두 장치 가 모두 기존의 CCP(Capacitively Coupled Plasma) 방식의 낮은 플라즈마 전자밀도인 약 개/cn?인데 비해 약 IO, ~io" 개/enF 정도의 전자 밀도를 가져 한단계 진보한 플라즈마 생성 장치로 서 많은 반도체 제조 회사들이 건식 식각 장치로 사용하고 있다.
바닥의 모양은 패턴 닝 모양을 따라갈 수밖에 없으므로 마스크 주변에 흡착되는 폴리머가 기형으로 흡착되면 바닥모양이 변형될 수 밖에 없음을 짐작할 수 있다. 이번에는 산화막을 식각하기 위한 가스 중에서 GF6 외 다른 식각 가스인 C₄F8, CsFs, CF4 등을 이용하였다. 평가를 진행하기에 앞서 탄소(C)와 불소(F)의 조성 비 (C/F ratio)와 폴리 머 흡착, 식 각 관계를 알아보 기 위해 각 가스에 대한 산화막 식각율, 마스크인 PR 시각율, 그리고 마스크위에 쌓이는 폴리머의 양을 각각 측정한 것으로 그림 4와 같다.
실험결과와 논문에 많은 도움을 주신 성균관대 학교 전자전기공학과 대학원생과 삼성전자 반도체 연구소 선 . 후배님들께 깊은 감사를 드립니다.

성능/효과

그림 2(b)의 검 은색 실선으로 표시한 것이 원래 PR로 패턴닝한 콘택의 모습이다. 앞서 언급한 바와 같인 처음 시 작 모양은 원형이었는데, 바닥면에서는 모양이 찌 그러져 바닥 모양간 거리가 불균일해질 뿐만 아니라, 그 크기가 제 멋대로여서 콘택들간 바닥에서 붙어 있는 것을 쉽게 확인할 수 있었다. 그렇다면, 왜 식각이 진행될수록 바닥 모양이 변형되는지 몇 가지 모델링을 통해 각각의 대한 실험을 진행하고, 그 결과를 토대로 바닥 모양 변형을 개선할 수 있 는지 알아보았다.
그림 5(a)는 예상과 같이 바닥변형 모습을 뚜렷이 알 수 있었고, 그림 5(b)는 C₃FMCF4의 경우로 바 닥모양 변형은 양호해 지지만 적은 CF2 라디칼 생 성으로 마스크에 대한 보호가 취약해져 콘택 입구 가 벌어지기 때문에 C₃Fs/CF4 처럼 C/F ratio가 0.5 미만의 가스들만으로는 산화막 식각이 불가능 하였다. 따라서, GFg/CiFb 가스의 1/3 정도 비율로 CsFs/CEi를 첨가하여 기존의 C/F ratio 0.
5 미만의 가스들만으로는 산화막 식각이 불가능 하였다. 따라서, GFg/CiFb 가스의 1/3 정도 비율로 CsFs/CEi를 첨가하여 기존의 C/F ratio 0.5 이상의 산화막 식각 가스보다 약간의 개선 정도만 확인할 수 있었다.
C/F ratio가 낮은 가스들은 폴리머의 데포 되는 양이 이중결합의 가스들보다 상대적으로 적 어 바닥모양 변형은 개선되지만, 높은 aspect ratio(A/FU에서는 에칭을 위한 마스크 선택비가 떨 어지게 되어 무조건 라디칼이 적은 가스로만으로 는 식각이 불가능하다. A/R가 높아짐에 따라 포토 레지스트의 식각은 최소화하면서 산화막을 식각 해야 하므로 주로 C₄F6나 C₄F8의 사용을 하는데, 폴리머의 데포 정도는 최단거리의 콘택 개수가 적은 경우 불균일한 폴리머 증착이 되며, 플라즈마 sheath내 유입되는 이온의 불균일한 입사각이 랜 덤해져 에칭된 산화막의 내면에 비대칭 전하축적 (charge buildup)을 유발시키게 되므로 A/R가 높은 패턴의 식각 시 바닥변형을 일으키는 것으로 확인되었다.

참고문헌 (9)

Gray S. May, J. Huang, and Costas J. Spanos, 'Statistical experimental design in plasma etch modeling', IEEE transactions on semiconductor manufacturing, Vol. 4, No.2, p. 83, 1991
M. Inayoshi, M. Ito, M. Hori, T. Goto, and M. Hiramatsu, 'Surface reaction of $CF_2$ radicals for fluorocarbon film formation in $SiO_2/Si$ selective etching process', J. Vacuum Science Technology A, Vacuum Surface Films, Vol. 16, p. 233, 1998

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Thomas S. Rupp, D. Dobuzinsky, Z. Lu, and J. Gambino, 'High yielding self-aligned contact process for a 0.150 ${\mu}m$ DRAM technology', IEEE transactions on semiconductor manufacturing, Vol. 15, No.2, p. 223, 2002
W. Graf, D. Basso, F. Gaurier, J. M. Martin, and G. Skinner, 'Highly selective oxide to nitride etch processes on BPSG/Nitride/Oxide structures in a MERIE etcher', IEEE/SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference, p. 314, 1998
C. Liu and B. Abraham-shrauner, 'Plasmaetching profile model for $SiO_2/Si$ contact holes', IEEE transactions on Plasma Science, Vol. 30, No.4, p. 1579, 2002
H. Ohtake, S. Samukawa, and K. Noguchi, 'Pulse-time-modulated plasma etching for high performance polysilicon patterning on thin gate oxide', 4th International Symposium on Plasma Process-induced Damage, p. 37, 1999
J. Bariya, C. W. Frank, and J. P. McVittie, 'A surface kinetic model for plasma polymerization with application to plasma etching', J. Electrochemical Society, Vol. 137, p. 2575, 1990

상세보기
T. Tatsumi, Y. Hikosaka, S. morishita, and M. Seckine, 'Etch rate control in a 27 MHz reactive ion etching system for ultralarge scale integrated circuit processing', J. Vacuum Science Technology, A. Vacuum Surface Films, Vol. 17, p. 1562, 1999
Technical Conference SAMSUNG-TEL (Tokyo Electric Ltd.) 'Mechanism of Dual Frequency CCP in VESTA', p. 5, 2003

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