ICP Poly Etcher를 이용한 RF Power와 HBr Gas의 변화에 따른 Polysilicon의 건식식각 Dry Etching of Polysilicon by the RF Power and HBr Gas Changing in ICP Poly Etcher원문보기
플래시 메모리 반도체의 고집적화와 고밀도화가 진행함에 따라 플래시 메모리의 트랜지스터 안 선폭을 중심으로 게이트 패턴의 미세화가 진행 중이다. 최근 100 nm 이하의 선폭을 구현하기 위해서 ONO(oxide-nitride-oxide)를 사용하기 위한 연구가 개발 중이고, 이러한 100 nm이하의 미세 선폭으로 갈수록 식각 속도와 식각의 프로파일은 중요한 요인으로 작용하고 있다. ICP 식각 장비를 이용하여, power를 50 W 증가 하였을 때, 각각 식각 속도와 포토레지스트와의 선택비를 확인 한 결과 platen power를 100 W로 올렸을 경우 가장 좋은 결과를 나타내었다. 100 W에서 HBr가스의 유량에 변화를 주었을 경우 가스의 양을 증가 할수록 식각 속도는 감소하였지만, 포토레지스트와의 선택비는 증가함을 보였다. 유도결합 플라즈마 식각 장비를 가지고 platen power를 100 W, HBr gas를 35 sccm 공급하여 하부 층에 노치가 형성이 안되고, 식각 속도 320 nm/min, 감광액과의 선택비 3.5:1, 측면식각 프로파일이 수직인 공정 조건을 찾았다.
플래시 메모리 반도체의 고집적화와 고밀도화가 진행함에 따라 플래시 메모리의 트랜지스터 안 선폭을 중심으로 게이트 패턴의 미세화가 진행 중이다. 최근 100 nm 이하의 선폭을 구현하기 위해서 ONO(oxide-nitride-oxide)를 사용하기 위한 연구가 개발 중이고, 이러한 100 nm이하의 미세 선폭으로 갈수록 식각 속도와 식각의 프로파일은 중요한 요인으로 작용하고 있다. ICP 식각 장비를 이용하여, power를 50 W 증가 하였을 때, 각각 식각 속도와 포토레지스트와의 선택비를 확인 한 결과 platen power를 100 W로 올렸을 경우 가장 좋은 결과를 나타내었다. 100 W에서 HBr가스의 유량에 변화를 주었을 경우 가스의 양을 증가 할수록 식각 속도는 감소하였지만, 포토레지스트와의 선택비는 증가함을 보였다. 유도결합 플라즈마 식각 장비를 가지고 platen power를 100 W, HBr gas를 35 sccm 공급하여 하부 층에 노치가 형성이 안되고, 식각 속도 320 nm/min, 감광액과의 선택비 3.5:1, 측면식각 프로파일이 수직인 공정 조건을 찾았다.
Scale down of semiconductor gate pattern will make progress centrally line width into transistor according to the high integration and high density of flash memory semiconductor. Recently, the many researchers are in the process of developing research for using the ONO(oxide-nitride-oxide) technolog...
Scale down of semiconductor gate pattern will make progress centrally line width into transistor according to the high integration and high density of flash memory semiconductor. Recently, the many researchers are in the process of developing research for using the ONO(oxide-nitride-oxide) technology for the gate pattern give body to line breadth of less 100 nm. Therefore, etch rate and etch profile of the line width detail of less 100 nm affect important factor in a semiconductor process. In case of increasing of the platen power up to 50 W at the ICP etcher, etch rate and PR selectivity showed good result when the platen power of ICP etcher has 100 W. Also, in case of changing of HBr gas flux at the platen power of 100 W, etch rate was decreasing and PR selectivity is increasing. We founded terms that have etch rate 320 nm/min, PR selectivity 3.5:1 and etch slope have vertical in the case of giving the platen power 100 W and HBr gas 35 sccm at the ICP etcher. Also notch was not formed.
Scale down of semiconductor gate pattern will make progress centrally line width into transistor according to the high integration and high density of flash memory semiconductor. Recently, the many researchers are in the process of developing research for using the ONO(oxide-nitride-oxide) technology for the gate pattern give body to line breadth of less 100 nm. Therefore, etch rate and etch profile of the line width detail of less 100 nm affect important factor in a semiconductor process. In case of increasing of the platen power up to 50 W at the ICP etcher, etch rate and PR selectivity showed good result when the platen power of ICP etcher has 100 W. Also, in case of changing of HBr gas flux at the platen power of 100 W, etch rate was decreasing and PR selectivity is increasing. We founded terms that have etch rate 320 nm/min, PR selectivity 3.5:1 and etch slope have vertical in the case of giving the platen power 100 W and HBr gas 35 sccm at the ICP etcher. Also notch was not formed.
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제안 방법
이 중 RF power의 하나인 platen power 와 HBr 가스 유량을 조절하여 실험하였다. Platen power는 기본 공정 조건인 50 W에서 200 W로 50 W 씩 증가시키면서 실험하였고, 그 중에서 공정조건이 우수한 platen power 조건에서 HBr 가스를 20 seem ~ 35 seem까지 5 seem씩 변화를 두어 식각 속도, 포토레지스트와의 선택비, 식각 프로파일을 조사하였다. 또한, 공정 중 하부 노치의 형성관계를 알기 위해서, 최종 식각 조건에서 over etching을 10%, 20%, 30% 하여 하부 노치와의 관계를 해석하였다.
0 ㎛인 게이트어레이 패턴을 형성시켰다. 가장 중요한 건식 식각 장비는 유도 결합형 플라즈마 식각 장비(Sur- face Technology Systems, Multiplex ICP)를 이용하여 표 1에 나와있는 공정 조건으로 실험을 하였다.
고밀도의 식각 장비인 유도 결합형 플라즈마 식각장비를 이용하여 공정에 변화를 줄 수 있는 변수 중 파워와 가스의 유량을 변화시켜 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 첫째로, 파워를 50 W-200 W로 변화를 준 경우, 공정의 식각 속도와 측면의 수직 각도에 큰 영향을 주어 파워가 높아질수록 식각 속도는 증가를 하나 측면수직 각도는 점점 직각에서 벗어나는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 본 에치 연구는 C12를 사용하여 자연 산화막을 제거하는 초기 공정과 HBr/C)2를 이용한 본 공정으로 이루어진 유도 결합형 플라즈마 식각법을 이용하여 100 nm 이하 게이트로 사용될 수 있는 폴리실리콘을 식각하였다. 이 경우 여러가지 변수 중에서 platen power 와 HBr 가스의 유량변화에 따른 식각 속도, 감광액과의 선택비, 식각 프로파일의 변화를 확인하여, 최종 식각프로파일이 수직이고, 감광액과의 선택비가 우수하며, 식각 속도가 우수한 공정을 확인하였다.
이 경우 여러가지 변수 중에서 platen power 와 HBr 가스의 유량변화에 따른 식각 속도, 감광액과의 선택비, 식각 프로파일의 변화를 확인하여, 최종 식각프로파일이 수직이고, 감광액과의 선택비가 우수하며, 식각 속도가 우수한 공정을 확인하였다. 또한 실제 공정에서 over etching을 할 경우, 게이트 선폭의 크기에 따라 노치 발생 여부를 확인하여, 폴리실리콘 식각 시 microloading effect에 의해 필현적으로 나타나는 하부 노치 (footing effect) 의 발생 여부를 확인하여 빠른식각 시간과 정확한 공정의 조건을 확인 하였다.
Platen power는 기본 공정 조건인 50 W에서 200 W로 50 W 씩 증가시키면서 실험하였고, 그 중에서 공정조건이 우수한 platen power 조건에서 HBr 가스를 20 seem ~ 35 seem까지 5 seem씩 변화를 두어 식각 속도, 포토레지스트와의 선택비, 식각 프로파일을 조사하였다. 또한, 공정 중 하부 노치의 형성관계를 알기 위해서, 최종 식각 조건에서 over etching을 10%, 20%, 30% 하여 하부 노치와의 관계를 해석하였다.
분석은 laser profiler, alpha step으로 식각 유무를 확인한 후 FE-SEM으로 profile을 측정하여 각각 식각속도와 포토레지 스트와의 선택 비 를 비 교하였다.
0 网1로 커질수록 90。에서 83°로 약 7°의 차이를 보이며 점점 이방성 식각의 특징을 가지게 되었다. 식각 측면각도는 게이트의 수직단면 이미지로부터 포토레지스트를 포함한 상하부 10%의 위치를 이은 선과 산화 실리콘 층과의 접선간의 각도로 결정하였다. Platen power를 증가시킬 경우에 식각 측면각도가 변화 하는 것은 power를 상승시키면 시료 방향에 대한 이온이나 라디칼의 운동에너지가 증가하여 물리적인 충돌효과가 강해지기 때문이다.
식각이 끝난 기판은 그 기판의 상, 하, 좌, 우, 중앙총 다섯 군대의 위치를 정해 그 패턴의 프로파일을 주사 전자 현미경으로 수직된 단면을 관찰하였다. 포토레지스트와의 선택비를 확인하기 위해서 감광성 수지막을 제거하는 ashing 공정을 하지 않고 SEM images를 얻었다.
있다. 이 중 RF power의 하나인 platen power 와 HBr 가스 유량을 조절하여 실험하였다. Platen power는 기본 공정 조건인 50 W에서 200 W로 50 W 씩 증가시키면서 실험하였고, 그 중에서 공정조건이 우수한 platen power 조건에서 HBr 가스를 20 seem ~ 35 seem까지 5 seem씩 변화를 두어 식각 속도, 포토레지스트와의 선택비, 식각 프로파일을 조사하였다.
패턴 형성을 위해 stepper (Hitachie}, LD- 501HA)를 이용하여 0.9 倒1의 포토레지스트(TDMR- AR87, I—line)를 도포한 후에 게이트 선폭이 0.5~2.0 ㎛인 게이트어레이 패턴을 형성시켰다. 가장 중요한 건식 식각 장비는 유도 결합형 플라즈마 식각 장비(Sur- face Technology Systems, Multiplex ICP)를 이용하여 표 1에 나와있는 공정 조건으로 실험을 하였다.
포토레지스트와의 선택비를 확인하기 위해서 감광성 수지막을 제거하는 ashing 공정을 하지 않고 SEM images를 얻었다.
대상 데이터
본 실험은 서울대학교 내 반도체 공동 연구소의 장비를 사용하여 표 1과 같은 과정을 거쳐 실험이 진행되었다.
비저항 1~20 Q—cm, boron0] 도핑된 P-100 4인치 실리콘 웨이퍼 위에 furnaceCmteegratoT Circuit Tech, KOREA)를 사용하여 열산화막을 100 nm 생성시키고, 그 위에 LPCVD(Inteegrator Circuit Tech)를사용하여 500 nm의 도핑되지 않은 폴리실리콘을 증착하였다. 패턴 형성을 위해 stepper (Hitachie}, LD- 501HA)를 이용하여 0.
성능/효과
Platen power와 HBr 가스의 양을 변화 시키며 식각을 하였을 때, 공정 조건을 coil power를 900 W, platen power를 100 W, HBr 가스의 유량을 35 seem로공정을 진행 하였을 때, 게이트 피치에 상관없이 anisotropic etch가 가능하고 식각속도는 약 320 nm/ min, 포토레지스트와의 선택비는 약 3.5:1, 그리고 하부 노치의 형성이 없는 공정 조건을 찾을 수 있었다. 마지막으로 그림 6과 7은 platen power를 100W, HBr gas의 유량을 35 seem으로 하는 공정조건을 가지고 공정을 진행 하였을 때, 하부 층인 산화실리콘 층과의 노치 형성 관계를 확인하여 보았다.
피치에 관계없이 보였다. 그리고, 식각속도는 평균적으로 power를 증가시킴에 따라서 증가하는 경향을 보였다. Power의 증가에 따라 모든 게이트 피치에서 선택비는 떨어지는 것을 볼 수 있다.
첫째로, 파워를 50 W-200 W로 변화를 준 경우, 공정의 식각 속도와 측면의 수직 각도에 큰 영향을 주어 파워가 높아질수록 식각 속도는 증가를 하나 측면수직 각도는 점점 직각에서 벗어나는 것을 확인할 수 있었다. 둘째로 HBr 가스의 유량을 20 seem~35 seem 로 변화를 준 경우, 약간의 식각 속도를 감소시키는 경향을 보였지만, 폴리실리콘 식각 시에 형성되는 반응 부산물인 폴리머의 형성으로 감광제와의 선택비를 높여주는 효과를 보였다. 마지막으로 공정 조건을 platen power 100 W, HBr gas 35 seem으로 고정한 후, over etching 한 경우, 30%부터 하부 층과의 반응으로 선폭 안으로 들어간 양이온들이 changing 되지 않고 남아 있다가 다시 들어오는 다른 양이온의 영향으로 하부에 노치를 형성하는 결과를 보였다.
둘째로 HBr 가스의 유량을 20 seem~35 seem 로 변화를 준 경우, 약간의 식각 속도를 감소시키는 경향을 보였지만, 폴리실리콘 식각 시에 형성되는 반응 부산물인 폴리머의 형성으로 감광제와의 선택비를 높여주는 효과를 보였다. 마지막으로 공정 조건을 platen power 100 W, HBr gas 35 seem으로 고정한 후, over etching 한 경우, 30%부터 하부 층과의 반응으로 선폭 안으로 들어간 양이온들이 changing 되지 않고 남아 있다가 다시 들어오는 다른 양이온의 영향으로 하부에 노치를 형성하는 결과를 보였다.
3:1로 나타났다. 식각 균일성은 모든 게이트 피치에서 power 의 변화에 상관없이 전 범위에서 ±5% 이내의 식각 가공이 가능함을 확인하였다.
있다. 식각 시 초기 C12 가스 단독으로 자연 산화막을 제거하는 1단계 식각공정과 HBr/Oz 가스를 이용하여 폴리실리콘을 식각하는 2단계 공정의 ICP 식각장치를 이용하여 4인치 웨이퍼위에 0.5 ㎛~2.0 ㎛의 폴리실리콘 게이트 식각공정 조건들 중 platen power와 HBr gas 유량을 각각 변화시켜 실험을 하여 coil power를 900 W, platen power# 100 W, HBr 가스의 유량을 35 seem 로 유지하면서 공정을 진행 하였을 때, 식각속도는 약 320 nm/min, 포토레지스트와의 선택비는 약 3.5:1, 게이트 피치에 상관없이 anisotropic etch(etch slope : 89~90。)가 가능하고 20%의 over etching까지 하부노치가 발생하지 않는 최적의 미세 패턴 식각공정을 찾을 수 있다.
이하 게이트로 사용될 수 있는 폴리실리콘을 식각하였다. 이 경우 여러가지 변수 중에서 platen power 와 HBr 가스의 유량변화에 따른 식각 속도, 감광액과의 선택비, 식각 프로파일의 변화를 확인하여, 최종 식각프로파일이 수직이고, 감광액과의 선택비가 우수하며, 식각 속도가 우수한 공정을 확인하였다. 또한 실제 공정에서 over etching을 할 경우, 게이트 선폭의 크기에 따라 노치 발생 여부를 확인하여, 폴리실리콘 식각 시 microloading effect에 의해 필현적으로 나타나는 하부 노치 (footing effect) 의 발생 여부를 확인하여 빠른식각 시간과 정확한 공정의 조건을 확인 하였다.
하지만 산소의 유량을 증가시키면, 식각 측면각도에 영향을 주어 초정밀 식각이 요구되는 게이트 식각공정에서 설계기준에 맞는 크기를 맞추기 어려우므로 최종적으로 소자의 특성에 악영향을 미치게 된다. 이 실험 조건으로 over etch 공정 시 20 % 이하로 공정을 진행하는 것이유리함을 확인 하였다.
완전히 제거하고 있다. 이 실험에서는 20%의 over etch 까지는 하부 층과의 노치 형성을 찾을 수 없었으나, 그림 7에서 보는 것처럼 30% 이상 over etching 할 경우에는 선폭의 크기에 따라 노치가 형성됨을 볼 수 있다. 노치가 형성되는 이유는 식각 시 일어나는 footing effect 현상이다.
이러한 결과는 기존 power와 가스유량인 platen power 50 W, HBr 가스 20 seem 으로 폴리실리콘을식각하는 공정보다 우수한 공정 조건을 확립할 수 있다. 식각 시 초기 C12 가스 단독으로 자연 산화막을 제거하는 1단계 식각공정과 HBr/Oz 가스를 이용하여 폴리실리콘을 식각하는 2단계 공정의 ICP 식각장치를 이용하여 4인치 웨이퍼위에 0.
첫째로, 파워를 50 W-200 W로 변화를 준 경우, 공정의 식각 속도와 측면의 수직 각도에 큰 영향을 주어 파워가 높아질수록 식각 속도는 증가를 하나 측면수직 각도는 점점 직각에서 벗어나는 것을 확인할 수 있었다. 둘째로 HBr 가스의 유량을 20 seem~35 seem 로 변화를 준 경우, 약간의 식각 속도를 감소시키는 경향을 보였지만, 폴리실리콘 식각 시에 형성되는 반응 부산물인 폴리머의 형성으로 감광제와의 선택비를 높여주는 효과를 보였다.
참고문헌 (11)
T. F. Yen, K. J. Chang and K.-F. Chiu, Microelectronic Engineering, 82, 129-135 (2005)
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