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문제 정의
- 본 연구에서는 이온빔과 중성빔을 사용하여 식각시발생되는 trench 폭의 변화에 의한 ARDE 효과의 생성과 원인을 연구한 후 실제적으로 이온빔, RIE, 그리고 중성빔의 실험결과를 서로 비교하여 보았다. 우선 이온을 이용하는 식각 장치를 사용는 경우 SF6 가스로 polySi 식각시 trench 폭에 따른 식각율의변화가 관찰되었다.
제안 방법
- 하지만 반도체소자의 고집적화에 따라 반도체 집적회로 설계에서디자인룰이 감소하여 임계치수(Critical Dimension) 이 50nm 이하로 감소될 경우 ARDE 효과는 더욱 커질 수 있고 일반적으로 사용하는 이온빔 식각장비로최적화된 공정변수로 ARDE 효과를 최소화시키거나제거하는 것이 어려울 것이다. 그러므로 본 연구에서는 이온빔과 중성빔 식각 장비를 서로 비교하여 다른 간격 패턴을 가지는 형상에서 식각물질의 바닥 면에 도달하는 이온 플럭스와 중성빔 플럭스를 예상한 후실 제로 식각후 그 결과를 서로 비교 분석하였다.
- 반사판의 재질은 polishing된 스테인리스로 제작된 플레이트이며, 그림과 같이 평행하게 배열하였다. 그리고 반사판을 이온 건의 그리드구멍과 1:1 match가 되도록 이온 건의 앞단에 배치하였으며, 5도 기울여 장착하여 이온 건으로부터 추출된 이온들이 반사판과 5도의 각도를 가지고 반사하도록 설치하였다. 또한 이온건으로부터 추출된 이온들이 반사판과 반사 없이 통과하지 못하도록 반사판의 길이를 30mm로 하였다.
- 3mTorr를 유지시켰고 inductive power로 400W를 인가하였고 그리드에 voltage로 400V를 인가하였다. 그리고 중성빔 식각과 비교하기 위하여 SFe 이온빔을 사용한 식각시 반사판을 제거하여 사용하였으며 또한 기존의 식각장치와 비교하기 위하여 indictively coupled plasma(ICP) RIE 식각장비를 사용하였다. 이때 SF6 가스를 주입하고 챔버내의 압력은 5mTorr 로 유지시키고 inductive power와 bias voltage를 각각 700W 와 75V 인가하였다.
- 이때 SF6 가스를 주입하고 챔버내의 압력은 5mTorr 로 유지시키고 inductive power와 bias voltage를 각각 700W 와 75V 인가하였다. 또한 modified XOOPIC code와 Laplace equation을 이용하여 이온을 이용하는 RIE 및 이온빔 식각후 관찰된 식각형상과 중성빔 식각후 관찰된 식각형상에 대한 차이를 이해하기 위하여 simulation하였다.
- [37] 이온빔과 중성 빔의 motion을 XOOPIC code를 이용하여 예상하고 electric field calculation's Laplace equation-ir 이용하여 수행하였다. 이때 X 축을 trench 바닥의한 모서리로부터 다른 모서리까지의 거리로 하고 Y 죽을 플럭스로 나타내어 trench 내에서 위치에 따른 플럭스를 관찰하였다.
대상 데이터
- 3(a), (b)는 각각 ICP 식각장치를 이용하여식각한 polyeSi과 poly-Si/SiO2의 형상이다. 식각 가스로는 SF6 가스를 사용하였으며, 플라즈마를 발생시키기 위한 rf-power는 700 W, bias voltage는 "75 V로 하였다. 그림에서 보는 바와 같이 pattern 간격이 좁은 곳과 넓은 곳 사이에 식각율의 차이가 발생하였으며, pattern 간격의 좁은 곳의 sidewall slope0] 넓은 곳에 비해서 커지는 것을 확인할 수 있다.
- 56MHz의 주파수를 가지는 rf power를 인가하였다. 또 이온건은 플라즈마 소스로부터 이온을 추출하기 위하여 2개의 그리드(grid)를 사용하였으며, 재질은 graphite를 사용하고, 구멍의 크기는 직경이 2 mm이고 두께는 2 mm이다. 그리고 첫 번째 그리드와 두 번째 그리드사이의 거리는 2 mm이며, 첫 번째 그리드와 두번째 그리드사이는 세라믹으로 절연하였다.
- 먼저 본 연구에 사용된 중성빔 식각 장치인 low angle forward reflected neutral beam etching 장치는 크게 이온건 (ion gun) 과 반사판(reflector) 으로 구성되어 있으며, 개략적인 모양은 Fig. 1과 같다. Fig.
- 첫 번째의 그리드는 (+)전압을 인가하고, 두 번째의 그리드는 ground 시켰다. 반사판의 재질은 polishing된 스테인리스로 제작된 플레이트이며, 그림과 같이 평행하게 배열하였다. 그리고 반사판을 이온 건의 그리드구멍과 1:1 match가 되도록 이온 건의 앞단에 배치하였으며, 5도 기울여 장착하여 이온 건으로부터 추출된 이온들이 반사판과 5도의 각도를 가지고 반사하도록 설치하였다.
이론/모형
- 2는 modified XOOPIC code 오+ Laplace equation 을 이용하여 계산한 기판의 pattern 내 trench의 폭에 따른 trench 바닥에서의 이온빔과 중성 빔의 플럭스 변화를 나타낸 것이다. [37] 이온빔과 중성 빔의 motion을 XOOPIC code를 이용하여 예상하고 electric field calculation's Laplace equation-ir 이용하여 수행하였다. 이때 X 축을 trench 바닥의한 모서리로부터 다른 모서리까지의 거리로 하고 Y 죽을 플럭스로 나타내어 trench 내에서 위치에 따른 플럭스를 관찰하였다.
성능/효과
- 반면에 전자는 닫힌 부분에 입사하여 식각물질의 윗면 부분에 - 차징을 일으킨다. 그 결과 식각물질의 내부에 전기장을 형성하게 되어 입사하는 식각에 관여하는 양이온이 윗면의 음전하와 바닥면의 양전하로 형성된 전기장을 따라 diversion 현상에 의해 식각물질의 바닥부분에 도달하지 못하여 식각율을 감소시킨다. [31-33] 일반적으로 이 ARDE 효과는 식각가스의 혼합과 혼합비 조절 그리고 공정압력 조절 등과 같은 최적화된 공정 변수로 최소화 시키거나 제거할 수 있다.
- 또한 이온건으로부터 추출된 이온들이 반사판과 반사 없이 통과하지 못하도록 반사판의 길이를 30mm로 하였다. 그리고 이온 건의 그리드로부터 추출된 이온이 반사판에서 반사 후 중성화된 비율은 대략 99%가 되었다. [34-36] 그리고 실험조건으로는 중성빔 식각을 위해 중성빔 소스의 이 온건 내에 SF6 가스를 주입하여 챔버내의 압력은 0.
- 이때 중성빔의 경우에는 중성빔의 방향성을 제어하는 것이 이온빔에 비하여 어렵기 때문에 중성빔의 방향성이 70%인 경우와 50%인 경우에 대하여 시뮬레이션 하였으며, 그 결과 중성빔의 방향성이 좋을수록 trench 부분의 플럭스가 유사한 것을 관찰할 수 있었다. 시뮬레이션 결과를 통하여 pattern 간격이 넓어짐에 따라 이온의 경우 플럭스가 크게 변하는 것을 확인하였으며, 이를 통하여 플라즈마 식각에서 ARDE 효과가 발생되는 주요 원인이 이온에 의한 차징에 있음을 확인할 수 있다. 즉, parallel한 중성빔을 사용하여 식각을 수행하는 경우 ARDE를 보다 효과적으로 제거할 것이라고 예상한다.
- 2(b)에서 보는 바와 같이 중성빔의 플럭스는 200 nm pattern과 50 nm pattern에서 플럭스에 큰 차이를 나타내지 않았다. 이때 중성빔의 경우에는 중성빔의 방향성을 제어하는 것이 이온빔에 비하여 어렵기 때문에 중성빔의 방향성이 70%인 경우와 50%인 경우에 대하여 시뮬레이션 하였으며, 그 결과 중성빔의 방향성이 좋을수록 trench 부분의 플럭스가 유사한 것을 관찰할 수 있었다. 시뮬레이션 결과를 통하여 pattern 간격이 넓어짐에 따라 이온의 경우 플럭스가 크게 변하는 것을 확인하였으며, 이를 통하여 플라즈마 식각에서 ARDE 효과가 발생되는 주요 원인이 이온에 의한 차징에 있음을 확인할 수 있다.
- 6에서 보는 바와 같이 중성 빔으로 식각하는 경우 바닥면의 Si3N4를 모두 식각하고 gate oxide에서 etch stop이 이루어진 경우 top 부분에서도 바닥부분의 높이와 같은 높이가 식각된 것을 관찰할 수 있다. 이를 통하여 ARDE 효과를 일으키는 조건중의 하나로 이온 차징(charging)이 중요한 역할을 한다는 것을 확인할 수 있었으며, 실제 pattern 간격이 감소되어짐에 따라 발생되는 ARDE 효과를 중성빔 식각을 이용하여 효과적으로 제거 할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 따라서, 나노미터급 반도체소자에 있어서 이러한 이온에 의한 물리적, 전기적 손상등은 소자의 신뢰성을 저하시키고 나아가 생산성을 감소시키는 요인이 되기 때문에 향후 반도체소자의 고집적화와 그에 따른 디자인룰의 감소 추세에 대응하여 적용될 수 있는새로운 개념의 반도체 식각장치 및 식각방법에 대한개발이 요구되어진다.
- 시뮬레이션 결과를 통하여 pattern 간격이 넓어짐에 따라 이온의 경우 플럭스가 크게 변하는 것을 확인하였으며, 이를 통하여 플라즈마 식각에서 ARDE 효과가 발생되는 주요 원인이 이온에 의한 차징에 있음을 확인할 수 있다. 즉, parallel한 중성빔을 사용하여 식각을 수행하는 경우 ARDE를 보다 효과적으로 제거할 것이라고 예상한다.
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