[논문]CH4 플라즈마에 따른 TiN 박막 표면의 식각특성 연구

우종창; 엄두승; 김관하; 김동표; 김창일

doi:10.5695/jkise.2008.41.5.189

CH4 플라즈마에 따른 TiN 박막 표면의 식각특성 연구
The Etch Characteristics of TiN Thin Film Surface in the CH4 Plasma 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.41 no.5, 2008년, pp.189 - 193

우종창 (중앙대학교 전자전기공학부) , 엄두승 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김관하 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김동표 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김창일 (중앙대학교 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we carried out an investigation of the etching characteristics (etch rate, selectivity to $SiO_2$ and $HfO_2$) of TiN thin films in the $CH_4$/Ar inductively coupled plasma. The maximum etch rate of $274\;{\AA}/min$ for TiN thin films was obtained at $CH_4$(80%)/Ar(20%) gas mixing ratio. At the same time, the etch rate was measured as function of the etching parameters such as RF power, Bias power, and process pressure. The X-ray photoelectron spectroscopy analysis showed an efficient destruction of the oxide bonds by the ion bombardment as well as showed an accumulation of low volatile reaction products on the etched surface. Based on these data, the ion-assisted chemical reaction was proposed as the main etch mechanism for the $CH_4$ containing plasmas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 CH₄/Ar 가스를 기반으로 유도결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma) 시스템을 이용하여 Metal/high-k gate stack 구조의 금속배선으로 사용되어질 수 있는 TiN과 마스크로 사용되어질 수 있는 SiO₂를 식각하였으며, high-k 물질의 대표 격인 HfO₂와의 선택비도 연구 하였다. 가스 혼합비, RF 전력, Bias 전력과 공정 압력에 대한 식각속도의 변화와 식각 선택비를 관찰 하였고, 빛 방출 분석(Optical Emission Spectroscopy: OES)을 이용하여 플라즈마 특성과 식각 속도와의 관계를 분석하였다²⁾.

제안 방법

에 대한 선택비들을 나타낸 것이다. Bias 전력을 100 W에서 300 W로 변화 시키면서, TiN의 식각 실험을 수행 하였다. 이때, RF 전력은 600 W, 가스 혼합비는 CH₄(80%)/Ar(20%), 공정 압력은 2 Pa과 기판 온도는 30℃로 고정하였다.
/Ar 플라즈마의 CH 라디칼 및 Ar의 OES 광 방출 세기를 측정한 결과이다. CH 라디칼 및 Ar의 상대적 부피 밀도는 각각 431 nm와 485 nm 파장의 세기를 비교하여 설명 하고자 한다. 측정된 빛의 세기가 아래식과 같이
TiN 박막 표면에서 라디칼과의 반응에 따른 식각 특성을 이해하기 위해서 XPS narrow scan 분석을 수행하였다. 그림 7은 CH₄ 가스 혼합비에 따라 식각 한 TiN 박막 표면에서 XPS의 Ti 2p와 N 1s의 narrow scan 스펙트럼을 나타낸다.
이때 표준 공정변수로는 RF 전력을 600 W, Bias 전력은 200 W, 공정압력은 2 Pa, 기판온도는 30℃로 고정시켰다. TiN의 식각 속도와 TiN/SiO₂의 식각 선택비는 식각 변수인 CH₄/Ar 가스 혼합비, RF power, bias power와 공정 압력을 각각 변화시키면서 측정하였다. 식각속도는 surface profiler(KLA Tencor, Alpha-step 500)를 사용하여 측정하였으며, CH₄ 가스 첨가 비에 따른 플라즈마에서의 CH 라디칼과 Ar의 상대적 부피 밀도의 변화를 관찰하기 위해 OES(SC Tech, PCM 402)를 사용하였다.
와의 선택비도 연구 하였다. 가스 혼합비, RF 전력, Bias 전력과 공정 압력에 대한 식각속도의 변화와 식각 선택비를 관찰 하였고, 빛 방출 분석(Optical Emission Spectroscopy: OES)을 이용하여 플라즈마 특성과 식각 속도와의 관계를 분석하였다²⁾. 또한 식각 메커니즘을 더욱 상세하게 규명하기 위해 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 TiN 박막과 플라즈마 내의 라디칼과 식각된 시료 표면의 화학반응 분석을 통해 식각 메커니즘을 고찰하였다.
가스 혼합비, RF 전력, Bias 전력과 공정 압력에 대한 식각속도의 변화와 식각 선택비를 관찰 하였고, 빛 방출 분석(Optical Emission Spectroscopy: OES)을 이용하여 플라즈마 특성과 식각 속도와의 관계를 분석하였다²⁾. 또한 식각 메커니즘을 더욱 상세하게 규명하기 위해 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 TiN 박막과 플라즈마 내의 라디칼과 식각된 시료 표면의 화학반응 분석을 통해 식각 메커니즘을 고찰하였다.
식각속도는 surface profiler(KLA Tencor, Alpha-step 500)를 사용하여 측정하였으며, CH₄ 가스 첨가 비에 따른 플라즈마에서의 CH 라디칼과 Ar의 상대적 부피 밀도의 변화를 관찰하기 위해 OES(SC Tech, PCM 402)를 사용하였다. 식각 전후의 TiN 박막의 표면 반응을 Thermo VG 사의 SIGMA PROBE XPS 장비를 이용하여 분석하였다. 이 때 XPS 장비는 250 watts의 Mg Ka(1486 eV)를 사용하였다.
TiN의 식각 속도와 TiN/SiO₂의 식각 선택비는 식각 변수인 CH₄/Ar 가스 혼합비, RF power, bias power와 공정 압력을 각각 변화시키면서 측정하였다. 식각속도는 surface profiler(KLA Tencor, Alpha-step 500)를 사용하여 측정하였으며, CH₄ 가스 첨가 비에 따른 플라즈마에서의 CH 라디칼과 Ar의 상대적 부피 밀도의 변화를 관찰하기 위해 OES(SC Tech, PCM 402)를 사용하였다. 식각 전후의 TiN 박막의 표면 반응을 Thermo VG 사의 SIGMA PROBE XPS 장비를 이용하여 분석하였다.
이와 같이 준비된 TiN 박막의 플라즈마 식각은 그림 1에서 보는 유도 결합 플라즈마에서 CH₄/Ar 가스를 이용하여 식각 실험을 수행하였다. 이때 표준 공정변수로는 RF 전력을 600 W, Bias 전력은 200 W, 공정압력은 2 Pa, 기판온도는 30℃로 고정시켰다.

대상 데이터

15 Ω·cm의 비저항을 갖는 p형, 12인치 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. TiN 박막은 ALD(atomic layer deposition) 장비를 이용하여 증착하였다.
본 실험에 사용된 기판은 0.85 ~ 1.15 Ω·cm의 비저항을 갖는 p형, 12인치 실리콘 웨이퍼를 사용하였다.

성능/효과

82이었다. TiN의 식각 속도가 Ar = 100% 조건 보다 CH₄ = 100% 조건에서 높게 나타나고 있으며, CH₄와 Ar이 혼합된 플라즈마에서 두 조건보다 높은 식각 속도를 얻을 수 있었다. 이는 CH₄/Ar 플라즈마에서의 TiN의 식각이 Ar 이온의 의한 물리적 식각과 CH 또는 H 라디칼이 TiN과 표면에서 반응하여 형성하는 TiH₂(녹는점: 450℃) 또는 Ti_x(CH)_y 형성을 통한 화학적 식각의 도움에 의한 것으로 사료된다.
본 논문에서는 CH₄/Ar 플라즈마를 이용한 TiN 박막의 식각에서 CH₄ 가스의 농도가 증가될수록 그리고 RF 전력과 공정 압력이 증가할수록 TiN 박막의 식각 속도가 증가하였다. CH₄(80%)/Ar(20%) 조건에서 TiN의 최대 식각속도는 296 Å/min이었으며 SiO₂와 HfO₂에 대한 식각 선택비들은 각각 4.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	메모리 소자 크기의 축소는 어떤 문제를 발생시키는가?	또한 메모리 소자의 트랜지스터의 크기는 메모리 소자의 속도를 향상 시키고, 전력소모를 감소시키기 위하여 급속히 작아지고 있다. 그러나 메모리 소자 크기의 축소는 Silicon Oxide에서의 누설 전류의 증가로 인하여 수반되는 메모리 소자의 열 발생 증가와 게이트에서의 저 전도성 문제를 발생 시킨다1-3). 또한 VLSI 용 Packaging와 Silicon Oxide을 비롯한 커패시터의 절연막 두께 역시 엷게 되어 가고 있다.
	소자의 소형화에 따른 문제점이 심각하게 노출된 배경은?	현재까지 CMOS 소자의 크기가 80 nm 이하로 감소하면서 짧은 채널효과(short-channel effect)와 같은 소자의 소형화에 따른 문제점이 점점 심각하게 노출되기 시작하였으며, 종래에 사용되어온 소자구조 및 제작 기술만으로는 집적도나 소자 동작 특성 개선에 있어 한계에 부딪치게 되었다. 또한 메모리 소자의 트랜지스터의 크기는 메모리 소자의 속도를 향상 시키고, 전력소모를 감소시키기 위하여 급속히 작아지고 있다.
	CH4와 Ar이 혼합된 플라즈마에서 높은 식각 속도를 얻을 수 있었던 이유는 무엇인가?	TiN의 식각 속도가 Ar = 100% 조건 보다 CH4 = 100% 조건에서 높게 나타나고 있으며, CH4와 Ar이 혼합된 플라즈마에서 두 조건보다 높은 식각 속도를 얻을 수 있었다. 이는 CH4/Ar 플라즈마에서의 TiN의 식각이 Ar 이온의 의한 물리적 식각과 CH 또는 H 라디칼이 TiN과 표면에서 반응하여 형성하는 TiH2(녹는점: 450℃) 또는 Tix(CH)y 형성을 통한 화학적 식각의 도움에 의한 것으로 사료된다. 그림 2에서 CH4의 첨가비가 증가함에 따라서 전자와 여기된 Ar 이온이 CH4 기체 분자와 충돌 하여, CH 라디칼과 H와 C 원자로 해리되어, CH와 H의 상대적 부피 밀도가 증할 것으로 예측된다.

참고문헌 (9)

A. Le Gouil, O. Joubert, G. Cunge, T. Chevolleau, L. Vallier, J. Vac. Sci. Tech. B, 25(3) (2007) 767-778

상세보기
G. H. Kim, K. T. Kim, J. C. Woo, C. I. Kim, Ferroelectrics, 357(1) (2007) 41-47

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W. T. Chang, T. E. Hsieh, C. J. Lee, J. Vac. Sci. Technol. B, 25 (2007) 1265-1269

상세보기
S. M. Sze, VLSI Technology, New York, McGraw- Hill Book Company (1983) 106
R. H. Dennard, F. H. Gaensslen, H. N. Yu, N. Rideout, E. Bessous, and A. R. Leblanc, IEEE J. Solid State Circuits., SC-9 (1974) 256
W. S. Hwang, J. H. Chen, W. J. Yoo, V. Bliznetsov, J. Vac. Sci. Technol. A, 23(4) (2005) 964-970

상세보기
K. B. Jung, H. Cho, Y. B. Hahn, D. C. Hays, E. S. Lambers, Y. D. Park, T. Feng, J. R. Childress, S. J. Pearton, J. Vac. Sci. Technol. A, 17(4) (1999) 2223-2227

상세보기
D. R. Lide, "Handbook of Chemistry", CRC Press, 2004 10(3)-10(15)
B. Y. Jeong, M. S. Hwang, C. M. Lee, and M. H. Kim, J. Kor. Inst. Met & Mater., 38(6) (2000) 823-828

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