[논문]유도 결합 플라즈마를 이용한 TaN 박막의 건식 식각 특성 연구

엄두승; 김승한; 우종창; 김창일

doi:10.5695/jkise.2009.42.6.251

유도 결합 플라즈마를 이용한 TaN 박막의 건식 식각 특성 연구
The Study of the Etch Characteristics of the TaN Thin Film Using an Inductively Coupled Plasma 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.42 no.6, 2009년, pp.251 - 255

엄두승 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김승한 (중앙대학교 전자전기공학부) , 우종창 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김창일 (중앙대학교 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the plasma etching of the TaN thin film with $O_2/BCl_3$/Ar gas chemistries was investigated. The equipment for the etching was an inductively coupled plasma (ICP) system. The etch rate of the TaN thin film and the selectivity of TaN to $SiO_2$ and PR was studied as a function of the process parameters, including the amount of $O_2$ added, an RF power, a DC-bias voltage and the process pressure. When the gas mixing ratio was $O_2$(3 sccm)/$BCl_3$(6 sccm)/Ar(14 sccm), with the other conditions fixed, the highest etch rate was obtained. As the RF power and the dc-bias voltage were increased, the etch rate of the TaN thin film was increased. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to investigate the chemical states of the surface of the TaN thin film.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 BCl₃/Ar에 O₂ 가스 첨가에 따른 유도결합 플라즈마(ICP: Inductively coupled plasma)에서의 TaN 박막의 식각 특성을 알아보았고, RF 전력, 직류 바이어스 전압 그리고 공정압력의 변화에 따른 식각 특성을 알아보았다. TaN 박막표면에서의 화학적 반응들은 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)에 의해서 알아보았다.

제안 방법

기본 공정 조건은 500 W의 상부 RF 전력, −100 V의 하부 직류 바이어스 전압, 15 mTorr의 공정 압력, 40℃의 기판 온도 그리고 BCl3(6 sccm)/Ar(14 sccm)의 가스비로 하였다. TaN 박막의 식각은 각각의 공정 변수의 변화에 따라 진행되었고, depth profiler(alpha-step 500, KLA Tencor)를 이용하여 식각률을 측정하였다. 표면의 화학적 구성 및 변화를 알아보기 위하여 XPS(AXIS-HSI, KRATOS)분석을 진행하였다.
가스 첨가에 따른 유도결합 플라즈마(ICP: Inductively coupled plasma)에서의 TaN 박막의 식각 특성을 알아보았고, RF 전력, 직류 바이어스 전압 그리고 공정압력의 변화에 따른 식각 특성을 알아보았다. TaN 박막표면에서의 화학적 반응들은 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)에 의해서 알아보았다.
기본 공정 조건은 500 W의 상부 RF 전력, −100 V의 하부 직류 바이어스 전압, 15 mTorr의 공정 압력, 40℃의 기판 온도 그리고 BCl3(6 sccm)/Ar(14 sccm)의 가스비로 하였다.
반응로 내부의 압력은 mechanical pump와 turbo-molecular pump를 이용하여 10−6 Torr까지 유지하였고, throttle valve를 이용하여 공정 압력을 조절하였다.
본 연구에서 유도결합 플라즈마(ICP) 시스템을 이용한 TaN 박막의 식각 실험을 수행하였고, SiO2와 PR의 식각 선택비를 관찰하였다. BCl3(6 sccm)/Ar(14 sccm)의 가스 조건에서 3 sccm의 O₂ 가스를 첨가되었을 때 가장 높은 식각률을 나타냈다.
TaN 박막의 식각은 각각의 공정 변수의 변화에 따라 진행되었고, depth profiler(alpha-step 500, KLA Tencor)를 이용하여 식각률을 측정하였다. 표면의 화학적 구성 및 변화를 알아보기 위하여 XPS(AXIS-HSI, KRATOS)분석을 진행하였다.

대상 데이터

/Si substrate의 구조로 TaN 박막의 두께는 1000 Å이었다. TaN 박막과의 선택비를 확인하기 위하여 마스크로 SiO₂ 박막과 PR(Photo Resist)이 사용되었다.
본 실험에 사용한 시료는 TaN/SiO2/Si substrate의 구조로 TaN 박막의 두께는 1000 Å이었다.

이론/모형

본 실험에서 사용된 건식식각 장치는 유도결합 플라즈마(ICP) 시스템을 이용하여 진행하였다. 본 식각 장치의 원형 반응로(Chamber)는 지름이 26 cm 이고, 반응로 내부의 높이는 9 cm로 구성되어 있다.

성능/효과

TaN과 SiO₂의 식각 선택비는 O₂(3 sccm)/BCl₃(6 sccm)/Ar(14 sccm)의 가스 조건에서 3.1로 가장 높았고, TaN과 PR과의 식각 선택비는 O₂ 가스가 첨가되지 않은 BCl₃(6 sccm)/Ar(14 sccm)의 가스 조건에서 0.49로 가장 높았다. 이는 O₂가 Si의 식각률을 감소시키고, PR의 식각률을 높이기 때문으로 판단된다.
및 PR과의 식각 선택비를 나타낸 것이다. 상부 RF 전력은 400 W부터 700 W까지 변화 시켰고, 700 W의 RF 전력에서 350.12 nm/min으로 가장 높은 식각률을 나타냈다.
BCl3(6 sccm)/Ar(14 sccm)의 가스 조건에서 3 sccm의 O₂ 가스를 첨가되었을 때 가장 높은 식각률을 나타냈다. 상부 RF 전력이 높을수록, 하부의 직류 바이어스 전압이 음의 값으로 커질수록 식각률은 증가하였고, 공정압력은 2 Pa일 때가 가장 높은 식각률을 나타내었다. O₂ 가스의 첨가로 TaOClx와 같은 식각 부산물을 생성시키며, 이 식각 부산물은 휘발특성이 낮기 때문에 TaN 표면에서 제거하기 위하여 물리적 스퍼터링 효과가 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확산 방지막으로 사용되는 금속 질화물은?	그러나 구리는 쉽게 확산되는 성질 을 가지고 있어 확산 방지막이 필수적이다1,2). 연구되고 있는 확산 방지막으로는 TaN, TiN, WN 등과 같은 금속 질화물들이다1,2,7,8). 확산 방지막으로 사 용되는 TaN과 TiN은 금속/고-유전막 구조에서의 전극으로 사용될 수 있기 때문에 지속적인 연구가 진 행되고 있다9,10).
	구리 금속 배선을 사용할 때 장점은?	또한 전자 이주 현상이 낮고, 비저항도 낮은 구리 금속 배선이 연구되고 있다. 구리는 기존의 알루미늄 배선과 다르게 상감(damascene) 공정을 이용하여 비아(Via)나 컨택(Contact)의 홀(Hole)에도 적용 할 수 있어서 중간 공정을 많이 줄일 수 있다는 장점을 지닌다6). 그러나 구리는 쉽게 확산되는 성질 을 가지고 있어 확산 방지막이 필수적이다1,2).
	계속해서 트랜지스터 게이트의 크기를 작게할 때 발생하는 문제는?	트랜지스터 게이트의 크기가 줄어들면, 집적도가 향상되고, 동작 전압을 낮출 수 있다. 그러나 계속 된 게이트의 축소는 게이트 산화막(SiO2)에서 터널링을 증가시켜 소자의 오동작을 유발한다. 따라서 게이트 막을 두껍게 만들어 터널링을 방지하고 낮은 전압에서도 채널을 형성할 수 있는 고-유전막 (high-k thin film)으로 대체하려는 연구가 진행 중이다3).

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