[논문]He/BCl3/Cl2유도결합 플라즈마를 이용한 TiN 박막의 식각 특성

우종창; 주영희; 박정수; 김창일

doi:10.4313/jkem.2011.24.9.718

He/BCl3/Cl2유도결합 플라즈마를 이용한 TiN 박막의 식각 특성
A Study of the Dry Etching Properties of TiN Thin Film in He/BCl3/Cl2 Inductively Coupled Plasma 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.9, 2011년, pp.718 - 722

우종창 (중앙대학교 전자전기공학부) , 주영희 (중앙대학교 전자전기공학부) , 박정수 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김창일 (중앙대학교 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, we investigated to the etching characteristics of the TiN thin film in He/$BCl_3/Cl_2$ plasma. The etch rate was measured by the gas mixing ratio, the RF power, the DC bias voltage and the process pressure. The maximum etch rate in He/$BCl_3/Cl_2$ plasma was 59 nm/min. The etch rate increased as the RF power and the DC-bias voltage was increased. The chemical reaction on the surface of the etched the TiN thin films was investigated with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The intensity of Ti 2p and N 1s peaks are varied during etching process. A new peak was appeared in He/$BCl_3/Cl_2$ plasma. The new peak was revealed Ti-$Cl_x$ by Cl 2p peak of XPS wild scan spectra analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 He/BCl₃/Cl₂ 가스를 기반으로 유도 결합 플라즈마 (inductively coupled plasma, ICP) 시스템을 이용하여 TiN 박막의 식각 특성 연구하였다. 가스 혼합비, RF 전력, 직류 바이어스 전압과 공정압력에 대한 식각속도를 관찰하였고, 또한 식각 메커니즘을 더욱 상세하게 규명하기 위해 XPS (x-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 TiN 박막과 플라즈마 내의 라디칼과 시료 표면의 화학반응 분석을 통해 식각 메커니즘을 고찰하였다.
본 실험에서, He/BCl₃/Cl₂ 혼합가스에서 TiN 박막의 공정조건에 따른 식각속도 변화와 박막 표면의 화학적 변화를 연구하였다. 식각속도를 확인하기 위한 실험에서는 혼합가스 비율과 RF 전압, 직류 바이어스 전압, 그리고 공정 압력을 변화시켰다.

가설 설정

X-ray photoelectron spectroscopy narrow scan spectra of the etched TiN thin film of Ti 2p. (a) As-deposited, (b) He/Cl₂/BCl₃ plasma.

제안 방법

TiN 박막 표면에서 라디칼과의 반응에 따른 식각특성을 이해하기 위해서 XPS narrow scan 분석을 수행하였다.
이때의 공정 변수로는 500 W의 RF 전력, - 100 V의 직류 바이어스 전압, 2 Pa의 공정압력, 40℃의 기판 온도로 고정하였다. TiN 박막의 식각속도는 surface profiler (alpha-step 500, KLA Tencor)를 사용하여 측정하였으며, 식각 전후의 TiN 박막 표면의 화학적 구성 및 변화를 알아보기 위해 XPS 분석을 진행하였다. 이 때 XPS 장비는 250 watts의 Mg Ka(1,486 eV)를 사용하였다.
가스를 기반으로 유도 결합 플라즈마 (inductively coupled plasma, ICP) 시스템을 이용하여 TiN 박막의 식각 특성 연구하였다. 가스 혼합비, RF 전력, 직류 바이어스 전압과 공정압력에 대한 식각속도를 관찰하였고, 또한 식각 메커니즘을 더욱 상세하게 규명하기 위해 XPS (x-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 TiN 박막과 플라즈마 내의 라디칼과 시료 표면의 화학반응 분석을 통해 식각 메커니즘을 고찰하였다.
Torr 까지 진공을 유지하게 된다. 각각의 가스 유량은 MFC (mass flow controller)를 이용하여 조절하였고 기판과 터보 펌프의 온도는 냉각 칠러를 이용하여 일정하게 유지시켰다.
혼합가스에서 TiN 박막의 공정조건에 따른 식각속도 변화와 박막 표면의 화학적 변화를 연구하였다. 식각속도를 확인하기 위한 실험에서는 혼합가스 비율과 RF 전압, 직류 바이어스 전압, 그리고 공정 압력을 변화시켰다. 그 결과 혼합가스 비에 He을 20% 첨가할 때 59 nm/min으로 가장 높은 식각속도를 보였으며, 그 이상 He을 증가할수록 반응성 가스의 비율이 줄어들어 식각속도를 감소시켰다.
또한, 공정압력에 따른 실험에서는 공정압력이 낮을수록 플라즈마 내 평균자유행로가 길어져 식각속도가 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 공정을 뒷받침하기 위해 식각된 표면의 반응을 확인하기 위해, TiN 박막 표면에서 일어나는 화학적 변화는 XPS 분석을 통해 알아보았다. Ti 2p와 N 1s peak의 intensity와 결합에너지가 TiN 박막표면에서 화학반응들로 인해 변화된 것을 알 수 있었으며, 또한 Cl₂와 BCl₃와 같은 반응성 가스들로 인하여 박막 표면에 TiCl_x와 같은 비휘발성 식각부산물이 잔류된다는 것을 확인하였다.
이를 뒷받침하기 위해 각각 Cl 2p와 B 1s peak을 XPS wild scan 분석을 진행하였다.
15 Ω·cm의 비저항을 갖는 p형, 6인치 실리콘 웨이퍼에 TiN/SiO₂/Si 구조로 ALD (atomic layer deposition) 장비를 이용하여 200 nm 증착 하였다. 이와 같이 준비된 TiN 박막의 플라즈마 식각은 그림 1에서 보는 ICP 시스템을 이용하여 식각을 진행하였다. 그림 1의 ICP 시스템은 직경 26 cm의 구형 챔버로 구성되어 있으며, 석영창 위에 나선형의 평판 구리 코일에 13.

대상 데이터

본 실험에 사용된 기판은 0.85∼1.15 Ω·cm의 비저항을 갖는 p형, 6인치 실리콘 웨이퍼에 TiN/SiO2/Si 구조로 ALD (atomic layer deposition) 장비를 이용하여 200 nm 증착 하였다.

성능/효과

그 결과 혼합가스 비에 He을 20% 첨가할 때 59 nm/min으로 가장 높은 식각속도를 보였으며, 그 이상 He을 증가할수록 반응성 가스의 비율이 줄어들어 식각속도를 감소시켰다. RF 전압과 직류 바이어스 전압에서는 증가할수록 플라즈마의 밀도가 높아지고 이온 포격이 활발해져, 식각속도가 증가된 것을 확인하였다. 또한, 공정압력에 따른 실험에서는 공정압력이 낮을수록 플라즈마 내 평균자유행로가 길어져 식각속도가 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 공정을 뒷받침하기 위해 식각된 표면의 반응을 확인하기 위해, TiN 박막 표면에서 일어나는 화학적 변화는 XPS 분석을 통해 알아보았다. Ti 2p와 N 1s peak의 intensity와 결합에너지가 TiN 박막표면에서 화학반응들로 인해 변화된 것을 알 수 있었으며, 또한 Cl₂와 BCl₃와 같은 반응성 가스들로 인하여 박막 표면에 TiCl_x와 같은 비휘발성 식각부산물이 잔류된다는 것을 확인하였다.
식각속도를 확인하기 위한 실험에서는 혼합가스 비율과 RF 전압, 직류 바이어스 전압, 그리고 공정 압력을 변화시켰다. 그 결과 혼합가스 비에 He을 20% 첨가할 때 59 nm/min으로 가장 높은 식각속도를 보였으며, 그 이상 He을 증가할수록 반응성 가스의 비율이 줄어들어 식각속도를 감소시켰다. RF 전압과 직류 바이어스 전압에서는 증가할수록 플라즈마의 밀도가 높아지고 이온 포격이 활발해져, 식각속도가 증가된 것을 확인하였다.
RF 전압과 직류 바이어스 전압에서는 증가할수록 플라즈마의 밀도가 높아지고 이온 포격이 활발해져, 식각속도가 증가된 것을 확인하였다. 또한, 공정압력에 따른 실험에서는 공정압력이 낮을수록 플라즈마 내 평균자유행로가 길어져 식각속도가 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 공정을 뒷받침하기 위해 식각된 표면의 반응을 확인하기 위해, TiN 박막 표면에서 일어나는 화학적 변화는 XPS 분석을 통해 알아보았다.
이러한 결과를 볼 때, He 가스를 20% 첨가하였을 때는 He 이온이 Cl 라디칼의 해리에 도움을 주어 Cl 라디칼의 증가로 식각 속도가 미소하게 증가하였다. He 가스를 20% 이상 첨가함에 따라 He 이온의 도움에 의한 Cl 라디칼의 증가가 미미하여 전체적인 가스함량에서 Cl 라디칼의 함량이 감소하게 된다.

후속연구

하지만, 이런 이유로 인해 누설 전류에 의한 소자의 발열, 게이트에 발생되는 낮은 전도성 등과 같이 여러 문제가 발생하고 있다. 또한, 지금까지 이용되었던 소자 구조 및 공정 기술 등은 소자의 특성과 집적도 향상의 발전에는 한계점에 달았다. 이런 문제점들을 개선하기 위해서 새로운 구조와 물질들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	High-k 물질의 장점은?	이런 물질로는 HfO2, Al2O3, ZrO2 등과 같이 유전상수가 크고, 밴드 캡 에너지가 높은 High-k 물질들이 있다. High-k 물질들은 터널링 문제를 해결하고 얇은 게이트 두께에도 정전용량을 보이는 것으로 알려졌다. 하지만, 실리콘과 결합할 경우 경계층에 산화막이 형성되는 문제점을 가지고 있다.
	High-k 물질 사용시 발생하는 문제는?	High-k 물질들은 터널링 문제를 해결하고 얇은 게이트 두께에도 정전용량을 보이는 것으로 알려졌다. 하지만, 실리콘과 결합할 경우 경계층에 산화막이 형성되는 문제점을 가지고 있다. 따라서 High-k 물질을 사용하기 위해 호환성이 좋은 물질을 전극으로 사용하여야 한다 [1-3].
	TiN의 특성은?	이 중에 TiN 은 High-k 물질들의 전극으로 사용되기에 매우 적당한 물질이다. TiN 은 호환성이 우수하고, 낮은 비저항, 우수한 강도, 열역학 및 화학적 안정성과 낮은 확산 계수 등을 가지고 있다. 이런 이유로 인하여, 지금까지의 전극이나 Cu, Al의 확산 방지막 그리고 식각공정 시 하드 마스크로 사용되기도 한다 [4-6].

참고문헌 (9)

G. K. Cellar and S. Cristoloveanu, Appl. Phys. Lett., 93, 4955 (2003).
S. Vitale, J. Kedzierski, and C Keast, J. Vac. Sci. Technol., B27, 2472 (2009).
S. Mukhopadhyay, K. Kim, X. Wang, D. Frank, P. Oldiges, C. Chuang, and K. Roy, IEEE Electron Devices Lett., 27, 284 (2006).

상세보기
S. H. Kim and J. G. Fossum, Solid State Electron., 49, 595 (2005).

상세보기
S. Eminente, S. Cristoloveanu, R. Clerc, A. Ohata, and G. Ghiboudo, Solid State Electron., 51, 239 (2007).

상세보기
H. Gottlob, T. Mollenhauer, T. Wahlbrink, M. Schmidt, T. Echtermeyer, J. Efavi, M. Lemme, and H. Kurz, J. Vac. Sci. Technol., B24, 710 (2006).
W. S. Hwang, J. H. Chen, W. J. Yoo, and V. Bliznetsov, J. Vac. Sci. Technol., A23, 964 (2005).
M. H. Shin, S. W. Na, N. E. Lee, and J. H. Ahn, Thin Solid Films, 506, 230 (2006).

상세보기
E. Sungauer, E. Pargon, and T. Lill, J. Vac. Sci. Technol., B25, 1640 (2007).

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