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

주영희; 우종창; 김창일

doi:10.4313/jkem.2012.25.9.681

BCl3/He 유도결합 플라즈마를 이용한 TiN 박막의 식각 특성
Dry Etching Characteristics of TiN Thin Films in BCl3/He Inductively Coupled Plasma 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.9, 2012년, pp.681 - 685

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

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated the dry etching characteristics of TiN in $TiN/Al_2O_3$ gate stack using a inductively coupled plasma system. TiN thin film is etched by BCl3/He plasma. The etching parameters are the gas mixing ratio, the RF power, the DC-bias voltages and process pressures. The highest etch rate is in $BCl_3/He$ (25%:75%) plasma. The selectivity of TiN thin film to $Al_2O_3$ is pretty similar with $BCl_3/He$ plasma. The chemical reactions of the etched TiN thin films are investigated by X-ray photoelectron spectroscopy. The intensities of the Ti 2p and the N 1s peaks are modified by $BCl_3$ plasma. Intensity and binding energy of Ti and N could be changed due to a chemical reaction on the surface of TiN thin films. Also we investigated that the non-volatile byproducts such as $TiCl_x$ formed by chemical reaction with Cl radicals on the surface of TiN thin films.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 그 중 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정에 대한 식각 프로파일은 아직 미흡한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP) 시스템을 이용하여 TiN 박막의 식각 속도 및 Al₂O₃와의 선택비를 연구하였다. BCl₃/He의 가스 혼합비, RF 전력, 직류 바이어스 전압과 공정압력에 대하여 식각 속도와 선택비를 관찰하였으며, 식각 메커니즘을 규명하기 위하여 XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 TiN 박막과 식각 시 발생하는 플라즈마 내의 라디칼과의 화학적 반응 분석하여 식각 메커니즘을 고찰하였다.
실험에서는 BCl₃/He 플라즈마에서 TiN 박막의 공정 조건에 따른 식각 속도 변화와 박막 표면의 화학적 변화를 연구하였다. 식각 특성을 알아보기 위하여 BCl₃/He 가스의 혼합 비율과 RF 전압, 직류 바이어스 전압, 그리고 공정 압력을 변화시키며 측정하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP) 시스템을 이용하여 TiN 박막의 식각 속도 및 Al₂O₃와의 선택비를 연구하였다. BCl₃/He의 가스 혼합비, RF 전력, 직류 바이어스 전압과 공정압력에 대하여 식각 속도와 선택비를 관찰하였으며, 식각 메커니즘을 규명하기 위하여 XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 TiN 박막과 식각 시 발생하는 플라즈마 내의 라디칼과의 화학적 반응 분석하여 식각 메커니즘을 고찰하였다.
TiN 박막 표면에서의 화학적인 반응에 따른 식각 특성을 알아보기 위해 XPS narrow scan 분석을 수행하였다.
TiN과 Al2O3 박막의 식각 실험이 진행되는 동안, 기본 공정 변수는 500 W의 RF 전력, - 100 V의 직류 바이어스 전압, 2 Pa의 공정 압력과 40℃의 기판 온도로 고정하였다.
하지만 공정 압력은 낮을수록 식각 속도가 증가한 것을 확인하였는데, 이는 플라즈마 내에 이온의 평균 자유 행정이 길어져 식각 속도가 증가되는 것으로 사료된다. 마지막으로 식각된 TiN 표면의 화학적 변화를 관찰하기 위하여 XPS 분석을 실시하였다. Ti 2p와 N 1s 모두 식각 후 결합에너지가 높은 쪽으로 이동하는 것을 관찰할 수 있었다.
이와 같이 준비된 TiN과 Al₂O₃ 박막의 식각 특성을 알기 위해 그림 1에 나타난 평형 ICP시스템을 사용하여 식각 실험을 수행하였다. 본 식각 장치는 지름 26 cm의 원형 챔버로 구성되어 있으며, 상부에 있는 구리 코일에 13.56 MHz의 RF 전력을 인가했으며, 바이어스 전력을 조절하기 위하여 하부 전극에도 13.56 MHz의 전력을 인가하였다. 챔버 내부의 압력은 mechanical 펌프와 turbo molecular 펌프를 이용하여 10-6 Torr까지 진공을 유지하였다.
박막의 식각 실험이 진행되는 동안, 기본 공정 변수는 500 W의 RF 전력, - 100 V의 직류 바이어스 전압, 2 Pa의 공정 압력과 40℃의 기판 온도로 고정하였다. 식각 속도는 surface profiler (KLA Tencor, Alpha-step 500)을 사용하여 측정하였고, 식각 전후의 TiN 박막의 화학적 조성을 분석하기 위하여 XPS (SIGMA PROBE, Thermo VG)를 사용 하여 분석하였다.
/He 플라즈마에서 TiN 박막의 공정 조건에 따른 식각 속도 변화와 박막 표면의 화학적 변화를 연구하였다. 식각 특성을 알아보기 위하여 BCl₃/He 가스의 혼합 비율과 RF 전압, 직류 바이어스 전압, 그리고 공정 압력을 변화시키며 측정하였다. 그 결과 BCl₃/He=(25%:75%) 일 때 44.
TiN과 Al₂O₃ 박막의 두께는 각각 200nm와 50 nm이다. 이와 같이 준비된 TiN과 Al₂O₃ 박막의 식각 특성을 알기 위해 그림 1에 나타난 평형 ICP시스템을 사용하여 식각 실험을 수행하였다. 본 식각 장치는 지름 26 cm의 원형 챔버로 구성되어 있으며, 상부에 있는 구리 코일에 13.

대상 데이터

본 연구에서는 RF 스퍼터링 시스템을 사용하여 SiO₂(10 nm)/Si 기판 위에 증착한 TiN과 Al₂O₃를 사용하였다. TiN과 Al₂O₃ 박막의 두께는 각각 200nm와 50 nm이다.

성능/효과

이러한 연구 중에서 metal/high-k 게이트 구조가 많은 주목을 받고 있다. High-k 물질은 유전 상수가 크고 밴드갭 에너지가 높아 터널링을 방지하고 얇은 게이트 두께에도 정전용량을 가질 수 있는 것으로 알려졌다. 현재 많이 연구되고 있는 high-k 물질으로는 Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂ 등이 있다.
이때의 공정 조건은 RF 전력 500 W, 직류 바이어스 – 100 V이다. 공정 압력이 증가할수록 식각 속도는 감소하였다. 이는 공정 압력이 증가할수록 플라즈마 내 이온들의 평균 자유행정의 길이가 짧아져 TiN 박막의 도달하는 이온의 에너지 손실이 많아지기 때문에 식각 속도가 감소하는 것으로 사료된다.
식각 특성을 알아보기 위하여 BCl₃/He 가스의 혼합 비율과 RF 전압, 직류 바이어스 전압, 그리고 공정 압력을 변화시키며 측정하였다. 그 결과 BCl₃/He=(25%:75%) 일 때 44.2 nm/min 으로 가장 높은 식각 속도를 보였으며, 그 이상의 BCl₃ 가스를 첨가하였을 경우 식각 속도가 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 RF 전압과 직류 바이어스 전압이 증가할수록 식각 속도가 증가하는 것을 알 수 있었으며, 이는 플라즈마의 밀도가 높아지고 이온 스퍼터링 효과가 활발해져 식각 속도가 증가한 것으로 사료된다.
2 nm/min 으로 가장 높은 식각 속도를 보였으며, 그 이상의 BCl₃ 가스를 첨가하였을 경우 식각 속도가 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 RF 전압과 직류 바이어스 전압이 증가할수록 식각 속도가 증가하는 것을 알 수 있었으며, 이는 플라즈마의 밀도가 높아지고 이온 스퍼터링 효과가 활발해져 식각 속도가 증가한 것으로 사료된다. 하지만 공정 압력은 낮을수록 식각 속도가 증가한 것을 확인하였는데, 이는 플라즈마 내에 이온의 평균 자유 행정이 길어져 식각 속도가 증가되는 것으로 사료된다.
특히 Ti 2p 의 경우 Ti-O 결합의 intensity가 줄어든 것을 확인할 수 있는데, 이는 Ti-O 결합이 He 스퍼터링에 의해 해리가 되어 Cl 라디칼과 결합하는 것으로 사료된다. 또한 Ti 2p와 N 1s에서 Ti가 Cl 라디칼 뿐만 아니라 N과의 재결합으로 인하여 Ti-N의 intensity가 높아진 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TiN은 어떤특성을 가지고 있는가?	전극 물질로는 TiN, TaN 등이 있으며, 이 중에서 TiN은 metal/high-k 구조에서 전극으로 사용하기에 매우 적당한 물질이다. TiN은 high-k 물질과의 호환성이 우수하고, 우수한 강도, 열역학 및 화학적 안정성과 낮은 확산 계수를 가지고 있다. 이러한 우수한 성질로 인하여 확산 방지막 및 하드 마스크로 많이 사용되어지고 있다 [5,6].
	현재 많이 연구되고있는 high-k 물질은 어떤 것이 있는가?	High-k 물질은 유전 상수가 크고 밴드갭 에너지가 높아 터널링을 방지하고 얇은 게이트 두께에도 정전용량을 가질 수 있는 것으로 알려졌다. 현재 많이 연구되고 있는 high-k 물질으로는 Al2O3, ZrO2, HfO2등이 있다. 하지만 이러한 high-k 물질들을 사용하기 위해서는 호환성이 좋은 전극 물질을 필요로 한다[1-4].
	BCl3/He 플라즈마에서 TiN 박막의 공정 조건에 따른 식각 특성을 알아보기 위하여 변화시킨 것은?	실험에서는 BCl3/He 플라즈마에서 TiN 박막의 공정 조건에 따른 식각 속도 변화와 박막 표면의 화학적 변화를 연구하였다. 식각 특성을 알아보기 위하여 BCl3/He 가스의 혼합 비율과 RF 전압, 직류 바이어스 전압, 그리고 공정 압력을 변화시키며 측정하였다. 그 결과 BCl3/He=(25%:75%) 일 때 44.

참고문헌 (10)

A. L. Gouil, O. Joubert, G. Cunge, T. Chevolleau, L. Vallier, B. Chenevier, and I. Matko, J. Vac. Sci. Techno., B35, 767 (2007).
G. K. Cellar and S. Cristoloveanu, Appl. Phys. Lett., 93, 4955 (2003).
H. Shimada and K. Maruyama, Jpn. J. Appl. Phys., 43, 1768 (2004).

상세보기
C. B. Labella, H. L. Maynard, and J. T. C. Lee, J. Vac. Sci. Technol., B14, 2574 (1996).
J. F. Shackelford, Materials Science for Engineers, (MacMillan, New York, 1988) p.508
H. Miyazaki, K. Hinode, Y. Homma, and K. Mukai, Jpn. Soc. Appl. Phys., 329 (1987).
J. C. Woo, Y. H. Joo, J. S. Park, and C. I. Kim, Trans. Electr. Electron. Mater., 12, 144 (2011).

원문보기 상세보기
M. Darnon, T. Chevolleau, D. Eon, L. Vallier, J. Torres, and O. Joubert, J. Vac. Sci. Technol., B24, 2262 (2006).
W. S. Hwang, J. H. Chen, W. J. Yoo, and V. Bliznetsov, J. Vac. Sci. Technol., A23, 964 (2005).
E. Sungauer, E. Pargon, and T. Lill, J. Vac. Sci. Technol., B25, 1640 (2007).

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