[논문]유도 결합 플라즈마를 이용한 TaN 박막의 건식 식각 특성

진려; 주영희; 우종창; 김한수; 최경록; 김창일

doi:10.4313/jkem.2013.26.1.1

유도 결합 플라즈마를 이용한 TaN 박막의 건식 식각 특성
The Etching Characteristics of the TaN Thin Films Using Inductively Coupled Plasma 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.1, 2013년, pp.1 - 5

진려 (중앙대학교 전자전기공학부) , 주영희 (중앙대학교 전자전기공학부) , 우종창 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김한수 (중앙대학교 전자전기공학부) , 최경록 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김창일 (중앙대학교 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we investigated the etching characteristics of the TaN thin films and the surface reaction of TaN thin films after etching process. The etching characteristics of the TaN thin films were carried out using inductively coupled plasma (ICP). The etch rate and the selectivity of TaN to $SiO_2$ and TaN to PR were measured by varying the gas mixing ratio, RF power, DC-bias voltage, and process pressure in CF-based plasma. The surface reaction of TaN thin films were determined by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 CF₄/Ar 플라즈마에서의 TaN 박막의 공정 조건에 따른 식각 속도 변화와 박막 표면의 화학적 변화를 연구하였다. 식각 프로파일을 구현하기 위해서 가스 혼합 비율, RF 전력, 직류 바이어스 전압, 공정 압력 등의 공정 변수를 변화시켜 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 TaN 박막의 식각 특성을 알아보기 위하여, CF₄와 Ar의 혼합 가스를 이용하여 TaN 박막의 식각 공정을 진행하였다. 또한 가스 혼합 비율, RF 전력, 직류 바이어스 전압, 그리고 공정 압력에 따른 식각 속도와 선택비를 측정하였다.

제안 방법

다음은 TaN 박막 표면에서의 화학적인 반응에 따른 식각 특성을 알아보기 위해서 XPS narrow scan spectra 분석을 진행하였다. TaN 박막 표면에서의 화학적인 반응을 알아보기 위하여 식각 전과 식각 후의 TaN 박막의 표면을 분석하여 비교했다. 식각 시 공정 조건은 500 W의 RF 전압, - 150 V의 직류 바이어스 전압, 그리고 2 Pa의 공정 압력을 유지하였다.
/Substrate 구조로 TaN 박막의 두께는 100 nm이다. TaN 박막과의 선택비를 알아보기 위하여 마스크로써 사용되는 SiO₂와 photoresist (PR)을 사용하였다. TaN 박막의 식각 특성을 알아보기 위하여, 유도 결합 플라즈마 (inductively coupled plasma, ICP) 시스템을 사용하여 실험을 진행하였다.
TaN 박막과의 선택비를 알아보기 위하여 마스크로써 사용되는 SiO₂와 photoresist (PR)을 사용하였다. TaN 박막의 식각 특성을 알아보기 위하여, 유도 결합 플라즈마 (inductively coupled plasma, ICP) 시스템을 사용하여 실험을 진행하였다.
다음은 TaN 박막 표면에서의 화학적인 반응에 따른 식각 특성을 알아보기 위해서 XPS narrow scan spectra 분석을 진행하였다. TaN 박막 표면에서의 화학적인 반응을 알아보기 위하여 식각 전과 식각 후의 TaN 박막의 표면을 분석하여 비교했다.
와 Ar의 혼합 가스를 이용하여 TaN 박막의 식각 공정을 진행하였다. 또한 가스 혼합 비율, RF 전력, 직류 바이어스 전압, 그리고 공정 압력에 따른 식각 속도와 선택비를 측정하였다. 식각 후 표면 조성 및 화학적 결합 상태는 XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 통하여 알아보았다.
식각 속도를 측정하기 위하여 식각 공정 후 각 박막의 두께를 surface profiler (α-step 500, KLA tencor)를 이용하여 측정하였다. 또한 표면의 화학적 구성 및 변화를 알아보기 위하여 x-ray photoelectron spectroscopy (PHI 5000 Versa Prove, VLVac-PHI)를 이용하여 분석을 진행하였다.
56 MHz 주파수를 가지는 RF 전원이 연결되어 있으며, 이는 이온을 제어하기 위하여 DC generator와 연결되어 있다. 반응로 내부의 압력은 mechanical pump와 turbo molecular pump를 이용하여 10^-6 Torr까지 유지하였고, throttle valve를 이용하여 실험 중 공정 압력을 일정하게 조절하였다.
본 실험에서는 TaN 박막의 식각 특성을 알아보기 위하여, 기본 공정 조건은 500 W의 RF 전력, - 150 V의 직류 바이어스 전압, 그리고 2 Pa의 공정 압력을 유지하였다. 식각 공정은 각각의 공정 변수 (가스 혼합비, RF 전력, 직류 바이어스 전압, 공정 압력)의 변화에 따라 진행하였다.
본 실험에서는 TaN 박막의 식각 특성을 알아보기 위하여, 기본 공정 조건은 500 W의 RF 전력, - 150 V의 직류 바이어스 전압, 그리고 2 Pa의 공정 압력을 유지하였다. 식각 공정은 각각의 공정 변수 (가스 혼합비, RF 전력, 직류 바이어스 전압, 공정 압력)의 변화에 따라 진행하였다. 식각 속도를 측정하기 위하여 식각 공정 후 각 박막의 두께를 surface profiler (α-step 500, KLA tencor)를 이용하여 측정하였다.
식각 속도를 측정하기 위하여 식각 공정 후 각 박막의 두께를 surface profiler (α-step 500, KLA tencor)를 이용하여 측정하였다.
/Ar 플라즈마에서의 TaN 박막의 공정 조건에 따른 식각 속도 변화와 박막 표면의 화학적 변화를 연구하였다. 식각 프로파일을 구현하기 위해서 가스 혼합 비율, RF 전력, 직류 바이어스 전압, 공정 압력 등의 공정 변수를 변화시켜 실험을 진행하였다. 이번 실험에서 CF₄/Ar=(50%:50%) 플라즈마에서 식각 속도가 높았으며, RF 전력과 직류 바이어스 전압이 높아질수록 식각 속도는 증가하였다.
또한 가스 혼합 비율, RF 전력, 직류 바이어스 전압, 그리고 공정 압력에 따른 식각 속도와 선택비를 측정하였다. 식각 후 표면 조성 및 화학적 결합 상태는 XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 통하여 알아보았다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 시료는 TaN/SiO₂/Substrate 구조로 TaN 박막의 두께는 100 nm이다. TaN 박막과의 선택비를 알아보기 위하여 마스크로써 사용되는 SiO₂와 photoresist (PR)을 사용하였다.

성능/효과

RF 전력은 400 W에서 700 W까지 변화시켰다. RF 전력이 증가할수록 식각 속도도 증가하는 것으로 나타났다. 700 W일 때 식각 속도는 304 nm였으며, 그 때의 TaN과 SiO₂, PR 과의 선택비는 각각 0.
하지만 공정 압력이 증가할수록 식각 속도는 감소하는 경향을 보였다. XPS 분석을 통하여 식각 공정 시 TaN 박막 표면에서 일어나는 화학적인 변화를 알 수 있었다. 식각 공정 시 CF₄가스와 반응으로 인하여 Ta_x-F_y와 같은 식각 부산물을 생성시키며, 이 식각 부산물들은 휘발성이 낮기 때문에 물리적 스퍼터링 효과에 의해서 제거가 가능하다고 판단된다.
식각 프로파일을 구현하기 위해서 가스 혼합 비율, RF 전력, 직류 바이어스 전압, 공정 압력 등의 공정 변수를 변화시켜 실험을 진행하였다. 이번 실험에서 CF₄/Ar=(50%:50%) 플라즈마에서 식각 속도가 높았으며, RF 전력과 직류 바이어스 전압이 높아질수록 식각 속도는 증가하였다. 하지만 공정 압력이 증가할수록 식각 속도는 감소하는 경향을 보였다.
이때의 공정 조건은 CF₄/Ar=(50%:50) 플라즈마에 500 W의 RF 전력, 2 Pa의 공정 조건에서 진행하였다. 직류 바이어스 전압이 증가할수록 식각 속도도 증가하는 것을 알 수 있었다. 직류 바이어스 전압이 - 50 V에서 - 200 V로 증가할 때 식각 속도는 49.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	게이트 산화물의 두께를 줄여서 생기는 문제점을 줄이기 위하여 어떤 연구가 진행중인가?	트랜지스터 크기의 감소는 터널링 현상을 증가시키고 이로 인해 소자의 오작동을 유발시킨다. 이런 현상을 줄이기 위하여 게이트 산화막을 고유전막으로 대체하려는 연구가 진행 중이며, 금속/고유전막 구조의 트랜지스터 연구가 활발히 진행 중이다. 금속 물질로는 비저항과 전자 이주 현상이 낮은 구리가 많이 연구되어지고 있다.
	게이트 산화막을 고유전막으로 대체하는 연구에서 연구되고 있는 금속 물질에는 무엇이 있는가?	이런 현상을 줄이기 위하여 게이트 산화막을 고유전막으로 대체하려는 연구가 진행 중이며, 금속/고유전막 구조의 트랜지스터 연구가 활발히 진행 중이다. 금속 물질로는 비저항과 전자 이주 현상이 낮은 구리가 많이 연구되어지고 있다. 하지만 구리는 쉽게 확산되는 성질이 있기 때문에 확산 방지막을 필요로 하는 단점이 있다.
	게이트 산화물의 두께가 줄어들면 어떤 문제점이 생기는가?	현재 계속되는 트랜지스터 크기의 감소로 인하여 게이트 산화물의 두께가 줄어들고 있다. 트랜지스터 크기의 감소는 터널링 현상을 증가시키고 이로 인해 소자의 오작동을 유발시킨다. 이런 현상을 줄이기 위하여 게이트 산화막을 고유전막으로 대체하려는 연구가 진행 중이며, 금속/고유전막 구조의 트랜지스터 연구가 활발히 진행 중이다.

참고문헌 (9)

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