[논문]고밀도 플라즈마를 이용한 contact hole 식각에서 공정 변수에 따른 식각 특성

김관하; 김창일

고밀도 플라즈마를 이용한 contact hole 식각에서 공정 변수에 따른 식각 특성
Etching properties as the process parameter in high density plasma contact hole etching 원문보기

김관하 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김창일 (중앙대학교 전자전기공학부)

본 연구에서는 고밀도 플라즈마 식각 시스템을 이용하여 contact hole 식각을 연구하였다. 실험은 공정 변수에 따른 식각 특성을 변화를 SEM 분석을 이용하여 보였으며 공정 압력 증가에 따른 contact hole 패턴의 하부 및 측면이 vertical 하지 못한 현상을 볼 수 있었으며 이는 과도한 라디컬 생성으로 인하여 식각 반응 부산물과 폴리머가 식각 패턴 밖으로 탈착되지 못하여 나타나는 것으로 생각되며 하부 bias 전력을 증가시킴으로써 식각 반응 부산물과 폴리머의 탈착을 도와 식각 프로파일 개선에 영향을 줌을 확인하였다. 또한, 본 장비의 낮은 전자온도 등의 특성으로 인하여 PR의 degradation 현상 등이 나타나지 않았다.

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문제 정의

본 연구에서는 고밀도 플라즈마 식각 시스템을 이용하여 contact hole 식각을 연구하였다. 공정 압력 증가에 따라 산화막의 식각률을 증가하나 PR 의 식각률은 감소하다 증가하는 경향을 보인다.
본 연구에서는 반응로 벽에 폴리머가 퍼짐을 최소화하고 웨이퍼 상에 최적의 폴리머 양을 전달하기 위하여 적절한 가스혼합비에서 공정 압력과 RF 전력이 산화막의 식각률 및 PR과의 선택비, 식각 형상에 미치는 영향을 연구하였다.

제안 방법

이와 같이 증착된 contact 패턴은 고밀도 플라즈마 시스템을 이용하여 식각하였다. Contact 패턴은 BARC (bottom anti reflect coating) step, ME (main etching) step, PET (plasma enhanced treatment) step 순서로 연속적으로 식각되었으며 이때의 substrate의 Back side He 압력은 가운데 부분이 20 Torr, 가장자리는 12 Ton를 공급하여 웨이퍼의 은도를 제어하였으며 substrate의 냉각수의 온도는 15t, 반응로 벽의 온도는 30P로 칠러를 통하여 유지시켰다, BARC step의 공정 조건은 65 mTorr의 공정 압력, 140 W의 source 전력, 900 W의 Bias 전력, 40 seem의 CF% 150 seem의 Ar, 12 seem의 O2를공급하였다. ME step의 가스 공급은 18 seem의 GF8, 300 seem의 Ar, 13 seem의 O2를 이용하였으며 PET step의 공정 조건은 100 mTorr의 공정 압력, 400 W의 Source 전력, 100 W의 Bias 전력, 20 seem 의 CF% 300 seem의 Ar, 200 seem의 O2로 유지하였다.

데이터처리

ME step의 가스 공급은 18 seem의 GF8, 300 seem의 Ar, 13 seem의 O2를 이용하였으며 PET step의 공정 조건은 100 mTorr의 공정 압력, 400 W의 Source 전력, 100 W의 Bias 전력, 20 seem 의 CF% 300 seem의 Ar, 200 seem의 O2로 유지하였다. 식각 후 프로파일 분석은EOL JSM-640 SEM (field emission scanning 이ectron microscopy)을 이용하여 관찰하였다.

성능/효과

이때의 공정 조건은 150 W의 Source 전력, 1500 W의 Bias 전력, 18 seem의 C₄F& 300 seem의 Ar, 13 seem의 O2를 공급하였다. 공정압력이 증가함에 따라 산화막의 식각률은 선형적으로 증가하나 PR의 식각률은 감소하다 증가하는 것을 보였다. 이에 따라 산화막과 PR의 선택비는 증가하다 감소하는 경향을 보인다.
이때의 etchant는 그림 2와 같다. 두가지 모두의 공정 압력에서 Source 전력의 증가에 따라 산화막과 PR의 식각률은 증가하게 되나 산화막 보다 PR의 식각률 증가가 가파르므로 선택비는 감소하는 경향을 보인다. 이는 그림 2의 경우와 달리 Source 전력 증가에 따라 발생된 활성종들과 시료와 반응물이 시료 표면에 흡착되지 않고 휘발성의 식각 부산물을 형성하여 진공 배기 시스템으로 배기되기 때문이다.
이는 공정압력의 증가와 Source 전력의 증가는 시료와 반응하는 활성종의 생성이 많아져 생기는 결과라고 생각된다. 또한, 공정 압력 증가에 따른 contact hole 패턴의 하부가 둥그스런 현상을 볼 수 있었으며 이는 과도한 라디칼 생성으로 인하여 식각 반응 부산물과 폴리머가 식각 패턴 밖으로 탈착되지 못하여 나타나는 것으로 생각되며 하부 bias 전력을 증가시킴으로써 식각 반응 부산물과 폴리머의 탈착을 도와 식각 프로파일 개선에 영향을 줌을 확인하였다. 또한, 본 장비의 낮은 전자온도 둥의 특성으로 인하여 PR의 degradation 현상 등이 나타나지 않았다.

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