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문제 정의
- 본 논문에서는 50매 이상의 웨이퍼를 한 번에 처리함으로써 생산성 측면에서 매우 효율적인 배치형 설비를 이용하여 실리콘 표면에 결함을 주지 않고 자연산화막을 제거할 수 있는 원거리 플라즈마(remote plasma) 장치에 의해 발생된 수소 라디칼(hydrogen radical)과 NFs 가스를 이용한 건식 세정 공정의 특성을 고찰하고자 하였다.
가설 설정
- (a)와 같이 contact profile에 손상을 주지만, 건식 세정의 경우는 각종 산화막에 대한 식각선택비가 비슷하므로 그림 4.(b)와 같이 contact profile에 거의 손상을 주지 않는다. 또한 다결정 실리콘 막질은 극성이 없으므로 식각시간에 따른 식각량은 약 10 A 정도로 거의 변화가 없는 것으로 나타남났다.
제안 방법
- Contact hole 바닥에 성장한 자연산화막을 효과적으로 제거하고 재산화를 억제하기 위해 수소 라디칼과 NFs 가스를 이용한 가스 건식 세정 공정 이불 산을 이용한 습식 세정 보다 효과적임을 표면분석, 화학분석, 그리고 물성분석을 통하여 확인 하였다. 또한 nano급 소자에서 contact 저항을 비교 평가한 결과에서도 건식 세정이 습식 세정의 경우보다 20~50% 개선되었다.
- 한 번에 50매 이상의 많은 웨이퍼를 처리하는 배치식 설비이므로 배치 내의 식각 산포를 개선하기 위하여 기본적으로 각 가스는 수 slm 정도로 다량 이용하였고, 수소 라디칼 발생 효율을 높이기 위해 마이크로웨이브 파워(μ-wave power) 는 3kW 정도로 높게 적용하였다. 각 막질에 대한식각 특성을 평가하기 위하여 준비된 시료는 열산 화 막(Thermal SiOz), BPSG, 저압 기상 증착 질화 막(LP-CVD Si3N4), 그리고 저압 기상 증착 다결정 실리콘(LP-CVD Poly-Si) 이었으며, 건식 식각의 반응 메카니즘올 이해하고 그 효과를 확인 하고자 AFM(Atomic Force Microscpy)을 이용한 표면 분석, ToF-SIMS (Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy) 와 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)# 이용한 화학분석, 그리고 TEM (Transmission Electron Microscopy)을 이용한 물성분석을 진행하였다. 최종적으로 전기적 특성을 확인하고자 nano급 반도체 소자에서 습식 세정과 건식 세정적용하여 그에 따른 계면 저항 특성을 확인하였다.
- 그림 9. 는이런 실험 결과로부터 기존의 NH3/N2 가스비가 0.5인 조건과 NHs 가스량을 줄임으로써 NH3/N2 가스비를 1.0로 만든, 두 가지 조건으로 열산 화 막 및 질화막에 대해 시각시간에 따른 식각량을 변화를 확인한 것이다. NH3 의 가스량을 감소시켜 NH3/N2 가스비가 1.
- 이에 따라 질화막의 식각 선택비를 개선하기 위한 방법으로 수소라디칼 효율을 증대 시켜 식각 가스 형성 효율을 증가시키고 열 산화막의 식각비 (etch rate)을 높여 상대적으로 질화막의식각비를 감소시키는 방법을 생각할 수 있다. 이를 위해 NH3 가스와 캐리어 가스 N2의 혼합 정도에 따른 열산화막의 식각 특성을 확인하였다. 그 결과, NH3 뿐 아니라 캐리어인 Nz 가스를 과도하게 적용할 경우에 식각비(etch rate)가 급격히 감소하였다.
- 각 막질에 대한식각 특성을 평가하기 위하여 준비된 시료는 열산 화 막(Thermal SiOz), BPSG, 저압 기상 증착 질화 막(LP-CVD Si3N4), 그리고 저압 기상 증착 다결정 실리콘(LP-CVD Poly-Si) 이었으며, 건식 식각의 반응 메카니즘올 이해하고 그 효과를 확인 하고자 AFM(Atomic Force Microscpy)을 이용한 표면 분석, ToF-SIMS (Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy) 와 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)# 이용한 화학분석, 그리고 TEM (Transmission Electron Microscopy)을 이용한 물성분석을 진행하였다. 최종적으로 전기적 특성을 확인하고자 nano급 반도체 소자에서 습식 세정과 건식 세정적용하여 그에 따른 계면 저항 특성을 확인하였다.
- 한 번에 50매 이상의 많은 웨이퍼를 처리하는 배치식 설비이므로 배치 내의 식각 산포를 개선하기 위하여 기본적으로 각 가스는 수 slm 정도로 다량 이용하였고, 수소 라디칼 발생 효율을 높이기 위해 마이크로웨이브 파워(μ-wave power) 는 3kW 정도로 높게 적용하였다. 각 막질에 대한식각 특성을 평가하기 위하여 준비된 시료는 열산 화 막(Thermal SiOz), BPSG, 저압 기상 증착 질화 막(LP-CVD Si3N4), 그리고 저압 기상 증착 다결정 실리콘(LP-CVD Poly-Si) 이었으며, 건식 식각의 반응 메카니즘올 이해하고 그 효과를 확인 하고자 AFM(Atomic Force Microscpy)을 이용한 표면 분석, ToF-SIMS (Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy) 와 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)# 이용한 화학분석, 그리고 TEM (Transmission Electron Microscopy)을 이용한 물성분석을 진행하였다.
대상 데이터
- 2는 자연산화막을 제거하기 위한 배 치식 건식 식각 장치의 개략도이다. 구성은 2.45GHz의 마이크로웨이브 (p-wave) 를 이용하여 수소라디칼 (hydrogen radical)올 발생시키는 원거리 플라즈마(remote plasma) 장치, 다량의 웨이퍼를 장착할 수 있는 수직형 반응실(vertical reactor)과 보트 (boat), 반응실에 NF3를 고르게 주입시킬 수 있는 NF3 가스 분사 노즐(nozzle), 수소 라디칼을 반응실의 상부와 하부에 고르게 분산시켜 반웅실 위치에 따른 식각 산포를 개선하기 위한 확산기 (diffuser)와 슬릿(slit), 그리고 반응실 웰(wall)에는 식각 과정에서 형성된 반응 부산물을 기화시키기 위한 열원으로 이용되는 텅스텐 할로겐 램프 모듈 등으로 구성되어 있다.
- 본 실험에 이용된 가스는 수소라디칼 형성을 위한 NH)와 그 캐리어 가스인 N2, 그리고 산화막 (Si02), 질화막(Si3NQ, 다결정 실리콘(Poly-Si)의 세 가지 막에 대해 유사한 식각 선택비를 갖는 NF3 이다. 한 번에 50매 이상의 많은 웨이퍼를 처리하는 배치식 설비이므로 배치 내의 식각 산포를 개선하기 위하여 기본적으로 각 가스는 수 slm 정도로 다량 이용하였고, 수소 라디칼 발생 효율을 높이기 위해 마이크로웨이브 파워(μ-wave power) 는 3kW 정도로 높게 적용하였다.
성능/효과
- 또한 그림. 7은 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 를 분석한 결과로써, 결합에너지 (binding energy) 102.5 eV에서 습식 세정의 경우에는 산화막이 존재하지만 건식 세정 이후에는 산화막이 존재하지 않는 것이 확인됨으로써, 습식 세정 보다 건식 세정의 산화막 제거력이 우수함을 알 수 있었다.
- 0로 만든, 두 가지 조건으로 열산 화 막 및 질화막에 대해 시각시간에 따른 식각량을 변화를 확인한 것이다. NH3 의 가스량을 감소시켜 NH3/N2 가스비가 1.0인 새로운 조건이 기존 조건인 0.5의 경우보다 식각시간에 따른 열 산화 막의 식각량 변화가 증가하는 것으로 나타났다. 반면, 질화막의 경우에는 두 가지 조건 변화에 따른 식각 특성 변화가 없는 것으로 나타나, 이 방법을 통하여 질화막의 선택비를 2배 정도 개선할 수 있는 가능성을 확인하였다.
- 이를 위해 NH3 가스와 캐리어 가스 N2의 혼합 정도에 따른 열산화막의 식각 특성을 확인하였다. 그 결과, NH3 뿐 아니라 캐리어인 Nz 가스를 과도하게 적용할 경우에 식각비(etch rate)가 급격히 감소하였다. 즉, 플라즈마가 방전되는 applicator quartz discharge tube에 과도한 가스량을 공급하게 되면, 플라즈마 방전을 일으키는 전자의 평균 자유 행정이 감소하여 전자 온도(Te)가 감소함으로써 종국에는 수소라디칼 형성이 방해 되어 식각 가스 발생 효율이 감소하는 것으로 생각된다.
- 또한 nano급 소자에서 contact 저항을 비교 평가한 결과에서도 건식 세정이 습식 세정의 경우보다 20~50% 개선되었다.
- (b)와 같이 contact profile에 거의 손상을 주지 않는다. 또한 다결정 실리콘 막질은 극성이 없으므로 식각시간에 따른 식각량은 약 10 A 정도로 거의 변화가 없는 것으로 나타남났다. 실리콘 표면에 성장한 자연 산화막 두께 정도만 식각 되는 것이다.
- 5의 경우보다 식각시간에 따른 열 산화 막의 식각량 변화가 증가하는 것으로 나타났다. 반면, 질화막의 경우에는 두 가지 조건 변화에 따른 식각 특성 변화가 없는 것으로 나타나, 이 방법을 통하여 질화막의 선택비를 2배 정도 개선할 수 있는 가능성을 확인하였다. 이렇게 새롭게 확보된 NWNz 가스비가 1.
- 배치식 설비에서 건식 세정 공정을 진행할 경우에 산화막 뿐 아니라 질화막도 또한 건식 세정 의식 각 시간 증가에 따라 식각량이 지속적으로 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 질화막을 구성하는 질소원 소(N)가 산화막을 구성하는 산소원소(O) 보다는 적기는 하지만 전기음성도를 갖고 있기 때문인 것으로 생각되며, NH3의 캐리어 가스인 N2의주입량을 줄이는 방식으로 산화막에 대한 식각량을 증가시키는 방법을 이용하여 질화막의 식각 선택비를 개선할 수 있었다.
- 6은 건식 및 불산(HF) 습식 세정 후의 표면의 화학 성분을 조사하기 위해 ToF-SIMS(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) 분석을 진행한 결과이다. 습식 보다는 건식 세정 후의 시료 표면에 F 량은 더 많고, SiO량은 더 적은 것으로 나타났다. 또한 그림.
- 는 nano급 소자를 이용하여 직형 Hot wall 장치에서 전극용 저압 기상 실리콘 증착 전세정으로 불산 습식 및 건식 세정에 따른 contact 저항을 비교 평가한 것이다. 습식 세정을 적용한 경우 보다 건식 세정을 적용한 경우에 contact 저항이 약 20~50% 정도 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 그림 11.
- 반면, 질화막의 경우에는 두 가지 조건 변화에 따른 식각 특성 변화가 없는 것으로 나타나, 이 방법을 통하여 질화막의 선택비를 2배 정도 개선할 수 있는 가능성을 확인하였다. 이렇게 새롭게 확보된 NWNz 가스비가 1.0조건으로 50배치에 걸쳐 웨이퍼 내 식각량 산포를 확인한 결과에서도 웨이퍼내 시각량 산포, 배치내 웨이퍼 간 식각량 산포, 그리고 배치간 식각량 산포 모도 5% 이내로 양호한 결과를 확인할 수 있었다.
- 은 이렇게 진행된 시료를 TEM 분석을 통하여 실리콘과 실리콘 계면의 자연 산화막으로 추정되는 이물질의 두께를 확인한 것이다. 전세정을 불산 습식 공정으로 적용한 경우에는 그림 10.(a)에 나타낸 바와 같이 계면의 자연 산화막 두께는 약 10A으로 나타났으나, 건식 공정의 경우에는 약 3A 이하로 나타나 재산화 억제에 있어 건식 세정이 습식 세정 보다 우수함을 확인할 수 있었다.
- 그 결과, NH3 뿐 아니라 캐리어인 Nz 가스를 과도하게 적용할 경우에 식각비(etch rate)가 급격히 감소하였다. 즉, 플라즈마가 방전되는 applicator quartz discharge tube에 과도한 가스량을 공급하게 되면, 플라즈마 방전을 일으키는 전자의 평균 자유 행정이 감소하여 전자 온도(Te)가 감소함으로써 종국에는 수소라디칼 형성이 방해 되어 식각 가스 발생 효율이 감소하는 것으로 생각된다. 그림 9.
- 이로부터 수소 라디칼과 NF3 가스를 이용하는 건식 세정에 의한 실리콘 손상 주지 않음을 알 수 있다. 질화 막(SiaNQ의경우는 산화막 보다 식각에 대한 선택비는 높지만 시각 시간에 따라 점차 지속적으로 식각량이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 표.
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