Enhanced Inherent Selectivity of Area Selective Atomic Layer Deposited SiO2 by Oxygen Source Control

Abstract

With the development of semiconductor manufacturing technology and the scaling of devices, the entire process steps of photolithography, which is a conventional top-down patterning method, are increasing, and yield is decreasing due to edge placement error (EPE). As an alternative, area selective atomic layer deposition (AS-ALD), a bottom-up patterning method, has confirmed selectivity between patterned substrates mainly through self-assembled monolayer (SAM). But SAM-based AS-ALD has low throughput and many limitations in its use in high aspect ratio structures. Therefore, a method of increasing inherent selectivity by using only the surface characteristics of a thin film without using SAM was studied in this thesis.

A method of increasing selectivity using the atomic layer deposition (ALD) where the injection of the oxidizing agent was controlled was studied. The precursor used Di-isopropylamino Silane (DIPAS), which exhibits selective adsorption behavior between SiO2 and Si3N4 substrates through density functional theory calculation, and ozone was used as a reactant. It was confirmed that inherent selectivity between SiO2 and Si3N4, SiO2 and Si substrate was improved by reducing the pulse time or concentration of ozone. Although the pulse time or concentration of O3 was quite reduced for higher inherent selectivity, ALD SiO2 thickness grown on the growth area did not change significantly. It is because most reactive sites react early in the reactant pulse of ALD on the growth area, and additional long pulse time is required to react to all remaining reactive sites. During the corresponding time, oxidation occurs on the non-growth area, reducing selectivity occurs.

Also, it was confirmed that the physical, chemical, and electrical characteristics of ALD SiO2 thin film deposited under process conditions of controlling injection of the oxidizing agent were sufficiently competitive. If the above process is used, it is expected that selectivity of various preceding literatures conducted AS-ALD can be further increased. |반도체 제조 기술의 발전과 소자의 스케일링이 진행됨에 따라 기존 하향식 패터닝 방식인 포토 리소그래피의 경우 전체 공정 단계가 증가하고 있으며, 엣지 배치 오류(edge placement error: EPE)로 인해 수율이 감소하고있는 실정이다. 이에 대한 대안으로서 주목받고 있는 상향식 패터닝 방식인 영역 선택적 원자층 증착(area selective atomic layer depositon: AS-ALD)은 주로 자기조립단분자막(self-assembled monolayer: SAM)을 통해 패턴된 기판 간 선택비를 확보하였으나, SAM 기반의 ASD는 생산성이 좋지 않고 고 종횡비 구조에서의 사용에 많은 제약이 있다는 한계가 있다. 때문에 본 연구에서는 SAM을 사용하지 않고 박막 고유의 표면 특성만을 이용해 선택비를 높일 수 있는 방법에 대해 연구하였다. 산화제의 주입을 조절한 원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD)을 활용하여 박막의 교유 선택비를 높일 수 있는 방법을 연구하였다. 영역 선택적 증착을 진행함에 있어, 전구체는 밀도범함수 이론 계산을 통해 SiO2 기판과 Si3N4 기판 사이에서 선택적 흡착 거동을 보인다는 선행 문헌이 존재하는 Di-isopropylamino Silane (DIPAS)를 이용하였으며, 반응제로는 오존을 사용하였다. 포화 조건에서 반응제인 오존의 주입 시간 및 농도를 줄임에 따라 Si3N4 기판 및 Si 기판에서의 선택비가 증가하는 것을 확인하였다. 높은 선택비를 위해 반응제의 주입 시간 및 농도를 상당히 낮추었음에도 불구하고, 성장 영역 위에서 박막의 성장률은 크게 변하지 않았다. 이는 성장 영역 위에서 ALD의 전구체, 반응제 주입 초기에 대부분의 반응성 사이트들이 반응하고, 추가적으로 남아있는 반응성 사이트들을 모두 반응시키기 위해서는 긴 시간이 요구되기 때문이다. 해당 시간동안 비 성장 영역 위에서는 산화가 발생하여 선택비가 감소하게 된다. 또한 산화제의 주입을 조절한 조건에서 증착된 SiO2 박막의 물리적, 화학적, 전기적인 특성이 충분히 경쟁력을 가지는 것을 확인하였다. 위 공정을 사용한다면 AS-ALD를 진행한 다양한 선행 문헌들의 선택비를 더욱 극대화 할 수 있을 것으로 기대된다