3차원 소자 집적를 위한 SiO2 및 SiON 원격 플라즈마 원자층 증착공정

Abstract

원자층 증착(ALD) 공정은 박막 증착 공정 중 한 방법으로써 높은 균일도, 물리적 밀도와 낮은 결함을 가지는 우수한 박막을 증착할 수 있는 공정이다. 현재 ALD로 증착하는 대표적인 박막으로는 SiO2와 Si3N4가 있다. 현재 SiO2와 Si3N4는 게이트 스페이서, 더블 패터닝 공정과 같은 나노스케일 디바이스를 위한 어플리케이션에 사용되고 있다. 그러나 위 응용 분야에서는 현재 높은 공정 온도로 인한 박막 손상 및 이에 따른 성능 저하 문제가 대두되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 공정으로 현재 플라즈마 증착 공정(PEALD)이 제시되고 있다. PEALD는 일반적인 반응물 대신 플라즈마를 사용하며, 플라즈마의 높은 반응성으로 인해 저온에서도 정상적인 박막 증착이 가능하다. 그러나, 현재 PEALD에서 사용하는 직접 플라즈마의 경우 플라즈마 데미지를 유발하여 박막 손상 문제를 야기하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 원격 플라즈마를 사용한 플라즈마 공정(RPEALD)이 제시되고 있다. RPEALD의 경우, 플라즈마가 샘플이 증착되는 공정 챔버 외 다른 공간에서 발생하여 챔버 내로 유입되기 때문에 이러한 플라즈마 데미지를 최소화 할 수 있다. 또한 직접 플라즈마의 경우 방향성이 존재하여 박막 증착시 모든 방향에 균일하게 증착되지 못하여 현재 사용되는 3D 구조의 전자 디바이스에 사용할 수 없다. 반면 RPEALD의 경우 방향성이 없어 이러한 3D 구조에 적용이 가능하므로, 현재 RPEALD는 차세대 박막 공정으로서 각광받고 있다. 이번 연구에서는 RPEALD SiO2, Si3N4 공정을 통해 박막을 증착하고 해당 공정에서의 요인을 비교하기 위한 실험을 진행하였다. 특히, O2, H2O, N2, NH3 네 가지의 원격 플라즈마를 사용하여 플라즈 종류 및 플라즈마 내 H의 영향에 대해서 확인을 주로 진행하였다. Si 전구체로는 디이소프로필아미노 실란(DIPAS)를 사용하였으며, 박막 내 N의 함량 변화를 확인할 수 있도록 Si3N4 대신 SiON을 SiO2와 함께 타겟 물질로 정하였다. 물리적, 화학적 특성 측정을 위해서 분광엘립소미터, X선 반사율법, X선 광전자 분광법 측정을 진행하였다. 또한 전기적 특성 측정을 위해 정전용량-전압 곡선과 전류-전압 곡선을 확인하였다. 모든 측정 결과를 통해, 플라즈마 내 H가 박막 증착 공정과 박막 특성에 있어서 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. SiO2 공정에서, 플라즈마 내 H는 공정 증착률과 박막의 물리적 밀도를 향상시켰고 표면 성질 개선시켰다. 반면 Si3N4 공정에서는 증착률이 오히려 감소하였다. 대신 증착률 외 특성들(박막의 밀도, 박막 내 N 함량, 표면 성질, 불순물 함량)을 긍정적인 방향으로 개선하는 것을 확인하였다.; Atomic layer deposition(ALD) is process that deposits thin film with atomic scale precision. Thin film deposited by ALD has good properties like high uniformity, physical density and low defects. The representing thin film that typically deposited by ALD is silicon dioxide(SiO2) and silicon nitride(Si3N4). Nowadays, these thin films are used for applications about nano-scale electronic devices like gate spacer and double pattering(DP) process. However, gate spacer and DP process currently have problem about high process temperature that make impossible to use these applications. To solve this problem, plasma enhance ALD(PEALD) process was introduced. PEALD process uses plasma for reactants, and can deposit thin film at low temperature. However, direct plasma which is used for PEALD process causes plasma damages to deposited films. Remote plasma enhanced ALD(RPEALD) is introduced for solving this problems. In RPEALD process, plasma is generated far site of chamber, so plasma damage can be minimized. Furthermore, direct plasma process cannot be used for 3D-structure devices because of its directionally. On the other hands, RPEALD process can be used for these state-of-the-art devices. For this reason, importance of remote plasma enhanced ALD(RPEALD) has been increased continuously. In this study, RPEALD process for depositing SiO2 and SiON thin film was done to confirm the factors that influence to RPEALD process and its thin film. Especially, 4 kinds of plasma(O2, H2O, N2 and NH3 plasma) were used for identify influence of hydrogen plasma species. Diisopropylaminosilane(DIPAS) was used for Si precursor. SiON was selected for target material instead of Si3N4, for measuring change of N concentration in thin film. For characterization, physical and properties were measured by SE(Spectroscopy ellipsometery), X-ray reflectometry(XRR), and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS). Electrical properties were identified by capacitance-voltage(C-V) curve and current-voltage(I-V) curve results. From these results, the positive effects of hydrogen plasma species was confirmed. In SiO2 process, hydrogen plasma species improved physical density, growth rate, and interface properties. In SiON process, on the other hands, growth rate was decreased by hydrogen plasma species. However, concentration of N, physical density were increased and interfacial properties were improved.