이중 주파수 축전 결합 플라즈마에서 가스 잔류시간에 의한 식각률 변화연구

Abstract

본 논문에서는 축전 결합 플라즈마에서 가스의 잔류시간이 etch rate (ER)에 미치는 영향에 관해 연구하였다. 가스의 정체시간을 변화시키기 위해 동일 압력을 유지하고 인가한 공정 가스의 총 유량을 변경하며 ER의 변화를 관찰하였다. 직경 300 mm SiO2 웨이퍼를 사용하여 Etch 전 후의 SiO2 변화량을 통해 가스 정체시간이 ER과 어떤 상관 관계를 갖는지 확인하였다. 최근 반도체 제조 공정 중 high aspect ratio contact (HARC) 공정의 기술 난제로는 하드 마스크의 선택비와 aspect ratio dependent etching (ARDE)가 있다. 수 마이크로 미터 깊이를 식각하는 동안 하드 마스크가 소모되지 않아야 HARC profile을 원하는 모양대로 구현할 수 있다. ARDE는 종횡비가 높아진 feature들을 식각 하면서 contact에 입사하는 ion과 neutral 그리고 radical들이 제한되는 현상이 발생하고, 이때 ER이 급격하게 감소하는 loading effect를 유발한다. 이를 극복하기 위해 ion flux를 증가시키기 위한 기술 개발들이 진행되고 있다.

Dielectric 물질을 식각 할 때 사용되는 fluorocarbon (CxFy) plasma에서 선택비를 제어 하는 다양한 공정 기술 중유량을 제어하여 플라즈마 밀도와 웨이퍼 표면의 화학적 반응을 변화 할 수 있는 방법을 주로 사용한다. 본연구는 최신 반도체 공정에 사용하고 있는 높은 전력 약 30kW 대역에서 가스의 잔류 시간이 ER에 미치는 영향을 해석하였다.

동일 압력을 유지하며 총 유량을 증가시켜 가스 정체 시간이 감소하였을 때 ER은 8% 증가하였고, 유량을 감소하여 정체 시간이 길어 졌을 때 ER은 23.6% 감소 하였다. 가스의 정체 시간이 짧아 지면서 ER은 증가하였고 잔류시간이 증가하였을 때는 ER이 감소한다는 결과를 확인 하였다. 하지만 실제 ER의 분포에는 변화가 없었고 0 – 150mm 모두 동일한 mean value 만큼 shift 된 결과가 확인 되었다. 가스의 정체시간이 fluorocarbon plasma의 SiO2 식각 환경에서 ER의 변화에 영향을 미치기 때문에 공정 변수로서 고려되어야 하고 선택비와 ER을 조절할 수 있음을 알 수 있었다.| In this thesis, the effect of residence time verses etch rate in CCP plasma was studied. Pressure was fixed while only the total flow was changed. Etch rate was measured on bulk SiO2 wafer in different total flow condition to understand how residence time have impact on SiO2 ER.

CCP is widely used in dielectric etch process. With the emerging of 3D NAND industry and technology HARC (High aspect ratio contact) process is becoming critical and challenging. Dielectric film requires high energy to break the bonds which CCP could deliver high ion flux for ion bombardment on target features.

Challenges of HARC process are with the increasing aspect ratio, at a certain depth there are regime where either ion or neutral becomes limited. It is called ARDE (Aspect ratio dependent etching) effect and result is dramatic drop of etch rate. Mask selectivity is also becoming challenging due to higher aspect ratio. In this research study on residence time was conducted under the condition of high RF bias power near 30kW regime.

Pressure was fixed while total flow was controlled without changing FC ratio. SiO2 bulk wafer was used and measured before and after etch process to calculate the ER change. ER increased by 8% in case of total flow increase (Shorter residence time) and ER dropped by 23.6% when residence time increased by decreasing the total flow.

In CCP reactor gas residence time in fluorocarbon plasma does change the SiO2 etch rate which need to be considered as critical etch process parameter that could control the selectivity and etch rate. But residence time change did not change the ER uniformity while only shifted the mean ER per min when residence time changed.