Cl2/Ar과 C2F6/Ar 가스를 사용한 Polysilicon 박막의 고밀도 플라즈마 식각

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

변요한, 김혜인, 정지원

인하대학교 화학공학부

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

High Density Plasma Etching of Polysilicon Thin Film in Cl2/Ar and C2F6/Ar Gases

Yo Han Byun, Hye In kim and Chee Won Chung

School of Chemical Engineering, Inha University

서론

Ultra Large Scale Integration (ULSI) 집적회로의 발전에 따라서 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정은 그 중요성이 증대되고 있다. 특히 집적회로의 박막의 두께와 선폭이 감소되고 소자의 구조가 복잡해지면서 플라즈마로 인하여 발생되는 표면의 손상정도, 이방성 식각, 선택적 식각, 선폭의 제어, 균일성 등이 점점 더 엄격히 요구되고 있다. 그러나 기존의 플라즈마 장비로서는 높은 동작 압력과 낮은 이온화율로 인하여 초고집적 소자의 제작에 필요한 미세 패턴을 식각하는데 어려움을 겪고 있다. 이러한 이유로 동작 압력이 기존의 식각 플라즈마보다 낮으며 이온화율도 높은 고밀도 플라즈마를 사용하여 고집접화된 반도체 공정의 요구 사항에 부합하고자 하는 연구가 진행되고 있다[1-4].

고밀도 플라즈마를 발생하는 대표적인 식각 장치로는 Electron Cyclotron Resonance Reactive Ion Etching (ECR RIE), Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching (ICP RIE) 등이 있는데, ICP RIE를 사용하여 건식 식각을 행할 때 주요 식각 변수로는 식각 가스의 종류, 선택된 식각 가스의 농도, 식각 가스의 flow rate, gas pressure, coil-RF power, dc-bias 등이 있다[5-6].

본 연구에서는 Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (MOS FET)의 gate 물질로서 사용되어지는 polysilicon과 SiO2 박막을 고밀도 플라즈마를 이용하는 ICP RIE를 사용하여 Cl2/Ar과 C2F6/Ar의 농도에 따라 건식 식각하고, 그에 따른 식각 속도, 식각 선택도, 식각 profile 등에 대한 영향을 조사하여 최적의 식각 가스와 식각 조건을 찾고자 하였다.

실험

본 연구에서는 polysilicon 박막과 SiO2 박막을 식각하는 방법으로 저압 하에서 ICP RIE를 사용하여 실험하였다. ICP RIE 시스템은 크게 load lock chamber, process chamber와 substrate susceptor로 구성되어 있으며 장치의 구조를 그림 1에 도시하였다.

기판은 chiller에 의하여 냉각되어진 He 가스를 매개체로 하여 냉각되며 substrate susceptor에 밀착되어진다. 유도 결합 플라즈마 생성을 위하여 반응 챔버 주위에 감겨진 코일은 13.56MHz RF power supply에 연결되어 있으며 이에 의해 high density plasma가 유도된다. Self bias voltage는 또 하나의 13.56MHz의 RF power 가 연결되어 유도되고 독립적으로 ion energy를 조절한다.

본 실험에서의 공정변수로는 식각 가스의 종류, 선택된 식각 가스의 농도, 식각 가스의 flow rate, gas pressure, coil-RF power, dc-bias 등이 있다. 실험에 사용되어진 샘플은 SiO2가 두께 2000Å으로 입혀진 Si 기판 위에 polysilicon을 두께 2000Å으로 증착하고, 증착된 polysilicon 박막은 감광제(Photoresist)를 마스크로 사용하였으며 감광제는 1.2□의 두께로 도포되어 lithography 공정을 이용하여 패터닝되었다. 본 연구에서는 polysilicon과 SiO2 박막의 건식 식각 시, 염소계 가스로서 Cl2/Ar과  불소계 가스로서 C2F6/Ar을 선택하여 사용하였고 식각 조건은 가스 flow rate을 30sccm으로 하고 600W의 coil-RF power, 200V의 dc-bias, 5mTorr의 gas pressure로 고정한 후 가스 농도에 따른 식각 특성이 조사되었다. 가스 농도의 변화에 따른 식각 속도와 식각 선택도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 Si 기판위에 두께 2000Å으로 SiO2를 증착하고 동일한 식각 조건에서 각각 식각하였다.

식각 속도와 식각 선택도는 nanospec을 이용하여 식각 전후 박막의 두께를 측정함으로써  평가되었으며,  식각  profile은 field  emission  scanning  electron  microscopy

(FESEM)을 사용하여 관찰되었다.

그림 1. Schematic diagram of the ICP RIE.

결과 및 토론

그림 2에는 Cl2/Ar의 농도변화에 따른 polysilicon과 SiO2 박막의 식각 속도와 SiO2에 대한 polysilicon의 선택도를 나타내었다.

그림 2. Etch rate of polysilicon, SiO2 and etch selectivity of polysilicon to SiO2 as a            function of etch gas concentration; total gas flow rate: 30sccm; coil-RF                 power: 600W; dc-bias voltage: 200V; and gas pressure: 5mTorr.

그림 2로부터 polysilicon 박막의 식각 속도는 Cl2의 농도가 증가함에 따라서 크게 증가하는 것이 관찰된다. Polysilicon 박막의 식각 속도가 Cl2 농도의 증가에 따라 큰폭으로 증가하는 것은 식각 메커니즘이 화학반응에 의존하고 있음을 나타낸다. 반면에 SiO2의 식각 속도는 Cl2의 농도에 크게 영향을 받고  있지 않는데 이것은 SiO2 박막의 식각 메커니즘이 polysilicon의 경우보다 화학반응에의 의존성이 적다는 것을 나타낸다. 식각 가스로 Cl2/Ar을 사용할 경우 SiO2에 대한 polysilicon의 식각 선택도는 3~5로 비교적 큰 값을 나타내었다.

식각 가스로 C2F6/Ar을 사용하여 polysilicon과 SiO2 박막을 식각한 경우의 식각 속도와 식각 선택도가 그림 3에 보여진다. C2F6/Ar을 사용한 polysilicon 박막의 식각은 Cl2/Ar을 사용한 식각과 비교하여 현저하게 낮은 식각 속도를 보여준다. 그러나 SiO2 박막의 식각 속도는 Cl2/Ar의 경우와 비교하여 2배 이상 빠른 식각 속도를 나타낸다. Polysilicon과 SiO2 박막의 식각 속도는 C2F6의 농도가 40%일 때 가장 빠른 식각 속도를 보여주고 그 이상의 농도에서는 속도가 약간 늦춰지고 있다. 이것은 C2F6의 농도가 40%일 때까지는 주로 화학반응에 의하여 polysilicon과 SiO2 박막의 식각이 이루어지고 그 이상의 농도에서는 이러한 현상이 감소되는 것으로 생각된다. 즉, 식각 시에 polysilicon과 SiO2 박막 표면에서 Ar 가스에 의한 sputtering 효과를 반응성 가스가 방해하기 때문에 반응성 가스의 농도가 증가할수록 식각 속도는 감소하게 된다. SiO2에 대한 polysilicon의 식각 선택도는 0.7~0.9 사이의 값을 나타내고 있다.

그림 3. Etch rate of polysilicon, SiO2 and etch selectivity of polysilicon to SiO2 as a            function of etch gas concentration; total gas flow rate: 30sccm; coil-RF                 power: 600W; dc-bias voltage: 200V; and gas pressure: 5mTorr.

그림 4와 5는 polysilicon 박막을 Cl2/Ar과 C2F6/Ar을 사용하여 건식 식각한 패턴의 FESEM 사진을 보여주고 있다. 그림 4는 40%Cl2/60%Ar 가스 사용 시 패턴의 측면에 식각 부산물이 증착되어 있음을 관찰 할 수 있으며 식각 경사도는 80°이상으로 높게 나타나는 것을 알 수 있다.

40%C2F6/60%Ar 가스를 사용하여 건식 식각 한 그림 5는 패턴에 식각 부산물이 생성되지 않고 있음을 보여주며 식각 경사도 역시 80°이상으로 높게 나타났다. 그러나 C2F6/Ar 가스 사용 시 polysilicon 박막의 식각 속도가 Cl2/Ar 가스에 비하여 크게 저하되고 SiO2에 대한 polysilicon의 식각 선택도가 1보다 작은 문제점을 가지고 있다.

그림 4. FESEM photograph of polysilicon film etched by 40%Cl2/60%Ar.

그림 5. FESEM photograph of polysilicon film etched by 40%C2F6/60%Ar.

결론

Polysilicon 박막의 식각 메커니즘은 사용하는 식각 가스의 종류에 따라 다르게 나타났다. Cl2/Ar 가스를 사용한 경우에는 Cl2의 농도가 증가함에 따라 식각 속도가 빠르게 증가하는 것으로 보아 화학반응이 주요한 식각 메커니즘으로 판단되어 지며, C2F6/Ar 가스는 C2F6의 농도가 40%일 때까지 식각 속도가 증가하고 농도가 더 증가함에 따라서 식각속도는 약간 감소하는데 이것은 C2F6의 농도가 40%까지는 화학반응에 의하여 식각이 진행되나 그 후부터는 이러한 효과가 감소하는 것으로 이해된다.

Cl2/Ar 가스의 경우는 빠른 식각 속도와 SiO2에 대하여 높은 식각 선택도를 보여주고 있지만 패턴 측면에 식각 부산물이 얇게 증착되어 지며, C2F6/Ar 가스는 식각 속도가 늦고 SiO2에 대하여 1이하는 낮은 식각 선택도를 나타내지만 깨끗한 식각 profile을 얻을 수 있었다. 식각 경사도는 Cl2/Ar 가스와 C2F6/Ar 가스 사용시에 모두 80°이상으로 높게 나타났다.

감사

This research was funded by Center for Ultramicrochemical Process Systems sponsored by KOSEF.

참고문헌

1. Rieger, M. M., Flake, J. C. and Kohl, P. A., J. Electrochem. Soc., 146, 4485(1999).

2. Tsutsumi Toshiyuki, Tomizawa Kazutaka, Ishii Kenichi, Kanemura Seigo, Maeda        Tatsuro and Suzuki Eiichi, J. Vac. Sci. Technol., B 17, 77(1999).

3. Desvoivres, L., Vallier, L. and Joubert, O., J. Vac. Sci. Technol., B 18, 156(2000).

4. Xu Songlin, Sun Zhiwen, Chen Arthur, Qian Xueyu and Podlesnik Dragan,            J. Vac. Sci. Technol., A 19, 871(2001).

5. Hedlund, C., Jonsson, L. B., Katardjiev, I. V., Berg, S. and Blom, H. O., J. Vac. Sci.     Technol., A 15, 686(1997).

6. Abdollahi-Alibeik Shahram, McVittie, James P. and Saraswat, Krishna C., J. Vac. Sci.     Technol., A 17, 2485(1999).

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

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