NF3/Ar ICP를 이용한 SiO2/PR의 선택적 식각

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

박형조,1 한윤봉2,*

1전북대학교 반도체과학기술학과, 2전북대학교 화학공학부

Selective Dry Etching of SiO2 over Photo-resist

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

using NF3/Ar Inductively Coupled Plasma

Hyung Jo Park1, Yoon Bong Hahn2*

1Department of Semiconductor Science and Technology,

2School of Chemical Engineering and Technology, Chonbuk National University

서론

최근 반도체 산업이 초고집적화 되면서 다양한 기술이 요구되고 있다. 회로 설계에 요구되는 최소 선폭과 소자 크기는 계속 감소하고 있으며, 이를 위해서는 극미세 패턴의 정확한 구현 및 이에 따른 손상과 오염을 최소화 시켜야 한다. 그 결과 낮은 압력에서 높은 플라즈마 밀도를 갖는 플라즈마 발생장치가 선호되고 있다.1 다양한 플라즈마 소스 중에 유도결합형 플라즈마 소스는 이온화율이 높고 이온의 에너지를 조절할 수 있는 특징을 지니고 있다.2 특히 식각 공정에서는 높은 식각 속도, 넓은 균일성, 이방성 식각 등의 특징을 보인다.3-4 그러나 박막의 식각 공정에서 일반적으로 이용되는 PR(Photo-resist)은 열적 불안정성으로 인하여 많은 문제점을 나타나고 있다. 이로 인하여 실리콘 산화막을 증착한 후 Hard 마스크로 사용하는 공정이 사용되고 있다. 이 방법에 의해 수행된 식각 단면은 PR 마스크에 비해 보다 수직이고 부드러우며 플라즈마에 노출되어 있는 식각 물질에 대한 손상을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.

본 연구에서는 평판형 유도결합 플라즈마를 사용하여 여러 가지 공정 변수들을 변화시키면서 각 공정 변수들이 실리콘 산화막의 식각속도, 식각 프로파일, PR의 변형 유무 등에 어떠한 영향을 미치는지 고찰하였다.

실험방법

본 실험에서 사용된 시료는 도핑되지 않은 실리콘(100) 기판 위에 플라즈마 화학증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 증착된 실리콘 산화막이다. 준비된 실리콘 산화막 위에 마스크 Aligner를 이용하여 PR(AZ6612)로 패턴 작업을 수행하였다. 실리콘 산화막의 Hard 마스크용 식각을 위해 사용된 장비는 Vacuum Science에서 제작된 평판형 유도결합 플라즈마 식각 장치(Planar type Inductively Coupled Plasma System)로서 그림1에 나타나 있다. 실험에 사용된 가스는 MFC를 통하여 NF3 15sccm, Ar 15sccm을 고정시켜 유입시켰고, ICP source power(13.56MHz)는 400에서 700W까지, RF chuck power(13.56MHz)는 50에서 100W까지 변화시켜 인가하였으며 반응기 압력은 20mtorr로 유지하였다. 식각 깊이는 □-step(Stylus profilometry measurements)을 이용하여 측정하였고 식각 프로파일과 PR 변형 유무는 SEM(Scanning Electron Microscope)을 통해 관찰하였다.

* Author for correspondence. Email: ybhahn@moak.chonbuk.ac.kr

결과 및 고찰

ICP source power에 대한 실리콘 산화막의 식각 속도 변화는  그림 2에 나타나 있다. RF chuck power는 50 W, 반응기 압력은 20 mtorr, 식각 기체 유량은 NF3 15 sccm/Ar 15 sccm로 일정하게 유지하고, ICP source power를 변경시키면서 식각 속도를 측정하였다. ICP source power가 증가함에 따라 식각 속도는 증가하다가 600 W에서 최대값을 나타내었고, 이 때의 식각 속도는 3950Å/min이었다. 이는 ICP source power가 증가하면서 ion의 밀도가 증가하여 많은 ion들이 식각에 참여함에 따라 식각 속도가 증가함을 알 수 있었다. 그러나 600W 이상에서는 과도한 ion flux로 인하여 PR 마스크가 손상되면서 마스크 역할을 하지 못한 것으로 보인다.

그림 3은 RF chuck power에 따른 식각 속도를 나타낸 것이다. RF chuck power가 증가함에 따라 식각 속도가 증가하는 경향을 보이고 있다. ICP source power, 압력, 기체유량은 각각 500 W, 20 mtorr, NF3 15 sccm/Ar 15sccm으로 일정하게 유지하면서 RF chuck power를 25 W에서 100 W까지 변화시키면서 실험한 후 식각 속도를 측정하였다. 일반적으로 RF chuck power을 변경하면서 ion 에너지를 조절하게 되는데, RF chuck power가 증가함에 따라 높은 에너지를 가진 ion들이 표면에 충돌하면서 SiO2의 결합을 쉽게 깨뜨릴 뿐만 아니라 스퍼터링 효과에 의해 식각 생성물의 흡착을 방지하고 탈착을 유도하여 식각 속도를 증가시키는 것이다. RF chuck power가 100 W일 경우에 가장 높은 식각 속도를 보였고 이 때의 식각 속도는 3800Å/min이었다. 그러나 RF chuck power가 75W 이상에서는 ion의 지나친 충돌 에너지로 인하여 마스크와 식각 물질간의 선택비가 매우 낮았고 식각 프로파일도 좋지 못하였다.

그림 4 (a)와 (b)는 식각 단면의 SEM 이미지이다. 그림 4 (a)는 ICP source power 600W, RF chuck power 50W인 조건에서 식각 결과를, 그림 4 (b)는 ICP source power 700W, RF chuck power가 50W인 조건에서 식각한 결과를 나타낸다. ICP 공급전력이 600 W인 경우는 PR 마스크의 변형이 현저하게 적고 식각 프로파일도 양호하지만, 700 W인 경우는 마스크의 변형이 심하고 식각 프로파일도 좋지 않음을 알 수 있다.

결론

본 연구에선 NF3/Ar 유도결합 고밀도 플라즈마를 이용하여 식각시 주요 변수인 ICP source power와 RF chuck power에 따른 SiO2의 식각 속도, 식각 프로파일, PR 변형 유무 등에 관한 실험을 실시하였다. ICP source power 600 W에서 최대 식각 속도(3800Å/min)를 얻을 수 있었고, RF chuck power가 증가함에 따라 식각 속도는 증가하였다. ICP source power는 600 W와 RF chuck power 50 W에서 가장 높은 식각 속도를 얻을 수 있었을 뿐만 아니라, PR도 변형이 생기지 않아서 가장 좋은 식각 프로파일을 얻을 수 있었다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

참고문헌

1) V. Malyshev, V. M. Donnelly, A. Kornblit, N. A. Ciampa, J. I. Colonell and J. T.    C. Lee, □Langmuir probe studies of a transformer-coupled plasma, aluminum etcher" J. Vac. Sci. Technol., A, 17(2), 480-490, (1999)

2) Beom-hoan, Se-Geun Park, Sang-Ho Rha, Jae-Seong Jeong, "Improved etching      characteristics of silicon-dioxide by enhanced inductively coupled plasma" Suf. Coat. Technol., 133-134, 589-592, (2000)

3) J. J. Wang, E. S. Lamvers, S. J. Pearton, M. Ostling, C. M. Zetterling, J. M.       Grow and F. Ren, "High rate etching of SiC and SiCN in NF3 inductively         coupled plasma" Solid-State Electron., 42, 743, (1998)

4) J. Hong, R. J. Shul, L. Zhang, L. F. Lester, H. Cho, Y. B. Hahn, D. C. Hays, K.    B. Jung, S. J. Pearton, C. M. Zetterling, M. Ostling, "Plasma chemistries for high    density plsama etching of SiC" J. Elec. Mater., 28, 196, (1999)

그림 1. Schematic illustration of a planar type

ICP system

그림 2. Effect of ICP source power

on the etch rate of SiO2

그림 3. Effect of RF chuck power

on the etch rate of SiO2

그림 4 SEM images of etched SiO2 over Photo-resist

(a) ICP source power : 600W, RF chuck power : 50W (left)

(b) ICP source power : 700W, RF chuck power : 50W (right)