반도체 배선용 TiN 및 W 박막의 플라즈마 건식 식각 기구 연구 = Study of Plasma Dry Etching Mechanism for TiN and W Thin Films Used in Semiconductor interconnections

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 차세대 반도체 소자의 미세화 및 고집적화에 따라 요구되는 고종 횡비(high aspect ratio) 구조체의 정밀 식각 기술 확보를 목표로, TiN 및 W 박막에 대한 플라즈마 건식 식각 특성을 평가하고, HZO(Hf₀.₅Zr0.5O2) 강유전체 박막 대비 선택적 식각 공정을 확립하고자 하였다. 식각 실험은 Capacitive Coupled Plasma–Reactive Ion Etching(CCP-RIE)과 Plasma-Enhanced Atomic Layer Etching(PEALE) 공정을 병행하여 수행하였다. RIE 공정에서는 Ar/CF4/O2/H2 가스를 이용하여 공정 압력, RF 파워, 가스 조성 변화에 따른 식각 속도 및 선택비를 평가하였으며, Ar:CF₄ = 7:3, RF 파워 70 W, 공정 압 력 120 mTorr 조건에서 TiN/HZO 및 W/HZO에 대해 각각 142 및 332의 고선택비를 달성하였다. O₂ 가스 6% 첨가 시 F 라디칼 밀도가 최대가 되어, TiN 및 W 박막의 식각 속도가 증가하는 경향을 관찰하였다. PEALE 공정에서는 C4F₈ 가스를 기반으로 adsorption, purge, desorption, purge의 4단계 사이클을 구성하였으며, RGA 분석을 통해 최적 purge 시간을 120초로 설정 하였다. Desorption time 및 DC 바이어스 전압 변화에 따른 EPC(Etch per Cycle)를 측정한 결과, W와 TiN 박막 모두 self-limiting 거동을 보였으며, 특히 W는 50–70 V 구간에서 안정적인 EPC(0.55 nm/cycle)를 나타내는 ALE window를 확보하였다. 또한, XPS 분석을 통해 식각 전후 박막의 표면 화학 조성을 분석하였다. W 박막 에서는 산화물 피크가 감소하고 금속성 결합이 증가하였으며, C 1s 피크에서는 C– F, C–F₂, C–F₃ 결합이 형성되었다. HZO는 플루오린화 표면층이 형성되었으나, 저 에너지 Ar 이온에 의해 식각되지 않아 공정 조건에서 손상이 억제되는 특성을 보였 다. 본 연구를 통해 RIE와 ALE를 활용한 TiN 및 W 박막의 고선택비 저손상 식각 조 건을 확보하였으며, 이는 차세대 FeRAM 소자 구조에서 HZO 유전체를 안정적으로 보호할 수 있는 유망한 식각 공정으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 국문 요약 Ⅴ
• 제 1장 서론 1
• 제 2장 이론적 배경 5
• 2.1. 반도체 배선 및 전극 재료 특성 5
• 2.1.1. TiN 및 W 박막의 특성 5
• 2.1.2. HZO 박막의 특성 6
• 2.2. 식각 기술 8
• 2.2.1. 물리적 식각(Physical Etching) 8
• 2.2.2. 플라즈마 식각(Plasma Etching) 8
• 2.2.3. 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE) 9
• 2.2.4. 원자층 식각(Atomic Layer Etching, ALE) 9
• 제 3장 실험 방법 11
• 3.1. 실험설계 11
• 3.1.1. TiN, W, 및 HZO 박막 샘플 제작 11
• 3.1.2. CCP-RIE 공정 11
• 3.1.3. PEALE 공정 13
• 3.2. 결과 분석 방법 15
• 3.2.1. Spectroscopic Ellipsometer (SE) 15
• 3.2.2. Optical Emission Spectroscopy (OES) 15
• 3.2.3. Langmuir Probe 16
• 3.2.4. RGA (Residual Gas Analyzer) 16
• 3.2.5. XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 17
• 제 4장 결과 및 고찰 18
• 4.1. Reactive Ion Etching 18
• 4.1.1. RF Power에 따른 식각 속도 및 선택비 측정 18
• 4.1.2. 공정압력에 따른 식각 속도 및 선택비 측정 20
• 4.1.3. CF4/Ar에 따른 식각 속도 및 선택비 측정 22
• 4.1.4. O2에 따른 식각 속도 및 선택비 측정 24
• 4.1.5. OES분석 26
• 4.1.6. H2에 따른 식각 속도 및 선택비 측정 28
• 4.1.7. XPS 분석 30
• 4.2. Atomic Layer Etching 35
• 4.2.1. RGA 분석 35
• 4.2.2. Desorptiontime에 따른 EPC 측정 36
• 4.2.3. Desorption step에서의 DC bias에 따른 EPC 측정 37
• 4.2.4. XPS 분석 39
• 제 5장 결론 44
• 참고문헌 45
• Abstract 50