낮은 GWP를 갖는 대체가스를 통한 저온 식각 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

반도체의 성능 향상을 위한 미세화와 고집적화 연구가 가속화됨에 따라 DRAM 및 3D NAND 제조 공정에서 고종횡비(High aspect ratio contact) 식각을 통한 나노 스케일급의 미세 임계치수(Critical dimension(CD) 구현이 가능한 식각 기술의 요구되고 있다.(Kang 등, 2025; Lau, 2010; Ramm 등, 2010; Yoo 등, 2021) 특히 수백개 층의 3D stack 기술의 고도화됨에 따라 좁고 싶은 깊은 식각(deep etching)을 실현하기 위한 보쉬(Bosch), 극저온 식각(Cryogenic etching), 원자층 식각(Atomic layer etching(ALE)등의 기술이 연구 개발 되고 있다. 하지만, etch profile, etch rate, 장비 복잡성, 비용 등의 문제로 인한 한계가 존재한다.(Feng 등, 2022; Guo 등, 2022; Iwase 등, 2019; Kim, 2024; Lee 등, 2023; Tak 등, 2025) 이 중 상온에서 부동화층(passivation layer) 혹은 식각종(etchant)를 증착(deposition) 한 후 식각하는 것을 하나의 사이클로 진행하는 보쉬(bosch)와 ALE과 달리 하나의 사이클을 반복하며 식각하지 않아 공정 시간이 짧으며 소자의 미세화로 인해 발생한 부하 효과(loading effect)에 의한 식각 속도 저하 완화가 가능하다는 점과 하나의 사이클을 반복적으로 수행하는 bosch와 ALE의 경우 사이클당 주기적으로 흠을 만드는 scalloping 현상과 notching의 문제가 발생하는 반면, 반응성 이온 식각(Reactive ion etching(RIE)) 기반으로 하여 식각을 진행하는 동시에 저온을 통해 표면이 반응종의 흡착률이 높여 부동화(passivation)을 안정적으로 형성한다. 이를 통해 scalloping과 notching을 완화시켜 측벽의 우수한 수직적인 etch profile을 제공한다는 점에서 복잡한 마이크로 구조의 패턴을 정교하게 식각할 수 있는 가능성을 제공하였다. 또한, 높은 식각 속도를 통해 마이크로 구조의 패턴을 빠르게 식각할 수 있다는 점에서 저온 식각이 주목받고 있다.(Feng 등, 2022; Kim, 2024) 또한, 전 세계적 이목이 탄소중립에 집중된에 따라 이를 대응하기 위한 움직임이 본격화 되고 있다. 반도체 시장에서는 공정에서 발생하는 온실가스의 양을 줄여 지구온난화를 낮추기 위해 지구온난화지수(Global warming potential(GWP))이 낮은 가스를 활용하여 기존 공정에 사용되며 GWP가 높은 CF4(6,630), SF6(24,300)등의 가스를 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다.(Kihara 등, 2023; Tak 등, 2025)고종횡비 식각을 위해서는 부동화층(passivation layer)의 안정적 형성과 HF,F 등의 식각종의 공급량을 제어하는 것이 중요하며 이를 위해 GWP가 낮은 CxHyFz의 가스와 저온 공정에서 표면에 불순물이 남지 않아 주목받고 있는 PF3에 비해 F의 량이 많고 C를 포함하지 않아 GWP가 낮은 PF5를 통한 신규 가스와 저온 식각의 가능성을 평가했다. C/F 비율을 통해 조절함으로써 선택비, 식각률, etchprofile등을 제어해 식각 성능을 확보할 수 있다. 본 연구는 GWP가 높은 기존 기스를 대체하여 낮은 CxHyFz 유형의 가스를 통한 부동화층(passivation layer)과 CFx가 포함되지 않은 PF5 가스를 사용했으며, 고종횡비 식각 특성 구현이 가능한 저온 RIE 식각을 시행했다. 결합력이 강한 PF5의 분해율을 확보하기 위해 저온 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma(ICP))-RIE를 사용했으며 고종횡비를 실현시키고자 CFx rich CxHyFz가스의 경우 O2를 통해 제어했으며, PF5의 경우 C4F6등의 가스를 활용하여 식각 메커니즘을 분석했다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ⅰ
• 표 목 차 ⅴ
• 그림목차 ⅵ
• Ⅰ. 서 론 01
• 1. 연구 필요성 01
• Ⅱ. 이론적 배경 03
• 1. 플라즈마 (Plasma)· 03
• 1) 플라즈마 정의 03
• 2) 플라즈마 생성 원리 04
• 3) 플라즈마 발생 장치 06
• (1) DC(Direct Current) 06
• (2) RF (Radio Frequency) 08
• (3) CCP (Capacitively Coupled Plasma System) 08
• (4) ICP (Inductively Coupled Plasma System) 10
• 2. 식각 (Etching) 12
• 1) 습식 식각 12
• 2) 건식 식각 13
• (1) Sputter etching mechanism 13
• (2) Chemical etching mechanism 14
• (3) Ion enhanced etching mechanism 14
• (4) Ion enhanced inhibitor etching mechanism 14
• 3) Etch parameter 16
• 3. 저온-RIE(Reactive Ion Etching) 17
• Ⅲ. 연구 방법 18
• 1. 저온 ICP-RIE 메커니즘 18
• 2. 저온 ICP 시스템 20
• 3. 측정 및 분석 장비 23
• 1) OES(optical emission spectroscopy) 23
• 2) RGA(Residual Gas Analyzer) 25
• 3) Ellipsometer 27
• 4) Alpha-step 29
• 5) SEM(Scanning Electron Microscope) 31
• 6) XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 33
• Ⅳ. 연구 결과 35
• 1. C4H2F6 연구 결과 35
• 1) Temperature Dependence of Etch Rate 35
• 2) Etch Rate Dependence on O2 Flow Rate 37
• 3) O2 Flow Dependence of H and Selectivity 40
• 4) XPS Analysis as a Function of O2 Flow Rate 42
• 5) Process Gas Comparison of Pattern Samples 44
• 2. PF5 연구 결과 46
• 1) PF5+C4F6 46
• (1) Flow Ratio Etch Profile (PF5 +C4F6) 46
• (2) Flow Ratio Etch Rate (PF5 +C4F6) 48
• (3) OES Plasma Analysis (PF5 +C4F6) 50
• (4) Byproduct Analysis (PF5 +C4F6) 52
• (5) Bias Power Etch Profile(PF5 +C4F6) 54
• (6) Bias Power Etch Rate (PF5 +C4F6) 56
• 2) PF5+C4F8 58
• (1) Flow Ratio Etch Profile (PF5 +C4F8) 58
• (2) Flow Ratio Etch Rate(PF5 +C4F8) 60
• (3) OES Plasma Analysis (PF5 +C4F8) 62
• (4) Byproduct Analysis (PF5 +C4F8) 64
• (5) Bias Power Etch Profile (PF5 +C4F8) 66
• (6) Bias Power Etch Rate (PF5 +C4F8) 68
• V. 결 론 70
• 참 고 문 헌 71
• 영 문 초 록 75