High aspect ratio etching of SiO₂ with HF/CHF₃, HF/CH₂F₂ and HF/C₂H₂F₄ gas at low temperature

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

High aspect ratio contact (HARC) etching for SiO2 was investigated at -20˚C using HF based plasma. While low temperature HF plasma etching enhances the SiO2 etch rate, it suffers from limitations in profile control and mask selectivity. In this study, we propose a modified chemistry combining HF with low global warming potential (Low-GWP) fluorocarbon gases—CH2F2 and C2H2F4. The addition of these gases significantly suppresses ACL erosion and enhances SiO2/ACL selectivity. Specifically, HF plasma alone exhibited a low selectivity of 0.88, which increased to 1.53 with CH2F2 and 26.6 with C2H2F4. These results indicate that fluorocarbon composition plays a critical role in etch selectivity. In addition, the etch profile analysis revealed that the top-to-bottom CD ratio reached 1.04 with C2H2F4 addition, indicating the formation of a highly anisotropic profile. The proposed HF + CXHYFZ plasma chemistry offers a promising pathway for achieving high performance etching with selective mask preservation, suitable for advanced 3D NAND fabrication.

국문 초록 (Abstract)

SiO2의 고종횡비 Contact (HARC, High Aspect Ratio Contact) 식각을 위해 −20 °C의 저온 조건에서 HF 기반 플라즈마를 이용한 식각 특성을 조사하였다. 저온 HF 플라즈마는 SiO2의 식각 속도를 향상시키는 장점이 있으나, 식각 profile 제어 및 마스크 선택성(selectivity) 측면에서는 한계가 존재한다. 본 연구에서는 HF에 지구온난화지수(GWP)가 높은 플루오로카본 계열인 CHF3와 GWP가 낮은 CH2F2 및 C2H2F4를 혼합하여 적용하는 방식을 제안하였다.
해당 가스의 첨가를 통해 생성된 CHF+ 이온으로 인하여 ACL(Amorphous Carbon Layer)의 식각이 효과적으로 억제되었고, SiO2/ACL 선택성이 향상됨을 확인하였다. HF/C2H2F4 플라즈마 환경에선 etch 상단과 하단의 비율이 1.04의 값으로 비등방성의 etch profile이 구현됨을 확인하였다. 또한 etch 후 배출되는 가스 분석을 통한 CO2 환산값이 HF/CHF3 대비 HF/CH2F2에서는 90% 감소하고, HF/C2H2F4에서는 45%가 감소됨을 확인하였다. 제안된 HF + CXHYFZ 조성의 플라즈마는 고성능 식각과 마스크 보호를 동시에 달성할 수 있는 효과적인 공정으로, 차세대 3D NAND 소자의 고종횡비 식각에 유용한 솔루션이 될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Need for Low-Temperature Etching 1
• 1.2. Statue of Low-Temperature Etching 3
• 1.3. Limitation of Low-Temperature Etching 4
• Chapter 2. Experiment 5
• 2.1. Experiment set-up 5
• Chapter 3. Results and Discussion 9
• 3.1. Etch Rate Characteristics of Individual Films with HF Plasma at Low Temperature 9
• 3.2. Plasma Radical Species Analysis in HF/CHF3, HF/CH2F2 and HF/C2H2F4 Plasma 14
• 3.3. Effect of CHF3, CH2F2 and C2H2F4 Gas Flow Rate on Etch Rate and Selectivity in HF-Based Plasma at Low Temperature 20
• 3.4. Surface Components Analysis of HF/CHF3, HF/CH2F2 and HF/C2H2F4 plasma on ACL layer 23
• 3.5. Etch Profiles of HF/CHF3, HF/CH2F2 and HF/C2H2F4 plasma according to temperature 27
• 3.6. Global Warming Effects by CO2 Equivalent of HF/CHF3, HF/CH2F2 and HF/C2H2F4 plasma 30
• Chapter 4. Conclusion 35
• References 37
• Korean Abstract 42