誘導結合 플라즈마를 利用한 TaN 薄膜의 乾式 蝕刻 特性 硏究

국문 초록 (Abstract)

디바이스의 속도를 높이고, 가격을 가능한 한 낮추며, 소비전력을 줄이기 위해서 메모리 셀의 크기를 계속해서 줄여왔다. 그러나 나노단위까지 줄어들게 되면, 터널링이나 낮은 전도도와 같은 문제점들이 예상되어진다. 또한, 폴리실리콘 전극은 게이트의 공핍과 높은 비저항과 같은 문제점들이 예상될 수 있다. 따라서 트랜지스터의 크기와 소비전력을 줄이기 위해서 트랜지스터의 절연층으로 사용되고 있는 SiO2 절연층을 HfO2나 ZrO2와 같은 고유전율의 물질들로 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다. 또한, 게이트 공핍과 비저항을 감소시키기 위해서 폴리실리콘 전극을 대체할 TaN과 TiN과 같은 물질들이 연구되고 있다.
알루미늄 배선보다 낮은 비저항과 스트레스에 대한 저항성 그리고 공정상의 비용을 절감할 수 있는 구리 배선이 활발히 연구되고 있다. 그러나 구리는 다른 물질과의 경계에서 확산에 의해 다른 물질로 쉽게 침투하는 특성을 가진다. 이 현상은 자유 전자들의 생성과 재결합에 의해 절연층의 절연특성을 약하게 만들고, 터널링에 의한 누설전류를 생성한다. 또한, 구리는 알루미늄과 비교하여 낮은 접착력을 가지고 있어서 구리 확산을 방지하고, 구리와 절연층의 접착력도 향상시키는 확산 방지막이 필요하다. 확산 방지막은 낮은 전기적 비저항과 구리의 증착온도인 500℃에서 견딜 수 있는 열적안정성이 요구된다.
TaN 물질은 녹늑점은 3087℃로 높으며, PVD로 증착공정을 진행하기 때문에 구리와의 반응도 낮다. 또한, TaN은 접착 특성도 좋고, 낮은 옴 저항성과 같은 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 더욱이 HfO2 절연층과 TaN 금속 전극을 사용하였을 때 등가 산화막의 특성이 좋아진다는 보고가 있어 연구의 필요성은 상당히 높다.
본 논문은 TaN 박막의 식각특성과 식각 후 TaN 박막 표면의 특성을 조사한 것이다. TaN 박막의 식각특성은 BCl3 가스를 기반으로 유도결합 플라즈마 시스템에서 진행하였고, 식각속도와 마스크 물질과의 식각 선택비를 알아보았다. 공정변수로는 BCl3 가스의 유량, 가스의 혼합비, 첨가가스의 영향, 상부 RF 전력, 하부 직류 바이어스 전압 및 공정압력이었고, 식각 후의 표면의 변화를 관찰하기 위하여 X선 광전자 분광기를 이용하여 표면을 관찰하였다.
가스의 유량에 대한 실험에서 20 sccm의 BCl3에서 가장 높은 식각속도를 보였으며, BCl3/Ar의 가스 혼합비에서는 BCl3(6 sccm)/Ar(14 sccm)에서 가장 높았다. 또한, BCl3/N2의 가스 혼합비에서는 BCl3(6 sccm)/N2(14 sccm)에서 가장 높았고, O2의 첨가 가스 실험에서 3 sccm의 O2가스가 첨가되었을 때 가장 높은 식각속도를 보였다. 상부 RF 전력과 하부 직류 바이어스 전압이 증가할수록 식각속도도 증가하는 경향을 보였으며, 공정압력의 변화에 따른 실험에서는 20 sccm의 BCl3, BCl3/Ar 및 BCl3/N2 의 조건에서 1 Pa의 압력에서 가장 높은 식각속도를 보였다. 그러나 O2가스가 첨가된 실험에서는 2 Pa의 공정압력에서 가장 높은 식각속도를 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Dimensions of memory cells have been shrunk to increase the speed of the devices, keep the cost as low as possible and reduce the power consumption. However, several problems, like direct tunneling and low conductivity characteristic in the nano-region, are anticipated. Also, problems, such as gate depletion and high resistivity in a poly-silicon gate are expected. To shrink the size of a transistor and to reduce the power consumption, high-κ materials like HfO2 and ZrO2 have been studied to substitute for the SiO2 insulator layer of a transistor. To reduce the gate depletion and resistivity, metal electrodes, like TaN or TiN, have been studied as alternate poly-silicon gate materials.
Copper (Cu) wiring which has a lower resistivity than aluminum (Al), good stress-void resistance characteristic and the ability to reduce the manufacturing cost, has been studied briskly. However, Cu conductors generate deep impurity levels by inter-diffusion. This phenomenon makes insulator layers poor by recombination and generation of free electrons and generates a leakage current through direct tunneling. Cu has poor adhesion characteristics in comparison with Al, so a diffusion-barrier layer is needed to prevent Cu diffusion and to guarantee good adhesion between the Cu and the insulator layer. The diffusion-barrier layer should also maintain a low electrical resistivity and thermal stability up to a high temperature (500 ℃) in the deposition of Cu.
The TaN material has a high melting point of 3087 ℃ and does not react with Cu because TaN is typically deposited by physical vapor deposition (PVD). Also, TaN is more attractive than a Cu-diffusion-barrier material because it has very powerful characteristics, such as low ohmic resistance and good adhesion to the Cu. Moreover, the equivalent oxide thickness (EOT) of the HfO2 layer is improved by using TaN gate electrode and a HfO2 layer to replace the SiO2 insulator layer.
In this paper, we investigated the etching characteristics of the TaN film and the surface reaction of TaN after etching. The etching characteristics of the TaN thin film were carried out using a BCl3-based inductively coupled plasma (ICP) etcher. The etch rate and TaN and the selectivity to SiO2 and PR were measured by varying the flow rate, gas mixing ratio, gas addition, RF power, DC bias voltage and process pressure. To understand the surface reaction, we measured the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results showed that the highest etch rate was obtained at 20 sccm BCl3 gas flow rate, a gas mixing ratio of BCl3(6 sccm)/Ar(14 sccm), a gas mixing ratio of BCl3(6 sccm)/N2(14 sccm) and a gas mixing ratio of O2(3 sccm)/BCl3(6 sccm)/Ar(14 sccm), respectively. As the RF power and DC bias voltage were increased, the etch rate of the TaN thin film increased. The highest etch rates by variation of a process pressure were obtained 1 Pa at the condition of 20 sccm BCl3 gas flow rate, the condition of a gas mixing ratio of BCl3(6 sccm)/Ar(14 sccm) and the condition of a gas mixing ratio of BCl3(6 sccm)/N2(14 sccm), respectively. At the condition of a gas mixing ratio of O2(3 sccm)/BCl3(6 sccm)/Ar(14 sccm), the highest etch rate was obtained at a process pressure of 2 Pa.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론 3
• 1. Metal/High-κ 기술에서의 금속 전극 3
• 2. 구리 배선을 위한 확산 방지막 6
• 3. 플라즈마 식각 8
• 3.1. 식각의 정의 8
• 3.2. 플라즈마 식각 9
• 4. TaN 박막의 특성 12
• 5. X-ray Photoelectron Spectroscopy 15
• Ⅲ. 실험방법 17
• Ⅳ. 결과 및 고찰 19
• 1. 가스의 유량변화에 따른 TaN 박막의 식각 특성 19
• 2. 가스의 혼합비에 따른 TaN 박막의 식각 특성 20
• 3. BCl3/Ar 혼합 가스에 N2, O2 가스 첨가에 따른 TaN 박막의 식각 특성 23
• 4. 상부 RF 전력의 변화에 따른 TaN 박막의 식각 특성 25
• 5. 하부 직류 바이어스 전압의 변화에 따른 TaN 박막의 식각 특성 28
• 6. 공정압력의 변화에 따른 TaN 박막의 식각 특성 32
• 7. XPS를 이용한 TaN 박막의 표면 분석 36
• Ⅴ. 결론 38
• 참고문헌 40
• 국문초록 45
• Abstract 47