Effect of sputtering DC-biased electrode materials on high aspect ratio etching of SiO₂

국문 초록 (Abstract)

반도체 제조 공정에서 소자의 미세화 및 다층 구조의 증가로 인해 고 종횡비 구조를 형성하기 위하여 높은 선택비를 가지는 식각 공정이 필수적으로 요구되고 있습니다. 이에 따라 DRAM이나 3D NAND 공정에서는 주로 polymer 형성이 풍부한 fluorocarbon (FC) 및 hydrofluorocarbon (HFC) 가스를 활용하여, High Aspect Ratio Contact (HARC) 공정을 수행합니다. 특히, 식각 물질이 분해되어 플라즈마를 형성할 때, 이러한 분해 특성이 공정 결과에 직접적인 영향을 미칩니다. 이러한 영향은 특히나 밀도가 높은 메모리 소자 구현을 위하여, 고 종횡비 구조를 형성하기 위한 핵심 기술로서, 소자의 미세한 패턴을 형성하고 반도체 집적도를 향상시킬 수 있습니다. 특히나, 미세한 공정 차이를 제어하는 기술은 공정의 성능과 효율성을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다.
본 연구에서는 CCP를 이용한 식각 공정에서 Silicon Showerhead와 Tungsten Showerhead의 전극물질 스퍼터링 효과 영향성을 확인하였다. 해당 공정은 C4F8과 C4F6의 polymer 형성이 풍부한 식각 가스 기반의 공정에서 실험이 진행되었다. 특히나, 해당 효과는ACL 마스크 물질로 패턴된 고 종횡비 구조SiO2 의 식각 프로파일에 영향을 끼치는 것을 확인하였고, 플라즈마 특성 및 공정결과를 분석하여 이에 대한 매커니즘 규명 연구를 진행하였다. 그 결과, 이는 Si Showerhead와 W Showerhead를 이용한 플라즈마 식각 공정에서 샤워헤드 물질의 스퍼터링 효과에 의함이 확인되었다. DC Power가 증가할수록 Showerhead에서의 스퍼터링이 더욱 많이 발생하면서, 이러한 식각 특성의 차이는 대부분 스퍼터링으로 인해 발생하는 전극물질의 차이에서 왔음을 확인하였고, 플라즈마 형성 물질 분석 및 공정 후 표면 잔류물 분석을 통하여 이에 대한 매커니즘을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In semiconductor manufacturing processes, the demand for high etch selectivity with high aspect ratio structures has become essential due to the miniaturization of components and the increase in multilayer structures. In processes such as DRAM or 3D NAND, high aspect ratio contact (HARC) processes are primarily carried out using fluorocarbon (FC) and hydrofluorocarbon (HFC) gases rich in polymer formation. Particularly, the decomposition characteristics of etching materials during plasma formation directly impact process outcomes. This influence is crucial for the implementation of high-density memory components, forming high aspect ratio structures, and enhancing semiconductor integration. The control of subtle process variations plays a key role in maximizing process performance and efficiency.
This study investigates the impact of electrode material sputtering effects from Silicon (Si) Showerhead and Tungsten (W) Showerhead in etching processes using Capacitively Coupled Plasma (CCP). The process involves experimentation with C4F8 and C4F6 gas-based etching processes rich in polymer formation. The study specifically identifies the influence of this effect on the etching profile of high aspect ratio SiO2 structures patterned with an ACL mask material. Mechanism identification studies are conducted by analyzing plasma characteristics and process outcomes. The results confirm that the sputtering effect from the Showerhead material is observed in plasma etching processes using Si Showerhead and W Showerhead. As DC Power increases, sputtering from the Showerhead occurs more significantly, and the differences in etching characteristics are mostly attributed to the variations in electrode material due to sputtering. The mechanism is verified through analysis of plasma formation material and post-process surface residue analysis.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 목적 1
• 제2장 이론적 배경 3
• 2.1 Plasma Process 3
• 2.1.1 플라즈마 3
• 2.1.2 플라즈마 건식식각 4
• 2.1.3 플라즈마 스퍼터링 6
• 2.1.4 Capacitively Coupled Plasma (CCP) 7
• 2.2 Analytical instruments 8
• 2.2.1 Alpha-step profilemeter 8
• 2.2.2 Scanning Electron Microscopy (SEM) 10
• 2.2.3 Optical Emission Spectroscopy (OES) 12
• 2.2.4 Quadrupole Mass Spectrometer (QMS) 14
• 2.2.5 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 16
• 제3장 실험 방법 18
• 3.1 실험 장비 18
• 3.2 실험 조건 21
• 제4장 실험 결과 및 고찰 22
• 4.1 식각 특성 22
• 4.1.1 Line pattern에서의 식각 특성 22
• 4.1.2 Hole pattern에서의 식각 특성 25
• 4.2 플라즈마 분석 32
• 4.2.1 Optical Emission Spectroscopy (OES) 분석 32
• 4.2.2 Quadrupole Mass Spectrometer (QMS) 분석 34
• 4.2.3 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 분석 40
• 4.3 스퍼터링 식각 Mechanism 42
• 제5장 결 론 45
• 참고문헌 47
• Abstract 52