불포화결합이 포함된 C3F6와 C4F6 플라즈마를 이용한 Si3N4 식각 = Plasma etching of Si3N4 using C3F6 and C4F6 with unsaturated bonds

국문 초록 (Abstract)

Si3N4는 화학적, 물리적 안정성이 높아 반도체 소자 제조공정에서 불 순물 확산방지와 이온주입 장벽 역할을 하는 보호층(passivation layer) 으로 주로 사용된다. Si3N4는 일반적으로 CF4, C2F6, C3F8, c-C4F8와 같 은 과불화탄소(perfluorocarbon, PFC)로 식각한다. 그러나 PFC는 지구 온난화지수(global warming potential, GWP)가 높고 대기 중 수명이 길 어 환경에 유해하다. 이 연구에서는 불포화불화탄소 중 hexafluoropropene (C3F6)과 hexafluoro-1,3-butadiene (C4F6) 플라 즈마로 Si3N4를 식각하여 PFC 대체제로서 C3F6와 C4F6의 적합성을 평 가하였다. C3F6와 C4F6 플라즈마에서 Si3N4의 식각 성능을 평가하기 위 해 다양한 소스 파워와 바이어스 전압에서 Si3N4의 식각속도와 Si 대비 Si3N4의 식각선택비를 측정하여 이를 PFC 중 하나인 CF4 플라즈마와 비교하였다. 모든 소스 파워와 바이어스 전압에서 C4F6/Ar 플라즈마보다 C3F6/Ar 플라즈마에서 Si3N4의 식각속도가 더 높았으며 두 플라즈마 모두 CF4/Ar 플라즈마보다는 Si3N4의 식각속도가 낮았다. 이는 CF2 라디칼 의 양이 C4F6 > C3F6 > CF4 순으로 감소하며 CF2 라디칼이 많을수록 식 각을 억제하는 정상상태 불화탄소 박막이 Si3N4 표면에 더 두껍게 형성 되기 때문이다. 세 플라즈마에서 Si3N4 표면에 형성되는 불화탄소 박막 의 두께가 Si3N4의 식각속도 차이에 지배적인 영향을 끼쳤다고 할 수 있다. Si 대비 Si3N4의 식각선택비는 C3F6/Ar와 C4F6/Ar 플라즈마에서 서로 비슷한 수준이었으며 CF4/Ar 플라즈마보다 컸다. CF4/Ar, C3F6/Ar, C4F6/Ar 플라즈마에서 패러데이 상자로 Si3N4의 식각속도의 각도의존성을 측정하였다. 세 플라즈마에서 정규식각수율의 최댓값은 모두 40~70°에서 나타났으며 이는 Si3N4의 식각에 물리적 스 퍼터링이 주요 식각 메커니즘으로 작용했음을 의미한다. C3F6/Ar와 C4F6/Ar 플라즈마에서 이온입사각도 0˚에 비하여 60˚에서 정규식각수율 이 증가하는데 0˚보다 60˚일 때 두께가 더 얇으며 식각저항이 더 낮은 정상상태 불화탄소 박막이 형성되었기 때문이다. 특히, C3F6/Ar 플라즈 마에서 불화탄소 박막의 두께가 충분히 얇아 이온 포격 에너지의 소실이 거의 없는 상태로 하부 기판에 직접적인 충격을 가할 수 있기 때문에 C4F6/Ar보다 정규식각수율의 최댓값이 더 컸다. C3F6와 C4F6 플라즈마에서 CF4 플라즈마보다 Si3N4의 식각속도는 낮 았지만 Si 대비 Si3N4의 식각선택비가 2배 이상 높았으며 C3F6와 C4F6 는 PFC보다 GWP가 낮다. 또한, CF4, C3F6, C4F6 플라즈마에서 Si3N4의 식각 메커니즘이 서로 유사함을 보였다. 이를 바탕으로 C3F6와 C4F6가 Si3N4 식각에서 PFC 대체 물질로 사용될 수 있는 가능성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 플라즈마(plasma) 식각 1
• 1.2 Silicon nitride (Si3N4) 식각 3
• 1.3 지구온난화지수가 낮은 물질을 이용한 식각 8
• 1.4 연구 목적 11
• 2. 실험 12
• 2.1 유도결합 플라즈마 장치 12
• 2.2 패러데이 상자(Farady cage) 16
• 2.3 실험 조건 및 분석 방법 19
• 3. 실험 결과 23
• 3.1 C3F6와 C4F6 플라즈마에서 소스 파워와 바이어스 전압에 따른 Si3N4 식각 23
• 3.2 C3F6와 C4F6 플라즈마에서 이온입사각도에따른 Si3N4의 식각속도 30
• 4. 토의 37
• 4.1 C3F6와 C4F6 플라즈마에서 CF2와 F 라디칼 37
• 4.2 C3F6와 C4F6 플라즈마에서 정상상태 불화탄소 박막의 특성 46
• 4.3 C3F6와 C4F6 플라즈마에서 Si3N4의 식각 메커니즘 52
• 5. 결론 55
• 6. 참고문헌 57
• 7. Abstract 68