Study of SiO₂ selective etch using inductively coupled carbon-rich PFC plasmas

국문 초록 (Abstract)

Silicon dioxide(SiO2)는 DRAM, NAND, Logic 등 다양한 반도체 소자를 제작하는 공정에서 전기적인 구성 요소 간의 간섭을 방지하고 전기 신호를 효과적으로 전달할 수 있는 게이트 절연체로써 일반적으로 사용되고 있는 물질이다. 최근 반도체 소자들의 고집적화가 급격히 진행되면서 SiO2의 고 식각 선택비 확보가 가능한 플라즈마 식각 공정의 개발이 필수적이다. 또한 공정 step 수의 증가에 따라 증가하는 공정 시간을 단축시키기 위하여 SiO2의 고 식각률이 동시에 요구되고 있다. 기존의 식각 공정에 이용되는 PFC (CF4, C4F8) 가스들은 저 C/F 비율로 인하여 식각 시 패턴 profile 이 저하되고 문제가 있으며, 지구 온난화 지수인GWP 가 매우 높은 온실 가스로, 온실 가스 규제 정책에 의해 이러한 가스들의 사용이 제한되고 있기 때문에, 이를 대체 가능한 PFC를 이용한 식각 공정의 연구가 필수적이다. 따라서, 본 학위 논문에서는 HARC SiO2 etch을 위하여 기존 가스 대신 높은 C/F 비율과 낮은 GWP를 지닌 다양한 PFC를 식각 전구체로 적용하였으며, 고 밀도 플라즈마 생성이 가능한 ICP system에서 다양한 식각 파라미터를 조절함으로써 최적 공정 조건에서의 SiO2의 고 식각률과 식각 선택비 및 개선된 식각 프로파일을 확보하여 기존의 식각 문제를 해결하였다.
또한 SAC SiO2 etch 공정에서는 기존에 사용되고 있는 ALE식각 기술에서의 PFC 플라즈마에 의한 챔버의 오염의 문제를 해결하기 위해, 고 비등점을 지닌 다양한 PFC를 플라즈마화 없이 낮은 온도의 기판에 선택적으로 흡착이 가능한 연구를 진행하였으며, PFC 흡착 및 탈착 시간과 bias voltage등 다양한 식각 파라미터를 이용하여 SiO2의 식각률과 식각 선택비 및 식각 프로파일을 개선하였다. 또한 각 식각 파라미터가 SiO2의 식각에 미치는 영향을 확인하기 위하여 표면 분석 및 플라즈마 기상 분석을 함께 진행하여 그 식각 메커니즘을 규명하였다. 따라서, 고 C/F 비율 및 고 비등점을 지닌 PFC을 이용한 ICP system 에서의 SiO2 식각 공정은 적절한 식각 파라미터를 이용하였을 때, 현재 식각 기술의 한계를 극복 가능할 수 있는 효과를 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Silicon dioxide (SiO2) is widely used as a gate insulator in the fabrication process of various semiconductor components such as DRAM, NAND, and logic devices. It serves to prevent interference between electrical components and effectively transmit electrical signals. As the critical dimension (CD) of semiconductor devices is gradually shrinking, investigation of plasma etching processes with high etch selectivity for SiO2 is required. Additionally, achieving high etch rates of SiO2 is important to reduce the increasing process time associated with the rising number of process steps. Conventional perfluorocarbons (PFCs) such as CF4, C4F8, used in SiO2 etching, have a low C/F ratio, leading to pattern profile degradation during the etching process. Moreover, these gases are high global warming potential (GWP) greenhouse gases, facing restrictions due to greenhouse gas regulations. Therefore, new research on plasma etching processes with alternative PFCs that have high C/F ratios and low GWP is required.
In this study, various PFCs with high C/F ratios and low GWP were applied as etching precursors for high aspect ratio contact (HARC) SiO2 etching process, replacing conventional gases. An inductively coupled plasma (ICP) system, capable of generating high-density plasmas, was utilized for the etching process. By controlling various etching parameters, higher etch rates, higher etch selectivity, and improved etch profiles of SiO2 were obtained under optimized process conditions.
For the self-aligned contact (SAC) etching process of SiO2, various PFCs with high boiling points were investigated to overcome the issues of chamber contamination caused by PFC plasmas in the conventional atomic layer etching (ALE) process. These PFCs were examined for selective adsorption on low-temperature surfaces without plasma. Different etching parameters, such as PFC adsorption time, Ar ion desorption time, bias voltages, and substrate temperature, were controlled to improve etch per cycle (EPC), etch selectivity and etch profiles of SiO2. Surface and plasma analyses were performed to understand the etching mechanism. It was confirmed that using of high C/F ratio and high boiling point PFCs in the ICP system for highly selective SiO2 etching could overcome the limitations of current etching technologies, provided that appropriate etching parameters are used.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Basic Mechanism of the Plasma Etch Process for SiO2 1
• 1.2 The Importance of High Selective SiO2 Etching Process 4
• 1.3 Problems in High Selective Etching of SiO2 9
• 1.3.1 Undesired Phenomena Occurring inside Patterns 9
• 1.3.2 Greenhouse Effect and Global Warming 11
• Chapter 2. Objective of Research 13
• 2.1 HARC Etching of SiO2 using Inductively Coupled Carbon-rich PFC Plasmas 13
• 2.2 SAC Etching of SiO2 using Atomic Layer Etching Process based on Physisorption of HBP-PFCs 18
• Chapter 3. Apparatus and Diagnostics 22
• 3.1 Equipment of Etching Process 22
• 3.1.1 Inductively Coupled Plasma Etching System 22
• 3.1.2 Atomic Layer Etching System 23
• 3.2 Surface Analysis and Plasma Diagnostics 25
• 3.2.1 Surface Profilometer 25
• 3.2.2 Scanning Electron Microscopes (SEM) 27
• 3.2.3 In-situ Ellipsometer 29
• 3.2.4 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 29
• 3.2.5 Optical Emission Spectroscopy (OES) 30
• Chapter 4. HARC Etching Process of SiO2 based on Carbon-rich PFC Plasmas 33
• 4.1 Etch Characteristics of SiO2 using C5F8 and C7F8 Plasmas in the ICP 33
• 4.1.1 Experimental Details 33
• 4.1.2 Results and Discussion 36
• 4.1.3 Summary 46
• 4.2 Etch Characteristics of SiO2 using C6F6 Plasma in the ICP 47
• 4.2.1 Experimental Details 47
• 4.2.2 Results and Discussion 51
• 4.2.3 Summary 68
• Chapter 5. ALE Process of SiO2 based on Physisorption of HBP-PFCs 69
• 5.1 Experimental Details 69
• 5.2 Results and Discussion 73
• 5.3 Summary 91
• Chapter 6. Conclusions 93
• References 95

참고문헌 (Reference)

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