A study on High Aspect Ratio Contact (HARC) etching process through radicals and ions independent control at low frequency bias using inductively coupled plasma system :유도 결합 플라즈마 시스템을 활용한 이온 및 라디칼 독립제어에 따른 HARC 식각 공정 연구

Lee, Byung Jun

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자료유형: 학위논문

저자정보: Lee, Byung Jun (고려대학교, 고려대학교 대학원)

지도교수: 권광호

발행연도: 2022

저작권: 고려대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

본 논문에서는 HARC 식각 공정의 주요 인자인 이온, 라디칼 그리고 Vdc를 독립적으로 제어하여 고종횡비 컨택트 (High Aspect Ratio Contact) 식각 공정 연구를 진행하였다. 기존의 CCP 또는 RIE 방식의 시스템이 아닌 ICP 시스템에서 13.56MHz 및 2MHz 바이어스 주파수에서 각각의 독립제어 식각 공정을 하였다. 먼저 HARC 식각 공정에서 널리 사용되는 CF4, O2, Ar혼합가스에 대한 식각 특성 및 플라즈마 진단을 통하여 식각 메커니즘을 확인하였다. 폴리머의 양을 조절할 수 있는 O2 유량의 경우 C4F8 또는 Ar 유량이 일정할 때 소량의 산소는 식각 속도를 증가시킨다는 것을 확인하였다. 하지만 다량의 산소는 오히려 식각 속도를 저하시켰다. 산소 유량이 일정할 때 Ar/C4F8비율의 변화에서 Ar 비율이 C4F8보다 많아지면서 식각 속도가 저하되는 것을 알 수 있었다. 플라즈마 진단을 위한 식각 메커니즘과 식각율을 분석하였다. 도출된 식각 메커니즘을 통하여 HARC 식각 공정 조건을 수립 후 13.56MHz와 2MHz 바이어스 주파수에 따른 식각 공정을 진행하였다. 일반적으로 많이 사용되는 13.56MHz에 비하여 저주파수인 2MHz의 경우 높은 이온에너지 분포를 가지고 있다. 이에 높은 Vdc값이 도출 가능하여 HARC 식각에 이점이 있다. 각각의 바이어스 주파수에서 바이어스 파워 변화, 소스파워 변화, O2 유량 변화에 따라 HARC 식각 공정을 하였다. 바이어스 파워 변화, 소스파워 변화, O2 유량 변화에서 식각 프로파일 단면을 분석해본 결과, 식각 프로파일의 수직성에서 차이점을 확인 할 수 없었다. 하지만 각각의 바이어스 주파수에 따른 식각 프로파일의 형상은 매우 큰 차이를 나타냈다. 각각의 공정 조건에서의 식각 특성, 플라즈마 진단을 통해 이온, 라디칼 그리고 Vdc 변화율을 확인하였으며, 각 조건에서 동시에 변화가 되는 것을 확인하였다. 이는 독립적인 해석이 어려운 것을 확인하였다. 문제를 극복하기 위해 플라즈마 진단을 수행하여 이온과 라디칼에 독립적인 공정 조건을 설정하였다. 라디칼 독립제어의 경우 이온종인 noble gas (Ar/He)의 비율은 고정시키고 perfluorocarbon gas (CF4/C4F8)비율을 변경하였다. 그 결과, 라디칼만 독립적으로 변화함을 확인하였다. 이온 독립제어의 경우 perfluorocarbon 비율을 고정시키고 noble gas 비율을 변화하여 이온이 독립적으로 변화함을 확인하였다. 마지막으로 수직 프로파일을 유도할 수 있는 CF4/C4F8/Ar/He 혼합가스를 고정시킨 후 바이어스 전력 변화를 통해 ion bombardment energy와 연관된 Vdc를 독립적으로 제어하였다. HARC 프로파일 형상은 확립된 독립적인 제어 조건에서 패턴 샘플에 대한 식각 공정 후 분석되었습니다. 표면 분석은 확립된 독립제어 조건에서 XPS 분석을 수행했습니다. 라디칼 독립제어의 경우 이온 및 Vdc의 변화는 없었으며 CFx/F 비율이 크게 변화하는 것을 확인하였다. 또한 XPS 표면 분석을 통해 고분자 종 변화를 확인하였다. 이를 통해 폴리머와 HARC 식각 프로파일의 상관관계에 대하여 규명하였다. 이온 및 Vdc 독립제어의 경우 각각 이온 밀도와 Vdc에 대한 독립적인 변화를 확인하였다. XPS 분석을 통한 표면 분석의 경우 큰 변화가 없었다. 위 실험을 통해 과도한 폴리머는 식각 프로파일 형상에 영향을 주며 이온밀도 보다 Vdc가 식각 프로파일 형상에 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 본 연구를 통하여 라디칼, 이온, Vdc 각각의 독립적인 영향이 HARC 식각 공정에 주는 영향을 확인하고 이 결과는 종횡비가 높아짐에 따라 나아갈 방향을 제시할 수 있을 것이다.

In this work, a high aspect ratio contact etching process was studied through independent control of ions, radicals, and Vdc, which are major factors of the HARC etching process. In the inductively coupled plasma (ICP) system, not the conventional capacitively coupled plasma (CCP) or reactive ion etching (RIE) system, each etching process for independent control was performed at 13.56 MHz and 2 MHz bias frequencies. First, the etching mechanism was confirmed through the etching characteristics and plasma diagnosis of the CF4, O2, and Ar mixed gas which is widely used in the HARC etching process. In the case of the O2 flow rate that can control the amount of polymer, it was confirmed that a small amount of oxygen increases the etching rate when C4F8 or Ar flow rate is constant. However, a large amount of oxygen lowered the etching rate. When the oxygen flow rate was constant, it was found that the Ar ratio was higher than that of C4F8 in the change of the Ar/C4F8 ratio, and the etching rate was lowered. The etching mechanism for plasma diagnosis and etching rate was analyzed. After establishing the conditions for the HARC etching process through the derived etching mechanism, the etching process was performed at the 13.56 MHz and 2 MHz bias frequencies. Compared to the commonly used 13.56 MHz, the low frequency of 2 MHz has a high ion energy distribution. Low- frequency bias can achieve high Vdc values, which is favorable for HARC etching. At each bias frequency, the HARC etching process was performed by the change in bias power, source power, and O2 flow rate. As a result of analyzing the etch profile cross-section in the bias power change, the source power change, and the O2 flow rate change, there was no difference in the verticality of the etched profile. However, the shape of the etch profile at each bias frequency showed a very large difference. The ions, radicals, and Vdc change rates were checked through etching characteristics and plasma diagnosis under each process condition, and it was confirmed that changes were made simultaneously under each condition. This confirmed that independent interpretation of the major factors is difficult. To overcome this problem, plasma diagnostics were performed to establish ions and radicals independent process conditions. In the case of radical independent control, the ratio of noble gas (Ar/He) as an ionic species was fixed and the ratio of perfluorocarbon (CF4/C4F8) was changed. As a result, it was confirmed that only radicals change independently. For ion independent control, the perfluorocarbon ratio was fixed and the ratio of noble gas was changed, and it was confirmed that the ions change independently. Finally, after fixing the CF4/C4F8/Ar/He mixed gas capable of deriving a vertical profile, Vdc related to the ion bombardment energy was independently controlled by changing the bias power. The HARC profile shape was analyzed after the etching process on the nanopattern sample under established independent control conditions. Surface analysis was performed XPS analysis under established independent control conditions. In the case of radical independent control, there was no change in ion and Vdc, and it was confirmed that the CFx/F ratio changed significantly. Also, it was confirmed that the species caused by the polymer changed through XPS analysis. Through this, the correlation between the polymer and HARC etch profile was investigated. In the case of ion and Vdc independent control, independent changes to ion density and Vdc were confirmed. In the case of surface analysis through XPS analysis, there was no significant change. Through this independent control, it was confirmed that excessive polymer affects the shape of the etch profile, and that Vdc has a greater effect on the shape of the etch profile than the ion density. Through this study, the influence of each independent effect of radicals, ions, and Vdc on the HARC etching process is confirmed, and this result will be able to suggest directions as the aspect ratio of the HARC etching process increases.

#Inductively Coupled Plasma etching #High Aspect Ratio Contact (HARC) #Low-frequency #Independent control process

CHAPTER 1 RESEARCH BACKGROUND AND PURPOSE 01
1.1 Technology of V-NAND flash 01
1.2 Etching of the insulator 04
1.3 V-NAND flash memory HARC etching process technology 05
1.4 Plasma system used in HARC etching process 07
1.5 Review of previous studies 09
1.5.1 Research on radical changes 09
1.5.2 Research on ions and energy changes 12
1.6 Research objectives 13
1.7 Outline of the thesis 15
CHAPTER 2 RESERCH METHOD 17
2.1 Nanopattern sample 17
2.2 Nanopattern fabrication plasma etching 19
2.3 Experimental setup for plasma etching 19
2.3.1 Plasma 19
2.3.2 Plasma etching 21
2.3.3 Inductively coupled plasma etcher 22
2.3.4 RF supply device 23
2.4 Plasma diagnostic techniques 24
2.4.1 Optical emission spectroscopy 24
2.3.1 Double Langmuir probe 25
2.5 Film properties and surface analysis techniques 28
2.5.1 Alpha step 28
2.5.2 X-rays photoelectron spectroscopy 29
2.5.3 Field-emission scanning electron microscopy 32
CHAPTER 3 RESULTS AND DISCUSSION 36
3.1 Etching characteristics and plasma diagnostics for HARC etching 36
3.1.1 Etching characteristics 36
3.1.2 Plasma diagnostics and etching mechanism 39
3.2 Effect of low frequency bias power for HARC etching 46
3.2.1 Etching characteristics by bias power change at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 46
3.2.2 Etching characteristics with source power change at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 51
3.2.3 Etching characteristics by changing O2 gas flow rate at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 56
3.2.4 Plasma diagnostics by bias power change at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 61
3.2.5 Plasma diagnostics with source power change at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 64
3.2.6 Plasma diagnostics by changing O2 gas flow rate at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 67
3.2.7 Change in radicals, ions and Vdc through the process conditions 69
3.3 Plasma diagnostics for independent control during plasma process 74
3.3.1 Establish for independent control condition 74
3.3.2 Plasma diagnostics for radical independent control using 13.56MHz and 2MHz 76
3.3.3 Plasma diagnostics for ion independent control using 13.56MHz and 2MHz 80
3.3.4 Plasma diagnostics for ion bombardment energy independent control using 13.56MHz and 2MHz 84
3.4 HARC etching process using independent control 88
3.4.1 Etching characteristics through radical independent control at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 88
3.4.2 Etching characteristics through ion independent control at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 93
3.4.3 Etching characteristics through ion bombardment energy independent control at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 97
3.4.4 Surface analysis thorough radical independent control at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 102
3.4.5 Surface analysis through ion independent control at 13.56MHz and 2MHz bias frequencies 110
CHAPTER 4 SUMMARY AND CONCLUSION 115
REFERENCES 118
PUBLICATIONS 131

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