자화된 유도결합형 플라즈마에서 ACL 및 TSV 건식식각특성에 관한 연구

Abstract

최근 반도체 소자의 Design rule은 점점 더 감소하여 10nm대에 이르게 되고 수십 년 동안 불문율처럼 여겨지던 집적도가 1.5년마다 2배씩 증가한다는 무어의 법칙 (Moores law) 을 그대로 유지하기가 어려워진 상황이다. 이에 따라 소자 동작 한계가 얼마인지에 대한 관심과 함께 차세대 반도체 소자의 축소 한계를 극복하고자 하는 많은 노력들이 지속되고 있다. 반도체 소자의 집적도의 한계를 극복하기 위한 여러 가지 대안 중 2개 이상의 소자를 수직방향으로 연결하는 기술을 사용하는 적층형 소자 (또는 Stack 형 소자라고 함) 와 기존 2D 기술의 한계를 넘어서기 위해 3D Integration 기술을 이용한 3D 소자 등이 관심을 받고 있다. 이러한 적층형 소자와 3D 소자의 제조에는 기존에 비해 더욱 향상된 수준의 고밀도, 고균일도의 플라즈마 공정이 요구된다. 이러한 요구에 대응하기 위해서는 기존의 용량결합형 플라즈마 소스 및 유도결합형 플라즈마 소스의 특성을 개선한 새로운 플라즈마 소스의 개발이 필요하다. 여기에 반도체 제조에 있어 양산성 개선을 위해 기존의 직경 300mm 웨이퍼에서 450mm 웨이퍼로의 전환에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 450mm 웨이퍼로 대면적화되는 경우에 기존 공정에 비해 보다 고밀도, 고균일도의 플라즈마 소스가 필요하게 된다. 이러한 요구를 충족하기 위한 플라즈마 소스의 개발을 위해 고밀도 플라즈마 소스인 유도결합형 플라즈마를 기본으로 하여 수직 방향의 약자기장이 인가된 유도결합 플라즈마(Magnetized Inductively Coupled Plasma

M-ICP)가 제안되어 실험 설비를 제작, 연구를 진행하고 있다. 약자장이 인가된 경우 새로이 요구되는 플라즈마 특성에 부합되는 장점이 많은 것으로 알려져 있으나 아쉽게도 산화막 식각 일부를 제외하고는 실제 식각과 연계된 연구는 많이 부족한 실정이다. 본 논문에서는 약자장이 인가된 유도결합 플라즈마 장치에서의 최신반도체식각 공정물질을 이용하는 동시에 지금까지의 연구방법과는 다른 접근 방법으로 물리적 식각 및 화학적 식각에 의한 실제 식각과 자화된 플라즈마의 진단결과를 연계하여 분석하는 방법으로 M-ICP의 특성을 확인하고자 하였다. 따라서, 식각특성을 확인하기 위해 물리적 식각특성확인에 적합한 ACL (Amorphous Carbon Layer) 박막과 물리적 식각 및 화학적 식각특성 확인에 적합한 관통형 실리콘 비아홀에 대한 식각특성에 대한 각각의 연구를 이온에너지분석법, 액티노메트리 분석법 등을 병행하여 수행하였다.

이중패턴형성공정에서 ACL 박막은 나노크기패턴 형성 시 희생막으로 사용된다. ACL 박막은 물리적인 식각특성 평가에 적합한 물질로 자화된 Ar 플라즈마에서의 식각특성을 연구하였다. 식각 실험 시 Source power, Bias power, 압력, 온도 그리고 O2 첨가 정도에 따른 식각 단면의 변화, 비등방도 그리고 식각 속도의 변화에 대한 영향을 확인하였다. Ion flux 및 이온에너지 분포 등도 이온에너지 분석법(Ion Energy Analysis)을 이용하여 측정하였다. 그리고, 이러한 측정결과를 바탕으로 식각단면의 변화를 설명하고자 하였다. 압력의 증가에 따라 단면상에서 식각속도가 증가함을 확인할 수 있었으며 ion flux보다는 ion energy에 의존하는 것으로 확인되었다. Bias power 증가 시엔 식각속도가 증가하며 식각 프로화일에 대한 영향이 큼을 확인하였다. IED 측정결과에서도 high energy 영역 ion flux가 증가함을 확인할 수 있었다. Source power 증가 시에도 식각속도가 증가하며 이는 ion flux 증가 에 기인하는 것으로 보인다. 동일 조건하에서 자화된 플라즈마에서의 식각속도는 비자화 조건의 경우보다 1.7배 빠른 값을 보이며 ion energy 및 ion flux의 경우도 큰 차이를 보였다. 이와 같은 결과로 M-ICP 적용 시에 ICP 적용 시보다 상당히 빠른 식각속도를 확보할 수 있음을 확인하였다. 이상에서 ACL Pattern 을 이용하여 Ar 이온을 중심으로 한 Physical effect 측면에서 식각현상에 대해 확인한 데 이어 SF6/O2 플라즈마에서의 Silicon 식각 실험을 통해 ion과 라디칼의 차이와 거동에 대해 살펴보고자 하였다. 관통형 실리콘 비아홀, 즉 TSV(Through Silicon Via) 공정은 반도체 공정에서 웨이퍼에 via hole을 형성하여 Chip과 Chip 또는 웨이퍼와 웨이퍼를 연결하는 3D stacking 기술의 핵심공정 중의 하나이다. 이러한 TSV 공정은 Throughput의 향상을 위해 높은 식각 속도를 기본 필요 조건으로 한다. 자화된 유도 결합 식각 장치 하에서 SF6/O2 플라즈마의 특성을 압력, 기판온도, Source power, Bias power, 가스혼합비 등의 변수를 고려하여 실제 식각실험을 진행하였으며 동일조건에 대한 플라즈마상태를 액티노메터를 이용한 광방출 분석법 (Actinometry)을 이용하여 라디칼 분석을 실시하고 SF6/O2 플라즈마의 복잡성과 오염 등에 따른 측정 부정확함을 배제하고 해석하기 위해 Ar 플라즈마하에서 이온에너지 분석(Ion Energy Analysis)을 수행하였다. 또한, 관통형 실리콘 비아홀 식각 특성에 대한 약자장 인가시의 효과에 대해 보고하고 자장 비인가 시의 경우와 비교하였다. 식각 특성의 변화를 관찰하기 위해 SF6/O2의 가스혼합비와 압력에 변화를 주었다. 약자장이 인가된 M-ICP에서 라디칼과 이온종의 양은 증가하고 식각속도 또한 증가하였다. 최적의 SF6/O2 혼합비에서 압력을 낮추는 것이 lateral etching을 최소화하고 좋은 등방비에서 높은 식각 속도를 얻을 수 있음을 확인하였다. 이상의 연구를 통해 M-ICP 장치를 이용하여 최신 반도체 공정에서 사용되는 물질과 Pattern에 대한 식각공정에서 고밀도 플라즈마의 형성을 통해 높은 식각속도를 구현할 수 있는 동시에 저압에서도 운용가능함을 확인, 우수한 성능을 가지고 있음을 확인하였다. 물리적 식각과 화학적 식각 특성을 M-ICP와 ICP 상태에서 각기 관찰하고 이온과 라디칼의 변화분석을 통해 M-ICP가 가지는 특성을 이해하고 실제 식각공정에서의 응용에서의 고밀도, 고식각속도 등의 장점을 확인했다는 점에 그 의의가 있다.

[부록] 나노 또는 마이크로 크기의 구조를 가진 Polymer의 표면에 대한 연구는 다양한 응용분야에 적용할 목적으로 많은 관심을 끌고 있으며 대표적인 분야가 물이나 기름이 잘 묻지 않는 필름소재, 투과성 소재, 그리고 섬유소재 분야 등이다. 플라즈마 처리 기술은 건식기술로 폐액이 생성되지 않는 친환경적인 기술로 플라즈마 처리 공정을 포함한 간단한 공정으로 구성이 가능하며 폐액 처리 공정이 불필요하여 저비용의 장점을 갖는다. 선행 연구에서 플라즈마의 밀도와 함께 이온을 독립적으로 control하여 폴리머 표면의 변화를 유도하는 연구는 거의 없는 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 Bias power를 인가하여 독립적으로 거동을 조절할 수 있는 ICP chamber에서 CF4 가스를 사용하여 PET에 대한 플라즈마 건식 식각 처리 시 영향을 알아보고 표면의 변화와 mechanism을 밝히고자 하였다. CF4 plasma에서 PET film에 대해 Source power, Bias power, 처리시간 등 etch parameter에 의한 식각 시 표면변화특성을 살펴보고자 하였다. Source power 변화에 따른 표면의 차이는 접촉각 등과 XPS에서도 유의할만한 차이점이 없었다. 처리시간의 변화에 따른 표면의 차이가 관찰되었으나 접촉각 측면에서 큰 차이는 보이지 않았다. Bias power에 변화를 준 경우에는 Bias power가 증가함에 따라 표면의 거칠기 및 결합의 변화, 접촉각의 변화가 관찰되었고 XPS 결과에서도 유의차가 관찰되었다. 표면의 거칠기와 CF2 와 CF3 group의 농도합의 변화, 그리고 접촉각의 변화는 Bias powr 인가 정도에 따른 영향이 관찰되었고 PET 표면에 대한 ion 거동과 밀접한 관계가 있는 것으로 보인다. 또한, Bias power 변화 조건으로 CF4 플라즈마 처리된 PET 시료들에서 발수성 회복현상이 관찰되었다. 시간 경과에 따라 접촉각이 자발적으로 증가하였고 초발수성에 가까운 접촉각을 보이게 되었다. XPS 분석결과 F1s 측정 결과는 Bias power가 증가함에 따라 684.4 eV의 peak가 증가하는 것이 확인되었고 684.4 eV 부근의 peak 와 발수성 회복 현상이 상당히 밀접한 관계가 있을 것으로 추정되어 발수성 회복 현상에 대한 추가 연구를 진행하였다. 25W의 Bias power를 인가한 플라즈마처리 후 시간경과에 따라 접촉각변화를 측정하고 XPS 표면 분석을 진행하였다. 시간경과에 따른 XPS 측정결과, 684.4 eV 부근의 F1s peak가 시간경과에 따라 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 684.4 eV 부근의 peak는 Carbon 원소나 결합과는 상관없는 약한 불소결합으로 플라즈마 공정과정에서 Ion bombardment에 의해 손상된 CFn 결합으로부터 나온 것으로 추정된다. 기존연구에서의 발수성 회복에 대한 메커니즘들은 O2, Ar, water vapor, 또는 ammonia plasmas 등에 대해 제안된 바 있으나 CF4 플라즈마에 대해서는 보고된 바 없다. 추가적인 연구가 필요함에도 불구하고 이동 또는 재결합을 통해 생성된 것으로 보이는 ionic fluoride 농도가 자발적으로 감소하는 현상이 발수성 회복의 근본 원인으로 확인되었다.

주요어: 자화 유도결합 플라즈마 (Magnetized inductively coupled plasma), 플라즈마 식각 (Plasma etching), ACL (Amorphous Carbon Layer), TSV (Through Silicon Via), 이온에너지분석기 (Ion Energy Analyzer), 광방출분석법 (Optical Emission Spectroscopy)