A study on the cause and improvement method for the change of dielectric constant of low-k thin film in plasma etching processes

제어계측공학과 박사학위논문

 

제어계측공학과 계측 및 센서 전공

이준명 박사

 

 

논문 내용

반도체산업에서 메모리 분야는 집적도 향상을 통한 기억용량 증대가 핵심 사항이며, 관련된 국내 메모리 제조기술은 세계 최고 수준에 도달해 있다. 그러나, 비(非)메모리 소자의 경우에는 집적도 향상과 더불어 데이터 처리속도 향상이 큰 관건이며, 고집적도에 따른 금속 배선 간의 신호 지연을 최소화하는 것이 가장 중요하다. 이를 위해 종래의 반도체 배선물질인 알루미늄보다 전기 저항이 낮은 구리나 실리콘 산화막보다 낮은 유전율(low-k)을 갖는 절연물질로 대체되고 있다. 그러나, 플라즈마 식각(etching) 공정 간 low-k 박막은 플라즈마 손상에 의해 유전상수가 변화하는 문제점을 지니고 있으며, 이는 소자의 성능에 영향을 미침에도 불구하고 그 원인 및 해결 방안에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 위 문제에 대한 원인 및 개선 방법을 연구했다. Low-k 박막으로 SiOC(silicon oxycarbide)을 증착했고, 플라즈마 식각 공정, 플라즈마 진단, 광학 마스크 사용, 표면 분석, 박막 물성 분석을 통해 식각 특성, 박막 표면 특성 및 물성 변화를 확인했다.

먼저, 플라즈마 발생 시 생성되는 이온, 라디칼, 광자에 대해 각 요소가 유발하는 low-k 물질인 SiOC의 유전상수 변화의 원인 및 정도를 확인하기 위하여, Ar, CF4 플라즈마 노출 후 유전 상수 및 표면 화학적 결합 특성의 변화를 연구했다. 이온, 라디칼, 광자를 분리하기 위하여 MgF2 및 Si 광학마스크를 적용했다. 박막은 Ar 플라즈마에서 MgF2 광학 마스크의 유무에 따라 자외선 및 비 반응성 이온+자외선, CF4 플라즈마에서 Si 광학 마스크의 조건에서는 라디칼, MgF2 광학 마스크의 조건에서는 라디칼+자외선 결합, 광학 마스크가 없는 조건에서는 라디칼+이온+자외선의 영향을 받았다. 플라즈마 진단 결과 이온, 라디칼, 광자 모두 유전율의 변화와 박막의 화학적 결합을 유발할 수 있음을 확인했다. 그 결과, 유전상수 변화에 미치는 영향을 정량적으로 비교했을 때 이온 > 광자 > 라디칼 순으로 나타났으며, 저 유전율 박막을 플라즈마 처리할 때 적절한 공정 가스를 선택하고 공정 변수를 제어하여 박막 손상을 최소화할 수 있음을 확인했다.

다음으로 이온 및 라디칼의 고정 조건 하에서 각각의 독립제어 및 유전 상수 변화 감소 가능성을 연구했다. 라디칼 고정 조건에서는 Ar이 증가할수록 유전상수가 증가하는 변화를 보였고 He에 비해 높은 이온 에너지, 질량으로 Si-O를 증가시켰다. 이때 라디칼 변화가 미비한 것으로 보아 환경이 잘 조성되었으며, 이온 종류에 따른 이온 독립제어가 가능한 것으로 확인됐다. 고정 이온 조건에서는 CF4와 C4F8의 가스 유량을 변화시켰으며, C4F8이 증가할수록 유전상수 변화가 감소하고, 앞선 실험과 동일하게 CF4에 비해 낮은 이온 밀도, 질량 특성으로 Si-O가 감소됨을 나타냈다. 반면 이온 및 광자에 의한 변화가 발생했으며, C4F8이 증가함에 따라 FC polymer의 생성으로 이온 및 광자의 영향을 일부 억제한 것을 알 수 있었다. 이를 통해, 라디칼 종류에 따라 일정하게 유지되어있는 이온 밀도 및 광자의 변화에 영향을 미치며, 유전상수가 변화될 수 있음을 확인했다.

플라즈마 손상 기반의 식각 특성을 연구하기 위해 산업에서 실제 사용되고 있는 가스(CHF3)와 낮은 지구온난화 지수 및 이온 밀도를 보이는 액화 가스(C6F12O)에 대해 식각 특성을 비교했다. 두 가스 모두 유량이 증가함에 따라 식각율은 감소하고, 유전상수는 증가했다. 식각율의 감소는 polymer 형성량의 증가에 기인함을 확인할 수 있었으며, C6F12O에 비해 CHF3의 polymer 형성량은 높았지만, 상대적으로 큰 이온 에너지 flux에 의해 식각률은 높게 나타났다. 그러나, C6F12O을 사용했을 때 유전 상수 변화는 낮았으며, 이는 낮은 이온 에너지 및 UV로 인해 손상이 줄어드는 경향을 보였다. 또한 CHF3 와 C6F12O의 물리적 및 화학적 메커니즘이 유사하여 C6F12O가 CHF3를 대체할 수 있음을 확인했다.

결과적으로 C6F12O는 CHF3에 비해 상대적으로 낮은 이온 에너지, 적은 양의 polymer 형성, 낮은 UV 강도를 가지고 있어 플라즈마 손상 및 유전 상수 변화를 최소화할 수 있다. 또한, 수명이 짧으며 액화 가스로 회수할 수 있어 환경적 이점까지 확인할 수 있었다.

이준명 박사

 

저자 인터뷰:

 

가. 전공 선택 계기

학부 때부터 세계를 선도하는 국내 반도체 기술에 관심이 많았습니다. 전공 필수 수업인 Capstone Design을 수강할 때 반도체 공정을 연구하시는 교수님 수업을 선택했는데 당시 유일하게 대학원 연구실의 인프라를 활용할 수 있었고, 학부 수준의 연구를 직접 수행하며 그 연구 결과물로 참가한 국내 학술대회에서 발표상을 수상하기도 하였습니다. 이를 계기로 전공에 욕심이 생겨 학부 연구생 생활을 시작하게 되었고, 해당 분야에 더욱 흥미를 느끼게 되면서 반도체 기술에서 꾸준히 앞서나가는 국내 기술 수준에 보탬이 되고자 학부 졸업과 동시에 대학원을 진학하게 되었습니다.

 

나. 논문 주제 선정이유와 논문을 통해 독자들에게 전달하고자 하는 내용

단순히 반도체 공정에서 나타나는 문제를 해결하기 위한 연구보다 공정 후 소자의 특성을 고려한 연구를 하고 싶었습니다. 플라즈마 발생 시 생성되는 이온, 라디칼, UV가 박막에 어느 정도 영향을 미치는지와 각각 소자에 어떤 영향을 주는지 파악하고, 독립적으로 분리해 조절할 수 있는지 확인하기 위하여 본 주제를 선정하게 되었습니다. 더불어, 최근 반도체산업의 현안 중 하나는 온실가스 감축입니다. 기존 식각 및 세정 공정에서 사용되는 가스들은 지구온난화 발생 지수가 매우 높습니다. 이에 이를 대체할 수 있고, 플라즈마 손상을 최소화해 소자 특성을 유지·개선하는 방안을 연구하고자 했습니다. 이는 추후 환경 문제와 기술력을 모두 고려한 연구로 반도체산업에 도움이 될 수 있을 것으로 생각합니다.

 

다. 논문을 쓰는 과정에서 어려움

연구 주제에 대한 욕심은 컸지만, 공정 분야를 넘어서 다양한 지식이나 기술을 새롭게 습득해야 했습니다. 그 중 플라즈마 요소를 분리시키기 위한 방법과 액화가스를 공정을 위해 기화시켜 온전히 잘 공급해주는 방법이 가장 어려웠던 것 같습니다. 이를 해결하기 위해 국내외 학회, 학술자료, 특허 등을 기반으로 많은 고민을 했고, 해당 분야 전문가, 교수님들의 조언 하에 부족한 부분을 채울 수 있었던 것 같습니다. 연구에서만큼은 항상 냉정하게 지도해주신 권광호 지도 교수님 덕분에 연구의 가치가 충분히 향상될 수 있었다고 생각합니다.

 

라. 논문쓰기를 앞둔 후배들에게 조언

학위/학술논문을 쓰기에 앞서, 논문을 많이 읽어보는 것을 추천합니다. 충분히 많이 읽으면서 다른 논문을 따라 써보고 이해하려고 노력한다면, 자연스럽게 잘 쓸 수 있을 것이라 생각합니다. 읽어보면서 좋은 표현은 습득하고 조금씩 바꿔가면서 응용한다면 어느새 나만의 논문 스타일이 생기게 된 것을 볼 수 있을 것입니다. 단순히 논문을 많이 써봤다는 것이 아니라 독립된 연구자로 활동을 할 수 있도록 가능한 혼자 많이 고민해보고, 그 한계에 도달했다고 생각했을 때 조언을 구하고 해결한다면 본인의 역량/한계가 한층 상향될 수 있을 것이라고 생각합니다. 마지막으로 교수님과의 관계입니다. 학위기간 동안 부모님보다도 더 많은 시간을 보내는 게 교수님 같습니다. 항상 좋은 일만 있을 수는 없겠지만, 교수님과 연구에 대한 지속적인 소통만큼 논문에 좋은 자양분은 없다고 생각합니다.

 

 

논문 목차

CHAPTER 1 Introduction

1.1 The need for low-k materials

1.1.1 RC time delay

1.1.2 Crosstalk noise

1.1.3 Power consumption

1.1.4 Integration of Cu/low-k interconnect structure

1.1.5 Low-k dielectrics

1.2 Change of dielectric constant by Plasma process

1.3 Minimize changes in dielectric constant

1.4 Thesis objective

1.5 Thesis outline

 

CHAPTER 2 Research background

2.1 Silicon oxycarbide (SiOC) deposition

2.2 Overview of plasma etching system

2.2.1 Plasma

2.2.2 Plasma etching

2.2.3 Inductively Coupled Plasma Etcher

2.2.4 RF supply device

2.2.5 Vacuum chamber

2.2.6 Gas flow and pressure control device

2.2.7 Vacuum measuring equipment

2.3 Plasma diagnostics

2.3.1 Double Langmuir probe (DLP)

2.3.2 Optical Emission spectroscopy

2.3.3 UV meter

2.3.4 Residual Gas Analyzer

2.4 Film properties and Surface analysis

2.4.1 Alpha Step

2.4.2 Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR)

2.4.3 Scanning Electron Microscope (SEM)

2.4.4 Spectroscopic Ellipsometer

2.5 Optical mask

2.6 Liquefied perfluorocarbon precursor (C6F12O)

 

CHAPTER 3 Results and discussion

3.1 Dielectric constant change according to the distance of the optical mask

3.1.1 Dielectric constant characteristics

3.1.2 Surface characteristics

3.2 Influence of ion, radical, and photon during plasma process for SiOC thin film

3.2.1 Ar plasma process through with/without MgF2 optical mask

3.2.1.1 Dielectric constant & Surface characteristics

3.2.1.2 Plasma diagnostics

3.2.2 CF4 plasma process through with/without MgF2, Si optical mask

3.2.2.1 Dielectric constant & Surface characteristics

3.2.2.2 Plasma diagnostics

3.2.3 Conclusion

3.3 Dielectric constant change of SiOC thin film after plasma etching process according to ion and radical types

3.3.1 Ion change in Ar+He+CF4 mixed plasma

3.3.1.1 Dielectric constant & Surface characteristics

3.3.1.2 Plasma diagnostics

3.3.2 Radical change in CF4+CHF3+Ar mixed plasma

3.3.2.1 Dielectric constant & Surface characteristics

3.3.2.2 Plasma diagnostics

3.3.3 Conclusion

3.4 Low-damage plasma etching process for SiOC thin films with liquefied precursor (C6F12O)

3.4.1 Etching characteristics & Dielectric constant

3.4.2 Surface characteristics

3.4.3 Plasma diagnostics

3.4.4 Conclusion

 

CHAPTER 4 Conclusion

 

 

인터뷰·정리: 김연광 기자 dusrhkd99@korea.ac.kr