ICP type 이온건을 이용한 실리콘 표면의 원자층 식각

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

정세훈, 최지영, 조성민

성균관 대학교 화학공학과

Layer-by-layer etching of Silicon wafer by ICP type ion source

Saehoon Chung, Jee Young Choi, Sung Min Cho

Dept. of Chemical engineering Sungkyunkwan Univ.

서론

현재 반도체 소자의 주류를 이루고 있는 Si MOSFET은 1958년 노벨상 수상자인 Kilby에 의해 집적기술이 적용되면서 매년 2배씩 트랜지스터 집적도가 증가되어 왔으며, 십 년마다 1000배씩 성능향상을 이루었다. 이러한 추세로 계속된다면, 2008년에 70nm급의 64G DRAM, 20014년에 35nm의 1Tera의 DRAM이 개발될 것으로 전망되고 있다., 트랜지스터의 게이트 길이가 70nm 이하로 줄어들면 전자숫자의 불균일에 따른 오작동, 배선 길이가 길어지고 선폭이 좁아짐에 따른 게이트 절연막 터널일에 의한 허용치 이상의 누설 전류 등과 같은 기술적 한계와, 10nm에 이르면 열적 진동 및 양자역학적 진동에 의한 오작동 등과 같은 현재의 기술로는 극복할 수 없는 물리적 한계에 도달하고 있는 것으로 판단되고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 현재 필요로 하는 기술로 나노 노광(lithography)기술, 나노 증착(deposition)기술, 전기적 물리적 무손상 식각(etching)기술이 요구되고 있다.

실험

본 연구에서 다루게 될 원자층 식각의 원리를 살펴보면 전형적인 식각방법에서는 식각가스의 흡착과 반응이 동시에 일어나기 때문에 원자층의 정밀한 식각이 어려운 것으로 알려져 있다. 즉 원자층 식각에 있어서는 식각가스의 흡착과 반응이 동시에 일어나지 않고 연속적으로 이루어지기 때문에 나노단위의 정밀한 식각이 가능하다.

공정을 순서대로 나열해보면.

(1) Cl2을 짧은 시간동안 진공 chamber내로 공급하여 Cl2분자들이 시편의 표면 위에 단원자층으로 일정하게 흡착을 시킨다.

(2) 진공 chamber에 남아있는 Cl2 가스 분자들을 purge함으로써 시편의 표면에 흡착된 분자들만이 남아있게 된다.

(3) 헬리콘 플라즈마 및 ICP-type의 이온 source에 의해 생성된 Ar+이온을 시편에 조사시킨다. Ar+이온이 조사된 지역에 흡착된 Cl2가스 분자들은 실리콘 분자들과 반응한다.

(4) 진공 chamber를 다시 purge함으로써 반응 후 휘발성 식각부산물을 제거한다.

위의 공정을 반복하여 실리콘 기판을 식각한다.

본 실험에 사용된 이온 source들은 헬리콘 플라즈마와 ICP type 의 이온건을 사용하였다. 그 원리를 간단히 살펴보면 헬리콘 플라즈마에 의한 식각장치(Fig. 1)와 이온건을 이용한 식각장치(Fig. 2)는 다음과 같다.

본 실험에 사용한 시편은 P-type Si(100) wafer에 선폭이 0.5□로 patternig 된 웨이퍼를 사용하였고 150nm 선폭인 웨이퍼도 사용하였다.

실험 전에 native oxide를 제거하기 위하여 HF 용액으로 제거하고 식각실험을 수행하였다. 일반적으로 헬리콘 플라즈마는 하향 Ar+는 약 10eV정도이므로 여기에 식각을 수행하는 시료밑에 RF self bias를 주어서 가속을 시켜서 Ar+에 가속을 시켜주었다. ICP type의 경우는 Grid에 DC voltage를 주어 이온을 가속시켜 주었다.

결과

실험에서 변화를 시킨 조건으로는 식각 가스(Cl2)의 공급시간과 Ar+이온의 가속된 에너지를 변화 시켜 주었다. 측정은 SEM image와 AFM, 그리고 □-step으로 측정을 하였다.

먼저 Ar+의 가속도를 변화시켰을 때 식각된 웨이퍼를 측정해 보면 표1과 같이 측정 되었다.

그리고 식각가스(Cl2)의 공급시간을 바꿔 주어 측정한 결과또한 표2와 같이 나타났다.

표1에서 알 수 있듯이 이온의 가속 에너지가 커지면 식각 속도 또한 높아지고 어느정도(약 30 ∼40eV) 일 때 원자층 식각이 이루워 지는걸 알 수 있었다. 그 이상의 에너지로 가속된 이온들은 원자층 식각이 아닌 Sputtering이 되어 식각속도가 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 표2에서는 식각가스의 공급 시간에 대한 식각도를 나타내었다. 이것은 식각가스(Cl2)가 실리콘 웨이퍼 표면에 흡착되어 완전한 원자층 식각이 이루워 지는 적절한 식각가스 공급량을 알 수 있다. 그림1에서 볼 수 있는 것은 원자층 식각이 이뤄지는 표면에 실리콘 단원자에 Cl원자가 2개씩 흡착이 되어 한번 식각을 하는동안 실리콘 한층의 모든 실리콘이 식각되는 것이 아니라 절반의 실리콘 원자가 식각되는 것을 나타낸다. 이것은 식각이 진행될수록 표면의 거칠기가 증가하지만 어느정도 이상이 되면 더 이상 증가하지 않는 것을 관찰 할 수 있었다.

또한 웨이퍼의 가로 방향으로의 식각 균일도를 측정한 결과(Fig.3)를 보면 반경 4cm내에서의 식각 균일도를 확인 할 수 있었다. 이것은 ICP type 이온 source를 이용하면 더욱더 넓은 면적의 식각균일도를 얻을 수 있을 것으로 예측 할 수 있다.

결론적으로 실리콘의 원자층 식각을 위하여 헬리콘 플라즈마와 ICP-type의 이온 source를 사용하는 식각장비를 제작하였으며, Cl2가스와 Ar+이온이 연속적으로 유입되도록 조절하였으며 실리콘의 식각속도가 1/2 단원자층의 속도로 saturate 되는 것을 확인하였으며, 이온빔의 영역안의 면적에 대해서는 식각이 균일하게 일어나는 것을 확인 하였다.

참고문헌

[1] K. P. Giapis, T. A. Moore, and T. K. Minton, J. Vac. Sci. Technol., A13, 1 (1995).

[2] Y. Ohtsu, K. Mori, and H. Fujita, Jpn. J. Appl. Phys., 38, 4393 (1999).

[3] J. P. Booth, G. Cunge, P. Chabert, and N. Sadeghi, J. Appl. Phys., 85, 3097 (1999).

[4] E. I. Goldman, Semiconductors, 34, 945 (2000).

[5] T. Sugiyama, T. Matsuura, and J. Murota, Appl. Surf. Sci., 112, 187 (1997).

[6] T. Matsuura, Y. Honda, and J. Murota, Appl. Phys. Lett., 74, 3573 (1999).

[7] T. Meguro, M. Ishii, H. Kodama, M. Hangaki, T. Hara, Y. Yamamoto, and Y. Aoyagi, Jpn. J. Appl. Phys., 29, 2216 (1990).

[8] T. Oohira, S. Saki, Y. Kasai, T. Shimizu, H. Tokumoto, and K. Shimizu, Jpn. J. Appl. Phys., 35, L94 (1996).

[9] T. Iimori, K. Hattori, K. Shudo, T. Iwaki, M. Ueta, and F. Komori, Appl. Surf. Sci., 130-132, 90 (1998).

[10] T. Matsuura, H. Uetake, T. Ohmi, J. Murota, K. Fukuda, N. Mikosiba, T. Kawashima, and Y. Yamashita, Appl. Phys. Lett., 56, 1339 (1990).

[11] Y. Ayagi, K. Shinmaura, K. Kawasaki, K. Gamo, and S. Namba, Thin Solid Films, 225, 120 (1993).

표 1. Etch rate per cycle as a function of Ar+ ion acceleration energy.

그림 1.

표 2 Etch rate per cycle as a function of chlorine supplying time(tcl2).

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Fig. 2. Schematic diagram of atomic layer etching with ICP-type ion source.

Fig. 1. High density plasma reactor with helicon source.

Fig. 3. Etch uniformity of etched Si with atomic layer etching.