최종연구보고서 (3 차년도) - LITHOGRAPHY/ETCH 기술개발 - 연구수행기관 : 삼성전자( 주) 한국전자통신연구소 -1-
제출문 한국전자통신연구소장귀하 본보고서를초고집적반도체기술공동개발사업년도최종연구보고서로제출합니다. LITHOGRAPHY/ETCH 기술개발의제3차 1989년 3월 31일 수행연구기관 : 삼성전자( 주) 사업 책임자 : 김광교 과제 책임자 : 홍승각 참여 연구원 : 홍정인, 강긍원, 박문진 정 준, 배경성, 이명걸 안태혁, 유병덕 Carcia Jesus Lacuesta Abela Tai Sung Shan CHUNG. G BING. MA RAY. QJ -2-
요약문 1. 제목 초고집적반도체기술공동개발사업 LITHOGRAPHY/ETCH 기술개발. 2. 연구개발의목적및중요성 가. 연구개발의목적 본 연구는 submicron 해상력의 기술을 개발하여 0.8μm의 설계 rule인 4MD-RAM의 pattern 형성공정을형성하여, 4M D-RAM working die 획득및 20% yield-up을목표로 한다. 나. 연구개발의중요성반도체산업은 single IC 제조에서부터시작하여현재 VLSI(very large scale integrate) 시대및 ULSI(ultra large scale integrate) 시대로전환되고있다. 이와같은반도체집적도에필히개발요구되는과제로는 lithography etch 기술이며, 이기술의축적및 device 응용정도에따라, 1M, 4M 및 16M 급의 device 집적도가형성된다. 또한. 반도체산업에필요한기술은첨단기술로서국가간의기술우위및경쟁력을대표하기도하는점에서매우중요하다. 따라서, 4M D-RAM device 획득에절대필요한 0.8μm미세선폭능력의개발및안정성확보를해야한다. 향후 4M D-RAM lithography/etch기술은 16M 및 64M D-RAM 개발에필요한미세패턴형성기술의초석이되므로더욱더기술개발필요가요구된다. -3-
3. 연구개발의내용및범위 가. Lithography 분야 1 차년도에서얻어진미세패턴(0.8 μm) 의형성기술로서 2차년도에는이기술의재현성등을연구하여, 선폭의균일도및공정의안정화를추구하였다. 3 차년도에서는, 미세패턴의균일도및안정성을이용하여 4M D-RAM yield-up 에필요한각종기술즉, 4M D-RAM 소자의 layer 별공정여유도확보, 재현성확보및각종 defect 분석을연구하였다. 나.ETCH분야 Lithography 기술에의해서형성된 pattern을정확하게전달하기위해서 ETCH공정은선폭의손실을최소로줄이면서패턴을형성해야하며, 또한막과막간의선택비를향상시켜, 식각되는막및하부 layer 의식각손상을최소로해야하고, 식각 uniformity를개선하여선폭의변화량을최소로해야한다. 따라서, 1차년도에서는설비의 parameter 별식각특성을각박막별로분석하였으며, 2차년도에서는각박막별설비의최적조건재현성및미세패턴안정성을분석하였고 3차년도에서는상기의결과를토대로 4M D-RAM device yield-up에필요한공정조건을구하였다. 4. 연구결과가.Litho분야 Layer Resolution Uniformity Plane Step Metal 0.8μm 10% 이내 12% 이내 Poly-Si 0.8μm " " Polycide 0.8μm " " Overlay X 축 : 0.149 μm Y 축 : 0.156 μm -4-
나.ETCH 분야 5. 활용에대한기대 0.8μm 미세패턴형성과제를수행함으로써현재보유하고있는 stepper, RIE etcher 등의 설비, 특성을분석하였고, 또한 4M D-RAM working die 획득및 yield 20% 달성에필요 한공정재현성, 안정성및공정 uniformity 를형성할수있었다. 그리고, 본기술을토대로 16M D-RAM 및 64M D-RAM 개발을위한기초자료및기술축적으로활용될수있을것 으로사료된다. 6. 기대효과 지금까지 pattern 형성에사용한기술은 litho 분야에서는 single layer resist 기술로형성된것이며, 공정 margin 확보및해상적개선을위해 CEL(contrast enhancement material process 를개발하였다. 이와같은기술은 optic lithography 영역뿐만아니라, excimer X-ray 등의차세대노광기술에응용될수있는기초기술로서, device 관련기술및공정개발기술은동일한방법으로적용될수있을것으로사료된다. 또한, 4M D-RAM의 working die 획득및 20% yield 형성은공경의안정성및재현성의중요성을평가해주는것으로, 안정된공정 margin 폭의기초자료로 16M D-RAM 및 64M D-RAM 개발에도연장될수있을것으로사료된다. -5-
SUMMARY As integrated circuit is getting dense, the resolution toward submicron is absolutely necessary. A study for 0.8um lithography process development which is indispensable for 4 mega bit D - RAM device has been made. As far as lithography is concerned reproducibility of 0.8um lines / spaces has been reviewed which was already achieved in the 1'st year and 2'nd year of the ETRI report. In addition to studies of GEL process ( contrast enhancement layer), discover of polymer and stable end point detection method has also been made for the purpose of process stability and uniformity. As far as optimizing etch process, we tested same items such as minimizing loss of line width, increasing selectivity of masking layer to under layer and improving etch uniformity. The results of the tests for above items, we achieved 4M D - RAM working die and 20% yield-up. The technology con be applied for development of 16M D - RAM and 64M D-RAM. -6-
목 차 제 1 장서론 제 2 장본론 제 1 절 Lithography 1. 기초시약특성연구 2. 장비특성연구 3. Poly layer 미세패턴형성에대한 uniformity 4. Submicron lithography CEL process 제 2 절 ETCH 1. Polycide etch 에관한연구 2. Polysilicon etch 에관한연구 3. Metal etch에관한연구 4. End point 검출방법에관한연구 개선연구 제 3 장결론 부록 부록 1 기술문서목록 부록 2 참고문헌 -7-
제 1 장서론 -8-
제 1 장서론 Device의집적도가높아짐에따라 sub-micron pattern 형성이가능한 Litho/etch 기술개 발이필요하다. 현재 4MDRAM 이상의 소자제조에 필요한 sub-micron형성 기술은 크게 single layer resist process와 multi layer resist process 로나누어진다. Single layer resist process 는 종래 사용되고 있는 기술로서 기술축적이 다양하나, substrate 단차에따른 line width control 및노광장치의 lens 특성인 resolution 및 depth of focus 문제등으로인해 resolution limit 가존재한다. Single layer resist process는공정시간이 multi layer resist process보다짧고공정이 간단함으로현재까지광범위하게사용되고있다. 따라서본연구에서는 single layer process 에있어서도포, 현상등의제반 mechanism을 최적화함으로써 단차 의존성을 감소시켜 균일한 미세 선폭 형성을 실험하였으며, 특히 metal 및polycide layer등에서는 photo/etch 공정의단차상에서최대해상력및양산가 능해상력에대하여알아보았다. Etching 에있어서는선폭손실의감소, etch uniformity, selectivity 개선등에대하여 gas chemistry, pressure등의 etch parameter를이용하여 etch 특성을개선시키고자하였다. -9-
제 2 장결론 -10-
제 2 장본론 제 1 절 Lithography 1. 기초시약특성연구가. 서론 VLSI 급소자제조공정은여러가지제조공정으로분류되나, pattern을형성하는공정이많은부분을차지하고있다. 이러한 lithography 부분에서주로사용되는 chemical인 photo-resist와 developer 의기본특성을살펴본다는것을매우중요하다. 현재대부분의 lithography 공정에서사용되는 chemical 처리방식은 single layer resist 공정이나 submicron급소자의형성이요구되어지는 4M급이상에서는장비특성의개선과아울러 multi layer resist 공정이도입되어야할것이다. 또한, 이와병행으로 single layer resist 공정으로서 submicron급소자형성이가능한 image reversal개념으로 pattern을형성하는기법이최근에개발되어활발하게진행중이다. 따라서본실험은 4M litho/etch 공정에서요구되는 0.8μm resolution을형성하는데사용되는 photo-resist 및 developer 의기초자료를검토하는데있다. 이에필요한기초자료는 (1) Photo-resist 의특성분석 (2) Developer의특성분석 (3) Lithography 공정개발에필요한 process 등으로나누어진다. 이러한기초자료를얻기위하여본실험에서는다음과같이 (4) Single layer process (5) Image reverse process (6) Multi layer process -11-
등으로나누어진행하였다. 여기에서 (4) single layer process 및 (5) image reverse process에대한특성검토는시 약특성연구에서다루었고, (6) multi layer process에대한특성검토는 metal layer 미세 pattern 형성연구에서집중적으로다루었다. 이러한 시약에 대한 특성연구를 통하여 single layer resist process 최적화, image reversal process 개발및 multi layer resist process개발등에폭넓게사용될수있을것 이다. 위와같은개념으로본실험은 photo-resist의 resolution, contrast 및 thermal stability 변화특성과 developer의 resolution, contrast 및 CD(critical dimension) 변화를측정하여 4M 개발에필요한최적 lithography 공정을확립하고자연구를진행하였다. 나. 실험방법 (1) Chemical 종류 Lithography 공정에서 photo-resist 가가져야할기본조건은, ( 가) sensitivity ( 나) good adhesion ( 다) chemical resistance ( 라) thermal stability ( 마) long life time 등으로 나타내어지며, developer 의 기본조건은, ( 바) resolution ( 사) pattern protection ( 아) width control ( 자) throughput ( 차) chemical usage ( 카) photo-resist loss 량등으로나타내어진다. 그러나실제로는 photo-resist와 developer의 기본조건들이서로연관성이있게작용되어두가지를함께특성분석하는것이일반적으로 되어있다. 앞에나타난여러가지기본조건을만족하면서여러 maker에서많은종류의 chemical 등 이시판되고있으나본실험에서표1의 chemical 을사용하였다. -12-
표 1. Chemical 종류비교표 Chemical 종류 Model No. Maker 특성 비고 S 1400-27 Shipley Normal process 적용 S 1400-31 D Poly layer 및 Silicide Shipley Photo-resist 2 layer 적용 AZ5214 Hoechst Image Reversal Process 적용 Developer MF-314 Shipley Non-Metal-Free Type developer (N=0.3) (2) 사용장비 Photo-resist 및 developer의특성분석에사용되는 lithography 장비는 chemical 특성을극대화할수있어야하며, 특히설정된조건에대해서는 process 재현성 이있어야만한다. 표 2 에서는본실험에서사용된장비를나타내었다. 표 2. 실험에사용된장비종류 장비 Maker/Model Type 1. Coater DNS/SKW-636-BV In-Line Type 2. Expose NIKON 3. Developer 4. Flood Expose DNS/SDW-636-BV IMTEC/STARLIGHT 5. SEM JEOL/JSM-IC 845 6. In Line SEM 7. Thickness Check HITACHI/S 6000 NSR-1505G3A NSR-1505G4C In-Line Type Broad Band Type Flood Exposer Maximum Magnification : 30 만배 Minimum Resoultion : 150A Nanometrics 5A Accuracy Minimum Resolution 1.0 μm Minimum Resolution 0.8 μm -13-
(3) 실험순서실험은크게 2가지로나누어ㆍ Normal process S1400-27/S 1400-31D2 및MF-314 사용ㆍ Image reversal process AZ-5214 및MF-314 사용등으로 test 를진행하였다. 또한 substrate 변화에따른변수요인을제거하고일반적으로나타나있는 chemical 특성 을살펴보고자본 test에서는 Si bare wafer 를사용하였다. -14-
( 가) Normal process 순서 조건 hot plate/kti 사 HMDS (180, 30sec vapor type) S1400-27/S1400-31D2 ETRI 4M reticle 및 NIKON test reticle spray/puddle 방식 -15-
( 나) Image reversal process 순서 조건 hot plate/kti사 HMDS (180, 30sec vapor type) AZ 5214 ETRI 4M reticle 및 NIKON test reticle hot plate energy mode (mj/ cm3) spray/puddle 방식 -16-
(4) 실험항목 Photoresist와 developer의특성에관련된조건을알아보기위하여아래와같은실험항목 을설정하여실험을진행하였다. ( 가) Photoresist 1 Spin 회전수에따른 photoresist 2 Softbake 온도에따른 C.D 변화 3 Minimum expose 량결정 두께변화 ( 나) Developer 1 현상액시간 농도에따른 photoresist loss량변화 2 현상액시간 농도에따른 C.D 변화 3 현상온도에따른 C.D 변화 4 Contrast 특성 ( 다) Image Reversal 공정 1 soft bake 온도에따른resist 두께변화 2 soft bake 온도에따른 contrast 특성 3 Reversal bake 온도 시간에따른 resist loss율및 contrast 특성 4 Flood expose energy에의한resist profile 변화 5 현상시간에따른 contrast 곡선변화 ( 라) Thermal Stability 특성 ( 마) Minimum Resolution 특성 다. 실험결과및분석 (1) Photo-resist( 감광제) ( 가) Spin 회전수에따른 photo-resist 두께변화 Photo-resist는기본적으로크게 polymer, sensitizer, solvent의 3가지성분으로구성되어 있다. 이중에서 solvent 의역할은, -17-
1 Resist를현상하기위한용액 2 Polymer 분자의분리 3 Photo-resist의점도결정등이다. Coating하는방법에는여러가지 type이있으나고집적소자에서는대부분 in-line type spin coating 방식을사용하고있다. 따라서 resist의두께는 spin 회전수에의해서결정되 는데이것은photo-resist coating 순서를보면알수있다. 표 3은 coating 순서를나타내었다. 표 3. Coating 순서 STEP 순서 조건 1 dummy dispense 2 N 2 blow 3 resist dispense dynamic/static type 4 slow accelation 5 high acceletion 두께결정 6 back side rinse 7 dry -18-
표 3의 coating 순서를살펴보면 step3에서 resist를 dispense 시키고 step4에서 wafer 전표면에균일하게분포시킨후 step5에서 high rpm 으로회전시켜원하는두께를얻게된다. Resist의두께는 step5의회전수에따라서결정되는데이론적으로약 80~85% 정도의 solvent가회전수및 PR 점도에의해서날아간다. 이러한 mechanism에의해 photo-resist 제작회사에서는 solvent의양을조절하여두께를조절할수있도록하고있다. 기본적으로사용해야할두께는 solvent 의양( 점도결정) 으로선택하고이영역에서는 high 회전수에의해서최종적으로공정에서쓰일두께를결정하는것이일반적이다. 또한 resist dispense 시점도가증가하면( 약30cps 이상) static으로는 wafer 표면에균일하게도포되지않으므로회전하면서 dispense시키는 dynamic 방법이사용되고있다. 그림 1에서는실험에사용된 resist를회전수를변화시켜가면서 resist 두께변화를나타내는데회전수가증가할수록resist 두께는반비례하면서적어짐을알수있다. 즉, 회전수증가에따라 photo-resist내의더많은양의 solvent 성분이 wafer를빠져나가는것을나타내고있음을알수있다. 그림 2에서는회전수변화에따른 uniformity 변화를나타내었다. Photo-resist의 uniformity는 wafer 크기가 3, 4 에서 5, 6, 8 등으로증가하면서wafer 중심과가장자리부분의두께차이가문제가되므로중요한요소이다. 이러한면에서는 uniformity가 0.5% 이하가되는 4,000~7,000정도의 rpm 이적당하다. 그림1과그림2를종합해보면표4 와같은결과를얻을수있다. -19-
표 4 Photoresist별두께영역 -20-
그림 1. Spinner rpm vs. Thickness -21-
그림 2. Spinner rpm vs. Uniformity -22-
( 나) soft bake 온도에따른 CD 변화 soft baking 공점은감광액에남아있는 solvent 를증발시키기위한가열공정이다. 이가열공정을통하여다음과같은두가지결과를얻게된다. 1 Expose 를방해하는성분의감소( 즉, solvent는 coating후에는되도록적은양이존재하여야한다 ) 2 Wafer surface 표면과감광액과의접착력증가등이다. Soft baking 방식은 hot plate, convection oven 및 conduction oven 등이있으나 hot plate 방식이시간이적게들며효과도좋으므로 hot plate 온도변화에대한특성을그림 3, 그림 4 에서살펴보았다. 그림 3, 4에서 C.D 측정은 exp. energy가변화할때 aspect ratio가 0.6 이상인것은 patterning된것으로간주하여 graph 를작성하였다. 그림 3과그림 4에서나타난특징은 soft bake 온도가증가되면 C.D 변화도서서히증가되나일정온도이상으로가열하면 solvent 성분증발에의한 expose 방해보다는 photoresist 자체의구조변화에의하여 expose 를방해하는결과를초래한다. 이러한 soft bake 온도변화는 photoresist profile을결정하므로일정온도이상으로가열해야만하며이것은 aspect ratio가 0.8이상인점을기준으로결정하며이온도로부터약 40 정도이내에서사용한다. 따라서그림 3과그림 4를종합해보면표 5 와같은결과를얻을수있다. 표 5. 최적 Soft Bake 영역 -23-
그림 3.SoftBakeTemp.vsC.D -24-
그림 4.SoftBakeTemp.vsC.D -25-
( 다) Minimum Expose Energy 결정 Resist coating 두께결정은 spinner 회전수에의하여원하는두께로 coating되는데실리콘웨이퍼상에형성되는고집적회로소자의현상치수불균일성을줄여소자의제조수율을향상시킬수있도록최적의두께를결정해야한다. Resist 도포막두께가두꺼워지면, 빛이 resist막내부에들어가기가어렵게되어현상후에치수가변화하는이론이 bulk 효과라고알려져있다. 그러나, 단일파장의빛을사용하는축소투영장치에는 resist에서의광간섭에의해 resist 표면에서의반사율이변동하기때문에 resist막두께의증가에수반해서현상치수가정현함수적으로맥동하는간섭효과도생긴다는것을알았다. 이와같은경우에는 resist 도포막두께를맥동의극치( 현상치수의 resist막두께의존성을나타내는곡선의경사가 0 으로되는부분) 에해당되는값으로설정함으로써, 현상치수의불균일성을극소화할수있다는것을알았다. 이것을그림5, 6, 7, 8, 9 를통하여살펴보면다음과같다. Resist막두께를 10μm정도씩증가시키면현상후의 resist 치수( 그림 6의 resist line 6의폭 l r 값이며, 이크기 l r 가 line부 4와 Space부 5로이루어지는 mask pattern의 line폭 l m 과같은것이최적이다) t는그림 5 의곡선 (3)1 과같이맥동하는것이일반적이다. 실리콘기판 (7) 상에 resist line (6) 을형성하는 process를그림 7 에서나타냈다. 먼저, wafer 위에 resist를 1μm정도로회전 coating 한다. 그위에 space부와 line부로이루어진 mask pattern 의투영상을자외선의광원 (8) 으로 expose 한다. 이경우 resist상의빛의강도는 line 부에해당되는위치에서는작고, space부의해당되는위치에서는큰곡선 (9) 를이룬다. 자외선 expose 후현상처리를하면, 강하게 expose된 space 부 (5) 에해당되는부분의 resist 가현상되며, 약하게 expose된 line 부 (4) 에해당되는부분의 resist는현상되지않고 잔류하여그림 6의 resist line (6) 형성한다. -26-
일반적으로 wafer상에 resist를 1μm 정도로회전 coating 할경우, 막두께는균일하게되지 않고, 200 A 정도의불균일성이생긴다. 따라서, 현상후에형성되는 resist line 폭에는불 균일성이생긴다. 그림 5로부터알수있는바와같이이 line 폭의불균일성의범위는, resist coating 막두께의설정치(resist 막두께의불균일성의중심치) 에의해크게달라진다. 예를들면,resistcoating막두께를 t 3 라고하면막두께의불균일성의범위는 Δt 이므로, 현 상치수의불균일성은 Δl 3 로된다. 그러나 resist 막두께를곡선 (3) 의극소치 (2) 에해당되 는 t 2 로하면, resist막두께의불균일성이같은 Δt 라도, 현상치수의불균일성은 Δl 2 로되어, Δl 3 의약 1/5 로감소한다. Resist 막두께를곡선 (3) 의극대치 (1) 해당하는막두께 t 1 으로 했을경우에도현상치수의불균일성은 Δl 1 으로되어, Δl 3 의약 1/5 로된다. 여기서 Δl 3 의 일반적인값은 0.3 μm이다. 이값은 resist 치수가 1μm 정도로되면허용할수없는불균일 성범위이다. 반도체소자의 process에있어서의현상치수의불균일성의허용치가설계치수 l d 에대해 ± Δl이라고하자. 만약잘못하여 resist 도포막두께의설정치를그림 5에있어서의 t 3 로했을경우에는, 현상 치수에대한반도체소자의개수는그림 8 에있는곡선 (11) 과같이분포한다. 이때치수 허용치 l d Δl에서벗어난소자((12),( 13) 에해당 ) 는불량이된다. 그러나 resist 두께막설정치를그림 5의 t 1, t 2 로했을경우에는현상치수의불균일성이줄 어서곡선 (14) 과같이되며, 불량도 (15), (16) 에해당하는부분만으로되어, 10% 이하로 감소한다. 그림 9에서 spinner 회전수를 N 1, N 2, N 3 라고하면, 그림 5와같이 resist막두께의불균일 성이같은 Δt이더라도극치에해당되는회전수 N1, N 2 의경우에는현상치수의불균일성은 Δl 1,Δl 2 로되어적다. -27-
그러나극치에해당하지않는회전수 N 3 의경우에는 Δl 3 곡선 (19 ) 가되어커진다. 이와같이 spinner 회전수를적절히설정함으로써, 현상치수의불균일성을줄일수있다. 이러한 spinner 회전수의선택을위해서는회전수변화에대하여 minimum expose energy를구하여야하는데이것을그림 10, 11, 12에서각 photoresist에대하여나타내었으며, 표 6 에서는이것을결과적으로정리하였다. 표 6. Minimum exposure Energy에의한 Thickness 결정 -28-
그림 5. Resist Thickness vs. 현상치수 그림 6. Expose 후 PR profile -29-
그림 7. Expose 시 Intensity Profile 그림 8. 현상치수분포도 -30-
그림 9. Spinner 회전수 vs. Resist 현상치수 -31-
그림 10. S1400-27 Minimum Expose Energy vs. Thickness -32-
그림 11. S1400-31 D2 Minimum Expose Energy vs. Thickness -33-
그림 12. AZ-5214 Minimum Expose Energy vs. Thickness -34-
(2) Developer( 현상액) 현상은 photolithography 공정에서 pattern을형성하는공정으로 photoresist보다는여러변수를가지고있다. 이변수는 ㆍ현상온도 ㆍ현상시간 ㆍ현상액농도 ㆍ현상액 type 등으로나타낼수있다. 기본적으로 positive develop 화학구조반응을살펴보면다음과같이진행된다. Positive photoresist는 o-quinone diazide sensitizer와 alkali 용해되는 novolak resins으로구성되어있다. 이 photoresist는빛에 expose되면 nitrogen을생성하면서중간반응구조인 keto carbene 으로변화하고, 곧바로 stable ketone 구조로바뀐다. -35-
이이구조가 stable ketone 구조는공기중의 H 2 O와반응하여 indene carboxylic acid 로변화한다. O-quinone diazide 가빛을받아변화된최종구조가된다. 따라서, indene carboxylic acid는수용성용해에는용해되어 pattern을형성하게되는것 이다. 여기에서 photoresist의 image 를형성할때, 사용되는현상액은크게 2가지로형태로나누 어진다. -36-
ㆍ NaOH Base(metal-Ion Base) ㆍ TMAH Base(metal-Ion Free Base) 현상되는 mechanism을수식으로간단하게표현하면 Polyner -COOH + X + +OH - polyner-coo - +X + +H 2 O (Hydroxyl) (Suspect ion) 등으로나타내어진다. 과거에는대부분 metal-ion based로현상하였으나 exposed 영역을따라 unexposed영역의 image에손상을주기때문에최근에는 pattern 형성후 image를보호하는 metal-ion free free based 의현상형태로바뀌어가고있다. 이러한 metal-ion free 형태의기본구성요소는 N-(2-hydroxyethy1-) N, N, N-Trimethyl Ammonium Hydroxide으로되어있는데이것의일반이름은 choline이라고한다. 이와같은현상액의기본화학분자식은용액내에서아래와같이나타낼수있다. Sodium Hydroxide Na + OH - Potassium Hydroxide K + OH - TMAH (Tetra-Methyl-Ammonium Hydroxide) [(CH 3 ) 4 N] + OH - Choline [(CH 3) 3NCH 2CH 2OH] + OH - (Metal-Ion Free 현상액의장점) 앞에서도나타나듯이 NaOH 및 KOH 현상액을사용할때이온성분이 wafer 표면에존재하여이이온성분이고온공정을실시할때 silicon이나 dielectric막으로침투되어예기치못하는결과를초래하는원인으로작용할가능성이매우높다. -37-
이러한오염정도는 M0S C-V 검사 data와 SIMS(secondary ion mass spectrometry) 를 통하여알아볼수있는데대강 MOS C-V 특성이 0.5~1.0Volt 의이동이일어난다. 또한두가지형태의현상액을 inhibit 효과면에서비교하여보면표 7과같은상이한결과 를얻는다. 표 7. 현상액 Type 비교 특징 형태 Metal-Based Type Metal-Based-Free Type Chemical 명 AZ-30 Develope MIR-314 온도증가에따른 Develop rate 온도증가에따른 Differential Solubility Inhibit Effect 나쁨좋음 * Differential solubility = dev. rate( exposed) dev. rate(unexposed) 그림13과 14 에서이두가지형태의현상액을비교하였다. -38-
그림 13. Metal Based Type Developer 특성 -39-
그림 14. Metal Based Free Type Developer 특성 -40-
( 가) 현상액시간/ 농도에따른 photo-resist loss량변화현상액은 exposed 영역을현상시키지만 unexposed 영역도약간을현상시킨다. 이것을 photo-resist 잔막률특성이라고하는데이러한잔막률은 photolithography에서 pattern의최종두께를결정하므로매우중요한요소가되는데이러한잔막률은 1 현상시간 2 현상액농도에따라변화한다. 그림 15, 16, 17에서각 photo-resist에대한 loss 두께를표시하였다. 여기에서 normality가 0.3N은 MF-314 자체농도이나 0.27N은 DI water로 dilution시켜 test 를실시하였다. 그림 15, 16, 17에서살펴보면현상시간이 100초정도까지는 loss율이급격하게증가되나 그이후에는서서히증가되어일정한시간이되어서는포화상태를이루고있다. 이것은 metal-ion free type의현상액이가지고있는 inhibit 특성이작용한다는것을알수있으 며 normality( 농도) 에따라서는 0.3N이 0.27N보다현상액성분이높으므로당연하게 0.3N 이높게나타나고있다. 그러나 AZ-5214가 S1400-27/S1400-31D2보다잔막률면에서보 면특성이좋다는것을알수있다. 이러한잔막률특성은 developer의고유특성으로 chemical 제조회사마다약간씩의차이는 갖고있다. -41-
그림 15. S1400-27 PR의 loss 율 -42-
그림 16. S1400-31D2 PR의 loss율 -43-
그림 17. AZ-5214 PR의 loss율 -44-
( 나) 현상시간/ 농도에따른 C.D 변화 현상시간을 process에서결정하는데는 C.D변화기울기의안정성및 throughput등을고려 하여야한다. 현상시간이짧아지면생산성은좋으나 C.D 변화조절및공정안정성이떨어지며, 그반대 상태가되면생산성이떨어져이두가지조건을적절하게만족시키는범위내에서결정해 야한다. 그림 18, 19, 20에서는각 photoresist에따라 C.D 변화를나타내었다. 이 graph에서살펴 보아야할사항은 1 현상시간에대한 C.D변화기울기 2 농도에따른C.D변화기울기 등이다. 여기에서농도에따른 C.D변화보다는현상시간에대한 C.D변화를극소화시키는방향에서 현상시간을설정해야하는데약 50sec 이내로하는것이적당할것이다. 이는 50sec가지나 면현상이되더라도 exposed 영역이더이상은반응을하지않으므로 C.D변화가거의없 게나타난다. 또한 S1400-27보다는 S1400-31D2(dyed resist) 가현상시간에대하여 C.D 값이적게나타나게반응을한다는것은 dyed성분이 expose energy에대하여흡수율은 증가시키므로광감도가상대적으로떨어져더욱많은 expose energy가필요하게되어일 부분의 energy가 photo-resist반응이외에 dyed 성분에흡수된다는것을의미한다. 그림 18, 19, 20 은현상시간, 농도에따른 C.D 변화도이다. -45-
그림 18. Develop Time vs. C.D 변화(S1400-27) -46-
그림 19. Develop Time vs. C.D 변화(S1400-31 D2) -47-
그림 20. Develop Time vs. C.D 변화(AZ-5214) -48-
( 다) 현상온도에따른 C.D변화본 test에사용된현상액의종류는 metal-ion free 형태이므로현상온도가증가하면약간의 C.D변화는가져오지만 19 ~23 이내에는커다란변화는없다. 최근에초고집적소자에사용되는현상액은모두현상온도를 ±0.1 이내로조절할수있도록구성되어있어현상온도에대한 CD 변화를문제점으로할필요는없을것이나적절하게사용할온도( 상온) 영역은규정시켜야한다. 그림 21, 22, 23에서는각 photoresist에대하여현상온도에따른 C.D 변화를나타내었다. -49-
그림 21. Develop Temp. vs. C.D 변화 (S1400-27) -50-
그림 22. Develop Temp. vs. C.D 변화 (S1400-31 D2) -51-
그림 23. Develop Temp. vs. C.D 변화 (AZ-5214) -52-
( 라) Contrast 특성 Contrast 특성은 photo-resist와 developer의최적조건을설정한상태에서현상시간만조정함으로써 pattern profile 및 C.D 변화에직접적인관련을알아볼수있는곡선이다. 그림 24, 25는각 photo-resist에대하여현상시간에따른 contrast 곡선변화를나타내었다. 여기에서 T 0 는 coating만했을때의두께이며 T 는현상후에남은두께를나타낸다. (T/T 0 : 두께의 Normalize) 여기에나타난특징을살펴보면현상시간에대하여 contrast 특성은크게변화한다는것을알수있다. 즉일정현상시간내에서는 contrast 특성이매우좋은형상은보이나그이상이되면특성곡선이포화상태가된다. 또한 dyed 성분이들어있는 photo-resist특성이약간향상됨을보여주는것은 dye의특성이작용한다는것으로생각된다. -53-
그림 24. S1400-27의 Contrast Curve -54-
그림 25. S1400-31 D2의 Contrast Curve -55-
2. 장비특성연구 가. Coater Coater란 wafer 의에photoresist로 pattern을형성하기위해photoresist(p.r) 를도포하는 설비로써이장비의특성은 HMDS 도포방법및 P.R dispense 및 spin speed에대한 P.R 두께재현성및 uniformity 등에의해나타낼수있다 Coater system은 water 전처리부, HMDS 부, spin 부, oven부및 photoresist 온도 control 부등으로나누어진다. 우선, 전처리부를살펴보면 (1) Dispense (2) Vapor prime 등의 방식을 사용해 HMDS를 wafer 표면에 depo하는데 각 layer 별( 예를 들면 Oxide doping 농도및 grain size) 로처리하는방식을달리해야한다. 가장중요한 spin부를보면 P.R을 dispense하는방식으로 dynamic과 static 방법이있는데 P.R 자체의특성및( 예를들면 c.p, target 두께) 각 layer( 마찰계수) 에따라결정되며, target P.R 두께는 spin부의 spin speed(rpm) 에의해결정된다. 흔히 striation이발생되는 데이런악영향을제거할수있는방식및 condition(p.r 관리, 배기압, bowl환경및 wafer 전처리등) 을유지해야한다. Oven부에서는 in-line system인경우 hot plate 방식을취하고있으며 hot plate의온도별 uniformity 및hot plate 자체의uniformity가중요한factor 로작용될수있다. 현재세계적인추세로 VLSI급이상에서는 P.R 도포 uniformity를 50A 이하로제어할수 있는재현성이우수한 spin coating 방식을사용하는 coater 가주류를이루고있다. 표 8은당사에서보유하고있는장비의 spec이며그림 26, 27, 28, 29은설비의조건에따 른 coating 특성변화를첨부하였다. -56-
표 8. Coater 장비 specification -57-
그림 26. Spin부배기에따른 P.R 두께및 Particle 수의관계 -58-
그림 27. P.R 온도에따른 P.R 두께변화 그림 28. Spin Time에따른 Uniformity의변화 -59-
그림 29. 습도에따른 P.R 두께변화 -60-
나. Developer Developer 설비는 wafer 위에 이미 도포된 RR 위에 노광장비를 사용해 적당량을 exposing한다음 exposed된 P.R을 develop 시키기위한설비이다. 이 step은 photo process 의마지막단계에해당되며가장중요한작업중의하나이다. Developer 설비는 developer액온도 control 부, spin 부, hard bake용 oven부등으로이루 어져있다. Developer액온도 control부의경우 developer type에따라액온도 control spec이다르 고 특성도 달라지므로 developer 온도 control을 항온조에서 하는 경우와 spin부의 developer nozzle에서 developer 온도 control하는 경우가 있으며 developer액 온도 control은process stability 측면에서매우중요하다. Wafer의 develop 방식에는 spray, puddle, immersion 방식이있으며 nozzle type의결정 이 develop uniformity 에매우중요한영향을준다. Hard bake부는 coater 와동일하다. 당사가보유하고있는 system은 spray type이며 puddle 방식을사용하고 hard bake와 in line type 으로되어있다. 표 9은당사보유 system의 spec. 이다. -61-
표 9 Spin 부동작재현성 Developer control Oven 부온도 control Develop 액 균일성 온도 항목 spec 10 ~ 400 rpm ±3rpm 직선성 400 ~ 1000 rpm ±0.5% 1000 ~ 9990 rpm ±0.3% ±4rpm 재현성 ±0.5% ±0.4% wafer 에분사시 ± 0.1 액온조에보관시 ± 0.3 50 ~ 100 ± 0.3 111 ~ 150 ± 0.5 151 ~ 200 ± 1.0 201 ~ 250 ± 1.5 250 ~ 350 ± 2.5 In a Wafer 3σ 0.08μm Wafer to wafer 3σ 0.1μm -62-
다. In-line SEM In-line SEM은 litho 공정에서기준이되는 C.D(critical dimension) 을측정하는설비로써 일반광학적인측정설비나 SEM(high voltage=20kv) 보다정확도및손상도에서우수한특 성을지니고있다. 광학적인설비를이용하여측정한경우 1μm이하 size에서중대한문제를 발생시키며실제로 0.3 μm까지측정오차가생긴다. 실례로 LEITZ의설비의경우 sublayer의두께변화가 device bias내에들거나벗어날경 우에실제 calibration된 signal profile과상이해측정하기불가능한경우도발생하며 OSI 의경우는 video image를이용하기때문에측정이쉽고간편한이점은있으나 soft ware program 및 sublayer의 reflectivity 에따라측정정확도가변한다. 현재 OSI에서 metal과 같은 layer에대한 soft ware 가개발중에있다. 또 nanoline 은기계적인안정성이부족하므로진동에약한단점이있다. 위와같은단점으로인해이후반도체공정에서는측정오차가 ±0.3 μm, 측정 target이 1.3μm 이상인경우에만광학적인설비가사용될것으로사료된다. 그리고 in-line SEM은 SEM의 2차 전자상을 이용하여 2차 전자상의 profile을 통해 pattern의 edge 를찾는다. 또낮은가속전압( 2KV) 을사용하기때문에 device에도영향을 적게미치며고배율( 10,000) 로측정하므로정확도가우수하다. 다음은 in-line SEM 설비의성능 test 를한결과이다. (1) Test 항목 Test 항목측정의재현성측정위치의재현성 Wafer loader의 prealign 정도 spec 0.02um(36) ± 10um ± 50um -63-
(2) Test 방법 a) 측정의재현성시료 : 5 Si 3 N 4 wafer 위에조건 : pattern size = 1μm가속전압 = 0.7~1KV 배율= 50,000 배 P.R pattern b) 측정방법 Wafer에 5점을측정하여 1point에 10번씩측정 spec 은 ± 0.02 μm이내임. (3) 측정결과 -64-
-65-
(4) 측정위치재현성 test 방법시료 : 5 wafer 측정 : wafer 위의 5점의위치값을입력시킨다음 X, Y 12 방향으로이동시킨다음다시 memory된위치로되돌아갔을때차를구해data 를얻음. ( 각거리는10 mm) 측정결과 : (5) Wafer loader의 prealignment 정확도시료 : 5 wafer 방법 : 특정위치를기억시킨다음 wafer를재 loading 해차를측정한다. 5 번씩측정함. -66-
(6) 측정결과 (7) In-line SEM 최종시험결과 -67-
라. 노광장비 (Stepper : step & repeat system) Photo 공정중 wafer 위에도포된 photo resist 위에 U.V( 자외선) 광을조사하여 mask상의 pattern을 wafer위에전사시키는 system 을노광장비(Align & expose system) 이라한다. 이의방식으로는 (1) Contact printing (2) Proximity printing (3) Projection printing(1:1, 다:1) 등이있다.( 표 10. 참조) 이중 contact printing은 mask와 wafer 사이의 gap이 4μm이하인 system을말하고 proximity printing은 mask와 wafer 사이의 gap이수십μm이상인 system을말하나이 system은 resolution이좋지않고 mask 수명이짧아서 MSI급이하의 process에사용되는장비이다. Projection printing은 mask와 wafer가수백μm이상떨어져있는 system 인데, resolution이우수하고 particle 등의영향을적게받는이점이있다. 이 projection printing system은다시 1:1 전사방법과다:1 전사방식이있는데다:1 전사방식이 1:1 전사방식보다 resolution 면에서우수한특성을보인다. 또한이다:1 projection printing system에도 5:1, 10:1등여러방식이있는데 10:1 방식이 5:1 방식보다는 resolution이우수하나 image field에취약점이있으므로 resolution 및 image field에크게취약점이없고우수한방식인 5:1 방식이널리사용된다. 이를 5:1 stepper 라한다. 그리고 stepper 장비도사용하는 U.V광의파장에따라서 G-line, H-line, I-line stepper등이있으나현재 VLSI급 litho process에서가장널리사용되는것은 G-line(436 nm) 용 stepper 이다. 표 11은 image 전사비율에따른장비특성을비교하여나타낸것이다. -68-
표 10. 노광방식에따른특성비교표 구분 특 성 장점 단점 Contact printing. 장비가간단. Through put이우수. 장비가간단. Through put이우.resolution이불량.mask 수명이짧다.. 노광 energy 전달이 수. Particle에의한영 우수. 노광 energy 전달 향이크다..MSI급이하에서사용 이우수. 반사 mirror만사용 Proximity. 장비가간단. 장비가간단.Resolution이불량 Printing. Through put이우수. Through put이우. Mask 수명이반영.MSI급에서사용 수 구적이아님. 반사 mirror 사용. 노광 energy 전달 특정이나쁨 Projection Printing. 장비가간단.LSI급에서사용.Mirror,lens사용.Resolution이우수. Mask 수명이반영구적. Particle에대한영향이적다.. 노광 energy 전달특성이우수. Through put이낮음. Depth of focus 문제가있음. 장비가복잡하고 size 가크다. -69-
표 11. Image 전사배율에따른장비특성비교표 Magnification 장점 단점 Maker. High throuthput.resolution 이낮다. P/E. 장비구조가간단. Alignment 정도가낮다. KASPER 1:1. Mask contamination 영. Wafer warpage 영향이 GLA 향이적다..Depthoffocus 가크다. 크다..Mask 제작이어렵다. NIKON CONON. High-resolution. High-alignment. Low-through put. 장비구조가복잡 X:1 (X22) accuracy. Wafer warpage에대한 영향이적다..Mask제작이용이. Mask contamination 영향이크다..Lensdistortion 의영향이있음 SRA GCA NIKON ASM TRE HITACHI 이외에도노광 source에따라서 U.V( 자외선) (G, H, I Line) 와 X-ray 및 E-beam등이있 는데현재는 U.V source 를주로사용하는중이며, X-ray 및 E-beam은몇몇연구소에서 개발중이다. 이들에대한특성비교를표 12 에나타내었다. 또한 Optical 노광장비 중 G-line(436 nm) 을 노광 source로 하며 N.A가 0.42인 stepper(nsr-1505g4c) 에대한기본 spec을표 13 에나타내었으며, 실험결과를표 14에 나타내었다. 또한각각의항목에대한 test data 를첨부하였다. -70-
표 12. 노광 source에따른특성비교표 노광 source 특 징 Resolution Device U.V( 자외선). Step & repeat system. 현재가장널리사용됨 1.0 μm ~ 0.8μm 1 M ~ 4 M급.C r mask 사용.Phot-resist가많이개발되어있음. Silicon damage가없음 X-ray.Step&repeatsystem개발중.Aumask사용.Mask제작이어려움 0.8 μm ~ 0.6μm 4M급이상. X-ray용 photo resist 개발제품이 적다. E-beam. Direct pattern 형성. 현재 mask 제작에이용.Wafer제작용으로개발중 0.8 μm ~ 0.3μm 16M급.Photo-resist개발이 어려움. Electron radiation 문제가있음 -71-
표 13. 노광장비(Stepper) NSR-1505G4C -72-
표 14. 노광장비(Stepper) NSR-1505G4C 시험결과 -73-
Data 1) Lamp Uniformity(1) *Normal시 -74-
Data 2) Lamp Uniformity (2) *Flash시 -75-
Data 3) LENS DISTORTION (IN CHIP MATCHING) Test Data -76-
Data 4) Lens Distortion Test Data Date:'87.5.5-77-
Data 5) 직교도 (Orthogonality) Test Data Data:'87.5.2-78-
Data 6) Reticle Rotation Test Data (1) (* RSA : Reticle Step Alignment) Date:'87.5.6-79-
Data 7) Reticle Rotation Test Data (2) Date:'87.5.6 (* Normal) -80-
Data 8) Overlay Accuracy Test Data (1) (WGA : Wafer Global Alignment) Date:'87.5.6-81-
Data 9) Overlay Accuracy Test Data (2) (* EGA : Enhanced Global Alignment) Date:'87.5.6-82-
Data 10) Overlay Accuracy Test Data (3) (* LSA : Laser Step Alignment) Date:'87.5.8-83-
Data 11) Auto Reticle Blind 설정정도 Test Date : '87. 5. 13-84-
Data 12) Stepping 정도 Test Data Date : '87. 5. 14-85-
3. Poly LAYER 미세패턴형성에대한 uniformity 개선연구 가. 서론 Device 집적도가높아짐에따라 wafer topology에따른 line-width uniformity가우수해 야한다. 현재, 4MDRAM 및장래의 16MDRAM개발시 planar line width는감소하게되나 vertical 구조의 각 막 두께는 감소되지 않으므로, aspect ratio는 나쁘게 되며 그 결과 미세 pattern 형성시아래와같은문제점이발생하게된다. (1) PHOTO RESIST의두께UNIFORMITY Wafer topology에의해 photo resist의두께 uniformity가나쁘게되어 pattern형성시 line width uniformity가떨어지고 pattern형성 margin 이감소하게된다. (2) PHOTO RESIST BULK EFFECT로인한LINE WIDTH UNIFORMITY 불량 Wafer topology로인해 photo resist 의막두께차이는발생하게된다. 이러한막두께차이 는 line width 의변화를유발시켜, 최소 resolution 을나쁘게하며, 특히 topology의특징 부위에서는 pattern open 이쉽게발생된다. (3) DEVELOPMENT UNIFORMITY 불량 Topology로인해 wafer coating uniformity 가나쁘게되며, photo resist의 bulk effect가 유발된다. 이러한현상은 pattern development시 develop uniformity 를떨어뜨리는요소로작용한다. 따라서, 위와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 wafer topology에 따른 coating mechanism을분석하여 photo resist coating 형상을파악하여야한다. 그리고 development uniformity 를개선하기위해서는, 기존의 development 방식이아닌 새로운 development 방식을검토하여 topoloty에따른 wafer development를개선해야만 한다. -86-
따라서, 이번 poly layer 실험에서는위와같은 coating, development방법개선을통하여미세선폭(0.8 μm) 의균일도를개선시키는데목적이있다. 나. 실험방법 (1) 이론적고찰반도체제조공정에서 photo 공정은 coating expose development의순으로공정이이루 어지는데지금까지 photo resist coating, development uniformity 개선및각 chemical 사용량감소의방향으로연구가발전되어왔다 Photo resist coating 방식에는 spray, roller, vapor 및 spin 방식이있으나근래에와서는 spin 방식이주로채택되어 VLSI급 device 생산에사용되고있다. Spin방식에서 photo resist coating uniformity 및재현성은 spin 부, motor, exhaust, 온도, 습도등에영향을 받고있으나, 이들의함수는장비설계및 fab 설계단계에서고정되어지는함수로서사용자 의임의성이결여되기쉬운parameter 이다. 이들의함수로서 coating uniformity 및재현성을논하기는매우힘들다. 그러나최근에는 photo resist coating wafer와 photo resist nozzle 사이의거리에따라 uniformity 및재 현성이언급되며, 개발추진되고있는실정이다. 보통 nozzle의거리함수로서적정수준일 경우 uniformity가 가장 우수한 것으로 알려져 있으며 이 거리는 3~12 mm정도이다. Development 방식에있어서 MSI급에서사용된 batch방식은 immersion 및 dipping 방식 이있는데, 이두방식은 uniformity와 C.D control보다는 throughput에주안점을두어 process 에사용해왔으나, LSI 및 VLSI급으로소자가발전해나가면서 uniformity와 C.D control의중요성이인식되어 in-line방식을사용하는 spray, puddle, spray/puddle 방식으 로발전되어현재는대부분 spray/puddle 방식을사용하고있다. 가장 널리 사용되고 있는 spray/puddle 방식을 spray 방법에 따라 크게 side spray/puddle, scan straight/puddle, scan spray/puddle 방식으로나눌수있다. ( 그림30) -87-
Side spray/puddle 방식은 in-line type의대표적인방법으로가장일반적으로사용되고 있는형태로일정한각도에서압력에의해분사되는현상액을 wafer 상에분출시키면서, 현 상하는방법으로다른두가지형태보다기포발생및압력변화에의한 uniformity변화요 인을가지고있다. 이러한문제점을보완하고 uniformity 개선을분사되는현상액의형태가 side가아니라 top 에서현상액을분사시켜기포발생감소및압력변화에의한 uniformity 변화요인을감소시 키는형태가개발되었다. -88-
그림 30. SPRAY/PUDDLE방식의종류 ( 단, 점선은 DEVELOPER 액분사의형태를나타낸다.) -89-
또한 TOP SPRAY 뿐만아니라 SPRAY NOZZLE의약점인 SPRAY 분포에따른압력차이를보완하기위하여 SCAN 기능까지추가시켜 SCAN STRAIGHT/PUDDLE및 SCAN SPRAY/PUDDLE 방식을작용하였다. (2) 실험방법 ( 가) PHOTO RESIST UNIFORMITY 분석 FLAT한 WAFER에 PHOT RESIST NOZZLE 높낮이에따른 PHOTO RESIST의 COATING UNIFORMITY 를측정하였다. 이때사용한RESIST 및SPEC은표15 과같다. 표 15. PHOTO RESIST COATING SPEC WAFER TO NOZZLE 거리 PHOTO RESIST P.R 두께 25mm S1400-27 1.5um 12mm S1400-27 1.5um ( 나) TOPOLOGY에따른 PHOTO RESIST COATING MECHANISM 분석 TOPOLOGY에따른 PHOTO RESIST COATING MECHANISM을분석하기위해표 16와같이실험을진행하였다 그리고 PHOTO RESIST COATING 정도를분석하기위해 SEM 장비를사용하였다. 표 16. TOPOLOGY에따른 COATING MECHANISM 분석 단차높이 P.R 두께(um) 1.0 1.2 1.4 1.6 3000 A 5000 A 10000 A 15000 A -90-
( 다) FLAT WAFER에서DEVELOPMENT UNIFORMITY 측정 In wafer의 uniformity 측정은 ETRI reticle상의 0.8μm line/space Resolution pattern을이용하여 wafer의 cross section으로 9 points을 3 매측정하여평균값(X) 및 uniformity(36) 를계산하였다. 또한재현성 test를하기위한 wafer to wafer의uniformity 측정은같은 pattern으로 10매의 wafer를측정하여 X, 36 을계산하였다. Development method인 side spray/puddle, scan straight/puddle 및 scan spray/puddle로구분하여각각에대한재현성및 uniformity 를측정하였다. ( 라) Topology에따른 development uniformity 측정 Topology에따른각각의development method에대하여uniformity 를측정하였다. 다. 결과 (1) PHOTO RESIST UNIFORMITY 분석그림 31 P.R nozzle과 wafer와의거리에따른 coating uniformity 값을나타낸것이다. Nozzle과 wafer와의거리가상대적으로짧은방식이 coating uniformity 는우수하다. 즉, 이와같은원인은 nozzle과 wafer 와의거리가긴것은, P.R 의자유낙하힘으로인해, wafer위에 coating되는형태는그림 32(a) 와같고, nozzle과 wafer와의거리가짧은것은그림 32(b) 와같다. 즉, 그림 32(a) 는 P.R의자유낙하 energy로인해 P.R에 wave가생기게되며, 이와같이 spin전에 P.R의 wave형태는최종 spin후의 coating uniformity를어느적정수준으로고정시키는역할을한다. 이에비해, 그림 32(b) 의경우는그림 32(a) 의경우보다 nozzle가 wafer과의거리가짧음으로 P.R의자유낙하 energy 는매우작다. 그러므로, RR spin전에 wave 형태는거의발생되지않으므로, coating uniformity는그림 32(a) 보다우수하다는결과를신뢰할수있을것이다. -91-
그림 31. P.R NOZZLE과 WAFER와의거리에따른 COATING UNIFORMITY -92-
그림 32. P.R NOZZLE과 WAFER간거리에따른 P.R SPREAD 형태 ( 단, 빗금친부분은 P.R DISPENSE 후초기상태를나타낸다.) -93-
(2) TOPOLOGY에따른PHOTO RESIST COATING MECHANISM 분석 그림 33은 step thickness에 따른 P.R thickness 차를 나타낸 것이다. 여기서, P.R thickness차는그림과같이 T p 값이다. Fig 5는 alpa-step으로측정한 data 이다. Fig 5에서 step thickness 가일정할때, P.R coating 두께를두껍게하면 T p 는감소한다. 그리고 step thickness가증가함에따라 Tp 는증가함을알수있다. 즉, Tp값은 step thickness 및 coating 두께에의존함을알수있다. 일반적으로 planarization 계산식은 (1) 과같다. 식(1) 에서 T s 는 coating 전의단차높이며, Tp는 coating 후의단차높이를나타낸 다. 그림 35는 step thickness 및 step space 간격에따른 P.R thickness 차를나타낸것이다. 그림 35에서 space width 즉, C width 가 일정할 때, step 높이가 증가할수록 P.R thickness 차 A-B 는 증가한다. 즉, A-B 차이의 증가는 그림 36 에서의 P.R planarization% 에관련되므로, planarization 정도도나쁘게된다. 또한 C width가증가할수 록 A-B 차이는증가하며, 이로인해 P.R planarization% 는나쁘게된다. 그리고, A-B 차는 pattern의 line width 차를유발시키므로 A-B 차를가장최소화하는것이바람직할 것으로시료된다. 그림 37은 step 높이를약 1.1 μm로일정하게두고, space width와 P.R coating두께에따른 A-B 차이를나타낸것이다. 그림 38은그림 37에대한 planarization% 를나타낸것이 다. -94-
그림 33. STEP THICKNESS에따른 P.R THICKNESS 치. -95-
그림 34. STEP 높이에대한 P.R THICKNESS 변화 -ALPA STEP 측정 -96-
그림 35. STEP 높이및간격에따른 P.R THICKNESS 과 < A - B > 의비교 -97-
그림 36. STEP 높이및간격에따른 PLANARIZATION 측정 DATA -98-
그림37에서 coating 두께변화에따른 space width 별 A-B 차는거의변화없이일정하 게유지됨을알수있다. 따라서, 그림 38에서 P.R planarization% 는 space width가증가 할수록감소함을알수있다. 그림 38에서일정한 space width에서 coating 두께가증가함에따라 planarization% 는개 선되나, 1.4μm의 coating 두께이상이되면, 거의개선되지않는다. 그림 35, 그림 36, 그림 37, 그림 38 의결과를종합해보면, A-B 차는 space width 간 격및 step 높이에가장크게영향을받으며, planarization% 는 step 높이보다, space 간격 에매우민감함을알수있다. 따라서, A-B 차이를감소시키기위해서는단자높이와 P.R coating 두께를적정조건으로 설정해야한다. 본실험의결과로는단자높이대 P.R coating 은식(2) 와같이설정해야만 한다. 단차높이 : P.R 두께=1:1.5 이상 (2) (3) 현상방식에따른특성 ( 가) SIDE SPRAY/PUDDLE 방식 Side spray/puddle 방식은일반적으로현재사용중인방식이며 data 는다음과같다. 현상방법 MF-314 SIDE SPRAY/PUDDLE(36) 0.08 ~ 0.1-99-
그림 37. P.R COATING 두께및 STEP 간격에따른 P.R THICKNESS < A - B > 측정 DATA - 100 -
그림 38. P.R COATING 두께및 STEP 간격에따른 P.R PLANARIZATION 측정 DATA STEP 간격 ( μm) - 101 -
그림 39. SCAN STRAIGHT/PUDDLE의 WAFER내 UNIFORMITY 분포도 - 102 -
( 나) SCAN STRAIGHT/PUDDLE 방식 Scan straight/puddle 방식을사용한결과는다음과같다. 현상방법 MF-314 SIDE SPRAY/PUDDLE(36) 0.09~0.15 결과를살펴보면기존에사용중인 side spray/puddle 방식보다 uniformity가나쁨을알 수있다. 이결과에대한원인을살펴보고그림 39의 wafer CD 분포를관찰해보면알수 있을것이다. 그림 39을 보면 test한 chemical 종류에 관계없이 straight nozzle 이 center에서부터 dispense하므로 wafer position의 center나 medium 위치에서현상액이먼저 prewetting 되고 scan 및회전을하므로나사선모양으로 dispense함에따라 Xmax값이 wafer의중심 에많이분포되었다. 즉, 이 straight nozzle type이일정한 size의 nozzle에서 dispense되므로처음에 develop 액이닿는부분은develop이다른곳보다빨리wetting 이된다. 이영향을감소시키려면 nozzle size를크게하고 scan time을가능하면짧게 process하여 야하나, 이번 test에사용한 nozzle 은일정한크기밖에없고, scan time은 scan velocity 에의해결정되며이것은 mechanical적으로동작하기때문에속도를빠르게하기가어렵 다. Straight nozzle type을 test한설비는 scan spray type 전용이어서개조도어려운상황이 었다. 그러나 상대적으로 spray straight/puddle 방식에서도 developer의 normality가 낮은 chemical 이똑같은조건하에서도상대적으로좋은결과가나온것을알수있다. - 103 -
( 다) SCAN SPRAY/PUDDLE 방식 Scan spray/puddle 현상방식은기존에사용하던 side spray/puddle 방식에서발생되는문제점인압력분사에의한기포발생및 nozzle 구조에서나타나는 center와edge의압력차이에의한 uniformity 불량을개선시킬수있다고생각된다. 결과는다음과같다. 현상방법 MF-314 SIDE SPRAY/PUDDLE(36) 0.06~0.08 Wafer의일정크기를 scan spray할때 scan time 이적정시간보다적게되면, wafer 전체적으로 uniform하게 wetting되지않아 nonuniform 해지며, 일정 scan time이상이되면 develop의 wetting이충분히되어 uniformity 변화가약간만발생된다. 현상방식변화를통하여 scan spray/puddle 방식이가장 uniform하고재현성있는 development method 임을알았다. Scan spray/puddle현상방식을실제단차가있는 WF에적용하여보았다. Topology가 0.5μm되는 wafer를제작하여현상시간에따른 uniformity 변화를측정하였다. - 104 -
표 17. DEVELOP방식 SCAN SPRAY/PUDDLE SCAN TIME 2.5 sec DEVELOP TIME 45 sec 이상의경우에서보면 step(max) 에서 uniformity가가장나쁜것으로나타났는데이것은 photo resist 두께가낮은곳에서는 bulk effect 이외에옆 pattern에서의빛반사등에의한영향이라고볼수있다. 결과적으로 uniformity<12% 이내에는모두만족하고있다. - 105 -
4. Submicron lithography CEL Process. 가. 서론반도체 OPTICAL LITHOGRAPHY SYSTEM은 RETICLE/MASK와 WAFER간의거리로서분류하면 CONTACT PRINTING, PROXMITY PRINTING, PROJECTION PRINTING의 3 가지 SYSTEM 으로구분할수있다. 이중가장깨끗한 PATTERN전사가가능한 SYSTEM 은 CONTACT PRINTING 이다. RETICLE/MASK와 WAFER간의거리가 0인경우로서 AERIAL IMAGE 가가장완벽한상태가된다. CEL PROCESS는 RESIST층위에 CEM(Contrast Enhancement Material) 을도포하여현 STEPPER(PROJECTION SYSTEM) 의 AERIAL IMAGE를 CEM이받아서이를수정하여 BOTTOM층 RESIST에 DIRECT로전달하므로개선된IMAGE 를얻을수있게된다. 나. CEL PROCESS 개요 1) CEL PROCESS의원리 OPTICAL LITHOGRAPHY에있어서 RESOLUTION 및 DOF 는위식(1), (2) 와같이각각 나타낼수있다. 여기서설비를일단선정하게되면 와 NA 는고정치가된다. 따라서이설 비로서 RESOLUTION 및 DOF의향상을꾀하기위해서는 MATERIAL 또는 PROCESS 의 존성인 K 1, K 2 를양호하도록설정하면된다. CEM-420WS를사용한 CEL PROCESS는 K 1, K 2 를개선하여 RESOLUTION과 DOF 를동시에향상시킨다. CEM(Contrast Enhancement Material) 은고감도의탈색염료를포유하는물질로서광초기에는특정파장대에서는불투명하다가점점탈색되어가면서투명해지는물질이며 CEM에입사되는 AERIAL IMAGE를보다 SHARP하게수정하여 UNDERLAYER인 PHOTO RESIST층에전달함으로서 CONTACT PRINTING 의효과를얻는다.( 그림 40) - 106 -
DIARYLNITORNES는농도짙은광흡수분자들로서치환 GROUP인 R과 R' 을변경시켜 SPECTRAL CHARACTERISTIC 을변화시킬수있다. DIARYLNITRONES는빛을받으면 N=CH의 DOUBLE BOND가끊어져 OXAZIRIDINES 라는광투과양호한물질로바뀐다. DIARYLNITRONES도 SOLVENT를포유하고있어 PHOTORESIS를 ATTACK하므로 R, R' 의극성을변화시키든가하여, 이 ATTACK 을최소화하도록할수있으나, 안전을위해 CEM : 1PHOTORESIST 사이에 POLY VINYL, ALCOHOL(PVA) 을주성분으로하는수용성물질인 BC-5를도포하여 INTERFACIAL MIXING 을방지토록한다. 그림 42에서 CEM-420의경우 365 nm(i-line) 에서 13%, 405 nm(h-line) 에서 1%, 436nm (G-LINE) 에서2% 의투과성을보이므로노광초기에는거의암점의상태가된다. 그림 43는 CEM-388의경우노광초기와후기에서의투과율변화를나타낸것으로 388nm에서거의 0% 초기투과성을갖다가노광후기에거의 85% 의투과성을갖게된다. CEM의이와같은특성에의해, 그림 50에서와같이 OPTICS를적용한 AERIAL IMAGE의가장자리부분이개선되어 PHOTORESIST에도착하게되어 CEM에의한 CONTACT PRINTING 의효과를나타내게된다. 2) CEL PROCESS SEQUENCE. CEL PROCESS는통상의 PROCESS에비해 BC-5와 CEM의도포과정이통상과정에첨가되므로 WAFER PROCESSING TIME 이길어진다. 이때 BC-5와 CEM에대해도포후 BAKE 를하게되면, 열에의해탈색이되어버려원래의목적에서벗어나게되므로 BAKE 과정을생략한다. EXPOSE후실시하는 PEB(Post Exposure Bake) 역시 CEM, BC-5 STRIP후에진행하여 CEM, BC-5의경화를사전에방지함으로서 STRIP이용이하도록한다. CEM, BC-5는 WAFER STRIPPABLE MATERIAL인경우 DI WATER나 DEVELOPER로 PREWET( 약 5sec 이상) 시켜 STIRP 할수있다.( 그림 44) - 107 -
다. 실험방법 1) WAFER : BARE SILICON 2) PHOTORESIST : TSMR-8800, 1.05μm SOFT BAKE : EK)t 90sec 3) CEM: CEM-420OWS, 0.7μm BC-5, 0.1μm 4) EXPOSE SYSTEM : NA=0.42, 436 nm, 5xSTEPPER 5) PEB : 100, 90sec, HOT PLATE 6) DEVELOP : NSD - TD, PUDDLE, DEVELOP 위조건은 OPTIMIZE된 CEL PROCESS 이다. NORMAL PROCESS는 CEM-420WS 및 BC-5의 COATING이없고PEB가 110, 90sec 라는차이점이있다. 이조건으로 NORMAL, PROCESS와 CEL PROCESS간의ㆍ CONTRAST CURVE 비교ㆍ CD LINEARITY 비교ㆍ BOSSUNG PLOT 비교ㆍ EXPOSE TIME 비교ㆍ DOF 비교ㆍ RESOLUTION 비교ㆍ RESIST PROFILE 비교를통하여실험을진행하였다. - 108 -
라. 결과및고찰 1) CONTRAST CURVE 그림 45와그림 46에 S1400-27과 TSMR-8800 및이들에 CEM-420WS를도포한상태에서의 CONTRAST CURVE 를나타냈다. THRESHOLD EXPOSE TIME(E 0 ) 이 S1400-27은 140ms, TSMR-8800은 170ms이고여기에 CEM-420WS를도포한경우는 320ms, 360ms로각각 180ms, 190ms씩 EXPOSE TIME이더필요한데이는 BOTTOM층 RESIST에 CEM 을추가했기때문이다. CONTMST(r) 값은아래식(3) 로나타낼수있다. 여기서 E 0 는 THRESHOLD EXPOSE TIME이고 E 1 은 E 0 에서접선을그었을때 NORMALIZED REMAINING PR THICKNESS와만나는점의 EXPOSE TIME 이다. 이식에의해값은표 18과같이 CEM-420WS를사용하면월등히양호한 CONTRAST를얻을수있음을알수있다. 표 18. r 값비교 PR S1400-27 S1400-27 WITH CEM TSMR-8800 TSMR-880 WITH CEM 2.46 6.96 2.99 8.00 이결과에의해실험은 TSMR-8800과여기에 CEM-420WS를사용할경우를비교검토하 고자한다. - 109 -
2) CD LINEARITY CD LINEARITY는 DEVICE 내에 LSP(Lines/Spaces Pair) 가각기다른 SIZE로공존할수 있으므로매우중요한의미를갖는다. 모든 LSP에대해 WAFER상의 CD가 MASK CD와 동일한것이 IDEAL하나 LSP SIZE가작아질수록해상력한계가되므로이를따르지못한 다. 그림 47 과, 그림 48에 CEM-420WS 를사용할경우와하지않은경우를비교해놓았다. 그 림 47 에서는, 300ms에서 0.7μm L/S까지 CD LINEARITY 가성립되고, 그림 48 은, 700ms 에서 0.6μm L/S까지 CD LINEARITY가성립되어 CEM-420WS를사용한공정이 0.1μm 더 DOWN 되었음을알수있다. 여기서그림 47의 CD LINEARITY 0.7μm의의미는 IN-LINE SEM상으로나타난 CD 값에만의존하고 PROFILE은고려하지않은것이므로해상력과는 다르다. 3) BOSSUNG PLOT BOSSUNG PLOT은 PHOTO PROCESS의 MARGIN 을알아볼수있는좋은척도가된다. FOCUS가나빠지더라도 CD변화가적게일어나는 PROCESS가바람직한 PROCESS 이다. 그림 49과 그림 50에 CEM-420WS 를 사용한 경우와 하지 않은 경우를 비교해놓았다. CEM-420WS를사용치않은 NORMAL PROCESS에서는 NOMINAL MASK CD ±10% 의 RANGE에 -1.2 μm~1.6μm의 DEFOCUS RANGE (300ms) 가들어간다. CEL PROCESS에서 는 -1.8 μm~+1.8μm 이상의 DEFOCUS RANGE (700ms) 가들어가므로 BOSSUNG PLOT 상으로CELPROCESS가 PHOTOPROCESSMARGIN 이훨씬개선되었음을알수있다. 4) EXPOSE TIME 허용도 EXPOSE TIME이증가함에따라 LINE은가늘어지고 SPACE 는넓어지게된다. 노광장치의 LAMP 열화, DEVELOPER액의 SENSITIVITY의변화등이 CD(Critical Dimension) 에매우 큰영향을주게된다. EXPOSE TIME이증가하더라도 LINE이쉽게가늘어지지않는안정 성이필수적이다. - 110 -
그림 51 는, NORMAL PROCESS와 CEL PROCESS 에대해 "CD vs EXP. TIME" 관계를나타냈다. CEL PROCESS는 NORMAL PROCESS에 CEM 을추가했으므로, 이 CEM을노광시키는데필요한추가 EXPOSE TIME 이요구되는것은당연하다. MASK CD를 ADI CD로그대로재현시키는데필요한 EXPOSE TIME 은, NORMAL PROCESS에서 280ms, CEL PROCESS에서 700ms 로상당한량의차가있으나, CEL PROCESS는 EXPOSE TIME 변화에따른CD 변화가매우안정적임을알수있다. 그림 52 에 "EXPOSE TIME 허용도" 를비교해놓았다. NORMAL PROCESS에서는 1.0μm L/S(± 10% 이내) 를형성하는데는중심치 EXPOSE TIME에서 120ms (±60ms) 의허용범위가되는반면 CEL PROCESS는 260ms(7+130ms) 의허용범위를갖는다. 0.8μm L/S는 NORMAL PROCESS가 75ms (±37.5ms) 인데반해 CEL PROCESS는 200ms (±100ms) 로월등히향상되었으며, 0.65μm에서도 CEL PROCESS가 140ms(± 70ms) 나넓은범위를차지하고있어 EXPOSE TIME을 SETTING해두면노광장치나 DEVELOPER 감도에관계없이안정적인 PROCESS 를가질수있다. 5) DOF DOF(Depth Of Focus) 란집점심도로써일정 SIZE의 L/S 가 ±10% 이내에들면서 RESIST PROFILE이 80o 이상일때를기준으로잡았다( 그림 53) 1.0μm L/S에서 CEL PROCESS는 5.2μm의 DOF 인데반해, NORMAL PROCESS는 3.2μm의 DOF 이며, 0.8μm L/S에서 CEL PROCESS는 3.75μm의 DOF, NORMAL PROCESS는 1.75μm 의 DOF 를나타내고있다. 0.65μm L/S에서는 CEL PROCESS 만이가능하며, 이때의 DOF는 2.5 μm이며, 0.6μm L/S에서는 CEL PROCESS가 1.5μm의 DOF 를 갖고 있으며, 세심한 Process control 축은단차가 0.4μm이하에서는 USABLE한 SIZE 가된다. - 111 -
6) RESOLUTION RESOLUTION은 PHOTO PROCESS중가장중요한 PARAMETER 이다. 식 (4) 에서 NA=0.42, λ=436nm(g- 선) 로보고 NORMAL PROCESS인경우 K1=0.8, CEL PROCESS인경우 K 1 =0.6 으로보면, NORMAL PROCESS는 Re=0.83 μm, CEL PROCESS 는 Re=0.62 μm이된다. 여기서 K1은 PROCESS 의존성이큰 FACTOR로사용 RESIST, DEVELOPER 에의해서도좌우된다. ㆍ RESIST PROFILE이 80 이상 ㆍDOF 2.0 μm이상 (0.6μmline 에서) ㆍ LINEARITY : MASK CD ±10% 이상 의조건을만족시키는부분에서의 K 1 은 NORMAL PROCESS인경우 0.77, CEL PROCESS 인경우는 0.63 이실험적으로얻어졌다. 이때의 RESOLUTION은 NORMAL PROCESS=0.8μm L/S, CEL PROCESS=0.65μm으로 CEL PROCESS가 NORMAL PROCESS보다 0.15μm의 RESOLUTION 향상을나타내고있 다. 7) RESIST PROFILE 그림 54와 그림 55에 NORMAL PROCESS와 CEL PROCESS의 RESIST PROFILE을 PATTERN SIZE 별로, DEFOCUS 별로비교해놓았다. 그림 54 에서는, NORMAL PROCESS의 θ가 85 ~87 로양호한 POSITIVE PROFILE을보 이고있다. CEL PROCESS에서는 θ가 88 ~92 로약간 NEGATIVE PROFILE을비교한것 이다. NORMAL PROCESS는 0.8μmL/S, CEL PROCESS는 0.7μmL/S 로확인한것이다. NORMAL PROCESS 는 θ=77 인데반해 CEL PROCESS는 87 의 PROFILE을보이고있어 L/S 가더작음에도불구하고, +1.5μm있다. DEFOCUS에서 PROFILE이월등히양호함을알수 - 112 -
마. 결론 NORMAL PROCESS와 CEL PROCESS의비교 TEST를통해다음과같은비교표를얻었 다. 표 19. Normal 공정과 CEL 공정의비교표 - 113 -
표 19에서 RESOLUTION이라함은 NOMINAL L&S ±10%, RESIST PROFILE 80 이상, DOF 2.0μm RANGE 이상을기준으로할때, NORMAL PROCESS는 0.8 μm까지, CEL PROCESS는 0.65μm까지 RESOLUTION 을얻을수있다는뜻이다. CEL PROCESS인 0.60μm L&S도 DOF 1.5RANGE에서 PATTERNING이되므로 TI-GHT 하게관리하면 0.60 μm도사용가능하다. 그림 40. CEL MODEL - 114 -
그림 41. CEM CHEMISTRY 그림 42. CEM Spectral의 Characteristic Curve - 115 -
그림 43. CEM의 Bleach 효과 - 116 -
그림 44. PROCESS SEQUENCE - 117 -
그림 45. Contrast Curve(s1400-27) 그림 46. Contrast Curve(TSMR 8800) - 118 -
그림 47. TSMR-8800 ONLY 그림 48. TSMR 8800 with CEM - 119 -
그림 49. TSMR-8800 ONLY 그림 50. TSMR 8800 with CEM - 120 -
그림 51.CDvsEXPTIME 비교 그림 52. EXP TIME 허용도비교 - 121 -
그림 53. DOF 비교 - 122 -
그림 54. NORMAL PROCESS와 CEL PROCESS의 PROFILE 비교 - 123 -
그림 55. Defocused Profile의비교 - 124 -
제 2 절 ETCH 1. Polycide etch에관한연구가. 서론최근기술이발달하고집적도가증가함에따라 device dimension이줄고회로또한더욱 복잡하게되었다. 따라서, gate material의저항이 VLSI회로형성에있어서 device 속도등회로특성을제한하는중요한인자로작용하게되었다. 이러한이유로 interconnection material을 poly-si 대신에 silicide, refractory metal을사용하면낮은저항을갖지만산화특성이나쁘고열처리이후의 adhesion이나쁘며 A1은 A1 증착후의모든공정을 500 이하로제한해야하는단점이있다. 한편 silicide process는 Anneal시 underlayer와 adhesion 때문에 lifting문제를 control하기에어려움이있고또한 junction으로부터 depants의 depletion 이일어날수있기때문에문제가발생한다. 따라서 underlayer인 oxide와 silicide사이에 poly-si을넣은 polycide 구조가도입되었다. 이러한 sandwich구조를갖는 polycide(wsi 2 /poly si) 는 gateline(word line) 또는 bit-line 으로 device에사용되는데 etch시에는선택비를향상시키고 Anisotropic etch profile 및 CD loss 를최소화시키는것이가장중요하다. Polycide film을 etching하는데는기본적으로 Chlorine based gas chemistry를주로사용하고있다. 이것은 fluorine계 gas는 poly-si 또는 WSi 2 와반응하여 vapor pressure가매우낮은 SiF 4 (-86.0 ) 와 WF6(17.5 ) 의 by product를생성하여 under-cut이심한 isotropic etch profile 을갖고있기때문이다. 이에반해 chlorine계 gas는비교적높은 vapor pressure를갖고있는 SiCl 4 (57.6 ) 와 WCl5(276 ) 의 byproduct을생성 anisotropic etch profile과sublayer인oxide 와고선택비를얻을수있다. - 125 -
Chlorine계 gas 또는 CFCl 3, CCl 4, Cl 2, HCl 3, BCl 3, SiCl 4 gas 등이주로사용되고있으며본실험에서는 BCl 3,Cl 2, HCl gas를이용하여polycide film을etching 하고자했다. 통상, refractory metal을 etching할때는표면에성장된 native oxide(50 A ) 를제거하기위해 break through etching step이필요하나 polycide (WSi 2 poly-si) 에서는 W 2 O 5 (169Kcal/Mole) 의 bond energy가 Al 2 O 3 (398Kcal/Mole) bond energy보다매우작아 break through etching step 이필요없다. 본실험은 RIE mode etcher를이용 polycide(wsi 2 2000A/poly-Si l000 A )etching공정을분석하기위해각 etching step 즉 WSi 2 etch step(step1), poly-si etch step(step2) 및 over etch step(step3) 에대하여 etch parameter(rf power, pressure, Gas Ratio) 별 etching 특성을고찰하였다. 나. 실험결과 WSi 2 etch step인 step1의 etch trend는그림 56, 그림 57, 그림 58 에나타나있다. 그림 56을보면 Cl 2 ratio가증가할수록 WSi 2 의 uniformity 가향상됨을알수있으며, 또한 WSi 2 의 etch rate가증가함에따라 poly-si, P.R 과의선택비도증가하고있다. Pressure를 15mT에서 30mT까지변화시켜가면서그에따른 etch특성을그림57 에나타내었다. Pressure가높아지면 WSi와 P.R Poly 의선택비가떨어짐을알수있다. 즉, 15mT 정도에서 uniformity 가가장양호하며선택비(WSi 2 /P.R', WSi 2 /Poly) 도가장좋게나타나고있다. 그림 58에서는 dc bias를 -230, -260V, -290V, -320V으로변화시켜본것으로 dc bias 가높아질수록선택비 (WSi 2 P.R, WSi 2 /Poly) 가떨어지고있으나 uniformity는상당히양호해지고있음을볼수있다. WSi 2 etch시 HCl/BCl 3/Cl 2 를사용하는데이중 BCl 3 를사용하는이유는 silicide를 anisotropic하게 etch하며 silicon surface로부터잔존하는 oxygen과 chamber내의 vapor Water를제거시키며 black silicon과 micromasking 의형성을방지하기위해서이다. Poly-si etch step인 step2에서는 HCl/Ar을이용하여 etch 특성을살펴보았다. - 126 -
그에따른 Etch특성이그림59, 그림60, 그림61, 그림62 에나타나있다. gas ratio(hcl/(hcl+ar)) test가그림59 에나타나있다. 여기서보면 HCl/(HCl+Ar) 이 0.9일때,poly-si/ox의선택비가가장좋으며 uniformity 도가장양호한것으로보인다. Total now 의존성에대해그림60에나타나있는데 total now가증가하면 poly-si과 ox, p.r 과의선택비, 그리고 uniformity 가좋아지고있음을알수있다. pressure를변화시키면 30mT일때 poly-si의 etch rate 이급격히떨어짐을볼수있다. 15mT일때 oxide와의선택비가좋아지고uniformity 도매우양호해진다는것을알수있다. D.C bias에대한 trend는그림61 에나타나있다. dc bias가증가할수록 oxide와 P.R과의선택비가떨어지고있음을알수있다. 이상의 etch trend 를살펴본결과다음과같이적정조건을얻었다. 표 20. Polycide film에대한 process 최적조건 다. 결론 이상의 실험을 통해 polycide(wsi 2 /Poly si) sandwitch film을 HCl/BCl 3 /Cl 2,/Ar etch chemistry를이용3step etch process로etch 할수있었다. - 127 -
WSi 2 film etch step 인(step1) 에서는 BCl 3 의 physical reaction과 HCl, Cl 2 의 chemical reaction을적절히조정 350A/min 정도의 good etch rate와 uniformity를얻었고 P.R과 2.0/1 이상의좋은선택비를얻을수있어 mask layer(pr) erosion에의한 CD loss를최소화시킬수있었다. Poly-si film etch step 인 (step2) 에서는 HCl/Ar chemistry를이용 free Radical species(cl, Cl 2 ) 의 side wall attack이없는 anisotropic etch가가능하였고 sublayer인 oxide와 25/1 이상의좋은선택비를확보 polycide를 gate material로사용하는것이가능하도록하였다. - 128 -
그림 56. Cl 2 gas ratio에따른etch 특성 - 129 -
그림 57. Pressure에따른 etch 특성 - 130 -
그림 58. D.C bias 에따른 etch 특성 - 131 -
그림 59. HCl/(HCl+Ar)ratio dependence - 132 -
그림 60. Total gas flow trend - 133 -
그림 61.dcbiastrend - 134 -
그림 62. Pressure trend - 135 -
2. Polysilicon etch에관한연구가. 서론 VLSI시대의 submicrom추세가급격히빨라짐에따라 transitor size에도커다란변화가오고있다. 즉, transfer gate로사용되는 poly-si이 channel length가작아짐에따라 horizontal scale-down뿐만아니라 vertical scale-down이이루어짐에따라 poly-si etching 이매우중요한공정으로대두되고있다. Poly-si etching에서중요한 process target은 CD bias를 0.05μm이하로최소화시키며 mask layer인 photo-resist 와의고선택비 <sel(si/pr) 3.5/1> 와 sublayer인 gate oxide 와의고선택<sel(si/ox) 30/1> 를들수있다. 통상, 현재까지는위의 3가지 target를맞추기위해비교적 low radiation damage를갖고있는 planar plasma mode와방향성이우수한 reactive ion etch mode가혼용되고있는데, 본연구에서는, low polymer deposition을하며 anisotropic etch profile을얻는 RIE-mode system을이용하여 etch process parameter(pressure. RF Power, Gas) 를변화시키며 sel(poly-si/ox), sel(poly-si/pr), uniformity 및 etch rate 등의 etch 특성을개선시키고자한다. 나. 공정검토 (1) poly-si etch process Etching mechanism은일반적으로반응성이강한 gas를 process chamber에주입 RF power(13.56mhz) 에의한 etchant species를생성시키고이 etchant가 etching되는 surface에이동 chemical adsorption 및 physical adsorption이되어 spontaneous reaction 및 bias induced reaction을일으키고이때 by product가 surface에서부터 desorption되어 etching 이진행되는것으로알려져있다. Poly-si film의 etching에는 CF 4, SF 6 와같은 fluorine based gas와 CCl 4, HCl, Cl 2, SiCl 4 와같은 chlorine based gas 및 HBr, Br 2 와같은 bromine based gas가사용되고있는데 electro negativity<f:4.0, Cl:3.0, Br:2.8, Si:1.8> 와 heat of vaporization<f:0.755, Cl:2.44, Br:3.58, Si:40.6> 성질에의해 fluorine based gas는 poly-si과강한 chemical reaction을일으켜 undercut 문제등을유발시키고 SiO 2 와선택비가좋지않아 submicron etch chemistry로는사용되지않고주로 chlorine based gas chemistry 를사용하고있다. - 136 -
또한 poly-si etch process는 anisotropic 특성을개선하기위해 etching중 sidewall을 SiCl x 또는 CC1 x 계 polymer로 passivation을시켜 chlorine radical에의한 sidewall attack을최대로방지하는 process를채택함으로 negative CD bias가나타날수있고단차부위에서 poly-si residue(stringer) 가발생하는문제점을갖고있어 polymer를정확히 control 하는기술이매우중요하다. (2) poly-si Etch Method RIE mode인 AME8120 system을이용한 poly-si etch 방법은통상 multistep process를채택하고있다. 구체적으로설명하면 poly-si surface에생성된 native oxide를 physical sputtering에의해제거하는 break through step(step1), poly-si bulk를 etch하는 main etch step(step 2) 과 poly-si residue 또는, 단추부위의 poly-si filament(stringer) 를제거하는 over etch step(step3) 으로구성되어있다. 각 step별로 process 요구조건은(step 1) 은 native oxide( 약60~100 A ) 제거하기위해 high bias를사용함으로 sel(si/pr) 특성에좋지않게되는데, sel(si/pr/ox)=1 이되도록, BCl 3 gas flow rate, pressure와 DC bias를 optimization 하여야한다. (step 2) 는 main etch step으로 sel(si/p.r), (Si/ox) 향상과 low polymer deposition 이중요하며, uniformity control과 plasma thermal conductivity를향상시키기위해 He, Ar, N 2 등의 inert gas 를첨가시킨다. (step3) 는 over etch step으로 high sel(si/ox) 를갖고 poly-si residue를제거하여야하는데, 이때의문제점은다량의 chlorine radical이 poly-si sidewall attack하며 reentrance와 undercut을유발시킴으로 pressure와 gas flow rate를잘 optimization 시켜야한다. - 137 -
다. 시험결과 (1) Etch Parameter별 Etch특성분석본실험은 main etch step(step2) 의 etch특성을향상시키기위하여표21과같이 standard recipe를설정하여 pressure, gas ratio<alpa=ar/(ar+hc1)>, DC bias에대한 trend를살펴보았다. 본실험에서사용된 poly-si sample은 single crystalline <100> P-type WF 에 thermal oxide(wet 1000 ) 1000A 을성장시킨후 LPCVD 장비를이용 poly-si을 4000A depe 한후 POCl3(900 ) 을이용 P 불순물을주입, N-type poly-si film<rs=33ohm/ > 을만들었다. STEP STEP1 STEP2 ETCH RECIPE BCL 3 =50, 20mT -240V ET=3min Ar/HCL=20/110, 20mT -260V ET=5min 표 21. Standard Etch Recipe 먼저, 그림63에서는 pressure변화에따른 etch rate, uniformity와 oxide 또는 P.R에대한 selectivity의 etch 특성을보여주고있다. 그림에나타난바와같이, pressure가증가하면 Plasma내에생성된 radical과 ion의 residence time이증가하여 poly-si etch rate이상승하며 30m Torr 근방에서는 saturation 되는현상을보여주고있다. 본그림에서는나타나있지않지만 40m Torr 이상이되면 by product인 SiCl x 가 photo resist위에 redeposition되며 capping을함으로 poly-si etch rate 은급격히증가됨을알수있었다. 또한 pressure 는 mean free path와역비례관계를갖고있어 physical reaction의 factor 로작용, pressure를낮추면selectivity 가나빠짐을알수있었다. - 138 -
그림64에서는 DC bias변화에따른 poly-si etch 특성을보여주고있다. 즉 DC bias trend 는 DC bias가증가하면 plasma내의 reactive ion이 high potential energy를얻어 poly-si surface 에흡착되어있는 <Si-C1>ads bond를 physical bombardment로떼어냄으로 reaction rate를상승시켜 poly-si film의 etch rate 를상승시킨다. 반면, mask layer인 photo resist와 underlayer인 oxide에대한선택비는급격히떨어짐을볼수있고, -230V와 -290V 영역에서는 etch profile이 vertical하나 -290V이상이되면 PR의 faceting 현상에의해 poly-si이 tapered되는현상과 -230V이하가되면 silicon residue가 particle 모양으로남는현상을보이고있다. 그림65에서는 Ar HCl gas ratio 변화에따른 poly-si etch 특성을보여주고있다. 즉, inert gas 인 Ar flow rate ratio가증가하면 plasma내 main etchant gas 및 HCl molecule이 scattering cross section이큰 Ar atom과충돌 dissociation됨으로 radical 생성율이증가 poly-si etch rate이증가되며 Ar 함유량이 0.15을넘어서면 dissociation된 chlorine radical이 hydrogen atom과 recombination되어 radical 의생성율이저하, poly-si etch rate 에감소되는것으로생각된다. 한편매우안정된 Ar atom도 plasma 내에서 corrosion에의해 ionization되어 mask layer인 P.R과 sublayer인 SiO 2 를 physical bombarding하여 etch rate을상승시킴으로 P.R과 SiO 2 에대한선택비를감소시키고있다. 이상의결과를정리해보면 main etch step(step2) 의최적조건으로 selectivity, etch rate, uniformity 특성이우수한다음조건을선택할수가있고이에대한 etch 특성을표22와같이정리할수가있다. pressure : 20m Torr Etch Rate : 460A/min DC bias : 230V sel(si/ox) : 30/1 <HCl+Ar> : 130sccm sel(si/pr) : 3.5/1 Ar/<HCl+Ar> = 0.15 uniformity : ± 4% 표22. Main etch step의최적조건 - 139 -
라. 결론 RIE mode 및 ME 8120 system을이용한 poly-si etch 공정은 sidewall에 low polymer deposition을시키며 vertical etch profile 얻을수있고 stringer 제거능력이뛰어난 HCl/Ar chemistry를선택했고 low pressure. low DC baias 조건에서 mask layer인 photo resist와 3.5/1 의고선택비를얻을수있었고, sub layer인 oxide와 30/1의선택비를얻을수있었다. 또한 low POCl 3 doping된 poly-si film (R s =33 ohm/ ) 의 etch rach 는 450A/min 이상으로안정된 main etch 공정으로채택할수가있었다. 향후 poly-si etch process의연구방향은 device의집적도가높아지는것에따른소단화상에서 poly-si film을 stringer와 undercut없이 etching하는것으로 over etch step에대한최적화에주력할예정이다. - 140 -
그림 63. Pressure dependence. - 141 -
그림 64 DC Bias dependence. - 142 -
그림 65. Gas Ratio dependence. - 143 -
3. Metal Etch에관한연구가. 서론 VLSI device 제조공정에있어서 high resolution dry etching 기술은매우중요한위치를점하고있다. 이것은특히 DRAM에있어서 packing density가급격히증가됨에따라 submicron을향한 fine patterning 이강력히요구되고있다. 본보고서는이러한요구를충족시키기위해 1.0μm design rule을갖는 Al-1% si metal을 patterning 하였고, 이에대한 etch parameter별 etch 특성과 profile 을분석하였다. (1) Al-1% Si Film Etching을위한Gas chemistry 일반적으로 dry etching process에 있어서 Gas chemistry는 활성력이 강한 fluorine based gas, chlorine based gas 및 bromine based gas등의 halogen gas가사용되고있 다. Al-196 si metal etching에있어서는 AlCl 3, AlBr 2, AlF 3 반응생성물의 Vapor pressure 에의해fluorine과 based gas는사용되지않고chlorine based gas(ccl 4, BCl 3,SiCl 4,Cl 2 등) 가사용되고있다. Interconnection으로사용되는 Al-1% Si Film은다른 material과같은대기중에서 water vapor 또는 oxygen과반응하여 30A 정도의 native oxide(al2o 3 ) 의피보호막을형성한다. 이 Al 2 O 3 Film 은 <Al-O> 의 high bonding energy(163kcal/mole) 를갖고있어 chemical reaction으로는 etching이용이하지않고 physical reaction에의한 sputtering 으로제거하여야한다. 이러한 Al-1% Si film의 etching 특성에의해일반적으로사용되는 gas chemistry는 <CCl 4 +Cl 2, BCl 3 +Cl 2,SiCl 4 +Cl 2 > 으로매우한정되어있다. CCl 4, BCl 3, SiCl 4, gas는 plasma내에서 bond dissociation energy에의해 BCl 3 molecule 이 positive ion으로존재할확률이커 Al 2 O 3 film을가장효과적으로 sputtering할수가있고또한, etch chamber내 moisture와 O 2 를 scavenge하여 reproducibility향상과 corrosion 을예방할수가있다. - 144 -
(2) Al-1% Si Etching Mechanism BCl 3 +Cl 2 chemistry는 plasma내에서 RF power에의한 electron collosion으로다음과같 은 etch species 를생성시킨다. BCl 3 + e BCl 2 +Cl * +2e Cl 2 +e Cl 2,2Cl,Cl + 2,Cl + +2e 이때생성된 positive ion(bcl 2 ) 은 Al 2 O 3 의피보호막을 physical sputtering하여용이하게 제거할수있고 chlorine specics(cl * 2, Cl * ) 는 cleaned Al-surface에 transport되어 atom chemisorption<(al-cl)ads> 과 molecular physisorption <(Al-Cl 2 )ads> 으로 Al-surface에 흡착반응을자발적으로일으켜 AlCl 3 의 byproduct을생성시키며 etching 을진행하게된다. 이때, chlorine molecules은 chlorine atom에비해 chlorinated surface에더잘확산되어 Al과 adsorb 함으로( 즉, enhanced sticking coefficient 를갖는다) Cl atom보다약2배의 etch rate 을보인다. Al Etching시 ion의역할은 initiation step에서 native oxide를제거 시키고 Al-surface 에흡착된<(Al-Cl)ads>band를 physical sputtering시켜 break 함으로 Cl의 concentration을 감소시켜 spontaneous reaction을 억제 etch rate를 떨어뜨리며 anisotropic etch profile을 형성하며 Al spiking 억제를 위해 첨가된 1% silicon을 physical sputtering하여 제거하고 A1-surface에 남아있는 quasi-volatile byproduct인 AlCl 3 를 bombarding하여 desorp시켜 residue 를제거하여준다. (3) Etch profile control Al-1% Si film은 chlorine species와자발적인반응을일으키는성질에의해 anisotropic etch profile 을얻기가힘들다. - 145 -
이에대해현재까지는세가지방법이주로사용되고있는데 ( 첫째) CHCl 3 CH 3Cl, CCl 4, CHF 3 와같은 polymer gas를첨가시켜 sidewall passivation을함으로 Cl 2 의 side wall attack을방지시켜 vertical etch profile 을얻는다. 그러나, 이방법은 etch chamber wall 에 polymer를대량 deposition시켜 particle 문제를유발시킨다. ( 둘째) Mask film으로사용되는 photoresist를 high bias로 errosion시키며 P.R속의 carbon을떼어내어 sidewall에 redeposition시켜 sidewall의 attack 을방지한다. 그러나, 이방법은 P.R에대한선택비를악화시켜 UV-curing과같은 P.R hardening공정추가된다. ( 셋째) 위두가지방법을혼용하는것으로 polymer gas를미량첨가시키고 P.R 을다소 erosion시켜 vertical etch profile 을얻는것으로, 위두가지방법보다 sel(al/pr) 를개선시키고particle generation 을억제할수있다. (4) Metal corrosion Aluminum etch반응생성물인 AlCl 3 는 low vapor pressure를갖고있어 etch chamber wall에 redeposition되어 etch chamber가 대기에 노출되면 H 2 O 또는 O 2 를 흡수시켜 Al 2 O 3 로 산화되며 또한 O 2 를 함유하고 있다가 Etch가 진행되면 O 2 가 outdiffusion되어 Al-surface를산화시켜 Al 2O 3 Film을생성 etch rate에영향을줌으로 reproducibility 문 제를야기시킨다. 또한, AlCl 3 는 lewis acid로 P.R에 deposit되어 novolac resin의 phenol group을 attack하여 polymer chain의 C-C bond를 breaking시켜 resist의 degradation을 일으킨다. 또한, P.R에 deposit된 AlCl 3 는 etch 가끝난후대기에노출되면, H 2 O 와반응, HCl을생성 aluminum line을 corrosion 시킨다. 이러한 AlCl 3 의 attack을방지하기위해 etch process chamber를직접대기에노출시키지않는 load lock system도입과 AlCl 3 가 etch chamber 에 redeposit되지않도록 40 \ 60 정도로 etch chamber를 heating 시킨다. 또한, metal corrosion억제방법은 F이 Cl보다 activation energy가큰것을이용 AlCl 3 의 chlorine을 CF 4 또는 CHF3 gas 를이용, fluorine으로치환시키는치환방법과 vaporize를 시키기위한 halogen lamp heating 방법또는, 다량의 D.I water에 AlCl 3 를희석시키는수 세방법이있다. - 146 -
(5) AME8330을이용한 Metal Etch process 기본적으로, metal(al-1% Si) dry etching process는 AME8330에서 multi-step으로구성 되어 있다. 구체적으로 설명하면 native oxide 제거를 위한 high break through step(step1) photo-resist와고선택비를갖고 metal etching하는 main etch step(step2), Si-residue제거와 etch profile을 control하며 underlayer(psg) 와고선택비를갖는 over etch step(step3) 와 lewis acid인 AlCl 3 byproduct에의한 metal corrosion방지를위한 fluorine chemistry의 passivation etch step<cl-f 치환반응>(step4) 로구성되어있다. 이 런 4step etch process는 process set-up 이비교적쉽고관리가용이함으로, 본실험에서 는여기에초점을맞추어실험하였다. 나. 공정조정실험본실험은 RIE type metal etcher인 AME8330 hexode system을이용 etch parameter(gas Ratio, DC bias, pressure Total now) 에대한 Al-1% Si film의 etch 특성을분석했고, 이를기초로각 step별 etch parameter별 etch profile 특성을분석했다. A1-1% film의 main etch 공정을 set-up하기위해 standard etch recipe Step1) BCl 3/Cl 2=150/10, 20mT, -260V, ET=2.5min Step2) CHF 3 /Cl 3 /Cl 3 =20/126/54 35mT -160V just Step3) CHF 3 /CF 4 =50/20, 90mT, 225W ET=10min 를위와같이설정하였다. - 147 -
(1) Etch parameter별 Etch 특성고찰 Al-1% Si film의 main etch step에서 etch parameter별 etch특성 trend graph는그림66, 그림67, 그림68, 그림69, 그림70 에나타나있다. BCl 3 +Cl 2 etch chemistry에서 chlorine 함유율 <Alp a=cl 2/(BCl 3+Cl 2 )> 가증가되면 plasma내에 dissociated chlorine species량의증가로세 surface에보다많은 CL * 2, Cl * radical이흡착되어 spontaneous reaction을일으키므로 Al의 etch rate은급격히상승되고이에비해 sel(al/pr) 과 sel(al/o x ) 도향상됨을알수있다. 이것은 Al-1% Si film이 chlorine에의해강력한 chemical reaction을일으키고있음을시사하고있고이와비슷한 total gas flow(q) 증가에도비슷한경향을보여주고있다. 또한 pressure 증가에대한 Al etch 특성은아래의 equation에의해 etch species의 residence time이길어져 Al surface에 adsorb될확률이증대되어 ER(Al), sel(al/pr) 가증가됨을알수있다. 그러나 DC bias가증대되면 plasma내 positive ion이보다높은 plama potential(vp) 에의해 high kinetic energy를갖고 Al-surface에충돌 (Al-Cl)ads bond를 break시켜 chlorine을떼어냄으로 adsorption Rate 를감소시키고, 이에따른Al etch rate 감소와sel(Al/PR), sel(al/ox) 감소를볼수있다. CHF 3 gas now rate의증가는 gas polymer 특성 (Carbon은 Nonvolatile 이다) 과 fluorine이 chlorine보다전기음성도가높은특성및 AlF 3 가 nonvolatile인특성에의해 Al etch rate sel(al/pr), sel(al/ox) 의감소를볼수있다. (2) Etch parameter별 Etch profile 특성고찰 Al-1% Si film의 4step etch process를 set-up 하기위해다음과같은 standard etch recipe 를갖고 (step2) 와 (step3) 조건을최적화하였다. Step1) BCl 3/Cl 2=150/10, 20mT, -260V ET=2.5min Step2) CHF 3 /BCl 3 /Cl 2 =20/126/54 35mT -160V just Step3) CHF 3 /BCl 3 /Cl 2 =10/45/35 30mT -180V OE=50% Step4) CHF 3/CF 4=50/20 90mT 225w ET=10min - 148 -
우선 main etch step 인 (step2) 의 CHF 3 gas의 side wall passivation 효과를분석하기위해그림71과같이 CHF 3 =0,10,20 sccm에대해 split한경우 CHF 3 =0일때완전한 sidewall passivation이잘되지않아 undercut이생성됨을알수있고 CHF 3 =20일때완전한 side wall passivation 이이루어짐을알수있다. 또한 CHF 3 gas flow rate를 20SCCM으로 fix 하고 Cl 2 +BCl 3 =180CCM 으로두었을때, Cl 2 gas ratio가 0.35, 0.30, 0.25에대해 undercut현상을그림 72 와같이볼수있다. 즉, main etch step(step2) 에서 Cl 2 gas ratio 가커지면 reentrance현상이생성되는데이것은 etching중에생성되기보다 over etching중다량의 chlorine radical이 sidewall을 attack 함으로생성된다고보고, main etch step(step2) 에서 CHF 3 =20 Cl 2 gas ratio를 0.30으로하고 over etch step(step3) 에서 reentrance 를해결하는것이좋다고생각된다. Over etch step에서etch profile을조절하는 etch parameter는 Cl 2 gas로이에대해 Cl 2 =25, 30, 35SCCM을 split한결과 Cl 2 =25SCCM 이하에서 anisotropic한 etch profile 을얻을수있었다. 위의 etch profile 결과를정리하여보면 main etch step(step2) 에서는 polymer gas인 CHF 3 를 20SCCM 정도넣어 sidewall passivation 을증가시키고, Cl 2 gas ratio를 0.30이상으로올려 sel(al/pr) 를향상시키며, over etch step(step3) 에서는 Cl 2 flow rate를 25SCCM이하로조절하여 over etching시 Cl 2 radical이 sidewall을 attack하는것을방지하는것이좋음을알수있다. - 149 -
그림 66. Gas Ratio Dependence. - 150 -
그림 67. Total Gas Flow Dependence. - 151 -
그림 68. Total Gas Flow Dependence. - 152 -
그림 69. Dc Bias Dependence. - 153 -
그림 70. CHF 3 Gas Flow Dependence. - 154 -
그림 71. CHF 3 Gas flow에따른 Etch profile - 155 -
그림 72. Gas Ratio [Alpa=Cl 2 /(BCl 3 +Cl 2 ) 에따른Etch profile - 156 -
그림 73. Cl 2 Gas flow에따른 Etch profile - 157 -
4. End point 검출방법에관한연구 가. 서론반도체제조공정에서보다정확하고선폭손실없는패턴형성을위해 plasma etching 공정 이 4KDRAM 정도의집적도를가지는 device 제조공장이후에서부터도입되기시작하면서 현재는 4M DRAM 및그이상의고집적디바이스제조를위한기본적인공정이되고있다. 여기서사용되는 PLASMA 생성의내부 mechanism에대한정의가많이내려져있으나아 직도증명되지못한화학, 물리반응이존재하는것이사실이다. 특히반도체제조공정에서 사용되는산화막이나다결정실리콘, silicon, 알루미늄등의 etching 반응의규명에있어서, gas 선택은기본적인화학반응에의해알려진 gas를몇가지사용하여직접적용시켜본 후나타나는결과를가지고 gas의 plasma 내에서의동작을역추측하는방법에거의대부 분의존하고있다고볼수있다. Plasma 내부의 gas 반응에대한구조를분석하기위한방 법으로는대표적으로반응 gas 일부를 sampling 한후원소별로분리하여정량분석하는 mass spectroscopic method가이용가능하나 plasma 내부에 sensing head가직접노출되 는관계로 plasma 에비대칭성영향을주며, head가오염되는문제로 plasma 분석에는비 교적 부적합하다고 볼 수 있다. 본 실험에서 사용한 OMA(Optical Multi-channel Analyser) 설비는 plasma 생성시발생되는빛이반응 gas와 etching 되는막의종류, 또는 반응생성물 각각에 대한 특성파장을 포함하는 것을 이용하여, 빛을 순간적으로 동시에 sampling 한후각파장별로각각의 intensity를측정해냄으로써 plasma 반응의상태를분 석할수있으며, 또한 time-transient analysis 방법에의해연속적으로각각의파장의 intensity 변화를분석함으로써 etching 반응이완료되는시점인 end point detection 방법 에응용할수있다. 여기서는 OMA 설비의 set-up과겸하여 LAM 장비내에서의 Fluorine 계 gas mixture(sf 6 He) plasma에의한 poly-si etching 반응을분석하고 EPD를위한특 성파장을규명하는 OMA application 실험을진행하였다. - 158 -
나. 본론 (1) 실험목적 OMA 설비를직접정확한 data에근거한분석용으로사용키위해서는 main control computer와 beam splitter, diode array detector가서로기계적인 align 이되어야하고, 이미알려진 standard 파장 lamp에의해 wave length calibration이되어야하는관계로실험은주로 hardware set-up 을목적으로실시하게되었다. 또한 set-up 완료된상태에서널리사용되는 poly-si etching 반응 plasma를직접분석해봄으로써 application방법을설정하고분석 data는 data sheet와비교하여정확성을기하였고찾아낸특성파장으로 EPD 에적용하는방법을실험하기위해서였다. (2) OMA 구조및원리, 조정 ( 가) 구조및원리하나의 slit을통해들어온 sample light를파장별로동시에분석하기위한 OMA의구조를그림74 에나타내었다. Plasma가발생되는 chamber에서 inspection window용 glass 를통해나오는빛이, 외벽에부착된 optical fiber를통하여 beam splitter(spectrograph) 까지전달된후 mirror와 grating을거치면서각각의파장으로분리되어 detection용 diode array에닿게됨으로써각파장의 intensity 가측정되게되어있다. 여기서일정한크기의 diode array에 sensing되는파장의범위는약 250nm폭으로되어있어 100-1000nm의넓은파장범위를분석하기위해 grating assembly의각도를움직여 diode array 에닿는부분을이동시키게되어있다. 이 diode array detector는그림75에나타낸개략도와같이반도체 chip 위에형성된 512 개의 diode array에분석광이비춰지고뒷면에서 electron beam이주사되는구조로되어있으며그등가회로는그림 76 과같다. - 159 -
이각각의 diode가 photon에노출되면내부의 junction capacitance가직선적으로방전하게되며일정시간이지난후재충전하게될때걸리는시간이방전량과비례하므로광의 intensity 로나타난다. 또한 thermally generated electron에의한 dark current를줄이기위해 detector assembly cooling(5 ) 구조를가지고있다. ( 나) Calibration 측정과장 range 를바꾸거나장시간방치후사용할경우, detector assembly의 grating movement가기계적 handling 구조로되어있는관계로새로 wavelength calibration을실 시하여야한다. 그림77는 calibration에사용하는 standard U.V lamp wavelength chart로서 peak과장은 이미알려져있다. Main controller의 data acqusition mode에서 start한후 fiber-optic을 통해 U.V lamp light를받아들인다음 data file에 save하여 calibration utility mode에서 화면상의 peak wavelength와 그림77의 wavelength를 correlation시켜 grating 각도와 wavelength를 matching 시킨다음실험을진행할수있다. ( 다) 실험진행실험장비로서는 LAM-490 Ⅱ호기로서 poly-si etching의주된 gas mixture인sf6/he chemistry 를사용하였다. 그림78 에그구조를개략도로나타내었다. 우선 poly-si main etching 때와하부 oxide가드러난후의 over etching 시의 plasma emission light를 sampling하여각각 plotting한결과를그림 79, 80 에각각나타내었다. 이 plot에서대부분의 high intensity peak는 He range에서나타났으며 auto-scaling에의해 F(Fluorine) 계의 wavelength는 background level 에거의같이실려있다. 그림79, 80 은 350-600 nm, 그림 81, 82는 500-750nm range를각각나타낸것으로서 600nm이하에서는특성파장의 intensity 변화를거의볼수없었으나, 650nm에서 750nm사이의범위에서몇몇파장의intensity 변화를알수있었다. - 160 -
그림81, 82의 peak wavelength를비교하여실제 plasma 내부의반응물질을 define 할수있다. 그림81과 82에서 502.5 nm, 587.3 nm, 668 nm, 706.3 nm, 728.4nm등은모두 He-peak에근접한값으로서 main etch와 over etch 사이에 intensity 변화가없으며, etching 반응시 He 분자의생성, 소멸이발생하지않는것을알수있다. 624.4 nm, 677.9 nm, 685.4 nm, 689.5 nm, 703.4 nm, 712.7 nm, 720.2 nm, 740.0nm등은모두 F-peak에근접한값으로 SF 6 /He gas discharge에의해생성된 F radical 또는 ion에의한 emission light 임을알수있다. 이파장들의 intensity는모두 main etching에비해 overetching시증가하여특성파장으로나타나는것을볼수있다. 이중특히 703.4 nm( 정확히 703.8 nm) 의 intensity 변화가가장크게나타나는것으로보아 703.4nm의 F 성분이 main etching시 poly-si과결합하여 SiFx 형태로 vaporization 되는것으로예측된다. Poly-Si이거의 etching되어 substrate의 oxide가드러낼경우 consume 되는 Si의량이극히줄어듦으로 F 성분이소모되지않아 intensity 가급격히증가하게된다. 그외의 F-line intensity는 703.4nm의 F 성분에대한 secondary emission wavelength 로서변화폭이작다. ( 라) EPD application 이상에서본 SF 6 /He plasma 내부의 specific wavelength의 intensity변화 monitoring 방 법을 응용하여 특정한 막의 etching시 나타나는 emission light를 분광분석 함으로써 etching 이완료되는시점을정확히 monitoring 할수있다. 대부분의반도체 etching 설비 는각각특정막의 etching 용으로구별되어제조됨으로써내부의 end point detection circuit도그막하나에대한단일특성파장을이용하여 auto EDP 동작을하게되어있다. 따라서 etching layer 의막질변화나다층막구조(polycide, sandwitch structure, barrier metal 등) 에서는 layer와 layer간의 emission intensity변화가불분명하여 EPD가 fail되는 경우가생기며, 특히전체 wafer 면적에대해 etching되는물질의 open area가 5% 정도이 하인 경우 (contact etch) 에는 EPD signal의 특성파장 변화보다는 background noise level의 fluctuation이더심해상대적인 S/N 비(signal/noise ratio) 가저하되어정확한 EPD 동작이불가능하게된다. - 161 -
또한이러한 system의경우단일파장 sampling을위해사용되는 filter가 broad-band로서특성파장변화뿐만아니라 background noise level 변화를같이읽음으로써변화폭이 5-30% 이내이다. OMA의 plasma 분석에의한 EPD 적용의경우각각의 main wavelength 와 secondary wavelength를모두구하여각각의 intensity 변화를중첩하여 signal processing 함으로써그변화폭을 100-300% 까지향상시킬수있다. 그림83은 SF 6 /He plasma 에서몇몇성분(F, SiF, He) 의특성파장을 time bass로각각의intensity 변화를 plotting 한결과이다. 대부분의 F-파장은 etching start 후 28초에서모두 rising curve를나타내고있으며, He과 SiF-line도같이 rising 하고있으나그변화폭이작으며, 그이유는반응의변화보다는 plasma 내부의 background emission light의변화에의한것으로기인한다. 특히 SiF-line은 background 변화를고려할경우 negative slope(going-down) 을나타내게되어있다. 이것은 F 성분과 poly-si의결합에의해생성된 SiF 성분이 plasma 내에서재분리되면서나타나는 emission light로서 poly-si etching이완료될경우 SiF line은감소하게된다. 이처럼 SiF line의변화폭이상대적으로낮은것은 chamber내에주입된 gas의대부분이 F- 상태로그대로 pumping out 되며극히일부의 F 성분이 Si과결합하여 etching 반응을일으키기때문이다. 이때사용한 wafer는 poly-si(4000 A, 8%) - on oxide(200a, thermal)-on Si-substrate 구조로서 over etching 상태에서계속 plasma on 상태를유지할경우 poly/sio 2 selectivity(5:1 정도) 에의해 oxide가 consume 되면서 sub 의 Si 이드러나므로, 다시 F-성분과 Si의결합에의해 F-line의 intensity가떨어지고 oxide가완전히없어질경우 poly main etching과거의같은 rate로 etching이진행되며 pitting 현상을일으키기때문이다. 이러한현상을응용하여얇은 gate oxide를가진 poly-si etching 시(1MDRAM poly-Ⅱ etching, poly-Ⅰ slope etching 등) over etch ratio에따른 Si-pitting 현상을 time-base로 dynamic 하게 trace 할수있어 process develop 에매우유용하게응용될수있다. - 162 -
그림84에 F-line(703.5 nm), He-line(706.5 nm), SiF-line(770.0 nm) 을따로분리시켜 time-to-intensity graph 로다시나타내었다. 703.5nm line의 initial 상승 point가약 20초부근이며급상승 point가 28 초나타났다. 이러한기울기의변화정도에따라 etching 반응진행시의 uniformity trace 에이용할수있다. 실제실험시의 wafer에서 etching uniformity는 3.5% 로서매우 uniform 한 etching 특성을보여주고있으며실제 F-line의상승기울기도 28초에서거의무한대의기울기로보이고있어 good uniformity를나타내준다. 이상의검토결과에의해 specific wavelength를 time-base로 monitoring 한결과에서얻을수있는정보는다음과같다. 1 Plasma의 main reaction species 2 Specific wavelength for end point detection 3 Etching uniformity 추정 4 Over etching trouble analysis 5 Etching selectivity calculations 참고로표23에서반도체공정에서사용되는몇가지 layer의 etching시이용될수있은특 성파장의table 을나타내었다. - 163 -
표 23 Plasma 반응에따른유용한특성파장및에칭막별특성파장 table. ( 마) External signal control 현재까지 OMA를사용하여 plasma etching시의 EPD 방법에대한적용을검토하였으며여기서는실제로설비와 matching 시켜공정적용이가능한기술적방법을소개한다. OMA 설비에서는 emission light analysis 기능외의외부단자와의입출력동작을가능케하는 PLA port 가장착되어있다. 모두 16개의 I/O용 bit를가지고있으며각각을 input 또는 output 용으로선택해서사용할수있다.( 그림86) - 164 -
Etching 설비에서 plasma가 on 되는시점에서, 설비에서생성되는 RF on trigger신호를 OMA data processing을위한 trigger 신호로입력하면 RF on과동시에파장분석이 time-base 로가능하다. 그림87에서 나타낸 것과 같이 주어진 waveform에서 monitor 하고자하는 wavelength band을 define하여 maximum 8개까지 display mode에설정해두면각각의 band에대한 intensity 변화를 monitoring 한다. 그림87, 88에서와 같이 주어진 band에 대한 triggering condition 을 설정(Function, direction, value) 하면그 band의 intensity 변화가조건을만족할경우 PUL mode에서설 정한 output pin을 통해 trigger pulse가 output되며 이 신호를 간단한 TTL mode의 circuit로 interface하면 etching 설비의 external end etch signal 로사용할수있다. 이렇 게함으로써 critical layer의 EPD 안정을위해 OMA를 auto mode 로사용할수있다. EPD trigger 후의 overetch ratio도 OMA 내부에서 % 로설정할수있어 flexibility가뛰어 나다. 다. 결론이상에서 OMA 설비를이용한 plasma analysis 방법과이방법을응용하여 EPD mode에 적용할수있는구체적인방법을제시해보았다. single wafer processing설비의경우대 부분의 EPD mode는설비자체의 mechanism에의해안정적으로가능하나 open area가 낮은 contact etching 이나 patch type etching에서는 emission light의 intensity 변화가 noise 변화에비해상대적으로낮아 EPD 가곤란하다. 이실험에서사용한 OMA분석방법을사용하여 contact etching이나 batch type etching 을 안정적으로 분석하는 과제가 계속 진행되어야 할 것이다. 또한 multiple channel analysis에의한 plasma분석의이점을활용하여복잡한다층 layer의 etching chemistry 규명및process recipe development 에도충분히활용할수있을것이다. - 165 -
그림74. OMA에의한Plasma 분석구조도. - 166 -
그림 75. diode detector array - 167 -
그림 76 detector array의등가회로 그림 77 Standard U.V light Source spectrum - 168 -
그림 78 LAM-490 설비에응용한 OMA 실험구조 그림 79 Poly-Si main etch plasma spectrum (350~600 nm) - 169 -
그림 80 Poly-Si etch plasma spectrum (150~600 nm) - 170 -
그림 81 Poly-Si main etch plasma spectrum(500~750 nm) - 171 -
그림 82 Poly-Si over plasma spectrum(500~750 nm) - 172 -
그림 83 SF 6 /He Plasma 내에서의특성파장 intensity time plot. - 173 -
그림 84 F, SiF, He line의 intensity-time plot - 174 -
그림 85 LAM-490 machine에의한 EPD Signal plot - 175 -
그림 86 PIA Setting mode display 그림87 Intensity-time monitoring을위한특성band 설정display - 176 -