SiN PEALD 증착 공정 특허 분석: Silicon Hydrohalide Precursors

링크: https://patents.justia.com/patent/10580645

제목: Plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) of SiN using silicon-hydrohalide precursors

 

 

특허는 실리콘-하이드로할라이드 전구체를 사용하여 실리콘 질화물(SiN) 필름을 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 방식으로 증착하는 방법에 대해 설명하고 있으며, 특히 3차원 구조물에 대한 SiN 필름의 품질과 균일성을 향상시키는 프로세스에 중점을 둡니다. 아래는 증착 과정의 주요 단계에 대한 간단한 설명입니다.

증착 과정의 주요 단계

1. 플라즈마 전처리 단계:
   • 이 과정은 두 가지 순차적인 플라즈마 처리 단계를 포함합니다:
     1. 수소 플라즈마 처리: 기판을 수소 플라즈마에 노출시켜 표면에 반응성 수소 종단기(H-terminated) 사이트를 증가시킵니다.
     2. 질소 플라즈마 처리: 기판을 수소 플라즈마가 없는 상태에서 질소 플라즈마에 노출시킵니다. 이 단계는 트렌치의 상부와 같은 더 접근 가능한 영역에서 수소 종단기를 제거합니다.
2. 실리콘 질화물 증착 단계:
   • 플라즈마 전처리 후, 실리콘 질화물 증착 단계가 시작됩니다:
     1. 실리콘 전구체 노출: 기판을 DIS 또는 기타 실리콘-하이드로할라이드와 같은 실리콘 전구체에 노출시킵니다. 실리콘 전구체가 기판 표면에 흡착됩니다.
     2. 질소 플라즈마 노출: 기판을 질소 플라즈마에 노출시켜 흡착된 실리콘 전구체와 반응하여 실리콘 질화물(SiN)을 형성합니다.

목적 및 이점

• 개선된 균일성: 플라즈마 전처리 단계는 트렌치의 하부와 같은 덜 접근 가능한 영역에서 실리콘 전구체 흡착을 향상시켜 균일성을 개선합니다.
• 빈틈 및 솔기 감소: 이 방법은 균일한 필름 두께를 제공하여 복잡한 3D 구조물의 간극 채움(gap-fill) 공정에서 빈틈과 솔기 발생을 줄이거나 제거합니다.
• 향상된 필름 품질: 순차적인 플라즈마 처리와 제어된 실리콘 전구체 흡착을 통해 SiN 필름의 전반적인 품질을 향상시켜 다양한 반도체 응용 분야에 적합하게 만듭니다.

응용 분야

• 반도체 소자: SiN 필름은 평면 로직, DRAM, NAND 플래시 소자에 사용됩니다. 특히 균일한 필름 증착이 중요한 높은 종횡비 구조에서 유용합니다.

순차적인 플라즈마 전처리 단계를 거쳐 실리콘 전구체와 질소 플라즈마 노출을 통해, 이 PEALD 프로세스는 3차원 구조물에 대해 균일성과 결함 감소를 갖춘 고품질의 실리콘 질화물 필름을 달성합니다.

 

주요 매개변수 요약:

1. 유량: 문서에는 사용된 특정 설정과 조건에 따라 다양한 유량이 언급되어 있습니다. 이러한 유량은 일반적으로 기체의 경우 표준 입방 센티미터 퍼 분(sccm) 또는 액체의 경우 밀리리터 퍼 분(mL/min) 단위로 표현됩니다.
2. 처리 시간: 처리 시간은 반응 조건과 원하는 결과에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 문서에서는 몇 분에서 몇 시간에 이르는 다양한 반응 시간 예제를 제공합니다.
3. 온도: 반응 온도는 문서에 광범위하게 설명되어 있습니다. 이러한 온도는 수행되는 반응의 유형과 사용되는 재료에 따라 다릅니다. 문서에 제공된 예제는 실온에서 몇백 도씨에 이르는 온도를 포함합니다.

문서의 구체적인 예제:

다음은 특정 반응에 대한 유량, 처리 시간, 온도를 설명하는 문서의 구체적인 예제입니다:

• 유량: 200 sccm의 수소 가스
• 온도: 300°C

 

• 압력: 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 과정 동안 반응기 압력은 효과적인 플라즈마 생성과 필름 증착을 보장하기 위해 일반적으로 저압으로 유지됩니다. 문서에서 언급된 구체적인 압력 범위는 보통 0.1 ~ 10 Torr입니다.
• 예제 압력 설정: 특정 공정에서는 문서에서 플라즈마 처리 단계 동안 반응기 압력을 약 1 Torr로 유지하는 것을 명시하고 있습니다.

 

질소 플라즈마 처리를 통한 이득

1. 필름 품질 향상:
   • 질소 플라즈마 처리는 수소 종단기 대신 질소 종단기(N-terminated sites)를 제공하여 SiN 필름의 화학적 특성을 향상시킵니다. 질소 종단기는 실리콘 질화물(SiN)의 구성 성분이므로, 표면에 질소 종단기를 남기는 것은 최종 필름의 일관성과 품질을 개선하는 데 도움이 됩니다. 이는 특히 트렌치와 같은 미세 구조의 상부와 하부에서 균일한 증착을 가능하게 합니다.
2. 내구성 및 밀도 향상:
   • 질소 종단기는 최종 SiN 필름의 밀도와 내구성을 높이는 데 기여할 수 있습니다. 이는 특히 고품질의 박막을 필요로 하는 반도체 공정에서 중요합니다.
3. 잔류 스트레스 감소:
   • 질소 플라즈마 처리는 SiN 필름의 잔류 스트레스를 감소시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 박막의 기계적 안정성을 향상시켜 필름의 균열이나 박리를 방지합니다.
4. 전자적 특성 개선:
   • 질소 플라즈마 처리는 SiN 필름의 전자적 특성을 개선하여, 반도체 디바이스의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이는 특히 절연층이나 패시베이션 층으로서의 SiN 필름의 역할을 강화합니다.
5. 표면의 활성화:
   • 질소 플라즈마 처리는 표면을 활성화시켜 실리콘 전구체가 더욱 잘 흡착될 수 있도록 합니다. 이를 통해 실리콘 질화물(SiN) 필름의 품질과 균일성이 향상됩니다.

공정의 구체적 효과

• 수소 플라즈마 처리 단독:
  • 수소 플라즈마 처리를 통해 기판 표면에 수소 종단기가 형성되고, 이는 실리콘 전구체가 흡착되는 활성 사이트로 작용합니다.
  • 그러나, 수소 종단기만을 사용한 경우, 최종 SiN 필름의 질소 함량이 충분하지 않을 수 있으며, 이는 필름의 전자적 및 물리적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 수소 플라즈마와 질소 플라즈마 처리 병행:
  • 수소 플라즈마 처리는 초기 흡착 사이트를 제공하여 실리콘 전구체가 표면에 잘 흡착되도록 합니다.
  • 질소 플라즈마 처리는 표면에 남아 있는 수소 종단기를 제거하고 질소 종단기로 대체하여, SiN 필름의 질소 함량을 높이고, 필름의 밀도, 내구성, 전자적 특성을 개선합니다.

결론

질소 플라즈마 처리는 단순히 수소 종단기를 제거하는 것 이상의 역할을 합니다. 이는 기판 표면에 질소 종단기를 남겨 최종 SiN 필름의 화학적 및 물리적 특성을 크게 향상시킵니다. 따라서, 질소 플라즈마 처리를 포함하는 공정은 더 높은 품질의 SiN 필름을 얻기 위한 중요한 단계로 작용합니다.

 

 

질소 플라즈마 단독 처리의 한계

1. 초기 흡착 사이트 부족:
   • 실리콘 전구체가 기판 표면에 잘 흡착되기 위해서는 적절한 활성 사이트가 필요합니다. 질소 플라즈마 단독 처리는 표면에 질소 종단기를 남기지만, 이는 실리콘 전구체의 초기 흡착에 최적화된 활성 사이트가 아닐 수 있습니다.
   • 수소 플라즈마 처리는 수소 종단기를 생성하여 실리콘 전구체가 쉽게 흡착될 수 있는 환경을 만듭니다. 질소 플라즈마 단독 처리에서는 이러한 초기 흡착이 어려울 수 있습니다.
2. 반응성 균형 문제:
   • 질소 플라즈마 단독 처리로 인한 질소 종단기는 실리콘 전구체와의 반응성에서 수소 종단기와 다른 특성을 가질 수 있습니다. 이는 전구체 흡착의 효율성을 저하시킬 수 있습니다.
   • 수소 플라즈마 처리는 초기 흡착 단계를 최적화하고, 이후 질소 플라즈마 처리가 필요한 질소 종단기를 제공하여, 전구체 흡착 및 후속 반응 단계를 균형 있게 조절할 수 있습니다.

수소 플라즈마와 질소 플라즈마 병행 처리의 이점

1. 초기 흡착 최적화:
   • 수소 플라즈마 처리는 실리콘 전구체가 기판 표면에 초기 흡착될 수 있는 최적의 조건을 제공합니다. 수소 종단기는 실리콘 전구체의 흡착을 촉진하는 활성 사이트로 작용합니다.
2. 표면 활성화 및 최적화:
   • 질소 플라즈마 처리는 수소 플라즈마 처리 후 표면의 수소 종단기를 제거하고 질소 종단기로 대체하여, SiN 필름의 화학적 특성을 최적화합니다.
   • 질소 종단기는 최종 SiN 필름의 밀도와 내구성, 전자적 특성을 개선합니다.
3. 균일한 필름 형성:
   • 수소 플라즈마와 질소 플라즈마의 병행 처리는 초기 흡착 단계와 후속 반응 단계를 균형 있게 조절하여, 표면 전체에서 균일한 SiN 필름을 형성할 수 있습니다.

결론

질소 플라즈마 단독 처리는 기판 표면에 질소 종단기를 남길 수 있지만, 실리콘 전구체의 초기 흡착 단계에서 최적의 결과를 얻기 어려울 수 있습니다. 수소 플라즈마와 질소 플라즈마 처리를 병행하는 공정은 초기 흡착을 최적화하고, 후속 반응 단계를 조절하여, 고품질의 균일한 SiN 필름을 형성하는 데 필요한 모든 요소를 제공합니다.

 

※ ChatGPT-4o 를 이용해 생성된 포스트입니다.