Kuru aşındırma yöntemiyle titanyum silisite seçici kontak aşındırma prosesinin optimizasyonu
Optimization of selective titanium silicide contact hole etching process via dry etching method
Yazar: TUĞBA BİLGİÇ KELLE
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL MERİÇBOYU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Aşındırma = Abrasion ; Metal-yarı iletken sistemler = Metal-semiconductor systems ; Mikroçipler = Microchip ; Titanyum = Titanium

Özet:
Yarı iletken teknolojisi, haberleşme ve bilişim teknolojilerinin ana unsurudur. Yarı iletken teknolojisi geliştikçe bu alanlardaki gelişim de hızlanmaktadır. 
Tümdevre; yonga, çip, kırmık, mikroçip olarak adlandırılabilen aktif ve pasif elemanlardan oluşan elektronik devreler bütünüdür. Tümdevrenin en küçük yapıtaşı transistörlerdir. Transistör teknolojisinde temelde CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor  /Bütünleyici Metal Oksit Yarı iletken) ve BJT (Bipolar Junction Transisto/Çift Kutuplu Eklem Transistör) transistörler olmakla beraber günümüzde radar ve haberleşme sistemlerinde yüksek işlem hızı nedeniyle CMOS ve BJT transistörlerin aynı çip içerisinde yer aldığı BiCMOS transistörler önem kazanmaktadır. 
Yarı iletken endüstrisinde kolay işlenebilir olması ve belirgin özellikleri nedeniyle çoğunlukla silisyum kullanılmaktadır. Silisyumun son yörüngesinde 4 elektron vardır. Silisyum iletken hale gelmesi için son yörüngesinde 5 (fosfor ve arsenik gibi) veya 3 (bor ve galyum gibi) elektron olan atomlarla katkılanır ve böylece p ve n tipi denilen katkılı silisyumlar oluşur. Bu katkılı bölgelere gerilim uygulandığında iletken olan metallerden akım geçer. Böylece elektron hareketi sağlanmış olur.
Tümdevre üzerindeki elektronik devrelerin oluşması için silisyum taban üzerine depolama, katkılama, maske yapısının litografi tekniğiyle yüzeye yazdırılması, ve aşındırma olmak üzere temel işlemler uygulanmaktadır. Her bir işlem toz ve nemden arındırılmış temiz oda olarak adlandırılan özel alanlarda gerçekleştirilir. 
Aşındırma işlemi, maskeleme sonrası fotorezistle korunmayan bölgelerin fiziksel ve kimyasal reaksiyonlarla aşındırılması temeline dayanır ve kuru ve ıslak aşındırma olarak ikiye ayrılır. Islak aşındırma, kimyasal çözücüler kullanılarak fiziksel etki olmadan kimyasal rekasiyonlarla aşındırılacak malzemenin aşındırma çözeltisinde çözünmesi ile uzaklaştırılmasıdır. Kuru aşındırma tekniğinde ise plazma ortamında elektron, iyon ve radikallerin fiziksel ve kimyasal etkisiyle aşındırma gerçekleşir. Maddenin 4. hali olan plazma, uyarılmış türlerden oluşan fotonlar, pozitif ve negatif yükler, nötr atomlar, radikaller içerir. Bir gaza, yeterli büyüklükte elektrik alan uygulandığında plazma oluşturulabilir. Uygulanan elektrik alandan kinetik enerji kazanan elektron, gaz atomu veya molekülü ile çarpışarak enerjisini ona aktarabilir. Bir çarpışmanın meydana gelmesi de, gaz moleküllerinin iyonlaşması, parçalanması ve uyarılması ile sonuçlanır. Bu iyonlar veya radikaller aşındırıcı olarak davranır. Bu iyonlar ve radikaller bazı katmanlara karşı seçici davranırken, bazı katmanları aşındırabilir.
Kuru aşındırma işlemi, vakum altında gerçekleşir. Plazmada bulunan iyon yoğunluğuna göre farklı teknikler için farklı reaktörler kullanılmaktadır. Temel olarak paralel iki plaka arasında radyofrekans güç kaynağı ile plazma oluşturulan RIE (Reaktif İyon Aşındırma) reaktörünün yanısıra, güç kaynağı olarak manyetik etkinin de kullanıldığı MERIE (Magnetically Enhanced Reaktive Ion Etch/Manyetik Olarak Geliştirilmiş Reaktif İyon Aşındırma) reaktörü, reaktörün etrafına yerleştirilen bobinler ile ikinci bir radyofrekans güç kaynağı kullanılan ICP (Inductively Coupled Plazma-İndüktif Eşleşmiş Plazma) reaktörü de kullanılmaktadır. RIE tekniği düşük yoğunluklu plazma (108-1010 elektron/cm3) yöntemi olarak sınıflandırılırken ICP tekniği yüksek yoğunluklu plazma yöntemi (1011-1013 elektron/cm3) olarak sınıflandırılmaktadır.
Aşındırıcı gazlar, bazı malzemeleri aşındırırken bazı malzemelere karşı seçicilik gösterebilmektedir. Örneğin silisyum dioksit ve silisyum nitrür aşındırma için CF4 (tetraflorometan), CHF3 (triflorometan) gibi florlu bileşikler kullanılırken, polisilisyum ve alüminyum aşındırma için HBr (hidrojen bromür), Cl2 (klor) gibi gazlar kullanılmaktadır. Kuru aşındırmada temel etki F, Cl2, Br gibi halojenler tarafından sağlanmaktadır. 
Tümdevre üretiminde, içlerine metal doldurularak iletken bölgeler oluşturulacak kontak deliklerinin oluşturulması ve bu bölgelerdeki elektron geçişine direnç önemli parametrelerden biridir. Bu çalışmada, kontak aşındırma prosesi optimize edilmesi amaçlanmıştır. Bunun için, kontak aşındırma prosesi reaktif iyon aşındırma reaktöründe iki aşamalı olarak gerçekleştirilmiştir. İkinci aşamanın, silisyum üzerinde oluşturulan titanyum silisit katmanına karşı seçici olması gerekmektedir. Titanyum silisit, kontak içlerine doldurulacak metal ile silisyum arasında ara bağlantı elemanı olarak görev yapmaktadır. Kontak direçlerinin yüksek olmaması için kontak içlerinde aşındırma sonrası dielektrik malzeme (silisyum dioksit) kalıntısı veya aşındırma sırasında oluşan polimer kalıntısı kalmaması çok önemli olduğu gibi, silisyum dioksit aşındırılırken alt katmanında bulunan titanyum silisitin aşındırılmaması da çok önemlidir. Bunun gibi birden fazla katmanın bulunduğu ve alt katmanın aşındırılmaması istenen durumlarda uygulanacak yöntemin alt katmana mümkün olduğunca seçici olması istenmektedir.
Bu tezde sunulan çalışmada; güç, basınç ve gaz değişkenlerinin etkisini incelemek amacıyla deneyler gerçekleştirilmiş ve deneyler iki aşamalı olarak  planlanmıştır. Birinci aşamada, sabit bir gaz oranında basınç ve güç parametreleri değiştirilerek en iyi seçicilik değerini veren basınç ve güç değeri belirlenmiştir. İkinci aşamada ise birinci aşamada belirlenen basınç ve güç değeri sabit tutularak gaz bileşimi değiştirilmiş ve optimum gaz akış miktarı belirlenmiştir. Birinci aşamada, "Minitab Statistic" programı ile deneysel tasarım yöntemlerinden tam faktöriyel tasarım yöntemi ile deney parametreleri belirlenmiş, ikinci aşamada ise karışım tasarımı yöntemi ile gaz karışımları belirlenmiştir. Seçiciliği yüksek olan numunelere FIB-SEM cihazı ile kesit görüntüsü alınmış ve boyut ve profil kontrolü yapılmıştır.

Abstract:
Semiconductor industry, is the main element of computer science and communication. As the semiconductor industry develops, these technologies are also developed.
Integrated Circuit (IC), is consist of active and passive area. Transistors is one of the active areas. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) and BJT (Bipolar Junction Transistor) transistors was the base transistor technics but at the present time BiCMOS transistors are exist which are CMOS and BJT transistors in one chip. Silicon is the most useful element on IC technology beacuse of the easy availability and cheap. Normally silicon is dielectric material but by implanting it becomes conductive material. Silicon has four electrons in valans band. When silicon is implanting with atoms which have five or three electrons in valans band, p type and n type silicon are formed. Electrons flow between these type of silicon by voltage.
In the production of  IC, there are some main process are applied to silicon wafers in repeatedly which are  deposition of layers, litography, ion implantation and etching. As dielectric material silicon dioxide and silicon nitride and as conductive material aluminum and tungsten are deposited. In lithography, the light sensitive organic material called photoresist is used as a mask layer. To built the complex structures that create a transistor and the many wires that connect the millions of transistors of a circuit, lithography and etch pattern transfer steps are repeated many times. After the lithography, areas which is not photoresist in is etched.
There are two main etch methods which are wet etch and dry etch. In wet etch, there are chemical solutions to etch material. While there are chemical effect in wet etching, physical and chemical etching in dry etching. Hence, wet etch cause isotropic etch, dry etch cause anisotropic etch.
Dry etching occur in vacuum chamber with etching gases in plasma. Plasma is started by supplying radio frekans (RF) power to anode and cathode electrodes system. Electrons collisions to molecules and occur radicals. These species cause physical and chemical etching. There are some kind of reactors which are Reactive Ion Etch (RIE), Inductively Coupled Plasma (ICP), Magnetically Enhanced Reactive Ion Etch (MERIE). 
For etching of dielectric material which are silicon dioxide and silicon nitride, is used florine based chemicals such as CF4, CHF3. For etching of polysilicon and aluminum, HBr and Cl2 gases are used. 
For occuring to metal-silicon contact hole, silisyum dioxide which is a dielectric material is etched. In these thesis, contact hole etching occur in RIE reactor with CF4, CHF3, O2, He gases. 
In IC production, resistivity of silicon-metal interface is one of the most important things. After etching contact hole, aluminum or tungsten is deposited into the hole. Electron transfer from silicon to metal can be prevented, this cause high contact resistivity which is undesired. For low contact resistivity, contact hole cleaning is important issue. There should not been any dielectric or polimer residue in hole. To the decrease contact resistivity, siliside layer occur in silicon-metal interlayer. For this issue titanium silicide (TiSi2) is used in this thesis. 
To occur titanium silicide, firstly titanium is deposited on silicon substrade, and then TiSi2 is formed while temperature is incerasing with RTP (Rapid Thermal Process). Resistivity is measured during the process. TiSi2 occurs in two step. In first step, high resistivity TiSi2 (C49 phase) occurs and then as the temperature increasis low resistivity TiSi2 (C54 phase) occurs. After the process, resistivity is measured via four point probe (4pp) and the sheet resistance is found. 
After salicide process, silicon dioxide which is dielectric layer is deposited. Then contact pattern mask occurs on surface via lithography. Forming contact hole is mean of etching silison dioxide. It is desired to etching silicon dioxide but not etching underlying film which is titanium silicide. The recipe used, must be selective etching to titanium silicide. This thesis is aimed that optimize contact etch prosess to selectively and good profile etching. Contact profile is important to deposition metal layer in hole. In this purpose 85-89º angle conic profile is desired.
Etch recipe used has two step. In first step, there are carbon tetrafluoride (CF4), trifloro metan (CHF3),  and oxygen (O2) gases, but in the second step there are CHF3, CF4 and Helyum (He) gases. Because of the atomic fluorine concentration increasis upon O2 addition in the plasma, TiSi2 etch rate is increasis. Because of this in the second step of recipe do not consist of oxygen. As hydrojen radicals in the plasma is increased, fluorocarbon layer on the silicide surface will be increased thus TiSi2 etch rate is decreased. So hydrofluoro carbon chemicals is important for selectivice etch of SiO2 towards TiSi2. The second step is important for us because of the underlying layer selectivity. Because of this in this study, parametres of second step is changed and analyzed. Power, pressure and gases proportions are the parameters which can be changed.
In this study, design of experiment methods (DOE) are used. The experiments are planned two steps. For the first step, effect of power and pressure are examined at same gases proportions via full factorial design method. Etch selectivity and contact profile are the results which are analyzed. After found optimum power and pressure value, the second step began. With is found power and pressure value, effect of gases proportions are analyzed via mixture design method on DOE in the second step. After all of them, optimum power, pressure and gases proportions was found for SiO2 towards TiSi2 etch selectivity and contact profile. Design of experiments were analyzed on Minitab Statistics software. 
Results were characterized with a few methods. Thickness of SiO2 and TiSi2 were measured with Spectroscopic Reflectometry and Spectroscopic Elipsometry technics. Titanium silicide sheet resistance was measured by four point probe (4pp). Contact profile was analyzed by Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy (FIB-SEM).
In first step with 3 level, 2 factor full factorial design, 9 experiment were carried out and was found 150 militorr pressure and 400 watt RF power is the best etch selectivity of SiO2/TiSi2 which is 10,1 at gases proportions which are CHF3:35 sccm; CF4: 7 sccm; He: 65 sccm (standart cubic centimeters per minute). As power increased etch selectivity and etch rate of both SiO2 and TiSi2 are increased at same pressure values but TiSi2 etch rate increased less than SiO2 etch rate so etch selectivity of SiO2 towards TiSi2 is raised. However, as pressure increased, etch selectivity and etch rate of both SiO2 and TiSi2 are decreased at same power values. It's becaused as pressure increased mean free path which are path is atoms and ions gone is decreased so etch rate is reduced. On the other hand, as power rises effect of pressure on etch rate and selectivity are reduced. According to full factorial design, the analysis with a sensitivity value of 95% statistically gives the same result as the experimental values.
In the second step which is done with mixture design; it is done 11 experiments and was found CHF3:34 sccm; CF4: 11 sccm; He: 61 sccm is the best selectivity of SiO2/TiSi2 which is 10,4 at 150 militorr pressure and 400 watt RF power. When the results are analyzed, on the quadratic model p value of effect of CHF3*CF4 and CHF3*He are smallest. In this case, the binary combined effect of two gases is greater than the effect of one or three gases. According to mixture design, the analysis with a sensitivity value of 95% statistically gives the same result as the experimental values.