이중 주파수 플라즈마 식각 장치에서의 기상 미립자 오염 제어에 관한 연구

Abstract

최근 반도체 소자의 집적도는 증가하고, 회로를 구성하고 있는 선폭은 계속 작아지고 있어 반도체 디바이스 제조 공정에서 요구되는 정밀도와 청정도도 꾸준히 증가하고 있다. 특히 밀폐된 청정실과 공조 시설이 잘 갖추어진 최근의 제조 환경에서도 다양한 원인에 의한 미립자 오염과 그에 따른 패턴 불량, 디바이스의 오작동 문제는 꾸준히 발생하고 있는데, 이는 기존의 오염 제어 방법으로는 분명한 한계가 있음을 말해준다. 본 논문은 대표적인 플라즈마 공정 중 하나인 건식 식각(dry etching) 공정에서의 미립자 오염에 관한 내용을 다루고 있다. 플라즈마 공정에서 미립자 오염의 형태는 발생 원인에 따라 크게 세 가지로 분류할 수 있는데, 환경적 요인에 의한 오염, 용기(chamber) 또는 각 종 parts의 부식에 의한 오염 그리고 공정 중 플라즈마 내에서 발생하는 기상 미립자에 의한 오염 등이 그것이다. 이 중 기상 미립자는 플라즈마 내에서 가스 입자, 공정 부산물 등의 결합에 의해 기상 성장하여 플라즈마와 전극의 경계 부근에 머무르다가 일정 수준의 크기와 밀도 이상이 되면 기판 위로 떨어져 오염을 유발한다. 외부로부터 발생하는 미립자와는 달리 기상 미립자는 그 크기가 매우 작고(sub-micron), 대부분 공정 중에 발생하였다가 공정이 끝남과 동시에 사라지는 특성을 보이므로 이전 세대의 디바이스에서는 크게 문제되지 않았으나 디바이스 선폭이 수십 nm 이하로 작아지면서 이들에 의한 치명적인 오염 비중은 지속적으로 증가할 것이다. 따라서, 플라즈마가 유지되는 도중에 기상 미립자의 행동 양식을 이해하여 이를 제어할 필요가 있는데, 미립자 구름의 생성과 소멸 과정을 실시간으로 관찰하고 그 특성을 파악하는 것은 기상 미립자 오염 방지의 출발점이 될 것이다. 하지만, 공정 중 플라즈마의 특성을 변화시키지 않고 미립자의 움직임 만을 제어한다는 것은 결코 쉬운 일이 아니며, 현재까지 다양한 방법들이 시도되어 왔으나 공정의 난이도 또한 꾸준히 증가하고 있어 새롭고 더욱 효과적인 방법이 필요한 실정이다. 공정 중에 발생하는 미립자 오염 제어를 위해 현재까지 제안된 방법으로는 펄스(pulse)를 이용한 RF 변조(RF modulation), 온도차를 이용한 방법, 전극 형태 변경 등이 있는데, 이들 방법은 이미 십 수년 전에 제안된 것이고, 실험실에서의 제한된 조건에서는 효과가 확인되었지만 실제 양산 공정에서는 다른 중요한 목적 (식각 프로파일 개선, 균일도 유지, 식각 속도 등)을 충족시키기 위해 사용할 수 없는 경우가 많다. 따라서 미립자 오염 개선에 효과적이면서도 현재의 공정 조건과 시스템의 형태를 가능한 그대로 활용할 수 있는 새로운 방법의 도입이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 최근 상용 장비들이 대부분 두 개 이상의 서로 다른 주파수의 RF power 를 혼합하여 사용한다는 것에 착안하여 주파수에 따른 효과를 파악하고 응용할 수 있는 방법에 집중함으로써 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 새로운 오염 제어 방법을 제시하였다. 실험을 위해 4인치 크기의 전극을 갖는 RF (Radio frequency) 용량 결합형 플라즈마 (Capacitively coupled plasma) 식각 장치와 유도 결합형 플라즈마 (Inductively coupled plasma) 식각 장치를 각각 구성하고, 여기에 Laser와 CCD camera 를 설치하여 공정 중에 발생하는 미립자 구름(particle cloud)을 실시간 관찰하여 기록하였다. 용량 결합형 플라즈마 장치에서는 위, 아래 전극에 각각 RF generator 를 연결하고 특히 아래 전극에는 두 개의 서로 다른 주파수를 갖는 RF generator 를 동시에 연결하여 이중 주파수(dual frequency) 장치를 구현하였다. 이를 이용하여 먼저 단일 주파수 조건에서 공정 조건(압력, 전극 간격, RF power 등) 변화에 대한 미립자 행동 특성을 관찰하여 본 실험 장치가 갖는 주요한 특성을 파악하였고 듀얼 랑뮤어 프로브(dual Langmuir prove, DLP)를 이용하여 전자 온도(electron temperature)와 이온 밀도(ion density)를 측정하여 이것이 기존 연구 결과와 일치하는지 확인하였다. 나아가 동일한 조건에서 주파수를 증가시키면 기상 미립자 구름은 전극에 가까이 형성되었으며 크기도 커졌는데, 이는 주파수가 증가할수록 기판으로의 이온 플럭스(ion flux)가 증가하고 DC bias voltage 는 감소함에 따라 미립자 트랩의 위치가 전극 방향으로 이동하기 때문이다. 이온 에너지 분석기(ion energy analyzer, IEA)를 이용하여 직접 측정한 total ion flux 와 DC bias voltage 는 이 현상을 잘 설명해 주고 있으며, 다양한 주파수에 대한 기존 연구 내용과도 일치하는 것이다. 공정 중 외부 전기장 (RF power, DC voltage 등) 의 급격한 변화가 발생하면 미립자 구름의 위치나 형태도 변하게 되고, 플라즈마가 꺼지는 순간에는 균형을 이루고 있던 힘이 사라져 트랩(trap)되어 있던 미립자가 아래 전극 또는 펌핑 포트 (pumping port) 방향으로 쓸려나가게 되어 기판 오염을 일으키게 되는데, 이 때 상기 주파수 효과를 적용하여 오염 방지에 효과적인 방법을 찾을 수 있었다. 공정 전환 구간(transition step)에 상대적으로 낮은 주파수만을 유지하고, 방전 종료 시점에도 낮은 주파수의 RF power 를 약간의 시차를 두고 나중에 turn off 함으로써 buffer step 효과를 주어 미립자 구름의 위치를 기판으로부터 멀리 이동시킬 수 있었다. 이렇게 이동한 미립자 구름은 최종 방전이 종료되는 순간 자연스럽게 펌핑 포트로 빠져 나갔으며, 일반적으로 사용되고 있는 이중 주파수 장치의 두 가지 형태(bottom dual, top-bottom dual)에 대해 실험을 진행하여 모두 효과가 있음을 확인하였다. 유도 결합형 플라즈마 장치에서도 유사한 방법을 사용하여 미립자 구름을 관찰하였는데, 용량 결합형 장치와 달리 아래 전극에 인가된 bias power 의 유무에 따라 미립자 트랩의 생성 여부가 결정되었고 source power 만 인가 시에는 조건과 무관하게 미립자 구름은 관찰되지 않았다. 이를 이용하여 공정 전환 구간 동안 bias power 를 유지함으로써 미립자가 기판으로 떨어지지 않고 계속 트랩(trap)되어 있도록 할 수 있었고, 방전 종료 시점에는 source, bias 순으로 turn off 하되 bias power 를 최종 turn off 하기 전 buffer step 을 삽입하여 효과를 극대화 할 수 있었다. 서로 다른 여러 개의 주파수를 동시에 bias power 로 사용하는 경우에는 source 와 bias power 간의 관계를 정의하여 상기와 같이 적용한 후 bias 에 대해서는 용량 결합형 장치에서 확인한 주파수 효과를 그대로 적용할 수 있을 것이다. 지금까지 유도 결합형 플라즈마 식각 장치에서는 미립자 트랩의 관찰이 힘들다는 이유로 활발한 논의가 되지 못하였는데, 최근에는 유도 결합형 장치에서도 충분한 이온 에너지를 확보하고자 높은 bias power 를 사용하고 있고 두 가지 이상의 주파수를 함께 사용하는 경우도 많아지고 있기 때문에 상기와 같이 미립자 트랩이 bias power 에 의존한다는 특성을 잘 활용한다면 기상 미립자에 의한 오염을 최소화 할 수 있는 효과적인 방법을 찾을 수 있을 것이다. 위와 같은 방법은 전환 구간 또는 방전 종료 순간의 짧은 시간 동안 약간의 변화를 주는 것으로써 공정 결과에 대한 영향은 거의 없을 것으로 보이고, 기존 양산 설비의 hardware 나 software 의 변경 없이도 즉시 구현 가능한 매우 실용적인 아이디어이다. 또한 주파수에 따른 미립자 구름의 행동 양식은 본 연구에서 확인한 2MHz, 13.56MHz, 40.68MHz 외에도 다양한 주파수 영역에 걸쳐 공통적으로 적용 가능한 것이므로 그 적용 범위 또한 매우 넓을 것으로 기대된다.