다양한 진단 방법을 이용한 유도 결합 플라즈마에 대한 연구

Abstract

차세대 반도체 공정에 있어, nm 급 450mm 크기의 웨이퍼를 가공할 수 있는 플라즈마 장비의 적용 시점이 곧 도래함에 따라 지금보다 1.5배 확대된 더 큰 면적에서 더 작은 사이즈의 패턴을 가공해야 하는 어려운 과제에 직면해 있다. 적어도 450mm 웨이퍼 전면적에서 5% 이내의 밀도 균일도를 가져야 하며, 방전 중 높은 안정성을 가지고 저압에서도 잘 동작해야 하는 높은 성능을 가진 플라즈마 소스가 요구되고 있다. 이에 다양한 새로운 플라즈마 장비와 이를 위한 플라즈마 소스들이 개발되고 있는데 그 중, 유도 결합 플라즈마 (ICP) 에 약한 자장을 걸어주는 경우 이러한 새로운 소스에 부합될 수 있는 좋은 특성이 있는 것으로 알려져 왔지만 이를 이해하기 위한 구체적인 연구가 부족한 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 다양한 진단 방법을 사용하여 약자장이 걸린 유도 결합 플라즈마의 특성을 연구하였으며, 여러 특성 중에서도 특히 바이어스 파워가 플라즈마에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. 플라즈마를 이용한 건식 식각 시에 바이어스 파워는 흔히 이온의 거동을 조절하는데 쓰인다. 본 논문에서는 먼저 레이저 유기 형광 진단법(LIF)을 사용하여 이온의 거동에 가장 큰 영향을 주는 플라즈마 내 쉬스를 진단하고 살펴보았다. 정확한 전기장의 계산을 위하여, 외부의 전기장의 DC 일 경우와 RF 일 경우를 나누어 각각 LIF 스펙트럼을 컴퓨터 전산 모사를 이용하여 산출하였다. 이 때 기존의 계산 모델들이 전기장을 계산할 때 사용하는 스타크 효과의 에너지 밴드만을 고려한 반면, 새로 고안된 모델은 에너지 밴드 뿐만 아니라 천이 확률도 함께 고려하여 정확한 스펙트럼을 예측할 수 있었다. 이 결과들을 LIF 에 적용하여, ICP 에서 바이어스 파워에 RF 를 가하였을 때에 쉬스의 경계면이 그 위상에 맞춰 진동하는 것을 관측할 수 있었으며 바이어스 파워가 플라즈마에 에너지를 전달하는 방식을 추측할 수 있었다. 또한 ICP 에 자장을 가했을 때 쉬스가 수축하는 것을 볼 수 있었는데, 이는 자장이 플라즈마에 미치는 영향 중 하나인 밀도 증가에 기인한 것으로 관측되었다. 소스 파워와 함께 바이어스 파워를 플라즈마에 인가하는 주된 이유는 식각에 가장 큰 영향을 미치는 두 가지 요소인 플라즈마의 밀도와 이온의 에너지를 독립적으로 조절하기 위함이다. 보통 플라즈마의 밀도는 높은 주파수 성분의 소스 파워에 의하여 조절되며, 이온의 에너지는 낮은 주파수의 바이어스 파워에 의하여 조절하곤 하는데, 이 둘이 독립적이지 않으며 실제로 서로 영향을 주고 받는 현상이 있다는 점이 용량 결합 플라즈마(CCP) 에서 연구되어 왔다. 또한, CCP 에 약한 자장을 걸어주면 그러한 현상이 약화되는 것으로 알려져 있다. ICP 에서도 CCP와 유사한 현상이 관측되었는데, ICP 에서도 바이어스 파워가 증가할 수록 플라즈마의 밀도가 감소하는 것을 관측하였다. 또한, CCP와 마찬가지로 ICP 에서도 약한 자장을 인가하면 두 소스 사이의 영향력이 줄어 드는 현상을 관측하였다. 이는 ICP 와 약자장이 걸린 유도 결합 플라즈마 사이 (M-ICP) 에 에너지 전달 메커니즘이 다름으로 발생하는 현상으로 생각되어 진다. 실제로 ICP 에서는 비정상적 표피 효과로 인한 에너지 전달이 지배적인 반면, M-ICP 에서는 플라즈마 내부에 다양한 파동이 여기되며 그 중 R-wave 에 의해서도 에너지가 전달된다고 알려져 있다. R-wave 와 같은 wave 에 의한 에너지 전달 효율은 일반적으로 다른 방식에 의한 것보다 매우 높다고 알려져 왔기 때문에, 에너지 전달 효율이 비교적 낮은 바이어스 파워에 영향을 상대적으로 덜 받게 된다고 생각된다. 이를 측정하기 위하여 싱글 랑뮤어 프루브와 듀얼 랑뮤어 프부브를 직접 제작하였으며, 이에 부가되는 전자 회로와 프로그램 또한 직접 제작하여 높이별 밀도의 변화를 측정하고 EEPF 를 측정하여 이를 확인하였다. 또한 R-wave 의 존재를 측정하기 위하여 마그네틱 프루브도 제작하여 M-ICP 내에서 R-wave 가 존재하는 것을 확인하였다. 플라즈마를 이용한 건식 식각에서 식각과 가장 밀접한 진단 방법은 이온 에너지 분포 분석기를 사용하는 것이다. 식각에 가장 영향을 미치는 것으로 생각되는 이온의 플럭스와 에너지를 동시에 측정할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 이를 위하여 여러 포인트에서 동시에 이온 에너지 분포를 측정할 수 있는 이온 에너지 분포 분석기를 직접 제작하였으며 논문의 마지막 부분에 기술되었다. 이로 얻은 데이터를 바탕으로 실제 식각과 어떻게 연관이 되는지 파악하기 위하여, CF_4 가스와 아르곤 가스의 혼합 가스를 방전시켜 반도체 소자 제작에 있어 중요한 유전 물질 중의 하나인 산화막을 식각하여 비교해보았다. 특히, 반경 방향으로 웨이퍼 시편을 배치하여 플라즈마의 밀도 균일도와 이온 플럭스의 밀도 균일도 등과 식각률과의 관계 등을 측정하였으며, 자장의 변화를 이용하여 플라즈마의 식각 균일도를 높일 수 있는 방법에 대하여 제시하였다.