약 자장이 인가된 유도 결합 플라즈마의 특성과 응용에 관한 연구

Abstract

반도체 소자의 미세 가공이 요구되어 짐에 따라 플라즈마를 이용한 건식 식각 기술의 중요도가 올라가고 있다. 특히 차세대 반도체 소자의 경우, 집적도와 속도가 더욱 더 증가함에 따라서 플라즈마 건식 식각 장비에 대해서도 고밀도, 저압 구동과 같은 까다로운 조건들이 요구되고 있다. 이런 요구사항을 맞추기 위해 플라즈마 식각 장비 면에서도 많은 선행 연구를 통해 시도되고 있다. 본 연구에서는 ECR, helicon plasma, MERIE 와 같이 자기장을 이용해 고밀도 저압 플라즈마 소스를 구현하는 시도 중 하나로 기존의 유도 결합 플라즈마 (ICP) 에 약한 자장을 인가한 M-ICP 의 특성을 확인하고 개선하였다. M-ICP 장비는 기존의 유도 결합 플라즈마 장비에 자장을 인가함으로써 플라즈마 밀도가 증가하며 낮은 압력에서의 안정성 면에서도 유리한 측면을 가지고 있다. 하지만 차세대 플라즈마 식각 장비의 요구 사항 중 하나인 대면적의 균일한 플라즈마 측면에서 단점을 가지고 있다. 이에 본 논문에서는 자장의 인가에 따른 균일도 악화 요인인 flute instability 현상에 대한 확인과 요인 제거를 위한 자장 분포 설계를 연구하였다. 또한 설계한 자장의 고 균일도 식각 특성을 실험함으로써 기존 선행 연구를 통해 얻어진 M-ICP 의 특성을 가지며 균일도를 향상시킨 M-ICP 의 식각 적용 가능성을 확인하였다. 균일도에 대한 실험을 하기 위해 기존의 플라즈마 특성 확인에 많이 사용되는 Langmuir probe, magnetic probe 장비에 공간 분포를 측정할 수 있는 연결부를 제작, 적용함으로써 플라즈마 특성의 공간 분포를 측정 할 수 있도록 하였다. 또한 식각에 관련한 이온 에너지 분포 및 라디칼의 농도에 대해 다 측정점 ion energy analyzer 와 Abels inversion 을 적용한 actinometry 측정법을 제작, 대입하여 공간 분해능을 가지도록 하였다. 자장의 인가에 따른 전력 전달 효율의 향상을 실험하기 위해 magnetic probe 를 이용하여 플라즈마 내의 시변 자장의 분포를 확인함으로써 M-ICP 의 고 밀도 특성이 R-wave 로 인한 전자 가열에 기인함을 알 수 있었다. 또한 RF window 에서의 거리에 따라 자장이 감소하는 조건 (M-ICP-A 자장 조건)에서 R-wave 에 의한 전자 가열이 높은 현상을 확인함으로써 전력 전달 효율의 증가를 위해 유리한 자장 조건임을 확인하였다. 플라즈마 균일도에 악영향을 주는 요인으로서 flute instability 현상이 발생하는 조건에 대한 실험을 진행하였다. 수식적으로 자장의 분포에 따라 flute instability 현상이 발생한다는 것을 확인하였고 이를 실험적으로 확인하기 위해 네 가지 자장 조건을 설계하였다. 실험 결과 M-ICP-A 자장 조건에서 flute instability 에 의한 플라즈마 전위와 플라즈마 밀도의 fluctuation 을 확인하였으며 자장의 기울기가 증가함에 따른 fluctuation 의 증가 또한 측정을 통해 확인할 수 있었다. 또한 각 자장 조건에서 식각 실험을 진행함으로써 flute instability 에 의한 균일도의 악화 현상을 확인하였다. 실험 결과로 비추어 반경에 따라 증가하는 자장 조건 (M-ICP-V 자장 조건) 에서 flute instability 현상의 억제와 그에 따른 균일도의 상승 현상을 확인할 수 있었다. 앞에서 확인한 균일도 증가 분을 실제 실험에 적용하여 특성을 측정하기 위해 ICP 와 M-ICP-A 자장 조건, M-ICP-V 형 자장 조건에서 oxide PR line and space 패턴의 식각 공간 분포 특성을 실험하였다. Oxide 의 식각 속도 분포는 기판에 입사하는 이온 선속의 분포를 따르는 결과를 확인했다. M-ICP-A 자장 조건의 기판 중심 영역에서 플라즈마 밀도와 이온 선속의 경향과 다르게 M-ICP-V 자장 조건의 oxide 식각 속도를 역전하는 현상을 통해 이온 에너지 분포가 식각 속도에 영향 미치는 것을 확인하였다. 식각 속도 균일도 결과는 M-ICP-V 자장이 인가된 경우가 가장 높은 결과를 확인할 수 있었다. 선택비의 결과는 CF2/F 라디칼 비율의 경향을 따르는 것을 확인하였다. 하지만 ICP 조건과 M-ICP 조건의 선택비 차이를 통해 이온 에너지가 높을수록 라디칼의 작용을 활성화 시키는 ion enhanced etching mechanism 을 따르는 것을 확인하였다. M-ICP 의 높은 이온 선속과 낮은 이온 에너지에 대한 응용 가능성을 확인하기 위해 low-k 물질의 ashing 데미지 경향을 실험하였다. 선행 논문에서 ICP 장비는 기존의 CCP 타입의 RIE 장비에 비해 ashing 데미지가 높았다. 자장을 인가함으로써 높은 이온 선속과 낮은 이온 에너지를 가지는 M-ICP 의 특성을 low-k 물질의 ashing 공정에 응용하였으며 M-ICP 장비에서 O 라디칼의 농도와 이온 선속이 높음에도 불구하고 RIE 와 ICP 에 비해 낮은 ashing 데미지를 보이는 결과를 확인하였다. 이를 통해 ashing 데미지에 대한 이온 에너지의 영향과 M-ICP 의 ashing 공정 적용의 가능성을 확인하였다.