삼중 주파수 운전 용량 결합형 장치에서 플라즈마 광진단을 이용한 전력 의존 식각 공정 제어 연구

Abstract

지난 수십 년 동안 무어의 법칙으로 대변되는 반도체 산업 기술은 매년 선폭을 줄여가며 생산성을 극대화 하여 발전해 왔다. 하지만 최근 여러 가지 기술적 문제로 선폭 축소에 한계에 도달하면서 고효율 공정 장비 개발과 공정 관리 기술 개발을 통한 비용 절감 및 생산성 증대를 꾀하고 있다. 반도체 제조 공정에 있어서 플라즈마를 이용한 식각 공정이 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 고밀도 플라즈마를 위한 초고주파 전원과 고에너지 이온을 위한 저주파 전원을 사용한 이중 주파수 용량 결합형 플라즈마 식각 장치가 유전막 식각 공정에 있어 널리 사용되고 있는데 초고주파 전원의 정상파 효과에 의하여 플라즈마 밀도 산포가 나빠지는 현상이 보고되었고 이를 보완하기 위하여 초고주파와 저주파 전원 사이의 중간 주파수 전원을 추가적으로 장착한 삼중 주파수 용량 결합형 플라즈마 식각 장치가 개발되어 생산성을 극대화 하고 있다. 삼중 주파수 활용으로 장치 제어가 복잡화 되고 요구되는 공정 수준이 고집적 초미세화 되어감에 따라 공정 진단 기술을 통한 공정 관리로 생산 비용 절감과 생산성 향상을 시도하고 있는데 지금까지의 공정 진단 기술은 플라즈마를 이용하는 공정임에도 불구하고 플라즈마를 배제한 통계적 방법에 의한 공정 진단이 개발되어 와서 그 정확도와 물리적 해석에 있어서 한계점이 많았다. 본 연구에서는 플라즈마 특성 인자 활용을 통해 플라즈마 공정 진단 기술 개발로 그 정확도를 높이고 모니터링 인자와 제어 인자의 결정 과정을 물리적 해석에 기반하여 명확해 질수 있도록 하였다. 여기서 플라즈마 특성 인자는 OES로 얻은 빛의 세기를 분석하여 계산한 EEDF 모양인자를 이용한다. EEDF 모양인자는 플라즈마 내의 고에너지 전자군의 비율을 모니터링 하여 플라즈마의 상태를 반응 메커니즘 기반으로 진단할 수 있게 한다. 실험에 사용된 장치는 상부 전극에는 100MHz 초고주파 전원을 장착하고 하부 전극에는 중간 주파수인 13.56MHz와 저주파인 2MHz 전원을 장착한 삼중 주파수 용량 결합형 플라즈마 식각 장치로서 각 전력 인자에 의한 플라즈마 특성 해석을 하였다. 특히 13.56MHz 전원 인가 전력에 따른 식각 공정의 비선형적 특성을 관찰하였고 플라즈마 장치 회로 모델을 이용하여 해석하였다. 100MHz 초고주파 전원의 정상파 효과와 고전력 사용을 요구하는 2MHz 저주파 전원의 특성에 따른 한계 때문에 미세한 공정 결과의 제어를 위한 인자로는 13.56MHz 전원이 가장 적절한 상황이므로, 13.56MHz 전원과 플라즈마의 비선형성 해석은 정확한 공정 진단과 제어를 위하여 필수적이다. 플라즈마 공정 진단을 위한 인자 선정은 플라즈마 해석을 통하여 공정 영역을 정의 하고 이 영역에서 각 전력 인자의 변화에 민감도가 높은 OES 센서와 EEDF 모양인자를 이용하여 식각 공정 결과와의 상관관계를 분석으로 식각률 가상 계측 모델을 도출 하였고 이는 상관계수 93.8%의 높은 정확도를 보였다. 또한 전력 인자에 따른 식각 공정 결과의 상관관계 분석을 통하여 13.56MHz 전력 인자를 통항 식각 미세 제어가 가능하다는 것을 확인하였다. 따라서 이 연구는 향후 플라즈마 공정 장치 스스로 공정을 관리하고 제어할 수 있는 Smart Equipment 개발을 위한 개념을 만들어 나가는데 있어 큰 의의를 가질 것이다.