동력 조절이 플라즈마 에칭 반응기 성능에 미치는 효과

허 진석,  신 치범

아주대학교 화학공학과

Effect of Power Modulation on the Performance

of Plasma Etching Reactor

J. S. Huh  and  C. B. Shin

Dept. of Chem. Eng., Ajou University

서론

활성 기체 플라즈마(reactive gas plasma)를 이용한 에칭이나 증착은 초소형 전자 소자 제작에 있어서 중요한 역할을 하고 있다[1]. 이러한 플라즈마 공정은 낮은 온도에서 수행할 수 있으며, 플라즈마 에칭의 경우에는 높은 에너지를 가지는 이온의 충돌에 의하여 미세한 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

플라즈마 에칭의 목적은 빠르면서도 균일성과 비등방성 그리고 선택성을 가지며, 박막에 손상을 주지 않는데 있다. 에칭의 균일성 문제는 농도, 이온의 충돌 플럭스, 에너지, 웨이퍼의 표면 온도 구배 등에 의해 나타나는데 웨이퍼의 크기가 커지고 빠른 에칭 속도를 갖는 기체의 개발로 인하여 균일성 문제는 갈수록 그 중요성이 커지고 있다[2,3]. 비등방성 에칭은 측벽에 고분자 박막이 증착됨으로서 나타나는데, 이 막은 측벽을 에칭으로 부터 보호하고 반면에 바닥은 이온의 충돌로 반응성을 유지하게 된다.

플라즈마 반응기 내부에서 라디칼의 농도나 분포는 압력, 동력, 유속, 반응기의 형태, 벽면재료 등에 의하여 영향을 받는데 최근에는 선택도와 비등방성에 영향을 주는 특정한 라디칼의 상대적인 농도를 조절하는 방법들이 제안되고 있다.  그 가운데 플라즈마로 전달되는 동력을 조절하여 반응기내의 상대농도 뿐 아니라 특정 라디칼의 공간분포를 조절하는 방법이 제시되고 있으며, 이에 대한 응용으로 펄스 플라즈마를 사용하여 전원 공급이 중단된 주기동안 음이온을 제거하거나, 플라즈마 내부의 주요 라디칼의 수명을 측정하며, 반응의 균일성을 개선하기도 한다[4,5,6].

본 연구에서는 Tetrafluoromethane 기체를 이용한 실리콘 에칭 시스템을 모델로하여 동력조절이 라디칼의 농도와 분포, 에칭속도 그리고 균일도에 미치는 효과를 전산모사(computer simulation)를 통하여 알아보았다.

해석 모델

본 연구의 해석 대상은 Fig.1에 나타낸 것과 같은 평판 단일 웨이퍼(parallel-plate single-wafer) 플라즈마 에칭 반응기로서 대칭구조이며, 고압(∼1 torr) 그리고 고주파(13.56MHz) 조건에서 운전하는데 이러한 조건하에서는 상대적으로 이온에 의한 에칭의 중요성이 감소하고 기상(gas phase)과 웨이퍼 표면에서 중성 라디칼의 화학적 성질이 중요시 된다. Fig.2는 에칭 반응기내의 플라즈마로 전달되는 방형파(square-wave) 형태로 조절된 동력을 나타낸 그림이며, Table 1에 반응기의 운전조건과 범위를 나타내었다.

Table 1. Operating Conditions and Range Examined

Quantity	Base value	Range
Flow rate, Q0 (sccm)	100	25∼500
Gas pressure, p0 (torr)	1.0	1.0∼2.0
Wafer temperature, Ts (K)	350	350∼500
Pulse period, Tp (s)	0.01	0.001∼0.2
Duty cycle, fd	50%	10∼100%
Reference, feed, and reactor wall temperature, T0, Tf, Tw (K)	298	N.A.
Electron density, ne0 (cm-3)	1010	N.A.

Fig.1. Schematic of the axisymmetric      Fig.2. Square-wave modulation of

parallel-plate single-wafer reactor studied         power input to the plasma

결과 및 토의

본 연구에서는 플라즈마 에칭 반응기에서 기체의 유속, 온도, 펄스의 주기, 그리고 시간에 따른 라디칼의 농도와 분포, 에칭속도, 균일도를 예측할 수 있는 전산모사 프로그램을 유한요소법(finite element method)에 근거하여 개발하였다.

Fig.3의 (a)와 (b)는 기체 유속에 따른 에칭속도(etch rate)와 균일도(uniformity index, UI)의 변화를 연속파(continous wave, CW)일 경우와 동력조절(power modulation)의 경우에 대하여 나타낸 그림이다. 운전조건은 기체의 압력이 2.0 torr, 웨이퍼의 온도 500 K, 그리고 그 외의 조건은 Table 1에 나타낸 것으로 하였다. 연속파일 경우와 동력조절일 경우 모두 기체의 유속이 증가하면 에칭 속도와 균일도가 증가하였으며, 유속이 작을 때는 동력조절의 경우가 더 나은 균일도를 보였으나 유속이 커질수록(∼500 sccm) 연속파의 경우와 큰 차이가 없었고, 오히려 원료기체의 이용율이 낮아졌다.

Fig.4는 반응기가 주기적 정상상태에 도달한 후 플라즈마 위상(plasma-on phase)에 있는 동안에 시간의 흐름에 따른 라디칼의 농도분포를 보여주고 있다. t=0에서 Fig.2와 같은 펄스입력이 시작되면, Fig.4의 (a)에 나타난 것 처럼 t=Tp/24에서는 F의 몰분율이 CF2보다 작다. 그러나 시간이 지나면 Fig.4의 (b)에 나타난 것 처럼 t=Tp/8에서는 F의 몰분율이 CF2보다 커진다. 즉, 플라즈마 위상에 있는 동안 시간이 흐름에 따라서 F의 몰분율이 CF2에 비하여 상대적으로 증가하였는데, F나 CF3에 비하여 불포화 라디칼, CF2의 농도가 웨이퍼 표면의 고분자 성장 속도에 영향을 주어 에칭의 선택도나 비등방성에 영향을 미친다[7∼10].

감사

본 연구는 1995년도 한국과학재단의 핵심연구지원과제(951-1107-018-2) 연구비에 의하여 연구된 결과의 일부임.

참고문헌

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[10] K.Takashashi, M.Hori, and T.Goto, Jpn. J. Appl. Phys. 32, L1088 (1993).

(a)                                   (b)

Fig.3. Etch rate (a), and Uniformity (b), as a function of flow rate for CW

and power modulated plasmas with different pulse period.

(a)                                   (b)

Fig.4. Time evolution of the radical concentration profiles during the plasma-on

phase of the cycle, after the periodic steady state has been reached.