헬리콘 플라즈마로부터 중성입자 흐름의 생성 및 이를 이용한 실리콘의 건식식각

정 석재, 양 호식, 조 성민

성균관대학교 화학공학과

Generation of Neutral Stream From Helicon Plasma and Its Application to Si Dry Etching

Seok-Jae. Jeong, Ho-Sik. Yang, Sung Min. Cho

Department of Chemical Engineering, SungKyunKwan University, Suwon 440-746, Korea

1. 서 론

실리콘의 건식식각 과정에서 비등방성을 얻기 위해 높은 에너지를 가지는 이온이 주로 사용되고 있지만 이러한 공정으로 인해 물리적 격자손상이나 전기적 손상이 발생할 수 있음은 여러 연구를 통해 보고되고 있다[1-3].  그러나 낮은 에너지의 이온을 식각에 이용한다고 하더라도 낮은 에너지의 이온은 미세패턴의 표면에 축적된 전하의 영향으로 쉽게 그 방향성이 굴절되어 비등방성이 나빠지는 단점이 있으며 또한 전하에 의한 전기적 손상은 여전히 피할 수 없다[4].  따라서 이와 같은 단점을 동시에 보완하기 위해서 낮은 운동에너지를 가지면서 전하를 띠고 있지 않은 라디칼을 빔 형태로 얻어 식각에 활용하고자 하는 연구가 최근에 들어 활발히 진행되고 있다.

본 연구에서는 실리콘의 식각을 위해서 필요한 최소의 운동에너지(10∼20 eV)를 가진 중성입자 흐름을 얻기 위해서 헬리콘 플라즈마를 사용하였다.  헬리콘 플라즈마는 electron cyclotron resonance (ECR) 마이크로파 플라즈마, transformer coupled plasma (TCP), 및 유도결합형 플라즈마 (ICP) 등과 같은 고밀도 플라즈마 원으로서 저압에서 높은 플라즈마 밀도 및 낮은 이온에너지를 갖기 때문에 차세대 식각공정을 위한 방법으로 적합하다.

2. 이론

본 연구에서는 헬리콘 플라즈마 내에서 일어나는 전하교환이 있는 충돌반응을 이용하여 적절한 운동에너지를 가지면서 방향성이 있는 중성입자 흐름을 얻고자 하였으며 기판으로 유입되는 전하입자들, 즉 이온과 전자는 기판 주위에 형성시킨 자계와 전계에 의해 기판으로부터 제거될 수 있도록 하였다.  이때 중성입자 들은 자계나 전계에 영향을 받지 않기 때문에 기판에 수직방향으로 입사되어 실리콘의 비등방성 식각이 가능하다.  아르곤 플라즈마에 대한 전하교환 cross section 및 탄성산란 cross section을 사용하여 계산된 결과에 따르면 7×10-4 torr의 압력에서 전하입자로부터 방향성이 있는 중성입자의 흐름을 얻어낼 수 있는 최적 평균거리 및 최고 확률은 각각 100 mm 및 30%, 그리고 1.5×10-3 torr의 압력에서는 각각 50 mm 및 30%로 보고되어 있다[4].  이러한 압력 영역의 ECR 플라즈마가 중성입자 흐름을 얻기에 매우 효율적인 이유도 여기에 있다고 할 수 있다.  본 연구에서는 약 1×10-3 torr 정도의 압력을 사용하고 플라즈마 발생부의 하부로부터 기판까지의 거리를 80 mm로 유지하여 가능한 한 전하입자로부터 많은 양의 중성입자 흐름을 얻을 수 있도록 하였다.

전하를 가지지 않은 저에너지의 중성입자 흐름에 의한 식각은 반도체 소자의 집적도가 증가하여 MOS소자의 게이트산화막의 두께가 50Å이하로 얇아지는 경우 선택도의 유지와 소자의 전기적 손상을 방지할 수 있기 때문에 매우 중요하다.  또한 패턴의 크기가 1 □ 이하로 낮아지게 되면 이온 빔 식각의 경우에 표면에 축적된 전하에 기인한 microloading 효과로 인해 식각속도가 현저히 떨어지게 되어 약 0.5□ 패턴의 경우 약 20% 정도 식각속도가 감소하게 된다. 그러나 중성입자 흐름을 이용하여 식각이 진행되는 경우에는 중성입자가 전하에 의해 영향을 받지 않아 균일한 식각속도를 유지할 수 있기 때문에 중성입자 흐름을 이용한 식각공정이 submicron 미세패턴의 식각방법으로 매우 적절하다고 할 수 있다[4].

본 연구에서는 헬리콘 플라즈마로부터 중성입자 흐름을 추출하기 위한 공정변수로서 기판 하부에 장치한 영구자석의 영향, 영구자석의 크기, 기판에 가하는 전압의 영향  등을 주요 연구의 대상으로 삼았다.  기판표면으로 유입되는 전하입자의 분석을 위해 Langmuir 탐침을 장치하여 기판상의 위치에 따른 전하입자의 제거정도를 관찰하였으며, Cl2/SF6 식각기체를 사용하여 실리콘의 중성입자에 의한 식각특성을 고찰하였다.

3. 실험장치 및 방법

헬리콘 플라즈마 식각장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다.  플라즈마 발생부는 직경 70 mm의 석영관으로 그 외부에 축방향 길이가 20 cm인 Boswell-type (m=±1)의 헬리콘 안테나를 장치하였으며 이 안테나에 13.56 MHz의 RF파를 250W의 power로 인가하였다.  플라즈마 발생부의 주위에는 두 개의 분리된 전자석(위에서부터 500, 300 Gauss Max.)을 장치하여 자계를 형성시켜 헬리콘 플라즈마를 얻도록 하였다.  플라즈마 발생부의 아래 부분에 내부가 산화피복된 알루미늄 재질의 식각반응기를 설치하였으며 기판과 플라즈마 발생부의 끝 부분 사이의 길이가 80 mm가 되도록 하였다.

기판의 아래 부분에는 40□, 70□, 두 가지 크기의 영구자석(Nd-Fe-B, 0.7 Tesla)을 설치하여 식각반응기 내에 cusp 모양의 자계가 생기도록 하였으며 이 자력선을 따라 하전입자가 기판으로부터 제거될 수 있도록 하였다.  이러한 방법으로 완전히 제거되지 않은 양이온이 기판으로 유입되는 것을 방지하기 위해 기판에 100 V까지의 양의 전압을 가할 수 있도록 직류전원 공급기를 장치하였다.

기판의 표면에서의 전하입자의 제거정도를 관찰하기 위하여 기판의 표면 바로 상부에 형성된 자계와 수직한 방향으로 직경 1mm의 실린더형 텅스텐 Langmuir 탐침을 설치하여 ±60V DC power sweeper를 사용하여 floating 전위 및 I-V 특성곡선을 얻었다.

실리콘의 식각기체로는 Cl2 (99.999%)를 사용하였으며 실리콘 표면의 native 산화막이나 식각 도중에 수분에 의해 생길 수 있는 산화막의 제거를 위해 SF6 (99.999%)를 10-20 % 정도 혼합하여 식각실험을 수행하였다.  식각을 위한 반응기의 압력은 1 mtorr 이하로 낮추어 헬리콘 플라즈마로부터 생성된 중성입자의 평균자유행정이 충분히 커서 방향성을 잃지 않고 기판에 도달할 수 있도록 하였다.

4. 결과 및 고찰

헬리콘 플라즈마로부터 전자 및 이온과 같은 하전입자가 배제된 낮은 에너지의 중성입자 흐름을 생성하여 실리콘의 건식식각에 이용하였다.  기판의 하부에 영구자석을 설치하여 cusp 모양의 자계를 형성하므로써 이온 및 전자를 기판으로부터 제거하도록 하였고 이러한 방법으로 완전히 제거되지 않는 이온의 제거를 위해서 기판에 양전압을 동시에 인가하여 자계나 전계에 영향을 받지 않는 중성입자의 방향성있는 흐름을 얻을 수 있도록 하였다.  플라즈마 발생부로부터 식각반응기의 기판 근처로 확산된 플라즈마는 Langmuir 탐침을 이용하여 하전입자의 제거정도를 측정하였다.  플라즈마 내의 전자밀도는 최대로 1/1000 정도 감소하였으며 이온밀도는 이보다 적은 1/10 정도의 감소를 보였다.[Fig.2., Fig.3.] 이러한 공정을 통해 얻어진 중성입자에 의한 실리콘 기판의 식각속도는 90%의 Cl2와 10%의 SF6를 사용할 때 약 100Å/min 이하로 관찰되었으며 실리콘의 식각이 어느 정도의 방향성을 가지며 진행될 수 있음이 보여졌다.[Fig.4.]

참고문헌

1. T. Morimoto, C. Takahashi, and S. Matsuo, Proc. 13th Symp. Dry Process., 57 (1991).

2. S.G. Ingram, J. Appl. Phys. 68, 500 (1990).

3. J. C. Arnold, and H. H. Sawin, Jpn Appl. Phys. 70, 5314 (1991).

4. Tai Tsuchizawa, Yoshito Jin, and Seitaro Mathuo, Jpn. J. Appl. Phys. 33, 2200 (1994).

Fig.1. Schematic diagram of radical beam etching apparatus.	Fig.2. Electron density variation as a function of distance from the center of the substrate, showing the effect of the permanent magnet and bias.

Fig.3. Ion density variation as a function of distance from the center of the substrate, showing the effect of the permanent magnet and bias.	Fig.4. The etch rate of silicon as a function of distance from the center of the substrate by using the radical beam extracted from the helicon plasma.