고밀도 플라즈마 발생장치 2차원 모델링

이상덕, 윤창연, S. Berezhnoj, 신치범

아주대학교 화학공학과

Two-Dimensional Modeling of High Density Plasma Source

Sang Duk Lee, Chang Yean Yoon, S. Berezhnoj, Chee Burm Shin

Dept. of Chem. Eng., Ajou University

서론

플라즈마를 이용한 에칭이나 증착 공정은 초소형 전자 소자 제작에 있어서 중요한 역할을 하고있다[1]. 특히, 오늘날의 반도체 산업은 200mm에서 300mm 웨이퍼로의 대면적화와 0.18□m 형상 크기로의 축소화로 진행되고 있으며[2], 이를 위해서는 대면적의 웨이퍼에 걸쳐서 유례없는 엄밀한 균일성(uniformity), 종횡비가 큰 비등방성(anisotropy), 그리고 경제적인 측면에서 높은 생산성(through -put)을 유지해야한다[3]. 200mm 이상의 웨이퍼에서는 엄밀한 균일성을 얻기 위해서 반도체 공정은 단일 웨이퍼 공정으로 이루어져야하며, 종횡비가 큰 비등방성을 위해서는 저압이 요구되고 독립적인 웨이퍼 바이어스(bias)가 필요하다[4]. 그러나 기존의 RIE 플라즈마 반응기에서는 이러한 저압에서 충분한 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 없어 생산성을 유지할 수 없다. 또한 이러한 반응기는 플라즈마를 발생시키기 위해 필요한 전극 위에 웨이퍼를 놓아야 하기 때문에 웨이퍼에 독립적으로 바이어스를 걸어줄 수 없다. 그러나 고밀도(>1011cm-3) 플라즈마는 균일성의 향상과 불순물의 감소를 위해 저압(<10mmTorr)으로 운전하며,  생산성 향상을 위해 이온과 라디칼의 높은 풀럭스(flux)가 웨이퍼 표면에 도달하도록 하여 높은 밀도를 유지할 수 있다. 또한 저압 조건에서는 이온의 평균자유행로(mean free path)가 sheath 길이보다 길어 이온의 sheath 영역의 웨이퍼와 수직하게 입사할 수 있으므로 높은 비등방성을 얻을 수 있다. 이외에도 웨이퍼 바이어스를 통해 이온 에너지와 이온 풀럭스를 독립적으로 제어할 수 있으므로 높은 선택성(selectivity)을 유지할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 이러한 고밀도 플라즈마중의 하나인 헬리컬 공진기(helical resonator)를 연구의 대상으로 하였다. 본 모델링에서는 반응기내의 기체의 유동, 온도분포, 하전입자와 중성입자의 생성, 다성분계 전달현상, 기상반응과 power deposition등을 고려할 수 있는 수학적 모델을 제시하고, 유한요소법에 근거하여 전산모사를 수행하였다. 이를 통해 헬리컬 공진기의 방전영역에서의 각종 이온과 전자의 온도와 밀도분포를 2차원으로 살펴보았다.

해석 모델

Fig. 1에 본 전산모사의 해석 대상으로 삼은 헬리컬 공진기의 방전영역의 개략도를 나타내었다. 본 연구의 수학적 모델에 적용된 기본적인 가정은 다음과 같다.

1. 반응기는 bulk영역과 sheath영역으로 구분하여 수행한다.

2. 유입된 기체와 반응에 의해 생성된 반응 혼합물의 유동을 continuum으로 해석한다.

3. Ambipolar diffusion을 따른다.

4. 이상기체 법칙과 Newton 법칙을 따르는 유체로 간주한다.

5. Bulk 플라즈마는 전기적으로 중성(electroneutrality)이다

전산모사는 네 개의 모듈로 나누어 수행하였다(Fig. 2). 즉, 중성입자 모듈, 하전입자 모듈, 전자에너지 모듈, 그리고 전자기 모듈로 구성되며 이들은 서로 커플(couple)되어 있다. 플라즈마로 deposition된 power는 맥스웰 식의 해를 구하는 전자기 모듈에 의해 계산된다. 전자에너지 모듈은 전자온도와 전자 충돌 반응의 속도 상수를 구하기 위해 power deposition을 사용하며 이들은 다시 중성입자 모듈과 하전입자 모듈에서 사용되어 이들 모듈간에 반복 계산에 의해 해를 얻을 수 있다. 이러한 모듈 방식의 접근은 플라즈마와 중성입자의 수송에서 다른 시간 스케일을 self consistent 방식으로 결합하기 위해서 사용하였다.

결과

본 연구에서는 반응기의 압력 3.5mTorr, 플라즈마 power 300W, 공급되는 Cl2기체의 유량 10sccm, 그리고 공급 기체의 초기온도 298K을 기본조건으로 설정하였으며, 정상상태에서의 현상을 살펴보았다.

Fig. 3은 반응기를 둘러싸고 있는 코일에 흐르는 전류로 인해 전자기장이 발생하여 deposition된 power의 분포를 나타낸 그림이다. 전자기파가 고밀도 플라즈마를 투과해 진행할 수 없기 때문에 power의 대부분이 코일 근처 즉 벽면 부근에 deposition된다.

Fig. 4는 중성기체와 전자온도의 분포를 나타내었다. 전자온도는 벽면에서의 power deposition으로 인해 최대값을 갖는 위치가 반응기 벽면 쪽으로 이동하였다. 벽면에서 최대값을 갖지 않는 이유는 벽면에서는 대기에 의해 열의 손실이 있기 때문이다. 한편 중성 기체의 온도가 최대인 위치는 입구로부터 유입되는 기체의 대류로 인해 반응기의 하부로 이동하였다.

Fig. 5는 Cl-와 전자의 밀도 분포를 나타내었다.Cl-의 밀도가 최대인 위치는 반응기 축 중앙에서 나타났으며, 벽면에서는 0으로 급격히 감소하였다. 이는 Cl-가 벽면에 형성된 sheath로 인해 반발력이 작용하기 때문이다. 따라서 Cl-의 손실은 이온-이온 결합반응과 전자의 충돌에 의한 분리반응에 의한 손실을 포함하는 기상 반응에 의해서 이루어진다. 한편 전자는 Cl-와 같은 전하로 하전되어 있더라도 그 질량이 Cl-에 비해 매우 작기 때문에 sheath를 통과해서 반응기 벽에 도달할 수 있으므로 벽면에서 풀럭스가 0이 아니다.

Fig. 6은 Cl+와 Cl2+의 밀도 분포를 나타낸 그림이다. Cl+와 Cl2+ 모두 축 중앙에서 최대값을 나타낸다. 일반적으로 양으로 하전된 이온의 밀도 분포에서 양으로 하전된 이온의 공간상의 밀도 분포에서 deposition된 power, 압력, 그리고 반응기 종횡비(aspect ratio; height/radius)에 의존하는데 종횡비가 크면 즉, 반응기 반경보다 길이가 길면 축 상에 최대 밀도가 나타나고, 반대로 종횡비가 작으면 축에서 벗어난 위치에서 최대 밀도를 나타낸다는 보고와도 일치한다.

Fig. 7은 Cl2와 Cl의 밀도 분포를 나타낸 그림이다. 축 중앙에서 Cl2의 분포가 여러 플라즈마 반응에 의해 소실되어 최소 밀도를 보이고, 반면에 Cl의 밀도는 최대가 됨을 알 수 있다.

참고문헌

1. M. A. Lieberman and R. A. Gottscho, "Design of High Density Plasma Sources for Material Processing," Physics of Thin Films, M. Francombe and J. Vossen, Eds. Orlando, FL: Academic, 1993.

2. Deepak Bose, T. R. Govindan, and M. Meyyappan, IEEE Trans. Plasma Sci., 23, 4, 1995.

3. D. Bose, T. R. Govindan, and M, Meyyappan, J. Electrochem. Soc. 146, 7,  1999.

4. J. T. C. Lee, Solid State Technol., August, 1996.