誘導結合형 플라즈마에서 source frequency에 따른 SiO₂ etch 特性 = Effect of source frequency on SiO₂ etch characteristics in inductively coupled plasmas

국문 초록 (Abstract)

생산성 증가를 위한 wafer의 반경의 확대는 계속 진행 중이며 대면적하에서 균일한 고밀도 플라즈마를 생성하기 위한 연구가 필요하게 되었다. 이를 위해 coil의 전류 분배를 조절할 수 있도록 outer coil에 가변 capacitor를 장착하여 설계된 ICP source를 이용하여 uniformity를 control하는 것을 연구하였고, 상용되고 있는 두 가지의 ICP source 주파수에 따른 Plasma 특성과 etch rate 및 non-uniformity 측면에서의 etch 특성을 연구하였다.
본 실험의 결과로 전류 분배를 통하여 plasma 밀도 분포와 etch non-uniformity를 조절할 수 있었다. 가변 capacitor의 용량을 증가시킴으로써 wafer center에서 ion density가 증가하였으며, 이는 wafer center에서 etch rate의 증가가 됨을 wafer etch map을 통하여 증명되었다.
plasma source 주파수로 쓰인 13.56 MHz와 27.12 MHz에 대해 ion density는 27.12 MHz가 약 15 % 더 높은 결과를 얻었다. 또한 plasma profile은 13.56 MHz의 볼록한 center 특성에 비해 27.12 MHz의 갈매기 형상이 되었다. 이러한 결과는 ionization rate와 하전된 입자의 diffusion에 의해 결정된 plasma diffusion의 profile이며, center부 이온 밀도 분포 제어 능력이나 non-uniformity는 13.56 MHz에서 좋은 결과를 얻을 수 있었다.
한편, SiO2 막질에서 CF4 gas에 의한 etch시 27.12 MHz의 경우 전파장대에 걸쳐 13.56 MHz의 경우보다 emission intensity가 높았으며, 큰 차이는 SiF peak에서 더욱 높았다. 추가적으로, gas pressure, RF source power, RF bias power, CF4 gas flow량에 따른 F의 intensity의 결과는 막질과 무관하게 27.12 MHz의 경우가 13.56 MHz의 경우보다 F intensity가 높게 나타났다.
Capacitor 용량 변화에 따른 SiO2 etch rate는 27.12 MHz 경우가 13.56 MHz 경우보다 약 200A/min 높음을 알 수 있었다. non-uniformity는 27.12 MHz에서 최고 5.0%, 13.56 MHz에서 최고 2.8%로 13.56 MHz에서 더 좋은 결과를 낼 수 있었다.
가변 capacitor를 사용한 ICP source 주파수에 따른 플라즈마 특성 및 etch 비교 특성 연구는 앞으로 보다 많은 연구를 통해 ICP source 개발이나 etch 공정에서 응용할 수 있는 가능성을 보여 주었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Scaling up of wafer radius continuously increased as time flow in semiconductor industry, therefore, the study of generating uniform high-density plasma required in large size wafer. For a this purpose, we investigated the control of plasma uniformity using the ICP source which was added the variable capacitor in outer coil for regulate the current distribution of coil, and also we studied plasma characteristics and etch properties focused on non-uniformity according to the conventional frequency, that is 13.55 MHz and 27.12 MHz, of ICP source. The plasma density and etch non-uniformity was controlled by the current distribution of coil in this experiment. The ion density was increased at wafer center as increasing the variable capacitor, that is proved by wafer etch map, as a consequence, the etch rate was increased at wafer center. The ion density of 27.12 MHz frequency has 13 % higher than 13.56 MHz as a result of conventional frequency comparison. And the plasma profile in 13.56 MHz frequency has convex center characteristic, the gull shape which has concave center appearance was form in the 27.12 MHz frequency. That means the profile was determine by ionization rate and diffusion of charged particle, so we can obtained the good uniformity and capability of controlling the ion density distribution in 13.56 MHz frequency. Meanwhile, the emission intensity was high at 27.12 MHz in CF4 etch compared with 13.56 MHz frequency, and also the SiF peak has higher trend in same frequency. The intensity of F radical varying by gas pressure, RF source power, RF bias power, and CF4 gas flow was higher 27.12 MHz than 13.56 MHz frequency in a any thin films. The SiO2 etch rate by capacitor variation has higher tendency in 27.12 MHz than 13.56 MHz frequency. And the non-uniformity of 13.56 MHz has lower tendencies than 27.12 MHz frequency; the non-uniformity of 27.12 MHz was 5.0 % and the one of 13.57 MHz was 2.8 %. As a result, the research of the plasma characteristics and etch properties according to ICP source frequency which was contain the variable capacitor has probability to apply uniformity improvement in large size wafer radius.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구목적과 연구방법론 = 1
• 1.1.1 연구목적 = 1
• 1.1.2 연구방법 = 1
• 2. 본론 = 2
• 2.1 연구배경 = 2
• 2.1.1 개발의 필요성 = 2
• 2.2 이론적 배경 = 3
• 2.2.1 플라즈마의 발생 = 3
• 2.2.2 유도결합형 플라즈마의 방전원리 = 5
• 2.2.3 유도결합형 플라즈마에 미치는 자장의 효과 = 6
• 2.2.4 건식 식각의 기본 원리 = 8
• 2.2.5 식각 반응 기구 = 10
• 2.2.6 플라즈마 진단 및 표면 분석 장치 = 13
• 2.2.6.1 OES를 통한 플라즈마 진단의 기본원리 = 13
• 2.2.6.1.1 개요 = 14
• 2.2.6.1.2 Optical Emission 기구 = 17
• 2.2.6.1.3 장치 = 18
• 2.2.6.2 Langmuir probe = 18
• 2.2.6.2.1 Single Langmuir probe = 18
• 2.2.6.2.2 Double Langmuir probe = 21
• 2.2.6.3 Ellipsometer = 24
• 3. Inductively Coupled Plasma(ICP)에서 Source frequency에 따른 SiO₂etch 특성 = 27
• 3.1 실험 방법 = 27
• 3.1.1 ICP etcher 장치 소개 = 28
• 3.1.2 실험 조건 = 30
• 3.2 실험 결과 및 고찰 = 31
• 3.2.1 Capacitor 용량 변화에 따른 current ratio 비교 = 31
• 3.2.2 Variable capacitance와 radial position에 따른 ion density 비교 = 33
• 3.2.3 Emission intensity 비교 = 35
• 3.2.4 Capacitor 용량 변화에 따른 etch 특성 비교 = 40
• 3.2.4.1 Capacitor 용량 변화에 따른 SiO₂ etch rate 비교 = 40
• 3.2.4.2 Capacitor 용량 변화에 따른 SiO₂ etch non-uniformity 비교 = 41
• 3.2.4.3 Capacitor 용량 변화에 따른 SiO₂ etch rate의 map 특성 = 42
• 4. 결론 = 44
• 5. 참고 문헌 = 45
• 6. Abstract = 47