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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 이러한 다양한 공정변수들 중에서 플라즈마를 발생시키는 반응기체의 종류에 따라 세정에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 연구하였다. 이를 위해 먼저 p-type 실리콘 웨이퍼 위에 임의로 1000A ~ 4000A의 산화막을 성장시켜, 성장된 산화막이 플라즈마 소스에 따라 어떻게 처리되는지에 대한 결과를 연구 범위로 하였다.
- 이를 위해 먼저 p-type 실리콘 웨이퍼 위에 임의로 1000A ~ 4000A의 산화막을 성장시켜, 성장된 산화막이 플라즈마 소스에 따라 어떻게 처리되는지에 대한 결과를 연구 범위로 하였다. 사용된 반응 가스로는 아르곤, 산소, CF% CHF3와 이를 혼합한 가스들이 사용되었으며, 이러한 가스와 함께 전극 간 거리, RF power 등의 공정변수들을 변화시키면서 세정 성능에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 연구하였다.
- 본 연구에서는 실리콘 웨이퍼에 산화막을 성장시킨 후 가스종 변화에 따른 플라즈마 세정을 통하여 산화막의 변화를 분석하기 위하여 실험하였다. 그러므로 먼저 붕소가 주입된 p-type 웨이퍼에 산화막을 열성장시키는 공정을 수행하였다.
제안 방법
- 이를 위해 먼저 p-type 실리콘 웨이퍼 위에 임의로 1000A ~ 4000A의 산화막을 성장시켜, 성장된 산화막이 플라즈마 소스에 따라 어떻게 처리되는지에 대한 결과를 연구 범위로 하였다. 사용된 반응 가스로는 아르곤, 산소, CF% CHF3와 이를 혼합한 가스들이 사용되었으며, 이러한 가스와 함께 전극 간 거리, RF power 등의 공정변수들을 변화시키면서 세정 성능에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 연구하였다.
- 반응기 내부의 시편을 놓는 아래 전극은 300Φ이며, 상하이동과 회전이 가능하도록 제작하였다. Pumpinge 1200Q/min의 로터리 펌프로 1X10-3 Torr의 기저압력을 유지시키고, Chiller를 아래 전극과 반응기 벽면, 그리고 RF발생기에 연결하여 냉각과 온도조절이 가능하도록 하였다. 반응기 내부에는 시편 온도를 측정할 수 있는 k-type 열전대와 플라즈마 상태를 진단할 수 있는 Langmuir Probe 가 연결되어 있다.
- 그러므로 먼저 붕소가 주입된 p-type 웨이퍼에 산화막을 열성장시키는 공정을 수행하였다. 열산화를 위한 전처리(유기물, 자연산화막 제거)로 Wet station을 수행하였고, 열산화는 1000 ℃에서 습식 (수소 기체와 산소 기체 동시 공급)으로 열산화하였다.
- 그러므로 먼저 붕소가 주입된 p-type 웨이퍼에 산화막을 열성장시키는 공정을 수행하였다. 열산화를 위한 전처리(유기물, 자연산화막 제거)로 Wet station을 수행하였고, 열산화는 1000 ℃에서 습식 (수소 기체와 산소 기체 동시 공급)으로 열산화하였다. 이렇게 열산화된 산화막의 두께는 Nanometrics사의 박막두께측정기 (Nanospec AFT 200)를 이용하여 측정하였다.
- 열산화를 위한 전처리(유기물, 자연산화막 제거)로 Wet station을 수행하였고, 열산화는 1000 ℃에서 습식 (수소 기체와 산소 기체 동시 공급)으로 열산화하였다. 이렇게 열산화된 산화막의 두께는 Nanometrics사의 박막두께측정기 (Nanospec AFT 200)를 이용하여 측정하였다. 성장시키려 했던 산화막의 두께는 4500 A, 1500 A, 1000 A이었으나 실제 측정결과 평균적으로 4786 A, 1638 A, 1009 A이었다.
- 고정된 인자들은 300 W RF Power, 전극간의 거리는 5 cm, 가스유량은 50 seem, 세정시간은 180초 (4786 A, 1638 A)로 고정하여 실험하였다. 이외에도 전극 간격을 11.
- 고정된 인자들은 300 W RF Power, 전극간의 거리는 5 cm, 가스유량은 50 seem, 세정시간은 180초 (4786 A, 1638 A)로 고정하여 실험하였다. 이외에도 전극 간격을 11.5 cm와 8 cm 등으로 변경하였고 세정시간을 90초 (1009 A)으로 실험하거나 500 W RF Power에서 병행하여 실험을 수행하였다.
- 또한 300 W로 RF Power 를 고정시킨 이유는 100 W에서 600 W까지 변화시키며 실험을 수행한 결과 300 W에서 안정적인 플라즈마가 발생하였기 때문이다. 위의 인자들은 모두 고정시킨 상태에서 3가지 종류의 시편 (4786 A, 1638 A, 1009 A)에 대하여 가스종을 변화시키며 실험하였다. 실험된 가스종은 4가지이고 혼합의 경우 4가지로 동일 두께의 시편마다 세정시간에 따라, 인가된 RF Power에 따라, 전극간 거리에 따라 세정 가스를 변화시키며 실험을 수행하였다.
- 위의 인자들은 모두 고정시킨 상태에서 3가지 종류의 시편 (4786 A, 1638 A, 1009 A)에 대하여 가스종을 변화시키며 실험하였다. 실험된 가스종은 4가지이고 혼합의 경우 4가지로 동일 두께의 시편마다 세정시간에 따라, 인가된 RF Power에 따라, 전극간 거리에 따라 세정 가스를 변화시키며 실험을 수행하였다.
- 세정후 시편은 먼저 Nanospec을 이용하여 산화막 두께를 측정하였다. 두께 측정은 시편의 여러지점을 측정하여 평균값을 취하였다.
- 두께를 측정하였다. 두께 측정은 시편의 여러지점을 측정하여 평균값을 취하였다. 또한 표면성분 분석을 위하여 XPS (X-ray photoelectron spectoscopy)로 분석하였고 표면 거칠기 측정을 위하여 AFM(Atomic force microscopy)을 이용하여 분석하였다.
- 그러므로 이에 대한 검증을 위해 먼저 반응기를 산소 플라즈마로 3분간 세정한 후 실험하였다. 그 결과 증착되지 않고 세정이 수행되었다.
- 두께 측정은 시편의 여러지점을 측정하여 평균값을 취하였다. 또한 표면성분 분석을 위하여 XPS (X-ray photoelectron spectoscopy)로 분석하였고 표면 거칠기 측정을 위하여 AFM(Atomic force microscopy)을 이용하여 분석하였다.
- 따라서 HF에 의해 상대적으로 많은 양의 실리콘 산화막이 제거되고 플라즈마내의 F 농도가 감소하므로 F/C 비율은 감소하게 되고, 세정에 기여하는 F 보다 불포화종인 CFx 폴리머가 증가하여 세정보다는 증착이 수행되었다는 것을 탄소와 F 의 높은 피크를 통해 알 수 있다. 그러므로 이러한 증착 효과를 없애기 위해서는 일반적으로 수소나 산소와 같은 첨가 가스를 첨가하예 11-12-14] 세정하여야 하나, 본 연구 장비의 경우 수소를 첨가가 어려워 산소와 아르곤 만을 첨가하여 실험하였다.
- 플라즈마 세정의 많은 변수중 큰 영향을 미치는 세정 가스를 변화시키면서 실리콘 웨이퍼의 산화막 제거실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 다섯째, CHF3에 첨가 기체로 아르곤과 산소를 첨가하여 실험하였다. 아르곤을 첨가 기체로 실험한 결과 CHF3 가스의 분율을 낮춰 증착되는 높이를 약간 감소시키고 이온화를 촉진하는 역할밖에 수행하지 못하였다.
대상 데이터
- 본 실험에는 1 kW 용량의 RF발생기 (Hiittinger PFM 1500A)가 사용되었고 반응기의 내경은 400Φ 스테인레스로 되어있다. 가스 공급은 MFC (mass flow controller)를 통해 반응기로 유입되며, 반응기윗 부분의 41개의 흘 (내경 0.
- 성장시키려 했던 산화막의 두께는 4500 A, 1500 A, 1000 A이었으나 실제 측정결과 평균적으로 4786 A, 1638 A, 1009 A이었다. 열산화시킨 웨이퍼를 Dicing saw 를 이용하여 15X1.5 cm2 정사각형의 시편을 제작하였다.
성능/효과
- CF4 가스를 이용하여 세정한 결과 전극 거리가 가까울수록 세정 속도가 증가하였고, RF Power가 높을 수록 오히려 세정 속도는 감소하여 300 W에서 효과적으로 세정되었다. 이는 너무 많은 전력으로 세정 시 활성화되는 탄소의 양이 많아지므로, 오히려 세정을 방해하는 inhibitor 생성물이 형성됨을 XPS 결과를 통해 확인할 수 있다.
- 이는 너무 많은 전력으로 세정 시 활성화되는 탄소의 양이 많아지므로, 오히려 세정을 방해하는 inhibitor 생성물이 형성됨을 XPS 결과를 통해 확인할 수 있다. 또한 세정시간이 길수록 세정 속도가 증가하였으나 세정 시간보다는 전극간 거리에 의한 영향이 더 큰 변수임을 전극과 세정시간을 변화시킨 실험을 통해 알 수 있다. 실험 결과 4 cm 전극간 거리에서 300 W RF Power, 180 초 동안 세정 시 가장 큰 세정 효과를 얻을 수 있었다.
- 또한 세정시간이 길수록 세정 속도가 증가하였으나 세정 시간보다는 전극간 거리에 의한 영향이 더 큰 변수임을 전극과 세정시간을 변화시킨 실험을 통해 알 수 있다. 실험 결과 4 cm 전극간 거리에서 300 W RF Power, 180 초 동안 세정 시 가장 큰 세정 효과를 얻을 수 있었다.
- 전극 거리가 가까울수록 증착 속도가 증가하여 5cm에서 최대로 증착되었고, RF Power에 별다른 변화 없이 증착되고 세정시간이 길수록 증착량은 증가하였다.
- CHF3 가스의 경우 증착된 이유는 XPS 분석 결과를 통하여 이해할 수 있는데 300W, 180sec, 11.5 cm에서 실험한 결과의 XPS 분석결과 F 농도가 크게 증가하였으며, 탄소 농도가 증가하고 실리콘과 산소농도는 크게 감소하였다. 즉, 증착 원인은 세정에 기여하는 F 원자가 세정에 기여하지 못하고, 수소 원자에 의한 F 원자의 스캐빈징 (scavenging)으로 HF로 결합되어 SiCh를 제거하고, CFx 폴리머의 형태로 기판에 증착되는 것으로 사료된다.
- 왜냐하면 HF의 경우 실리콘보다 Si6와의 선택도가 매우 높기 때문에 [13] 실리콘이 제거된 양에 비해 상대적으로 매우 많은 산소의 양이 감소하게 된다. 따라서 HF에 의해 상대적으로 많은 양의 실리콘 산화막이 제거되고 플라즈마내의 F 농도가 감소하므로 F/C 비율은 감소하게 되고, 세정에 기여하는 F 보다 불포화종인 CFx 폴리머가 증가하여 세정보다는 증착이 수행되었다는 것을 탄소와 F 의 높은 피크를 통해 알 수 있다. 그러므로 이러한 증착 효과를 없애기 위해서는 일반적으로 수소나 산소와 같은 첨가 가스를 첨가하예 11-12-14] 세정하여야 하나, 본 연구 장비의 경우 수소를 첨가가 어려워 산소와 아르곤 만을 첨가하여 실험하였다.
- 증착된 양이 적어진 이유는 증착되는 CHR 가스 자체의 양이 적어졌기 때문이다. 아르곤을 첨가한 경우에는 세정시간이 짧을 수록, RF Power가 낮을 수록, 아르곤가스의 비율이 높을수록, 전극간 거리가 멀수록 증착량이 저감되었다.
- 세정 효과를 얻을 수 있었다. 9 : 1의 비율로 실험한 경우보다 4 : 1의 비율로 실험한 결과 더 높은 세정효과를 얻었고, 전극간 거리가 너무 멀면 세정효과가 거의 없거나 오히려 증착되는 결과를 나타내었다. 이는 전극간 거리가 너무 멀 경우 활성화된 입자들이 평균자유행로에 비해 전극거리가 멀어, 기판에 고 에너지를 가지고 입사되지 못하기 때문이다.
- CHF3 에 O2 를 4 : 1로 혼합하여 300 W, 180 sec, 5 cm 전극간 거리에서 실험한 시편의 XPS 분석 결과, 실리콘 및 산소 농도가 감소하였고, F 및 탄소 농도는 약간 증가하였다. 이는 수소가 F 원자를 스캐빈징하지 않고 산소와 반응하여, F가 세정에 기여할 수 있으므로[15] 실리콘 산화막이 세정되면서 동시에 CFx 폴리머가 증착된 것으로 사료된다.
- AFMe 표면 거칠기를 측정하기 위하여 사용하였는데 scan size는 1 XI ㎛2이고 측정결과는 3차원 그림으로 표시하였다. 측정 결과 평균 거칠기, RMS 거칠기, 산-마루 높이, 평균 높이, 중간 높이 등의 통계 자료를 얻을 수 있었다. RMS 거칠기의 경우 다음의 식으로 구할 수 있다.
- 첫째, 아르곤 플라즈마로 세정 결과 주요 세정기구가 물리적인 스퍼터링에 의한 세정이므로 500W 의 높은 전력에서만 세정이 수행되었고 전극간 거리의 경우 5cm에서 보다 많이 세정되었다. 그러나 아르곤 가스의 경우 물리적인 반응만을 기대할 수 있으므로 전체 세정 속도는 낮았다.
- 둘째, 산소 플라즈마 세정 결과 전극간 거리가 짧을수록 세정 시간이 길수록 세정효과가 커져 5cm 의 전극간 거리에 300 W에 180초 동안 세정시 가장 좋은 세정 효과를 보였다. 그러나 반응성이 높은 산소에 의한 영향으로 기판의 표면거칠기는 증가하여, 이에 대한 보완으로 첨가 가스와 전극간 거리 조절, 그리고 입사에너지의 조절이 필요함을 알 수 있었다.
- 셋째, CF4 플라즈마 세정 결과 전극간 거리가 가까울수록, 전력이 낮을수록 높은 세정 효과를 나타내어 300W 의 전력에 180초 동안 세정시 가장 좋은 세정효과를 얻었다. 전력의 경우 500W로 실험한 결과 너무 높은 입사에너지로 인하여 오히려 세정효과가 저감되었고, 전극간 거리가 tL5cm에서 실험한 결과 F 에 의한 세정 효과를 기대하기 위해서는 오랜 세정 시간이 필요함을 알 수 있었다.
- 세정효과를 얻었다. 전력의 경우 500W로 실험한 결과 너무 높은 입사에너지로 인하여 오히려 세정효과가 저감되었고, 전극간 거리가 tL5cm에서 실험한 결과 F 에 의한 세정 효과를 기대하기 위해서는 오랜 세정 시간이 필요함을 알 수 있었다.
- 넷째, CHF3 플라즈마로 실험한 결과 전부 증착이 되었다. 이는 HF가 생성되어 Si6에 대한 Si의 선택도가 증가되어 SiC>2는 세정이 수행되었으나, 세정의 방해자로 작용하는 CFx 폴리머가 증착되어 오히려 높이가 증가하는 양상을 띄었다.
- 아르곤을 첨가 기체로 실험한 결과 CHF3 가스의 분율을 낮춰 증착되는 높이를 약간 감소시키고 이온화를 촉진하는 역할밖에 수행하지 못하였다. 산소를 첨가 기체로 실험한 결과 효과적인 세정 효율을 얻을 수 있었는데, 300W 의 전력에 전극간 거리를 4cm에서 180초 동안 실험한 결과가 가장 높은 세정 효과를 나타내었고, 세정시간이 길수록, 전극간 거리가 가까울수록, 산소 분율이 높을수록 세정효과가 높게 나타났다. 이는 CHF3의 수소 원자가 F 원자와 반응하여 HF를 형성하지 못하도록 산소가 억제를 하므로 상대적으로 많은 F 원자들이 세정에 참가하였기 때문이다.
- 본 연구를 통하여 가장 좋은 세정 효과는 CF4 가스를 통하여 얻을 수 있었고, CHR의 경우 산소와 같은 첨가 가스를 이용하여 혼합된 가스로서 공정을 수행할 필요가 있음을 알 수 있었다. 또한 앞선 실험에서 수행된 가스와 성분이 다른 가스를 이용하여 실험할 경우 챔버 벽면에서의 재오염을 방지하기 위해서는 반드시 반응기를 산소 플라즈마로 세정할 필요가 있으며, 표면 거칠기를 줄이기 위해서는 되도록 낮은 전력에서 공정을 수행할 필요가 있으므로, 300 W 가 가장 적절한 것으로 도출되었다.
- 필요가 있음을 알 수 있었다. 또한 앞선 실험에서 수행된 가스와 성분이 다른 가스를 이용하여 실험할 경우 챔버 벽면에서의 재오염을 방지하기 위해서는 반드시 반응기를 산소 플라즈마로 세정할 필요가 있으며, 표면 거칠기를 줄이기 위해서는 되도록 낮은 전력에서 공정을 수행할 필요가 있으므로, 300 W 가 가장 적절한 것으로 도출되었다. 전극간 거리의 경우 멀수록 표면 거칠기의 영향은 없으나 너무 멀면 반응이 일어나기 어려우므로 4 ~ 5 cm 의 전극 간 거리가 가장 적절한 것으로 나타났다.
- 또한 앞선 실험에서 수행된 가스와 성분이 다른 가스를 이용하여 실험할 경우 챔버 벽면에서의 재오염을 방지하기 위해서는 반드시 반응기를 산소 플라즈마로 세정할 필요가 있으며, 표면 거칠기를 줄이기 위해서는 되도록 낮은 전력에서 공정을 수행할 필요가 있으므로, 300 W 가 가장 적절한 것으로 도출되었다. 전극간 거리의 경우 멀수록 표면 거칠기의 영향은 없으나 너무 멀면 반응이 일어나기 어려우므로 4 ~ 5 cm 의 전극 간 거리가 가장 적절한 것으로 나타났다.
- 그러나 CHF3에 산소 가스를 아르곤의 경우와 마찬가지로 4 : 1과 9 : 1로 첨가하여 실험한 결과 높은 세정 효과를 얻을 수 있었다. 9 : 1의 비율로 실험한 경우보다 4 : 1의 비율로 실험한 결과 더 높은 세정효과를 얻었고, 전극간 거리가 너무 멀면 세정효과가 거의 없거나 오히려 증착되는 결과를 나타내었다.
- 세정 효과를 보였다. 그러나 반응성이 높은 산소에 의한 영향으로 기판의 표면거칠기는 증가하여, 이에 대한 보완으로 첨가 가스와 전극간 거리 조절, 그리고 입사에너지의 조절이 필요함을 알 수 있었다.
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