[논문]플라즈마 진단에 의한 PECVD SiO2 증착의 불균일성 원인 연구

함용현; 권광호; 이현우

doi:10.4313/jkem.2011.24.2.89

플라즈마 진단에 의한 PECVD SiO2 증착의 불균일성 원인 연구
The Study on the Non-Uniformity of PECVD SiO2 Deposition by the Plasma Diagnostics 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.2, 2011년, pp.89 - 94

함용현 (고려대학교 제어계측공학과) , 권광호 (고려대학교 제어계측공학과) , 이현우 (한서대학교 전자컴퓨터통신학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The cause of the thickness non-uniformity in the large area deposition of $SiO_2$ films by PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) was investigated by the plasma diagnostics. The spatial distribution of the plasma species in the chamber was obtained with DLP(Double Langmuir Probe) and the new-designed probe-type QMS(Quadrupole Mass Spectrometer). From the relationship between the spatial distribution of the plasma species and the depositing rate of the $SiO_2$ films, it was conformed that the non-uniform deposition of $SiO_2$ films was related with the spatial distribution of the oxygen radical density and electron temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 플라즈마 진단에 의한 대면적 PECVD SiO₂ 박막의 불균일 증착 원인을 분석하였다. 샤워헤드와 하부 기판의 간격이 증가할수록 증착 속도는 감소하며, 균일도가 좋아짐을 알 수 있다.
이에 챔버의 변형에 따라서 본 연구팀에서 새로 고안한 탐사침 (probe)형태의 QMS (quadrupole mass spectrometer)와 DLP (double langmuir probe)를 이용하여 플라즈마 내의 활성종인 라디칼과 하전입자의 공간적 분포 및 거동을 확인 하였다. 이러한 플라즈마 활성종의 분포를 기초로 하여 불균일한 SiO₂ 증착 메커니즘을 규명하는 연구를 수행하였다.
그러나 이러한 추측을 확실히 규명하기 위한 연구는 부족하다. 이에 본 연구에서는 챔버 변형에 따른 플라즈마 내 활성종들의 공간적 분포를 분석하여, 불균일한 박막 증착의 정확한 원인규명을 하고자 한다. 이에 챔버의 변형에 따라서 본 연구팀에서 새로 고안한 탐사침 (probe)형태의 QMS (quadrupole mass spectrometer)와 DLP (double langmuir probe)를 이용하여 플라즈마 내의 활성종인 라디칼과 하전입자의 공간적 분포 및 거동을 확인 하였다.
이에 활성종의 공간 분포의 해석 없이는 박막의 불균일 증착을 설명 할 수 없음은 자명한 사실이다. 이에 본 연구팀에서는 플라즈마 내 중성종의 특성을 추출하기 위하여 새로운 탐사침 형태의 QMS를 고안하였으며, 이의 개략도를 그림 1에 나타내었다. 그림 1을 살펴보면 종래의 QMS는 가스의 배기구에 QMS가 연결되어져 진단 장비가 플라즈마에 미치는 영향을 최소화하는 장점이 있으나 챔버내 활성종의 공간적 분포를 해석할 수 없었다.

제안 방법

샤워헤드와 하부 기판의 간격이 증가할수록 증착 속도는 감소하며, 균일도가 좋아짐을 알 수 있다. N₂O 플라즈마 내의 하전입자와 라디칼의 공간적 분포를 각각 DLP와 탐사침형 QMS를 이용하여 전극의 간격과 기판 중심에서의 거리에 따른 변화를 확인하였다. 전극의 간격이 좁아질수록 O 라디칼의 밀도와 전자온도가 커지게 되어 SiO₂의 증착속도가 증가함을 확인하였다.
위의 논의를 확인하기 위하여 DLP로 플라즈마 내 전자 온도를 측정하였다. 그림 6은 샤워헤드와 하부 기판의 간격과 금속판 삽입에 의한 전극 간격 변화에 따른 N₂O 플라즈마 내의 전자온도를 나타낸 그림이다.
한편, 하전입자의 공간적 분포를 확인하기 위해 PLASMART사의 DLP2000을 이용하여 QMS와 동일한 위치에서 하전입자의 공간적 분포를 확인하였다. 이때, 탐사침의 위치는 샤워헤드로 부터 2.5 cm 아래쪽에 설치되었으며, 챔버의 변형에 따른 플라즈마 활성종의 거동을 확인하기 위해 지름 30 cm의 금속판을 높이 1.5 cm, 2.5 cm로 제작하여, 위 금속판을 챔버내의 기판 위에 올려놓은 후 챔버 내의 활성종의 거동을 확인하였다.
56 MHz의 RF 전압을 350 W 인가하였으며, 공정압력은 350 mTorr, 그리고 증착 온도는 150℃로 고정시켰다. 이때, 하부 전극과 샤워헤드사이의 간격을 4, 6, 그리고 8 cm로 변화시키면서 SiO₂을 증착 하였다.
박막이 증착되어져 I-V curve를 얻을 수 없어 플라즈마 진단이 곤란하다. 이에 본 실험에서는 N₂O 가스가 전체 기체의 약 95% 이므로, SiH₄와 N₂O 플라즈마 특성은 N₂O 가스만의 플라즈마 특성과 크게 다르지 않을 것이라 판단하여, 본 실험에서는 N₂O 가스만을 사용하여 탐사침형 QMS와 DLP를 이용한 챔버내 활성종의 변화를 관찰하였다.
그림 1을 살펴보면 종래의 QMS는 가스의 배기구에 QMS가 연결되어져 진단 장비가 플라즈마에 미치는 영향을 최소화하는 장점이 있으나 챔버내 활성종의 공간적 분포를 해석할 수 없었다. 이에 챔버내 활성종의 공간적 분포를 확인하기 위해 PECVD 챔버 벽에 접속구를 형성하여, HIDEN사의 HPR-30을 고안한 탐사침 형태 QMS를 챔버의 접속구에 삽입하여 챔버 중심에서 가장자리 방향으로 4 cm씩 탐사침을 이동시키며 활성종의 공간적 분포를 추출하였다.
이에 본 연구에서는 챔버 변형에 따른 플라즈마 내 활성종들의 공간적 분포를 분석하여, 불균일한 박막 증착의 정확한 원인규명을 하고자 한다. 이에 챔버의 변형에 따라서 본 연구팀에서 새로 고안한 탐사침 (probe)형태의 QMS (quadrupole mass spectrometer)와 DLP (double langmuir probe)를 이용하여 플라즈마 내의 활성종인 라디칼과 하전입자의 공간적 분포 및 거동을 확인 하였다. 이러한 플라즈마 활성종의 분포를 기초로 하여 불균일한 SiO₂ 증착 메커니즘을 규명하는 연구를 수행하였다.
한편, 하전입자의 공간적 분포를 확인하기 위해 PLASMART사의 DLP2000을 이용하여 QMS와 동일한 위치에서 하전입자의 공간적 분포를 확인하였다. 이때, 탐사침의 위치는 샤워헤드로 부터 2.

대상 데이터

박막을 증착하였다. SiO₂ 박막은 6인치 Si (100) 기판 위에 증착하였으며, 이때 SiH₄/N₂O의 가스 유량은 각각 5 sccm/90 sccm 이었다. 한편, 플라즈마 형성을 위해 챔버 상부에 13.
본 연구에서는 SiH₄와 N₂O 가스를 이용하여 PECVD에서 SiO₂ 박막을 증착하였다. SiO₂ 박막은 6인치 Si (100) 기판 위에 증착하였으며, 이때 SiH₄/N₂O의 가스 유량은 각각 5 sccm/90 sccm 이었다.

성능/효과

전극의 간격이 좁아질수록 O 라디칼의 밀도와 전자온도가 커지게 되어 SiO₂의 증착속도가 증가함을 확인하였다. 또한, 기판 중심부에서 가장 자리 쪽으로 멀어질수록 O 라디칼의 밀도가 감소함을 확인하였다. 따라서 SiO₂ 박막의 불균일 증착은 O 라디칼의 밀도와 전자의 온도의 불균일함이 원인이라고 판단할 수 있다.
이에 샤워헤드와 하부 기판 간격이 감소함에 따라 박막 증착 불균일도가 더욱 심해지는 것을 알 수 있다. 또한, 샤워헤드와 하부 기판 간격이 감소함에 따라 챔버의 가장자리 보다 중심부에서 증착속도의 증가량이 더 커짐을 확인할 수 있다.
본 실험에서 전극 간격 변화를 위해 금속판을 삽입하였기에 PECVD 챔버 내부 체적이 감소되어졌다. 일정한 RF 전력이 인기되고 있으므로 단위 체적 당 전력 밀도가 증가하였다.
박막의 불균일 증착 원인을 분석하였다. 샤워헤드와 하부 기판의 간격이 증가할수록 증착 속도는 감소하며, 균일도가 좋아짐을 알 수 있다. N₂O 플라즈마 내의 하전입자와 라디칼의 공간적 분포를 각각 DLP와 탐사침형 QMS를 이용하여 전극의 간격과 기판 중심에서의 거리에 따른 변화를 확인하였다.
수치값이 낮을수록 증착 균일도가 뛰어남을 의미하는데, 샤워헤드와 하부 기판의 간격이 8 cm인 경우챔버의 중심부를 기준으로 증착 균일도를 아래의 수식으로 계산한 결과 챔버 가장자리에서 약 92%의 증착 균일도를 가지는데, 이는 약 146%의 증착 균일도를 가지는 4 cm의 샤워헤드와 하부 기판 간격에 비해 상대적으로 균일함을 보이고 있다.
O 가스를 기존 QMS 데이터 추출 방법인 가스 배기구에 연결하여 추출한 가스분압 결과와 본 연구에서 고안되어진 탐사침 형대의 QMS를 이용하여 추출한 가스분압 결과를 비교한 것이다. 위 결과를 비교해 보면 원자량 14, 16, 28, 30, 32, 44에서 각각의 해당 피크인 N, O, N₂, NO, O₂, N₂O가 거의 동일하게 추출됨을 확인할 수 있다. 이는 탐사침형태의 QMS를 사용하여도 플라즈마 내에 존재하는 원소를 정확하게 추출할 수 있음을 말해준다.
N₂O 플라즈마 내의 하전입자와 라디칼의 공간적 분포를 각각 DLP와 탐사침형 QMS를 이용하여 전극의 간격과 기판 중심에서의 거리에 따른 변화를 확인하였다. 전극의 간격이 좁아질수록 O 라디칼의 밀도와 전자온도가 커지게 되어 SiO₂의 증착속도가 증가함을 확인하였다. 또한, 기판 중심부에서 가장 자리 쪽으로 멀어질수록 O 라디칼의 밀도가 감소함을 확인하였다.

후속연구

이러한 결과를 토대로 PECVD 챔버 설계시 샤워헤드와 기판의 온도 변화에 따른 챔버 내부의 변형률이 계산되어진다면 장비의 수명을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 증착 불균일 문제를 해결하는데 있어서 증착 불균일 문제를 야기시키는 플라즈마 활성종을 정확하게 추적함으로써 박막의 불균일 문제를 해결하는 대안이 되리라 판단된다.
한편, 챔버의 가장자리 쪽으로 갈수록 전자온도가 점차 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 이는 챔버의 중심부에 비해 O 라디칼과 이온들의 밀도가 상대적으로 현저히 낮기에 전자의 평균이동행로가 길어져 전자의 온도가 증가하게 된 것으로 판단되나 정확한 해석을 하기 위해서는 더 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이에 챔버의 가장자리는 전자온도가 상대적으로 높더라도 반응에 기인하는 활성종의 밀도가 현저히 낮기에 증착속도가 증가하지 않은 것으로 판단된다.
이러한 결과를 토대로 PECVD 챔버 설계시 샤워헤드와 기판의 온도 변화에 따른 챔버 내부의 변형률이 계산되어진다면 장비의 수명을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 증착 불균일 문제를 해결하는데 있어서 증착 불균일 문제를 야기시키는 플라즈마 활성종을 정확하게 추적함으로써 박막의 불균일 문제를 해결하는 대안이 되리라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PECVD를 이용한 박막 증착기술의 장점은?	특히 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용한 박막의 증착 기술은 낮은 온도에서 박막을 형성할 수 있다는 장점으로 인해 반도체 및 디스플레이 소자의 제조 공정에서 많이 사용되고 있다. 그러나 디스플레이 제조 공정의 대면적 박막 형성에 있어서 박막의 불균일한 증착이 원인이 되어 소자 특성이 불균일하게 되어 생산성이 악화되는 것으로 알려져 있어 균일하게 증착된 박막을 얻기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다 [4-8].
	플라즈마 진단에 의한 대면적 PECVD SiO2 박막의 불균일 증착의 원인은?	또한, 기판 중심부에서 가장 자리 쪽으로 멀어질수록 O 라디칼의 밀도가 감소함을 확인하였다. 따라서 SiO2 박막의 불균일 증착은 O 라디칼의 밀도와 전자의 온도의 불균일함이 원인이라고 판단할 수 있다.
	일반적으로 박막의 불균일 증착은 어떻게 나타나는가?	일반적으로 박막의 불균일 증착은 장비의 장시간 사용 후에 따른 증착 챔버의 노후화에 따라 더욱 심하게 나타나게 되는 것으로 알려져 있다. 장비가 노후화되면 챔버 변형이 발생하며, 이러한 변형의 요인은 PECVD를 이용한 박막 증착시 박막의 질을 향상시키기 위해서 하부 기판에 열을 가하는 공정이 원인이 되어 발생하게 된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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