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가설 설정
- 표2에 나타난 이동도는 Ar 이온의 경우 760[Torr], 기타 이온은 1[Torr] 기준으로 정해진 값이다. 이동도는 압력에 반비례한다는 가정 하에 각각의 시뮬레이션 압력 조건을 맞추어 환산하여 계산을 수행하였다.
제안 방법
- 본 시뮬레이션에서 가스 주입구의 경계조건은 mass flow로 설정하였고, 100[sccm]이 챔버 내로 주입되게 하였다. 가스 배출구의 경계 조건은 챔버 내의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 압력조건으로 설정하였다. 플라즈마 영역 이외의 영역에 대한 매질 조건은 표1과 같다.
- 실제 식각 공정에 적용되는 가스 주입구 위치와 유사하게 설정하였다. 그리고 wafer chuck을 제외한 챔버 바닥면을 가스 배출구로 설정하였다.
- 플라즈마 영역 이외의 영역에 대한 매질 조건은 표1과 같다. 또한 전자의 이동도를 계산하기 위해 BOSIG+를 이용하여 각 압력 및 CF4비율에 대한 충돌 주파수를 전자 평균 에너지에 대한 함수로 구하였으며, 총 122가지의 Ar/CF4 화학반응식 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다[2,3]~[13].
- 본 시뮬레이션에서 가스 주입구의 경계조건은 mass flow로 설정하였고, 100[sccm]이 챔버 내로 주입되게 하였다. 가스 배출구의 경계 조건은 챔버 내의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 압력조건으로 설정하였다.
- 따라서 유체시뮬레이션을 통해 이러한 활성종 및 이온의 발생을 예측할 수 있다. 본 연구에서는 Ar 기반의 Gas에 CF4를 5% 희석한 상태에서 자장의 변화에 따라 식각 공정에 많은 영향을 미치는 전자온도, 밀도, 플라즈마 전위 및 각각의 활성종 및 이온의 밀도 분포를 기체 유속 방정식을 결합하여 계산을 수행하였다. 이 때 챔버 내부의 압력은 5[mTorr]이며 입력 power는 1000[W]로 고정하였으며, 입력 유속은 100[sccm], 내부 압력은 5[mTorr]를 유지하였다.
- 본 연구에서는 Ar/CF4 플라즈마의 유체 시뮬레이션을 통하여 식각 공정에 많은 영향을 미치는 변수를 계산하고 그 결과를 비교분석하였다.
이론/모형
- 유도결합 및 자화유도결합 플라즈마의 시뮬레이션을 위해 사용된 방정식은 안테나에 흐르는 전류로 유도되는 전계 계산을 위한 Maxwell 방정식과 Poisson 방정식, 플라즈마 내의 입자 변화를 계산하기 위한 연속 방정식 및 에너지 보존 방정식, 챔버 내에서의 기체 유동을 계산하기 위한 Navier-Stokes 방정식 등이 적용되었다[14,15].
- 는 각각 전자-중성 입자 충돌 주파수와 전자 싸이클로트론 주파수를 나타낸다. 전자-중성 입자 충돌 주파수는 입자의 충돌 단면적을 이용하여 two-term approximation Boltzmann 방정식을 이용하여 구한다. 이때 BOLSIG+를 이용하였다[16].
- 중성 입자의 확산 계수는 Lennard-Jones approcimation에 의해 구해지며 기타 중성 입자들의 연속 방정식은 다음과 같다[15,18,19].
성능/효과
- 결론적으로 시뮬레이션 수행 결과 외부자장을 인가한 자화유도 플라즈마의 경우 유도결합 플라즈마의 경우에 비해 전력 전달효율이 상승하는 결과를 얻을 수 있었다. 일반적으로 유도결합플라즈마의 경우 약 70%의 효율을 보이지만, 자화유도결합 플라즈마의 경우 95%정도로 상승하였다.
- 그리고 중성 입자 밀도 분포는 Gas 주입구 부근의 CF4 해리율 감소로 인해 비교적 무거운 입자인 CF3와 CF2는 Flow에 많은 영향을 받아 Gas 주입구 부근의 밀도 분포가 낮았으며, 비교적 가벼운 CF, F, C, F2 입자는 확산에 의한 분포가 지배적임으로 인해 챔버 중심부에서의 밀도 분포가 높았다. 또한 하전 입자밀도 분포는 전자 밀도 분포와 동일한 경향이 나타나는 것을 확인하였다.
- 선택도를 증가시키기 위해서는 플라즈마 체적내의 불소 농도를 탄소 또는 불화탄소 계열의 중성 입자에 비해 감소시킬 필요가 있다[20]. 따라서 자화유도결합 플라즈마는 탄소의 증가율이 불소의 증가율보다 높아 실리콘 식각 시 선택도를 높일 수 있을 것으로 보여 진다.
- 외부 자장에 증가 하였을 때 RHCP(Right Hand Circular Polarization)-wave에 의해 챔버 중심부로 파장이 굴절되는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 전계 방향과 동일하게 전자 온도가 높은 영역이 챔버 중심부로 이동하게 되며, 플라즈마 전위도 전자 온도가 높은 영역에서 증가하는 경향이 나타났다. 또한 외부자장이 인가했을 때 플라즈마 전위는 외부 자장이 없는 경우에 비해 다소 낮아졌다.
- 입자는 확산에 의한 분포가 지배적임으로 인해 챔버 중심부에서의 밀도 분포가 높았다. 또한 하전 입자밀도 분포는 전자 밀도 분포와 동일한 경향이 나타나는 것을 확인하였다.
- 외부 자장에 증가 하였을 때 RHCP(Right Hand Circular Polarization)-wave에 의해 챔버 중심부로 파장이 굴절되는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 전계 방향과 동일하게 전자 온도가 높은 영역이 챔버 중심부로 이동하게 되며, 플라즈마 전위도 전자 온도가 높은 영역에서 증가하는 경향이 나타났다.
- 이는 실험 중 임피던스 매칭의 정성적 개선을 뒷받침해준다. 이러한 결과로 자화유도결합 플라즈마는 유도결합 플라즈마의 특성을 개선하고 대면적 반도체 제조 공정에 적용될 가능성이 있음을 확인하였다.
- 그림 11은 입력전력에 따른 효율을 나타낸 결과이다. 입력전력이 증가할수록 선형적으로 플라즈마에 소비되는 전력 및 안테나에서 소비되는 전력이 증가하였으며, 유도결합 플라즈마 경우에 비해 자화유도결합 플라즈마에서의 효율이 개선되는 것을 확인하였다.
- 또한 외부자장이 인가했을 때 플라즈마 전위는 외부 자장이 없는 경우에 비해 다소 낮아졌다. 전자 밀도 분포는 외부 자장을 증가함으로써 반경 방향으로의 전자 확산 계수 감소로 인해 전자가 국부적으로 챔버 중심부로 구속되는 경향이 나타났다.
- RF Window 하단에서 주입된 Gas는 wafer chuck 옆으로 빠져 나간다. 챔버 중앙부의 속도는 비교적 낮아 유체의 흐름에 의한 영향이 작아 보이지만, 벽면으로 향할수록 Gas의 속도가 증가하여 플라즈마에 의해 생성되는 중성입자들의 속도에 많은 영향을 받았다. 특히 비교적 무거운 입자인 CF3와 CF2의 밀도의 경우 가스속도 분포와 비슷한 경향을 나타냈으며, 가벼운 CF, F, C, F2 입자들은 확산에 의한 분포가 지배적인 것을 확인하였다.
- 챔버 중앙부의 속도는 비교적 낮아 유체의 흐름에 의한 영향이 작아 보이지만, 벽면으로 향할수록 Gas의 속도가 증가하여 플라즈마에 의해 생성되는 중성입자들의 속도에 많은 영향을 받았다. 특히 비교적 무거운 입자인 CF3와 CF2의 밀도의 경우 가스속도 분포와 비슷한 경향을 나타냈으며, 가벼운 CF, F, C, F2 입자들은 확산에 의한 분포가 지배적인 것을 확인하였다.
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