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잔류가스분석기 및 발광 분광 분석법을 통한 중간압력의 NF3 플라즈마 실리콘 식각 공정
Silicon Etching Process of NF3 Plasma with Residual Gas Analyzer and Optical Emission Spectroscopy in Intermediate Pressure 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.17 no.4, 2018년, pp.97 - 100  

권희태 (광운대학교 전자바이오물리학과) ,  김우재 (광운대학교 전자바이오물리학과) ,  신기원 (광운대학교 전자바이오물리학과) ,  이환희 (광운대학교 전자바이오물리학과) ,  이태현 (광운대학교 전자바이오물리학과) ,  권기청 (광운대학교 전자바이오물리학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

$NF_3$ Plasma etching of silicon was conducted by injecting only $NF_3$ gas into reactive ion etching. $NF_3$ Plasma etching was done in intermediate pressure. Silicon etching by $NF_3$ plasma in reactive ion etching was diagnosed through residual gas anal...

주제어

# $NF_3$ Plasma   #Si Etching   #Residual Gas Analyzer   #Optical Emission Spectroscopy  

AI 본문요약
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제안 방법

  • OES 결과를 통해, 불소 방출 광 세기를 진단하였다. 불소 방출 광 세기는 고정 RF power 및 압력이 증가할수록 증가하였다.
  • 구성된 반응성 이온 식각 장비(Reactive ion etching, RIE) 내 방전된 NF3 플라즈마를 이용해 실리콘(Silicon) 식각 공정을 진행하였다. 실리콘 식각 공정 중, 발광 분광 분석법(Optical emission spectroscopy, OES)을 이용해 불소 방출 광 세기(fluorine intensity)를 진단하였다.
  • 그러나, RIE를 이용한 NF3 플라즈마 식각에 관한 연구는 대부분 RIE에서 저 압력(Low pressure)에 국한되었다. 따라서, 본 연구는 RIE를 이용해 중간 압력(Intermediate pressure)에서 NF3 플라즈마 실리콘 식각 공정을 수행하였으며, 이때 잔류가스분석기와 발광 분광 분석법을 이용해 분석하였다. 
  • 반응성 이온 식각 장비(Reactive ion etching,RIE)에 NF3 가스를 주입하여 NF3 플라즈마를 방전시켜 실리콘 식각 공정 및 진단을 하였다. 진단에 사용된 진단기는 발광 분광 분석법(Optical emission spectroscopy, OES), 잔류 가스 분석기 (Residual gas analyzer, RGA)이다.
  • 이와 동시에, 잔류가스 분석기(Residual gas analyzer, RGA)를 이용해 실리콘 식각 공정 부산물(SiF3)을 진단하였다. 식각 공정 및 진단 조건은 압력(Pressure) 및 RF 전력(RF power)를 가변시켰다.
  • 실리콘 식각 공정 중, 발광 분광 분석법(Optical emission spectroscopy, OES)을 이용해 불소 방출 광 세기(fluorine intensity)를 진단하였다. 이와 동시에, 잔류가스 분석기(Residual gas analyzer, RGA)를 이용해 실리콘 식각 공정 부산물(SiF3)을 진단하였다. 식각 공정 및 진단 조건은 압력(Pressure) 및 RF 전력(RF power)를 가변시켰다.
  • 잔류 가스 분석기(Residual gas analyzer, RGA)는 정밀 누설 밸브(Precision leak valve)를 이용하여 차등 펌핑 방식 (Diffrential pumping)을 적용해 RIE에 설치하였다. 정밀 누설 밸브는 분압을 샘플링하는 가장 쉬운 방법 중 하나이기 때문에 선택되었다[8].

대상 데이터

  • OES는 RIE 상부 전극과 하부 전극 사이에서 발생되는 벌크 플라즈마(Bulk plasma)의 가운데를 향하도록 설치되었다. CCD를 가진 UV/가시광선 분광기(HR4000, Ocean Optics Inc.)를 사용하였으며, 이러한 분광기의 광학분해능은 0.03 nm이다.
  • 상부 전극 (Upper electrode)과 하부 전극(Bottom electrode) 사이의 간격이 대략 38 mm 인 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE) 챔버를 사용했다. 하부 전극의 직경은 150 mm이다.
  • 실리콘 샘플은 크기가 30 mm × 30 mm이며, p형(p-type), 1 - 10 Ω cm 및 (100) 결정 방향성을 가진 것을 실험에 사용하였다.
  • 압력은 130 mTorr, 200 mTorr 그리고 270 mTorr 로 변화시켰다. 전력 전달 시스템은 Impedance matching network 및 13.56 MHz RF generator로 구성하였다. RF 전력은 240 W 및 400 W로 인가되어졌다.

이론/모형

  • 플라즈마를 이용해 실리콘(Silicon) 식각 공정을 진행하였다. 실리콘 식각 공정 중, 발광 분광 분석법(Optical emission spectroscopy, OES)을 이용해 불소 방출 광 세기(fluorine intensity)를 진단하였다. 이와 동시에, 잔류가스 분석기(Residual gas analyzer, RGA)를 이용해 실리콘 식각 공정 부산물(SiF3)을 진단하였다.
  • 필라멘트(Filament)에서 방출되는 열전자의 에너지는 70 eV로 설정되었다. 이온 원 및 사중극자 질량 필터(Quadrupole mass filter)를 통과한 이온을 검출하기 위해 파라데이 컵(Faraday cup)을 사용하였다. RGA의 검출기에서 이온에 의해 발생된 전류는 RIE에서 선택되어진 중성 종의 부분 압(Partial pressure)을 의미한다.
  • 플라즈마를 방전시켜 실리콘 식각 공정 및 진단을 하였다. 진단에 사용된 진단기는 발광 분광 분석법(Optical emission spectroscopy, OES), 잔류 가스 분석기 (Residual gas analyzer, RGA)이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
RPS의 특징은? RPS는 주로 주 챔버에 옆에 부착되어 있으며, 이온 포격 (Ion bombardment)에 의한 챔버 내부 부품 및 기판의 손상이 줄어든다는 장점 또한 가지고 있다. 이러한 RPS의 한가지 방식으로, 원격 마이크로파 소스 방식(Remote microwave source, RMS) 또한 존재한다.
NF3가 세정공정에서 사용되는 이유는? 이처럼 NF3가 세정공정에서 사용되어지는 이유는 여러 가지가 있다. 첫째로, NF3 는 육 불화황(Surfur hexafluoride, SF6), 플루오린 및 탄소 기반(Perfluoro carbon, PFC) 가스 보다 낮은 결합 에너지를 가지고 있다[2]. 둘째로, NF3 플라즈마를 이용한 식각 및 세정공정은 탄소(Carbon)으로 인한 표면 오염이 없다는 것이다. 마지막으로, NF3는 SF6 및 PFC 가스에 비해 대기 중 짧은 수명(Life time)과 낮은 지구 온난화 지수(Global warming potential, GWP)를 가진다[3]. 세정공정에서 NF3는 원격 플라즈마 소스(Remote plasma source, RPS)에 주입되어, 고 분해율(High dissociation) 특징을 가진 RPS에 의해 불소(Fluorine)로 분해 된다.
불화질소가 사용되는 공정은? 반도체 및 디스플레이 공정에서 삼 불화질소(Nitrogentrifluoride, NF3)는 주로 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 장비 및 기타 증착 (Deposition) 장비 내 챔버 벽(Chamber wall)에 증착된 물질 (Deposited material) 및 잔여물(Residues)을 제거하는 세정공정 (Cleaning process)에서 사용된다[1]. 이처럼 NF3가 세정공정에서 사용되어지는 이유는 여러 가지가 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Onno Gabriel, Simon Kirner, Michael Klick, Bernd Stannowski, and Rutger Schlatmann, "Plasma monitoring and PECVD process control in thin film silicon-based solar cell manufacturing," EPJ Photovoltaics, 5 (2014): 55202. 

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  2. R. C. Weast, "Handbook of Chemistry and Physics, 70th Ed," CRC press, Boca Raton, FL 1990. 

  3. Global Warming Potentials of ODS Substitutes, U.S. Environmental Protection Agency, 2002. 

  4. Ronald Hellriegel, Matthias Albert, Bernd Hintze, Hubert Winzig, J.W. Bartha, "Remote plasma etching of titanium nitride using $NF_3$ /argon and chlorine mixtures for chamber clean applications," Microelectronic Engineering, 84(1), 37-41, (2007). 

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  5. B. E. E. Kastenmeier, G. S. Oehrlein, John G. Langan and William R. Entley, "Gas utilization in remote plasma cleaning and stripping applications," Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 18(5), 2102-2107, (2000). 

    상세보기 crossref

  6. M. Konuma and E. Bauser, "Mass and energy analysis of gaseous species in $NF_3$ plasma during silicon reactive ion etching," Journal of Applied Physics, 74(1), 62-67, (1993). 

  7. M. Konuma, F. Banhart, F. Phillipp and E. Bauser, "Damage-free reactive ion etching of silicon in $NF_3$ at low temperature," Materials Science and Engineering B, 4(1-4), 265-268, (1989). 

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  8. Blessing, James E., et al., "Recommended practice for process sampling for partial pressure analysis," Journal of Vacuum Science & Technology A, 25(1), 167-186, (2007). 

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  9. Kazuhide Ino, Iwao Natori, Akihiro Ichikawa, Raymond N. Vrtis, and Tadahiro Ohmi, "Plasma enhanced in situ chamber cleaning evaluated by extracted-plasma-parameter analysis," IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, 9(2), 230-240, (1996). 

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  10. Flamm, Daniel L., "Mechanisms of silicon etching in fluorine-and chlorine-containing plasmas," Pure and Applied Chemistry, 62(9), 1709-1720, (1990). 

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