차세대 공정과 플라즈마
자료제공 : (주)플라즈마트 기술연구소 소장 이상원
KAIST 물리학과 교수 장홍영
1. 대전에 의한 손상 (Charging Damage)
더 빠른 처리속도를 가진 소자와 고용량 메모리에 대한 수요가 늘어남에 따라, 반도체 칩의 단위소자들의 크기가 계속 줄어들고 있다. 이에 따라 웨이퍼 표면에 형성되는 패턴들의 간격은 계속 줄고, 패턴들의 가로세로비 (aspect ratio)는 점점 커지며, MOSFET 소자의 게이트 절연막 두께는 점점 더 얇아지고 있다.
이에 따라 예전의 반도체 가공시에는 나타나지 않거나 중요하지 않았던 문제들이 점점 더 부각되고 있는데, 그 중 플라즈마에 의해 나타나는 대표적인 문제는 대전에 의한 손상(charging damage)이다.
플라즈마로 야기되는 대전에 의한 박막 손상은 주로 식각공정에서 나타나며, 박막형성 형태의 손상과 박막 특성의 손상으로 나눌 수 있다. 이번 호에서는 박막 식각시 나타나는 두가지 대표적인 현상에 대해 설명한다.
1.1 웨이퍼 표면의 대전(charging) 형성 원리
플라즈마가 안정상태에 있을 때 웨이퍼에 입사하는 이온과 전자에 의한 전류는 동일하게 균형을 이루지만 국부적으로는 이 균형이 깨질 수 있다. 이 국부적인 불균형은 주로 웨이퍼 상에 형성된 구조물들과 전자와 이온의 속도분포 형태의 차이점에 의해 야기된다.
전자와 이온의 속도분포
플라즈마 내에 분포하는 이온과 전자는 여러 요인들로 인해 에너지를 얻고, 특정한 속도분포를 이루게 된다.
반도체 공정에 사용되는 플라즈마에서는 일반적으로 전자의 열에너지가 높고, 이온의 경우에는 열에너지보다는 전기장에 의한 가속으로 인해 병진 운동 에너지가 더 높다. 따라서 <그림1>과 같이 전자와 이온의 속도분포에 차이가 나타난다. 이 속도분포는 이온과 전자가 쉬스에 진입하며 더 크게 변하는데, 일반적으로 대부분 웨이퍼 표면에 형성되는 쉬스의 전기장은 이온을 가속시키게 되므로 <그림1> 에서와 같이 표면에 도달했을 때는 이온은 더욱 비등방성 속도분포를 갖게된다.
웨이퍼에 형성된 구조물에 의한 전자 차폐 효과
웨이퍼에 입사하는 전자와 이온의 전류는 동일하지만, 속도분포의 차이로 인해 이온의 경우에는 거의 모든 이온들이 수직으로 입사하고 전자의 경우 표면과 각도를 갖고 입사하는 비율이 매우 높다.
기판에 구조물이 없는 경우에는 <그림2a>와 같이 수직으로 입사하는 이온과 여러방향에서 입사하는 전자 전류가 균형을 이룬다. 그러나, 한쪽에 photoresist와 같은 구조물이 있을 경우에는 이 균형이 깨지는데, <그림2b>와 같다. 이온은 대부분이 기판에 수직하게 입사하기 때문에 웨이퍼 표면에 입사하는 이온의 양은 큰 변화가 없다. 하지만, 전자의 경우에는 photoresist에 의해 한쪽이 가려져 아래쪽으로 입사하는 전류가 적어지고, photoresist 벽면으로 입사하는 전자는 이온에 비해 매우 많아진다. 따라서 기판이 전기적으로 절연되어 있는 경우에는 photoresist 와 웨이퍼 표면이 만나는 부분은 + 전하로 대전되며 photoresist의 옆면은 전자들에 의해 -로 대전된다.
Photoresist가 여러 개 배치된 경우는 <그림2c>와 같다. 이 경우 photoresist 사이에서는 대전 현상이 더 심해진다. Photoresist 사이로 들어올 수 있는 전자의 수는 더 감소하고, photoresist의 위쪽 벽면이 음전하로 대전됨에 따라 전자는 그 사이로 들어오지 못하고 튕겨 나가게 된다. 이 상황이 정상상태에 도달한 경우에는 두 벽 사이의 웨이퍼 표면은 이온으로 더 많이 대전된다.
1.2 Notching
노칭은 <그림3>과 같이 아래쪽 부분이 비정상적으로 깎여 나가는 현상을 말한다. 이 현상은 비전도성 물질 위쪽에 전도성 물질이 형성되어 있고, 이 층을 식각할 때 나타난다.
근본적인 원인은 전자 차폐/속도분포 차이에 의한 표면 전하의 불균일성 때문이다. 비전도성 물질(일반적으로는 산화 실리콘 즉, SiO2)이 +전하로 대전될 경우 이온의 궤적이 poly-Si 쪽으로 휘면서 poly-Si과 SiO2 경계면 쪽의 식각이 더 빨리 진행된다. 노칭과 관련된 몇가지 중요한 현상들은 다음과 같다.
(1) 노칭의 깊이는 trench와 mask의 가로세로 비에 큰 영향을 받는다.
(2) 전자온도와 플라즈마 밀도가 높을수록 심해진다.
(3) Pulsed plasma의 경우 노칭이 적어지거나 사라진다
(4) 기판에 인가하는 RF 바이어스의 수파수가 높을수록 심해지며, RF 파워가 매우 높은 경우에는 덜해진다.
(1)은 노칭이 발생되는 원리와 바로 연관되는 현상으로서, trench와 mask의 가로세로비가 높을수록 전자/이온의 전류비율의 불균형이 심화되기 때문이다.
(2), (3)은 전자의 속도 분포, 밀도분포와 관련이 있는 현상이다. 전자온도가 높아지면 전자/이온의 속도분포 차이가 훨씬 더 커지므로 대전현상이 더 심해지고, 플라즈마 밀도가 높을수록 대전양이 커지므로 노칭현상이 더 커진다. Pulsed plasma는 RF 전원을 켰다 껐다를 반복하여 플라즈마를 발생시키는 방법인데, RF 전원이 꺼진 상황에서 전자의 온도가 급격히 떨어져 전자/이온 속도분포의 차이가 현저히 줄어들고, 냉각된 전자가 직접 trench 내부로 끌려들어가거나 전자온도가 낮을 때 형성되는 음이온이 trench 내부로 끌려들어가 trench 내부에 형성된 +전하를 중화시켜 결과적으로 노칭효과를 줄일수 있다.
(4)의 경우는 이온에너지와 관련된 사항이다. 이온의 속도분포는 기판에 인가하는 RF전원의 주파수에 따라 변화한다.
<그림4>는 기판에 수직한 방향(z 방향)의 이온에너지 분포를 나타내는데, RF 주파수가 낮은 경우에는 낮은 에너지의 이온들이 존재하게 된다. 웨이퍼에 수직한 방향의 에너지가 낮은 이온들의 경우에는 이온의 속도분포형태가 높은 경우보다는 등방성의 특성을 갖게 되어 비등방성으로 인해 야기되는 대전 효과를 줄일 수 있다.
노칭현상을 줄이기 위한 방법들은 위의 현상들과 원리를 바탕으로 연구되고 적용되었다. 다음은 노칭현상을 줄이기 위해 적용/연구된 방법들이다.
(1) Sidewall passivation
(2) 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생
(3) 낮은 에너지 성분을 갖는 이온에너지 분포를 위해 저주파 RF 바이어스 인가
(4) 헬륨, 수소를 첨가하여 이온속도분포의 비등방성 개선
(5) 음이온 생성이 용이한 기체 사용/첨가하여 +로 대전된 부분을 중성화
(6) Pulsed plasma 발생
1.3 게이트 절연막 열화 (Gate Oxide Degradation)
게이트 절연막은 MOSFET 소자를 형성하는데 있어서 게이트 전극을 절연하기 위해 사용하는 부분으로 그 두께가 5 nm 이하로 매우 얇게 형성되어 있다.
게이트 절연막 열화는 얇은 게이트 절연막 사이로 전류가 흐르며 절연막을 손상시키는 현상이다.
게이트 절연막을 통해 전류가 흐르는 원인은 역시 대전현상인데, 앞에서 살펴본 전자차폐효과에 의해 주로 일어난다.
게이트 절연막 열화현상은 식각공정 중에서도 과도식각(overetching) 도중에만 나타난다. 대전현상들로 인해 패턴 내부로 진입하는 이온에너지의 감소로 식각 공정시 패턴이 형성된 부분이 그렇지 않은 부분에 비해 늦게 식각이 진행되는데(<그림5b>), 패턴이 형성되지 않은 부분의 식각이 종결되었더라도 아직 종결되지 않은 영역의 식각을 위해 공정을 계속 진행하게 되며 이 과정을 과도식각 (overetching)이라 부른다. (<그림5c>)
식각이 완료된 영역의 전자/이온 전류는 균형을 이루고 있지만 패턴이 형성된 영역은 대전효과에 의해 전자/이온의 불균형이 나타나고 이로 인해 두 영역사이의 전위차가 증가한다. 게이트 산화막은 부도체이지만 그 두께가 매우 얇아 터널링 전류가 흐르게 되고 계속적으로 흐르는 전류는 결국 게이트 산화막의 열화를 유발하며 이 현상이 계속 진행될 경우 게이트 산화막의 손상까지도 유발하게 된다. (<그림6>)
2. 차세대 공정과 플라즈마
2.1. 서론
차세대 공정을 실현하는데 있어 가장 중요한 요인은 플라즈마의 특성을 제어하는 기술이다.
플라즈마의 특성을 기술하는 대표적인 양으로는 플라즈마 밀도, 전자 에너지(전자 온도), 이온 에너지이다. 이 특성들을 상황에 맞게 조절할 수 있는 방법의 연구와 구현이 플라즈마 특성를 연구하는 분야에서는 커다란 이슈이며 지속적으로 성과를 보여왔다.
이들 플라즈마의 특성중에서 공정과 가장 밀접한 관련이 있는 특성은 전자와 이온의 에너지 분포로서 전자의 에너지 분포는 플라즈마의 발생과 기체의 이온화, 분자의 해리를 통한 활성화에 주 역할을 하며, 이온에너지 분포는 웨이퍼에 입사하는 이온에 대한 정보로서 전자에 의해 해리/활성된 중성활성종과 함께 웨이퍼 표면반응의 가장 핵심이 되는 특성이다.
이 장에서는 플라즈마의 가장 중요한 특성으로 거론되는 전자 온도와 이온에너지의 제어에 대해 자세히 알아보며, 플라즈마의 특성에 매우 민감한 식각공정을 위주로 설명한다.
2.2. 전자온도 제어
플라즈마내에서 전자의 역할은 매우 중요하다. 전자는 중성상태인 기체를 이온화하여 또 다시 전자를 만들고 그와 반대의 전하를 갖는 이온을 생성하며, 상대적으로 안정한 분자들을 분해하여 반응성이 높은 상태의 분자/원자 (이하 활성종)을 생성한다.
전자에 의해 형성된 이온과 활성종은 웨이퍼 공정에 있어서 매우 중요한 역할을 수행하는데, 활성종은 웨이퍼 표면과 반응하여 새로운 물질을 증착하거나 이온의 도움으로 식각을 수행한다.
전자의 에너지에 영향을 주는 변수는 크게 압력과 챔버의 크기, 방전 기체의 종류, 플라즈마 발생방식을 들수가 있는데, 각각에 변수들이 전자온도에 어떻게 영향을 미치는지 알아보자.
압력과 챔버의 크기
복잡한 구조물의 형상, 플라즈마 발생방식의 상세 내용등을 간략히 기술할 경우, 플라즈마내에 존재하는 전자의 온도는 다음과 그림과 같이 변화한다.
<그림8>에서 ng는 아르곤 기체의 밀도로서 압력에 비례하고, deff는 챔버의 유효크기로서 실린더 형태의 챔버일 경우, 챔버의 반지름이 R, 길이가 l인 경우 대략 다음과 같은 관계를 갖는다.
그림에서 볼 수 있듯이 압력이 증가하거나 챔버의 크기가 커질 경우 전자온도는 점점 줄어들게 된다. 따라서, 전자온도를 높여야 하는 경우에는 챔버의 크기를 작게 하거나 압력을 낮추고, 반대로 전자온도를 낮춰야 하는 경우에는 챔버의 크기를 크게하거나 압력을 높이면 된다. 이러한 특성은 아르곤 뿐만 아니라 모든 기체에서 동일하게 나타나는 양상이며, 플라즈마 발생 방식이 각기 다른 경우에도 비슷한 경향을 갖는다.
방전 기체의 종류 - 이온화 에너지
전자의 에너지는 방전기체의 이온화 에너지에 큰 영향을 받는다. 방전기체의 이온화 에너지가 큰 경우에는 이온화에 참여하는 고에너지 전자의 손실이 매우 큰 에너지 이상에서 나타나고 이온화 에너지가 작은 경우에는 저에너지 전자도 이온화에 참여를 하게 되어 전체적인 전자에너지가 낮아지게 된다.
<그림9>는 아르곤과 헬륨의 혼합비율을 바꿔가며 측정한 EEDF로서 헬륨의 비율이 높아질수록 점점 고에너지 전자들이 많아지는 것을 알 수 있다. 아르곤-헬륨과 아르곤-제논(Xe) 혼합기체의 방전에서 전자온도의 변화는 <그림10>과 같다.
이온화 에너지는 헬륨>아르곤>제논의 순서로 낮으며 결과에서 볼 수 있듯이 헬륨과 아르곤 혼합의 경우 아르곤 비율이 높을수록, 아르곤과 제논 혼합의 경우에는 제논 혼합 비율이 높을수록 전자온도가 낮아진다.
전자온도 변화에 따른 이온 생성 비율은 <그림11>과 같다.
<그림11>은 질소에 헬륨과 아르곤, 제논을 혼합하여 전자온도를 변화시킨 경우에 질소원자 이온과 질소분자이온의 비율을 나타낸 결과이다. 질소분자에 전자가 충돌하여 이온을 생성할 경우, 질소분자이온(N2+)가 질소원자이온(N+)에 비해 이온화에너지가 낮은데, 전자온도가 낮아질수록 이온화에너지가 높은 입자는 생성 비율이 줄고 반대로 전자온도가 높아질수록 이온화에너지가 낮은 입자의 생성비율이 줄어드는 것을 볼 수 있다.
플라즈마 발생방식
대표적인 플라즈마 발생방식과 그 특성은 다음과 같다.
CCP의 경우 전자온도가 비교적 낮으며 다른 플라즈마 발생장치들은 이에 비해 높은 전자온도를 갖는다. 이 중에서 특히 ECR 플라즈마의 경우에는 전자의 공진현상이 나타나는 ECR layer에서 전자온도가 매우 높아 기체의 해리율이 매우 높아진다. 1990년대 초반까지는 높은 전자밀도와 전자온도 특성을 보이는 ECR 플라즈마와 Helicon 플라즈마가 큰 관심을 받았지만, 높은 전자온도로 인한 기체의 과도 해리현상으로 인해 산화막 식각 공정에 부적합하고 정자기장을 형성하기 위한 부대장치 비용 증가와 대면적화의 어려움으로 인해 현재는 그 관심도가 많이 떨어져있다. 현재는 초기에 사용되어 오던 CCP를 발전시킨 이중 주파수/또는 MERIE방식의 CCP를 사용하여 낮은 전자온도를 유지하며 이온에너지를 제어할 수 있도록 사용하고 있으며, ICP의 경우 RF 전원의 주파수를 기존의 13.56 MHz에서 증가된 60 MHz 또는 그 이상을 사용하여 전자온도를 낮추려하고 있다.
2.3. 이온 에너지 제어
1990년대 초반에는 기존에 사용되어 오던 CCP 방식의 플라즈마를 대체하기 위해 ICP, ECR 플라즈마, Helicon 플라즈마 등이 연구되고 직접 산업에 응용되었다. 이들의 특징은 고밀도 플라즈마 발생이 용이하고 플라즈마의 발생과 기판전압을 독립적으로 제어할 수 있기 때문에 전자온도와 이온에너지의 독립적 제어가 가능 했기 때문이다. 하지만 이들 플라즈마 발생장치들 중에서 ECR 플라즈마와 Helicon 플라즈마는 전자온도가 너무 높아 상대적으로 낮은 전자온도를 유지해야 하는 실리콘 산화막 식각에 거의 적용되지 못했으며, 정자기장을 사용해야 하기 때문에 장비의 가격경쟁력과 대면적화에 대처하지 못해 현재는 많이 사용되지 않고 있고, 사용되더라도 높은 기체 해리율을 필요로 하는 CVD 장치에 제한적으로 사용되고 있다.
이러한 상황에서 CCP가 다시 실리콘 산화막 식각공정을 위한 방법으로 관심을 받게 되었고, CCP의 단점이었던 플라즈마 밀도와 이온에너지의 독립적인 제어 방법이 부분적으로 개발되었고 현재도 연구중이다.
CCP에서 이러한 제어를 실현하기 위해 고려된 변수들은 압력, 방전 주파수, RF 파워, 자기장, 그리고 기체의 이온화 에너지인데, 각 변수의 증가에 따른 전자에 전달되는 에너지(플라즈마 밀도의 상승 요인)와 이온에너지의 비율변화는 다음과 같다.
이러한 특성을 이용하여 MERIE방식의 경우 자기장세기의 조절을 통해서 비율변화를 조절하고 이중 주파수 CCP의 경우에는 고주파 전원과 저주파 전원을 동시에 인가하여 고주파 전원을 플라즈마 밀도 제어목적으로 사용하며 저주파 전원은 이온에너지 제어 목적으로 사용하고 있다. 고주파 RF전원을 사용하는 ICP의 경우에는 주파수가 높을수록 전자온도가 낮아지는 현상을 이용하여 낮은 전자온도를 유지하고, 기판에 인가하는 RF전원을 이용해 이온에너지를 제어한다.
이제까지 살펴본바와 같이 플라즈마의 특성을 제어하기 위한 연구는 주로 식각공정에서의 요구에 의해 진행되어 왔다. 몇 년 전에 비해 최근 많은 부분이 밝혀졌지만, 아직 검증이 덜된 부분이 많고, 반도체 소자가 더 작아짐에 따라 또 다른 문제점들이 나타나게 될 것이다.
또한 최근 들어 반도체 공정외의 다른 산업영역에서 플라즈마를 사용하게 됨에 따라 또 다른 특성에 대한 요구들이 거론되고 있다. 최근 급부상한 MEMS 기술 영역, 탄소나노튜브 제조 공정, 대기압 플라즈마를 이용한 표면처리 등이 그 예인데, 다음 호에서는 이와 같은 반도체 산업 이외의 영역에서 플라즈마가 어떻게 사용되고 있는지, 요구되는 특성이 무엇인지에 대해 설명할 것이다.
문의: (주)플라즈마트 기술연구소 소장 이상원
Tel: 042-863-2546
E-mail: swlee@plasmart.com
글 출처 : http://cafe140.daum.net/_c21_/bbs_read?grpid=epHH&emoticon=&mgrpid=&fldid=5bYp&dataid=&page=1&prev_page=0&firstbbsdepth=&lastbbsdepth=zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz&content=N&contentval=0000dzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz&espam40=&viewcount40=?dt40=&mode=&num=&pardataname=&parbbsdepth=&e_paruserid=&pardatatype=&parregdt=&move=&userlist=&issueregyn=&changerolecode=&comment_view=%B5%EE%B7%CF%B5%C8+%B4%F1%B1%DB%C0%CC+%BE%F8%BD%C0%B4%CF%B4%D9.+%B4%F1%B1%DB%C0%BB+%B5%EE%B7%CF%C7%D8+%C1%D6%BC%BC%BF%E4.+&emoticon=&nickname=&grpcode=&act=&seq=&return_url=&parseq=&comment=
자료제공 : (주)플라즈마트 기술연구소 소장 이상원
KAIST 물리학과 교수 장홍영
1. 대전에 의한 손상 (Charging Damage)
더 빠른 처리속도를 가진 소자와 고용량 메모리에 대한 수요가 늘어남에 따라, 반도체 칩의 단위소자들의 크기가 계속 줄어들고 있다. 이에 따라 웨이퍼 표면에 형성되는 패턴들의 간격은 계속 줄고, 패턴들의 가로세로비 (aspect ratio)는 점점 커지며, MOSFET 소자의 게이트 절연막 두께는 점점 더 얇아지고 있다.
이에 따라 예전의 반도체 가공시에는 나타나지 않거나 중요하지 않았던 문제들이 점점 더 부각되고 있는데, 그 중 플라즈마에 의해 나타나는 대표적인 문제는 대전에 의한 손상(charging damage)이다.
플라즈마로 야기되는 대전에 의한 박막 손상은 주로 식각공정에서 나타나며, 박막형성 형태의 손상과 박막 특성의 손상으로 나눌 수 있다. 이번 호에서는 박막 식각시 나타나는 두가지 대표적인 현상에 대해 설명한다.
1.1 웨이퍼 표면의 대전(charging) 형성 원리
플라즈마가 안정상태에 있을 때 웨이퍼에 입사하는 이온과 전자에 의한 전류는 동일하게 균형을 이루지만 국부적으로는 이 균형이 깨질 수 있다. 이 국부적인 불균형은 주로 웨이퍼 상에 형성된 구조물들과 전자와 이온의 속도분포 형태의 차이점에 의해 야기된다.
전자와 이온의 속도분포
플라즈마 내에 분포하는 이온과 전자는 여러 요인들로 인해 에너지를 얻고, 특정한 속도분포를 이루게 된다.
반도체 공정에 사용되는 플라즈마에서는 일반적으로 전자의 열에너지가 높고, 이온의 경우에는 열에너지보다는 전기장에 의한 가속으로 인해 병진 운동 에너지가 더 높다. 따라서 <그림1>과 같이 전자와 이온의 속도분포에 차이가 나타난다. 이 속도분포는 이온과 전자가 쉬스에 진입하며 더 크게 변하는데, 일반적으로 대부분 웨이퍼 표면에 형성되는 쉬스의 전기장은 이온을 가속시키게 되므로 <그림1> 에서와 같이 표면에 도달했을 때는 이온은 더욱 비등방성 속도분포를 갖게된다.
웨이퍼에 형성된 구조물에 의한 전자 차폐 효과
웨이퍼에 입사하는 전자와 이온의 전류는 동일하지만, 속도분포의 차이로 인해 이온의 경우에는 거의 모든 이온들이 수직으로 입사하고 전자의 경우 표면과 각도를 갖고 입사하는 비율이 매우 높다.
기판에 구조물이 없는 경우에는 <그림2a>와 같이 수직으로 입사하는 이온과 여러방향에서 입사하는 전자 전류가 균형을 이룬다. 그러나, 한쪽에 photoresist와 같은 구조물이 있을 경우에는 이 균형이 깨지는데, <그림2b>와 같다. 이온은 대부분이 기판에 수직하게 입사하기 때문에 웨이퍼 표면에 입사하는 이온의 양은 큰 변화가 없다. 하지만, 전자의 경우에는 photoresist에 의해 한쪽이 가려져 아래쪽으로 입사하는 전류가 적어지고, photoresist 벽면으로 입사하는 전자는 이온에 비해 매우 많아진다. 따라서 기판이 전기적으로 절연되어 있는 경우에는 photoresist 와 웨이퍼 표면이 만나는 부분은 + 전하로 대전되며 photoresist의 옆면은 전자들에 의해 -로 대전된다.
Photoresist가 여러 개 배치된 경우는 <그림2c>와 같다. 이 경우 photoresist 사이에서는 대전 현상이 더 심해진다. Photoresist 사이로 들어올 수 있는 전자의 수는 더 감소하고, photoresist의 위쪽 벽면이 음전하로 대전됨에 따라 전자는 그 사이로 들어오지 못하고 튕겨 나가게 된다. 이 상황이 정상상태에 도달한 경우에는 두 벽 사이의 웨이퍼 표면은 이온으로 더 많이 대전된다.
1.2 Notching
노칭은 <그림3>과 같이 아래쪽 부분이 비정상적으로 깎여 나가는 현상을 말한다. 이 현상은 비전도성 물질 위쪽에 전도성 물질이 형성되어 있고, 이 층을 식각할 때 나타난다.
근본적인 원인은 전자 차폐/속도분포 차이에 의한 표면 전하의 불균일성 때문이다. 비전도성 물질(일반적으로는 산화 실리콘 즉, SiO2)이 +전하로 대전될 경우 이온의 궤적이 poly-Si 쪽으로 휘면서 poly-Si과 SiO2 경계면 쪽의 식각이 더 빨리 진행된다. 노칭과 관련된 몇가지 중요한 현상들은 다음과 같다.
(1) 노칭의 깊이는 trench와 mask의 가로세로 비에 큰 영향을 받는다.
(2) 전자온도와 플라즈마 밀도가 높을수록 심해진다.
(3) Pulsed plasma의 경우 노칭이 적어지거나 사라진다
(4) 기판에 인가하는 RF 바이어스의 수파수가 높을수록 심해지며, RF 파워가 매우 높은 경우에는 덜해진다.
(1)은 노칭이 발생되는 원리와 바로 연관되는 현상으로서, trench와 mask의 가로세로비가 높을수록 전자/이온의 전류비율의 불균형이 심화되기 때문이다.
(2), (3)은 전자의 속도 분포, 밀도분포와 관련이 있는 현상이다. 전자온도가 높아지면 전자/이온의 속도분포 차이가 훨씬 더 커지므로 대전현상이 더 심해지고, 플라즈마 밀도가 높을수록 대전양이 커지므로 노칭현상이 더 커진다. Pulsed plasma는 RF 전원을 켰다 껐다를 반복하여 플라즈마를 발생시키는 방법인데, RF 전원이 꺼진 상황에서 전자의 온도가 급격히 떨어져 전자/이온 속도분포의 차이가 현저히 줄어들고, 냉각된 전자가 직접 trench 내부로 끌려들어가거나 전자온도가 낮을 때 형성되는 음이온이 trench 내부로 끌려들어가 trench 내부에 형성된 +전하를 중화시켜 결과적으로 노칭효과를 줄일수 있다.
(4)의 경우는 이온에너지와 관련된 사항이다. 이온의 속도분포는 기판에 인가하는 RF전원의 주파수에 따라 변화한다.
<그림4>는 기판에 수직한 방향(z 방향)의 이온에너지 분포를 나타내는데, RF 주파수가 낮은 경우에는 낮은 에너지의 이온들이 존재하게 된다. 웨이퍼에 수직한 방향의 에너지가 낮은 이온들의 경우에는 이온의 속도분포형태가 높은 경우보다는 등방성의 특성을 갖게 되어 비등방성으로 인해 야기되는 대전 효과를 줄일 수 있다.
노칭현상을 줄이기 위한 방법들은 위의 현상들과 원리를 바탕으로 연구되고 적용되었다. 다음은 노칭현상을 줄이기 위해 적용/연구된 방법들이다.
(1) Sidewall passivation
(2) 낮은 전자온도를 갖는 플라즈마 발생
(3) 낮은 에너지 성분을 갖는 이온에너지 분포를 위해 저주파 RF 바이어스 인가
(4) 헬륨, 수소를 첨가하여 이온속도분포의 비등방성 개선
(5) 음이온 생성이 용이한 기체 사용/첨가하여 +로 대전된 부분을 중성화
(6) Pulsed plasma 발생
1.3 게이트 절연막 열화 (Gate Oxide Degradation)
게이트 절연막은 MOSFET 소자를 형성하는데 있어서 게이트 전극을 절연하기 위해 사용하는 부분으로 그 두께가 5 nm 이하로 매우 얇게 형성되어 있다.
게이트 절연막 열화는 얇은 게이트 절연막 사이로 전류가 흐르며 절연막을 손상시키는 현상이다.
게이트 절연막을 통해 전류가 흐르는 원인은 역시 대전현상인데, 앞에서 살펴본 전자차폐효과에 의해 주로 일어난다.
게이트 절연막 열화현상은 식각공정 중에서도 과도식각(overetching) 도중에만 나타난다. 대전현상들로 인해 패턴 내부로 진입하는 이온에너지의 감소로 식각 공정시 패턴이 형성된 부분이 그렇지 않은 부분에 비해 늦게 식각이 진행되는데(<그림5b>), 패턴이 형성되지 않은 부분의 식각이 종결되었더라도 아직 종결되지 않은 영역의 식각을 위해 공정을 계속 진행하게 되며 이 과정을 과도식각 (overetching)이라 부른다. (<그림5c>)
식각이 완료된 영역의 전자/이온 전류는 균형을 이루고 있지만 패턴이 형성된 영역은 대전효과에 의해 전자/이온의 불균형이 나타나고 이로 인해 두 영역사이의 전위차가 증가한다. 게이트 산화막은 부도체이지만 그 두께가 매우 얇아 터널링 전류가 흐르게 되고 계속적으로 흐르는 전류는 결국 게이트 산화막의 열화를 유발하며 이 현상이 계속 진행될 경우 게이트 산화막의 손상까지도 유발하게 된다. (<그림6>)
2. 차세대 공정과 플라즈마
2.1. 서론
차세대 공정을 실현하는데 있어 가장 중요한 요인은 플라즈마의 특성을 제어하는 기술이다.
플라즈마의 특성을 기술하는 대표적인 양으로는 플라즈마 밀도, 전자 에너지(전자 온도), 이온 에너지이다. 이 특성들을 상황에 맞게 조절할 수 있는 방법의 연구와 구현이 플라즈마 특성를 연구하는 분야에서는 커다란 이슈이며 지속적으로 성과를 보여왔다.
이들 플라즈마의 특성중에서 공정과 가장 밀접한 관련이 있는 특성은 전자와 이온의 에너지 분포로서 전자의 에너지 분포는 플라즈마의 발생과 기체의 이온화, 분자의 해리를 통한 활성화에 주 역할을 하며, 이온에너지 분포는 웨이퍼에 입사하는 이온에 대한 정보로서 전자에 의해 해리/활성된 중성활성종과 함께 웨이퍼 표면반응의 가장 핵심이 되는 특성이다.
이 장에서는 플라즈마의 가장 중요한 특성으로 거론되는 전자 온도와 이온에너지의 제어에 대해 자세히 알아보며, 플라즈마의 특성에 매우 민감한 식각공정을 위주로 설명한다.
2.2. 전자온도 제어
플라즈마내에서 전자의 역할은 매우 중요하다. 전자는 중성상태인 기체를 이온화하여 또 다시 전자를 만들고 그와 반대의 전하를 갖는 이온을 생성하며, 상대적으로 안정한 분자들을 분해하여 반응성이 높은 상태의 분자/원자 (이하 활성종)을 생성한다.
전자에 의해 형성된 이온과 활성종은 웨이퍼 공정에 있어서 매우 중요한 역할을 수행하는데, 활성종은 웨이퍼 표면과 반응하여 새로운 물질을 증착하거나 이온의 도움으로 식각을 수행한다.
전자의 에너지에 영향을 주는 변수는 크게 압력과 챔버의 크기, 방전 기체의 종류, 플라즈마 발생방식을 들수가 있는데, 각각에 변수들이 전자온도에 어떻게 영향을 미치는지 알아보자.
압력과 챔버의 크기
복잡한 구조물의 형상, 플라즈마 발생방식의 상세 내용등을 간략히 기술할 경우, 플라즈마내에 존재하는 전자의 온도는 다음과 그림과 같이 변화한다.
<그림8>에서 ng는 아르곤 기체의 밀도로서 압력에 비례하고, deff는 챔버의 유효크기로서 실린더 형태의 챔버일 경우, 챔버의 반지름이 R, 길이가 l인 경우 대략 다음과 같은 관계를 갖는다.
그림에서 볼 수 있듯이 압력이 증가하거나 챔버의 크기가 커질 경우 전자온도는 점점 줄어들게 된다. 따라서, 전자온도를 높여야 하는 경우에는 챔버의 크기를 작게 하거나 압력을 낮추고, 반대로 전자온도를 낮춰야 하는 경우에는 챔버의 크기를 크게하거나 압력을 높이면 된다. 이러한 특성은 아르곤 뿐만 아니라 모든 기체에서 동일하게 나타나는 양상이며, 플라즈마 발생 방식이 각기 다른 경우에도 비슷한 경향을 갖는다.
방전 기체의 종류 - 이온화 에너지
전자의 에너지는 방전기체의 이온화 에너지에 큰 영향을 받는다. 방전기체의 이온화 에너지가 큰 경우에는 이온화에 참여하는 고에너지 전자의 손실이 매우 큰 에너지 이상에서 나타나고 이온화 에너지가 작은 경우에는 저에너지 전자도 이온화에 참여를 하게 되어 전체적인 전자에너지가 낮아지게 된다.
<그림9>는 아르곤과 헬륨의 혼합비율을 바꿔가며 측정한 EEDF로서 헬륨의 비율이 높아질수록 점점 고에너지 전자들이 많아지는 것을 알 수 있다. 아르곤-헬륨과 아르곤-제논(Xe) 혼합기체의 방전에서 전자온도의 변화는 <그림10>과 같다.
이온화 에너지는 헬륨>아르곤>제논의 순서로 낮으며 결과에서 볼 수 있듯이 헬륨과 아르곤 혼합의 경우 아르곤 비율이 높을수록, 아르곤과 제논 혼합의 경우에는 제논 혼합 비율이 높을수록 전자온도가 낮아진다.
전자온도 변화에 따른 이온 생성 비율은 <그림11>과 같다.
<그림11>은 질소에 헬륨과 아르곤, 제논을 혼합하여 전자온도를 변화시킨 경우에 질소원자 이온과 질소분자이온의 비율을 나타낸 결과이다. 질소분자에 전자가 충돌하여 이온을 생성할 경우, 질소분자이온(N2+)가 질소원자이온(N+)에 비해 이온화에너지가 낮은데, 전자온도가 낮아질수록 이온화에너지가 높은 입자는 생성 비율이 줄고 반대로 전자온도가 높아질수록 이온화에너지가 낮은 입자의 생성비율이 줄어드는 것을 볼 수 있다.
플라즈마 발생방식
대표적인 플라즈마 발생방식과 그 특성은 다음과 같다.
CCP의 경우 전자온도가 비교적 낮으며 다른 플라즈마 발생장치들은 이에 비해 높은 전자온도를 갖는다. 이 중에서 특히 ECR 플라즈마의 경우에는 전자의 공진현상이 나타나는 ECR layer에서 전자온도가 매우 높아 기체의 해리율이 매우 높아진다. 1990년대 초반까지는 높은 전자밀도와 전자온도 특성을 보이는 ECR 플라즈마와 Helicon 플라즈마가 큰 관심을 받았지만, 높은 전자온도로 인한 기체의 과도 해리현상으로 인해 산화막 식각 공정에 부적합하고 정자기장을 형성하기 위한 부대장치 비용 증가와 대면적화의 어려움으로 인해 현재는 그 관심도가 많이 떨어져있다. 현재는 초기에 사용되어 오던 CCP를 발전시킨 이중 주파수/또는 MERIE방식의 CCP를 사용하여 낮은 전자온도를 유지하며 이온에너지를 제어할 수 있도록 사용하고 있으며, ICP의 경우 RF 전원의 주파수를 기존의 13.56 MHz에서 증가된 60 MHz 또는 그 이상을 사용하여 전자온도를 낮추려하고 있다.
2.3. 이온 에너지 제어
1990년대 초반에는 기존에 사용되어 오던 CCP 방식의 플라즈마를 대체하기 위해 ICP, ECR 플라즈마, Helicon 플라즈마 등이 연구되고 직접 산업에 응용되었다. 이들의 특징은 고밀도 플라즈마 발생이 용이하고 플라즈마의 발생과 기판전압을 독립적으로 제어할 수 있기 때문에 전자온도와 이온에너지의 독립적 제어가 가능 했기 때문이다. 하지만 이들 플라즈마 발생장치들 중에서 ECR 플라즈마와 Helicon 플라즈마는 전자온도가 너무 높아 상대적으로 낮은 전자온도를 유지해야 하는 실리콘 산화막 식각에 거의 적용되지 못했으며, 정자기장을 사용해야 하기 때문에 장비의 가격경쟁력과 대면적화에 대처하지 못해 현재는 많이 사용되지 않고 있고, 사용되더라도 높은 기체 해리율을 필요로 하는 CVD 장치에 제한적으로 사용되고 있다.
이러한 상황에서 CCP가 다시 실리콘 산화막 식각공정을 위한 방법으로 관심을 받게 되었고, CCP의 단점이었던 플라즈마 밀도와 이온에너지의 독립적인 제어 방법이 부분적으로 개발되었고 현재도 연구중이다.
CCP에서 이러한 제어를 실현하기 위해 고려된 변수들은 압력, 방전 주파수, RF 파워, 자기장, 그리고 기체의 이온화 에너지인데, 각 변수의 증가에 따른 전자에 전달되는 에너지(플라즈마 밀도의 상승 요인)와 이온에너지의 비율변화는 다음과 같다.
이러한 특성을 이용하여 MERIE방식의 경우 자기장세기의 조절을 통해서 비율변화를 조절하고 이중 주파수 CCP의 경우에는 고주파 전원과 저주파 전원을 동시에 인가하여 고주파 전원을 플라즈마 밀도 제어목적으로 사용하며 저주파 전원은 이온에너지 제어 목적으로 사용하고 있다. 고주파 RF전원을 사용하는 ICP의 경우에는 주파수가 높을수록 전자온도가 낮아지는 현상을 이용하여 낮은 전자온도를 유지하고, 기판에 인가하는 RF전원을 이용해 이온에너지를 제어한다.
이제까지 살펴본바와 같이 플라즈마의 특성을 제어하기 위한 연구는 주로 식각공정에서의 요구에 의해 진행되어 왔다. 몇 년 전에 비해 최근 많은 부분이 밝혀졌지만, 아직 검증이 덜된 부분이 많고, 반도체 소자가 더 작아짐에 따라 또 다른 문제점들이 나타나게 될 것이다.
또한 최근 들어 반도체 공정외의 다른 산업영역에서 플라즈마를 사용하게 됨에 따라 또 다른 특성에 대한 요구들이 거론되고 있다. 최근 급부상한 MEMS 기술 영역, 탄소나노튜브 제조 공정, 대기압 플라즈마를 이용한 표면처리 등이 그 예인데, 다음 호에서는 이와 같은 반도체 산업 이외의 영역에서 플라즈마가 어떻게 사용되고 있는지, 요구되는 특성이 무엇인지에 대해 설명할 것이다.
문의: (주)플라즈마트 기술연구소 소장 이상원
Tel: 042-863-2546
E-mail: swlee@plasmart.com
글 출처 : http://cafe140.daum.net/_c21_/bbs_read?grpid=epHH&emoticon=&mgrpid=&fldid=5bYp&dataid=&page=1&prev_page=0&firstbbsdepth=&lastbbsdepth=zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz&content=N&contentval=0000dzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz&espam40=&viewcount40=?dt40=&mode=&num=&pardataname=&parbbsdepth=&e_paruserid=&pardatatype=&parregdt=&move=&userlist=&issueregyn=&changerolecode=&comment_view=%B5%EE%B7%CF%B5%C8+%B4%F1%B1%DB%C0%CC+%BE%F8%BD%C0%B4%CF%B4%D9.+%B4%F1%B1%DB%C0%BB+%B5%EE%B7%CF%C7%D8+%C1%D6%BC%BC%BF%E4.+&emoticon=&nickname=&grpcode=&act=&seq=&return_url=&parseq=&comment=
다음검색