1. 서 론
유도결합 플라즈마는 반도체 생산 공정의 다양한 분야에 많이 이용되고 있다. 반도체 공정이 미세화 및 3차원 화 될수록 나노미터 수준의 미세가공을 가능하게
하는 건식 식각 공정의 중요성이 커지고 있다. 이에 따라 반도체 제조용 플라즈마는 높은 전력 전달 효율을 요구하며 균일하고 높은 밀도의 플라즈마를
생성할 수 있어야 한다. 반도체 소자 제작에 있어 배선의 절연이나 층간 절연에 실리콘 산화막이 가장 많이 쓰이고, 이를 식각하기 위해서는 CF4와 같은 불화 탄소 계열의 가스를 이용한 플라즈마를 주로 사용한다(1).
기존 Ar/CF4/O2 의 가스 비율에 따른 플라즈마 특성이 식각 동역학에 미치는 영향에 관한 연구결과로 Inwoo Chun 연구진에 의해 수행되었다(16). 해당 연구는 플루오로카본 가스의 고정된 50%비율에서 O2/Ar의 비율을 변화시켜 건식식각 메커니즘에 영향을 끼치는 활성종 밀도 및 이온플럭스를 분석하였다. 결과는 0차원 모델 시뮬레이션과 랭뮤어 실험을
통해 진단하였으며, 그 결과 O2 가스의 비율이 F 라디칼에 영향을 끼치는 것으로 나왔다. 하지만 한정적인 비율변화를 사용하여 식각 메커니즘을 명확히 분석하기에 한계가 있다.
본 연구에서는 더 많은 경우의 비율변화 및 화학 반응식을 추가하여 각 공급 가스에 대한 역할을 세밀히 분석하고, 식각공정에 많은 영향을 미치는 전자
밀도, 전자온도, 플라즈마 전위 및 라디칼 밀도를 분석하였다. Ar/CF4 플라즈마에 실제 공정을 고려하여 O2 가스를 첨가하였고, O2 가스의 유무와 비율별 플라즈마 특성을 유체 근사 시뮬레이션(Comsol Multiphysics)으로 비교하였다.
2. Title
그림 1은 본 연구의 유도결합 플라즈마 발생 장치 시뮬레이션에 적용된 챔버 개략도이다. 시뮬레이션의 속도 개선 및 편의를 위해 2차원 축 대칭 형태로 제작하였다.
플라즈마 반응이 일어나는 챔버의 반경은 280[mm], 높이는 380[mm]이며 두께 25[mm]의 RF 윈도우가 챔버 윗면에 위치해 있다. 2-turn
나선형 형태의 안테나를 사용했으며 내경 160[mm] 외경 220[mm]에 위치한다. 챔버 하단에는 300[mm] wafer를 놓을 수 있는 chuck을
배치했으며 chuck 아래에 가스 배출구, 윈도우 하단에 가스 주입구가 설정되어 있다.
그림. 1. 시뮬레이션에 사용된 유도 결합 플라즈마 챔버 모식도
Fig. 1. Schematice diagram of the inductively coupled plasma chamber used in the simulation
안테나를 통한 입력 전력은 1000[W]로 고정된 값을 사용하였다. 주입 가스는 standard flow rate 형식의 mass flow type을
이용하여 계산하였으며, 총 100[SCCM]의 유량을 챔버 내로 주입하였다. 압력은 10[mTorr]로 고정하였으며, Ar/CF
4 혼합 가스의 조성비를 변화시켜 시뮬레이션을 진행하였다. 같은 인가전력과 압력의 조건으로 O
2 가스를 첨가하여 Ar/CF
4와 Ar/CF
4/O
2 플라즈마 특성을 비교하고 O
2의 첨가 비율에 따른 플라즈마 및 라디칼 특성을 분석하였다.
유도결합 플라즈마는 RF전류를 코일에 흘려주었을 때 Ampere’s law에 의해 시변 자기장이 발생하며, 해당 시변 자기장은 Faraday's law에
의해 유도 전기장을 생성시킨다. 전자는 유도된 전기장으로 인해 가속되며 중성기체 분자와의 충돌을 통해 플라즈마를 생성시킨다. 유체근사를 통한 유도결합
플라즈마 시뮬레이션에서 사용된 지배방정식은 맥스웰 방정식과 푸아송 방정식을 이용해 안테나에 흐르는 전류로 유도되는 전자기장을 계산하였다. 플라즈마
내 입자 변화와 유동을 계산하기 위해 연속방정식 및 에너지 보존방정식, Navier-stokes 방정식을 사용하여 계산하였다.(2) Non-magnetized 플라즈마의 주파수 영역에서 안테나에 흐르는 전류 $J_{e}$는 다음과 같이 계산된다(3,4,5).
여기서 $\varepsilon_{0}$, $\varepsilon_{r}$은 각각 진공의 유전율과 상대 유전율, $\mu_{0}$, $\mu_{r}$은
진공의 투자율과 상대 투자율, $w$는 구동 주파수, $\sigma$는 전기전도도, $\vec{A}$ 는 자기 포텐셜이다. 시간에 따라 변화하는 자기장은
유도전계를 발생시키고, 전자를 가속 및 가열시켜 전력을 전달한다. 이때의 유도전계 $\vec{E}$ 는 주파수 영역에서
식(2)와 같이 표현된다
(3).
총 전류 $\vec{J}$는 유도전계에 의해 결정되며, 다음과 같이 나타낸다.
이 때 플라즈마 전기전도도 $\sigma$는 위와 같이 나타난다.
$m_{e}$는 전자 질량, $\upsilon_{N}$은 충돌 주파수 $n_{e}$ 는 전자 밀도, $\varepsilon_{0}$는 전자 전하량을
의미한다. 전자와 전자에너지에 대한 보존방정식은 다음과 같이 나타난다.
$\vec{\Gamma_{e}}$ : electron flux
$\vec{\Gamma_{\varepsilon}}$ : electron energy flux
$R_{e}$ : source of electrons
$R_{\varepsilon}$ : electron energy gain due to inelastic collision
이때 $\vec{\Gamma_{e}}$는 전자 flux, $\vec{\Gamma_{\varepsilon}}$는 전자에너지 flux이며, $R_{e}$와
$R_{\varepsilon}$는 각각 전자의 생성량과 비탄성 충돌에 의한 전자에너지의 변화를 나타낸다. $-\vec{u}\nabla n_{e}$와$-\vec{u}\nabla
n_{\varepsilon}$는 대류에 의한 성분을 의미하고, $P_{dep}$ 는 플라즈마 내 전력밀도를 나타낸다. 확산과 전계에 의한 전자와 전자에너지
flux는 아래의 식과 같이 계산된다.
$\mu_{e}$ 및 $\mu_{\varepsilon}$ 는 각각 전자이동도와 전자에너지 이동도를 나타내며,$D_{e}$ 및 $D_{\varepsilon}$는
전자확산계수와 전자에너지 확산계수를 나타낸다. 아래의 Poisson 방정식에서부터 전계$\vec{E}$ 와 전위 V가 구해지고, 이는 flux 계산에
사용된다
(3,4,5).
중성입자의 확산계수는 Lennard-Jones approcimation에 의해 구해지며 플라즈마 내의 전자를 제외한 모든 입자에 대한 보존방정식은
Drift-diffusion 근사에 의해
식(11)과 같이 나타낸다
(2,3,4,5).
$j_{k}$ : the diffusive flux vector
$R_{k}$: the rate expression for species k [$kg/(m^{3}s)$]
$\vec{u}$ : the mass averaged fluid velocity vector [$m/s$]
$\rho$ : denotes the density of the mixture [$kg/m^{3}$]
$w_{k}$ : the mass fraction of the kth species
식(11)에서 $\rho$는 혼합 가스 밀도, $w_{k}$는 $k$종에 대한 질량 분율, $\vec{u}$는 질량 평균 유체 속도 벡터를 나타내며, $\vec{j_{k}}$
및 $R_{k}$는 $k$종에 대한 확산 선속 벡터와 반응 계수를 나타낸다. 플라즈마 wall에서 전자 flux의 법선 성분에 대한 결과방정식은 식(12)과 같다. 또한, 전자에너지 밀도의 기본 성분에 대하여는 식(13)으로 나타내진다.
$r_{e}$ : the reflection coefficient (usually 0)
$v_{e,\:th}$ : the thermal velocity [$m/s$]
$\Upsilon_i$ : the secondary emission coefficient from the $i$th
positive ion species.
$\Gamma_{i}$ : the ion flux of the $i$th positive ion species
at the wall [$1/(m^{2}s)$]
$\Gamma_{t}$ : the thermal emission flux [$1/(m^{2}s)$]
$\bar{\varepsilon}_i$ : the mean energy of the $i$th species of secondary electrons
[$V$]
$\overline{\varepsilon_i}$ : the mean energy of thermally emitted electrons
[$V$]
$n$ : the outward normal
챔버 내 가스 유동에 대한 Navier-Stokes 방정식은 다음과 같이 나타내진다(3).
$\rho$ : the density [$kg/m^{3}$]
$u$ : the velocity vector [$m/s$]
$p$ : pressure [$P a$]
$T$ : the absolute temperature [$K$]
$\mu$ : The dynamic viscosity for a Newtonian fluid
[$Pa\bullet s$]
위의 방정식들을 이용하여 2차원 축대칭 시뮬레이션을 진행하였고, 전자를 포함하여 Ar/CF4 Plasma 총 29개의 화학종을 고려했으며 131가지의 화학반응식을 사용하였다. O2를 추가한 플라즈마 반응식에서는 Ar/CF4 플라즈마 반응식에서 11개의 화학종 및 38가지의 화학반응식을 추가하였고, 이는 표 1-4에 나타내었다. 각 화학반응식의 rate coefficient는 Ref(6-18)을 참고하였으며, Arrhenius 방정식과 cross section 등으로 나타내었다.
표 1. 시뮬레이션에 사용된 화학종
Table 1. Overview of plasma species used in Ar/CF4 ICP simulation
|
중성종
|
여기종
|
전자 & 이온
|
|
C, F, CF, CF2, CF3, CF4, F2, Ar
|
Ars(4s), Arp(4p), F*, F2(v), F2*, CF(v), CF2(v), CF3(v), CF4(v24), CF4(v13), CF4*
|
e, C+, F+, F-, F2+, CF+, CF2+, CF3+, CF3-, Ar+
|
표 2. 전자 충돌 반응식
Table 2. Electron impact reaction
|
No.
|
Reaction
|
Rate coefficient[m3/s]
|
|
1
|
e+Ar→Ar+e
|
c
|
|
2
|
e+Ar→Ars+e
|
5×10-15Te0.74exp(-11.56/Te)
|
|
3
|
e+Ar→Arp+e
|
1.4×10-14Te0.71exp(-13.2/Te)
|
|
4
|
e+Ar→Ar++e+e
|
c
|
|
5
|
e+Ars→Ar++e+e
|
6.8×10-15Te0.67exp(-4.2/Te)
|
|
6
|
e+Ars→Ar+e
|
4.3×10-16Te0.74
|
|
7
|
e+Ars→Arp+e
|
8.9×10-13Te0.51exp(-1.59/Te)
|
|
8
|
e+Arp→Ar+e
|
3.9×10-16Te0.71
|
|
9
|
e+Arp→Ar++e+e
|
1.8×10-13Te0.61exp(-2.61/Te)
|
|
10
|
e+Arp→Ars+e
|
3×10-13Te0.51
|
|
11
|
e+Ar+→Arp
|
8.15×10-19Te-0.5
|
|
12
|
e+C→C++2e
|
6.74×10-15Te0.7exp(-11.26/Te)
|
|
13
|
e+F→F+e
|
1.15×10-13exp(-1.93/Te)
|
|
14
|
e+F→F*+e
|
6.07×10-16exp(-12.87/Te)
|
|
15
|
e+F→F*+e
|
2.72×10-15exp(-14.52/Te)
|
|
16
|
e+F→F*+e
|
2.28×10-16exp(-13.77/Te)
|
|
17
|
e+F→F*+e
|
3.02×10-16exp(-14.04/Te)
|
|
18
|
e+F→F*+e
|
5.31×10-16exp(-14.32/Te)
|
|
19
|
e+F→F*+e
|
6.60×10-17exp(-14.9/Te)
|
|
20
|
e+F→F*+e
|
9.07×10-17exp(-13.96/Te)
|
|
21
|
e+F→F*+e
|
2.14×10-15exp(-14.73/Te)
|
|
22
|
e+F→F*+e
|
1.98×10-15exp(-16.67/Te)
|
|
23
|
e+F→F*+e
|
5.30×10-16exp(-13.39/Te)
|
|
24
|
e+F→F++2e
|
1.3×10-14exp(-16.50/Te)
|
|
25
|
e+F2→F2+e
|
2.48×10-13exp(-0.48/Te)
|
|
26
|
e+F2→F2(v)+e
|
1.8×10-16Te-1.72exp(-1.55/Te)
|
|
27
|
e+F2→F2*+e
|
1.93×10-15exp(-4.24/Te)
|
|
28
|
e+F2→F2*+e
|
7.36×10-16exp(-4.71/Te)
|
|
29
|
e+F2→F2*+e
|
3.14×10-15exp(-7.30/Te)
|
|
30
|
e+F2→F2*+e
|
2.62×10-15exp(-8.10/Te)
|
|
31
|
e+F2→F2*+e
|
4.11×10-15exp(-8.74/Te)
|
|
32
|
e+F2→F2*+e
|
1.80×10-14exp(-14.12/Te)
|
|
33
|
e+F2→F2*+e
|
2.13×10-15exp(-18.22/Te)
|
|
34
|
e+F2→F-+F
|
4.5×10-15Te-1.35exp(-0.15/Te)
|
|
35
|
e+F2→F2++2e
|
1.37×10-14exp(-20.70/Te)
|
|
36
|
e+F2→2F+e
|
1.18×10-14exp(-5.77/Te)
|
|
37
|
e+CF→CF+e
|
c
|
|
38
|
e+CF→CF(v)+e
|
c
|
|
39
|
e+CF→C+F+e
|
c
|
|
40
|
e+CF→CF++2e
|
c
|
|
41
|
e+CF2→CF2+e
|
c
|
|
42
|
e+CF2→CF2(v)+e
|
c
|
|
43
|
e+CF2→CF+F-
|
c
|
|
44
|
e+CF2→CF+F+e
|
c
|
|
45
|
e+CF2→CF2++2e
|
c
|
|
46
|
e+CF2→CF++F+2e
|
c
|
|
47
|
e+CF3→CF3+e
|
c
|
|
48
|
e+CF3→CF3(v)+e
|
c
|
|
49
|
e+CF3→CF2+F+e
|
1.25×10-15Te0.5
|
|
50
|
e+CF3→CF3++2e
|
c
|
|
51
|
e+CF3→CF2++F+2e
|
c
|
|
52
|
e+CF3→CF2+F-
|
5.9×10-16Te-1exp(-5.2/Te)
|
|
53
|
e+CF4→CF4+e
|
c
|
|
54
|
e+CF4→CF4(v24)+e
|
c
|
|
55
|
e+CF4→CF4(v13)+e
|
c
|
|
56
|
e+CF4→CF4*+e
|
c
|
|
57
|
e+CF4→CF3+F-
|
c
|
|
58
|
e+CF4→CF3-+F
|
c
|
|
59
|
e+CF4→CF3+F+e
|
c
|
|
60
|
e+CF4→CF3++F+2e
|
c
|
|
61
|
e+CF4→CF2+2F+e
|
c
|
|
62
|
e+CF4→CF3++F-+e
|
c
|
|
63
|
e+CF4→CF+F+F2+e
|
c
|
|
64
|
e+F2+→F+F
|
8×10-14Te-0.5
|
|
65
|
e+CF+→C+F
|
8×10-14Te-0.5
|
|
66
|
e+CF3+→CF2+F
|
8×10-14Te-0.5
|
|
67
|
e+CF2+→CF+F
|
8.5×10-14Te-0.5
|
표 3. 라디칼 반응식
Table 3. Heavy particle reaction
|
No.
|
Reaction
|
Rate coefficient[m3/s]
|
|
1
|
F+CF3→CF4
|
2.00×10-17
|
|
2
|
F+CF2→CF3
|
1.80×10-17
|
|
3
|
F+CF→CF2
|
9.96×10-17
|
|
4
|
F2+CF2→CF3+F
|
8.30×10-20
|
|
5
|
F2+CF3→CF4+F
|
1.90×10-20
|
|
6
|
C++C→C++C
|
3.00×10-15
|
|
7
|
C++CF→CF++C
|
3.18×10-15
|
|
8
|
CF++CF→CF++CF
|
1.00×10-15
|
|
9
|
CF++CF2→CF2++CF
|
1.00×10-15
|
|
10
|
CF++CF3→CF3++CF
|
1.71×10-15
|
|
11
|
CF2++CF2→CF2++CF2
|
1.00×10-15
|
|
12
|
CF2++CF3→CF3++CF2
|
1.48×10-15
|
|
13
|
CF3++CF3→CF3++CF3
|
1.00×10-15
|
|
14
|
C++CF3→CF2++CF
|
2.48×10-15
|
|
15
|
CF++CF4→CF3++CF2
|
1.80×10-16
|
|
16
|
CF2++CF4→CF3++CF3
|
4.00×10-16
|
|
17
|
CF2++CF→CF3++C
|
2.06×10-15
|
|
18
|
CF2++C→CF++CF
|
1.04×10-15
|
|
19
|
CF3-+F→CF3+F-
|
5.00×10-14
|
|
20
|
F++F→F++F
|
1.00×10-15
|
|
21
|
F++F2→F2++F
|
7.94×10-16
|
|
22
|
F++C→C++F
|
1.17×10-15
|
|
23
|
F++CF→C++F2
|
2.71×10-15
|
|
24
|
F++CF2→CF++F2
|
2.28×10-15
|
|
25
|
F++CF3→CF2++F2
|
2.90×10-15
|
|
26
|
F++CF4→CF3++F2
|
1.00×10-15
|
|
27
|
F2++CF→CF2++F
|
2.18×10-15
|
|
28
|
F2++C→CF++F
|
1.04×10-15
|
|
29
|
F2++CF2→CF3++F
|
1.79×10-15
|
|
30
|
F2++CF3→CF3++F+F
|
1.60×10-15
|
|
31
|
F2++CF4→CF3++F+F2
|
1.00×10-16
|
|
32
|
F2++F2→F2++F2
|
1.00×10-15
|
|
33
|
F-+CF3→CF4+e
|
4.00×10-16
|
|
34
|
F-+CF2→CF3+e
|
3.00×10-16
|
|
35
|
F-+CF→CF2+e
|
2.00×10-16
|
|
36
|
F-+C→CF+e
|
1.00×10-16
|
|
37
|
F-+F→F2+e
|
1.00×10-16
|
|
38
|
CF3-+CF+→CF3+CF
|
2.00×10-13
|
|
39
|
CF3-+C+→CF3+C
|
3.00×10-13
|
|
40
|
CF3-+F+→CF3+F
|
2.50×10-13
|
|
41
|
CF3-+F2+→CF3+F2
|
2.00×10-13
|
|
42
|
CF3-+CF3+→CF3+CF3
|
1.50×10-13
|
|
43
|
CF3-+CF2+→CF3+CF2
|
2.00×10-13
|
|
44
|
F-+CF3+→F+CF3
|
8.70×10-14
|
|
45
|
F-+CF2+→F+CF2
|
9.10×10-14
|
|
46
|
F-+CF+→F+CF
|
9.80×10-14
|
|
47
|
F-+F2+→F+F2
|
9.40×10-14
|
|
48
|
F-+F+→F+F
|
3.10×10-13
|
|
49
|
F-+C+→F+C
|
2.20×10-13
|
|
50
|
F-+CF3+→CF2+F2
|
8.70×10-14
|
|
51
|
F-+CF3+→CF2+F+F
|
3.00×10-13
|
|
52
|
F-+CF2+→CF+F2
|
9.10×10-14
|
|
53
|
F-+CF+→C+F+F
|
4.00×10-13
|
|
54
|
Ars+CF2→CF+F+Ar
|
6.00×10-17
|
|
55
|
Ars+CF3→CF2+F+Ar
|
6.00×10-17
|
|
56
|
Ars+CF4→CF2+F2+Ar
|
6.00×10-17
|
|
57
|
Ars+Ars→Ar++Ar+e
|
1.20×10-15
|
|
58
|
Arp+Arp→Ar++Ar+e
|
1.20×10-15
|
|
59
|
Ar++Ar→Ar++Ar
|
5.70×10-16
|
|
60
|
Ar++CF2→CF++Ar+F
|
5.00×10-16
|
|
61
|
Ar++CF3→CF2++Ar+F
|
5.00×10-16
|
|
62
|
Ar++CF4→CF3++Ar+F
|
4.80×10-16
|
|
63
|
CF3-+Ar+→CF3+Ar
|
2.00×10-13
|
|
64
|
F-+Ar+→F+Ar
|
2.00×10-13
|
표 4. O2 반응식에 추가된 화학종
Table 4. Chemical species added to the O2 reaction formula
|
중성종
|
여기종
|
전자 & 이온
|
|
O, O2, FO, CO, CO2, COF, COF2
|
O*(1D)
|
e, O+, O2+
|
표 5. O2 충돌 반응식
Table 5. O2 Electron impact reaction & Heavy particle reaction
|
No.
|
Reaction
|
Rate coefficient[m3/s]
|
|
1
|
e+O2→e+2O
|
1.52×10-15exp(4.15/Te)
|
|
2
|
e+O2→e+O+O*
|
2.04×10-14exp(8.18/Te)
|
|
3
|
e+CO2→e+CO+O
|
1.87×10-14exp(13.89/Te)
|
|
4
|
e+CO→e+C+O
|
1.87×10-14exp(13.89/Te)
|
|
5
|
e+O→e+O*
|
4.47×10-15exp(2.29/Te)
|
|
6
|
e+FO→e+F+O
|
6.16×10-15exp(4.3/Te)
|
|
7
|
e+COF→e+CO+F
|
8.11×10-15Te0.386exp(8.739/Te)
|
|
8
|
e+COF2→e+COF+F
|
6.48×10-14Te-0.959exp(11.25/Te)
|
|
9
|
e+O2→e+O2
|
c
|
|
10
|
e+O2→e+e+O+O+
|
c
|
|
11
|
e+O2→e+e+O2+
|
c
|
|
12
|
F2+O→FO+F
|
1.00×10-22
|
|
13
|
F2+Od →FO+F
|
7.94×10-18
|
|
14
|
F2+COF→COF2+F
|
5.01×10-20
|
|
15
|
CF3+O→COF2+F
|
3.16×10-17
|
|
16
|
CF3+O*→COF2+F
|
3.16×10-17
|
|
17
|
CF2+O→COF+F
|
3.16×10-17
|
|
18
|
CF2+O*→COF+F
|
3.16×10-17
|
|
19
|
CF2+O→CO+2F
|
3.98×10-18
|
|
20
|
CF2+O*→CO+2F
|
3.98×10-18
|
|
21
|
CF+O→CO+F
|
6.31×10-17
|
|
22
|
CF+O*→CO+F
|
2.00×10-17
|
|
23
|
CF+O2→COF+O
|
3.16×10-17
|
|
24
|
FO+O→F+O2
|
2.51×10-17
|
|
25
|
FO+O*→F+O2
|
5.01×10-17
|
|
26
|
FO+FO→2F+O2
|
2.51×10-18
|
|
27
|
2FO→F2+O2
|
2.51×10-22
|
|
28
|
COF+CF3→CF4+CO
|
1.00×10-17
|
|
29
|
COF+CF3→COF2+CF2
|
1.00×10-17
|
|
30
|
COF+CF2→CF3+CO
|
3.16×10-19
|
|
31
|
COF+CF2→COF2+CF
|
3.16×10-19
|
|
32
|
COF+O→CO2+F
|
1.00×10-16
|
|
33
|
COF+O*→CO2+F
|
1.00×10-16
|
|
34
|
2COF→COF2+CO
|
1.00×10-17
|
|
35
|
COF+F→COF2
|
7.94×10-17
|
|
36
|
COF2+Od→F2+CO2
|
2.00×10-17
|
|
37
|
C+O2→CO+O
|
1.58×10-17
|
|
38
|
CO+F→COF
|
1.29×10-17
|
3. Simulation Result
그림 2는 Ar/CF4 혼합 비율에 따른 전자 밀도, 전자 온도를 나타낸 것이다. (A), (B)의 x축에 표기된 z는 챔버 중앙을 기준으로 한 챔버의 높이를 나타내며,
(C), (D)에 표기된 r은 챔버 중앙에서부터 wall까지의 반경을 나타낸다. 이는 그림 2,3,7에서 동일하게 표기된다. CF4가 증가하고 Ar이 감소함에 따라서 z축 ,r축 모두에서 전자 밀도가 감소하는 경향성을 보인다. Ar의 주된 전자 생성반응은 표 2의 4, 9번 반응이며, CF4의 주된 전자 생성반응은 표 2의 12, 24번 반응이다. 가장 기본으로 이온화되는 Ar (15.76eV)의 이온화 에너지가 CF4 (16.25eV)보다 작으며 Ar의 이온화 되는 반응의 Cross section이 CF4보다 크기 때문에 전자 밀도는 Ar의 양에 기인한다. 또한, Ar의 감소에 의한 전자 생성반응의 감소율이 CF4의 증가에 의한 전자 생성반응의 증가율보다 높으므로 전자 밀도가 감소한다. 그림 2(B), (D)에서 CF4가 증가함에 따라 전체적으로 전자 온도가 증가하는 경향성을 보이며, 챔버 중앙에서는 낮고 코일 부근에서 높은 온도를 가진다. 그림 3의 라디칼 밀도는 2D Symmetry를 이용하여 체적 적분한 값을 사용하였다. 그림 3(B)에서는 CF4 비율이 증가함에 따라 F 라디칼 밀도가 증가하는 경향성을 보인다. 하지만 CF4가 증가할수록 F 라디칼 밀도의 증가율이 줄어드는 것으로 확인되며, 이는 전자밀도가 감소함으로써 CF4 가스의 해리율 감소로 F 라디칼의 증가율이 줄어드는 것으로 판단된다.
그림. 2. CF4 비율별 챔버 중앙에 수직인 방향(z축)에서 (A) 전자 밀도, (B) 전자 온도, 챔버 중앙에 수평인 방향 (r축)에서 (C) 전자 밀도, (D)
전자 온도
Fig. 2. (A)electron density, (B) electron temperature in the direction (z-axis) perpendicular
to the center of the chamber by CF4 ratio, (C) electron density, (D) electron temperature in the direction (r-axis) horizontal
to the center of the chamber
그림. 3. Ar/CF4 비율에 따른 (A) 전자생성률, (B) F 라디칼 밀도
Fig. 3. (A) electron generation rate, (B) F radical density according to Ar/CF4 ratio
그림. 4. 추가된 O2 유량에 따른 챔버 중앙에 수직인 방향(z축)에서 (A) 전자 밀도, (B) 전자 온도, 챔버 중앙에 수평인 방향 (r축)에서 (C) 전자 밀도,
(D)전자 온도
Fig. 4. (A) electron densnity, (B) electron temperature in the direction perpendicular
to the center of the chamber (z-axis) according to the added O2 flow rate, (C) electron densnity, (D) electrons temperature in the direction horizontal
to the center of the chamber (r-axis) according to the added O2 flow rate
O
2를 추가했을 때 플라즈마 특성 및 라디칼 밀도의 변화를 알아보기 위해 Ar과 CF
4 비율을 고정한 후 O
2를 추가해 보았다. 압력과 인가전력은 앞서 말한 바와 같이 10mTorr, 1000W로 고정했으며, O
2가 추가됨에 따라 100, 110, 130, 150, 170 [sccm]으로 가스 유량을 변화시켰다.
그림. 5. 추가된 O2 유량에 따른 전자생성률
Fig. 5. Electron generation rate according to the added O2 flow rate
그림. 6. 추가된 O2 유량에 따른 (A) F라디칼 (B) C라디칼
Fig. 6. (A) F radicals (B) C radicals according to the added O2 flow rate
그림 4-
6는 추가된 O
2 유량에 따른 플라즈마 특성과 라디칼 밀도를 나타낸 것이다.
그림 4(A),
(C)에 따르면 O
2가 추가됨에 따라 전자 밀도가 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 이는 Ar에 의한 전자생성률의 감소가 O
2에 의한 전자생성률 증가보다 크기 때문에 감소한 것으로 보인다. O
2의 주된 전자 생성반응은
표 5의 11번 반응이며, O
2(12.1eV)의 이온화 에너지는 Ar(15.76eV)보다 작으나 Cross section이 작기 때문에 Ar보다 전자생성률이 작다. 또한 전자생성률
감소는 압력이 고정된 상태에서 O
2의 양이 추가되었기 때문에 전체 가스에서 Ar가스의 비율이 작아짐으로써 outlet으로 소멸되는 양이 많아진 것으로 판단된다. 그에 따라 전자 밀도가
감소하고, 전자 온도가 전체적으로 증가하였다. O
2의 증가로 CO, CO
2, COF, COF
2 가스의 생성이 증가해 C 라디칼의 밀도가 줄어드는 경향성이
그림 6(B)에 나타났으며, 추가된 O
2에 대한 C 라디칼의 감소율을 계산하였을 때 O
2의 유무에 따른 차이가 가장 크게 나타났다. 또한, O
2가 추가됨에 따라 전자 밀도의 감소에 의한 CF
4 해리율이 감소해 C 라디칼의 감소율이 줄어드는 것으로 보인다.
그림 6(A)에서는 O
2를 미량 추가했을 때 CF
4의 dissociative ionization 전자 생성반응으로 인해 F 라디칼이 증가하였으나, O
2를 더 추가하였을 때 COF 및 COF
2 가스의 발생으로 F 라디칼 또한 감소하는 형태로 나타난다.
그림. 7. Ar 50%를 고정시켰을 때, CF4/O2 비율 변화에 따른 챔버 중앙에 수직인 방향(z축)에서 (A) 전자 밀도, (B) 전자 온도, 챔버 중앙에 수평인 방향 (r축)에서 (C) 전자 밀도,
(D) 전자 온도
Fig. 7. When Ar is fixed at 50%, (A) electron density (B) electron temperature in
the direction perpendicular to the center of the chamber (z axis) according to the
change in the CF4/O2 ratio, (C) electron density (D) electron temperature in the direction horizontal
to the center of the chamber (r axis) according to the change in the CF4/O2 ratio
그림. 8. Ar 50%를 고정시켰을 때, CF4/O2 비율 변화에 따른 (A) CF4와 O2 전자생성률 (B) Ar과 전체 전자생성률
Fig. 8. (A) CF4 and O2 electron generation rate (B) Ar and total electron generation rate according to the
change in CF4/O2 ratio when Ar is fixed at 50%.
전자 밀도에 가장 영향이 큰 Ar 비율을 50%로 고정시킨 후 CF
4와 O
2의 비율을 변화시켰다.
그림 7은 챔버 중앙을 기준으로 방향에 따른 전자 밀도와 전자온도를 나타낸 것이다.
그림 7(A),
(C)에서는 CF
4가 증가하고 O
2가 감소함으로써 전자밀도는 증가하는 경향성을 띈다. CF
4로 발생하는 이온의 종류 및 전자 생성 반응이 O
2보다 많고,
그림 8의 O
2의 cross section에 의한 전자 생성반응율의 값도 CF
4보다 현저히 작기 때문에 전자밀도는 CF
4 비율에 기인한다.
그림 7(B),
(D)의 전자 온도는 CF
4가 증가함으로써 감소하는 경향성을 띄며 CF
4가 증가함으로써 전자 온도의 감소율이 줄어든다. 이는 Ar의 전자 생성반응이 감소하기 때문에 그만큼 전자의 충돌이 줄어들었기 때문이라고 볼 수 있다.
그림 9는 O
2 및 CF
4에 따른 라디칼 밀도를 나타내었다. O
2가 증가할수록 기본 해리가 되는 CF
4의 비율이 줄어듦으로써 C 라디칼 밀도가 작아지고, CF
4가 증가할수록 F 라디칼 밀도가 증가한다. C 라디칼 밀도는 O
2의 영향을 크게 받으며 F 라디칼은 CF
4의 영향을 크게 받는 것을 확인할 수 있다. CF
4가 증가하면 전자밀도가 증가해 물리적 식각률이 증가하고, F 라디칼로 인한 화학적 식각 효율이 증가할 수 있다. 하지만 C 라디칼의 증가로 식각시
벽면 및 웨이퍼의 Deposition 문제가 발생할 수 있다.
4. Conclusion
Ar/CF4 및 Ar/CF4/O2 혼합 가스의 비율을 변화시켜 식각 공정에 많은 영향을 주는 플라즈마 특성과 F, C 라디칼 밀도를 분석하였다. Ar/CF4 플라즈마에서 CF4의 비율을 높이면 화학적 식각에 필요한 F 라디칼의 밀도가 증가하지만 전자 밀도는 줄어드는 것으로 보인다. O2를 추가했을 때 CO, CO2 , COF, COF2의 생성으로 인해 C 라디칼 감소를 가져오며, O2를 미량 추가하였을 때 F 라디칼의 증가함을 보인다. 하지만 O2의 추가로 인해 전자밀도가 감소하는 형태로 나타났으며, O2를 다량 추가하였을 때 F 라디칼의 감소로 이어진다. 공급 가스 중 F의 해리 및 전자밀도에 가장 큰 영향을 끼치는 Ar을 50%로 고정한 후 CF4와 O2의 비율을 변화시켰을 때, CF4의 증가로 전자밀도가 증가하는 것을 확인하였다. F 라디칼 및 C 라디칼은 CF4의 양에 기인하였고, O2의 비율을 높이자 두 라디칼 모두 감소하는 형태로 나타났다. Ar은 전자의 생성에 가장 영향을 끼치며, CF4는 화학적 식각 효율을 높이고, O2는 C 라디칼의 생성을 억제해 Deposition 영향을 줄이기 때문에 식각 가스의 적정비율을 찾는 것이 중요하다. 현 논문에서는 Gas 비율에 따라
F 라디칼이 증가할 수 있다는 가능성을 제시하였고, 이 가능성은 후의 식각반응에 긍정적인 영향을 끼칠 것이라 예상된다. 시뮬레이션만으로는 실제 플라즈마에서
발생하는 모든 화학반응을 대변할 수 없기 때문에 이를 뒷받침하기 위해 후속실험을 이어 나가는 것을 권장한다.
Acknowledgements
This study was supported by Korea Institute for Advancement of Technology(KIAT) grant
funded by the Korea Government (P0012451, The Competency Development Program for Industry
Specialist)
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and Active Species Kinetics in CF4+O2+Ar Gas Mixture by CF4/O2 and O2/Ar Mixing Ratios,
Plasma Chem Plasma Process, Vol. 37, pp. 1445-1462
저자소개
Graduated from the Department of Electronic Materials Engineering, Korea Maritime
and Ocean University, 2021, Graduated from Pusan National University Graduate School
of Electrical and Electronic Engineering in 2023 (Master’s degree)
Currently Samsung Electronics Memory Division
Tel : 051-510-2746
E-mail : wangga247@pusan.ac.kr
Graduated from the Department of Electrical Engineering, ICT Engineering College,
Dongeui University in 2021 (Bachelor's degree).
Currently in a combined master's/doctoral program in the Department of Electrical
and Electronic Engineering at Pusan National University Graduate School
Tel : 051-510-2746
E-mail : mylovegojsh@pusan.ac.kr
Graduated from the Department of Electrical Engineering at Seoul National University
College of Engineering in 1989, graduated from the Department of Electrical Engineering
at the same graduate school in 1991 (Master's degree), Graduated from the Department
of Electrical Engineering at the same graduate school in 1996 (Doctor of Engineering),
and is currently a full professor at the Department of Electrical Engineering at Pusan
National University.
Tel : 051-510-2301
E-mail : hedo@pusan.ac.kr