Analysis of Si-Etch Uniformity Based on RF Sheath Model in Ar/SF6 Very High Frequency Driven Capacitively Coupled Plasma Etcher :Ar/SF6 초고주파 용량성 결합 플라즈마 식각 장치에서 RF 쉬스 이론 기반의 식각 균일도 분석

임성재

자료유형: 학위논문

저자정보: 임성재 (서울대학교, 서울대학교 대학원)

지도교수: 김곤호

발행연도: 2022

저작권: 서울대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수18

초록· 키워드

반도체 공정에서 공정 수율을 향상시키기 위한 중요한 인자 중 하나는 식각 균일도이다. 고집적 반도체를 위해 3D 구조가 도입됨에 따라 고종횡비 식각 공정이 등장하였고, 이에 따라 식각 균일도는 단순한 식각률 균일도뿐만 아니라 식각 형상 불량의 균일도까지 고려해야 한다. 기존의 식각 균일도 개선 접근 방법인 표면 반응 제어는 식각 형상 불량, 특히 식각 기울기의 균일도의 제어가 어렵다는 한계를 가진다. 고종횡비 식각 공정에서 주로 사용되는 설비인 초고주파 용량성 결합 플라즈마 식각 장치는 초고주파에 의한 플라즈마 국소 가열 현상 및 좁은 간격을 가진 장치 구조에 의해 불균일한 플라즈마 분포를 갖는다. 이에 따라 웨이퍼에 입사하는 이온의 특성을 결정하는 RF 쉬스의 분포가 형성된다. 식각 균일도 개선을 위해서는 식각 균일도 분포를 야기하는 근본 원인인 RF 쉬스 분포의 발생 기작 및 식각 균일도에 영향을 미치는 플라즈마 인자 도출이 필요하다.
이온과 전자가 인가 전원에 반응하는 속도에 따라 RF 쉬스의 특성이 결정된다. 초고주파 전원은 이온 주파수보다 빠르고 전자 주파수보다 느린 특징을 가지므로, 이온은 시 평균 된 RF 전위에 반응하여 웨이퍼 표면에 입사한다. 따라서 이온이 쉬스 내에서 받는 에너지는 플라즈마 전위와 RF 부유 전위의 차이로 결정된다. 또한, 이온의 입사 방향은 쉬스 등 전위면의 수직인 쉬스 경계의 법선 방향으로 결정된다. 본 논문에서는 이 RF 쉬스 모델을 기반으로 식각 균일도 해석 인자를 도출하고, 이를 이용하여 식각 균일도를 해석하였다. 또한, 웨이퍼에 입사하는 이온에 의한 식각 영향만을 확인하기 위해 폴리머 보호층을 형성하는 탄화불소가스가 첨가되지 않은 Ar/SF6 플라즈마를 사용하여 연구하였다.
반경 방향으로 배치하여 식각한 Si 시편의 식각 결과를 분석한 결과, 초고주파 용량성 결합 플라즈마 식각 장치에서의 식각 형상 분포가 불균일함을 확인하였다. 불균일을 야기하는 원인을 파악하기 위해 보상형 랭뮤어 프로브로 전자 밀도 및 전자 온도의 분포를 진단하고, 지연장 에너지 분석기로 RF 부유 전위 분포를 진단하였다. 반경 방향 플라즈마 분포를 진단한 결과, 초고주파 용량성 결합 플라즈마 식각 장치 내 플라즈마의 분포가 크게 3가지 영역으로 나뉘는 것을 확인하였다. 영역 1은 전극 중심부에 형성이 되며, 인가 주파수의 고조파가 형성하는 정상파에 의해 영역 1의 범위가 결정된다. 특정 조건을 만족하는 고조파가 공진 현상을 일으키며 강화되는 정상파 효과-플라즈마 직렬 공진 현상이 관측되었다. 영역 2는 피크 밀도 위치에서 하전 입자들의 이동에 의해 플라즈마 밀도 분포가 결정되는 영역이었다. 영역 3은 전극 가장자리에서의 전자가 전극 외부로 탈출하는 현상에 의해 형성된다. 전자의 평균 자유 행로가 길어질수록 영역 3은 전극 내로 확장되는 것을 확인하였다.
측정된 플라즈마 인자를 이용해 식각 균일도 해석 인자인 이온 에너지 플럭스 분포 및 쉬스 두께 분포를 계산하였다. 이온 에너지 플럭스와 식각률은 수정된 R2 0.97 이상의 상관관계를 가졌고, 쉬스 두께 구배와 식각 기울기를 비교하면 평균 절대 오차 0.002 수준의 오차를 가지는 것을 확인하였다. 따라서 이온 에너지 플럭스와 쉬스 두께 구배로 식각 균일도를 해석할 수 있음을 확인하였고, 식각 균일도에 영향을 미치는 플라즈마 인자는 전자 밀도와 플라즈마 전위와 RF 부유 전위의 차인 쉬스 전압임을 밝혔다.
본 연구를 통해 RF 쉬스 모델을 바탕으로 좁은 간격을 가진 초고주파 용량성 결합 플라즈마 식각 장치의 플라즈마 분포를 결정하는 물리 현상이 영역별로 다름을 확인하였고, 식각률과 식각 기울기 균일도에 영향을 미치는 플라즈마 인자를 도출하였다. 이 결과를 바탕으로 공정 수율 향상을 위한 식각 균일도의 근원적 개선을 위해서는 플라즈마 분포 개선이 필수적임을 밝혔으며, 식각 균일도 개선을 위해서는 영역별 최적화된 개선 전략이 필요함을 제시하였다.

One of the important factors for improving the process yield in semiconductor fabrication is etch uniformity. With the introduction of three-dimensional structures for highly integrated semiconductors, a high aspect ratio (HAR) etch process has emerged, and etch uniformity must consider not only the etch rate uniformity but also the uniformity of the etch profile distortions. Surface reaction control, which is a conventional approach for improving etch uniformity, has a limitation in that it is difficult to control the etch profile distortion uniformity, in particular, etch tilting. The very high frequency-capacitively coupled plasma (VHF-CCP) etcher, which is mainly used in the HAR etch process, has a non-uniform plasma distribution owing to the plasma local heating phenomenon by the VHF and the geometry of the CCP etcher with a narrow-gap. Therefore, there is a non-uniform distribution of the RF sheath that determines the characteristics of the ions incident on the wafer. To improve the etch uniformity, it is necessary to derive the forming mechanism of the RF sheath distribution that is the root cause of the etch uniformity and plasma parameters, which affect etch uniformity.
The properties of ions and electrons that respond to the applied frequency determine the characteristics of the RF sheath. Because the VHF source is faster than the ion frequency and slower than the electron frequency, the ions are incident on the wafer surface in response to the time-averaged electrode potential, which is the RF floating potential formed by the instantaneous response of electrons to the VHF. Therefore, the ion energy accelerated within the sheath is determined by the difference between the plasma potential and the RF floating potential, whereas the ion incident direction is determined as the normal direction of the sheath boundary that is perpendicular to the equipotential plane of the sheath. In this dissertation, etch uniformity analysis factors were derived based on the RF sheath model, and etch uniformity was analyzed using these factors. In addition, to confirm only the etching effect of ions incident on the wafer, Ar/SF6 plasma to which fluorocarbon gas that forms a polymer passivation layer is not added was used.
By analyzing the etch profile of the Si coupon samples arranged and etched in the radial direction, it was confirmed that the distribution of the etch profile was non-uniform under the VHF-CCP etcher. To determine the cause of the etch non-uniformity, the distribution of electron density, plasma potential, and electron temperatures were measured by the RF compensated Langmuir probe, and the RF floating potential was measured using a retarding field energy analyzer. In diagnosing the radial plasma distribution, it was confirmed that the plasma distribution in the VHF-CCP etcher is divided into three zones. Zone 1 is formed at the center of the electrode, and its area is determined by the standing wave of the harmonics of the applied VHF source. A standing wave effect-plasma series resonance phenomenon in which harmonics satisfying specific conditions are strengthened by resonance was observed. Zone 2 is an area in which the plasma density distribution is determined by the transport of charged particles at the peak density position. Zone 3 is formed by the escape of electrons at the edge of the electrode to the outside of the electrode. It was confirmed that Zone 3 expanded into the electrode as the electron mean free path increased.
The ion energy flux and sheath thickness distributions, which are the etch uniformity analysis factors, were determined using the radial distribution of plasma parameters. The ion energy flux and etch rate correlate with an adjusted R2 of 0.97, and the mean absolute error between the sheath thickness gradient and etch tilting was 0.002. Therefore, the etch uniformity can be analyzed using the ion energy flux and sheath thickness gradient. It was demonstrated that the plasma parameters affecting the etch uniformity were electron density and sheath voltage.
In this dissertation, based on the RF sheath model, it was confirmed that the physical phenomena that determine the radial distribution of the narrow-gap VHF-CCP etcher for each zone are different, and the plasma parameters affecting the uniformity of the etch rate and etch tilting were derived. Based on these results, it was revealed that plasma distribution improvement is essential for the improvement of etch uniformity to increase process yield, and it was proposed that an improvement strategy optimized for each zone is required to improve etch uniformity.

#Etch Uniformity #Plasma Distribution #RF Sheath #Very High Frequency-Capacitively Coupled Plasma #Etch Rate #Etch Tilting

Abstract i
Contents iv
List of Tables vi
List of Figures vii
Chapter 1. Introduction 1
Chapter 2. Background Theory 5
2.1 Sheath Model of Electronegative Plasma 5
2.1.1 RF Sheath Model of VHF Source 5
2.1.2 Determining the Dominant Species for Each Charged Particles 9
2.1.3 Axial Properties of Electronegative Plasma 13
2.1.4 Radial Properties of Electronegative Plasma 21
2.2 Etch Uniformity Analysis Model 26
Chapter 3. Experimental Setup 34
3.1 Experimental Equipment and Conditions 34
3.2 Plasma Diagnostic Tools 36
3.2.1 RF Compensated Langmuir Probe 36
3.2.2 Retarding Field Energy Analyzer 40
3.2.3 Electrode VI Probe 42
3.2.4 Material Probe 43
Chapter 4. Results and Discussion 45
4.1 Etch Uniformity in VHF-CCP Etcher 45
4.2 Radial Distribution of Plasma Parameters 48
4.3 Etch Uniformity Analysis 64
4.3.1 Etch Rate Uniformity 64
4.3.2 Etch Tilting Uniformity 68
Chapter 5. Conclusion 73
Bibliography 77
국문 초록 82

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