음이온 밀도와 부유 전위 분포 측정을 통한 산소 플라즈마 물성 연구

Abstract

In this paper, we propose an electrical diagnostic method that can measure electronegativity and negative ion density using a harmonic current, and analyze the characteristics of oxygen plasma by measuring the two-dimensional floating potential distribution at the position of substrate of inductively coupled plasma generator. In the case of an electropositive plasma, argon, variables such as electron temperature, electron density, plasma potential, and electron energy probability function(EEPF) are measured to understand the plasma properties. However, in an electronegative plasma such as oxygen and perfluorocarbons, electronegativity and negative ion density should be further determined. These factors control the overall characteristics of the electronegative plasma, while also affecting the semiconductor fabrication yield. Nowadays, diagnosis of electronegative plasmas is largely divide into two methods, an optical diagnosis method and an electric diagnosis method. The optical diagnosis method generally has a disadvantage in that parameters at a specific location cannot be obtained, whereas the electrical diagnosis method can measure the plasma parameters at any locations in the plasma. In this work, electronegativity and negative ion density are obtained using the harmonic current by applying a small sinusoidal voltage to a potential lower than the plasma potential. This method can give less perturbation to the plasma than the method of sweeping the probe voltage higher than the plasma potential. The experiment is conducted in an inductively coupled oxygen plasma, and the results are compared with those from a two-dimensional model and a two-probe theory under the same discharge conditions to confirm the effectiveness of our method. The electronegativity and negative ion density distributions measured with varying the pressure and applied power agree well with the results obtained from the other two methods. In semiconductor manufacturing process, electronegative plasma is widely used in process steps such as photoresist ahing, anisotropic etching, and material oxidation. A non-uniform plasma will lead to a non-uniform flux of charged particles incident on the wafer, which further affects the uniformity of the potential of wafer surface. This can cause voltage breakdown or current leakage depending on the thickness of the oxide film in the trench structure. Therefore, it is very necessary to analyze the effect of negative ions on the surface potential distribution by measuring the floating potential at the wafer position in the electronegative plasmas(oxygen). In general, the plasma that is frequently used in laboratories is an electropositive plasma such as argon. Since the electropositive plasma has very different characteristics from the electronegative plasma, in this study, argon plasma and oxygen plasmas are comparatively analyzed under the same discharge condition.|본 논문에서는 고조화 전류를 이용한 전기음성도와 음이온 밀도를 측정할 수 있는 전기적 진단 방법을 개발했고, 유도 결합 플라즈마 발생 장치의 극판 위치에서 이차원 부유 전위 분포를 측정함으로써 산소 플라즈마에 대한 특성 분석을 진행했다. 아르곤과 같은 전기적 양성 플라즈마 일 경우, 플라즈마 특성을 이해하기 위해서는 전자 온도, 전자 밀도, 플라즈마 전위 및 전자 에너지 확률 분포 함수와 같은 변수를 측정하게 되는데 산소, 과불 화 탄소 (perfluorocarbons) 같은 전기적 음성 플라즈마에서는 전기음성도와 음이온 밀도를 추가로 파악해야 한다. 이 요소들은 전기적 음성 플라즈마의 전반적인 특성을 제어하는 동시에 반도체 생산 수율 에도 영향을 미치게 된다. 기존 전기적 음성 플라즈마 진단은 크게 광학적 진단 방법과 전기적 진단 방법 두가지로 나뉜다. 광학적 진단 방법은 보편적으로 특정위치에서의 정보를 얻을 없는 단점이 있는 반면 전기적 진단 방법은 플라즈마 내 특정위치에서의 플라즈마 변수를 측정할 수 있다. 본 연구에서는 플라즈마 전위보다 낮은 전위에 작은 싸인 전압을 인가함으로써 얻은 고조화 전류를 이용해서 전기음성도와 음이온 밀도를 측정했다. 이 방법은 프로브에 플라즈마 전위 이상의 전압을 인가하는 방법보다 플라즈마에 섭동을 적게 주게 된다. 실험은 유도 결합 산소 플라즈마에서 진행하였고, 진단 방법의 유효성 검증을 위해 같은 방전 조건에서 이차원 모델과 이중 프로브 진단법을 사용해서 그 결과를 비교했다. 압력과 인가 파워를 변경하면서 측정한 전기음성도와 음이온 밀도 분포는 다른 두 가지 방법으로부터 얻은 결과와 잘 일치했다. 반도체 제조 공정에서는 포토 레지스트 (photoresist) 에싱, 이방 성 식각, 산화 막 생성 등 공정 단계에서 전기적 음성 플라즈마를 폭 넓게 사용하고 있다. 플라즈마가 불 균일하면 웨이퍼 표면에 입사하는 대전 입자들의 선속도 불 균일 해지기 때문에 웨이퍼 표면 전위의 균일 도에 영향을 미치게 된다. 이는 트랜치 구조에서 산화 막 두께에 따라 전압 붕괴 또는 전류 누설을 발생하게 한다. 따라서 전기적 음성 플라즈마(산소)에서 웨이퍼 위치에서의 표면 전위를 측정함으로써 음이온이 표면 전위 분포에 주는 영향을 분석하는게 매우 필요하다. 일반적으로 실험실 단위에서의 플라즈마는 전기적 양성 플라즈마 (아르곤)를 많이 사용한다. 이는 산소와 같은 전기적 음성 플라즈마와 특성이 매우 다르기 때문에 본 실험에서는 같은 방전 조건에서의 아르곤과 산소 플라즈마를 비교 분석했다.