유도 결합 플라즈마에서 RF 극판 전력이 플라즈마 밀도와 이온 에너지 분포에 미치는 영향 연구

Abstract

At first, the electrode applied RF bias is widely used to control the ion energy in an inductively coupled plasma (ICP). The floating harmonic method is used to measure the plasma densities with ICP powers and frequencies of RF bias power. When increasing the RF bias power, the plasma density at specific RF bias power(PB,min)is minimized due to the increase in total absorbed power and ion energy loss. PB,min is increasing with ICP power and PB,min is decreasing with the frequency is changed from 12.5 MHz to 2 MHz. These results can be explained by the relative variation of the plasma density (δn) with the RF bias power. δn is considered through the power balance equation and as the RF bias power increases, it changes from a negative value to a positive value. When δn has the negative value, the RF bias power deceases the plasma density. On the other hands, when δn has the positive value, the RF bias power increases the plasma density. δn is determined by changes in a variation of the total energy loss and a variation of absorbed power. The self bias voltage which determines the ion energy loss is changed with the ICP power and frequency of the RF bias power. Therefore, δn and PB,min is shifted with the ICP power and the frequency of the RF bias power.

Second, a method using capillary plate with a high aspect ratio is proposed to measure the ion energy distribution (IED). When using a capillary plate, an electron shading (ES) effect is introduced, creating a potential difference between the top and bottom of the capillary plate due to variations in ion and electron mobility. Electrons are repelled by this potential difference, allowing only ions to reach the bottom of the capillary plate. Notably, the measured IED at the bottom of the capillary plate closely resembles values obtained at the bottom of contact holes during the etching process. This suggests the ability to predict the actual ion energy reaching the inside of contact holes in the etching process. In our experiments, IED was acquired using the ES effect under various discharge conditions, including RF bias power, pressure, and the aspect ratio of the capillary plate. The ES effect was validated through particle trajectory simulations, and the ion current measured at the collector was compared with increasing aspect ratios. The obtained IEDs demonstrated good agreement with previous studies.

These studies investigated of changes in plasma density with RF bias and a method that utilizes a capillary plate for measuring ion energy distribution in contact hole structures in ICP. These studies hope to contribute to semiconductor processes utilizing plasma.|본 논문에서는 플라즈마 공정에서 많이 사용되는 RF 극판 전력이 인가된 ICP에서 RF 극판 전력과 안테나 전력에 대한 상호작용에 대한 분석과 플라즈마 진단 시 공정 가스를 이용할 때 발생되는 문제점을 해결하는 방법을 제안하였다.

첫 번 째로 RF 극판 전력이 인가된 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP)에서 RF 극판 전력이 가 플라즈마 밀도에 미치는 영향에 대해 분석하는 연구를 수행하였다. 유도 결합 플라즈마에 극판을 설치하여 RF 극판 전력을 인가함으로 이온 에너지를 제어할 수 있다. 하지만 추가적인 전력을 인가하기에 플라즈마 밀도에도 영향을 끼친다. 기존에는 해당 현상을 분석하기 위해 실험결과와 시뮬레이션을 통해 이해를 하고자 했으나 본 연구에서는 전력 균형 방정식을 이용하여 해당 현상을 설명하였다. 플라즈마 밀도를 부동 고조화 분석법을 이용하여 다양한 유도 결합 플라즈마 전력과 RF 극판 전력의 주파수에서 측정했다. 특정 RF 극판 전력(PB,min)에서 플라즈마 밀도를 최소가 되며 유도 결합 플라즈마 전력이 증가함에 따라 PB,min 이 증가한다. 주파수를 12.5 MHz에서 2 MHz로 변경될 때, PB,min 은 감소한다. 이 현상은 RF 극판 전력에 따른 플라즈마 밀도의 상대적 변화(δn)를 전력 균형 방정식을 기반으로 설명 할 수 있다. 본 연구는 RF 극판 전력이 인가된 유도 결합 플라즈마에서 RF 극판 전력과 안테나 전력의 상호작용이 플라즈마 밀도에 미치는 영향을 보여주었다. 두 번 째로 위 실험에서 사용한 RF 극판 전력이 인가된 유도 결합 플라즈마에서 높은 종횡비를 가진 모세관 플레이트를 이용하여 이온 에너지 분포를 측정했다. 모세관 플레이트를 사용하면 electron shading(ES) 효과가 발생하여 이온과 전자의 이동도 차이에 의한 모세관 플레이트의 상하부 간 전위 차이가 발생한다. 전위 차이에 의해 전자는 밀려나고 이에 따라 이온만이 모세관 플레이트의 하부에 도달하게 된다. 또한, 모세관 플레이트의 구조와 콘택트 홀 구조와 동일하기에 측정된 이온 에너지 분포는 콘택트 홀 구조에서 바닥에 도달하는 이온 에너지 분포와 동일하다. 이는 콘택트 홀 구조에서 실제 이온 에너지를 예측할 수 있다는 것을 의미한다. 보 연구에서는 RF 극판 전력, 압력 및 모세관 플레이트의 종횡비와 같은 다양한 방전 조건에서 ES 효과를 이용하여 이온 에너지 분포를 얻었다. ES 효과는 입자 궤적 시뮬레이션을 통해 확인했으며, 측정된 연구 결과는 기존의 이온 에너지 분포 측정 방법의 연구들과 잘 일치 했다.

본 연구는 플라즈마를 이용하는 공정에서 소스에 대한 분석과 이를 분석하는 방법을 개선하는 연구로써, 플라즈마 특성과 전기적 회로에 대한 이해를 바탕으로 수행되었다. 이 연구를 통해 공정 시 발생되는 다양한 문제점을 분석 및 해결함으로서 플라즈마 제어를 하는데 활용되기를 기대한다.