차주홍
(Ju-Hong Cha)
†iD
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Plasma fluid simulation, PECVD, Silicon nitride films, Inductively coupled plasma
1. 서 론
최근 나노과학 기술과 표면 및 계면 기술의 발달로 인하여 수소화된 질화 실리콘($SiN_{x}$:H) 박막을 이용한 응용 기술 및 표면 처리에 관한
연구가 활발히 진행되고 있다. 수소화된 질화 실리콘($SiN_{x}$:H) 박막은 우수한 전기·화학·광학 특성을 바탕으로, 반도체 공정상 DRAM
커패시터의 stacked layer와 같은 유전체 막부터 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED) 소자의
캡슐화(Encapsulation) 공정까지 다양한 분야의 공정에 사용되고 있다(1-4). 플라스마 화학 기상 증착 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Depostion, PECVD)법은 $SiN_{x}$$H_{y}$
박막의 성장에 선호되는 공정으로서, 저압 화학 기상 증착 LPCVD (Low Pressure CVD) 법(700~800℃) 대비 막질 형성에 상대적으로
낮은 기판 온도(400℃ 이하)에서 박막 형성이 가능한 장점을 지닌다. PECVD 공정 법은 플라스마 발생을 통하여 반응성이 뛰어난 다량의 활성 종
및 이온 종 생성을 가능하게 함으로서, LPCVD 기반 공정 대비 고온 기판 공정을 위한 비용을 줄이고 고효율 공정을 가능하게 한다. 또한 높은 기판
온도로 인하여 발생 되는 의도되지 않은 열 문제의 발생 가능성을 줄여준다(5).
PECVD법을 활용한 $SiN_{x}$:H 박막 증착의 효율 향상을 위하여 다양한 장비, 공정, 증착 조건에 관한 실험 및 시뮬레이션 연구가 활발히
진행되고 있다. $SiN_{x}$:H 박막 증착에 관한 초기 연구들은 주로 $SiH_{4}$와 $N_{2}$ 혹은 $NH_{3}$를 혼합한 형태의
혼합 가스를 공정용 주입 가스로 사용하는 실험을 진행하였다. $SiH_{4}$/$NH_{3}$ 혼합 가스를 활용한 공정 법은 $SiH_{4}$/$N_{2}$
대비 제어가 쉬우며 상대적으로 높은 증착률을 가진다는 장점 덕분에 선호되어왔다. 하지만 $SiH_{4}$/$NH_{3}$ 혼합 가스는 공정 상황에서
발생 되는 높은 수소 분자 비율로 인하여 10~30%의 수소 불순물이 N-H, Si-H 결합 막에 포함되어 소자 특성을 저해하는 문제를 일으킨다.
해당 문제는 $N_{2}$ 가스 인가를 통하여 박막 성장에 관여하는 수소 불순물의 양을 감소시키는 방법을 사용하면 개선이 가능하다. 따라서 $SiN_{x}$:H
박막 증착 공정에 최적화된 방법으로 $SiH_{4}$/$NH_{3}$/$N_{2}$ 가스를 모두 혼합하여 사용하는 방법이 주로 이용되고 있다(5).
고품질 박막 생성 및 해당 공정 수율 향상을 위해서는 $SiN_{x}$:H 증착 공정 조건에 따라 생성되는 플라스마 특성 및 박막 증착에 관여하는
주요 precursor의 관계에 관한 정확도 높은 이해가 요구된다. 실험을 통한 가스 조성비, 압력, 입력 파워등 각종 공정 조건에 따른 플라스마
특성 진단 및 해당 조건에 따라 생성된 박막의 특성을 비교 분석 함으로서 막 성장 메커니즘을 해석하려는 연구가 진행되고 있다(6). 다양한 연구들을 통해 $SiN_{x}$$H_{y}$ 박막증착의 주요한 precursor들이 밝혀지고 있으며, 플라스마 bulk 영역에서 생성되는
$SiH_{x}$, $NH_{x}$ 라디칼 등이 주요 인자로 작용함이 보고되고 있다. 하지만 해당 공정 시에 발생하는 플라스마 화학 반응의 복잡성으로
인하여 실험의 결과값에 관한 단독 해석만으로는 해당 메커니즘의 정확한 규명에 어려움이 있다. 이를 보완 하고 해석의 정확도를 높이는 방법으로 복합
gas 종에 관한 플라스마 simulation이 사용된다. 최근의 연구들에서 복합 plasma chemistry를 적용한 플라스마 유체 시뮬레이션을
이용하여 가스 조성비, 압력, 주파수, 입력 파워 등 각종 공정 변수에 따른 결과값을 비교 분석 함으로서 공정 조건에 따른 특정 chemical reaction
및 활성 종의 밀도 증가를 확인할 수 있음이 밝혀지고 있다(5-6). 이를 실험 결과 값에 대입하면, 특정 공정 조건에서 우세하게 발생 되는 활성 종 비율의 상승에 따른 $SiN_{x}$$H_{y}$ 박막의 특성
변화의 상관관계를 해석할 수 있다.
ICP(Inductively Coupled Plasma) 장비를 이용한 HDPCVD(High Density Plasma Chemical Vapor
Depostion) 공정 법은 고밀도 플라스마 발생을 통하여 비교적 낮은 공정압력에서 $SiN_{x}$:H 박막에 포함된 수소 불순물 비율을 상당량
줄여주는 특성을 보인다. 공정 시 사용되는 해당 ICP 장비의 특성으로 인하여, $SiH_{4}$/$NH_{3}$/$N_{2}$ ICP 공정법은 수소
불순물 발생량이 적은 고품질 소자의 제작에 주로 사용된다. $SiH_{4}$/$NH_{3}$/$N_{2}$ 유도결합형 플라스마 장비의 경우 복합 분자
성 공정 가스의 사용으로 인하여 일반 ICP 공정압력 대비 상대적으로 높은 압력 대인 50mTorr 이상의 압력에서 플라스마 챔버 내부 공간상 전자
밀도 분포가 전자 가열에 관여하는 안테나 형상 바로 아래로 국부화 되는 특징을 보인다. 이는 공간상 전자 밀도 분포의 균일도를 저해하는 요인으로 작용하며,
$SiH_{x}$, $NH_{x}$, amino-silane 라디칼 등 증착 반응의 주요 precursor 생성에 영향을 끼쳐 해당 장비의 공정 수율
감소의 원인으로 작용한다. 해당 문제는 장비의 대면적화에 따라 고도화되는 양상을 보인다. 해당 문제점 개선 및 $SiH_{4}$/$NH_{3}$/$N_{2}$
대면적 ICP 공정 장비 균일도 향상을 목적으로, 본 연구에서는 독립 파워 인가 방식의 이중 안테나를 통해 제어되는 대면적 유도결합 장비를 제시하고
플라스마 유체 시뮬레이션을 통한 장비 및 공정 특성 해석을 실시하였다.
본 연구에서는 플라스마 유체 시뮬레이션을 이용하여 이중 안테나 $N_{2}$/$NH_{3}$/$SiH_{4}$ 유도결합형 플라스마(Inductively
Coupled Plasma, ICP) 모델을 설계하였다. COMSOL Multiphysics 상용 유한요소 시뮬레이션 툴(7)을 사용하여 2차원 축대칭 플라스마 시뮬레이션의 모델링을 수행하였으며, 입력 파워는 총 1000W로 고정한 상태로 이중 안테나 각각의 인가 파워 비율
변화에 따른 플라스마의 특성 변화를 알아보았다. 시뮬레이션은 Poisson’s equation, Ampere’s law, 연속 방정식 등의 지배방정식을
통하여 구현되었으며, Navier-Stokes equation을 사용하여 챔버 내부 중성 종의 유동 특성을 고려하였다.
2. 시뮬레이션 구성 및 방법
그림. 1. $N_{2}$/$NH_{3}$/$SiH_{4}$ 유도결합형 플라스마 시뮬레이션 챔버 개략도 및 메시 형상
Fig. 1. Schematic diagram and meshes of $N_{2}$/$NH_{3}$/$SiH_{4}$ ICP
그림 1은 플라스마 시뮬레이션 모델에 사용된 챔버 개략도 및 설정된 메시(mesh) 형상을 나타낸다. 진공 챔버는 원통형으로 반경 300mm, 높이 200mm로
가정하였으며, 가운데 중심축을 기준으로 2차원 축 대칭 조건의 모델을 설정하였다. 실제 공정을 가정하여 챔버 하단에 반경 250mm, 높이 50mm를
가지는 wafer chuck을 위치시켰으며, 플라스마 챔버 상단에 위치한 유전체 윈도우의 두께는 20mm로 설정하였다. 2-turn 안테나를 이중으로
설치하여 각각의 코일에 독립 파워를 인가하였으며, 각각의 안테나를 챔버 중앙으로부터 50, 117, 184, 251mm 떨어진 곳에 67mm의 일정한
간격으로 위치시켰다. 챔버 중심축 근접 내측 및 외측 코일을 각각 2-turn으로 분리하여 RF power 분배를 실시하였으며, 인가 파워량의 총합은
1000W로 고정한 상태로 200:800, 300:700, 400:600, 500:500W 각각의 경우에 관한 해석을 진행하였다. $SiH_{4}$/$NH_{3}$/$N_{2}$
혼합 가스의 경우에는 10:10:80로 조성비를 고정한 형태로 그림1과 같이 유전체 윈도우 하단에서 100sccm 조건으로 주입하였다. 챔버 내부 압력은 50mTorr로 유지하는 조건에서 챔버 wafer chuck
하단을 통해 가스가 배출되도록 설정하였으며, RF 구동주파수는 13.56MHz를 사용하였다. 메시 형상은 안테나와 플라스마 영역을 조밀하게 형성하여
약 25,000개 요소(element)와 784개의 경계 영역(boundary)으로 구성하였다.
공정 가스 주입에 따른 중성 종의 유체 적 거동을 고려한 ICP 시뮬레이션 해석을 위해 전자 가열 및 유도 전류에 의한 전계 계산을 위한 Ampere’s
law, 플라스마 내의 전자 거동 해석을 위한 입자 보존 및 에너지 보존 방정식, 중성 입자와 이온에 대한 보존 방정식, 플라스마 전위를 계산을 위한
Poisson’s equation, 혼합 가스의 유체 유동에 관한 Navier-Stokes equation 등의 지배방정식이 사용되었다. 주파수 영역(frequency
domain)에서 안테나에 흐르는 전류 $J_{e}$는 non-magnetized 플라스마에서 다음과 같이 정의된다(6-8).
여기서 $\epsilon_{0}$는 진공의 유전율, $\epsilon_{r}$은 상대 유전율, $\mu_{0}$는 진공의 투자율, $\mu_{r}$은
상대 투자율, $\omega$는 각 주파수(angular frequency, 2πx13.56MHz), $\vec{A}$는 자기 벡터 포텐셜(magnetic
vector potential), $\sigma$는 전기 전도도이다. 안테나 코일을 통해 전파된 시변 자계는 유도 전계를 발생시키고, 플라스마 영역의
전자들은 유도 전류에 의해 가열되면서 전력 전달이 이루어진다.
유도 전계 $\vec{E}$는 자기 벡터 포텐셜에 의해 위와 같이 표현된다. 총 전류(total electric current, $A/m^{2}$)
$\vec{J}$는 유도 전류의 값에 의해 결정되며, 따라서 $\vec{J}$는 유도 전계에 의해 다음과 같이 나타난다.
플라스마 전기 전도도(plasma conductivity) $\sigma_{plasma}$는 위와 같이 정의된다. $q_{e}$는 전자 전하량, $m_{e}$는
전자 질량, $n_{e}$는 전자 밀도, $\nu_{en}$은 충돌 주파수(electron-neutral collision frequency for
momentum transfer)를 의미한다. 전자와 전자 에너지에 대한 보존 방정식은 drift-diffusion 근사식에 의해 다음과 같이 나타난다.
$R_{e}$는 전자의 생성, $R_{\varepsilon}$는 충돌에 의한 전자 에너지 변화량, $\vec{\Gamma_{e}}$와 $\vec{\Gamma_{\varepsilon}}$는
각각 전자와 전자 에너지의 Flux, $P_{dep}$는 플라스마 deposited power density, $-\vec{u}\nabla n_{e}$와
$-\vec{u}\nabla n_{\varepsilon}$는 대류(convection)에 의한 성분을 나타낸다. 전계와 확산에 의한 전자와 전자 에너지
플럭스는 다음과 같이 계산된다.
$\mu_{e}$는 전자 이동도(mobility), $\mu_{\varepsilon}$는 전자 에너지 이동도(mobility), $D_{e}$는 전자
확산 계수(diffusivity), $D_{\varepsilon}$는 전자 에너지 확산 계수를 나타낸다. 전자를 이외의 입자에 대한 보존 방정식은
다음과 같이 나타난다. $\mu_{e}$ 값은 BOLSIG+를 통하여 전자 에너지에 관한 함수 값으로 계산되었다. 해당 플럭스 계산에 요구되는 전계
$\vec{E}$ 및 전위 $V$ 는 Poisson 방정식으로부터 구해진다.
$\omega_{k}$는 $k$ 종에 대한 질량 분율, $\rho$는 혼합 가스 밀도, $\vec{u}$는 평균 속도, $R_{k}$는 $k$ 종의
반응 계수, $\vec{j_{k}}$는 $k$ 종에 대한 확산 선속 벡터(diffusive flux vector)를 의미한다. 플라스마 Wall에서의
전자와 전자 에너지에 대한 경계조건은 위의 식 (10)-(11) 같이 나타난다. $v_{eth}$는 열속도(thermal velocity), $\vec{n}$은 법선 벡터(normal vector)를 의미한다.
표면에서 여기 종 혹은 이온에 의한 챔버 벽면에서 2차 전자 방출은 고려되지 않았으며, 전자 밀도 계산에 사용된 경계 조건은 다음과 같이 설정되었다(7).
혼합 가스의 유동 해석을 위한 Navier-Stokes equation은 식 (16)와 같이 표현된다. $\nu$는 점성 계수(viscosity), $\vec{u}$는 혼합 가스 속도, $\vec{F}$는 단위 체적 당 외력, $p$는
압력을 의미한다. 기존 연구에서 (Cha et al(6)) 수행된 방식과 동일한 형태로 전자를 포함하여 표1과 같이 총 57종의 서로 다른 화학종이 플라스마 유체 시뮬레이션 수행에 이용되었으며, 총 195개의 화학 반응식 및 총 16가지의 표면 반응식을
이용하여 시뮬레이션 해석을 수행하였다.
표 1. ICP 유체 시뮬레이션에 사용된 화학종
Table 1. Overview of plasma species used in $SiH_{4}$/$NH_{3}$/$N_{2}$ ICP simulation
|
전자 및 이온
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중성종
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여기종
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e, N+, $N_{2}$+,$N_{3}$+, $N_{4}$+, H+, $H_{2}$+, $H_{3}$+
NH+,$NH_{2}$+, $NH_{3}$+,$NH_{4}$+
Si+, SiH+, $SiH_{2}$+, $SiH_{3}$+
$Si_{2}$$H_{2}$+, $Si_{2}$$H_{4}$+
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N(4S), $N_{2}$(X1), H, $H_{2}$, NH, $NH_{2}$, $NH_{3}$, NNH, $N_{2}$$H_{2}$, Si, SiH,
$SiH_{2}$, $SiH_{3}$, $SiH_{4}$, $Si_{2}$$H_{2}$, $Si_{2}$$H_{4}$, $Si_{2}$$H_{5}$,
$Si_{2}$$H_{6}$, $Si_{3}$$H_{7}$, $Si_{3}$$H_{8}$, $Si_{4}$$H_{9}$, $Si_{4}$$H_{10}$,
$Si_{5}$$H_{11}$, $Si_{5}$$H_{12}$, Si($NH_{2}$)$_{3}$, Si($NH_{2}$)$_{4}$, SiH($NH_{2}$)$_{2}$,
SiH($NH_{2}$)$_{3}$, $SiH_{2}$$NH_{2}$, $SiH_{2}$($NH_{2}$)$_{2}$, $SiH_{3}$$NH_{2}$
|
N(2D), N(2P)
$N_{2}$(A3), $N_{2}$(B3g), $N_{2}$(w1)
$N_{2}$(a1g), $N_{2}$(w1), $N_{2}$(C3u)
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3. 시뮬레이션 결과 및 고찰
3.1 이중 안테나 전력 분배에 따른 전자 거동
그림 2,5,6은 이중 안테나 전력 분배에 따른 전자 밀도, 전자온도 및 플라스마 전위의 공간 분포도 변화를 나타낸다. $SiH_{4}$/$NH_{3}$/$N_{2}$
10:10:80의 조성비를 가지는 50mTorr 압력 조건에서 인가 파워는 총합 1000W로 고정하였다. 이중 안테나 전력 분배 비율에 따라 내측:외측
안테나(각각 two turn)의 인가 파워의 비율을 200:800, 300:700, 400:600, 500:500W로 설정하였다. 이중 안테나(dual
antenna) 상 전력 분배 비율에 따른 특성 변화를 효과적으로 검증하기 위하여 기존 단일 코일 안테나 형태(4-turn, 1000W)에서 발생하는
ICP 장비 특성을 기반으로 각각의 결과에 대한 비교 및 분석을 수행하였다.
플라스마 공정상 압력 증가(50mTorr)로 중성 입자의 수가 늘어나면 전자 및 중성 기체 사이의 충돌 횟수가 증가하며, 중성 입자의 이온화 비율이
상승한다. 이에 따라 평균 전자 밀도는 상승하며 전자온도는 감소하는 특징이 나타난다. 압력 증가에 따른 중성 입자 수 증가 및 전자 충돌 주파수의
증가는 이온화에 직접적으로 관여하는 전자의 행정 거리를 감소시키며, 챔버 내부 공간상 전자 분포는 전자 heating 영역 근처로 국부화 현상이 나타난다.
압력 증가와 동시에 다양한 화학 반응을 일으키는 분자성 공정 가스의 사용은 전자 이동도 감소 및 전자 확산 감소 현상 발생의 원인으로 작용하며, 전자
밀도가 최대가 되는 지점이 안테나 근접 영역으로 이동하는 현상을 야기한다(8).
그림. 2. 이중 안테나 전력 분배에 따른 전자 밀도 분포
Fig. 2. Electron density distribution according to different power distribution of
dual antenna system
그림. 3. 입력 파워 1000W 단일 안테나에서 자기 선속 분포
Fig. 3. Magnetic flux distribution of single power driven source
그림 2에는 단일 안테나 및 이중 안테나 전력 분배에 따른 전자 밀도분포가 나타난다. 입력 파워 1000W의 단일 안테나 소스에서 전자 밀도 최대값의 위치는
챔버 중앙으로부터 2번째(117mm) 및 3번째(184mm)에 위치한 각 코일의 중앙부에 형성된다.
그림. 4. 단일 안테나 구조에서 전자 가열 메커니즘
Fig. 4. Electron heating mechanism of single power driven source
그림. 5. 이중 안테나 전력 분배에 따른 전자온도 분포
Fig. 5. Electron temperature distribution according to different power distribution
of dual antenna system
이때 전자 밀도 분포는 M-shape을 형태를 보이며 공간상 전자 밀도 분포의 균일도 저하가 발생한다. 단일 안테나 구조에서 자기 선속 분포도는 그림3과 같이 나타난다. 그림 4는 단일 안테나 구조에서 전자 가열 메커니즘을 나타낸 그림이다. 유전체 상부 안테나에서 의해 형성된 시변 자기장은 플라스마 내 유도 전계를 형성한다.
식(1)을 사용한 안테나 코일의 위치에 따른 플라스마 챔버 내부에서의 전계 분포는 그림4(a)와 같이 나타난다. skin-depth 내부 전자 거동 특성으로 계산된 식(4)의 플라스마 전기 전도도를 이용하면, 그림4(b)와 같이 전류밀도 분포 값을 계산할 수 있다. 그림4(a), (b) 사용하여 플라스마 deposit power를 구하면 그림4(c)에 해당하는 $1/2Re(\vec{J}\bullet\vec{E})$ 값이 나온다. 이는 플라스마에서 흡수하는 전자계 방사 에너지양을 의미하며, volumetric
loss density[W/m3]에 관한 값으로 표현할 수 있다.
그림. 6. 이중 안테나 전력 분배에 따른 플라스마 전위 분포
Fig. 6. Plasma potential according to different power distribution of dual antenna
system
그림. 7. 이중 안테나 전력 분배에 따른 전자 밀도 균일도 개선
Fig. 7. Improvement of electron density uniformity by dual antenna system
해당 분포는 그림5의 단일 안테나에 의한 전자온도 분포에 영향을 끼치는데, 해당 원리를 이중 안테나 제어에 적용하면 안테나 전류 독립제어에 따른 공간에서 전자온도 분포
변화를 설명할 수 있다.
단일 안테나 소스에서 그림 5와 같이 전자온도 분포 또한 동일 현상을 보인다. 이때 최대 전자온도 발생 영역이 3번째(184mm) 코일 하단에 위치하며 자기 선속 크기 최대 지점과
일치함을 보인다. 전자온도 분포 대비, 전자 밀도 분포의 최대 지점은 전자 확산을 통하여 다소 중앙 지역으로 이동하여 형성됨을 확인할 수 있다.
50mTorr 압력에서 이중 안테나의 개별 인가 전력량 변화에 따른 전자 거동 특성 변화를 관찰하였다. 독립 전원을 통한 개별 안테나 코일에 인가되는
전류 크기를 조절하면 안테나 부근에서 발생하는 공간상 전자 가열 위치 제어가 가능하다. 그림 5와 같이 ‘내측 안테나 인가파워/외측 안테나 인가파워’ 의 크기를 증가시키면 최대 전자온도 발생 영역이 챔버의 외측에서 중앙 코일 부근으로 이동한다.
그림 2와 그림 6의 전자 밀도 및 플라스마 전위 크기 최대 발생 영역 또한 동일한 경향성을 보인다. 그림 7과 같이 챔버 내부 최대 전자 밀도 발생 영역인 높이 150mm 지점에서 안테나 전력 분배에 따른 균일도 변화를 관찰하였다. 전자 밀도의 분포에 관한
균일도 비교를 위하여 불균일도를 나타내는 식 (17)을 사용하여 분석하였다. 300mm wafer 공정 기준으로 radial position에 따라 -150mm~150mm 영역에서 불균일도를 계산하였다.
각각의 경우에서 불균일도 특성은, single 1000W-27%, dual 200:800W- 39.6%, 300:700W-28.1%, 400:600W-
21.4%, 500:500W-16.7%와 같이 나타났다. 이중 안테나 제어 및 내측 파워 인가 비율 증가에 따라 챔버 내부 전자 밀도분포의 균일도
개선이 가능함을 확인하였다.
그림. 8. 이중 안테나 전력 분배에 따른 $SiH_{3}$ 라디칼 분포
Fig. 8. Distribution of $SiH_{3}$ according to different power distribution of dual
antenna system
3.2 이중 안테나 전력 분배에 따른 $SiH_{x}$ 및 $NH_{x}$ 라디칼 거동 특성
$SiN_{x}$:H 박막 증착 공정의 효율 증대를 위하여 실험 및 시뮬레이션 연구들이 활발히 진행되고 있다. 해당 연구를 통하여 bulk plasma에서
생성된 $SiH_{x}$, $NH_{x}$ 화학종이 박막 성장에 관여하는 주요 precursor로 작용함이 알려졌다. $SiN_{x}$:H 박막 증착
공정의 효율 최대화를 위해서는 박막 성장을 유도하는 해당 화학종의 거동 특성에 관한 연구가 필수이다. 이를 위하여 50mTorr ICP 장비에서 이중
안테나 전력 분배에 따른 $SiH_{x}$ 및 $NH_{x}$ 라디칼 거동 특성을 비교 분석하였다.
그림8-10은 이중 안테나 전력 분배에 따른 $SiH_{3}$, $SiH_{2}$, SiH 라디칼 분포 특성을 나타낸다. $SiH_{3}$와 $SiH_{2}$는
$SiH_{4}$와 전자 간의 충돌로 발생하는 것이 지배적이며 반응식으로 다음과 같다. $SiH_{4}$ 전자 충돌 반응을 통해 생성되는 $SiH_{3}$와
$SiH_{2}$ 비율은 대략 18:82 정도로 나타난다. 플라스마 내에서 그림 8의 $SiH_{3}$ 대비 그림 9의 $SiH_{2}$ 입자 수가 월등히 많음을 확인할 수 있다. $SiH_{2}$는 $SiH_{3}$ 대비, 표면 반응성이 큰 특성으로 인하여 그림 9와 같이 벽면 손실로 인한 챔버 벽면 부근에서 밀도분포가 낮게 나타난다.
e+$SiH_{4}$ → H+$SiH_{3}$ (≒ 18%)
e+$SiH_{4}$ → 2H+$SiH_{2}$ (≒ 82%)
그림. 9. 이중 안테나 전력 분배에 따른 $SiH_{2}$ 라디칼 분포
Fig. 9. Distribution of $SiH_{2}$ according to different power distribution of dual
antenna system
SiH는 $SiH_{4}$의 전자 충돌로 해리되어 생성되는 양이 매우 적으며, 주로 $SiH_{2}$+ charge recombination($SiH_{2}$++e→SiH+H)
반응으로 생성된다. 그림9와 같이 SiH는 $SiH_{2}$와 $SiH_{3}$에 비교하여 상대적으로 밀도 수가 낮음을 보인다. $SiH_{x}$ 밀도분포는 전자의 밀도분포에
의존하며, 50mTorr 공정압력 조건에서 전자의 밀도분포를 따라 최대 밀도 발생 지점이 안테나 아래 부근에서 나타난다. 그림8에서 $SiH_{3}$ 중성 기체의 경우 챔버 중앙부에서 밀도가 낮게 나타나는데, 챔버 중앙부에서 다른 중성 기체와의 활발한 반응으로 Amino-silane과
같은 화학종 형성에 기여하기 때문이다(6).
그림. 10. 이중 안테나 전력 분배에 따른 SiH 라디칼 분포
Fig. 10. Distribution of SiH according to different power distribution of dual antenna
system
그림. 11. 이중 안테나 전력 분배에 따른 $NH_{2}$ 라디칼 분포
Fig. 11. Distribution of $NH_{2}$ according to different power distribution of dual
antenna system
그림. 12. 이중 안테나 전력 분배에 따른 NH 라디칼 분포
Fig. 12. Distribution of NH according to different power distribution of dual antenna
system
그림 11-12은 안테나 전력 분배에 따른 $NH_{2}$, NH 라디칼 분포 특성을 나타낸다. $NH_{2}$와 NH는 주로 $NH_{3}$의 전자 충돌 반응으로
해리되어 생성된다. $NH_{2}$와 NH는 표면 반응성이 떨어지기 때문에 챔버 벽면에서의 손실 비율이 낮다. $SiH_{x}$의 밀도분포와 동일하게
$NH_{x}$ 또한 밀도분포는 공간상 전자 밀도분포에 의존한다. $NH_{2}$ 대비 NH 생성에 필요한 해리 반응의 threshold voltage가
더 높으므로, 압력이 높고 전자온도가 낮은 상태에서는 $NH_{2}$ 밀도가 높게 나타난다. $SiH_{x}$와 동일하게 Amino-silane 화학종
형성에 관여하므로, 챔버 중앙 쪽 밀도는 낮게 나타난다.
4. 결 론
본 논문에서는 상용 유한요소 시뮬레이션 툴을 이용하여 이중 안테나 $N_{2}$/$NH_{3}$/$SiH_{4}$ 유도결합형 플라스마 모델을 설계하고
안테나 전력 분배에 따른 전자, $SiH_{x}$ 및 $NH_{x}$ 라디칼 거동 특성 변화를 분석하였다. $SiH_{4}$/$NH_{3}$/$N_{2}$
10:10:80의 조성비를 가지는 50mTorr 압력 조건에서 중성 입자 수 증가 및 분자성 공정 가스의 사용은 전자 이동도 감소 및 전자 확산 감소
현상 발생의 원인으로 작용하며, 전자 거동이 안테나 근접 영역으로 국부화 되는 경향을 확인하였다. 해당 문제 개선 및 $SiH_{4}$/$NH_{3}$/$N_{2}$
ICP 공정 균일도 향상을 목적으로, 독립 파워 인가 방식의 이중 안테나를 제시하고 균일도 개선 가능성을 검토하였다. 내측 코일 대비 외측 코일 인가파워
비율을 500:500W로 설정하였을 경우 불균일도가 16.7%로 감소함을 보였다. 해당 내용을 바탕으로 공간상 전자 분포에 의존하는 $SiN_{x}$:H
박막 증착의 주요 precursor인 $SiH_{x}$ 및 $NH_{x}$ 종의 공간 분포 균일도 또한 개선 가능성을 시뮬레이션을 이용하여 확인하였다.
Acknowledgements
This research was supported by the KERI Primary research program of MSIT/NST (No.
22A01001)
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저자소개
Ju-Hong Cha received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electrical engineering from
Pusan National University, Busan, South Korea.
Since 2021, he has been a Senior Researcher with the Korea Electrotechnology Research
Institute, Changwon, Republic of Korea.
His research interests include plasma source science and technology.