1. 서 론

메모리 반도체의 집적도 향상은 디램에서 게이트 옥사이드나 커패시터의 절연막 두께 축소와 낸드에서 수직 방향으로 얇은 박막을 적층하는 3D Cell Stacking을 의미한다. 기존의 CVD(Chemical Vapor Deposition)나 PVD(Physical Vapor Deposition) 등의 증착 방법은 집적도를 높이기 위해 나노 단위로 박막의 두께를 얇게 하는 데 한계가 있다. 하지만 ALD(Atomic Layer Deposition)는 자기 제한적 표면화학 반응을 이용하여 흡착과 치환, 생성의 사이클 과정으로 원자층 단위로 얇은 두께의 박막을 제어할 수 있어서 최근 선호되고 있는 기법이다. ALD 공정은 전구체에 따라서 공정이 발생할 수 있는 온도 범위가 존재하는데 이를 ALD 온도의 창(ALD Temperature Window)이라고 한다. 증착에 관여하는 전구체는 일반적으로 기판 온도가 40 ~ 350 ℃의 범위에서 증착이 일어나게 된다^(1-3).

Logic에서의 핀펫이 GAA(Gate-All-Around)FET으로 구조가 변화됨에 따라 낸드 기반의 식각 공정에서 고 선택비가 요구되고 있다. 산화막/질화막 스택(ON Stacks)을 겹겹이 쌓은 것을 뚫는 플러그 공정에서 선택비, 표면 거칠기 등으로 인해 불균일하게 식각이 될 수 있다^(4-6). 이에 따라 깊이가 깊을수록 일정한 크기로 플러그 공정을 진행하는 것이 어렵고, 내부에 균일한 회로 선폭을 형성하기 어려움이 있다. 이렇듯 식각 변동성에 대해서 세밀한 제어를 위해서 ALE(Atomic Layer Etching) 기술이 주목받고 있다. ALE는 ALD와 유사하게 자기 제한 특성을 이용하여 흡착과 탈착, 제거 사이클을 통해서 물질의 얇은 층을 식각하게 된다^(7,8). ALE 공정의 화학 반응은 필름의 재료에 따라 달라지는데 대체로 유전체 필름의 경우 불소 계열이 사용되고, 실리콘 및 금속 필름에서는 염소 계열이 사용된다. Thermal ALE 공정은 상온에서 흡착 반응이 일어나고, 고온 환경에서 탈착 반응이 일어나는 것을 이용하여 박막을 식각한다. 이때 온도 조건에 따라서 상당한 식각률에 차이가 발생한다^(9-13).

이렇듯 원자층 공정 기술에서 온도의 의존성이 높아짐에 따라 히터는 공정 장비에서 큰 역할을 담당하고 있다. 기존의 공정 장비에서는 기판을 가열하는 매립형 히터에 의한 간접적 가열 방식을 이용하고 있다^(14,15). 공정용 히터 설계에 있어서 열전달 및 온도 균일성, 열이력은 중요한 요소이다. 특히, 공정 속도와 낮은 온도에서의 반응성을 높이기 위해 플라즈마 환경에서 원자층 공정 기술인 PEALD, PEALE에서 히터는 내플라즈마 특성까지 고려하여야 한다.

표면 흡수 및 열 확산에 의한 간접적 가열 방식은 가열과 쿨링 과정이 빠르게 반복되는 원자층 공정에 대한 시간 단축에 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 이중 슬롯 안테나 구조의 마이크로웨이브 히터를 이용하여 웨이퍼에 직접적 가열을 통해 공정에 대한 시간 단축 및 넓은 면적에 균일한 온도 분포 결과 도출을 목적으로 연구를 진행하였다. 마이크로웨이브는 적절한 유전율 또는 저항률을 가진 물질에 선택적으로 흡수되는 이점이 있고, 마이크로웨이브를 이용하여 웨이퍼를 빠르게 열적인 공정 처리하기 위한 선행 연구가 진행된 바가 있다^(16,17). 본 연구에 사용된 히터 장비는 캐비티 모드 특성 변화를 이용하기 위해 챔버의 높이 조절이 가능하도록 설계하였다. 각 높이에 따라 온도 분포를 변화를 확인하고, 균일한 온도 분포 결과 도출하기 위해서 시뮬레이션 및 실험하였다.

2. Title

2.1 시뮬레이션 조건 및 구성

그림. 1. 시뮬레이션에 사용된 Double-slot Antenna 구조의 MW Heating System 개략도

Fig. 1. Schematic diagram of the MW Heating System of the Double-slot Antenna structure used in the simulation

그림 1의 이중 슬롯 안테나 구조의 마이크로웨이브 가열 시스템을 이용하여 전자기적 가열 시뮬레이션을 진행하였다. 두께가 0.7 mm인 12인치 실리콘 웨이퍼를 가열하기 위해서 챔버 직경은 500 mm, 웨이퍼 척은 직경 340 mm으로 설계하였다. 안테나는 이중 슬롯 안테나를 적용하였으며, 실험을 고려하여 슬롯의 크기는 아크가 생기지 않도록 4.3 mm*50 mm로 충분한 너비를 두었다. 슬롯 간의 간격은 30 mm이며, 전파 특성을 고려하여 도파관 벽면에 가까이 위치하였다. 윈도우는 WR340 도파관을 포함할 수 있도록 직경 120 mm, 두께는 18.2 mm로 설정하였다. 임피던스 정합을 고려하기 위하여 3-스텁 튜너를 구현하였으며, 각 스텁의 길이를 변수로 지정하여 임피던스 정합하였다. 도파관과 상판은 표면 전류를 고려하여 전도성이 높은 알루미늄으로 선택하였으며, 윈도우는 쿼츠를 사용하였다.

시뮬레이션 조건은 이상적인 기체를 가정하며, 압력은 상압(760 Torr) 조건에서 챔버 몸체와 윈도우(쿼츠)에 대한 손실은 고려하지 않았다. 2.45 GHz 마이크로웨이브는 TE10 모드로 WR340(86.36 mm*43.18 mm) 도파관을 통해서 전파한다. 그리고 이중 슬롯 안테나를 거쳐서 유전체(쿼츠)를 통하여 캐비티 모드에 따라 웨이퍼의 온도 분포를 형성한다. 쿼츠와 맞닿는 안테나 면은 Perfect Electric Conductor(PEC)를 가정하였다. 다음 식을 이용하여 웨이퍼 온도 해석을 진행하였다⁽¹⁸⁾.

(1)

$Q_{e}=Q_{rh}+Q_{ml}$

(2)

$Q_{rh}=\dfrac{1}{2}Re(J\bullet E^{*})$

(3)

$Q_{ml}=\dfrac{1}{2}Re(jw B\bullet H^{*})$

$Q_{e}$는 Electromagnetic losses, $Q_{rh}$는 Resistive losses Heating이며, $Q_{ml}$은 Magnetic losses Heating이다. 마이크로웨이브 시스템의 $Q_{rh}$에서 Total Current Density($J$)는 식(5)와 같이 Conduction Current Density($J_{C}$)와 Displacement Current Density($J_{D}$)의 합으로 나타난다.

(4)

$J=J_{C}+J_{D}=\sigma E+jw\epsilon E$

웨이퍼를 가열했을 때 줄 히팅의 영향이 주도적이며, 도핑 정도에 따라서 전도성이 달라지기 때문에 시뮬레이션 결과에서 온도가 달라진다. 해당 시뮬레이션에서는 웨이퍼의 도핑 농도를 고려하지 않고 웨이퍼 전도율을 10 S/m으로 가정하였다. 캐비티 모드에서 공진 주파수 $f_{nml}$는 식(5)를 따르며, TE 모드에서 $E_{z}=0$이고, $H_{z}$는 식(6)과 같다. TM 모드에서 $H_{z}=0$이며, $E_{z}$는 식(7)이 된다^(19,20).

(5)

$f_{nml}=c[(\dfrac{p_{nm}}{D\pi})^{2}+(\dfrac{l}{2h})^{2}]^{1/2}$

(6)

$H_{z}=H_{0}J_{n}(\dfrac{\alpha'_{nm}\rho}{a})\cos(n\phi)\sin(\dfrac{l\pi z}{h})$

(7)

$E_{z}=E_{0}J_{n}(\dfrac{\alpha_{nm}\rho}{a})\cos(n\phi)\cos(\dfrac{l\pi z}{h})$

$l\ge 1$일 때 높이 h를 변수로 하여 값을 변화하게 되면 캐비티 내에서 $E_{z}$, $H_{z}$의 분포가 달라지는 것을 이용하여 온도 분포 제어하였고, 10초 동안 전력을 인가하여 웨이퍼가 1 kW을 흡수하였을 때 온도 분포 결과를 비교하였다.

2.2 시뮬레이션 결과

그림 2(a) ~ (d)는 12인치 웨이퍼 뒷면의 온도 분포이며, (a) ~ (c)는 챔버의 높이를 10 ~ 11 mm 늘렸을 때 캐비티 모드 변화에 따라 온도 분포가 달라지는 것을 확인하였다. (a)에서는 웨이퍼 중심에 높은 온도가 집중되며, 등방적으로 온도가 감소하는 것을 확인하였다. (b), (c)는 좌우 또는 상하 외각 지점에 높은 온도가 집중되었다. 각 결과에서 상하좌우로 대칭성을 띠며, 높이 변화에 따른 온도 분포는 캐비티 모드에 의존하기 때문에 불규칙하게 변화하는 것을 알 수 있다. (d)는 시뮬레이션 결과에서 비교적 균일한 온도 분포를 가지는 결과를 나타내었다.

그림. 2. 각각의 높이에서의 온도 분포 비교

Fig. 2. Comparison of temperature distributions at each height

그림. 3. 챔버의 높이에 따른 E-field 분포 비교

Fig. 3. Comparison of E-field distributions according to chamber height

그림 3(a) ~ (d)는 웨이퍼 뒷면의 E field 분포를 나타내었다. 도파관에서 $TE_{10}$ 모드로 전파된 마이크로웨이브는 쿼츠와 맞닿는 안테나 면에서 경계조건에 의해 식(8)을 만족한다.

(8)

$E_{\Vert}=0,\: B_{\bot}=0(PEC)$

경계면에 접하는 방향의 E field는 0이 되며, 면에 수직 방향의 B field도 0이 된다. 슬롯에서 방사된 의 E, B field는 연속성을 만족하기 위해서 경계면에서 E field는 수직 방향으로, B field는 접하는 방향으로 형성된다. 그리고 캐비티에서 Metal Boundary에 의해 E field는 수직 방향으로 형성되며, 웨이퍼 표면에 $E_{z}$에 의한 field 분포 영향이 가장 큰 것으로 확인하였다.

그림. 4. 챔버의 높이에 따른 H-field 분포 비교

Fig. 4. Comparison of H-field distributions according to chamber height

그림 4(a) ~ (d)는 웨이퍼 뒷면의 H field 분포를 나타내었다. 챔버의 높이 h의 변화에 캐비티 모드가 전환되면서 H field 분포가 달라지는 것을 확인하였다. 그림 2의 온도 분포와 H field 분포를 비교했을 때 분포가 유사하였다. 마이크로웨이브 가열은 E field에 의한 줄 가열의 영향이 주도적이기 때문에 웨이퍼 면에 존재하는 H field로부터 유도된 E field에 의해 웨이퍼의 온도 분포를 결정하게 된다.

2.3 실험 구성 및 방법

그림. 5. 마이크로웨이브 가열 시스템의 과정에 관한 모식도 (a) 및 마이크로웨이브 가열 시스템의 구성 (b)

Fig. 5. Schematic diagram of the process of the MW Heating System (a) and Composition of the MW Heating System (b)

그림 5-(a)는 마이크로웨이브 가열 시스템에서 마이크로웨이브의 전파 및 가열 과정에 관한 모식도를 나타내었다. 컨트롤러 및 마이크로웨이브 전원에서 공급된 전력은 마그네트론 헤드에서 2.45 GHz의 마이크로웨이브를 생성한다. 생성된 마이크로웨이브는 도파관을 통해서 전파되어 부하(웨이퍼)에 전달되는데 전원와 부하 사이에 존재하는 임피던스에 의해 반사파로 인한 손실이 생기는데 이를 오토 매처를 통해서 50 Ω으로 임피던스 정합하여 손실을 최소화한다. 진행 및 반사파 커플러를 통해서 매칭 여부를 확인할 수 있으며, 반사파로 인한 마그네트론 헤드를 보호하기 위해서 아이솔레이터(더미 부하)로 반사파를 전달하여 열로 소모되게 하였다. 그림 5-(b)는 실험에 사용된 마이크로웨이브 가열 시스템의 실험 장치이다.

그림. 6. 300 mm 웨이퍼의 후면에 온도 라벨 테이프를 붙였을 때의 모습 (a) 및 챔버 내 척에 웨이퍼 로딩 (b)

Fig. 6. The appearance when the temperature label tape is adhered to the back side of 300 mm wafer (a) and Loading the wafer into the chuck in the chamber (b)

그림 6-(a)는 마이크로웨이브 가열 이후 온도 분포를 확인하기 위해서 300 mm 실리콘 웨이퍼에 온도 라벨 테이프를 부착한 모습이다. 온도 라벨 테이프는 마이크로웨이브로 인한 직접적인 가열에 대한 여지를 없애고자 웨이퍼 후면에 부착하여 실험을 진행하였다. 각 온도 라벨 테이프는 시뮬레이션 결과를 참고하여 온도 범위에 맞는 테이프를 부착하였다. 그림 6-(b)는 웨이퍼를 척 위에 올려둔 상태로 테이프가 부착된 면이 이중 슬롯 안테나를 등지도록 위치하였다. 기판을 조절하여 앞선 시뮬레이션 조건에서 제시된 높이 h로 챔버 높이를 맞추고, 1 kW 10 s 동안 가열을 진행 후 웨이퍼에 부착된 테이프의 반응을 확인하였다. 그리고 도출된 결과를 정리하여 온도 분포 맵으로 나타내었다.

2.4 실험 결과

그림. 7. 챔버의 높이에 따른 실험 결과에서 도출된 온도 분포

Fig. 7. Temperature distribution derived from experimental results according to the height of the chamber

표 1. 시뮬레이션 및 실험 결과에서 세 영역의 오차율

Table 1. Error rates for three domains in simulation and experimental results

	상, 하	좌, 우	중심
(a)	6.21 %	5.78 %	12.79 %
(b)	2.26 %	2.66 %	2.75 %
(c)	1.2 %	7.08 %	1.82 %

실험 결과로 도출된 온도 분포를 그림 7(a)~(d)에 나타내었다. 온도 분포 맵에 표현된 점은 온도가 반영된 지점이며, 21~57개의 지점을 나타내었다. 시뮬레이션 결과와 일치하는 실험 조건에서 챔버 높이는 2~4 mm의 오차가 있었다. 온도 라벨 테이프로 측정했을 때 최대 온도는 30~80 K, 최소 온도는 1~40 K의 오차가 존재하였다. 이중 슬롯 안테나 구조에서 마이크로웨이브는 대칭성을 가지기 때문에 시뮬레이션 및 실험을 통해 도출된 온도 분포를 상, 하/ 좌, 우/ 중심 세 영역으로 나누었다. 그림 2(a)~(c), 그림 7(a)~(c)의 각 영역에서 시뮬레이션과 실험 평균 온도에 대한 오차율을 계산하여 도표 1에 나타내었다. 시뮬레이션에서는 이상적인 조건을 고려하였기 때문에 손실이 존재하는 실험보다 온도가 높게 나오며, 시뮬레이션과 실험의 온도 분포는 유사한 경향을 보였다. 그림 (d)를 통해서 실제 챔버 높이 132mm에서 가장 균일한 온도 분포가 도출됨을 확인하였다.

3. 결 론

본 연구에서는 $l\ge 1$을 가지는 캐비티 모드 조건에서 높이 h를 변수로 하여 E, H field의 분포가 달라지는 것을 이용하여 온도 분포 제어하였다. $TE_{10}$ 모드로 전파된 마이크로웨이브는 PEC 및 Metal Boundary Condition을 따르며, 캐비티 모드에 따라 Field가 분포된다. 높이 h 변화로 E field 분포에 큰 변화는 없었다. 하지만, H filed 분포에 뚜렷한 변화가 나타났으며, H filed와 커플링 된 수평 방향의 E field에 의해 온도 분포가 결정됨을 확인하였다. 시뮬레이션과 실험 결과를 비교하였을 때 온도 분포가 유사한 경향성을 나타내었다. 온도 라벨 테이프를 이용하여 온도 분포는 확인할 수 있으나, 각 영역에서 온도에 대한 오차가 존재하였다. 마이크로웨이브 가열 시스템에서 챔버 높이 h를 조절하였을 때 웨이퍼의 온도 분포를 균일하게 개선할 수 있으며, 본 시스템에서 챔버 높이가 132 mm일 때 가장 균일한 온도 분포가 나타났다. 해당 온도 분포에서 턴테이블 방식을 채용했을 때 더욱 균일한 온도 분포를 기대할 수 있다.