그리드전압을 이용한 전자온도제어 및 $CF_4/Ar$ 플라즈마에의 응용에 관한 연구

Abstract

유도결합 아르곤 플라즈마에서 그리드전압을 이용해 전자온도를 제어하는 메카니즘이 실험적으로 연구되고 그와 관련된 물리가 논의 된다. 또한 반도체 산화막 식각공정에서 산화막대 실리콘 선택비를 증진하기위해 이것을 $CF_4/Ar$ 플라즈마에 적용한 결과가 연구된다. 스테인레스 스틸 그리드는 유도결합 플라즈마에서 플라즈마영역을 소스영역과 확신영역으로 나누어준다. 이 그리드에는 +20 V에서 -30 V까지 직류 전압이 인가된다. 그리드전압이 변함에 따라 양쪽 영역에서 고주파 보상탐침을 이용해 전자온도, 전자밀도와 플라즈마전위 및 전자에너지 분포함수들이 측정된다. 전자에너지 분포 함수들은 이차미분 방법으로 측정된다. 그리드전압이 감소함에 따라 효과적 전자온도는 2.0 eV에서 0.6 eV까지 제어되고, 이때 확산영역에서 전자밀도는 $3×10^{10}cm{-3}$에서 $2×10^{10}cm{-3}$으로 변화되는 반면, 소스영역에서 효과적 전자온도와 밀도는 변하지 않는다. 전자온도 냉각 메카니즘을 이해하기위해 각 영역에서 인가된 전압, 그리드 사이즈, 고주파 파워, 와 아르곤 압력에 따른 전자밀도, 전자온도, 플라즈마전위 등과 같은 플라즈마변수들의 의존성이 측정된다. 전자온도를 제어히는 메카니즘을 설명하기 위해 간단한 모델이 제안되며, 이 모델을 통해 이론적인 계산이 시도된다. 이 모델은 세개의 과정으로 구성된다: 소스영역과 확산용역의 경계를 지나는 전자들의 여과 과정(운동에너지가 그리드와 소스영역의 플라즈마전위 간의 포텐셜차 보다 운동에너지가 높은 전자들만 통과할 수 있다.), 면적변조 과정(그리드와 소스영역의 플라즈마 간의 포텐차에 의해 면적비 계수는 변한다.), 그리고 이온화에 의한 고 에너지 전자그룹에 대한 냉각과정. 측정된 물리양들 간의 함수적인 관계는 전하중성 조건과 총체적인 입자들 및 에너지의 평형 관계식에 따라 잘 설명된다. 끝으로, 전자온도를 제어할 수 있는 이 그리드 방법을 $CF_4/Ar$ 플라즈마에 적용한 것이 실험적으로 연구된다. 확산영역에서 $CF^+_x$ 이온들은 사중 질량 분석기(QMS)를 이용하여 측정된다. 그리드전압이 감소함에 따라 $CF_2^+$와 $CF^+$의 $CF_3^+$에 대한 각각의 비는 감소한다. 이 결과는 $CF_4$분자의 해리 이온화 율의 감소 및 산하막대 실리콘의 선택비를 제어하는 주요 인자인 플로우린에 대한 탄소의 비의 감소를 의미한다. 그러므로 이 그리드 방법으로 반도체 디바이스의 산화막 식각공정에서 산화막대 실리콘의 선택비를 증가시킬 수 있다.