현재 플라스마 식각 공정은 이전보다 더 고선택비(high selectivity), 비등방성 에칭(anisotropic etch), 보다더 엄격한 CD(Critical Dimension) 제어를 요구하고 있다.
Pulsed RF (Radio Frequency) plasma는 기존의 CW(Continuous Wave) RF plasma 에 비해 이러한 제어에 있어 큰 이점을 가지고 있다. 그렇기에 최근에는 식각 과정에서 굉장히 광범위하게 사용되고 있다.
종래에 활용되던 CW(continuous wave) RF는 항상 일정한 진폭을 갖는 RF 전압이 플라즈마에 인가되는 방식이다. 이에 반해 Pulsed RF Plasma는 State의 변화, 즉 high-state와 low (혹은 zero)-state를 가지게 된다.
이는 Pulse-On, Pulse-Off로 표현하기도 한다. 이에 따라 pulsed plasma에서는 pulse frequency와 duty cycle(DC)이라는 개념을 도입하게 된다.
Pulse frequency는 high-state와 low-state가 변하는 전체 파형의 진동수(주기의 역수, f=1/T)를 의미하며 duty cycle은 pulse frequency에서 high-state의 비중을 의미한다. DC의 비중이 높아질수록 CW와의 차이가 없어지기 때문에, 최근에는 효율적인 활용을 위해 DC를 낮추는 추세에 있다.
-------------------------------
Pulsed plasma의 경우 주파수와 DC를 통해 다양한 변형이 가능한 것이 특징이다. 이 변형은 크게 3가지로 분류할 수 있으며, 3가지 분류를 설명하기 전에 source RF와 bias RF에 대해 이해해야 한다. Source RF는 플라즈마를 발생시키며, bias RF는 이온들을 가속시키는데 활용된다. 이를 활용한 조합은 아래와 같다.
특히 이중 synchronous pulsing의 경우 다양한 방식으로 운영이 가능하다. 예를 들어 두 개의 RF power를 동시에 키는 방법, phase shift를 주는 방법, 두 power의 주파수는 동일하지만 DC에 차이를 주는 방법 등이 있다.
Pulsed plasma가 CW와 다른 점은 plasma가 off되어 있는 상태를 활용하는 점에 있어 큰 특성이 나타난다. Pulsed plasma가 on인 상태에서는 CW와 마찬가지로 높은 이온 에너지가 발생되고, 이를 통해 웨이퍼 내에서 식각을 진행하게 된다. 하지만 Off 상태에서는 발생되었던 plasma sheath가 사라지면서 전자들이 냉각이 되고 전자와 양이온의 밀도가 감소하는 현상이 발생한다. 이는 종래의 CW와 비교했을 때 두 가지 장점을 가진다.
첫째는 더 나은 식각 형상 (etch profile)을 갖는 식각을 얻을 수 있다는 점이다. Pulsed plasma는 CW와 비교했을 때 식각의 형태나 마스크의 형상이 수직에 가까운 형태로 나오는 등보다 나은 결과를 얻을 수 있다.
둘째는 pulsed plasma는 양이온과 음이온들의 밀도들을 제어하고 그를 통해 플라즈마의 밀도나 UV (ultra-violet light)의 세기를 낮춰 웨이퍼나 트랜지스터에 charging damage를 주는 것을 줄일 수 있다. 더불어 플라즈마 균일도도 전반적으로 균일하게 개선되며 plasma induced damage가 감소하는 효과가 있다. 이는 DC가 짧을수록 더욱 큰 효과를 볼 수 있다.
단, pulsed plasma를 발생시키는 RF generator는 종래 기계적 제어 방식의 matcher 으로는 제어가 어렵다. 이를 극복하기 위해, 주파수 튜닝을 사용해서 세밀한 튜닝을 진행한다. Pulsed plasma를 안정적으로 생성하고, 매칭시키는 것이 현재로서는 가장 중요한 사안이다.
---------------------------------------
CCP와 ICP에서의 적용
CCP에서의 적용을 살펴보면 구조적으로는 low frequency의 bias power, high frequency의 source power를 사용한다.
기존 CW plasma 식각 공정에서는 탄소 계열의 폴리머가 발생해 etching hole에 침투하는 경우가 많았지만, pulsed plasma에서는 On/Off 과정을 거치기 되는데, bias-off 구간에서는 폴리머가 상부 마스크 주변에만 쌓이게 되어, 마스크의 변형을 최소화하거나 보호하는 역할을 한다.
Pulse가 on된 상태에서는 식각 공정이 이뤄지게 된다. 식각 공정에서는 마스크가 넓어지면서 bow cd가 완화되는 것은 물론 bottom CD는 넓어져 CW에 비해 양질의 식각 형상을 얻을 수 있다.
ICP는 CCP와 유사하며 재료에서만 차이가 있다. ICP에서 pulsed plasma를 사용하는 경우, 마스크 선택비를 증가시키고, 프로파일을 원하는 형태로 만들 수 있다.
---------------------------------
펄스 모니터링
Pulsed plasma는 계속해서 빠른 변화가 발생하기 때문에 한 주기의 파형을 관찰하는 것이 매우 중요하다. 종래에 활용된 CCD 형태의 분광기는 펄스 파형의 변화를 관측하기에는 반응이 느리기 때문에 pulsed plasma에 적용하기 어렵다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서 플라즈마 내의 광량 변화를 고속으로 측정할 수 있는 고속 포토다이오드 (photo diode) 혹은 광증폭관 (photo multiplier tube, PMT)와 이를 분석할 수 있는 고속 디지타이저(digitizer)가 필요하다. 이는 CCD 분광법에 비해 높은 시분해능을 가지는 광측정을 가능하게 하지만, 측정 장비 구성 및 데이터 취합/분석의 난이도는 상승하게 된다. 광학적 방법 외에도 V/I (voltage/current) 프로브를 사용하여 Pulse RF 의 전압/전류 파형을 분석하는 방법이나, 또른 플라즈마 내부에 플로팅 프로브(floating probe) 를 삽입하여, 전자 밀도의 변화 등을 측정하는 방법도 활용되고 있다.
