CCP 공정에서 QCM 기반 SiO₂ 식각 및 챔버 클리닝 완료 지점 진단 연구

국문 초록 (Abstract)

반도체 메모리 소자의 고집적화에 따라 공정 구조의 복잡성이 증가하면서, 공정 중 오염을 정밀하게 진단하고 관리하는 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다. DRAM과 3D NAND 공정에서는 고종횡비(high aspect ratio) 구조를 정밀하게 형성하기 위해 유전체의 건식 식각(dry etching) 공정이 핵심적으로 활용되며, 이 과정에서 사용되는 플루오르계(FC, HFC) 가스는 식각 성능 향상에 기여하는 동시에 비휘발성 폴리머 오염을 유발한다. 이러한 오염은 장비 내 축적 시 공정 균일도 저하 및 수율 감소로 이어지기 때문에, 정기적인 클리닝과 예방 정비(Preventive Maintenance)가 필요하며, 공정 상태를 실시간으로 진단할 수 있는 기술의 도입이 요구된다.
기존에는 Optical Emission Spectroscopy(OES)를 이용해 플라즈마 방출 스펙트럼을 분석함으로써 클리닝 완료 시점과 예방 정비 주기를 판단해왔다. 그러나 OES는 공정 중 발생하는 폴리머 오염 등에 의한 신호 왜곡 가능성이 존재하며, 이러한 한계를 보완할 수 있는 진단 방식이 필요하다. 본 연구에서는 OES의 기존 진단 체계를 보완하고, 보다 직접적인 표면 반응 감지가 가능한 Quartz Crystal Microbalance(QCM) 기반 진단 기법을 공정에 적용하였다. QCM 센서를 CCP 챔버 내부에 설치하여 식각 및 O2 플라즈마 클리닝 중 주파수 변화를 모니터링하였으며, 이를 통해 공정 종료 시점을 정량적으로 판별하였다.
또한, QCM 기반으로 진단된 종료 시점의 신뢰성을 검증하기 위해, 식각 대상 샘플을 회수하여 X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS) 분석을 수행하였다. 본 연구는 QCM이 OES와 상호 보완적으로 작동할 수 있는 공정 진단 도구로서, 클리닝 종료 시점 판단과 예방 정비 시기 설정에 있어 신뢰성 높은 기준을 제공할 수 있음을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the integration density of semiconductor memory devices increases, the complexity of process structures also grows, emphasizing the importance of accurately diagnosing and managing contamination during fabrication. In DRAM and 3D NAND processes, dry etching of dielectrics is essential for forming high aspect ratio structures, and fluorocarbon (FC, HFC) gases used in these processes improve etch performance but also generate non-volatile polymer contaminants. Such contamination can accumulate inside the equipment, degrading process uniformity and reducing yield. Therefore, regular cleaning and preventive maintenance (PM), along with real-time process diagnostics, are required.
Traditionally, Optical Emission Spectroscopy (OES) has been used to determine cleaning completion and PM intervals by analyzing plasma emission spectra. However, OES signals can be distorted by polymer contamination, necessitating a complementary diagnostic approach. In this study, a Quartz Crystal Microbalance (QCM)-based diagnostic method was introduced to address these limitations. By installing a QCM sensor inside a CCP chamber, frequency shifts during dielectric etching and O2 plasma cleaning were monitored in real-time to quantitatively determine the process endpoint.
To validate the reliability of the QCM-determined endpoint, etched samples were retrieved and analyzed using X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The results demonstrate that QCM can serve as a complementary diagnostic tool to OES, providing a more direct and reliable indicator for cleaning endpoint detection and preventive maintenance scheduling in plasma etching processes.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 연구목적과 연구방법론 1
• 제2장 이론적 배경 4
• 1. Capacitively Coupled Plasma (CCP) 공정 4
• 2. Dielectric Plasma etching 6
• 3. Analytic tools 9
• 1) Quartz Crystal Microbalance (QCM) 9
• 2) Optical Emission Spectroscopy (OES) 12
• 3) X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 14
• 제3장 실험 방법 16
• 1. 실험 장비 16
• 2. 실험 조건 18
• 제4장 실험 결과 및 고찰 19
• 1. 식각 공정 진단 19
• 2. 클리닝 공정 진단 27
• 제5장 결론 34