Control of process residue behavior in plasma etching by temperature modulation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Aluminum based components are widely employed in semiconductor plasma etching equipment owing to their superior mechanical and thermal properties. These components are typically protected with yttrium oxyfluoride (YOF) coatings to resist plasma induced erosion. However, prolonged plasma exposure can gradually degrade the coating and promote the generation and accumulation of fluorocarbon polymer by products, which deteriorate etch rate, pattern uniformity, and process stability, ultimately reducing device yield.
This study investigates how temperature modulation between the upper electrode and chamber wall influences the behavior of process residues during plasma etching. Temperature controlled experiments and complementary CFD simulations were conducted to elucidate the relationship between wall temperature, CxFx radical flux, and surface passivation. Under the baseline condition, both the upper and lower modules were maintained at 120°C, yielding an integrated CxFx flux toward the wall approximately 4.5 % lower than at 80 °C. In this case, the thinner carbon rich passivation layer allowed gradual erosion of the YOF coating and generation of YF based particles after about 150 hours of operation.

In the improved condition, the upper module was fixed at 120°C while the lower module was maintained at 90~110°C. The reduced wall temperature enhanced the transport of CxFx radicals toward the YOF coated surface, forming a thicker carbon passivation layer that protected the coating from fluorination. Consequently, the onset of particle accumulation was delayed to 300 hours, the particle growth rate decreased by 56 %, the YOF etch depth reduced from 16μm to 7μm, and the quartz-ring contamination width decreased from 20.4 mm to 16.8 mm.
These findings demonstrate that controlling wall temperature can effectively tune the CxFx radical flux and resulting carbon passivation, thereby suppressing Y–F particle generation and mitigating chamber contamination. The proposed strategy provides a practical approach to extend mean time between cleans (MTBC), improve process stability, and enhance yield in advanced plasma etching systems.

국문 초록 (Abstract)

불소화탄소계 플라즈마 식각 공정에서 챔버 내부의 오염 거동은 플라즈마 반응종의 농도, 열적 조건, 그리고 표면 반응 특성에 의해 크게 영향을 받는다. 특히 플라즈마와 직접 접촉하는 YOF 코팅 부품은 장시간 운전 시 점진적으로 식각되어 Y–F계 입자가 발생하고, 이는 웨이퍼 오염과 수율 저하의 주요 원인이 된다.
본 연구는 플라즈마 식각 챔버 내 상•하부 모듈 간 온도 구배가 CxFx 라디컬 플럭스및 YOF 코팅 열화 거동에 미치는 영향을 체계적으로 규명하였다. 상부 모듈은 120 °C로 유지하고, 벽면 라이너의 온도를 90–120 °C 범위에서 조절하여 수직 온도 구배를 형성하였다. 실험 및 시뮬레이션 결과, 벽면 온도가 낮을수록 벽면으로 향하는 라디컬 플럭스가 증가하여, 장시간 공정 동안 탄소 기반 패시베이션층이 두껍게 형성됨이 확인되었다. 이로 인해 YOF 코팅 표면이 불소화 및 이온 충돌로부터 보호되었으며, Y–F계 파티클의 발생이 현저히 감소하였다. 실제로 Y₂O₃ 코팅의 식각 깊이는 16 μm에서 7 μm로, 쿼츠 링의 오염 폭은 20.4 mm에서 16.8 mm로 감소하였다.
또한 EDS 분석을 통해, YOF 열화로부터 생성된 Y–F 입자가 플라즈마 유동을 따라 상부로 이동하여 샤워헤드 홀 내부에 일시적으로 부착된 후 웨이퍼로 낙하함으로써 오염이 유발됨이 규명되었다. 이러한 오염 경로는 플럭스 기반 패시베이션 메커니즘을 통해 효과적으로 차단되었다.
시뮬레이션 결과에서도 온도가 120 °C에서 80 °C로 감소할 때 벽면 방향 라디컬 플럭스의 적분값이 약 4.5 % 증가하는 것으로 나타났다. 이는 장시간 공정에서 누적 플럭스의 유효 차이를 유도하여, 패시베이션 강화 및 코팅 보호 효과를 정량적으로 뒷받침하였다.
결과적으로, 본 연구는 온도 조절을 통한 라디컬 플럭스 제어가 코팅 보호 및 오염 억제에 직접적인 영향을 미친다는 점을 실험적•수치적으로 입증하였다. 이 접근법은 장비 구조의 변경 없이 온도 설정만으로 구현 가능하며, 약 56 %의 파티클 저감 효과와 함께 공정 수명(MTBC)을 300시간에서 600시간으로 연장하였다.
본 연구는 온도 제어를 통한 플라즈마 라디컬 플럭스 조절이 장기 공정 안정성 확보와 부품 수명 연장에 기여할 수 있는 실질적 해법임을 제시하며, 차세대 10 nm 이하 반도체 식각 공정에서 신뢰성 향상을 위한 핵심 기술적 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research background 1
• 1.1.1 Etch process 1
• 1.1.2 YOF coating 4
• 1.1.3 Polymer contamination in plasma etching 6
• 1.1.4 Thermal influence on plasma uniformity 9
• 1.2 Related literatures 11
• 1.3 Research objectives 13
• 1.4 Research methodology 15
• Chapter 2. Theoretical Background 17
• 2.1 Plasma sheath formation and ion energy distribution in Etching Process 17
• 2.2 Behavior of Fluorocarbon Radicals and Surface Passivation Mechanism 20
• 2.3. Characteristics and etching mechanism of YOF coating 22
• 2.4 Etching damage mechanisms of surrounding components in plasma chambers 25
• Chapter 3. Experimental Setup 27
• 3.1 Chamber structure and thermal control 27
• 3.2 Experimental conditions 31
• 3.3 Analysis methods 34
• 3.4 Simulation Setup 36
• Chapter 4. Results and Discussion 40
• 4.1 Particle accumulation pattern on wafer by time 40
• 4.2 Polymer deposition on showerhead surfaces 43
• 4.3 Particle accumulation behavior over time 47
• 4.4 Part Analysis after Long Term Etching 50
• 4.5 Simulation Results: Temperature Dependent CxFx Radical Flux 53
• 4.6 Process Lifetime Extension Based on Particle Thresholds 56
• 4.7 Mechanistic Insight: CxFx Radical Flux and YOF Coating Protection 59
• Chapter 5. Conclusion 61
• References 64
• 국문초록 67