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강렬한 열을 내뿜는 태양, 비오는 날의 번개모두 우리 일상에서 접할 수 있는 플라즈마(Plasma)의 대표 현상이다. 이러한 플라즈마는 반도체 공정에도 활발하게 도입되고 있다. 플라즈마의 기본을 알면 건식식각, 스퍼터링(Sputtering) 방식의 물리기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition), 플라즈마를 이용한 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 공정에 대해 쉽게 이해할 수 있다. 새롭게 개설된 반도체 탐구 영역, 첫 번째 시험 주제는 플라즈마. 반도체 공정에서 활용되는 플라즈마에 대해 얼마나 알고 있는지 문제를 풀며 확인해보도록 하자.

 

반도체탐구영역_플라즈마(수정)

[정답] 아래를 드래그해 확인해주세요!

1. ④   2. ①   3. ⑤   4.

 

[해설]

1. 고체는 에너지를 얻으면 액체가 되고, 액체는 기체가 된다. 그리고 기체가 에너지를 얻으면 제4의 상태인 플라즈마 상태가 되는데, 이때의 에너지는 매우 높은 에너지로써 열에너지를 인가할 때 약 섭씨 10만도(표면 온도 섭씨 6천도) 정도의 에너지를 인가한다. 이는 지구상에서는 불가능한 조건이다. 그러나 압력을 낮추면 낮은 전압으로도 플라즈마 상태를 얻을 수 있고, 이는 파센곡선(Paschen’s Curve)의 임계점을 따라 플라즈마 방전개시 전압이 설정된다.

플라즈마의 입자들은 전자, 양이온, 라디칼로 구성되는데, 라디칼은 전기적으로 중성을 띤다. 특히 전자와 양이온은 각각 클러스터를 형성하는데, 전자와 양이온의 전기적인 전하량이 같으므로 플라즈마 전체적으로는 전기적으로 중성을 띠게 된다.

반도체 공정에서는 플라즈마를 건식식각, CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition)에 많이 적용한다. RTA(Rapid Thermal Annealing)는 담금질 공정으로 이온주입 후 파손된 입자들을 원상회복시키기 위해 진행하는 공정이다.

 

2. 플라즈마를 이용해 건식식각을 진행하는 경우, 정전척(ESC, Electrostatic Chuck)을 이용해 웨이퍼를 프로세스 챔버 속에 넣는다. 그다음, 먼저 프로세스 챔버 내부를 진공펌프(Vacuum Pump)로 감압시켜 진공으로 만든다. 낮은 압력하에서는 전압이 낮아도 플라즈마를 쉽게 만들 수 있으며, 프로세스 챔버 내부를 진공으로 만들어야 주입하는 소스가스의 직진성을 확보하고 불순물 가스를 제거할 수 있기 때문이다.

소스가스는 유량흐름조절기(MFC, Mass Flow Controller)를 이용해 적정량을 프로세스 챔버에 주입한다. 프로세스 챔버 안의 소스가스를 플라즈마 상태로 만들기 위해 RF발진기(RF Generator)RF발진을 해 소스가스들에 에너지를 인가한다.

건식식각은 양이온과 라디칼을 이용하는데, 양이온은 웨이퍼 상 타깃 막의 결합력을 약화시키는 데 사용하며, 라디칼은 결합력이 약화된 타깃 막의 분자들과 결합해 기체화한다. 이때 양이온과 라디칼의 밀도가 균일하게 웨이퍼로 접근할 수 있도록 플라즈마와 웨이퍼 사이에 일렉트로드(Electrode)를 설치한다. 반응로(Furnace)는 확산공정 시에 적용한다.

 

3. 화학기상증착은 크게 열에너지를 이용하는 방식과 플라즈마를 이용하는 방식으로 나뉜다. 열에너지를 이용하는 방식은 또다시 압력에 따라서 나눌 수 있는데, 대기압 상태로 화학기상증착을 이용하는 방식을 APCVD(Atmospheric Pressure CVD)라 하고, 대기압의 반이 되는 준대기압을 이용하는 방식을 SACVD(Semi-APCVD)라 하며, 매우 낮은 압력 상태를 이용하는 방식을 LPCVD(Low Pressure CVD)라고 한다. 압력이 낮을 수록 진공도를 높여야 한다.

이 중 막질이 가장 좋은 방식은 LPCVD인데, LPCVD의 단점은 압력이 낮은 대신 매우 높은 온도를 유지해야만 소스가스 입자들이 활성화된다는 점이다. 하지만 온도를 높여 공정을 진행하면 하단부에 금속막이 이미 형성되어 있는 경우 금속재질이 높은 온도로 인하여 치명적인 손상을 입을 수 있으므로 LPCVD의 사용은 제한적일 수 밖에 없다.

이러한 단점을 해결하기 위해 낮은 온도에서도 CVD를 진행할 수 있도록 플라즈마를 이용한 PECVD(Plasma CVD)가 탄생했다. 그러나 PECVD 역시 막질이 좋지 않다는 단점을 안고 있었고, 이 단점을 보완하고자 개발된 공정이 바로 HDPCVD(High Density Plasma CVD). 따라서 HDPCVD CVD 중에서 막질이 가장 좋고 특히 직경이 짧은 Gap을 채울 때에도 같은 장비에서 증착과 식각을 병행해 실시하므로 탁월한 갭필(Gap Fill) 능력을 보유하고 있다.

 

4. 플라즈마를 이용해 PVD 공정을 진행하는 경우, 먼저 프로세스 챔버 내부를 진공펌프로 감압시켜 진공으로 만들어야 한다. 낮은 압력에서는 전압이 낮아도 플라즈마를 쉽게 만들 수 있으며, 프로세스 챔버 내부를 진공으로 만들어야 주입하는 소스가스의 직진성을 확보하고 불순물 가스를 제거할 수 있기 때문이다.

플라즈마의 방전개시 전압은 파센곡선의 임계점을 따라 설정되며 이때 생성되는 플라즈마의 입자들은 전자, 양이온, 라디칼이 있다. 그중 PVD는 다른 것과 결합력을 떨어뜨리기 위해 활성화율이 되도록 적은 아르곤 가스의 양이온을 이용하는데, 양이온은 마이너스 전압에 끌리므로 금속 타깃에는 마이너스 전압을 인가해 양이온이 타깃에 충돌하도록 유도한다. 양이온이 금속 타깃과 충돌 시, 충돌에너지가 금속 입자들을 형성하고 있는 금속 분자들의 결합을 해체시키게 되어 금속 분자들이 사방으로 흩어지게 되는데, 이것이 금속성 증기(Vapor)가 된다. 그리고 이 금속성 증기가 금속 타깃의 반대편에 있는 웨이퍼 표면에 눈처럼 쌓이게 되어 PVD 막이 형성된다.

 

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