반도체 공정 [4] 반도체 공정의 기초 (3) 플라즈마

2025.02.09 - [반도체 공부/반도체 공정] - 반도체 공정 [3] 반도체 공정의 기초 (2) 진공(Vacuum)

반도체 공정 [3] 반도체 공정의 기초 (2) 진공(Vacuum)

 

 

 

플라즈마(Plasma)

 

 플라즈마는 고체, 액체, 기체가 아닌  제 4의 물질 상태로 '기체 상태의 분자나 원자가 이온화되어 양이온과 전자가 섞여있는 상태'로 국부적으로는 극성을 가지지만 전체적으로는 무극성 상태인(중성) 이온화 가스이다. 대표적인 플라즈마는 태양으로, 고온 플라즈마이다.

 

 우리가 반도체 공정에서 사용하는 플라즈마는 보통 방전 현상에서 의해서 발생되고 이러한 방식으로 형성된 플라즈마를 '글로우 방전(Glow Discharge) 플라즈마'라고 한다.

 

 플라즈마는 기체 상태이지만 이온이나 전자로 인해 전기전도체이고, 자기장에 의해 영향을 받으며, 국부적으로는 극성 전체적으로는 중성 상태이기 때문에 '준중성'이라고 한다. 또한, 외부의 전기장이나 자기장에 의해 전체적으로 움직이게 되는 집합적 행동을 보인다.

 

 

플라즈마의 발생

 

 반도체 공정에서의 플라즈마의 발생원리에 대해 알아보자.

 

 진공 상태에서 플라즈마의 반응은 크게 5가지가 있다.

 

1) Ionization 이온화

2) Excitation 여기

3) Dissociation 해리

4) Recombination 재결합

5) Relaxation 탈여기;발광

 

 

'1) 이온화 반응'의 경우 전자가 충분한 에너지를 가지고 중성의 원자나 분자와 충돌하는 경우, 이온과 하나의 자유전자를 발생시키게 된다. 이러한 과정에서 만들어진 자유전자는 다음 반응에 참여하게 되고, 이 과정이 반복되면서 플라즈마가 계속해서 생성되고 유지할 수 있게 된다.

 

 이때, 충돌하는 에너지가 충분하지 않다면 원자에 있는 전자가 이온화되지 않고 들뜬 상태로 2) 여기 된다. 이렇게 여기된 전자는 안정한 상태로 돌아가게 되면서 전자 궤도의 차이만큼 빛을 방출하게 된다. 플라즈마에 사용하는 기체에 따라 플라즈마의 색이 다른 이유가 바로 이것이다.

 

 다음은 3) 해리이다. 전자가 분자와 충돌하며 화학적 결합을 깨고 강한 반응성을 가진 Radical(활성종)으로 만드는 과정이다. 이  Radical 상태에서는 분자였을 때보다 불안정하기 때문에 강한 반응성을 가지게  된다. 이때의 반응은 이온화 에너지보다는 작다. 

 반도체 공정에서 사용하는 플라즈마 상태에서 많은 영향을 주는 것이 이 Radical이다. 예를 들면, PVD에서 가장 일반적인 Sputtering방식이나, PECVD 공정에서 주로 사용한다. 이온과 Radical의 조합을 사용해 진행하는 RIE공정(Reactive Ion Etching)은 두 공정을 모두 사용하여 식각력을 높인 것이다.

 

 

플라즈마의 특성

 

 반도체 공정에서 사용하는 플라즈마는 글로우 방전 플라즈마이기 때문에 이것만을 다루어보겠다.

 

 플라즈마는 발생시키는 '발생원'에 따라 DC 플라즈마, RF 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마로 나눌 수 있다.

 

 플라즈마의 특성에 대해 찾아보자면,

- 열에너지 대신 전압(컨트롤이 쉬움)을 가해 플라즈마를 발생

- 자유전자가 전압에 의해 가속되고, 중성 분자와 충돌하여 이온화시킨다.

- 플라즈마의 표면에는 전극과 접촉에 의해 전자 및 이온의 손실이 존재한다.

- 중성 분자의 이온화에 의해 손실된 전자 및 이온이 보충되면서 평형을 이룬다.

- 전자와 이온의 무게 차이로 인해 전자의 움직임이 더 빠르고, 전자의 손실 속도가 이온 손실속도가 더 빠르다.

 

 특히 이 마지막 특성으로 인해 플라즈마와 전극면이 닿는 경계면에서 전자의 손실이 이온의 손실보다 빠르기 때문에 전자 중성이 깨지며 양이온이 상대적으로 증가한다. 즉, 전극의 부위에 음의 전압이 걸리게 되고, 이러한 영역을 '쉬스(Sheath)'라고 한다.

 

 반도체 공정에서는 쉬스 영역의 전계에 의해 양이온이 전극 쪽으로 이동하는 특성을 사용하여 다행한 플라즈마 공정을 사용하게 된다.

 

 

플라즈마의 형성 방법

 

 이전에 플라즈마를 발생원에 따라,  DC 플라즈마, RF 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마로 나눠보았다.

 

 

1) DC 플라즈마

 

- 2개의 평형 전극판에 직류 전압을 인가한다. 양극은 접지를 하고, 음극에 높은 바이어스 전압이 가해진다.

(전압을 끄면, 새로 공급되는 전자가 없어 플라즈마는 소멸된다)

- 자유 전자가 전계에 의해 가속되고 중성 분자와 충돌하면서 이온화 시킨다.

- 양이온이 음극에 끌려가 음극과 충돌하고, 이때 10%정도의 충돌에서 2차 전자가 발생한다. 이 2차 전자는 양극방향으로 가속되면서 이동한다.

- 가속된 전자는 플라즈마 내의 중성 분자와 충돌하여 이온화시키면서 다시 전자가 방출되는 사이클이 반복되고 이온화가 가속화된다.

- 이때, 새로 생성되는 이온-  전자쌍과 전극에서 소멸되는 이온, 전자의 수가 균형을 이룰때 DC 플라즈마가 평형 상태를 이루게 된다.

- 영구 자석에 의한 자기장으로 전자의 이동 경로를 높여 플라즈마의 발생효율을 높여준다.

 

 

 DC 플라즈마는 반도체  공정에서 PVD의 Sputtering에서 가장 많이 사용한다.

 Sputtering 공정에서는 불활성 기체인 Ar을 사용하여 반응이 일어나지 않도록 하는데, 플라즈마 상태에서 Ar이온과 전자를 생성한다. 이때 생성된 Ar+이온은 증착시킬 물질인 '타겟'에 걸린 음의 전압에 의해 음극(타겟)쪽으로 가속되며 이동하고 충분한 에너지를 가지고 타겟에 충돌한다.

 이때 Ar+ 이온과의 충돌에 의해 떨어져 나온 Sputtered 타겟 물질의 원자들은 플라즈마를 지나 맞은편의 전극(Anode)로 인해 반발력을 받아 다시 벌크 플라즈마 속으로 가속되어 들어가고, 이때의 가속력을 바탕으로 다시 Ar 원자와 충돌하여 이온화 반응을 일으켜 플라즈마를 유지시키는 역할을 한다.

 

 이런 일련의 과정을 계속 반복되면서 전자는 플라즈마를 유지시키고 생성된 Ar+ 이온은 타켓 쪽으로 이동하여 충돌하고 Sputtered된 타겟 원자가 기판에 증착되는 과정이 연속적으로 일어난다.

 

 

 

 플라즈마와 관련된 파라미터를 이해하는데 중요한 내용 중 하나가 바로 '파셴곡선(paschen's curve)'이다.

 

 파셴 곡선이란 플라즈마 발생 전압과 전극 간격 및 공정 가스 압력의 관계를 나타낸 것으로, 발생 전압이 가장 낮은 값이 플라즈마 발생 효율이 높은 영역이다. 이것은, 장비 디자인, 사용가스, 전극 구조 등 여러가지  요인에 의해 바뀌는 값이다.

 

출처: 위키피디아

 

  예를 들어 1 torr*cm 일때 가장 효율적인 특성이라면 공정 압력이 100mtorr일때 양극과 음극간의 거리가 10cm 일 때가 최적 조건이다.

 

 파셴 곡선의 특성을 이전에 나온 MFP 개념과 연관 지을 수도 있는데, 가장 효율적인 가운데 구간을 기준으로 음의 기울기 영역에서는 압력이 낮아지거나 전극 간의 거리가 줄어들며 충돌 횟수가 감소해 플라즈마의 효율이 줄어들고, 오른쪽 양의 기울기 영역에서는 압력이 높아지거나 전극간의 거리가 늘어나면서 입자가 상대적으로 많아지며 전자가 이온화할만한 충분한 에너지를 갖지 못한 상태에서 충돌하기 때문에 플라즈마의 효율이 감소하는 것이다.

 

 

RF 플라즈마

 

 RF 플라즈마는 DC 대신 높은 주파수의 교류를 두 개의 평행 전극판에 인가하는 것으로 플라즈마 발생 시 DC 플라즈마와 마찬가지로 자유전자가 두 개의 전극에 인가된 전압에 의해 중성 분자와 충돌하여 이온화가 된다.

 

 DC 플라즈마와의 차이점은 교류에서는 양극과 음극이 고정되어있지않고, 계속해서 서로 바뀐다는 것이다. RF 주파수에서는 양이온은 무겁고 전자는 가볍기 때문에 주파수에 맞추어 움직이며, 거의 움직이지 않는 양이온과 달리 전자가 두개의 전극사이를 빠르게 움직이기 때문에 중성 분자와 충돌해 이온화 될 확률이 DC 플라즈마 보다 높아 효율이 더 좋은 방법이다. 

 

 하지만, 실제 공정에서는 DC가 RF 보다 더 우선시되는데 RF 플라즈마의 경우에도 'self-bias 현상'에 의해 전극의 극성이 고정된 것과 같은 효과가 나타나며, 이 현상은 두 전극의 크기를 다르게 하고 한 쪽에만 Capacitor를 직렬로 연결해 극대화할 수 있다.

 전극의 크기가 다르면 큰 전극에서는 전자가 충분히 소멸되지만, 작은 전극에서는 전자가 소멸되지 못하고 점점 더 쌓여 작은 크기의 전극에 음의 bias가 걸리게 되고 작은 크기의 전극에 캐퍼시터를 연결하면 전자가 효율적으로 축적되어 이러한 음의 bias를 유지할 수 있게 된다.

 

 최근에는 집적도 향상에 따라 고밀도 플라즈마를 형성하기 위해 ICP 플라즈마나 마이크로웨이브 플라즈마가 상용화되어있는데 이부분은 나중에 다루어보겠다.