플라즈마

보통 고체, 액체, 기체에 이은 '제 4의 물질 상태'라고 하는 플라즈마는 기체 상태나 분자나 원자가 이온화되어 양이온과 전자가 섞여 있어서 국부적으로는 극성을 갖지만 전체적으로는 중성 상태인 이온화 가스이다. 우리가 매일 보는 태양의 경우도 플라즈마의 일종인데 태양의 플라즈마는 모든 원자가 이온화되어 있는 매우 높은 에너지 상태의 고온 플라즈마이고, 우리가 반도체 공정에서 사용하는 플라즈마는 기체 분자 중 0.001% 정도가 이온화되어 있는 저온 플라즈마이다. 저온 플라즈마는 보통 방전 현상에 의해서 발생되고 이러한 방식으로 형성된 플라즈마를 글로우 방전(Glow Discharge) 플라즈마라고 부른다.

두 전극 사이에 형성된 글로우 방전

 

플라즈마는 일종의 기체상태이지만 이온 및 전자의 존재로 인해 전기 전도체이고, 자기장에 의해 영향을 받는 특성이 있다. 비록 부분적으로는 중성상태가 깨지는 지역도 있지만 전체적으로는 전기적 중성 상태이므로 이를 준중성이라고 부른다 (Quasi neutrality)이라고 한다. 또한 외부의 전기장, 자기장에 의해 전체적으로 움직이게 되는 집합적 행동을 보인다.

 

1. 플라즈마의 발생 

플라즈마가 발생 및 유지되는 데 있어서 전자, 원자 그리고 이온 등 다양한 입자의 반응이 일어나게 된다. 복잡한 반응 중에 반도체의 공정에서 주로 사용하고 영향을 미치는 반응에 대해 살펴보도록 하자.

진공 상태에서의 플라즈마 반응

플라즈마의 생성 원리

먼저 이온화 반응은 전자가 충분한 에너지를 가지고 중성의 원자나 분자와 충돌하는 경우 이온과 또 하나의 자유전자를 발생시킨다. 이러한 과정에서 만들어진 자유전자가 다시 반응에 참여하게 되고 반복되면서 플라즈마가 생성되고 유지될 수 있도록 만든다. 만약 충돌하는 에너지가 충분하지 못하다면 원자에 구속된 전자가 충돌에 의해 이온화되기에는 부족한 상태이기 때문에 들뜬 상태로 여기(Exitation)되게 되며, 이렇게 여기된 전자는 다시 안정된 상태(바닥상태)로 돌아가면서 전자 궤도의 차이의 정량화된 만큼의 에너지(A*->A+hv)를 빛으로 방출하게 된다. 플라즈마에 사용하는 기체에 따라 플라즈마의 색이 다른데 각 원소에 따라 전자궤도의 준위에 따라 양자화된 에너지 값이 다르기 때문에 여기와 발광 과정이 일어날 때 다른 색의 빛이 발광되게 된다. 아르곤의 경우 보랏빛, 질소의 경우 주황빛을 띄게 되며 이러한 발광을 보면서 플라즈마가 잘 형성되고 있다고 판단할 수 있다. 플라즈마의 생성 원리 중에 빼놓을 수 없는것이 해리(Dissociation)인데, 전자가 분자와 충돌하여 화학적 결합을 깨고 강한 반응성을 가진 활성종(Radical)으로 만드는 과정이다. 이 반응은 이온화 에너지보다는 작고, 강한 반응성의 Radical은 분자였을 때 보다 불안정한 상태이기 때문에 다른 물질과 반응을 잘할 수 있는 상태이다. 이러한 특성을 이용해서 반도체 공정에서 많이 사용되는 예는 다음과 같다.

플라즈마 상태에서 공정에 많은 영향을 줄 수 있는 것이 이온화 반응에 의해 생성된 이온과 해리 과정에서 생성된 Radical로 볼 수 있는데, 이온은 증착법 중에 물리적 기상 증착법 (Physical Vapor Deposion, PVD) 중 가장 일반적인 스퍼터링(Sputtering) 방식에서 주로 사용하며, Radical은 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposion, CVD) 중 플라자를 사용하는 PECVD (Plasma Enhanced CVD) 공정에서 주로 사용한다. 또한 이온과 Radical의 조합을 사용하는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE) 공정은 두 가지 특성을 모두 사용하여 식각력을 높인 경우이다. 이처럼 반도체 공정에서는 플라즈마 상태에서 원하는 특성의 입자를 선택적으로 사용하여 목적에 맞는 막을 증착하거나 식각하는 용도로 사용한다.

 

2. 플라즈마의 특성

지금부터 플라즈마라고 하면 반도체 공정에서 사용하는 글로우 방전 플라즈마를 의미하는 것으로 한정한다. 이러한 플라즈마는 발생시키는 발생원에 의해 DC 플라즈마, RF 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마로 구분할 수 있다. 플라즈마의 일반적인 특성은 다음과 같다.

 

• 열에너지 대신 일반적으로 컨트롤하기 쉬운 전압을 가해서 플라즈마를 발생시킨다.
• 자유전자가 전압에 의해 가속되고 중성분자와 충돌하여 이온화시킨다.
• 플라즈마 표면에서는 전극과 접촉에 의해 전자 및 이온의 손실이 있다.
• 중성 분자의 이온화에 의해 손실된 전자 및 이온이 보충되어 평형을 이룬다. 
• 전자와 이온의 무게 차이로 인해 전자의 움직임이 더 빠르고, 전자의 손실 속도가 이온 손실 속도보다 더 빠르다.

이런 특성으로 인해 플라즈마와 전극면이 닿는 경계면에서 전자의 손실이 이온의 손실보다 빠르기 때문에 전하 중성 (Charge Neutrality)이 깨지며 양이온이 많아지고 전극 부위에 음의 전압이 걸리게 된다. 이러한 영역을 쉬스(Sheath)라 하고 반도체 공정에서는 쉬스 영역의 전계에 의해 양이온이 전극 쪽으로 이동하는 특성을 이용하여 다양한 플라즈마 공정을 진행하게 된다.

 

3. 플라즈마 형성 방법

 

(1) DC 플라즈마 

1. 두 개의 평행 전극판에 직류 전압을 인가한다. 보통 양극은 접지를 하고, 음극에 -200~-1000V 정도의 높은 바이어스(Bias) 전압이 가해진다.
2. 자유전자가 전계에 의해 가속되고 중성 분자와 충돌하여 이온화시킨다.
3. 양이온이 음극(cathode)에 끌려가 음극과 충돌한다. 이러한 충돌 중 ~10% 정도에서 2차 전자가 발생한다.
4. 이 2차 전자는 양극(anode) 방향으로 가속되면서 이동한다.
5. 가속된 전자가 플라즈마 내의 중성분자와 충돌하여 이온화시키면서 다시 전자가 방출되는 과정이 반복되며 이온화된다. 
6. 이오 같이 새로 생성되는 이온-전자쌍과 전극에서 소멸되는 이온, 전자의 수가 균형을 맞추면 DC 플라즈마가 평형상태를 이루게 된다.
7. 전압을 끄면 새로 공급되는 전자가 없으므로 플라즈마도 소멸한다.
8. 영구자석에 의한 자기장에 의해 전자의 이동 경로를 높여 플라즈마 발생 효율을 높여주는 DC 마그네트론(magnetron) 플라즈마, 별도의 Hot filament를 이용하여 충분한 자유전자를 공급해 플라즈마 효율을 높여주는 Hot filament DC 플라즈마도 있다.

 

(2) RF(Radio Frequency) 플라즈마

RF 플라즈마는 DC 대신 높은 주파수의 교류(13.56MHz)를 두 개의 평행 전극판에 인가하는 것이다. 플라즈마 발생 시 DC 플라즈마의 경우와 마찬가지로 자유전자가 두 개의  전극에 인가된 전압에 의해 중성분자와 충돌하여 이온화가 된다. DC 플라즈마와 차이점은 교유에서는 양극, 음극이 고정되어 있지 않고 계속 서로 바뀐다는 것이다. RF 주파수에서는 이러한 극성 변경이 1초에 1,3000만 번 정도 발생하므로 전자는 가볍기 때문에 주파수에 맞추어 움직이지만, 양이온은 무거워 거의 정지한 것과 같은 거동을 보인다. 이런 방식으로 전가가 두 개의 전극 사이를 빠르게 움직여 중성분자와 충돌해 이온화될 확률이 DC 플라즈마보다 높으므로 플라즈마 효율이 더 좋은 방법이다.

하지만 반도체 공정에 적용하기 위해서는 특정 전극이 양극, 음극으로 고정되어 있는것이 바람직하다. 실제로는 RF 플라즈마 경우에도 self-bias 현상에 의해 전극의 극성이 고정된 것과 같은 효과를 나타낼 수 있다. Self-bias 현상은 두 전극의 크기를 서로 다르게 하고 한쪽 전극에만 Capacitior를 직렬로 연결함으로써 극대화할 수 있다.

RF 플라즈마에서 빨리 변화하는 RF 신호에 맞추어 전자가 움직여 전극과 충돌하게 된다. 전극의 크기가 서로 다르면 큰 전극에서는 전자가 충분히 소멸되지만 작은 전극에서는 전자가 소멸되지 못하고 점점 더 쌓이게 되고 이로 인해 작은 크기의 전극에 음의 bias가 걸리게 된다. 이때 작은 크기의 전극에 Capacitor를 연결하면 전자가 효과적으로 축적되므로 음의 bias를 유지할 수 있게 된다. 이러한 현상을 self-bias라고 한다. RF 플라즈마는 전극의 표면이 도체일 경우뿐만 아니라, 부도체인 경우에도 사용할 수 있어서 절연막 증착이나 절연막 식각등을 위한 플라즈마 장비에 주요하게 사용된다.

 

최근 집적도 향상에 따라 고밀도 플라즈마를 형성할 필요가 있고, 이러한 목적으로 ICP(Inductivelly coupled plasma) 플라즈마나 RF 주파수보다 더 높은 주파수를 사용하는 마이크로웨이브(mircrowave) 플라즈마도 상용화되어 있다.

 

정리

플라즈마는 고체, 액체, 기체로 구분하는 물질의 3가지 상태와 비교해서 또 다른 '제4의 물질 상태'라고 얘기할 수 있다. 쉽게 이야기하면 기체 상태의 분자나 원자가 이온화되어 양이온과 전자가 섞여 있지만 전체적으로는 중성 상태인 이온화된 기체 상태이다. 우리가 반도체 공정에서 사용하는 플라즈마는 방전 현상을 이용하여 만든 것으로, 백만 개의 기체 분자 중 한 개 정도가 이온화되어 있는 이온화율이 낮은 상태인 저온 플라즈마이다.

플라즈마는 기체 상태이지만, 이온 및 전자의 존재로 인해 전기 전도체이고 전기장 및 자기장에 의해 영향을 받는다. 이러한 플라즈마 특성을 이용하여 반도체 공정에서 플라즈마 식각, 플라즈마 CVD, 스퍼터링(Sputteing) 등의 공정을 진행할 수 있다. 플라즈마를 발생시키는 방법에 따라 DC 플라즈마, RF 플라즈마 방식이 있는데, DC 플라즈마는 금속을 스퍼터링(Sputtering)하는 공정에서 사용하고, RF 플라즈마 방식은 식각 및 CVD처럼 절연체를 진행하는 경우가 많은 공정에서 사용한다.