플라즈마와 식각 공정[Plasma and etching process]

ICP에서의 플라즈마

플라스마라고 하는 것이 8대 공정에 대부분 사용되긴 하지만 에칭 공정에서 많이 사용된다.

DC 플라스마와 RF 플라스마가 무엇이 다른지 알아보도록 하자

플라스마를 이용해서 식각 공정을 하게 되는데 

식각 공정은 무엇이고 건식 식각에 초점을 맞추도록 하겠습니다.

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플라즈마[Plasma]

제4의 물질로 표현을 했다.

플라스마는 '이온화된 기체'라고 생각하면 된다.

이온화되지 않은 중성입자, 전자, 이온 , 활성종 + 흥분된 중성종+광자(빛)

만개 중에 한두 개 정도가 이온화된다고 생각하면 된다. 

플라스마 특성은 전기적으로 준 중성 상태다(Quasi-Neutrality)

국소적으로는 중성 상태가 깨져 있을 수 있다.

전체적으로 봐서는 이온과 전자의 개수가 거의 유사한 준 중성 상태

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플라스마는 어떻게 만들어질까?

진공 챔버에서 (대기압보다 공기 입자수가 적은) 반응 가스를 주입하고

강한 전기장을 인가한다(강한 에너지를 주기 위해서 전기장을 인가한다.)

진공 챔버 안에 온도가 낮은 저온 전자가 존재할 수 있다.

전자들이 강한 전기장을 받아서 운동 에너지를 갖고 운동하게 된다.

집어넣어주는 반응 가스와 부딪히게 되고 (충돌하게되고) 여러가지 프로세스가 일어난다.

이온화는 중성 원자와 전자가 부딧히게 되면 

전자가 바깥으로 튀어나온다.

그렇다면 중성 종이 양이온이 된다.

이러한 반응이 연쇄반응을 일으키면서 플라스마 상태로 유지된다.

재결합되는 경우는 확률적으로 낫다

 

여기와 탈여기가 있는데

여기는 전자의 에너지가 단일 에너지를 갖는 것이 아니다.

전자들이 똑같은 에너지를 갖는 것이 아니다.

고에너지는 이온화에 참여하고

더 작은 에너지는 전자는 여기/탈여기 과정을 거친다.

 

 

여기라는 것은

전자가 들어와서 어떤 원자의 전자에 부디 혀서 

전자가 에너지를 받아서 튀어나가면 이온화가 되고

튀어 나가지 않고 높은 궤도로 올라가면 '여기'라고 합니다.

다시 에너지 준위로 내려가는 과정을 '탈여기'라고 한다.

탈여기 과정에서는 광자가 튀어나오게 됩니다.

빛이 나면 플라스마가 형성되어있구나' 알 수 있다.

 

'해리'라는 것은 분자로 있는 경우

cF4라는 가스가 있는데 가스와 플로린 4개가 붙어 있어야 안정한데

전자가 와서 빵 때려서 플로린 하나가 빠져나가면 CF3가 된다.

CF4나 CF3나 전기적으로 중성이다.

하지만 나눠져 있으면 전기적으로 중성이긴 중성이나

불안정한 상태가 된다.

다른 물질과 만나면 금방 반응해버릴 확률이 높다.

그것을 보고 활성종'이라고 부릅니다.

영어로는 Radical이라고 부른다.

 

이렇게 여러 가지 입자들이 생기는데 

 

반도체는 주로 활성종과 이온을 반도체 프로세스에 사용한다.

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첫 번째 이온화 에너지를 알아보자

전자들이 같은 에너지를 주더라도 

같은 에너지가 아니라 여러 가지 에너지를 갖게 되는데

y축이 Cross section이 충돌 단면적인데

이온화가 일어날 수 있는 확률' 정도로 이해하면 된다.

'같은 에너지에서 이온화가 되기 쉽다' 

이온화가 될 수 있는 최소 에너지를 얘기하는데

 

아르곤 같은 경우 15.8 정도에서 이온화가 되는데

11.56 정도 되면 '여기' 정도는 시킬 수 있다.

 

에너지를 계속 높이면 전자의 속도가 너무 빨라져서 충돌 확률이 줄어든다.

 

파셴 커브를 알아보자

x축은 압력과 거리

압력은 진공 챔버 안에 압력이다.

거리는 전극 간에 거리를 의미한다.

압력과 전극간 거리의 곱이 x축이 되고 y축은 방전 전압이다.

플라스마가 발생할 수 있는 최소 전압이다.

방전시켜서 플라스마를 만들 수 있는 최소 전압이다.

즉 낮으면 낮을수록 좋다.

 

왜 줄어들었다가 다시 늘어날까?

 

반비례 영역

압력이 낮을 때

MFP가 길어지기 때문에 충돌할 확률이 줄어든다.

그래서 높은 전압을 걸어줘야 한다. 

또한 전극 간의 거리가 너무 짧으면 충돌 없이

양극에 도달할 수 있다. 

 

비례 영역에서는 

압력이 높다 => 전자, Gas가 많다.

충돌 확률이 높아진다.

너무 많은 충돌 때문에 이온화 에너지가 부족하다.

이온화를 위한 충분한 에너지를 받기도 전에 공기들과 충돌해서

그래서 높은 전압을 걸어줘야 방전이 일어난다. 

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직류 플라스마에서는 직류 플라스마와 쉬스에 대해서 알아보도록 하자

 

쉬스는 전극 근처에서 일어나는 현상이다.

진공 챔버 안에 직류 전압을 가하면 플라스마가 생긴다

물론 반응 가스를 넣어줘야 한다.

전기가 통한다면 포텐셜이 직선으로 나타나야 하는데

검은색의 '이상한' 커브를 그리게 된다.

여기/탈여기를 거치면서 발광이 돼야 된다고 했는데

양쪽 전극 주변에는 어둡고 플라스마가 없는 부분이 생긴다.

이것을 쉬스라고 부른다.

 

밝은 부분은 0V보다 좀 더 높은 부분을 갖는다.

플라즈마 Vp=10V 정도가 왜 생기는지?

 

챔버 안에서 어떤 현상이 생기는지 알아보자.

좌우에 음과 양의 쉬스가 존재한다.

벌크 플라스마가 있고 양쪽에 쉬스가 존재한다.

 

음극 쪽을 보면 강한 -Vc가 가해진다.

이 안에 있던 전자들은 +를 좋아한다.

그래서 다 플라스마 안으로 빨려 들어간다

그렇기 때문에 양이온만 존재한다.

양이온은 +를 가지고 있다

양이온은 음극으로 끌려간다. 

그래서 전자가 없다.

그렇기 때문에 플라스마가 존재할 수 없다.

중성종을 때리고 여기/탈여기 할 전자가 없는 것

 

음극 쉬스 안에 전압이 걸린다.

양이온을 높은 전압을 통해서 가속시키는 역할을 한다.

 

양이온이 음극 전극을 가서 충돌을 하는데

웨이퍼라든지 알루미늄 판을 놓으면 

이 판을 때릴 것이다. 원자들이 배열되어있는데 

원자들한테 에너지를 줘서 지네들끼리 본딩 에너지를 원자가 깨면서 튀어 나가는데

이것을 스퍼터링이라고 부른다. -> 2차 전자가 생성된다.

이 전자들이 이온화에 참여하게 된다.

 

1. 저온 전자가 핫 일렉트론이 되면서 중성 원자랑 부딪혀서 나오는 전자

2. 음극에서 부딪혀서 나오는 2차 전자

 

이 두 전자가 플라스마를 계속 만든다.

음극에서 튀어나오는 전자가 훨씬 기여도가 높다.

양극 쉬스는 왜 생기느냐?

전자가 움직이는 속도와 이온이 움직이는 속도는 차이가 난다.

전자는 가볍고 이온은 가볍다.

속도 차이가 1000배는 난다.

순간적으로 이온은 가만히 있는데 전자만 움직이는 것처럼 보인다.

 

쉬스안에 전자와 양이온이 동일 수로 있었는데

그라운드를 가해주면(상대적으로 양극) 전자가 이동을 한다.

전자가 이동을 하는데 엄청 빠르게 빠져나가버린다.

그렇게 되면 -차징이 돼버린다.(빠져나가면서도)

양이온들이 전하가 낮아지니까 양이온도 빠져나간다.

양이온의 농도가 떨어진다. 

(전자의 농도는 0이 되고)

=> 포텐셜 차이가 발생한다.

이것을 '플라스마 전위'라고 하는 것이다.

 

플라스마 안에 있던 전자들 입장에서 보면 

전자는 +를 좋아해서 오른쪽으로 가게 되는데 

원래 있던 플라스마보다 전압이 낮기 때문에

전자 입장에서 보면은 언덕이 있는 것처럼 보여서 

전자가 가더라도 되돌아오게 된다.

(일부는 넘어가도 대부분은 플라스마 안에 갇히게 된다.)

 

음극 쪽의 전자들도 빠져나가고 

양극 쪽의 전자들도 플라스마 안에 갇히게 되는

상태가 된다.==> 음극 쉬스와 양극 쉬스가 생긴다.

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교류 중에서 주파수가 높은 RF plasma에 대해서 알아보자

직류 플라스마는 전극에서 전자가 튀어나와야 하기 때문에

전도체 금속일 때 사용 가능하다==> 부도체의 경우에는 전자가 튀어나오지 않는다.

 

부도체에서는 전자 공급이 안되기 때문에

이온이 자리를 차지해서 부도체의 포 텐션을 높이게 된다.

두 전극 간에 전압 차이가 생겨야 하는데

실제로는 걸어준 전압 이하로 낮아지게 되고

플라스마가 꺼져버린다.

그래서 절연체 표면에 축적된 전하를 제거할 필요가 존재한다.

==> 빠르게 +- 교대를 하는 교류 전압을 사용해야 한다.

 

RF 극성이 변함에 따라서 전하 축적을 방지하고

RF 주기에 따라서 전자가 왕복하기 때문에 중성 원자와 충돌할 가능성이 

높아지게 된다.==> DC 대비 플라스마 효율이 증가한다.

전자는 한쪽으로만 가는데 RF에서는 양쪽으로 왔다 갔다 하면서

플라스마를 유지시켜줍니다.

 

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RF를 인가하면 플라스마는 유지되지만 

쉬스를 만들어 주기 위해서는 직류 자기 바이어스가 필요하다.

DC자기 바이어스를 위해서는 

DC 전류 차단 용 차단 커패시터가 필요하고 

두 전극 간 면적 차이가 필요하다.

동일 시간 들어오는 전자의 수가 똑같다.

양쪽 전극이 동일한 전극을 갖는다. 커패시터를 갖더라도

평균 전압이 똑같아진다.

 

전자의 속도가 이온의 속도보다 빠르니까 

이온은 천천히 오는데 전자는 빠르게 온다.

면적당 전자의 밀도가 전자가 왔을 때 훨씬 높다.

즉 이온이 와서 중화시키는 것보다 왼쪽의 전압이 

점점 -로 내려가게 된다.

==> DC self bias가 생긴다.

면적이 좁은 쪽이 -로 낮아져서 

 

교류임에도 DC 플라스마와 같은 유사한 특성을 갖게 된다.

전자가 계속 쌓이면 계속 내려가지는 않는다.

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식각공정

식각 공정은 박막의 전부 또는 일부를 물리 또는 화학적으로 제거하는 공정이다.

주로 반응성이 강한 할로겐 계열 물질을 사용한다.

 

식각 공정에는 습식 식각과 건식 식각이 존재한다.

액상 화공 약품은 방향성이 없어서

등방성의 화학적 반응이 일어난다.

=> 수평과 수직의 방향으로 일어난다.

 

최소 선폭을 작게 가져가야 한다.

두께보다 더 작은 패턴을 식각 할 수 없기에.

 

미세한 식각을 못해서 전면 식각/제거할 때만 한다.

저비용이며 공정이 단순하고 생산성이 높으나

미세패턴은 불가능하고 폐액 처리 문제가 존재한다.

 

건식 식각에는 활성종만 사용하는 경우 이온만 사용하는 경우

이온과 활성종을 동시에 이용하는 경우로 나뉜다.

 

활성종은 중성이기 때문에 액상 화공 약품과 같은 역할을 한다

=> 기체일 뿐 화학반응을 한다. 

등방성이며 폐액 처리가 필요 없다.

 

이온은 전계에 끌려가서 이방성이다.

nm의 최소 선폭을 갖는다.

습식 대비 상대적으로 선택비는 낮으나 제어 가능하다.

미세 패턴이 가능하고 폐액 처리가 불필요하다.

 

하지만 비용이 높고 생산성이 낮다.

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건식각은 플라스마 식각 

스퍼터 식각 반응성 이온 식각으로 나뉜다.

 

플라즈마 식각은 

활성종(반응성이 높다)을 사용하여 화학적으로 식각 한다.

활성종은 분자가 나누어지는 것이었는데 

반응성이 높았었죠 

이것이 웨이퍼로 이동하게 되는데 

(식각제 흡착)

 

피 식각 박막에 결합하게 된다.

증기압이 높을 때 기체가 돼서 부산물이 날아간다.

이런 과정이 반복되는 것이 플라스마 식각이다.

화학적 반응이라서 식각제와만 반응해서 

선택비가 높다

 

스트립(전부 벗기는 것) 혹은 애싱(태워버리는 것)에 주로 사용된다.

 

스퍼터 식각

RF 전극이 존재하고

접지가 넓게 존재하고 

==> 전극의 크기 차이가 존재해서

DC self bias가 존재한다.

 

음극 쉬스를 통해서 이온이 강한 에너지를 받아서

이온이 와서 웨이퍼를 때려서 스퍼터링을 시켜서

식각을 시키는 것이다.

아르곤이 불활성 기체라서 

화학적 반응을 하지 않기 때문에 물리적인 역할만 한다.

대신 선택비는 좋지 않다. 왜냐 그냥 물리적으로 때어내는 것 이기 때문이다.

비아 전세정에 사용된다.

 

반응성 이온 식각

활성종과 이온을 함께 사용하는 것이다.

x축은 시간이고 

실리콘 샘플을 식각 하는 과정이다. 

 

처음에는 XeF만 넣는다(활성종)

처음에는 식각 속도가 엄청 느리더라

 

마지막에는 Ar만 넣었는데 굉장히 느리더라

 

=> 두 가지 중 하나만 넣으면 식각 속도가 엄청 느리더라

 

동시에 넣어주면 식각 속도가 엄청 빨랐다->시너지 효과가 존재

 

활성종은 방향성이 없어서 확산돼서 이동하고

양이온은 음극 쉬스에 의해서 끌려가니까 방향성을 갖게 된다

양이온이 먼저 와서 식각 할 식각 물질의 바닥면을 때리는데

식각할 물질들의 표면의 결합면을 깨버린다.

그다음에 활성 종이 온다. 화학 결합을 통해서 식각 해버리는데

왜 식각이 느린가?

 

본딩 에너지를 낮춰주는 반응이 필요한데

Ar이 먼저 본딩 에너지를 낮춰주고

활성 종이 와서 화학적으로 식각을 빠르게 식각 시킨다.

=> 바닥면의 본딩 에너지가 낮춰져 있기 때문에 벽면도 식각이 되지만 

바닥면의 식각이 빠르게 된다=>어느 정도의 비등방성을 갖는다

선택비는 플라스마 식각보다는 부족하지만 컨트롤이 가능하다.

패턴 식각에 이용된다.

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식각 공정의 주요 변수를 알아보자

 

식각률은 식각의 속도를 의미한다.

 

식각 선택비

식각을 하다 보면 식각 해줘야 하는 높이가 다를 수 있다.

다결정 실리콘에 대한 산화막의 식각 선택비다.

S=E1/E2

E2가 0이 되면 선택비가 거의 무한대가 된다.

E1과 E2가 비슷하면 선택비가 거의 없다'

 

식각 바이어스

식각을 하고 나서 PR을 제거하면 

DI CD FI CD 두 가지가 있는데 

DI CD가 FI CD가 더 크면 -바이어스를 먹었다고 하고

반대의 경우에는 +바이어스를 먹었다고 한다.

 

균일도

균일도는 웨이퍼 안에서의 식각 후에 남은 웨이퍼의 균일도

웨이퍼 간의 균일도도 존재

다중 포인트를 측정해서 등고선을 그릴 수 있다.

연속적인 데이터를 볼 수 있고 표준편차로 평가

NON uniformity가 커지면 커질수록 좋지 않은 것(?)

 

식각 측면 형상 

여러 가지가 나타난다. 

 

ⓐ이방성(Anisotropic)

ⓑ등방성(isotropic)

ⓒ테이퍼=> 수직 하지 못하고 경사를 질 때 (ex.tapered profile)

ⓓ보우잉

ⓔ푸팅

ⓕ노칭(리버스 푸팅)

ⓗ역 테이퍼

ⓘI-beam

ⓙ도브 테일링

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CCP 용량성 결합 플라스마

커패시터처럼 양쪽 전극이 나란히 보고 있습니다.

전극 양단에 전압을 인가해서 플라스마를 생성한다.

전극 간의 거리는 좁고 

플라스마 밀도가 상대적으로 낮다.

 

마주 보고 있어서 균일한 플라스마를 형성할 수 있어서

웨이퍼의 면적이 커지더라도 전극만 키우면 된다.

 

단점으로는 

전기장이 한쪽으로만 개방적이고

RF인 경우 왔다 갔다 하지만 

측벽에 부딪히면서 전자가 소모되기도 한다.

그래서 상대적으로 저밀도 플라스마를 생성한다.

 

단일 RF 전원을 사용해서 이온 에너지와 전자 밀도의 독립제어가 어렵다.

RF가 플라즈마 상태도 만들어 주고 

DC self 바이어스를 만들어서 쉬스를 만들어 내는데

쉬스가 스퍼터링(이온 에너지)을 일으켰었다.

 

전자밀도는 플라스마를 발생시키는 전하

==> 하나의 RF를 이용해서 독립적으로 제어하기 어렵다.

 

Dual Frequency를 사용하는 CCP도 존재한다.

한쪽은 LOW 한쪽은 High

 

챔버를 저압으로 가져가면 MFP가 길어지고

이온의 직진성이 커진다(부딪히지 않아서)

그래서 이방성이 개선된다.

하지만 이온/라디칼 밀도가 낮아져서 식각 속도가 줄어든다.

이온 에너지가 증가하면서 스퍼터 식각이 우세해져서 기판이 손상될 수 있다.

 

고압인 겨우 이온/라디칼 밀도가 높고 식각 속도가 높아지지만

이온의 직진성이 떨어지고 화학적 식각이 우세해지고

이방성이 떨어지게 된다.

 

커패시터는 RF 전원 위에 존재하고

음극에 웨이퍼를 올려두고 

반대가 되는 + 전극은 챔버와 같이 연결이 돼있다.

=> 면적 차이가 크게 난다.

 

플라스마 식각 같은 경우

이온의 영향을 줄여야 하기 때문에 전력 전극 쪽에(음극 쉬스가 생기지 않는 쪽) 웨이퍼를 둔다.

==> 이온이 때려서 웨이퍼를 에칭 하는 것을 막는다.

 

전극이 받는 대미지를 줄이기 위해서는 접지 전극의 면적을 줄여야 한다.

라디칼을 사용하려면 전극의 면적 차이를 줄여야 한다.

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ICP는 코일을 이용하는 것인데 챔버를 감으면서 코일을 설치하는 것이다.

챔버의 위쪽에 코일이 감겨있는 것이고 안테나 형태로 제작을 하는데

평면형으로 제작하기도 하고 실린더형으로도 제작을 한다.

 

안테나에서 전류가 흐르면 자계가 생기고 

시간이 지나서 자계가 변하면 시간에 따라 변하는 전기장이 생긴다.

=> 전자들이 원운동을 하게 됩니다.

=> 중성 기체와 부딪힐 확률이 높아지고 측벽에서 충돌할 확률이 줄어든다.

고밀도 플라스마를 생성할 수 있고

 

기판에 저주파 전원을 써주면 음극 쉬스의 전압 차지를 조절할 수 있다.

플라즈마 밀도와 이온 에너지를 독립적으로 제어 가능하다.

 

하지만 균일도가 떨어지며 면적을 크게 하는데 어려움이 있다.