비 전공자도 쉽게 이해할 수 있는 반도체 "Plasma"

반도체 소자를 제조하는 반도체 산업에서는 Plasma를 이용하는 공정을 굉장히 많이 사용합니다. Plasma는 고온, 고에너지를 생성하므로 기판의 표면을 사용자의 요구에 맞게 처리할 수 있습니다. 또한, 정밀한 패턴을 깔끔하게 처리하여 소자의 효율과 성능을 높이는 역할을 합니다. 이번 피드에서는 소자의 성능, 효율, 그리고 안정성을 높일 수 있는 플리즈마 소스에 대해서 알아보겠습니다.

Plasma란?

Plasma 소스를 알아보기 전 Plasma에 대해 먼저 알아보겠습니다. Plasma란 무엇일까요? 많이 들어보셨을 테지만, 정확하게 설명하기에는 어려우실 것이라고 생각합니다. Plasma는 고체, 액체, 기체 이외의 제4의 상태라고 많이 부릅니다. 제4의 상태가 되기까지의 과정을 살펴보겠습니다.

 

우리는 고체 상태의 물질을 기체 상태로 변화시키기 위해서 물질을 가열합니다. 여기서 학자들은 물질을 기체 상태의 이상으로 온도를 높이면 어떻게 될까?라는 의문이 들었습니다. 이후 수천 도의 온도로 가열하니 기체 분자들끼리 격렬한 충돌을 일으켜 이온화되고 다수의 양이온과 전자가 발생하였습니다. 발생한 양이온과 전자는 어느 것과도 결합하지 않고 공중에서 떠돌아다니는 상태가 되는데, 이를 우리는 Plasma라고 부릅니다.

 

이 Plasma는 자유 운동을 하는 전자와 이온으로 인해 고에너지를 가지는 특징을 가집니다. Plasma는 이러한 특징뿐만 아니라 전하를 갖는 물질임으로 전기 전도도가 높고, 화학적으로 물질을 활성화해 다른 물질과의 반응성을 높일 수 있는 특징이 있습니다. 반도체 산업에서는 이러한 Plasma를 어떻게 생성할까요? 그리고 어느 공정에 사용될까요? 

Plasma 생성 방법

먼저, Plasma 생성 방법에 대해 알아보겠습니다. 플라즈마 생성 방법은 크게 ICP(Inductively Coupled Plasma), CCP(Capacitively Coupled Plasma)로 나눌 수 있습니다.

ICP Plasma 방식

1) ICP 방식은 Source 주변에 코일을 감싸 Plasma를 생성하는 방식입니다.

 

2) 감아 놓은 코일에 전류를 흘리면, 자기장이 형성되고, 자기장을 통해 유도된 전기장을 통해 Plasma가 생성됩니다.

 

3) 낮은 압력을 이용하는 공정에서 주로 사용됩니다.

 

4) ICP 소스를 구성하는 요소가 굉장히 복잡하고, 위치에 따라서 Uniformity가 떨어지는 단점이 있습니다.

CCP Plasma 방식

1) CCP 방식은 두 전극 사이에서 발생하는 전기장에 의해서 Plasma를 생성하는 방식입니다.

 

2) 평행한 두 전극에 서로 다른 전압의 걸어주면, 한 방향으로 전기장이 형성되고, 한 방향으로 당겨진 이온이 기판에 충돌해 공정이 진행됩니다.

 

3) ICP 방식보다 비교적 높은 압력을 이용하는 공정에서 주로 사용합니다.

 

4) CCP 방식은 평행한 두 전극을 이용한다는 점에서 균일한 Plasma가 생성되는 장점이 있지만, 전자가 이동 중 체임버의 벽에 부딪혀 Plasma의 밀도가 낮아질 수 있고, 전극에 높은 에너지가 가해져 기판을 손상할 수 있는 단점이 있습니다. 

 

위와 같은 Plasma의 특징, 생성 방식을 이용해 반도체 산업에서는 반도체 소자 공정을 합니다. 크게 Etching, Deposition, Ashing 공정에 사용됩니다. 

Plasma를 이용한 공정

건식 식각(Dry etching)

건식 식각은 기판의 표면 패턴을 형성하기 위해 Plasma를 이용합니다. 공정 체임버 안에서 공정에 적합한 압력을 맞추고, Plasma와 반응할 수 있는 가스를 주입합니다. 이후 체임버에 에너지를 가해 Plasma 생성을 유도하여, 특정 물질을 제거하여 패턴을 형성할 수 있습니다.

RIE 식각(Reactive ion etching)

RIE 식각은 좀 더 고도화된 기술로 건식 식각과 같이 Plasma를 이용하는 공정인 것은 동일하나, 건식 식각은 화학적인 반응으로 불필요한 물질을 제거하는 역할을 하지만, RIE 식각은 Plasma에 의해 생성된 이온들이 기판에 물리적으로 충돌하여, 물질을 제거하는 공정입니다. 건식 식각에 비해 높은 식각 속도와 정밀한 제어가 가능합니다. 또한, 고 정밀한 제어 기술로 높은 선택비를 유지할 수 있다는 장점이 있습니다.

증착 공정(Deposition)

생성된 Plasma를 이용하여 증착하려는 물질을 가스 상태에서 기판의 표면으로 증착할 수 있습니다. 증착에 필요한 가스를 공정 체임버에 주입하면 에너지를 받은 활성화된 이온은 표면에 충돌하면서 박막을 형성합니다.

Ashing Process

Ashing 공정은 Plasma를 이용하여, 패턴을 새기기 위해 활용했던 PR(Photo Resist) 또는 Hard mask를 제거하는 공정을 말합니다. 마찬가지로 공정 체임버 안에 PR 또는 Hard Mask와 반응할 수 있는 가스를 주입하면, PR과 Hard Mask를 구성하고 있는 물질과의 반응을 통해 기체의 형태로 잔여물이 제거되는 방식입니다.

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