[반도체 8대공정] 2-2 Etch_플라즈마

반도체 8대공정 Etch Plasma

2-1에서 wet etch를 공부했고 dry etch를 들어가기 앞서 dry etch공정에서 사용되는 plasma에 대해 공부해보려고 합니다. plasma는 반도체 8대공정 대부분의 공정에 쓰이고 특히 dry etch에 사용되기 때문에 이해가 선행되어야 합니다.

 

Plasma란?

 

plasma

위 그림과 같이 고체에 열을 가하면 분자 간 결합력이 낮아져 액체, 기체로 변하게 됩니다. 거기서 더 큰 수천 도의 열을 가하면 양이온, 음이온, 전자. 원자, 분자, Radical(활성종), 광자 등 다양한 입자가 있는 상태로 변화하게 됩니다. 이러한 입자가 모여 전기적으로 중성인 상태를 플라즈마 상태라고 합니다.

*Radicla(라디칼) : 활성종이라고 하며 순간적으로 결합이 분리되어 반응성이 매우 큰 종(species)

 

플라즈마 유지 반응

그렇다면 반도체 공정에서 플라즈마는 어떻게 생길까요? 위에서 처럼 수천 도의 열을 계속 준다면 wafer위 막질은 녹아 없어질 것입니다. 반도체 공정에서 plasma는 높은 에너지(전계)를 가해 플라즈마를 발생시킵니다. AC, DC 플라즈마라고 하는데 이는 후술 하겠습니다. 이 에너지를 가해 플라즈마를 발생시키는데 어떻게 플라즈마가 발생하고 유지될지 살펴보겠습니다.

 

1. Ionizaion(이온화)

발생된 플라즈마의 대부분이 이온화에 의해 발생, 유지됩니다.

 

보어의 원자모형

보어의 원자모형을 가져와 봤습니다. 이온화란 중성인 원자가 전자를 잃거나 얻어 전기적 성질을 띄는 것을 의미합니다. 위 보어의 원자모형에서 보면, 중심에서 외곽으로 갈수록 높은 에너지 준위를 가지게 됩니다. 따라서 높은 에너지를 가하면 에너지를 받은 전자가 들뜬상태가 되어 위 그림의 파란색 선 방향으로, 보어의 원자 모양 밖으로 벗어나게 됩니다. 이로써 전자가 분리되어 이온화가 되는 것입니다.

그럼 전자가 벗어난 상태를 그대로 유지할까요? 그렇지 않습니다. 원자들은 화학적으로 안정된 상태가 유지되길 원합니다. 따라서 다시 전자와 결합되어 안정된 상태로 돌아갈 것입니다. 그리고 다시 분리되며 플라즈마가 계속 유지되어야 할 것입니다.

 

*플라즈마에서 특정 색의 빛이 발생하는 이유

위에서 전자는 다시 원래 자리로 돌아온다고 말씀드렸는데 이때 빛이 발생합니다. 위 이미지 초록색 선과 같이 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 가면 남은 에너지는 어디로 갈까요? 빛 에너지로 변환되어 빛이 발생합니다.

*여기서 발생한 빛을 광자, photon이라고 합니다.

 

2. Recombinaion(재결합)

네 위에서 말씀드려 버렸네요. 떠나간 전자가 이온과 만나 원래 중성 상태로 되돌아오는 것을 재결합이라고 합니다. 이 상태가 원래 상태이기 때문에 안정된 상태를 찾고자 되돌아온다고 이해하시면 되겠습니다.

 

3. Excitation(여기)

여기란 이온화와는 조금 다릅니다. 다시 보어의 원자 모양 위 이미지를 보면 이온화는 전자가 아예 밖으로 벗어나 버리지만, 여기는 내각에 있던 전자가 외곽, 최외곽으로 올라가는 것을 의미합니다. 왜 보어의 원자 모양 외곽으로 전자가 올라갈까요? 외곽으로 갈수록 에너지가 높아지기 때문입니다. 플라즈마를 만들기 위해 DC, AC 전압을 가해서 생긴 일이라 이해하시면 되겠습니다. 여기서 전공책은 아래와 같은 표현을 씁니다.

 

e(전자) + A -> A* + e(전자)

 

여기서 A*는 활성종, 라디칼(Radical)이라고 합니다. 전자가 에너지를 받아 들뜬 상태가 된 지금, 이 A라는 원자는 전기적으로 중성이지만 매우 높은 반응성을 가지게 됩니다. 후에 Dry etch에서 서술하겠지만 이 반응성이 높은 원자를 이용하여 식각 공정을 진행하기도 합니다.

 

*마찬가지로 외곽으로 갔던 전자가 다시 돌아오는 과정도 거칩니다. 이를 탈여기(Relaxation)이라고 합니다. 이 과정에서도 높은 외곽에 있던 전자가 내각으로 내려오니 남은 에너지가 빛으로 방출됩니다.

 

4. Dissociation(해리)

1,2,3,4로 분리해둔 이유는 갈수록 플라즈마에서 차지하는 비중이 낮아지기 때문입니다. 가장 Dominant 한 반응은 1번 이온화입니다. 해리는 간단하게 넘어가자면 높은 에너지를 받아 분자가 분리되는 것을 의미합니다. 간단한 화학식 적어두겠습니다.

e(전자) + AB -> A* + B* + e(전자)

 

아직 공부하지는 않았지만 나중에 배울 PVD에서는 이온을, CVD에서는 라디칼을, RIE에서는 둘 모두 사용합니다.

실제 반도체 공정에서는 Chamber라는 밀폐된 공간 내 강한 전계를 가해주어 내부에 있던 원자, 분자들을 위와 같은 반응으로 Plasma상태를 만들어 줍니다. 실제 플라즈마의 이온화율은 0.001% 정도 수준이라고 합니다. 즉 1000개의 원자가 있으면 1개만 이온화된다는 것입니다. 이는 위와 같이 계속 이온화되어도 재결합되어 중성 원자로 돌아가기 때문입니다.

 

지금까지 강한 에너지를 가해주면 위와 같은 이온화, 재결합, 여기, 탈여기, 해리 등의 반응이 연쇄적으로 일어나며, 플라즈마 상태가 유지되는 것을 살펴보았습니다.

플라즈마 발생 원리에 대해 살펴 보았으니 다음에는 이를 이용해 식각을 하는 Dry etch에 대해 공부해 보겠습니다.