[3일차] Part 2. 반도체 공정 (식각공정 Feat. 플라즈마)

 

Part 2. 반도체 공정 (식각 공정)

 

1. 플라즈마

1) 플라즈마의 정의

2) 플라즈마의 생성

3) 플라즈마의 특성

4) DC 플라즈마

5) RF 플라즈마

 

2. 식각 공정

1) 식각 공정 개요

2) 건식 식각 공정

3) 식각 공정 변수 및 형상

4) 플라즈마 소스 (CCP/ICP)

 

1. 플라즈마

1) 플라즈마의 정의

- 중성 입자 + 전자 + 이온 + 활성종(라디칼) + 여기된 중성종 + 광자(빛)

- 이온과 전자가 공존하는 상태

- 반도체 공정의 플라즈마의 이온화율 : 약 0.001% ~ 수% 정도

- 특성 : 전기적 준 중성 상태 Quasi-Neutrality

 

2) 플라즈마의 생성

- 진공 챔버에 반응 가스를 주입 -> 강한 전기장을 인가 -> 전가 가속 (고온 전자) -> 중성 원자와 충돌!! -> 이온화 -> 새로운 전자 생성 -> 이온화 연쇄 반응 -> 플라즈마 상태 유지

 

이온화, 재결합, 여기, 탈여기, 해리(CF3 + F ; 중성!- 활성종 radical)

 

3) 플라즈마의 특성

① 이온화 에너지

- 이온화가 일어날 수 있는 최소 에너지

: 원자로부터 가장 약하게 결합되어 있는 전자를 제거하는데 드는 에너지

(~15eV @Ar)

- 전자에너지 >> 100eV -> 전자의 속도가 너무 빨라, 충돌 확률 낮음.

(전자가 Ar의 전자에 에너지를 전달 할 시간이 없음)

 

② 파셴 커브 (Paschen's Curve)

- x축: 압력 P * 거리 d / y축 : 방전전압 V

=> 방전전압이 낮을 수록 플라즈마를 낮은 전압에서 만들 수 있음. 효율이 좋다!

- Low P*d : 전자가 가스 분자와의 충돌 없이 (MFP↑) 양극에 도달 -> 방전 전압 증가

- High P*d : 전자가 가스 분자와의 너무 많은 충돌 -> 이온화 에너지가 부족

- 최적 조건 : 최상의 공정 결과 기준으로 Setting

 

4) DC 플라즈마 (직류)

* 플라즈마 전위 & 플라즈마 쉬스(Sheath)

: 전극 근처에서의 현상

- 진공 챔버 내 평행 전극에 직류 전압 인가 -> 플라즈마 생성

 

① 음극(Cathode)

- 강한 음의 전압 인가하면 양이온으로 가득 참.

- 어두운 영역 - 음극 쉬스 (cathode sheath) (플라즈마 발생되지 않아서)

- 양이온이 강한 전기장에 끌려 높은 에너지로 음극에 충돌 -> 스퍼터링 -> 2차 전자 생성 (양이온을 가속시키는 역할)

 

② 양극 (Anode)

- 전자의 속도 >> 이온의 속도 (~*1000)

- 접지 전극 -> 빠르게 전자가 빠져나감

- 전극 근처는 양이온으로 가득참.

- 양이온 -> 공간 전하로 작용 -> 접지 전극 대비 전위 증가

- 플라즈마 전위(Vp) 형성 -> 전자 진입 방해

- 어두운 영역 (dark space) -> 양극 쉬스 (anode sheath)

 

5) RF 플라즈마 (고주파 플라즈마) - 필요 이유?

- 직류 DC 플라즈마 -> 전도체 금속일 때 사용 가능 but 부도체의 경우 문제 발생(전자 공급을 못함)

- 진공 챔버 내 반응 가스 주입 후 전기 회로 ON -> 플라즈마 생성 -> 음극에 양이온 가속되어 부도체 표면에 충돌 -> 부도체 표면의 음전하를 중화 -> 양전하 축적 -> 음극 전압 상승 -> 두 전극 간의 전압 차 감소 -> 플라즈마 OFF

- 플라즈마를 지속적으로 유지 -> 절연체 표면에 축적된 전하 제거 필요

: RF 플라즈마 (13.56MHz)

 

5) RF 플라즈마 (고주파 플라즈마) - DC 자기 바이어스

- RF 인가 -> 플라즈마 유지 -> 두 전극에 동일 RF 전압 인가 -> DC 극성 교반 효과 밖에 없음.

- 스퍼터링 위한 특정 전극에 큰 Bias (음극 쉬쓰) 필요! -> 직류 자기 바이어스 DC Self Bias

- DC Self Bias

＃ 요건 : DC 전류 차단용 차단 커패시터 (Blocking capacitor) & 두 전극 간 면적 차이 필수

# 원리 : 전력 전극 -> (전자 속도 >> 이온 속도) -> 음 전압 형성 -> 반복 -> 평형(순 전류 zero) 조건 만족 음 전위 형성

 

 

 

2. 식각 공정

1) 식각 공정 개요

2) 건식 식각 공정

3) 식각 공정 변수 및 형상

4) 플라즈마 소스 (CCP/ICP)

 

 

1) 식각 공정 개요

- 식각 공정 : 박막 전부 또는 포토 공정에서 Define 된 영역을 물리, 화학적 방법으로 제거하는 공정으로, 주로 반응성이 강한 할로겐 계열(불소, 염소 등) 물질 사용

 

 

2) 건식 식각 공정

 

3) 식각 공정 변수 및 형상

① 식각 속도

② 식각 선택비

- 다결정 실리콘에 대한 산화막의 식각 선택비

③ 식각 바이어스(?)

- DI(포토 후 Develop Inspection) > FI (식각 후 Final Inspection) : (-) bias

- DI(포토 후 Develop Inspection) < FI (식각 후 Final Inspection) : (+) bias

④ 균일도

- With in Wafer : WIW

- Wafer to Wafer : WTW

 

⑤ 식각 측면 형상(Profile!)

 

4) 플라즈마 소스 (CCP/ICP)

 

① CCP (Capacitively Coupled Plasma)

- 커패시터 형태로, 전극 양단에 전압을 인가하여 플라즈마 생성

- 플라즈마 밀도 10^9~10^11 ㎤ (ICP 보다 낮음)

 

장점

- 균일한 플라즈마를 형성 -> 대면적 가능

 

단점

- 전기장이 한쪽 방향으로만 개방적 -> 상대적으로 저 밀도 플라즈마

=> 전극 간의 거리가 좁아서 전자가 가속되기 전 챔버 벽면 등과 충돌

- 단일 RF 전원으로 이온 에너지와 전자 밀도 독립 제어 어려움. -> 2중 주파수 (Dual Frequency) CCP

 

# 저압일때,

MFP ↑ → 이온의 직진성 높아짐 → 이방성 개선

- 이온/라디칼 밀도 감소 → 식각 속도 감소

- 이온 에너지 ↑ → 스퍼터 식각 우세 → 기판 손상

 

# 고압일때,

이온/라디칼 밀도 높아짐 → 식각 속도 증가

- 이온 직진성 감소 → 화학적 식각 우세 → 이방성 감소

 

② ICP (Inductively Coupled Plasma, 유도 결함 플라즈마)

- 코일을 챔버 외벽 또는 상부에 안테나 형태로 제작 → 평면형, 실린더형

- RF 전류 → 시변 자기장 생성 → 전기장 유도 (원형) → 전자 회전 가속 → 챔버 벽과의 충돌 방지 → 고밀도 플라즈마 (10^11~10^13)

 

* 맥스웰 방정식

전류가 생기면 Magnetic field (자계) 가 생김.

시간에 따라 자계가 변하면 Electric Field(전기장)가 생김.

전자들이 원운동을 하게 됨.

 

장점

- RF 전원 2원화 → 플라즈마 밀도와 이온 에너지의 독립적 제어 가능

- 플라즈마 밀도 높아 → 식각 속도 높아 → 저압 공정 가능 → 이방성 확보

 

단점

- 균일도 낮음 → 대면적화 어려움 → multi-ICP 등