지난번에 이어서 오늘은 Plasma의 종류에 대해서 간략하게 정리하는 시간 갖도록 하겠습니다.
[질문1] Plasma의 생성에 대해서는 충분히 잘 들었습니다. 반대로, Plasma의 소멸에 대해서도 설명하실 수 있나요.
Plasma의 발생 원리도 중요하지만, Plasma의 Density와 생성된 Plasma를 유지하기 위해서는 Plasma의 소멸 메커니즘에 대한 이해도 중요합니다. 일반적으로 Plasma의 소멸은 양이온의 중성화, 전자의 Loss로 설명할 수 있습니다. Plasma 내 양이온은 Cathode와 충돌했을 때, 혹은 Chamber 외부에서 Recombination이 일어나면서 중성기체로 돌아가게 되죠.전자의 경우, 양이온과 충돌하지 못 하게 되면 Anode로 들어가면서 전자 Loss가 발생하게 됩니다.양이온과 전자의 Loss가 높으면 높을수록, 앞서 설명드렸던 글로우 방전을 일으키기 어렵기 때문에 Plasma의 Density가 낮아지거나 완전히 소멸하게 됩니다.
[꼬리 1-1] 그럼 Plasma를 유지하거나 Plasma Density를 높이기 위한 방법에 대해서 이야기해주세요.
답변 드리겠습니다. 앞서 설명드렸던 Plasma의 손실 메커니즘을 보면 우리는 Plasma를 유지하고 혹은 Plasma Density를 높일 수가 있습니다. 양이온이 Cathode로 가속되어 이온충격이 일어나게 되면, 양이온은 전자를 받아 불가피하게 양이온 Loss가 발생합니다. Plasma를 안정적으로 유지시키기 위해서 높은 전압을 인가하여 2차전자의 생성을 극대화시킴으로써, 양이온 Loss보다 생성량을 증가시키게 되면 글로우 방전이 일어나면서 안정적으로 Plasma를 유지할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 전자의 Loss를 줄임으로써 양이온의 생성량을 극대화 할 수 있습니다. 앞서 설명드렸던 것과 같이 (1편 참고) 파센 법칙에 의해 챔버내 기체의 압력, 전극간의 거리의 근거로 방전개시전압이 커지면서, 양이온의 생성량이 감소합니다. 이때, 전극으로 흘러 들어가는 전자의 Loss를 줄이기 위해서 자계를 이용해 전자를 회전운동시킴으로써 중성기체원자와의 충돌확률을 높여 양이온의 생성률을 극대화 시킬 수가 있습니다.
[꼬리 1-2] Plasma에 대해서 많이 준비하셨군요. 엔지니어 관점에서 Plasma의 특성을 이야기 할 수 있을까요.
음.. 잠시 생각할 시간을 주시겠습니까. 답변 드리겠습니다. 저는 질문 주신 엔지니어 관점을 '제어 가능한'으로 해석했습니다. 첫 번째는 플라즈마의 전기적 특성이라고 생각합니다. 플라즈마를 구성하는 양이온과 전자는 Charge를 가지고 있기 때문에 엔지니어가 전압을 인가하여 공정 조건을 최적화하는 데 있어 중요한 공정 변수로 작용합니다. 다음은 자기적 특성입니다. Plasma의 Density를 높이기 위해서 자기적 특성을 이용하여 Plasma를 집중시킬 수 있고, 그에 따라 Plasma Density를 높일 수 있어, Etch나, Depo. rate을 제어할 수 있습니다. 마지막으로 화학적 특성입니다. Plasma를 구성하는 활성종의 농도를 제어함으로써, RIE나 Depo, Cleaning 공정에 적용시킬 수 있어, 엔지니어 는 이러한 Plasma의 특성을 활용하여 Plasma가 적용되는 공정 조건을 최적화 시킴으로써 초기 공정 안정화를 달성할 수 있습니다.
[질문 2] DC Plasma와 RF Plasma의 차이에 대해서 간략하게 설명하세요. (다음 장에서 자세히 다루겠습니다!)
DC Plasma와 RF Plasma는 Plasma를 생성시키는 방식의 차이가 있습니다. 먼저, DC Plasma의 경우 Anode와 Cathode 양단의 전극이 존재하고, 그 사이에 중성가스 입자를 주입하여, 양극 사이에 가해지는 전압을 통해 Plasma가 생성됩니다. 특히 Cathode 부근에 형성되는 Sheath Voltage에 의해 양이온이 Cathode로 가속되면서 글로우 방전으로 인해 Plasma가 생성된다고 할 수 있습니다. DC Plasma의 경우 Sputtering이나 Etching 공정에 적용되며, 부도체 전극에는 Charging up이 일어나면서 Sheath Voltage가 작아져 글로우방전을 유지할 수 없기 때문에, 도체 전극에만 적용 가능합니다. RF Plasma는 교류를 이용한 방전으로 Plasma를 형성합니다. RF Plasma의 경우, 교류가 인가됨에도 불구하고 Self Bias (자기 바이어스 효과)로 인해 Sheath Voltage를 형성하기에 글로우방전을 일으켜 Plasma를 형성할 수 있습니다. 또한, 교류가 인가되기 때문에 DC와 달리 부도체 전극에 Charging이 되는 이슈를 개선하여, 부도체 전극에서도 Plasma를 안정적으로 유지할 수 있는 특징을 가집니다.
[꼬리 2-1] CCP type과 ICP type Plasma Source에 대해서 이야기해주세요.
CCP Type과 ICP Type의 Plasma Source에 대해서 말씀드리겠습니다. CCP Type은 앞서 말씀드린 것과 같이 두 개의 Anode, Cathode 전극 사이에 중성 가스 기체입자를 주입하고, #다양한 주파수를 가지고 만드는 Diode 형태의 Plasma입니다. ICP Type은 CCP type과 달리 Coil을 감아 유도기전력을 이용하여 Plasma의 Density를 향상 시킨 기술입니다. CCP Type의 경우, ICP Type 대비 Plasma Density가 낮지만, 양단의 바이어스 제어를 통해 이온에너지를 충분히 높힐 수 있고 Plasma 균일도 또한 상대적으로 우수하여 대면적 공정이 가능하다는 특징이 있습니다. ICP Type의 경우 Coil에 RF Power를 인가하여 고밀도의 자기장을 발생시키고, 이로 인해 Plasma가 집중되면서 고밀도의 Plasma를 발생시킬 수 있습니다. Plasma Density가 높기 때문에 저압공정에서 안정적으로 Plasma를 활용한 공정이 가능합니다.
[꼬리 2-2] CCP랑 ICP가 무엇을 의미하는지는 알고 이야기 하는 건가요?
물론입니다. CCP는 Capacitively Coupled Plasma로 Plasma의 생성 메커니즘이 전극 표면에 전하 분포로 형성된 전계 기인으로 방전이 일어납니다. 전극 표면에 형성된 전하 분포는 Sheath라 하며, 양단의 바이어스로 Sheath Voltage를 Control 함으로써 Plasma를 생성 및 유지 할 수 있습니다. ICP는 Inductively Coupled Plasma로 챔버를 Coil로 감아 RF Bias를 인가하고 유도된 전기장을 이용하여 Plasma를 생성 및 유지시키는 기술입니다.
[꼬리 2-3] CCP type Plasma Source의 장단점과 응용에 대해서 이야기해주세요.
CCP Type의 Plasma Source는 ICP Type 대비 단순한 구조를 가지며, 양단의 높은 전압으로 이온에너지가 ICP Type 대비 상대적으로 높습니다. 따라서, Dielectric 막질 같은 결합이 강한, 단단한 Target Film을 Etching하는데 용이합니다. CCP의 가장 큰 장점은 바로 Plasma를 발생시키기 위한 RF 주파수를 다양하게 운용 가능하다는 점입니다. (주파수 운용을 더욱 세밀하게 제어할 있음) 특히, 3.2MHz 이하 Low Frequency(LF) 대역에서도 Plasma 생성이 가능하여, 좁고 깊은 High Aspect Ratio Profile 형성에 용이하기에 HARC 공정에 적용됩니다. 하지만 저압에서 기체압력이 작아지고, 전자의 Loss가 심하여 Plasma Density가 상대적으로 낮습니다. 또한 이온에너지가 높기 때문에 기판에 손상을 줄 수 있습니다. CCP Type의 대표적인 응용은 Reactive Ion Etching인 RIE입니다. CCP Type에서 Cathode 전극에 Wafer를 로딩하면 RIE 공정으로, DC Negative 자기바이어스 현상으로 이방성 식각이 가능합니다. Anode(GND)에 Wafer를 Loading하면 단순 Plasma Etching이 가능한 특징이 있습니다. ※ CCP의 경우 LF를 사용하기에, High Aspect Ratio의 Deep Contact/VIA Hole 형성 시 Loading Effect를 최소화 할 수 있습니다. (CCP type도, High Freq.를 사용하면 역시 Plasma Density를 어느 정도 높일 수 있음. 하지만, Standing Wave Effect에 의해서 Plasma Uniformity가 저하되는 이슈 존재). 물론 ICP 역시 저압에서 고밀도의 Plasma를 만들어낼 수 있기에, High Aspect Ratio Etch가 가능함. CCP와 ICP 어느 Source를 사용하는지는 공정 개발 시, 공정 Target에 따라 검토된다는 점 참고하세요!
※Tip : Loading Effect (속성과외 : Etching편에서 자세히 다루겠음) 1) Macro Loading Effect : 단위 면적당 반응물의 Residue Time, 농도 차이가 커지면서 Size가 큰 혹은 Iso. 패턴의 식각 속도가 지연되는 현상. → ① Solution : 반응종의 Residue Time을 높이자!!. 압력 (↑), Bias Power (↓) → 충분한 반응종 전달. ② Solution : Dummy Pattern으로 Residue Time을 동일하게 만들자!! : Etch Uniformity 향상!
2) Micro Loading Effect : Pattern의 Size / Pattern의 Density / Aspect Ratio 와 같은 Pattern 혹은 Profile 차이에 기인한 Etch rate Uniformity 저하 현상 ① RIE Lag (Aspect Ratio에 따른 Etch Rate 감소 현상) : 에칭시 반응으로 생성된 Byproduct의 Pumping out Rate 저하로 Etch Rate의 Uniformity 저하. Byproduct가 Re-deposition되면서 실제 Target 막질 Etch rate 지연 → Solution : 저압 공정 → MFP (↑) 원활하게 Pumping out!!!, Residue Time 감소!!! ② Inverse RIE Lag : High AR 깊은 곳에 Passivation Layer가 잘 형성되지 않아, Etch Rate이 큼.
[꼬리 2-4] ICP type Plasma Source의 장단점과 응용에 대해서 이야기해주세요.
ICP type Plasma Source의 경우, 앞서 말씀드렸듯이 Coil을 감고 RF Power를 인가하여 유도전기장을 통해 저압에서도 고밀도 Plasma 생성이 가능합니다. ICP의 장점은 CCP 대비 10~100배 수준으로 높기에, 높은 Etching/Depo. Rate을 달성할 수 있습니다. 또한 Plasma Density와 Sheath Voltage를 독립적으로 Control 할 수 있어, Selectivity를 향상시키거나 HDPCVD 공정에서 Sputtering을 통해 Overhang을 제거하여 우수한 Step Coverage를 특성을 확보할 수 있습니다. ICP Type의 경우, 유도전기장을 통한 전자의 회전운동으로 인해, Plasma가 Donut 형태로 형성되기에, Plasma의 균일도가 낮은 이슈가 있습니다. 하지만 Plasma Source 원천기술의 발전으로 Antenna 모양을 변경하는 등 Plasma의 Uniformity를 높이는 기술들이 연구가 되었고, 현재는 균일도가 향상되어 STI, Gate 와 같은 Line 형태의 Pattern같이 넓은 영역에 Global한 Etch할 때, 사용됩니다.
[꼬리 2-5] Plasma 공부를 정말 많이 하셨네요. Source Type에 따라 Plasma 구성 차이에 대해서도 알고 있나요?
답변 드리겠습니다. CCP와 ICP Type은 Plasma를 생성한다는 점에서 동일하지만, Plasma 내부를 들여다 보았을 때, Dissociation Fraction 비율이 다릅니다. CCP Type의 경우 CF, CF2, CF3와 같은 Polymer 계열의 반응성 이온들이 많이 존재합니다. 특히 CF와 CF3의 경우 Passivation Layer 형성 목적의 반응종이므로 CCP Source의 경우, Side wall의 보호막을 형성하는데 용이합니다. ICP의 경우, 고밀도의 고에너지 Plasma로 인하여, 반응종들이 더욱 잘게 쪼개지면서 Fluorine 같은 식각의 화학적 반응을 일으키는 활성종들이 많습니다.
[질문 3] 그 외 Plasma Source에 대해서 아는대로 설명해보세요. [참고만 할 것]
① MERIE(Magnetically Enhanced RIE) 외적으로 두개의 평행판 전극을 사용하는 형태의 Plasma Source를 가지는 RIE의 변형 방식으로 Plasma 공간에 자기장을 인가함으로써 (유도전기장 아님) Ion 발생확률을 높여 High Density의 Plasma를 생성하는 MERIE방식이 있습니다. RIE 대비 이온화율이 높고 저압에서 공정이 가능하다는 특징이 있습니다.
② ECR (Electron Cyclotron Resonance) 다음은 Plasma 내에 자기장을 인가하게 되면 주파수가 발생하게 되어, 전자가 회전운동을 하게 되는데 이때, 같은 주파수의 Microwave를 입사시켜 전자공명을 발생시킴으로써 전자의 운동이 강화됩니다. 전자의 운동이 강화되면 회전반경이 커지고 중성기체 입자들과의 충돌확률이 높아지면서 고밀도의 Plasma를 형성할 수 있습니다. 수직으로 Magnetic Coil이 감겨져 있는 구조이며, Microwave를 사용하기 때문에 전자온도가 낮아 Wafer에 Damage를 줄일 수 있다는 장점이 있습니다.
③ TCP (Transformer Coupled Plasma) 역시 RF Coil을 사용하는 형태의 Plasma Source입니다. 다른 챔버 전체를 Coil이 감싸는 다른 Source들과 달리 TCP는 RF Coil이 챔버의 상부에만 존재하며, 자기장과 전기장으로 전자의 회전 및 가속을 통해 방전을 일으킵니다. 구조가 간단하고, 고밀도의 Plasma 형성, 그리고 Plasma Density와 Sheath Voltage를 독립적으로 제어 가능하다는 장점이 있습니다.
④ Helical Plasma (나선형) RF Coil을 사용하는 형태로 반구형의 챔버를 사용한다는 점에서 차이가 있습니다. Plasma의 Down Stream이 나선형(Helical) 형태로 발생하게 됩니다.
⑤ HDP (High Density Plasma) Plasma Density가 10e+11 이상인 Plasma를 통틀어서 HDP로 표현합니다. 저압에서도 안정적이고 균일한 Plasma를 유지할 수 있으며, 역시 Plasma Density와 Ion Energy를 독립적으로 Control할 수 있는 특징을 가집니다. Process Window 마진이 비교적 좁고, Electron의 에너지가 높아 Process를 Control 하기 어렵다는 단점이 있습니다. 위에서 언급한 ECR, TCP, Helical, ICP 모두가 해당된다고 할 수 있습니다.
여러분들 오늘은 Plasma Source에 대해서 간략하게 다루어보았는데요. 많이들 하는 질문 중 "HDPCVD는 무조건 ICP를 사용하나요??"가 있습니다. 위에서 언급한 것 처럼 High Density Plasma의 Source는 정말 다양합니다. ICP도 HDP Source의 일부일 뿐이며, HDP 달성을 위해 장비사에서는 자사 자체 특허를 보유하고 있고, 원천기술 개발에 힘쓰고 있다는 점!
참고 부탁드리겠습니다.
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