저번 장에서는 LPCVD에 대해서 알아보았습니다. LPCVD가 왜 저압으로 가게 되었는지, 그리고 고온공정이 되었는지에 대해서 알아보았습니다. 이번에는 플라즈마를 에너지원으로 한 PECVD에 대해서 알아보겠습니다.
[질문 1]. Plasma Enhanced CVD, PECVD에 대해서 설명해보세요.
PECVD는 반응소스를 활성화시키기 위해 플라즈마를 에너지원으로 사용하는 공정입니다. 고에너지의 플라즈마를 이용하면 기존 LPCVD와 같이 고온의 열에너지로 활성화시키는 것과 달리 저온에서 반응소스를 활성화시키기 때문에 저온에서 박막 증착이 가능하다는 장점을 가지고 있습니다. 최근 반도체 산업은 플라즈마를 적극적으로 활용하여 반응에 필요한 activation energy를 감소시켜 낮은 온도에서도 반응을 유도함으로써 열역학적 한계를 극복하고 있습니다.
Schematic diagram of PECVD system
[꼬리 1-1]. 플라즈마에 대해서 설명하세요
"Plasma는 반도체 산업에서 정말 중요합니다. 추후 plasma만 단독으로 다루는 시간을 갖겠습니다."
플라즈마는 고체, 액체, 기체 그리고 플라즈마 즉, 물질의 제 4상태입니다. 플라즈마는 전기적으로 중성상태이지만, 사실상 이온화 기체와 전자가 집단적 거동을 보이는 준중성 상태입니다. 플라즈마를 형성하기 위해서는 기체 상태에 높은 에너지를 가하면 플라즈마 상태가 됩니다. 플라즈마를 형성하기 위해서는 10만℃ 이상의 온도를 가해주거나, 강한 전계를 인가해줌으로써 플라즈마를 형성할 수 있습니다.
플라즈마 내에서 반응가스의 주요 반응은 ionization, excitation, dissociation 3가지로 분류됩니다. 첫 번째 ionization은 플라즈마 형성 메커니즘에 기인합니다. 전자 충돌에 의해 원자 또는 분자로부터 전자가 탈출하고 이온이 형성됩니다. 플라즈마 상태를 지속적으로 유지하기 위한 필수적인 반응입니다. 두 번째 excitation은 전자가 기저상태에서 원자 또는 분자와 충돌하여 여기상태로 전이됩니다. 이때 여기상태의 전자가 다시 기저상태로 안정화 되면서 에너지가 방출되고 이는 다양한 파장의 빛으로 방출합니다. 세 번째는 dissociation입니다. 흔히 radical이라고 표현합니다. 전자 충돌에 의해 분자들이 원자형태로 해리되면서 열역학적으로 활성화 에너지가 높아 분해가 어려운 분자들도 쉽게 해리되어 CVD 박막 형성에 용이해집니다.
[꼬리 1-2]. PECVD와 LPCVD의 차이에 대해서 설명하세요
PECVD는 LPCVD 대비 공정온도가 훨씬 낮습니다. LPCVD는 보통 600-900℃에 공정온도를 가지며, PECVD는 200-500℃의 공정온도로 thermal budget을 낮추기 위해 도입된 기술입니다. 뿐만 아니라 PECVD는 gas flow, plasma power, pressure, reaction temperature 같이 박막을 제어하기 위한 다양한 변수가 존재하며, 이 변수를 제어함으로써 박막의 막질, thickness를 제어하는 등 공정유연성이 높습니다. 하지만 저온에서 공정하다보니 LPCVD에 비해 막질이 우수하지 않으며, Step Coverage가 불량하기에 우수한 막질을 요구하지 않는 step에서 주로 사용됩니다. (BEOL) 또한 Plasma를 사용하다 보니, plasma damage의 가능성이 있다는 단점이 있습니다.
[꼬리 1-3]. Plasma damage가 무엇인지 설명하고 PECVD를 왜 사용하게 됐는지 설명하세요.
Plasma는 가스 내에 charge가 존재하며, 반도체 소자의 금속 배선을 통해 플라즈마 내의 charge가 배선을 타고 소자를 손상시키는 것을 plasma damage라고 합니다. PECVD로 성장한 박막의 막질이 LPCVD보다 우수하지 못하고 Step coverage도 저조하지만, '저온공정'이 가능하다는 강점이 큰 이유입니다. 저온공정은 thermal merge를 방지할 수 있습니다. 예를 들어, Al의 경우 melting point가 660℃보다 높습니다. 상부막의 SiO2를 600-900℃의 공정온도를 가지는 LPCVD로 증착할 경우 Al이 melt되는 이슈가 발생하게 됩니다. 그래서 우수한 막질이 요구되지 않는 back end of line, BEOL에서 thermal budget을 낮추기 위한 저온공정이 요구되는 step에서 사용됩니다.
[PECVD 정리] 1. 동작 특성 -Process pressure : 0.1-0.5 Torr -Process Temperature : 200-500℃ -RF Frequency : 13.56MHz
2. Advantages ① Low temperature, 저온공정 -저압상태에서 gas를 주입하고, 플라즈마를 반응에너지원으로 사용하기 때문에 저온에서 증착이 가능.
박막
Precursor
Thermal Deposition (℃)
Plasma Enhanced (℃)
SiN
SiH4 or SiH2Cl2, NH3
750
200 - 500
SiO2
SiH4, O2 or N3O
350 - 550
200 - 400
TEOS, O3
700 - 900
300 - 500
A-Si
SiH4
550 -600
300 - 400
② 다양한 공정 변수 (gas flow, plasma power, pressure, reaction temperature 등) -stress, moisture, resistance, density 제어 가능 ③ 높은 생산성. PECVD는 LPCVD보다 Depo rate이 높음. ④ Moisture blocking ⑤ Good Mechanical strength
3. disadvantages ① Poor gap fill capability ② Plasma damage ③ Complex equipment
[질문 2]. High Density Plasma CVD, HDPCVD에 대해서 설명해보세요.
HDPCVD는 High Density Plasma CVD로 기존 PECVD의 단점을 극복하기 위한 솔루션으로 개발된 장비입니다. PECVD는 저온공정임에도 불구하고 Throughput이 높다는 장점이 있지만 소자 dimension이 점점 작아지면서 Aspect ration가 높은 좁고 깊은 depth profile을 구현하기에는 step coverage가 저조하다는 단점을 가집니다. 그래서 PECVD의 Step coverage 이슈를 개선하기 위한 방식이 바로 HDPCVD입니다.
Schematic diagram of HDPCVD system
[꼬리 2-1]. HDPCVD가 PECVD의 Step coverage를 어떻게 개선시키는지 설명하세요
우선 높은 Aspect ratio의 profile의 gap fill 능력을 키우기 위해서는 Mean Free Path, MFP가 커야 합니다. 그러기 위해서는 더욱 저압이 요구됐습니다. 하지만 저압이 요구되면서 Plasma denisty가 감소하는 이슈가 발생했습니다. 그로 인해 plasma source를 CCP type이 아닌 ICP type의 High plasma density source로 바꿈으로써 고밀도의 plasma를 구현했습니다. 그래서 저압에서도 높은 플라즈마를 유지하면서, 우수한 step coverage를 확보할 수 있습니다. 더 나아가 back bias를 인가할 수 있어, deposition과 식각을 반복하면서 void 형성과 같은 defect 발생확률을 낮추고 Step Coverage를 극대화시킬 수 있습니다.
[꼬리 2-2]. CCP type 과 ICP type plasma source의 차이에 대해서 설명하세요
CCP는 Capacitively Coupled Plasma의 약자로 전극 표면에 분포된 전하로 형성된 축전 전기장을 형성시킵니다. 그래서 두 전극에 바이어스를 인가하기 때문에 electron 방향이 전극방향이고 전극으로 들어가는 전자에 의해 electron loss가 심합니다. ICP type은 Inductively Coupled Plasma로 챔버 주변에 코일을 감아놓은 상태입니다. 코일에 RF를 인가하여 유도전기장을 형성시켜 Electron의 회전운동을 유도하면서 electron의 운동 path가 전극 내부에서 잘 격리되어 전자 loss를 최소화 시킬 수 있습니다. 그리고 전자와 가스 분자의 충돌확률이 증대되면서 high plasma density 구현이 가능해집니다.
[꼬리 2-3]. PECVD도 저압에서 plasma power 높여서 plasma density 올리면 되잖아요?
물론, plasma density를 높이기 위한 방법에는 gas의 량 (압력), plasma power로 plasma density를 조절할 수 있습니다. 저압 공정 환경에서 plasma power를 높인다면, 일시적으로 plasma density가 증가할 수 있지만, 전자의 충돌없이 gas 입자를 통과해서 전극으로 이동하여 오히려 전극이 타버리는 이슈가 발생할 수 있습니다. 또한 Bias를 증가시키면 Sputtering rate이 증가하게 되고, 그로 인해 wafer 온도가 하게 되고, plasma damage가 더욱 심화되어 소자의 손상이 가는 이슈가 발생하게 됩니다.
[꼬리 2-4]. HDPCVD은 무슨 이슈가 있는지 설명하세요
최신 증착 공정에서 HDPCVD를 주로 사용하고 있습니다. 특히 Shallow Trench Isolation 소자분리막을 형성할 때, 좁고 깊은 depth profile을 가지기 때문에 이를 충분히 cover 하기 위해서 HDPCVD 공정이 적용되고 있습니다. 0.01% 이하의 PECVD 대비 1%로 HDPCVD는 100배 이상 Plasma density가 높습니다. 높은 plasma density는 PECVD보다 우수한 막질의 박막을 형성할 수 있지만, 더 큰 plasma damage 이슈가 존재합니다. ICP-type의 plasma source를 사용하기 때문에 plasma density가 유도 전계에 의해 '도넛모양'을 가지면서 박막의 uniformity가 떨어지는 이슈가 발생할 수 있습니다.
[HDPCVD : Deposition & Sputtering rate]
HDPCVD는 PECVD에서의 저조한 Step coverage 특성 때문에 생기는 void를 메우기 위한 gap fill 방법입니다. 처음에는 Deposition 한후, 웨이퍼 back side에 RF Bias를 인가하여 sputtering을 진행합니다. 그리고 다시 deposition을 통해 gap을 채우고 Step coverage를 극대화시킬 수 있습니다. 이후 박막 상단에 불필요한 박막은 CMP 공정을 통해 평탄화 공정을 거칩니다.
[꼬리 2-4]. Plasma Source에 따른 Wafer uniformity에 끼치는 영향에 대해서 설명하세요
CCP type은 전극 표면에 분포된 전하에 의해 형성된 전기장에 의해 플라즈마가 형성되고, Reactive Ion Etching, RIE와 Plasma Enhanced CVD, PECVD에서 일반적으로 사용됩니다. ICP tpye은 코일에 RF로 흐르는 전기장에 의해 형성된 유도전기장으로 플라즈마를 형성합니다. 보통 HDP Etching과 HDPCVD에서 사용됩니다. CCP의 경우 중앙에서 전자온도가 높아 더 높은 Plasma density를 보이고, 가장자리에는 전자온도가 낮아서 plasma density가 낮습니다. 따라서 Plasma density에 따라 박막 증착 두께가 달라질 수 있습니다. CCP의 경우 Plasma density가 낮다는 추가적인 단점이 있습니다. 이를 개선하고자 RF바이어스를 높여줌으로써 Plasma density를 높여줄 수 있습니다. 하지만 plasma의 uniformity가 더욱 나빠지면서 가장자리에서 Standing wave effect에 의해 중앙부분과 가장자리에 증착이 많이 되거나 혹은 식각 공정에서 더 많은 식각이 되는 이슈가 발생합니다. ICP의 경우 중앙에는 전자온도가 낮고, 가장자리에서 Plasma density가 높은 '도넛 모양'의 분포를 가집니다. 따라서 ICP type 역시 plasma density 차이에 의한 박막 uniformity가 낮은 이슈가 존재합니다. 그 결과 ICP type은 박막 uniformity가 좋지 않기 때문에 대면적의 디스플레이 공정에서는 CCP를 이용한 플라즈마 증착이 적용됩니다.
플라즈마를 이용한 증착은 보통 절연막 증착 시 사용하는 공정입니다. 특히 저온공정이기 때문에 박막의 절연효과가 좋지는 못합니다. 그 대신 우수한 막질을 요구하지 않는 Step 혹은, 높고 깊게 deposition 할 때 주로 사용됩니다. (BEOL에서 Passivation 혹은 층간절연막 증착) from. 교관 홍딴딴
최근댓글