반도체 공정 필수 조건, 플라즈마

 보통 고체, 액체, 기체에 이은 '제4의 물질 상태'라고 하는 플라즈마(Plasma)는 기체 상태의 분자나 원자가 이온화되어 전자와 양이온이 섞여 있어서 국부적으로는 극성을 가지지만 전체적으로는 중성 상태인 이온화 가스이다. 우리가 매일 접하는 태양의 경우도 플라즈마의 일종인데 태양의 플라즈마는 모든 원자가 이원화되어 있는 높은 에너지 상태의 고온 플라즈마이고, 우리가 반도체 공정에서 사용하는 플라즈마는 기체 분자 중 0.001% 이하 정도가 이온화되어 있는 저온 플라즈마이다. 저온 플라즈마는 보통 방전 현상에 의해서 발생하고 이러한 방식으로 형성된 플라즈마를 글로우 방전(Glow Discharge) 플라즈마라고 부른다. 플라즈마는 일종의 기체 상태이지만 이온 및 전자의 존재로 인해 전기 전도체이고, 자기장에 의해 영향을 받는 특징이 있다. 부분적으로는 중성 상태가 깨지는 영역도 있지만 전체적으로는 전기적 중성 상태이므로 이를 준 중성이라고 한다. 또한 외부의 자기장, 전기장에 의해 전체적으로 움직이게 되는 집합적 거동을 보인다.

1. 플라즈마의 발생

 플라즈마가 발생 및 유지되는 데 있어서 원자, 전자 그리고 이온 등 다양한 입자의 반응이 일어나게 된다. 복잡한 반응 중에서 반도체 공정에서 주로 사용하고 영향을 미치는 반응에 대해 살펴보도록 한다. 먼저 이온화 반응은 전자가 충분한 에너지를 가지고 중성의 원자나 분자와 충돌하는 경우 이온과 또 하나의 자유전자를 발생시킨다. 이러한 과정에서 만들어진 자유전자가 다시 반응에 참여하게 된다. 만약 충돌하는 전자의 에너지가 충분하지 못하면 원자에 구속된 전자가 충돌에 의해 이온화되기에는 부족하기 때문에 들뜬 상태로 있게 되며, 이렇게 들뜬상태가(Exitation) 된 정자는 다시 안정한 상태로 돌아가면서 전자 궤도의 차이의 정량화된 만큼의 에너지를 빛으로 방출하게 된다. 플라즈마에 사용하는 기체에 따라 플라즈마의 색이 다른데 각 원소에 따라 전자궤도의 준위가 다르기 때문이다. 즉 양자화된 에너지 값이 다르기 때문에 발광 과정이 일어날 때 다른 색의 빛이 발광하게 되는 것이다. 아르곤(Ar)의 경우 보랏빛, 질소의 경우 주황빛을 띠게 되며 이러한 발광을 관찰하면서 플라즈마가 잘 형성되고 있다고 정성적으로 판단할 수 있다. 플라즈마의 생성 원리 중에 빼놓을 수 없는 것이 해리(Dissociation)인데, 전자가 분자와 충돌하여 화학적 결합을 깨고 강한 반응성을 가진 활성종(Radical)으로 만드는 과정이다. 이 반응은 이온화 에너지보다는 작고, 강한 반응성의 라디칼은 분자였을 때보다 불안정한 상태이기 때문에 다른 물질과 반응을 잘할 수 있는 상태이다. 정리하자면, 플라즈마 상태에서 공정에 영향을 줄 수 있는 것이 이온화 반응에 의해 생성된 라디칼로 볼 수 있다. 증착법 중에 물리적 기상 증착법(PVD) 중 가장 일반적인 Sputtering 방식에서 주로 사용하며, 라디칼은 화학적 기상 증착법(CVD) 중 플라즈마를 사용하는 PECVD 공정에서 주로 사용한다. 또한 이온과 라디칼의 조합을 사용한 반응성 이온 식각 공정은 두 가지 특성을 모두 이용하여 식각력을 높인 경우이다. 이처럼 반도체 공정에서는 플라즈마 상태에서 원하는 특성의 입자를 사용하여 목적에 맞는 막을 증착하거나 식각하는 용도로 사용한다.

2. 플라즈마의 특성

플라즈마라고 하면 반도체 공정에서 사용하는 글로우 방전 플라즈마를 의미하는 것으로 한정한다. 이러한 플라즈마를 발생시키는 발생원에 의해 DC 플라즈마, RF 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마로 구분할 수 있다. 플라즈마의 특성은 다음과 같다.
1. 열에너지 대신 일반적으로 컨트롤하기 쉬운 전압을 가해서 플라즈마를 발생시킨다.
2. 자유전자가 전압에 의해 가속되고 중성분자와 충돌하여 이온화시킨다.
3. 플라즈마 표면에서는 전극과 접촉에 의해 전자 및 이온의 손실이 있다.
4. 중성 분자의 이온화에 의해 손실된 전자 및 이온이 보충되어 평형을 이룬다.
5. 전자와 이온의 무게 차이로 인해 전자의 움직임이 더 빠르고, 전자의 손실 속도가 이온 손실 속도보다 더 빠르다.
 이러한 특성으로 인해 플라즈마와 전극 면이 닿는 경계면에서 전자의 손실이 이온의 손실보다 빠르기 때문에 전하 중성이 깨지며 양이온이 많아지고 전극 부위에 음의 전압이 걸리게 된다. 이러한 영역을 Sheath라 하고 반도체 공정에서는 Sheath 영역의 전계에 의해 양이온이 전극 쪽으로 이동하는 특성을 이용하여 다양한 플라즈마 공정을 진행하게 된다.

3. DC 플라즈마

 두 개의 평행 전극 판에 직류 전압을 인가한다. 보통 양극은 접지하고, 음극에 -200~-1000V 정도의 높은 Bias 전압을 가한다. 자유전자가 전계에 의해 가속되고 중성 분자와 충돌하여 이온화시킨다. 양이온이 음극에 끌려가 음극과 충돌한다. 이러한 충돌 중 10% 정도의 2차 전자가 발생한다. 이 2차 전자는 양극 방향으로 가속되면서 이동한다. 가속된 전자가 플라즈마 내의 중성분자와 충돌하여 이온화시키면서 다시 전자가 방출되는 과정이 반복되며 이온화가 가속화된다. 이처럼 새로 생성되는 이온 -전자쌍과 전극에서 소멸하는 이온, 전자의 수가 균형을 맞추면 DC 플라즈마가 평형상태를 이루게 된다. 전압을 끄면 새로 공급되는 전자가 없기 때문에 플라즈마도 소멸한다. 자기장에 의해 전자의 이동 경로를 높여 플라즈마 발생 효율을 높여주는 경우도 있다.