식각 공정과 플라즈마 Ⅰ
자료제공 : (주)플라즈마트 기술연구소
책임연구원 이용관
이번 호와 다음 호에서는 현재 산업에서 가장 활용이 많이 되고 있는 플라즈마 응용사례인 플라즈마 건식 식각에 대해서 살펴볼 것이다. 이번 호에세는 플라즈마 식각의 원리와 플라즈마 식각장비의 변천에 대해서 간략하게 살펴볼 것이며 다음 호에서는 플라즈마 식각에 사용되는 진단 장비들과 플라즈마 식각에서 자주 발생할 수 있는 문제점들을 살펴보기로 하겠다.
1. 플라즈마 식각
미세 전자 소자를 위한 회로의 패턴은 [그림 1]과 같이 subtract 방식 또는 additive 방식으로 형성된다. 이중에서 additive 방식은 현재는 특수한 용도 외에는 거의 사용되지 않고 있으며 subtract 방식이 주로 많이 사용되며 이때 사용되는 주요 기술이 식각(Etching)이다.
플라즈마 식각(plasma etching)은 1960년대 말에서부터 1970년대 초반까지 집적회로의 제작에 있어서 그 동안 습식으로 행해지던 resist stripping을 저가의 공정으로 대체하려는 목적으로 시도되었다. 그렇게 하여 1970년대 초에는 보호막인 Si3N4의 패터닝을 위해서 CF4 / O2 플라즈마 식각이 널리 사용되기 시작하였다. 이때쯤에 산소 플라즈마를 이용하여 PR stripping 을 수행하는 장비들이 반도체 제조 라인에 널리 퍼지기 시작하였다. 그리고 이후로 다결정 실리콘(Poly silicon)과 그밖의 주요 금속 재료에 관한 플라즈마 식각이 개발되었다. 하지만 이러한 초기의 플라즈마를 이용한 건식 식각 장비들은 플라즈마의 화학적 성질만을 이용한 공정장비로 등방성(isotropic) 식각에만 활용되었다. 즉, 위험한 부식성 액체를 사용하는 습식 공정대신 안전한 O2 또는 CF4 와 같은 비독성 가스를 사용한다는 점과 공정이 독특하다는 것, 그리고 자동화에 유리하다는 점 등만을 고려하였을 뿐 플라즈마 공정의 독특한 장점을 인식하지 못하였다. 1970년대 후반에 플라즈마를 이용한 식각이 비등방성(anisotropic) 식각을 가능하게 할 수 있다는 점을 인식하게 되었다.
플라즈마 식각은 물리적인 작용(physical sputtering)과 화학적 작용(chemical reaction)과 이온 강화 메커니즘 (ion-assisted mechanism) 등에 의해서 이루어 지는데 이들은 크게 다음과 같은 네 종류의 반응으로 구분될 수 있다[그림2]. 첫째로 스퍼터링은 순수한 물리적 과정으로 쉬쓰를 통과하면서 이온이 얻게된 에너지와 운동량을 표면에 전달하면서 표면의 원자나 분자가 튀어나오는 현상이다. 또한 순수한 물리적 작용이기 때문에 선택성이 아주 낮은 과정이기도 하다. 둘째로 화학적 식각은 스퍼터링과는 상당히 다른데 표면에는 표면물질과 식각가스가 반응하여 휘발성이 강한 가스가 생성되어 날아가면서 표면물질의 손실이 일어나게 되는 과정인데 여기서는 반응생성물의 휘발성이 아주 중요하다. 이러한 순수한 화학적 과정은 가장 선택성이 뛰어나며 식각이 등방성(isotropic)을 가지게 되며 방향성이 없는(non-directional ) 특징이 있다.
셋째로 이온/화학적 반응(ion-energy enhanced)이 있는데 여기에서는 수직으로 입사하는 고에너지의 이온들이 반응성을 크게 증가시키는 시너지 반응이 일어나는 특성이 있어서 순수한 스퍼터링만을 사용하거나 또는 순수한 화학적 반응만을 이용한 경우보다 훨씬 빠른 식각 속도를 갖게되며 또한 이 과정에서는 방향성 식각이 이루어진다. 마지막으로 이온/화학적 반응에 억제제(inhibitor)의 역할이 포함된 반응이 있는데 이 공정에서는 측벽에 보호막이 형성되며 식각이 이루어지기 때문에 측벽 이온의 영향을 거의 받지 않게 되어 비등방성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 공정을 보다 적극적으로 활용한 것이 최근 MEMS 공정에서 주로 사용되는 “Bosch process”[그림 3]이다. 이 공정은 빠른 식각 속도를 유지하면서 비등방성을 갖는 식각에 사용되는데 억제제(inhibitor) 역할을 하는 보호막 형성 과정과 이온의 선속을 마주보는 바닥면을 식각하는 과정을 계속 반복하는 것이 주요 특징이다.
플라즈마 식각 특성은 [그림 4]와 같이 플라즈마 내부의 반응, 플라즈마와 웨이퍼의 경계면, 그리고 웨이퍼의 표면 반응과 관련된 변수들에 의해 결정된다. 플라즈마에서는 전자들의 이온화, 해리 등의 반응이 일어나며 또한 플라즈마 내부에 존재하는 전기장과 자기장 등에 의해 전자와 이온들이 에너지를 얻기도 하고 전달하기도 한다. 웨이퍼와 플라즈마의 경계를 이루는 쉬쓰에서는 이온들이 에너지를 결정하며 웨이퍼 표면에서는 식각가스와 표면의 물질이 반응하여 휘발성 가스를 만들기도 하며 또는 보호막을 형성하는 반응이 일어나기도 한다.
이들의 특성은 서로 긴밀하게 연결되어 있어 각각을 독립적으로 제어하기는 불가능하다. 주요 변수들을 최대한 독립적으로 조절할 수 있도록 장비를 개발하려는 노력들이 플라즈마 식각장치가 개발된 이래로 지금까지 끊임없이 이루어져 왔다. 이러한 노력들은 다음에 다루게 될 식각장비의 발전 과정을 살펴보면 잘 알 수 있다.
2. 플라즈마 식각 장치의 발전
(1) Barrel system
1960년대 말에 등장했던 최초의 플라즈마 식각장치는 “barrel” 형태의 장치였으며 초기에 이 장치는 산소 플라즈마로 PR을 없애는 plasma ashing 공정으로 사용되었다. 그 후 이 형태의 장비는 CF4와 같이 불소(F)가 함유된 가스를 사용하면서 실리콘(Si) 식각에도 사용되어졌다. 이 장비의 특징은 “boats” 또는 “rack”이라 불리는 것에 여러 장의 웨이퍼를 담아서 챔버에 넣고 플라즈마를 발생시킨다는 점인데 이때 “boats”는 전기적으로 챔버 표면이나 외부의 RF 전원 등에 연결되어 있지 않았기 때문에 전기적으로 부유(floating)되어 있다. 이러한 시스템에서는 웨이퍼의 표면은 플라즈마와 비교해서 전위가 10~20V 정도가 낮아지게 되는데 이때 웨이퍼에 입사하는 이온들의 에너지는 상당히 낮을 뿐만 아니라(10~20 eV) 제어할 수도 없다는 단점이 있다. 즉 이온 에너지가 낮으므로 비등방성 식각과 같은 특성보다는 화학적 성질에 의존한 비등방성 식각 특성을 보인다. 순수한 화학적 성질만을 이용하였던 “barrel” 형태의 식각장비는 후에 플라즈마 발생부와 웨이퍼가 놓여지는 반응기가 튜브 또는 메쉬 등에 의해 분리된 형태인 ‘원거리 플라즈마 식각장치(remote plasma etcher)’ 또는 ‘chemical downstream etcher’로 대체되는데 여기에서는 전자, 이온, 그리고 자외선 등이 웨이퍼에 도달하지 않게 되어 이들로 인한 소자의 손상을 줄일 수 있게 되었다.
(2) Planar and Cylindrical Diode Systems
고 에너지의 이온들이 식각 속도를 높이는데 결정적인 역할을 한다는 것이 알려지면서 1970년대에는 평판형 또는 원통형 다이오드 형태의 식각장비가 널리 사용되었다. 이 장비에서는 웨이퍼가 RF 전원에 연결된 전극위에 놓이게 되는데 이때 전극과 RF 전원 사이에는 blocking capacitor가 삽입되었다. blocking capacitor는 RF cycle 동안 플라즈마로부터 오는 전자에 의한 전류와 이온전류의 양을 맞추어 줌으로써 전극으로부터 RF 전원으로 실재 전류(전자전류)가 흐르는 것을 막아준다. 전자는 이온보다 이동도(mobility)가 크기 때문에 플라즈마 주변의 벽이라든가 웨이퍼가 놓여진 전극 등을 플라즈마 보다 전위가 낮은 상태로 만드는데 이러한 전위는 결국 전자와 이온의 선속(flux)을 맞추어 주는 역할을 하게된다. 이때 생성되는 음전위를 자가 바이어스 전위(self-bias voltage)라고 하며 이 전위는 이온에게 에너지를 주는 역할을 하게된다. 여기서 더욱 중요한 사실은 전극에 인가되는 RF 전원의 파워를 조절하면 바이어스 전압을 조절할 수 있어 궁극적으로 이온의 에너지를 조절할 수 있다는 점이다. 한편 이러한 방법은 표면에 도달하는 양전하와 음전하의 양이 같기 때문에 피처리물의 표면이 쉽게 전하에 의해서 대전되지 않는 특징이 있다. 평판형 다이오드 시스템은 이온에 에너지를 인가할 수 있고 그 에너지를 조절할 수 있다는 장점이 있었지만 문제점과 한계도 동시에 드러냈다.
첫번째 문제점은 반응기의 형태가 플라즈마의 방전 특성에 큰 영향을 끼친다는 것이다. 이는 스퍼터링을 이용한 증착장비에서 잘 알려진 현상으로 플라즈마가 접한 반응기의 면적과 RF가 인가되는 전극의 면적에 따라서 플라즈마 전위가 심하게 변한다. 전극의 면적이 플라즈마가 접하고 있는 다른 면적보다 훨씬 작다고 한다면 (비대칭형, asymmetric type) 플라즈마 전위는 상대적으로 작을(약 수십 volt ) 것이다. 하지만 전극과 전극을 제외한 다른 부분의 면적이 비슷하다면(대칭형, symmetric) 플라즈마 전위는 RF 전압과 비슷할 정도로 높아지게(약 수백 volt ) 된다. 여기서 중요한 것은 비대칭형 반응기에서는 플라즈마 전위(Vp)는 수십 볼트 정도로 작지만 self-bias 전압이 아주 커서 결국 이온이 얻게되는 에너지는 높아지게(Vp+Vdc) 되며 반면에 접지된 반응기로 입사하는 이온의 에너지는 낮다(~Vp)는 사실이다. 한편 대칭형 반응기에서는 전극 뿐만 아니라 접지된 반응기 벽으로도 상당한 크기의 에너지를 가진 이온들이 입사하게 된다. 이러한 이유로 벽이나 주변의 구조물들의 표면이 이온들에 의해서 스퍼터될 수 있으며 이때 나온 입자들이 웨이퍼 손상이나 공정 실패의 요인이 될 수 있다. 특히 공정 압력이 낮은 경우에는 플라즈마와 전극 및 반응기벽과의 전압이 높아지고 평균자유행로가 길어지기 때문에 이러한 문제는 더욱 심각해 질 수 있다. 비대칭형과 대칭형 전극 구조를 갖는 반응기중 언뜻 보기에는 비대칭형의 반응기가 공정에 유리할 것 같지만 비대칭형은 플라즈마 및 공정의 균일도 측면에서는 상당히 많은 문제점을 가지고 있다. 일반적으로 비대칭형 구조에서는 중앙부분의 플라즈마 밀도가 높고 바깥쪽이 낮은 현상이 발생하는데 이것은 벽 주위에서 전자와 이온들의 대량 손실이 발생하기 때문이며 이러한 공정의 불균일성 문제는 대량생산을 필수로 하는 공정에선 치명적인 결함이 된다. 결과적으로 반도체 제조용 식각장비에서는 대칭형 구조가 많이 사용되며 위에서 언급했던 대칭형 구조의 문제점인 반응기 벽면의 스퍼터링 문제는 100 mTorr 이상의 높은 압력을 사용하는 것으로 보완하였다. 평판형 다이오드 방식외에 원통형 다이오드 방식도 유행하였는데 그중 대표적인 것이 6각 기둥 형태의 전극에 웨이퍼를 고정시켜 식각을 수행하는 일명 ‘hexode system’이 있다. 이 시스템은 반응기 중앙에 6각 기둥 모양의 전극이 있었는데 이 전극의 면적은 반응기 내벽의 면적보다 작았기 때문에 비대칭형에 가까웠고 이러한 특성으로 비교적 낮은 압력에서도 벽면 스퍼터링에 의한 문제가 발생하지 않았으며 플라즈마의 균일도 또한 우수하여 많이 사용되었지만 매엽식 장비가 들어오면서 차츰 자취를 감추게 되었다.
평판형 또는 원통형 다이오드 방식의 두번째 한계는 고정된 가스 압력이나 RF 주파수에서 이온의 에너지나 이온의 선속(flux)를 독립적으로 제어할 수 없다는 점이다. 예를 들면 GaAs wafer를 Cl2 가스로 5 mTorr의 압력에서 100eV 이하의 이온에너지로 (웨이퍼 손상이나 선택비 문제로 인하여) 식각하려고 플라즈마를 방전한다면 플라즈마 밀도가 너무 낮아지게 되어 식각속도가 현저하게 낮아지게 된다. 즉, 이온의 에너지를 줄이기 위해서 전극에 인가하는 전력을 줄이면 플라즈마의 밀도도 동시에 낮아지는 현상이 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해서 개발된 장치가 평판형 삼중극 시스템(Planar triode system)이다.
(3) Planar triode system
평판형 삼중극 시스템은 magnetron이 도입되기 전에 1960년대와 70년대에 sputter-deposition 시스템에 사용되고 있었다. 이 시스템은 높은 파워가 전극에 가해졌고 전극은 증착시킬 물질의 소스가 되었다. 한편 적절한 에너지를 갖는 이온들의 포격(bombardment)은 증착막의 특성을 개선해주거나 향상시켜주는 역할을 하므로 피처리물이 놓여진 기판에도 RF 전압이 인가되었는데 여기에는 상대적으로 낮은 전력이 인가되었다. 이러한 시스템이 식각장치에도 사용되기 시작한 것은 1980년대 중반에서 부터이며 최근까지도 일부 공정에서는 사용되고 있다. 이 장치에서는 이온의 에너지를 높이지 않으면서도 플라즈마의 밀도를 높이는 것이 가능하다. 즉 위쪽의 전극과 전원(source power)은 플라즈마를 발생시키는데 주로 사용되고 웨이퍼가 놓인 아래쪽 전극과 전원(bias power)은 이온의 에너지를 조절하는 역할을 하게된다. 그런데 여기에도 문제점이 있는데 그것은 플라즈마 밀도를 높이기 위해 상부 전극에 많은 전력을 인가할수록 전극 전압은 높아지고 이온들이 높은 에너지를 가지고 상부전극 표면을 때리게 되어 여기에서 튀어나오는 불순물들과 입자들이 웨이퍼에 손상을 줄 수 있다. 상부전극이 가스와 반응하여 휘발성 가스를 형성하며 식각된다고 하면 상부전극이 쉽게 소모되어 자주 교체해 주어야 하는 문제가 발생할 것이며 만약 상부전극의 물질이 식각가스에 반응하지 않는 재료라고 한다해도 높은 에너지를 갖는 이온들에 의해서 스퍼터되는 문제점이 생기게 된다. 이는 대칭형 다이오드가 갖고 있었던 문제와 비슷한 문제로 평판형 삼중극 시스템에서는 이러한 심각한 상부전극의 스퍼터링 현상을 최대한 억제하기 위해서 충분히 높은 압력에서 공정을 진행하게 된다.
(4) Dual frequency planar diode and triode system
위에서 언급한 문제를 풀기위해서 최근에 상부 전극에는 고주파를 인가하고 하부전극에는 저주파를 인가하는 이중 주파수 삼중전극 또는 이중 주파수 이중전극 시스템이 많이 사용되고 있다. 상부전극의 경우에 높은 주파수를 인가할 때가 낮은 주파수를 인가할 때보다 전압이 낮아지게 되는데 이러한 이유로 고주파(주로 수십 MHz)를 소스 전원으로 사용할 경우 상부전극에 입사하는 이온들의 에너지를 작게 유지하면서도 많은 전력을 인가할 수 있게 된다. 반면 하부 전극에는 수백 kHz에서 10MHz 사이의 낮은 주파수의 전원을 인가하는데 이때는 비교적 낮은 전력을 인가해도 높은 이온 에너지를 얻을 수 있다. 이런 식으로 고주파를 인가하는 상부 전극으로 플라즈마 밀도를 조절하고 낮은 주파수를 인가하는 하부 전극으로 이온의 에너지를 조절할 수 있는 것이다.
최근에는 이중 주파수 이중 전극 시스템도 많이 사용되는데 그 이유는 이중 주파수 삼중 전극의 경우 상부 전극과 하부 전극이 따로 있기 때문에 상부전극의 시스템 구성 비용이 많이 들게 되고 구조도 복잡하여 하부 전극에 두 종류의 주파수를 동시에 인가하는 시스템이 개발되기도 하였다. 이 시스템에서도 플라즈마 밀도와 이온의 독립적 조절이 가능할 뿐만 아니라 시스템이 더욱 간단하다는 것이 특징이다.
(5) Inductively coupled plasmas
1980년대 후반과 1990년대 초반에는 민감한 공정들이 등장하면서 낮은 이온에너지를(< ~100 eV) 갖는 플라즈마 식각 장치의 필요성이 대두되었다. 이러한 필요성은 식각 속도는 그대로 유지하면서 더욱 높은 선택비를 확보하고 이온에 의한 손상을 최소화 하기 위해서 생겨났다. 식각 속도는 이온의 에너지에 대체적으로 비례하기 때문에 이온의 에너지를 줄이면서 식각 속도를 유지하기 위해서는 이온의 선속(flux) 즉, 이온 전류를 증가시켜야 한다. 보통 평판형 이중전극 시스템이나 삼중전극 시스템의 경우 축전 결합형 플라즈마에 속하는데 이들은 약 109~1010 /cm3의 플라즈마 밀도를 형성하므로 이온 전류는 약 1 mAcm-2 정도이다. 이온의 에너지를 낮추면서 식각 속도를 유지하기 위해서는 약 10 mAcm-2 정도의 이온 전류가 필요하고 이를 위해서는 약 1011~1012 /cm3의 밀도를 갖는 플라즈마 소스가 필요하다.
13.56 MHz 축전 결합형 플라즈마의 경우 높은 이온 에너지와 이들에 의한 스퍼터 현상에 의해서 전력의 상당 부분이 손실되기 때문에 효율적인 에너지 전달 메커니즘을 갖는 플라즈마 소스가 있어야 하는데 앞에서 언급한 수십 MHz를 사용하는 이중 전극 시스템 또는 삼중 전극 시스템이 하나의 대안이 될 수 있다. 또 다른 대안으로는 유도결합형 플라즈마 소스가 있다. 가장 많이 사용되는 유도결합형 소스는 흔히 ICP source라 불리며 평판형, 원통형 또는 돔형의 유전체에 코일을 감아 여기에 전류를 인가하고 코일 주변에서 발생하는 유도전기장을 이용하여 방전한다. 이와 유사한 장치로는 helical resonator, helicon plasma 등이 있으나 반도체 제조 공정에서는 거의 사용되지 않는다.
한편 현재 많이 사용되고 있는 고밀도 플라즈마 소스 중에서 고주파를 사용하는 이중 주파수 삼중 전극 방식과 유도 결합형 플라즈마는 어떠한 차별적인 특성을 지니게 될까? 전자는 축전 결합형 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma; CCP) 방식이고 후자는 유도결합 플라즈마 (inductively Coupled Plasma; ICP)방식인데 CCP와 ICP에서 주요 플라즈마 변수의 차이점은 [표 1]과 같다. 먼저 동작 압력에 큰 차이가 있다는 것을 알 수 있으며 플라즈마 밀도 또한 차이가 있다.
그리고 가장 큰 차이점은 전자의 온도라고 할 수 있다. 플라즈마 밀도는 이온의 밀도 및 에너지와 관련이 있기 때문에 식각율과 식각 형상 등과 관련이 있다. 전자의 온도는 훨씬 복잡한 역할을 하는데 일단 전자의 역할은 기체의 이온화, 해리 등과 관련이 있어서 물리적인 특성 뿐만 아니라 화학적인 특성에 많은 영향을 준다. 예를 들면 [표 1]에서와 같이 CF 가스를 플라즈마 상태로 만드는 경우 CCP와 ICP의 경우 많은 차이점이 있는 것을 알 수 있다. 특히 CFx 형태의 활성종 들 사이의 비율에 많은 차이가 있음을 알 수 있다.
Oxide 식각에서는 선택비를 확보하기위해 벽에 폴리머(CxFy)로 구성된 보호막을 형성시키면서 바닥을 식각하게 되는데 이때 보호막을 어떻게 적절하게 제어하는가가 공정의 주요 성공요소가 된다. CF4를 주 가스로 하는 공정을 예로 든다면 F와 CF2는 식각에 중요한 활성종이고 CF와 CF3는 폴리머를 형성시키는데 중요한 역할을 하는 활성종이다. [표 1]에서 보는 바와 같이 ICP와 CCP에서 F, CF, CF2, CF3의 비율을 상당히 다른 양상을 보이며 이것은 왜 미세구조의 Oxide 식각에서는 CCP를 이용한 장치들이 유리하며 Poly-Si나 Metal 식각에서는 ICP가 더 많이 채택되는지를 잘 보여주는 예라 할 수 있다.
위에서 기술한 바와 같이 CCP와 ICP는 플라즈마 특성측면에서 많은 차이점이 있으며 이들이 공정에 미치는 영향은 절대적이다. 기존의 CCP 또는 ICP 만으로는 새로운 공정들의 요구에 부응할 수 없는 경우가 많으며 더 적합한 플라즈마 변수를 찾기 위해 수 많은 방법들이 시도되어 왔으며 지금도 많은 소스들이 시험되고 있다. Magnetic Enhanced ICP(MEICP), Low or High frequency ICP, Multiple ICP, Helicon Plasma, ECR plasma, Surface Wave Plasma (SWP), Magnetic Enhanced RIE (MERIE), Dual frequency RIE 등 많은 방법들이 개발되었으며 이들 중에는 현재 상용화에 성공되어 양산에 사용되고 있는 장비도 있지만 거의 사용되지 않는 방식들도 있다. 하지만 현재는 적합한 제조 공정이 없어서 사용되지 않더라도 소자 제조 기술이 발전하고 변천을 거듭하면서 미래에는 언젠가는 꼭 필요한 기술로 화려하게 부활할 기술들도 있을 것이라 생각된다.
문의: (주)플라즈마트 기술연구소 책임연구원 이용관
TEL: 042-863-2546
E-mail : yklee@plasmart.com
자료제공 : (주)플라즈마트 기술연구소
책임연구원 이용관
이번 호와 다음 호에서는 현재 산업에서 가장 활용이 많이 되고 있는 플라즈마 응용사례인 플라즈마 건식 식각에 대해서 살펴볼 것이다. 이번 호에세는 플라즈마 식각의 원리와 플라즈마 식각장비의 변천에 대해서 간략하게 살펴볼 것이며 다음 호에서는 플라즈마 식각에 사용되는 진단 장비들과 플라즈마 식각에서 자주 발생할 수 있는 문제점들을 살펴보기로 하겠다.
1. 플라즈마 식각
미세 전자 소자를 위한 회로의 패턴은 [그림 1]과 같이 subtract 방식 또는 additive 방식으로 형성된다. 이중에서 additive 방식은 현재는 특수한 용도 외에는 거의 사용되지 않고 있으며 subtract 방식이 주로 많이 사용되며 이때 사용되는 주요 기술이 식각(Etching)이다.
플라즈마 식각(plasma etching)은 1960년대 말에서부터 1970년대 초반까지 집적회로의 제작에 있어서 그 동안 습식으로 행해지던 resist stripping을 저가의 공정으로 대체하려는 목적으로 시도되었다. 그렇게 하여 1970년대 초에는 보호막인 Si3N4의 패터닝을 위해서 CF4 / O2 플라즈마 식각이 널리 사용되기 시작하였다. 이때쯤에 산소 플라즈마를 이용하여 PR stripping 을 수행하는 장비들이 반도체 제조 라인에 널리 퍼지기 시작하였다. 그리고 이후로 다결정 실리콘(Poly silicon)과 그밖의 주요 금속 재료에 관한 플라즈마 식각이 개발되었다. 하지만 이러한 초기의 플라즈마를 이용한 건식 식각 장비들은 플라즈마의 화학적 성질만을 이용한 공정장비로 등방성(isotropic) 식각에만 활용되었다. 즉, 위험한 부식성 액체를 사용하는 습식 공정대신 안전한 O2 또는 CF4 와 같은 비독성 가스를 사용한다는 점과 공정이 독특하다는 것, 그리고 자동화에 유리하다는 점 등만을 고려하였을 뿐 플라즈마 공정의 독특한 장점을 인식하지 못하였다. 1970년대 후반에 플라즈마를 이용한 식각이 비등방성(anisotropic) 식각을 가능하게 할 수 있다는 점을 인식하게 되었다.
플라즈마 식각은 물리적인 작용(physical sputtering)과 화학적 작용(chemical reaction)과 이온 강화 메커니즘 (ion-assisted mechanism) 등에 의해서 이루어 지는데 이들은 크게 다음과 같은 네 종류의 반응으로 구분될 수 있다[그림2]. 첫째로 스퍼터링은 순수한 물리적 과정으로 쉬쓰를 통과하면서 이온이 얻게된 에너지와 운동량을 표면에 전달하면서 표면의 원자나 분자가 튀어나오는 현상이다. 또한 순수한 물리적 작용이기 때문에 선택성이 아주 낮은 과정이기도 하다. 둘째로 화학적 식각은 스퍼터링과는 상당히 다른데 표면에는 표면물질과 식각가스가 반응하여 휘발성이 강한 가스가 생성되어 날아가면서 표면물질의 손실이 일어나게 되는 과정인데 여기서는 반응생성물의 휘발성이 아주 중요하다. 이러한 순수한 화학적 과정은 가장 선택성이 뛰어나며 식각이 등방성(isotropic)을 가지게 되며 방향성이 없는(non-directional ) 특징이 있다.
셋째로 이온/화학적 반응(ion-energy enhanced)이 있는데 여기에서는 수직으로 입사하는 고에너지의 이온들이 반응성을 크게 증가시키는 시너지 반응이 일어나는 특성이 있어서 순수한 스퍼터링만을 사용하거나 또는 순수한 화학적 반응만을 이용한 경우보다 훨씬 빠른 식각 속도를 갖게되며 또한 이 과정에서는 방향성 식각이 이루어진다. 마지막으로 이온/화학적 반응에 억제제(inhibitor)의 역할이 포함된 반응이 있는데 이 공정에서는 측벽에 보호막이 형성되며 식각이 이루어지기 때문에 측벽 이온의 영향을 거의 받지 않게 되어 비등방성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 공정을 보다 적극적으로 활용한 것이 최근 MEMS 공정에서 주로 사용되는 “Bosch process”[그림 3]이다. 이 공정은 빠른 식각 속도를 유지하면서 비등방성을 갖는 식각에 사용되는데 억제제(inhibitor) 역할을 하는 보호막 형성 과정과 이온의 선속을 마주보는 바닥면을 식각하는 과정을 계속 반복하는 것이 주요 특징이다.
플라즈마 식각 특성은 [그림 4]와 같이 플라즈마 내부의 반응, 플라즈마와 웨이퍼의 경계면, 그리고 웨이퍼의 표면 반응과 관련된 변수들에 의해 결정된다. 플라즈마에서는 전자들의 이온화, 해리 등의 반응이 일어나며 또한 플라즈마 내부에 존재하는 전기장과 자기장 등에 의해 전자와 이온들이 에너지를 얻기도 하고 전달하기도 한다. 웨이퍼와 플라즈마의 경계를 이루는 쉬쓰에서는 이온들이 에너지를 결정하며 웨이퍼 표면에서는 식각가스와 표면의 물질이 반응하여 휘발성 가스를 만들기도 하며 또는 보호막을 형성하는 반응이 일어나기도 한다.
이들의 특성은 서로 긴밀하게 연결되어 있어 각각을 독립적으로 제어하기는 불가능하다. 주요 변수들을 최대한 독립적으로 조절할 수 있도록 장비를 개발하려는 노력들이 플라즈마 식각장치가 개발된 이래로 지금까지 끊임없이 이루어져 왔다. 이러한 노력들은 다음에 다루게 될 식각장비의 발전 과정을 살펴보면 잘 알 수 있다.
2. 플라즈마 식각 장치의 발전
(1) Barrel system
1960년대 말에 등장했던 최초의 플라즈마 식각장치는 “barrel” 형태의 장치였으며 초기에 이 장치는 산소 플라즈마로 PR을 없애는 plasma ashing 공정으로 사용되었다. 그 후 이 형태의 장비는 CF4와 같이 불소(F)가 함유된 가스를 사용하면서 실리콘(Si) 식각에도 사용되어졌다. 이 장비의 특징은 “boats” 또는 “rack”이라 불리는 것에 여러 장의 웨이퍼를 담아서 챔버에 넣고 플라즈마를 발생시킨다는 점인데 이때 “boats”는 전기적으로 챔버 표면이나 외부의 RF 전원 등에 연결되어 있지 않았기 때문에 전기적으로 부유(floating)되어 있다. 이러한 시스템에서는 웨이퍼의 표면은 플라즈마와 비교해서 전위가 10~20V 정도가 낮아지게 되는데 이때 웨이퍼에 입사하는 이온들의 에너지는 상당히 낮을 뿐만 아니라(10~20 eV) 제어할 수도 없다는 단점이 있다. 즉 이온 에너지가 낮으므로 비등방성 식각과 같은 특성보다는 화학적 성질에 의존한 비등방성 식각 특성을 보인다. 순수한 화학적 성질만을 이용하였던 “barrel” 형태의 식각장비는 후에 플라즈마 발생부와 웨이퍼가 놓여지는 반응기가 튜브 또는 메쉬 등에 의해 분리된 형태인 ‘원거리 플라즈마 식각장치(remote plasma etcher)’ 또는 ‘chemical downstream etcher’로 대체되는데 여기에서는 전자, 이온, 그리고 자외선 등이 웨이퍼에 도달하지 않게 되어 이들로 인한 소자의 손상을 줄일 수 있게 되었다.
(2) Planar and Cylindrical Diode Systems
고 에너지의 이온들이 식각 속도를 높이는데 결정적인 역할을 한다는 것이 알려지면서 1970년대에는 평판형 또는 원통형 다이오드 형태의 식각장비가 널리 사용되었다. 이 장비에서는 웨이퍼가 RF 전원에 연결된 전극위에 놓이게 되는데 이때 전극과 RF 전원 사이에는 blocking capacitor가 삽입되었다. blocking capacitor는 RF cycle 동안 플라즈마로부터 오는 전자에 의한 전류와 이온전류의 양을 맞추어 줌으로써 전극으로부터 RF 전원으로 실재 전류(전자전류)가 흐르는 것을 막아준다. 전자는 이온보다 이동도(mobility)가 크기 때문에 플라즈마 주변의 벽이라든가 웨이퍼가 놓여진 전극 등을 플라즈마 보다 전위가 낮은 상태로 만드는데 이러한 전위는 결국 전자와 이온의 선속(flux)을 맞추어 주는 역할을 하게된다. 이때 생성되는 음전위를 자가 바이어스 전위(self-bias voltage)라고 하며 이 전위는 이온에게 에너지를 주는 역할을 하게된다. 여기서 더욱 중요한 사실은 전극에 인가되는 RF 전원의 파워를 조절하면 바이어스 전압을 조절할 수 있어 궁극적으로 이온의 에너지를 조절할 수 있다는 점이다. 한편 이러한 방법은 표면에 도달하는 양전하와 음전하의 양이 같기 때문에 피처리물의 표면이 쉽게 전하에 의해서 대전되지 않는 특징이 있다. 평판형 다이오드 시스템은 이온에 에너지를 인가할 수 있고 그 에너지를 조절할 수 있다는 장점이 있었지만 문제점과 한계도 동시에 드러냈다.
첫번째 문제점은 반응기의 형태가 플라즈마의 방전 특성에 큰 영향을 끼친다는 것이다. 이는 스퍼터링을 이용한 증착장비에서 잘 알려진 현상으로 플라즈마가 접한 반응기의 면적과 RF가 인가되는 전극의 면적에 따라서 플라즈마 전위가 심하게 변한다. 전극의 면적이 플라즈마가 접하고 있는 다른 면적보다 훨씬 작다고 한다면 (비대칭형, asymmetric type) 플라즈마 전위는 상대적으로 작을(약 수십 volt ) 것이다. 하지만 전극과 전극을 제외한 다른 부분의 면적이 비슷하다면(대칭형, symmetric) 플라즈마 전위는 RF 전압과 비슷할 정도로 높아지게(약 수백 volt ) 된다. 여기서 중요한 것은 비대칭형 반응기에서는 플라즈마 전위(Vp)는 수십 볼트 정도로 작지만 self-bias 전압이 아주 커서 결국 이온이 얻게되는 에너지는 높아지게(Vp+Vdc) 되며 반면에 접지된 반응기로 입사하는 이온의 에너지는 낮다(~Vp)는 사실이다. 한편 대칭형 반응기에서는 전극 뿐만 아니라 접지된 반응기 벽으로도 상당한 크기의 에너지를 가진 이온들이 입사하게 된다. 이러한 이유로 벽이나 주변의 구조물들의 표면이 이온들에 의해서 스퍼터될 수 있으며 이때 나온 입자들이 웨이퍼 손상이나 공정 실패의 요인이 될 수 있다. 특히 공정 압력이 낮은 경우에는 플라즈마와 전극 및 반응기벽과의 전압이 높아지고 평균자유행로가 길어지기 때문에 이러한 문제는 더욱 심각해 질 수 있다. 비대칭형과 대칭형 전극 구조를 갖는 반응기중 언뜻 보기에는 비대칭형의 반응기가 공정에 유리할 것 같지만 비대칭형은 플라즈마 및 공정의 균일도 측면에서는 상당히 많은 문제점을 가지고 있다. 일반적으로 비대칭형 구조에서는 중앙부분의 플라즈마 밀도가 높고 바깥쪽이 낮은 현상이 발생하는데 이것은 벽 주위에서 전자와 이온들의 대량 손실이 발생하기 때문이며 이러한 공정의 불균일성 문제는 대량생산을 필수로 하는 공정에선 치명적인 결함이 된다. 결과적으로 반도체 제조용 식각장비에서는 대칭형 구조가 많이 사용되며 위에서 언급했던 대칭형 구조의 문제점인 반응기 벽면의 스퍼터링 문제는 100 mTorr 이상의 높은 압력을 사용하는 것으로 보완하였다. 평판형 다이오드 방식외에 원통형 다이오드 방식도 유행하였는데 그중 대표적인 것이 6각 기둥 형태의 전극에 웨이퍼를 고정시켜 식각을 수행하는 일명 ‘hexode system’이 있다. 이 시스템은 반응기 중앙에 6각 기둥 모양의 전극이 있었는데 이 전극의 면적은 반응기 내벽의 면적보다 작았기 때문에 비대칭형에 가까웠고 이러한 특성으로 비교적 낮은 압력에서도 벽면 스퍼터링에 의한 문제가 발생하지 않았으며 플라즈마의 균일도 또한 우수하여 많이 사용되었지만 매엽식 장비가 들어오면서 차츰 자취를 감추게 되었다.
평판형 또는 원통형 다이오드 방식의 두번째 한계는 고정된 가스 압력이나 RF 주파수에서 이온의 에너지나 이온의 선속(flux)를 독립적으로 제어할 수 없다는 점이다. 예를 들면 GaAs wafer를 Cl2 가스로 5 mTorr의 압력에서 100eV 이하의 이온에너지로 (웨이퍼 손상이나 선택비 문제로 인하여) 식각하려고 플라즈마를 방전한다면 플라즈마 밀도가 너무 낮아지게 되어 식각속도가 현저하게 낮아지게 된다. 즉, 이온의 에너지를 줄이기 위해서 전극에 인가하는 전력을 줄이면 플라즈마의 밀도도 동시에 낮아지는 현상이 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해서 개발된 장치가 평판형 삼중극 시스템(Planar triode system)이다.
(3) Planar triode system
평판형 삼중극 시스템은 magnetron이 도입되기 전에 1960년대와 70년대에 sputter-deposition 시스템에 사용되고 있었다. 이 시스템은 높은 파워가 전극에 가해졌고 전극은 증착시킬 물질의 소스가 되었다. 한편 적절한 에너지를 갖는 이온들의 포격(bombardment)은 증착막의 특성을 개선해주거나 향상시켜주는 역할을 하므로 피처리물이 놓여진 기판에도 RF 전압이 인가되었는데 여기에는 상대적으로 낮은 전력이 인가되었다. 이러한 시스템이 식각장치에도 사용되기 시작한 것은 1980년대 중반에서 부터이며 최근까지도 일부 공정에서는 사용되고 있다. 이 장치에서는 이온의 에너지를 높이지 않으면서도 플라즈마의 밀도를 높이는 것이 가능하다. 즉 위쪽의 전극과 전원(source power)은 플라즈마를 발생시키는데 주로 사용되고 웨이퍼가 놓인 아래쪽 전극과 전원(bias power)은 이온의 에너지를 조절하는 역할을 하게된다. 그런데 여기에도 문제점이 있는데 그것은 플라즈마 밀도를 높이기 위해 상부 전극에 많은 전력을 인가할수록 전극 전압은 높아지고 이온들이 높은 에너지를 가지고 상부전극 표면을 때리게 되어 여기에서 튀어나오는 불순물들과 입자들이 웨이퍼에 손상을 줄 수 있다. 상부전극이 가스와 반응하여 휘발성 가스를 형성하며 식각된다고 하면 상부전극이 쉽게 소모되어 자주 교체해 주어야 하는 문제가 발생할 것이며 만약 상부전극의 물질이 식각가스에 반응하지 않는 재료라고 한다해도 높은 에너지를 갖는 이온들에 의해서 스퍼터되는 문제점이 생기게 된다. 이는 대칭형 다이오드가 갖고 있었던 문제와 비슷한 문제로 평판형 삼중극 시스템에서는 이러한 심각한 상부전극의 스퍼터링 현상을 최대한 억제하기 위해서 충분히 높은 압력에서 공정을 진행하게 된다.
(4) Dual frequency planar diode and triode system
위에서 언급한 문제를 풀기위해서 최근에 상부 전극에는 고주파를 인가하고 하부전극에는 저주파를 인가하는 이중 주파수 삼중전극 또는 이중 주파수 이중전극 시스템이 많이 사용되고 있다. 상부전극의 경우에 높은 주파수를 인가할 때가 낮은 주파수를 인가할 때보다 전압이 낮아지게 되는데 이러한 이유로 고주파(주로 수십 MHz)를 소스 전원으로 사용할 경우 상부전극에 입사하는 이온들의 에너지를 작게 유지하면서도 많은 전력을 인가할 수 있게 된다. 반면 하부 전극에는 수백 kHz에서 10MHz 사이의 낮은 주파수의 전원을 인가하는데 이때는 비교적 낮은 전력을 인가해도 높은 이온 에너지를 얻을 수 있다. 이런 식으로 고주파를 인가하는 상부 전극으로 플라즈마 밀도를 조절하고 낮은 주파수를 인가하는 하부 전극으로 이온의 에너지를 조절할 수 있는 것이다.
최근에는 이중 주파수 이중 전극 시스템도 많이 사용되는데 그 이유는 이중 주파수 삼중 전극의 경우 상부 전극과 하부 전극이 따로 있기 때문에 상부전극의 시스템 구성 비용이 많이 들게 되고 구조도 복잡하여 하부 전극에 두 종류의 주파수를 동시에 인가하는 시스템이 개발되기도 하였다. 이 시스템에서도 플라즈마 밀도와 이온의 독립적 조절이 가능할 뿐만 아니라 시스템이 더욱 간단하다는 것이 특징이다.
(5) Inductively coupled plasmas
1980년대 후반과 1990년대 초반에는 민감한 공정들이 등장하면서 낮은 이온에너지를(< ~100 eV) 갖는 플라즈마 식각 장치의 필요성이 대두되었다. 이러한 필요성은 식각 속도는 그대로 유지하면서 더욱 높은 선택비를 확보하고 이온에 의한 손상을 최소화 하기 위해서 생겨났다. 식각 속도는 이온의 에너지에 대체적으로 비례하기 때문에 이온의 에너지를 줄이면서 식각 속도를 유지하기 위해서는 이온의 선속(flux) 즉, 이온 전류를 증가시켜야 한다. 보통 평판형 이중전극 시스템이나 삼중전극 시스템의 경우 축전 결합형 플라즈마에 속하는데 이들은 약 109~1010 /cm3의 플라즈마 밀도를 형성하므로 이온 전류는 약 1 mAcm-2 정도이다. 이온의 에너지를 낮추면서 식각 속도를 유지하기 위해서는 약 10 mAcm-2 정도의 이온 전류가 필요하고 이를 위해서는 약 1011~1012 /cm3의 밀도를 갖는 플라즈마 소스가 필요하다.
13.56 MHz 축전 결합형 플라즈마의 경우 높은 이온 에너지와 이들에 의한 스퍼터 현상에 의해서 전력의 상당 부분이 손실되기 때문에 효율적인 에너지 전달 메커니즘을 갖는 플라즈마 소스가 있어야 하는데 앞에서 언급한 수십 MHz를 사용하는 이중 전극 시스템 또는 삼중 전극 시스템이 하나의 대안이 될 수 있다. 또 다른 대안으로는 유도결합형 플라즈마 소스가 있다. 가장 많이 사용되는 유도결합형 소스는 흔히 ICP source라 불리며 평판형, 원통형 또는 돔형의 유전체에 코일을 감아 여기에 전류를 인가하고 코일 주변에서 발생하는 유도전기장을 이용하여 방전한다. 이와 유사한 장치로는 helical resonator, helicon plasma 등이 있으나 반도체 제조 공정에서는 거의 사용되지 않는다.
한편 현재 많이 사용되고 있는 고밀도 플라즈마 소스 중에서 고주파를 사용하는 이중 주파수 삼중 전극 방식과 유도 결합형 플라즈마는 어떠한 차별적인 특성을 지니게 될까? 전자는 축전 결합형 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma; CCP) 방식이고 후자는 유도결합 플라즈마 (inductively Coupled Plasma; ICP)방식인데 CCP와 ICP에서 주요 플라즈마 변수의 차이점은 [표 1]과 같다. 먼저 동작 압력에 큰 차이가 있다는 것을 알 수 있으며 플라즈마 밀도 또한 차이가 있다.
그리고 가장 큰 차이점은 전자의 온도라고 할 수 있다. 플라즈마 밀도는 이온의 밀도 및 에너지와 관련이 있기 때문에 식각율과 식각 형상 등과 관련이 있다. 전자의 온도는 훨씬 복잡한 역할을 하는데 일단 전자의 역할은 기체의 이온화, 해리 등과 관련이 있어서 물리적인 특성 뿐만 아니라 화학적인 특성에 많은 영향을 준다. 예를 들면 [표 1]에서와 같이 CF 가스를 플라즈마 상태로 만드는 경우 CCP와 ICP의 경우 많은 차이점이 있는 것을 알 수 있다. 특히 CFx 형태의 활성종 들 사이의 비율에 많은 차이가 있음을 알 수 있다.
Oxide 식각에서는 선택비를 확보하기위해 벽에 폴리머(CxFy)로 구성된 보호막을 형성시키면서 바닥을 식각하게 되는데 이때 보호막을 어떻게 적절하게 제어하는가가 공정의 주요 성공요소가 된다. CF4를 주 가스로 하는 공정을 예로 든다면 F와 CF2는 식각에 중요한 활성종이고 CF와 CF3는 폴리머를 형성시키는데 중요한 역할을 하는 활성종이다. [표 1]에서 보는 바와 같이 ICP와 CCP에서 F, CF, CF2, CF3의 비율을 상당히 다른 양상을 보이며 이것은 왜 미세구조의 Oxide 식각에서는 CCP를 이용한 장치들이 유리하며 Poly-Si나 Metal 식각에서는 ICP가 더 많이 채택되는지를 잘 보여주는 예라 할 수 있다.
위에서 기술한 바와 같이 CCP와 ICP는 플라즈마 특성측면에서 많은 차이점이 있으며 이들이 공정에 미치는 영향은 절대적이다. 기존의 CCP 또는 ICP 만으로는 새로운 공정들의 요구에 부응할 수 없는 경우가 많으며 더 적합한 플라즈마 변수를 찾기 위해 수 많은 방법들이 시도되어 왔으며 지금도 많은 소스들이 시험되고 있다. Magnetic Enhanced ICP(MEICP), Low or High frequency ICP, Multiple ICP, Helicon Plasma, ECR plasma, Surface Wave Plasma (SWP), Magnetic Enhanced RIE (MERIE), Dual frequency RIE 등 많은 방법들이 개발되었으며 이들 중에는 현재 상용화에 성공되어 양산에 사용되고 있는 장비도 있지만 거의 사용되지 않는 방식들도 있다. 하지만 현재는 적합한 제조 공정이 없어서 사용되지 않더라도 소자 제조 기술이 발전하고 변천을 거듭하면서 미래에는 언젠가는 꼭 필요한 기술로 화려하게 부활할 기술들도 있을 것이라 생각된다.
문의: (주)플라즈마트 기술연구소 책임연구원 이용관
TEL: 042-863-2546
E-mail : yklee@plasmart.com
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