반도체 공정 : 플라즈마

1. 플라즈마의 정의와 생성 원리

 (1) 플라즈마 : 전자 + 이온 + 라디칼 + 중성 입자로 구성된 기체 (이온과 전자 공존)

   --> 기체가 전기적으로 분리된 상태이므로 부분적으로 전기적 특성을 띰 ( 고/액/기와 달리 )

 

 (2) 생성원리 

     자유전자가 외부 전기장에 의해 가속 --> 기체입자(중성)와 충돌 : 이온화

     --> 이온화된 양이온 Cathode에 충돌 --> Secondary electron 발생

      --> 반복되면서 전자 증폭 : Avalanche --> Plasma생성

     1) 이온화 : 이온 + 새로운 자유전자 ( 새 전자는 또 반응에 참여 )

     2) Excitation (여기) : 충돌 전자의 E가 충분하지 X ( Relaxation되어 빛방출)

     3) Dissociation (해리) : 화학적 결합을 깨고 강한 반응성을 가진 radical 형성

 

 

2. 플라즈마 이용 ( radical, 이온 )

(1) CVD : radical의 높은 반응성

 - 화학 반응이 기반되기 때문에 안정적인 가스를 반응성이 강한 상태로 만들어야함.

 - 이때, 고온이 수반되어야 하는데 APCVD나 LPCVD가 이에 해당함.

 - Plasma의 Radical의 경우 반응성이 높아 상대적 저온에서도 공정 진행이 가능하다는 장점.

   Ex) Inter layer에 dielectric 막 형성

 

(2) Dry etch : radical의 높은 반응성 + 이온의 직진성

 - 높은 반응성과 더불어 이온을 활용.

 - 이온은 전기적으로 극성을 띰 : 전압 인가시 원하는 방향으로 이동 가능

   --> 원하는 방향으로 쏘아 에칭

 

3. 플라즈마의 직진성

(1) 플라즈마 : 중성원자 + 라디칼 + 자유전자 + 이온

                                                             --> 바이어스 인가시 방향성을 가짐.

(2) 플라즈마내 고진공 상태 (저압) : 낮은 충돌확률, Mean free path 증가, 직진성 증가

    Ex ) 공정에 주로 양이온 이용. 기판에 음전압을 높게 인가하면, 양이온이 기판방향으로 직진

 

4. DC vs RF

(1) DC (직류) : 각 전극판에 양전압, 음전압이 고정적으로 인가

  - 공정 대상물질이 전도체일때만 사용 가능

     ∵ 양이온이 부도체에 충돌할 경우 부도체에 붙어 축적됨. 이후에 쏜 양이온은 양이온간 척력에

         의해 대상 물질인 부도체에 충돌 불가.

  - 도체 전용 Sputtering설비에 이용

  - 자유전자가 반대편 전극으로 이동해 소멸함.

 

(2) RF (교류) : 각 전극에 인가되는 전압의 양, 음이 주기적으로 바뀜

   - 절연체에 이용 가능

      ∵ 양전압 인가시 절연체 표면에 축적된 양이온 해소 가능.

   - 교류전압 : 자유전자가 플라즈마 내에서 왕복운동 --> 고밀도 플라즈마 형성 가능

   - 주로 부도체 증착 스퍼터링, 건식 식각공정 ( 고밀도 플라즈마 요구 )에 이용