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반도체 기술

RF PLASMA ( ICP, CCP)

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1. RF Plasma 란?

   RF Plasma란 Radio Frequency 즉, 13.56 MHz의 주파수 교류를 주어 전자의 이동 방향을 빠르게 변경함으로써 중성입자와 충돌시켜서 플라스마를 만드는 방법입니다. 보편적으로 DC Plasma에 비해 Plasma 생성 효율이 더 높습니다. RF Plasma의 종류에는 CCP, Dual frequency, ICP 등이 있습니다.

 1-1. CCP (Capacitively Coupled Plasma)

   평행한 두 전극에 Self-bias를 걸어서 전극의 크기가 서로 다른 평행한 두 전극을 Chamber내에 위치시킵니다. 크기가 작은 전극에 더 큰 음의 Bias가 걸리고 크기가 큰 전극에는 상대적으로 작은 Bias가 걸립니다. 

CCP 장비 모식도
CCP 장비 모식도

   1-1-1 CCP Plasma_ RIE Mode   

     낮은 압력 (10~100 mTorr)의 Chamber 내에서 크기가 작은 전극에  Wafer를 두고 RF Power를 인가하게 되면 큰 음전위가 걸려 강한 Ion bombardment가 발생하는데 이를 RIE(Reactive Ion Etch) Mode라고 말합니다. 

 

     ** Ion bombardment란? Physical etching이라고 하며 이온화된 이온이 Wafer의 표면을 때리는 것을 말합니다. 물리적으로 Wafer의 원자들을 떼어내면서 진행되므로 식각 선택비가 낮고, Throughput(처리율) 또한 낮습니다.

왼쪽 CCP Plasma RIE Mode, 오른쪽 Ion bombardment
(왼) CCP Plasma RIE Mode (오) Ion bombardment

     RIE는 Dry etching 진행 시 사용하는데 이는 Fair Selectivity와 High Anisotropic을 요구합니다. 면적이 작은 전극에 Wafer를 두기 때문에 Self-bias에 의해 더 큰 음전위가 걸려 이온 충돌이 강하게 일어납니다. (강한 Ion bombardment)

 

    ** (a) Anisotropic(이방성) : 방향마다 영향을 미치는 정도가 다름. 수평적 etch rate(식각 속도)가 0이 되면 수직방향으로의 etch 만 가능

        (b) Isotropic(등방성) : 모든 방향이 동일한 영향을 미침. 용액이나 증기 상태의 etchant(식각액)를 사용하면 등방성 식각 가능

    ** Self Bias Voltage(유도 바이어스 전압) : 전자 이동도가 이온 이동도보다 빨라서 한 주기당 전극이 +양극으로 남아 있는 시간은 감소하고 음극으로 남아 있는 시간 증가. 전자는 이온보다 Moblility가 크기 때문에 Plasma 주변의 벽이라든가 Wafer가 놓인 전극 등을 lasma보다 전위가 낮은 상태로 만드는데 이러한 전위는 결국 전자와 이온의 선속(Flux)을 맞추어 주는 역할을 하게 됨. 전극에 인가되는 RF 전원의 파워를 조절하면 바이어스 전압 조절할 수 있어 궁극적으로 이온의 에너지 조절 가능

Anisotropic, Isotropic plasma etch

     낮은 압력에서 공정을 진행하기 때문에 이온의 밀도가 Plasma Mode보다 낮으므로 이온이 직접 Etch 하는 것보다는 식각 대상물의 결합을 깨뜨려 화학반응을 촉진하는 역할을 합니다.

 

이온별 Si 기판 Etch rate 그래프

    위 그래프는 Si 기판을 1) Etchant(XeF2) / 3) Etchant + Ion (XeF2, Ar+) / 2) Ion (Ar+) 각각 Etch 진행 시 나타나는 Etch rate입니다.

1) Etchant(XeF2)에 의한 라디칼로만 Etch 진행 시 화학반응만 발생하여 우수한 Selectivity를 얻지만, 등방성(Isotropic) profile을 얻습니다.

2) Ion(Ar+)으로만 Etch 진행 시 물리적 반응만 하므로 Selectivity가 떨어지지만, 이방성(Anisotropic) profile을 얻습니다.

1)+2) → 3)둘을 동시에 사용하면 Etch 진행 시 High Selectivity, Anisotropic profile을 얻을 수 있고 높은 Etch rate을 보입니다. 

이를, Synergy Effect이라고 합니다.

 

    참고로 식각 되고 휘발되는 부산물은 Si(SiCl4 or SiF4), SiO2(SiF4), AL(ALCL3), Ti(TiF4, TiCL4), W(WF6), Cr(Cro2) 등이 있습니다. 

   1-1-2 CCP Plasma_ Plasma Mode

         위와 반대로 라디칼의 화학반응이 중요한 공정(PECVD)에서는 높은 압력(>100 mTorr) 하에서 크기가 큰 전극(Ground Electrode)에 Wafer를 두고 RF를 인가하면 Wafer에 작은 Self-bias가 걸리는데 이를 Plasma Mode라고 합니다.

 

          CCP Type에서 큰 전극에 Wafer를 두었기 때문에 작은 Self-bias, 즉 작은 음전위에 의한 약한 Ion bombardment가 발생합니다. 따라서 주로 라디칼이 확산으로 이동해 Wafer 표면에서 화학반응을 일으키는 공정에 많이 쓰입니다. 또한 상대적으로 높은 압력이기 때문에 MFP(Mean free path)가 짧아 많은 충돌에 의한 입자들의 직진성이 없기 때문에 Isotropic profile을 얻습니다. 예를 들면 O2 Plasma를 이용한 PR Strip(Ashing)이나 PECVD에 사용됩니다. 

CCP Plasma 모식도

     1-1-3 CCP의 한계

         ① Ion 밀도와 Ion Energy를 독립적으로 조절 불가.

              : RF Power 높이면, Ion 밀도 증가하고, Etch Rate 증가합니다.

                                         but, Ion Energy 증가하여 기판에 Damage 증가합니다.

         ② ~ 수 mtORR 압력에서 플라스마 형성 불가.

              : Dry Etch 공정에서 저압 조건을 해야 이온에 의한 Vertical Profile이 가능합니다.  따라서 ~수 mTorr로 압력을 낮추면 이온들의 Mean Free Path가 길어져 Vertical Profile을 얻긴 하지만, 기체 입자수가 적어 Plasma를 형성하지 못합니다.

 

         결론, 낮은 Ion Energy, 높은 Ion 밀도, 낮은 압력에서  Plasma를 형성하는 방법을 찾아야 합니다. 그것은 ICP Plasma입니다.

 1-2. ICP (Inductively Coupled Plasma) 

   RF Coil이 Chamber를 둥글게 감싸고 있어 Chamber 내에 유도 전류가 발생하여 전자가 Chamber 벽과 충돌하지 않아 낮은 압력에서 높은 Plasma 밀도를 얻을 수 있습니다. 또한, Ion 밀도와 Ion Energy를 독립적으로 조절할 수 있습니다.

   1) Source RF Power : High Density Plasma(HDP) 형성 가능하며 이를 통해 Ion 밀도를 조절 가능

   2) Bias RF Power : Ion Energy 조절 가능

왼쪽 유도전류, 오른쪽 ICP 장비 모식도
(왼) 유도 전류 (오) ICP 장비 모식도

1-3. CCP vs ICP

   ICP는 HDP형성 가능하여 높은 밀도 Ion / Radical  형성 가능해 Etch rate 증가하고, 낮은 압력으로 공정진행이 가능해 MFP(Mean Free Path)가 길어져 입자들의 직진성이 증가하여 Anisotropic profile을 얻을 수 있습니다. 다만, Selectivity(선택비)는 감소합니다. Ion Energy를 조절할 수 있어 Wafer에 Damage를 최소화할 수 있습니다.

변수 RF Etcher (CCP) HDP Etcher (ICP)
Pressure(mTorr) 50~1000 0.5~50
Plasma Density(cm^-3) 10^9 ~ 10^11 10^10 ~ 10^12
Ionization rate 10^-6 ~ 10^-3 10^-4 ~ 10^-1

 

출처 :

1) 위키백과

2) mblog.naver.com/ghyokim/222200844228

3) mblog.naver.com/jw1030?categoryNo=5

 

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