반도체공정에서 플라즈마를 왜 사용하는가?

반도체공정에서 플라즈마를 왜 사용하는가 물으면 보통은 비등방성 식각을 할 수 있기 때문이라고 할 것이다. 플라즈마를 이용해야만 진행할 수 있는 공정이기 때문이다. 하지만 이건 너무 결과론적이다. 플라즈마가 가지는 특성을 생각하면서 좀더 근본적으로 왜 플라즈마를 사용해야하는지를 알아보자.

플라즈마는 제어할 수 있는 기체이다!

플라즈마는 전자기장을 통해 제어할 수 있는 기체이다. 이게 플라즈마를 사용해야하는 가장 근본적인 이유라고 생각한다. 지금도 반도체 공정 전반에 사용되지만 앞으로도 플라즈마가 더 많은 분야에서 응용될 가능성이 있는 이유다. 기체입자는 열적평형을 이루기 위해 무작위적으로 운동한다. 흔히 생각하는 확산, 대류 등은 모두 이 열적평형을 이루기 위한 기체의 자연스러운 움직임이다. 열적평형을 이룬다는 것은 반응성이 없어진다는 것이다. 가지고 있는 에너지를 모두 내어놓고 공간내의 모든 입자가 같은 에너지를 가질때까지 무작위로 운동한다. 300mm의 웨이퍼를 가공하기 위해 그 전체공간을 수백-수천도로 가열하는 것은 시간도 오래걸리고 에너지도 많이 소모된다. 하지만 플라즈마를 이용하면 고에너지의 입자들을 한곳에 모아놓을 수 있고, 입자들이 존재하는 곳에만 에너지를 줘서 반응성을 높일 수도 있다. 고에너지 입자를 웨이퍼에 우박처럼 내리면 원하는 부분을 깍아내고 원하는 입자를 실리콘 내부에 박아넣을 수도 있다. 플라즈마 상태를 통해서 기체를 제어할 수 있게 된 것이다. 기체를 제어할 수 있으면 화학반응을 제어할 수 있다. 더 다양한 화합물을 만들고 이를 자유자제로 응용할 수 있게 된 것이다.

플라즈마는 화학적으로 불안정한 상태이다

우리가 원하는 공정은 물리,화학적 에너지를 가지고 실리콘 표면과 반응시키는 과정이다. 반도체 세정에 주로 사용되는 불화수소만 봐도 반응성이 매우 강한 유독성 물질이다. 불순물을 닦아내는데에도 유독성 화학물질을 사용해야하는데, 단단하게 결합되어있는 실리콘을 떼어내고 표면에 새로운 물질을 붙이려면 얼마나 강한 에너지가 필요하겠는가? 열에너지로 그런 효과를 보려면 수백~수천도로 챔버를 가열해야 할 것이다. 플라즈마는 고에너지의 상태이기 때문에 (고체 < 액체 < 기체 < 플라즈마) 수천도의 고온에서 일어나는 화학반응도 플라즈마에선 적은 에너지로도 일어난다. 화학적으로 불안정하다는 것은 화학반응이 빠르게 일어난다는 것을 의미한다. 폐수처리, 암모니아 합성 등에 플라즈마가 이용되는 이유는 해당 화학반응에 많은 에너지가 필요하지만 플라즈마를 이용하면 적은 에너지 투입으로도 화학반응이 빠르게 진행되기 때문이다.

플라즈마 내부에는 다양한 입자들이 존재한다

플라즈마는 하나의 입자가 아니라 다양한 입자들 전자, 양이온, 음이온, 라디칼, 원자, 분자 등이 모여있는 물리적 상태이다. 플라즈마는 제어할 수 있는 기체라고 했다.예를 들어 실리콘 웨이퍼와 전위차가 크게 나도록 전기장을 설계하면 이온이 전기장에서 오랫동안 가속하여 실리콘내부에 이온이 들어갈 수도 있다(이온 임플란테이션). 혹은 플라즈마에 특정 기체를 넣어줌으로서 특정한 라디칼을 만들어내 라디칼 에칭을 할 수도 있다. 다양한 입자들을 각각 활용할 수 있기 때문에 플라즈마를 이용하면 더 빠르게 화학반응을 일으키거나 새로운 화학반응을 유도할 수 있다.

결론

반도체 공정에서 플라즈마는 증착, 식각, 세정, 이온 임플란트 공정에서 사용되며 이외에 포토공정 중 EUV 발생(Sn플라즈마)에도 사용되고 있다. 반도체 공정이 발전하면서 고난의도의 공정을 위해서 플라즈마를 도입하게 되는데 그 이유를 근본적으로 생각해보면 크게 3가지이다.

1. 플라즈마는 제어할 수 있는 기체이다
2. 플라즈마는 화학적으로 불안정한 상태를 유지한다
3. 플라즈마 내부에는 다양한 화학종이 존재한다
   플라즈마의 이런 특성을 생각하면 현재 적용되지 않은 포토, 전기배선 등의 후공정에도 플라즈마가 응용될 가능성은 많을 것이다.