반도체를 만드는 저온 플라즈마 : Etching, Deposition, Ashing

반도체 공정에서 플라즈마가 이용된다고 하는데 이건 어떤 플라즈마고 어떤 공정에 이용될까?
플라즈마는 사실 다양한 종류가 있다. 자연에서 발견되는 번개, 오로라 부터 일상생활에서의 형광등까지 다양하다. 플라즈마를 분류하는 기준은 이온화된 입자의 갯수/전자의 온도에 따라서 분류가 되고 반도체 공정에서 사용되는 플라즈마는 수십억개의 전자(이온화된 입자)/수십eV의 전자온도 영역의 Glow Discharge로 정의된다.

• 열적으로 불평형 : 저온플라즈마
• 부분적으로 이온화

플라즈마 공정 : Etching, Deposition, Ashing

플라즈마 공정은 반도체 산업에선 42%
TFT-LCD 산업에선 50%
태양광 패널 산업에선 28% 정도 사용된다.

반도체 공정을 개괄적으로 살펴보자

1. 실리콘 웨이퍼를 준비시킨다
2. Oxidation Layering 산화공정을 통해 SiO2 층을 형성시킨다
3. 포토공정 : PR코팅 -> 노광(ArF/EUV) -> 현상(Wet/Plasma) -> Plasma Etching -> Plasma Ashing
4. Metal Etch / Metal Deposition / Copper Deposition / CVD(PECVD) / Ion Implantation
5. Ashing -> 1로 돌아가서 다시 공정
6. Test/Die Cut
7. Packaging

반도체 공정 중 PR코팅 노광작업 후공정을 제외하면 거의 대부분의 영역에서 플라즈마가 응용된다. 특히 플라즈마가 빛을 발하는건(원래 플라즈마는 빛이 난다 ㅎ) Dry Etch로 isotropical한 에칭은 플라즈마를 이용한 에칭만이 가능하다.

Etching : 좁고 깊게 깍아야 한다

메모리 점유율 90%가 넘는 대한민국이니까 DRAM의 구조를 잠깐 살펴보자
메모리 용량을 높히기 위해선 한정된 공간안에 트랜지스터를 우겨넣어야한다. 즉 깊고 좁게 파내야 한다. 이때 필요한게 플라즈마를 이용한 Dry Ecth이다. 용액을 사용한 Wet Ecth는 마스킹을 해도 용액의 침투로 인해 둥글게 파인다(isotropic). 반면 플라즈마를 이용한 에칭은 수직으로 파인다. 실제로는 깊게 들어갈 수록 줄어드는 전기장으로 인해 조금 파이게 되지만..
플라즈마가 이렇게 수직으로 좁고 깊게 파낼 수 있는 원리가 무엇일까?
플라즈마에는 이온이 있다. 이 이온은 실리콘 원자 입장에선 적당히 큰데 (Ar의 경우 16번으로 14번 Si에 비해 크다) 이온들이 하늘에서 우박처럼 내리는 것이다. 비가 내렸다면 비온 흔적은 젖어서 흙이 퍼져있을텐데 우박이 떨어졌기에 우박이 녹아도 파인 흔적이 깔끔하게 남아있다~ 그래서 Isotropical하게 파인다고 할 수 있다.

DRAM만 보면 아쉬우니까 NAND를 보자
NAND는 DRAM보다 비교적 용량을 올리기가 쉽다. 위로 쌓아올릴 수 있기 때문이다.
DRAM은 커패시터의 간섭때문에 전공정 단계에선 위로 쌓기가 힘들다.(후공정으로 올리는 시도가 이뤄지고 있긴하다) 하지만 NAND는 차곡차곡 쌓아서 하나의 도선으로 연결만 해주면 되기 때문에 위로 쌓는 식으로 용량을 증가시킨다. (V-NAND)
하나의 도선으로 연결해주는게 말은 쉽지만.. 이제는 깍는수준이 아니라 뚫어내야 한다. 아예 뚫어서 채널을 형성해줘야한다. 아까 우박수준으로 깍아냈다면 이제는 기관총 수준으로 아주 밀도있게 뚫어내야하는데 이는 고밀도의 플라즈마를 이용함으로 가능하다.

Deposition : 낮은온도에서 깔끔하고 균일하게

CVD만 사용해도 Deposition은 가능하다
Plasma를 사용한 PECVD (Plasma Enhanced CVD)는 뭐가 다른데?
낮은 온도에서 깔끔하고 균일하게 단단하게 붙일 수 있다.

Ashing : 밥먹기 전에 손을 씻어요

공정을 진행하고 나면 PR이 남아있을수도 있고, Deposition하고 난 찌꺼기가 있을 수도 있다. 반도체 공정은 한번에 끝나는게 아니라 한 웨이퍼를 가지고 계속 공정을 돌리기 때문에 이런 찌꺼기들이 공정전에 제거되어야 하는데, 이게 Ashing이다. 용액을 사용하는게 훨씬 저렴하지만 독성잔여물이 생길뿐더러 공정이 미세화되면서 완벽하게 씻겨야하는데 이때 원자단위로 작용해 제거하는 플라즈마 Ashing이 사용되고 있다.

요약

엄밀하게 말하면 반도체를 만드는데 플라즈마가 꼭 필요하지는 않다.
고성능 고집적의 반도체를 만드는데에는 플라즈마가 필수적이다.