머리말

플라스마 과학은 1808년 H. Davy의 직류 아아크방전 개발과 1830년대 M. Faraday 등의 고전압 아크방전 튜브 개발에서 시작되었다고 볼 수 있으며, 19세기 동안 아아크방전이나 직류전기방전 플라스마는 가스램프를 대치하기 위해 활발히 연구되어 왔었다. 1879년 W. Crookes는 플라스마는 물질의 제 4 상태라고 규명했다. 이 때의 플라스마는 저온에 있는 고체물질에 열을 가하면 녹아 액체로 변하고, 증발하여 가스로 변화되며, 열을 더 증가하면 각 원자들은 전자들과 양이온들로 깨져 물질의 제 4 상태가 된다고 보았다. 그러나 진정한 의미의 플라스마란 자유 하전입자인 전자, 이온 및 중성입자로 구성되어 있으며, 전기적으로는 중성인 성질을 갖고 있는 상태라고 1928년 I. Langmuir에 의해 처음 도입되었다.^[1] 이와 같이 가스방전 플라스마는 백년 넘게 하나의 연구주제가 되어왔으며, 플라스마 물리의 기초는 19세기 말 원자물리의 발전에 크게 힘을 입었다고 Raizer^[2]는 지적하고 있다. 20세기 후반기 동안 플라스마에 관한 모든 연구는 핵융합과 우주 플라스마 분야에 초점이 맞추어져 왔으며, 1960년까지 공정플라스마에 대한 대부분의 관심은 가스 방전 레이저와 램프 개발에 있었다. 1960년대 말부터 PECVD에 의한 SiN 박막형성과 산소 플라스마를 이용한 Photoresist (PR) 에싱 가능성 그리고, CF₄/O₂ 혼합가스를 이용 SiN 박막 에칭에 플라스마 응용 가능성이^[3] 처음 제안되는 등 반도체분야에서 공정플라스마의 응용은 활발히 진행되었다. 이러한 플라스마 기술은 1970년대 후반부터 1980년대 초반까지 반도체 칩 제조에 있어 그 중요성이 크게 대두되지는 않았다.^[4]

1980년도 중반부터 반도체의 집적도가 급속히 높아짐에 따라 고단차(Aspect Ratio)에서 선폭 미세화에 대한 기술이 절실히 요구되었다. 종래의 습식 에칭기술은 등방성 에칭 특성 때문에 이러한 공정 조건을 만족시킬 수 없어, 비등방성 에칭이 가능한 플라스마 공정 기술 도입이 절실히 요구되었다. 이러한 공정 개발에 힘입어 1980년도 중반부터 1998년도 초까지 디바이스의 최소 선 폭은 2 um에서 0.2 um 이하로 감소했고 칩당 트랜지스터수는 16 K에서 1 G 이상이 됐다.

플라스마 에칭이나 플라스마 증착들이 요구되어지는 또 다른 이유는 플라스마는 가스상태이고 효율성이 뛰어나므로 습식 에칭에 비하여 공정 중 발생되는 폐기물량이 매우 적어 환경오염을 상당히 억제시킬 수 있는 장점과 웨이퍼를 진공 속에 두고 반송 자동화를 시킬 수 있어 외부로부터의 오염을 억제할 수 있는 장점을 갖고있는 데 있다. 현재 공정용 플라스마는 여러 가지 박막증착기술(Sputtering, PECVD, Anodization과 Planarization)과 플라스마 에칭에 활발히 응용되고 있다.

현재 반도체 제조 공정 중 플라스마공정이 차지하는 비중은 30 % 이상이고, 플라스마 에칭은 폴리 실리콘, 산화막과 메탈 등의 중요한 에칭공정과 평면 디스플레이(FPD) 제조공정에 크게 사용되고 있다.^[5]

이 글에서는 먼저 반도체분야에서 플라스마의 여러 가지 응용과 전망에 대해 살펴보고, 다음 장에서는 여러 가지 공정 플라스마 발생 장치의 플라스마 발생원리 및 특징을 살펴보며, 마지막으로 이러한 공정플라스마의 플라스마 물성을 진단하기 위한 플라스마진단 장치들에 대하여 논의해 보기로 한다.

플라스마 공정

반도체 제조공정에서 플라스마의 응용성은 뛰어나기 때문에 여기에서는 반도체 공정플라스마에 대해서만 언급하고자 한다. 반도체 제조공정에 응용되는 플라스마는 크게 세 가지 부류로 나눌 수 있다. 이 세 가지 부류에는 플라스마 에싱, 플라스마 CVD, 플라스마 에칭이 있다.

1. 플라스마 에싱

플라스마를 이용한 에싱 공정은 Irving^[5]이 1968년 Kodak PR 세미나에서 가능성을 제시한 이후 널리 이용되기 시작하였다. 이것은 반도체 제조공정에서 종래 사용되어 왔던 화공약품 (H₂SO₄/H₂O₂ 또는 알칼리용액)을 사용하는 습식 제거 방법의 단점 (막대한 화공약품을 사용함으로 인한 경제적 부담, 폐수처리 등의 환경문제, 비효율성과 이온주입을 받은 PR은 습식 방법으로 제거곤란)을 해결하기 위하여 제안되었으며, 화학적 에칭과 같은 원리를 이용한다. 초기의 에싱장비는 배치식(100매/배치) 처리를 위하여 원통형의 챔버 구조를 갖고 있었다. PR은 C, H, O의 원자들로 구성되어있는 폴리머이므로 에싱 공정에서는 주로 O₂ 가스를 사용하여 CO, CO₂ 등의 휘발성 반응생성물 생성을 통해 제거된다. 이러한 에싱공정은 여러 가지 단점들을 갖고있다. 이중 가장 커다란 문제는 전하축적 손상이다. 에싱 중 일부의 축적전하 전류가 얇아진 PR을 뚫고, 하지 도체 막에 전달되어 쌓이면 그 밑에 있는 게이트 산화막을 파괴할 수 있다. 또한, PR없이 웨이퍼가 플라스마에 노출되면 에싱으로부터 더 심각한 손상을 받을 수 있다.^[6] 또 하나의 문제점은 PR속에 미량으로 함유된 중금속 등이 플라스마 에싱으로는 제거할 수 없어 에싱 후 남게 되므로 후속공정에서 하지막으로 확산되어 디바이스의 특성을 저하시키기도 한다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 PR 제거공정은 100 % 플라스마 에싱 공정만으로 구성되지 않고, 플라스마 에싱과 습식방법을 9:1 정도의 비율로 적용, 잔유물을 완전히 제거한다.

최근 들어 디바이스 고집적화 (submicron device)로 게이트 산화막의 두께가 6 nm 이하로 줄어들어, 플라스마 손상은 디바이스의 신뢰성을 저하시키는 중요문제로 다시 부각되고 있다. 플라스마 에싱이 공정의 가장 후반공정이므로 웨이퍼가 플라스마에 직접 노출되어 가장 심각한 손상을 야기시킨다. 보통 플라스마에 의한 손상은 PR없이 플라스마 노출시간을 증가시키는 방법으로 평가하였으나,^[7] 최근에는 금속전극 상단에 있는 PR이 전하축적을 일으켜 얇은 게이트 산화막을 열화시킨다는 보고가 있어,^[8] 이에 대한 측정 방법으로 금속-안테나 구조를 이용, 전하축적에 의한 산화막의 파괴특성을 평가하는 것이 일반화되고 있다 (그림 1 참조).

2. 플라스마 CVD

얇은 박막들은 현 VLSI회로 제조 공정에서 디바이스 내에서 도체, 금속배선 사이의 전기적 절연체 또는 주변과의 고립을 위하여 널리 사용되고 있다. 이런 얇은 박막에 요구되는 조건들은 다음과 같다. 막 두께는 디바이스 전체뿐만 아니라 웨이퍼간에도 균일해야 하며, 박막의 구조와 조성은 재현성이 있어야 한다. 끝으로 박막증착방법은 안정성, 재현성, 쉬운 자동화와 가격경쟁력이 있어야한다. 가장 널리 사용되고있는 물질은 폴리 실리콘, 산화막, 질화막 등이 있다. 이러한 박막을 생성하는 방법들은 크게 APCVD(Atmospheric Pressure CVD), LPCVD(Low-Pressure CVD), 그리고 PECVD(Plasma-Enhanced CVD) 등이 있다.^[9-11] 이런 생성원에 의해 생성된 박막특성 비교가 표 1에 제시된다.

PECVD 공정은 플라스마 에칭이 사용되기 이전부터 반도체 금속배선의 보호막인 SiN과 SiO₂를 저온에서 증착할 수 있는 새로운 생성원으로 소개되었다.^[12] 1975년 TI, AMT사의 상용화된 PECVD 장치가 발표된 후, 1980년에 들어서는 필수적인 반도체 공정설비로 자리를 굳혔다.^[13] 이렇게 도입된 PECVD 기술은 SiN과 SiO₂ 박막형성뿐만 아니라 최근에는 천이금속이나 천이금속 실리사이드형성에서도 널리 사용되고 있다.

PECVD에 의한 박막형성 메커니즘은 1) 플라스마에서 이온과 라디칼 형성 2) 라디칼 흡착 3) 표면에 붙은 원자의 재 분포의 화학적, 물리적 반응들로 이루어진다.^[14] 전형적인 PECVD 조건에서는 전자의 에너지가 충분히 작아 이온화 속도보다 라디칼의 형성속도가 빠르다. 또한 라디칼은 높은 흡착계수를 갖고있어 쉽게 표면에 흡착한 후, 가장 안정된 site를 찾아 이동, 새로운 결합을 만들어 박막을 형성하게 된다. 때로는 외부 공정 변수에 따라 가스상태에서 핵 형성 반응이 일어나기도 하고, 플라스마내의 불순물은 핵 site로 작용, 불필요한 먼지 입자를 생성시킬 수도 있다. 일반적으로 PECVD 공정변수들은 기판온도, 가스조성비, 가스유량, 압력, 입력 파워 및 고주파수와 전극 간격 등이다. 전형적인 PECVD 장치는 그림 2와 같이 평형 평판형 구조를 갖고있으며, 웨이퍼는 접지 전극에 두어 이온 충돌에 의한 스퍼터링 효과를 최소화시키고 있다. PECVD에 의한 박막특성은 증착속도, 박막조성비, 밀도, 굴절률, 막 두께의 균일도, 응력, 표면 덮음율(stepcoverage)과 에칭속도 등으로 평가한다. PECVD 방식으로 형성할 수 있는 여러 가지 박막들을 플라스마 공정관점에서 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

(1) PECVD SiN, SiO₂ 박막 PECVD를 이용한 SiN, SiO₂ 박막 형성은 좋은 접합성, 적은 동공(pinhole)밀도, 좋은 표면 덮음율, 좋은 전기적 특성, 저온 증착 가능성과 높은 증착 속도를 갖고있어 비교적 낮은 용융점을 갖고있는 금속의 보호막 및 다중금속배선간의 공간 절연막으로 사용된다. PECVD에 의한 SiN 박막은 N₂/SiH₄ 또는 NH₃/SiH₄ 혼합가스를 이용한다. 공정변수인 입력 파워를 증가시키면 전자와 라디칼의 밀도가 증가하여 증착 속도는 빨라지고, 압력을 줄이면 라디칼의 확산속도와 전자에너지를 활성종에 전달하는 효율 증가로 웨이퍼간 균일도 향상과 표면에서의 반응이 좋아진다.^[10] 또한, 아르곤과 같은 비활성 가스를 첨가해 주면 페닝효과에 의해 전자 에너지는 쉽게 라디칼에 흡수되어 균일도가 더 향상된다.^[15] SiN박막의 화학적 결합은 IR-분광기를 이용하여 분석할 수 있는데, 통상 Si-N, N-H, Si-H, Si-O 등이 검출된다. 여기서 Si-O 결합은 반응 쳄버 내의 수분이나 쳄버 벽면에서 이탈된 산소에 의해 생성되므로 증착 전 쳄버를 고온으로 가열시키는 게 필수적이다.^[16] Si-H/N-H 결합 비율은 NH₃/SiH₄ 가스조성비에 의해 결정되고, 이것은 박막의 굴절률을 결정하는 중요 변수가 된다.^[17] 화학양론(stoichiometric) 관점에서 SiN 박막조성비는 입력 파워, 기판온도, 가스혼합비에 의해 결정된다. 이 박막조성비는 박막의 응력을 결정하는데, SiN 박막은 압축 응력(compressive stress)을 갖고 있어 후속 열처리공정에서 균열과 같은 문제를 유발할 수도 있다.

SiO₂ 박막은 SiH₄/N₂O 혼합가스를 이용하여 생성할 수 있다. 여기서 O₂ 대신 N₂O 가스를 사용하는 이유는 N-N 결합 에너지는 N-O 결합 에너지보다 크기 때문에 플라스마 내에서 반응성 질소의 분해속도를 낮추어 가스 상태의 핵 형성에 의한 먼지입자의 생성율을 낮추기 위해서다. SiH₄/N₂O 혼합비율은 박막의 굴절률 특성을 상당히 변화시키는데, N과 Si 함유량이 클수록 굴절률은 증가하게 된다. 대체로 PECVD SiO₂ 박막은 압축 응력을 갖고 있으나, 입력 파워의 주파수를 바꾸면 인장력(tensile stress)으로도 바뀔 수 있다.^[18]

균일한 표면 덮음율(Conformal stepcoverage)는 그림 3에서 보듯이 측면이나 바닥의 박막두께가 일정한 것을 의미한다. 이것은 표면에 흡착된 라디칼이 반응하기 전 표면을 따라 빨리 이동하여 균일한 표면농도를 유지하기 때문이다. 만일 라디칼의 표면 이동이 없으면 증착속도는 입자들의 입사각도에 의존하게 되는데 가스의 평균자유행로가 단차의 길이보다 길면 상단의 입사각도는 180도이나 바닥 면의 입사각도는 90도가 되어 바닥 면의 증착속도가 떨어진다. 또한 평균자유행로가 더 짧을 경우 상단의 입사각도는 270도가 되나 바닥 면은 90도가 되어 더욱 악화된다. 이러한 관점에서 PECVD는 APCVD보다 평균자유행로가 길어 더 좋은 표면 덮음율을 갖게 된다. PECVD SiN 박막은 알칼리 금속이나 수분에 대한 침투억제능력을 갖고 있고 SiO₂ 박막은 전자이동을 막아주는 특성을 갖고 있어, 이 두 가지 박막을 동시에 금속배선 보호막으로 사용한다.

(2) PECVD W, WSI₂ 박막

텅스텐(W) 박막 증착은 WF₆/H₂ 혼합가스를 이용해 생성한다. 증착 속도는 박막의 활성화 에너지와 관련이 있는데, PECVD의 활성화 에너지는 0.16 eV로 APCVD(0.69 eV), LPCVD(0.71 eV)와 비교할 때 매우 낮고, 또한 APCVD의 경우 증착속도는 기판의 표면에서 H₂ 분해율에 의해서 결정되는데 비해 PECVD는 수소원자가 플라스마 내에 이미 존재함으로 200-400도 정도의 낮은 온도에서 높은 증착속도를 보인다.^[19]

이와 같이 증착된 W 박막은 구조적으로 열적(columnar) 구조를 갖고 있으며, 200 nm 두께에서 20-40 nm 크기의 낟알(grain)은 후속열처리(900 ℃)공정에 의해 50-70 nm 정도까지 성장되어 저항이 낮아진다.^[20] 또한, W 박막의 저항은 가스조성비, 기판온도 등에 의해 조절되기도 한다. WSi₂나 MoSi₂는 디바이스가 고 집적화(1 DRAM 이후) 되어 종래 게이트 전극으로 사용되어 왔던 폴리 실리콘의 면저항(sheet resistance)이 높아 디바이스의 속도를 저하시키는 문제가 크게 대두되어 본격적으로 도입되었다. WSi₂는 WF₆/SiH₄ 혼합가스에 의해 생성할 수 있는데, 플라스마에서 Si를 공급, 표면에서의 쉬운 핵 형성으로 W 박막의 증착 속도보다 WSi₂ 증착 속도가 더 빠르다. 이 박막의 W와 Si의 조성비와 비저항은 일반적으로WF₆/SiH₄ 가스의 혼합비율에 의해 제어되며, 박막에 함유된 F와 H의 결합이 저항을 높이는 요인이 됨으로 열처리를 하여 이들을 박막에서 방출시켜 저항을 낮추어야 한다.^[21]

3. 플라스마 에칭 공정

반도체 제조에서 플라스마를 이용한 에칭은 단순한 기술의 수준을 떠나 하나의 예술로까지 승화되었다. 일반적으로 플라스마 에칭 공정 변수로는 입력 파워와 주파수, 반응가스의 선택과 혼합비, 가스 압력, 전극의 구성과 배치, 전기장 외에 자기장을 사용하는 방식 및 기판 바이어스전압 등이 있다. 에칭이 일어나기 위한 반응으로 다음과 같은 네 가지 에칭 메커니즘이 있다.^[22]

(1) 스파타링 에칭

스파타링 에칭은 플라스마 쉬스에 의해 가속된 고 에너지 이온들의 박막과의 충돌을 통해 일어난다. 이온의 에너지가 표면원자 결합에너지보다 클 때 표면 원자는 표면에서 이탈되며 에칭이 진행된다. 이 반응은 순수한 물리적 반응이므로 역산란(back scattering)이 일어나지 않도록 가스 압력이 낮아야하는데 이런 이유에서 선택성이 좋지 않고, 표면에 손상을 주며, 에칭에 의해 방출된 입자는 휘발성이 낮아 재 부착 때문에 에칭속도가 매우 낮다.

(2) 화학적 에칭

플라스마 내에서 발생된 라디칼은 박막표면에 도달해 막과 화학 반응을 일으켜 휘발성있는 반응 생성물을 생성시킨다. 에칭이 계속 진행되기 위해서는 반응 생성물의 휘발성은 매우 높아야한다. 만일 휘발성이 낮으면 반응생성물이 표면에 남아 라디칼과 기판 물질과의 화학적 반응을 막아 에칭이 중단된다. 이 방식에서 플라스마의 역할은 라디칼을 공급하는 것이고, 이 반응은 화학반응이므로 에칭 방향성이 없어 등방성 에칭만이 일어나며 선택비가 매우 높다.

(3) 이온의 도움에 의한 에칭

(1), (2) 이후, 이온 도움(ion assist)에 의한 플라스마 에칭이 고안되었다. 이것은 이온 충돌을 동반한 상태에서 막과 화학적 반응을 일으키는 중성 라디칼을 이용 에칭하는 방법이다. 이 경우 중성 라디칼과 이온 충돌은 에칭 상승효과에 의해 에칭속도는 각각의 에칭속도 합보다 매우 크게된다. 이것은 박막에 이온 충돌을 주면, 결정구조의 파괴 또는 변형을 일으켜, 라디칼에 의한 반응에너지 감소로 에칭속도가 증가하는 것으로 알려져 있다. 이 에칭에서는 반응가스의 종류, 박막의 표면상태, 도달하는 라디칼의 유량 등에 의해 이온의 역할이 변하며, 이온은 쉬스 전압에 의해 한 방향으로 가속됨으로 방향성 에칭 특성을 갖는다.

(4) 이온 충돌과 측면 보호막에 의한 에칭

이 방식은 먼저 증착성이 좋은 가스에 의해 측면과 바닥 면에 보호막을 형성한 후, 방향성 이온 충격으로 바닥 면의 보호막이 제거되면, 라디칼들의 화학적 반응으로 바닥 면이 에칭된다. 이러한 반응이 연속적으로 일어나 에칭이 진행된다. 이 방식은 뛰어난 이방성 에칭 특성을 갖는다.

실제 반도체 제조를 위한 플라스마 에칭 공정에서 장치의 구조, 반응의 선택 등은 많은 경우 경험에 의존하고 있고, 공정 압력, 입력 파워, 반응성 가스의 혼합비, 유량 결정 등은 에칭속도 및 균일도와 관련해 실험적으로 결정되고 있어 최적의 공정조건을 예상하기란 매우 힘들다. 역사적으로 초기의 플라스마는 직류방전을 이용하여 플라스마 물성을 연구하였으나, 실재 공정 플라스마에서 직류방전을 이용한 예는 극히 드물다. 직류의 경우는 교류와 달리 두 개의 전극 모두 도체이어야 하므로 전극에 절연막이 형성되면 방전은 중지된다. 또한, 직류방전에서는 전류밀도가 낮아 압력을 높여야하는데, 이것은 이방성 에칭 관점에서는 매우 불리한 조건이 된다. 평판형 전극사이에 저주파(10 kHz­1 MHz) 전압을 인가해 플라스마를 발생시키면, 이온과 전자 모두 교류전압의 진동에 반응한다. 그 결과 방전은 직류의 경우와 유사해지고, 반주기 단위로 각 전극은 양극(anode)과 음극(cathod)이 된다. 발생된 플라스마는 확산 재결합 등에 의해 소멸되어 가는데, 이 소멸 시간 상수는 대략 1 us­10 ms 정도로 저주파의 주기와 비슷하며, 이 주파수 대역에서는 한 주기 전에 발생된 플라스마(전자와 이온)가 일부 남아 다음 주기의 방전에 영향을 미치는 것이 직류방전과 비교해 커다란 차이점이다. 따라서, 교류방전이 직류방전에 비해 낮은 압력에서 방전이 가능하다. 입력 파워의 주파수는 발진기 파워, 플라스마 임피던스와 에칭 특성을 고려해 선택된다.

플라스마 에칭은 응용하는 관점에 따라 몇 가지 중요한 공정 특성을 갖고 있다. 고집적 디바이스에 있어서 비등방성 에칭은 마스크에 대한 하지막의 패턴 충실도(fidelity)를 향상시키기 위해 필요하고 수평방향의 에칭속도보다 수직방향의 에칭속도 비를 크게 하는 것을 의미하는데, 이것은 물리적인 특성과 화학적인 특성을 이용하여 실현할 수 있다. 물리적 특성은 플라스마 경계(boundary)에서 이온의 방향성에 의존한다. 이온은 측면보다 바닥을 향해 충돌하는 성질을 갖고 있으나, 라디칼은 방향성이 없는 즉, 등방성 성질을 갖고 있다. 순수한 물리적인 에칭의 주요 문제는 일반적으로 에칭속도는 중성 라디칼의 도움이 없으므로 매우 낮고, 스파타링 속도는 대부분의 물질에서 거의 동일하므로 낮은 선택성을 갖는 것이다. 에칭에서 선택성이란 다른 두 물질간의 상대적인 에칭속도를 의미한다.

선택비의 중요성은 MOSFET의 폴리 실리콘 전극 에칭공정의 예에서 쉽게 찾을 수 있다.^[23] 하부 단차에 의해 비등방성 폴리 실리콘 에칭시 잔유물(stringer)을 남긴다. 이러한 잔유물을 완전히 제거하기 위해서는 100 % 정도의 추가 에칭(over-etching)이 필요하다. 이 추가 에칭시간 동안 하지막인 얇은 게이트 산화막(6 nm)은 플라스마에 노출되어, 고 선택비를 갖고 있지 못하면 얇은 게이트 산화막이 에칭되어 디바이스의 성능과 신뢰성을 열화시킨다.

균일도는 웨이퍼 모든 부분의 에칭속도가 같아야 함을 의미한다. 비 균일도는 고 선택비 공정에서는 문제가 되지 않으나, 플라스마 손상 관점에서는 문제시된다. 균일도에 관련된 다른 문제로는 근접효과(proximity effect)와 가로세로비(aspect ratio)에 의존하는 에칭에 있다. 전자의 경우 밀집한 패턴지역에서의 에칭속도는 고립된 패턴지역에서의 에칭속도와 차이가 있음을 의미하고, 후자의 경우 에칭 중 가로세로비가 변함에 따라 에칭속도가 변화함을 의미하는데, 두 효과는 패턴 근처에서의 국부적인 화학반응 과정과 라디칼의 수송에 대한 분석을 요구한다.^[24] 높은 가로세로비를 갖는 패턴에서 발생하는 또 다른 문제는 CD(critical dimension)제어이다. 예로, 가로세로비 4인 구멍에서 에칭 후 86도 경사를 갖는다면 구멍 바닥의 면적은 적어져 접촉 저항 증가를 유발하게 된다. 그러므로, 산화막 에칭에서 접촉구멍 면적손실(contact hole area loss)은 소자의 성능에 커다란 문제를 유발한다.

플라스마 에칭에서 손상과 오염은 낮은 수율과 디바이스 신뢰성의 열화를 야기함으로 해결해야할 심각한 문제들이다. 일반적으로 손상은 웨이퍼 표면에서 고 에너지를 갖는 이온 충격에 의한 격자 손상과 전기적 손상으로 구분된다. 후자의 경우 유전체의 전하축적에 의한 게이트 산화막 파괴이다. 그림 4에서는 고에너지를 갖는 이온, 중성종 라디칼 등에 의한 실리콘 표면 손상을 설명하고 있다.^[25] 현재의 관심 중 하나는 고밀도 플라스마에서는 이러한 손상을 매우 감소시킬 수 있다는 것이다. 기본적인 아이디어는 에칭속도가 이온 선속에 비례할 경우, 에너지를 낮추고 선속을 증가시키면, 이러한 조건을 만족시킬 수 있다. 많은 전문가들은 향후 공정에서는 플라스마 손상과 오염해결은 핵심문제로 대두될 것으로 보고있다.

위에서 언급한 여러 가지 에칭의 요구사항들을 충족시키기 위해 저 압력 고밀도 플라스마 생성 원(HDP)들이 1990년도 초반부터 등장하기 시작했다. 그러나, 이러한 HDP원들은 종래 사용하여 왔던 CCP에 비해 전자온도가 두 배 가량 높고, 가스분자들의 분해율이 높기 때문에 원하지 않는 라디칼들을 과잉 생성하게 되어 선택비 등을 만족시킬 수 없게 되었다.^[26] 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 공정가스 종류를 바꾸거나 플라스마 변수(전자밀도, 전자온도, 플라스마전위 등)를 제어하는 방식이 요구된다. 특히, 전자온도의 제어는 매우 중요하고, 현재까지 이에 대한 많은 연구가 진행되어 오고있다.^[27-30] 대표적인 전자온도제어 방법들은 그리드 전압에 의한 전자온도강하(0.1 eV이하)방법,^[31] 입력 파워를 펄스로 인가하는 방법^[32]과 전자석필터를 이용한 전자온도강하(0.5 eV 이하)방법^[33]들이 있다. 이중 펄스를 이용한 방법은 입력 파워 차단시 전자밀도는 천천히 감소하나 전자온도는 빠르게 감소, 전자가 중성입자에 흡착되어 음이온을 형성할 확률이 매우 높아짐을 이용, 하전입자 대전에 의한 쐐기(Notch) 현상을 훌륭히 해결하고 있다.^[34]

4. 플라스마 모델링

핵융합이나 우주 플라스마 과학분야에서 시뮬레이션은 중요한 역할을 하고 있으나,^[35-37] 공정 플라스마의 다차원적인 시뮬레이션 연구는 아직 초기 개발단계에 있어 실재 산업현장에는 기여하지 못하고 있다. 최근 들어 대면적화 추세와 대면적 장치개발의 상당한 투자부담을 덜기 위해 시뮬레이션기술과 모델링 개발은 필수적인 것으로 생각된다. 공정 플라스마에서 모델링의 어려움은 플라스마 내의 많은 라디칼들이 가스상태 반응 및 표면에서의 반응과 플라스마 수송 및 중성입자들의 운동들이 서로 연관되어있어 반응 규명에 있어서의 복잡성에 있다. 그러므로, 모델링은 공정변수들(가스 혼합비, 가스 유량, 압력, 파워, 챔버 구조 등)과 설계변수들(가스의 반응 계수들, 반응속도, 수송계수, 빛 발광 및 흡착계수)을 갖고 중요한 양들의 공간적, 시간적 변화를 기술하고 궁극적으로 에칭속도, 증착속도, 표면형태의 변화, 손상과 오염 등을 예측할 수 있어야 한다.

공정 플라스마 모델링에서의 여러 가지 중요 고려사항은 a) 방전물리, b) 가스상태 중성입자들 c) 표면반응 등이다. 방전물리는 하전입자 수송과 운동학 및 맥스웰 방정식을 포함하고 있다. 하전입자 수송과 운동학은 통상 유체역학 방정식,^[38] 입자 방정식^[39] 또는 이 두가지 합성으로 기술한다.^[40] 또한, 방전물리는 주로 이온, 전자들과 중성입자들 사이의 충돌에 의한 가스상태에서의 반응들과 관련되어 있다. 이것은 전자의 운동량과 에너지분포는 전자들의 이온이나 중성입자들과의 충돌에 의존하고, 반면 중성입자의 밀도와 라디칼들의 분포는 전자들의 물리적인 상태에 의존하기 때문이다. 예로 전자 충돌에 의한 중성입자의 분해는 방전에서 라디칼들의 상태를 상당히 변화시킨다. 이것은 플라스마에서 가스 상태 중성입자들은 거의 실온근처에 남아있기 때문에 이온화율은 1­10 % 이하일지라도, 분자 분해율은 100 %에 달할 수도 있다. 낮은 압력 하에서 중성입자에 의한 표면의 화학적 반응은 표면의 변화 과정, 손상, 표면 및 표면주위 재료의 오염을 기술하므로 매우 복잡하다. 현재 플라스마와 표면의 화학적, 물리적 반응의 모델링은 매우 제약되어 있다.

공정 플라스마 발생 장치 개발

과거 수십 년 동안, 새롭게 향상된 차세대 반도체 장비들이 개발되어 왔다. 각 장비들은 공정에서 공통적으로 요구하는 조건들(낮은 공정 압력, 고 이온화율, 높은 에칭속도, 좋은 에칭균일도)을 가정 적절히 충족시키는 방향으로 연구, 개발되었다. 이러한 개발방향에 의거 새로운 HDP (High Density Plasma)발생 장치들이 출현하게 되었다. 기존의 CCP (Capacitively Coupled Plasma)는 낮은 공정 압력에서 10⁸­10¹⁰ cm^－3 정도의 낮은 밀도는 보이는 반면, HDP 장치들은 전형적으로 10¹¹ cm^－3 이상의 높은 밀도를 갖고있다.^[41] 대부분의 HDP 장치들의 큰 장점 중의 하나는 플라스마 발생에 필요한 출력들(고주파 및 마이크로파)을 기존 CCP와는 달리 기판 전위에 대해 독립적으로 가할 수 있다는 것이다. 기판의 전위를 독립적으로 제어함으로써 높은 에너지를 가진 이온들에 의한 웨이퍼 손상을 극소화할 수 있을 뿐만 아니라, 공정 물질에 따라 이온에너지 분포를 제어함으로써 공정 제어의 최적화가 가능해졌다. 웨이퍼 상에서 공정의 균일성을 확보하기 위해 플라스마의 공간적 균일성 또한, 장비 개발에 있어 확보해야할 중요한 요소이다. 따라서, 현 반도체 공정에서는 각 공정에 따라 가장 최적의 특성을 가진 플라스마 장치들을 이용하고 있으며, 에칭 공정에서는 아직까지 CCP 장치가 많이 이용되고 있기도 하다. 아래에서는 현재의 플라스마 공정에서 이용되고 있는 장치들에 대한 발생 원리 및 특징들에 대하여 논의한다.

1. 축전 결합 방전 장치

반도체 제조공정에서 가장 널리 사용되어온 장치가 축전 결합 장치, 즉 CCP이다. 그림 5는 전형적인 고주파 축전 결합 플라스마 장치의 단면도들이다. 기본적인 장치의 구조는 일정한 간격으로 유지되어있는 두 전극판이 있고, 이 두 전극판에 고주파 입력 파워가 가해진다. 이 장치는 넓은 공정 압력에서 응용이 가능하며, 박막 증착 및 에칭 등의 공정에 널리 이용되어 왔다. (표 2 참조) 낮은 공정 압력에서 입력 파워가 인가된 전극에 웨이퍼를 장착한 뒤 에칭할 때 이 장비는 통상 RIE(reactive ion etching)이라 불린다(그림 5(b) 참조). 그림 5(a)의 구조는 웨이퍼를 접지 전극에 장착되어있는 플라스마 에칭이라 불리는 장치의 구조이다. 통상 플라스마 에칭 장비는 높은 공정 압력에서 구동되며, 박막 증착 및 등방성 에칭에 주로 이용되어진다. 축전 결합 방전의 원리는 잘 알려져 왔다. 이온과 전자의 플라스마 주파수 사이의 주파수에서 두 전극에 진동하는 고주파 입력 파워가 인가되면, 질량 차이에 의해 이온보다 매우 운동성이 좋은 전자들이 순간적인 전기장에 반응하게 되고, 이온들에 의해 형성된 양전하 내에서 진동을 함으로써 전기장으로부터 에너지를 얻게 된다. 이때, 이온들은 단지 시간적으로 평균되어진 전기장에만 반응하여 쉬스를 형성한다. 전형적인 이온 충돌 에너지는 두 전극에 가해지는 고주파 전압에 의해 결정된다. 이온 충돌 에너지가 비교적 높기 때문에 SiN박막 증착과 같은 공정에서는 박막의 응력 및 박막 조성비의 제어를 위해 높은 에너지의 이온이 필요하기 때문에 유용하지만 선폭, 선택비 및 기판 손상 등을 제어해야 하는 차세대 공정에서는 이온 충돌에너지가 기판으로 입사하는 이온과 중성 가스의 선속에 대해 독립적으로 제어되어야 한다. 이 장치들은 표 2에서 제시된 바와 같이 20 mTorr 이하의 공정 압력에서는 효율적인 작동이 불가능하다. 낮은 공정 압력에서 효율적인 작동과 기판에 입사하는 이온들의 에너지를 낮추기 위해 향상된 MERIE(magnetically enhanced reactive ion etcher)라는 장비가 개발되기도 하였다.^[42]

2. 고밀도 플라스마 발생 장치

축전 결합 방전과 그의 향상된 장치들의 공정 조건의 개선에 있어서의 한계로 인해 새로운 저 압력, 고효율의 플라스마 발생 장치의 개발이 요구되었었다. 개발되어진 고밀도 플라스마 발생들의 대표적인 예가 그림 6 - 8에 나타내었다. 이러한 플라스마 장치들의 공통적인 특징을 살펴보면 우선적으로 50 mTorr 이하의 낮은 공정 압력에서 비교적 효율성이 높고 안정적으로 플라스마를 발생시킬 수 있으며, 표 2에서 나타낸 바와 같이 기존의 축전 결합 방전에 비해 두 배 높은 플라스마 밀도를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 공통적인 특징은 고주파 입력 파워가 두 전극(그중 하나에 웨이퍼가 놓임) 사이에 가해지는 기존의 축전 결합 방전과는 달리 고주파나 마이크로파 파워가 기판과는 별도로 플라스마에 가해짐으로써 기판에 입사하는 이온의 에너지와 선속이 독립적으로 제어될 수 있다는 것이다. 더욱이 입력 파워의 비 축전 결합으로 인해 전형적으로 20­30 V의 낮은 쉬스 전압을 얻을 수 있어, 높은 에너지 이온들에 의한 기판 손실을 최소화 할 수 있다. 이러한 장비들은 현재 다양한 공정에 응용되어 상업적으로 큰 성공을 거두기도 하였으며, 많은 응용에 관련된 연구뿐만 아니라 기본 플라스마 물리연구도 활발히 진행되어지고 있다.

(1) 전자 사이클로트론 공진

마이크로파를 이용한 플라스마 방전은 세계2차 대전시 개발되어진 고출력 마이크로파 소오스가 개발된 이후 사용되어져 왔다. 그림 6은 플라스마 공정에서 사용되어져 큰 성과를 거둔 일본 Hitachi사의 ECR 장치의 단면도를 보여주고 있다. 이 장치에서는 2.45 GHz의 마이크로파 출력이 웨이브 가이드를 통해 플라스마로 전달되며, 이 웨이브 가이드는 통상 방전 장치의 quartz bell jar로 연결된다. 솔레노이드 코일은 발산 자기장을 만들며, 875 가우스^[43] 부근에서 공진 영역을 형성한다. 웨이브 가이드를 통해 플라스마로 가해진 마이크로파의 출력은 이 공진 영역에서 자기장을 중심으로 회전 운동을 하는 전자와 공진을 일으키면서 전달된다. 이 장치의 출력 전달 특성상 10^－5 Torr 이하의 매우 낮은 압력에서도 플라스마 발생이 가능하나, 압력이 감소함에 따라 에칭의 비용이 상승하기 때문에 실제의 공정에서는 전형적으로 1 mTorr에서 20 mTorr사이에서 작동한다.

(2) 헬리콘 플라스마

웨이브와 플라스마 내 전자와의 출력 공진을 이용하여 고효율을 플라스마를 발생시킬 수 있는 장치가 그림 7에서 나타난 바와 같은 헬리콘 플라스마 발생 장치이다. 이 장치는 Boswell^[44]에 의해 플라스마 생성 원으로 처음 소개되었다. 헬리콘 파와 플라스마와의 파워 전달 메커니즘에 있어 가장 완성된 이론은 Chen^[45]에 의해 제시되었던 란다우 감쇠효과로 알려져 왔으나, 최근에는 다른 이론들^[46]이 계속해서 제시되고 있어 기본적인 물리 연구에 큰 관심이 끌려지는 플라스마 발생 장치라 하겠다. 헬리콘 모드의 웨이브는 다양한 형태의 안테나에 의해 발생되고, ECR에 비해 비교적 약한 자기장을 따라 전파하면서 플라스마와 출력 결합이 이루어진다. 이 장치 또한, 자기장의 영향으로 공간적으로 균일한 분포의 플라스마 발생에는 큰 난점을 가지고 있어 실제의 공정에는 크게 이용되어지고 있지는 않다. 그러나, 이 장치는 큰 이온 선속과 충돌 에너지를 이용해 재료 표면 변형이나 레이저 발생 장치에 큰 응용성을 가지고 있다.

(3) 유도 결합 플라스마

그림 8은 플라스마 공정에서 가장 많이 이용되고 있는 플라스마 발생 장치인 유도 결합 플라스마 장치의 단면도들이다. 이 장치의 가장 큰 특징은 웨이브와 플라스마와의 출력 결합에 자기장이 요구되지 않기 때문에 가장 간단한 구조를 가지고 있다는 것이다. 위에서 제시한 고밀도 플라스마 발생 장치에 비해 출력 결합 효율의 측면에서 비교적 낮은 편이기는 하나, 자기장이 사용되지 않으므로 공간적인 균일성 확보에 큰 이점을 갖는다. 최근에는 출력 결합의 효율성을 높이고, 공간 분포의 균일성의 향상을 위해 약한 자기장이 축 방향으로 가하기도 하며, rf 출력 전달에 있어 효율적인 헬리컬 공진 장치가 제시되기도 하였다. rf 안테나는 그 응용 공정의 특성에 의해 실린더 장치의 측면이나 상단부에 위치되기도 한다.^[26,47] 이 장치 또한, 기판 바이어스의 독립성을 가지고 기판으로 입사하는 이온의 에너지를 제어할 수 있는 특징을 가지고 있다. 더욱이 최근에 와서는 12″이상의 웨이퍼에 응용이 가능한 대면적 플라스마 장치로의 확장에 이용되기도 한다.

플라스마진단 장치

1. 랑뮈어 탐침

랑뮈어 탐침은 매우 단순한 구조를 갖지만 가장 기본적인 플라스마 변수들(플라스마의 밀도, 전자온도, 플라스마 전위, 전자에너지분포함수 등)을 측정할 수 있다. 이 탐침으로 측정할 수 있는 한계는 플라스마 밀도의 경우 10¹³ cm^－3까지, 전자온도는 0.1 eV부터 수백 eV까지이다.

통상 고주파를 사용하는 플라스마에서 플라스마 전위는 동일한 주파수로 진동하므로 랑뮈어 탐침에 인가하는 전압을 고주파의 주파수보다 매우 빠르게 변화시키지 못하면 진동하는 플라스마 전위에 의한 탐침 특성 곡선이 왜곡된다. 이러한 왜곡을 방지하기 위해 최근에는 고주파의 주파수와 동일한 성분을 제거하는 필터를 사용한다.^[48]

전자에너지 분포는 측정한 전류를 탐침에 인가한 전압으로 이차 미분하여 구할 수 있다. 이것은 탐침에 인가하는 전압에 진폭이 작은 사인파를 인가할 때 측정되는 전류의 2ՙ 성분의 크기가 전류를 두 번 미분한 값을 갖는다는 원리를 이용하여 구할 수 있다.^[49] 통상 플라스마 내에 존재하는 전자들의 에너지분포는 맥스웰 분포가 아니므로 전자 에너지분포 측정은 플라스마 내에 존재하는 전자들의 운동학적 특성, 플라스마의 발생 메커니즘과 수송현상 등을 밝히는 데 필요하다.

2. QMS(Quadruple Mass Spectroscopy)

랑뮈어 탐침은 플라스마 내의 전자에 대한 특성을 측정하는데 반하여 QMS는 전자와의 충돌로 해리된 이온이나, 활성종의 질량 및 에너지분포를 측정할 수 있다. QMS를 이용하여 중성입자의 질량을 측정할 때는, 필라멘트를 가열하여 튀어나온 열전자를 가속, 중성입자와 충돌시켜 이온을 만든다. 이 이온이 질량필터를 통과하게 되는데, 질량필터는 4중극자로 이루어져 있고, 이 극에 직류 및 교류 전압을 인가하여 특정한 질량/전하 비를 갖는 입자들만 통과시키게 된다.^[50]

QMS는 주로 플라스마 내의 이온, 라디칼의 밀도 측정에 이용되며, 실제 공정에서 사용되는 복잡한 기체를 사용할 때도, 각각의 라디칼의 밀도 분포를 측정할 수 있기 때문에 랑뮈어 탐침으로 측정한 전자의 특성과 QMS를 이용한 활성종의 밀도 정보를 이용하여 플라스마 내에서 전자와 라디칼의 해리에 대한 메커니즘을 밝히는 연구가 활발히 진행되고 있다.

3. OES

OES(Optical Emission Spectroscopy)는 플라스마 내의 중성입자나 이온이 전자와의 충돌에 의해 각 입자의 전자가 여기상태로 올라갔다가 기저상태, 또는 준안정상태로 천이할 때 나오는 빛을 측정한다. 이온, 또는 중성입자로부터 나오는 빛의 세기는 전자 밀도 n_e, 측정하려하는 입자(이온, 라디칼)의 밀도 N, 그리고 전자 온도 T_e에 관계된다 (I_N = k(T_e) n_e N). 식에서 볼 수 있듯이 빛의 세기는 대상 입자의 밀도뿐만 아니라, 전자밀도와 에너지분포에도 관계된 양이기 때문에 이 양들을 소거해야 한다. 소거 방법 중, 가장 잘 알려진 것으로는 Optical Actinometry법이 있다. 플라스마 내에 소량의 불활성 기체(actinomer)를 첨가하고 이 기체로부터 나오는 빛과 측정하고자하는 입자로부터 나오는 빛의 세기를 비교하므로서 상대농도를 구할 수 있다.^[51]

이온이나 중성종이 전자와 충돌하여 여기, 천이하며 나오는 빛의 파장은 각 입자마다 고유한 특성을 갖는데, actinomer와 측정하고자 하는 입자의 파장들 중에서 전자에너지에 의한 빛 방출 특성이 비슷한 파장들을 선택, 측정하면 위 식의 k값이 서로 비례관계를 갖기 때문에 대상 입자와 actinomer로부터 나오는 빛 세기의 비는 곧 대상입자의 상대밀도가 된다.

따라서 actinomer의 밀도를 일정하게 유지해주며, 측정하고자하는 입자로부터의 빛과 actinomer로부터 나오는 빛의 세기를 비교하면 여러 조건에서의 입자 N의 밀도 변화를 알 수 있게 된다.

4. LIF

LIF(Laser Induced Fluorescence)는 레이저를 이용하여 이온이나 중성입자의 전자를 여기 시키고, 낮은 에너지 준위로 천이할 때 나오는 빛의 세기를 측정한다. 중성입자의 밀도를 측정하는 방법으로 Actinometry 등의 방법이 있지만, 측정기체와 actinomer의 선택 폭이 너무 좁고, 공간분포의 측정이 어려운 단점이 있다. 그러나, LIF를 이용할 경우에는 빛의 세기가 레이저의 파워의 함수이고, 입자들의 밀도에 비례하기 때문에 형광의 세기가 직접 입자의 밀도를 나타낸다.^[52]

입사 레이저 파장의 선 폭이 아주 작은 파장 가변형 레이저를 이용할 경우에는 중성종, 이온의 속도분포함수 또한 측정 가능하다. 선 폭이 작은 레이저를 사용하여 l레이저의 파장을 변화시키면서 형광의 세기를 측정하면 도플러효과에 의한 선폭증가를 측정할 수 있는데, 도플러효과는 입사 레이저의 방향에 대한 입자들의 속도에 따라 ՙ＝ՙ₀－k·v의 관계를 갖고, 형광의 세기는 이 식을 만족시키는 입자들의 수에 비례하므로 레이저 파장을 속도로 변환하므로 써 그 입자들의 속도분포함수를 구할 수 있다. 이 분포함수를 통해, 실 공간에서의 확산계수, 밀도분포 뿐만 아니라, 이동속도, 온도, 속도공간에서의 확산계수 등을 계산해 낼 수 있으므로 유용성이 매우 크다.

맺음말

앞에서 기술했듯이 현재까지 상당히 개발되지 않은 많은 플라스마 공정 분야가 있다. 중요하다고 생각되는 것들을 요약하면 아래와 같고 또한, 이것들은 향후 공정 플라스마의 연구주제가 될 것이다.

1. 공정변수 제어와 모델링

공정 플라스마에 대한 플라스마 진단 분야는 상당히 진보되어있으나 아직도 반도체 제조공정에 실재 사용될 수 있는 청정환경의 진단 설비는 아직도 미진한 부분이 많고 수율 향상을 위한 실시간 공정관리용 피이드백 분석 설비는 거의 전무하다고 볼 수 있다. 공정 플라스마에서 공정변수와 플라스마변수 제어는 기초적인 연구뿐만 아니라 공정의 재현성, 공정원가, 신규공정개발 등의 관점에서도 필수적인 사항이 될 것이고, 반도체회사들의 사활이 걸린 문제이다.

플라스마에 관련된 다른 분야에 비하여 모델링과 시뮬레이션은 수준은 많이 뒤떨어져있다, 예로 자기장이 있을 때 플라스마 수송과 플라스마 웨이브를 연계시키는 모델링은 아직도 논란이 되고있다. 실재적인 가스 상태와 표면 화학을 관련시키는 모델들은 아직 유년기에 지나지 않는다.

2. 공정 플라스마에서 먼지 입자, 손상과 오염

서브마이크론 크기(0.1 um)의 미세 먼지입자는 반도체가 고집적화됨에 따라 수율, 디바이스 성능 및 신뢰성에 치명적인 영향을 미친다. 이것은 쳄버벽 스파타링, 반응생성물의 폴리머,^[53] 응력받은 벽면에 증착된 박막^[54] 등으로부터 생성된다. 오염관점에서 보면 매우 낮은 밀도의 입자들이라도 분명히 웨이퍼에 치명적인 손상을 준다. 통상 이들은 실험용 웨이퍼 상에서 빛의 산란 방법을 이용 간접적으로 검출하는데, 최근에는 플라스마 상태에서 레이저의 산란을 이용 직접적으로 검출하는 방법이 도입되어 발생메커니즘과 해결방법에 대한 상당한 진전이 있었다. 한편 플라스마에서 충분한 밀도를 갖고 있는 입자들은 플라스마 균일도에 영향을 주어 간접적인 문제를 일으킨다. 이 오염원들은 사용하는 가스, 외부공기와 쳄버 재질 등이므로, 이들의 유입을 억제하기 위한 필터 개발과 화공약품에 의한 세정기술이 연구되고 있다. HDP생성 원이 도입된 후 이온 충돌에 의한 플라스마 손상은 상당히 개선되었으나 축전전하에 의한 손상은 더욱 심각해졌는데 이것에 대한 공정에서의 해결방법은 아직 미진한 상태이며 회로 설계방법으로 해결하고 있다.

3. 대면적 플라스마 발생 장치 개발

앞에서 기술한 고밀도 플라스마 장치들의 개발은 8″웨이퍼 크기 이하의 현 플라스마 공정에 초점을 맞추어 개발되어 왔다. 그러나, VLSI공정이 미세화와 고 집적화의 추세로 감에 따라 반도체원가와 수율 관점에서 12″이상의 대면적화 추세가 지배적이다. 따라서, 최근 수 년 전부터 웨이퍼의 대면적 추세에 발맞춰 플라스마 장비의 대면적화가 서서히 대두되고 있다. 대면적 플라스마 장비의 개발은 미국을 비롯해서 일본 등에서 활발히 연구되기 시작하고 있으며, 몇 가지 장비들이 제시된 바 있다. 현재 가장 큰 문제점은 안테나의 임피던스 감소와 플라스마 밀도의 공간적인 균일성 확보이다. 지금까지 대면적으로 크기 확장이 가능한 최적의 고밀도 플라스마 장비로는 평판형 유도 결합 플라스마 장비로 본 실험실에서도 이러한 장비 구조에서 크기 확장이 가능한 플라스마 안테나를 제시한 바 있다.^[55] 최근 일본의 NEC사의 Samukawa^[56]와 그의 팀에서 500 MHz의 대면적 플라스마 장비를 제시한 바 있다. 장래에는 대면적 플라스마 장비를 개발한 국가에서 반도체 사업의 주도적인 역할을 할 것으로 여겨져, 이에 대한 많은 참여가 기대된다.

감사의 글

본 내용을 쓰는데 많은 도움을 주신 삼성전자의 홍정인, 서상훈, 그리고 이상원 연구원에게 감사를 드립니다.

참 고 문 헌

[1] J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering (IOP., Bristol, 1995), Vol. 1.

[2] Y. P. Razier, Gas Discharge Physics (Springer-Verlag, Berlin, 1991).

[3] J. W. Coburn and H. F. Winters, Ann. Rev. Mater. Sci. 13, 91 (1983).

[4] D. L. Tolliver, The History of Plasma Processing in VLSI Electronics Microstructure Science (Academic Press, Florida, 1984), Vol. 8.

[5] S. M. Irving, Kodak Photoresist Sem. Proc., Vol. 2, May (1968)

[6] S. Fang, S. Murakawa and J. P. Mcvittie, IEEE Trans. Electron Devices 41, 1848 (1994).

[7] S. Ma, J. P. Mcvittie, and K. C. Sarawat, IEEE Trans. Electron Device Lett. 16, 534 (1995).

[8] C. H. Chien, C. Y. Chang, H. C. Lin and T. Y. Huang, IEEE Trans. Electron Device Lett. 18, 33 (1997).

[9] W. Kern and V. S. Ban, Thin Film Processes (Academic, New York, 1978).

[10] W. Kern and G. L. Schnable, IEEE Trans. Electron Devices ED-26, 647 (1979).

[11] E. C. Douglas, Solid State Technol. 24, 65 (1981).

[12] H. F. Sterling and R. C. G. Swann, Solid State Electron 8, 653 (1965)

[13] A. R. Reinberg, Electrochemical Soc. 91 (1976).

[14] H. Dun, P. Pan, F. R. White and R. W. Douse, J. Electrochem. Soc. 128, 1556 (1981).

[15] V. S. Nguyen, Electrochem. Soc. Ext. Abs. 83-1, 216 (1983).

[16] W. Kern and R. S. Rosier, J. Vac. Sci. Technol. 14, 1082 (1977).

[17] G. M. Samuelson and K. M. Mar, J. Electrochem. Soc. 129, 1773 (1982).

[18] K. Koyama, K. Takasaki, M. Maeda and M. Takagi 3rd. Symp. Plasma Processing, Vol. 82-6, Electrochem. Soc. 479 (1982).

[19] W. A. Bryant, J. Electrochem. Soc. 125, 1534 (1978).

[20] J. K. Chu, M. S. Thesis, University of California, Berkeley (1982).

[21] K. Akimoto and K. Watanabe, Appl. Phys, Lett. 39, 445 (1981).

[22] M. Sugawara, Practical Dry Etching Process, Realize, Tokyo, (1992).

[23] J. Proud and R. A. Gottscho, Plasma Processing of Materials, Scientific Opportunities and Technological Challenges (National Academy, Washington, 1991).

[24] E. S. G. Shaqfeh and C. W. Jurgensen, J. Appl. Phys. 66, 4664 (1989).

[25] S. M. Rosnagel, J. J. Cuomo and W. D. Westwood, Handbook of Plasma Processing Technology (Noyes Publication, New Jersey, 1990).

[26] Y. Hikosaka, M. Nakamura and H. Sugai, Jpn. J. Appl. Phys. 33, 2157 (1994).

[27] I. Alexeff and W. D. Jones, Appl. Phys. Lett. 9, 77 (1966)

[28] K.R.Mackenzie, R. J. Taylor, D. Cohn, E. Ault and H. Ikezi, Appl. Phys. Lett. 18, 529 (1971)

[29] N. Herschkowitz, M. H. Cho and J. Pruski, Plasma Source Sci. Technol. 1, 87 (1992)

[30] N. Sato, S. Lizuka, T. Kozumi and T. Takada, Appl. Phys. Lett. 62, 567 (1993)

[31] K. Kato, S. Lizuka and N. Sato, Appl. Phys. Lett. 65, 816 (1994).

[32] S. Ashida, C. Lee and M. A. Liberman, J. Vac. Sci. Technol. A13, 2498 (1995).

[33] A. J. T. Holmes, Rev. Sci. Instrum. 53(10), 1523(1982).

[34] T. H. Ahn, Ph.D. -Thesis, University of Nagoya, Nagoya, Japan, March (1997).

[35] T. Tajima, Computational Plasma Physics: Applications to Fusion and Astrophysics (Addison-Wesley, CA, 1989).

[36] C. K. Birdsall and A. B. Langdon, Plasma physics via Computer Simulation (McGraw-Hill, New York, 1985).

[37] R. W. Hockney and J. W. Eastwood, Computer Simulation Using Particles (IOP., Bristol, 1988).

[38] A. D. Richards, B. E. Thompson and H. H. Sawin, Appl. Phys. Lett. 50, 492 (1987)

[39] C. K. Birdsall, IEEE Trans. Plasma Sci. 19, 65 (1991).

[40] R. K. Porteous, H. M. Wu and D. B. Graves, Plasma Sources Sci. and Technol. 3, 25 (1994).

[41] M. A. Lieberman and A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing (John Wiley and Sons, New York, 1994).

[42] C. T. Gabriel and J. P. MoVittie, Solid State Technol. 81 (1992).

[43] J. E. Stevens, Y. C. Huang, R. L. Jarecki and J. L. Cecchi, J. Vac. Sci. Technol. A10, 1270 (1992).

[44] R. W. Boswell, Phys. Lett. A33, 457 (1970).

[45] F. F. Chen, Plasma Phys. and Control. Fusion 33, 339 (1991).

[46] K. P. Shamrai, V. P. Pavlenko and V. B. Taranov, Plasma Phys. Control. Fusion 39, 505 (1997).

[47] J. Hopwood, Plasma Sources Sci. Techmol. 1, 109 (1992)

[48] V. A. Godyak, R. B. Piejak and B. M. Alexandrovich, Plasma Sources Sci. Technol. 1, 36 (1992).

[49] G. R. Branner, E. M. Friar and G. Medicus, Rev. Sci. Instrument 34, 231 (1962).

[50] F. M. Ma and S. Taylor, IEE Proc.-Sci. Meas. Technol. 143, 71 (1996).

[51] G. Bruno, P. Capezzuto and G. Cicala, J. Appl. Phys. 69, 7256 (1991).

[52] R. A. Gottscho and T. A. Miller, Pure Appl. Chem. 56, 189 (1984).

[53] A. A. Howling, J. L. Dorier and C. Hollenstein, Appl. Phys. Lett. 62, 1341 (1993).

[54] J. S. Logan and J. J. McGill, J. Vac. Sci. Technol. A10, 1875 (1992).

[55] G. H. Bai, S. H. Seo and H. Y. Chang, J. Korean Vac. Soc. 7, 273 (1998).

[56] S. Samukawa and T. Nakano, J. Vac. Sci. Technol. A14, 1002 (1996).


Key Words

환경기술, 저온 플라스마, 전기방전, 전자파 방전, PDP 플라스마, ADS 구동, 이차전자 발생계수, 진공자외선 방사, 플라스마 공정, 플라스마 에싱, 플라스마 CVD, 플라스마 에칭, 플라스마 진단, 열플라스마, 열플라스마 공정기술

장홍영 교수는 University of Iowa('86) 이학박사로서 Lehigh University Research Associate를 역임하고 현재 한국과학기술원 물리학과 교수로 재직 중이다. (hychang@yebbi.kaist.ac.kr)