플라즈마 식각 원리, 전자와 라디칼과 이온이 나눠 맡는 일

번개가 치는 순간 공기는 잠깐 플라즈마(Plasma)가 되고, 고위도 밤하늘의 오로라는 지상 100 km 위의 희박한 대기가 전하를 띤 입자와 부딪히며 내는 빛입니다. 식각 장비 챔버 안에서도 이와 비슷한 일이, 훨씬 작고 조용하게 일어납니다.

이 글에서는 건식 식각의 장단점이 아니라 챔버 속 플라즈마 식각 원리를 입자 하나하나의 역할로 풀어 봅니다. 전자, 라디칼, 이온이 각각 무엇을 맡고, 웨이퍼 위에서 왜 수직으로 깎이는 결과가 나오는지가 핵심입니다.

오로라와 다른 점도 분명합니다. 오로라는 우주에서 날아온 입자가 대기를 때려 만들지만, 챔버의 플라즈마는 낮은 압력의 기체에 고주파 전기장을 걸어 사람이 만들고 조절하는 도구입니다.

플라즈마 식각 원리의 출발점, 뜨거운 전자와 차가운 기체

식각 챔버에는 CF4, Cl2, HBr, O2, Ar 같은 기체가 대기압의 수만분의 1 정도의 낮은 압력으로 채워져 있습니다. 여기에 고주파(RF, Radio Frequency) 전력을 걸면 기체 속에 흩어져 있던 전자가 전기장에서 에너지를 얻어 분자와 충돌하고, 그 충돌이 연쇄적으로 이어지면서 불이 붙듯 플라즈마가 켜집니다.

플라즈마라고 해서 기체 전체가 이온이 되는 것은 아닙니다. 아래의 가상 예시처럼 실제로 전하를 띤 입자는 극히 일부이고, 대부분은 여전히 중성 분자입니다.

더 놀라운 것은 온도입니다. 플라즈마 속 입자는 한 가지 온도를 갖지 않습니다. 전자는 몇 eV의 에너지를 가져 온도로 환산하면 수만 K에 해당하지만, 이온과 중성 입자는 상온에서 수백 K 수준에 머뭅니다.

전자는 가벼워서 전기장에서 쉽게 에너지를 얻는 반면, 무거운 입자는 충돌해도 에너지를 거의 받지 못하기 때문입니다. 그래서 기체 전체는 뜨겁지 않으면서도 반응에 필요한 에너지는 전자가 공급하는 구조가 만들어집니다.

흔한 오해는 플라즈마에 닿은 웨이퍼가 수만 도로 달궈진다는 생각입니다. 웨이퍼를 가열하는 것은 주로 표면을 때리는 이온이며, 이 열은 척(Chuck)에 붙은 냉각 장치가 빼냅니다. 다만 기체가 차갑다고 해서 웨이퍼가 안전하다는 뜻은 아니며, 이온 충격이 만드는 손상은 뒤에서 따로 다룹니다.

전자, 에너지를 기체에 나눠 주는 운반자

전자는 식각 반응에 직접 참여하기보다 에너지를 나르는 역할을 합니다. 전자가 기체 분자와 충돌하면 결과는 크게 세 가지로 갈립니다.

세 가지 중 이온화가 가장 큰 에너지를 요구합니다. 예를 들어 아르곤 원자에서 전자를 떼어 내려면 약 15.8 eV가 필요하지만, 분자의 결합을 끊는 해리는 그보다 낮은 에너지에서도 시작됩니다.

이 때문에 플라즈마 속에서는 라디칼이 이온보다 훨씬 많이 만들어집니다. 전자의 에너지 분포 가운데 높은 쪽 꼬리가 이온화를 맡고, 그보다 많은 중간 에너지 전자가 해리와 여기를 맡는다고 이해하면 됩니다. 전자 온도가 높을수록 같은 전력으로 만들 수 있는 이온과 라디칼의 종류와 비율이 달라집니다.

라디칼, 반응은 하지만 방향을 모르는 입자

라디칼(Radical)은 결합이 끊어지면서 짝을 이루지 못한 전자를 가진 중성 입자입니다. 안정한 분자로 돌아가려는 성질이 강해서 웨이퍼 표면의 원자와 쉽게 반응합니다. CF4가 전자와 충돌해 CF3와 F로 갈라지는 것이 대표적인 예입니다.

식각이 성립하려면 반응 생성물이 기체가 되어 날아가야 합니다. 불소 라디칼이 실리콘과 만나면 SiF4라는 휘발성 기체가 만들어져 펌프로 빠져나가고, 이렇게 표면이 한 겹씩 벗겨집니다. 생성물이 휘발하지 않으면 식각이 멈추거나 오히려 막이 쌓입니다.

라디칼은 중성이므로 전기장에 영향을 받지 않고 사방으로 퍼집니다. 라디칼만 있다면 아래뿐 아니라 옆으로도 같은 속도로 깎아 언더컷이 생기며, 이 점에서는 습식 식각과 닮은꼴입니다.

한편 가스 종류는 선택비를 정하는 첫 번째 변수입니다. 폴리실리콘 게이트에는 HBr이나 Cl2 계열, 산화막에는 CF4나 C4F8 같은 플루오로카본 계열을 쓰는 것이 표준적인 선택으로 알려져 있습니다.

이온, 시스 전압이 방향과 에너지를 정하는 과정

방향성은 이온이 만듭니다. 이온이 곧게 내려오는 이유를 알려면 시스(Sheath)를 이해해야 합니다. 전자는 이온보다 수백 배에서 수천 배 빠르게 움직이므로, 플라즈마에 놓인 웨이퍼와 챔버 벽에는 전자가 먼저 달려와 쌓여 음전하를 띠게 됩니다.

표면이 음전위가 되면 그 앞의 얇은 층에서는 전자가 밀려나고 양이온만 남습니다. 이 층이 시스이며, 두께는 대략 밀리미터 이하입니다. 시스 안에는 표면 쪽으로 향하는 강한 전기장이 걸려 있어 플라즈마 쪽에서 시스로 들어선 양이온을 표면으로 가속합니다.

웨이퍼 전극에 바이어스용 고주파를 걸면 전극에는 평균적으로 음의 직류 전압이 생기는데, 이를 자기 바이어스(Self-bias)라고 부릅니다. 이온이 시스를 건너며 얻는 에너지는 대체로 이 시스 전압에 비례하므로, 바이어스 전력을 키우면 이온 에너지가 커집니다. 이온 에너지는 장비와 공정에 따라 수십 eV에서 수백 eV, 산화막 식각처럼 단단한 막에서는 그보다 높게 쓰이기도 합니다.

압력이 낮으면 이온이 시스를 지나는 동안 기체 분자와 거의 부딪히지 않습니다. 평균 자유 행로가 시스 두께보다 길어지기 때문에 이온은 전기장이 끄는 방향, 즉 웨이퍼 표면에 수직인 방향으로 곧게 도착합니다. 열운동 때문에 완전한 수직은 아니고 몇 도 안팎의 각도 분포가 있으며, 깊고 좁은 구멍을 뚫을 때는 이 퍼짐이 중요해집니다.

이온과 라디칼의 협업, 그리고 측벽 보호막

이온 하나하나는 라디칼보다 훨씬 적게 도착하지만 에너지가 큽니다. 이 에너지는 표면의 결합을 끊어 라디칼이 반응할 자리를 만들고, 반응 생성물이 표면에서 떨어져 나가도록 돕습니다.

표준 교재에서 이온 보조 식각의 대표 실험으로 소개되는 것도 이 협업 효과입니다. 실리콘에 불소계 기체만 주거나 이온만 쏘았을 때보다 둘을 함께 주었을 때 식각 속도가 합보다 훨씬 커집니다.

이방성의 비밀은 이 협업이 이온이 닿는 곳에서만 빠르게 일어난다는 점에 있습니다. 바닥에는 이온이 수직으로 쏟아지니 식각이 빠르고, 측벽은 이온이 거의 스치듯 지나가므로 라디칼이 닿아도 반응이 느립니다.

여기에 측벽 보호막(Sidewall passivation)이 더해집니다. 플루오로카본 가스에서는 탄소가 풍부한 얇은 폴리머가 표면에 쌓이는데, 바닥에서는 이온이 이를 계속 벗겨 내고 측벽에서는 이온이 없어 보호막이 남아 옆면을 지킵니다.

보호막이 너무 두꺼우면 바닥까지 막아 식각이 멈추고, 너무 얇으면 측벽이 깎여 배 모양으로 부푸는 보잉(Bowing)이나 언더컷이 생깁니다. 가스 조성과 압력을 조절하는 일은 결국 이 균형을 맞추는 일입니다.

소스 전력과 바이어스 전력을 나누는 이유

초기의 단순한 장비는 하나의 고주파 전력으로 플라즈마를 켜고 이온도 가속했습니다. 이러면 전력을 올릴 때 입자 수와 이온 에너지가 한꺼번에 변해 원하는 조합을 만들기 어렵습니다. 그래서 현재의 장비는 대개 역할이 다른 두 전력을 따로 둡니다.

하나는 플라즈마의 밀도를 정하는 소스 전력으로, 코일을 쓰는 유도 결합 플라즈마(ICP, Inductively Coupled Plasma)나 주파수가 다른 두 전원을 쓰는 용량 결합 플라즈마(CCP, Capacitively Coupled Plasma)의 고주파 쪽이 이 역할을 합니다. 다른 하나는 웨이퍼 전극에 걸어 이온 에너지를 정하는 바이어스 전력입니다.

입자의 수와 이온의 힘을 따로 조절할 수 있다는 점이 요즘 식각 장비가 정밀한 이유이고, 플라즈마 식각 원리를 공정 조건으로 옮긴 결과이기도 합니다. 깊은 구멍에서는 높은 바이어스로 이온이 바닥까지 닿게 하고, 얇은 막을 깎을 때는 낮은 에너지로 손상을 줄이는 식으로 목적에 맞춰 설정을 바꿉니다.

플라즈마가 남기는 부작용, 충전 손상과 자외선

플라즈마는 깎는 도구이면서 손상의 원인이기도 합니다. 가속된 이온은 표면 수 nm를 흐트러뜨려 결정 구조에 결함을 만들 수 있고, 플라즈마가 내는 자외선과 진공 자외선은 절연막 속에 전자와 정공을 만들어 특성을 바꿉니다. 특히 유전율이 낮은 층간 절연막은 이런 손상에 민감한 것으로 알려져 있습니다.

전하가 쌓이는 문제도 있습니다. 깊고 좁은 홈에서는 사방으로 움직이는 전자가 입구 근처 벽에 막혀 닿고, 수직으로 내려오는 이온은 바닥까지 도달하여 바닥은 양전하, 입구는 음전하가 쌓이는 경향이 있습니다. 이 전기장이 뒤따라오는 이온을 휘게 하여 홈 바닥이 비뚤어지거나 노칭(Notching)이 생기는 원인으로 설명됩니다.

플라즈마 식각 원리를 알면 이런 부작용의 정체도 같은 입자들에서 찾을 수 있습니다. 긴 배선이 안테나처럼 전하를 모아 게이트 산화막을 망가뜨리는 안테나 효과도 같은 계통의 문제입니다. 그래서 설계 단계에서 안테나 규칙으로 배선 길이를 제한하고, 공정에서는 플라즈마를 일정한 주기로 켰다 끄는 펄스 방식 등으로 부작용을 줄입니다.

세 입자의 역할 비교 표

구분	전자	라디칼	이온
전하	음전하	중성	양전하가 대부분
온도와 에너지	수 eV, 수만 K에 해당	기체 온도 수준, 수백 K	기체 온도 수준, 시스에서 가속되면 수십 eV 이상
맡는 일	충돌로 여기, 해리, 이온화를 일으켜 에너지를 전달	표면과 화학 반응해 휘발성 생성물을 만듦	결합을 끊고 생성물을 떼어 내며 방향을 줌
방향성	사방으로 움직임	사방으로 퍼짐(등방성)	시스 전기장을 따라 수직
입자 수	이온과 비슷한 수(전기적 중성)	이온보다 훨씬 많음	전체 입자의 극히 일부
주된 조절 수단	소스 전력, 압력	가스 종류와 유량, 소스 전력	바이어스 전력, 압력

핵심 정리

플라즈마 식각 원리는 역할 분담으로 요약됩니다. 가벼운 전자가 에너지를 나르고, 그 에너지로 만들어진 라디칼이 화학 반응을 맡으며, 시스에서 가속된 이온이 방향과 충격을 맡습니다. 라디칼만으로는 사방을 깎는 식각이 되고, 여기에 이온과 측벽 보호막이 더해져야 수직 형상이 나옵니다.

오로라가 하늘의 희박한 기체를 빛나게 하듯, 챔버는 낮은 압력과 전기장으로 입자들을 일하게 만드는 곳입니다. 장비 사양서에서 소스 전력과 바이어스 전력이 따로 나오는 이유를 알면, 식각 조건을 바꿀 때 어떤 입자의 어떤 성질이 바뀌는지 읽을 수 있습니다.

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