플라즈마로 낮은 온도에서: PECVD·HDP
열 CVD는 웨이퍼를 뜨겁게 달궈 반응에 필요한 에너지를 준다. 그런데 금속 배선이 깔린 뒤에는 웨이퍼를 그렇게 달굴 수 없다. 그래도 배선 사이를 메울 절연막과 칩을 덮을 보호막은 계속 쌓아야 한다. 이때 쓰는 방법이 플라즈마다. 기체와 웨이퍼는 비교적 차갑게 두고, 전기장으로 전자만 뜨겁게 만들어 그 전자가 분자를 쪼개게 한다. 이 장에서는 플라즈마 속의 전자와 라디칼, 표면 앞에 생기는 Sheath와 이온 충돌, 두 주파수로 막의 응력을 맞추는 방법, 막에 남는 수소, 그리고 쌓으면서 깎는 HDP-CVD를 차례로 살펴본다.
- PECVD가 열 CVD보다 낮은 온도에서 막을 쌓을 수 있는 이유를 전자 온도와 에너지 분포로 설명할 수 있다.
- 전자 충돌이 라디칼과 이온을 만드는 과정을 말하고, 막 성장에서 라디칼과 이온이 하는 일을 구분할 수 있다.
- Sheath가 생기는 이유를 말하고, 이온이 표면을 때리는 에너지를 전자 온도와 RF 전압으로 어림할 수 있다.
- 13.56 MHz와 수백 kHz 전력이 막의 응력을 어떻게 다르게 만드는지, 두 주파수를 섞어 응력을 0 가까이 맞추는 원리를 설명할 수 있다.
- PECVD 막에 수소가 많이 남는 이유와 그 결과(식각 속도, 열처리 뒤 응력 변화, 신뢰성)를 확인 방법과 함께 말할 수 있다.
- HDP-CVD의 D/S 비가 무엇인지, 쌓으면서 깎으면 왜 좁은 틈을 Void 없이 채우기 쉬운지 설명할 수 있다.
왜 플라즈마인가: 뜨거운 전자, 차가운 기체
2장에서 본 열 CVD는 온도로 반응 속도를 조절한다. 표면 반응의 속도 상수는 \(k_s = k_0\,e^{-E_A/kT}\)의 Arrhenius 꼴이어서 온도에 지수 함수로 민감하다. 그래서 쓸 만한 증착 속도를 얻으려면 온도를 꽤 올려야 한다. 예를 들어 LPCVD 질화막을 만드는 반응 3SiH₂Cl₂ + 4NH₃ → Si₃N₄는 750 °C 근처에서 진행한다. Saraswat의 강의 노트도 LPCVD의 중요한 한계로 높은 증착 온도를 꼽고, 알루미늄 막 위에 증착하는 경우처럼 다른 공정 단계와 맞지 않을 수 있다고 적는다.
문제는 공정 순서다. 트랜지스터를 만들고 금속 배선을 깐 뒤에도 배선 사이를 메울 절연막과 칩을 덮을 보호막을 계속 쌓아야 한다. MIT 강의 자료는 이 단계에서 Al이 Si·SiO₂와 반응하지 않도록 온도를 450 °C 아래로 두어야 해서 유전막에 RF PECVD(Plasma-Enhanced CVD, 플라즈마 화학 기상 증착)를 쓴다고 정리한다. 공정 하나가 웨이퍼에 줄 수 있는 온도와 시간의 한도를 흔히 열 예산(Thermal budget)이라 부른다. 배선 공정은 열 예산이 빠듯한 단계다.
그러면 온도를 올리지 않고 반응 에너지를 어디서 얻을까. 기체에 RF 전기장을 걸면 일부 분자가 전자와 이온으로 갈라진 플라즈마(Plasma)가 된다. 전기장은 가벼운 전자를 무거운 이온이나 분자보다 훨씬 쉽게 가속한다. 그리고 전자가 원자와 부딪쳐 튕겨 나갈 때 넘겨주는 에너지는 아주 작다. 그래서 전자와 무거운 입자 사이의 에너지 교환이 약하고, 플라즈마 안에서는 전자 온도 \(T_e\)가 이온 온도 \(T_i\)보다 훨씬 높은 상태가 유지된다. Lieberman은 이것을 "낮은 온도에서 하는 고온 공정"이라 부르고 세 가지로 요약한다. 웨이퍼는 상온 가까이 둘 수 있고, 전자가 자유 라디칼을 만들어 화학 반응을 일으키며, 전자가 전자–이온 쌍을 만들어 이온 충돌을 일으킨다.
숫자로 보면 차이가 분명하다. 용량 결합 RF 방전의 전자 온도는 보통 2~4 eV다. 1 eV는 온도로 약 11,600 K이므로 2 eV 전자는 약 23,200 K에 해당한다. 같은 플라즈마 속 이온은 약 500 K(0.04 eV), 상온의 중성 기체는 0.026 eV다. 전자만 수만 도이고 나머지는 거의 상온인 셈이다.
뜨거운 전자가 왜 그렇게 중요한지 보려면 에너지 분포의 꼬리를 봐야 한다. 기체 분자든 전자든 모두 같은 에너지를 가지는 것은 아니고, 평균 근처에 대부분이 모여 있되 일부는 훨씬 큰 에너지를 가진다. 열평형 분포(Maxwell 분포)를 따르는 입자 가운데 에너지가 \(E_0\)보다 큰 입자의 비율은 다음과 같다.
분자를 쪼개려면 결합 에너지 정도의 에너지가 필요하다. Iliescu 등은 질화막 원료인 NH₃의 H–NH₂ 결합이 약 4.6 eV, N₂의 해리 에너지가 약 9.8 eV라고 적는다. 400 °C 웨이퍼 위 기체의 \(kT\)는 볼츠만 상수로 계산하면 0.058 eV에 불과하다. 아래 시뮬레이터로 두 분포의 꼬리를 비교해 보자.
열로 끊기 vs 전자로 끊기: 에너지 분포의 꼬리
시뮬레이터가 보여 주듯 400 °C 기체에서 4.6 eV를 넘는 분자의 비율은 10⁻³⁴ 수준이지만, Te = 3 eV 전자의 약 38%는 이 문턱을 넘는다(계산). 플라즈마는 웨이퍼를 데우지 않고도 분자를 쪼갤 에너지를 전자라는 작은 무리에게만 몰아준다. Saraswat의 정리도 같다. PECVD에서는 열에너지 대신 RF 플라즈마의 비평형 고에너지 전자와의 충돌이 기체 반응을 시작하고, 이온 충돌은 표면에 끊어진 결합을 만들거나 순간적으로 에너지를 주어 표면을 더 반응하기 쉽게 만든다. 그래서 PECVD는 LPCVD보다 훨씬 낮은 온도에서 증착할 수 있고, 증착 속도도 대개 더 빠르다.
입자 무리의 온도를 에너지로 나타내는 방법은 \(E = kT\)다. 볼츠만 상수 \(k = 8.617\times10^{-5}\) eV/K를 쓰면 \(T = 1\ \text{eV}/k \approx 11{,}600\) K가 된다(계산). 그래서 플라즈마 교재는 전자 온도를 흔히 eV나 V 단위로 쓴다. "Te = 3 V"는 약 35,000 K라는 뜻이다. 다만 이 전자들은 수가 아주 적어서 웨이퍼를 데울 만큼의 열을 갖고 있지 않다(원리에서 나온 해석). 용량 결합 방전에서 전자와 이온의 밀도는 10⁹~10¹⁰ cm⁻³로, 중성 기체 밀도 10¹⁴~10¹⁶ cm⁻³보다 몇 자릿수 작다.
플라즈마 속에서: 전자가 라디칼을 만든다
플라즈마 속에는 전자, 이온, 중성 분자, 분자가 쪼개진 조각, 들뜬 분자, 그리고 라디칼(Free radical)이 섞여 있다. 라디칼은 전하는 없지만 결합이 덜 채워져 있어 반응성이 아주 큰 입자다. SiO, SiH₃, F 같은 것이 예다. 뜨거운 전자가 분자와 부딪칠 때 일어나는 일은 크게 세 가지다. 전자를 하나 더 떼어 내는 이온화(Ionization), 분자를 높은 에너지 상태로 올리는 들뜸(Excitation), 그리고 분자를 쪼개는 해리(Dissociation)다. 들뜬 원자나 분자가 원래 상태로 돌아오면서 내는 빛이 플라즈마가 빛나는 이유다. 해리의 예로 Lieberman은 e + N₂ → 2N + e를 든다. 전자는 분자를 쪼개고도 그대로 남아 전기장에서 다시 에너지를 얻는다.
이렇게 생긴 입자들의 양은 매우 다르다. 용량 결합 방전에서 이온화 비율은 약 10⁻⁴이다. 식각 장비를 예로 든 강의 자료는 중성 입자 약 10¹⁵ cm⁻³ 가운데 1~10%가 라디칼일 수 있고, 이온과 전자는 10⁸~10¹² cm⁻³라고 적는다. 곱해 보면 라디칼은 10¹³~10¹⁴ cm⁻³로, 이온보다 훨씬 많다(어림). 그래서 막의 재료를 주로 대는 것은 라디칼이고, 이온은 수는 적지만 표면을 때려 에너지를 준다. Saraswat의 설명대로 증착 전구체는 전자 충돌로 기체 속에서 만들어지고, 이온 충돌은 표면을 더 반응하기 쉽게 만든다. 쪼개진 조각, 라디칼, 이온 충돌이 함께 작용해서 표면 반응과 증착이 플라즈마 없는 경우보다 훨씬 낮은 온도에서 일어난다.
전자가 얼마나 빠른지도 보자. 같은 강의 자료에 따르면 2 eV 전자의 속도는 약 9.5×10⁷ cm/s이고 293 K 중성 원자는 약 4.0×10⁴ cm/s다. 나눠 보면 전자가 약 2,400배 빠르다(계산). 아래 애니메이션은 이 차이를 크게 줄여서 그렸다.
플라즈마 속: 빠른 전자, 느린 분자, 그리고 라디칼
RF 전력을 올리면 무엇이 달라질까. Iliescu 등의 SiNx 실험에서 전력을 올리면 전자 밀도가 늘고 고에너지 전자가 많아져 이온화와 해리가 늘었고, 그 결과 증착 속도가 올랐다. 13.56 MHz 전력을 20 W에서 80 W로 올리자 증착 속도는 약 15 nm/min에서 약 70 nm/min이 되었다. 쪼개기 쉬운 NH₃를 활성화하는 전력은 N₂의 약 1/5 정도이고, 아주 높은 전력에서는 N₂도 많이 해리되어 막 속 Si–N 결합이 늘었다. 같은 기체라도 전력에 따라 막의 조성이 달라진다는 뜻이다.
그렇다고 빨리 쌓는 것이 늘 좋은 것은 아니다. Batey와 Tierney는 PECVD 산화막을 보통의 빠른 속도(약 500 Å/min)로 쌓으면 다공성이고 전기적 성질의 재현성이 나빴지만, 약 60 Å/min으로 천천히 쌓으면 비교적 치밀하고 재현성이 좋았다고 보고했다. 이렇게 350 °C에서 쌓은 산화막은 700 °C 상압 CVD 산화막과 견줄 만했다. MIT 강의 자료가 지적하듯 낮은 온도에서는 표면 확산이 느리다. 그래서 너무 빨리 쌓으면 원자가 자리를 잡기 전에 다음 층에 덮여 막이 엉성해진다고 해석할 수 있다(원리에서 나온 해석).
Sheath: 표면 앞의 얇은 전압 절벽
플라즈마를 처음 켠 순간, 전자와 이온의 밀도가 같다고 하자. 가볍고 빠른 전자가 먼저 벽과 전극으로 빠져나간다. 그러면 표면은 음전하를 띠고, 표면 앞에 양이온이 남는 얇은 층이 생긴다. 이 층이 Sheath(쉬스, 플라즈마와 표면 사이의 전위 장벽)다. Sheath의 전압은 전자를 밀어내고 이온을 끌어당긴다. 표면 전위가 충분히 낮아져 표면에 도착하는 전자의 흐름과 이온의 흐름이 같아지면 더 이상 대전되지 않는다. 플라즈마 본체는 전자와 이온 밀도가 거의 같은 준중성 상태로 남는다.
이 흐름의 균형에서 Sheath 전압을 구할 수 있다. 이온은 Sheath 앞의 완만한 전위 경사인 Presheath에서 \(kT_e/2\)만큼의 에너지를 얻어 Bohm 속도 \(u_B\)로 Sheath에 들어간다. 전자는 Sheath 전압을 넘을 만큼 에너지가 큰 것만 표면에 닿는다.
Sheath는 얇다. Debye 길이 \(\lambda_{De}(\text{cm}) = 740\sqrt{T_e/n_0}\)는 \(T_e\) = 1 V, \(n_0\) = 10¹⁰ cm⁻³에서 7.4×10⁻³ cm이고, 낮은 전압의 Sheath는 Debye 길이의 몇 배 정도 두께다. 그런데 RF 전압이 직접 걸린 전극 앞에서는 사정이 다르다. 두 전극의 면적이 같으면 Sheath 전압이 RF 전압의 약 0.4배, 작은 전극 쪽은 약 0.8배까지 커지고, Child 법칙으로 정해지는 Sheath 두께도 약 0.5 cm로 두꺼워진다. 용량 결합 방전의 RF 전압은 100~1000 V, 이온 충돌 에너지는 50~500 V 범위다. 이온은 플라즈마와 전극 사이의 이 Self-bias 전압으로 가속되어 표면을 때린다.
Sheath 전압과 이온이 얻는 에너지
근거: 흐름 균형과 Vs·Ei 식, RF 전극의 어림, 전자·이온 질량비에 쓴 전자 질량.
떠 있는 표면을 때리는 이온의 에너지는 Te의 약 5배, 곧 십몇 eV다. 원자 사이의 결합 에너지보다 크다. RF 전극에서는 이 값이 수백 eV까지 커진다. 이 에너지는 막을 키우는 데 두 가지로 쓰인다. 하나는 표면에 끊어진 결합을 만들고 순간적으로 에너지를 주어 반응을 돕는 일이다. 다른 하나는 막을 두드려 치밀하게 만드는 일이다. 이온 충돌은 막의 밀도를 높일 수 있다. 다음 절에서 이 효과가 막의 응력을 어떻게 바꾸는지 본다.
그런데 단일 주파수 용량 결합 방전에는 근본적인 한계가 있다. 전력을 올리면 플라즈마 밀도와 이온 에너지가 함께 올라서, 둘을 따로 조절할 수 없다. 라디칼을 더 많이 만들려고 전력을 올리면 이온 충돌도 함께 세진다. 이 한계를 푸는 방법이 두 가지 주파수를 쓰는 것(4절)과, 플라즈마를 만드는 전원과 이온 에너지를 정하는 전원을 아예 나누는 HDP(6절)다.
두 주파수로 막의 응력 맞추기
막은 기판에 붙은 채로 자란다. 그래서 막이 스스로 줄어들려 하면 기판이 막을 잡아당기는 셈이 되어 막 안에 인장 응력(Tensile stress)이 생기고, 늘어나려 하면 압축 응력(Compressive stress)이 생긴다. 이 힘 때문에 웨이퍼가 휜다. 막이 기판보다 훨씬 얇으면 웨이퍼의 곡률과 막 응력은 Stoney 식으로 이어진다.
PECVD에서 응력을 바꾸는 큰 손잡이가 RF의 주파수다. 고주파(HF)로는 산업 표준인 13.56 MHz를 흔히 쓰고, 저주파(LF)는 보통 약 100 kHz로 방전을 유지하는 데 수백 V가 필요하며 이온 충돌이 커진다. 왜 주파수가 이온 충돌을 바꿀까. 이온은 무거워서 약 1 MHz보다 빠르게 바뀌는 전기장은 따라가지 못한다. Lieberman의 설명으로 보면, 이온이 Sheath를 건너는 시간이 RF 한 주기보다 길면 이온은 평균 Sheath 전압만 느끼고 에너지가 \(V_s\) 근처에 좁게 모인다. 반대로 주기가 길면 이온은 그 순간의 Sheath 전압을 그대로 받아 에너지가 0부터 \(2V_s\)까지 넓게 퍼진다. 결과를 보기 전에 먼저 예측해 보자.
어느 주파수로 쌓은 막이 압축 응력일까?
근거: 이온 에너지 분포의 두 경우, 두 주파수에서 측정한 SiNx 응력. 왼쪽 그래프의 분포 모양은 충돌이 없는 Sheath를 가정한 교과서형 개념도다.
Iliescu 등은 380 kHz와 13.56 MHz를 따로 또는 함께 켤 수 있는 장비로 이 차이를 측정했다. 20~80 W에서 13.56 MHz로 쌓은 SiNx는 120~150 MPa의 인장 응력을, 380 kHz로 쌓은 막은 600~700 MPa의 압축 응력을 보였다. 저자들의 설명은 이렇다. 13.56 MHz에서는 전자만 RF 전기장을 따라가고 무거운 이온은 사실상 "얼어" 있다. LF에서는 이온 충돌이 훨씬 강해서 화학 반응을 돕는 데 그치지 않고, 낮은 에너지의 이온 주입처럼 막을 치밀하게 해 응력을 인장에서 압축으로 바꾼다.
그렇다면 두 모드를 섞으면 어떨까. HF와 LF를 번갈아 켜거나 동시에 켜면 응력이 0에 가까운 SiNx를 만들 수 있다. 다만 번갈아 쌓는 방식은 인장층과 압축층이 충분히 얇아야 막이 균일하므로, 낮은 전력(20~40 W)으로 천천히 쌓아야 한다는 단점이 있다. 번갈아 쌓은 막의 평균 응력은 Stoney 식에서 곡률이 응력 × 두께에 비례한다는 점을 이용해 어림할 수 있다. 얇은 층들이 웨이퍼를 당기는 힘을 모두 더하면, 평균 응력은 각 층의 응력을 두께로 가중한 평균이 된다(Stoney 식에서 나온 해석).
HF와 LF를 섞어 목표 응력 만들기
응력을 0으로 맞추는 길은 하나만 있는 것이 아니다. 같은 논문에서 13.56 MHz 전력을 100 W에서 600 W로 올리자 SiNx의 인장 응력이 100~150 MPa에서 4~60 MPa로 줄고 증착 속도는 약 100 nm/min에서 250~320 nm/min으로 늘었다. 600 W에서는 4 MPa까지 내려갔다. 저자들은 높은 전력에서 N₂가 더 많이 해리되어 Si–N 결합이 늘어난 결과로 본다. 압력도 중요했다. 700 mTorr에서는 두께 불균일이 최대 10%였지만 900 mTorr와 1100 mTorr에서는 각각 2%와 1%였다. 이들이 최종으로 고른 저응력 SiNx 조건은 600 W HF/LF 교대, 800 mTorr, N₂/NH₃/SiH₄ = 1200/30/60 sccm이었다. 식각 장비에서도 두 주파수를 쓴다. Lieberman은 이중 주파수 용량 결합 방전에서 높은 주파수가 이온 플럭스(플라즈마 밀도)를, 낮은 주파수가 이온 에너지를 정한다고 정리한다. 이 역할 나눔을 PECVD에 그대로 옮기는 것은 비유로만 쓰자. 위 SiNx 실험이 직접 보여 준 것은 응력과 치밀화다.
양산에서는 막을 두께만으로 관리하지 않는다. 한 장비사의 특허는 막을 두께와 함께 응력과 굴절률도 목표값에 맞춘다고 적고, 응력이 크면 막이 갈라지거나 벗겨지기 쉽다고 설명한다. 응력이 웨이퍼 전체에서 고르지 않으면 문제가 하나 더 생긴다. 노광 장비는 웨이퍼 전체에 고른 휨은 쉽게 보정하지만, 고르지 않은 응력이 만든 휨은 보정할 수 없는 Overlay 오차로 남기 쉽다. 레시피가 같아도 응력이 움직일 수 있다는 점도 기억하자. 샤워헤드 온도를 제어하는 특허는 샤워헤드 온도가 오르면 SiN 응력이 줄고 막이 더 두껍게 쌓이며, 장비를 쉬었다가 처음 넣은 웨이퍼는 샤워헤드가 평형 온도에 이르기 전이라 더 얇게 나온다고 적는다. 그래서 응력 이상을 보면 레시피의 주파수·전력·압력과 함께 장비의 온도 상태와 가동 이력을 같이 확인한다. 응력은 웨이퍼 곡률로 재며(10장), 이상 분석은 11장에서 다룬다.
막 속에 남는 수소
PECVD의 원료인 SiH₄와 NH₃에는 수소가 많이 들어 있다. 반응 온도가 낮으면 이 수소가 막 밖으로 다 빠져나가지 못하고 Si–H, N–H 결합으로 막 안에 남는다고 볼 수 있다(원리에서 나온 해석). 실제로 플라즈마로 만든 질화막은 늘 많은 수소를 품는다. 얼마나 많을까. Lanford와 Rand는 핵반응을 이용해 수소를 정확히 세었다. 330~350 °C에서 만든 플라즈마 SiN에는 (1.6~2.1)×10²² cm⁻³, 곧 약 20~25 at.%의 수소가 있었고, 그 가운데 약 3/4이 Si에, 나머지가 N에 붙어 있었다. 300 °C에서 SiH₄와 N₂O로 만든 플라즈마 SiO₂에는 5.7 at.%가 있었고 모두 OH 형태였다. 원자 4~5개 가운데 하나가 수소인 셈이다.
그림에서 보듯 같은 PECVD 질화막이라도 장비와 조건에 따라 수소가 크게 다르다. Chow 등이 상용 반응기 9종의 플라즈마 질화막을 측정했더니 수소가 4~39 at.%까지 퍼져 있었다. 반면 LPCVD로 만든 질화막의 수소는 최대 8% 정도다. 조건을 잘 고르면 PECVD에서도 수소를 줄일 수 있다. Parsons 등은 SiH₄와 N₂를 He로 묽혀 250 °C에서 쌓아 수소 10 at.% 미만의 화학량론 질화막을 얻었고, 막의 성질은 SiH₄ 유량에 가장 민감했다. 같은 공정을 350 °C에서 하면 수소가 6×10²¹ cm⁻³ 아래로 더 줄었다.
수소가 많으면 무엇이 문제일까. 첫째, 막이 엉성해져 식각액에 빨리 녹는다. Lanford와 Rand는 전체 수소량과 완충 HF(BHF) 식각 속도가 함께 움직인다는 것을 보였고, Chow 등의 측정에서는 식각 속도가 수소 함량을 따라 세 자릿수에 걸쳐 달라졌다. 그래서 묽은 HF 식각 속도는 막의 치밀함을 가늠하는 간단한 지표로 쓰인다(10장). 둘째, 막을 나중에 더 뜨겁게 하면 수소가 빠져나가면서 막이 변한다. 이것이 막의 응력에 어떤 영향을 줄지 먼저 예측해 보자.
수소가 빠져나가면 응력은 어느 쪽으로?
Hughey와 Cook은 150·250·300 °C에서 쌓은 PECVD SiN을 최대 500 °C, 최대 36시간 어닐하면서 응력과 수소를 함께 측정했다. 어닐하는 동안 되돌릴 수 없는 인장 응력이 생겼고, 그 크기는 줄어든 수소량에 비례했다. 비례 상수는 증착 온도에 따라 달랐다. 수소가 빠진 자리만큼 막이 줄어들려 하는데, 기판에 붙어 있어 줄어들지 못하니 인장 응력이 쌓인다고 생각하면 이해하기 쉽다(원리에서 나온 해석). PECVD 막 위에 다른 막을 고온으로 쌓거나 열처리하는 공정이 뒤에 있다면, 증착 직후의 응력만 보고 판단하면 안 되는 이유다.
셋째, 빠져나간 수소가 다른 곳에 문제를 일으킬 수 있다. PECVD 질화막은 효율적인 수소 공급원이다. 게이트 산화막까지 간 수소는 계면의 결함을 덮어 처음에는 특성을 좋게 하지만, 음의 게이트 전압과 열을 받는 NBTI 스트레스에서 다시 풀려나 PMOS의 문턱 전압을 옮기는 결함을 남길 수 있다. 한 반도체 회사의 특허는 Si–H 흡수가 뚜렷한 표준 SiN 대신 SiH₄를 줄인 SiN을 쓰자 NBTI 열화가 억제되었다고 적었다. MEMS 센서에서는 웨이퍼 본딩의 고온에서 PECVD 질화막이 수소를 내놓고, 그 수소가 센서 수명 동안 밀봉된 저압 공간으로 스며들어 압력을 바꿀 수 있다는 연구가 있다.
수소는 FTIR로 잰다. Lanford와 Rand가 Si–H(2160 cm⁻¹)와 N–H(3350 cm⁻¹) 흡수 띠의 보정 계수를 정해 둔 덕분에 적외선 투과 스펙트럼으로 수소량을 구할 수 있다. 구체적인 측정법은 10장에서 다룬다.
HDP-CVD: 쌓으면서 깎기
배선 사이나 소자 분리용 트렌치처럼 좁고 깊은 틈을 절연막으로 채워야 할 때가 많다. 평행판 PECVD로 이런 틈을 채우면 옆벽에 쌓이는 속도가 바닥보다 훨씬 느려 열쇠 구멍 모양의 Void(막 속에 갇힌 빈 공간)가 생긴다. 한 장비사의 특허는 그 과정을 이렇게 설명한다. 틈 위 모서리에 쌓인 막, 곧 Overhang(모서리에 튀어나온 막)이 틈이 채워지는 것보다 빨리 자라 빵 덩어리처럼 부풀고(Breadloafing), 양쪽 Overhang이 맞닿으면 그 아래가 Void로 갇힌다.
HDP-CVD(High-Density Plasma CVD, 고밀도 플라즈마 CVD)는 이 문제를 깎으면서 푼다. ECR(2.45 GHz 마이크로파)이나 ICP 같은 고밀도 플라즈마 원으로 플라즈마를 만들고, 웨이퍼에는 따로 13.56 MHz RF 바이어스를 건다. 앞 절에서 본 용량 결합 방전과 달리 플라즈마를 만드는 에너지원과 이온 에너지를 정하는 웨이퍼 바이어스가 독립되어 있다는 것이 핵심 차이다. 고밀도 유도 결합 플라즈마는 이온화 비율이 5~10%에 이르러 용량 결합 방전의 약 10⁻⁴보다 훨씬 높고, 한 특허는 HDP를 이온 밀도 약 10¹¹ cm⁻³ 이상인 플라즈마로 규정하며 바이어스로 13.56 MHz에서 최대 5,000 W를 쓰는 장비를 예로 든다.
바이어스로 가속된 이온은 막을 스퍼터해 깎는다. 그래서 HDP에서는 증착과 스퍼터 식각이 동시에 일어나고, 둘의 상대 속도는 이온 플럭스, 이온의 입사각 분포, 이온 에너지가 정한다. 스퍼터 수율이 입사각에 따라 달라 모서리는 비스듬한 면, 곧 Facet으로 깎인다. Facet 형성과 증착 속도를 잘 조절하면 종횡비가 큰 구조에서도 Void를 피할 수 있다. 평평한 면보다 비스듬한 모서리가 더 빨리 깎이니, Overhang이 자라기 쉬운 바로 그 자리를 골라 깎는 셈이다.
증착과 스퍼터의 균형은 D/S 비(Deposition/Sputter ratio)로 나타낸다. Applied Materials의 특허는 이것을 다음과 같이 정의한다. Blanket 스퍼터 속도는 같은 조건에서 증착 기체만 빼고 돌려 평평한 막이 깎이는 속도다. D/S는 증착이 늘면 커지고 스퍼터가 늘면 작아진다.
이 특허는 여러 단계로 나눈 Gap fill 공정의 예로 첫 증착의 D/S를 10~30, 중간 식각 뒤 나머지 증착을 4~10, 중간 식각 없이 하는 두 번째 증착을 3~10으로 든다. 처음에는 덜 깎고 나중에 더 깎는 식으로 단계마다 D/S를 바꾼다는 점이 눈에 띈다. 아래 애니메이션에서 D/S와 종횡비를 바꿔 가며 틈이 어떻게 채워지는지 보자.
D/S 비로 트렌치 채우기: Void, 완전 채움, 모서리 깎임
스퍼터는 공짜가 아니다. 이온이 웨이퍼에 준 에너지로 웨이퍼 온도가 300~400 °C까지 오를 수 있어서, HDP에서는 따로 가열하지 않고 오히려 웨이퍼를 식혀야 하는 경우가 많다. HDP-CVD는 주로 배선 공정의 SiO₂를 쌓는 데 쓰였고, 소자 분리용 STI 트렌치를 채우는 데에도 쓰였다. HDP 산화막으로 STI를 채운 한 연구에서는 D/S가 낮아도 트렌치 옆벽에 대한 스퍼터 영향은 다이오드 누설로 보아 무시할 만했고, 누설은 주로 CMP 뒤 세정과 식각에서 드러난 트렌치 윗모서리 때문이었다. 앞의 특허도 종횡비가 커질수록 Void 없이 채우기가 어려워진다고 적는다. 5장에서 Overhang과 Void가 생기는 조건을 단차 피복의 관점에서 자세히 보고, HDP와 함께 SACVD, Flowable CVD, ALD로 좁은 틈을 메우는 방법을 비교한다.
플라즈마는 웨이퍼 위의 도체에 전하를 쌓을 수 있다. 배선이나 게이트 전극이 안테나처럼 전하를 모아 아래의 얇은 게이트 산화막으로 흘려보내면 산화막이 상한다. STMicroelectronics의 연구진은 ECR-CVD(고밀도) 장비와 PECVD 장비에서 TEOS·실란 산화막·PSG를 쌓는 동안 전하 측정용 웨이퍼로 안테나 전압을 쟀다. 0.25 µm 기술에서는 ECR-CVD 장비가 주된 대전원이었고, 안테나 전압 지도가 안테나 소자의 게이트 누설 지도와 겹쳐 플라즈마 불균일이 원인으로 지목되었다. 대책은 소스 전력을 낮춰 플라즈마 밀도를 줄이거나, 압력을 높여 전자 온도를 낮추고 균일도를 높이는 것이었다. 손상은 절연 파괴까지의 전하량(Qbd)과 짧은 전압 스트레스 뒤의 게이트 누설로 평가했다. 0.18 µm 기술의 HDP 금속간 절연막 증착에서는 이온 밀도가 문턱값을 넘고 안테나 비가 일정 값 이상인 트랜지스터에서만 게이트 산화막에 Pinhole이 생겼다는 보고도 있다.
아킹도 현업에서 늘 경계하는 문제다. 플라즈마는 챔버 옆벽보다 높은 전위에 있어서, 옆벽의 유전체 라이닝이 절연 파괴되면 작은 아크가 생기고 옆벽의 오염물이 웨이퍼에 떨어져 결함이 된다. PECVD 챔버에서 아킹이 나면 그 웨이퍼를 버리고 장비를 세워야 하며, 아크가 챔버 표면에 탄 자국을 남기기도 한다. 이를 잡으려고 레시피 단계마다 과거 신호를 기준으로 경고·고장 한계를 두는데, 웨이퍼 전극의 직류 전압(VDC)과 RF 주파수가 강한 지표로 꼽힌다. 그래서 플라즈마 공정의 이상을 볼 때는 막 두께와 응력만이 아니라 RF 반사 전력, VDC 같은 장비 신호와 안테나 테스트 구조의 전기 특성을 함께 본다. 11장에서 이어서 다룬다.
세 가지 증착 방식을 한 표로 정리해 보자.
| LPCVD (열) | PECVD | HDP-CVD | |
|---|---|---|---|
| 반응 에너지 | 웨이퍼 온도 | 플라즈마 전자 + 이온 충돌 | 고밀도 플라즈마 + 독립 바이어스 이온 |
| 온도 예 | 질화막 약 750 °C | 약 400 °C 이하 | 가열 없음, 이온으로 300~400 °C까지 올라 냉각 |
| 질화막 수소 | 최대 약 8% | 약 20~25 at.% (조건에 따라 4~39%) | — |
| 응력 조절 | — | 주파수·전력·압력으로 인장~압축 | — |
| 좁은 틈 | Conformal 성장이 좋다 | 옆벽이 느려 Void가 생기기 쉽다 | 쌓으면서 깎아 Gap fill에 유리 |
이 장의 내용을 원인 → 결과 → 확인 방법의 사슬로 이어 자기 말로 설명해 보자. 외운 문장보다 이 연결이 중요하다.
- 원인: PECVD는 반응 에너지를 웨이퍼 온도 대신 수 eV의 전자가 대고, 이온 충돌이 표면을 활성화한다.
- 결과 (얻는 것): Al 배선 뒤처럼 450 °C를 넘기 어려운 단계에서도 막을 쌓을 수 있고, 대개 LPCVD보다 빨리 쌓인다. 이온 충돌의 세기(주파수, 전력)로 응력을 인장에서 압축까지 고를 수 있다.
- 결과 (내주는 것): 낮은 온도에서 원료의 수소가 많이 남는다(PECVD SiN 약 20~25 at.%, LPCVD 질화막 최대 약 8%). 수소가 많을수록 식각 속도가 빠르고, 뒤의 열처리에서 수소가 빠지며 응력이 인장 쪽으로 움직인다. 좁은 틈에서는 옆벽이 느리게 쌓여 Void가 생기기 쉽다.
- 확인 방법: FTIR의 Si–H·N–H 흡수로 수소를, 묽은 HF 식각 속도로 치밀함을, 웨이퍼 곡률로 응력을 보고, 열처리 전후를 비교한다. 좁은 틈은 단면 관찰로 Void를 확인한다(5장, 10장).
핵심 정리
- 열 CVD는 웨이퍼 온도로 반응 에너지를 대므로 질화막의 경우 약 750 °C가 필요하다. 금속 배선 뒤에는 450 °C 아래로 공정해야 해서 플라즈마를 쓴다.
- 플라즈마에서는 전자만 2~4 eV(수만 K)로 뜨겁고 이온·기체는 거의 상온이다. 에너지 분포의 꼬리에서 결합 에너지를 넘는 전자가 분자를 쪼갠다. 400 °C 기체에서 4.6 eV를 넘는 분자는 10⁻³⁴ 수준이라, 같은 일을 열로 하려면 기체가 수만 K여야 한다.
- 전자 충돌은 이온화·들뜸·해리를 일으킨다. 막의 재료는 주로 수가 많은 라디칼이 대고, 이온은 표면을 때려 반응을 돕고 막을 치밀하게 한다.
- 가볍고 빠른 전자가 먼저 빠져나가 표면 앞에 Sheath가 생긴다. 떠 있는 표면에서 Vs ≈ 4.7 Te, Ei ≈ 5.2 Te(Ar)이고, RF 전극 앞에서는 RF 전압의 0.4~0.8배까지 커진다.
- 약 1 MHz보다 낮은 주파수에서는 이온이 전기장을 따라 움직여 막을 세게 두드린다. SiNx의 경우 13.56 MHz 막은 인장 120~150 MPa, 380 kHz 막은 압축 600~700 MPa였고, 두 모드를 섞으면 0에 가까운 응력을 만들 수 있다. 번갈아 쌓은 막의 평균 응력은 두께 가중 평균이다.
- PECVD 막에는 수소가 많이 남는다(SiN 약 20~25 at.%, 넓게는 4~39%). 수소가 많으면 식각이 빠르고, 열처리 때 수소가 빠지며 응력이 인장 쪽으로 움직이고, 소자 신뢰성에도 영향을 줄 수 있다. FTIR의 Si–H·N–H로 잰다.
- HDP-CVD는 고밀도 플라즈마와 독립 바이어스로 증착과 스퍼터를 동시에 한다. D/S = (순 증착 + 스퍼터) ÷ 스퍼터이고, 비스듬한 모서리를 더 깎아 Overhang을 억제한다. D/S가 낮을수록 순 증착이 느려지고 아래 구조가 깎일 위험이 커진다.
확인 퀴즈
1. PECVD가 300 °C 근처에서도 SiN을 쌓을 수 있는 가장 큰 이유는?
2. Te = 3 eV인 아르곤 플라즈마 속에 전기적으로 떠 있는 절연 표면이 있다. 이온이 이 표면을 때리는 에너지는 대략 얼마일까?
3. 380 kHz로만 쌓은 SiNx가 13.56 MHz로 쌓은 막과 달리 압축 응력을 갖는 이유로 가장 알맞은 것은?
4. PECVD SiN을 증착 온도보다 높은 온도로 어닐했더니 응력이 인장 쪽으로 옮겨 갔다. 원인을 확인하려고 어닐 전후에 함께 비교하면 가장 좋은 데이터는?
5. HDP-CVD에서 D/S를 30에서 6으로 낮췄다. 바르게 설명한 것은?