플라즈마 시뮬레이션 해석 사례
하나의 반도체를 완성하기까지 다양한 공정을 거쳐야 합니다. 이러한 공정은 크게 R&D와 제조 공정으로 나눌 수 있으며, 많이들 들어 보셨을 반도체 8대 공정은 제조 공정에 속합니다.
8대 공정 중 플라즈마를 활용하는 공정에 대해서 시뮬레이션 업무를 도입할 수 있으며, 저희 다쏘시스템의 전자기장 해석 솔루션인 CST Studio Suite를 활용한 플라즈마 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.
Figure 1 반도체 8대 공정 (출처: SK하이닉스 유튜브 채널)
반도체 8대 공정 중에 플라즈마를 활용한 공정은 Etching, Deposition, 그리고 Ion Implant 공정이며, 각 공정에서는 플라즈마를 활용하여 Wafer를 깍아내고, Wafer가 전기적 특성을 갖을 수 있도록 박막작업을 하며, 부분적으로 이온을 삽입하기도 합니다.
해당 공정을 위해서는 각각에 맞는 반도체 장비를 활용해야 하며, 이런 장비의 플라즈마 챔버에 대해 CST Studio Suite을 활용하여 플라즈마(이온)의 거동 및 전자기장 필드 분석에 대해 시뮬레이션 할 수 있습니다.
그렇다면 플라즈마란 무엇일까요? 플라즈마에 대해 간략하게 소개해드리자면, 플라즈마는 물질의 상태를 나타내는 용어입니다. 우리가 일반적으로 알고있는 물질의 상태인 고체, 액체, 기체 상태 이외에 “물질의 제 4의 상태” 또는 “이온화 된 기체”라고 표현합니다.
Figure 2 플라즈마란?
이와 같은 플라즈마 상태로 만들기 위해서는 특정 기체에 강력한 에너지를 인가 해야 합니다. 예를 들어, 강력한 열 에너지를 활용한다던가 아니면 자기장을 활용하여 전자를 가속시킴으로써 에너지를 인가 할 수 있습니다.
그래서 가속된 전자가 기체와 충돌하여 기체를 이루고 있는 양이온과 전자, 중성자들로 쪼개진 상태를 플라즈마 상태라고 부릅니다.
그리고 이와 같은 플라즈마의 경우 인가되는 전자기장 타입에 따라서 부르는 용어에 조금씩 차이를 두게 됩니다.
대표적으로 ICP, CCP 타입이 있으며, ICP의 경우 유도 결합형 플라즈마의 약자로써 코일 안테나로부터 발생하는 자기장 성분을 이용하는 것이고, CCP는 용량 결합성 플라즈마의 약자로 두 개의 도체 사이에서 발생하는 캐패시턴스 성분을 활용하여 플라즈마를 생성하는 방식입니다.
Figure 3 플라즈마 생성 타입
ICP, CCP의 대표적인 플라즈마 챔버 형상을 위 그림에 나타내었으며, 보시는 것과 같이 ICP(TCP, 코일 안테나의 위치만 다를 뿐 ICP와 원리는 동일) 의 경우 코일 안테나로부터 발생하는 자기장 성분에서 발생하는 전기장 성분을 통해 플라즈마를 생성하고, CCP의 경우 두 개의 도체 사이에서 발생하는 전기장 성분을 통해 플라즈마를 생성하게 됩니다.
이처럼 플라즈마의 경우, 전자기장 성분과 종속되어 나타나게 됩니다. 그렇기 때문에 전자기장 분포 균일도에 따라 플라즈마 균일도도 결정되기때문에 1차적으로 CST를 활용하여 전자기장 균일도를 확인하게 되고, 다음으로 이온이 제대로 생성되는지 확인하게 됩니다.
플라즈마 균일도가 떨어지게 되면 반도체 식각 및 박막과 같은 플라즈마를 활용한 공정의 품질이 낮아지게 되고, 이는 곧 반도체 품질 저하로 이어집니다. 그렇기 때문에 이런 해석을 통해 균일도를 분석하는 것이 중요합니다.
그럼 해당 내용을 해석사례와 함께 설명 드리도록 하겠습니다.
Figure 4 CST로 구현한 ICP 챔버 모델 구조
CST를 통해 직접 모델링한 ICP 챔버 모델입니다. 자기장 생성을 위한 코일 안테나와 코일 안테나의 매칭을 위한 매칭단, 그리고 플라즈마 생성을 위한 아르곤 가스로 정의된 플라즈마 영역과 Wafer로 구성되어 있습니다.
해당 해석을 통해 중점적으로 보고자 했던 내용은 앞에서도 설명 드린것과 같이 얼마나 전자기장 성분이 균일하게 나타나느냐와 플라즈마 영역에서 전자의 거동에 의해 이온들이 제대로 생성되느냐 였습니다.
그때의 결과를 보시게 되면, 매칭 회로를 활용해 13.56MHz에서 동작하도록 하였고, 전자기장이 고르게 형성됨을 2D Field Result를 통해 확인할 수 있습니다.
Figure 5 ICP 챔버의 해석 결과 [S-parameter 및 E-Field]
또한, 하기에 첨부한 것과 같이 CST Particle Studio(PS)를 활용해 동일 구조에서의 플라즈마 거동(이온 및 전자 거동)에 대해서도 분석 가능하며, 3차원 애니메이션 결과로 확인가능하기 때문에, 매우 직관적인 분석이 가능합니다.
Figure 6 3D E-Field Result @ X-Z Plane
