수소 플라즈마를 이용한 Si 기판에서 Cu 이물 제거하기

수소 플라스마를 이용하여서 이물의 제거가 가능한지에 대한 분석을 해보려고 한다. 찾아본 결과는 Cu, 즉 구리와 관련한 이물을 수소 플라스마로 제거할 수 있다는 연구 결과를 확인할 수 있었다.

 

수소 플라즈마

반도체 소자에서 각종 막의 증착을 하다 보면 Fe, Zn, Cu 등의 헤비메탈 기반의 이물들이 실리콘 소자에 부착되어 특성의 유해한 영향을 끼친다.

이때 이들 중 Cu를 제거하는 방법에는 무엇이 있을까?

한 연구 결과에 따르면 수소 플라스마를 이용한 전처리 방법이 Cu의 제거에 효과적이라는 결과를 얻었다고 한다.

 

Cu 제거 실험

실험 장지는 PECVD 장비를 이용하여 수행하였다고 한다.

SI계열의 기판에 CuCl2 용액에 침착시켜서 일부러 Cu 오염을 유도하고 이후에 수소 플라즈마를 가하여 Cu의 농도 변화를 관찰하였다.

 

결과

Cu를 오염시킨 뒤에 수소 플라즈마를 기판에 가하면 Cu의 농도가 감소를 하는데 이때 변화 인자가 파워와 전극 간의 거리, 그리고 수소 플라스마 시간이 있었다.

1) 파워

파워의 증가에 따라서 Cu의 제거 능력은 큰 차이가 없었다. 오히려 역효과로 Cu가 저 파워 일 때보다 높게 발견되었다.

2) 전극 간의 거리
전극 간의 거리도 Cu 농도 변화에 큰 차이점을 주지는 못했다. 거리에 따라서 약간의 차이는 발생 하지만 이는 수소 플라스마의 강도에 영향을 주는 인자가 더 강하기 때문에 Cu 농도의 변화가 생긴 것으로 추정해 볼 수 있다.

즉, 간격 차이로 인하여 Cu농도가 변한 것이 아닌 간격의 차이로 수소 플라스마의 밀도가 변화가 생겼고 이로 인한 Cu 제거 능력의 차이가 발생한 것으로 추정해 볼 수 있다.

3) 세정 시간

세정 시간이 가장 큰 영향 요소중 하나였다. 특이한 점은 일정 양 이상 수소 플라스마를 진행하면 오히려 Cu의 함량이 증가하는 경향이 발견된다는 것이다. 이는 제거된 Cu가 빠져나가지 않고 이온 상태로 남아있다가 재 흡착 속도가 증가하면서 오히려 Si 기판에 다시 흡착되어 오염도가 증가한 것으로 추정해 볼 수 있다.

위의 결과를 바탕으로 결론을 내어보면 적절한 세정시간과 파워를 사용하여서 Cu를 제거해야 한다는 것이다.

수소 플라스마의 각각의 요소는 Cu 제거 속도에 완벽히 비례하지도 반비례하지도 않는다는 결론을 얻을 수 있다.

이때 Cu의 제거 메커니즘은 Si표면 위에 흡착된 Cu의 아래에 형성된 화학적 산화막이 반응성이 큰 수소 원자와 반응하여 제거되며, 이 산화층이 제거될 때 Cu도 함께 제거되는 리프트-오프 프로세스라고 볼 수 있다.

 

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