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반도체 공부하기 3번째!!
이번에는 식각공정에 대해 알아보았습니다.
식각공정에 필요한 소재 및 부품 그리고 장비까지…
저도 막 공부하는 단계이니 잘못된 내용이 있으면
댓글로 부탁드립니다~~
건식 식각 주제에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하세요.
[디스플레이 용어알기] 47.식각 (Etching)
습식 식각(Wet Etching)은 용액을 이용 화학적인 반응을 통해 식각하는 방법이며, 건식 식각(Dry Etching)은 반응성 기체(Gas), 이온 등을 이용해 특정 …
Source: news.samsungdisplay.com
Date Published: 1/2/2021
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[반도체 8대 공정] 5탄, 반도체 회로패턴의 완성 ‘식각 공정’
식각공정은 식각 반응을 일으키는 물질의 상태에 따라 습식(wet)과 건식(dry)으로 나뉩니다. 건식 식각(Dry Etching)은 반응성 기체, …
Source: www.samsungsemiconstory.com
Date Published: 11/30/2021
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[반도체 공정] 4. 식각공정(Etching) – 생각하는 공대생
건식식각은 물리적 화학적 방법을 모두 사용하는 비등방성(Anisotropic)공정이다. 건식 식각에는 크게 3종류가 있으며 High pressure plasma etching, Ion …
Source: allgo77.tistory.com
Date Published: 12/8/2022
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[반도체 특강] 식각(Etching), 패턴을 완성하다-下
초창기 식각의 습식 방식은 세정(Cleansing)이나 에싱(Ashing) 분야로 발전했고, 반도체 식각은 플라즈마(Plasma)를 이용한 건식식각(Dry Etching)이 …
Source: news.skhynix.co.kr
Date Published: 6/23/2021
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반도체 공정 5 : 식각 공정(Etching process) 1편
습식 식각은 화학 용액(Chemical)을 사용해 wafer 표면의 제거할 물질과 화학 반응을 일으켜 제거하는 방법입니다. 화학적 기상 증착의 과정과 비슷하다고 …
Source: numong22.tistory.com
Date Published: 8/26/2021
View: 378
KR100677039B1 – 건식 식각 방법
다중 냉각을 이용한 건식 식각 방법과 이 방법을 수행하는 건식 식각 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각 장치는, 식각 공정이 실시되는 식각 …
Source: patents.google.com
Date Published: 4/1/2021
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주제와 관련된 이미지 건식 식각
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주제에 대한 기사 평가 건식 식각
- Author: 디벨럽_DEVELOP
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- Date Published: 2020. 6. 17.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=O4flMBT9B0g
[디스플레이 용어알기] 47.식각 (Etching)
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[반도체 8대 공정] 5탄, 반도체 회로패턴의 완성 ‘식각 공정’ – 삼성반도체이야기
지난 시간에는 준비된 웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 포토공정(Photo)에 대해 소개해드렸는데요. 포토공정이 끝나면 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 공정이 필요합니다. 이번 시간에는 반도체의 구조를 형성하는 패턴을 만드는 식각공정(Etching)에 대해 알아보겠습니다.
동판화 에칭(Etching) 기법과 비슷한 식각공정
학창 시절, 미술시간에 한 번쯤 만들어봤던 ‘판화’는 회화의 한 장르인데요. 나무·금속·돌 등의 면에 형상을 그려 판을 만든 다음, 잉크나 물감을 칠하여 종이나 천에 인쇄하는 방식이죠. 식각공정은 이러한 판화 기법의 한 종류인 에칭(Etching)과 비슷한 원리를 가지고 있습니다.
회화에서 에칭 기법은 산의 화학작용을 방지하는 방식제(그라운드)를 바른 동판을 날카로운 도구를 이용하여 긁어내 동판을 노출시키는 과정을 말합니다. 이때 동판을 부식액(묽은 질산)에 넣고, 부식의 진행 정도를 조절하여 이미지를 만드는 것인데요.
▲ 식각공정(Etching)
부식과 같은 화학작용을 이용해 이미지를 만드는 판화의 에칭 기법처럼, 반도체 식각공정도 웨이퍼에 액체 또는 기체의 부식액(etchant)을 이용해 불필요한 부분을 선택적으로 제거한 후 반도체 회로 패턴을 만듭니다.
포토공정에서 형성된 감광액 부분을 남겨둔 채 나머지 부분을 부식액을 이용해 벗겨 냄으로써 회로를 형성하죠. 식각이 끝나면 감광액도 제거합니다. 이렇게 반도체를 구성하는 여러 층의 얇은 막에 원하는 회로 패턴을 형성하는 과정을 반복하는데요.
식각공정은 식각 반응을 일으키는 물질의 상태에 따라 습식(wet)과 건식(dry)으로 나뉩니다. 건식 식각(Dry Etching)은 반응성 기체, 이온 등을 이용해 특정 부위를 제거하는 방법이며, 습식 식각(Wet Etching)은 용액을 이용 화학적인 반응을 통해 식각하는 방법입니다.
건식은 습식에 비해 비용이 비싸고 방법이 까다로운 단점이 있으나, 최근에는 나노 단위로 고집적화되는 반도체 기술 변화에 따라 회로선폭 역시 미세해지고 있습니다. 이에 따라 수율을 높이기 위한 방법으로 습식(Wet)보다는 건식(Dry) 식각이 확대되고 있죠.
불필요한 부분을 선택적으로 없애는 건식 식각
그렇다면, 건식 식각(Dry etching)은 어떠한 방법을 통해 회로 패턴 이외에 불필요한 부분을 제거하는 것일까요?
건식 식각은 플라즈마(Plasma) 식각이라고도 합니다. 일반 대기압보다 낮은 압력인 진공 챔버(Chamber)에 가스를 주입한 후, 전기 에너지를 공급하여 플라즈마를 발생시키는데요. 플라즈마는 고체-액체-기체를 넘어선 물질의 제 4 상태로 많은 수의 자유전자, 이온, 중성의 원자 또는 분자로 구성되어 이온화된 기체를 말합니다. 이온화는 전기적으로 중성인 원자 또는 분자가 자신이 보유하고 있던 전자를 떼어 내거나 추가 확보함으로써, 양전하 또는 음전하 상태로 바뀌는 현상을 뜻하죠.
▲ 플라즈마(Plasma)의 생성
또한 플라즈마는 전기에너지에 의해 형성된 충분한 크기의 자기장이 기체에 가해질 때, 기체가 충돌하고 이온화됨으로써 발생하는데요. 즉, 자기장이 자유전자를 가속화시켜 높은 에너지를 가진 자유전자가 중성의 원자나 분자와 충돌하여 이온화를 일으키게 되는 것입니다.
이때 이온화에 의해 생성된 추가 전자도 연쇄 반응(Avalanche)에 의해 또 다른 이온화를 일으키면서 이온의 수가 기하급수적으로 늘어나게 됩니다. 이 상태를 바로 ‘플라즈마 상태’라고 하는데요. 플라즈마 상태에서 해리된 반응성 원자(Radical Atom)가 웨이퍼 위를 덮고 있는 막질 원자와 만나 강한 휘발성을 띠면서 표면에서 떨어져 나가게 됩니다. 이러한 반응을 통해 감광액(PR, Photo Resist) 보호막으로 가려져 있지 않은 막질은 제거되는 것이죠.
건식 식각 과정에서는 몇 가지 유의해야 할 사항들이 있습니다.
첫 번째는 균일도(Uniformity)를 유지하는 것인데요. 균일도란 식각이 이루어지는 속도가 웨이퍼 상의 여러 지점에서 ‘얼마나 동일한 가’를 의미합니다. 일정한 시간 동안 공정을 진행한 상태에서 웨이퍼의 부위에 따라 식각 속도가 다를 경우, 형성된 모양이 부위별로 다르게 되어 특정 부위에 위치한 칩에 불량이 발생하거나 특성이 달라지는 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.
두 번째는 식각 속도(Etch Rate)입니다. 이는 일정 시간 동안 막질을 얼마나 제거할 수 있는지를 의미하는데요. 식각 속도는 주로 표면 반응에 필요한 반응성 원자와 이온의 양, 이온이 가진 에너지에 의해서 변화합니다. 즉 이러한 인자의 조절 능력을 높여 전체적인 수율을 향상시키기 위해 노력하고 있는데요. 이 밖에도 선택비(Selectivity), 형상(Profile) 등이 건식 식각의 주요 인자로 중요하게 여겨지고 있습니다.
지금까지 반도체 회로 패턴을 완성하는 식각 공정(Etching)에 대해 알아봤습니다. 집적회로 기술의 산물인 반도체는 필요 물질의 박막(Thin Film)을 실리콘 기판 전면에 바른 후 남기고자 하는 모양에 보호층을 덮어 이외의 부분을 깎아내는 작업을 여러 번 반복해 제작되는데요. 이 모든 공정은 안전하게 설계된 장비 안에서 이루어지죠.
다음 시간에는 식각공정에 이어 반도체가 원하는 전기적 특성을 갖출 수 있도록 웨이퍼 위에 씌우는 얇은 막을 뜻하는 ‘박막(thin film)’공정에 대해 알아보도록 하겠습니다.
[반도체 공정] 4. 식각공정(Etching)
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식각 공정 (Etching)
식각공정(Etching Process)이란 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 과정이다. 이는 곧 반도체 회로패턴을 만든다는 의미도 된다.
Etching을 나타내는 성능지수 (FOM : figures of merit)에는 크게 두가지가 있다. 첫번째는 식각 속도(Etch Rate)로 식각 된 두께(thickness)/식각 시간(time)으로 정의된다. 이는 일정시간동안 식각이 일어나는 정도를 표현한 것이다. 대체로 조절가능한 빠른 식각속도가 선호된다.( high etch rate with good controllability is desirable)
두번째는 선택비(selectivity)로 물질 X의 식각속도/ 물질 Y의 식각속도로 정의된다. 주로 물질 X는 식각을 원하는 물질(Etch target)이며, 물질 Y는 식각을 원하지 않는 물질(mask layer or other material)로 계산한다. 즉, 선택비가 클수록 원하는 etching 공정이 잘 이루어진다는 것을 의미한다.
건식 식각(dry etching)과 습식 식각(wet etching) 비교
Etching에는 두가지 종류가 있다. 건식 식각(Dry Etching)과 습식 식각(Wet Etching)이다. 두 식각 방법의 차이는 다음과 같다.
여기서 비등방성(Anisotropic)과 등방성(Isotropic)이라는 단어가 등장한다.
간단하게 말하자면 등방성이란 모든 방향으로 동일하다는 뜻이며 반대로 비등방성이란 특정 방향으로의 방향성이 있다는 것을 의미한다. 즉, 식각이 일어날 때 등방성(Isotropic)일 경우 식각이 모든 방향으로 동일하게 일어나며 under cut이라는 현상이 발생한다.
Under cut이란 아래 그림의 isotropic 그림과 같이 식각이 pattern 모양 아래쪽으로 추가적으로 발생하는 현상을 말한다.
이러한 undercut 현상 때문에 3 μm이하의 feature size를 갖는 pattern에 대해서는 쓸 수 없다.
비등방성(Anisotropic)일 경우 특성 방향으로의 식각이 더 잘 진행된다.
위 그림은 식각 방법에 따른 압력과 Mean Free Path 그리고 비등방성(anisotropy) 정도를 정리한 표이다. 특히 건식 식각에서는 식각을 진행하는 환경의 압력이 낮아질수록 입자들의 Mean Free Path가 증가하고 비등방성이 증가하여 under cut 현상이 적게 나타난다.
습식 식각(Wet Etching)
습식식각은 화학반응을 사용하는 등방성(isotropic) 공정이므로 여러 요인에 의하여 영향을 받는다. 특히 silicon orientation에 크게 영향을 받으며 밀도가 높은 orientation일수록 낮은 etch rate를 보인다.
습식 식각 공정 중 실리콘옥사이드(SiO2)를 식각하는 과정에는 주로 희석된 플루오린화 수소(Diluted hydrofluoric acid : HF)를 사용한다. 식각 공정이 진행되면서 HF가 사용되면 etch rate가 낮아지므로 buffering solution을 이용하여 etch rate를 일정하게 유지시켜 준다. 주로 NH4F로 완충된 HF 용액을 사용한다. (NH 4 F : HF = 6 : 1)
실리콘(Si)를 식각하는 과정은 HF와 질산(Nitric acid : HNO 3 ) 또는 과산화수소(Hydrogen peroxide : H 2 O 2 )나 탄산(Carbonic acid : CH 3 COOH)의 홉합물을 사용한다.
혹은 KOH와 물(H 2 O)을 섞어서 사용하기도 하는데, <111> direction에 비해 <100> direction으로의 etching rate가 약 700배 정도 빠르다. 여기에 Propanol(C 3 H 8 O)을 첨가하면 <100> direction으로 추가적인 selectivity를 확보할 수 있다.
건식 식각(Dry Etching)
건식식각은 물리적 화학적 방법을 모두 사용하는 비등방성(Anisotropic)공정이다. 건식 식각에는 크게 3종류가 있으며 High pressure plasma etching, Ion milling 그리고 RIE(Reactive Ion Etching)이다.
High pressure Plasma etching
High pressure plasma etching은 화학적인 방법으로, chemically reactive한 gas에 의해 표면의 원자가 휘발성(volatile) 있는 화합물을 형성하여 식각이 되는 방법이다. 높은 선택비(High selectivity)를 갖지만 등방성(isotropic) 방법이다.
① Feed gas가 chamber 안으로 들어오게 되고 plasma에 의해 chemically reactive한 상태가 된다.
② Chemically reactive한 molecule이 diffuse 된다.
③ Wafer 표면에 흡착(absorb)된다.
④ Surface 표면에서 reaction이 일어날때까지 diffuse 된다.
⑤ Reaction이 일어난다.
⑥ Reaction이 끝나면 탈착(desorb) 된다.
⑦ Gas stream으로 diffuse되어 chamber 밖으로 옮겨진다.
Ion milling
Ion milling 과정은 순수한 Ar+ 이온을 사용한다. Chamber에 Ar gas 같은 비활성 기체를 주입한 후에 필라멘트를 가열해주면 전자(electrons)이 튀어나와 양극으로 가속되게 된다. 이런 전자들은 전기적으로 중성 상태인 Ar 원자와 충돌하여 Ar 원자들을 이온화시킨다.
이렇게 생성된 이온은 wafer의 표면을 때리게 되는데, 이러한 과정을 ion bombardment라고 한다. Etching은 이렇게 화학반응을 포함하지 않고 순수하게 물리적으로 wafer의 원자들을 떼어내면서 이루어 진다. 높은 anisotropic etching이 가능하지만 selectivity나 throughput은 좋지 못하다.
RIE (Reactive Ion Etching)
위 두가지를 합친 방법이라고 생각하면 되며 ion assisted etch(IAE)라고도 불린다. 즉 plasma(ionized reactive gases)와 sputter etching (ion bombardment)을 모두 사용하는 방법으로, 각 방법의 단점을 보완하는 빠른 비등방성 식각(fast anisotropic etch)과 높은 선택비(high selectivity)를 장점으로 갖는다.
[반도체 특강] 식각(Etching), 패턴을 완성하다-下
초창기 식각의 습식 방식은 세정(Cleansing)이나 에싱(Ashing) 분야로 발전했고, 반도체 식각은 플라즈마(Plasma)를 이용한 건식식각(Dry Etching)이 주류로 자리잡았습니다. 플라즈마는 주로 전자와 양이온, 라디칼(Radical) 입자로 구성되는데요. 플라즈마에 가해지는 에너지는 중성 상태인 소스가스의 최외각전자를 떼어내어 양이온으로 만들고, 또 분자에서 불완전한 원자를 떼어내어 전기적으로 중성 상태인 라디칼을 만듭니다. 건식식각은 플라즈마를 구성하는 양이온과 라디칼을 이용하는데, 양이온은 이방성(한쪽 방향 식각), 라디칼은 등방성(모든 방향 식각)의 성질을 띠게 됩니다. 이때 라디칼이 양이온의 함량보다 월등히 많게 되지요. 그렇다면 건식식각이 습식식각(Wet Etching)과 같이 등방성 식각이어야 함에도 불구하고, 주로 이방성 식각으로 초미세회로를 구현할 수 있는 이유는 무엇일까요? 또 양이온과 라디칼의 경우 식각 속도가 매우 느린데, 이러한 단점을 안고 플라즈마를 양산용 식각에 어떻게 적용할 수 있을까요?
1. 종횡비(Aspect Ratio)
<그림1> 종횡비의 개념 및 Tech. 발전에 따른 종횡비 변화
종횡비(Aspect Ratio)란 종축 대비 횡축의 길이(높이/밑변의 길이)의 비율(Ratio)을 뜻합니다. 회로 선폭이 작아짐에 따라 종횡비의 값도 상승하게 되지요. 즉 종횡비(A/R)가 10일 때 밑변이 10nm이라면 높이 100nm의 참호(공극)를 식각공정에서 파내야 합니다. 따라서 초미세화(2D)나 고밀도(3D)가 요구되는 차세대 제품의 경우, 식각 시 하부 막을 양이온이 파고들어 갈 수 있을 정도의 매우 높은 종횡비를 구현해야 할 필요가 있지요.
2D에서 회로 선폭 10nm 미만의 초미세 Tech.를 구현하려면 D램의 커패시터(Capacitor) 종횡비가 100 이상을 유지해야 하고, 낸드플래시의 3D 역시 셀의 256단 적층 이상을 구현하기 위해서는 고(高)종횡비가 필요합니다. 소자나 제품기술 혹은 다른 공정기술에서 요구되는 목표를 달성했다 하더라도, 식각 공정에서 이를 받쳐주지 못하면 필요한 제품을 생산할 수 없지요. 식각 기술이 점점 중요해지는 이유입니다.
2. 플라즈마 식각 개요
<그림2> 막 종류에 따른 플라즈마 소스가스
관통관의 속이 비어 있을 경우, 관의 직경이 좁을수록 모세관현상에 의해 액체의 진입이 용이해집니다. 그러나 맨땅에 참호(막다른 골목)를 파내야 하는 경우라면 오히려 어려워지지요. 따라서 회로 선폭이 3~5㎛였던 70년대 중반부터 습식식각 대신 건식식각이 대세가 됐습니다. 즉 유기적으로 뭉쳐진 용액분자보다는, 이온화는 됐지만 개별적인 분자의 부피가 작기 때문에 깊은 참호를 침투하기가 훨씬 쉬워지지요.
플라즈마 식각에서는 먼저 식각을 진행할 프로세스 챔버(Chamber) 안을 진공으로 만든 후, 식각할 막(Layer)에 맞는 플라즈마 소스가스를 주입합니다. 막질이 탄탄한 산화막을 식각 할 때에는 강력한 C-F 계열 소스를 사용하고, 산화막보다 막질이 약한 실리콘이나 금속막에서는 CL 계열인 소스가스를사용합니다. ▶<[반도체 특강] 반도체 공정의 카운셀러, 플라즈마> 편 참고
그렇다면 게이트 막과 그 하부의 절연막(SiO2)은 어떻게 식각을 할까요?
먼저 게이트 막은 폴리실리콘의 식각선택비를 갖는 CL 계열의 플라즈마로 실리콘을 제거(Si+Cl2)한 뒤, 하부 절연막은 이산화실리콘의 막을 식각할 수 있는 선택비를 갖는 좀 더 강력한 C-F 계열로 2단계 식각(SiO2+CF4)을 합니다.
3. RIE(반응성이온식각 혹은 물리화학식각) 프로세스
<그림3> RIE 방식의 장점(이방성과 높은 식각률)
플라즈마는 등방성인 라디칼과 이방성인 양이온을 동시에 함유하고 있는데, 어떻게 이방성 식각을 진행할까요?
플라즈마를 이용한 건식식각은 대부분 RIE(Reactive Ion Etching) 방식으로 진행하거나 RIE 방식에 기반을 둔 응용방식으로 진행합니다. RIE 방식의 핵심은 이방성인 양이온으로 식각 부위를 공격해 막질 내 타깃의 분자-분자 간 결합력을 약화시킨 뒤 약해진 부위를 라디칼이 흡착, 막을 구성하는 입자와 결합해 휘발성 화합물인 가스로 만들어 배출시키는 방식입니다.
라디칼은 등방성의 성질을 띠지만, 결합력이 강한 벽면보다는 양이온의 공격으로 결합력이 약화된 바닥 면을 구성하는 분자들이 더 쉽게 라디칼에 포획돼 새로운 화합물로 변합니다. 따라서 하방 식각이 주류가 되겠지요. 포획된 입자들은 라디칼과 함께 가스화되어 표면으로부터 탈착해 떨어져 나가 진공의 힘에 의해 배출됩니다.
이때 양이온 식각 혹은 라디칼 식각을 각각 별도로 진행할 때보다, 물리적 작용을 하는 양이온과 화학적 반응을 하는 라디칼을 병합해 동시에 물리화학적 진행을 하는 경우에 식각률(Etch Rate, 시간에 따른 식각정도)이 10배 가까이 높아집니다. 이렇게 되면 이방성의 하방 식각의 식각률도 높아지면서, 식각 후 남는 폴리머도 함께 해결할 수 있게 돼 일거삼득이지요. 이를 RIE(Reactive Ion Etching, 이온작용식각)이라고 합니다. 이때 관건은 막질에 알맞은 플라즈마 소스가스를 찾는 것이라고 할 수 있습니다. ※ 플라즈마 식각이 곧 RIE 식각이므로, 동일한 개념으로 생각해도 무방합니다.
4. 식각률(Etch Rate)과 핵심 성능지수
<그림4> 식각률과 관계된 식각의 핵심 성능지수
식각률은 1분당 막을 식각해내는 참호(Hole)의 깊이를 뜻합니다. 그렇다면 한 웨이퍼 상에서 식각률이 부분별로 다르다는 것은 무엇을 의미할까요?
이는 웨이퍼 상의 지점별로 깎이는 식각의 깊이가 다르다는 것입니다. 따라서 이때 평균 식각률과 식각의 깊이를 감안해 식각을 마쳐야 하는 EOP(End of Point)를 설정하는 것이 중요합니다. EOP를 설정했더라도 부위별로 식각이 목표보다 많이 되거나(Over 식각) 덜 된(Under 식각) 부분이 생깁니다. 그래도 Over 식각이 Under 식각보다 유리합니다. Under 식각이 될 경우, 식각이 덜 된 부분이 다음 공정(예: 이온주입)을 방해하기 때문이지요.
이외에 식각률로 가늠하는 식각의 핵심 성능지수로는 선택비(Selectivity)가 있습니다. 이의 기준은 항상 마스킹 역할을 하는 막(PR막, 산화막, 질화막 등)의 식각률 대비 타깃막의 식각률로써, 선택비가 높을수록 타깃막의 식각이 빠르게 진행된다는 의미입니다. 미세화가 될수록 선택비가 높아야 패턴이 제대로 구현되지요. 양이온 식각의 선택비는 (직진성이므로) 낮지만 라디칼 식각의 선택비가 높으므로 RIE의 선택비가 높아지는 장점이 있습니다.
또한, 식각할 참호들이 몰려있는 부위보다는 참호 밀도(Loading Effect)가 낮은 부위일수록 식각이 더 원활하게 진행됩니다. Electrode(소스가스 필터기)를 빠져나온 양이온 혹은 라디칼은 밀도가 균일하게 한정돼 있는데, 참호들의 개수가 목표보다 많아지면 참호당 식각에 참여할 소스들이 부족해 충분한 깊이로 파내지 못하기 때문입니다. 따라서 한 웨이퍼 내 평판 전체와 웨이퍼와 웨이퍼 간 식각률의 균일성(Uniformity)이 매우 중요합니다. 이를 위해 Electrode를 프로세스 챔버 중간에 설치하기도 하며 제품 설계 시 회로배치를 균등하게 하려는 노력을 기울이지요.
5. 식각 프로세스
<그림5> 식각공정 프로세스
먼저 웨이퍼를 섭씨 800~1,000도로 유지되는 산화공정의 퍼네이스(Furnace, 爐) 안에 넣고 웨이퍼 표면상에 높은 절연 특성을 띄는 이산화실리콘(SiO2) 산화막을 건식 방식으로 형성합니다. 그 후 증착공정으로 이동시켜 산화막 위로 실리콘 막 혹은 도전성 막을 CVD/PVD 공정으로 만든 다음, 실리콘막일 경우 필요 시 불순물을 확산시켜 도전성을 높여줍니다. 확산 진행 시에는 여러 불순물을 반복적으로 투입하기도 합니다. ▶ <[반도체 특강] 게이트 및 게이트 옥사이드층 만들기> 편 참고
이제 절연막과 폴리막을 합쳐 식각을 해야 하는데, 먼저 포토공정에서 PR(Photo Resist, 감광액)을 코팅합니다. 그다음 PR막 위에 마스크를 올려놓고 이머젼(Immersion) 방식으로 습식노광을 하면 원하는 패턴이 PR막 위에 새겨지지요(육안으로는 보이지 않습니다). 패턴의 윤곽을 드러내기 위해 현상을 하면 감광된 부위의 PR이 제거됩니다. 그리고 포토공정을 마친 웨이퍼를 식각공정으로 옮겨 건식식각을 실시합니다. ▶ <[반도체 특강] 포토(Photo) 공정 下편-노광(Exposure)과 현상(Develope)>편 참고
건식식각은 주로 RIE 방식으로 진행하는데, 막별로 소스가스를 바꿔가며 반복 진행합니다. D램의 커패시터를 형성할 때는 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정의 단차피복성(Step Coverage, 수평의 바닥 면과 수직 벽면의 두께가 고르게 증착되는지를 나타내는 비율)를 높이기 위해 여러 번 증착과 식각공정을 섞어 진행하듯, 이번에는 반대 방향으로 식각의 종횡비를 높이기 위해 건식식각과 습식식각을 섞어서 진행합니다. 또, 중간중간 세정을 통해 참호(식각으로 형성된 공극, Hole) 밑바닥에 쌓여있는 폴리머(Polymer)를 제거합니다. 중요한 것은 세정용액이나 플라즈마 소스들이 참호 밑바닥까지 내려갈 수 있도록 재질/소스/시간/형태/순서 등 모든 변수를 총동원해 유기적으로 맞춰야 합니다. 그중 변수가 한가지라도 생기면 그에 따라 다른 변수들도 다시 계산해 맞춰 놓아야 하며, 단계별 목적에 부합할 때까지 여러 번 수행하지요.
최근 ALD 등 막들의 두께는 점점 얇아지고, 재질은 강해지는 추세입니다. 이에 따라 향후 식각은 낮은 온도와 낮은 압력을 이용한 기술로 발전해가고 있지요. 또한 FinFET, 2D-xnm, 3D-Stacking 등 제품별로 환경이 판이해지므로, 새로운 소스 개발 및 고선택비의 맞춤형 식각이 활발하게 전개되고 있습니다. 식각의 목적은 미세한 패턴을 조각해내는 CD제어와 식각 후 다음 공정을 진행하는 데 있어 식각 행위로 인해 문제(특히 Under Etch와 찌꺼기 제거)가 없도록 하는 것입니다. 건식식각은 다소 난해한 부분이 있어 스토리 메이킹 식으로 전개해 이해를 돕고자 했습니다. 식각 편에서 가장 중요하게 알아야 할 것은 식각의 목적, 이를 달성하는 데 있어서의 걸림돌, 그리고 이를 해결하기 위해 동원되는 성능지수들입니다.
※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.
반도체 공정 5 : 식각 공정(Etching process) 1편
안녕하세요~~ 오랜만에 새로운 반도체 공정에 대한 글을 써보려 합니다 ㅎㅎㅎ 그래도 7월 안에 이온주입 공정까지 끝내고 싶은데 할 수 있을지 모르겠네요 ㅠㅠㅠ 식각 공정은 포토 공정(Photo-Lithography), 증착 공정(Deposition)과 더불어 매우 중요한 전공정에 속합니다. Wafer에 PR을 이용해서 회로를 그린 후, 회로를 따라 실제로 패턴을 구현하는 공정이 바로 식각 공정입니다. 이번 시간에는 식각 공정의 전반적인 개요(순서)와 식각 공정에서 다루는 용어들에 대해 간단히 알아보겠습니다. 시작할게요!
식각 공정의 개요(순서)
포토 공정과 식각 공정의 순서
포토 공정과 식각 공정의 순서를 간단하게 나타냈습니다. 잠깐 복습을 하고 넘어가자면, 포토 공정에서는 PR(감광제, Photo Resist)을 wafer에 도포해줍니다. 이후 빛을 조사하는 노광을 통해 패턴을 그리고, 현상액으로 현상(Develop)하여 원치않는 부분의 PR을 제거해줍니다.
이후에 식각 공정(Etching process)이 작동합니다. 건식 식각(Dry etch) -> 에싱(Ashing) -> 세정(Cleaning) -> 검사(Verifying) 순으로 진행됩니다. 식각 공정이 작동하기 전, 현상이 잘되어야 잔존하는 PR이 없어 공정에 영향을 끼치지 않습니다. 이와 마찬가지로 식각시에도 패턴을 형성할 때 타겟(Target)물질을 충분히 깎아내지 않으면 (under etch) 이후 공정인 이온 주입 공정(Ion implantation)에서도 불량하게 작동합니다. 세정 공정에서도 폴리머(Polymer)가 충분히 제거되어야 하는 이유도 마찬가지 입니다. 따라서 식각시에는 정확한 종말점(EOP : End of Point)을 설정하는 것이 굉장히 중요합니다. 각 단계가 끝난 이후로도 wafer를 수시로 검사해줘야 되며, 기준치에 도달하지 못하 경우 wafer 자체를 폐기합니다.
under etch와 over etch
Under etch와 Over etch에 대해 조금 더 설명하겠습니다. 아까 under etch는 식각을 원하는 만큼 하지 못해 target 물질이 남아있는 상태를 의미했습니다. 반대의 경우로 Over etch 가 있습니다. 원하는 profile보다 식각이 더 많이 진행된 경우를 의미합니다. 그림을 보면 확실하게 이해하실 수 있습니다. 두 경우 모두 정상적인 상태에 비해 좋지 않지만, 굳이 하나를 선택해야 된다면 Over etch를 선택해야 합니다. 즉, 폭 손실(Line width loss)과 기판 손실(Substrate loss)이 발생하지만, 에칭해야되는 부분이 남아서는 안되기 때문에 이 문제점을 안고 갑니다 (Acceptible). Under etch가 되면 잔존물이 후 공정에 심각한 영향을 미칠 수 있지만, over etch에서는 그러한 잔존물들이 존재하지 않습니다. 더 깎인 부분은 추후에 증착(Deposition)과 같은 방법으로 해결할 수 있습니다.
습식 식각(Wet etch)과 건식 식각(Dry etch)
wet etch와 dry etch 비교
식각을 하는 method은 크게 건식 식각(Dry etch)와 습식 식각(Wet etch)으로 나뉩니다. 왼쪽 그림은 건식 식각과 습식 식각의 특징을 나타냈고, 오른쪽 그림은 집적도가 증가함에 따라 습식 식가에서 건식 식각으로 변천하는 그래프입니다.
습식 식각 (Wet etch)
습식 식각의 진행과정
습식 식각은 화학 용액(Chemical)을 사용해 wafer 표면의 제거할 물질과 화학 반응을 일으켜 제거하는 방법입니다. 화학적 기상 증착의 과정과 비슷하다고 보시면 되겠습니다. wafer들을 화학 용액에 담궈두면, 용액과 박막 물질이 접촉한 부위에서만 화학 반응이 일어나 박막 물질이 제거됩니다. 따라서 화학 반응이 원활하게 일어나기 위해선 계속해서 새로운 용액과 접촉해야 되고, wafer를 뒤집어주거나 화학 용액을 순환시키는 방법도 이용됩니다. 습식 식각의 장점은 선택비 (Selectivity)가 굉장히 우수하다는 점입니다. 순수한 화학 반응에 의해 이뤄지기 때문에 반응하는 물질과 그렇지 않은 물질 간의 선택비가 매우 뛰어납니다. 공정 비용이 저렴하며, 속도가 굉장히 빠르고, 한번에 많은 wafer를 식각할 수 있어 생산성(yield)이 좋습니다.
Undercut의 문제
하지만, 등방성(Isotropic)을 지녀, 그림에서와 같이 마스크 하부 영역까지 식각 되는 Under cut 현상이 나타납니다. 또한 표면장력이 큰 화학 용액을 사용하게 되면 표면장력으로 인해 식각 자체가 진행되지 않을 수도 있습니다. 이러한 문제점들로 인해 3μm 이하의 패턴을 식각하기 어려워졌고, 이를 극복하기 위해 건식 식각(Dry etch)이 도입되었습니다. 또한 용액을 사용하고 나서 폐기처분 해야되므로 환경 오염을 야기할 수 있고, wafer자체가 오염될 가능성도 있습니다.
건식 식각 (Dry etch)
비등방성(Anisotropic)이 굉장이 좋은 건식 식각
건식 식각은 액체상태의 화학 용액 대신 화학 반응성이 높은 가스를 사용하는 방법입니다. 주로 반응성이 높은 17족 할로겐 원소들이 사용됩니다. 박막 물질과의 화학 반응 속도를 높이기 위해 플라즈마(Plasma) 상태를 만들어서 진행하는 경우가 보편적입니다. 건식 식각은 습식 식각의 단점이었던 정확성을 획기적으로 개선시켰습니다. 그림과 같이 비등방성(Anisotropic)이 굉장히 강해 정해진 방향으로만 식각이 진행되어 미세 패터닝에 많이 사용되고 있습니다. 환경오염이 발생하지 않고, 자동화가 가능하다는 장점도 있습니다. 그러나 플라즈마를 사용하는 장비들로 인해 고비용 공정으로 분류되고, 처리량이 상대적으로 낮습니다 (Low throughput). 또한 선택비(Selectivity) 가 습식 식각에 비해 그렇게 좋지 않습니다. 플라즈마 내의 이온 충격이나 라디칼(Radical)에 의한 소자 손상/오염 문제가 발생할 수 있기도 합니다. 이러한 단점에도 불구하고 건식 식각은 미세 패터닝을 위해 사용된다 하더라도 과언이 아닙니다 ㅎㅎ
용어 설명
다음으로 식각 공정에서 사용되는 주요 용어 몇가지에 대해 살펴보겠습니다.
Aspect ratio (종횡비)
종횡비와 집적도의 관계
◼ 종횡비(Aspect ratio)는 증착 공정에서도 한번 설명드렸던 내용입니다. Aspect ratio 는 높이/밑변을 나타내며, Aspect ratio가 커질수록 비등방적 식각성이 중요해집니다. 또한 Aspect ratio가 커질수록 회로의 선폭도 좁아지는 모습을 볼 수 있습니다.
Etch rate(식각 속도)
Etch rate는 식각 속도를 나타내며, 깎은 두께 / 깎은 시간으로 정의됩니다. 단위는 Á(옴스트롱, 10^-10)/min 입니다. 식각 속도가 빠를수록 생산성이 좋습니다.
Selectivity(선택비)
Selectivity는 선택비를 나타내며, 원하는 깎임 / 원치 않은 깎임으로 정의됩니다. 선택비가 높을수록 품질이 좋아집니다.
오늘은 여기서 마무리 하도록 하겠습니다. 다음 식각 공정에서는 건식 식각의 플라즈마를 중점적으로 다루겠습니다! 감사합니다~~
KR100677039B1 – 건식 식각 방법 – Google Patents
H — ELECTRICITY
H01 — BASIC ELECTRIC ELEMENTS
H01L — SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
H01L21/00 — Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
H01L21/02 — Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
H01L21/04 — Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
H01L21/18 — Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
H01L21/30 — Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 – H01L21/26
H01L21/31 — Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 – H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
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