반도체 공정 - 식각(Etching)-2

Etching

#시작하며

출처. 한국기술교육대학교

지난 포스팅에서는 Etching의 기본적인 개념과 방법, 구성 등에 대해 공부하였다. 초창기 식각은 습식의 방식으로 Cleansing이나 Ashing 분야로 발전했고, 미세공정화에 따라 반도체 식각은 플라즈마(Plasma)를 이용한 건식으로 발전하였다. 건식식각은 플라즈마를 구성하는 이방성의 성질을 가진 양이온과 등방성의 라디칼을 이용한다. 등방성의 라디칼이 양이온보다 함량이 많아 건식식각은 등방성을 가질 것 같지만 이방성 식각으로 초미세회로를 구현할 수 있다(?).

 

#Etching

종횡비(Aspect Ratio)는 종축 대비 횡축의 길이, 즉 높이/길이의 비율을 나타낸다. 해당 종횡비가 클수록 얇고 높은 식각공정이 이루어진다. 예를들어 2D에서 선폭 10nm 미만의 초미세회로를 구현하려면, D램의 Capacitor 종횡비가 100이상을 유지해야하기 때문에, 다른 공정기술이 충족되어도 식각이 이를 받쳐주지 못하면 생산이 불가능해 해당 기술의 중요도가 상승하고 있다.

 

• 플라즈마 식각

플라즈마 식각에서는 먼저 식각을 진행할 프로세스 챔버(Chamber) 속을 진공으로 만든 후, Layer에 맞는 플라즈마 소스가스를 주입한다. 게이트 막은 폴리실리콘의 식각선택비를 갖는 CL 계열 플라즈마로 실리콘을 제거한 뒤(Si + Cl2), 하부 SiO2 절연막은 SiO2 막을 식각할 수 있는 보다 강력한 C-F 계열로 2단계 식각(SiO2 + CF4)을 진행한다.

 

• 건식 식각의 분류

건식 식각은 플라즈마 방식과 발생 Source에 따라 분류할 수 있다. 먼저 플라즈마 방식으로 DC 플라즈마 방식과 RF 플라즈마 방식으로 나누어진다.

 

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* DC 플라즈마 방식은, 양극와 음극이 있어, 그 사이 가스와 전압을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방법이다. Etching이나 Sputtering에 사용이 가능하고, Glow Discharge(발광방전)에 이용이 가능하다.

* RF 플라즈마 방식은, +, - 전압의 주기적인 변화로 인해 가스 충돌을 유발하는 RF 특성을 이용하는 방법이다. 부도체의 Etching이나 Sputtering에 사용되며, DC 플라즈마에 비해 이온화가 빠르다.

 

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다음으로 발생 Source에 따라 RIE(Reactive Ion Etching)과 MERIE(Magnetically - Enhanced RIE)로 나누어진다.

출처. SK hynix NEWSROOM

위에서 언급했던 등방성인 라디칼을 더 많이 함유한 건식 식각은 어떻게 이방성 식각을 진행할지에 대한 의문을 여기서 해결할 수 있다.

 

건식 식각은 대부분 RIE 방식으로 진행하거나 그에 기반을 둔 응용방식으로 진행한다. RIE 방식의 핵심은, 이방성인 양이온으로 식각 부위를 공격해 막질 내 타깃의 분자-분자 간 결합력을 약화시켜 해당 부위를 라디칼이 흡착, 막을 구성하는 입자와 결합해 휘발성 화합물인 가스로 배출시키는 방식이다. 라디칼은 등방성을 띄지만, 결합력이 약화된 바닥면을 구성하는 분자들과 흡착하여 새로운 화합물로 변화한다. 따라서 하방 식각이 주류가 되고, 함께 가스화되어 배출되는 것이다. 

 

양이온과 라디칼을 병합하여 동시에 물리화학적 진행함으로써 식각률이 10배 가까이 높아지고, 이에 이방성의 하방 식각의 식각률이 증가하고 남는 폴리머도 함께 해결이 가능한 것이 RIE이다.

 

MERIE는 RIE 방식의 변형으로, 플라즈마 공간에 자장을 인가하여 Ion 발생확률을 높여 고밀도 플라즈마 상태에서 Etching을 진행하는 장치이다. 해당 방법을 사용하면 RIE보다 이온화 효율이 좋고, 저압 공정이 가능해지며 E/R이 향상되는 효과를 볼 수 있다.

 

#식각 프로세스

출처. SK hynix NEWSROOM

(Wafer 제조) 먼저 웨이퍼를 Furnace에 넣고, 표면상에 높은 절연 특성을 띄는 SiO2 산화막을 건식 방식으로 형성한다(산화막 형성). 그 후 증착공정으로 산화막 위로 실리콘 막 또는 전도성(Poly) 막을 CVD/PVD 공정으로 만들고, 실리콘 막의 경우 불순물을 확산시켜 전도성을 높여준다. 다음으로 포토 공정에서 PR을 코팅하고, 그 위에 Mask를 이용해 Immersion 방식으로 습식 노광을 진행하면, 원하는 패턴이 PR에 새겨진다. 이후 윤곽을 드러내기 위해 현상을 하여 감광된 부위의 PR을 제거한다(Photo 노광공정). 

그리고 Photo 공정을 마친 웨이퍼를 식각공정으로 옮겨 건식 식각을 실시한다(Etching 공정). 건식 식각은 주로 RIE 방식을 사용하여 막별로 소스가스를 바꿔가며 반복 진행한다. D램의 경우 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정의 Step Coverage를 높이기 위해 증착과 식각공정을 섞어 진행하듯이, 반대로 식각의 종횡비를 높이기 위해 건식과 습식을 섞어 진행한다. 진행 과정에서 Cleansing을 통한 참호 바닥의 Polymer를 제거하며 단계별 목적에 부합할 때까지 반복 수행이 이루어 진다.

 

#마치며

두번의 포스팅에 걸쳐 식각 공정에 대해 공부하였다. 내용이 많은만큼 중요성이 높은 공정 파트이고 복잡한 프로세스를 가지고 있다. 다음 시간에는 Etching 공정 이후에 진행되는 박막 증착/확산에 대해 알아볼 것이다.