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[반도체 공정] 4. Etching Process (식각 공정) 본문
김성호 교수님의 <기초반도체공정> 유튜브 강의를 정리한 내용에 삼성 반도체 뉴스룸, SK 하이닉스 뉴스룸, 딴딴's 반도체사관학교, 렛유인 [반도체 이론편] 내용 참조하여 공부한 것임을 밝힙니다.
* Etching Procss
: Photo공정에서 정의된 영역의 하부 박막을 제거해서 원하는 반도체 회로 형상을 만드는 기술
∴ '포토공정에서 만들어진 모양 그대로 식각을 할 수 있는지' 가 식각 능력을 판단하는 중요한 기준
* Photo공정에서 정의한 모양대로 박막 형상을 만드는 방법?
① Etching
↪ 화학 반응을 이용하여 감광제 마스크에 의해 가려지지 않고 노출된 하부 물질을 제거하는 방법
화학반응의 결과물이 (습식 식각의 경우) 물에 녹지 않거나,
(건식 식각의 경우) 휘발성 반응물을 형성하지 않는 물질은 Etch 불가!
② Lift-off
↪ 감광제 마스크 위에 박막을 증착한 후, 감광제를 제거하여 감광제가 없었던 부위에만 박막을 남기는 방법
③ Damascene (상감법)
↪ 하부물질을 식각 가능한 박막으로 형성한 후 감광제 마스크 작업 및 식각을 진행하여 홈(Trench)을 만들고,
이 홈에다가 패턴 형성을 원하는 박막을 채워 넣고 홈 위의 물질을 갈아내서 없애는 patterning 방식
: Etchant를 이용해 Wafer에 존재하는 Layer를 선택적으로 제거
: Wet / Dry Etching 으로 분류 가능
* Wet Etching = Wafer를 chemical 용액에 담그는 방식 (->batch)
화학용액과 film 사이에 일어나는 화학반응으로 Etching 진행(Chemicla Etching) = 등방성
film과 직접적으로 화학반응 하기 때문에 selectivity가 좋음. (약 50:1)
진공장비 등이 필요하지 않으므로 저렴.
undercut 때문에, μm 이하의 pattern 식각 시에는 사용하기 어려움 -> Native Oxide 제거 공정
-> Cleaning 공정에서 사용 中...
* Dry Etching = Plasma를 이용하여 물리적으로 Etching 진행 (Physical 또는 Physical+Chemical Etcing) = 비등방성
Wet etch보다 selectivity(조건마다 다름), etch rate, throughput이 좋지 않음.
미세한 패턴 식각이 가능하기 때문에, nm단위의 pattern을 식각하는데 사용
+) 종류
① Physical Sputtering: Plasma화 된 Ar 이온에 큰 전압을 가해 가속시킨 후, 그 에너지를 이용해
물리적인 방법으로 식각 (-> 비등방성의 profile 얻을 수 있음)
Ar이 충분한 운동에너지를 갖게 하기 위해, 낮은 진공을 유지하는 것이 중요(<10mTorr)
but, Masking layer도 함께 식각되기 때문에 selectivity가 좋지 않음. (2:1 or 1:1)
+ Etch rate이 느림(~ 10-30nm/min)
+ 이온 가속을 위한 높은 전압을 인가해야 함(High beam energy, >1 kV) ∴ selectivity와 etch rate를 향상시키기 위해, reative gas 사용(CF4, CCl4, O2)
+ trench, re-deposition, surface charging & ion path distortion 의 단점도 있음
a) Trench: Plasma 이온이 PR과 만나 굴절된 상태로 film에 떨어지는 현상
b) Re-deposition: Plasma 이온이 PR을 타격하여 떨어져나온 PR이 film에
떨어지는 현상
c) surface charging & ion path distortion
1. Plasma는 (+) ion이기 때문에 mask 벽면에 (-) 전하가 쌓임.
2. mask surface의 (-) 전하로 인해 틈을 지나는 plasma가 휨.
3. 빨간 점선 영역의 plasma density가 높아지며 항아리 모양 식각
-> CF4를 사용시, side wall에 carbon polymer을 형성해 보완
:polymer가 있는 sidewall은 etching 불가 ∴Verticle한 Etch 가능
∴ Physical sputtering은 RIE를 사용할 수 없는 물질들에 한해서 사용
= Ion milling 라고도 함. ↓ ↓ ↓
② Plasma Etching: 화학물질을 plasma화 시킨 후, plasma화 된 ion을 이용한 Chemical 반응
(-> 약간의 등방성의 profile 얻을 수 있음)
Plasma를 만들 수 있는 정도의 진공도만 만들어주면 됨(>100mTorr)
화학반응을 기반으로 하므로 selectivity 좋음 + 이온 가속 할 필요가 없는 Low beam energy
but, 화학반응 후 생성되는 byproduct가 휘발성 물질인 경우에만 사용 가능
③ Reactive Ion Etching(RIE): 가속된 이온과 화학적 반응 모두를 이용 (-> 등방성 조절 가능)
ㄴ> 가속된 이온 = 물리적 식각 기능 X, 화학 반응을 도와주는 기능 O
이온 가속을 위한 낮은 진공 필요 (<10mTorr)
화학반응을 기반으로 하므로 selectivity 좋음 + 약간의 이온 가속인 Medium beam energy
-> 대부분의 반도체, 절연체, 몇몇 금속물질(Al, Cu, Ti, W, Cr)까지 식각 가능
but, etch rate이 높지 않아, 수 μm 정도 제거에만 사용
+ 등방성이므로, 완벽히 수직한 profile 얻을 수 없음
∴ 더 깊고, 수직한 etch를 하기 위해 Deep RIE(=Bosch process) 사용 -> TSV 공정
가장 많이 사용되는 Plasma Etch에 대한 더보기
↓ ↓ ↓
* Plasma 형성 방법
1. CCP/ICP란?
: Plasma를 인가하는 에너지 Type(DC/AC)에 따라
-> 직류 plasma
-> 교류(RF) plasma = 플라즈마를 형성하는 방법에 따라, CCP와 ICP로 구분
* CCP (Capacitively Coupled Plasma)
: 2개의 전극판 사이에서 축전 전기장을 형성시켜 Plasma를 만는 용량성
: 전극 방향대로 e-의 방향이 형성되며, 전극으로 들어가는 전자에 의해 e- loss가 심
: Plasma가 Density와 DC Voltage로 정의되므로, 따로 두 변수는 control 불가
: F 계열로, Oxide나 Nitride Etching 시 사용
* ICP (Inductively Coupled Plasma)
: 전류가 흐르는 도선 주위에 RF를 인가하면 수직한 방향으로 유도자기장 형성 -> 전기장을 통해 Plasma 형성
(plasma 외곽으로 코일을 감아 놓은 구조인 유도성)
: e- 운동 경로가 전극 내부에서 잘 격리되어 CCP보다 전자 loss를 줄일 수 있음
= High plasma density 구현 가능 -> High-Tech로 tkdyd
: 회전운동을 하다보니 donut 모양의 plasma가 형성되며 plasma의 uniformity ↓
: Cl 계열로, 높은 Aspect Ratio(고단차비)를 안정적으로 형성
2. Plasma Etching 공정 변수
=> Lam사의 Flex GX를 기준으로 한 Oxide etching을 가정..
: Gas, Pressure, Power, Temp
① Gas
: main gas = C4F8, C4F6, O2, Ar, COS, NF3, CHF3, CF4, CH2F2, CH3F, N2, O2...
(Center/Middle/Edge로 나누어 주입해서 chamber내 일정한 분위기 조성)
: side gas = O2, C4F8, C4F6, CH2F2
(화학적으로 반응성이 큰 원소인 할로겐원소(F, Cl, Br)를 source로 많이 이용)
+) O2 등의 gas line이 여러개인 이유? = 주입하는 gas양의 오차를 줄이기 위해!
(뿌려주는 gas의 오차는 0.5~1% 내로)
ex. O2 주입되는 양이 400, 2000으로 2개일 경우, 600을 주입하고 싶을때에는
400 line으로 맞추어주는 것이 더 정확한 양의 gas를 주입할 수 있음.
ex. O2 2000은 waferless O2 cleaning시 사용
② Pressure
: Pump (Rotary Vain pump+Turbo pump(TMP))
- Rotary Vain Pump: by-product를 제거해 주므로, 쌓는 단수가 높아질수록 중요성 大
- Turbo pump(TMP): 공기를 밀어내어 더 높은 진공도를 가능하게 도와줌
③ Power
- Source power : 플라즈마를 생성하는 power (60MHz)
- Bias power : 플라즈마를 substrate로 끌어옴 (2MHz)
∴ 많이 쌓을수록, bias power를 높여주어야 함.
: 각 장비마다 다른 Inpedence를 matcher가 맞추어 power 전달 (100단 기준 Max = 10000W)
(200단의 경우, 30000~35000W)
+) Pulsing기능: ion(C+, F-)이 side wall에 붙는 것을 방지하기 위한 목적
: Source power와 Bias power를 반복적으로 ON/OFF
cf) Bias power에는 보통 pulsing을 사용하는데, TEL사에서는 DC를 사용한다. 그 이유는??
-> 목표 전압까지 도달하는 시간이 작으므로, 그만큼의 cost 손실 발생 save 가능하기 때문에
④ Temp
: Plasma에 의해 wafer온도가 올라가므로,열화 현상(wafer wiggling)이 발생함.
ㄴ> 열화현상이란? : 절연체가 내외부적인 영향에 따라 화학적 및 물리적 성질이 좋지 않아짐.
∴ 사용하는 화학약품의 최적 반응 온도에 맞게 + 해당 recipe의 모든 wafer가 같은 공정온도에서 반응되도록 온도 조절 !
: ESC 하부에 Chiller에서 Cool, Hot 잘 섞어서 정확한 온도 set -> Wafer 뒤로 back He을 주입하여 wafer의 온도 조절
cf) ESC란?
: Electro Static chuck = chucking force(정전기적 힘)로 wafer가 공정 진행 중 흔들리지 않도록 고정해주는 역할
접촉에 의한 입자오염 문제가 없고, 진공환경에 상관없이 사용 가능
-> Unipolar ESC: 하나의 전압만을 인해주는 ESC
-> Bipolar ESC: 두 개의 전압을 같이 인가해주는 ESC
* Etching process의 성능을 나타내는 지표
① Etching rate: 식각이 진행되는 동안 웨이퍼표면으로부터 타겟 재료가 제거되는 속도 (Å/min)
: Etchant gas, 챔버 구성, target 재료의 특성 등의 여러 요인들에 의해 결정
② Selectivity: 원하는 film만 식각할 수 있는 능력 (다른 물질들 간의 식각률 차이의 비율)
: film이 제거되는 동안, mask가 모두 식각되면 안됨.
" mask 식각 두께(d_2) << film 식각(d_1) " 여야!
ex) physical etching은 2:1, 1:1... << chemical etching은 20:1, 50:1...
-> Wet Etching = Si/SiO2와 같은 소재의 특성이 결정
-> Dry Etching = PR과 target 재료와의 식각률 차이의 비율
③ Etching profile: Etching 공정을 마친 후, Etch된 결과물의 모습
: Isotropic = Etch rate이 수직/수평 모든 방향에서 동일
Masking layer 안쪽으로 etching이 진행 가능 (Over etch ↓ & Undercut ↔)
-> Wet Etching(Pure chemical reaction)
: Anisotropic = 한 방향으로만 식각 (수직 방향의 etch rate >> 수평 방향의 Etch rate)
-> Dry Etching(Ion-assisted etching)
④ Etching bias: 식각 하고자 설정한 pattern의 폭과 실제 Etching 후 얻은 pattern의 차이
: Etch 전/후, PR선폭의 변화량
⑤ Uniformity: 각 위치에 따른 Etching rate 의 균일도 (-> 수율과 직결되는 매우 중요한 공)
: 약 9개의 point 정도의 두께를 측정함으로써 균일한 식각이 이루어졌는지 확인
⑥ Aspect Ratio(AR): 박막이 특정 단차가 있는 profile일 경우, 단차의 width와 height의 비율
: 소자 demension이 작아지면서 AR이 커져야 하기에, etching 기술의 중요성 大
+ 높은 AR의 profile을 cover할 고도의 증착 기술도 요구되고 있음.
⑦ End point detection(EPD): Etching 시 원하는 target 막질이 제거되었는지 확인하는 방법
: Wafer 상의 지점별로 깎이는 식각의 깊이가 다르기 때문에 EOP(End of Point) 설정 중요!
1. OES(Optical Emission Spectroscopy, 방출분광법): Plasma 등의 광원으로부터 발생된
에너지에 의해 여기된 원자가 기저상태로 이동할 때 방출하는 빛을 관측함으로써
빛의 파장으로부터 원소의 정성 또는 빛의 세기를 통해 원소를 정량하는 방법
2. RF파의 전류, 전압을 모니터링
3. Etch 시, 발생하는 gas 성분을 분석
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