반도체 8대공정 중 Dry Etch 공정이란?

 

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반도체 8대공정 중 Dry Etch 공정이란?

반도체 8대 공정 중 Dry ETCH공정에 대해 알아보겠습니다.

 

 일반적으로 반도체 제조공정에서 사용되는 Dry Etch 공정은 반응기 내에 반응 기체를 주입하고 고주파 전력을 가하여 발생한 Plasma를 이용하여 Wafer 위에 형성시킨 Photo Resist(PR)를 Mask로 하여 실제적인 형상으로 Patterning 하는 (회로를 만들기 위해 깎아내는) 기술을 말합니다.

 

 

 약 10um 이상의 Design Rule을 갖는 초기 반도체 소자에서는 Wet ETCH공정이 대부분이었으며, 이때는 용액 특성상 등방성 Etch 기술이 사용되었습니다.

 

 그러나 반도체 소자의 집적도 향상과 함께 정교한 Patterning 기술이 필요하게 되었고, 고집적도회도에서는 대부분 Dry ETCH공정이 Patterning 기술로 사용되고 있습니다.

 

 Dry Etch 공정은 보편적으로 Oxide etch, Nitride Etch, Silicon Etch, Aluminum이나 Tungsten의 Meral Etch로 분류할 수 있으며, Etch 하고자 하는 막질에 따라 적정한 Gas와 압력, 온도, RF Power 등을 선택하여 진행하는 게 중요합니다.

 

 

 건식 식각 공정이 최초로 적용된 소재로는 감광액 제거를 목적으로 하는 O2 gas인데 70년대 초에 도입하면서 본격적인 건식 식각 방법을 사용하게 되었습니다.

 

 건식 식각 공정은 급속도로 발전을 이루어 사용 빈도가 점차 높아지고 있습니다.

 

 초기에는 화학반응을 이용하여 식각을 한 결과 습식 식각과 마찬가지로 등방성 식각이 주를 이루었는데, 최근에는 이방성 식각이 가능한 반응 이옴 및 반응 이온빔 식각 장치가 개발되면서 제한된 영역에 보다 많은 패턴을 형성시킬 수 있는 초미세 가공 기술이 가능해졌습니다.

 

 

 Dry ETCH공정은 Photo Resist에 의해 이루어진 미세한 Pattern을 실제적인 모양과 크기를 가진 형태로 Wafer 위에 형성시키는 중요한 공정입니다.

 

 이러한 미세 Pattern의 가공을 위해서는 Dry Etch 공정에서 가장 중요시 다루어야 할 요소들이 있습니다.

 

 첫 번째로 시간과 온도입니다. 막질이 Etch 되는 정도는 시간과 온도의 작은 변화에도 민감하게 반응하기 때문에 주의하여야 합니다.

 

 두 번째는 Particle 관리입니다. 공정이 진행되기 전 Pattern 상에 Particle이 있다면 Chip의 불량으로 나타납니다.

 

 

 Plasma 내에서 Etch 하고자 하는 막질과의 반응원리를 알아보겠습니다.

 

 Plasma 내에는 반응 Gas 들이 이온화 분해 과정을 거쳐 Ion, 전자, Radical 형태로 존재하고 있습니다.

 

 Ion은 일반적으로 전자가 Energy를 받아 외부로 방출된 원자를 말하며, 반응성이 강하기 때문에 Etch 하고자 하는 막질과 결합하여 새로운 휘발성 화합물을 형성하거나, 형성된 전계에 의해 Ion이 가속되어 힘을 얻어 막질과 충돌하여 강제적으로 막질을 뜯어내게 됩니다.

 

 Radical은 Energy를 받아 전자가 상위 Energy Level로 여기된 원자를 말하며, 역시 강한 반응성으로 인해 막질과의 Chemical Rediction에 의한 화합물 형성으로 막질을 Etch 하게 되는데, 전극을 띄고 있지 않기 때문에 Ion과 같은 물리적 반응은 일어나지 않습니다. 
 

출처 : 삼성 반도체 이야기

Plasma Etch 반응 과정

Plasma Etch 반응 과정은 다음과 같습니다.

1. 반응 입자의 생성
가스 분자가 이온화 분해 과정을 거쳐 활성화된 이온과 Radical을 생성하는 단계입니다.

 

2. 반응 입자의 수송
반응 입자 가운데 Radical은 확산에 의해 Ion은 전계에 의해 가속되어 이동합니다. 따라서 radical은 무질서한 방향의 운동량을 갖게 되고 이온은 전계에 따라 일정한 방향의 운동량을 갖습니다.

 

3. 표면반응
웨이퍼 표면에서의 반응으로, Radical에 의한 반응은 통상적인 화학반응과 같고, 온도가 중요한 변수가 됩니다. 한편 Ion의 경우는 불활성 이온과 반응성 이온으로 구분되며 불활성 이온은 물리적 반응을, 반응성 이온은 화학반응 효과와 물리적 반응 현상이 함께 일어납니다.

 

4. 반응생성물의 제거
반응 후 생성되는 반응 생성물은 Radical에 의한 식각인 경우 화합물의 형태로 증발하며, Ion에 의한 Sputter Etch의 경우에는 배기 Gas에 섞여 강제적으로 배출됩니다. 따라서 Sputter Etch의 경우 Etching Chamber 내부의 오염 및 Wafer에 반응 생성물이 다시 부착되는 단점이 있습니다.

 

 모든 막질의 Etch 시에는 Etch 반응과 Polymerization 반응이 동시에 일어나는데, Polymer는 Etching 되는 동안 Pattern의 옆면과 밑면에 모두 동일하게 발생하지만, Pattern 옆면보다는 밑면이 높은 Energy의 Ion에 의해 더 많은 Energy를 흡수하기 때문에 옆면은 Etch Stop이 되지만 하부로는 지속해서 Etch가 진행됩니다.

 

 이러한 원리로 Pattern의 Anisotropic Etch가 가능하게 되는 것입니다.

 

 Polimer는 주로 PR의 유기 성분과 반응 Gas와 반응하여 비휘발성 화합물을 생성함으로써 생성되는데, Process 조건의 적절한 조정을 통해 Etch가 진행되는 도중 발생하는 Polymer의 양을 control 함으로써 Pattern 모양 및 경사도를 어느 정도 조절해 줄 수 있습니다.

 

 예를 들어 Polymer 발생이 많을 경우 Pattern의 Positive Profile(팔수록 좁아짐)을 얻을 수 있으며 Polymer 발생이 적으면 Pattern의 Vertical, 혹은 Negative Profile(팔수록 아래쪽이 넓어짐)을 얻을 수 있습니다.

 

 반도체 제조 공정에서 사용되는 일반적인 막질에 따라 주요 적용 Gas 및 식각을 가능하게 하는 반응 Mechanism에 관하여 알아보면 Oxide Etch의 경우 대부분 CF4 기체를 사용합니다.

 

 Silicon, Policide Etch의 경우 chlorine을 기초로 한 반응 기체를 사용하여 Etch를 진행하며, 일반적으로 Profile 조절을 위한 Polymerization 기체로는 HBr이 주로 사용됩니다.

 

 Metal Etch의 경우 Cl2, BCl3 Gas를 사용하여 Etch 후 Corrosion이 발생하는 걸 방지하기 위해 Metal Etcher에 Ashing Chamber를 붙인 Multi Chamber 구조를 주로 사용하고 있습니다.

 ETCH공정을 하기 위해서는 막질에 맞는 반응 Gas를 선정 후 Etch 되는 양, 균일도, 선택비를 적절히 맞춰 공정을 진행하게 되는데, 공정별로 요구되는 조건들이 모두 다르고 고집적화됨에 따라 난이도가 점점 높아지고 있습니다.

 

 

반도체 8대공정 요약 정리