오늘은 식각공정에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 미세공정에서 가장 중요한 공정 중 하나가 바로 식각공정입니다. 중요한 공정이니 하나 하나 심도있게 알아보도록 하겠습니다.
[질문 1]. 에칭공정에 대해서 설명해주세요.
반도체 회로 패턴의 완성은 바로 에칭공정이라고 생각합니다. 에칭공정은 포토공정 이후에 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 공정입니다. 에칭공정은 웨이퍼에 화학 용액이나 가스 (etchant)를 주입하여 불필요한 부분을 선택적으로 제거함으로써 반도체 회로패턴을 형성합니다. 포토공정에서 형성된 Resist 막을 남겨둔 채 나머지 부분을 화학적 반응이나 물리적 충돌로 제거되면 Resist 막을 제거하여 원하는 회로패턴을 만들 수 있습니다. 포토공정과 에칭공정을 반복적으로 수행함으로써 우리는 회로패턴을 적층할 수 있습니다.
[꼬리 1-1]. 에칭 공정의 종류에 대해서 설명해주세요.
Etching 공정은 Wet etching과 Dry etching으로 구분됩니다. Wet etching은 화학물질을 사용하여 에칭하고자 하는 박막과의 화학반응을 통해 제거합니다. 그렇기 때문에 Throughput이 높고 etching 될 물질 간의 Selectivity가 매우 우수합니다. Dry etching은 고에너지의 이온을 타격함으로써 깎아내는 방식입니다. Wet etching 대비 Selectivity가 낮고 기판의 데미지가 높습니다. 그리고 Dry etching은 공정이 진공 내에서 진행되기 때문에 throughput이 낮다는 단점이 존재합니다. 이러한 단점에도 불구하고 Dry etching은 등방성 식각인 wet etching과 달리 미세공정에서 점점 더 narrow하고 depth한 profile 구현에 적합합니다. Dry etching은 방향성을 가지는 이온을 조사하기 때문에 vertical profile 구현이 가능해집니다. 최근 에칭공정은 Wet etching과 Dry etching의 장점을 한 데 모은 Plasma etching 공정을 중심으로 개발되고 있습니다.
[꼬리 1-2]. 에칭 공정에서 플라즈마에 대해서 설명해주세요.
"플라즈마에 대한 내용은 DC/RF plasma에서 자세하게 다루었습니다! Plasma 시리즈를 참고해주세요"
플라즈마는 중성원자, Radical, 하전입자의 집합체로 전기적 성질을 가지는 준중성(quasi-neutral) 상태의 기체를 말합니다. 플라즈마는 고온 혹은 전기장을 인가하여 만들 수 있고 반도체 공정에서는 글로우방전을 일으켜 플라즈마를 발생 및 유지합니다. Sputtering 증착과 달리 에칭공정에서 plasma는 radical과 이온의 충돌이 에칭 메커니즘에 기인합니다. Radical은 중성원자와 같이 charge는 띄지 않지만 반응성이 매우 우수하기 때문에, Plasma etching에서 etching target과의 화학적 반응으로 throughput을 높일 수 있습니다. 그리고 플라즈마 내에 이온은 강한 전계에 가속되어 etching target 박막과 충돌함으로써 vertical profile을 구현할 수 있습니다. 이러한 특성 때문에 대부분의 에칭공정은 Plasma etching으로 기술을 중심으로 개발되고 있는 추세입니다.
Wet etching은 반도체 공정에서 광범위하게 사용됩니다. 미세화 트랜드에 따라 점점 더 높은 aspect ratio를 가지는 profile이 요구되고 있기 때문에, wet etching이 잘 적용되지 않는 것 같지만 높은 throughput과 Selevtivity 특성으로 열적 산화나 Epitaxial 성장 하기 전에 웨이퍼 표면에 오염물을 제거하는 등 Cleaning 기술에서 핵심적으로 사용됩니다.
[꼬리 2-1]. Wet etching의 메커니즘에 대해서 설명해주세요.
Wet etching은 3가지의 단계로 구성됩니다. 첫 번째로 식각 용액이 '확산'을 통해 target 박막 표면으로 '이동'합니다. 두 번째로 표면에서 '화학반응'이 일어나고, 마지막으로 확산에 의해 반응 생성물들이 표면으로부터 제거됩니다. 이때, 식각 용액의 농도, 온도, 그리고 교반 정도 등이 Etch rate을 제어할 수 있는 변수가 되겠습니다. 보통 Wet etching은 웨이퍼를 식각용액에 dipping (담금)하거나, 식각용액을 뿌림으로써 진행됩니다. 식각 용액에 웨이퍼를 담글 경우, 균일한 식각과 일정한 식각 속도를 위해 기계적인 교반이 요구됩니다. 스프레이 식각은 깨끗한 식각액을 표면에 공급함으로써 식각 균일도와 속도를 크게 향상시킬 수 있어, 최근에는 스프레이 식각으로 대체되고 있는 추세입니다.
[꼬리 2-2]. 식각 균일도에 대해서 이야기해보세요.
모든 공정에서는 Uniformity가 요구됩니다. 그 이유는 한 장의 웨이퍼 위에 수많은 칩이 동일한 성능을 내기 위해서는 uniformity가 요구되고 이는 곧 수율과 직결되기 때문입니다. 에칭에서는 식각 속도를 균일하게 달성하는 것이 매우 중요합니다. 웨이퍼/웨이퍼, 공정의 전과 후, 패턴 집적도와 패턴 크기 등 작은 오차라도 생기면 수율 저하에 요인이 되기 때문입니다. Etch rate uniformity는 (↓) 구할 수 있습니다.
균일도는 L-B-C-T-R 순서로 측정해주어야 정확한 값을 얻을 수 있음.
[꼬리 2-3]. 습식 식각시 실리콘웨이퍼 식각 속도에 미치는 요인에 대해서 이야기해보세요.
실리콘 웨이퍼 습식 식각시 식각속도는 결정방향에 영향을 받습니다. 실리콘의 경우 (111)면이 (100)면이나 (110)면보다 단위면적당 더 많은 결함을 가지기 때문에 (111)면에서의 식각속도가 다른 면보다 느립니다. 결정방향에 의존하는 실리콘 식각에 경우 IPA, KOH를 혼합한 식각액을 사용하여, (100)면이 다른 방향보다 더 높은 식각속도를 가지고, (100) : (110) : (111) = 100 : 16 : 1의 식각속도를 가집니다. 산화막의 경우에는 산화막의 막질에 따라 식각속도가 차이가 납니다. Thermal oxidation 열산화 공정을 통한 산화막은 막질이 우수하고 dense하기 때문에 식각속도가 느립니다. 그리고 CVD 공정에서는 Silane이나 TEOS와 같이 박막의 반응소스에 따라 막질의 차이가 생기고 Silane source의 SiO2가 TEOS보다 더 우수한 막질을 가지므로 TEOS 반응소스로 증착한 SiO2 산화막의 식각속도가 더 빠른 특성을 가집니다. 이렇게, Wet etching시에는 박막의 결정방향, 공정조건, 막질에 따라 Etch rate가 다르게 나타나기 때문에 etch uniformity를 확보하기 위해서는 공정조건 최적화가 필히 요구됩니다.
[꼬리 2-4]. Wet etching 공정 시 요구되는 조건에 대해서 설명해주세요.
우선 미세패턴을 구현하기 위해 식각 경사면의 각도가 높아야 합니다. 이는 Etching Mask가 수직일수록 에칭 시 원하는 profile을 구현할 수 있습니다. 또한 에칭 마스크 물질과 에칭하고자 하는 물질의 식각 선택비가 높아야 합니다. 그 뿐만 아니라 에칭하고자 하는 박막의 하부막과도 선택비가 높아야 합니다. 그리고 무엇보다도 미세화 트랜드에 따라 등방성 식각보다는 이방성 식각이 요구되고 Etch uniformity를 높이기 위해 공정조건을 최적화 시켜야 합니다. 하지만 Wet etching은 모든 면에 Etchant 용액이 닿으면서 등방성으로 식각되는 특징을 막을 수 없습니다. 그러다 보니 Etch mask 밑까지 에칭되면서 Undercut 이슈가 발생하여 2um 이하 패턴 구현 시 wet etching은 한계에 봉착했습니다. 뿐만 아니라 용액공정이다 보니 wafer의 오염이슈가 배제할 수 없습니다.
[세부설명] Wet Etching Process
■ Si wet etching process ① Si + 4HNO3 → SiO2 + 2H2O + 4NO2 ② SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O
Si의 wet etching process는 위와 같이 2단계로 이루어집니다. 우선 Si wafer와 질산용액이 만나면서 Si는 SiO2로 산화됩니다. 이 과정에서 물과 이산화질소가 발생합니다. 이후, SiO2는 HF와 만나 플루오린화 규소산과 물로 분해됩니다.
위 두 단계를 동시에 진행하기 위해서 질산과 불산을 혼합합니다. 이때, 반응속도를 제어하기 위해서 혼합액에 DI water나 HC2H3O2, 초산을 첨가하여 농도를 조절합니다. 단순히 혼합액의 농도를 제어하기 위해서 DI water가 사용되지만, 초산은 Si와 질산의 반응을 억제하는 기능을 가지고 있기 때문에 반응속도를 제어하기 위해서는 초산을 첨가하는 것이 훨씬 더 효율적입니다. 여기서 중요한 것은 Photoresist 유기막을 사용하는 공정에서는 이 방법을 적용할 수 없습니다. 이유는 PR에 대해 높은 etch rate을 가지는 질산이 사용됐기 때문입니다. 따라서 SiO2 마스크를 사용해야 합니다.
■ SiO2 wet etching process ① SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
SiO2의 Wet etching은 공정실습에서 많이 해보셨을 것입니다. SiO2와 불화수소가 반응하면 사플루오린화 규소, Silicon tetrafluoride 가스가 발생하고 물이 형성됩니다. 이 과정에서 플루오린은 반응이 진행되면서 점점 더 농도가 낮아지면서 pH가 증가하는데 식각에 사용된 플루오린을 채워주기 위해 NH4F를 첨가하여 pH를 유지해줍니다.
HF+NH4F의 혼합물을 사용함으로써 pH를 유지하면서 식각공정을 지속할 수 있게 됩니다. 이 때의 혼합물은 Buffered HF, BHF 또는 Buffered Oxide Etchant, BOE라고 부릅니다. 보통 NH4F : HF = 6 : 1 ~ 10 : 1의 비율로 혼합하여 사용합니다.
SiO2는 thermal oxidation이나 혹은 PECVD, LPCVD 증착을 통해 형성할 수 있습니다. 특히 Thermal oxidation은 고온에서 산화막이 형성되기 때문에 막질이 우수하고 dense하여 식각속도가 가장 느립니다.
■ Si3N4 wet etching process Silicon nitride, Si3N4 막은 농축된 HF나 BHF 그리고 H3PO4 인산용액을 이용하여 식각합니다. 더 우수한 선택적 식각을 위해서는 H3PO4 인산이 주로 사용됩니다. 인산은 Si3N4 식각속도가 SiO2 대비 10배의 빠른 속도를 가지고 식각 선택비가 매우 우수합니다. 하지만 인산으로 식각하는 과정에서 180℃ 이상의 발열이 발생하기 때문에 표면에 PR 유기막이 남아있다면 경화되기 때문에 제거가 어렵습니다. 따라서 PR을 쉽게 제거하기 위해 Si3N4 위에 얇은 SiO2 막을 형성한 뒤에 패터닝과 식각을 진행합니다. 그러면 BHF를 이용하여 SiO2를 제거하고 쉽게 PR을 제거할 수 있습니다. 질화막 식각 중 PR이 유착되는 것을 방지하기 위해 얇은 산화막을 증착함 ■ Poly-Si wet etching process Poly-Si의 경우 단결정 Si와 wet etching 방식이 유사하나 Poly-Si는 Grain boundary가 있어 Etch rate이 단결정 Si에 비해 훨씬 빠릅니다. 식각 용액은 하부막에 있는 산화막과 반응하지 않는 etchant를 사용하며, Poly-Si의 불순물 도핑농도와 온도는 Etch rate에 크게 영향을 미칩니다. 그리고 한 가지 특징으로 Poly-Si는 방향성이 없는 다결정이기에 등방성 etch profile을 가집니다. (단결정에서는 HNO3+HF에서 등방성, KOH, IPA에서는 이방성 특징)
■ Alumnium, Al wet etching process Etchant 용액은 H3PO4 : HNO3 : HC2H3O2 : H2O = 73 : 4 : 3.5 : 19.5 사용. ① Al이 HNO3와 만나 Al2O3가 형성됩니다. ② Al2O3가 H3PO4와 만나 반응하면서 식각 됩니다.
알루미늄의 식각속도는 Etchant 농도, 온도, 웨이퍼의 교반정도, 불순물 등에 의존합니다. 구리가 알루미늄에 조금 첨가될 경우 식각 속도는 줄어듭니다. 그리고 알루미늄이 Si wafer와 만나 반응하는 일을 방지하기 위해 알루미늄에 2% 정도 Si를 혼합합니다. 이렇게 첨가된 불순물들이 식각속도에 영향을 미칩니다.
여러분들 오늘은 Etching 공정에 대해서 알아보았습니다. 특히 에칭공정에서 Wet etching에 대해서 알아보았습니다. 다음 시간에는 Dry etching 그리고 Plasma etching에 대해서 알아보도록 하겠습니다. Plasma etching이 정말 재미있어요~ 오늘 하루도 정말 고생 많으셨습니다! From 교관 홍딴딴
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