반도체 식각 공정 기술

에칭 또는 에칭은 반도체 제조, 마이크로전자공학 IC 제조, 마이크로/나노 제조 공정에서 중요한 단계입니다. 이는 포토리소그래피와 관련된 주요 패터닝 프로세스입니다. 좁은 의미에서 에칭은 본질적으로 포토리소그래피 에칭으로, 포토리소그래피를 사용하여 포토레지스트가 먼저 노출된 다음 다른 방법을 사용하여 원하지 않는 재료를 에칭합니다. 에칭은 화학적 또는 물리적 방법을 사용하여 실리콘 웨이퍼 표면에서 원하지 않는 물질을 선택적으로 제거하는 프로세스입니다. 기본 목표는 코팅된 실리콘 웨이퍼에 마스크 패턴을 정확하게 복제하는 것입니다. 미세 가공 공정이 발전하면서 에칭은 용액, 반응성 이온 또는 기타 기계적 방법을 사용하여 재료를 벗겨내고 제거하는 일반적인 용어가 되었으며 미세 가공에서 일반적인 용어가 되었습니다.

에칭은 크게 습식 에칭과 건식 에칭의 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 건식 에칭에서 가스는 고주파수(주로 13.56MHz 또는 2.45GHz)에서 여기됩니다. 1~100Pa의 압력에서 평균 자유 경로의 범위는 수 밀리미터에서 수 센티미터입니다. 건식 에칭에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.

• 물리적 건식 에칭: 웨이퍼 표면 입자의 물리적 마모를 가속화합니다.

• 화학적 건식 에칭: 가스는 웨이퍼 표면과 화학적으로 반응합니다.

• 화학적-물리적 건식 에칭: 화학적 특성을 지닌 물리적 에칭 공정입니다.

1. 이온빔 에칭

이온빔 에칭은 물리적인 건식 에칭 공정입니다. 아르곤 이온은 약 1~3keV의 이온빔으로 표면에 방사됩니다. 이온의 에너지로 인해 표면 물질에 충격을 가합니다. 웨이퍼는 수직으로 또는 각도로 이온빔에 삽입되며 에칭 공정은 절대적으로 이방성입니다. 층간 구별이 없기 때문에 선택성이 낮다. 가스와 연마된 재료는 진공 펌프에 의해 배출됩니다. 그러나 반응 생성물은 기체가 아니기 때문에 입자가 웨이퍼나 챔버 벽에 쌓일 수 있습니다.

이러한 입자를 방지하기 위해 두 번째 가스가 챔버에 도입됩니다. 이 가스는 아르곤 이온과 반응하여 물리화학적 에칭 공정을 유도합니다. 가스 중 일부는 표면과 반응하지만 일부는 연마된 입자와 반응하여 가스 부산물을 형성합니다. 이 방법을 사용하면 거의 모든 재료를 에칭할 수 있습니다. 수직 복사로 인해 수직 벽의 마모는 매우 낮습니다(높은 이방성). 그러나 낮은 선택성과 낮은 식각 속도로 인해 이 공정은 현대 반도체 제조에 거의 사용되지 않습니다.

2. 플라즈마 에칭

플라즈마 에칭은 완전히 화학적 에칭 공정(화학적 건식 에칭)입니다. 가속된 이온에 의해 웨이퍼 표면이 손상되지 않는다는 장점이 있습니다. 에칭 가스의 이동 가능한 입자로 인해 에칭 프로파일은 등방성이므로 이 방법은 전체 필름 층을 제거하는 데 적합합니다(예: 열 산화 후 뒷면 세척).

플라즈마 에칭에 사용되는 반응기 유형 중 하나는 다운스트림 반응기입니다. 충격 이온화를 통해 2.45GHz의 고주파에서 플라즈마가 점화되고, 충격 이온화 부위가 웨이퍼에서 분리됩니다.

가스 방전 영역에는 충격으로 인해 자유라디칼을 포함한 다양한 입자가 존재하게 됩니다. 자유 라디칼은 중성 원자 또는 불포화 전자를 가진 분자이므로 반응성이 높습니다. 중성 가스인 사불화메탄(CF4)이 가스 배출 영역으로 유입되어 CF2와 불소 분자(F2)로 분리됩니다. 마찬가지로, 산소(O2)를 추가하여 불소를 CF4에서 분리할 수 있습니다.

2 CF4 + O2 ---> 2 COF2 + 2 F2

불소 분자는 가스 방전 영역의 에너지에 의해 두 개의 개별 불소 원자로 분리될 수 있습니다. 각 불소 원자는 7개의 원자가 전자를 갖고 불활성 가스 구성을 달성하는 것을 목표로 하기 때문에 각 불소 원자는 불소 자유 라디칼입니다. 중성 자유라디칼 외에도 부분적으로 하전된 여러 입자(CF+4, CF+3, CF+2, ...)가 있습니다. 모든 입자, 자유 라디칼 등은 세라믹 튜브를 통해 에칭 챔버로 들어갑니다. 하전된 입자는 추출 격자에 의해 에칭 챔버에서 차단되거나 중성 분자가 형성되는 동안 재결합될 수 있습니다. 불소 라디칼도 부분적으로 재결합하지만 에칭 챔버에 도달하고 웨이퍼 표면에 반응하여 화학적 마모를 일으킬 만큼 충분합니다. 다른 중성 입자는 에칭 공정의 일부가 아니며 반응 생성물과 함께 고갈됩니다.

플라즈마 에칭에서 에칭할 수 있는 박막의 예: • 실리콘: Si + 4F ---> SiF4 • 실리콘 이산화물: SiO2 + 4F ---> SiF4 + O2 • 실리콘 질화물: Si3N4 + 12F ---> 3SiF4 + 2N2 3. 반응성 이온 에칭(RIE) 특성: 선택성, 에칭 프로파일, 에칭 속도, 균일성 및 반복성은 모두 반응성 이온 에칭에서 매우 정밀하게 제어될 수 있습니다. 등방성 에칭 프로파일과 이방성 에칭 프로파일이 가능합니다. 따라서 RIE는 화학적, 물리적 식각 공정으로 다양한 박막을 구성하는 반도체 제조에서 가장 중요한 공정입니다. 프로세스 챔버에서 웨이퍼는 고주파 전극(HF 전극) 위에 배치됩니다. 플라즈마는 자유 전자와 양전하 이온이 나타나는 충격 이온화에 의해 생성됩니다. HF 전극이 양의 전압에 있으면 자유 전자가 그 위에 축적되고 전자 친화력으로 인해 다시 전극을 떠날 수 없습니다. 따라서 전극은 -1000V(바이어스 전압)로 충전됩니다. 빠르게 교류하는 자기장을 따라갈 수 없는 느린 이온은 음전하를 띤 전극을 향해 이동합니다.

이온의 평균 자유 경로가 높으면 입자는 거의 수직 각도로 웨이퍼 표면에 충돌합니다. 따라서 가속된 이온에 의해 물질이 표면에서 방출되고(물리적 에칭), 일부 입자도 표면과 화학적으로 반응합니다. 측면 측벽은 영향을 받지 않으므로 마모가 없으며 에칭 프로파일은 이방성으로 유지됩니다. 선택비는 그리 작지는 않지만, 물리적 에칭 공정으로 인해 그리 크지는 않습니다. 또한 웨이퍼 표면은 가속된 이온에 의해 손상되므로 열 어닐링을 통해 경화해야 합니다. 에칭 프로세스의 화학적 부분은 물리적으로 밀링되는 표면 및 재료와 자유 라디칼의 반응을 통해 이루어지므로 이온 빔 에칭에서처럼 웨이퍼나 챔버 벽에 재증착되지 않습니다. 에칭 챔버의 압력을 증가시키면 입자의 평균 자유 경로가 감소합니다. 따라서 충돌이 더 많이 발생하고 입자가 다른 방향으로 이동합니다. 이로 인해 방향성이 덜한 에칭이 발생하고 에칭 프로세스에서 더 많은 화학적 특성을 얻게 됩니다. 선택성이 증가하면 등방성 식각 프로파일이 더욱 높아집니다. 이방성 식각 프로파일은 실리콘 식각 중 측벽의 패시베이션을 통해 달성됩니다. 에칭 챔버의 산소는 밀링된 실리콘과 반응하여 수직 측벽에 증착되는 이산화규소를 형성합니다. 이온 충격으로 인해 수평 영역의 산화막이 제거되어 측면 식각 공정이 계속 진행됩니다.

에칭 속도는 압력, 고주파 발생기 전력, 공정 가스, 실제 가스 유량 및 웨이퍼 온도에 따라 달라집니다. 이방성은 고주파 전력이 증가하고 압력이 감소하며 온도가 감소함에 따라 증가합니다. 에칭 공정의 균일성은 가스, 두 전극 사이의 거리, 전극 재료에 따라 달라집니다. 거리가 너무 작으면 플라즈마가 균일하게 분산되지 않아 불균일하게 됩니다. 전극 거리를 늘리면 플라즈마가 확장된 부피에 걸쳐 분산되기 때문에 식각 속도가 감소합니다. 전극의 경우 탄소가 선호되는 재료임이 입증되었습니다. 불소와 염소도 탄소를 공격하기 때문에 전극은 균일한 변형 플라즈마를 생성하므로 웨이퍼 가장자리는 웨이퍼 중심과 동일한 방식으로 영향을 받습니다.

선택성과 에칭 속도는 공정 가스에 따라 크게 달라집니다. 규소 및 규소 화합물의 경우 불소와 염소가 주로 사용됩니다.

에칭 공정은 단일 가스, 가스 혼합물 또는 고정된 공정 매개변수로 제한되지 않습니다. 예를 들어, 폴리실리콘의 자연 산화물은 높은 에칭 속도와 낮은 선택비로 먼저 제거될 수 있으며, 그 다음에는 밑에 있는 층에 비해 더 높은 선택비로 폴리실리콘을 에칭할 수 있습니다.

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