반도체 8대 공정이란? 4. 식각공정 제대로 알기 (에치 공정, 균일도, 선택비, 식각속도)

식각공정이란?

식각공정은 포토공정에서 정의된 영역의 하부 박막을 제거해서 원하는 반도체 회로 형상을 만드는 공정입니다.

따라서, 포토공정에서 만들어진 모양 그대로 식각할 수 있는지가 중요합니다. 아래와 같이 포토 공정에서 감광제가 있는 곳은 제외한 산화막을 제거하는 과정입니다. 따라서, 필요한 회로패턴을 제외한 나머지 부분을 깎아내는 공정이라고 이해하면 됩니다.

출처: ASML

 

 

식각에는 습식식각과 건식식각으로 나뉩니다. 식각에서는 아래 기준이 매우 중요합니다.

 

식각속도 (Etch Rate) = 식각된 두께 (thickness) / 식각 시간 (time), Å/s이 됩니다. 따라서 높은 식각속도가 선호됩니다.

선택비(Selectivity) = Etch Rate A / Etch Rate B (Etch Rate A = 식각해야하는 물질 A의 식각률, Etch Rate B = Mask layer 패터닝에 사용된 마스크 등 식각을 원하지 않는 물질B의 식각률)

따라서, 식각률이 높을수록 타겟이 되는 물질에 대한 식각 비율이 높은 것이므로 높을수록 좋습니다.

식각 균일도 (Etch Uniformity)는 식각이 이루어지는 속도가 웨이퍼상의 여러 지점에서 '얼마나 동일한가'를 의미합니다.

산포의 개념으로 ±%를 사용하며 ±개념이므로 2로 나눠줍니다. WIW(with-in wafer uniformity), WTW(wafer to wafer), LOT to LOT, Tool to Tool 등의 기준이 있습니다.

non-Uniformity (±%) = (Max-Min)/(2*Avg)

형상(Profile)은식각 부위 단면의 모양을 의미합니다. 수직 형상, 경사진 형상 등 원하는 모양을 만드는 것이 중요합니다.

 

 

습식 식각

습식 식각은 화학 용액을 사용하여 웨이퍼 표면의 제거할 박막 물질과 화학 반응을 일으켜 제거하는 방식입니다. 접촉한 부위에서 화학 반응이 일어나서 박막 물질을 제거하기 때문에 표면에서의 화학 반응이 원활하기 위해서는 계속 새로운 화학 용액이 박막 표면과 접촉해야 합니다.

 

사용하는 용액으로 대표적으로 불화수소를 사용합니다. 반도체 수율을 높이기 위해 불화수소의 불순물을 낮추고 순도를 끊임없이 높여오고 있는 데, 예를 들어 five nine의 경우 99.999% (9가 5개)의 순도인 불화수소임을 나타냅니다.

 

습식 식각은 화학 반응으로 반응하는 물질이 아니면 반응하지 않기 때문에 선택비가 매우 좋다는 장점이 있습니다. 반면 화학 반응은 등방성(모든 방향으로 성질이 동일함)이므로 박막 식각 형상도 등방성 특성을 가지게 됩니다. 이에 따라 마스크 하부 영역까지 식각되는 Undercut 형상이 나타나고, 박막 두께보다 작은 크기의 패턴은 형성할 수가 없습니다. 또한 표면장력으로 인해 일정 크기 이하의 홈에서는 용액이 침투가 되지 않기도 합니다. 따라서 ~3㎛ 이하의 패턴을 습식기각 할 수 없어 건식 식각이 도입되었습니다.

 

아래는 undercut입니다.

출처: Illustration of the undercut during the HF wet etching. The masking... Download Scientific Diagram (researchgate.net)

 

건식 식각

건식 식각은 액체상태의 화학 용액 대신에 화학 반응성이 높은 가스를 사용하는 방식입니다. 대표적인 경우로 박막 물질과의 반응 속도를 높이기 위해 플라즈마 상태를 만들어서 진행하며, 이를 플라즈마 식각(Plasma Etch)라고 합니다.

 

- 진공 챔버에 Gas를 주입하고, 전기 에너지를 공급하여 플라즈마를 형성합니다.

- 플라즈마는 연쇄 반응으로 이온의 수가 기하 급수적으로 늘어납니다.

- 이 때 플라즈마 상태에서 해리된 반응성 원자(Radical Atom)가 웨이퍼 위를 덮고 있는 막질 원자를 만나 강한 휘발성으로 표면에서 떨어져 나갑니다.

- 이 때 감광액(PR, Photo Resist) 보호막으로 가려져 있으면 제거되지 않습니다.

출처: Dry Etching - an overview ScienceDirect Topics

 

해당 글은 렛유인 한권으로 끝내는 전공직무 면접 반도체 이론편을 참고하여 정리하였습니다.