[Etch 공정 심화 2] Etch 공정의 목적과 장단점 (Feat.플라즈마)

Etch 공정의 목적과 장단점 

 

노광 공정에 의해 감광제에 패턴이 형성된 다음, 감광제의 패턴을 실제 박막에 옮기는 과정

 

반도체 소자 제작에서의 불필요한 부분을 제거하는 공정

 

1. 반도체 공정에서 집적도를 결정하는 것

2. 선택적 식각과 비선택적 식각으로 분류

(Wet etch - SiN : 인산 용액 -> 선택적 식각

전면 Etch back (E/B) -> 비선택적 식각)

 

■ 건식 식각 : 활성화된 플라즈마 가스 이용

▶정의 : 특정 막과 반응하는 가스에 전원 공급 -> 플라즈마 발생 ->이온, 라디칼에 의해 제거할 층 식각 (Plasma assisted etch, 플라즈마는 가스들을 이온화시키고 다른 Radical 종들이 만들어진 상태.)

- 가스의 선택 및 조절(by MFC)이 비교적 쉬워 정확한 패턴 형성 가능

- 이방성/등방성 식각이 가능(iso/anisotropic etching)

- 감광막과 밀착성 유지가 쉽다

- 식각의 종말점(End point) 확인 및 검출 가능 (EPD)

- 자동화 양산화에 적합 (수율, 생산성 높다)

- 단점 : Plasma damage(기판 손상 및 오염 문제), 많은 공정 변수

 

[건식 식각의 3단계 흐름도]

1) 마스크 패턴 (PR, HM(Hard mask)-SiO2, SiN)

2) 플라즈마 발생

3) 패턴 식각

 

 

■ 습식 식각 : 용액성 화학 약품 이용

- W/F 전체면 식각에 주로 사용

- 높은 생산성 (Batch), 낮은 비용

- 가공의 정밀도가 좋지 않음

+ 선택비가 높아 점점 많이 필요하게 된다고 함.(HAR 구조에 따라)

- 단점 : Uniformity, 정밀도가 낮다.

 

■ 건식 식각

* 라디칼 : 전기적으로 중성인 활성 기체

열, 빛, 전기장 등의 형태로 에너지를 공급하여 기체 분자를 이온화 하거나,

높은 에너지 상태로 여기시켜서 자발적으로 화학 반응을 일으킬 수 있는 상태로 활성화된 상태의 반응기

- 이온화나 분해에 의해 생성 (Plasma 내에서 +이온보다 농도가 월등히 높다?)

 

 

* 플라즈마 : 이온화된 기체로서, 중성종(Radical)+이온+전자로 구성된 전체적으로 중성을 띄는 기체

전기적으로 중성을 갖는 일반적인 기체 분자가 전기 에너지 혹은 열에너지를 받아 이온과 전자로 분리되어 있는 경우.

즉, 기체에 열을 충분히 가하면 원자들 간의 충돌로 인해 많은 수의 전자들이 원자핵의 구속에서 벗어나게 되는데 이것이 플라즈마다.. 

-> Radical에 의한 화학적식각(등방성), 이온에 의한 물리적식각(이방성)이 동시에 진행

* (+)이온

- Argon Plasma : Ar+ 많음.

- Oxygen Plasma : O2+ 많음.

- Freon Plasma : CF3+ 많음.

 

 

■ 플라즈마의 생성과 특징 ■

 

[자연 상태의 원자나 분자 이온화 조건]

1) 가열 (수십만도~수백만도)

2) 온도, 전계, 압력과의 관계에 따라 발생 (전극 종류=재료에 따라 다름)

 

■ 파센(Paschen)의 법칙

- 방전개시전압은 방전관 내부 기체의 압력(P)과 전극간격(d)에 비례

  방전개시전압 = Ks X 압력(P) X 전극 간격(d) (Ks : 기체 상수)

- 플라즈마 방전을 일으키는데 전기장(전압), 압력, 전극재료의 종류에 따른 특성 관계를 나타낸 것.

(이온화하기 적합한 조건) : 파센 커브

 

[원자나 분자의 이온화 과정]

  ① 반발(탄성충돌) : 충분히 가속되지 못한 전자와 이온이 충돌 -> 온도 상승

  ② 여기와 발광 : 가속된 자유전자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌원자에 이너지를 공급

  -> 최외각 전자의 준위를 변경(불안정)

  -> 원 궤도로 복귀 후 빛 에너지 발산 (레이저)

  ③ 이온화(Ionization) : 가속된 자유전자나 이온이 원자나 분자와 충돌하여 새로운 이온(+)과 자유전자 생성(-)

 

* 전기에너지를 플라즈마를 전달하는 방법

: 충돌(열) < 여기(빛) < 해리(화학) < 이온화(플라즈마)

 

[플라즈마 생성]

- 자유전자/이차전자

- 외부인가 전기장에 의해 가속 (RF Power 걸어줌)

- 중성가스입자와 충돌하여 이온화 반응

- Avalanche -> 플라즈마 생성

 

 

* 중성가스에 에너지를 공급하여 플라즈마가 발생하며, 

방출되는 전자나 공간 내의 자유전자들이 에너지(전기장Electric field)에 의해 가속.

공간내의 중성가스와 충돌하여 이온화 반ㅇ응에 의해서 플라즈마 생성.

플라즈마 내의 하전 입자들은 전자의 경우 양극판으로, 이온의 경우 음극판으로 흘러나가 손실되거나 벽을 구성하는 입자와 충돌하여 recombination 과정을 겪으면서 소멸된다. 

 

[플라즈마 소멸]

- 전극을 통한 소실, 벽면에서의 recombination 반응

- 이온(+)의 경우 높은 에너지를 가지고 음극판으로 입사

 

* 이온 폭격 에너지 -> Ion bombardement 

* 전자의 운동 에너지 -> wall로 나가는 전자의 운동 에너지

 

 

■ 쉬즈(Sheath)란?

- 노란색깔 부위가 Sheath (보라색 챔버 내부)

- 플라즈마와 플라즈마가 아닌 영역이 만나는 부분에 생기는 '준중성'이 깨지는 영역

 

플라즈마의 밀도. 전위 분포

[Inside Sheath]

1) (+)이온이 음극을 때림 : 이차전자 방출

2) 운동량 - 충돌 에너지 교환 : 전자는 중성종과 e-Field에서 충돌로 에너지를  얻는다.

3) (+)이온 폭격 : 전자 방출, 화학적 활성화(반응X), 운동량의 전달

4) CVD와 Etching : 플라즈마 활용

 

[플라즈마의 특성]

1) 전기적 특성 : 전도성이 있다.

- 원자나 분자에 많은 자유전자 보유

- 온도가 오를 수록 전도성이 증가, 1000도일때 구리와 유사

 

2) 자기적 특성 : 자계에 의하여 플라즈마 밀도 높일 수 있다.

- 자기적 특성에 의해 플라즈마를 원하는 곳에 집중 가능

 

3) 화학적 특성 : 여기 또는 전리(?)된 분자들이 다른 분자나 원자들과 쉽게 반응 가능

- CVD에 응용 : PECVD

- Etch에 응용 : RIE(Reactive ion etching)

- Implant와 cleaning에도 응용