[식각 공정] 식각 공정 패턴 형성 두번째 과정 - 건식 식각, Dry Etching, Plasma, ALE
Dry Etching(건식 식각) = Plasma Etching(플라즈마 식각)
장점 불량이 적음=수율이 높음. 비등방성 식각 가능-> 미세공정 적합. CD가 상대적으로 작고 조절 용이. (Etch Bias가 작음)
단점 화학 가스의 고에너지 이온을 타격하며 깎는 방식으로 기판 손상 누적. Selectivity가 낮음. 비쌈. 공정이 복잡함
고진공 상태- Throughput이 낮음 (Batch구조가 아니기 때문).
Plasma: 전자, 중성원자. Radical(반응성 물질, 중성), 이온 등으로 이루어진 이온화 기체. 제4의 상태라고도 불림. 고온 또는 전기장으로 형성. 전체로 보면 중성, 부분적으로 전기적 성질을 가지는 준중성 상태(Quasi-neutral), Gas는 7족원소로 이루어진 CF4등 이용
+집단적 거동(Collective Motion): 전자와 양이온이 서로 영향을 주기 때문에 확산 선속이 같아지면서 나타남. (양극성 확산-Ambipolar Diffusion)
전제 Gas의 약 1%정도만 이온화 (이온과 전자의 균형)
+Chamber: Plasma Etching을 위해 인위적인 환경을 조성해 놓은 공간. 고진공 상태(0.1m~1torr)
+Sheath: Sputtering이 지속 가능하도록 하는 구동력으로 작용, 압력이 낮으면 충돌이 적어지고, 이온 에너지가 높아짐, 플라즈마의 고립
Chamber 내부에 Plasma 밀도가 낮아 급격한 전압강하 발생. 전기적 중성이 깨져 이온화가 일어나지 않아 어둡게 보이는 부분(전극 쪽)
1) DC Plasma - Sheath: Mass와 Velocity의 차이로 인해 그래프가 선형이 아닌 형태
에너지 보존 법칙 - 이온의 Mass는 전자보다 매우 큰 값을 가짐.
이때, 에너지는 보존되어야 하므로 전자의 Velocity 값이 매우 커지게 됨.
항상 Plasma Potential은 Floating Potential보다 큼.
이온화량 = 재결합량 (=> 평형상태)
양이온이 직진성을 가지고 Sheath V의 크기만큼 가속되어 Sputtering 발생
(또는, 2차 전자를 발생시켜 플라즈마 유지)
전극은 도체여야 함: 부도체일 경우 양이온들이 축적되기만 해 평형 깨져 이온화가 이루어지지 않음.
2) RF Plasma - Self-Bias Effect(자기바이어스 효과) Sheath:
RF를 이용해 기판의 전위를 바꿔주며 쌓이는 양이온을 제거해 반응성을 올려 Sheath 형성(양이온 축적 방지) -전극으로 도체 부도체 모두 가능.
단위면적당 전극으로 유입되는 양이온과 전자의 수가 다르기 때문에 전체 평균 준위가 음의 전위를 가지는 것.
상대적인 저압환경에서도 가능(전자 > 양이온). RF는 약 13.56MHz,
무거운 이온일수록 낮은 값에서 Etching이 효율적 - 충분한 반응시간을 위함
주파수가 낮을수록, 전압이 클수록, 압력이 낮을수록 유입되는 전자의 수가 많아져 Self-Bias가 커지며
전체 전위가 음으로 이동하는 변화폭이 커짐. (대부분의 전자는 전극에 도달하지 못하고 계속 가속되어 이온화 진행)
①->②: 음의 전압이 들어오고, 양이온이 이끌려오면서 전압이 곡선형태로 증가. (-)
②->③: Bias가 바뀌면서 양전압이 인가 (+)
③->④: 바뀐 Bias에 따라 양이온을 밀어내어 전압이 곡선형태로 감소. 전자가 끌려오기 때문에 더 많이 감소
=>이 주기가 반복됨에 따라 전체 전위의 값은 음전위로 낮아짐 = 자기바이어스 효과, Negative Cycle
(이유: 전자는 잘 움직이지만 양이온은 많이 움직이지 않기 때문)
⑤->⑥: 어느 시점 이후 전위값이 바뀌지 않음. 단위시간당 유입되는 양이온과 전자가 감소하며 같아지는 때 발생. 이때 순 전류값이 0이되어 더 이상 전위가 낮아지지 않고 유지.
위와 같은 과정을 통해 RF임에도 음극 형성이 가능해 RF Sheath를 형성
Loading되는 전극과 RF 사이에는 Blocking Cap을 추가해 직류 성분을 제거해줘야 Self-Bias Effect가 일어남
(부도체의 경우 부도체가 이 역할을 하기도 함.)
++Sheath는 무조건 있어야 함:
RF의 경우 양쪽의 Sheath 크기가 계속해 바뀌고 전극의 크기가 같으면 이 크기가 상쇄되어 Self Bias가 작아 짐(0으로 만들기는 어려움)
전극의 크기가 작아야 전하가 잘 쌓임 (문에 많은 사람이 모이면 나가기 힘든 걸 생각하기)
+ Plasma에서 발생하는 현상
++Excitation-Relaxation (여기-발광(탈여기)): (Excitation: e-+O2 -> e-+ O2*, Relaxation: O2*-> O2 +e-)
충돌 에너지가 이온화 되기엔 모자를 때 최외각 전자가 외각으로 이동하지만 다시 안정상태로 바뀌는 현상. 이때 빛이 발생해 발광이라고 함.
++Dissociation(해리): (e-+SiH4-> e-+SiH3+H)Radical 형성
+++Ionization(이온화): (e-+N2-> 2e-+ N2-) <-> Recombination: N2++e->N2
원자가 전자와 부딪쳐 이온화. (충분한 에너지로 가속되어야 함)
++++방전(Discharge): 플라즈마 발생 메커니즘. 양단의 전극에 의한 바이어스로 가속된 전자가 충분한 에너지를 얻으면 다른 원자와 충돌해 전자와 양이온을 만듦(기체를 이온화 해 플라즈마화). 이후 가속된 양이온은 전극의 Cathode로 빠르게 이동하여 충돌(음극). 이때 음극에서 충돌로 인한 많은 2차 전자가 방출되고(이 현상 때문에 Discharge라고 함.), 이 전자가 또 가속되어 원자랑 충돌해 이온화 진행(Avalanche 현상).
-Townsend Discharge: 전기장에 의해 전자가 가속되어 충돌을 일으키고, 이로 인해 추가적인 이온화가 발생하는 초기 단계. 이 단계에서는 전류가 일정한 전압에서 유지.
-Normal Glow Discharge: 전류가 증가하면서 플라즈마 밝기가 증가하고, 안정된 플라즈마 상태로 진화하는 단계. 전압이 저하하고 안정되는 구간. (RF플라즈마, 일부 박막 및 식각 공정에 사용)
-Abnormal Glow Discharge: 전압을 증가시키면 전류만 증가, 전압이 급격하게 상승하는 현상.
고에너지의 플라즈마를 형성하는 중요한 단계. (PVD, 급격한 전압 변화가 필요한 공정)
-ARC Discharge: ARC 방전은 전류는 계속해서 증가하지만 전압이 급격하게 감소하는 현상.
이는 높은 전류와 높은 열을 생성하는 매우 밝은 현상. (부도체 소자의 제거나 표면 처리에 사용)
=>plasma를 무작정 높이면 안 되는 이유. Gas에 따라 Glow의 빛의 색이 달라짐
Dry Etching 종류
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전자+이온(CF3+)+반응물(F)->부산물(SiF4)
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1. Plasma Etching (Chemical): Radical만 이용. Selectivity가 좋음. Ashing 공정이나 Strip 공정에서 이용. 압력이 높음, Radical만으로 반응이 잘 일어나는 공정에서 사용함. 식각 제어가 용이
2. Sputtering (Physical): Ion milling. Ar+ 을 가속시켜 웨이퍼에 충돌시키면서 Etching. 비활성 기체(18족. Ar)
Ar 가열 ->이온 형성 및 가속-> 가속된 이온으로 이온화 빨라짐/Target 기판을 두드림 (Ion Bombardment).
RIE에서 원자가 전극과 부딪치면서 이온화 되는 것을 의미하기도 함.
Vertical Profile 가능(VIA Pre Cleaning) Selectivity낮음, Throughput 낮음. Deposition에서도 사용.
손상 및 재흡수 가능성 존재. 휘발성 부산물을 이용할 수 없을 때 사용
3. Reactive Ion Etching(RIE) (Physical+Chemical) – Profile이 좋음, 7족 원소 사용(F, Cl 등…)
기존 Dry Etching 보다 높은Etch Rate, Selectivity와 Throughput (Chemical Etching의 장점)
Self-Bias Effect에 의해 Cathode sheath가 생성되어 Vertical Profile 가능(직진성을 올려 줌)
종점을 정의하거나 Etch를 하면서 레이저를 이용해 표면 박막에서 반사된 레이저의 강도에 따라 EOP 파악 가능
Physical 반응: 이온은 Chamber에 걸리는 강한 전계에 의해 가속되어 Target과 충돌.
물리적으로 이온에게 맞은 Target은 결합이 약해져 Radical과 쉽게 반응할 수 있게 됨.
(Ion Bombardment, Atomic Sand Blasting) – 등방성, Selectivity는 낮음
Chemical 반응: Radical은 전하를 띄지는 않지만 Target과 반응성이 좋음. Physical 반응을 통해 약해진 결합을 통해 반응성 더욱 증가.
반응한 Radical(Byproduct)은 휘발성 Gas형태로 제거(진공의 힘으로 빠져나감).
일부가 박막 형태로 남아 등방성 성질에 의해 Latural 한 식각이 일어나는 것을 방지함(Inhibitor).
하지만 이것이 너무 과하면 Pattern이 제대로 형성되지 못하고 방해할 수 있음 – 이방성
Main Gas(Etchant): 7족 원소(F, Cl, Br) 화합물, 무거울수록 Passivation성질과 Vertical Profile이 강해짐. 끓는점(Boiling Point)이 증가해ER 감소. F 계열만 활용하면 너무 잘 일어나 Narrow Vertical 어려움.
Ex)Si+4F->SiF4(g) (CF4, CF4/O2, SF6, NF3 등), Si+4Cl -> SiCl4(g) (Cl2, BCl3, SiCl4, HCl 등), Si+4Br -> SiBr4(g) (HBr, Br2 등)
나머지 Gas (O2, N2, H2, Ar, He… 등) 너무 많이 넣으면 원하는 동작이 이루어지지 않음.
H2: 반응 억제(특히 F계열), O2: 반응 촉매, N2/Ar/He: Main Gas를 희석해 Plasma의 Uniformity를 높이고 상태 유지. (Density 증가, ER 증가)
진공
+Cryo Pump 고진공을 위해 이온의 이동성을 낮춰서 포집하는 방법. 약 10K의 극 저온 Pump
+Turbo Molecular Pump 여러 층의 블레이드가 회전하여 Chamber내부의 압력을 낮춰 진공 상태로 만들어 줌.
+Dry Pump Oil이 없는 펌프로 여러 개의 실린더가 회전하면서 진공 상태로 만들어 줌
반응 과정
1. Glow Discharge에 의해 Plasma 형성
2, 3. Target 표면으로 Etchant가 확산 후 Target에 흡착
4. Ion Bombardment로 약해진 결합으로 Etchant가 쉽게 반응해 Byproduct(Gas) 형성
5, 6. Gas는 탈착 되어 확산에 의해 기체층으로 이동 후 장비를 통해 빠져나감.
주요 변수
-Gas Chemistry: BP가 낮을수록 Etch Rate이 증가
-Temp: 높을수록 Side Wall 방향 비휘발성 Passivation 형성 촉진 및 Byproduct 제거
-Pressure: 높을수록 MFP가 낮아져 Vertical Process가 어려움
-Plasma Source Power: 높을수록 Plasma Density가 높아지고 Etch Rate이 높아지나 등방성 식각 가능.
-Bias Power (RF Power): 이온의 에너지와 연관, 너무 강할 경우 Plasma Damage 초래 가능, Overcut 발생 가능.
작은 값(Threshold Voltage)이 주어질 경우 Etching이 이루어질 정도로 Ion이 에너지를 가지지 못해 Passivation이 형성됨. 13.56MHz
-Mean Free Path(MFP): 평균 자유 이동거리, 충돌에너지가 효율적으로 전달되기 위해 큰 값을 가지고 있어야 함.
주요 장비
CCP(Capacitively Coupled Plasma): 마주보는 두 기판(한 쌍의 전극)에 RF 교류 전류가 가해져 형성된 전계로 플라즈마 생성 (like DC Voltage)
이온 밀도 낮음(Electron Loss 높음), Plasma Density 낮음(상대적), 오염문제, 구조가 단순하지만 컨트롤이 어려움(화학/물리 반응 구분 어려움).
전극 면적이 작을수록 Sheath 전압 증가, Wafer가 아래 전극에 위치하면 Sheath 전압 감소, 고압
Plasma 모드(등방성)는 이온에너지가 낮고, RIE모드(비등방성)는 높음, Plasma Uniformity 높음,
Damage 발생 가능 (RIE 모드의 경우 더 큼, 압력과 전압을 조절해 밀도를 높이려 하면 기판 손상 가능) – 결합 강한 Dielectric 물질 (SiO2, Si3N4)
ICP(Inductively Coupled Plasma): 코일에 흐르는 RF 교류 전류로 인해 시간에 따라 변하는 유도 전기장이 걸려 이온화 발생.
이온의 밀도 높음(Electron Loss 낮음), Plasma Density 높음(상대적), Sheath 두께 제어 쉬움. (중성 원자와 충돌을 감소시킬 수 있음)
Etch Rate가 높음, Plasma Uniformity 낮음(도넛 모양), 이온 에너지 낮음. 컨트롤 용이, 구조 복잡, 상대적 저압에도 비등방성 가능, Damage적음
오염이 적음 – HDPCVD등 High-tech에 사용! 결합이 강한건 어려움(Metal, Poly Si 등에 이용),
Conductor (W) Etching(윗면뿐 아니라 Side에서도 Etching이 일어나야 함.)
Blocking Mask = Passivation Etching시 원하지 않는 패턴 형성 억제를 위한 Hard Mask(PR 외에 증착), 특히 F계열 식각에 사용. Vertical패턴을 위한 반복 Etching으로 Mask Loss 발생.
이를 방지하지하기 위한 Passivation 필수. ER 감소, Selectivity 증가 (Trade Off).
패턴 내부의 Passivation의 두께 < Hard Mask위에 생기는 Passivation의 두께
Dense에 따라 Etching 및 Ion Implantation 저항성이 높아짐
+Bosch 기술: RIE식각->Passivation-CFx계열(보호막). 이를 반복.
항아리처럼 둥글게 식각(Scallop).
+Cryogenic Etch
일반적인 Etching은 20~120도 정도에서 진행하나 이를 약 -100도의 극한까지 낮추는 방법
Loading Effect 해결을 위한 Energy 증가로 Mask Loss 발생 -> Passivation은 ER을 낮춤 -> 이를 개선하기 위한 방법임.
온도가 낮아 반응성이 낮아져 Lateral 방향의 식각 억제(Passivation의 역할 대체). 이는 Gas Chemistry의 Spectrum을 넓혀줄 수 있음.
즉, Cryogenic 방식을 사용하면 Passivation없이 Vertical 한 Etching 가능하게 하는 차세대 Etching 방식.
Atomic Layer Etch(ALE)=Inert Ion Etch 이용 (ALD와 유사 – Window 중요)
도입 배경
미세화, 고집적화로 인해 side effect 발생-> 원자층(atomic layer)단위로 식각
장점
표면에서만 반응하기 때문에 Damage 적음, Smoothing 효과(막질 우수). Aspect Ratio 연관 감소. Uniformity 좋음. 등방성 좋음. 두께 제어 우수
단점
생산성이 매우 낮음. 매우 오래 걸리고 (한 과정이 30초 이상) 열흡착 방식의 공정.
+PEALE(Plasma Enhanced ALE) 도입
Plasma를 이용해 빠르게 반응 가능, 저온공정 가능 – 아직 개선해야 할 부분이 많음
과정
표면이 100%로 포화상태가 될 때까지 반응시킨 후 남은 가스를 제거한 다음 Purge를 통해 제거. (자기제한 표면반응)
이후 Bias를 인가해 반응시키면 기체상태인 Byproduct를 제거하면 1 Cycle.
시간단위로 식각률을 확인하는 RIE와 달리 Cycle로 확인. (A단계와 B단계 하나씩을 합쳐서 1Cycle)
PR Stirp
Etching 공정 이후 필요 없어진 PR 제거.
Etch가 진행되었거나 Ion Implantation 공정이 진행된 경우
→ Ashing(=O2 plasma로 PR 상부 제거) → 이후 황산과 과산화수소를 1:1 비율로PR strip
Patterning 공정에서 Defect
