반도체 8대 공정 (3) - 식각 공정

식각

- 필요치 않은 부분을 제거하는 공정 

- 원치 않는 불순물을 웨이퍼 전체적으로 씻어 없애는 것이 세척이라면, 식각은 포토마스크를 동원해 내가 원하는 미세 패턴을 파내는 것에 집중하는 작업이다. 

- 식각은 물리적 방식과 화학적 방식을 결합해 원하는 미세 패턴을 만들어 내는 반도체 제조의 핵심 공정이다. 노광기와 같이 정밀 패턴을 직접 그리지는 않지만 기체의 비율, 온도, 전기장의 세기, 기압 등 다양한 요소를 조절함으로써 웨이퍼 전체의 수천억 개 트랜지스터가 거의 비슷한 모양을 가지도록 도와주는 주는 매우 중요한 작업이다.

- 식각의 중요성은 최근 노광기 발전을 통한 밀도 상승이 한계에 다다르면서 더욱 커지기 시작했다. CPU와 AP 같은 제품에서 나오는 FinFET*이 그러한 예 중 하나다.

등방성 식각과 비등방성 식각의 특징

- 선택비는 해당 공정에서 제거하고 싶은 물질만을 얼마나 잘 제거하는지를 나타내는 수치이다. 식각 공정을 진행하면 포토레지스트 등도 느리지만 서서히 깎여 나가는 문제가 생기기는데, 선택비가 높다는 것은 식각 과정에서 제거해서는 안 될 물질은 덜 제거되고, 제거해야 하는 성분만이 잘 제거된다는 의미이다.

-  방향성은 식각이 진행되는 방향을 의미하며 등방성(Isotropic) 식각과 비등방성(Anisotropic) 식각으로 나뉜다. 등방성은 포토레지스트의 열린 부분을 기준으로 모든 방향으로 식각이 발생한다는 의미이고, 비등방성은 특정 방향으로만 반응이 잘 일어난다는 것을 의미한다. 

- 속도는 단어 그대로 식각 반응이 얼마나 빠른지 나타내는 수치이다. 모든 수치가 동일하다면 당연히 속도가 빠를수록 좋다. 하지만 일반적으로 빠르고 정확한 선택지는 없으며, 공정을 개발하는 과정에서 정확도 등의 수치와 속도 사이에서 타협이 필요하다. 

- 균일도는 식각이 전체 웨이퍼 영역에서 얼마나 불균일하게 일어나는지를 나타내는 척도이다. 식각 공정은 노광과는 달리 웨이퍼 한 장을 통째로 기체에 노출시켜 처리한다. 식각을 진행하기 위해서는 반응 기체를 투입하고 부산물을 제거하는 등 물질을 순환시켜야 하는데, 이를 웨이퍼 전체에 완벽히 똑같이 적용시키는 것은 어려운 일이다. 이로 인해 웨이퍼 위치 별로 식각 속도의 차이가 발생한다.

 

식각의 종류 : 건식과 습식

습식

- 식각에서의 습식은 웨이퍼를 액체에 ‘담갔다 건지는’ 방식

- 식각 속도가 매우 빠르며, 담그는 방식의 특성상 화학적 식각밖에 쓸 수 없으므로 선택비가 높다는 장점이 있다. 

- 하지만 방식의 특성상 식각이 등방성(Isotropic)이 강하여 정밀도가 매우 떨어진다.

- 액체의 특성상 틈이 너무 작으면 표면 장력으로 인해 식각액 자체가 포토레지스트 틈으로 침투하지 못하므로 미세한 패턴의 회로를 만들 수 없다. 

-  현대 반도체 핵심 층 제조에는 습식 식각을 사용할 수 없다.

 

건식

- 건식 식각은 기체를 이용하는 식각 전체를 포괄하는 개념이며 포토마스크가 도포된 웨이퍼를 기체에 노출시키는 식각 방식이다. 

- 습식 식각과는 달리 굉장히 다양한 방법으로 물질을 제거하기 때문에 엄밀하게는 비등방성, 등방성 특성을 일목요연하게 설명할 수 없다. 화학적 방식으로 이루어지는 건식 식각이라면 등방성을 가질 것이고, 물리적 방법을 사용한다면 비등방성을 가질 것이다. 

1) 화학적 방법

• 특정 물질과 잘 반응하는 물질을 이용하는 것
• 포토레지스트 아랫면에는 제거해야 하는 물질들이 있고 제거하고자 하는 물질들과 잘 반응하고, 포토레지스트와는 반응하지 않는 물질을 웨이퍼에 뿌려주면 화학반응을 일으키며 원하는 물질들이 제거된다.
• 주로 불소나 염소 기반의 화합물들이 화학적 식각에 사용된다. 화학반응이 주된 메커니즘이므로, 원하는 물질만을 제거하는 능력인 선택비가 높다.

2) 물리적 방법

• 기압을 낮춘뒤 전기장을 웨이퍼 방향으로 가해주고 높은 에너지를 가진 입자를 웨이퍼 표면에 충돌시키면 물질 표면이 떨어져 나가게 되는데, 이를 스퍼터링(Sputtering)이라 부른다. 
• 기압이 낮다는 것은 기체의 양이 적단 의미이므로, 식각 속도가 느릴 수밖에 없다. 그뿐만 아니라 물리적 방법의 특성상 제거해서는 안 되는 물질도 확률적으로 제거된다. 

3) 반응성 이온 식각(RIE, Reactive Ion Etching)

• RIE는 건식 식각의 일종으로, 식각 기체를 플라즈마로 바꿔 식각하는 방식을 말한다.
•  혼합 기체(반응 기체와 불활성 기체 등)를 기기에 투입한 뒤 강력한 에너지를 가해주면 식각 기체가 전자(Electron), 양이온(Positive Ion), 라디칼(Radical)*로 분리된다. 여기서 무게가 가벼운 전자는 큰 역할을 못하지만, 양이온의 경우 전기장으로 웨이퍼 표면 방향으로 가속해 줄 경우 물리적 식각을 할 수 있게 된다. 
• 양이온들은 전기장으로 인해 직진성이 강하기 때문에,  충돌한 물질들의 결합을 약화시킨다. 이후 반응성 높은 라디칼이 접촉하게 되면 전면부가 더욱 빠르게 식각되고 식각의 비등방성이 높아지게 되는 것이다.
• 양이온을 생성해 물리적 식각을 시행할 뿐만 아니라, 식각 대상 물질을 약하게 만들고, 식각에 사용되는 기체의 반응성까지 높여주는 것이다. 이를 통해 화학적 식각의 장점인 선택비와 물리적 식각의 장점인 비등방성을 동시에 취한다.

*라디칼 : 기체가 홀전자를 가지게 되는 등 높은 반응성을 가지게 된 상태

RIE  공정의 개요

 

 

 

 

출처 : [반도체 전공정 4편] 그려진 패턴을 파내는 ‘식각 공정’ (4/6) (skhynix.co.kr)