안녕하세요! 인생루틴입니다.
반도체 단위 공정 중 식각 공정(ETCH Process)에 대해 설명해보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.
1. 식각 공정 (ETCH Process)
반도체 Photo(노광)이 이뤄진 부분을 화학적으로 깎아내는 작업
2. Process
Wet Etch : 화학 용액을 활용하는 습식 식각
Dry Etch : 플라즈마 기체를 활용하는 건식 식각
3. Wet Etch VS Dry Etch
Wet 방식은 Chemical 용액으로 등방성, Dry 방식은 반응성 플라즈마를 이용하여 수직의 이방성 식각이 가능
Wet Etch는 식각 속도와 선택비가 좋지만 정밀도가 떨어지고
Dry Etch는 반대 정밀도가 좋지만 식각속도와 선택비가 떨어짐
→ 점점 더 미세화 되는 공정일수록 Dry Etch를 필요로 함
4. Wet Etch
① 메커니즘 : 식각 용액을 이용한 식각은 산화와 환원에 의한 반응을 이용함
② 3단계 Process
- 식각 용액의 반응성 이온/분자의 확산에 의해 Wafer 위 노출된 박막 표면으로 이동
- 표면에서 식각 용액과 노출된 박막의 표면 화학반응으로 인해 용해성 / 기체의 부산물(by-products)의 생성
- 표면에서 반응 후 부산물의 확산에 의해 경계층을 통해 식각 용액으로 빠져나옴
③ Wet Etch 방식
- Dipping [Immersion] 방식 → 식각 용액 Tank에 일정 시간 담금
: 식각 용액과 대상 물질의 화학적 반응시간 감안
: 완료 후 세정/건조 step 진행
: 고온을 이용해서 Etch 균일도와 작업 제어를 향상 가능
(간단, 경제적, 선택비 좋음, Particle 측면 유리)
- Spray 방식 → 식각 용액을 대상 표면에 충분히 덮을 수 있도록 Spray 분사
: 식각 용액 제거를 위해 DI Water Spray 분사
: 완료 후 세정/건조 step 진행
: Spray 분사 압력으로 작업 제어
(오염물 / Particle 측면에서 유리, Etch 균일도 향상[Fresh Etchant], Chemical 사용량 절약,
빠른 작업 속도, 장비 Cost 증가[장비 보호 내산성 소재])
④ Wet Etchant
⒜ Oxide [SiO2] Wet Etching
- 기본적인 식각액은 HF, 등방성 Etch / Si 표면은 Damage를 주지 않고, SiO2를 녹일 수 있음
→ HF의 선택비 : SiO2 : Si = 100 : 1
→ Etch Rate이 너무 빨라(1,800nm/min) 불화 암모늄 / 물과 희석 (권장 100nm/min)
⒝ Silicon Wet Eyching : 2-step process
- 산화제 70% NHO3 / 환원제 49% HF / Si Etchant
⒞ Si3N4 (Silicon Nitride막) Wet Etching
- 인산 H3PO4 with 고온(140~200°C) 이용
→ 고온 증기의 응결을 위한 저온 장치 필요
→ 인산에 있는 물의 증발이 Etch rate를 감소시키고 산화막을 증가시킬 수 있어 지속적 물의 공급이 필요
- 선택비 : Al이나 다른 metal을 잘 Etch 함
- Etch Rate : 10nm/min 수준
* 인산은 Photo Resist를 Etch 하기 때문에 Oxide Mask 가 필요함
⒟ Al(알루미늄) Wet Etching
- 아세트산, 질산, 인산 사용
- Si, SiO2, Si3N4에 Damage 없음
- 온도 조건 : 35~45°C
- Etch Rate : 35nm/min
5. Dry Etch
① 메커니즘 : Gas를 이용한 화학반응으로 식각
- 식각 Chemical(Etchant)가 가스로 들어와서, Etch 후 부산물을 휘발성 가스의 상태로 만듦
② Wet Etch 방식
- Plasma 방식과 Non-Plasma 방식
→ Non-Plasma 방식은 적절한 반응성 gas의 혼합으로 자연스러운 화학반응 이용
- Plasma Etching 방법 [Major]
⒜ Chemical Etching
⒝ Physical Etching(Sputtering)
⒞ Chemical & Physical Etching
* Plasma는 이전 글 " 플라즈마의 특성 " 참고
6. Etch Profile 용어의 이해
- Etch Bias : Photo에 의해 형성된 패턴에서 Etch 과정을 거치면서 Shrink 된 수준, 패턴 Layout 에서 반드시 고려 필요
- Over Etch : 식각이 과도하게 진행되어 원하는 두께나 깊이를 넘어선 상태
Dry Etch 에선 잘 관리가 필요, Just Etch, Un-Etch
- Undercut : 등방성의 Wet Etch에서 피할 수 없는 식각 현상으로
PR 하부에 원치 않은 Over Etch 수준 [Iateral Etch/Side Etch]
7. Etch Rate(식각률, 식각 속도)
- 일정 시간 동안 막질을 얼마만큼 제거할 수 있는지를 의미
Etch Rate(E/R) = x / t (x : etch 된 두께, t : Etch Time)
- 식각 속도의 제어 : Etchant의 반응성 원자와 이온의 양, 이온 에너지에 의해 변화
이러한 인자의 제어 능력을 증가하여 수율과 품질을 안정화하고 생산성을 향상하는 것이 핵심
* Etch 별 주요 인자
- Wet : Etchant 종류, 농도, 온도
- Dry : Plasma 종류, 가스 압력, 유속, 온도
8. Selectivity(선택비)
- Etch 과정에서 동시에 Etch 되는 물질의 식각 속도의 비
- 특정 Layer만 Etch 필요하여, 가능한 선택비가 좋아야 함(PR Mask vs 막질)
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