반도체 공정 - 식각에 대한 이해

반도체 공정 중 식각 공정에 대해 알려드리겠습니다. 식각 공정은 세정 공정과 많이 헷갈려 하시는데요. 먼저 식각을 이해하기 위해서는 플라즈마에 대해 알아야 합니다. 

 

Plasma의 정의

'제4의 물질 상태'라고 부르기도 한다. 기체 상태에 높은 에너지를 가하면 원자 속의 전자가 분리되어 양이온과 음이온의  총 전하수가 같아지게 된 전기적으로 중성을 띄는 상태, 에너지 상태가 보통 기체보다 높기 때문에 반응성이 높아 실리콘이나 글라스 같은 물질을 깎아낼 수 있다.

 

식각의 목적

식각의 목적은 다양하지만, 아래와 같이 6가지로 분류할 수 있다.

• metal line - 평면상에서 금속배선의 연결을 위하여 식각
• conductor : 전기가 잘 통하는 물질, 설계된 구조에서 전류가 잘 전달되도록 하는 것이 목적
• insulator : 전기가 잘 통하지 않는 물질, 설계된 구조에서 전류의 영향이 다른 부분으로 전달되지 않도록 하는 것이 목적.  
• cleaning - dangling bond 부분(H+,-OH, -CH3)에 다음 재료가 잘 붙을 수 있도록 해주는 것.
• ashing - 포토공정 이후 남은 PR을 제거 하는 것.
• cleaning, polish(cmp), photo strip, ashing, etch process

세정 공정과 식각 공정의 차이

1) 세정공정의 정의

반도체 제조 공정 중 발생하는 각종 오염원들을 화학 용액을 사용해 방지하고 제거함으로써 반도체의 전기적, 물리적 특성을 향상시킨다.

 

2) 차이점  세정공정은 반도체 웨이퍼 표면의 물질을 제거한다는 점에서 식각 공정과 유사하지만, 그 대상이 웨이퍼 표면에 존재하는 불순물, 필름, 개별 입자 혹은 입자 덩어리, 흡착된 가스, 산화막 등이라는 점에서 차이점이 있다

 

CCP, ICP의 장단점

플라즈마는 진공챔버에 inert gas를 주입한 후 전기 에너지를 공급하면, 이로 인해 충분한 크기의 자기장이 가해지고, 기체가 충돌, 이온화되면서 플라즈마가 발생하며 세부 방식으로 CCP, ICP 방식이 있다.

 

CCP(Capacitive Coupling Plasma) 방식은 평행판 전극 사이에 RF 또는 DC 전원을 가할 때, 전극 사이에서 형성되는 전기장에 의해 방전관 내부에 기체가 전리되어 플라즈마가 발생되는 방식이다. 특징으로는 단점 ; 플라즈마 density가 낮음 / 장점 ; uniformity가 우수

 

ICP(Inductive Coupling Plasma) 방식은 챔버 밖에 위치한 코일에 전류를 흘려 유도전기장을 발생시키며, 이 전기장에 의해 전자가 가속되어 플라즈마가 발생하는 방식이다. 특징으로는 장점 ; 플라즈마 density가 높음 / 단점 ; uniformity가 떨어지는 단점이 있다.

 

CCP(capacitor couple plasma)의 3가지 모드

대부분 사용하는 방식으로서 RF plasma를 형성하기 위해 두개의 전극이 마주보고 있는 형태입니다. wafer의 위치에 따라서 몇가지로 나누어 볼수 있습니다.

 

① Plasma mode

그라운드 전극위에 wafer를 놓는 형태로 반응성 이온보다 라디칼에 의한 화학적 식각에 주로 사용됩니다. 따라서 등방성 형상을 만들어 냅니다.

 

② RIE mode

bias 전극위에 wafer를 둔 형식으로서 반응성 이온이 wafer에 수직으로 입사하여 비등방성 식각을 합니다.

 

③ Triode

모두 source를 인가하는 방식으로 high frequency일때 plasma density가 커지고, low frequency인 경우 이온의 에너지가 커지며서 충돌이 많아지게 됩니다.

 

Plasma를 진공안에서 진행하는 이유

진공장치 필요성 때문으로 두 가지가 있습니다.

 

1) 물질의 반응성을 높이기 위해 Thermal (열)을 사용하여 했던 방식이 일반적이었으나, 재료의 한계 (예를들어, 800도 이상 올라가면 기존에 쌓았던 Al층이나 다른 층에 열손상을 줄 수 있음)로 인해 진공의 필요성이 대두된 것입니다.

 

2) 일반적으로 물질이 반응하는데 있어서 진공도를 높이면 그만큼 반응에 필요한 열이 줄어드므로 진공장치를 최근 많이 사용합니다. + 진공환경에서는 원하지 않는 오염요소 물질(contamination)이 최소화 될 수 있으므로 역시 사용합니다.

 

Sheath영역 정의?

플라즈마 주위에 얇은 층의 발광하지 않는 영역이 존재, 마치 플라즈마를 감싸고 있는 것처럼 보이는 영역을 sheath라고 한다. 챔버 벽이나, wafer 위에 플라즈마와 만나는 부분에 생기는 중성이 깨진 영역이다. 이는 전자에 의한 이온화가 거의 없으며, sheath영역 전위차는 +이온을 가속화하여 직진의 높은 운동에너지를 만든다.