식각 공정(Etching)은 포토 공정(Photolithography)을 통해 wafer 위에 패터닝을 한 뒤 정의된 부분의 박막을 제거하는 공정입니다. 식각 공정을 통해 wafer에 회로를 만들어낼 수 있습니다.
물론 Lift-off나 Damascene 방법을 통해 원하는 박막 형상을 만들 수 있지만, Lift-off 방식은 미세한 패턴을 만들기 어렵기 때문에 연구실 수준에서만 사용하고 Trench를 만들어 원하는 박막을 만드는 Damascene 방식은 CMP 공정(Chemical Mechanical Plashing)을 추가로 해야 하므로 공정을 최적화하기 위해 식각 공정을 주로 사용합니다.
저희 연구실은 석사 기간에 Lift-off 방법으로 패터닝을 했는데, 이에 대한 이슈는 이 글을 참조하시면 되겠습니다.
Etching의 종류
식각 공정은 크게 chemical 용액을 사용하는 습식 식각(Wet etch)과 용액을 사용하지 않는 건식 식각(Dry etch)으로 나뉩니다.
습식 식각 (Wet etching)
습식 식각(Wet etch)은 chemical 용액으로 웨이퍼 위의 박막과 화학반응을 일으켜 박막을 제거하는 방법입니다. 용액이 박막과 반응하기 위해서는 표면과 용액이 접촉해야 하는데 공정 장비를 기계적으로 움직이거나, 용액을 순환시키는 방법으로 chemical과 박막의 화학반응을 촉진합니다.
습식식각은 식각 속도가 빠르고, 박막과 chemical 용액의 종류에 따라 선택비가 매우 좋다는 장점이 있습니다. 다만, 화학반응은 등방성, 모든 방향으로 진행되기 때문에 다음 그림과 같이 마스킹 된 아랫부분까지 식각 되는 Undercut 현상이 발생합니다. 그리고 표면장력 때문에 미세한 패턴에는 식각이 되지 않는다는 단점이 있습니다.
건식 식각 (Dry etching)
건식 식각(Dry etch)은 chemical 용액 대신 반응성 가스를 사용하여 식각을 진행합니다. 마찬가지로 박막과 화학반응을 해야 하므로 가스를 플라즈마 상태로 만들어 사용하는 것이 일반적입니다.
미세패터닝에 사용할 수 있다는 장점이 있지만 식각 속도가 느리고, 비용이 비싸다는 단점이 있습니다. 이외에도 여러 가지 이슈가 존재합니다.
식각 속도 (Etch rate)
Etch rate은 식각을 얼마나 빠르게 진행할 수 있는지를 의미합니다.
당연히 Etch rate이 빠를수록 생산성이 좋습니다. Etch rate은 반응에 필요한 gas의 종류와 gas flow, 그리고 플라즈마화 했을 때 이온의 에너지로 컨트롤할 수 있습니다.
또한 습식식각에 비해 적긴 하지만 undercut이 발생하는데(Etch bias) 미세패턴에서는 중요한 요인이기 때문에 이것도 고려해야 할 사항입니다.
선택비 (Selectivity)
건식 식각에는 화학반응을 통한 식각뿐만 아니라 플라즈마를 통한 물리적인 식각도 발생합니다. 그래서 제거하려는 박막뿐만 아니라 다른 물질도 식각이 되는데요, 제거하려고 했던 물질과 식각 속도가 다르기 때문에 공정 후 두 물질이 식각 되는 두께가 달라집니다. 이렇게 식각 하려는 물질과 그렇지 않은 물질 간의 식각 비를 선택비라고 합니다. 선택비가 클수록 좋은 공정 환경이라고 할 수 있습니다.
아래 그림을 보면 BPSG를 제거하려고 했는데 Poly-Si 위의 BPSG가 제거된 후 Si도 소량 식각된 것을 확인할 수 있습니다.
식각 균일도 (Etch uniformity)
식각 균일도(Etch uniformity)는 웨이퍼 전체적으로 진행되는 식각이 지점마다 얼마나 동일하게 일어나고 있는지를 의미합니다. 균일도가 안 좋으면 Etch 후 profile이 나빠져 특성이 안 좋아지고 수율이 낮아져 칩에 악영향을 줍니다.
건식 식각 Profile
정리하자면 건식식각은
충분히 빠른 Etch rate을 가져야 하고
좋은 선택비가 필요하며
Ideal 한 Profile이 형성되도록 공정 레시피를 잘 세팅해야 하고
균일한 식각이 재현성 좋게 진행돼야 합니다.
Wet etching vs Dry etching
마지막으로 습식 식각(wet etch)과 건식 식각(dry etch)의 차이점에 대해 정리하고 마무리하겠습니다.
| 습식 식각 (wet etch) | 건식 식각 (dry etch) | |
|---|---|---|
| 방법 | 화학적 반응 (용액) | 물리적, 화학적 반응 (gas) |
| 환경 / 장비 | 대기 / Bath | 진공 / Chamber |
| 장점 | – 저비용, 쉬운 공정 – 식각 속도 빠름 – 선택비 좋음 | – 정확성 좋음 – 미세 패터닝 가능 |
| 단점 | – 정확성 안 좋음 – 웨이퍼 오염 – PR 밑부분 식각 | – 고비용, 어려운 공정 – 낮은 처리량 – 선택비 나쁨 |
| 식각 방향 | 등방성 | 비 등방성 |
참고: 삼성전자 [반도체 백과사전]
