건식 에칭 공정은 일반적으로 에칭 전, 부분 에칭, 에칭만, 오버 에칭의 네 가지 기본 상태로 구성됩니다. 주요 특징은 에칭 속도, 선택성, 임계 치수, 균일성 및 끝점 감지입니다.
그림 1 에칭 전
그림 2 부분 에칭
그림 3 그냥 에칭
그림 4 오버 에칭
(1) 에칭율: 단위 시간당 제거되는 에칭 물질의 깊이 또는 두께.
그림 5 에칭 속도 다이어그램
(2) 선택도: 서로 다른 에칭 재료의 에칭 속도 비율.
그림 6 선택성 다이어그램
(3) 임계 치수: 에칭이 완료된 후 특정 영역의 패턴 크기입니다.
그림 7 임계 치수 다이어그램
(4) 균일성: 일반적으로 CD의 전체 맵을 특징으로 하는 임계 에칭 치수(CD)의 균일성을 측정하기 위한 공식은 U=(Max-Min)/2*AVG입니다.
그림 8 균일성 개략도
(5) 끝점 감지: 에칭 과정에서 빛의 강도 변화가 지속적으로 감지됩니다. 특정 광도가 크게 증가하거나 감소하면 에칭이 종료되어 특정 층의 필름 에칭이 완료되었음을 표시합니다.
그림 9 종점 개략도
건식 에칭에서 가스는 고주파수(주로 13.56MHz 또는 2.45GHz)에 의해 여기됩니다. 1~100Pa의 압력에서 평균 자유 경로는 수 밀리미터에서 수 센티미터입니다. 건식 에칭에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.
•물리적 건식 에칭: 가속된 입자가 웨이퍼 표면을 물리적으로 마모시킵니다.
•화학적 건식 에칭: 가스가 웨이퍼 표면과 화학적으로 반응함
•화학적, 물리적 건식 에칭: 화학적 특성을 지닌 물리적 에칭 공정
1. 이온빔 에칭
이온빔 에칭(Ion Beam Etching)은 약 1~3keV의 에너지를 갖는 고에너지 아르곤 이온빔을 이용해 소재 표면을 조사하는 물리적 건식 가공 공정이다. 이온빔의 에너지로 인해 이온빔이 표면 물질에 충격을 가해 제거됩니다. 수직 또는 경사 입사 이온빔의 경우 에칭 공정은 이방성입니다. 그러나 선택성이 부족하기 때문에 다양한 수준의 재료 간에 명확한 구분이 없습니다. 생성된 가스와 에칭된 물질은 진공펌프에 의해 배출되지만, 반응 생성물은 가스가 아니기 때문에 입자가 웨이퍼나 챔버 벽에 퇴적됩니다.
입자 형성을 방지하기 위해 두 번째 가스를 챔버에 도입할 수 있습니다. 이 가스는 아르곤 이온과 반응하여 물리적, 화학적 에칭 과정을 유발합니다. 가스의 일부는 표면 물질과 반응하지만 연마된 입자와도 반응하여 가스 부산물을 형성합니다. 이 방법으로 거의 모든 종류의 재료를 에칭할 수 있습니다. 수직 복사로 인해 수직 벽의 마모는 매우 작습니다(높은 이방성). 그러나 선택성이 낮고 식각 속도가 느리기 때문에 이 공정은 현재 반도체 제조에 거의 사용되지 않습니다.
2. 플라즈마 에칭
플라즈마 에칭은 화학적 건식 에칭이라고도 알려진 절대적인 화학적 에칭 프로세스입니다. 웨이퍼 표면에 이온 손상을 일으키지 않는다는 장점이 있습니다. 에칭 가스의 활성종은 자유롭게 이동하고 에칭 프로세스는 등방성이므로 이 방법은 전체 필름 층을 제거하는 데 적합합니다(예: 열 산화 후 뒷면 청소).
다운스트림 반응기는 플라즈마 에칭에 일반적으로 사용되는 반응기 유형입니다. 이 반응기에서는 2.45GHz의 고주파 전기장에서 충격 이온화에 의해 플라즈마가 생성되어 웨이퍼에서 분리됩니다.
가스 방전 영역에서는 충격과 여기로 인해 자유 라디칼을 포함한 다양한 입자가 생성됩니다. 자유 라디칼은 중성 원자 또는 불포화 전자를 가진 분자이므로 반응성이 높습니다. 플라즈마 에칭 공정에서는 사불화메탄(CF4)과 같은 일부 중성 가스가 종종 사용되는데, 이는 가스 방전 영역으로 유입되어 이온화 또는 분해에 의해 활성종을 생성합니다.
예를 들어, CF4 가스에서는 가스 방전 영역으로 유입되어 불소 라디칼(F)과 이불화 탄소 분자(CF2)로 분해됩니다. 마찬가지로 불소(F)는 산소(O2)를 첨가하여 CF4에서 분해될 수 있습니다.
2 CF4 + O2 —> 2 COF2 + 2 F2
불소 분자는 가스 방전 영역의 에너지 하에서 두 개의 독립적인 불소 원자로 분리될 수 있으며, 각 원자는 불소 자유 라디칼입니다. 각 불소 원자는 7개의 원자가 전자를 갖고 불활성 기체의 전자 구성을 이루는 경향이 있기 때문에 모두 매우 반응성이 있습니다. 중성 불소 자유 라디칼 외에도 가스 방전 영역에는 CF+4, CF+3, CF+2 등과 같은 하전 입자가 있습니다. 그 후, 이러한 모든 입자와 자유 라디칼은 세라믹 튜브를 통해 에칭 챔버로 유입됩니다.
하전 입자는 추출 격자에 의해 차단되거나 중성 분자를 형성하는 과정에서 재결합되어 에칭 챔버에서의 거동을 제어할 수 있습니다. 불소 자유 라디칼도 부분적으로 재결합되지만 여전히 에칭 챔버로 들어가 웨이퍼 표면에서 화학적으로 반응하여 재료 박리를 일으킬 정도로 활성이 있습니다. 다른 중성 입자는 에칭 공정에 참여하지 않으며 반응 생성물과 함께 소모됩니다.
플라즈마 에칭에서 에칭될 수 있는 박막의 예:
• 실리콘: Si + 4F -> SiF4
• 이산화규소: SiO2 + 4F -> SiF4 + O2
• 질화규소: Si3N4 + 12F —> 3SiF4 + 2N2
3.반응성 이온 에칭(RIE)
반응성 이온 에칭은 선택성, 에칭 프로파일, 에칭 속도, 균일성 및 반복성을 매우 정확하게 제어할 수 있는 화학적-물리적 에칭 공정입니다. 이는 등방성 및 이방성 식각 프로파일을 달성할 수 있으므로 반도체 제조에서 다양한 박막을 구축하는 가장 중요한 공정 중 하나입니다.
RIE 동안 웨이퍼는 고주파 전극(HF 전극) 위에 배치됩니다. 충격 이온화를 통해 자유 전자와 양전하 이온이 존재하는 플라즈마가 생성됩니다. HF 전극에 양의 전압이 가해지면 자유 전자가 전극 표면에 축적되고 전자 친화력으로 인해 다시 전극을 떠날 수 없습니다. 따라서 전극은 -1000V(바이어스 전압)로 충전되어 느린 이온이 음으로 충전된 전극에 대한 급격하게 변화하는 전기장을 따라갈 수 없습니다.
이온 에칭(RIE) 중에 이온의 평균 자유 경로가 높으면 이온은 거의 수직 방향으로 웨이퍼 표면에 부딪칩니다. 이러한 방식으로 가속된 이온은 물질을 녹아웃시키고 물리적 에칭을 통해 화학 반응을 형성합니다. 측면 측벽은 영향을 받지 않기 때문에 에칭 프로파일은 이방성으로 유지되고 표면 마모는 작습니다. 그러나 물리적인 에칭 공정도 일어나기 때문에 선택도는 그다지 높지 않다. 또한 이온의 가속으로 인해 웨이퍼 표면이 손상되므로 이를 복구하려면 열 어닐링이 필요합니다.
에칭 공정의 화학적 부분은 자유 라디칼이 표면과 반응하고 이온이 재료에 물리적으로 부딪혀 웨이퍼나 챔버 벽에 재증착되지 않도록 함으로써 완성되며, 이온 빔 에칭과 같은 재증착 현상을 방지합니다. 에칭 챔버의 가스 압력을 높이면 이온의 평균 자유 경로가 감소하여 이온과 가스 분자 사이의 충돌 횟수가 증가하고 이온이 더 다양한 방향으로 산란됩니다. 이로 인해 방향성이 덜한 에칭이 발생하여 에칭 프로세스가 더욱 화학적으로 만들어집니다.
이방성 에칭 프로파일은 실리콘 에칭 중에 측벽을 패시베이션하여 달성됩니다. 산소는 에칭 챔버로 유입되어 에칭된 실리콘과 반응하여 수직 측벽에 증착되는 이산화규소를 형성합니다. 이온 충격으로 인해 수평 영역의 산화물 층이 제거되어 측면 에칭 공정이 계속됩니다. 이 방법은 식각 프로파일의 모양과 측벽의 경사도를 제어할 수 있습니다.
식각률은 압력, HF 발생기 전력, 공정 가스, 실제 가스 유량, 웨이퍼 온도 등의 요인에 의해 영향을 받으며, 그 변동 범위는 15% 미만으로 유지됩니다. 이방성은 HF 전력이 증가하고 압력이 감소하며 온도가 감소함에 따라 증가합니다. 에칭 공정의 균일성은 가스, 전극 간격 및 전극 재료에 의해 결정됩니다. 전극 거리가 너무 작으면 플라즈마가 고르게 분산되지 않아 불균일하게 됩니다. 전극 거리를 늘리면 플라즈마가 더 큰 부피에 분포되기 때문에 에칭 속도가 감소합니다. 탄소는 균일한 변형 플라즈마를 생성하여 웨이퍼 가장자리가 웨이퍼 중심과 동일한 방식으로 영향을 받기 때문에 선호되는 전극 재료입니다.
공정 가스는 선택성과 에칭 속도에 중요한 역할을 합니다. 실리콘 및 실리콘 화합물의 경우 불소와 염소가 주로 에칭을 달성하는 데 사용됩니다. 적절한 가스를 선택하고, 가스 흐름과 압력을 조정하고, 공정의 온도 및 전력과 같은 기타 매개변수를 제어하면 원하는 식각 속도, 선택성 및 균일성을 얻을 수 있습니다. 이러한 매개변수의 최적화는 일반적으로 다양한 응용 분야 및 재료에 맞게 조정됩니다.
에칭 프로세스는 하나의 가스, 가스 혼합물 또는 고정된 프로세스 매개변수로 제한되지 않습니다. 예를 들어, 폴리실리콘의 자연 산화물은 높은 에칭 속도와 낮은 선택비로 먼저 제거될 수 있는 반면, 폴리실리콘은 밑에 있는 층에 비해 더 높은 선택비로 나중에 에칭될 수 있습니다.
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게시 시간: 2024년 9월 12일