[엔지닉]반도체 8대 공정, 식각 공정

안녕하세요, 동동이입니다.
벌써 엔지닉 반도체 스터디 한 지 한 주가 지나고 두번째 주로 넘어갔네요.
끝까지 열심히 해보겠습니다! 그럼 정리해볼까요?

6일차 인증

6일차 인증

플라즈마
- 이온화된 기체 / 중성입자 + 전자 + 이온 + 활성종(radical) + Excited 중성종 + 광자
- 전기적 준 중성 상태(Quasi-Neutrality)임.
- 진공 Chamber에 반응 Gas를 주입, 강한 전기장이 인가되면 전자가 가속되어 중성원자와 충돌함
이것이 이온화가 되어 새로운 전자가 생성되고, 이온화 연쇄반응을 통해 플라즈마 상태를 유지함

- 이온화 에너지 : 이온화가 일어날 수 있는 최소한의 에너지
전자 에너지는 100eV보다 큰데, 전자의 속도가 너무 빨라 충돌 확률이 적음. (전자가 Ar의 전자에 에너지를 전달할 시간이 없음)
- 파셴 커브(Paschen's Curve) : 플라즈마가 발생할 수 있는 최소의 전압 (\(Pressure(P) * Distance(D)\) 와 방전전압(\( V\))와의 관계
Low \(P*D \) : 전자가 Gas 분자와의 충돌 없이 양극에 도달하여, 방전 전압 증가가 필요
High \(P*D \) : 전자가 Gas 분자와의 너무 많은 충돌이 일어나, 이온화 에너지가 부족함. 따라, 방전 전압 증가가 필요.
최적 조건은, 최상의 공정 결과 기준으로 세팅함.

직류 플라즈마 (DC Plasma)
전극 근처에서의 현상
- 음극 쉬스(Cathode sheath) : 강한 음의 전압이 인가 → 양이온으로 가득참
양이온이 강한 전기장에 끌려 높은 에너지로 음극에 충돌되면, 스퍼터링 현상이 일어나 2차 전자가 생성됨.

- 양극 쉬스(anode sheath) : 전자의 속도가 이온의 속도보다 대략 1000배 빨라, 접지 전극에서 빠르게 전자가 빠져나감.
따라, 전극 근처는 양이온으로 가득차는데, 이 양이온이 공간 전하로 작용하여, 접지 전극 대비 전위가 증가하게 됨.
플라즈마 전위 (\(V_p\)) 형성 → 전자 진입 방해

고주파 플라즈마 (RF Plasma)
- 직류 플라즈마는 전도체 금속일 때만 사용가능
플라즈마 생성 도중, 부도체 일 경우 음전하를 중화시켜 양전하가 축적되어 음극 전압이 상승됨. 그에 따라 두 전극 간의 전압 차가 감소하여 플라즈마가 꺼짐.
이에 플라즈마를 지속적으로 유지시키기위해, 절연체 표면에 축적된 전하의 제거가 필요한데, 이때 RF 플라즈마를 사용.
- RF 주기에 따른 전자 왕복 → 중성 원자와 충돌을 증가 → DC 플라즈마 대비 효율이 증가함.
- 두 전극에 동일 RF 전압을 인가하면, DC 극성 교번 효과 밖에 없다.
스퍼터링을 위한 특정 전극이 큰 Bias(음극 쉬스)가 필요한데, 이는 직류 자기 바이어스(DC Self Bias)가 행함.
- DC 전류 차단용 차단 커패시터 (Blocking Capacitor) 및 두 전극 간의 면적 차이가 필수임.

식각 공정
- 박막의 전부 또는 Photo 공정에서 정의된 일부를 물리, 화학적 방법으로 제거하는 공정으로, 주로 반응성이 강한 할로겐 계열 물질을 사용함.
- 식각 공정은 습식 식각(Wet Etch), 건식 식각(Dry Etch)로 나뉨.

건식 식각(Dry Etch)
- 플라즈마 식각 : 식각제가 흡착되면 식각제와 박막이 반응해 부산물을 제거하는 식각 공정(휘발성)
- 스퍼터 식각 : 웨이퍼를 음극과 연결 → 공정가스(Ar+) 주입 → Ar+에 의한 스퍼터링
- 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etch, RIE) : Ar+ + 활성종을 둘 다 사용하는 식각 공정, 이온 충돌은 표면결합을 약화시키고, 활성종은 반응성을 높임.

1. 스퍼터 식각이 무엇인지 그 정의와 특징을 정리해보세요.
- Self DC Bias에 의해 만들어진 높은 플라즈마 쉬스 전압을 이용해 이온을 가속시키고, 가속된 이온을 피식각막에 충돌시켜 제거하는 물리적 식각임.
- 플라즈마 장치가 사용되며, 공정가스 주입 (Ar+)에 의한 스퍼터링이 일어남.
- 선택비가 나쁘지만, 비 등방성(이방성) 식각이 가능함.

2. 식각 공정의 주요 문제점들에 대해 정리해보세요.
① 부하 효과(Loading Effect) : 식각제의 양 대비 웨이퍼 상의 패턴 밀도 및 구조에 따라 식각율이 감소하는 현상을 의미함.
- 매크로 로딩 효과 : 반응 가스가 일정하게 공급되는 상황에서 표면적 증가에 따라 식각률 감소 현상이 일어남.
- 마이크로 로딩 효과 : 패턴 구조의 종횡비 및 미세 패턴 크기에 따라 식각율 차이를 보이는 현상이 일어남.
② 식각 측면 형상(Profile) 이상 : 식각 후 원치않은 식각 Profile 이상이 발생할 수 있음.
- Micro trench : 입사된 이온이 측벽 경사 부분에서 꺾이면서 바닥 구석에 집중, 미세하게 식각이 더 많이 됨.
- Under-cut : 화학적 식각의 강한 등방성 식각 특성으로 인해 마스크 아래 부분이 수평 방향으로 식각됨.
- Notching : 식각 시 방향성이 적고 빠르게 운동하는 전자들이 PR 측면에 포획되어 그로 인해 양이온 진행 방향에 영향을 줌. 따라, 패턴 하부 측면 방향으로 비정상적 식각이 발생됨.
- Dove tailing : 식각 바닥면 중앙 부분에 있는 고분자 반응 부산물 두께가 두꺼워, 양쪽 가장자리가 더 많이 시각되는 현상임.