[반도체 공정] 4. 식각공정(Etching)

식각 공정 (Etching)

식각공정(Etching Process)이란 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 과정이다. 이는 곧 반도체 회로패턴을 만든다는 의미도 된다. 

Etching을 나타내는 성능지수 (FOM : figures of merit)에는 크게 두가지가 있다. 첫번째는 식각 속도(Etch Rate)로 식각 된 두께(thickness)/식각 시간(time)으로 정의된다. 이는 일정시간동안 식각이 일어나는 정도를 표현한 것이다. 대체로 조절가능한 빠른 식각속도가 선호된다.(high etch rate with good controllability is desirable)

두번째는 선택비(selectivity)로 물질 X의 식각속도/ 물질 Y의 식각속도로 정의된다. 주로 물질 X는 식각을 원하는 물질(Etch target)이며, 물질 Y는 식각을 원하지 않는 물질(mask layer or other material)로 계산한다. 즉, 선택비가 클수록 원하는 etching 공정이 잘 이루어진다는 것을 의미한다.

건식 식각(dry etching)과 습식 식각(wet etching) 비교

Etching에는 두가지 종류가 있다. 건식 식각(Dry Etching)과 습식 식각(Wet Etching)이다. 두 식각 방법의 차이는 다음과 같다.

여기서 비등방성(Anisotropic)과 등방성(Isotropic)이라는 단어가 등장한다. 

간단하게 말하자면 등방성이란 모든 방향으로 동일하다는 뜻이며 반대로 비등방성이란 특정 방향으로의 방향성이 있다는 것을 의미한다. 즉, 식각이 일어날 때 등방성(Isotropic)일 경우 식각이 모든 방향으로 동일하게 일어나며 under cut이라는 현상이 발생한다.

Under cut이란 아래 그림의 isotropic 그림과 같이 식각이 pattern 모양 아래쪽으로 추가적으로 발생하는 현상을 말한다. 

이러한 undercut 현상 때문에 3 μm이하의 feature size를 갖는 pattern에 대해서는 쓸 수 없다.

비등방성(Anisotropic)일 경우 특성 방향으로의 식각이 더 잘 진행된다. 

위 그림은 식각 방법에 따른 압력과 Mean Free Path 그리고 비등방성(anisotropy) 정도를 정리한 표이다. 특히 건식 식각에서는 식각을 진행하는 환경의 압력이 낮아질수록 입자들의 Mean Free Path가 증가하고 비등방성이 증가하여 under cut 현상이 적게 나타난다.

습식 식각(Wet Etching)

습식식각은 화학반응을 사용하는 등방성(isotropic) 공정이므로 여러 요인에 의하여 영향을 받는다. 특히 silicon orientation에 크게 영향을 받으며 밀도가 높은 orientation일수록 낮은 etch rate를 보인다.

습식 식각 공정 중 실리콘옥사이드(SiO2)를 식각하는 과정에는 주로 희석된 플루오린화 수소(Diluted hydrofluoric acid : HF)를 사용한다. 식각 공정이 진행되면서 HF가 사용되면 etch rate가 낮아지므로 buffering solution을 이용하여 etch rate를 일정하게 유지시켜 준다. 주로 NH4F로 완충된 HF 용액을 사용한다. (NH₄F : HF = 6 : 1)

실리콘(Si)를 식각하는 과정은 HF와 질산(Nitric acid : HNO₃) 또는 과산화수소(Hydrogen peroxide : H₂O₂)나 탄산(Carbonic acid : CH₃COOH)의 홉합물을 사용한다.

혹은 KOH와 물(H₂O)을 섞어서 사용하기도 하는데, <111> direction에 비해 <100> direction으로의 etching rate가 약 700배 정도 빠르다. 여기에 Propanol(C₃H₈O)을 첨가하면 <100> direction으로 추가적인 selectivity를 확보할 수 있다.

건식 식각(Dry Etching)

건식식각은 물리적 화학적 방법을 모두 사용하는 비등방성(Anisotropic)공정이다. 건식 식각에는 크게 3종류가 있으며 High pressure plasma etching, Ion milling 그리고 RIE(Reactive Ion Etching)이다.

High pressure Plasma etching

High pressure plasma etching은 화학적인 방법으로, chemically reactive한 gas에 의해 표면의 원자가 휘발성(volatile) 있는 화합물을 형성하여 식각이 되는 방법이다. 높은 선택비(High selectivity)를 갖지만 등방성(isotropic) 방법이다.

① Feed gas가 chamber 안으로 들어오게 되고 plasma에 의해 chemically reactive한 상태가 된다.

② Chemically reactive한 molecule이 diffuse 된다. 

③ Wafer 표면에 흡착(absorb)된다. 

④ Surface 표면에서 reaction이 일어날때까지 diffuse 된다.

⑤ Reaction이 일어난다.

⑥ Reaction이 끝나면 탈착(desorb) 된다.

⑦ Gas stream으로 diffuse되어 chamber 밖으로 옮겨진다.

Ion milling

Ion milling 과정은 순수한 Ar+ 이온을 사용한다. Chamber에 Ar gas 같은 비활성 기체를 주입한 후에 필라멘트를 가열해주면 전자(electrons)이 튀어나와 양극으로 가속되게 된다. 이런 전자들은 전기적으로 중성 상태인 Ar 원자와 충돌하여 Ar 원자들을 이온화시킨다.

이렇게 생성된 이온은 wafer의 표면을 때리게 되는데, 이러한 과정을  ion bombardment라고 한다. Etching은 이렇게 화학반응을 포함하지 않고 순수하게 물리적으로 wafer의 원자들을 떼어내면서 이루어 진다. 높은 anisotropic etching이 가능하지만 selectivity나 throughput은 좋지 못하다. 

RIE (Reactive Ion Etching)

위 두가지를 합친 방법이라고 생각하면 되며 ion assisted etch(IAE)라고도 불린다. 즉 plasma(ionized reactive gases)와 sputter etching  (ion bombardment)을 모두 사용하는 방법으로, 각 방법의 단점을 보완하는 빠른 비등방성 식각(fast anisotropic etch)과 높은 선택비(high selectivity)를 장점으로 갖는다.