[반도체 전공정] (4) 식각공정

[반도체 전공정] (3) 포토공정

 

 이전시간에는 노광(포토)공정을 통해 과자의 '틀'을 만드는 작업을 했다. 이제 우리는 이 틀을 이용하여, 우리가 원하는 모양을 원하는 방식으로 만들 수 있다. 따라서, 이제 필요하지 않은 부분을 제거하는 식각 공정을 해야한다.

 

 식각 공정은 물리적 방식과 화학적 방식을 결합하여 원하는 미세 패턴을 만들어 내는 반도체 제조의 핵심 공정이다. 노광과는 달리 정밀 패턴을 직접 그리는 것은 아니지만, 기체의 비율/온도/전기장의 세기/기압 등 다양한 요소를 조절함으로써 웨이퍼 전체의 수천개의 트랜지스터가 거의 비슷한 모양을 가지도록 도와준다.

1. 식각 공정

과자를 만드는 과정에서 과자의 중간층에 초코시럽을 넣기 위해서는 어떻게 해야할까? 초코시럽이 들어갈 가운데 부분을 파낸 후, 그 안에 초코시럽을 넣는 방법이 있다. 여기에서 초코시럽이 들어갈 부분을 '파내는 작업'이 식각에 해당한다. 과자에 구멍이 난 노란색틀을 얹은 후 과자에만 반응하는 물질을 뿌려 과자를 제거하는 것이다. 그 뒤에 과자틀을 없애고 초코시럽을 붓는다. 마지막으로, 잔여 초코시럽을 제거 후, 다시 그 위에 쿠키 층을 만들면 쿠키 사이에 초코시럽을 넣을 수 있다.

 

 참고로 반도체 제조 공정에는 '식각 공정'을 제외하고도 세척 등 다양한 종류의 물질 제거 공정이 있다. 세척은 원치않는 불순물을 웨이퍼 전체적으로 씻어 없애는 것이라면, 식각은 PhotoMask를 동원하여, 내가 원하는 미세패턴을 파내는 것에 집중한다는 차이가 있다.

 

1-1. 식각 공정에서 요구되는 특성들

 

식각에 대해 알기 위해서는, 여러가지 용어를 알아야 한다.

 

1-1-1. 선택비

 첫째로는 '선택비'가 있다.

선택비 : 해당 공정에서 제거하고싶은 물질만을 얼마나 잘 제거하는 지를 나타내는 수치

 

 실제로 식각  공정을 통해 100% 내가 원하는 물질만을 제거하는 것은 불가능하다. 반응이 진행됨에 따라서 씌워놓은 PR 등도 느리지만 서서히 깎여나가는 문제가 생기기 때문이다. 따라서, 선택비가 높다는 것은 식각과정에서 제거해서는 안될 물질은 덜 제거되고, 제거해야하는 성분만이 잘 제거된다는 의미이다.

 

1-1-2. 방향성

 두번째는 '방향성'이다. 

방향성 : 식각이 진행되는 방향

 

 크게 등방성(isotropic) 식각과 비-등방성(anisotropic) 식각으로 나뉜다.

 

 등방성이란, PR의 열린 부분을 기준으로 모든 방향으로 식각이 발생하는 것이고, 비등방성이란 특정방향으로만 반응이 잘 일어나는 것을 의미한다.

1-1-3. 속도

 속도는 단어 그대로 식각 반응이 얼마나 빠른지를 나타내는 수치이다. 모든 수치가 동일하다면, 당연히 속도가 빠를 수록 좋다. 하지만, 일반적으로 빠르고 정확한 반응은 동시에 일어나지 않기 때문에 정확도와 속도 사이에는 적절한 타협이 필요하다.

 

 예를들어, 식각의 비 등방성을 높이기 위해서는 식각 기체의 압력을 낮춰야 한다. 하지만, 압력이 낮아진 기체는 반응 기체의 양을 줄인다는 말과 같기 때문에, 식각 속도는 느려질 수 밖에 없다.

 

1-1-4. 균일도

균일도 : 식각이 전체 웨이퍼 영역에서 얼마나 불균일하게 일어나는 지를 나타내는 척도

 

 식각 공정은 1-4개의 웨이퍼를 한번에 처리할 수 있는 노광과는 달리 웨이퍼 한장을 통채로 기체에 노출시켜 처리한다. 식각을 진행하기 위해서는 반응 기체를 투입하고 부산물을 제거하는 등 물질을 순환시켜야 하는데, 사실 웨이퍼 전체에 완벽히 동일하게 적용시키는 것은 어렵다. 이로 인해, 웨이퍼 위치 별 식각 속도의 차이가 발생하게 된다.

 

1-2. 식각의 종류

1-2-1. 구분 1: 건식과 습식

 산화 공정과 마찬가지로 식각 공정 역시 건식/습식으로 나눌 수 있다.

 

 산화 공정에서 '습식'은 사용되는 기체가 수증기라는 의미였다면, 식각 공정에서의 습식은 웨이퍼를 액체에 '담갔다 건지는' 방식을 의미한다. 이러한 방식은 식각 속도가 매우 빠르고, 담그는 방식의 특성상 화학적 식각밖에 쓸 수 없으므로 선택비가 높다는 장점이 있다.

 하지만 방식 특성상 식각이 Isotropic(등방성)이 강할 수 밖에 없다. 왜냐하면, 웨이퍼를 액체에 담갔을 때 액체는 자유롭게 움직이며 물질들과 반응하기 때문이다. 따라서 원치않는 PR 뒷면의 부분까지 깎아버리기 때문에, 정밀도가 떨어진다. 그뿐만 아니라, 액체의 특성상 틈이 너무 작으면 표면 장력으로 인해 식각액 자체가 PR 틈으로 침투하지 못하기도 한다. 따라서, 현재 핵심층 제조에서는 사용되지 않는다.

 '건식'의 경우, 기체를 이용하는 식각 전체를 포괄하는 개념이다. Photomask가 도포된 웨이퍼를 기체에 노출시키는 식각방식으로, '플라즈마 식각, Sputtering, 반응성 이온 식각(RIE(Reactive Ion Etching))'등을 포괄하는 명칭에 가깝다.

 

 이들은 습식 식각과 달리 굉장치 다양한 방법으로 물질을 제거하기 떄문에, 엄밀하게는 비등방성/등방성 특징을 모두 가질 수 있다. 예를 들어, 화학적 방식의 건식 식각은 등방성을 가지지만 물리적 방식의 건식 식각은 비등방성이다. 하지만, 건식 식각 중 비등방성이 높고 처리속도까지 너무 느리지 않는 RIE가 자리를 잡으며 보편적으로 '건식 식각은 비등방성을 가진다'라고 설명한다.

 

	습식 식각	건식 식각
정의	- 웨이퍼를 액체에 '담갔다 건지는'방식	- 기체를 이용하는 식각 - Photomask가 도포된 Wafer를 기체에 노출시키는 방식
예시		Sputtering, 플라즈마 식각, RIE(반응성 이온 식각)
장단점	- 선택비가 높고 빠름 - 등방성이 강함 - 틈이 너무 작으면 표면 장력으로 인해, PR 틈으로 침투하지 못함	- 습식보다는 느림 - 비등방성/등방성 성질을 보통 가짐(RIE는 비등방성)

 

1-2-2. 화학적 식각과 물리적 식각, 화학+물리적 식각

 웨이퍼 위의 물질을 없애는 물질은 크게 2가지가 있다. 첫째는 1) 화학적 방법으로 없애는 것이고, 다른 하나는 2) 물리적 방법으로 없애는 것이다.

 

 1) 화학적 방법은 특정 물질과 잘 반응하는 물질을 이용하는 것으로 PR 아랫면에는 제거해야하는 물질이 있다. 산화 공정에서 생성된 산화막이나 증착 공정에서 도포한 물질 등 다양한 종류이다. 제거해야하는 물질들과는 잘 반응하지만, PR과는 반응하지 않는 물질을 웨이퍼 위에 뿌려주면 화학반응을 일으키며 원하는 물질들이 제거된다. 이때 식각 액체/기체의 종류는 제거해야할 물질에 따라 다르며, 주로 불소나 염소 기반의 물질들이 사용된다. 화학반응을 통한 식각은 선택비가 좋다는 특징이 있다.

 

2) 물리적 방법에는, 높은 에너지를 가진 입자를 웨이퍼 표면에 충돌시켜 물질의 표면이 떨어져 나가게 하는 Sputtering이 있다. 이때 불활성기체로 기압을 낮춘 후 높은 에너지를 가해주게 되면 기체가 원자(+)와 전자(-)로 분리되는데, 이때 전기장을 웨이퍼의 방향으로 가해주면, 원자는 전기장에 의해 가속되어 웨이퍼와 충돌하게 되는 것이다.

 

 이러한 물리적 방법에도 한계점이 있는데, 기압이 낮기 때문에 기체의 양이 적어 식각 속도가 느리고 제거해서는 안되는 물질도 힘으로 떼어내기 때문에 확률적으로 제거될 수 있다. 

 

마지막으로 3) 화학적 방법과 물리적 방법을 모두 합친 '반응성 이온 식각(RIE)'도 있다.

반응성 이온 식각(RIE, Reactive Ion Etching)
: 식각 기체를 플라즈마로 바꾸어 식각하는 방식

 

 RIE는 건식 식각의 일종으로, 식각 기체를 '플라즈마*'로 바꾸어 식각하는 방식을 의미한다.

플라즈마: 고체, 액체, 기체가 아닌 물질의 제 4의 상태로, 기체에 높은 에너지를 가해 원자핵과 전자가 분리된 이온화된 가스 상태를 의미한다.

 

 혼합기체(반응기체 +  불활성기체 등)을 기기에 투입한 후 강력한 에너지를 가해주면 식각 기체가 전자, 양이온, 라디칼 등으로 분리된다. 여기서 무게가 가벼운 전자는 큰 역할을 하지 않지만, 양이온은 전하를 띄는 상태로 전기장 내에서 가속될 경우 방향성이 매우 강해, 웨이퍼 표면을 가속할 경우 물리적 식각이 가능해진다. 

 

또한, 양이온은 충돌 물질들의 결합으로 결합을 약화시키는 역할도 한다. 양이온은 전기장으로 인한 직진성이 강하기 때문에 위 그림의 빨간 색 부분에 주로 충돌하게 된다. 이로 인해 측면부는 결합이 강한 상태로 유지되는 반면, 전면부의 결합은 약해진다. 따라서, 식각의 비등방성이 높아지게 되는 것이다.

 

 플라즈마 식각 기술은 양이온을 생성하여 물리적 식각을 시행할 뿐만 아니라, 식각 대상물질을 약하게 만들고, 식각에 사용하는 기체의 반응성까지 높여준다. 이를 통해 화학적 식각의 장점인 선택비와 물리적 식각의 장점인 비등방성을 동시에 취한다. 

 

  RIE를 사용하더라도 식각만으로는 100% 원하는 패턴을 만들어낼 수 없다. 따라서, 기타 조절되지 않는 문제들은 기체의 조합을 바꾸거나, 하드 마스크를 사용하는 다른 공정단계와 신물질의 도움을 받아야한다.

 

1-3. 식각 기체와 첨가 기체들

 식각에 사용되는 기체들 역시 매우 중요하다. 식각의 핵심은 화학반응이기 때문에, 우리가 제거하고싶어하는 물질에 맞춰 식각 물질을 선택해야한다. 

 

이때, 가스 선택의 핵심은 다음과 같다.

- 생겨난 부산물이 제거하기 용이한가?

- 선택비와 반응 속도가 얼마나 뛰어난가?

 

이때, 식각기체로는 반응성이 좋기로 알려진 할로겐 원소가 주로 사용된다.

 반도체 제조과정에서는 다양한 물질을 웨이퍼 위에 바를 수 있으므로, 이론상 식각해야할 물질의 수는 무한하다.

 

 예를들어, Si 계열의 물질은 불소 가스로 제거된다. 규소는 불소와 만나면 불화규소를 형성하는 성질이 있는데, 이 불화규소는 기화가 잘 되기 때문에 빠르게 제거할 수 있다. SiF4의 경우, 기화점이 약 영하 90.3도 이므로 반응과 동시에 바로 기화되어 표면에서 식각이 일어나고 나면 바로 기체가 된다.

 

 절연막이나 보호용으로 흔히 사용되는 이산화규소(SiO2) 역시 불소를 가진 기체로 쉽게 제거되나 Si와는 달리 이미 산소와 결합한 안정적인 상태이므로, 열을 발생시키는 기체(발열 반응을 동반하는 기체)를 사용해야한다는 차이가 있다. 이를 위해 불소에 탄소(C)가 결합된 기체들을 식각용 기체로 주로 사용하게 된다. 

 

 HKMG, BEOL 공정에서는 금속성 물질을 식각해야한다. 금속은 일반적으로 할로겐 계열과 반응은 하나, 부산물의 기화점이 높아 제거가 어렵다. Cu의 경우 부산물의 기화점이 1000도가 넘는다. 따라서, 구리가 식각 가스와 반응시 겉에 녹이 슬듯 달라붙는다. 만약 1000도로 올리더라도 중요 소자가 손상될 수 있다. 따라서, Cu는 압도적으로 좋은 전기적 성능을 가지고 있지만 이러한 문제로 인해 Al로 대체되어 사용되다가 '다마신 공법'이 개발되고 나서야 사용될 수 있었다.

 

다마신 공정의 모습

다마신 :
미리 만들어 놓은 틀 속에 melting된 금속 액체를 주입해 넣듯, 전해도금(electroplating)으로 구리를 채워 넣는 방식

 

 또한, 첨가 기체도 중요한데, 식각 과정에서 산소, 질소, 수소 등 다양한 가스를 추가하면 원하는 특성을 얻을 수 있다. 예를 들어, 수소의 경우 규소 제거 과정에 첨가하면 비등방성을 높여주는 내벽을 생성한다. 또한, 불활성 기체를 첨가하기도 하는데, Ne가스의 경우 식각 기체의 농도를 조절하거나 물리적 식각 효과를 제공한다.

반도체 공정 [21] 금속 배선 공정 (3) Cu 전해 도금 (Electroplating): 다마신(Damascene) 공정

 

 

 최근 노광기의 발전을 통한 밀도 상승이 한계의 다다르며, 식각의 중요성이 더욱 커지기 시작했다. CPU와 AP같은 제품에서 나오는 FinFET가 그러한 예 중 하나이다. 특히 SK하이닉스와 같은 메모리회사는 주력 상품인 DRAM과 NAND 모두 식각에 크게 의존한다. DRAM의 경우 데이터를 담는 방인 Capacitor를 점점 더 높게 만들어야하는 문제가 있으며, NAND의 경우 가장 먼저 3차원화가 진행되어 식각 한번에 100개가 넘는 층을 뚫어야 한다. 이러한 3차원 제품들은 매우 높은 종횡비를 가지고, 높은 신뢰도 확보를 위해 식각 시작 부분과 지름이 거의 차이가 나지 않아야 하는 등 식각이 해결해야 하는 과제 역시 무궁무진하다.

 

참고자료

[반도체 전공정 4편] 그려진 패턴을 파내는 ‘식각 공정’ (4/6) | SK hynix Newsroom

[반도체 특강] 다마신 구리 배선 방식_ 알루미늄의 한계를 극복하다 | SK hynix Newsroom