반도체 공정 [11] 식각 공정(Etch) (2) 건식 식각과 플라즈마(Plasma)

2025.02.12 - [반도체 공부/반도체 공정] - 반도체 공정 [10] 식각 공정(Etch) (1) 습식 식각, 건식 식각

반도체 공정 [10] 식각 공정(Etch) (1) 습식 식각, 건식 식각

 

 

  플라즈마는 중성입자, 라디칼, 하전입자( 양성자, 음이온, 전자 )의 집합체로 준중성 상태의 기체이다. 우리가 반도체 공정에서 사용하는 플라즈마는 이온화 비율이 매우 낮은 저온 플라즈마이다. 백만 개의 가스 분자중 1,000개 정도가 라디칼이고 1개 정도가 이온화 되어있는 상태로, 실제 플라즈마 공정에서 식각 반응을 일으키는 것은 라디칼이다.

 

 

구성요소를 정리하면 다음과 같다.

1. 중성 분자: 자연상태에서 존재하는 안정된 상태의 중성 기체
2. 라디칼(Radical): 반응성이 매우 좋은 중성 기체. 플라즈마로부터 에너지를 흡수하여 활성화되어있음.
3. 이온(Ion): 중성 원자, 분자에서 전자를 잃거나 포획한 상태로 양이온과 음이온이 있으며, 플라즈마 공정에서는 주로 양이온을 사용한다.
4. 전자: 중성원자에서 탈출한 전자. 플라즈마를 유지하고, 외부 전압에 빠르게 반응하여 바이어스 특성으 결정한다.

 

 

플라즈마 식각 가스의 종류. 출처: Sk 하이닉스 뉴스룸.

 

 플라즈마 식각 공정 중 발생하는 현상은 크게 4가지로 구분할 수 있고, 이 4가지의 현상이 상호작용하면서 식각 공정이 이루어진다.

 

 

1. 스피터 식각(Sputter Etch; Physical Sputtering)

 

 높은 에너지를 가지는 이온이 웨이퍼의 표면과 충돌하며 표면의 물질을 물리적으로 탈착 시키는 것.

 

 주로 이방성의 식각을 유도하고, 순수 물리적 충격으로 식각이 일어나기 때문에 선택성이 낮다는 특징이 있다.(  마스크의 위 아래에서의 식각률이 차이가 크지 않다). 식각 부산물이 기화되지 않으면 다시 표면에 재부착될수도 있다.

 

 

2. 화학적 식각(Chemical Etch)

 

 반응성이 좋은 라디칼이 표면에 흡착하여 화학반응을 통해 휘발성이 좋은 반응 생성물이 형성되어 식각이 진행되는 것.

 

 특정 물질만 반응하여 식각되므로 선택성이 높고, 등방성 경향을 가진다. 

 Si식각 시 Cl2를 사용하여 SiCl4를 형성 후 휘발하거나, SiO2를 식각시 CF4를 사용하여 SiF4를 형성한 후 휘발하는 방식이다.

 

3. 식각 반응 촉진(Ion Enhanced Etching)

 

 이온 충격으로 스퍼터링 현상이 일어날 정도는 아니지만, 표면 물질의 결합을 느슨하게 하여 라디칼에 의한 후속 화학 반응을 촉진시키는 것. 즉, 물리적 반응과 화학적 반응이 동시에 일어나 식각이 가속화 되는 현상이다. 

 

 RIE(반응성 이온 식각)의 핵심 매커니즘으로, 이방성의 특성을 가지며, 높은 선택성과 식각속도를 가진다.

 

4. 방막형성 통한 식각 반응 억제: 폴리머 형성

 

 비휘발성 반응 생성물이 표면에 증착되어 얇은 막을 형성하여 라디칼에 의한 화학 식각을 방해하는 것이다.

이때 수평 부위의 폴리머는 수직 방향으로 수직 방향으로 입사되는 이온의 충돌로 제거되어 화학 식각이 게속 진행되지만, 측면 부위의 막은 제거되지 않아 더 이상의 화학 식각이 진행되지 않는다.

 

 이방성을 강화하여 식각의 방향성을 강화하고, 특정 영역에서의 식각을 억제해 패턴 형성을 정교하게 만든다는 특징이 있다.