반도체 공정 [12] 식각 공정(Etch) (2) Reactive Ion Etch(RIE)

2025.02.12 - [반도체 공부/반도체 공정] - 반도체 공정 [11] 식각 공정(Etch) (2) 건식 식각과 플라즈마(Plasma)

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

 

 

 

 

RIE (Reactive Ion Etching, 반응성 이온 식각) 공정

 

 건식의 주요 Etch 방식 중 Sputter 식각과 화학적 식각을 결합하면 어떻게 될까?

 

 

 이 둘을 결합하게 되면 효과적인 시너지 효과가 발생하며, 높은 이방성과 선택성을 가지는 방식이기도 하다.

 

 'RIE 공정'은 건식 식각의 일종으로, 식각 기체를 플라즈마로 바꿔 식각하는 방식이다.

 

 

 

 

 RIE 공정의 기본 원리를 살펴보자.

 1. 플라즈마 생성
- 혼합 기체 ( 반응기체와 불활성 기체 등) 을 진공 챔버에 투입한 후 RF 전원( 강력한 에너지)를 가해 식각 기체가 전자, 양이온, 라디칼 등으로 분리된다.

2. 물리적 스퍼터링
- 전자는 가벼워 큰 역할을 하지 않으나, 무거운 양이온은 전기장으로 인해 웨이퍼 표면을 가속해 물리적 식각을 하게된다.

3. 양이온의 반응
- 양이온이 전기장으로 인해 가지는 직진성으로 아래 그림의 빨간 부분에 주로 충돌하여 충돌한 물질의 결합을 약화시킨다. 이로 인해, 충돌한 물질의 결합을 약화시키게 되고 측면부는 결합이 강한 상태, 전면부는 결합이 약한 상태가 된다. 따라서, 전면부는 반응성이 높은 라디컬과 접촉시 전면부가 빠르게 식각된다.( 비등방성이 높아진다.)

 

 

RIE 공정의 개요. Sk 하이닉스 뉴스룸 출처

 

 이런식으로 이온의 물리적 식각효과와 반응성 가스의 화학적 식각 효과의 시너지에 의한 식각 속도 증가를 활용하는 기술로, 반응성 라디칼이 박막물질과의 화학반응을 일어켜 휘발성 반응물을 형성하여 식각공정이 진행되며 반응성 이온은 가속되어 웨이퍼의 표면과 부딪친다. 

 

 

 즉, 반응성 라디컬을 등방성이지만, 반응성 이온은 전극의 바이어스로 인해 웨이퍼의 수직방향으로 입사되며 기판에 수직으로 충돌하는 효과에 의한 화학 결합을 느슨하게 만들어 반응성 라디컬의 화학 반응을 쉽게 만드는 것이다. 또한, 식각 공정중에 발생하는 비 휘발성 반응물인 폴리머는 Sputter Etching하는 효과가 있는데 이것은 비 휘발성 막이 식각부 하단에는 적고 측면에는 많이 쌓이며 측면은 식각이 되지 않고 하단부만 식각이 진행되는 비 등방성 식각을 진해 할 수 있는 이유이다.

 

 

 RIE 공정의 주요 특징을 정리하면 다음과 같다.

* RIE 공정의 주요 특징

1. 이방성 식각
: 수직 방향으로 식각이 집중되기 때문에 마스크 패턴이 그대로 전사되어 고해상도 공정이 가능하다

2. 높은 Selectivity
: 적절한 가스를 사용하면 특정 물질만 선택적으로 식각이 가능하다.

3.  식각 속도 조절 가능
: 플라즈마 밀도, RF 전력, 가스 유량 조절 등으로 식각 속도 조절 가능

4. 다양한 재료 사용 가능
: Si, SiO2 뿐 아니라 금속 유기물 등 다양한 재료에 적용이 가능하다.