2025.02.12 - [분류 전체보기] - 반도체 공정 [12] 식각 공정(Etch) (2) Reactive Ion Etch(RIE)
반도체 공정 [12] 식각 공정(Etch) (2) Reactive Ion Etch(RIE)
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건식 식각 장비
건식 식각은 주로 RF 플라즈마 장비를 이용한다. DC discharge 플라즈마 대신 사용하는 이유는 다음과 같다.
< RF플라즈마를 사용하는 이유>
1. DC 플라즈마는 반드시 도체여야 하지만, RF 플라즈마는 전극으로 도체와 부도체를 모두 사용할 수 있다.
2. DC는 경우 반드시 노출이 되어야 하므로, 전극 물질의 스퍼터링이나 식각 등에 의해 웨이퍼가 오염될 수 있지만, RF는 노출이 되지 않아도 방전이 가능하기 때문에 오염 위험도가 낮다.
3. RF 방전의 경우 전자가 RF의 영향으로 주파수에 맞춰 이동 후 충돌이 증가하여 이온화 효율이 더 높다
4. RF 플라즈마의 방전 유지 압력이 낮다.
RF 플라즈마를 형성하기 위해 CCP방식을 주로 사용하게 된다.
CCP(Capacitor Couple Plasma, 용량 결합형 플라즈마)
: 반도체 공정에서 플라즈마를 생성하는 방식 중 하나로, RF 전력을 전극에 가하여 전기장의 진동을 통해 플라즈마를 생성하는 방식.
RIE 공정이나 PECVD(박막증착) 공정에서 주로 활용한다.
CCP 방식의 동작원리에 대해 살펴보자.
챔버 내부의 상부전극인 드라이브 전극과 하부전극인 웨이퍼 전극이 있는데, RF 전력은 하부전극인 웨이퍼 쪽에 인가 되고 상부 전극은 접지된다. 전극 사이의 공간은 유전체로 절연되어 있어, 전극이 축전기(Capacitor)의 역할을 한다.
RF 전력이 전극에 가해지면, 전기장이 진동하면서 챔버 내부의 기체 분자가 이온화되고 전자와 이온이 생성되면서 전자가 높은 에너지를 가져 이온화 반응을 촉진해 전극 사이에서 플라즈마가 유지된다.
ICP(Inductively Coupled Plasma, 유도 결합형 플라즈마)
반도체의 집적도 증가로 인해 요구되는 선폭이 좁아지면서 건식 식각은 점차 어려워지고 있고, 건식 식각 특성을 개선하기 위해서는 플라즈마 내 이온이 기판에 보다 수직으로 입사를 해야하며 반응성 이온의 양이 증가해야한다. 하지만 CCP의 경우 기판에 입사하는 이온의 양과 에너지를 독립적으로 조절할 수 없다는 단점이 존재한다.
낮은 압력에서 진행하는 CCP의 경우 이온의 방향성을 개선하려하면, 이온의 밀도가 낮기 때문에 식각속도가 느리면서 이온에너지가 높아 소자에 손상을 줄 수 있으며, 반응성 이온의 양을 증가시켜 식각속도를 높이기 위해 높은 압력을 사용한다면 기판에 이온하는 이온의 방향성을 방해한다. 따라서 등방성 식각이 강해지고, 수직 형상의 식각을 하기가 어려우며, 이러한 이유로 CCP는 기판의 손상이나 선폭의 감소 현상을 발생시킨다.
이러한 CCP의 단점을 개선하기 위하여 다양한 형태의 고밀도 플라즈마가 개발되고 있다.
고밀도 플라즈마 장치에는 유도결합형 플라즈마인 ICP(Inductive coupled plasma), 헬리콘 플라즈마, ECR(Electron Cyclotron resonance) 플라즈마 방식 등이 존재한다. 현재 이중에서 가장 많이 사용되는 것은 ICP 방식이다.
ICP는 RF 코일을 이용하여 고밀도의 플라즈마를 생성하는 방식으로 CCP보다 플라즈마의 밀도가 높고 이온 에너지를 독립적으로 조절할 수 있어 식각 공정이나 증착 공정에서 사용 시 정밀도가 높다는 특성을 가지고 있다.
챔버 상부에 존재하는 유도코일에 RF 전력이 인가되면 전자기 유도 현상(패러데이 법칙)으로 전자가 가속된다. 이렇게 가속된 전자가 기체 분자와 충돌하면 플라즈마를 생성할 수 있다.
이들은 하부전극에 별도의 RF 전력을 인가하여 바이어스를 조절할 수 있고, 플라즈마 밀도와 이온 에너지를 독립적으로 제어할 수 있다.
ICP의 특징을 정리해보자.
<ICP의 특징>
1. CCP보다 높은 플라즈마 밀도
2. 독립적인 이온 에너지 조절 가능
- 바이어스 전압을 별도로 조절 가능. 기판의 손상을 줄일 수 있음
3. 균일한 플라즈마 분포
4. 빠른 식각 속도
- 고밀도 플라즈마의 응용
5. 고난도 공정 적용 가능
6. CCP보다 낮은 압력에서 공정(비등방성에 유리)
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