[ Etch 시리즈 ] 1. Etching 공정에 대해서

이 시리즈에서는 8대 공정 중 식각, Etching에 대해 다뤄보겠습니다.

 

Etching이라는 건 결국 특정 패턴에 대해 실제 칩의 형태를 가공하는 과정이라고도 볼 수 있겠는데요.

 

정말 중요한 공정이라고 생각됩니다.

 

그럼 바로 시작하겠습니다.

 

Etch

Etching은 식각이라고도 하고, 칩에서 우리가 photo 과정을 통해 그려놓은 패턴에 대해, 

원하는 곳을 실제로 깎아내는, 제거해내는 과정입니다.

 

이게 wafer bulk가 될 수도 있고, 증착해놓은 박막이 될 수도 있겠죠.

 

간단하게 분류를 하자면, 모든 방향으로 동일하게 식각되는 isotropic, 그 반대로 Anisotropic

그리고 방법에 따라 Wet etch, Dry etch 등으로 나눌수 있는데요. 관련해서는 뒤로 가면서 천천히 다뤄보겠습니다.

 

 

Selectivity는 선택비라고 보면 되는데요.

쉽게 설명하면 $\frac{식각 대상 속도}{식각 안하는 애들}$

이렇게 둘 수 있는데, 결국 선택비가 높다는 건, 원하는 물질이 식각이 잘된다는 의미 입니다.

선택비가 낮다는 건 반대로, 식각이 되면 안될 것 까지 식각이 되어 버릴 수 있다는 의미죠.

 

Etch에서는 항상 언제, 어떻게 Etch를 멈출 것인가? 이것이 문제입니다.

 

Si에서 KOH같은 염기 용액으로 하는 경우엔 Self-limiting etch라는 특이한 케이스가 생길 수 있습니다.

격자구조 차이로 인해, etch가 중단됩니다.

 

wet, dry 모두 사용가능하지만, 실제 양산에서는 쓰지 않는 Timed etch가 있습니다.

그냥 몇초 잡아 놓고 멈추는 건데요, 이게 당연히 쉽지만 부정확하겠죠.

 

Insulator etch stop도 dry, wet 모두 가능합니다.

그리고 정말 많이쓰는데요.

전체 공정에 영향을 주지 않는 layer를 선택해야 합니다.

 

Etch stop via doping은 산화/환원의 차이에 의한 etch stop입니다..

 

 

다음으로는 Etching 공정에서의 parameter들을 다뤄보겠습니다.

먼저 다양한 parameter 들에서 최적의 조합을 찾아야 합니다.

 

Uniformity는 wafer내 Etch rate의 분포가 얼마나 균일한지를 의미합니다.

당연히 균일하게 etching이 되는 것이 좋겠죠.

 

 Etch rate 측면에서는 높은 식각률이 필요합니다. 양산성을 위해서인데요.

그러나, Damage나 선택비 측면에서 적절히 낮춰서 사용할 필요도 있습니다.

 

Etching profile은 Etching의 형태에 대한 이야기 인데요. 원하는 형태를 띄게 하는 것이 중요하겠죠.

 

그리고 Damage나, 표면의 거칠기, 조도 등을 고려해 주어야 합니다.

Wet etching

Wet etching은 Etchant, 즉 식각 용액과 화학 반응을 통해 식각하는 공정을 의미합니다.

Wafer를 용액에 Lot 단위로 담궈버리거나, 반대로 용액을 Wafer에 뿌리는 방식입니다.

용액의 방향을 컨트롤하는 것은 어렵기 때문에 일반적으로 등방성, isotropic 식각입니다.

 

Wet etching 과정을 생각해보면, 우선 immersion하는 공정이라고 가정할 때,

tank에 immersion해서 Etch를 할테고, 이후 Rinse과정을 거친 다음 Dry로 갑니다.

쉽게 말하면, etch할 etchant가 있는 곳에 Lot 단위로 Wafer를 담궈버립니다.

그러면 Etch가 일어날 테고, 이 종료시점은 이전에 살펴본 Parameter들과, etch stop 방법을 이용합니다.

 

이후 이 Wafer들을 DI water로 씻어냅니다.

그리고, 이후 공정을 위해 water를 Dry해야하는데, 실험실에서 낱장을 다룰 때는 그냥 Gun으로 N2같은 기체를 쏴서 말리는데요.

실제 양산에서는 Spin drying을 하는 편입니다.

 

이때 용액을 조금 더 살펴보겠습니다.

우리가 Etchant라고 말은 했지만, 사실 Etchant를 사용할 때 생각할 것이 있습니다.

이 Etch rate가 시간에 따라 감소한다는 점과, 초기 Etch rate가 과도하게 높을 수 있다는 점입니다.

이를 조절하기 위해서, Buffering agent라는 물질을 같이 섞어서 사용합니다.

 

 

Wet etching은 Wet station, 혹은 Wet bench라는 장소에서 진행을 합니다.

설비라는 말보단 장소라는 말이 더 적합하겠네요.

 

산, 염기, 유기 등 사용되는 용액에 따라 구분합니다.

 

 

Dry etching

Dry etching은 중성 Gas를 사용해서 Plasma 형태로 진행합니다.

Plasma에서 Ion과 Radical을 이용하는데요.

주로 비등방성 식각에 쓰입니다.

 

 

그 과정을 간단하게 보자면,

Radical이 형성되고, 이게 표면에 흡착된 상태에서, 반응이 일어나고,

이 반응에 의한 생성물이 기화되어 날아가는 방식입니다.

그래서 반응성이 좋은 Etching gas가 필요하고, 쉽게 기화가 되어야 합니다.

 

사실 위 방법 말고도 Dry etching은 여러 방식이 있습니다.

우선 크게는 중성 Radical 입자에 의한 Chemical etch, 그리고 가속된 Ion에 의한 물리적 식각, Ion bombardment가 있습니다.

 

Chemical etch는 중성 radical 입자에 의해 화학적 반응을 하는데요.

사실 이게 위에서 먼저 간단히 살펴본 방식이죠.

Damage가 적은 방식이지만, 방향을 제어하거나 하기는 어렵습니다.

그래서 등방성을 띄죠.

 

반면 Physical 방식, Sputtering etching 혹은 Ion bombardment는 가속된 Ion을 사용합니다.

비등방성을 띄는데요. 대신 Electrical damage가 많습니다.

Ion이 박힌다던지, 조도가 거칠게 된다던지요.

게다가 전극을 통해 어떤 field를 형성해 가속하기 때문에 Single wafer type입니다.

 

근데 위 두가지 케이스 모두 etch rate가 상당히 느립니다.

그래서 그 대안으로 혼합하는 공정을 사용합니다.

이렇게 중앙이 혼합인데, etch rate가 확실히 높은 것을 볼 수 있습니다.

 

Dry etching에 사용되는 설비는 가장 기본적으로 CCP, Capacitively coupled plasma를 들 수 있습니다.

양쪽에 전극을 두고, plasma를 발생시키는 설비를 말합니다.

일반적으로는 DC보다는 RF가 가속이 잘 되기 때문에 그렇게 사용합니다.

 

그 나름대로도, wafer의 반대쪽에 source를 두면, Ion 에너지가 낮고, Radical에 의한 등방성 식각이 생깁니다.

damage는 아무래도 덜 하겠죠. 이를 Plasma etcher라고 합니다.

 

그리고 RIE는 Wafer 쪽에 Source를 주는 것입니다.

이는 높은 Ion energy로 Wafer를 etch하게 됩니다. 비등방성 식각이 일어나죠.

 

그리고 Triode 방식은 양쪽에 두는 거고, 이걸 frequency로 에너지나 플라즈마 농도를 조절해서 사용합니다.

 

하지만 전체적으로 Uniform하게 Plasma가 생기는데 비해, 밀도가 낮습니다.

그래서 고속 식각에 불리한 측면이 있습니다.

 

그래서 개선을 위해 대표적으로 ICP-RIE, 즉 Coil을 통해 자기장을 형성시키고, 유도 전기장으로 전자를 가속시켜

고밀도의 Plasma를 얻습니다. 다만 Damage가 존재하겠죠.

 

이 Dry etching에 영향을 주는 Parameter도 많습니다.

하지만 일부만 살펴보겠습니다.

 

압력은 Radical과 Ion dominance에 영향을 줍니다.

https://www.researchgate.net/figure/Ion-and-radical-flux-in-a-pure-hydrogen-plasma-50-sccs-60A-Ion-flux-measurements-are_fig2_260333625

압력이 커지면, 전자의 scattering이 많이지고, Radical이 dominant해집니다.

반대는 Ion이 dominant하구요.

 

그리고 Gas를 어떻게 사용하느냐도 중요합니다.

반응성이 높은 중성가스를 사용하기 위해, 17족 Hlogen gas를 사용합니다.

그 중에서도 Etching후 by-product가 기화가 잘 되는지를 따져줘야 합니다.

 

Source의 power를 조절하는 것도 중요한데요. 이게 클 수록 식각이 빨라집니다.

하지만 관련된 이슈들이 있겠죠.

 

그리고 Bias power에 대해서도 Ion energy가 증가하고, 식각속도가 빨라지는데

과도할 경우 damage가 발생합니다.

 

 

마지막으로 Wet etching과 Dry etching을 비교하며 마무리 하겠습니다.

Wet etch는 Low cost공정이고, Lot 단위 작업을 하기 때문에 throughput이 높습니다.

하지만 미세한 공정에 사용되기는 어렵고, 수직형태의 anisotropy 구현이 어렵습니다.

또한 유해 물질등의 이슈가 있죠.

 

Dry etching은 반면에 high resolution에, anisotropy 구현가능 특성으로 미세한 패턴까지 식각하기 유리합니다.

또한 Bosch process등 응용으로 High aspect ratio 구조에 유리하죠.

 

대신 장비 가격이 비싸고, 보통 Single wafer 공정이기 때문에 throughput이 낮습니다.

그리고 plasma를 사용하기 때문에 damage 이슈등이 있습니다.

 

그럼 여기까지 Etching 공정에 대해 대략적이지만, 기본적인 내용들을 모두 다뤘습니다.

 

읽어주셔서 감사합니다.