7/25 (월) 엔지닉 반도체 빡공 스터디 6일차

 

11차시 식각 공정(1)

 

1. 플라즈마의 정의

 

- 제 4의 물질 – 윌리엄 크룩스(1879), 최초의 플라즈마 명명 – 어빙 랑뮈르

- 플라즈마를 한마디로 하면 이온화된 기체

- 플라즈마 = 중성입자 + 전자 + 이온 + 활성종(라디칼) + 여기된(excited) 중성종 + 광자(빛) => 여러가지 입자들의 총합이다.

- 반도체 공정의 플라즈마의 이온화율 -> 약 0.001% ~ 수% 정도

- 특성 -> 전기적 준 중성 상태(Quasi-Neutrality) (전체적으로는 +이온, -이온, 전자, 중성 등 전체적으로 중성상태, But 극소적으로는 +이온이 많을 수도, -이온이 많을 수도 있다.

 

 

2. 플라즈마의 생성

 

- 진공 Chamber에 반응 Gas를 주입 -> 강한 전기장 인가 -> 전자 가속(고온 전자) -> 중성원자와 충돌 -> 이온화 -> 새로운 전자 생성 -> 이온화 연쇄반응 -> 플라즈마 상태 유지

 

진공 Chamber

- 저온 전자 가 강한 전기장을 만나 고온 전자가 되고 그러한 고온 전자가 반응 Gas인 중성종과 충돌 -> 중성종(활성종)(Radical), 이온, 전자로 분리되고 이를 플라즈마라고 한다.

 

이온화

- 고온 전자가 중성종과 충돌하여 전자가 튀어나와 양성자와 전자 2개로 나뉘어 지는 것(나뉘어진 전자들은 연쇄반응으로 플라즈마 생성)

 

여기(Excitation) / 탈여기(Relaxation) / 광자(Photon)

- 여기(Excitation) : 전자가 들어와 원자안의 전자를 충돌시켜 E를 받은 전자가 궤도(오비탈)이 높은 쪽으로 바뀐 상태

- 탈여기(Relaxation) : 원래 궤도로 찾아가는 과정

- 광자(Photon) : 이때 받은 E를 빛으로 내는 것 (빛이 나면 플라즈마가 생성되는 것을 알수 있음.

 

해리

CF4(안정)가 전자와 충돌하여 CF3 + F(둘다 전기적 중성)가 되었지만 굉장히 불안한 상태 -> 다른 물질과 만나면 금방 반응해 버린다(반응성 증가) (이를 활성종(중성종 중 반응성이 큰 것)이라 한다.))

 

=> 반도체는 활성종과 이온을 사용한다.

 

 

3. 플라즈마 특성

 

1) 이온화 에너지 (세로 cross-section/m^2 * 가로 electron energy/eV)

전자들의 E에 따라 이온화가 일어날 수 있는 확률 ( 같은 E에서 높으면 이온화가 쉽다.)

ex) 여기 ~11.56eV @Ar

이온화 ~ 15.8eV @Ar

 

- Ion화가 일어날 수 있는 최소 에너지 -> 원자로부터 가장 약하게 결합되어 있는 전자를 제거하는데 드는 에너지(~15.8eV @Ar)

- 전자 에너지 >> 100eV -> 전자의 속도가 너무 빨라 충돌 확률 감소 (전자가 Ar의 전자에 에너지를 전달할 시간이 없음)

 

2)파셴 커브 (Paschen’s Curve) (세로 방전전압(V) * 가로 압력(P) x 거리(d))

이때 방전전압은 플라즈마가 발생할 수 있는 최소 전압 (낮을수록 효율이 좋다)

압력은 Chamber내 압력, 거리는 전극 간의 거리이다.

 

- Low p x d

-> 전자가 Gas 분자와의 충돌 없이 양극에 도달 -> 방전 전압 증가 (높은 전압을 걸어줘야 Plasma가 생성된다)

① 압력이 너무 낮게되면 Mean Free Path(MFP)로 인해 전자가 다른 Gas분자와 MFP가 길어진다 -> 충돌확률 감소

② 거리가 너무 짧게 되면 충돌할 기회도 없이 전극에 들어간다.

 

- High p x d

-> 전자가 Gas 분자와의 너무 많은 충돌 -> 이온화 에너지가 부족

압력이 높기 때문에 전자가 많아진다 -> 공기랑 부딛힐 확률 증가 -> 방전이 일어날 충분한 E를 못받는다.

 

- 최적 조건 -> 최상의 공정 결과 기준으로 Setting

 

 

4. 직류 플라즈마 (DC Plasma)

 

플라즈마 전위 및 플라즈마 쉬쓰 (Sheath)

 

1) 플라즈마 전위

- 진공 Chamber내에 원래 –전극에서 +전극까지 전압의 Potential이 직선으로 나타나야 하지만 쉬쓰에 의해 그렇지 않게된다.

 

2) 플라즈마 음극 쉬쓰 (Cathode)

- 강한 음의 전압 인가 -> 양이온으로 가득 참

- 어두운(Dark) 영역 -> 음극 쉬스(Cathode Sheath)

- 양이온이 강한 전기장에 끌려 높은 에너지로 음극에 충돌 -> 스퍼터링(Sputtering) -> 2차 전지 생성 (스퍼터링(Sputtering) : 양이온이 와서 전극에 때리게 되는데 이때 원자들이 E를 받아 Bonding E를 깨면서 튀어나가는 현상 -> 이온화에 참여)

- 전자의 종류 ① 저온전자가 고온전자로 바뀌면서 중성원자랑 부딛혀 나오는 전자, ② 음극에서 부딛혀 나오는 2차 전자 => 플라즈마생성 (2번의 전자가 기여도가 높다)

 

음극 쉬쓰 생성 원리

강한 –Vc를 주었을 때 원래 있던 전자들은 플라즈마 안으로 들어간다 -> 음극 쉬쓰에는 양이온만 존재한다 -> 강한 –인 Vc쪽으로 양이온이 끌려가게 된다. -> 음극 쉬쓰에는 전자가 없다 -> 여기/탈여기과정이 없어 발광도 하지 않고 이온화도 되지 않아 플라즈마가 생성되지 않는다. -> 어두운 영역이 생긴다.

음극 쉬쓰 내부에는 전압으로 인해 양이온이 가속된다 -> 양이온이 음극 전극에 충돌할 때, Al이나 Si를 넣으면 이온이 때린다 => 스퍼터링(Sputtering) 발생

 

3) 플라즈마 양극 쉬쓰 (Anode)

- 전자의 속도 >> 이온의 속도 (~x1,000)

- 접지 전극 -> 빠르게 전자가 빠져 나감

- 전극 근처는 양이온으로 가득 참

- 양이온 -> 공간 전하로 작용 -> 접지 전극 대비 전위 증가

- 플라즈마 전위(Vp) 형성 -> 전자 진입 방해

- 어두운 영역(Dark Space) (*양극 쉬쓰도 전자가 없기 때문에 빛을 발광하는 여기/탈여기 과정을 거치지 않아 발광하지 않는다) -> 양극 쉬쓰 (Anode Sheath)

 

양극 쉬쓰 생성 원리

+전극

전자(e)는 엄청 빨리 이동하여 GND로 들어간다 -> 양이온도 어느정도 빠져나가 Uniform하게 있다가 떨어진다.(이때 전자의 농도 = 0) => 플라즈마 전위부로 Potential 증가 / 양극 쉬쓰 Potential 감소 -> 양이온의 농도 감소 => 따라서 플라즈마 전위(Vp)가 0V보다 높다.

-전극

플라즈마 안에 있는 전자의 입장에서 +를 좋아해 오른쪽으로 가는데 전압이 더 낮으니까 다시 돌아간다 -> Up-Hill에 의해 전자들은 hill을(Potential 차이) 넘지 못해 Plasma안에 갇힌다(전자 진입 방해하는 상태)

 

5. 고주파 플라즈마 (RF(Radio Frequency) Plasma) - 필요 이유

 

- 직류(DC) 플라즈마는 전도체 금속(Sputtering현상이 발생하여 플라즈마가 잘 만들어진다)일 때 사용 가능하고 부도체의 경우 문제가 발생한다. (Chamber 안에있던 e가 E를 받아 중성자를 때려 발생된 양이온이 – 전극 쪽으로 간다. If 전극이 도체로 구성되어 있다면 전자가 나가 중화를 시키게 되어 전류가 흐르게 된다. Else 전극이 부도체로 구성되어 있다면 양이온이 사라지지 못함(전자공급이 안됨)

- 진공 챔버 내 반응 가스 주입 후 전개 회로 ON -> 양이온이 부도체의 Potential을 올리게 됨(부도체에 이온 대전(Charge-up)) -> 플라즈마 생성 -> -극에 +이온 가속되어 부도체 표면에 충돌 -> 부도체 표면의 -전하를 중화 -> +이온 축적 -> -극 전압 상승 -> 두 전극 간의 전압 차 감소(ΔV 감소) -> 플라즈마 꺼짐

=> 플라즈마를 지속적으로 유지 -> 절연체 표면에 축적된 전하 제거 필요 -> RF(고주파) 플라즈마(13.56MHz) 사용

 

=> 따라서 RF Plasma의 장점

1) RF 극성 변화 -> 전하 축적 방지

2) RF 주기에 따른 전자 왕복 -> 중성 원자와 충돌 증가 -> DC플라즈마 대비 효율 증가

 

 

6. 고주파 플라즈마 (RF(Radio Frequency) Plasma) - DC 극성 교번 효과 밖에 없음

 

- RF 인가 -> 플라즈마 유지 -> 두 전극에 동일한 RF 전압 인가(전하의 축적만 방지하기 때문에) -> DC 극성 교번 효과 밖에 없음 -> 스퍼터링(Sputtering)을 위한 특정 전극 큰 Bias(음극 쉬쓰) 필요 -> 직류 자기 바이어스(DC Self Bias)를 만들어 줘야한다.

- DC 자기 바이어스

① 요건 : DC 전류 차단용 차단 캐패시터(Blocking Capacitor) 및 두 전극 간 면적 차이 필수

② 원리 : 전력 전극 -> 전자 속도 >> 이온 속도(전자의 속도가 월등하게 빨리 이온은 천천히 오게 되는데 전자는 엄청 빨리 온다 -> 전력 전극이 +일 때 같은 면적당 전자의 밀도가 훨씬 높아 전자가 축적된다 -> 극성이 바뀌어도 +이온이 천천히와 중화시키는 것 보다 다시 +가 되어 전자를 확 끌어당기는 힘이 딸려 전력 전극이 점점 더 – 쪽으로 내려가게 된다(Shift)) -> 음 전압 형성 -> 반복 -> 평형(순 전류 zero) 조건 만족 음 전위 형성 => DC Self Bias 생성 -> 따라서 DC 플라즈마와 유사한 음극 쉬쓰 / 양극 쉬쓰를 가지고 플라즈마 포텐셜(Vp)가 생긴다.

 

① 동일 면적 전극

- 동일 시간내에 들어오는 전자의 수, 즉 면적당 전자의 수가 동일 (Cap이 있다 하더라도 평균적으로 양쪽 전압이 동일)

- 양쪽 전극 전압 동일 -> Sputtering을 위한 DC Self-Bias 생성 안됨

 

② 전력 전극 면적 > 접지 전극 면적

- 접지 전극 -> 면적이 넓어 전자 흡수

- 전력 전극 쪽의 면적당 전자 수가 증가 -> 축적

- 전압차 발생

=> DC Self-Bias 생성

 

 

 

12차시 식각 공정(2)

 

1. 식각 공정의 정의

 

- 박막의 전부 또는 Photo 공정에서 정의된 일부를 물리, 화학적 방법으로 제거하는 공정으로, 주로 반응성이 강한 할로겐 계열(불소(F), 염소(Cl) 등) 물질(액체/기체) 사용

 

 

2. 식각 공정의 종류

 

습식 식각(Wet Etch)

 

- 식각제 : 액상 화공약품 (불상(SiO2), 질산(SiN2) 등)

 

- 원리 : 화학적 반응

 

- 방향성 : 등방성 (undercut)

 

- 최소선폭 : ~2um

 

- 선택비 : 높음

 

- 적용 : 전면 식각 / 제거

 

- 장점 : 저비용, 공정 단순, 높은 생산성

 

- 단점 : 미세 패턴 불가(등방성, 표면장력), 폐액 처리 문제

 

 

건식 식각①(Dry Etch)

 

- 식각제 : 활성종

 

- 원리 : 화학적 반응

 

- 방향성 : 등방성 (undercut)

 

- 최소선폭 : 패턴 형성 목적 아님

 

- 선택비 : 높음

 

- 적용 : 전면 식각 / 제거 / 세정

 

- 장점 : 폐액 처리 불필요

 

- 단점 : --

 

 

건식 식각②(Dry Etch)

 

- 식각제 : 이온 / 이온 + 활성종

 

- 원리 : 물리 / 물리 + 화학적 반응

 

- 방향성 : 이방성

 

- 최소선폭 : ~nm

 

- 선택비 : 습식 대비 상대적 낮으나 제어 가능

 

- 적용 : 패턴 형성

 

- 장점 : 미세 패턴 가능, 폐액 처리 불필요

 

- 단점 : 고비용, 생산성 낮음

 

 

3. 건식각 공정의 원리와 특성 비교

 

1) 플라즈마 식각

 

- 원리 : 식각제 흡착 -> 식각제/박막 반응 -> 부산물 제거 (휘발성)

 

- 식각제 : 활성종 (화학적 식각)

 

- 방향성 : 등방성

 

- 선택비 : 우수

 

- 적용 : 스트립, 애싱

 

 

2) 스퍼터 식각

 

- 원리 : 웨이퍼 -> 음극, 플라즈마 -> Ar+, Ar+에 의한 스퍼터링

 

- 식각제 : 이온

 

- 방향성 : 비 등방성(이방성)

 

- 선택비 : 나쁨

 

- 적용 : 비아 전세정

 

 

3) 반응성 이온 식각 (Reactive Ion Etch, RIE)

 

- 원리 : Ar+ + 활성종 , 이온 충돌 -> 표면결합약화, 활성종 -> 반응성 증가

 

- 식각제 : 활성종 + 이온

 

- 방향성 : 비 등방성(이방성)

 

- 선택비 : 좋음

 

- 적용 : 패턴 식각

 

 

4. 식각 공정 주요 변수

 

1) 식각률 (식각 속도)

- 식각율 = Δd/t (nm/분)

- 두께 변화 Δd = d0-d1 (nm), 식각 시간 t(분)

 

2) 식각 선택비

- 다결정 실리콘에 대한 산화막의 식각 선택비 S = E1/E2

 

3) 식각 바이어스

- DI > FI -> (-)bias *DI : Develop Inspection (포토)

- DI < FI -> (+)bias *FI : Final Inspection (식각)

 

4) 균일도

- 웨이퍼 내 (With In Wafer, WIW)

- 웨이퍼 간 (Wafer To Wafer, WTW)

 

다중 point 측정

표준 편차 (~3σ)

NU(%) = (Emax – Emin)/2Eave

*Emax : Maximum etch rate measured

*Emin : Minimum etch rate measured

*Eave : Average etch rate

 

 

5. 식각 측면 형상

 

①이방성

 

②등방성

 

③테이퍼 (tapered)

④보우잉 (Bowing)

 

⑤푸팅 (Footing)

 

⑥노칭 (Notching)

 

⑦역 테이퍼 (reversed tapered)

 

⑧I-beam

 

⑨마이크로 트렌치 (micro Trench)

 

⑩도브 테일링 (Dove Tailing)

 

 

6. CCP (Capacitively Coupled Plasma, 용량성 결합 플라즈마)

 

- 커패시터 형태 전극 양단에 전압 인가 플라즈마 생성

① 전극 간 거리 1 ~ 10cm

② 플라즈마 밀도 10^9 ~ 10^11/cm^3

 

- 장점

① 균일한 플라즈마를 형성 -> 대면적 가능

 

- 단점

① 전기장이 한쪽 방향으로만 개방적 -> 상대적으로 저밀도 플라즈마 -> 전극 간 거리가 좁아 전자가 가속되기 전 챔버 벽면 등과 충돌

② 단일 RF 전원 -> 이온에너지와 전자 밀도 독립 제어 어려움 -> 2중 주파수 (Dual Frequency) CCP

③ 저압 -> MFP 증가 -> 이온의 직진성 증가 -> 이방성 개선

- 이온/라디칼 밀도 하락 -> 식각 속도 저하

- 이온 에너지 증가 -> 스퍼터 식각 우세 -> 기판 손상

④ 고압 -> 이온/라디칼 밀도 증가 -> 식각 속도 증가

- 이온 직진성 하락 -> 화학적 식각 우세 -> 이방성 하락

 

반응성 이온 식각 시스템

- 웨이퍼 -> RF 전원 전극

- 챔버 접지 -> 전극 면적차이 증가

 

PE-CVD/플라즈마 식각 시스템

- 웨이퍼 -> 접지 전원 전극

- 챔버 접지 -> 전극 면적차이 감소

 

 

7. ICP (Inductively Coupled Plasma, 유도 결합 플라즈마)

 

- 코일을 챔버 외벽 또는 상부에 안테나 형태로 제작 -> 평면형, 실린더형

- RF 전류 -> 시변 자기장 생성 -> 전기장 유도(원형) -> 전자 회전 가속 -> 챔버 벽과의 충동 방지 -> 고밀도 플라즈마 (10^11~10^13/cm^3)

 

- 장점

① RF 전원 2원화 -> 플라즈마 밀도와 이온 에너지의 독립적 제어 가능

② 플라즈마 밀도 증가 -> 식각 속도 증가 -> 저압 공정 가능 -> 이방성 확보

 

- 단점

① 균일도 하락 -> 대면적화 어려움 -> multi-ICP 등