초기 습식 에칭은 세척 또는 애싱 공정의 개발을 촉진했습니다. 오늘날에는 플라즈마를 이용한 건식식각이 주류가 되었습니다.에칭 공정. 플라즈마는 전자, 양이온, 라디칼로 구성됩니다. 플라즈마에 가해지는 에너지는 중성 상태에 있는 소스 가스의 가장 바깥쪽 전자를 벗겨내게 하여 이러한 전자를 양이온으로 변환시킵니다.
또한, 에너지를 가하여 전기적으로 중성 라디칼을 형성함으로써 분자 내 불완전한 원자를 벗겨낼 수 있습니다. 건식 에칭은 플라즈마를 구성하는 양이온과 라디칼을 사용하는데, 양이온은 이방성(특정 방향의 에칭에 적합)이고 라디칼은 등방성(모든 방향의 에칭에 적합)입니다. 라디칼의 수는 양이온의 수보다 훨씬 많습니다. 이 경우 건식식각은 습식식각과 마찬가지로 등방성이어야 한다.
그러나 초소형 회로를 가능하게 하는 것은 건식 식각의 이방성 식각이다. 그 이유는 무엇입니까? 또한 양이온과 라디칼의 에칭 속도는 매우 느립니다. 그렇다면 이러한 단점에도 불구하고 플라즈마 에칭 방법을 어떻게 대량 생산에 적용할 수 있을까요?
1. 화면 비율(A/R)
그림 1. 종횡비의 개념과 기술 진보가 이에 미치는 영향
종횡비는 가로 너비와 세로 높이의 비율입니다(즉, 높이를 너비로 나눈 값). 회로의 임계 치수(CD)가 작을수록 종횡비 값이 커집니다. 즉, 종횡비 값을 10, 폭을 10nm라고 가정하면 식각 공정에서 뚫는 홀의 높이는 100nm가 되어야 한다. 따라서 초소형화(2D)나 고밀도(3D)가 요구되는 차세대 제품의 경우 식각 시 양이온이 하부 필름에 침투할 수 있도록 매우 높은 종횡비 값이 필요합니다.
2D 제품에서 임계치수 10nm 이하의 초소형화 기술을 구현하려면 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 커패시터 종횡비 값을 100 이상으로 유지해야 합니다. 마찬가지로 3D NAND 플래시 메모리도 더 높은 종횡비 값을 요구합니다. 256개 이상의 셀 적층 레이어를 적층할 수 있습니다. 다른 공정에서 요구되는 조건이 충족되더라도, 다음과 같은 경우에는 요구되는 제품을 생산할 수 없습니다.에칭 공정표준에 미치지 못합니다. 이것이 에칭 기술이 점점 더 중요해지는 이유이다.
2. 플라즈마 에칭 개요
그림 2. 필름 유형에 따른 플라즈마 소스 가스 결정
중공관을 사용하면 관경이 가늘어질수록 액체가 들어가기 쉬워지는 현상이 바로 모세관 현상입니다. 그러나 노출된 부분에 구멍(폐쇄단)을 뚫으면 액체의 투입이 상당히 어려워진다. 따라서 1970년대 중반에는 회로의 임계크기가 3um~5um이었으므로 Dry에칭점차적으로 습식 에칭을 주류로 대체했습니다. 즉, 이온화되어 있지만 단일 분자의 부피가 유기 고분자 용액 분자의 부피보다 작기 때문에 깊은 구멍을 통과하기가 더 쉽습니다.
플라즈마 식각 시에는 해당 층에 적합한 플라즈마 소스가스를 주입하기 전에 식각에 사용되는 처리챔버 내부를 진공 상태로 조정해야 합니다. 고체산화막을 식각할 때에는 보다 강한 불화탄소 기반의 소스가스를 사용해야 합니다. 상대적으로 약한 실리콘 또는 금속 필름의 경우 염소 기반 플라즈마 소스 가스를 사용해야 합니다.
그렇다면 게이트층과 그 아래 이산화규소(SiO2) 절연층은 어떻게 식각해야 할까?
먼저, 게이트층의 경우 폴리실리콘 식각 선택성을 지닌 염소계 플라즈마(실리콘+염소)를 이용해 실리콘을 제거해야 한다. 하부 절연층의 경우 에칭 선택성과 효율성이 더 강한 불화탄소 기반 플라즈마 소스 가스(이산화규소 + 사불화탄소)를 사용하여 이산화규소 필름을 2단계로 에칭해야 합니다.
3. 반응성 이온 에칭(RIE 또는 물리화학적 에칭) 공정
그림 3. 반응성 이온 에칭의 장점(이방성 및 높은 에칭 속도)
플라즈마에는 등방성 자유 라디칼과 이방성 양이온이 모두 포함되어 있는데 어떻게 이방성 에칭을 수행합니까?
플라즈마 건식 식각은 주로 반응성 이온 식각(RIE, Reactive Ion Etching)이나 이를 기반으로 한 응용에 의해 수행됩니다. RIE 방식의 핵심은 이방성 양이온으로 에칭 영역을 공격해 필름 내 타겟 분자 간 결합력을 약화시키는 것이다. 약해진 부분은 자유 라디칼에 의해 흡수되어 층을 구성하는 입자와 결합되어 가스(휘발성 화합물)로 변환되어 방출됩니다.
자유 라디칼은 등방성 특성을 가지고 있지만 바닥 표면을 구성하는 분자(양이온의 공격으로 결합력이 약화됨)는 강한 결합력을 가진 측벽보다 자유 라디칼에 더 쉽게 포획되어 새로운 화합물로 변환됩니다. 따라서 하향 식각이 주류가 됩니다. 포획된 입자는 자유 라디칼을 함유한 가스가 되며, 이는 진공 작용에 따라 표면에서 탈착 및 방출됩니다.
이때, 물리적 작용에 의해 얻어지는 양이온과 화학적 작용에 의해 얻어지는 자유라디칼이 결합하여 물리적, 화학적 에칭을 하게 되며, 에칭레이트(Etch Rate, 일정 시간 동안 에칭되는 정도)가 10배 증가하게 된다. 양이온 에칭이나 자유 라디칼 에칭 단독의 경우와 비교. 이 방법은 이방성 하향 식각의 식각 속도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 식각 후 폴리머 잔여물 문제도 해결할 수 있습니다. 이 방법을 반응성 이온 에칭(RIE)이라고 합니다. RIE 에칭 성공의 열쇠는 필름 에칭에 적합한 플라즈마 소스 가스를 찾는 것입니다. 참고: 플라즈마 에칭은 RIE 에칭이며 둘은 동일한 개념으로 간주될 수 있습니다.
4. 식각률 및 핵심 성능 지수
그림 4. 식각률과 관련된 핵심 식각 성능 지수
식각률은 1분 안에 도달할 것으로 예상되는 필름의 깊이를 나타냅니다. 그렇다면 식각 속도가 단일 웨이퍼의 부품마다 다르다는 것은 무엇을 의미합니까?
이는 에칭 깊이가 웨이퍼의 부품마다 다르다는 것을 의미합니다. 이러한 이유로 평균 식각률과 식각깊이를 고려하여 식각이 중단되어야 하는 종료점(EOP)을 설정하는 것이 매우 중요합니다. EOP가 설정되더라도 원래 계획보다 식각 깊이가 더 깊거나(과식각) 더 얕은(과소식각) 부분이 여전히 존재합니다. 그러나 언더에칭은 에칭 시 오버에칭보다 더 많은 손상을 초래합니다. 언더에칭의 경우 언더에칭된 부분이 이온주입 등 후속공정을 방해하기 때문이다.
한편, 선택성(에칭 속도로 측정)은 에칭 공정의 핵심 성능 지표입니다. 측정기준은 마스크층(감광막, 산화막, 질화실리콘막 등)과 대상층의 식각율을 비교한 것을 기준으로 한다. 이는 선택성이 높을수록 대상 레이어가 더 빨리 에칭된다는 것을 의미합니다. 소형화 수준이 높을수록 미세한 패턴을 완벽하게 표현하기 위한 선택성 요구 사항도 높아집니다. 에칭 방향이 직선이므로 양이온 에칭의 선택성이 낮은 반면, 라디칼 에칭의 선택성이 높아 RIE의 선택성이 향상된다.
5. 에칭 공정
그림 5. 에칭 공정
먼저, 온도가 800~1000℃로 유지되는 산화로에 웨이퍼를 넣은 후 건식법으로 웨이퍼 표면에 절연성이 높은 이산화규소(SiO2)막을 형성한다. 다음으로, 화학기상증착(CVD)/물리기상증착(PVD)을 통해 산화막 위에 실리콘층 또는 도전층을 형성하는 증착 공정에 들어간다. 실리콘층을 형성한 경우에는 필요에 따라 불순물 확산 공정을 진행하여 전도성을 높일 수도 있다. 불순물 확산 과정에서 여러 불순물이 반복적으로 첨가되는 경우가 많습니다.
이때, 식각을 위해서는 절연층과 폴리실리콘층을 결합시켜야 한다. 먼저 포토레지스트를 사용한다. 이어서, 포토레지스트 필름 위에 마스크를 놓고 침지 방식으로 습식 노광을 수행하여 포토레지스트 필름에 원하는 패턴(육안으로는 보이지 않음)을 각인합니다. 현상에 의해 패턴 윤곽이 드러나면 감광 영역의 포토레지스트가 제거됩니다. 이후, 포토리소그래피 공정을 거친 웨이퍼는 건식식각을 위한 식각공정으로 이송된다.
건식 식각은 주로 반응성 이온 식각(RIE)으로 진행되는데, 주로 각 막에 적합한 소스 가스를 교체해 식각을 반복하는 방식이다. 건식 에칭과 습식 에칭 모두 에칭의 종횡비(A/R 값)를 높이는 것이 목표입니다. 또한, 홀 바닥(에칭에 의해 형성된 틈)에 쌓인 폴리머를 제거하기 위해서는 정기적인 청소가 필요합니다. 중요한 점은 세정액이나 플라즈마 소스가스가 트렌치 바닥까지 흘러내릴 수 있도록 모든 변수(재료, 소스가스, 시간, 형태, 순서 등)를 유기적으로 조정해야 한다는 점이다. 변수가 조금만 변경되면 다른 변수를 다시 계산해야 하며, 이러한 재계산 과정은 각 단계의 목적에 맞을 때까지 반복됩니다. 최근 원자층증착(ALD)층과 같은 단원자층은 더 얇고 단단해지고 있다. 따라서 에칭 기술은 낮은 온도와 압력을 사용하는 방향으로 이동하고 있습니다. 에칭 프로세스는 임계 치수(CD)를 제어하여 미세한 패턴을 생성하고 에칭 프로세스로 인해 발생하는 문제, 특히 언더에칭 및 잔류물 제거와 관련된 문제를 방지하는 것을 목표로 합니다. 에칭에 관한 위의 두 기사는 독자들에게 에칭 공정의 목적, 위의 목표를 달성하는 데 장애가 되는 요소, 이러한 장애를 극복하는 데 사용되는 성능 지표에 대한 이해를 제공하는 것을 목표로 합니다.
게시 시간: 2024년 9월 10일