반도체 식각공정(ETCH)

 식각공정(ETCH)은 포토 공정에서 정의된 영역의 하부 박막을 제거해서 원하는 반도체 회로 형상을 만드는 것이다. 따라서 포토 공정에서 만들어진 모양 그대로 식각을 할 수 있는지가 식각 능력을 판단하는 중요한 기준이 된다. 우선 포토 공정에서 정의한 모양대로 박막 형상을 만드는 방법에는 식각(Etching), Lift off, 상감법(Damascene)의 세 가지가 있다. 식각 방식은 화학 반응을 이용하여 감광제 마스크에 의해 가려지지 않고 노출된 하부 물질을 제거하는 방법이다. 따라서 화학 반응의 결과물이 녹지 않거나, 휘발성 반응물을 형성하지 않는 물질은 식각 방식으로 패턴을 형성할 수 없다. 이러한 경우에 사용하는 방법이 감광제 마스크 위에 박막을 증착한 후 감광제를 제거하여 감광제가 없었던 부분에만 박막을 남기는 Lift off 방법이다. 또한 하부물질을 식각 가능한 박막으로 형성한 후 감광제 마스크 작업 및 식각을 진행하여 홈(Trench)을 만들고 이 홈에다 패턴 형성을 원하는 박막을 채워 넣고 홈 위의 물질을 갈아내서 없애는 방식으로 패터닝 하는 Damascene 방식도 존재한다. Lift off는 기계적인 힘으로 박막을 분리하기 때문에 실험실 수준에서 많이 사용되고 있다. Damascene은 CMP와 같은 부가 공정이 추가되면서 공정비용이 올라가는 문제점이 있다. 따라서 패턴을 만드는 물질과 목적에 따가 가장 효율적인 방법을 사용하여 공정을 진행하고 있다. 식각 방식은 또한 화학 용액을 사용하는 습식식각(Wet Etch)과 반응성 가스를 사용하는 건식식각(Dry Etch)으로 구분할 수 있다.

1. 습식식각(Wet Etch)

 습식식각은 화학 용액(chemical)을 사용하여 웨이퍼 표면의 제거할 박막 물질과 화학 반응을 일으켜 제거하는 방식이다. 화학 용액 속에 웨이퍼가 담겨있어서 용액과 박막 물질이 접촉한 부위에서만 화학 반응이 일어나서 박막 물질을 제거하게 된다. 따라서 표면에서의 화학 반응이 원활하기 위해서는 계속 새로운 화학 용액이 박막 표면과 접촉해야 한다. 이것은 습식식각 중에 웨이퍼를 기계적으로 움직여주거나, 화학 용액을 순환식시는 방식으로 이루어진다. 습식식각은 순수한 화학반응에 의해 이루어지므로 반응이 일어나는 물질과 반응이 일어나지 않는 물질 간의 식각량 차이가 명확히 구분된다. 즉, 선택비(Selectivity)가 매우 좋다는 장점이 있다. 한편 화학 반응은 등방성이므로 박막 식각 형상도 등방성 특성을 갖게 된다. 따라서 마스크 하부 영역까지 식각 되는 현상이 나타나고, 박막 두께보다 작은 크기의 패턴은 형성할 수 없게 된다. 또한 표면 장력이 큰 화학 용액 경우에는 일정 크기 이하의 홈에서는 표면 장력 때문에 용액이 침투할 수 없어서 박막 물질과 접촉할 수 없고 식각 자체가 진행되지 않을 수도 있다. 이런 문제점으로 인해 수 마이크로미터 이하의 패턴에 습식식각 할 수 없고 다른 방식의 식각 방법, 즉 건식 식각이 도입되었다.

2. 건식식각(Dry Etch)

 건식식각은 액체 상태의 화학 용액(chemical) 대신에 화학 반응성이 높은 가스를 사용하는 방식이다. 박막 물질과의 화학 반응 속도를 높이기 위해 플라즈마 상태를 만들어서 진행하는 경우가 보편적이다. 건식식각의 특징은 화학 반응에 의한 식각이고 습식식각과 마찬가지로 선택비가 높고 등방성 식각 특성을 보인다. 이온(Ion)의 작용에 의해 화학 반응이 가속화되고, 어느 정도의 선택비를 갖는 비등방성 식각 특성을 갖게 된다. 아르곤(Ar)과 같이 화학 반응하지 않는 가스를 사용하여 이온이 박막 물질과의 충돌에 의해 스퍼터링(sputtering) 되는 현상을 이용한 Physical etching도 존재한다. 비등방성이지만 선택비는 매우 낮다. 화학 반응 결과물이 비휘발성이면 웨이퍼 표면에 쌓이게 된다. 이때 수평 부위의 막은 Ion 충돌에 의해 제거되지만, 벽면의 막은 제거되지 않아 더 이상의 식각이 진행되지 않는다. 이런 현상을 sidewall passivation이라 하고, 이 현상을 이용해 건식식각에서 비등방성 식각을 달성할 수 있다. 또한 이온과의 충돌에 의해 마스크도 식각이 된다. 따라서 건식식각에서는 마스크와 식각할 박막 물질과의 선택비도 매우 중요하다.

3. 식각 특성

 건식식각은 비등방 식각이 가능하여 미세한 패턴 형성이 가능하고, 진공 분위기에서 처리가 되므로 깨끗한 공정이며, 자동화 가능하다는 장점이 있다. 반면 플라즈마 내의 이온의 충격이나 라디칼(radical)에 의한 소자 손상 및 오염의 문제가 있을 수 있고, 다양한 물리 화학반응을 수반하므로 식각 중 발생하는 현상이 복잡하고, 구리나 백금처럼 건식식각이 어려운 물질이 있다는 단점이 있다. 건식식각은 식각 속도(Etch Rate)가 중요한데, 식각 속도란 일정 시간 동안 막질을 얼마나 제거할 수 있는지를 의미한다. 동일 공정 품질에서 식각 속도가 빠를수록 단위 시간당 생산성이 좋아진다. 식각 속도는 주로 표면 반응에 필요한 반응성 원자와 이온의 양, 이온이 가진 에너지를 변화하여 조절한다. 또한 PR 패턴의 아래쪽에서도 습식식각의 경우와 비슷하게 식각이 되는 경우가 있는데 이를 식각 바이어스(bias)라 한다. 건식식각의 경우 플라즈마(Plasma)를 이용하여 물리적인 힘이 식각에 사용되기 때문에 식각하고자 하는 물질과 그 외의 물질들 모두 식각이 된다. 다만 식각할 물질과 식각 속도가 다르기 때문에 최종적으로 식각 되는 두께가 다르게 되는데, 선택비란 두 물질 간 식각비를 의미한다. 식각비가 높다는 뜻은 충분한 식각이 가능하므로 식각 품질을 개선할 수 있다.