초창기 습식 식각은 세척 또는 회화 공정의 발전을 촉진했습니다. 오늘날에는 플라즈마를 이용한 건식 식각이 주류가 되었습니다.에칭 공정플라즈마는 전자, 양이온 및 라디칼로 구성됩니다. 플라즈마에 에너지를 가하면 중성 상태의 공급 가스에서 가장 바깥쪽 전자가 떨어져 나가 양이온으로 변환됩니다.
또한, 분자 내의 불완전한 원자는 에너지를 가하여 전기적으로 중성인 라디칼을 형성함으로써 제거될 수 있습니다. 건식 에칭은 플라즈마를 구성하는 양이온과 라디칼을 이용하는데, 양이온은 이방성(특정 방향으로의 에칭에 적합)이고 라디칼은 등방성(모든 방향으로의 에칭에 적합)입니다. 라디칼의 수는 양이온의 수보다 훨씬 많으므로, 건식 에칭 또한 습식 에칭과 마찬가지로 등방성이어야 합니다.
하지만 초소형 회로를 가능하게 하는 것은 건식 식각의 이방성 식각 특성입니다. 그 이유는 무엇일까요? 게다가 양이온과 라디칼의 식각 속도는 매우 느립니다. 이러한 단점에도 불구하고 플라즈마 식각법을 어떻게 대량 생산에 적용할 수 있을까요?
1. 화면비(A/R)
그림 1. 화면비의 개념과 기술 발전이 화면비에 미치는 영향
종횡비는 가로 폭과 세로 높이의 비율(즉, 높이를 폭으로 나눈 값)입니다. 회로의 임계 치수(CD)가 작을수록 종횡비 값이 커집니다. 예를 들어, 종횡비가 10이고 폭이 10nm라고 가정하면, 에칭 공정에서 뚫는 구멍의 높이는 100nm가 되어야 합니다. 따라서 초소형화(2D) 또는 고밀도(3D)가 요구되는 차세대 제품의 경우, 에칭 과정에서 양이온이 하부 박막을 투과할 수 있도록 매우 높은 종횡비 값이 필요합니다.
2D 제품에서 10nm 미만의 임계 치수를 갖는 초소형화 기술을 구현하려면 DRAM(동적 랜덤 액세스 메모리)의 커패시터 종횡비 값을 100 이상으로 유지해야 합니다. 마찬가지로 3D NAND 플래시 메모리도 256층 이상의 셀 적층을 위해 더 높은 종횡비 값이 필요합니다. 다른 공정의 요구 조건을 충족하더라도, 특정 조건이 충족되지 않으면 필요한 제품을 생산할 수 없습니다.에칭 공정기준에 미치지 못합니다. 이것이 바로 에칭 기술의 중요성이 점점 더 커지는 이유입니다.
2. 플라즈마 에칭 개요
그림 2. 필름 종류에 따른 플라즈마 공급 가스 결정
속이 빈 관을 사용할 경우, 관의 직경이 좁을수록 액체가 들어가기 쉬운데, 이를 모세관 현상이라고 합니다. 하지만 노출된 부분에 구멍(밀폐된 끝)을 뚫으면 액체의 유입이 상당히 어려워집니다. 따라서 1970년대 중반에는 회로의 임계 크기가 3~5μm였기 때문에 건식 회로가 사용되었습니다.에칭습식 식각을 점차 대체하며 주류 기술로 자리 잡았습니다. 즉, 이온화되더라도 단일 분자의 부피가 유기 고분자 용액 분자의 부피보다 작기 때문에 깊은 구멍까지 쉽게 침투할 수 있습니다.
플라즈마 에칭 과정에서 에칭에 사용되는 처리 챔버 내부는 해당 층에 적합한 플라즈마 소스 가스를 주입하기 전에 진공 상태로 조정해야 합니다. 고체 산화물 박막을 에칭할 때는 강도가 높은 불화탄소계 소스 가스를 사용해야 합니다. 상대적으로 강도가 낮은 실리콘 또는 금속 박막의 경우에는 염소계 플라즈마 소스 가스를 사용해야 합니다.
그렇다면 게이트층과 그 아래에 있는 이산화규소(SiO2) 절연층은 어떻게 식각해야 할까요?
먼저 게이트층의 경우, 폴리실리콘 에칭 선택성을 갖는 염소계 플라즈마(실리콘 + 염소)를 사용하여 실리콘을 제거해야 합니다. 하부 절연층의 경우, 더 높은 에칭 선택성과 효율성을 갖는 불화탄소계 플라즈마 소스 가스(이산화실리콘 + 사불화탄소)를 사용하여 두 단계에 걸쳐 이산화실리콘 막을 에칭해야 합니다.
3. 반응성 이온 에칭(RIE 또는 물리화학적 에칭) 공정
그림 3. 반응성 이온 에칭의 장점(이방성 및 높은 에칭 속도)
플라즈마는 등방성 자유 라디칼과 비등방성 양이온을 모두 포함하고 있는데, 어떻게 비등방성 에칭을 수행하는 것일까요?
플라즈마 건식 에칭은 주로 반응성 이온 에칭(RIE, Reactive Ion Etching) 또는 이를 기반으로 하는 응용 분야에 의해 수행됩니다. RIE 방법의 핵심은 이방성 양이온으로 에칭 영역을 공격하여 필름 내 표적 분자 간의 결합력을 약화시키는 것입니다. 약화된 영역은 자유 라디칼에 흡수되고, 층을 구성하는 입자와 결합하며, 기체(휘발성 화합물)로 변환되어 방출됩니다.
자유 라디칼은 등방성 특성을 가지지만, 양이온의 공격으로 결합력이 약해진 바닥면을 구성하는 분자들은 결합력이 강한 측벽보다 자유 라디칼에 더 쉽게 포착되어 새로운 화합물로 변환됩니다. 따라서 하향 에칭이 주류가 되었습니다. 포착된 입자들은 자유 라디칼과 함께 기체 상태가 되며, 진공의 작용으로 탈착되어 표면에서 방출됩니다.
이때 물리적 작용으로 얻은 양이온과 화학적 작용으로 얻은 자유 라디칼이 결합하여 물리적 및 화학적 에칭을 수행하며, 에칭 속도(일정 시간 동안의 에칭 정도)는 양이온 에칭 또는 자유 라디칼 에칭만을 사용했을 때보다 10배 증가합니다. 이 방법은 비등방성 하향 에칭의 에칭 속도를 높일 뿐만 아니라 에칭 후 발생하는 고분자 잔류물 문제도 해결할 수 있습니다. 이러한 방법을 반응성 이온 에칭(RIE)이라고 합니다. RIE 에칭의 성공 여부는 에칭 대상 필름에 적합한 플라즈마 소스 가스를 찾는 데 달려 있습니다. 참고: 플라즈마 에칭은 RIE 에칭의 한 종류이며, 두 가지는 동일한 개념으로 볼 수 있습니다.
4. 에칭 속도 및 코어 성능 지수
그림 4. 에칭 속도와 관련된 코어 에칭 성능 지수
식각 속도는 1분 동안 도달할 것으로 예상되는 박막의 깊이를 나타냅니다. 그렇다면 단일 웨이퍼 내에서도 부품마다 식각 속도가 다르다는 것은 무엇을 의미할까요?
이는 웨이퍼의 각 부분마다 식각 깊이가 다르다는 것을 의미합니다. 따라서 평균 식각 속도와 식각 깊이를 고려하여 식각을 종료하는 지점(EOP)을 설정하는 것이 매우 중요합니다. EOP를 설정하더라도 원래 계획보다 식각 깊이가 더 깊거나(과식각) 얕아지는(미식각) 영역이 여전히 발생할 수 있습니다. 그러나 식각 과정에서 미식각은 과식각보다 더 큰 손상을 초래합니다. 미식각된 부분은 이온 주입과 같은 후속 공정을 방해하기 때문입니다.
한편, 선택성(식각 속도로 측정)은 식각 공정의 핵심 성능 지표입니다. 측정 기준은 마스크층(포토레지스트막, 산화막, 질화규소막 등)과 목표층의 식각 속도를 비교하는 것입니다. 즉, 선택성이 높을수록 목표층의 식각 속도가 빨라집니다. 소형화 수준이 높아질수록 미세 패턴을 완벽하게 구현하기 위해 높은 선택성이 요구됩니다. 식각 방향이 직선이기 때문에 양이온 식각의 선택성은 낮지만, 라디칼 식각의 선택성은 높아 RIE의 선택성을 향상시킵니다.
5. 에칭 공정
그림 5. 에칭 공정
먼저 웨이퍼를 800~1000℃로 유지되는 산화로에 넣고 건식법으로 절연성이 높은 이산화규소(SiO₂) 박막을 웨이퍼 표면에 형성합니다. 그 다음, 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD)을 통해 산화막 위에 실리콘 층 또는 전도성 층을 형성하는 증착 공정을 진행합니다. 실리콘 층을 형성하는 경우, 필요에 따라 전도성을 높이기 위해 불순물 확산 공정을 수행할 수 있습니다. 불순물 확산 공정 중에는 여러 불순물을 반복적으로 첨가하는 경우가 많습니다.
이때, 절연층과 폴리실리콘층을 에칭을 위해 결합해야 합니다. 먼저 포토레지스트를 도포합니다. 그 후, 마스크를 포토레지스트 필름 위에 놓고 침지 방식으로 습식 노광을 실시하여 육안으로 보이지 않는 원하는 패턴을 포토레지스트 필름에 새겨 넣습니다. 현상 과정을 통해 패턴의 윤곽이 드러나면, 감광 영역의 포토레지스트를 제거합니다. 이렇게 포토리소그래피 공정을 거친 웨이퍼를 건식 에칭 공정으로 옮깁니다.
건식 식각은 주로 반응성 이온 식각(RIE)을 통해 이루어지며, 각 박막에 적합한 소스 가스를 교체하면서 식각을 반복합니다. 건식 식각과 습식 식각 모두 식각된 박막의 종횡비(A/R 값)를 높이는 것을 목표로 합니다. 또한, 식각으로 형성된 틈(홀 바닥)에 축적된 폴리머를 제거하기 위해 정기적인 세척이 필요합니다. 중요한 점은 세척액이나 플라즈마 소스 가스가 트렌치 바닥까지 원활하게 흐르도록 모든 변수(재료, 소스 가스, 시간, 형태 및 순서 등)를 유기적으로 조정해야 한다는 것입니다. 변수 중 하나라도 미세하게 변하면 다른 변수들을 재계산해야 하며, 이러한 재계산 과정은 각 단계의 목표를 달성할 때까지 반복됩니다. 최근에는 원자층 증착(ALD)과 같은 단원자층이 더욱 얇고 단단해짐에 따라 식각 기술도 저온·저압 조건으로 발전하고 있습니다. 식각 공정은 미세 패턴을 형성하기 위해 임계 치수(CD)를 제어하고, 특히 언더에칭 및 잔류물 제거와 관련된 문제와 같은 식각 공정상의 문제를 방지하는 것을 목표로 합니다. 위의 두 에칭 관련 기사는 독자들에게 에칭 공정의 목적, 목표 달성에 대한 장애물, 그리고 이러한 장애물을 극복하는 데 사용되는 성능 지표에 대한 이해를 제공하는 것을 목표로 합니다.
게시 시간: 2024년 9월 10일