초기 습식 식각은 세정 또는 애싱 공정의 발전을 촉진했습니다. 오늘날에는 플라즈마를 이용한 건식 식각이 주류를 이루고 있습니다.에칭 공정플라즈마는 전자, 양이온, 라디칼로 구성됩니다. 플라즈마에 가해지는 에너지는 중성 상태의 원료 가스의 최외각 전자를 떼어내어 양이온으로 변환시킵니다.
또한, 분자 내 불완전한 원자는 에너지를 가하여 전기적으로 중성인 라디칼을 형성함으로써 제거될 수 있습니다. 건식 에칭은 플라즈마를 구성하는 양이온과 라디칼을 사용하는데, 양이온은 이방성(특정 방향으로 에칭에 적합)이고 라디칼은 등방성(모든 방향으로 에칭에 적합)입니다. 라디칼의 수는 양이온의 수보다 훨씬 많습니다. 이 경우, 건식 에칭은 습식 에칭처럼 등방성이어야 합니다.
하지만 초소형 회로를 가능하게 하는 것은 바로 건식 식각의 이방성 식각입니다. 그 이유는 무엇일까요? 또한 양이온과 라디칼의 식각 속도가 매우 느리기 때문입니다. 이러한 단점에도 불구하고 플라즈마 식각 방법을 어떻게 대량 생산에 적용할 수 있을까요?
1. 종횡비(A/R)
그림 1. 종횡비 개념과 기술 발전이 종횡비에 미치는 영향
종횡비는 수평 폭과 수직 높이의 비율(즉, 높이를 폭으로 나눈 값)입니다. 회로의 임계 치수(CD)가 작을수록 종횡비 값은 커집니다. 즉, 종횡비 값이 10이고 폭이 10nm라고 가정할 때, 식각 공정 중 뚫는 홀의 높이는 100nm가 되어야 합니다. 따라서 초소형화(2D) 또는 고밀도화(3D)가 요구되는 차세대 제품의 경우, 식각 과정에서 양이온이 하부 박막까지 침투할 수 있도록 매우 높은 종횡비 값이 요구됩니다.
2D 제품에서 임계 치수 10nm 미만의 초미세화 기술을 구현하려면 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 커패시터 종횡비 값이 100 이상으로 유지되어야 합니다. 마찬가지로 3D NAND 플래시 메모리도 256단 이상의 셀 적층을 위해서는 더 높은 종횡비 값이 필요합니다. 다른 공정에서 요구되는 조건을 충족하더라도,에칭 공정기준에 미치지 못합니다. 이것이 에칭 기술이 점점 더 중요해지는 이유입니다.
2. 플라즈마 에칭 개요
그림 2. 필름 종류에 따른 플라즈마 소스 가스 결정
중공 파이프를 사용할 경우, 파이프 직경이 좁을수록 액체가 유입되기 쉬운데, 이를 모세관 현상이라고 합니다. 그러나 노출된 부분에 구멍(폐쇄형)을 뚫어야 하는 경우, 액체 유입이 상당히 어려워집니다. 따라서 1970년대 중반 회로의 임계 크기가 3~5㎛였기 때문에, 건식에칭습식 에칭은 점차 주류로 자리 잡았습니다. 즉, 이온화되어 있지만, 단일 분자의 부피가 유기 고분자 용액 분자의 부피보다 작기 때문에 깊은 구멍을 뚫기가 더 쉽습니다.
플라즈마 에칭 시에는 에칭에 사용되는 공정 챔버 내부를 진공 상태로 조정한 후 해당 층에 적합한 플라즈마 소스 가스를 주입해야 합니다. 고체 산화물 박막을 에칭할 때는 더 강한 불화탄소 기반 소스 가스를 사용해야 합니다. 상대적으로 약한 실리콘이나 금속 박막에는 염소 기반 플라즈마 소스 가스를 사용해야 합니다.
그렇다면 게이트 층과 그 아래의 이산화규소(SiO2) 절연 층은 어떻게 에칭해야 할까요?
먼저, 게이트 층의 경우, 폴리실리콘 식각 선택성을 갖는 염소 기반 플라즈마(실리콘 + 염소)를 사용하여 실리콘을 제거해야 합니다. 하부 절연층의 경우, 식각 선택성과 효율이 더 높은 불화탄소 기반 플라즈마 소스 가스(이산화규소 + 사불화탄소)를 사용하여 이산화규소 막을 두 단계로 식각해야 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 수행할까요?
플라즈마 건식 식각은 주로 반응성 이온 식각(RIE, Reactive Ion Etching) 또는 이 방식을 기반으로 하는 응용 분야에 의해 수행됩니다. RIE 방식의 핵심은 이방성 양이온으로 식각 영역을 공격하여 박막 내 표적 분자 간의 결합력을 약화시키는 것입니다. 약화된 영역은 자유 라디칼에 흡수되어 박막을 구성하는 입자와 결합하여 기체(휘발성 화합물)로 변환된 후 방출됩니다.
자유 라디칼은 등방성 특성을 가지고 있지만, 양이온의 공격으로 결합력이 약해진 바닥 표면을 구성하는 분자는 결합력이 강한 측벽보다 자유 라디칼에 더 쉽게 포획되어 새로운 화합물로 변환됩니다. 따라서 하향 에칭이 주류를 이루고 있습니다. 포획된 입자는 자유 라디칼과 함께 기체가 되고, 진공 상태에서 표면으로부터 탈착되어 방출됩니다.
이때, 물리적 작용으로 얻은 양이온과 화학적 작용으로 얻은 자유 라디칼을 결합하여 물리적 및 화학적 에칭을 수행하며, 에칭 속도(Etch Rate, 일정 시간 동안 에칭되는 정도)는 양이온 에칭이나 자유 라디칼 에칭만을 수행하는 경우에 비해 10배 증가한다. 이 방법은 이방성 하향 에칭의 에칭 속도를 증가시킬 뿐만 아니라 에칭 후 폴리머 잔류물 문제를 해결할 수 있다. 이 방법을 반응성 이온 에칭(RIE)이라고 한다. RIE 에칭의 성공 열쇠는 필름 에칭에 적합한 플라즈마 소스 가스를 찾는 것이다. 참고: 플라즈마 에칭은 RIE 에칭이며, 둘은 같은 개념으로 볼 수 있다.
4. 에칭 속도 및 코어 성능 지수
그림 4. 에칭 속도와 관련된 코어 에칭 성능 지수
식각 속도는 1분 안에 도달할 것으로 예상되는 필름의 깊이를 의미합니다. 그렇다면 단일 웨이퍼에서 각 부품마다 식각 속도가 다르다는 것은 무엇을 의미할까요?
이는 웨이퍼의 각 부분마다 식각 깊이가 다르다는 것을 의미합니다. 따라서 평균 식각 속도와 식각 깊이를 고려하여 식각을 종료해야 하는 종료 지점(EOP)을 설정하는 것이 매우 중요합니다. EOP를 설정하더라도 원래 계획보다 식각 깊이가 더 깊거나(과식각) 얕게(과소식각) 식각되는 영역이 여전히 존재합니다. 그러나 식각 과정에서 과식각보다 과소식각이 더 큰 손상을 초래합니다. 과식각의 경우, 과소식각된 부분이 이온 주입과 같은 후속 공정을 방해하기 때문입니다.
한편, 식각 속도(식각률)로 측정되는 선택도는 식각 공정의 핵심 성능 지표입니다. 측정 기준은 마스크층(포토레지스트막, 산화막, 실리콘 질화막 등)과 목표층의 식각률을 비교하여 결정됩니다. 즉, 선택도가 높을수록 목표층의 식각 속도가 빨라짐을 의미합니다. 미세화 수준이 높아질수록 미세 패턴을 완벽하게 구현하기 위해 더 높은 선택도가 요구됩니다. 식각 방향이 직선이기 때문에 양이온 식각의 선택도는 낮은 반면, 라디칼 식각의 선택도는 높아 RIE의 선택도가 향상됩니다.
5. 에칭 공정
그림 5. 에칭 공정
먼저, 웨이퍼를 800~1000℃의 온도로 유지되는 산화로에 넣고, 건식 방식으로 웨이퍼 표면에 절연성이 높은 이산화규소(SiO2) 막을 형성합니다. 다음으로, 화학 기상 증착(CVD)/물리 기상 증착(PVD)을 통해 산화막 위에 실리콘층 또는 도전층을 형성하는 증착 공정을 진행합니다. 실리콘층이 형성되면 필요에 따라 도전성을 높이기 위해 불순물 확산 공정을 수행할 수 있습니다. 불순물 확산 공정에서는 여러 불순물이 반복적으로 첨가되는 경우가 많습니다.
이때, 절연층과 폴리실리콘층을 식각하기 위해 결합해야 합니다. 먼저 포토레지스트를 사용합니다. 그 후, 포토레지스트 필름 위에 마스크를 놓고 침지 습식 노광을 통해 원하는 패턴(육안으로는 보이지 않는)을 포토레지스트 필름에 인쇄합니다. 현상 후 패턴 윤곽이 드러나면 감광 영역의 포토레지스트를 제거합니다. 그 후, 포토리소그래피 공정으로 가공된 웨이퍼를 식각 공정으로 옮겨 건식 식각합니다.
건식 식각은 주로 반응성 이온 식각(RIE)으로 수행되며, 각 막에 적합한 소스 가스를 교체하여 식각을 반복합니다. 건식 식각과 습식 식각 모두 식각의 종횡비(A/R 값)를 높이는 것을 목표로 합니다. 또한, 홀 바닥(식각으로 인해 형성된 틈)에 쌓인 폴리머를 제거하기 위해 정기적인 세척이 필요합니다. 중요한 점은 모든 변수(재료, 소스 가스, 시간, 형태, 순서 등)를 유기적으로 조정하여 세척액이나 플라즈마 소스 가스가 트렌치 바닥까지 흐를 수 있도록 해야 한다는 것입니다. 변수의 미세한 변화는 다른 변수의 재계산을 필요로 하며, 이러한 재계산 과정은 각 단계의 목적에 부합할 때까지 반복됩니다. 최근 원자층 증착(ALD)과 같은 단원자층들이 점점 더 얇아지고 단단해지고 있습니다. 따라서 식각 기술은 저온 및 저온 압력을 사용하는 방향으로 나아가고 있습니다. 식각 공정은 미세 패턴을 생성하기 위해 임계 치수(CD)를 제어하고, 식각 공정으로 인한 문제, 특히 언더 식각 및 잔류물 제거 관련 문제를 방지하는 것을 목표로 합니다. 위의 두 에칭 관련 기사는 독자들에게 에칭 공정의 목적, 위의 목표를 달성하는 데 대한 장애물, 그리고 그러한 장애물을 극복하는 데 사용되는 성과 지표에 대한 이해를 제공하는 것을 목표로 합니다.
게시 시간: 2024년 9월 10일