[반공공] Etching (식각 공정)

안녕하세요. 오늘은 포토, 증착과 함께 반도체 제조 메인 공정 중 하나로 꼽히는 Etching, 식각 공정에 대해 공부해보고자 합니다.

식각의 종류 중 advanced 기술인 ALE에 대해서는 아래 첨부해둔 지난 포스팅에서 확인해볼 수 있습니다.

[반심공] ALE_Atomic Layer Etching(원자층 식각 공정)

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[반심공] ALD+ALE 기술을 통한 핀홀 해결 +박막 생성 메커니즘

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Contents

1. What is Etching?
2. Wet Etching vs Dry Etching
3. Isotropic vs Anisotropic Etching

목차는 다음과 같습니다. 에칭의 필요성에 대해 먼저 알아본 후, 건식과 습식, 플라즈마 에칭 등 식각의 종류를 배워보겠습니다. 마지막으로 에칭에 있어서 가장 중요한 성질 중에 하나인 등방성, 비등방성에 대해 공부하며 마치겠습니다.

 

1. What is Etching?

식각 모식도 [1]

 

반도체 8대 공정에 대한 이름들은 다들 들어보셨을 겁니다. 그 중에 Etching이라는 단어는 항상 등장합니다.

Etching, 에칭, 식각 등 다양한 용어로 불리는 식각 공정은 성장시킨 박막이나 산화막을 패턴대로 깎아내는 공정을 의미합니다.

 

위 사진처럼 PR(Photo Resist)를 마스크 삼아 산화막을 선택적으로 제거하기도 하고, 단면으로 따졌을 때 우측 Transistor에서는 깎아 다른 물질을 쌓고 싶을 때, 깎는 역할을 수행하는 모든 공정을 에칭이라고 볼 수 있습니다.

앞서 다뤄본 Cleaning 공정도 먼지입자나 기타 물질을 없애는 개념에 있어 식각으로 볼 수 있지 않느냐 생각하는 분들이 계실 텐데, 두 공정의 차이점이라 하면 Cleaning은 wafer 전체를 씻어내는 것이고 Etching은 미세패턴을 파내는 개념이라 이해하시면 됩니다.

 

2. Wet Etching vs Dry Etching

 

습식, 건식 식각 비교 [2]

 

건식, 습식 식각를 위주로 식각의 종류가 무엇이 있는지 살펴보겠습니다.

Oxidation(산화), Cleaning(세정) 공정에서 익히 들어봤듯이, Etching에도 습식과 건식으로 나뉠 수 있습니다.

 

습식 식각은 wafer를 Etchant(식각해주는 용액)에 담궜다가 빼는 방식입니다. 습식은 용액을 통한 화학반응으로 식각하는 만큼 selectivity(선택도)가 우수하고, 공정이 빠르게 진행된다는 점에서 이점을 갖습니다. 

하지만, isotropic(등방성)의 성질을 갖기 때문에 오는 치명적인 단점이 있습니다. 이는 다음 목차에서 설명드리겠습니다.

또한, 액체를 통해 식각하는 만큼 틈이 작으면 Etchant가 PR 사이로 침투하지 못해 식각이 곤란해지는 단점도 갖고 있습니다.

 

공정이 빠르다는 장점이 있으나 위 단점들에 의해 미세화된 최근 반도체 제조 공정에서는 습식식각을 사용하지 못하는 한계가 있습니다.

 

 

건식 식각은 액체가 아닌 기체를 활용한 식각 개념입니다. 그렇기 때문에 RIE(Reactive Ion Etching), 플라즈마 에칭, Sputtering 등 꽤나 넓은 범위의 개념을 갖습니다. 하지만 주로 플라즈마를 활용하기 때문에, 플라즈마 에칭이라고 불리기도 합니다. 건식 식각은 정확도가 높고, 미세한 패터닝이 가능하다는 장점이 있습니다. 하지만, 공정 비용이 높고 복잡하며 공정 속도가 느리다는 단점이 있습니다. 이러한 단점들이 있지만, 기업과 학계에서는 미세 패터닝 구현을 위해 건식 식각의 효율과 성능을 개발하기 위한 공법들을 개발하고 있습니다.

 

 

 

3. Isotropic vs Anisotropic

등방성, 비등방성 [3]

 

등방성(Isotropic)과 비등방성(Anisotropic)은 건, 습식을 일반적으로 구분할 때 가장 주요하게 쓰이는 성질이지만, 그만큼 핵심적인 식각의 개념이기 때문에 따로 비교해서 살펴보겠습니다.

위 사진에서 a,c는 anisotropic, 비등방성인 식각이 진행된 모습이고, b와c는 isotropic한 식각의 모습입니다.

 

등방성은 주로 wet eching에서 보이는 방향성입니다.

그림[2]처럼 식각해주는 etchant가 침투할 때 radius(방사형)하게 퍼지는 성질입니다. 이렇게 모든 방향으로 깎이는 원리를 생각해보면, 모든 방향으로 식각되는 속도가 똑같기 때문입니다. 이렇게 등방성으로 식각되는 것이 많이 깎이니 좋지 않느냐 생각할 수 있지만, 사실 우리는 위에 PR 등으로 깎고자 하는 영역과 깎이지 않았으면 하는 영역을 구분해둡니다. 그런데 모든 방향으로 깎이면 남기고자 하는 영역까지 식각되어버리는 단점이 발생합니다. 이때 반도체가 매우 미세하고 선폭이 짧다면, 우리는 옆쪽 트랜지스터 영역까지 식각해버릴 가능성이 있고, 그렇다면 그 칩은 불량이 되는 것입니다. 

 

비등방성은 이등방성으로도 불리며, dry etching의 여러 식각법에서 확인할 수 있는 방향성입니다.

말뜻을 살펴보면 등방이 아니다 라는 뜻이 되는데, 수직으로 깎이는 속도와 수평으로 깎이는 속도가 다르다는 의미입니다.

그렇기 때문에 앞서 언급했던 식각을 원치 않는 영역은 수평방향의 식각속도를 느리게 해 수직으로만 깎는 것이죠.

 

위의 사진[3]으로 함께 살펴보면, a,c는 physically, 물리적으로 식각하기 때문에 비등방성 식각으로 인해 약간 각지게 식각되며, 깊이가 클수록 깊숙한 침투가 곤란해 사진과 같은 모양이 나타납니다. b,d는 반대로 chemically, 화학적으로 식각하여 등방성 식각이 되었습니다. 때문에 둥그런 모양으로 수평방향으로도 식각되었음을 확인할 수 있습니다.

 

 

오늘은 이렇게 공정에서 매우 중요한 식각에 대해 살펴보았습니다. 건식 식각을 조금 더 깊게 공부하려면 플라즈마에 대한 이해가 필요한데, 플라즈마 공학이라는 연구분야가 따로 있을만큼 플라즈마는 깊고 베일에 싸인 연구분야입니다. 때문에 별도의 포스팅에서 건식 에칭을 조금 더 심도있게 다루도록 하겠습니다. 감사합니다.

 

Reference

• [1] Samsung 반도체 이야기
• [2] Samsung 디스플레이 Newsroom
• [3] Thierry Plasma Division