토요일, 일요일 동안 요양을 조금 하고 다시 엔지닉 반도체 스터디 2주차에 접어들었다. 저번의 포토공정부터 시작하여 이제부터는 반도체 8대공정을 포함한 반도체 단위 공정들을 다룬다. 본 스터디는 반도체에 관해 지식이 어느 정도 있는 사람 및 반도체에 관한 지식이 없는 비전공자 등을 아우르는 수준의 강의인 것으로 알고 있는데, 심화 과정이 아니라고 겉핥기 식으로 인터넷 검색 몇 번으로 쉽게 찾을 수 있는 표면적인 것만을 가르치는 것이 아니라 원리부터 시작하여 공정 과정으로부터 발생하는 문제, 그 문제를 해결하기 위한 방안 등의 짜임새 있는 구성으로 이루어져 강의로부터 새로이 배우는 것이 많다.
반도체 공정 중 식각, 증착, 이온주입에서 플라즈마가 자주 사용된다.
플라즈마는 원자에 높은 에너지가 가해져 원자핵과 전자가 분리된 상태를 의미한다.
아래는 통상적인 Sputter 식각의 과정이다.
1. 진공 Chamber 내에 전자를 쏜다. 진공 Chamber 내에는 높은 전압의 DC가 가해져 있기에, Chamber 내의 전자는 매우 빠른 속도로 Anode로 이동한다.
2. 전자가 고속으로 이동하다가 Ar과 같은 비활성 기체의 원자와 부딪힌다.
3. 전자와 부딪힌 비활성 기체의 원자는 양이온과 전자로 분리된다. (플라즈마의 생성)
여기서 유념해야 할 점은, 3번과 같은 모든 원자가 고속의 전자와 충돌했다고 해서 전부 3번과 같은 반응을 보이는 것이 아니라는 점이다.
원자가 고속의 전자와 충돌했을 때, 양이온과 전자가 분리되지 않고 단순히 원자핵에 Bound된 전자가 Excitation 했다가 Relaxation으로 Ground State로 돌아올 수도 있고, 이미 만들어져 있는 +의 양이온과 전자가 다시 재결합 할 수도 있으며, 분자의 종류에 따라서는 Radical이 만들어질 수도 있다.
다음과 같은 여러 반응들이 Plasma 내에 일어난다고 보는 것이 맞으며,
저 반응들 중에 우리가 Sputter에서 이용하고자 하는 양이온과 전자의 분리 반응의 비율은 고작 0.001%밖에 되지 않는다.
원자와 고속의 전자의 충돌은 대부분 단순히 Excitation / Relaxation으로 이어지며, Relaxation 과정에서 다시 방출되는 에너지는 빛의 형태로 방출이 된다. 이것이 바로 플라즈마가 발광하는 이유에 해당한다.
어쨌든
4. 양이온은 Cathode로 가속되어 충돌하게 되는데, 하도 높은 전압이 가해져 있을 뿐더러 전자에 비해 양이온의 질량은 매우 크기 때문에 충돌의 여파로 Cathode 쪽의 물질이 물리적으로 다른 원자와의 결합을 끊고 튀어 나오게 된다.
Cathode에 Wafer가 있고, Wafer의 표면에는 식각해서 제거하고자 하는 물질이 위치하고 있다고 생각해보자,
그 물질은 그렇다면 양이온의 충돌로 점점 제거될 것이고, 이것이 바로 Sputter 식각이다.
Loading Effect에는 Micro Loading Effect과 Macro Loading Effect가 있는데 이는 뒤에 데일리 미션의 답안에서 설명토록 하겠다.
위 사진은 식각 측면 형상에 따른 분류에 해당한다.
이 형상은 의도된 것일 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.
의도된 것이라면 괜찮지만 의도하지 않게 저런 형상이 만들어졌다는 것은 식각이 정확하게 진행되지는 않았다는 것을 의미하는 것이 되겠다.
데일리미션
Q1. 스퍼터 식각이 무엇인지 그 정의와 특징을 정리해보세요.
스퍼터 식각은 플라즈마로 인해 Ionized 된 양이온의 물리적 충돌을 이용하여 Target 물질을 제거하는 공정으로, Wafer가 양이온과 직접적으로 충돌하여야 하기 때문에 Sputter 증착 때와는 다르게, Wafer는 Cathode에 위치한다. Sputter 식각은 화학종의 표면 반응을 이용하는 것이 아닌 순수하게 비활성 기체의 양이온의 물리적 충돌을 이용하는 것이기 때문에 특정 성분을 가리지 않고 식각이 진행된다. 즉, Selectivity가 낮으며 고속으로 가속되는 양이온의 높은 직진성으로 인해 Anisotropic한 성향이 강하다.
Q2. 식각 공정의 주요 문제점들에 대해 정리해보세요.
식각 공정에는 Etchant에 양과 패턴의 밀도 혹은 구조의 비에 따라 Etch Rate가 감소하는 Loading Effect가 발생할 수 있다. Etchant의 공급이 원활하지 않을 때, 표면적이 넓은 영역에서의 Etchant의 농도가 좁은 영역에서의 농도보다 낮기 때문에 표면적이 비교적 넓은 영역에서 Etch Rate가 감소하는 Macro Loading Effect가 발생한다. 또한 식각하고자 하는 곳의 Aspect Ratio가 크면, 해당 Hole 내에서의 Etchant Gas와 By-Product Gas의 이동이 원활하지 않아 Etch Rate가 감소하는 Micro Loading Effect가 발생한다. 또한 구조적 요인과 같은 여러 요인에 의하여 Etch를 마친 뒤에 Side Profile이 의도했던 형상과 다른 모습을 가질 수도 있는데, 여러 이상 형상 중 일부는 Etch 중에 증착시키는 Polymer Layer를 조절하면서 해결할 수 있다.