반도체 8대 공정에서 가장 높은 난이도를 요구하는 공정 중 하나인 Etch(식각) 공정에 대해서 알아봅니다. 현재 세계적으로 메모리 반도체, 시스템 반도체들의 고효율, 고집적화의 경쟁이 이루어지고 있습니다. 이 과정에서 모든 단위 공정들의 난이도가 상승하고 있으며, 그중에서도 막질을 원하는 패턴으로 만들어주는 공정인 Etch 공정의 중요도가 매우 높아졌습니다.
Dry Etch의 개념
Etch 공정에는 기본적으로 Wet Etch와 Dry Etch가 있습니다. Wet Etch의 경우 반도체와 Display 산업 분야에서 다양하게 사용되고 있습니다. 다만 반도체 공정의 경우 Display 공정 다르게 많은 제품들이 nm 단위의 공정을 사용하게 되면서 등방성 Etch 특성이 강한 Wet Etch 공정의 비중이 줄어들게 되었습니다. 현재는 많은 중요한 공정에서 Dry Etch를 사용하고 있습니다. 그러므로 이번 글에서는 Dry Etch에 대해서 알아봅니다.
Dry Etch는 기본적으로 Plasma를 사용하게 되며, Chamber 안에서 Plasma를 이용해 Gas를 해리시키고 끌어당겨 주며 Stage 위의 Wafer에 새겨진 Pattern대로 Etch 하게 됩니다. 제품에 따라 다양한 막질을 Etch 하게 되는데, 크게는 Oxide, Nitride, Silicon, Metal Etch와 같은 종류가 있습니다. Etch Concept에 따라서 사용하는 장비도 다르게 되며, 해당 Etch를 위해 최적화된 Power, Gas 조성비, 압력, 온도 등을 선택하게 됩니다.
Dry Etch 주요 용어 정리
Dry Etch 공정 개발 시 빈번하게 사용되는 용어에 대해서 간략하게 정리해 봅니다.
1. Etch Rate (ER)
Etch 진행된 시간 동안 제거된 Target 물질의 두께를 의미합니다. 제품을 생산하는데 한 공정에서 시간을 단축시킬 수 있다면 비용적으로 많은 이익이 있기 때문에, 단위 공정 개발에 있어서 Etch Rate를 단축시키는 것은 매 중요한 일 중 하나입니다.
2. Selectivity
감광막(PR)과 그 Target물질과의 식각 비율을 의미합니다.
Photo 공정을 마치고 Mask의 Pattern대로 남아있는 PR들 역시 Etch 공정 중에 Target 물질들과 함께 Etch 됩니다. 이때 Etch에서 매우 중요한 부분은 Target 외의 물질들은 최대한 Etch 되지 않도록 하는 것입니다. 그리고 이 것은 우리가 이상적으로 생각하는 깨끗한 Pattern을 만들 수 있게 해 줍니다. 물론 목적에 따라서 기술적으로 Selectivity가 낮은 조건을 사용할 수도 있습니다.
3. Uniformity
Wafer에서 위치별로 Etch 된 두께의 편차를 의미합니다. Dry Etch를 위해 Chamber 내에서 Plasma를 형성하게 되면, Plasma의 균일도가 매우 중요하게 됩니다. Plasma의 균일도에 영향을 미치는 요소들은 매우 다양할 것입니다. 다만 Engineer는 경험적 혹은 이론적인 지식을 바탕으로 해당 균일도의 완성도를 높이기 위한 평가를 진행합니다. 그리고 이를 통해 Wafer의 모든 면에서 비슷한 Etch Rate를 가지는 Condition을 만들어내게 됩니다.
4. Aspect Ratio(AR)
Etch를 진행하는 Pattern의 목표가 되는 Hight/Width를 의미합니다. 가장 최신의 VNAND는 300 Stacks 이상의 구조로 설계되고 있습니다. 해당 제품을 완성시키기 위해서는 AR이 100:1 이 넘는 Etch 공정을 진행해야 하고, 이는 두바이의 Burj Khalifa 보다 높은 AR입니다.
Dry Etch의 공정 개발의 방향성
미세 선폭의 제품을 제작하기 위해서는 고도로 발달된 장비를 사용해야 합니다. 또한 해당 장비를 통해 Engineer들은 최적화 평가를 진행하게 됩니다. 최근의 Etch 장비들은 더 강한 Power, 빠른 Switching 능력, 그리고 넓은 온도 영역을 사용하기 위해 개발에 집중하고 있습니다. 더 강한 Power를 사용하게 되면 Gas를 해리시키는 능력과 Ion을 끌어당기는 능력을 강화할 수 있습니다. 그리고 이는 더 빠른 Etch Rate, 더 깔끔한 Etch 결과물을 만들어낼 수 있습니다. 빠른 Switching 능력의 경우 Ion Energy의 분포를 좁게 가져갈 수 있으며, 이는 Engineer가 원하는 Energy 영역의 Ion의 양을 많이 만들어 낼 수 있음을 의미합니다. 넓은 온도의 영역대는 Etch Rate 조절과 직접적인 연관성을 가질 수 있습니다. Target물질에 따라 경향성은 달라질 수 있지만, ON Mold의 Etch의 경우 저온에서 높은 ER을 확보할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 이는 Cryogenic Etch 설비의 개발을 진행하고 있는 배경이 되고 있습니다.
