4.1 식각 공정) Reactive Ion Etching, 식각 변수

전 포스팅에서 건식 식각과 습식 식각에 대해서 간단하게 알아봤습니다.

2022.10.14 - [전자공학/4. Etch] - 4. 식각 공정) 식각 공정의 개념과 습식 식각, 건식 식각의 개념 및 차이

4. 식각 공정) 식각 공정의 개념과 습식 식각, 건식 식각의 개념 및 차이

건식 식각은 이방성이기 때문에 나노 패턴을 그리기 쉽지만, 느리고 선택비가 낮아 Mask가 파괴될 수 있습니다.

습식 식각은 등방성이기 때문에 나노 패턴을 구현할 수 없지만, 빠르고 선택비가 높다는 장점이 있습니다.
따라서, '이방성'이며, '선택비'가 좋은 공정을 갈망하였고 탄생한 장비가 RIE입니다.

Summary

RIE는 이방성과 높은 선택비, 이 두 가지 장점을 가진 etch 장비입니다.
하지만 등방성 성질이 조금은 남아 있어, 이를 보완하고자 Inhibitor 막을 계속적으로 증착을 시켜 옆면을 보호합니다.

이를 Ion enhanced inhibiting RIE 장비라고 합니다. 

Dry Etch에서 C, F로 구성된 etching gas를 사용합니다. Inhibitor 증착과 etch를 같이 하여 이방성 식각을 하기 위해서입니다. C의 함량이 높아지면 Inhibitor 막이 생기고, F의 함량이 높아지면 Etch가 잘 됩니다. 이로 선택비 또한 조절을 할 수 있습니다.
선택비 높이기 위한 H2, O2 첨가 시 effect입니다.

CF4 식각 가스 (F는 Si, SiO2 둘 다 녹임)	H2 Effect	Si :H 공급으로 인해 HF 생성됨. F 농도가 없어져서 Si가 잘 녹지 않음 SiO2 : H 공급으로 인해 H2O 생성됨, F 농도가 없어지지 않아 SiO2는 잘 녹음
	O2 Effect	Si : O 공급으로 인해 F 분해률이 엄청 커짐 즉 Si가 잘 녹음 SiO2 : 이미 O가 존재하기 때문에 없음.

 

RIE(Reactive Ion Etching)의 개념

Sputter 식각, 라디칼 반응 식각의 장점을 합쳐놓은 장비입니다.

Sputter 식각을 통해 target을 이온으로 때립니다. 그럼 target이 부분적으로 약해지겠죠.
이 약해진 부위는 라디칼과의 반응이 촉진되어 화학적 식각이 일어납니다.
(Plasma가 공급 가스(식각 가스)를 분해하여 reactive 한 radical를 형성시킵니다.)

그럼, 일단 약해진 부위(충돌된 부위)는 반응성이 커져 반응을 하니 '이방성'이겠죠?

먼저 sputter로 살살 때려줍니다

하지만, 이 방법은 한계가 있습니다. plasma 속 수많은 라디칼이 파인 곳에 들어가서, 양 옆으로도 반응을 합니다.
즉 시간이 지남에 따라 등방성 식각이 진행이 되는 거죠. (습식, radical 식각보단 확실히 이방성 성질이 생깁니다.)

반응성이 세져 radical과 결합을 하여 날라갑니다.

Ion enhanced Inhibiting

RIE에서 등방성 식각을 해결하는 방법이 Ion enhanced inhibiting입니다.
라디칼과 식각 target과의 반응을 방해하는 inhibitor 막을 계속 증착시켜, 이방성을 유지하는 겁니다.

그럼 옆 부분은 inhibitor로 증착이 되어 있어 라디칼과 반응이 일어나지 않고, 밑 부분은 sputter 식각으로 인해 inhibitor가 파괴되어 식각이 일어납니다.
다시 또 밑으로 식각을 진행하면 옆면이 노출되겠죠? 그럼 다시 또 inhibitor 막을 증착시킵니다.

시간이 많이 걸리지만, '초 미세 패턴 구현'에 있어 정말 좋은 기술입니다.
참고로, 식각 가스의 C, F의 비율을 잘 조절하면 side에 inhibitor 막 증착과 etch가 동시에 잘 됩니다.
C의 함량이 클수록 고분자가 형성이 되어 inhibitor가 증착이 되고, F의 함량이 클수록 고분자가 제거되니까요.

SiO2의 Dry etch 가스는 CHF3, C2F6 입니다.
Si의 Dry etch 가스는 C2F6, SF6, CCl4, CF2Cl2, CF3Cl 입니다.

<심화 내용>
F/C 비율이 작아질수록, Si의 고분자 화가 SiO2에 비해 훨씬 잘 됩니다. (SiO2는 폴리머가 되지 않습니다.)
즉, SiO2를 식각 할 때, 낮은 F/C 비율로 식각을 진행을 하면 선택비(SiO2는 잘 식각 되고 Si는 안 되는)가 높아집니다..

선택비를 높이는 효과가 더 있습니다. (etch 가스로 CF4를 썼다고 가정합시다)
H2 effect : H가 공급이 되면 HF가 생성이 되어 F 농도가 낮아져 Si의 etch rate가 느려집니다. 하지만, SiO2 같은 경우는 기존의 O와 H랑 결합을 하여 F 농도가 낮아지지 않습니다. 즉, Si 위에 있는 SiO2를 Dry etch 할 때 이용합니다.(선택비가 높아집니다.)
CHF3에서 H를 쓰는 이유라고 생각하시면 되겠습니다.

O2 effect : O가 공급이 되면, CF3 + O > COF2 + F > CO + 2F 이런 식으로 바뀌어 F가 엄청 많아집니다. 즉, Si이 정말 잘 녹겠죠. 즉 이는 SiO2를 남기며 Si를 Dry etch 할 때 이용됩니다.

ICPRIE의 원리

ICPRIE는 Inductively coupled plasma reactive ion etching의 약자로, plasma에 자기장을 걸어 줘 고밀도 plasma를 만들어 RIE를 진행하는 것이라고 생각하시면 됩니다.
이를 통해, 높은 식각률을 가질 수 있으며, 저압에서도 고밀도 plasma를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만, 식각 gas의 라디칼이 너무 많이 분해되어 등방성 성질이 강해질  수 있다는 것이 단점입니다.

Dry etch Overetch

Plasma는 공정 특성상, edge 부분보다 center에 plasma의 농도가 더 짙습니다.
따라서, center 부분의 etch rate이 빠릅니다. Edge 부분이 식각이 다 될 때까지 기다려야겠죠?
이로 인해 center 부분이 과잉 식각이 일어납니다.

식각 변수

1. 식각률 : 단위 시간당 식각이 진행된 두께입니다.(식각 속도)
2. 선택비 : 목표 물질 식각률을 masking 물질 식각률로 나눈 것으로, 클수록 좋습니다.
3. 종횡비 : 세로 높이를 가로 높이로 나눈 것으로, 높을수록 이방성 식각이 중요합니다.

Etch mask 종류

1. Soft mask : PR mask를 etch mask로 직접 사용하는 경우로, PR mask를 soft mask라고 합니다.
2. Hard mask : PR mask가 식각 공정을 견딜 수 없을 때, 금속(Al, Ti, Cr) Mask를 사용합니다. 이 금속 mask를 hard mask라고 합니다.

 

Si, SiO2 식각 물질

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