[반도체공정및응용] Etching

안녕하세요! 

이번 '반도체공정및응용'에서 다뤄볼 공정과정은 Etching과정입니다. 

이번 글도 조금 길겠지만 열심히 써볼게요!

 

---

< Etching >

 Etching은 wet 또는 dry chemical reaction을 통해 특정 부분의 물질을 제거하는 과정을 말합니다. 

원리는 deposition와 반대로 물질을 제거한다는 점에서 CVD와 비슷한 과정을 보입니다. 

• Etching 과정

Etching은 다음과 같이 3단계 과정을 거칩니다. 

1) surface에 diffusion을 통해 reactant를 넣어줌

2) surface에 film과 reactant 사이 둘을 반응시킴

3) 반응하여 생긴 by-product를 surface boundary 밖으로 내보냄

 

위 과정은 CVD와 매우 유사함을 확인할 수 있습니다.

 

Etching에서는 ① directionality - 방향성 과 ② selectivity - 선택성 두가지가 가장 중요합니다. 

방향성은 physical적인 부분이 관여하고 선택성은 chemistry가 관여하게 됩니다. 

즉, modern한 etching은 둘을 적절히 섞어 진행해야 합니다. 

아래는 gate부분을 etch하는 과정에 대한 예제입니다.

 

 

• Etching parameter

Etching 과정에서 확인하는 11개의 parameter에 대해 이야기 해보겠습니다. 

① Etch rate : etch process 동안 얼마나 빠르게 물질을 제거하는지에 대한 param. 

  - SEM, TEM을 통해 관찰할 수 있음

  - etch rate = (시간당 두께변화) / (etch 시간) = (thickness before etch - thickness after etch) / (etch time)

  - 영향 받는 요인 : gas flow, gas composition, pressure, source power, bias voltage, wafer temperature

 

② Uniformity : wafer 간 etch 정도가 얼마나 균일한지

  - wafer 간의 uniform etch rate, within-wafer(WIW)에서의 good uniformity

  - 높은 repeatability(반복성), wafer-to-wafer(WTW)의 good uniformity

 

③ Selectivity : 다른 물질(target & mask) 사이에서 target물질만 etching할 수 있는지의 비율

  - etching 비율

  - selectivity(S) = ER1/ER2  (ER = etch rate)

 

④ Etch profile 

  - cross-sectional SEM으로 측정

  - 높은 anisotropic(대부분 vertical profile), 높은 selective etching 둘다 상충

  - directionally-selectivity 사이 trade-off 존재

 

⑤ Etch bias : CD(critical dimension)의 차이

 

⑥ Etch anisotropy : anisotropy 정도

 

⑦ Loading effects : pattern 모양이 etch rate에 얼마나 영향을 끼치는지

⑧ Macroloading : open area에 따른 etch rate의 차이

⑨ Microloading 

  - time passing through the smaller hole에 어렵기 때문에 큰 hole이 작은 hole 보다 평균적으로 etch rate가 큼

  - hole이 작으면 by-product의 diffusion도 어려워짐

  - process pressure이 낮아지면 방해 기체가 줄고 etch 기체가 더 잘 들어오고 mean free path가 증가해 좋지 않은 effect를 막아줌

 

⑩ over etch : etch film과 substrate 물질 사이의 selectivity 차이

  - material의 조절이 필요

⑪ Residue : etch process 후 원치않게 left over된 물

 

 

< Wet & Dry Etching >

 IC fabrication에서 두가지 etching process가 존재합니다.

현재에는 소형화가 진행되면서 dry etching이 dominant process입니다. 

 

 wet etching은 liquid 형태의 물질을 사용합니다. 

selectivity가 매우 좋고 방향성이 매우 떨어집니다. (S↑, D↓)

 dry etching은 3가지 방법이 존재합니다.  - Chemical etching : gas

                                                                  - Physical etching : plasma

                                                                  - RI(Reactive-ion) etching : gas + plasma

 

각 방법의 특징과 비교는 아래 그림을 참조해 주세요!

 

1. Wet etching - liquid 사용

       : wafer surface에 dissolve material인 chemical solution을 사용해 etching을 진행하는 방법

  - 표면 반응을 통해 만들어진 부산물 byproduct를 빼줌

  - high selectivity를 가져 thin film stripping에 사용, sacrifical oxide에서 사용 多

  - wet etching -> DI water rinse -> spin out 의 과정을 거침

 

  -  wet etching 사용 물질

ⅰ Oxide wet etch

  - HF-SiO2 wet etch에 주로 사용. (HF가 Si를 녹이지 않아 selective over Si)

           SiO2 + 6HF -> H2SiF6 + 2H2O

  - 반응성 빠른 HF를 물이나 buffer solution(NH4F)에 넣어 희석시키면 반응이 느려짐 

      (etch range와 uniformity를 더 잘 control 하기 위해)

           NH4F  ->  NH3 + HF

  - 6:1 BOE(buffered oxide etchant)나 10:1 / 100:1 DHF(diluted HF)로 oxide etch rate를 조절

  - etch rate는 film의 density와 doping에 의존함

 

ⅱ Silicon wet etch

  - single-crystal과 polycrystalline silicon은 HNO3와 HF의 mixture로 isotropically etch

  - HNO3는 NO2를 부분적으로 분해시키고, 반응에 의해 silicon surface를 산화시킴

         Si + 2NO2 + 2H2O  ->  SiO2 + H2 + 2HNO3

  - HF는 생성된 SiO2를 제거시킴

         Si + 2HNO3 + 6HF  ->  H2SiF6 + 2HNO3 + 2H2O

 

ⅲ Nitride wet etch

  - 뜨거운 H3PO4(STI 물질)을 주로 사용

         Si3N4 + 4H3PO4  ->  Si3(PO4)4 + 4HN3

  - 180℃의 91.5% H3PO4 용액에서 nitride etch rate는 100Å/min

 

 

2. Dry(Plasma) etching

      : 물리적으로 particle과 큰 힘으로 진행하는 etching 방법

  - 몇몇 case에서 faster하고 simpler etching임

  - 더 directional(anisotropic) etching함

  - RF-powered plasma etch system은 PECVE와 sputtering의 반대과정임

  - chemical(highly reactive) species & ionic(very directional) species

  - etching gas에는 halide-containing species (CF4, SiF6, Cl2, HBr), additive(O2, H2, Ar)를 같이 넣어 사용

  - O2는 carbon chain을 CO, CO2가 쉽게 strip한다는 성질을 이용하여 PR etch에 사용

  - pressure = 1mtorr (e-3 torr) ~ 1torr에서 진행

  - free radical과 같은 reactive neutral chemical species&ion 사용

 

 

  - 세가지 principle machanism이 존재함

1) chemical etching

      : radical 사용 (chemical etching과 유사함), 높은 압력, 저진공에서 진행

  - free radical(F, CF3)를 사용해 진행

  - purely chemical 로 isotropic하고 selective한 특성을 보임

  - 이때, CF3+F가 다시 재조합하기 때문에 F가 많아야 Si의 etch rate가 증가하게 됨

       => CF3와 반응하는 O2를 추가적으로 넣어주면 higher etch rate를 만들 수 있음

 

2) physical etching : anicoropic, less selective

      : 전압 강하(plasma 이온 - Ar+, CF3+, CF4+), 고진공에서 진행

  - 더 directional한 ion etching

  - plasma sheath를 가로지르는 E-field로 인해 positice ion이 가속됨. 

  - CF3+, Ar+를 주로 사용

  - selective가 낮고 damege가 발생할 수 있음

 

 

3) RIE(Reactive-Ion/Ion-enhanced etching) : anisotropic, selective

      : 1)과 2)를 같이 진행하는 방법, 낮은 압력

  - chemical(free redical)과 physical(ion bombardment)의 combination으로 장점이 결합

  - controllable etch rate, etch selectivity, anisotropic & controllabel etch profile을 보임

 

  - physical, chemical component 사이의 synergistic etching

  - ion bombardment는 반응을 증가시키기 위해 표면을 손상시키거나 by product를 제거함으로써 공정을 향상시킬 수 있음

  - inhibitor(etch 억제)를 막을 수 있음 

 

 -  dry etching 사용 물질

ⅰ Dielectric etch (SiO2, nitride) 사용

  - hard mask, contact, via, bonding pad에 사용

  - heavy ion bombardment로 F를 사용  ->  damaging machanism

  - CF3, CF4, C2F6, C3F8 gas 사용

 

ⅱ Single-Crystal Si etch

  - STI(Shallow Trench Isolation)과 deep trench for capacitor에 사용

  - 보통의 single-crystal Si는 오염을 방지하기 위해 PR 대신 SiO2, Si3N4 hardmask를 사용함

  - blocking mechanism으로 main erchant는 HBr, sidewall passivation agent로 O2를 사용

  - HBr는 Si와 반응해 SiBr4를 형성할 수 있는 Br을 분리,방출 함

  - O2는 sidewall의 Si를 산화시켜 SiO2를 만들고, 이는 Br로 부터 보호함

 

ⅲ Polysilicon etch

  - gate나 local interconnection에 사용 (most critical etch process -> gate etching)

  - PR과 Cl2를 main etchant로 사용

  - Cl2는 PR과 결합하는 특성이 있어 sidewall의 thin polymer layer로 만들고 anisotropic etch profile과 small CD를 가

 

ⅳ Metal etch

  - interconnection line에 사용

  - Cl2가 main etchant  -> Cl compound 형성

  - BCl3, N2를 sidewall passivation으로 사용

 

ⅴ PR etch

  - PR strip에 사용

  - O2가 main etchant (carbon chain 쉽게 strip 가능)

  - H2O는 plasma에 첨가되어 PR을 제거하기 위한 HO를 제공, H radical은 sidewall과 PR의 Cl 없애줌

      (Cl에 H radical을 HCl로 내보냄)

  - remote plasma source -> ion bombardment 없는 free radical로 화학적 etching

  - metal etch 후, PR 포함된 Cl strip이 매우 중요 (Cl은 metal 제거 피하기 위해 H가 주입됨)

 

• Effect of F/C Ratio on Selectivity between SiO2 and Si

1) Si etch 향상을 위한 O2 추가

  - CF3와 CF2와 O2 결합 ( F/C ration 증가 ) -> F와의 recombination 감소

  - 너무 많은 O2에 희석된 F, O는 Si와 산화에 의해 surface를 F와 경쟁하게 됨.

 

2) Si etch를 줄이기 위한 H2 추가

  - H는 HF 결합에 의해 F의 농도를 줄임 ( F/C ratio 감소 )

  - 낮은 F/C rate는 Si 표면에서 polymerization을 강화시키고 식각을 억제시킴

  - SiO2 표면에서 O by-product는 C와 반응해 CO, CO2가 되어 polymerization을 감소시킴

  - SiO2 식각 속도에 비해 Si 식각 속도가 감소해 SiO2와 Si의 selectivity가 증가됨

 

---

여기까지 Etching에 대한 내용이었습니다!

다음 글은 Interconnection에 대한 내용이고, 아마 거의 마지막을 향해 가고 있는거 같네요.

마지막까지 써보도록 하겠습니다. 

글 읽어주셔서 감사합니다!