ETCH공정

ETCH 장비를 경험해보지 않았습니다.

저도 공부하기 위해서 이 글을 작성하는 것이니 잘못된 부분이 있으면 알려주시면 감사하겠습니다.

출처 : RESEARCHAGATE.NET

개요

주요 구성 요소

항목	역할	비고
펌프(PUMP)	FILM을 식각하기 위한 고진공 상태를 만들고 유지하는 기능
RF GENERATOR	PROCESS CHAMBER 내에 주입된 GAS에 POWER를 인가하여 PLASMA를 형성하여 주는 SOURCE
CHILLER	ETCHING 도중에 발생하는 열을 냉각시켜 FILM 식각의 균일도 및 DAMAGE를 감소시키는 기능	HEAT CYCLE 방지
PROCESS CHAMBER	일반적으로 FILM 식각이 행해지는 반응실로 이곳에는 일정 압력이 유지되고, PLASMA에 의한 GAS들의 반응이 이루어지고 반응 생성 물질이 배기(EXAUST) 라인을 통해 배출되는 용기	반응 생성물의 이물화 조절이 필요
GAS BOX	식각에 필요한 GAS의 유량을 조절시키는 MFC 장치가 있고 사용하는 GAS를 분배
MAIN CONTROLLER	식각에 필요한 모든 장치를 통제하는 곳으로 인간의 두뇌에 해당

ETCH의 종류

항목	DRY ETCH	WET ETCH
정의	PROCESS GAS를 진공 챔버에 주입 시킨 후 POWER을 인가하여 PLASMA를 형성 시켜서 물리적 또는 화학적 반응을 일으켜 FILM을 ETCH 하는 공정	PROCESS CHEMICAL을 이용해서 ETCH 시키고자 하는 FILM과 화학 반응을 일으켜 용해시켜 ETCH 하는 공정
특징	□ ETCHING TIME 제어가 용이 □ ETCHING PROFILE 제어 가능 (ISOTROPIC &ANISOTROPIC) □ FI CD 제어가 용이함	□ FILM 간 ETCH SELECTIVITY가 매우 높음 □ 1회에 대량의 WAFER를 처리 □ CONTAMINATION & DAMAGE에 의한 제품의 열화가 작음

PLASMA 원리

PLASMA 란?

▶ 정의 : 하전된 입자의 중성입자로 구성되어 있으며 집단적 운동을 하는 준 중성 가스

▶ 조건 : 통계처리 가능한 충분한 수의 양이온과 전자가 주어진 계내에 존재하며 계전체적으로 중성일 것

▶ 생성 : 공기 중의 미량의 자유전자, 강전계등에 의한 방출 열전자가 SEED가 되어 공급 에너지에 의해 가속되어 충돌(COLLISIONAL PROCESS, IONIZING COLLISIONS) 및 이온화하여 생성

PLASMA의 운동

▶ 하전 입자의 운동 : 단일 입자의 운동 - 전자기장으로부터 받은 힘에 의해 운동

플라스마 확산 - 질량이 작은 전자가 빠른 속도로 확산되므로 진공용기 벽 근처에서 PLASMA POTENTIAL과 SHEATH가 형성

▶ 플라스마 진동 : 플라스마 내부에서 밀도 분포 변화에 의해 진동 발생되며 이때 전기장이 발생되고 전자는 전기장의 반대 방향으로 가속됨 (이온은 질량이 매우 커서 거의 움직이지 못하고 고정됨)

PLASMA 발생의 원리

▶ 도체 평판 사이에 전압을 걸어주면 전자가 가속되어 에너지를 얻고 연속적으로 재가속되어 AVALANCHE가 일어나 방전이 시작됨.

▶ 압력과 전극 간의 거리가 AVALANCHE 발생과 관련됨 (압력이 낮거나 간격이 좁으면 이온화 횟수가 적어지고 압력이 너무 높거나 간격이 넓으면 충분한 에너지를 얻지 못해 방전이 일어나지 않음)

ROADMAP

출처:http://maltiel-consulting.com/ITRS_Roadmap_to_Lithograph_Copper_CMP_Planarization.html

핵심 기술

STI 공정

SAC ETCH 공정

SAC ETCH 란?

▶ 원리 : CONTACT OXIDE ETCH 시 FILM 간 (NITRIDE/OXIDE) 선택비를 높여서 ETCH 하므로, GATE 옆의 NITRIDE를 만나면 선택비 차이로 ETCH가 되지 않고 OXIDE만 ETCH되어 CONTACT이 형성됨

▶ 목적 : 0.5㎛ 이하의 CONTACT HOLE을 DEFINE 하는데 문제가 되는 PHOTO ALIGN 한계를 극복하기 위하여, SELF ALIGN ETCH로 CONTACT을 ETCH 하기 위함

POLYMER 제거 공정

PLASMA ETCH에 사용되는 일반적인 ETCHANT GAS

피 식각 물질	ETCHANT GAS	PRODUCT
Si, SiO2, SiN4	CF4, SF6, CHF3, NF3	SiF4
Si	CF4, CCl2F2, F113, F115	SiCl2, SiF4, SiCl4
Al	BCl3, CCl4, Cl2	AlCl4, AlCl3
PHOTO-RESIST	O2, O2 + CF4	CO, CO2, H2O, HF
REFRACTORY METAL SILICIDE W : WSi2 Ta : TaSi2 Mo : MoSi2	CF4, CCl2F2	WF4

POLYMER 생성 과정

▶ PLASMA 공정에서 피식각 물질과 반응 GAS와의 화학적 반응에 의해 반응 생성물이 비휘발성(NON-VOLATILE) 물질이 되어 배기에 의해 빠져나가지 못하고 PROCESS CHAMBER 또는 WAFER 상부에 남아 이물이 됨

▶ 피식각 물질 및 사용 GAS 등에 따라 POLYMER 증착 정도 및 위치가 차이가 남

▶ POLYMER 성 이물 관련 FACTOR는 광범위하기 때문에 단 한 가지의 영향에 의해 형성되는 경우는 거의 없으며, 여러 가지 원인의 교호작용 등에 의하여 복잡하게 형성됨

일반적은 챔버 구조

METAL ETCH 공정에서의 POLYMER 성 이물

공정	장치	FILM	GAS 및 특성	비고
METAL ETCH	ECR 장치 (HITACHI) MERIE 장치 (AMT) TCP 장치 (LAM)		□ 장비의 구조 및 PLASMA SOURCE가 틀림 □ 사용 GAS 및 공정 특성이 비슷하여 일반적인 POLYMER 발생 원인을 추정할 수 있음	특정 목적을 위해 다층 구조를 사용
		Al	•Cl2 및 BCl3 GAS를 공정 GAS로 사용. •Cl2 : MAIN ETCHANT • BCl3: SIDEWALL PASSIVATION 용으로 사용.
		MoSi2 WSi2 TiW	• F 계통의 GAS를 사용

METAL ETCH 시 POLYMER 성 이물 원인

항목	내용
온도	PROCESS CHAMBER의 경우, 기본적으로 WAFER가 놓이는 하부 전극, POWER가 인가되는 상주 전극 및 WALL이 있으며 이 3가지의 온도 차이가 많으면 온도구배에 의해 POLYMER는 열을 방출하기 쉬운 차가운 부분으로 몰린다. POLYMER의 경우, 반응에 의해 주로 많은 열을 가지고 있으며, 열역학적으로 자신이 안전된 상태를 유지하기 위해서는 열을 빼앗겨야 한다. 따라서, 온도가 높은 부분에는 쉽게 부착되지 않는다.
압력	압력의 경우, 장비 구조 및 특성에 따라 다르지만 일반적으로 저압을 사용하면 GAS의 유속 등이 빨라 POLYMER가 CHAMBER 내부에 부착될 가능성이 고압에 비해 극히 적다. 또한, 압력에 따라서는 공정 특성상 가루성 이물이 되거나 젤리성 이물이 도기도 한다.
피식각 물질	AI 배선 위에 TiW를 사용하는 경우 F 계통의 GAS를 사용하여야 하고 AI는 Cl2/BCl3를 사용하므로 혼합 사용 시 화학 반응은 매우 복잡하게 진행된다. 따라서, BY-PRODUCT를 중간중간에 제거하기 위해 DRY CLEANING이 필요하며 DRY CLEANING의 목적은 잔류하는 POLYMER를 재차 반응시켜 휘발성으로 만들어 배기를 통해 제거하기 위함.

POLY 및 OXIDE ETCH 공정에서의

POLYMER 성 이물

▶ Poly 및 Oxide Etch 공정도 Metal 공정과 비슷한 경향을 나타내나 Metal Etch 공정에 비해 Polymer 성 이물이 적게 형성됨.

▶기본적으로 F 및 Cl- 기를 사용하기 때문에 Polymer는 발생된다.

▶특히, Plasma 응집을 위해 사용되는 절연체 Focus-Ring 주위에 많은 Polymer가 형성된다.

▶ Poly silicon 측벽 보호를 Cl- 이온들이 C와 결합하여 Polymer를 형성한다.

▶ Cl- Ion들이 Poly-silicon의 Si와 결합하여 SiClx 화합물을 형성하여 결국 SiCl4를 형성.

▶ SiO2는 화학적 반응과 Ion Bambardment의 도움으로 Etching 된다

▶ Polymer를 형성하는 Polymerization은 Etch를 느리게 하거나 방해하는 역할을 함으로써 원하는 선택비를 얻는 중요한 요소로 작용함.

▶ Cl- Ion들이 Poly-silicon의 Si와 결합하여 SiClx 화합물을 형성하여 결국 SiCl4를 형성.

▶ Oxide 경우 기본적으로 CF4/CHF3등 Freon 계통의 Gas를 사용하며, 막 질 또한 종류가 다양하여 Polymer 측면에서는 유의차가 없다. 특히 Sidewall Passivation 용으로 사용되는 CHF3 Gas에 의해 Polymer가 다량으로 Chamber에 Dopo. 되는 경향.