식각 공정 (Etch)

식각 공정의 위치

식각 공정은 ‘포토가 그린 그림을 실제 부조(浮彫)로 만드는’ 단계다.

포토 공정이 PR 위에 패턴을 그렸다면, 식각은 그 PR을 마스크로 삼아 아래 박막을 깎아 진짜 회로 형상을 새긴다.

식각이 끝나면 PR을 제거하고, 다음 공정으로 넘어간다.

한 칩에는 STI 트렌치, 폴리실리콘 게이트, 스페이서, 컨택홀, 비아, 메탈 라인, 마지막 보호막에 이르기까지 수십~수백 회의 식각이 들어간다.

건식 식각과 습식 식각

식각은 크게 두 가지로 갈린다.

건식 식각(dry etch, plasma etch)은 진공 챔버 안에 가스를 넣고 RF 또는 마이크로파로 플라즈마를 만든 뒤, 활성 라디칼과 이온을 이용해 박막을 화학·물리적으로 깎는다.

습식 식각(wet etch)은 약액(HF, KOH, 인산 등)에 웨이퍼를 담그거나 분사해 화학적으로 박막을 녹인다.

미세 패턴은 거의 모두 건식 식각으로 만든다.

측벽이 거의 수직(이방성)으로 떨어져야 좁은 패턴을 정확히 옮길 수 있고, 이건 건식 식각의 강점이다.

습식 식각은 등방성에 가까워 작은 패턴 모서리가 부드러워지지만, 식각 후 잔류 입자 제거, 두꺼운 막의 일괄 제거 같은 응용에 여전히 핵심 역할을 한다.

핵심 지표: 식각률·선택비·이방성

핵심 지표 첫째는 식각률(etch rate)이다.

분당 또는 초당 몇 Å이 깎이는지를 본다.

둘째는 선택비(selectivity)다. ‘목표 박막 대 마스크 박막’의 식각률 비율이다.

예컨대 SiO₂를 깎고 싶을 때 PR보다 SiO₂가 훨씬 빨리 깎여야 PR이 다 닳기 전에 SiO₂를 정확히 깎을 수 있다.

셋째는 이방성/등방성이다.

패턴 측벽이 수직이면 이방성이 강한 것이다.

넷째는 균일도다.

같은 웨이퍼 안 49 또는 121 포인트의 식각 깊이가 얼마나 비슷한지 본다.

다섯째는 마이크로 로딩(loading)이다.

패턴 밀도가 다른 영역의 식각 깊이가 다르게 나오는 현상으로, 회로 설계와 dummy fill로 보완해야 한다.

주요 응용: STI, 게이트, 컨택홀, BEOL

주요 응용을 보면 식각이 회로의 거의 모든 형상을 만든다.

STI 트렌치 식각은 트랜지스터 사이의 절연을 만들기 위해 실리콘에 깊은 홈을 판다.

게이트 식각은 폴리실리콘 또는 메탈 게이트를 정확한 폭과 측벽 각도로 깎는다.

스페이서 식각은 게이트 옆의 절연막을 한쪽만 남기는 자기 정렬형 공정이다.

컨택홀 식각은 트랜지스터 위의 두꺼운 절연막에 좁고 깊은 구멍을 뚫어 메탈과 트랜지스터를 연결한다.

BEOL 메탈 식각(또는 다마신 트렌치 식각)은 다층 배선의 라인과 비아를 만든다.

HARC와 3D NAND 채널 식각

HARC(High Aspect Ratio Contact)와 3D NAND 채널 식각은 식각 난이도의 정점이다. 3D NAND는 200단대 이상에서 종횡비 50:1 이상의 채널홀을 한 번에 뚫어야 한다.

이때 ‘CCP(Capacitively Coupled Plasma)’ 기반의 고출력 RF, 고에너지 이온, 그리고 적절한 폴리머 측벽 보호 화학을 결합한 식각 레시피가 필요하다.

라이언(LAM)의 KIYO·VECTOR 라인업, 도쿄일렉트론(TEL)의 Tactras·Vigus, 어플라이드 머티리얼즈의 Sym3 같은 장비가 양산에 사용된다.

같은 식각이라도 D램 캐패시터 ‘몰드 산화막’ 식각, EUV 패턴 후속 식각, 메탈 게이트 식각마다 가스 조합이 완전히 다르다.

건식 식각에서 쓰이는 RIE 구조 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

결함과 마이크로 로딩

식각 결함은 다양하다.

측벽 각도 부족(under-cut, taper), 식각 잔류(underetch), 과식각(over-etch), 노치(notch), 풋(foot), 폴리머 잔류, 마이크로 마스킹(이물에 의한 작은 점 결함), 포토 PR 손상 등이 대표적이다.

결함은 광학 검사와 SEM, TEM 관찰로 잡고, 가스 비율·바이어스·온도·시간을 미세 조정해 해결한다.

또 한 챔버에서 양산을 오래 하면 챔버 내부에 식각 부산물(폴리머)이 쌓여 결함의 원인이 되므로, 정기적인 챔버 클린(in-situ plasma clean)이 필수다.