건식식각(Dry etch)

건식식각(Dry Etching)

건식식각은 플라즈마 기체나 활성화된 기체에 의한 반응으로 크게 물리적, 화학적, 물리화학적 방법 세 가지로 나누어진다.

 

물리적 식각(Physical Etch)	비등방성이며, 평균자유행로(Mean Free Path)로 인해 깊이가 깊어질수록 식각의 폭이 좁아지는 단점이 있다.
화학적 식각(Chemical Etch)	등방성이며, Lateral etch ratio가 1에 가깝다. 최근 CD(Critical Dimension)가 줄어드는 상황에서 사용 빈도가 줄어들고 있는 추세이다.
물리적 + 화학적 식각	원하는 부분만 Vertical하게 식각이 가능하여 현재 가장 많이 사용되는 식각 방법이다.

* Mean Free Path(평균자유행로) : 기체 분자나 금속 내의 자유전자가 다른 입자와 충돌하지 않고 움직이는 평균적인 거리

 

건식식각 원리 - 플라즈마

플라즈마 : 고체, 액체, 기체와는 다른 제4의 상태로, 강력한 전기장 혹은 열원으로 가열되어 기체상태를 뛰어넘어 전자, 중성입자, 이온 등 입자들로 나누어진 상태

물질 상태

 

 

플라즈마는 건식식각의 일종인 스퍼터링에서 주로 아르곤(Ar)을 사용한다. 그 이유는 가장 안정적인 18족 원소로 불활성 기체이며, 다른 18족 원소인 제논과 크립톤에 비해 저렴하기 때문이다.

원소 이온화 에너지(1차 이온화)

 

플라즈마 식각 순서

1. 1차 전자가 에너지에 의해 전극에서 방출된다.

2. 1차 전자가 +극을 향해 강하게 가속하여 중성 아르곤과 충돌한다.

3. 아르곤은 가지고 있던 전자(2차 전자)를 잃어버리고 양이온 아르곤이 된다.

4. 2차 전자는 다시 전압에 의해 가속되어 아르곤과 부딪힌다.

5. 반응이 연속적으로 이루어지게 되고 이온화된 2차 전자가 늘어나 반응하는 Avalanche 현상이 발생하게 된다.

 

 

물리적 식각

고에너지를 가진 이온들을 기판 표면에 충돌시켜 기판의 결합에너지를 끊어서 기판의 입자들이 표면을 이탈시키는 식각이다. Defect  발생 가능성이 높은 방법이다.

 

물리적 식각

 

 

건식식각

1. 진공상태의 용기 안에 비활성기체를 채운다.

2. Target에 고전압을 걸어 방전시키면 이온화된 비활성기체가 Target에 충돌하게 된다.

3. 이 충돌로 인해 Target의 이온이 튀어나오게 되는데, 이를 통해 식각이 진행된다.

 

이때 비활성기체를 이온화하는 방법에서 다양한 방법이 존재하게 된다.  DC스퍼터링, RF스퍼터링, DC마그네트론스퍼터링 등으로 구분된다.

 

 

화학적 식각

플라즈마 반응기체(Radical)로 이루어져 웨이퍼 표면에서 목표물과 화학작용을 일으키는 식각방법이다. 기판 위를 플라즈마 기체가 흘러가게 하여 식각제(기체)가 기판 표면에서 반응하는 기법이다. 등방성 식각이 이루어진다는 특징이 있다.

 

* 라디칼(Radical) : 전기적으로 중성이지만 불완전한 화학적 결합을 하고 있어 다른 물질과 매우 잘 반응하는 성질을 가진 입자(F, CI, H, O, CF)

 

화학적 식각

화학적 식각 프로세스

 

물리화학적식각

이온조사반응건식식각(RIE, Reactive Ion Etching) : 물리적 화학적 방법의 장점을 모두 취한 방법이다. 물리적 화학적 식각의 시너지를 얻어 식각속도가 가장 빠르고 Vertical 한 식각에 유리한 방법이다. 선택비가 높음, 비등방성, Vertical Etch가 가능한 특징을 가지고 있다.

 

식각공정의 기술발전 방향성

1. 플라즈마 밀도를 높이는 방향으로 개선 :  라디칼, 이온 생성량을 증가시켜 반응을 높이는 기술 발전

2. 플라즈마 활용도 개선 : 입자의 재결합율보다 웨이퍼 표면 반응율을 높여 활용도를 개선하는 방향으로 기술 발전.

1. Uniformity : 균일한 플라즈마 분포
2. 대구경화 : 분포 면적을 최대한 넓게 형성
3. 밀집화 : 필요 면적으로 입자 밀집화

3. 피해를 최소화하는 방향 : 이온과 전자의 분리제어로 생성은 최대한으로, 반응은 Soft 하게 하는 기술 발전. 가스, 척, 펌핑 장비 개선으로 반응 메커니즘을 개선하는 기술 발전 

 

2023.04.23 - [취업/반도체 이론 정리] - 습식식각(Wet etching) vs 건식식각(Dry etching)

습식식각(Wet etching) vs 건식식각(Dry etching)