식각 공정2 — Etch 기본

1) FAB 공정과 MOSFET 기초

• FAB 공정 개요

• FAB(Front-End): 실리콘 웨이퍼 위 트랜지스터·배선 형성
• Package(Back-End): 다이 절단·조립·테스트
• 대표 공정 반복: 노광 → 식각 → 증착 → 이온주입 → 평탄화 → 세정 (300~600회)

• MOSFET 한눈에

• 수도꼭지 비유: 게이트(손잡이) 로 채널(관) 의 전류 개폐
• 구조: Source(공급) / Drain(배출) / Gate(스위치) / Oxide(절연) / Substrate(기판)
• MOS = Metal–Oxide–Semiconductor

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2) Etch 공정 흐름 & 패턴

• 실제 흐름

1) 막 증착(Poly-Si/SiO₂ 등) → 2) PR 마스크 형성 → 3) 노광/현상
4) 노출부 식각(Etch) → 5) PR 제거(Strip/Ashing) → 6) 세정

• 패턴 유형과 프로파일

• 선(Line) 패턴: 선폭(CD) 유지가 핵심
• 홀(Hole/Contact/Via): 깊이·직벽 유지가 핵심
• Etch Profile: 단면 형상(수직성·균일성). 붕괴 시 연결불량/누설/단선 유발

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3) 식각 원리와 방식

• 목적

• 포토 패턴을 손상 없이, 불필요 부분만, 수직·정밀하게 전사

• 등방성/이방성

• Isotropic(등방성): 옆/아래 동시 식각 → 미세패턴 취약
• Anisotropic(이방성): 수직 우세 식각 → 미세패턴 필수

• 습식 vs 건식

구분	습식(Wet)	건식(Dry, Plasma/RIE)
원리	용액 화학반응로 용해	이온(물리) + 라디칼(화학) 시너지
장점	단순·빠름·저비용	수직성·정밀성·선택성 우수
단점	등방성 → 언더컷	장비 복잡, 단일 웨이퍼 처리
용도	세정·벌크 제거	미세 패턴(게이트, 스페이서 등)

• 플라즈마 식각 메커니즘

• Chemical etch(라디칼): 선택성↑
• Physical etch(이온 스퍼터): 직진성↑(손상 위험)
• Ion-Enhanced etch: 라디칼+이온 시너지(속도·수직성↑)
• Protective Ion-Enhanced: 폴리머로 사이드월 보호(고이방성)

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4) 플라즈마 기본

• 정의: 기체가 전자·이온·라디칼로 이온화된 제4의 상태
• 제어: 전압/주파수/가스 조성으로 깊이·속도·선택성 조절
• RIE 역할: 이온(수직 충돌), 라디칼(화학 반응), 전자(반응 활성화)
• 부산물은 휘발(가스로 전환) 후 펌프로 제거

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5) Etch 핵심 지표 & 관리

• 식각속도(Etch Rate)

• 정의: 단위시간 두께 제거 ER = Δx / t (nm/min, Å/s)
• 유의: 블랭킷 vs 패턴 ER 차이 검증 필요

• 균일도(Uniformity)

• 정의: 웨이퍼 내 공간 균일성 Uniformity = (E_max - E_min) / (2 * Ē) × 100
• 목표: ±3% 이내 (레시피/가스 분포/전극 간격/챔버 구조 최적화)

• 선택비(Selectivity)

• 정의: 두 재료 식각속도 비 S_A/B = E_A / E_B
• 예: S(Poly/PR)=5, S(Poly/Oxide)=15
• 낮으면 PR 붕괴 우려 → Hard Mask(SiO₂, Si₃N₄, ACL) 사용

• 오버에치(Over-Etch)

• 목적: 두께·균일도 편차 보정(완전 관통)
• 범위: 메인 식각의 20~30% 추가
• 과도 시 하부막 Damage/CD 변동 → EPD로 최소화

• 종점 검출(EPD, End Point Detection)

• OES(광방출분광) 로 특정 파장 변화 감시(예: SiO₂ 식각 시 F-line 703 nm)
• 장점: 비침습·자동화·재현성 향상

• 중형비(Aspect Ratio, AR = H/W)

• DRAM Capacitor: AR 25~56, HARC: AR 20~50+
• 문제: 하부 미식각, 이온 도달 제한, 사이드월 Damage
• 대응: 고밀도 플라즈마, 바이어스/가스 최적화, 폴리머 제어

• 로딩 이펙트(Loading Effect)

• Micro-Loading: 패턴 밀도↑ → Etchant 분포 불균일로 ER↓
• ARDE(RIE Lag): 폭↓/깊이↑ → ER 지연
• Inverse RIE Lag: 폴리머 과다 시 넓은 패턴 ER↓
• 본질: 식각속도의 지역 의존성

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6) 계측·피드백(메트롤로지)

• 두께: Remain THK / Delta THK

• 위치: EM Box(스크라이브 라인) — 회로 보호·로딩 영향 최소화
• 주의: 실셀 대비 보정값 상시 점검

• 선폭: CD(DICD/FICD) & Bias

• DICD: 현상 후 PR 폭 / FICD: 식각 후 실제 폭
• CD Bias = FICD – DICD (식각 중 폭 변화, PR 내성·공정 안정성 지표)

• 형상: OCD(광학 CD), CD-SEM, X-TEM

• OCD: 비파괴·고속(모델 기반) / CD-SEM: 표면 형상 정량
• TEM: 원자해상·계면 분석(시편 준비 난이도↑)

• 질량 측정

• 전/후 웨이퍼 무게 차로 간접 두께 평가(3D/HARC에 유용)

• 레지듀/파티클 검사

• PWI(패턴 웨이퍼) & Bare 검사기로 잔류/낙하 오염 관리

• 전형적 프로파일 결함

유형	특징	주요 원인
Tapered	상협하광	후속 증착 용이/의도적 CD 조정
Undercut	하부 과식각	Over-Etch 과다, 화학반응 우세
Bowing	벽 볼록 휨	PR Charging, 폴리머 과다
Micro-Trench	바닥 홈	이온 반사·재스퍼터
Notching	벽 파임	과식각, 전하 불균형

• 형상 지배 인자

• Ion/Kinetic Flux, Electron Shading, Gas Transport, Charging Effect, Mask 두께/각도
• 목표: 최대한 수직 프로파일(+ 하드마스크·고선택비 가스)

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7) 식각 가스 & 소재별 케미스트리

• 가스 역할

• Main Etchant: SF₆, CF₄, Cl₂, HBr
• Assist Gas: O₂, N₂, H₂, He (선택성/이방성·플라즈마 안정)
• By-product Control: Ar, CO, CO₂ (반응·스퍼터 보조/부산물 제어)

• 소재별 요약

대상	대표 가스/메커니즘	특징/메모
Si/Poly-Si	SF₆, NF₃, CF₄+O₂/H₂ → SiF₄(휘발)	H₂로 F 생성 억제해 이방성↑, CFx 폴리머로 벽 보호
SiO₂	CF₄, C₂F₆, CHF₃, C₄F₈ (플루오로카본)	C/F↑ → 선택비↑, 폴리머 두께 제어가 핵심
Si₃N₄	CFx+N₂/H₂/HCN/FCN	산화막보다 빠름, 얇은 C-F 폴리머
Al	Cl₂, BCl₃(+Ar) → AlCl₃(휘발)	BCl₃: Al₂O₃ 제거/산소 스캐빈저, Br계 부적합
Ti/TiN/W	Cl₂, BCl₃, NF₃, SF₆ (TiCl₄, WF₆ 부산물)	화합물 안정↑ → 물리보조 필요
PR / a-C	O₂, N₂ (산화 → CO/CO₂/HCN)	Strip/Ash용
Cu/Ni/Pt	건식 식각 난이도↑	산화·리프트오프·CMP 대체 활용 多

가스 선택의 핵심: 부산물 휘발성, 결합에너지, 이온 에너지/밀도, Sidewall Passivation(O₂/H₂로 C/F 비 제어)

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8) 핵심 요약

• 목표: 설계 패턴을 수직·정밀·고선택성으로 전사
• 수단: 플라즈마 기반 이온+라디칼 시너지, 폴리머로 사이드월 보호
• 관리: ER·Uniformity·Selectivity·Over-Etch(EPD), 로딩/ARDE 완화
• 검증: THK·CD(DICD/FICD)·OCD/SEM/TEM·Residue/Particle 인라인 피드백
• 케미스트리: 소재별 휘발성 부산물 형성 + 패시베이션 균형 최적화

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✅ 한줄 요약

식각 공정은 플라즈마 이온/라디칼 제어와 폴리머 패시베이션을 통해
미세패턴을 수직·균일·고선택성으로 구현하고, 정량 메트롤로지로 레시피를 닫아가는 작업이다.