🧱 1️⃣ Etch 공정의 3요소
| 요소 |
설명 |
주요 영향 인자 |
| 이방성(Anisotropy) |
수직 방향으로만 식각되는 성질 |
Ion Bombardment(이온 충돌), Passivation |
| 선택비(Selectivity) |
서로 다른 층간 식각 속도의 비율 |
Gas 조성, 압력, Power |
| 균일도(Uniformity) |
웨이퍼 전 영역의 식각 균일도 |
Chamber 설계, Gas Flow |
💡 Etch 공정은 이 세 요소의 균형 제어로 미세 패턴의 정밀도를 확보한다.
🧩 2️⃣ Etch 대표 구조 공정
(1) Etch Back 공정
- 개념: PR 마스크 없이 웨이퍼 전체의 막을 균일하게 식각
→ 필요 부위를 노출하거나 막 두께를 조절
- 주요 용도:
- 금속 매립 후 노출
- 평탄화 (Planarization)
(2) Blanket Etch
- 개념: PR, Mask 없이 전면(Bare Wafer)을 식각
- 주요 용도:
- 식각율(Etch Rate) 측정
- 레퍼런스 공정 확인용
(3) Spacer Etch
- 개념: 패턴 측벽만 남기고 식각하여 얇은 절연벽(Spacer) 형성
- 주요 용도:
- 게이트 절연
- 누설 전류 방지
- Double Patterning 공정에서 핵심 역할
🧱 3️⃣ STI (Shallow Trench Isolation) 공정
📘 개념
- 소자 간 전기적 간섭을 차단하기 위해 실리콘 기판을 깊게 식각(Trench) 후
절연막을 채워 Isolation 구조를 만드는 공정.
⚙️ 공정 순서
- Hard Mask 적층
- Mask Pattern 형성
- STI Etch (Si 식각)
- PR/ACL Strip
- Trench Fill (Oxide 채움) + CMP 평탄화
⚙️ 핵심 제어 항목
| 항목 |
설명 |
| Tapered Profile |
약간의 경사 형성 → 절연막 채움성 향상 |
| Depth Uniformity |
깊이 균일도 확보 → 소자 간 특성 일관성 |
| Active CD Control |
트렌치 폭 관리 → Isolation 간격 균일성 |
⚙️ STI 식각 메커니즘
| 단계 |
역할 |
가스 |
| BT (Break-Through) |
Hard Mask 식각 후 산화막 제거 |
|
| Main Etch |
Cl₂ + HBr 혼합가스로 Si 기판 식각 |
Cl₂: 깊은 식각, 빠른 속도
HBr: 측벽 보호, 산화막 보조 제거 |
| Add-Gas Control |
O₂/N₂ 추가로 Polymer 형성 억제 및 Sidewall 보호 |
|
🧠 4️⃣ Gate Etch 공정
📘 개념
- MOSFET의 Gate Stack 구조를 형성하는 핵심 식각 공정
⚙️ 공정 순서
- Mask (PR, ACL, Hard Mask) 형성
- Pattern 정의
- Gate Etch: NF₃ / Cl₂ 사용 (잔류물 적고 속도 빠름)
- Poly Etch: HBr + O₂ → Gate Oxide 선택비 확보
- Cleaning (Polymer 제거, 절연 특성 확보)
⚙️ Gate Etch 핵심 요구 조건
| 항목 |
요구사항 |
제어 방법 |
| 수직 형상 |
게이트 폭 일정 유지 |
이온 충돌 기반 이방성 식각, Sidewall Passivation |
| 높은 선택비 |
Poly-Si vs Gate Oxide |
HBr + O₂ 가스 조합 |
| CD 정밀도 |
패턴 왜곡 최소화 |
PR/Hard Mask 두께 균일 제어 |
| 공정 변화 대응 |
Poly → Silicide → Metal 전환 |
저항↓, 패터닝 난이도↑ |
🔋 5️⃣ Dielectric Etch (절연막 식각)
| 항목 |
설명 |
| 대상층 |
SiO₂, Si₃N₄ 절연층 |
| 주요 목적 |
하부 금속/게이트와 전기적 접속 확보 (Contact/Via 형성) |
| 대표 장비 |
CCP (Capacitively Coupled Plasma) 타입 — Deep Trench/Contact Hole 식각에 적합 |
🧩 6️⃣ SAC (Self-Aligned Contact) 공정
| 항목 |
설명 |
| 목적 |
Gate & Bitline 간 오정렬(Overlay) 문제 해결 |
| 원리 |
Gate 위에 Si₃N₄ 절연막을 형성 → Contact Hall이 약간 벗어나도 Gate 손상 방지 |
| 장점 |
정렬 오차 허용도↑, 공정 윈도우 확장 |
| 공정 구분 |
Normal Contact / Miss-Aligned / SAC Contact (Nitride 보호층 존재) |
💡 SAC 공정은 Gate 구조를 보호하면서 Contact 공정의 CD 제어 윈도우를 확장시키는 핵심 기술이다.
⚡ 7️⃣ HARC (High Aspect Ratio Contact) 공정
| 항목 |
설명 |
| 정의 |
폭은 좁고 깊이는 깊은 구조(AR ↑)의 Contact Hole 식각 기술 |
| 적용 |
DRAM, 3D NAND |
| 대표 예시 |
DRAM – SN Etch, M1C Etch / NAND – SLIT Etch |
| AR 추세 |
25 → 36 → 56 (점차 증가) |
⚙️ HARC 주요 과제 및 제어 기술
| 문제 |
원인 |
제어 기술 |
| 저항 증가 |
깊은 트렌치 식각 시 금속 접촉면 손상 |
Passivation & Energy 균형 |
| Bowing 현상 |
폴리머 축적 → 벽면 휘어짐 |
이온 에너지·폴리머 제어 |
| CD 제어 어려움 |
깊이에 따른 직경 변화 |
Bias Power / Pressure 최적화 |
⚙️ SAC vs HARC 비교
| 구분 |
SAC |
HARC |
| 목적 |
정렬 허용도 확보 |
고종횡비 구조 형성 |
| 대상 공정 |
DRAM Contact |
DRAM/NAND Contact |
| 핵심 기술 |
Nitride 보호층 |
Passivation·이온 에너지 제어 |
| 이점 |
Short 방지 |
Void-Free Deep Hole 구현 |
🔩 8️⃣ Metal Etch 공정
📘 (1) Al Etch Process
| 단계 |
설명 |
| Mask 형성 |
PR, ACL, Hard Mask 적층 |
| BT (Break-Through) |
산화막 제거 — Cl₂ 가스 반응성 확보 |
| Main Etch |
BCl₃ / Cl₂ 조합, 측벽 보호를 위해 N₂/CH₄ 추가 |
| Over Etch |
잔류층 제거 및 하부 손상 방지 |
| PR Strip |
In-situ H₂O Plasma + O₂/N₂ 플라즈마로 PR 제거 |
- 이슈: Al 산화막으로 인한 불균일, Short/Residue 문제
- 해결: 산화막 제거(BT), 폴리머 제어, 선택비 조정
📘 (2) W Etch Process
| 항목 |
내용 |
| 특징 |
Al보다 저항↑, 하지만 매립성 우수 → Contact Plug 용도 |
| 공정 흐름 |
Via 형성 → Ti/TiN 증착 → W CVD 채움 → W Etch Back |
| 식각 가스 |
SF₆, NF₃ |
| 주요 목적 |
매립 후 상부 불필요한 W 제거(Etch Back) |
📘 (3) Cu Damascene 공정
| 구분 |
설명 |
| 배경 |
Cu는 낮은 저항이지만 휘발성 부산물 부재 → 직접 식각 불가 |
| 원리 |
트렌치·비아 먼저 식각 후 Cu 매립 + CMP 제거 |
| 구조 구분 |
Single / Dual Damascene |
Single Damascene
- Via 형성 → W Etch Back → Trench 형성 → Cu 증착 → CMP
- 구조 단순하나 저항↑, Mask 정렬 오차↑
Dual Damascene
- Trench + Via 동시 식각 → Cu 증착 → CMP
- 공정 단순화(1회 CMP), RC Delay↓, 저유전율 절연막(Low-k) 적용 용이
- 주의: Low-k 손상, CD 제어, Mask Overlay 중요
🧠 9️⃣ Etch 공정 제어 및 측정 요소
| 항목 |
주요 변수 |
설명 |
| Etch Rate |
Power, Pressure, Gas Flow |
균일도 확보 |
| End Point Detection (EPD) |
OES, Laser Interferometer |
Over Etch 방지 |
| Over Etch |
시간/전력 조정 |
잔류층 완전 제거 |
| Selectivity |
C/F, H/F 비 조절 |
하부층 보호 |
| Profile Control |
Passivation, Ion Energy |
수직성 확보 |
⚙️ 측정 항목
| 항목 |
장비 |
의미 |
| 막 두께 (Remain/Delta THK) |
EM Box |
식각량 측정, 로딩 편차 주의 |
| CD (DICD/FICD/Bias) |
CD-SEM |
식각 전후 선폭, 안정성 지표 |
| 형상 (Profile/Depth) |
SEM, TEM, OCD |
수직성, Passivation 두께 |
| Residue/Particle |
Bare/PWI 검사기 |
결함·잔류물 관리 |
⚙️ 10️⃣ Etch 제어 요소 정리
| 제어 인자 |
주요 역할 |
| Ion Flux & Energy |
이방성 제어 |
| Gas Mixing Ratio (C/F, O₂/H₂) |
선택비 조정 |
| Pressure / Power |
반응속도 및 플라즈마 안정성 |
| Passivation Film 두께 |
Sidewall 보호 및 수직성 유지 |
| Substrate Bias |
이온 방향성 제어 |
✅ 요약 정리
| 항목 |
핵심 내용 |
| 주요 공정 |
STI, Gate, SAC, HARC, Metal, Damascene |
| 기술 핵심 |
이방성·선택비·균일도 제어 |
| 가스 시스템 |
HBr/Cl₂(Oxide/Poly), BCl₃/Cl₂(Al), SF₆/NF₃(W) |
| 제어 포인트 |
Passivation, Bias Power, Gas Flow, Chamber Design |
| 결과 품질 측정 |
CD·Profile·Uniformity·Residue 관리 |
✅ 한줄 요약
Etch 공정은 이방성·선택비·균일도를 핵심으로 하여,
STI·Gate·Contact·Metal·Damascene 등 다양한 공정에서
정밀 패턴 전사와 구조 형상 제어를 실현하는 핵심 기술이다.
🧩 1️⃣ Etch 장비 구성 개요
• 전체 구성
| 구분 |
설명 |
| 이송 모듈 (Transfer Module, TM) |
웨이퍼를 각 챔버로 이동시키는 역할 |
| 공정 모듈 (Process Module, PM) |
실제 식각 공정을 수행하는 공간 (Process Chamber 포함) |
• 웨이퍼 이동 순서
| 단계 |
모듈명 |
역할 |
| 1 |
Load Port |
FOUP(Front Opening Unified Pod)에서 웨이퍼 로딩 |
| 2 |
EFEM |
대기압 상태에서 로봇·Aligner로 웨이퍼 정렬 |
| 3 |
Buffer Module (BM) |
대기압 → 진공 상태 전환 |
| 4 |
Transfer Module (TM) |
진공 내에서 로봇이 웨이퍼를 각 챔버로 이송 |
| 5 |
Process Module (PM) |
식각 공정 수행 (Etch Chamber) |
| 6 |
Strip Chamber |
PR(포토레지스트) 제거 |
| 7 |
Side Storage |
Fume(유독가스) 제거 후 FOUP 복귀 |
⚙️ 2️⃣ 챔버 구조와 구성요소
| 위치 |
구성요소 |
역할 |
| 상부 |
Plasma Source / Gas Source / Shower Head |
플라즈마 발생, 식각용 가스 공급 |
| 하부 |
ESC(Electrostatic Chuck) / Vacuum System |
웨이퍼 고정, 열전달, 진공 유지 |
| 측면 |
OES(Optical Emission Spectrum) |
EPD(Endpoint Detection) 검출 장치 |
💡 챔버는 플라즈마 생성–식각 반응–배기–EPD 감시의 복합 시스템이다.
주요 구성요소
| 구성품 |
설명 |
| RF Power |
플라즈마 발생용 고주파 전력 (13.56 MHz) |
| Matching Network |
임피던스 매칭 회로로 전력 손실 최소화 |
| Gas Source / MFC |
식각용 가스 조합·유량 제어 |
| Vacuum System |
압력 유지, 부산물 배출 |
| ESC (Electrostatic Chuck) |
웨이퍼 고정 및 냉각/가열 |
| EPD (End Point Detection) |
광방출 스펙트럼 기반 식각 종료 검출 |
⚡ 3️⃣ 플라즈마 형성의 3요소
| 요소 |
설명 |
| RF Power |
이온화 에너지 공급 |
| Process Gas |
라디칼·이온의 반응원 |
| Vacuum |
충돌 빈도 제어, 플라즈마 안정화 |
💨 4️⃣ 진공 시스템 (Vacuum System)
• 목적
- 플라즈마 안정적 생성
- 부산물 제거 용이
- 전자 가속 효율 확보
• 펌프 구성
| 구분 |
종류 |
역할 |
| 저진공 펌프 |
Dry Pump |
대기압 → 저진공 |
| 고진공 펌프 |
Turbo Pump |
저진공 → 고진공 |
💡 펌프 조합으로 효율적 배기 가능 — 비용·공간 절감
• 기체 유동 특성
| 영역 |
유동 형태 |
특징 |
| 저진공 |
점성 유동 |
충돌 ↑, 좁은 입구 가능 |
| 고진공 |
분자 유동 |
충돌 ↓, 넓은 입구 필요 |
| Conductance |
배기 효율을 결정하는 유량 통로 성능 |
|
💧 5️⃣ 질량유량계 (MFC: Mass Flow Controller)
| 항목 |
설명 |
| 기능 |
각 가스의 주입량을 정밀하게 제어 |
| 단위 |
sccm (Standard Cubic Centimeter per Minute) |
| 표준 상태 |
0℃, 1기압 |
| 계산식 예시 |
1 sccm ≈ 2.69 × 10¹⁹ 분자/분 |
💡 MFC는 플라즈마 반응의 균일성과 선택비 제어의 핵심 요소
❄️ 6️⃣ ESC (Electrostatic Chuck)
| 항목 |
설명 |
| 기능 |
웨이퍼 고정, 냉각(Cooling), 온도 제어 |
| 구조 |
전극 내 Coolant 순환 → He 가스로 열전달 향상 |
| 원리 |
고전압 인가로 정전기력 발생 → 웨이퍼 고정 (Chucking) |
| 필요성 |
고진공 환경에서는 전도열전달 불가 → He 가스 필요 |
⚙️ 7️⃣ Plasma Source별 장비 구분
| 구분 |
CCP (Capacitively Coupled Plasma) |
ICP (Inductively Coupled Plasma) |
| 구조 |
평행전극에 RF 인가 → 전기장 형성 |
외부 코일 전류로 자기장 유도 |
| 플라즈마 밀도 |
낮음 (~10¹⁰/cm³) |
높음 (~10¹¹/cm³) |
| 압력 조건 |
고압 (>15 mTorr) |
저압 (수 mTorr) |
| 이온 에너지 |
강함 (물리식각 중심) |
독립 제어 가능 (화학+물리 병행) |
| 장점 |
단단한 재료에 적합 |
고이방성·고균일성 |
| 대표 장비 |
L사: TCP / A사: DPS |
|
💡 ICP는 플라즈마 밀도↑, Damage↓, 균일성↑로 고종횡비 구조 식각에 최적
🧠 8️⃣ 플라즈마 식각의 핵심 변수
| 변수 |
영향 요소 |
결과 |
| 입력 변수 |
RF Power, Pressure, Gas, Temp, Time |
플라즈마 밀도·에너지 제어 |
| 공정 변수 |
Ion/Radical Balance |
식각 속도·균일도 |
| 출력 변수 |
Etch Rate, Uniformity, Selectivity, EPD, Profile |
수율 결정 |
➤ 플라즈마 제어 = 이온과 라디칼의 밀도·에너지 비율 조절
🌡️ 9️⃣ 압력 제어
| 압력 조건 |
특징 |
영향 |
| 고압 |
충돌 빈도↑, 이온 에너지↓ |
화학식각↑, 균일성↑, 로딩효과↑ |
| 저압 |
충돌↓, 이온 에너지↑ |
물리식각↑, 방향성↑ |
| RIE Lag |
고종횡비 구조 → 낮은 압력 필요 |
깊은 식각 시 이온 침투성 향상 |
💡 압력은 “충돌빈도 vs 방향성”의 트레이드오프 관계
💨 10️⃣ 가스 유량 (Gas Flow Rate)
| 항목 |
설명 |
| 유량↑ |
반응시간↓ → 식각 불충분 |
| 유량↓ |
반응가스↓ → Etch Rate↓ |
| 최적 유량 |
Etch Rate가 포화되는 구간 |
| Residence Time (t) |
t = (P × V) / Q — 압력, 부피, 유량에 따라 결정 |
🧪 11️⃣ 가스 조성비 (Gas Composition Ratio)
| 가스 |
특성 |
특징 |
| CF₄ (1:4) |
F↑ |
Etch Rate↑, Polymer↓ |
| C₂F₆ (1:3) |
중간 |
균형형 |
| C₄F₈ (1:2) |
C↑ |
Polymer↑, Selectivity↑ |
| C₆F₆ (1:1) |
F↓ |
Polymer↑, 선택비↑ |
예시: CF₄ + CHF₃ + O₂ 조합
- O₂↑ → Polymer 제거 → CD↑
- CHF₃↑ → Polymer 형성 → CD↓
⚡ 12️⃣ RF Power & Frequency
| 구분 |
영향 |
| RF Power↑ |
이온 에너지↑ → Etch Rate↑, 이방성↑ |
| RF Frequency↑ |
전자 밀도↑, 이온 에너지↓ → 화학식각↑ |
| Low Frequency↑ |
이온 가속↑ → 물리식각↑ |
| 듀얼/트리플 RF 시스템 |
고주파: 플라즈마 형성 / 저주파: 이온 가속 제어 |
💡 RF 조합 제어로 정밀한 식각 프로파일 설계 가능
⚙️ 13️⃣ Bias Power
| 조건 |
영향 |
| Bias 전압↑ |
이온 가속↑ → 식각속도↑, 수직성↑ |
| Bias X (없음) |
화학식각 중심 → 등방성 |
| Bias O (있음) |
물리+화학 복합 → 이방성 향상 |
예시: Si vs SiO₂ 식각
Bias Power↑ → Si 수직식각↑
(SiO₂는 자발반응X → 수직성 확보에 필요)
🌡️ 14️⃣ ESC 온도 제어
| 온도 |
영향 |
| 저온 |
Polymer 응축↑ → Bow 형상 발생 |
| 고온 |
Polymer 제거↑ → 수직성 개선 |
| 온도↑ |
반응 활성화↑ → Etch Rate↑ (Arrhenius Law) |
💡 온도는 식각 프로파일과 선택비 모두에 큰 영향
🧾 15️⃣ Recipe 구성 예시
RF Power, Pressure, Gas Flow, Bias, Temperature, Time 조합으로
Etch Rate, Profile, Selectivity, Uniformity를 최적화.
📈 16️⃣ Plasma Etching Trend 요약
| 트렌드 |
내용 |
| 고이방성화 |
수직식각, 고종횡비 대응 |
| 고밀도화 |
ICP 채용으로 플라즈마 밀도 향상 |
| 정밀 온도 제어 |
ESC 및 He Cooling 활용 |
| Dual/Triple RF 제어 |
이온 에너지와 플라즈마 밀도 독립 제어 |
| 고선택비·저손상화 |
폴리머 제어 및 저에너지 플라즈마 도입 |
✅ 한줄 요약
Etch 장비는 진공·RF·가스·ESC·EPD의 유기적 제어를 통해
플라즈마 상태의 이온과 라디칼을 조절,
미세패턴을 수직·균일·고선택성으로 형성하는 시스템이다.