📍 웨이퍼의 현재 위치
- 이전 단계: 리소그래피. 감광액에 회로 패턴이 생겼다
- 이 장: 식각. 감광액 패턴에 따라 아래 재료를 제거한다
- 다음 단계: 감광액을 제거하고 세정한 뒤 계측한다
리소그래피가 끝나도 회로 패턴은 감광액에만 있습니다. 식각의 일은 그 패턴을 아래 재료로 '옮기는' 것입니다. 감광액이 덮인 곳은 보호되고, 덮이지 않은 곳은 제거됩니다.
유리판에 오려 낸 스텐실을 붙이고 모래를 뿌려 깎는 샌드블라스트를 떠올려 보세요. 스텐실이 덮지 않은 곳은 깎여 나갑니다. 스텐실을 떼어 내면 유리에 무늬가 남습니다. 감광액이 바로 그 스텐실입니다.
습식 식각은 웨이퍼를 화학 용액에 담가 재료를 녹이는 방법입니다. 예를 들어 불산은 산화규소를 녹입니다. 습식 식각은 모든 방향으로 거의 같은 속도로 진행되므로, 감광액 가장자리 아래로 옆으로 파고듭니다. 그래서 아주 미세한 패턴에는 맞지 않으며, 주로 층 전체를 없애거나 세정에 씁니다.
건식 식각은 플라즈마를 씁니다. 전하를 띤 이온이 전기장으로 가속되어 웨이퍼를 거의 수직으로 때리므로, 식각이 주로 아래로 진행되어 곧은 옆벽을 만들 수 있습니다. 현대 칩의 미세 패턴은 거의 모두 건식 식각으로 만듭니다.
Note
📖 용어｜등방성과 이방성（等向與非等向）
- 정의: 등방성 식각은 모든 방향으로 같은 속도로 진행된다. 이방성 식각은 주로 한 방향, 보통 아래쪽으로 진행된다.
- 현장에서는: "이 단계는 이방성이어야 해. 옆벽이 수직이어야 하거든."
- 관련 용어: 건식 식각, 습식 식각, 언더컷, 프로파일
- 흔한 혼동: 건식 식각이 항상 이방성인 것은 아니다. 옆으로 재료를 없애기 위해 일부러 등방성으로 조정하는 건식 식각도 있다. 결과는 공정 조건에 달려 있다.
플라즈마는 높은 에너지로 들뜬 기체가 이온, 전자, 반응성이 아주 큰 분자 조각이 섞인 상태가 된 것입니다. 흔히 물질의 제4의 상태라고 부릅니다. 식각 장비는 진공 챔버에 특정 기체를 넣고 고주파(RF) 전력으로 플라즈마를 만들며, 챔버에서는 희미한 빛이 납니다.
플라즈마 속 반응성 조각은 재료와 화학적으로 반응하고, 이온은 방향을 잡아 줍니다. 둘이 함께 일해 빠르면서도 정확하게 아래로 식각합니다.
- 식각 속도: 1분에 얼마나 깊이 깎이는가.
- 균일도: 웨이퍼 위 여러 위치에서 식각이 같은가.
- 선택비: 목표 재료가 깎이지 않기를 바라는 재료보다 몇 배 빨리 깎이는가.
- 프로파일: 옆벽이 곧은가, 안쪽이나 바깥쪽으로 휘었는가.
- CD 변화: 식각 후의 선폭이 리소그래피 후와 비교해 얼마나 변했는가.
Note
📖 용어｜선택비（選擇比）
- 정의: 목표 재료의 식각 속도와 다른 재료의 식각 속도의 비. 선택비가 높을수록 원하는 것만 잘 깎아 낸다.
- 현장에서는: "질화막에 대한 선택비가 부족해서 정지층을 뚫어 버렸다."
- 관련 용어: 식각 정지층, 과식각, 감광액 소모
- 흔한 혼동: 항상 '무엇에 대한' 선택비인지 말해야 한다. 감광액에 대한 선택비와 아래층에 대한 선택비는 서로 다른 숫자다.
식각이 목표 재료를 다 깎고 다음 층에 닿으면 플라즈마의 화학 조성이 바뀌고, 내는 빛의 색과 세기도 바뀝니다. 장비는 이 빛을 계속 지켜보며 뚫고 지나갔는지를 판단합니다. 이를 종점 검출이라고 합니다.
종점에 도달한 뒤에도 보통 조금 더 식각해, 웨이퍼 전체에서 재료가 확실히 없어지게 합니다. 이를 과식각이라고 합니다. 너무 적으면 잔여물이 남고, 너무 많으면 아래층이 손상됩니다.
식각이 끝나면 먼저 산소 플라즈마로 감광액을 태워 없앱니다. 이를 애싱 또는 스트립이라고 합니다. 그런 다음 웨이퍼를 세정하고 선폭과 결함을 측정합니다. 이 검사를 AEI(식각 후 검사)라고 합니다.
리소그래피와 달리 식각은 잘못되어도 보통 다시 할 수 없습니다. 재료가 이미 제거되었기 때문입니다.
메모리 같은 제품에는 깊이가 폭의 수십 배에 이르는 아주 깊고 좁은 구멍이 필요합니다. 구멍이 깊을수록 이온이 바닥까지 닿기 어려워집니다. 식각이 느려지고, 구멍이 휘거나 비틀리거나 가운데가 넓어지기도 합니다. 오늘날 가장 어려운 공정 중 하나입니다. 제13장을 참고하세요.
Tip
🔧 노하우｜갓 청소한 챔버는 먼저 '시즈닝'을 해야 한다
- 상황: 식각 챔버가 정비를 막 마쳐 안쪽 벽이 깨끗하다.
- 방법: 먼저 더미 웨이퍼를 몇 장 흘려 챔버 벽에 안정된 퇴적물 층을 입힌 다음에 제품을 흘린다. 이 단계를 시즈닝이라고 한다.
- 이유: 플라즈마는 챔버 벽과 상호작용한다. 벽의 상태가 다르면 플라즈마의 조성이 바뀌고, 식각 속도도 바뀐다.
- 안 하면 어떻게 되나: 정비 직후 처음 몇 로트의 식각 결과가 달라져, 선폭이나 깊이가 규격을 벗어날 수 있다.
- 관련 장: 제1장 팹은 어떻게 돌아가는가
Tip
🔧 노하우｜같은 장비라도 챔버끼리 맞춰야 한다
- 상황: 식각 장비에는 보통 챔버가 여러 개 있고, 한 로트의 웨이퍼가 여러 챔버에 나뉘어 처리된다.
- 방법: 엔지니어는 각 챔버의 결과를 정기적으로 비교해 최대한 가깝게 맞춘다. 시스템은 웨이퍼마다 어느 챔버에서 처리되었는지도 기록한다.
- 이유: 챔버 사이의 작은 차이가 웨이퍼 사이의 체계적인 차이를 만든다.
- 안 하면 어떻게 되나: 로트 안의 몇 장만 눈에 띄게 성능이 나쁜데 아무도 이유를 찾지 못한다. 챔버 기록이 있으면 '문제는 모두 같은 챔버에서 나왔다'는 것을 알 수 있다.
- 관련 장: 제16장 수율과 불량 분석
| 문제 | 가능한 원인 | 결과 |
|---|---|---|
| 식각 부족 | 시간이나 전력 부족, 종점 판단 오류 | 남은 재료 때문에 단선 |
| 과식각 | 선택비 부족, 시간이 너무 김 | 아래층 손상 |
| CD 변화 | 옆벽 프로파일 변화, 감광액 소모 과다 | 선폭이 규격을 벗어남 |
| 입자 | 챔버 벽의 퇴적물이 떨어짐 | 결함, 단락 |
| 로딩 효과 | 패턴이 조밀한 곳과 성긴 곳의 식각 속도가 다름 | 한 다이 안에서 깊이가 다름 |
- 식각은 감광액의 패턴을 아래 재료로 옮긴다.
- 습식 식각은 등방성이고, 건식 식각은 플라즈마로 이방성 식각을 한다. 현대의 미세 패턴은 주로 건식 식각에 의존한다.
- 선택비가 '원하는 것만 깎을 수 있는지'를 결정한다.
- 종점 검출은 플라즈마가 내는 빛으로 언제 멈출지 판단한다.
- 식각은 보통 다시 할 수 없으므로, 챔버 상태 관리가 특히 중요하다.
- Peter Van Zant, 『Microchip Fabrication』 식각에 관한 장
- James D. Plummer, Michael D. Deal, Peter B. Griffin, 『Silicon VLSI Technology』 식각에 관한 장