Chapter 03 Etch

Chapter 03 Etch

03.01 미세화와 식각 기술의 진보

Scale-Down & Evolution of Etching Process

03.02 건식 식각 장치의 진보

Evolution of Dry Etch Source

03.03 식각의 제어 공정 변수

Key Parameters of Etching Process

03.04 식각 공정과 환경 문제

Issue on Global Environment

03.01 미세화와 식각 기술의 진보

Scale-Down & Evolution of Etching Process

Patterning ( = Lithography + Etching) 공정

Figure 2S.1 Patterning(Litho + Etching) 공정 순서 및 감광재 극성(Polarity)에 따른 잔류 Pattern 변화

Resist Coating & Exposure (감광막 형성 및 감광)

Anisotropic Etching (이방성 식각)

Resist Stripping (잔류 감광제 제거) Masking by Polarity

(극성에 따른 감광)

Lithography Etching Patterning

Layer (to be Patterned) Wafer

Remaining Remaining Etchant

Layer (to be Patterned) Wafer

Remaining Remaining

Etchant

Wafer Wafer

PR

Layer (to be Patterned) Wafer

Exposed Exposed

Negative Resist(음성 감광제)

PR

Layer (to be Patterned) Wafer

Exposed Exposed

Positive Resist(양성 감광제) PR

Layer (to be Patterned) Wafer Source Light

Chrome Chrome

Reticle(Mask) Exposed

Exposed

Quartz Substrate

• Pattern 형성 (Patterning, 혹은 Pattern Delineation)

. 감광 공정과 감광 공정에 연이은 Etching 공정으로 전도층의 신호선 Pattern을 형성하거나 전도층이 채워져서 Contact(층간 접촉)이 될 구멍(Contact Hole)을 형성하는 공정

습식 식각(Wet Etch)

• 식각(Etch, 蝕刻)

. 감광 공정 직후에는 반드시 식각 공정이 뒤따르게 되며, Patterning은 감광 공정과 식각 공정의 조합으로 비로소 완성된다 ☞ Figure 2S.1

. 식각 공정에는 i) 건식(乾式; Dry) 식각, ii) 습식(濕式; Wet) 식각

•

. 감광을 거친 Wafer를 액상의 식각제(Etchant)를 이용하여 피식각층 표면에서 화학 반응을 일으킴으로써 필요 없는 부분을 제거하는 공정으로 식각제로는 다양한 종류의 산(Acid)을 사용

. 이 때 일어나는 식각은 모든 방향으로 동일한 속도로 진행되는 등방성(Isotropic) 식각이며, 이는 습식 식각이 건식과 구별되는 가장 중요한 특징

Figure 3S.1 (a)와 같은 3차원 직교 좌표계에서 x^, y^, z 방향의 식각율(식각 속도, Etch Rate)^*1을 각각 Rx, Ry, Rz라면, 습식 식각은 등방성 식각이므로 이론적인 식각 속도는

R_x =

R

가 되며, 따라서 일정 시간 습식 식각을 진행한 결과 그 단면은 Figure 3S.1 (a)와 같을 것이다

*1 [식각 두께]/[단위 시간]; 흔히 단위 시간 당 제거되는 피식각층의 두께로 나타내며, nm/sec, mm/min 등의 단위를 사용

. 습식 식각은 CD Loss가 크게 문제 되지 않았던 초기의 반도체 공정에서 Patterning을 위해 사용되었으나, 집적도를 높이기 위해 극히 미세한 Pattern을 사용해야 하는 오늘날의 IC 제조 시 Patterning 공정에서는 사용할 수 없는 공정이다

. 그렇지만 아직까지도 Patterning 이외의 공정, 특히 건식 식각으로 해결할 수 없는 공정에서 그 목적에 따라 선별적으로 유용하게 사용하고 있는 필수적인 공정 방법이다 e.g. 1) Wafer 전면으로 피식각층이 노출되어 있지 않은 경우

2) Aluminum을 배선 재료로 쓰는 경우 Step Coverage(단차段差 피복성)이 좋지 않으므로 이를 향상시키기 위한 목적 ☞ 7장 2.1 in p327-328 3) Reticle 제작 시 Patterning

4) Patterning과 상관없는 전면 식각(Blanket Etching)이나 산화막이나 유기물의 제거를 위한 세정(Cleaning)

Figure 3S.1 습식 식각 a) 등방성 식각 양상, b) 식각 후의 단면 z

x y

Rx

R_y R_z

Rx = Ry = Rz

(a)

Mask

Undercut CD Loss

Profile by Wet Etch

(b)

습식 식각의 식각제

• 습식 식각제

. Table 3S.1에 IC 제조 과정에서 흔히 사용되는 습식 식각제와 식각 속도를 식각 대상 재료에 따라 분류하여 내었는데, 앞서 언급한 바와 같이 오늘날의 IC 제조 공정에서 습식 식각은 주로 Patterning 이외의 대부분 산화물이나 질화물 같은 절연층의 전면 식각(Blanket Etch) 등에 사용된다

. 같은 재료라도 공정 방법에 따라 물성이 다르며, 따라서 식각 속도에 많은 편차를 보이므로 식각제를 선택하고 식각 조건을 설정할 때에 매우 유의해야 한다

. 넓은 의미로 보면 세정(Cleaning)도 얇은 산화막 등을 제거하는 공정이므로 화학적, 물리적 의미를 보면 식각의 범주에 포함시킬 수도 있으나, 세정 공정은 수율(Yield)과의 밀접한 상관관계로 인하여 그 중요성이 대단히 크므로 일반적으로 별도의 공정 기술로 분류한다

식각 대상 재료(피식각층) 식각제 특징 식각 속도

Silicon Dioxide (SiO₂)

열 성장 산화물 (Thermally-Grown Oxide)

NH₄F+HF+H₂O (BHF^*3 or BOE^*4)

. NH₄F 첨가로 HF의 강산성을 중화하여 산도 조절,

반응 시 소모되는 F Ion을 보충하여 일정한 식각 속도 유지 . HF의 증기(증기 세정 ☞ 6장 1.1.3 in p265-266)로도 아주 얇은 막의 식각 가능

1000 Å /min for Thermal Oxide

(w/ 34.6 wt.% NH₄F/6.8% HF/58.6% H₂O)

화학 기상 증착 산화물

(LTO^*1, BPSG^*2) . 증착 조건에 따른 막질의 차이로 인해 식각 속도 편차가 큼 피식각층의 증착 조건에 따라 식각 속도가 달라지므로 사전 실험을 통해 알아야 한다

Silicon Nitride(Si₃N₄) Hot (155°C) H₃PO₄ . HF나 BHF로도 식각 가능 40 Å /min

Polycrystalline Silicon HNO₃+HF+CH₃COOH+H₂O 34.8 mm/min (w/ 5:3:3 Mix Ratio)

Aluminum H3PO4+HNO₃+CH₃COOH+H2O

. 30-80°C의 73% H₃PO4,4% HNO₃, 3.5% CH3COOH, 19.5% DIW (Deionized Water ; 초순수 용액)

. 질산은 Aluminum을 산화, 인산은 산화 Aluminum을 용해

500 - 700 Å /min

*Refs.; 1) Quick Reference Manual for Silicon Integrated Circuit Technology - W. E. Beadle et. Al., John-Wiley & Sons, ISBN 0-471-81588-8 2) 집적 회로 공정 기술 (개정판, 1986) - 이종덕, 방한 출판사

Table 3S.1 식각 대상 재료에 따른 습식 식각제와 식각 속도

*1 LTO: Low Temperature Oxide)

*2 BPSG: Boro-Phosphorous-Silicate-Glass)

*3 BHF: Buffered HF

*4 BOE:Buffered Oxide Etchant

• 식각에 의한 Contact Hole 형성과 배선 물질 증착의 경우

. Aspect Ratio^*1가 큰 Contact Hole을 식각하는 경우, 식각 후 과거에 전통적으로 배선 물질로 사용하였던 Aluminum을 채워 넣으면 Contact Hole의 바닥에 Aluminum이 미처 채워지기 전에 Contact Hole의 입구가 막히는 현상이 나타나는데, Figure 3S.2 (c) 와 같이 시작된 Hole 입구의 막힘 현상이 점점 심해지면 이런 현상이 나타날 수 있다

. 이는 Aluminum의 Step Coverage(단차 피복성)^*2이 좋지 않기 때문에 생기는 현상이다 (이를 ‘Conformality’라는 용어로 표현하기도 한다)

☞ 5장 1.4.1. (3) in p196 & 그림 5.18 in p197

. 과거 배선 재료로 많이 사용되던 Aluminum의 경우 Step Coverage는 0.8 mm급 공정 에서는 ~40% 정도가 최대

*1 Aspect Ratio: Hole의 입구 깊이의 비, 따라서 클수록 깊이가 깊은 Hole임을 나타냄

*2 Step Coverage: 계단형 구조나 Contact Hole의 박막 증착 시에 상단이나 입구의 증착물의

두께와 하단이나 바닥에 증착된 두께의 비로서 흔히 백분율(%)로 나타냄

• Step Coverage 개선 방법 – 습식과 건식 식각법의 조합

. 위와 같이 낮은 문제를 해결하기 위해서, Contact Hole의 상부를 습식 식각 방법을 써서 의도적으로 넓혀 주고, 하부는 건식 식각하여 CD를 맞추는 한편 Contact Hole의 바닥 부분까지 배선 재료가 충분히 채워지도록 한다 (이렇게 만들어진 Contact Hole의 형상 을 따라 “Wine Glass Etching”이라 부르기도 함) ☞ 그림 7.7 in p328

. Figure 3S.3과 같이 CD가 허용하는 한 Contact Hole의 입구를 넓혀 증착 공정을 용이 하게 하는 방법을 써서 배선 공정을 한 경우에 양호한 결과의 사진과 불량한 결과의 사진을 Figure 3S.4에 나타내었다

습식 식각 공정 활용의 예

Figure 3S.2 막의 충덮임(Step Coverage)의 정도를 보여 주는 그림 a) 이상적인 굴곡성, b) 중간 굴곡성, c) 나쁜 굴곡성

a) Ideal Step Coverage

of 100%

b) Intermediate Conformality

Step Coverage < 100%

c) Bad Conformality Step Coverage ~10%

Figure 3S.3 Al의 나쁜 단차 피복성을 극복하기 위한 습식/건식 식각의 조합 a) Wet Etched Contact

Dielectric Layer Mask

b) Wet + Dry Etched Contact Aluminum

Profile by Dry Etch

Profile by Wet Etch

b) 불량한 단차 피복성

거의 단선에 가까운 불량한 증착 상태

Figure 3S.4 습식/건식 식각의 조합 후 증착된 Aluminum의 단차 피복성 사진 건식 식각 부분

습식 식각 부분

a) 비교적 양호한 단차 피복성

습식 식각 공정 활용의 예 (계속)

• 피식각층이 Wafer 상부에 노출되지 않는 경우

. IC는 3차원적 형상을 가지게 되므로 집적 공정 시에 IC의 기하학적 구조 상 간혹 피식각층이 Wafer 상부로 노출되지 않는 경우가 있을 수 있다

. Figure 3S.5 & 6에 위와 같은 예를 현미경 사진으로 보여 주고 있는데, 사진에서 표시된 부분들은 DRAM의 Capacitor가 될 부분으로서 공정 중에 Wafer 전면에 노출되지 않으므로 습식 식각으로 내부에 채워져 있는 산화물을 제거할 수 밖에 없다

. 집적 공정 설계 시에 여러가지 복잡한 형상들을 만들게 되는데 내부에 채워져 있어 Wafer 상부에 노출되지 않는 충전(Filling) 층은 습식 식각 외에 다른 방법으로는 제거할 수 없으며, 이 경우 습식 방법은 필수적이며 대단히 유용한 공정 방법이 된다

• Reticle의 Patterning

. 그 외에도 습식 식각은 4x, 5x Reticle에 Pattern을 그리는 데에도 이용되는데, 4x/5x Reticle에는 실제보다 4배/5배로 선폭이 넓게 그려지기 때문에 Wet Etching으로 Pattern을 형성 한다

Figure 3S.6 Figure DRAM Cell with Tunnel-Type Capacitor Capacitor의 내부로서

Wafer 상부에 노출되지 않는 부분 (공정 중에 산화물로 채워져 있음)

Figure 3S.5 (a) DRAM Cell with Cylinder Type Capacitor (Bird’s Eye View), (b) A-A’ Cross-section of DRAM Cell with Cylinder Type Capacitor

A A’

(a)

Capacitor의 내부로서 Wafer 전면에 노출되지 않는 부분 (공정 중에 산화물로 채워져 있음)

(b)

미세화에 따른 식각 방법의 변화

• 집적도 증가에 따른 CD 충실도의 필요성

. 집적도가 높아짐에 따라 미세화가 진행될수록 Patterning을 위한 식각(Etch, 蝕刻) 공정에서 CD의 충실도 문제가 점점 중요하게 대두된다 ☞ 01.01 IC 제조와 설비 개요 > IC Fabrication > Design Rules & CD

☞ II.7.1 (4) in p150-152, Figure II-83

. 과거 Patterning 방법으로 사용되던 습식 식각 기술은 과도한 CD Loss(손실) 때문에 오늘날의 Patterning 공정으로는 적합하지 않다 ☞ Figure 3S.7

. 미세화에 따른 등방성 식각의 한계, 이에 따라 이방성 식각의 필요성이 대두되는 것을 Figure 3S.7의 식각 결과에 따른 CD 차이를 통해 쉽게 이해할 수 있다 ☞ 그림 7.1 in p322 ☞ 2.7.1. (3) in p150-151

Figure 3S.7 미세화와 식각의 방향성 Mask에서 열린 면적보다

더 큰 면적을 식각하게 되는 결과 설계 규격에 충실한 CD(Fidelity)

이방성(Anisotropic) Mask Layer

식각 대상막

Undercut CD Loss

Undercut

미세화 Scale-down

CD Loss

등방성(Isotropic) 식각 Sloped(경사 식각) Vertical(수직 식각) (식각 중에 CD Loss에 대한 조절이 가능)

• 건식 식각

. 전하를 가진 입자(Plasma, 혹은 Ion)를 한 방향으로 가속하여 이방성(Anisotropic) 식각 특성을 가지게 되므로 극도의 미세화가 요구되는 오늘날의 IC 제조에 가장 적합하여 흔히 사용되는 식각 방법

. Figure 3S.8에서 보는 것 처럼 한 방향 (z 방향)으로만 식각이 일어나므로 Etch Profile을 극도로 예리 하게 조절할 수 있고 따라서 CD Loss를 최소화 할 수 있다 (일방향성 식각; Unidirectional Etch) ☞ 7장 1.4 in p323-324

R_z > 0

, R

. 초기의 건식 식각은 단순히 Plasma 분위기에서 Wafer를 놓아두는 방법이었으나, 보다 더 효과적인 이방성을 위해 전극 위에 Wafer를 두고 전압을 가하는 조사(照射 ; Bombardment) 방법을 응용하여 Ion의 직진성을 강화해 이방성을 높이는 RIE(Reactive Ion Etching) 기술이 출현하게 되었다

. 이방성은 식각재와 피식각재가 만나 생기는 부생성물(By-Products)인 탄소, 불소가 함유된 고분자 물질(C-, F-Based Polymers)이 식각되는 재료의 측벽에 달라 붙으면 x, y 방향으로는 더 이상 식각이 진행되지 않는 특성을 이용한다

. 건식 식각 장치에서 가장 중요한 부분은 Plasma를 생성하는 Source와 Plasma 생성 방법이다

. Plasma Sources로는 다음과 같은 발생 장치를 사용

① ECR(Electron Cyclotron Resonance), ② ICP(Inductively-Coupled Plasma), ③ Helicon, ④ Helical, ⑤ Neutron Beam(중성 Beam)

. Plasma 생성 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다 ☞ 7장 3.2 in p334-334 & 3.3 in p341-348 ① DC Plasma, ② AC Plasma, ③ RIE(Reactive Ion Etch), ④ MERIE(Magnetically Enhanced RIE), ⑤ High Density Plasma (저온/저압)

건식 식각(Dry Etching)

피식각제 식각제 식각 시 생성물

SiO2, Si₃N4 CF4, SF₆, NF₃ SiF4, Si₂F6

Si Cl2, CCl₂F2 SiCl4, SiCl₂ Al BCl₃, CCl₄ Al₂Cl₆, AlCl₃ Refractory Metals

(W, Ta, Nb, Mo) CF₄, Cl₂ WF₆, WCl₆ III-IV

(GaAs, InP) CCl₂, CCl₂,F₂ Ga₂Cl₆, GaCl₃, AsCl₃

II-VI

(HgCdTe, ZnS, etc.) CH₄ + H₂ Zn(CH₃)₂, H₂S Table 3S.2 피식각 물질에 따른 여러가지 건식 식각제 Figure 3S.8 건식 식각 a) 이방성 식각 양상, b) 식각 후의 단면

Mask

b) Etch Profile 조절 가능

a) Rz > 0, Rx = Ry = 0

z

x y

R_x Ry

Rz

건식 식각에 사용되는 식각제(Etchants)

• 식각 대상 화합물의 종류에 따른 식각제의 선택

. 산화물이나 질화물은 재료의 높은 결합 Energy 때문에 활동성 Ion을 필요로 하는데, 이에 따라 불소(F)를 기반으로 탄소를 함유한 화합물의 Plasma를 이용하여 이방성을 얻게 되며, 공정 중 생성되는 반응 생성물인 Si-F 화합물이 식각에 대한 측면 보호막 역할을 하게 된다

1) 산화물(Silicon Oxide ; SiO2)

. 산화물은 IC 제조 과정 중 가장 자주 식각해야 하는 대상 재료로서, 주로 불소가 함유된(Fluorine-Based) CF4, CHF3 등의 식각제를 사용하는데, 다음의 화학 반응을 기본으로 한다 (식각 공정 중 생성되는 Si-F 화합물이 Pattern의 측벽을 보호하여 이방성을 가짐)

SiO2 + 4F → SiF4 + O2 (3S.3)

2) 질화물(Silicon Nitride ; Si3N4)

. 불소가 함유된(Fluorine-Based) CF4, C2F6, CHF3, C4F8, NF3, SF6 등의 C/N/S의 화합물을 사용

Si3N4 + 12F → 3SiF4 + 2N2 (3S.4)

3) Si 단결정이나 다결정(Polysilicon)

. 염소가 함유된(Chlorine-Based) Cl2, CCl4 등의 식각제를 사용

Si + 2Cl2 → SiCl4 (3S.5)

4) Aluminum (or Al-Si, Al-Cu-Si)

. 염소가 함유된(Chlorine-Based) Cl2, CCl4, BCl3 등 식각제를 사용 하는데, Al의 경우 표면에 생성된 산화물 Al2O3를 깨기 위한 초기 과정(Breakthrough) 및 식각 후에 산화(부식)를 막기 위한 부동층 형성(Passivation)에 세심한 주의가 필요

. Aluminum, 구리, Tungsten(W)은 배선을 위해 가장 널리 사용되는 재료들인데, 불소(F)와 Al의 반응은 비휘발성 AlF3를 형성하는데 반해 Cl2, BCl3 같은 염소 기반의 식각제는 Al과 휘발성 화합물(AlCl3)을 형성하여 매우 높은 화학 식각 속도를 가지므로 배선 재료의 식각에 널리 사용되는데, 이방성 식각을 위해 식각 동안에 탄소가 함유된 가스 CHF3나 N2가 측면 보호막을 형성하기 위해 첨가된다

Al + 3Cl^- → AlCl3 + 3e^- (3S.6)

Figure 3S.10 DC Plasma 생성의 모식도^*1

Plasma와 생성 방법

• Plasma

. 건식 식각의 기본이 되는 기체의 Plasma는 한 마디로 정의하기는 어려운데, 대단히 복잡한 상태로 존재하는 방전 상태의 기체로서 화학적으로 매우 활성도(Activity)가 높은 전하를 가진 전자, 양/음 Ion, 기체 분자의 조각(Fragments) 등 여러가지 물질로 구성된 복합체이다 (아래와 같이 여러 물질의 집합 상태 Gas로 해석)

[Plasma] = [전자] + [양, 또는 음전하로 대전된 Ion] + [중성 원자] + [분자, 또는 분자의 조각]

. 원하는 Gas를 용기 내에 주입하고 양단의 전극에 전압(Potential)을 걸어주면 대전된 입자(Charged Particles)들의 집합체인 Plasma를 얻을 수 있다 ☞ Figure 3S.9 & 10

• Plasma의 생성 방법 ☞ 5장 4.1.2 in p220-224 ☞ II.2.2 in p80-81 . Plasma 발생은 아래와 같이 크게 두 종류로 나누어 볼 수 있다

1) 직류 생성법(DC Plasma Excitation), 2) 교류 생성법(AC Plasma Excitation)

1) 직류 생성법(DC Plasma Excitation) ☞ II.2.4 in p80-85 Figure II-17 in p83 ☞ Figure 3S.10

. 자연 상태에서는 대단히 높은 열을 가해주어야만 Plasma를 얻을 수 있으며 따라서 수십만 ~ 수백만 °C 정도로 기체의 온도를 높여주어야 하지만, 손쉽게 Plasma를 얻을 수 있는 방법으로서 원하는 기체가 채워진 Chamber 양단에 전극을 배치하고 양극 사이에 전계(Electric Field, 전압차)를 형성하면 기체의 Plasma가 형성된다

. Ion이나 전자 등 대전 입자의 형성은 크게 3가지 형태로 다음과 같은 반응을 통해 형성된다 ☞ 5장 4.1.2 in p221-224 i) Ion화(Ionization), ii) 해리(Dissociation), iii) 해리 결합(Dissociative Attachment)

e

+ A → A

+ 2e

e

+ AB → e

+ A + B

e

+ AB → A

+ B

+ e

e^- ; 전자, A, B ; 기체 원자, AB ; 원자 A와 B로 이루어진 분자 상태의 화합물

*1 VLSI Technology (2nd Ed., 1988), S. M. Sze, McGraw-Hill

Figure 3S.9 실험실에서 생성된 DC Plasma의 사진 Glow Discharge

Plasma와 생성 방법 (계속)

• Plasma의 생성 방법

2) 교류 생성법(AC Plasma Excitation) ☞ Figure 3S.11 & 그림 5.33 in p220 ☞ II.2.5 in p86-89 . 두 전극이 낮은 주파수( < ~10⁴ Hz)로 극성을 바꾸게 되면 Plasma 발생 효과는 직류의 경우와 동일하지만 양/음극의 Sheath(Dark Space) 영역의 위치가 달라지는데, 주파수에 따라 Plasma의 특성도 변화한다

. Plasma의 생성 양상을 임의로 조절할 수 있으므로 대부분의 식각 장치에서는 교류를 사용

. Figure 3S.12는 Plasma 발생 시 공정 Chamber 내의 양/음극 간 거리에 따른 전형적인 전압 변화 곡선 ☞ Figure II-18 in p83 & Figure II-19 in p84

. 식각 장치에서 중요한 점 중의 하나는 공정 중 안정된 전압의 Glow Discharge를 유지하기 위해서 Glow 영역의 Plasma 전압(Vp)이 큰 변화 없이 일정하도록 유지해 주어야 한다

. 더불어 Wafer의 직경이 점점 커짐에 따라서 Glow 영역의 폭도 Wafer의 직경 이상 충분히 확보해 주어야 한다

. 발생하는 Plasma 내의 Ion 들을 충분히 이용하기 위해서 Ion의 밀도를 높여야 하는데, (3S.7), (3S.8), (3S.9)의 반응을 통해 생성된 Ion은 서로 충돌하거나, Chamber의 벽에 충돌하여 아래에 나타낸 반응 과정들을 통해 다시 전하가 없는 원자 상태로 되돌아가기도 하며 이러한 반응들을 재결합(Recombination)이라고 한다

A

+ B

→ A + B

e

+ A

→ A

. 위와 같은 재결합 현상들은 당연히 Ion의 밀도를 낮추게 되는데, Ion화와 재결합의 속도(Rate)가 같아지면 Plasma는 비로소 안정된 상태(평형; Equilibrium)를 유지하게 되고 Wafer 전면을 통한 균일한 식각 공정을 가능하게 해준다

. 실제로 공정에서 사용하는 Plasma는 공정 Chamber 내의 기체의 0.1% 이하이며, 나머지는 기체 상태 그대로 존재하게 된다

Figure 3S.11 AC Plasma 생성의 모식도^*1

Vc

+

-

V_a Vp

d(Distance) V

Figure 3S.12 Chamber 크기에 따른 Glow 영역 정의^*2

*1, 2 VLSI Technology (2nd Ed., 1988), S. M. Sze, McGraw-Hill

Plasma를 이용한 식각 기구(機構)

• Plasma를 이용하는 식각의 기구와 식각 단계

1) Plasma로부터 식각 물질(식각제, Etchant Species) 형성

2) 정상 상태 기체층(Steady-State Gas Layer)에서 확산(Diffusion)으로 인한 식각제의 표면 이동 3) Ion의 방향성 운동(물리적 반응)과 식각제의 표면 흡착(Adsorption)

4) 식각제와 피식각층 재료 간의 화학 반응(Reaction) ☞ Eq. (3S.3), (3.4), (3.5), (3S.6) 등 5) Ion 충돌 등의 물리적 영향으로 휘발성 화합물을 형성, 표면으로부터 탈착(Desorption), Bulk 기체 층으로 확산 → Pumping-out(Purging)

. Plasma를 이용한 식각은 낮은 압력에서 Plasma를 생성하고, 물리적 혹은 화학적인 방법으로 전자를 여기 (Sputtering 식각은 전자, 순수한 화학 식각은 후자에 해당)

. 물리적 식각은 고속으로 가속된 양전하의 충돌로 이루어진다

. 화학적 식각의 경우 Plasma에 의해 만들어진 전기적 중성 반응 물질들은 휘발성 물질의 형태로 표면의 물질과 반응

Figure 3S.13 Plasma를 이용한 건식 식각에서의 식각 순서와 기구 4) Reaction

5) Desorption &

Diffusion into Bulk Gas

Film Being Etched Directional Flow of Gaseous Plasma 1) Generation of Etchant Species

2) Diffusion into Surface of Layer to be Etched

3) Adsorption

Steady-State(Stagnant) Gas Layer

• 건식 식각에서 이방성 식각(Anisotropic Etching)이 가능한 이유

. Plasma는 강한 산화/환원성을 가진 재료로 구성되며 일정 압력 하에서 다양한 방법으로 가해지는 전계(Electric Field)에 의해 기체 상태로 가속된 입자가 되어 식각 대상 재료와 만날 때 (물리적 반응) 표면에서 반응하게 되는데, 이 때 가속된 입자를 반응성 Ion(Reactive Ion)이라 하고 이러한 식각 방법을 반응성 Ion 식각(RIE ; Reactive Ion Etch)이라 하며, 이러한 반응성 Ion들이 휘발성 강한 반응 생성물을 만들어 (화학적 반응) 식각 대상 재료의 표면으로부터 떨어져 나와 식각되는 원리를 이용하는 것이 건식 식각 공정이다

. 이에 따라 건식 식각은 Ion의 운동 방향으로만 식각이 일어나는 극단적인 이방성 식각 특성을 가지게 되며, 그에 따라 극도의 미세화가 요구되는 오늘날의 IC 제조에 매우 적합한 식각 방식이다

. 극단적 이방성의 두 가지 예 ☞ Figure 3S.14 (a)는 건식 식각이 이방성 식각이기 때문에 깊이 방향 으로만 Silicon이 식각되어 깊은 Trench(참호) 형상이 만들어진 것을 보여주는 사진으로서 Trench 식각 공정 직후 얇은 산화막이 증착된 것을 보여 준다

(b)의 사진은 건식 식각 중 이물질(Polymer 등)이 이방성 식각에 대해 Mask 역할을 하게 되어 표면에 원치 않는 수많은 기둥(Pillar) 형태의 잔류물을 남긴 잘못된 식각공정의 사진

건식 식각의 이방성(Anisotropy)

Figure 3S.14 이방성 식각의 예 a) Aspect Ratio가 큰 Silicon Trench 식각 후 산화막이 증착된 단면 사진, b) Pattern 주변의 원치 않는 작은 피식각재 잔류물

식각된 Trench Profile

Silicon 식각 후 증착된

산화막

a)

Unwanted Pillars (“Residue Grass”)

b)

식각 기술의 진보와 이에 따른 Plasma Source의 변천

Acid(Wet)

Electron Energy Year

* Kinetic Energy of a Gas Particle, E E = ^𝟏_𝟐mv_th = ^𝟑_𝟐kT

k: Boltzmann 상수

2010

256 Kb 1 – 4 Mb 64 Mb 512 Mb – 1 Gb DRAM Density Neutral Beam Low & Medium Density Plasma (~10¹¹/cm³)

~ 1980 1990

~ 1970

High Density Plasma ( > 10¹¹/cm³)

Pulsed Plasma

2000

High Density of Charged/Uncharged Particles (Arbitrary Scale)

Figure 3S.15 식각 공정에 사용되는 Source의 변천

• 식각 공정의 Source의 진보

. Figure 3S.15는 저밀도 Plasma에서 고밀도 Plasma 식각 공정으로 옮겨가는 시간에 따른 진보 과정을 DRAM 집적도의 관점에서 그린 것이다

. 습식 식각은 CD의 관점에서는 오늘날 식각의 용도로 더 이상 사용할 수 없지만 앞서 설명한 이유로 아직도 없어서는 안 되는 식각 방법이다

03.02 건식 식각 장치의 진보

Evolution of Dry Etch Source

• 건식 식각 장치의 주요 구성 요소

. 식각에 필요한 모든 반응이 일어나는 물리적 공간

*1 Chamber는 식각 장치에서만 사용하는 것이 아니며 단위 공정을 수행하는 모든 장치에서 필요한 반응이 일어나는 용기(容器)를 의미

2) Power Generator 3) Gas Flow System

. 반응의 농도와 압력을 조절/제어할 수 있도록 기체의 흐름을 발생시키고 조절하는 부분 4) Pumps

5) 압력 감지기(Pressure Sensor)

6) End Point Detector(식각 종점 탐지 장치)

• 건식 식각 공정의 주요 제어 요소

. 식각 공정을 제어하는 기본 요소는 1) Ion Energy, 2) 식각 공정 시 Chamber 내 기체 압력

. 건식 식각 장치는 정밀한 제어를 필요로 하므로 장치 개발을 위해 많은 시간과 노력, 자본이 투입되어야 하는 분야인데, 특히 압력의 조절, 전극의 위치와 형태, 화학적/물리적인 반응 기구 제어를 위한 Plasma 생성 장치의 주파수 조절 등이 대단히 중요하다

. 아울러 생산성 향상을 위한 식각 속도 조절, 높은 Throughput^*2 등이 요구된다

*2 모든 공정 장비에서 고려하여야 할 생산성 요소로서 보통 시간 당 처리할 수 있는 Wafer의 매수(매/시간)로서 나타낸다

. 실제 건식 식각 공정에서 온도, 압력, Ion Energy 등 여러가지 변수를 조절하여 이방성 식각을 하게 되지만, 오직 한 방향으로만 식각이 일어나는 것만이 항상 최선은 아니라는 점에 유의하여야 한다

즉, 때에 따라 의도적으로 식각 단면이 경사지도록 3차원적(x, y, z 방향)으로 식각 속도를 적절히 조절해야 하는 경우가 발생하기 때문에 공정의 변수를 조절하여 극단적인 이방성을 제어할 필요가 있는데, 건식 식각이 Ion의 물리적 운동을 통해 식각의 이방성을 부여하는 방법이지만 표면에서는 여전히 습식 식각의 경우처럼 화학 반응이 일어나는 것을 알고 있다면 이를 통해 식각 단면을 조절할 수 있다 ☞ Figure 3S.16

건식 식각 장치의 구성 요소와 진보와 이에 따른 Plasma Source의 변천

Mask(PR)

식각 대상막 + -

Ions

(in Liquid) 반응 후

생성 분자

(a) 화학적 등방성

+ 원자(분자)

Ion

(b) 물리적 이방성

+

Ion 반응 후

생성 분자 Radical 중성

(c) 화학적 + 물리적 식각으로 이방성 조절 Figure 3S.16 원자 관점에서 보는 습식 공정과 건식 공정 기구 및 건식 공정에서의 Profile 조절 ☞ 그림 7.12 in p332

• 반응성 Ion을 이용한 식각 기술(RIE ; Reactive Ion Etching, RSE ; Reactive Sputter Etching)

. 평행판 Diode System에서 방사 주파수(Radio Frequency)가 가해지는 전극(Cathode)에 Wafer를 두고 운동하는 Ion으로 식각하는 기술 ☞ Figure 3S.17 ☞Figure II-80 in p149 . Wafer가 놓이는 부분이 Ground(전압 = 0)인 경우에 비해 상대적으로 높은 Plasma Potential이 작용하여 Ion 조사(Bombardment) Energy가 크다 (Reactive Ion이라고 부르는 이유)

. Figure 3S.18은 생산 용도로 개발된 초기 형태의 RIE Etcher로서 Bell Jar 전체가 Anode 역할을 하게 되는데, Wafer를 지면에 수직으로 장착하는 이러한 형태의 식각 장치를 “Barrel-Type” Etcher라고 부른다

. 식각 장치에서 고려해야 할 점은 아주 다양하지만, 주안점은 i) 충분한 반응성과 식각 속도, ii) Wafer 전면에 거친 균일한 Ion 분포, iii) 저손상(Low Damage) 등으로서, 이에 따라 식각 장치 측면에서 다양한 식각 기술이 등장하고 발전하여 왔다 ☞ Table 3S.3

반응성 Ion(Reactive Ion)을 이용한 건식 식각

Figure 3S.18 6각 Susceptor를 가진 Barrel Type Etcher, (b) 육각주 형태 Susceptor의 모식도 ☞ 그림 7.23 in p344

Bell Jar

Monitoring Window

Automatic Wafer Loading

Station

(a)

(b) Figure 3S.17 3극 반응 Ion 식각 장치 모식도

Anode (+)

Cathode (-)

Matching RF System Matching RF SystemWafer

RF RF

Ion Bombardment

Source Type

Parameters

Helicon Helical

Resonator

ECR^*1

☞ 그림 7.28 in p346

ICP^*2

☞ 그림 7.27 in p346

Source Frequency (MHz) 13.56 2 2450 13.56

Bias Frequency (MHz) 13.56 1.8 13.56 13.56

B-Field (Gauss) 50 - 500 NA^*3 875 NA^*3

Ion Intensity (Ions/cm³) 3 x 10¹² 1 x 10¹² 10¹² (0.5 - 2) x 10¹²

Electron Energy (eV) ~ 4 ~ 4 ~ 4 3 - 6

식각 공정 압력 (mTorr) 0.5 - 10 0.5 - 50 1 - 10 1 - 25

식각 Chamber 구조 모식도

Plasma를 이용한 건식 식각에 사용되는 여러가지 Source의 특성

Table 3S.3 여러가지 Plasma 생성 Source의 특성과 구조 개요

*1 ECR ; Electron Cyclotron Resonance, ^*2 ICP ; Inductively-Coupled Plasma, ^*3 NA ; Not Applicable

• 건식 식각 장치의 진보와 변화

Figure 3S.19 ECR 장치 모식도

• ECR(Electron Cyclotron Resonance ; 전자 Cyclotron 공명) 식각 장치

높은 Plasma 분리 효율과 Ionization이 장점

. 전자는 직선 운동을 하는 것이 아니라 그림에서 보는 바와 같이 나선 운동을 하며 Wafer에 근접하므로, 재결합(Recombination)의 확률이 낮아지게 되어 전자의 수명을 길게 하며 상대적으로 용이하게 Wafer에 도달하게 된다 (높은 Plasma 밀도 유지 가능)

. RIE에서 전자 발생(Emission)을 위해 Cathode 온도를 높여 주었는데, 이로 인해 Cathode에 Chlorinated-, Fluorinated Hydrocarbon(CH-)이 증착되어 수명이 단축되는 단점을 개선할 수 있다

• HDP(High Density Plasma; 고밀도 Plasma) 식각

. 집적 회로의 신호선폭이 계속해서 감소함에 따라 기존의 RIE 장치는 한계를 맞게 되고 ECR과 더불어 ICP

(Inductively-Coupled Plasma), TCP(Transformer Coupled Plasma), SWP ; Surface Wave-Coupled Plasma)와 같은 여러 종류의 고밀도 Source들이 등장 ☞ 7장 3.3.6 in p346-347 ☞ II.2.5 in p86-89

. HDP Source를 이용한 식각 장치들은 Plasma 밀도가 높고 (10¹¹~10¹²/cm³)와 공정 압력이 낮은 ( < 수십 mTorr) 것이 특징이며, 공정상의 주된 장점은 낮은 압력으로 인한 기판의 저손상, 높은 이방성, 이에 따른 보다 정밀한 CD 제어와 높은 식각 속도, 고선택비가 가능하다는 점이다

. Figure 3S.20은 TCP 장치 구조의 모식도로서, 반응기 상부의 평판형 나선 Coil에 의해 Plasma가 발생/유도되는데 저압력 분위기 속에서도 고밀도의 Plasma가 발생된다

고밀도 Plasma 건식 식각 공정

Figure 3S.20 TPC 장치 모식도 RF

RF 절연판

(Dielectric Plate) Coil

Plasma

03.03 식각의 제어 공정 변수

Key Parameters of Etching Process

• 식각 공정에서 제어하여야 할 주요 요소

2) 선택비(Selectivity) ☞ (3S.16) & 7장 1.3 in p322-323

3) Bias(CD Loss or Gain)와 식각 단면 Profile (Slope ; 식각 후 식각면 측벽의 각도) ☞ (3S.17)

4) 식각 종점(End Point)과 초과 식각(Over-Etching)

5) 균일도(Uniformity within-Wafer, Wafer-to-Wafer, Within-Chip, Chip-to-Chip, etc.) ☞ (3S.19) & 7장 1.2 in p322 6) 부하 효과(負荷 效果 ; Loading Effect) ☞ (3S.20)

식각 공정에서 제어하여야 할 주요 공정 변수

Figure 3S.21 식각 (a) 전, (b) 후의 피식각재의 단면과 식각의 주요 변수

R ; 식각율, S : 선택비, EL ; 피식각재(식각 대상재)의 식각된 두께, EM ; 식각된 Mask 층의 두께, t ;식각 시간, a ; 식각 단면 Profile (°) Etch Time, t

R = E_L/t

S = (EL/t)/(EM/t) ⁼ E_L/E_M

Mask Mask

E_L

E_{M 식각 전}

Mask의 두께 식각 후

Mask의 두께

(b) 식각 후 단면

a

End Point

Mask Mask

Layer to be Etched

(a) 식각 전 (감광 공정 직후) 단면

• 식각 공정에서 고려하여야 할 주요 요소

. 다음과 같이 정의된다

R⁼ EL

/t

. 식각 대상 층의 두께가 단위 시간에 제거되는 속도로서 생산성(Throughput)을 결정하는 매우 중요한 공정 요소

. 식각제의 종류, RF 값(RF Power), 식각제(기체)의 유동량(Gas Flow Rate), 식각 공정 중 기체의 기압(Gas Pressure) 등에 따라 결정된다

2) 선택비(Selectivity) & 7장 1.3 in p322-323

. 동일한 식각 공정에서 식각 대상재와 Mask 재료가 식각되는 속도의 비

S = (EL

/t

/t

/E

S ; 선택비, EL; 피식각재(식각 대상재)의 식각된 두께, EM; 식각된 Mask 층의 두께, t ; 식각 시간

. 피식각층에 적절한 Mask를 선택하는데 중요한 지표 (감광 공정의 Mask는 감광제 한가지이지만, 식각은 특성에 따라 다른 종류의 Mask를 사용)

3) Bias(CD Control, Loss or Gain)와 Etch Profile (측벽 Profile의 각도(°), Slope of Sidewall in Degrees)

. Etch 공정의 Bias는 DICD와 FICD의 차이이며, 식각 공정 시에 Pattern cd의 손실이 얼마나 발생했는가를 판단해 주는 척도가 되며, 이방성을 가지는 건식 식각 공정에서는 Pattern의 Profile과 직접적인 상관관계가 있다

[CD Bias in Etching] = [DICD] – [FICD] (3S.17)

4) 식각 종점(End Point) ☞ Figure 3S.21

. 두 종류 이상의 재료가 적층되어 있는 경우에 식각 대상층 만을 없애고 하부 층이 식각되기 전에 멈추어야 하는데, 이를 위해서는 식각 공정 중에 식각 상태(두께)를 가늠할 수 있어야 하지만 식각 상태를 직접 육안으로 관찰하는 것이 불가능하므로 Laser Interferometry, Optical Emission 등을 통해 Wafer 표면이나 Plasma 상태의 변화를 관찰함으로써 식각 종점 을 판단

식각 공정에서 고려하여야 할 주요 공정 변수 (계속)

• 식각 공정에서 고려하여야 할 주요 요소

5) 균일도^*1(공정 Uniformity, Within-Wafer, Wafer-to-Wafer, Within-Chip, Chip-to-Chip, etc.) ☞ (3S.19) & 7장 1.2 in p322

. 공정의 평가하는 지표로서 비단 식각 공정뿐만 아니라, 다른 반도체 제조 공정에서도 공정의 결과를 평가하는데 가장 기본적이면서도 중요한 지표 (식각 공정의 균일도 뿐만 아니라 수치로 표현할 수 있는 어떤 공정 대상 측정량이든 균일도를 나타낼 수 있다)

*1 교재의 균일도의 정의와 상이한 점에 유의

[Uniformity, %] = [(P_max – P_min)/ (𝑷𝒊/𝒏)^𝒊

𝒏=𝟏 ] x 100 (%) (3S.19)

(𝑷𝒊/𝒏)^𝒊

𝒏=𝟏 ; 평균값

6) 부하 효과(Loading Effect ; Micro-, Macro-)

. Pattern Density(집적도)에 따라 Etching 속도나 그 외 공정 관련 지표(CD, Profile 등)가 달라지는 현상

. Pattern Density가 다름에 따라 반응 면적이나 체적이 달라지고 이에 따라 식각제의 밀도가 부분적으로 달라지기 때문에 발생

[Loading Effect, %] = [(Rmax – Rmin) / RAvg] x 100 (%) (3S.20)

Rmax ; 최대 식각율, Rmin ; 최소 식각율, RAvg ; 평균 식각율

7) 과식각(Over-Etching) ☞ 7장 1.5 in p324 . 식각 종점을 지나 하부층까지 식각이 진행되는 현상

. 하부 재료의 식각 가능성에도 불구하고 국부적인 식각의 불균일도를 고려하여 인위적으로 조금씩 과식각을 실시하는 경우가 대부분인데, Wafer 내의 Micro-loading Effect 등의 발생 으로 모든 Pattern에서 동등한 정도의 식각이 진행되었다고 확신할 수 없으므로 두께를 기준으로 산정한 과식각(Thickness Mode, %), 식각 공정 시간을 기준으로 하는 과식각 방식 (Time Mode, sec) 등이 있다

식각 공정에서 고려하여야 할 주요 공정 변수 (계속)

식각 공정 후 처리

• 식각 공정 후 처리

. 식각 공정이 끝나면 다음 공정으로 넘어가기 전에 남아있는 불필요한 감광막을 제거해 주어야 하는데, 감광막의 제거 과정도 1) 습식 공정과 2) 건식 공정으로 나누어진다

1) 습식 제거(Wet Strip) ☞ II.7.3 (1) in p155 & Figure II-88

- 박리를 위한 용매로 감광제를 박리시킨 후 유기 용제를 넣은 약조(Bath)에 Wafer를 침적시켜 감광막을 완전히 벗겨 내는 공정

- 감광막의 성분에 따라 적절한 제거제(Stripper)를 써야 하는데, 크게는 양성, 음성 감광막의 여부, PAC(Photo-Active Compound)가 함유된 g-, i-Line 용 PR인지 혹은 PAG(Photo- Acid Generator)를 포함한 DUV 용 CAR(Chemically-Amplified Resist ; 화학 증폭형 감광제)인지애 따라서도 달라진다

- 일반적으로 함유된 계면 활성제(Surfactant)가 잔류 감광막에 다른 용제들이 침투하기 쉽도록 도와주는 역할을 하며, 감광막 중의 Resin(Polymer)은 탄소가 주된 성분이므로 이에 대해 선택 반응을 일으키는 DGME(MEDG ; diethylene glycol methyl ethyl ether, CH3O-(C2H4O2)-C2H5) 같은 성분이 포함된다

그 외 PAC과 Resin의 Cross-link를 끊기 위한 Amine 성분(MEA ; monoethanolamine, H2NCH2CH2OH, C2H7NO), 산을 용해시키는NMP(normal methyl 2-pyrrolidone, C5H9NO) 등이 포함된다

- 제조 현장에서는 상품화된 기존 Stripper 중에서 감광 공정에서 Layer 별로 사용한 해당 감광막 종류에 따라 사전 평가한 후 적절한 용제를 선택하여 사용하게 되는 것이 일반적이다

2) 건식 제거(Dry Strip, Ashing) ☞ II.7.3 (1) in p156 & Figure II-89, II-90

- 앞서 언급한대로 감광막의 고분자의 주성분이 탄소(산소나 수소 성분도 존재)이므로 이를 산소와 결합시켜 태워 버리는 방법으로 감광막을 제거한다

- Plasma Asher, Ozone Asher 등의 장치를 이용하여 감광막을 제거하는데, 산소 Plasma를 생성하거나 산소나 Ozone에 자외선을 조사하여 산소 Radical(Oxygen 원자)을 만들어 감광막 성분 중의 탄소나 수소, 산소 성분과 결합하여 CO2, 수증기(H2O), 산소(O2) 등의 생성물을 만들어 제거하는 방법을 사용한다

. 감광막을 제거한 후에 남아 있는 고분자 물질이나 오염원이 될 수 있는 기타 반응 생성물 등을 완전히 제거하기 위해서는 반드시 세정 공정을 거친 후에 다음 공정으로 넘어가야 한다

03.04 식각 공정과 환경 문제

Issue on Global Environment

• PFC(Perfluoro Compounds, 과불화 화합물) 기체의 특성

. 반도체 제조 공정에 많이 쓰이는 PFC는 인공적으로 합성되는 기체로서, IC 제조 공정에서 전통적으로 매우 흔하게 사용되어 오던 기체들로서 주로 식각과 화학 기상 증착(CVD) 공정에서 많이 사용된다

. 최근 들어 이 기체들이 지구 온난화에 큰 영향을 미치는 성분들로 밝혀짐에 따라 이 기체들의 지구 온난화에 미치는 영향을 분석하여 체계적으로 규제할 필요성이 대두되었다

. 식각 공정에서 많이 사용되는 PFC 기체는 불소가 과포화(Saturated) 상태로 존재하는 C, S, N 등과 불소의 화합물로서 CF4, C2F6, C3F8, C4F8, SF6, NF3, CHF3*1 등이 있다

^{*1 CHF3}는 PFC로 분류되지 않고 HFC의 하나로 취급되지만 온난화 효과가 크므로 규제 대상

• 지구 온난화(Global Warming)와 온난화 지수(GWP ; Global Warming Potential)

되는데, 온실 기체(GHG ; Green House Gases)라 불리는 물질들에 의해 둘러 싸여 적외선의 방출이 방해를 받는 온실 효과(Green House Effect)로 인해 지구의 기온이 상승하는 현상으로 최근 전지구적 관심사가 되고 있는 중요한 환경 문제이다 ☞ Figure 3S.22

. 이러한 효과를 나타내는 온실 기체로는 CO2, N2O, CH4, 과불화 화합물(PFC), 불화수소 탄화물

(HFC; Hydrofluoro-Carbon) 등이 있으며, 이들 기체의 사용을 체계적으로 규제하고 사용량을 제한/감축하기 위해 온실 효과를 정량적으로 나타내는 지구 온난화 지수가 도입되었다 cf. 자외선(Ultraviolet)을 막아 주는 Ozone 층 파괴의 원인이 되는 불화염소 탄화물(CFC ; Chlorofluoro-Carbon)과 PFC는 서로 다른 종류의 화합물

. PFC의 온난화 효과는 CO2에 비해 훨씬 심각해서 CO2의 10³ ~ 10⁴ 배에 이르므로 작은 부피의 기체로서도 온난화에 미치는 영향이 심각하다

식각과 환경 문제 - 지구 온난화와 과불화 화합물의 사용 규제

Figure 3S.22 온실 기체에 의한 지구 온난화 현상 Sun

Earth

Surrounding GHGs

IR IR

IRIR

• 지구 온난화 지수(GWP)

∫a

(t)dt

[GWP_t of Component i ] = (3S.15)

∫a

(t)dt

t ; Time

a ; Absorption of Heat by Radiation/Unit Concentration C

(t)

. 예를 들어, C2F6의 온난화 지수를 계산하면 CO2의 12500 배에 이른다

1 GWP_(C2F6) = 12500 GWP_(CO2)

• MMTCE(Million Metric Tons of Carbon Equivalent)

. 온난화에 기여하는 재료의 Carbon에 대한 CO2 대비 당량을 나타낸 지수로서 제조 현장에서 규제해야 할 실제적인 사용량(sccm)과 사용 시간 등으로 표시할 수 있도록 바꾼 수치이다

(Carbon-Equivalent Index of Total Contribution to Global Warming - Relative to CO2)

[MMTCE] =



GWP

(12/44)}

~



e.g.

MMTCE/Etch Step = 1.0 x 10^-9; GWP is equal to CO₂ of 1.0 kg/Etch Step

지구 온난화 지수(Global Warming Potential)

Heat Absorption

t

Material in Reference to Carbon

전세계적 PFC 사용 규제 지침

• PFC 사용량 규제

. PFC 사용량 규제에 대한 전세계적인 지침과 목표 설정 (@ WSC - ESH Task Force Meeting at Carmel City, USA)

. 규제 기준량(Reference of Reduction) ; 한국 내 반도체 업체의 총 PFC 사용량 (1997년)

cf. 일본과 미국, Europe은 1995년 사용량을 기준으로 하였음 (The Total Usage in 1995 is the Reference for Japan, USA, and Europe)

. 2010년까지 규제 기준량 (한국은 1997년 총 사용량)의 10% 이상을 감축하도록 합의 ☞ Figure 3S.24

Figure 3S.24 한국 반도체 업체들이 달성해야 하는 PFC 감축량 목표치 설정 동의 안 (@ WSC - ESH Task Force Meeting at Carmel City, USA)

Relative MMTCE

100

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 200 8 2009 2010 Year

Reduction Target: 10%

Reference

PFC 감축을 위한 대체 식각제 – 예시

MMTCE/Step

< 1.0 x 10^-11 MMTCE/Step

= 4.3 x 10^-9

b) Alternative Etchant - CH₃F MMTCE Reduction

0.4 mm Contact 0.4 mm Contact (Key Parameters)

• R = 1005 Å /min

• S (to PR) = 8.1:1

• a(Profile) > 88°

(Key Parameters)

• R = 3060 Å /min

• S (to PR) = 1.5:1

• a(Profile) > 88°

CF₃H /Ar CH₃F/Cl₂

PR PR

(Key Parameters)

 R =10600 Å /min

• S (to PR) = 4.0:1

• a(Profile) > 88°

a) Alternative Etchant - CH₂F2

0.4 mm Contact

MMTCE Reduction

(Key Parameters)

• R = 5215 Å /min

• S (to PR) = 5.7:1

• a(Profile): 88°

0.4 mm Contact MMTCE/Step

= 1.46 x 10^-9 MMTCE/Step

= 7.4 x 10^-11

BPSG BPSG

CH₂F₂ /Ar C2F6/C4F8/Ar

Figure 3S.25 Etch Chemistry Optimization by Replacing Less PFC Compound with ICP

• 대체 식각제(다른 화합물)

. PFC 계열의 식각제를 배제하고 다른 화합물의 식각제로 대체하기 위해 공정 평가를 진행하는 과정의 예를 아래에 예시 ☞ Figure 3S.25