세상에서 가장 쉬운 반도체공정 설명 Step.3 - 식각공정편

반도체를 만드는 과정은 8단계로 나눌 수가 있어요. 순서대로 나열하면, 웨이퍼제조 > 산화 -> 포토 > 식각 > 증착 > 금속배선 > 테스트 > 패키징입니다. 이중 오늘 살펴볼 것은 식각공정 입니다. 웨이퍼제조는 실제로 반도체공장에서 하는 것이 아닌 만들어져서 나오기 때문에 패스하기로 해요.

반도체를 만드는 방향은 블록을 쌓듯이, 아래에서 위로 쌓아가는 식으로 만듭니다. 테스트와 패키징 공정을 후공정이라 하는데요. 이 두 공정을 제외한 앞선 공정을 전부 전공정이라 부릅니다. 전공정에 대해서 이것만 기억하기로 하죠. 필요한 부분은 물질로 씌우고 필요없는 부분은 깎는 것이라고요.

식각공정 :

  식각에는 세 가지 종류가 있어요. 화학적인 방법과 물리적인 방법이죠. 그리고 이 두가지를 혼합한 이온화식각이 있답니다.

1. 화학적 식각 :

  화학적인 방법은 제거하고자 하는 물질( : 산화막)에는 잘 반응을 하고 감광액(=포토레지스트)에는 반응을 하지않는 물질을 화합물을 이용하는 것이죠.

화학적방법 식각 / 감광액에는 반응하지않는 물질을 만든다 / 만든이 : LSNB

2. 물리적 식각 : 자기장으로 원자를 밀어 웨이퍼표면을 때린다

  물리적인 방법은 높은 에너지를 가진 입자를 웨이퍼 표면에 충돌시켜서 원하는 물질을 제거하는 것이에요(=Sputtering).  기체의 기압을 낮춘 뒤 높은 에너지를 가해주면 기체는 원자(+)과 전자(-)로 분리가 되죠. 이때 전기장으로 원자핵 향해 쏴주면 원자가 가속돼 웨이퍼와 충돌하는 원리인 것이죠.

물리적방법 식각 / 원자로 웨이퍼표면 식각 / 만든이 : LSNB

  다만, 기압을 낮춘다는 것은 기체가 적다는 뜻이기에 식각속도가 늦어진다는 것을 의미해요. 또한, 물리적방법으로 식각을 하다보니 건들이지말아야할 물질까지 건드리게 되는 것이죠.

3. 이온식각(RIE)  : 양이온으로 때리고 라디칼로 돕는다

  그래서 나온 해답이 화학적방법+물리적방법을 합친 반응성 이온식각(RIE, Reactive Ion Etching)입니다. 건식식각의 한 종류인데요. 기체를 플라즈마로 바꿔 식각하는 것을 의미해요. 플라즈마란 고채, 액체, 기체에 이어 4번 째인 상태를 얘기하는데요. 보통 고체, 기체, 액체에서는 원자핵과 전자가 같이 붙어다니는데, 플라즈마상태에서는 따로따로 떠다닙니다. 아사디시피 전자가 전기의 역할을 하죠. 전자들이 원자핵과 떨어져 자유로워 졌기때문에(=자유전자) 전기전도성이 아주 강한 상태가 플라즈마라 할 수 있어요.

플라즈마 상태 : 자유로운 원자핵과 전자 / 만든이 : LSNB

  플라즈마를 만드는 방법은 간단해요. 혼합기체를 기기에 투입하여 강력한 에너지를 가하면 양이온, 전자, 라디칼로 분리가 되죠.  물리적식각방법에서 본 것 처럼 이 양이온에 자기장을 가해주면 됩니다. 그럼, 이 양이온이 웨이퍼표면을 때리면서 식각을 하게 되는 것이죠. 또한, 양이온은 물질의 결합력을 약하게 만드는 속성이 있어서 식각에 더 도움이 되죠. 이후 반응성 높은 라디칼이 도와주게 되면 더욱 빠른 식각이 이루어지게 되는 겁니다.  

에칭가스 꿀팁 : HF -> Si, HFCs -> SiO2

  반도체식각에서 HF(불화수소), C4F8, COS 등 여러 에칭가스 화학기호들을 많이 봤을 거에요. 이것을 해석하는 핵심을 설명드릴려고 해요.

  웨이퍼는 실리콘이죠. 실리콘은 원소인 규소(Si)로 이루어져있고요. 이 규소를 잘 제거해주는 것이 플루오린이라 불리는 'F'입니다. 그래서 HF, C4F8 등 'F'가 많이 보이는거에요. 규소가 불소와 만나 불화규소가 되는데 기화가 빠르게 잘 되기 때문에 제거를 신속하게 할 수 있죠.

  절연막이나 보호층으로 사용되는 이산화규소(SiO2) 같은 경우를 봐볼까요. 규소(Si)가 산소(O2)와 결합을 하고 있기 때문에 안정적이라 플루오린(F)만 쏴주면 식각하기 힘들죠. 이에 산소를 잘 없앨 수 있는 탄소(C)를 혼합해준다면 제거가 쉽습니다. 우리가 불을 지필 때 사용하는 연탄(CO : 일산화탄소), 장작 등 모두 탄소로 이루어져있죠. 그래서 불이 났을 대 이산화탄소가 공기중에 많아져 매연이 생기는 것이고요. 이 탄소의 성질을 플루오린에 섞어주면 이산화규소의 결합도 끊어낼 수 있는 것입니다.

F는 Si를 잘 없앤다 / C는 O2를 잘 없앤다 / 만든이 : LSNB

  추가적으로 수소(H2), 질소(N2) 등을 식각첨가제에 넣어주면 좀 더 식각을 정확히 하는데 도움이 되는 것입니다.  

다음 글에서는 증착공정으로 찾아오겠습니다 :)