플라즈마 에칭은 반도체 제조에서 가장 중요한 프로세스일 수 있으며, 리소그래피 다음으로 모든 웨이퍼 제조 프로세스에서 가장 복잡한 작업 중 하나일 수도 있습니다. 웨이퍼 제조 단계의 거의 절반이 고에너지 이온화 가스인 플라즈마에 의존하여 작업을 수행합니다.

트랜지스터와 저장 장치의 지속적인 축소에도 불구하고 엔지니어들은 여전히 안정적인 에칭 프로세스를 제공하기 위해 노력하고 있습니다.

Lam Research 식각 제품 그룹 마케팅 담당 부사장인 Thomas Bondur는 “나노미터 수준의 정밀도와 정확한 구조를 갖춘 칩을 지속 가능하게 제조하기 위해 반도체 팹 장비 제조업체는 플라즈마 물리학, 재료 공학, 및 데이터 과학을 통해 필요한 장비 솔루션을 제공합니다.' 이는 리소그래피와 함께 작동하여 웨이퍼에 정밀하고 반복 가능한 기능을 생성하는 플라즈마 에칭에서 특히 두드러집니다.

이 보고서에서는 3D NAND, DRAM, 나노시트 FET 및 인터커넥트의 주요 식각 단계를 조사하고 2D 장치 및 백엔드 처리에 대해서도 살펴봅니다. 업계에서는 또한 웨이퍼 공장에서 발생하는 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 보다 지속 가능한 에칭 화학을 추구하고 있습니다.

많은 도구 제조업체의 경우 프로세스 모델링은 식각 프로세스 개발에서 중요한 역할을 합니다. 목표는 웨이퍼 및 마스크 비용을 줄이면서 출시 기간을 단축하는 것입니다.

Lam Research의 마케팅 담당 수석 이사인 Barrett Finch는 다음과 같이 말했습니다. '가장 까다로운 단계 중 일부에 대한 식각 공정을 최적화하는 데는 1년 이상이 걸릴 수 있습니다. 우리는 최근 3주 이내에 일부 프로세스 시뮬레이션을 완료했습니다. 일반적인 실리콘 기반 테스트 및 개발을 사용하면 3개월이 걸릴 것으로 예상되었습니다.'

마스크와 웨이퍼 비용만 놓고 보면 장비 제조업체에게는 수십만 달러, 심지어 수백만 달러에 달할 수도 있습니다.

에칭 기초

에칭 공정과 리소그래피 기술은 반도체 제조에서 함께 사용됩니다. 에칭은 일반적으로 박막 증착 전에 수행됩니다(에피택시, 화학적 또는 물리적 기상 증착 등을 통해). 일반적으로 CVD 필름에 포토레지스트를 코팅한 후 광학 리소그래피(248nm 또는 193nm UV, 13.5nm EUV)를 사용하여 포토마스크를 통해 패턴을 노광합니다. 그런 다음 레지스트를 현상하여 패턴을 드러냅니다. 단일 웨이퍼 플라즈마 에칭 챔버에서 에칭 화학물질과 이온 충격은 일반적으로 포토레지스트 마스크를 가이드로 사용하여(포지티브 톤 레지스트에서) CVD 필름을 제거하는 데 사용됩니다. 에칭 후에는 레지스트를 애싱하고, 이어서 습식 화학 세정 및/또는 잔류물 제거를 위한 습식 에칭을 수행합니다.

플라즈마 식각 공정은 대략 유전체 식각, 실리콘 식각, 도체 식각으로 분류할 수 있습니다. 이산화규소 및 질화규소와 같은 유전체는 불소 기반 가스를 사용하여 가장 잘 에칭되는 반면, 실리콘 및 금속 층은 염소와 가장 잘 반응합니다. 기본적으로 건식 식각 모드에는 반응성 이온 식각, 플라즈마 식각, 스퍼터 식각(이온 빔) 등 세 가지가 있습니다. 에칭 프로세스에는 반응성 종, 플라즈마 및 칩 재료 간의 복잡한 상호 작용이 포함됩니다. RF 바이어스가 반응성 가스에 적용되면 전자와 양전하 이온은 충격을 통해 물질을 물리적으로 제거(식각)하는 반면, 화학종과 라디칼은 노출된 물질과 반응하여 휘발성 부산물을 형성합니다. 에칭은 등방성(수직 및 측면 반응 속도 동일), 이방성(수직만) 또는 그 사이의 식각일 수 있습니다.

그림 1: finFET에서 GAA로의 전환은 등방성 선택적 에칭에 대한 중요한 요구를 주도합니다. 출처: 램리서치.

에칭 엔지니어가 가장 우려하는 주요 지표는 에칭 속도, 프로파일 제어, 균일성(전체 웨이퍼에 걸쳐), 에칭 선택성입니다. 이러한 요소는 수율과 생산성에 영향을 미치기 때문입니다. 에칭 선택성은 실리콘 위의 SiO2와 같은 기본 레이어와 비교하여 에칭되는 재료의 제거 속도를 나타냅니다. 식각 과정에서 과도한 포토레지스트를 제거하지 않는 것도 장점이다. 그러나 이러한 경우에는 일반적으로 패턴을 하지막에 전사하기 전에 하드 마스크(이산화규소, 질화규소, SiOC, TiN)에 전사합니다.
선택적 사양은 2:1에서 1000:1(고선택적 에칭)까지 다양합니다. 새로운 노드가 생길 때마다 이러한 사양은 더욱 엄격해집니다. IMEC의 건식 에칭 R&D 엔지니어인 필립 베자르는 "향후 30년 안에 고개방각 EUV가 기존 EUV를 대체하게 되면, 초점이 훨씬 낮아져 더 이상 두꺼운 포토레지스트(제가 말하는 두께는 10나노미터)를 노광할 수 없게 될 것입니다."라고 말했습니다. "하지만 여전히 하부 필름 두께는 동일하게 유지해야 합니다. 따라서 1:2이 아닌 1:4의 선택도를 달성해야 하므로 더 높은 선택도가 필요합니다. 이는 선택도가 5~XNUMX배 갑자기 증가하는 것을 의미합니다."

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