플라즈마 사용 공정 : dry etch

1. 플라즈마 사용 공정

- Plasma etch, cleaning

- PECVD

- PVD

- Ion implantation, plasma immersion

 

2. IC제작 공정

-박막 형상

-pattern 형성(포토, 에치)

-추가 처리 과정의 반복

 

etch : PR등의 mask로 보호되지 않는 영역의 물질을 제거하는 공정

 

 

3. Plasma assisted etching

-plasma의 radical이 기판 표면으로 이동

-Ion은 sheatch 영역을 건너며 가속된 에너지로 물질 타격

-Radical과 표면물질의 화학반응을 활상화시킴 >화학반응물이 기체상태로 되어 제거됨

(물질이 비휘발성이면 박막형성)

 

Gas : Cl2, CF4, O2(ashing), 낮은 압력 사용(이방성목적)

 

4. Plasma Etch

Dry etch(가스 사용)에서 Plasma를 사용할 때 특징

+비등방성 식각 가능 -> Fine patterning 가능

+식각 속도 증가

+Optical Endpoint 감지 가능(반응 물질 검출을 통해or플라즈마 고유의 빛 파장을 통해)

- Plasma damage, 비싸고 복잡한 장비

 

5. Plasma etch chamber와 PECVD chamber 비교

Etch : Wafer 표면에 있는 물질 제거

- Free radical 표면 흡착 > 화학 반응 및 탈팍

- Heavy Ion Bombardment가 Etch 과정에서 중요한 열할

- wafer는 power Electrode에 위치

CVD : wafer 표면에 물질을 증착

-Free radical이 표면 흡착 및 화학 반응을 통한 증착

-박막 stress조절을 위한 약한 Ion Bombardment

-Wafer는 Ground Electorde에 위치

 

6. Etch chamber

 

 

-작은 파워 전극 위에 웨어퍼에 두어(Self -bias) radical반응과 강한 이온폭격윧

-강한 이온 폭격 > wafer heating > PR보호를 위해 cooling(PR은 고온에서 증가해버림)

- Low pressure 선호 > 충분한 Mean free path를 이온의 운동에너지를 높이기 위해서

> 이는 플라즈마 밀도를 낮추게 되는데 > ICP로 플라즈마 밀도를 높인다.

 

7. Dry ething - Poly Si etch

 

 

CL radical을 이용하여 화학반응통해 휘발하여 제거

 

8. Dry Etch Mode

- Plasma Etch

-Free radical etch을 주로한 etch : 순수 화학 반응

-등방성, 높은 선택비

Sputter Etch : 순수 가스 이온 etch : 물리적 식각

- 이방성, 낮은 선택비

Reactive Ion Etch(RIE) : 화학반응 + 물리적 식각

- 시너지 효과 : 높은 이방성, 선택비 조절

 

 

9. Plasma mode : 등방성PR strip

 

 

-Wafer가 놓인 Electore 면적이 더큼 (작은 쪽이 - 됨)

-등방성, 선택비 높음

- 반응성을 높이기 위해서 압력을 높인다

-주로 PR strip(ashing)

-PECVD도 같은 방식(휘발성 vs 박막증착)

 

10. RIE모드

-Wafer가 놓은 Electrode 면적이 더 작음(self bias를 이용하여 강하게 이온운동에너지증가)

-강한 전압 -> 강한 이온 폭격

-Ion Enhanced Etching

-높은 이방성, 선택비 조절

-공정압력은 조금 낮게 설정

- 가장 보편적인 dry etch방식

- 이온 밀도는 낮으므로 직접 식각하는 것 보다는 식각 대상물의 결합을 깨뜨려 화학반응을 촉진하는 역할

 

11. Limitation of Parrallel Plate Plasma Source

CCP

- 압력이 낮을 경우 플라즈마 형성을 못함(전자들이 직선 운동에서 밀도가 낮으면 플라즈마가 형성되지 않음) > 1 mTorr이상

> Verical Profile을 위해서는 저압 공정이 유리한데 그것이 안됌(고압에 경우 이온들이 서로 충돌해서 운동이 난잡해지고 선택비가 좋지 않게 된다.)

> 또한 고압에 경우 MFP가

 

최적의 이온밀도를 구현하기 위해서는 압력이 너무 커도 안되고 너무 작아도 안된다.

너무 클 경우 : 충분한 MFP확보가 안됌 > 전자의 충돌에너지가 작음

너무 작을 경우 : 기체분자 밀도가 낮아서 충분한 플라즈마가 형성이 안됌

 

- 이온 밀도랑 에너지를 서로 독립적으로 조절하지 못함

>이온 밀도가 증가를 위해 RF power를 높이면 etch rate가 증가하기는 하지만 동시에 에너지도 증가해버려서 plasma damage도 증가한다.

 

 

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1. 이온 에너지 vs 압력

CD가 작아짐에 따라 이방성에칭이 중요해지고 이를 위해서는 저압에서 에칭 공정이 일어나야한다.

CCP방식은

최적의 이온밀도를 구현하기 위해서는 압력이 너무 커도 안되고 너무 작아도 안된다.

너무 클 경우 : 충분한 MFP확보가 안됌 > 전자의 충돌에너지가 작음 & 압력증가로 이온끼리 충돌 증가로 등방성 식각

 

너무 작을 경우 : 기체분자 밀도가 낮아서 충분한 플라즈마가 형성이 안됌 & etch rate가 낮아짐

 

2. 저압(1 mtorr이하)에서 / etch rate 빠르면서 / 이방성 식각

 

압력과 이온에너지 / 이온 밀도

압력 증가 > MFP감소 > 이온에너지 감소 & 이온 밀도 감소

압력 감소 > MFP증가 > 이온에너지 증가 & 이온 밀도 감소

 

3. High Density Plasma : 낮은 압력에서 플라즈마 형성

- Low Pressure(~10 mTorr)에서 Plasma형성

-ICP : RF Coil에서 발생하는 유도 자기장에 의해 전자를 이동시켜 플라즈마 밀도를 상승

-ECR : 자기장 하에서 전자의 회전 운동에 같은 주파수로 에너지를 가해 공명을 시켜 전자의 운동에너지를 높인다. -> 이온화 시킬 수 있는 전자의 수를 증가

 

4. ICP

-RF Coil에 의한 챔버내 유도 전류

:코일에 흐르는 RF 전류로 인해서 유도 자기장 발생 > 이를 통해 전자가 가속 > 전자는 RF Coil가 동심원을 이루며 운동하게 되어 챔버 벽과 충돌하지 않음 > 1mTorr에서도 이온화 가능

-플라즈마 생성을 위해 RF source와 Self Bias형성을 위한 RF Source는 서로 독립되어 있음 > 플라즈마 밀도(코일)와 Ion energy(Bias RF)를 독립적으로 조절

- 이온밀도 증가로 etch rate 증가

- 저압으로 인해 이방성 증가

- 이온 에너지 감소로 기판 손상 감소

 

5. ECR(Electron Cycloron Resonance)

 

- Helium : Cooling

- 자기장 하에서 전자의 회전 운동에 공명주파수를 가해서 전자의 이동 속도 증가 시킨다. > 전자의 큰 에너지로 높은 이온화율 형성(전자는 원운동하지만 이온은 직선운동을 하게 된다.)

- 전자의 나선형 움직임을 통해 충돌 가능성 증가

- 플라즈마 밀도와 이온 에너지를 독립적으로 조절

 

: Micorwave Power : 이온 밀도 조절, Bias RF Power: 이온 에너지 조절, Magnet Coil Current : Process Uniiformity 조절

-보통 ECR같은 경우 Remote Plasma방식을 이용하여 chemical 반응을 주로 사용하는 식각에 많이 사용(PR strip or cleaning)

 

6. Photoresist strip

-Removal PR after Etch : O2로 태워서 제거

 

7. Remote Plasma Etch : 습식 식각 대체용 / 등방성 식각 공정

 

8. Remote Plasma Clean

chamber에 벽에 있는 부산물들을 제거