Dry Etch의 미래 : ALE 와 High Selectivity

삼성전자, 하이닉스가 사들이는 장비중 40%가 에칭장비
크게 유전체 SiO2 SiN / 도체 Poly-Si / 금속을 깍아내야 한다
증착이나 포토는 실수해도 다시 할 수 있다
에칭은 한번 실수하면 끝
공정 미세화로 인해 더 섬세하고 날카롭게 깍아야한다

높은 Selectivity etch에서 Selectivity란 깍아내고 싶은 부분 : 깍아내면 안되는 부분의 비율을 의미한다. Lam Research의 Ian Latchford에 따르면 high selectivity가 되려면 1000:1 이상이 되어야하고 1마저 2옴스트롱 이하로 손실을 내는 경우를 의미한다.

Dry Etch

• RIE Reactive Ion을 만든다음 가속시켜 충돌 이용한 물리+화학적 에칭
• sputter etch(ion beam etch) 물리적 에칭
• plasma etch 물리적 에칭

1970년대 이후 RIE가 대중화되어 현재까지 주력으로 사용되고 있음
RIE가 anistropic하고 높은 selectivity를 가진다

플라즈마 에칭
고밀도의 플라즈마를 만든다
이온 필터를 사용하거나 고압의 가스를 넣어 중성화시킨다
중성화된 이온을 확산시켜 에칭

스퍼터링은 anisotropic한 에칭이 가능하지만 selectivity가 높진 않다

High Selectivity로 3D etch

에칭공정의 난의도는 공정의 미세화에 따라 고도화가 되어가고 있다. 따지고 보면 당연하다. 촘촘하게 깍아내는 것을 넘어서 FinFET이나 GAA와 같은 3D 구조물을 나노단위에서 만들어야하는 시대가 되었기 때문. 메모리반도체는 10나노 이하의 미세 패터닝으로 넘어가지는 않았지만 V-NAND 등만 봐도 세로로 높게 쌓아야하는 3D 공정이 메인이 되어가고 있다.

3D 구조물은 수 나노의 구조물이기 때문에 에너지가 강한 이온은 물리적으로 충돌하여 구조물을 부셔버릴 수도 있다. Radical을 메인으로 사용해 화학적 에칭을 사용해 섬세한 3D 구조물을 형성하게 할 수 있다.

high-selective 에칭장비는 AMAT이 2016년 처음 발표했다. 현재 3D DRAM, GAA 등의 3D공정에 대응하기 위해 Lam Research, TEL 등 다른 장비업체에서도 high-selective 에칭장비를 상용화하고 있다.

high-selective 에칭장비는 어떤 방향이든 에칭을 진행할 수 있다(isotropic). FinFET은 위에서만 깍아도 되었다면 GAA의 경우 횡으로 깍아야하는데 이런 차세대 공정에 필수적이라고 할 수 있다.

플라즈마를 만들어 전자가 이리저리 충돌하다보면 전자/이온/Radical이 생겨난다. 이중 free Radical(물리적으로 free Radical은 원자, 분자 또는 이온일 수도 있다)을 확산시켜 에칭에 이용한다 라디칼에 반응하는 물질만을 깍아내므로 선택적으로 깍아낼 수 있다.

ALE 원자층 단위로 초미세공정

Thermal ALE
Plasma Enhanced ALE
문제는 너무 느리다는 점

ALE도 high-selective etch처럼 원하는 부분만을 깍아낼 수 있다. 하지만 원리적으로는 조금 다르다. Thermal ALE를 기준으로 비유하면, 발에 있는 각질을 깍아내고 싶은데 건조한 상태에서 깍아내면 상처가 날수도 있고(내부구조 손상) 각질이 단단하기 때문에 큰 힘을 들여서 깍아야 한다. 그래서 따뜻한 물에 불렸다가 물기를 닦아내고 각질을 제거하는 것이다. 각질을 한층 벗겨내면 다시 물에 불려서 각질을 말랑말랑하게 하고 깍아내고를 반복한다. 에칭에선 CL2가스를 이용해서 벗겨낼 실리콘을 말랑하게 만들어내고 Ar+를 이용해 말랑해진 실리콘을 벗겨낸다.

Thermal ALE의 문제점은 느리다는 점이다. 한층씩 벗겨내는데 가스를 넣어서 반응시키고 가스빼서 아르곤 채워넣어 깍아내는 작업을 수없이 반복해야한다. 풍선에 바람넣는것도 반복하면 힘든데 반도체 공정은 고진공에서 이뤄진다. 진공 뽑는 시간을 생각하면.. 꽤 고단한 작업이 될 것이다.

Plasma Enhanced ALE는 플라즈마를 이용해 가스를 넣고 빼는 과정을 한큐에 해결하는 방식이다. 아르곤 플라즈마에 CL2 가스를 넣어서 CL이온과 라디칼을 만들면 가스상태의 CL가스에 비해 훨씬 반응성이 좋기에 더 빠르게 말랑말랑하게 만들어준다. 실질적으로 깍아내는데 사용되는 Ar+도 이미 존재한다. 가스를 넣고 빼는 과정이 생략되기에 공정시간이 단축되어 생산성이 높아진다. 게다가 Thermal ALE는 고온의 가스를 이용하기에 유기물 기판에는 사용이 제한되는데 PE ALE는 플라즈마를 이용하기에 비교적 저온에서 공정이 가능하다. 플라즈마를 이용하기 때문에 anisotropic한 공정도 적용할 수 있다.

하지만 플라즈마를 제어하고 이온의 에너지레벨을 컨트롤하는 기술적 난의도가 존재한다.

플라즈마 식각장비 : 해외업체가 90% 이상

Applied Matierials의 Selectra
AMAT은 2016년 high-selective etch 장비를 발표했다. 현재 Lam Research, TEL 등 장비업체에서도 high-selective etch장비를 발표하고 있다.

Lam Research의 Argos, Prevos, Selis
Prevos의 경우 Oxide, Silicon 그리고 금속에 대해 Selectively etch이 가능하다. Argos는 선택적으로 웨이퍼 표면을 가공할 수 있다.

TEL의 Certas LEAGA

AMEC
Hitachi
Plasma-Therm

요약

공정미세화로 인해 공정전반에 난의도가 높아지고 있다. 특히 에칭의 경우는 근본적으로 공정이 진행되고 나면 되돌릴수 없기 때문!