Lithography - Etching Techniques

What is Etching? : Chemical etching in liquid or gaseous form is used to remove any barrier material not protected by photoresist.

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Figure of Merit/ Factors affecting etch quality

1. Selectivity

얼마나 특정 물질만 선택적으로 Etching 할 수 있는가?

$ Selectivity = \cfrac{Etch\, rate\, of\, material\, to\, be\, etched}{Etch\, rate\, of\, material\, not\, to\, be\, etched} $

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2. Isotropy vs Anisotropy

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3. Etch rate

The rate at which the material is removed from the surface.

- 산화막 타입 : 수증기 상태 성장 산화막 > 건조 성장 산화막

- 온도

- 인(Pb)의 함량이 높을 경우 etch rate가 증가하며, 비소(As)의 함량이 높을 경우 etch rate가 감소한다.

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Etching Mechansim

Physical sputtering, Pure chemical etching, Ion-enhanced etching, ion-enhanced inhibitor etching

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Wet Etching

Liquid 상태의 wet etchants 사용한다. Etching 속도는 10-100nm/min (BOE, 25°C)이다.

Control factor로는
   (1) 온도
   (2) Etchant concentration
   (3) Acidiy of solution
   (4) P혹은 As의 농도
   (5) Density of oxide layer 등이 존재한다.

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1. BOE (Buffered oxide etch)/ BHF(Buffered hydrofluoric acid)

- 주로 $SiO_{2}$, 혹은 $Si_{3}N_{4}$의 etching을 하는데 사용된다. HF의 etching 속도를 조절하여 균일한 etching을 유도한다. 

- 예를 들어 $NH_{4}F$의 buffering agent와 HF를 6:1, 혹은 7:1로 섞는다.  

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2. Wet Etching 대상에 따른 특징

- $ SiO_{2} $(Thermally grown): 밀도가 높아 Etch rate가 상대적으로 낮다.

- $ SiO_{2} $(CVD grown): Thermally grown보다 밀도가 낮아 상대적으로 25% 빠르다.

- PSG(Phosphosilicate glass)
   - Inter-metal layer에 insulating/passivating layer로 사용($SiO_{2}$못 쓰는 곳, 주로 낮은 온도 필요한 경우에 사용)
   - 인의 함량이 Etch rate 결정(인이 많을 수록 Etch rate가 크다) (Pure $SiO_{2} etching 보다 빠름)

- $ Si_{3}N_{4} $
   - Oxide가 없으므로 $H_{3}PO_{4}$라는 etchant로 etching 해야한다.
   - 150-180°C 에서 etching 되므로 $SiO_{2}$를 etch mask로 써야한다.

- Poly-Si
   - PR adhesion이 좋지 않으므로 $SiO_{2}$를 etch mask로 써야한다.

- Indium Thin Oxide

- Aluminum

- Titanium (전도도는 금 만큼 뛰어나지는 않지만, 아주 얇게 형성한 이후 그 위에 금을 deposition하면 매우 잘 붙음)

- Chromium

- Tungsten

- Organic Residue and Photoresist

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Dry Etching

1. Plasma

기체의 경우 반응 자체가 매우 적기에 dry etching의 경우 플라즈마를 활용한다. 이온화가 되어 electrically conductive하지만 전체적으로는 중성을 유지한다.

기체 -> 플라즈마를 이온화라 하며, 반대로 플라즈마 -> 기체는 탈이온화라 한다. 엔탈피의 경우 플라즈마가 더욱 높으며, 플라즈마는 온도의 상승, electromagnetic excitation으로 만들 수 있다.

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2. Dry Etching의 장/단점

- (+) 현대의 VLSI 공정은 Dry Etching을 주로 사용한다.

- (+) Anisotropic Etching

- (+) Faster Etching available (wet etching의 경우 nm/min, dry etching의 경우 mm/min)

- (+) Use small amount of gases/chemicals

- (+) Eliminates handling of dangerous acid, and solvents

- (-) Requires vacuum facilities which are expensive

- (-) 몇몇 gas의 경우 부식성이 있으며, 독성이 있을 수 있음.

- (-) Re-deposition (깎여 나간 미세한 조각들이 다시 기판위에 붙는 현상). Wet etching의 경우 행궈낼때 씻겨나간다.

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3. Dry Etching의 종류

- Plasma Etching: 기체 상태의 플라즈마 속에서 ion, atom, radical과 반응하여 식각

- Physical Etching: 비활성기체($Ar^{+}$)가 원자와 부딪혀 물리적으로 깎아냄. (= Sputtering)

- Reactive Ion Etching(RIE): 플라즈마 시스템을 이용하여 Ion을 발생시키고, 이를 충격시켜서 식각.

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4. Plsama Etching - Plasma generation

- 진공상태 Chamber에 Source gas 넣고 Power 줘서 Etching

- Target Wafer는 Electrode 위에 둬서 Anisotropic 하게 Etching 시킨다.

- 온도, RF power, 압력등에 의해 Etch rate가 결정된다.

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5. Plasma Etching - Barrel Reactor

- 한번에 많은 양 Etching 가능

- Isotropic etching 되며, uniformity가 좋지 않다.

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6. Sputtering (물리적인 Etching)

- 낮은 진공도, 높은 RF Power에서 플라즈마 이용하여 이온화 된 $Ar^{+}$ 가스를 가속시킴

- Etching 뿐만 아니라 Thin-film deposition, Analytics에도 사용

- Low milling rate 가짐 (효율이 낮음)

- 개략적인 Process
   (1) 웨이퍼를 Cathode에 위치 시킴
   (2) Gas 주입
   (3) RF On
   (4) 플라즈마 발생
   (5) Gas molecule이 플라즈마 속으로 들어가 (양)이온 생성
   (6) (양)이온들이 음전하 띠는 웨이퍼로 돌진하여 Etching

- Selectivity가 매우 좋지 않다.

- Highly anisotropic

- Reactive gas 넣어서 Selectivity와 Etch rate 개선 가능. (개선하지 않으면 너무 느리다.)

- Trenching at bottom of sidewalls, Re-deposition, Path distortion등의 문제점이 존재한다.

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7. RIE (Reactive Ion Etching) ( = Sputtering + Chemical Etching)

- 고에너지 이온들이 웨이퍼와 충돌한 뒤 화학적 반응을 일으킨다.

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8. 부산물

- Sputteirng등의 경우 부산물들의 Re-deposition 가능성도 있음. (부산물의 경우 boiling point가 높아 volatality가 낮다.)

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Metal Etching

1. Aluminum Etching

- Aluminum etching의 경우 Fluorine으로 Etching이 불가능하다. ($AlF_{3}$이 volatile하지 않음-> Re-deposition의 가능성)

- 그러므로 보통 Chlorine, Bromine 등을 사용한다. (이때 발생하는 부산물은 metal에 매우 corrosive하다.)

- Barrier deposition때 일부 Si가 Al로 이동. 이 Si들의 etching 위해 etchant에 HF를 조금 희석한다.

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2. Copper Etching

- RIE etching이 불가능 (volatile compounds를 안만들기 때문에

- CMP, sputtering으로 Etching한다.

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Summary