4.전공정-식각공정(제조공정/밸류체인)

식각공정?(Etching)
포토공정 후 필요한 회로패턴을 제외한 불필요한 부분을 제거하는 공정으로 원하는 반도체 회로패턴을 실질적으로 만드는 공정이라고 보면 된다. 좀더 쉽게 접근해보면 산화막을 입힌 웨이퍼에(산화공정)->포토레지스트를 입한 후 빛을 쬐어 필요한 부분의 PR만 남겨놓은 상태에서(포토공정)->PR이 없는 부분을 식각하여 깎아내어 회로 패턴을 만듬(식각공정)

식각에서 중요한 요소들

1.식각속도(Etch Rate)
-공식 : 식각된 두께/식각 진행 시간 으로 일정시간동안 식각된 두께를 의미한다.
-당연히 식각속도가 빠를수록 좋다

2.선택비(Selectivity)
-공식 : 식각을 원하는 부분의 식각 속도/식각을 원하지 않는 부분의 시각속도로 정의
-웨이퍼를 식각할때 원판 전체를 다 하는거지 미세회로 모양대로 식각할수 없기때문에 식각을 원하지 않는 부분은 레지스트를 입혀 최대한 깍이지 않도록 보호해야하고, 시각을 원하는 부분은 확실하게 식각을 해야한다. 바로 이 차이를 '선택비'라는 개념으로 접근해서 선택비가 클수록 원하는 부분을 효율적으로 잘 깎는다 하는거고, 선택비가 낮으면 원하지 않는 부분도 많이 깎는다. 이런 의미, 즉 EUV등 미세화로 진행될수록 선택비가 높아야 정교한 회로를 만들수 있고, 식각공정의 소재나 장비 또한 선택비를 최대한 높이는 방향으로 기술개발이 되고 있다고 이해하면 된다.

식각의 선택비 공식

3.등방성(Isotropic)
-모든 방향으로 동일하게 식각된다는 의미
-수직, 수평 전방위로 동일하게 식각이 퍼져나가기 때문에 Under cut이라는 현상 발생
-즉, 깍으면 안되는 부분까지 옆으로 깎아 버린다는 의미로 반도체에서 등방성이 있을수록 미세화 수준이 낮다고 이해하면 된다.
-주로 화학적 습식방식에서 나타난다.

4.비등방성(Anisotropic)
-수직, 수평간 다르게 식각된다는 의미
-반도체의 경우 undercut현상이 나면 안좋으므로 특정 방향으로만 더 정확하게 깎아주는 비등방성이 미세회로 구현에는 더 적합하다.
-주로 물리적 건식방식에서 나타난다.

건식식각&습식식각 비교

	건식식각(Dry Etch)	습식식각(Wet Etch)
방법	플라즈마를 이용하여 물리적+화학적 식각	용액으로 화학적 시각
환경/장비	진공/Chamber	대기/Bath
장점	-식각 정확도가 높음(미세회로에 적합) -공정컨드롤이 쉬움	-식각속도빠름 -쉬운공정 -저렴한 비용 -선택비가 좋음(식각이 잘됨)
단점	-선택비가 나쁨(깊게 못들어감) -낮은처리량 -비싼비용	-정확성이 나쁨(언더컷으로 PR 밑부분까지 식각) -웨이퍼 오염 -미세패턴엔 적용 어려움 -공정컨트롤 어려움
특징	비등방성	등방성

습식식각은 화학적 식각으로 식각능력 자체는 우수하지만, 등방성으로 인해 언더컷이 발생하여 원하지 않는 부분까지 식각이 되는 단점이 있음. 건식식각은 물리적으로 식각하기 때문에 비등방성으로 언더컷이 발생하지 않아 미세회로에 적합하다. 다만 건식식각은 깊게 파고 들어가는 식각능력은 떨어진다는 단점이 있음.

식각할 물질에 따른 식각장비

1.폴리실리콘 식각장비
-NAND에서 플로팅게이트는 폴리실리콘 사용/ 차지트랩은 질화막 사용하기 때문에 플로팅게이트방식의 NAND식각에 폴리실리콘 식각장비가 사용됨.
-Si식각은 크게 2종류인데 Single Crystal Si Etch(단결정 식각), Poly Si Etch(다결성식각)이 있음. 폴리실리콘은 다결정이라 내부 전자 이동속도가 빨라 칩의 Gate에 주로 쓰이고, 이외 부분은 단결정 Crystal Si가 쓰임 ->폴리실리콘 식각장비(에이피티씨)

-FO-WLP등 첨단 패키징은 두께를 얇게 하기 위해 웨이퍼 뒷면이나 웨이퍼 일부를 깎아내기도 함. TSV 공정 역시 얇게하기 위해 웨이퍼 뒷면을 식각해서 깎는데 역시 폴리실리콘 식각장비가 필요함.
*플로팅게이트(FG) : 전자포획층에 폴리실리콘 사용, 보존성은 차지트랩보다 유리하지만 내구성, 확장성은 떨어짐->인텔방식으로 2021년 144단 NAND 개발중
*차지트랩(CTF): 전자포획층에 폴리실리콘 대신 질화막(Nitride)사용, 폴로팅게이트 방식보다 내구성, 확장성 유리함->삼성전자, 마이크론(176단부터 차지트랩채택), 키옥시아(96단), SK하이닉스

2.실리콘 다이옥사이드(Dioxide) 식각장비
-흔히 우리가 알고있는 식각공정, 포토레지스트(PR) 밑에 있는 웨이퍼 산화막을 식각하는 공정에 쓰이는 장비

3.금속(Metal) 식각장비
-반도체 회로를 만드는 과정에서 전기적 신호를 주고받기 위해 금속으로 칩 내부를 연결하는 '금속배선공정'이 있는데 이때 사용되는 금속부분을 식각하여 원하는 배선을 만들때 식각공정이 필요하다.
-Al+Cu합금은 플라즈마를 통해 Dry Etch를 하고, 보통 많이 쓰이는 Cu배선공정엔 CMP를 통해 물리적 식각을 한다.

4.에치백(Etch back)
-포토공정 없이 증착막질의 식각 선택비 차이를 활용해 식각을 통해 원하는 형태의 패턴을 형성하는 공정장비
-초미세 패턴을 구현하진 못하지만, 난이도가 낮은 패턴은 구현가능하다.
-쉽게 말해 닭잡는데 소잡는 칼 안쓰겟다는 거다. 시간과 원가측면에서
-정리하자먼, 포토공정으로 EUV, ArF같은 비싼 노광기로 패턴을 굳이 그릴필요가 없는 난이도가 낮은 반도체 칩의 경우 굳이 노광기를 쓰지 않고, 식각장비를 통해 불필요한 부분만 식각함으로써 마치 노광기로 한것처럼 듬성듬성한 패턴정도는 충분히 만들수 있다는거다.
-여기에 쓰이는 장비가 Etch Back이고, 일본 TEL과 미국AMAT가 독과점 하는 장비인데 피에스케이가 삼성전자 국산화 요구로 퀄 진행중에 있다. 22년쯤엔 수주가 나오지 않을까?

식각공정 밸류체인

 

식각공정은 8대 공정 중 가장 중요한 공정 중 하나이다. 특히 NAND는 더블스택킹 등 150단 이상으로 위로 쌓아올리는 방향으로 기술발전이 이루어지고 있어 더 부각되는 공정이기도 하다. 높이 쌓은만큼 이걸 한번에 깔끔하게 식각으로 뚫어야 공정원가를 절감할수 있기때문에~!
또한 국산화 이슈도 있어서 세부공정 소부장별로 꼭 알아두어야 다음에 기회가 왔을때 먹을수 있다. 폴리실리콘으로 유일한 국산장비인 에이피티씨의 국산화, NAND고단화에 따른 PR Strip중요성 부각상황에서 글로벌 독과점 기업인 피에스케이, H-프리커서가 중요해지면서 각광받는 디엔에프, 미세화에 따라 건식식각이 중요해지면서 플라즈마 관련으론 유일한 뉴파워프라즈마, 건식식각 파츠의 원익 QnC등 알고있으면 기회는 계속온다.