식각 공정

식각 공정이란 주로 반응성이 강한 할로겐 계열(F, Cl 등) 물질을 사용하여 다양한 박막의 전부 또는 일부를 물리·화학적 방법으로 제거하는 공정이다. [표 3-1]과 같이 크게 습식 식각(Wet etch)과 건식 식각(Dry etch)으로 나눌 수 있다.

습식 식각은 액체 상태의 화학 약품(케미칼)을 사용하여 다양한 박막을 식각하는 공정으로, 실리콘, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 포토레지스트 등을 제거하는 공정이다. 액체 상태의 케미칼을 사용하므로 [그림 3-1]의 등방성(Isotropic) 식각 특성을 가지며, 2μm 이하의 미세한 패턴의 형성이 불가능하다. 따라서 습식 식각은 미세한 구조물의 패터닝이 아닌 박막의 전면 식각(Blanket etch) 또는 완전 제거(Strip)의 용도로 사용된다.

습식 식각은 최근 들어 케미칼을 스프레이 방식으로 분사하여 웨이퍼를 낱장씩 처리하는 매엽식 장비를 사용하는 경우도 있지만, 일반적으로 일괄 처리(Batch)가 가능한 습식 식각 장비(Wet station)를 사용하므로 생산성이 높다. 습식 식각의 일반적인 원리는 먼저 피 식각 박막 표면으로 반응할 화학 물질이 공급되고, 표면에서 화학 반응이 일어난 후 반응 생성물(By-product)이 이탈하면서 식각이 완료된다. 본 절에서는 주로 이용되는 실리콘 산화막 습식 식각에 대해 자세히 설명한다. 포토레지스트 제거에 대해서는 세정 공정 단원을 참고하기 바란다.

(1) 실리콘 산화막(Silicon oxide) 습식 식각

실리콘 산화막은 불산(HF)에 의해 쉽게 식각된다. 이는 불소(F)가 산소(O)보다 이온 반경이 작고, Si-F의 결합 에너지도 Si-O보다 작아 SiO2의 산소와 쉽게 치환될 수 있기 때문이다. 그리고 불산(HF)은 다음과 같이 해리되는데, 그중 HF₂^-에 의해 SiO₂가 식각되는 것으로 알려져 있다.

\mathrm{HF} \leftrightarrow \mathrm{H^+} + \mathrm{F^-} \quad \langle \mathrm{HF\ 해리} \rangle

\mathrm{HF^+F^-} \leftrightarrow \mathrm{HF_2^-}

산화막 제거용 케미칼에는 초순수에 HF를 희석한 DHF(Diluted HF)와 NH₄F를 혼합한 BOE(Buffered Oxide Etchant)¹ 두 가지를 사용한다. DHF는 업체에서 공급받은 49% HF를 물에 희석시켜 100 :1 정도로 사용한다. 그리고 BOE는 NH₄F(Ammonium fluoride)와 HF(Hydrofluoric acid)가 혼합된 화학물질로, 통상 40% NH₄F와 49% HF를 6 :1 정도 비율로 혼합하여 사용한다. 보다 정밀한 제어가 필요할 때 사용하는 케미칼이다. 식각 과정에서 HF는 식각에 직접 관여하지만, NH₄F는 식각률을 조정하여 균일도를 개선하는 완충 용액의 역할을 한다. 웨이퍼 표면의 유기물 제거 등 세정 케미칼로 사용되기도 한다. 산화막 습식 식각은 주로 자연 산화막, 희생 산화막 등에 응용되며 이에 대한 상세 내용은 세정 공정 단원에서 다루기로 한다.

BOE¹: BHF(Buffered HF)라고도 함.

3 건식 식각(Dry etch)

건식 식각이란 진공 챔버 내에 반응에 필요한 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시킨 후, 실리콘 기판이나 박막과의 화학·물리적 반응을 통해 휘발성이 강한 반응 부산물(By-product)을 생성시켜 박막을 제거하는 공정이다. 크게 화학적 식각, 스퍼터(Sputter) 식각, 반응성 이온 식각, 이온 증속 억제 식각의 4가지 방식으로 나눌 수 있다.

화학적 식각인 플라즈마 식각을 제외하고는 모두 수직 식각 특성이 강한 이방성(Anisotropic) 식각이며, nm 수준 미세 패턴의 식각이 가능하다. 이온에 의한 물리적 식각을 동반하므로 선택비가 상대적으로 낮다는 특성이 있다. 이러한 건식 식각이 갖춰야 할 요건은 다음과 같다.

(1) 건식 식각 장비

① 일반적인 건식 식각 장비의 구성

일반적인 건식 식각은 [그림 3-3]과 같이 진공의 반응 챔버(Chamber) 내 플라즈마 상태에서 진행된다. 따라서 진공 장치, 플라즈마 장치, 가스 주입 장치 등 다양한 서브 시스템(Sub-system)으로 구성되어 있다. 플라즈마 소스(Source)에 대해서는 반도체 공정 기초 단원의 플라즈마 절을 참조하기 바라며 그 외 내부 장치별로 간략히 소개한다.

②용량성 결합 플라즈마와 유도성 결합 플라즈마 식각 장비

고주파 플라즈마 방식에는 용량성 결합 플라즈마(Capacitive Coupled Plasma, CCP)와 유도성 결합 플라즈마(Inductive Coupled Plasma, ICP)가 있다. CCP 방식은 [그림 3-4(a)]와 같이 두 전극이 마주보고 있는 커패시터 형상을 하고 있어 붙여진 명칭이고, ICP 방식은 코일을 감아 만든 안테나를 이용하여 자기장을 발생시키는 원리이기 때문에 유도성 플라즈마라고 한다. 에너지 전달 방식이 변압기의 원리와 유사하다는 의미로 ICP 대신 T(Transformed)CP라고도 불린다. 여기에는 [그림 3-4(b)]와 같이 챔버의 상부에 나선형으로 코일이 감겨 있는 나선형(평면형) ICP와 [그림 3-4(c)]와 같이 챔버의 벽을 감싸는 솔레노이드형(실린더형) ICP가 있다.

M.B.²: Matching Box 또는 Matching Network라고도 하며 RF 전원의 효율적인 공급을 위해 전압과 전류의 위상을 일치시켜주는 회로

먼저 용량성 결합 플라즈마(CCP)는 주로 10mTorr~10Torr 범위의 압력에서 공정이 이루어지고 전극 간의 거리는 1~10cm로 좁다. RF 전원의 한 주기에 대해 전기장이 한쪽 방향으로만 개방적이므로, 전자가 이동 중에 챔버 벽이나 전극과 부딪혀 손실될 가능성이 크다. 따라서 유도성 결합 플라즈마(ICP) 대비 상대적으로 저밀도의 플라즈마(10⁹~10¹¹/cm³)를 갖는다. 전극이 마주 보고 있어 대면적으로 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다는 장점이 있지만, 한 쌍의 전극으로 플라즈마의 생성/유지 및 쉬스 전압의 제어를 동시에 해야 하므로, 플라즈마의 물리적 반응(이온 에너지)과 화학적 반응(전자 및 활성종의 밀도)의 독립적 제어가 어렵다는 단점이 있다. 이러한 단점은 플라즈마의 고 밀도화를 위한 높은 전력 사용에 기인한 것이며, 그 결과 기판 전압의 증가로 인해 이온 에너지가 증가하며 기판을 손상시키게 된다.

반면 ICP는 [그림 3-5(a)]와 같이 절연체에 코일을 감아 만든 안테나에 고주파 교류 전류를 인가해 자기장을 형성하고, 자기장의 시간 변화에 의해 유도된 전기장을 따라 전자가 원운동을 하는 원리이다. ICP는 전자가 폐쇄적인 전기장을 따라 원운동을 하게 되므로, 챔버 벽이나 전극과 충돌하지 않아 상대적으로 고밀도의 플라즈마(10¹¹~10¹³/cm³)를 얻을 수 있다. 공정 시의 압력은 수mTorr~수Torr 범위이고, ICP 플라즈마 소스를 사용하여 플라즈마의 밀도를 제어한다. [그림 3-5(b)]와 같이 일반적으로, 음의 DC 전압 혹은 절연체(부도체)인 경우에는 저주파 전원을 추가하여 이온의 입사 에너지를 제어함으로써, 플라즈마의 물리·화학적 반응의 독립적 제어가 가능하다. ICP의 안테나 구조상 초 대면적화의 어려움이 있으므로, 현재는 다양한 구조와 직병렬 유도 결합형 안테나(Ladder-parallel shape antenna)로 대체하거나 VHF(Very High Frequency) 플라즈마를 사용하여 이에 대응하고 있다. VHF 플라즈마는 주파수 증가에 따라 플라즈마 밀도가 증가하는 원리를 이용한 것이며, 40~100MHz의 고주파 플라즈마 소스에 의해 발생시킨다.

(2) 스퍼터 식각(Sputter etch)

스퍼터 식각은 자기 직류 바이어스(Self DC bias)에 의해 만들어진 높은 플라즈마 쉬스(Sheath) 전압을 이용해 이온을 가속시키고, 가속된 이온을 피 식각막에 충돌시켜 제거하는 물리적 식각이다. 즉, 스퍼터링³이란 이온이 식각 대상 물질(Target, 타겟)에 충돌하여 타겟 표면의 원자들을 떼어내는 현상을 말한다. 스퍼터 식각에는 양과 음전극의 면적이 다른 고주파 플라즈마 장치가 사용되며, 피 식각 박막의 결합 에너지보다 큰 에너지를 가진 이온 입사 시에 식각이 가능하다.

스퍼터링³: 플라즈마 상태에서 강한 전기장에 의해 가속된 이온을 목표물에 충돌시켜 목표물의 원자를 떼어내는 방식

물리적 식각은 특성상 이온 빔의 입사 방향 및 물질에 따라 식각률이 달라지는데, 이렇게 입사되는 이온의 각도(θ)⁴에 따라 스퍼터링의 효율, 즉 스퍼터 수율(Yield, S)⁵이 달라지는 효과를 입사각 효과라고 하며, 최적의 입사각은 [그림 3-6(b)]와 같이 40~70° 사이이다. 스퍼터 식각은 물리적 식각이므로 선택비가 좋지 않은 단점이 있지만, 전기장으로 방향성을 갖게 된 이온에 의한 물리적 식각이므로 수직 방향의 이등방성(Anisotropic) 식각이 가능하다. 박막 공정 측면의 스퍼터 수율에 대해서는 박막 공정 단원에서 다시 한 번 언급할 예정이다.

수직 입사일 경우, θ = 0°⁴

스퍼터 수율(Sputter yield)⁵: 이온 하나당 스퍼터링되는 타겟 원자(또는 분자)를 몇 개나 떼어내는가의 비율로, 단위는 ‘[원자]/[이온]’임.

(3) 화학적 식각(Chemical etch)

화학적 식각은 [그림 3-7]과 같이 플라즈마 내 존재하는 중성 라디칼들이 피 식각물 표면과 화학적으로 반응한 후, 휘발성 반응 부산물(By-product)을 형성하여 배기되면서 이루어진다. 예를 들어 실리콘 식각의 경우에는 반응 가스로 주입된 CF₄가 분해되어 F* 활성종(라디칼)을 만들고, 이 F* 활성종이 실리콘 원자와 결합하여 휘발성의 SiF₄를 생성함으로써 식각이 이루어진다. 이와 같이 화학적 식각은 라디칼의 확산에 의한 식각이므로 방향성이 없는 등방성 식각이며, 화학 반응을 기반으로 하여 선택비가 우수하다.

화학 반응에 있어서는 자발적인 반응이 선호되며, 이는 즉, 흡열 반응보다 발열 반응이 선호됨을 의미한다. 식각이 이루어지기 위해서는 표면에서의 화학 반응 후 반드시 부산물(By-product)이 휘발성으로 기화되어야 한다. 따라서 반응 부산물은 휘발성이거나 높은 증기압을 가져야 한다. 예를 들어 Fe, Ni, Co 등의 할로겐 화합물은 휘발성이 아니어서 식각이 어렵고, Cu의 경우는 비등점이 높아 기판을 고온으로 가열해야만 식각이 가능하다. 따라서 현재는 이에 대한 대책으로 Cu 다마신(Damascene) 공정을 채택하고 있다.

(4) 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE)

반응성 이온 식각은 [그림 3-8(a)]와 같이 스퍼터 식각에서 사용되는 ‘이온’과 화학적 식각의 ‘라디칼’을 모두 이용하는 혼합형의 방식이지만, 단순한 물리·화학적 식각의 결합이 아닌 양자의 장점이 증폭되어 매우 유용한 시너지 효과를 보이는 방식이다. 먼저 높은 에너지로 가속된 이온이 피 식각 박막의 표면에 충돌하면서 스퍼터링을 일으키고, 이는 피 식각 박막의 원자나 분자 간 결합을 파괴한다. 이후 결합이 약화된 박막 표면의 원자와 라디칼이 쉽게 화학 반응을 일으켜 화학적 식각 원리에 따라 박막이 제거되는 원리이다.

반응성 이온 식각에서 라디칼의 화학적 반응은 측벽 방향보다 이온의 스퍼터링으로 결합력이 약화된 박막의 바닥으로 집중되므로 수평에 비해 수직 식각의 비율이 증가한다. 따라서 스퍼터링 식각보다는 부족하지만, 비등방성 식각이 가능하다. 여기서 잠깐 코번(Coburn)의 유명한 실험⁶ 결과를 예로 들어, 반응성 이온 식각의 시너지 효과에 대해 살펴보자. [그림 3-8(b)]와 같이 실리콘 샘플에 아르곤 이온(Ar⁺)과 제논 프로라이드(XeF₂) 가스를 투입하면, 이온이나 가스에 단독으로 노출되었을 때의 실리콘 식각 속도보다 양자를 모두 사용했을 때의 식각 속도가 10배 이상 빨라지는 것을 알 수 있다.

이온 충돌 효과와 라디칼에 의한 화학적 식각 효과에 대한 실험⁶

(6) 건식 식각의 공정 변수(Parameter)

건식 식각 특성에 영향을 주는 변수는 플라즈마 생성과 관련이 있을 수밖에 없고 그 외에도 반응 가스의 종류, 유량, 기판 온도 등 다양한 변수에 의해 영향을 받는다. 이러한 변수들은 항상 트레이드 오프(Trade-off) 관계에 있으므로 조건별 합일점을 찾아 적절한 제어를 통해 최적의 결과를 추구해야 한다. 예를 들어, 생산성 향상을 위한 식각률(Etch rate) 증가를 목적으로 반응 가스 유량과 가스의 압력을 높일 경우, 화학적 식각 특성이 강해져 등방성 특성이 나타나기 쉽다. 다른 방법으로 무선 주파수(RF)의 전력을 증가시키면 이온 에너지의 증가에 따라 식각 속도의 증가와 수직성 특성은 개선되지만, 선택비의 저하를 가져오게 된다. 이 경우에는 플라즈마 생성 전압과 이온 가속을 위해 기판 전압이 분리된 형태인 ICP로의 전환이 해결책이 될 수 있다.

4 식각 공정의 평가 항목

(1) 식각률(Etch Rate, E/R)

식각률은 일정 시간 동안 박막을 얼마만큼 제거할 수 있는지를 나타낸 값으로, [그림 3-11]과 같이 식각된 박막의 두께를 식각 시간으로 나눈 값이다. 습식 식각의 경우는 식각제(Etchant)로 사용되는 케미칼의 종류, 농도, 온도에 따라 식각률이 달라지고, 건식 식각은 플라즈마 가스의 종류, 압력, 유속, 온도, 기판 전압에 따라 식각률이 달라진다.

(2) 식각 바이어스(Etch bias)

식각 바이어스는 [그림 3-12]와 같이 포토레지스트(PR)의 폭(DI CD) 대비 식각 후 폭(FI CD)의 차이를 반으로 나눈 값이다. 포토레지스트(PR)의 프로파일, 식각 조건 등에 따라 DI CD 대비 FI CD가 더 커지는 경우를 (+) 바이어스, 작아지는 경우를 (-) 바이어스를 갖는다고 한다(Line CD 기준).

(3) 선택비(Selectivity, S)

선택비는 식각 과정에서 동시에 식각되는 서로 다른 물질의 식각률의 비율을 뜻한다. 즉, [그림 3-13]과 같이 제거해야 할 층(SiO₂)의 식각 속도와 보호해야 할 층(예를 들어, 마스크 또는 정지층, Poly-Si)의 식각 속도의 비율인 것이다. 일반적으로. 특정 박막만을 식각할 필요가 있기 때문에, 가능한 선택비가 높아야 한다.

(4) 균일도(Uniformity)

식각에서의 균일도는 웨이퍼 내(In-a-Wafer), 웨이퍼 간(Wafer-to-Wafer), 로트(Lot) 간 식각 후 잔여막의 두께 균일도, 식각률의 균일도 등 식각의 고른 정도 또는 공정의 재현성을 평가하는 척도이다. 통상 생산성을 고려하여 웨이퍼 내 여러 위치에서 측정하며, 표준편차 또는 [그림 3-14]와 같은 불균일성(%)으로 나타낸다. 불균일성 값이 클수록 균일도가 좋지 않다는 의미이다. 식각률의 균일도는 플라즈마의 밀도, 가스 유량 및 압력 등의 플라즈마 균일도의 개선으로 확보할 수 있다.

5 식각 공정 주요 부가 기술

(1) 하드 마스크(Hard Mask)

패턴이 미세화됨에 따라 단파장 광원의 노광 장비를 사용해야 하고. 이에 따라 낮아진 초점 심도(Depth of foucs)를 보상하기 위해 공정 시 포토레지스트(PR) 두께는 더 얇아져야 한다. 하지만 포토레지스트(PR) 박막 두께가 얇아지게 되면 식각 공정 시에 포토레지스트(PR)가 버티지 못하는 문제가 생긴다. 이 때문에 도입된 것이 바로 하드 마스크 공정이다. 공정을 마치면 하드 마스크는 남아 있지 않기 때문에 중간막 혹은 희생막이라고도 불린다. 하드 마스크에는 화학 기상 증착(CVD) 공정으로 형성하는 비정질 탄소 박막(Amorphous Carbon Layer, ACL)과 반사 방지막 기능을 포함하는 SiON막(Si-hard mask)이 있고, 이 외에 회전 도포(Spin coating) 방식을 이용해 유기 규소 물질과 고분자 탄소 물질을 쌓아서 적용하는 것도 있다. 이때 유기 규소 물질은 투자 비용이 적고 공정이 단순하다는 장점이 있으나 식각 선택성이나 식각 내성 특성이 ACL이나 SiON보다 열악하므로, 대부분의 미세 패턴 형성에는 ACL 또는 SiON 하드 마스크가 사용된다. [그림 3-15]에는 하드 마스크의 공정 과정을 나타내었으며, 단계별로 살펴보도록 보자.

먼저 피 식각층 위에 ACL 및 SiON 하드 마스크를 증착하고, 그 위에 반사 방지막(BARC)을 형성한다. 이후 포토 공정을 통해 포토레지스트(PR)로 패터닝한 다음, 포토레지스트(PR)를 마스크로 하여 반사 방지막(BARC)과 SiON을 식각한다. 이때 SiON 하드 마스크는 유기 화합물인 포토레지스트(PR)보다 식각 속도가 빨라, 얇은 두께의 포토레지스트(PR)층으로도 패터닝을 할 수 있다. 그러고 나서 남은 포토레지스트(PR)와 반사 방지막(BARC)을 제거한 후, SiON을 하드 마스크로 하여 아래 ACL 하드 마스크를 식각한다. 이때는 주로 산소 플라즈마를 이용해 탄소 함량이 높은 ACL을 식각하게 되는데, 탄소막질은 산소에 의해 쉽게 산화가 일어나므로, 식각이 수월하다. 다음으로 ACL을 하드 마스크로 하여 피 식각층을 식각한다. 이때 ACL보다 피 식각층을 더 잘 식각하는 할로겐 플라즈마 등을 이용해야 하며, 피 식각층을 제거한 후 남은 ACL을 제거함으로써 공정이 완료된다. 이러한 하드 마스크 공정은 안정적인 패턴을 구현할 수 있는 장점이 있는 반면, 하드 마스크 증착 공정 및 건식 식각 단계가 추가되어 원가 상승 요인으로도 작용한다.

(2) 비등방성 식각에 의한 스페이서(Spacer) 형성

[그림 3-16]과 같이 구조물이 있는 상황에서 박막을 증착하면 구조물의 형상을 따라 피복이 이루어진다. 이때 반응성 이온 식각(RIE) 등의 비등방성(Anisotropic) 식각을 하면 수직 방향으로만 식각이 되므로 [그림 3-16(c)]와 같이 구조물의 측벽에 증착했던 박막의 일부가 남게 되는데, 이를 측벽 스페이서(Sidewall spacer)라고 한다. 이러한 스페이서는 본 서의 MOSFET 단원에서 설명한 열 전자 효과(Hot electron effect) 방지를 위한 저농도 드레인 도핑(Lightly Drain Doping, LDD) 공정이나, 포토 공정의 다중 패터닝 공정 등에 이용되는 기본적인 식각 공정 중 하나이다.

(3) 과도 식각(Over etching)

[그림 3-17]과 같이 하부 피 식각 박막의 표면이 평탄하지 않고 굴곡을 가지게 되면, 건식 식각이 진행됨에 따라 국부적으로 얇은 부분의 박막이 식각되면서 그 부분의 기판이 먼저 드러나게 된다. 이때 식각하려는 박막과 기판 간의 식각 선택비가 좋지 않으면, 남은 박막이 식각되는 동안 기판이 식각되어 손상되는 문제가 발생한다. 이러한 기판 손상은 제품의 특성 및 품질의 저하를 가져온다.

생산성 향상을 위해서는 식각 처리량(Throughput)이 커야 하고 그러려면 식각 속도가 빨라야 하지만, 통상 식각 속도가 빠른 공정 조건과 선택비가 좋은 공정 조건은 서로 트레이드 오프 관계에 있다. 공정을 진행하는 데 있어 필요한 온도, 압력, 시간, 가스 유량, 전력 등의 모든 공정 조건을 명문화한 것을 레시피(Recipe)라 하고 이 레시피를 장비에 입력하여 공정을 진행하게 되는데, 트레이드 오프 관계로 인해 식각 속도가 빠른 레시피는 선택비가 나쁘고, 선택비가 좋은 레시피는 식각 속도가 느리다는 이야기이다. 이 두 마리의 토끼를 다 잡기 위해서는, 식각 시작부터 기판이 드러나는 순간까지는 식각 속도가 빠른 레시피를 사용하여 식각하고, 기판의 노출에 따른 종말점 감지(End Point Detection, EPD) 후에는 자동적으로 선택비가 좋은 레시피로 전환되도록 전체 레시피를 만들어 실행시키면 된다. 그럼 결과적으로 생산성과 품질 모두를 만족시킬 수 있게 되는 것이다. 이때 식각 시작부터 종말점 감지까지의 식각을 주 식각(Main etch)이라 하고, 이후 선택비가 우수한 레시피를 써서 잔여 박막을 상대적으로 느린 식각률로 식각하는 단계를 과도 식각(Over etch)이라 한다. 이렇게 되면 과도 식각 시 파인 기판의 깊이(Δd′)가 식각 전 굴곡면의 두께 차이(Δd)보다 훨씬 작아지게 된다. 한편, 종말점 감지 방법에는 공정 챔버의 플라즈마에서 발생하는 빛을 관찰하여 피 식각층과 기판의 경계면에서 발생하는 플라즈마 발광 신호를 OES(Optical Emission Spectroscopy) 장비 등으로 감지하는 방법 등이 있다. 이는 특정 물질에 고유한 파장이 피크(Peak) 형태로 검출되는지 알아보는 원리를 이용한다.

6 식각 공정의 주요 문제점들

(1) 부하 효과(Loading effect)

부하 효과란 식각제(Etchant)의 양 대비 웨이퍼 상의 패턴 밀도 및 구조에 따라 식각률이 감소하는 현상을 의미하며, 다음의 3가지로 세분화할 수 있다.

① 거시적 부하 효과(Macro loading effect)

거시적 부하 효과란 [그림 3-18]과 같이, 반응 가스가 일정하게 공급되는 상황에서 표면적이 증가함에 따라 식각률이 감소하는 현상을 말한다. 즉, 단위 면적당 반응 가스(라디칼)의 농도가 낮아 식각제의 공급이 원활하지 않게 되고, 이로 인해 넓은 면적의 패턴에서 식각이 잘 일어나지 않아 식각되는 깊이가 달라지는 현상이다. 이 현상은 화학적 식각제인 라디칼(Radical)의 양에 의존하여 발생하므로 챔버의 압력을 낮추고 RF 파워를 증가시키는 등의 공정 조건 최적화를 통해 식각이 라디칼이 아닌 반응성 이온 충돌 플럭스(Reactive ion bombardment flux)에 의존하게 함으로써 완화시킬 수 있다.

② 미시적 부하 효과(Micro loading effect)

미시적 부하 효과는 웨이퍼 내의 동일한 종횡비를 갖는 패턴에 있어 외떨어진 저밀도 영역의 패턴 대비 고밀도 영역에 위치한 패턴들의 식각 속도가 느려지는 현상을 말한다. 이는 [그림 3-19]와 같이 밀도가 높아 식각될 패턴이 많은 지역에서는 식각제의 소모가 많아 잔류하는 식각제의 양이 상대적으로 적기 때문이며, 식각제가 이동하기 어려운 높은 압력에서 발생하기 쉽다. 따라서 낮은 압력에서 입자의 충돌 확률을 낮춰 확산속도를 증가시킴으로 미시적 부하 효과를 저감할 수 있다.

③ 종횡비 의존 식각(Aspect Ratio Dependent Etching, ARDE)

종횡비 의존 식각 현상은 [그림 3-20]과 같이 식각되는 패턴의 종횡비(Aspect Ratio)가 증가함에 따라 식각 속도가 느려지는 문제를 말하며 RIE-lag라고도 한다. 이러한 ARDE를 일으키는 원인으로는 i) 고 종횡비 패턴의 입구 및 하부에 대전된 전하에 의한 이온 플럭스의 궤도 이탈, ii) 종횡비가 큰 미세 패턴 내 식각제의 유입 및 식각 후 반응 생성물의 배출 어려움, iii) 이온 증속 억제제에 의한 식각(Ion enhanced inhibitor etching)에 의해, [그림 3-21]의 좌측과 같이 고 종횡비의 패턴에서는 C_xF_y와 같은 고분자 억제제가 들어가지 못해 보호막 피복이 되지 않아 식각 속도가 빨라지는 역 종횡비 의존 식각률 지연(Inverse RIE-lag) 현상 등이 있다.

(2) 식각 측면 형상(Profile, 프로파일) 이상

식각 후에는 원치 않는 다양한 식각 프로파일 이상이 발생할 수 있다. 먼저 [그림 3-22(a)]의 미세 트렌치 현상(Micro trench)은 입사된 이온이 측벽의 경사부분에서 꺾이면서 식각 바닥면의 구석에 집중되고, 그 결과 그 부분이 미세하게 식각이 더 많이 되는 현상을 말한다. 이는 포토레지스트(PR)나 하드 마스크 측면의 수직성을 확보하여 개선하는 것으로 알려져 있다. [그림 3-22(b)]의 언더컷(Under-cut)은 화학적 식각의 강한 등방성 식각 특성으로 인하여 마스크 아래 부분이 수평 방향으로 식각되어 생기는 현상이다. 화학적 활성도가 상대적으로 낮은 라디칼과 이온 에너지의 제어, 또는 이온 증속 억제제 방식으로 개선이 가능하다.

[그림 3-22(c)]는 노칭(Notching) 불량이라 하며, 식각 시 방향성이 작고 빠르게 운동하는 전자들이 포토레지스트(PR)의 측면에 포획됨으로써 그 정전기력에 의해 양이온들의 진행 방향에 영향을 주게 되어 발생한다. 진행 방향이 바뀐 양이온에 의해, 패턴의 하부는 측면 방향으로 비정상적으로 식각된다. 이는 고분자 억제제의 증착을 증가시켜 전자에 의한 효과를 감소시키거나, 기판 바이어스의 감소에 의해 이온 에너지를 감소시킴으로써 개선할 수 있다. 다음 [그림 3-22(d)]는 식각 바닥면의 중앙 부분에 있는 고분자 반응 부산물(Polymer, 폴리머)의 두께가 두꺼워, 바닥의 양쪽 가장자리의 식각이 더 많이 되는 현상이다. 형상이 비둘기 꼬리와 유사하다 하여 비둘기 꼬리(Dove tailing, 도브 테일링) 불량이라 한다.