RIE vs ICP-RIE vs ALE: 압력·플라즈마 밀도·이온 에너지·정밀도 비교
모두 플라즈마를 사용하는 건식 식각이지만, 플라즈마를 만드는 방식과 깎는 방식이 다릅니다. 용량 결합형(CCP) RIE는 평행 평판 전극에 고주파 전력을 인가하는 방식으로, 구조는 단순하지만 플라즈마 밀도와 이온 에너지를 따로 정하기 어렵습니다. ICP-RIE는 코일로 고밀도 플라즈마를 만들고 웨이퍼 쪽의 별도 전원으로 이온 에너지를 정하므로, 빠르면서도 손상을 억제하며 식각할 수 있습니다. ALE는 표면 개질과 제거를 번갈아 반복해 1사이클에 원자층 수준의 양만 깎는 방법으로, 느린 대신 깊이를 매우 정밀하게 제어할 수 있습니다.
| 비교 항목 | 용량 결합형 RIE(CCP) | ICP-RIE | ALE(원자층 식각) |
|---|---|---|---|
| 플라즈마 생성 방식 | 평행 평판 전극 사이에 고주파 전력을 인가합니다. 대표적으로 13.56 MHz이며, 두 가지 주파수를 쓰는 장비도 많습니다 | 유전체 창 바깥쪽 코일에 고주파 전류를 흘리고, 유도된 전계로 전자를 가속합니다. 웨이퍼 쪽에는 별도의 바이어스 전원을 둡니다 | 정해진 방식은 없습니다. 대부분 ICP형 등의 식각 장비에서 가스 공급과 바이어스를 단계마다 전환하며 수행합니다(플라즈마 ALE) |
| 대표적인 압력 | 수 Pa~수십 Pa 정도 | 약 0.1 Pa~수 Pa 정도의 저압 | 단계마다 설정합니다. 개질 단계에서는 가스를 흡착시키고, 제거 단계에서는 이온을 조사합니다 |
| 플라즈마 밀도 | 낮은 편(10⁹~10¹⁰ cm⁻³ 정도) | 높음(10¹¹~10¹² cm⁻³ 정도) | 사용하는 장비에 따라 다릅니다. 밀도보다 각 단계가 자기 제한적으로 멈추는 것이 중요합니다 |
| 이온 에너지 제어 | 하나의 전력이 밀도와 셀프 바이어스를 모두 결정하므로 따로 제어하기 어렵습니다. 2주파수 방식으로 부분적으로 분리합니다 | 코일의 소스 전력으로 밀도를, 웨이퍼 쪽 바이어스 전력으로 이온 에너지를 거의 따로 제어할 수 있습니다 | 제거 단계의 이온 에너지를 개질층만 제거하고 하부층은 스퍼터링하지 않는 좁은 범위(대표적으로 수십 eV)에 맞춥니다 |
| 식각 속도 | 중간 정도(조건에 따라 수십~수백 nm/min 정도) | 빠름(실리콘에서는 수백 nm/min~수 µm/min 정도) | 매우 느립니다. 1사이클에 약 0.1~0.5 nm이며, 가스 전환과 퍼지에 시간이 걸립니다 |
| 방향성 | 이온 충격과 측벽 보호로 이방성을 얻습니다 | 저압에서 이온이 거의 수직으로 입사하므로 고종횡비 이방성 가공에 유리합니다 | 플라즈마 ALE는 방향성이 있어 바닥면만 깎을 수 있습니다. 열 ALE는 등방성입니다 |
| 손상 | 이온 에너지가 높은 편이라 하부층 손상이나 차징이 일어나기 쉽습니다 | 바이어스를 낮추면 속도를 유지하면서 손상을 억제할 수 있습니다 | 가장 작습니다. 저에너지 이온을 쓰며, 표면도 매끄럽게 유지됩니다 |
| 깊이 제어 | 시간과 종료점 검출로 정합니다. 수 nm에서 멈추기는 어렵습니다 | 시간과 종료점 검출로 정합니다. 하부층 근처에서 조건을 전환해 선택비를 높입니다 | 사이클 수로 정해집니다. 원자층 수준에서 멈출 수 있고, 조밀한 패턴과 성긴 패턴의 차이도 작습니다 |
| 처리량 | 높음 | 높음 | 낮습니다. 공정 마지막의 중요한 부분에만 한정해 사용합니다 |
| 주요 용도 | 플루오로카본계 가스를 이용한 산화막·질화막 식각, 콘택트 홀 등 절연막 가공 | 실리콘·폴리실리콘 게이트, STI, 금속 배선, 화합물 반도체, MEMS 깊은 식각(보쉬 공정) | GAA 나노시트나 게이트 주변 등 수 nm에서 멈춰야 하는 공정, 극히 얇은 막의 가공, 저손상 리세스 |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.