- Wet Etch (습식 식각)
습식식각은 현대 반도체 공정에서 다양한 분야에 사용되고 있다. 크게 두가지로 나누어 보자면
1. 세척 (Cleaning)
2. 패턴 형성
ex) 잉곳 절단 후 웨이퍼 제조, 래핑&폴리싱, 열적 산화, 웨이퍼의 보관이나 이동에서 발생하는 오염물 제거 등.
- 주로 다결정 실리콘, 산화물, 진화물, 3~5족 화합물의 전반적인 식각에서 사용된다.
습식식각의 메커니즘은 반응을 하는 주체가 화학 용액이라는 점만 제외하고 습식 식각의 과정과 대동소이하다.
1. 식각할 기판을 식각용액에 담군다. (혹은 뿌린다)
2. 식각 용액은 확산에 의해 표면으로 이동한다.
3. 표면에서 PR에 보호받지 못하는 Layer 층은 화학반응이 일어난다.
4. 새롭게 만들어진 화학물질은 원래의 Layer에서 떨어져 나온다.
5. 확산에 의해 생성된 생성물이 제거된다.
위의 식각 단계에서 중요한 세가지 포인트는 이동 - 반응 - 제거 딱 세가지이다.
(이 때 식각 용액의 온도는 식각률/식각 속도에 영향을 끼친다.)
식각 용액을 사용할 땐 기판을 통째로 담구거나 (Dripping) 샤워기처럼 계속해서 기판 표면에 분사해주는 방법 (Spraing)이 존재하는데. 현재 대부분 화학용액 사용의 효율성의 측면 등의 이유로 Spraing 방식을 이용한다.
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Dripping : 웨이퍼를 식각 용액에 담그고, 균일한 식각&식각 속도를 위해 기계적 교반 요구
Spraing : 항상 웨이퍼 위에 깨끗한 식각액을 공급해 균일도와 식각속도를 크게 증가시킬 수 있음.
+ 반도체 생산 라인에서 식각 속도를 균일하게 만드는 것은 매우 중요함.
식각속도가 균일해야 식각 공정 전후, 패턴 집적도와 형태 크기의 다양함 등이 균일해야 함.
(균일도를 측정할 땐 Wafer의 L-B-C-T-R순서로 검사해야 함)
- Si Etching 실리콘 식각
실리콘의 식각은 산소와의 화학 반응에 의한 산화와, 그 산화된 층을 다시 분해하면서 진행된다.
여기서 질산 (HNO3)와 불산 (HF)가 사용된다.
1. 질산 HNO3를 이용한 산화막 형성
실리콘 표면에 질산 (HNO3)을 반응시켜 산화막 층을 만들어 낸다.
계속해서 반응시킨다 해도 웨이퍼의 표면에서만 반응하므로 계속 깊이 산화막을 만들어낼 수는 없다.
2. 불산 HF를 이용한 산화막 분해
질산과 반응해 생성된 SiO2 산화막을 불산 HF와 반응시켜 최종적으로 실리콘 표면을 식각해내는 과정이다.
+
또한 Si Etching 목적이 아닌 산화막 식각의 목적일 때에도 불산 HF를 사용하는데, 이때는 암모늄 플로라이드(NH4F)가 첨가되어 희석되어있는 불산 HF를 사용한다. (Buffered HF : BHF)
(또한 pH값과 소모된 불화물 이온을 보충하는 것을 조절할 수 있기 때문에 일정한 식각 공정을 유지할 수 있다.)
산화막 식각의 전반적 반응식은 실리콘 산화막에서 SiO2 와 HF의 반응식과 같다.
또한 산화막을 식각할 때 증기 상태의 HF에 의해서도 식각을 해낼 수 잇는데, 액체상태로 이용하는 것 보다 공정을 더 잘 조설해줄 수 있으므로, Gas형태를 사용할 때에는 미세한 패턴도 식각해낼 수 있다.
+
산화막 식각 속도는 식각액 용해제, 식각액의 농도, 교반(String) 정도, 온도, 밀도, 다공도, 미세구조 등에 의존한다.
Ex) CVD나 Sputtering으로 증착한 느슨한 산화물 구조는 Thermal 방식으로 성장시킨 산화물 층보다 식각이 빠르다.
※
Si Etching 에서는 실리콘 결정의 모양에 따라 식각률이 달라지는데 이에 대한 더 자세한 설명은 다른 링크를 통해서 보충하자. (https://blog.daum.net/jbkist/4282)
- SiNx와 다결정 Si Etching
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실리콘 나이트라이드(Si3N4)막은 농축된 불산 HF나 끓는 인산(H3PO3)용액을 이용해 상온에서도 식각이 가능하다.
산화막을 천천히 식각하기 때문에 산화막에 대한 질화막의 선택적 식각은 180도에서 85% 인산에 의해 이루어진다.
질화막의 일반적인 식각은 10nm/min, 산화막의 식각 속도는 1nm/min으로 차이가 난다.
이때 끓는 인산이 질화막을 식각할 때에는 감광제의 유착 문제가 발생한다.
보다 나은 패터닝은 감광제를 코팅하기 전에 질화막 위에 얇은 산화막을 증착시킴으로써 얻어질 수 있다.
감광제 패턴은 산화막 위에 증착되고 다음에 질화막 식각을 위한 마스크로 사용된다 (그림)
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다결정 실리콘 식각은 단결정 실리콘과 비슷하다.
그러나 식각 속도는 입계(Grain Boundary)때문에 단결정 보다 훨씬 빠르게 진행된다.
식각 용액으로는 아래층에 있는 산화막을 식각하지 않는 것을 사용하며, 불순물 농도와 온도는 다결정 실리콘의 식각 속도에 영향을 준다.
여기서 다결정은 방향이 없으므로 등방성을 가진다 (단일결정은 결정구조에 따라 식각률이 다름)
+
단결정에서는 HNO3 + HF에서 등방성, KOH,IPA에서 이방성을 가진다.
- Al Etching
알루미늄, 또는 그 합금 막은 일반적으로 가열된 인산 H3PO4, 질산 HNP3, 초산 Ch3COOH, DI Water 용액에 의해 식각된다. -> 질산은 Al을 산화시키고, 인산으로 산화 알루미늄을 용해시킨다. (Si와 비슷한 맥락)
식각 속도는 식각액의 농도, 온도, 웨이퍼의 고반 정도, 불순물이나 혼합물 등에 의존한다.
Ex) 식각 속도가 구리가 알루미늄에 첨가될 때 줄어든다.
- 일반적으로 막재료들은 덩어리 재료보다 훨씬 빠르게 식각된다.
또한 방사된 막, 스트레스가 발생한 막, 구조적으로 나쁜 막의 경우 식각속도는 증가한다.
- GaAs Etching
갈륨의 (111)구조면과 비소의 (111)구조면의 활성화 에너지가 크게 다르기 때문에 극소수만의 등방성 식각이 일어난다.
비소면에서의 식각은 연마된 표면으로 주어지지만 갈륨면은 결정 결함을 보여주는 경향으로 식각된다.
+ H2SO4, H2O2, H2O, H3PO4-H2O2-H2O 를 식각액으로 사용하며 각각의 부피비율에 따라 속도가 다르다.
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