[반도체공정]습식 식각(Wet etching) 이란?

Wet etching이란 무엇인가?

 

 

Photolithography 로 임시 패턴을 만든 상황에서 본격적으로 wafer을 다듬는 공정이다.

 

Si Wet etching의 매커니즘은 2단계로 진행되는데 그 공정은 다음과 같다.

 

1st process : Si + 4HNO₃ → SiO₂ + 2H₂O + 4NO₂ 

실리콘 Wafer와 질산 용액이 만나 산화가 진행된다 이 과정에서 물과 이산화질소 로 Gas가 발생한다.

 

2nd process : SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2HO₂

1st process에서 산화된 실리콘은 플루오린화 규소산(Hexafluorosilicic acid) 와 물로 분해된다.

 

이 두 Process 를 동시에 진행하기 위해서 질산과 불산을 혼합한 용액을 사용한다. 이 혼합액에다가 DI Water (이온이 없는 물) 또는 초산(HC₂H₃O₂) 을 첨가하여 농도(반응속도)를 제어한다. DI water를 넣는 것은 단순히 농도만 제어하는 거지만 초산은 Si와 질산의 반응을 억제하는 기능도 있기에 초산을 첨가하는 것이 더 효율적이다.

이 공정은 유기물인 PR을 쓰는 공정에선 사용 할 수 없다. 질산은 PR에 대해 높은 식각비를 가지고 있기 때문이다.  따라서 Mask로 SiO₂를 이용한다.

 

SiO₂ Wet etching 의 메커니즘은 다음과 같다.

 

SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O

SiO₂ 와 불화수소가 만나 사플루오린화 규소(Silicon tetrafluoride)가스 와 물이되어 분해된다. 이과정에서 플루오린은 계속 줄어들어 PH가 증가하게 되는데 이 식각에 사용된 F는 다시 채워주기 위해 NH₄F를 첨가하여 pH를 유지해줄수 있다. (알뜰하게 써야하기 때문이다.)

 

즉 HF + NH₄F 의 혼합물을 사용해야 하는데 이 듀오를 BHF(Buffered HF) 또는 BOE(Buffered Oxide etchant) 라고 부른다.

일반적으로 NH₄F : HF = 6 : 1 ~ 10 : 1 의 비유롤 섞어 사용한다.

 

SiO₂ 는 열산화막, PECVD LPCVD PSG 등으로 만들 수 있는데 열산화막에서의 식각속도가 가장 늦어 우수한 성질을 갖는다.

 

Si₃N₄ Wet etching 은 HF 나 BHF 그리고 H₃PO₄ 를 사용하는데 선택적 식각을 위해 주로 인산이 사용된다. 인산을 사용하는 이유는 인산의 질화 실리콘 식각속도는 실리콘 산화막 대비 10배의 속도를 가지고있어 선택비가 매우 우수하기 때문이다. 하지만 인산으로 식각하는 과정에서는 180도 이상의 열을 발생하기 때문에 만약에 식각 마스크인 SiO₂ 를 만들기 위한 PR이 남아있다면 이 PR들이 경화되어 제거하기가 까다로워진다. 따라서 PR을 쉽게 제거하기 위해 질화실리콘 위에 얇은 SiO₂를 형성한 뒤  위 패터닝과 식각을 진행한다. 그리고 BHF를 이용하여 SiO₂ 를 제거하여 쉽게 PR을 제거 할 수 있다.

 

Al wet etching 도 2가지 Process 를 가지고 있다

 

식각액은 H₃PO₄ : HNO₃ : HC₂H₃O₂ : H₂O = 73 : 4 : 3.5 : 19.5 을 사용한다.

 

1st process : Al 과 HNO₃ 가 만나 Al₂O₃ 가 만들어진다.

2nd process : Al₂O₃ 가 H₃PO₄ 과 만나 식각이 진행된다.

 

알루미늄이 wafer와 만나 반응하는 일을 막기위해 알루미늄에는 2%정도의 실리콘을 혼합한다.

 

 

지금까지 여러 wet etching 의 process를 설명하였다. 원활한  etching 을 위해서는 몇가지 조건이 요구된다.

1.      식각 경사면의 높은 각도(Mask가 수직일수록 우수하다) -> 미세패턴화를 위함

2.      마스크 물질과의 높은 식각 선택비

3.      하부층과의 높은 식각 선택비

4.      Etching 공정의 Anisotropy (수직방향으로의 식각 능력)

 

이러한 조건을 다 갖추고 위의 멋진 화학식을 써서 patterning 을 진행하고 싶지만 Wet이기 때문에 몇가지 문제점이 발생한다.

습식 식각은 모든면에 식각액이 닿기에 수평으로의 식각을 막을수 없다. 따라서 Mast 밑에 층을 좌우로 깎아 Mask 만 붕 떠서 나중엔 무너질 수 있는 Undercut 현상이 발생 할 수 있다. 또한 이러한 수평적인 식각 때문에 2um 이하의 패턴을 구현하기엔 무리가 있으며 불순물을 물로 씼어내는 과정중에 다른데에 다시 증착되어 wafer가 오염될 가능성 또한 농후하다.

 

이러한 문제점을 극복하기위해 Plasma를 이용한 Dry etching이 개발되었다.