식각(Ecthing)
공정 반도체 IC의 제조에 있어 기판 위에 형성되어 있는 층(산화 공정이나 박막증착 공정의 결과로)을 선택적으로 제거하는 공정을 사진식각(photolithography) 공정이라 한다.
이중 사진공정은 마스크(mask) 상의 기하적 모형(pattern)을 반도체 웨이퍼의 표면에 도포되어 있는 얇은 감광재료(photoresist)로 옮겨 놓는 것을 말한다.
이 모형들은 다음 단계인 식각(etching) 공정때 웨이퍼 표면과 감광재료 사이에 놓여 있는 박막층을 식각으로부터 보호해 주는 역할을 한다.
사진공정은 크게 광 노광기술(optical lithography)과 방사 노광기술(radiation lithography)로 구분되며, 광 노광기술에서는 자외선(UV)이, 방사 노광기술에서는 X-선이나, 전자빔 또는 이온빔 등이 사용된다.
사진공정에서는 광화학적(photochemical) 반응이 회분식 반응기들에서 일어나므로 사진공정은 반응공학적인 측면에서 볼 때 불균일 회분식 반응계로 볼 수 있다.
사진공정을 통해 형성된 감광제 모형들을 마스크로 사용하고 마스크 아래에 있는 부분과 외부로 노출된 부분 사이의 화학반응이 전혀 다르게 함으로써 마스크로 보호되지 않는 부분들이 공정이 진행됨에 따라 떨어져 나가게 하는 기술을 식각 공정이라고 한다.
이러한 식각공정에 의해 확산이나 이온 주입될 영역이 결정되어지고 또한 도선들의 연결 작업이 이루어지는 것이다. 습식 식각(wet etching) 식각 공정은 크게 습식 식각(wet etching)과 건식식각(dry etching)으로 구분되는데, 이중 습식 식각 공정은 일반적으로 식각 용액(액체)에 웨이퍼를 넣어 액체-고체(liquid-solid) 화학반응에 의해 식각이 이루어지게 하는 것을 말한다.
습식 식각은 일반적으로 등방성(isotropic) 식각이며, 반도체 공정에서 매우 광범위하게 사용되어지고 있다.
즉, 절단한 웨이퍼의 표면 연마, 열산화막이나 에피층 등을 성장하기 전의 웨이퍼 세척, 그리고 최소 선폭의 크기가 3 ㎛ 이상인 반도체 소자의 제작 등에 많이 사용된다.
식각의 과정은 우선 반응할 화학물질이 식각시키고자 하는 표면에 공급이 되고, 표면에서 화학반응이 일어난 후, 반응이 끝난 생성물질이 떨어져 나오는 순서로 진행된다.
이러한 식각 과정은 화학반응이 용해성 물질을 생성하여 표면으로부터 제거시킨다는 점 외에는 반응공학적 측면에서 CVD 공정과 매우 유사하다.
따라서 자세한 식각 진행 단계는 CVD 공정에서 설명한 내용과 대동소이하다고 할 것이다.
실리콘은 모든 결정방향으로 균일한 속도를 갖는 등방성(isotropic) 식각과 결정방향에 따라 식각속도가 다른 이방성(anisotropic) 식각의 두 가지 성질을 가지고 있다.
다결정(polycrystal) 실리콘이나 비정질(amorphous) 실리콘은 모두 등방성 성질을 보여주지만 단결정(single crystal) 실리콘은 식각 용액에 따라 이방성과 등방성의 서로 다른 특성이 나타날 수 있는 것이다.
Fig. 7는 이러한 식각의 방향성을 도식적으로 보여주는 그림이다.
이중 수직(vertical) 식각은 습식 식각으로는 보통 불가능하고 주로 건식식각에 의해 가능하다.
등방성 식각의 경우는 일차적으로 반도체 물질들을 산화시킨 후 그 산화물을 식각하는 방법이 사용되고 있다.
실리콘의 경우, 질산(HNO3)과 불산(HF)을 물이나 초산(CH3COOH)에 섞은 식각 용액을 일반적으로 많이 사용하고 있는데, 그 화학반응식은 다음과 같다: 3Si + 4HNO3 → 3SiO2 + 4NO + 2H2O (1.11)3SiO2 + 18HF → 3H2SiF6 + 6H2O (1.12) 이때 식각 속도는 HNO3와 HF의 농도에 크게 의존한다.
식각 속도가 너무 빠르게 되면 식각 후 제거되어야 할 물질의 이동이 순식간에 이루어지지 않게 되고 이로 인해 식각표면이 거칠게 될 수 있으므로 식각은 알맞은 속도로 제어되어야 한다.
CH3COOH는 HNO3의 분해를 감소시키므로 식각에 있어 완충 역할을 할 수 있다.
한편 결정면 중에서 일정 방향의 특수한 면이 다른 면보다 매우 빠른 식각 속도를 나타내는 경우가 있는데, 이러한 방향성을 갖는 식각을 이방성 식각이라고 한다. 실리콘과 같이 다이아몬드(diamond) 구조를 갖는 결정의 경우, (111)면은 (100)면보다 면간 거리가 좁기 때문에 (111)면의 식각 속도는 (100)면의 식각 속도보다 느리다. 예를 들어 80 ℃의 식각 온도에서 (100)면의 식각 속도는 (111)면에 비해 약 100배정도 빠르다.
실리콘의 이방성 식각에 일반적으로 사용되는 식각 용액은 KOH를 물과 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)에 섞어 만든다. 습식 식각 공정은 일반적으로 공정 제어가 어렵고, 식각할 수 있는 선폭이 제한적이며, 부가적으로 생성되는 식각 용액의 처리 문제가 발생하는 단점을 가지고 있다.
따라서 현재는 습식 식각 공정의 단점을 보완할 수 있는 건식식각 공정이 더 많이 사용되고 있는 실정이다.
건식식각(dry etching) 반도체 IC 제조 공정에서 식각하고자 하는 대부분의 물질들은(단결정 실리콘을 제외하고) SiO2, Si3N4, 증착된 금속 등과 같이 비정질이나 다결정 물질이다.
따라서 이러한 물질들을 습식 식각하면 등방성 식각으로 인해 수평과 수직이 같은 비율로 식각되므로 원하는 모형의 식각 형상이 얻어지지 않는다.
이것이 바로 습식 식각의 가장 큰 단점인, 마스크 아래가 식각되는, 언더컷(undercut)을 유발하는 것으로서, 식각 모형의 분해능 저하를 일으키는 한 원인인 것이다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 개발된 기술이 건식식각이라 하겠다.
건식식각은 웨이퍼 표면에의 이온 충격에 의한 물리적 작용이나, 플라즈마 속에서 발생된 반응 물질들의 화학작용, 또는 물리 및 화학적 작용이 동시에 일어나 식각이 진행되는 공정이다.
물리적 식각은 이온들이 식각 대상 물질을 향하여 전계(electric field)에 의해 가속된 후 충돌할 때의 운동량 이전에 의해 표면마멸 현상이 일어나는 것으로서, 여기에는 이온빔(ion beam) 식각(혹은 이온빔 밀링(milling)), 스퍼터(sputter) 식각, 그리고 RF(radio-frequency) 식각 등이 있다.
한편 화학적 건식식각은 플라즈마에서 생성된 반응 종들이 식각될 물질의 표면에 공급되어 그곳에서 반응 종과 표면 원자들 사이에 화학 반응이 일어나 그 결과, 휘발성 기체를 생성시킴으로써 진행되는 식각을 의미한다.
이 경우는 습식 식각과 마찬가지로 등방성 식각이 일어나는데, 습식 식각과의 차이는 반응기가 진공상태에 있기 때문에 휘발성 생성물의 표면으로부터의 이동 즉, 제거가 보다 용이하다는 점이다.
물리적 및 화학적 건식식각은 전계를 통한 가속과 같은 물리적 방법에 의하여 이온이나 전자, 혹은 광자들이 식각될 물질 표면에 충돌하여 표면 물질들을 먼저 활성화(activate)시키고, 이렇게 활성화된 표면 물질들이 반응기 내에 존재하는 화학종들과 화학반응을 일으켜 휘발성 기체를 생성시키면서 식각이 일어나는 것을 뜻한다.
이 경우 이온자체도 반응물질이 될 수 있다.
평행판(parallel plate) 반응로 내에서의 플라즈마 식각, 반응이온 식각(reactive ion etching: RIE)이나 반응 스퍼터(reactive sputter) 식각, 반응이온빔 밀링, 전자나 광자 유발(electron or photon assisted) 화학적 건식식각 등이 여기에 속한다.
또한 최근에는 반응기 내의 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해 자계(magnetic field)도 전계와 같이 활용하는 식각 기술과 장치들이 개발되어 응용되고 있다.
(출처) 네이버 블로그 [출처] 식각(Ecthing) 공정|작성자 제이벡 Jvac