Chapter 02

습식 식각과 등방성

반도체 공정의 첫 식각은 용액이었다. 웨이퍼를 불산에 담그면 산화막이 녹고, 레지스트로 가린 곳은 남는다. 간단하고, 싸고, 재질을 잘 가린다. 그런데 용액은 방향을 모른다. 아래로 녹이는 만큼 옆으로도 녹인다. 이 장은 그 "모든 방향"이 단면을 어떻게 바꾸는지 시간을 흘려 가며 본다. 그리고 용액 식각의 속도를 정하는 두 가지 병목, 온도와 교반이 하는 일, 결정 방향을 따라 녹는 실리콘의 특이한 모양을 다룬다. 마지막에는 EB-20을 HF로 파 보고, 그래도 습식이 여전히 공장에서 가장 많이 쓰이는 식각인 이유를 정리한다.

등방성 식각의 단면이 마스크 가장자리를 중심으로 한 원호로 자라는 이유와 언더컷 = 깊이 관계를 설명한다.
용액 식각의 세 단계(반응물 확산 → 표면 반응 → 생성물 확산)와 반응 제한·확산 제한을 구분한다.
아레니우스 그래프에서 활성화 에너지를 읽고, 온도와 교반에 대한 민감도로 영역을 판별한다.
HF·BOE, 인산, KOH·TMAH의 대상막과 선택비, 과식각이 언더컷만 키우는 이유를 말한다.
KOH의 (100) 실리콘 식각이 54.74°의 V홈에서 스스로 멈추는 기하를 계산한다.

용액은 방향을 모른다

산화막(SiO₂)은 불산(HF) 용액에 녹는다. 반응식은 대략 이렇다.

$$\mathrm{SiO_2 + 6\,HF \;\longrightarrow\; H_2SiF_6 + 2\,H_2O}$$

생성물 H₂SiF₆(육불화규산)는 물에 녹아 용액 속으로 흩어진다. 실제로 산화막을 공격하는 것은 HF 분자와 HF₂⁻ 이온이다. 실리콘 자체는 HF에 거의 녹지 않으므로 산화막 아래의 실리콘에서 식각이 멈춘다.

용액 속 HF는 표면 어디에서나 같은 농도로 기다린다. 한 점에서 녹기 시작한 식각은 그 점에서 모든 방향으로 같은 속도로 퍼진다. 마스크 구멍 가장자리의 점은 아래로도, 마스크 밑으로도 똑같이 파고든다. 그래서 식각 전면은 구멍 가장자리를 중심으로 한 원호가 된다. 이것이 등방성 식각(Isotropic etching)이다.

아래에서 직접 본다. 레지스트 구멍의 가장자리를 끌어 폭을 정하고, 재생 버튼이나 시간 슬라이더로 식각을 흘린다. 산화막 두께는 50 nm이고 그 아래 실리콘은 녹지 않는다.

SIMULATOR

등방성 언더컷: 시간에 따라 자라는 원호

레지스트 구멍의 가장자리를 끈다

시간 (평면 식각 깊이, nm)

레지스트산화막 50 nm실리콘용액

깊이—

언더컷(한쪽)—

윗 폭 / 구멍 폭—

상태—

해볼 것: ① 재생을 누르고 흐린 등고선을 본다. 구멍 양 끝을 중심으로 한 반원이 커지다가, 가운데는 평평한 바닥이 된다. ② 시간 25에서 깊이와 언더컷을 비교한다. 같다. ③ 시간 50을 넘기면 바닥은 실리콘에서 멈추지만 옆은 계속 녹는다. 과식각이 언더컷만 키운다. ④ 시간 70을 넘기면 이웃 홈(피치 160 nm)과 만나 레지스트가 허공에 뜬다. ⑤ 구멍 폭을 4 nm로 줄여도 단면은 거의 같은 크기의 반원이다. 홈의 크기를 정하는 것은 구멍이 아니라 시간이다. (모델: ET.wet의 등방성 도달 시간 풀이. 산화막 속도 1, 레지스트와 실리콘 0.)

등고선이 보여 주는 규칙은 하나다. 식각 전면은 출발점(구멍)에서 같은 거리에 있는 점들이다. 거리 $r = Rt$인 점의 모임이 원이고, 구멍이 선분이면 선분에서 같은 거리인 점의 모임, 곧 양 끝이 반원인 모양이 된다. 막이 다 녹은 뒤에도 거리 규칙은 그대로이므로 바닥만 멈추고 옆은 계속 간다.

$$u = R\,t, \qquad d = \min(R\,t,\; h), \qquad CD_{\text{윗}} = CD_{\text{구멍}} + 2\,R\,t$$

$u$는 마스크 아래로 파고든 언더컷(한쪽), $d$는 깊이, $h$는 막 두께, $R$은 식각 속도다. 막을 정확히 다 연 순간($t = h/R$) 언더컷은 막 두께와 같고, 과식각 비율 OE만큼 더 녹이면 $u = h\,(1 + \text{OE})$가 된다. 식각 뒤의 폭이 구멍보다 넓어지는 양 $2u$를 식각 바이어스(Etch bias)라 한다.

습식으로 쓸 만한 무늬의 조건이 여기서 나온다. 바이어스 $2h$가 무늬 폭보다 충분히 작아야 한다. 막 두께가 0.5 µm면 바이어스가 1 µm를 넘으므로, 무늬가 수 µm 이상이던 시절에는 습식으로 충분했다. 무늬가 1 µm 근처로 내려오면서 패턴 식각은 플라스마로 넘어갔다. 바이어스를 마스크에서 미리 보정할 수는 있지만 무늬 사이의 벽이 $2u$보다 얇으면 보정할 것도 남지 않는다.

녹는 데는 세 단계가 있다

용액 식각은 한 번의 반응이 아니라 이어달리기다. 반응물이 용액에서 표면까지 와야 하고, 표면에서 반응해야 하고, 생성물이 표면을 떠나야 한다.

세 단계의 이어달리기. 표면 바로 위에는 용액이 거의 움직이지 않는 얇은 층(경계층)이 있다. 반응물과 생성물은 이 층을 확산으로만 지난다. 가장 느린 단계가 전체 속도를 정한다.

두 가지 경우를 나눈다. 표면 반응이 느리면 반응물은 표면에 넉넉히 쌓여 있고, 속도는 반응의 빠르기가 정한다. 이것이 반응 제한(Reaction-limited)이다. 반응이 빠르면 표면에 닿는 족족 소모되어 표면 농도가 0에 가까워지고, 속도는 경계층을 지나는 확산이 정한다. 이것이 확산 제한(Diffusion-limited) 또는 수송 제한이다.

$$J = \frac{D}{\delta}\,(C_b - C_s) = k_s\,C_s \quad\Longrightarrow\quad C_s = \frac{C_b}{1 + \mathrm{Da}}, \qquad J = \frac{k_s\,C_b}{1 + \mathrm{Da}}, \qquad \mathrm{Da} = \frac{k_s\,\delta}{D}$$

$J$는 표면으로 들어오는 반응물 플럭스(속도에 비례), $D$는 확산 계수, $\delta$는 경계층 두께, $C_b$와 $C_s$는 본체와 표면의 농도, $k_s$는 표면 반응 속도 상수다. 담쾰러 수 $\mathrm{Da}$가 1보다 훨씬 작으면 반응 제한($J \approx k_s C_b$), 훨씬 크면 확산 제한($J \approx D C_b/\delta$)이다.

아래 그림의 왼쪽 벽이 녹는 표면이고, 오른쪽으로 갈수록 용액 본체다. 점의 밀도가 반응물 농도다. 교반(경계층 두께)과 반응 속도 상수를 바꿔 본다.

SIMULATOR

경계층: 반응이 빠를수록 표면이 굶는다

경계층 두께 δ (교반 약 ↔ 강) 표면 반응 속도 상수 kₛ

담쾰러 수 Da—

표면 농도 C_s/C_b—

식각 속도 / 반응 한계—

영역—

해볼 것: ① 기본값에서 표면 농도가 본체의 몇 %인지 본다. ② k_s를 끝까지 올린다. 표면 가까이의 점이 거의 사라지고, 속도는 k_s를 더 올려도 늘지 않는다. 확산 제한이다. 이때 δ를 줄이면(교반을 세게 하면) 속도가 곧바로 는다. ③ k_s를 끝까지 내리면 농도가 어디서나 거의 같고, δ를 바꿔도 속도가 그대로다. 반응 제한이다. (모델: 경계층 안의 정상 상태 1차원 확산 + 1차 표면 반응. D = 1 µm²/ms로 두고 k_s를 µm/ms 단위로 적었다. 점은 농도에 비례하게 뿌린 그림이다.)

두 영역은 공정의 성격을 완전히 바꾼다. 확산 제한 식각은 교반에 민감하다. 웨이퍼 가운데와 가장자리의 흐름이 다르면 속도가 다르고, 좁은 구멍 안처럼 용액이 고여 있는 곳은 느리다. 반대로 반응 제한 식각은 흐름에 둔하지만 온도에 민감하다. 웨이퍼 위 1 °C의 차이가 속도 몇 %의 차이가 된다. 그래서 습식 장비는 용액 온도를 0.1~0.5 °C 단위로 관리하고, 균일도를 위해 될 수 있으면 반응 제한 쪽 조건을 고른다.

온도와 아레니우스

표면 반응의 속도 상수는 온도에 지수적으로 오른다. 반응을 넘기려면 넘어야 할 에너지 언덕(활성화 에너지(Activation energy) $E_a$)이 있고, 그 언덕을 넘을 만큼 뜨거운 분자의 비율이 볼츠만 인자 $e^{-E_a/k_BT}$를 따르기 때문이다. 확산 계수도 온도에 따라 오르지만 훨씬 완만하다.

$$R_{\text{반응}} = A\,e^{-E_a/k_BT}, \qquad \frac{1}{R} = \frac{1}{R_{\text{반응}}} + \frac{1}{R_{\text{확산}}}, \qquad \ln R_{\text{반응}} = \ln A - \frac{E_a}{k_B}\cdot\frac{1}{T}$$

$k_B = 8.617\times10^{-5}$ eV/K. $\ln R$을 $1/T$에 대해 그리면(아레니우스 그래프) 반응 제한 구간은 기울기 $-E_a/k_B$인 직선이다. 두 저항을 직렬로 잇는 둘째 식은 앞 절의 $J = k_s C_b/(1+\mathrm{Da})$와 같은 말이다. 확산 제한 구간의 겉보기 활성화 에너지는 약 0.1~0.2 eV로 작다.

아래 그래프는 가로가 $1000/T$, 세로가 로그 눈금의 식각 속도다. 오른쪽이 차갑고 왼쪽이 뜨겁다. 그래프 위의 점을 좌우로 끌면 용액 온도가 바뀐다.

SIMULATOR

아레니우스 그래프: 꺾이는 곳에서 영역이 바뀐다

점을 좌우로 끌어 온도를 바꾼다

활성화 에너지 Eₐ 경계층 두께 δ (교반)

온도—

식각 속도—

1 °C 오를 때—

교반 두 배(δ 절반)일 때—

영역—

해볼 것: ① 25 °C에서 "1 °C 오를 때"를 읽는다. E_a 0.6 eV면 약 7%다(순수한 반응 제한이면 8%). ② 점을 왼쪽(뜨거운 쪽)으로 끈다. 70 °C 근처에서 실선이 반응 직선(점선)을 떠나 확산 직선에 붙는다. 그 뒤로는 온도를 올려도 속도가 거의 늘지 않고, 교반의 효과가 커진다. ③ δ를 줄이면 꺾이는 온도가 왼쪽으로 밀려 반응 제한 구간이 넓어진다. ④ E_a를 0.15 eV로 내리면 두 직선이 나란해져 구분이 사라진다. (모델: 25 °C에서 반응 속도 100 nm/분, 확산 속도 = 1000 nm/분 × 50 µm/δ, 확산의 겉보기 활성화 에너지 0.15 eV.)

실제 값 몇 가지를 적어 둔다. 묽은 HF·BOE의 산화막 식각은 겉보기 활성화 에너지가 약 0.3~0.4 eV이고, KOH의 실리콘(100) 식각은 약 0.6 eV다. 0.6 eV면 25 °C 근처에서 1 °C마다 속도가 약 8% 오르고, 10 °C 오르면 두 배쯤 된다. KOH를 80 °C 안팎에서 쓰는 이유가 이것이다. 실온에서는 너무 느리다. 확산 제한 식각의 대표는 질산과 불산을 섞은 HNA 용액의 실리콘 식각이다. 실리콘을 산화시키는 반응과 그 산화막을 녹이는 반응이 모두 빨라 교반이 속도를 정한다.

영역을 판별하는 실험교반 속도를 바꿔 본다. 속도가 바뀌면 확산 제한이다. 온도를 바꿔 아레니우스 기울기를 잰다. 0.3 eV를 넘으면 대개 반응 제한이다. 같은 용액도 온도와 농도에 따라 영역이 바뀐다는 것을 기억한다.

대표 식각액과 선택비

습식 식각의 가장 큰 장점은 선택비다. 용액의 화학은 재질을 정확히 가린다. HF는 산화막을 녹이지만 실리콘은 거의 녹이지 못한다. 뜨거운 인산은 질화막을 녹이지만 산화막은 수십 배 느리게 녹인다. 아래 표는 교과서와 공개 자료에 자주 나오는 대략의 값이다. 농도, 온도, 막질(열산화막인지 증착 산화막인지)에 따라 몇 배씩 달라진다.

식각액	대상	대표 속도	잘 버티는 막	쓰임
BOE (NH₄F : HF ≈ 6~7 : 1), 25 °C	SiO₂	약 100 nm/분 (열산화막)	Si, 질화막(약 1 nm/분), 레지스트	산화막 패턴·창 열기. NH₄F가 HF 농도를 일정하게 지키고 레지스트를 덜 상하게 한다
묽은 HF (1 : 100 안팎)	SiO₂	약 2~5 nm/분	Si	자연 산화막 제거, 세정의 마지막 단계(표면을 수소로 덮는다)
인산 H₃PO₄ (85%), 약 160 °C	Si₃N₄	약 4~6 nm/분	SiO₂(약 0.1~0.2 nm/분)	질화막 제거. 3D 낸드의 질화막 희생층 제거(수십 층을 옆으로 녹인다)
KOH (약 30%), 80 °C	Si (100)	약 1 µm/분	Si(111) 약 1/100, 질화막, 산화막(수 nm/분)	MEMS 구조, V홈, 멤브레인
TMAH (약 25%), 80 °C	Si (100)	약 0.3~0.6 µm/분	산화막(매우 느림)	칼륨 이온이 없어 CMOS와 함께 쓰기 쉽다
HNA (HF + HNO₃ + CH₃COOH)	Si	수 µm/분 이상	질화막	등방성 실리콘 식각, 웨이퍼 박화
SC1 (NH₄OH : H₂O₂ : H₂O)	입자·유기물	Si·SiO₂ 1 nm 이하	—	세정. 표면을 아주 조금 깎아 입자를 떼어 낸다
SPM (H₂SO₄ + H₂O₂)	유기물·레지스트	—	Si, SiO₂, 질화막	레지스트·유기 잔류물 제거

선택비가 높다는 것은 아래 막에서 멈출 수 있다는 뜻이다. 그래서 습식에서는 과식각이 아래 막을 거의 상하게 하지 않는다. 대신 등방성이므로 과식각한 시간만큼 옆으로 더 녹인다. 아래에서 두 식각액을 바꿔 가며 확인한다. HF·BOE는 질화막을 마스크로 산화막을, 인산은 산화막을 마스크로 질화막을 녹인다.

SIMULATOR

선택비가 높아도 과식각은 옆으로 간다

시간 (대상막 평면 깊이, nm)

질화막산화막실리콘

과식각—

언더컷(한쪽)—

마스크 손실—

실리콘 손실—

해볼 것: ① BOE에서 시간 40(막 두께)까지 재생한다. 막이 열리는 순간 언더컷도 40 nm다. ② 시간 100(과식각 150%)까지 민다. 실리콘은 그대로, 마스크는 1 nm쯤 닳았을 뿐인데 언더컷은 100 nm로 자랐다. ③ 인산으로 바꾼다. 산화막 마스크가 BOE의 질화막보다 조금 더 닳고(선택비 약 30), 실리콘도 아주 조금 녹는다. (모델: ET.wet. BOE 속도비 산화막 1 : 질화막 0.01 : 실리콘 0. 인산 속도비 질화막 1 : 산화막 0.03 : 실리콘 0.005. 피치 160 nm.)

습식 공정 설계에서 가장 먼저 따지는 숫자가 이것이다. 웨이퍼 전체에서 막이 다 열리려면 막 두께와 속도의 불균일만큼 과식각이 필요하고, 그 시간은 고스란히 언더컷이 된다. 습식의 선택비는 아래를 지켜 주지만 옆을 지켜 주지는 못한다.

결정이 방향을 정하는 식각: KOH

모든 습식 식각이 등방성은 아니다. 수산화칼륨(KOH)이나 TMAH 같은 알칼리 용액으로 단결정 실리콘을 녹이면 결정면에 따라 속도가 크게 다르다. 원자가 촘촘하고 표면 원자 하나가 결정에 세 개의 결합으로 묶여 있는 (111)면은 매우 느리고, (100)면은 빠르다. (111) 대 (100)의 속도비는 대략 1/100 안팎이다.

$$\mathrm{Si + 2\,OH^- + 2\,H_2O \;\longrightarrow\; SiO_2(OH)_2^{2-} + 2\,H_2}, \qquad \theta_{(111)} = \arctan\sqrt{2} = 54.74°$$

(100) 웨이퍼에서 (111)면은 표면과 54.74°를 이룬다. 그래서 (100) 웨이퍼에 [110] 방향으로 정렬한 사각 구멍을 열면, 빠른 (100) 바닥이 내려가는 동안 옆에는 느린 (111)면이 비스듬한 벽으로 드러난다. 두 (111) 벽이 만나면 바닥이 사라지고 식각은 사실상 멈춘다. 그 깊이는 $d_{\text{V}} = \tfrac{W}{2}\tan 54.74° \approx 0.707\,W$다.

아래 단면에서 구멍의 오른쪽 가장자리를 끌어 폭 $W$를 바꾸고 시간을 흘린다. (100)과 (111)의 속도비도 바꿔 본다.

SIMULATOR

KOH V홈: 스스로 멈추는 식각

구멍의 가장자리를 끈다

시간 (분) (111) : (100) 속도비

질화막 마스크Si (100)

깊이—

바닥 폭—

마스크 밑 언더컷—

상태—

해볼 것: ① 폭 40 µm에서 재생한다. 바닥이 1 µm/분으로 내려가고 벽은 54.74°를 지킨다. 약 28분, 깊이 약 28 µm에서 V가 완성되고 그 뒤로는 거의 내려가지 않는다. ② 폭을 바꿔 V홈의 깊이가 0.707 W임을 확인한다. 깊이를 시간이 아니라 마스크 폭이 정한다. ③ 속도비를 0.1로 올리면 벽이 마스크 밑으로 빠르게 파고들고 V홈도 천천히 계속 커진다. 속도비가 작을수록 기하가 깔끔하다. (모델: (100) 속도 1 µm/분, (111)면은 자기 법선 방향으로 속도비만큼 움직이는 평면. [110] 방향으로 정렬한 긴 구멍의 단면이다. 축척은 가로세로 같다.)

깊이가 마스크 폭으로 정해지고 스스로 멈춘다는 성질 덕분에, KOH 식각은 압력 센서의 얇은 멤브레인, 광섬유를 맞추는 V홈, 잉크젯 노즐 같은 MEMS 구조에 오래 쓰였다. 정지를 더 확실히 하려면 붕소를 짙게 넣은 층을 쓴다. 붕소 농도가 약 10¹⁹ cm⁻³을 넘으면 KOH 속도가 수십 배 이상 떨어진다.

볼록한 모서리는 깎인다사각 구멍의 안쪽(오목한) 모서리에서는 (111)면 네 개가 만나 깔끔한 역피라미드가 된다. 반대로 섬처럼 남기려는 사각 기둥의 바깥(볼록한) 모서리에서는 빠른 고차 결정면이 드러나 모서리가 둥글게 깎여 나간다. 그래서 볼록 모서리에는 일부러 덧붙인 보상 무늬를 마스크에 그린다. 결정 식각의 마스크 설계는 평면 기하가 아니라 결정 기하다.

지금도 습식이 하는 일

무늬가 μm 아래로 내려오면서 패턴을 새기는 식각은 거의 플라스마로 넘어갔다. 그러나 웨이퍼 한 장이 거치는 습식 단계의 수는 오히려 늘었다. 습식이 맡는 일은 공통점이 있다. 방향이 필요 없거나, 오히려 모든 방향이 필요하거나, 손상이 없어야 하는 일이다.

세정. 건식 식각 뒤의 고분자 잔류물, 금속 오염, 입자를 씻는다. SC1·SC2, SPM, 묽은 HF가 대표적이다. 표면을 원자 몇 층 이하로만 깎는다.
스트립. 마스크로 쓴 질화막이나 레지스트를 통째로 벗긴다. 아래 막을 상하게 하지 않는 선택비가 핵심이다.
희생막 제거. 구조를 다 만든 뒤 사이에 끼워 둔 막을 녹여 빈 공간을 만든다. 3D 낸드에서 질화막 수십 층을 뜨거운 인산으로 옆으로 녹여 내고 그 자리에 텅스텐 워드라인을 채우는 공정, MEMS에서 산화막을 녹여 폴리실리콘 빔을 띄우는 공정, 게이트 올 어라운드 트랜지스터에서 SiGe 층을 골라 녹이는 공정이 그렇다. 여기서는 등방성이 장점이다.

마지막 경우를 본다. 산화막 20 nm 위에 폴리실리콘 빔이 있고, 빔에는 용액이 들어갈 작은 구멍(폭 6 nm)이 뚫려 있다. 구멍의 수를 고르고 시간을 흘려 빔이 언제 완전히 뜨는지 본다.

SIMULATOR

희생막 제거: 구멍으로 들어가 옆으로 녹인다

시간

폴리실리콘 빔희생 산화막실리콘

구멍 간격—

빔 아래 남은 산화막 (최대)—

완전히 뜨는 시간 (계산)—

상태—

해볼 것: ① 구멍 4개(간격 50 nm)에서 재생한다. 구멍 밑에서 반원이 퍼져 이웃 반원과 만난다. 마지막으로 남는 것은 두 구멍 한가운데의 아래쪽 모서리다. ② 구멍을 2개로 줄이면 시간이 두 배 가까이 든다. ③ 8개로 늘리면 빨리 뜨지만 빔에 구멍이 많아진다. 설계자는 빔의 강성과 제거 시간을 맞바꾼다. (모델: ET.wet, 산화막만 속도 1. 폭 200 nm가 주기로 되풀이된다. 계산값은 구멍 가장자리에서 가장 먼 점까지의 거리 $\sqrt{((p-6)/2)^2 + 20^2}$다.)

희생막 제거는 습식의 등방성을 무기로 쓰는 경우다. 그러나 여기에도 습식만의 함정이 있다. 빔이 뜬 뒤 용액을 말리면 빔과 바닥 사이에 남은 물의 표면 장력이 빔을 바닥으로 끌어내려 붙여 버린다. 이것이 스틱션(Stiction)이다. 그래서 마지막 단계를 초임계 건조로 하거나, 희생막 제거 자체를 기체 HF로 하기도 한다. 기체 HF 식각은 습식의 화학을 건식의 환경에서 쓰는 절충이다.

EB-20을 HF로 판다면

1장에서 남긴 질문으로 돌아온다. EB-20을 탄소 마스크 그대로 두고 HF 용액에 담그면 어떻게 될까. 산화막은 녹고, 탄소 마스크와 질화막 정지막은 거의 녹지 않는다. 선택비는 완벽하다. 문제는 방향이다. 아래 단면은 실제 EB-20 치수(피치 40 nm, 구멍 20 nm, 산화막 160 nm)다. 재생을 누른다.

SIMULATOR

EB-20 + HF: 벽은 언제 사라지나

시간 (평면 식각 깊이, nm)

탄소 마스크산화막질화막

깊이—

남은 벽 두께 (가장 얇은 곳)—

목표 깊이 대비—

상태—

해볼 것: ① 재생한다. 시간 약 10에서 두 반원이 벽 한가운데서 만나고 마스크가 허공에 뜬다. 깊이는 약 10 nm, 목표의 6%다. ② 시간을 40까지 민다. 이제 남는 것은 트렌치가 아니라 위에서부터 고르게 내려앉는 산화막 바닥뿐이다. ③ 거꾸로 계산해 본다. 깊이 160 nm를 파는 동안 옆으로 160 nm가 녹으므로, 벽이 남으려면 피치가 적어도 340 nm여야 한다. (모델: ET.wet, 산화막 속도 1, 탄소와 질화막 0. ET.EB20.build()의 단면을 세 주기 그렸다.)

결론은 분명하다. EB-20은 습식으로 팔 수 없다. 벽의 절반(10 nm)을 녹이는 동안 깊이도 10 nm밖에 못 간다. 종횡비 8의 홈을 파려면 옆으로 가는 속도가 아래로 가는 속도의 1% 아래여야 한다. 그런 방향성을 주는 것은 전기장에 끌려 수직으로 떨어지는 이온뿐이다. 다음 장부터 그 이온을 만드는 플라스마로 들어간다.

타깃 파일

TARGET EB-20타깃 파일 · 2장

HF로는 깊이 10 nm에서 끝난다

EB-20을 HF 용액으로 판다고 가정했다. 산화막만 녹고 탄소 마스크와 질화막은 녹지 않으므로 선택비는 사실상 무한대다. 그러나 등방성이라 언더컷이 깊이와 같다. 피치 40 nm, 구멍 20 nm에서 홈 사이의 벽은 20 nm이고, 양쪽에서 10 nm씩 녹으면 사라진다. 엔진(ET.wet)으로 계산한 결과 시간 약 10, 깊이 약 10 nm에서 벽이 끊기고 마스크가 뜬다. 목표 깊이 160 nm의 6%다.

깊이 160 nm를 파는 동안 옆으로도 160 nm가 녹으므로, 습식으로 이 깊이를 파려면 피치가 340 nm 이상이어야 한다. 지금 피치의 8배가 넘는다. 따라서 주 식각은 건식이어야 하고, 습식은 식각 뒤의 세정과 잔류물 제거에만 쓴다. 그때도 묽은 HF는 산화막 측벽을 분당 수 nm씩 넓히므로 세정 시간 자체가 선폭 예산의 일부가 된다.

이 장에서 정한 것주 식각은 습식으로 할 수 없다(벽 소멸 깊이 약 10 nm). 습식은 식각 뒤 세정에만, 측벽 손실 1 nm 이하가 되도록 짧게.

아직 남은 문제수직으로 깎을 이온과, 산화막을 깎을 반응종을 어디서 얻는가.

다음 단계3장에서 C₄F₈/Ar/O₂ 플라스마의 전자, 이온, 라디칼을 센다.

핵심 정리

습식 식각은 등방성이다. 식각 전면은 구멍에서 같은 거리에 있는 점들이므로 언더컷이 깊이와 같고($u = Rt$), 과식각은 바닥이 아니라 옆으로만 간다.
용액 식각은 반응물 확산 → 표면 반응 → 생성물 확산의 이어달리기다. 담쾰러 수 $\mathrm{Da} = k_s\delta/D$가 작으면 반응 제한, 크면 확산 제한이다.
반응 제한 식각은 온도에 민감하고(아레니우스; 이 장의 HF·KOH 사례는 $E_a$ 약 0.3~0.6 eV), 확산 제한 식각은 교반에 민감하다. 균일도를 위해서는 대개 반응 제한 조건을 고른다.
대표 식각액: BOE·묽은 HF(산화막), 뜨거운 인산(질화막), KOH·TMAH(실리콘, 결정 방향 의존), HNA(등방성 실리콘). 선택비가 매우 높다.
KOH는 (111)면이 매우 느려 (100) 웨이퍼에 54.74°의 벽을 만들고, V홈은 깊이 $0.707\,W$에서 스스로 멈춘다. 볼록 모서리는 깎이므로 보상 무늬가 필요하다.
습식은 세정, 스트립, 희생막 제거에서 여전히 주역이다. 희생막 제거에서는 등방성이 장점이고, 건조할 때의 스틱션이 함정이다.
EB-20을 HF로 파면 깊이 약 10 nm에서 벽이 사라진다. 종횡비가 큰 무늬는 건식으로만 판다.

확인 퀴즈

두께 100 nm의 산화막을 BOE로 녹이며 30% 과식각했다. 레지스트 구멍의 폭이 2 µm였다면 식각 뒤 산화막 윗면의 홈 폭은 대략?

등방성이므로 언더컷은 녹인 거리 $100 \times 1.3 = 130$ nm다. 양쪽이므로 폭은 $2 + 2 \times 0.13 = 2.26$ µm다. 과식각 30%가 언더컷도 30% 키운다.

어떤 식각에서 교반을 세게 하자 속도가 크게 늘었고, 온도를 10 °C 올리자 속도는 10%쯤만 늘었다. 이 식각에 대한 판단으로 맞는 것은?

교반에 민감하고 온도에 둔하면 경계층 확산이 병목인 확산 제한이다. 이때 표면 농도는 본체보다 훨씬 낮고, 겉보기 활성화 에너지는 0.1~0.2 eV 수준으로 작다.

(100) 실리콘 웨이퍼에 [110] 방향으로 정렬한 폭 50 µm의 긴 구멍을 열고 KOH로 충분히 오래 식각했다. (111)면의 식각을 무시하면 홈의 깊이는?

두 (111)면이 표면과 54.74°로 기울어 만나면 V홈이 완성되고 식각이 멈춘다. 깊이는 $(W/2)\tan 54.74° = 25 \times 1.414 \approx 35$ µm다.

EB-20(피치 40 nm, 구멍 20 nm, 산화막 160 nm)을 HF 용액으로 판다면 무슨 일이 일어나는가?

HF는 산화막만 녹이므로 선택비 문제는 없다. 그러나 등방성이라 깊이 10 nm를 파는 동안 양쪽에서 10 nm씩 옆으로 녹고, 폭 20 nm의 벽이 사라진다.