KR100430926B1 - 이산화실리콘의선택적인제거방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 물질 및/또는 금속에 대하여 SiO2를 선택적으로 제거하는 방법에 있어서, 처리되어 지고 SiO2를 함유하는 표본은 적어도 하나의 가스 유입 개구와 가스 유출 개구를 갖는 챔버 내에 위치된다. 가스 유입 개구에서 제어 밸브를 사용하여 플루오르화 수소 가스와 수증기의 사용량이 챔버내로 유입된다. 이러한 가스는 에칭에 적당한 양으로 표본 내의 웨이퍼로 진행한다. 그러나, 이러한 가스의 양은 제한되어져 에칭이 이루어지는 동안 표본 위에 물을 형성하는 수증기의 응축은 일어나지 않는다. 이 때 에칭이 이루어진다. 에칭이 일어나는 동안 반응 생성물로서 발생하는 수증기는 응축이 일어나기 전에 가스 유출 개구를 통해 제거되어 지고, 그리고 동시에 불활성 가스는 가스 유입 개구를 통해 챔버 내로 유입된다. 이러한 단계는 필요에 따라 반복된다.
Description
본 발명은 이산화실리콘(SiO2) 층의 선택적인 에칭 방법에 관한 것이며, 보다 상세히 설명하면 금속배선(metalization)과 관련하여 회생층(sacrificial layers)을 선택적으로 제거하는 방법에 관한 것이다.
희생층을 사용하여 미세한 구조물(micromechanical structures)을 에칭하지 않는 종래 기술에서의 단점은 상기 미세한 구조물은 습식 부식액이 건조되어진 후에도 칩의 표면에 고착되어 있고, 그리고 에칭에 사용되는 상기 부식액은 예를 들어 알루미늄과 관련하여 선택적으로 사용될 수 없다는 것이다. 습식 화학적 에칭단계에서, 또한 액체 화학물인 부식액은 에칭되어진 칩으로부터 연속적으로 제거되어 진다. 상기 화학물은 가스 밀집 상태(gaseous aggregate state)로 변환되어 제거되어져서, 에칭되지 않는 상기 구조물이 칩의 표면에 고착되지 않는다. 미세한 구조물이 예를 들어, 금속(예를 들어, 알루미늄의 금속배선)으로부터 형성될 때, 이산화실리콘의 희생층은 일반적으로 부식액으로 사용되는 플루오르화 수소산(플루오르화 수소 수용액)을 이용하여 금속에 대해 선택적으로 제거될 수 없다. 왜냐하면, 상기 금속이 플루오르화 수소산에 의해 침식 및 분해되기 때문이다. 단자 접촉부 또는 상호 연결부와 같은 알루미늄의 금속배선은, 플루오르화 수소산으로 에칭되기 전에 복잡한 방법으로 에칭에 대해 보호되어져야 한다. 이는 예를 들어 레지스트 마스크를 사용함으로써 이루어진다. 실리콘으로 구성되지 않은 미세한 구조물의 제조시, 이산화실리콘 이외의 물질이 희생층으로 사용되어져야 한다. 또한, 플루오르화 수소산 이외의 부식액 사용은 매우 복잡하고, 표준 제조 공정에 적합하지 않다. HF 로 개선된 에칭 공정은 1991년, FSI 기술 보고서 369 환경 과학 학술회에서 디. 시벌슨 (D. Syverson)에 의해 개시되어 졌다.
본 발명의 목적은 많은 부가적인 추가 설비없이 특히, 예를 들어 알루미늄과 같은 금속에 대하여 SiO2층을 선택적으로 제거할수 있는 반도체 기술 방법을 제공하고자 하는 것이다.
일반적인 의미에서 본 발명은 표본(specimen)내의 반도체 물질 및/또는 금속에 대한 SiO2의 선택적인 제거 방법에 관한 것이다. SiO2를 함유하는 처리될 표본은 적어도 하나의 가스 유입 개구와 가스 유출 개구를 갖는, 챔버내에 위치된다. 가스 유입 개구에서 챔버 내부로 정량의 플루오르화 수소 가스와 수증기를 수용하기 위해, 제어 밸브가 사용되어 진다. 이러한 가스들은 에칭 처리를 위하여 적당량이 표본 내의 SiO2로 진행한다. 그러나, 가스의 양은 제한되어져서 에칭 중에 표본 상에 물을 형성하는 수증기의 응축은 일어나지 않는다. 그 다음, 에칭이 이루어진다. 에칭 중에 반응 생성물로서 발생하는 수증기는 응축이 일어나기 전에 가스 유출 개구를 통해 제거되고, 동시에 불활성 가스가 가스 유입 개구를 통해 챔버내로 유입된다. 이러한 단계가 필요에 따라 반복된다.
본 발명의 바람직한 개선은 다음과 같다.
질소는 불활성 가스로서 사용된다.
질량 유량계를 갖춘 제어 밸브가 사용되고, 이러한 밸브를 통해 흐르는 가스량은 전자적으로 제어된다.
상기 방법은 반도체 소자 상의 실리콘 또는 반도체 소자 상의 금속에 대하여 SiO2의 선택적인 에칭을 위해 사용된다.
상기 방법은 폴리 실리콘의 이동 가능한 미세 작용 소자를 에칭하지 않는데 사용된다.
상기 방법은 알루미늄의 미세한 작용 소자를 에칭하지 않는데 사용된다.
신규한 것으로 인지되는 본 발명의 특성은 특허 청구 범위에 기재된 특징부에 의해 특징화된다. 또 다른 목적과 장점을 가진 본 발명은 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다.
제 1도는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치를 도시한다.
본 발명에 따른 방법에서, 에칭은 가스 밀집 상태의 플루오르화 수소의 사용으로 이루어진다. 즉 건식 에칭 공정을 사용한다. 에칭 공정을 가능하게 하기 위해서, 화학 변환에 요구되어지는 물은 수증기와 같은 가스 밀집 상태로 유입된다. 이산화실리콘의 에칭에 관련된 단순화된 반응식은 다음과 같다.
상기 식으로부터 반응이 개시되기 위해서는 물이 필요하며, 그리고 물은 화학 변환의 최종 생성물이다. 따라서 존재하는 물의 양은 에칭 단계동안 증가한다.
본 발명의 방법에서, 에칭 반응을 개시하는데 우선 적당량의 수증기가 사용된다. 그러나, 수증기량은 물을 형성하는 수증기의 응축이 일어나지 않을 정도로 제한된다. 에칭 공정 동안 많은 물이 발생하기 때문에, 결국 물방울이 처리되는 칩위로 응축되는 수증기의 고포화 상태의 발생은 에칭이 발생하는 챔버 내에서의 에칭 단계동안은 방지할 수 없다. 상기 방법에서, 상기 에칭 공정은 챔버내에 존재하는 가스가 가스 출구와 챔버를 통해 방출되고, 따라서 에칭되어진 칩의 표면이 예를 들어 질소와 같은 불활성 가스로 세정되는 때 종결된다.
예를 들어, 상기 방법은 제 1도에 개략적으로 도시된 장치에서 실시 가능하다. 처리되어진 표본(1), 예를 들어, SiO2층위에 미세한 구조물이 제공된 반도체 소자가 챔버(2) 내부에 위치된다. 상기 챔버는 가스 유입 개구(3)와 가스 유출 개구(4)를 갖는다. 상기 처리 공정에 필요한 가스인, 예를 들어 H2O, HF, 및 N2는 각각 가스 유입 개구(3)를 통해 챔버(2)내로 유입된다. 제어 밸브(5)는 이러한 가스의 사용량을 제어하기 위해 설치된다. 이러한 밸브(5)는 전자 제어 수단을 통해 자동적으로 밸브를 열고 닫고, 상기 밸브를 통해 가스 유동량을 결정하는 프로그램 제어된 질량 유량계에 연결이 가능하다. 상기 수증기는 예를 들어, 증발기로부터 나온다. HF 와 N2는 연결된 가스 공급원으로부터 유입된다. 예를 들어, 사용될 가스를 위한 세개의 분리된 가스 유입 개구를 갖는 장치가 예시된 장치 대신에 사용이 가능하다.
처리되어지는 표본으로부터 SiO2층의 부식은 다수의 반복적이고, 짧은 에칭에 의해 독창적으로 계속 일어난다. 우선, 수증기와 가스상 플루오르화 수소는 에칭에 필요한 관계로 챔버(2)내에 유입된다. 그러나, 수증기의 양과 반응 속도는 상기에 의해 제한되어 어떠한 응축도 일어나지 않는다. 다음, SiO2상에서 에칭 침식이 일어난다. 에칭이 일어나는 동안, 상기 반응식과 일치하여 더 많은 수증기가 발생한다. 상기 에칭은 최소의 에칭율(에칭 공정의 속도)에서 일어나는데, 만일 그렇지 않으면 불안정해지기 때문이다. 최대 에칭율은 물리적 조건에 의해 정해진다. 물방울이 에칭된 표면위로 침전되지 않도록 에칭율에 대한 가능한 범위내에서 에칭 공정 기간은 장시간이 되지 않도록 선택되어야 한다. 에칭 처리 공정은 수증기가 임계 농도, 즉 물의 응축이 발생하게 되는 수증기를 함유한 챔버 내의 가스 포화 상태에 도달되기 전에 종결되어 지며, 챔버(2) 내에 존재하는 가스는 가스 유출 개구(4)를 통해 방출되어 진다. 예를 들어, 질소와 같은 불활성 가스는 가스 유입 개구를 통해 챔버 내부로 유입되고, 다른 가스는 같은 방법으로 챔버(2) 외부로 배기된다. 수증기가 챔버로부터 제거되거나 또는 챔버내의 가스의 수증기의 농도가 상당히 낮추어진 후에, 새로운 에칭 처리 공정은 HF 와, 잠재적으로 수증기를 가스 유입 개구(3)를 통해 챔버 내부로 유입시킴으로써 개시된다. 상기 에칭 처리 공정은 에칭 공정의 개개 단계의 분할 반복에 의해 의도된 범위로 이행되어질 수 있다. 이러한 구조물 아래로 수마이크로미터 연장하는 구조물의 언더 에칭(under-etching)은 물이 에칭된 표면위에 석출되고, 고착 문제가 연속적으로 발생하는 우려없이, 수행되어질 수 있다.
본 방법에 있어서 보다 상세한 설명과 그에 대한 실시예는 하단에 기술되어 있다. 처리될 웨이퍼가 웨이퍼의 표면과 직면하는 세 개의 지점 상에 장착된 원통형 에칭 챔버가 챔버로서 사용된다. 사용되는 제어된 가스의 내부 유동은 3 개의 질량 유량 제어기 (MFCs)를 사용하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 사용될 MFCs 는 다음의 최대 유동 속도로 제공되어 진다.
MFC 1( 캐리어 가스인 N2) 30.0 l/min
MFC 2( N2로 부화된 H2O ) 2.0 l/min
MFC 3( HF 가스 ) 0.5 l/min
질소에 의한 물(MFC 2)의 부화도는 약 1 %에 달한다.
상기 볼륨은 다른 것들 중에서 플루오르화 수소를 희석하고 반응 생성물(물과 SiF4)을 제거하기 위해 제공되는 질소로 계속해서 세정된다. 에칭 단계시, 질소는 HF 가스와 혼합된다. 최대 HF 농도는 질소량의 1.6 % 에 이른다. HF 가스 외에 수증기가 챔버 내부로 유입될 수 있다(예를 들어, 최대 0.3 ㎤/s, 평균적인 절대 공기 습도는 약 0.001 부피%).
예를 들어, 24℃ 온도의 챔버내에서 1 bar 의 압력이 된다. 압력이 일정하게 유지되기 때문에, 유출 가스량은 총괄 가스 유입량에 상응하며, 이는 대개 질소에 의해 형성된다.
시간의 함수로서 물과 HF 의 농도를 설명하기 위해서는, 다음과 같은 사항 즉, 에칭은 일어나지 않고, 각각의 가스의 유입량은 지정되어져 있고, 그리고 가스 유출량은 챔버내에서 가스의 순간 농도와 총괄 교환율에 의해 정해진다. 예를 들어, 다음의 식은 HF 농도에 유용한 식이다 :
여기서
n = I / ㎥ (부피당 갯수)
Φ = ㎥/ s (입자 유동)
Vm= 22.4 ㎥/ kmol (몰부피)
NA= 6.022 ·1026/ Kmol (아보가드로 상수)
NL= NA/Vm= 2.688 ·1025/ ㎥
VK= 3.4 ·10-4㎥ (챔버의 부피)
N = NLVK(가스 원자/분자의 총수)
미분 방정식의 해법은 다음과 같다.
약 2 ·VK/ Φges시간후에, 상기 농도의 평형이 형성되고, 상기 시간은 유입된 HF 량과는 독립적이다. 상기 물의 농도는 HF의 농도와 같이 신속하고 정확하게 평형이 된다. 주어진 캐리어 가스의 최대 세척유동에서 에칭없이 챔버내에서 가스 혼합물은 약 1.5 초 후에 안정화된다.
질량 유량 제어기의 제어와 가스의 전달은 공정 제어 컴퓨터의 사용으로 가능하다. 상기 에칭 공정은 예를 들어 세정과 에칭 등의 각각의 단계로 분할될 수 있다. 상기 실시예에서 사용된 공정 과정은 다음의 단계로 구성된다.
1. 초기화 단계(챔버내에 공기의 치환을 위해 세정하는 N2의 유입)
2. 안정화 단계(에칭 가스는 없으나, 에칭 단계동안 제공된 유동 속도로 N2의 유입)
3. 전처리 단계(H2O 로 웨이퍼 표면을 포화시키기 위한 수분 공급을 위해 N2와 H2O 의 유입)
4. 에칭 단계 (실제 에칭인, H2O 의 존재하에 N2와 HF 의 유입)
5. 최종 단계 (에칭의 국한된 종결을 위한, N2의 유입, HF 없이 N2의 유입)
6. 세정단계 (최종적인 세정단계로, N2의 유입)
시간 및 가스 유동 등에 대한 일반적인 수치는 다음과 같다.
개개의 단계가 필요에 따라 반복될 수 있다.
연속되는 반응의 보다 정밀한 이해를 위해서는, 화학 반응을 각각의 보조 반응으로 분할하는 것이 필요하다. 이는 다음의 식을 사용함으로써 가능하다.
에칭이 일어나는 동안 물이 존재하지 않을 때, 상기 반응은 기본적으로 제 1 반응식에 따라 연속적으로 일어나며, 반응 상수 K1이 속도를 한정한다. 실제적인 에칭 처리 이전에 수증기가 첨가되거나, 각각 적절히 신속하게 에칭될 때(즉, 반응 생성물로서 물이 충분량 존재), 상기 반응은 제 2 및 제 3 반응식에 따라 촉매 작용에 의해 발생한다. 상수 K2및 K3는 속도를 결정하며, K2, K3》 K1이 적용된다. 따라서, 주어진 제 1 반응식에서 정해진 반응에 의해서만 희생층의 에칭 가공이 일어나면, 요구되어지는 큰 언더 에칭은 극히 낮은 속도에서 가능하지 않다.
상기 에칭 반응은 챔버 내부로 HF 가스의 유입으로 즉각 개시되지 않는다. 약 1.5 초 후에 챔버 내부에서 HF의 농도는 일정하게 된다. 에칭 반응의 촉매로 적당한 물은 에칭의 초기에 에칭되는 표면에 존재하지 않으며, 상기 반응의 개시는 부가적으로 반응 상수 K1에 의해 늦어진다. 에칭 반응이 시작될 때, 상기 반응의 촉매로 적당한 물은 반응으로 인해 발생하며, 그 결과 에칭은 가속화되고, 그리고 에칭율은 일정하게 된다. 질소와 수증기의 혼합물로 행하여 지는 전처리로 인해 에칭을 개시하기에 필요한 함량의 수증기가 HF 가스에 의한 에칭의 초기에 이미 존재한다. 상기 전처리는 수증기의 최적의 최대 유입으로 계속 진행되어야 한다. 상기 캐리어 가스 유동은 에칭 단계동안 가스 유동과 동일해야 한다.
에칭 단계동안 질소로 부화된 수증기의 공급이 또한 가능하다. 그러나, 공급될 수 있는 물의 양은 실질적으로 반응으로 인해 에칭된 표면에 발생된 물의 양보다 작다. 적절한 전처리 단계가 제공될 때, 상기 에칭율은 일반적으로 에칭 단계동안 부가적으로 유입된 물의 양과는 독립적이다. 에칭 수행시 중요점은 에칭 중에 에칭 가스의 농도이다. 다수의 전처리 단계를 포함하는 다수의 에칭은 이러한 영향력을 결정하기 위해 이행되어 진다. 에칭 중에 상기 캐리어 가스의 농도는 일정하게 유지되고, 유입된 HF 량은 변화된다. 반응 가스의 농도 증가는 에칭이 개시되고에칭율이 증가될 때까지의 시간을 줄인다. 그러나, 챔버내의 에칭 가스의 농도는 HF의 유입량과 유입되는 캐리어 가스의 양에 의해서도 결정된다. 상기 에칭율은 HF와 N2의 가스량의 비에 따라 달라진다. 에칭이 개시될 때 까지의 시간은 캐리어 가스의 유동 증가와, 에칭 가스 유동의 감소로 인해 길어진다. 상기 에칭은 특정의 최소 에칭율 이하일 때 불안정하고 재생할 수 없는 것으로 관찰되었다.
어떠한 조건하에서 물방울이 에칭된 표면위에 형성되는 가에 대해서 확산 모델을 사용하여 설명한다. 에칭된 표면위에 응축된 물방울이 없고 따라서 고착됨이 없이 에칭이 수행될 수 있는 임계 공정 변수에 대한 범위가 이론적으로 계산될 수 있다.
창의적으로, 유입된 HF 가스의 유동 속도와 반응 속도가 제어된다. 왜냐하면, 반응이 일어나는 동안 물이 발생하기 때문에, 부가적으로 유입되는 물은 반응이 개시될 때 까지만 필요하다. 반응이 일어나는 동안 시간당 에칭된 표면에서 발생하는 물의 양은 에칭율에 비례한다. 공정 변수를 정할때 에칭율이 특정 속도를 초과하지 않게 하여, 어떠한 물방울의 형성도 일어나지 않게 해야 한다. 약 1㎛ 의 두께를 갖춘 산화실리콘의 층은 HF에 의해 약 2㎛ 두께의 수막(Water film)으로 변환된다.
수증기의 분압은 확산 모델을 사용하여 에칭율의 함수로 설명될 수 있는데, 여기서 상기 확산이 에칭된 표면으로부터 반응이 일어나는 동안 발생하는 물의 제거를 위한 주요 메카니즘을 대표한다는 단일화에 의해 가정될 수 있다.
피크(Fick' s)의 제 1 법칙에 의해, 상기 물질 전달은 농도 구배와 관련되어 진다 :
j = -D 구배 n , 여기서
j는 입자 전류 밀도이며, n은 입자 밀도이며, 그리고 D는 확산 계수이다. 즉, 반응으로 인해 발생한 물이 수증기로 즉시 새어나올 때, 수증기의 유동 농도에 대응하는 입자 밀도의 구배가 표면에서 직접 발생되어 진다. 입자 밀도의 구배가 에칭되는 표면 상에 수직(z-방향)으로 존재하는 대칭 조건으로 가정될 때, 피크의 제 2 법칙으로부터 dn / dt - D d2n / (dz)2이 유도되었다.
상기 발생하는 물은 상기 에칭되어진 표면에서 전 공간내의 확산에 의해 분포되어 진다고 가정된다. 측정치는 에칭 공정 동안 에칭율이 일정하다고 추정되어 지고, 에칭된 표면에서 입자 유동이 일정하다고 또한 추정될 수 있다는 것을 나타낸다. 주어진 조건에서, 에칭된 표면에서 농도 분포는 다음과 같이 얻어진다.
물방울의 형성이 일어나기 때문에 에칭시 초과해서는 안되는 임계 에칭율은 챔버내의 증기압에 상응하는 에칭된 표면에서의 물의 농도가 초과되자마자 도달된다. 임의의 에칭율 R 에서, 임계 에칭 시간 (tKrit)은 상기 물리적 조건에 따라 tKrit= πDpvap 2/ (4n2R2K2T2)로서 추정 가능하며, 여기서
D0.24 ㎠ / s (공기에서 물의 확산 상수)
Pvap= 물의 증기압
R = 에칭율 (nm / s)
n = 2 , 3 ·1022cm-3(열 이산화실리콘의 입자 밀도)
k = 1.38 ·10-23J / K (볼쯔만 상수)
T = 온도(K)이다.
상기 최대 에칭 시간은 에칭율의 제곱에 반비례한다.
에칭되어진 표면보다 더 떨어진 거리에서, 확산 이외에도 입자의 전달에 기여하는 유동이 발생한다. 입자의 흐름은 에칭된 표면위에서 캐리어 가스 N2와 반응 가스 HF 의 유입으로 발생한다. 발생하는 물의 전달은 기본적으로 챔버내에서 가스량의 교환율(t1)과 방출되어지는 수증기의 확산에 의해 분포되는데 필요한 시간(t2)에 의해 제한된다. 상기 측정치는 t1＜ t2임을 보여준다.
분자는 유동(대류) 또는 확산으로 이동된다. 상기 유동은 표면쪽으로 점점 더 느려지고, 그리고 전도가 일어나지 않고, 유동 속도는 느려지는 곳에서 경계층이 형성된다(층류). 상기 경계층에 물질을 전달하는데는 확산에 의한 것으로 본다. 표면으로부터 증발하는 분자는 유동에 의해 분자가 운반되기 전에, 먼저 경계층을 통해 확산되어야 한다. 확산에 의해서만 물질 전달이 계속되는 표면 근접층이 존재한다고 추정되어 지며, 상기 분자가 (t1의 시간에서) 비교적 빠르게 이동되는 유동 영역이 존재한다고 추정되어 진다.
간단화하기 위해서는, 2개의 경계층의 두께는 첫째, 가스의 유동 속도가 표면에서 0 m/s에서 v0까지 변하는 층의 두께(δs), 둘째, 물의 농도가 에칭되어진 표면에서 ns에서 n0까지 (무시가능하게 작음)감소하는 층의 두께(δc)로 가정된다. 표면과 평행한 판상의 유동이 모델로서 가정된다. 층류의 경계층의 두께는 점성, 유동 속도 및 공간의 치수 사이의 관계식으로부터 유도 가능하다. 다음의 식은 층류 경계층의 두께에 대해 근사적으로 유효하다 :
여기서
n은 가스의 유동 점성(kinematic viscosity)이고, v0는 유동 영역내의 속도이며, 그리고 x 는 판의 평면내에 공간 수치이다. 현재 모델에서, 근사적으로 v0=0.1 m/s의 값은 교환율로부터 유동 속도를 유도한다. 질소의 유동 점성은 n= 1.32 ·10-5㎡/s 이다. 예를 들어, x = 4 이면, 층의 두께 δs는 근사적으로 1.2cm 로 얻어진다.
이러한 평면에 수직인 z 좌표의 함수로서 상기 판의 평면에서 x 방향으로의 속도는 vx(z) = v0(1.5 z / δs- 0.5 z3/ δs 3)이며, 즉, 정확히 vx(O) = 0 이다. t2＞ t1일 때, 이는 발생하는 수증기의 유동이 너무 빠르게 일어나 확산층 밖의 수증기의 농도가 급격하게 떨어진다는 가정에 대응한다. 이러한 확산층의 두께는 층류 경계층의 두께와 같지 않다. 표면위의 두께 δc를 갖는 층내의 확산 유동을 설명하는 것이 또한 필요하다. 수증기는 상기 표면위에 일정하게 발생되어지며, 확산에 의해 경계층을 통해 전달된다. 경계 조건으로 수증기의 농도는 층의 상부에서 0으로 떨어진다고 가정되었다.
평형일때(dn / dt = 0), 상기 농도는 표면으로부터 거리에 따라 선형적으로 감소한다. 상기 경계 조건 z≥δc일때는 n(z) = n0이며, 그리고 z = 0 일때는 n(z) = ns가 적용된다.
이는 다음의 식으로 표시된다.
유동에서는,
표면에서 수증기의 농도와 에칭을 사이의 관계가 또한 얻어진다. 확산층의 두께가 1.2 cm로 주어질 때, 예를 들어 1nm/s의 에칭율은 표면에서 2.3 ·1016분자/㎤의 수증기 농도를 생성한다. 상기 농도는 에칭율에 따라 선형적으로 증가한다. 이는 주어진 에칭율 1 nm/s 의 챔버내의 압력과 상응한다. 약 5 nm/s 이상의 에칭율에서, 상기 압력은 반응에 의해 발생된 물의 양과 비교하여 무시된다. 비교하면, 최대 가능 수증기의 농도(증기압)는 20℃에서 6.7 ·1017분자 / ㎤ 에 달한다. 따라서, 상기 모델에 의해, (주어진 일정 에칭율에 장시간의 에칭 시간인) 평형 상태의 충분한 세척유동에서의 물방울의 형성은 상기 임계 에칭율(예를 들어, 주어진 에칭율 : 30 nm/s) 이상의 에칭율에서 이루어질 것이다. 상기 임계 에칭율은 또한 챔버내에서 세척가스의 유동량에 따라 달라진다. 세척유동이 낮아질 때, 경계층의 두께는 증가한다. 이는 에칭되어진 표면에서 수증기의 농도를 증가시키고, 물방울의 형성이 더 빨리 일어난다. 에칭율의 변화없이 가스 유동의 변화는 일어나지 않는다. 상기 에칭율을 유지하기를 원한다면, 공급되는 HF 양 또한 동시에 증가되야 한다. 그래도, 물의 농도는 상기 모델에 따라 감소된다.
본 명세서에서 산정하기 위한 토대는 t2＞ t1인 기초 관계에서 확산과 유동의 분리이다. t2는 피크의 제 1 법칙으로 계산이 가능하다. 약 3초의 시간 단위의 결정은 확산에 의해 얻어진다. 따라서 t2는 t1의 약 두배이다.
오랜 시간동안, 상기 반응은 평형 상태에서 진행되고, 그리고 경계층의 유한 두께가 고려되어야 한다. 수증기의 농도가 증기압 상에 있는 임계 에칭율은 평형 상태에서처럼 결정될 수 있다. 상기 에칭율은 이제 시간에 의존한다. 짧은 시간 동안, 형성되는 물방울없이 신속하게 에칭이 가능하다. 상기 경계층은 우선 물로 채워져야 한다. 최대 세척 유동이 주어질 때, 예를 들어 60 nm/s의 임계 에칭율이 1 초 후에 얻어진다. 상기 임계 에칭율은 3초 후에 35 nm/s 가 된다.
상기 최대 에칭율은 유입된 HF 양에 의해 결정되어 진다(예를 들어, 초당 2.1 ·1020분자). 모든 분자가 반응할 때, 이는 최대 에칭율 130 nm/s에 상응한다.j = D n(δc) / δc는 경계층을 통해 표면 상으로의 HF 가스의 최대 유동에 유효한 식이다. HF의 확산 상수는 거의 같은 분자량으로 인해 물의 확산 상수와 근사적으로 동일하다. 표면에서의 유동 j = 9 ·1016㎠/s가 HF 농도 4.3 ·1017분자/㎤로 유도되어 진다. 이는 최대 에칭율 10 nm/s 에 상응한다. 세척유동이 낮아질 때는, 상기 값은 올라간다.
물방울이 없는 에칭은 기본적으로 2가지 방식으로 달성될 수 있다. 우선, 적당한 에칭율로 에칭이 수행되며, 여기에 에칭 공정은 임계 에칭 시간 (tKrit)에 도달하기 전에 중지되어야 한다. 에칭되어진 표면에서 발생한 물의 양은 질소로 세척함으로써 제거되어야 한다. 상기 과정에 요구되어 지는 세척 시간은 확산 모델을 사용하여 계산이 가능하다. 임계 에칭 시간내에 각각의 에칭 단계에서 에칭되어진 층으로부터 약 100 nm 이하로 부식되기 때문에, 상기 에칭은 실시예에서 약 20 회의 연속적인 에칭 단계로, 다수의 단계적 에칭으로 수행해야 한다. 두 번째의 방법으로, 고정 범위 즉, 낮은 에칭율 내에서 임의의 긴 에칭 시간으로 에칭을 수행하는 것이다. HF 의 낮은 전달로 인한 에칭의 불안정으로 인해 최소 에칭율은 더 낮아질 수 없다. 에칭의 공간 불균일로 인하여, 고착이 일어난 에칭된 지역과 고착이 일어나지 않는 에칭된 지역 사이의 전이가 반드시 유발되는 것은 아니다.
플라즈마를 이용한 종래의 건식 에칭과는 대조적으로, 본 발명에 따른 방법은 완전하게 등방성이므로, 특히 표면 마이크로 공학(surface micromechanics)의 적용에 적합하다. 예를 들어, 알루미늄과 같은 금속 또는 폴리 실리콘의 이동 가능한 부분이 반도체 재료 또는 유전체 재료의 표면 위에 제조되는 감지기 또는 작동기가 특히 양호하게 제조될 수 있다.
예를 들어, 알루미늄은 수용액 내에서 부식과 에칭의 상호 작용의 결과로서 플루오르화 수소에 의해 분해된다. 본 발명에 따른 방법에서 사용되는 것처럼 가스 응축 상태의 플루오르화 수소가 주어질 때, 알루미늄의 부식은 일어나지 않으므로, 존재하는 알루미늄 구조물은 손상받거나 분해되지 않는다. 액체의 건조 후 표면에 이동 가능한 부분의 고착이 방지될 뿐만 아니라, 금속배선과 관련된 SiO2에칭의 고 선택도가 이루어진다. 상기 방법은 반도체 칩의 모든 제조 방법에 바람직하게 사용되는데, SiO2에는 금속배선이 도포되고, SiO2는 이러한 금속배선의 손상없이 연속적으로 에칭된다. 이는 불충분한 선택도로 인해 종래의 습식 에칭 방법으로는 가능하지 않다.
본 발명에 따른 방법에서, 사용되어지는 가스는 밸브(5)를 통해 분리되어 사용된다. 그러므로, 예를 들어, 챔버의 부피, 에칭이 일어나는 SiO2층의 팽창, 에칭 기간 등의 가장 다양한 작동 조건에서 본 발명에 따른 방법을 적용하는 것이 가능하다. 각각의 에칭의 수와 기간이 결정된 후, 상기 방법은 일반적으로 밸브의 전자적인 제어로 대개 자동화될 수 있다.
본 발명은 도시되고 설명된 특정 방법에 한정되는 것은 아니며, 다른 수정예 및 적용예가 예상된다. 소정의 다른 변형예가 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어남이 없이 전술한 방법으로부터 가능하다. 그러므로 본 발명의 상세한 설명의 요지는 설명을 위한 것이지 제한을 위한 것이 아님을 이해해야 한다.
제 1도는 본 발명 방법에 따른 장치를 설명하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 표본 2 : 챔버
3 : 가스 유입 개구 4 : 가스 유출 개구
5 : 제어 가능한 밸브
Claims (11)
- 표본 내에 있는 반도체 물질 및/또는 금속에 대하여 SiO2를 선택적으로 제거하는 방법으로서,a) 하나 이상의 유입 개구 및 유출 개구를 갖는 챔버 내부로 SiO2를 함유하는 표본을 장착시키는 단계와,b) 상기 가스 유입 개구에 있는 제어 밸브를 사용하여, 1회 분량의 플루오르화 수소 가스와 수증기를 상기 챔버 내부로 유입하는 단계와,c) 상기 표본에 에칭을 수행하는 단계와,d) 상기 가스 유입 개구를 통해 상기 챔버 내부로 불활성 가스의 유입과 동시에, 표본이 에칭되는 동안 반응 생성물로서 발생하는 수증기를 응축이 일어나기 전에 상기 가스 유출 개구를 통해 제거하는 단계와, 그리고e) 상기 SiO2가 선택적으로 제거될 때까지 상기 b) 단계 내지 상기 d) 단계를 반복하는 단계를 포함하며,상기 가스와 수증기의 양은 상기 표본내의 SiO2를 에칭 처리하는데 충분한 양이며 에칭시 상기 표본위에 물을 형성하는 상기 수증기의 응축이 일어나지 않도록 상기 가스와 수증기의 양이 제한되는,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 d) 단계의 불활성 가스로서 질소가 사용되는,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 b) 단계에서 사용되는 제어 밸브에는 질량 유량계가 제공되어 있으며, 상기 제어 밸브를 통한 가스의 유동량이 전자적으로 제어되는,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 SiO2는 반도체 소자 상의 실리콘 또는 금속에 대해 선택적으로 에칭되며, 상기 표본은 반도체 소자인,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
- 제 4 항에 있어서,이동 가능한 폴리실리콘의 미세한 기능 소자가 에칭되지 않는,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
- 제 4 항에 있어서,알루미늄의 미세한 기능 소자가 에칭되지 않는,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
- 표본 내에 있는 반도체 물질 및/또는 금속에 대하여 SiO2를 선택적으로 제거하는 방법으로서,a) 하나 이상의 유입 개구 및 유출 개구를 갖는 챔버 내부로 SiO2를 함유하는 표본을 장착시키는 단계와,b) 상기 가스 유입 개구에 있는 제어 밸브를 사용하여, 1회 분량의 플루오르화 수소 가스와 수증기를 상기 챔버 내부로 유입하는 단계와,c) 상기 표본에 에칭을 수행하는 단계와,d) 상기 가스 유입 개구를 통해 상기 챔버 내부로 불활성 가스의 유입과 동시에, 표본이 에칭되는 동안 반응 생성물로서 발생하는 수증기를 응축이 일어나기 전에 상기 가스 유출 개구를 통해 제거하는 단계와, 그리고e) 상기 SiO2가 선택적으로 제거될 때까지 상기 b) 단계 내지 상기 d) 단계를 반복하는 단계를 포함하며,상기 가스와 수증기의 양은 상기 표본내의 SiO2를 에칭 처리하는데 충분한양이며, 에칭시 상기 표본위에 물을 형성하는 상기 수증기의 응축이 일어나지 않도록 상기 가스와 수증기의 양이 제한되어 있으며, 상기 제어 밸브에는 질량 유량계가 제공되어 있으며 상기 제어 밸브를 통한 가스의 유동량이 전자적으로 제어되는,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 d) 단계에서 불활성 가스로서 질소가 사용되는,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 SiO2는 반도체 소자 상의 실리콘 또는 금속에 대해 선택적으로 에칭되며, 상기 표본은 반도체 소자인,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
- 제 9 항에 있어서,이동가능한 폴리실리콘의 미세한 기능 소자가 에칭되지 않는,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
- 제 9 항에 있어서,알루미늄의 미세한 기능 소자가 에칭되지 않는,SiO2를 선택적으로 제거하는 방법.
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