KR20010077385A - 습식 식각 장치 및 이를 이용한 습식 식각 방법 - Google Patents

Abstract

습식 식각 장치 및 이를 이용한 습식 식각 방법에 관해 개시되어 있다. 본 발명은 식각조 및 외조로 구성된 식각 탱크 외부에 희석된 식각액 농도 변화를 보상하기 위한 별도로 혼합 수단을 구비하고 있다. 상기 혼합 수단에서 농도가 변화된 희석 식각액의 농도를 식각에 알맞게 조절하고, 식각조에 유입되기 전에 식각액을 식각에 알맞은 온도까지 가열하여 식각조에 공급한다. 이렇게 함으로써, 식각조내에서 희석된 식각액의 상태를 안정화시킬 수 있고, 식각 대상물의 영역에 따른 식각 불균일성을 해소할 수 있다.

Description

습식 식각 장치 및 이를 이용한 습식 식각 방법{Wet etching apparatus and method for etching using the same}

본 발명은 반도체 장치의 제조 공정에 사용되는 식각 장치 및 이를 이용한 식각 방법에 관한 것으로서, 자세하게는 습식 식각 장치 및 이를 이용한 습식 식각 방법에 관한 것이다.

반도체 장치의 제조 과정에서 실시되는 특정 물질막에 대한 식각 공정은 그 물질막의 물리적 화학적 특성이나 식각이 전면 식각이냐 부분 식각이냐를 고려하여 건식 및 습식중 어느 하나를 선택하여 실시하는 것이 일반적이다.

나이트라이드막을 습식 식각하는 경우, 식각액으로써 인산(H₃PO₄)액이 널리 사용되고 있다. 이때, 사용되는 인산액은 농도가 85wt%정도가 되도록 물과 희석된 것이 사용된다. 식각 동안에 희석된 인산액은 160℃ 이상의 고온으로 유지된다. 인산액의 농도가 85wt%정도로 유지되고, 그 온도가 160℃정도로 유지되어야 하는 것은 나이트라이드막의 식각량이 식각액, 즉 인산액의 온도 및 농도와 밀접한 관련이 있기 때문이다.

한편, 나이트라이드막 식각을 위해 희석 인산액을 160℃이상으로 가열하는 과정에서 희석 인산액에 포함된 물은 급격히 증발된다. 이 결과, 희석된 인산액의 농도가 85wt%이상으로 높아져서 나이트라이드막의 식각률이 현저히 저하되는 현상이 나타난다. 이러한 현상을 해소하기 위해, 식각 동안에 희석 인산액에 물(H₂O)을 추가하는 방법으로 희석 인산액의 농도를 식각에 알맞게 유지한다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 습식 식각 장치는 식각이 진행되는 식각조(etching bath, 10)와 상기 식각조(10) 상부 둘레에 식각조(10)로부터 흘러 넘치는 식각액을 받기 위한 외조(12)와 상기 식각조(10)에 희석액으로써 물을 공급하기 위한 급수관(14)과 일단이 상기 외조(12)에 연결되어 있고 타단이 둘로 분기되어 상기 식각조(10)의 바닥에 연결되어 있으며 상기 외조(12)로부터 식각조(10) 방향으로 펌프(P), 히터(H) 및 필터(F)가 순차적으로 설치되어 있는 식각액 순환 라인(G)으로 구성되어 있다. 상기 급수관(14)은 상기 식각조(10)의 측면 안쪽을 따라 바닥까지 연장되어 있으며, 다시 바닥을 따라 소정 길이 만큼 연장되어 있다. 상기 급수관(14)의 상기 식각조(10) 바닥을 따라 확장된 부분에 분사홀(18)이 형성되어 있다. 참조부호 W는 식각 대상물이 형성된 웨이퍼를 나타낸다

이와 같은 습식 식각 장치에서 나이트라이드막 식각 공정이 진행되는 경우, 상기와 같은 이유로 식각액으로 사용되는 희석 인산액의 높아진 농도를 적정 수준으로 낮추기 위해 상기 급수관(14)을 통해서 상기 식각조(10)에 직접 물이 공급된다.

그런데, 상기 식각조(10)내의 희석 인산액은 160℃이상의 고온이므로, 물과 인산의 화학반응은 불안정한 상태가 된다. 즉, 식각조(10)내에서 희석 인산액은 끓어 넘치게 된다. 또, 상기 급수관(14)을 통한 급수는 상기 식각조(10)의 바닥으로부터 이루어지므로, 식각조(10) 내의 인산액 희석은 바닥으로부터 시작된다. 따라서, 상기 식각조(10)에 급수가 이루어지는 시점에서 식각조(10)에 채워진 희석 인산액의 하층과 상층간에 농도의 차가 발생된다. 희석 인산액의 농도차는 바로 식각률의 차이를 의미하므로, 상기 웨이퍼(W) 상에 형성된 나이트라이드막의 식각률이 영역에 따라 달라지게 된다. 즉, 식각 균일도가 저하된다.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술이 갖는 문제점을 해소하기 위한 것으로써, 습식 식각 과정에서 나타나는 식각액의 농도 변화를 보상하기 위한 급수 단계에서 식각 대상의 식각 균일도가 저하되는 것을 방지할 수 있고 식각조내에서 식각액 상태가 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있는 습식 식각 장치를 제공함에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 습식 식각 장치를 이용한 습식 식각 방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 습식 식각 장치의 개략적 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 습식 식각 장치의 개략적 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 습식 식각 장치에서 식각 탱크의 평면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

40:식각탱크 42:식각조

44:외조 46:식각탱크

48:혼합 수단 48a:혼합탱크

48b:혼합조 48c:저장조

48d:분사홀

48e, 50a, 50b:제1 내지 제3 노즐

F:필터 H:히터

P:펌프 G1, G2:제1 및 제2 순환 라인

L1:급수 라인 L2:배기 라인

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 식각조와 상기 식각조의 일단에서 타단으로 식각액을 순환시키는데 사용되는 순환라인과 상기 순환 라인에 설치된 펌프와 상기 순환 라인에 설치된 히터와 상기 순환라인에 설치되어 있으면서 상기 식각액을 희석하는데 사용되는 혼합 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 습식 식각 장치를 제공한다.

여기서, 상기 혼합 수단은 혼합 탱크, 상기 혼합 탱크내에 구비되어 있고 상기 순환 라인에 연결되는 혼합조, 상기 혼합조로부터 흘러 넘치는 희석된 식각액을 담기 위한 것으로 상기 순환 라인에 연결되는 저장조, 상기 혼합 탱크를 통해 상기 혼합조에 연결된 급수관 및 상기 혼합 탱크내에 발생되는 기체를 배출시키기 위해상기 혼합 탱크 외부로 연결된 배기관을 구비한다.

상기 혼합 수단은 상기 펌프와 상기 히터 사이의 순환 라인에 구비되어 있다. 그리고 상기 제2 순환 라인은 상기 식각조 바닥의 두 군데에 연결되어 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 식각조로부터 유출된 식각액에 희석액을 첨가하는 단계와 상기 희석액이 첨가된 식각액의 온도를 공정에 적합한 온도로 유지하는 단계와 상기 희석액이 첨가되고 공정에 적합한 온도로 유지되는 식각액을 상기 식각조에 공급하는 단계 및 상기 식각조에서 식각공정을 수행하는 단계를 포함하는 습식 식각 방법을 제공한다.

이 과정에서, 상기 식각조로부터 유출된 식각액에 희석액을 첨가하는 단계는 상기 식각조와 독립된 혼합 수단을 사용하여 농도가 달라진 식각액에 물을 첨가하는 단계를 포함한다.

상기 식각에 알맞은 농도로 희석되고 공정에 알맞는 온도로 유지되는 상기 식각액은 상기 식각 탱크 바닥의 두 곳을 통해 공급한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 희석된 식각액으로 채워진 식각 탱크에 식각 대상물을 로딩하여 식각하는 단계와 상기 식각과정에서 상기 희석된 식각액의 농도 변화를 보상하기 위해 상기 희석된 식각액에 희석액을 첨가하되, 상기 식각탱크와 독립된 혼합 수단을 사용하여 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 식각 방법도 제공한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 두 실시예에서 상기 희석액이 첨가된 식각액은 나이트라이드막을 식각하기 위한 것으로 농도가80wt%∼90wt%, 바람직하게는 85WT%정도이고 온도가 160℃정도로 유지되는 인산(H₃PO₄)액을 사용한다.

상기 혼합 수단은 상기 습식 식각 장치의 혼합 수단과 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 습식 식각 장치는 식각조 및 식각조 상부를 둘러싸는 외조가 구비된 식각 탱크 외부에 별도의 혼합 수단을 구비하고 있고, 여기서 농도가 변화된 식각액의 농도를 식각에 알맞은 조절한 다음, 식각조에 유입되기 전에 식각액을 식각에 알맞은 온도까지 가열한다. 이렇게 함으로써, 식각조내에서 식각액의 불안정한 상태를 방지할 수 있고, 식각 대상물을 균일하게 식각할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 습식 식각 장치 및 이를 이용한 습식 식각 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 또한, 도면상에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 2를 참조하면, 참조번호 40은 식각 탱크이고, 식각 탱크(40)에 식각 대상물, 예컨대 식각하고자 하는 물질막이 형성된 기판에 대한 습식식각이 이루어지는 식각조(42)와 식각조(42) 상부를 둘러싸는 외조(44)가 구비되어 있다. 상기 외조(44)는 상기 식각 과정에서 상기 식각조(42)로부터 흘러 넘치는 식각액을 받아두는 역할을 한다. 상기 식각조(42)와 외조(44)로 이루어지는 식각 탱크(40) 바깥에 별도의 혼합 수단(48)이 구비되어 있고, 상기 혼합 수단(48)과 상기 외조(44) 사이에 양자를 연결하는 제1 순환 라인(G1)이 구비되어 있다. 상기 제1 순환라인(48)에 펌퍼(P)가 설치되어 있다. 상기 펌프(P)는 상기 외조(44)로 흘러 넘치는 희석된 식각액을 상기 혼합 수단(48)으로 펌핑하는 역할을 한다. 상기 혼합 수단(48)은 상기 제1 순환 라인(G1)을 통해 공급되는 희석된 식각액의 농도를 보상하기 위한 수단으로써 식각액에 희석액을 첨가하는 역할을 한다.

예컨대, 상기 희석된 식각액이 나이트라이드막을 식각하는데 사용되는 80wt%∼90wt%, 바람직하게는 85WT%정도의 인산 농도를 갖는 희석된 인산(H₃PO₄)액인 경우, 상기 희석된 인산액은 160℃이상의 고온으로 가열된 상태에서 식각에 사용되므로, 희석에 사용된 물이 급격히 증발된다. 따라서, 상기 외조(44)에서 상기 제1 순환 라인(G1)을 통해 상기 혼합 수단(48)으로 펌핑되는 희석된 인산액에서 인산의 농도는 85WT%를 상회하게 된다. 본 명세서 서두에서 밝힌바와 같이, 인산의 농도가 85WT%를 상회하면 나이트라이드막의 식각률이 저하되므로, 상기 외조(44)에 있는 희석된 인산액을 다시 상기 식각조(42)에 사용하는 것은 바람직하지 않고, 상기 농도가 높아진 인산액에 물을 첨가하여 희석된 인산액의 농도를 85WT%정도로 낮춰서 공급하는 것이 바람직한데, 상기 혼합 수단(48)은 바로 이러한 역할을 담당하는 설비이다.

상기 혼합 수단(48)에 혼합 탱크(48a)가 구비되어 있고, 그 안에 혼합조(48b)와 저장조(48c)가 구비되어 있다. 상기 저장조(48c)는 상기 외조(44)와 동일한 역할을 한다. 상기 제1 순환 라인(G1)의 상기 혼합 수단(48)측에 연결되는 부분은 상기 혼합조(48b)에 연결되어 있다. 상기 혼합 탱크(48a)를 통해 상기 혼합조(48b)에 급수관(L1)이 연결되어 있는데, 혼합조(48b)의 바닥에 상기 급수관(L1)과 연결되고 복수개의 분사홀(48d)이 형성된 제1 노즐(48e)이 깔려 있다. 상기 혼합 탱크(48a)의 상부에 밖으로 연결되는 배기관(L2)이 구비되어 있다. 상기 배기관(L2)은 희석된 식각액의 농도가 조절되는 동안 상기 희석 탱크(48)안에 발생되는 기체를 밖으로 배기시키는 역할을 한다. 상기 혼합 수단(48)의 상기 식각 탱크(40)사이에 제2 순환 라인(G2)이 구비되어 있다. 상기 제2 순환 라인(G2)은 혼합 수단(48)의 저장조(48c)와 상기 식각 탱크(40)의 식각조(42)를 연결한다. 상기 제2 순환 라인(G2)의 상기 식각조(42)에 연결되는 부분은 두개로 분기되고, 분기된 각각은 식각조(42)의 바닥 모서리에 구비된 제2 및 제3 노즐(50a, 50b)에 연결되어 있다. 도 3에서 보듯이 상기 제2 및 제3 노즐(50a, 50b)은 동형이며 상기 식각조(42)의 모서리를 따라 평행하게 구비되어 있다. 상기 제2 순환 라인(G2)의 상기 식각조(42)에 연결되는 분기된 두 부분은 각각 상기 제2 및 제3 노즐(50a, 50b)의 중간쯤에 연결되어 있다. 상기 제2 순환 라인(G2)의 상기 혼합 수단(48) 가까운 쪽에 히터(H)가 구비되어 있고, 상기 식각 탱크(40) 가까운 쪽에 필터(F)가 구비되어 있다. 상기 히터(H)는 상기 혼합 수단(48)의 저장조(48c)로부터 공급되는 희석된 식각액을 식각 공정에 알맞은 온도, 예컨대 160℃이상으로 가열하는 역할을 하고, 상기 필터(F)는 가열된 희석 세정액에 포함된 불순물, 예컨대 식각 부산물을 여과하는 역할을 한다.

다음은 상술한 본 발명의 실시예에 의한 습식 식각 장치를 이용한 습식 식각 방법에 대해 설명한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 식각조(42)에 희석된 식각액, 예컨대80wt%∼90wt%, 바람직하게는 85WT%정도의 농도로 희석된 인산액을 채운다. 이때, 상기 식각액은 식각에 알맞은 온도, 예컨대 160℃이상으로 유지하는 것이 바람직하다. 이어서, 상기 식각조(42)에 피식각 물질막, 예컨대 나이트라이드막이 형성된 웨이퍼(W)를 넣어 식각을 실시한다. 식각이 실시되는 동안 희석된 식각액은 상기 제1 및 제2 순환 라인(G1, G2)을 통해 계속 순환된다. 이 과정에서 상기 희석된 식각액에 포함된 식각 부산물은 필터(F)에 의해 제거된다. 또, 상기 희석된 식각액의 농도가 변하지 않는 한, 혼합 수단(48)에서 순환되는 희석된 식각액에 추가적인 급수는 하지 않는 것이 바람직하다.

상기 식각 탱크(40)의 외조(44)로부터 펌핑되는 희석된 세정액의 농도가 변하기 시작하면 상기 혼합 수단(48)으로 펌핑되는 희석된 세정액의 농도를 측정하여 변화된 농도를 보상할 수 있을 정도의 물을 급수관(L1)을 통해 상기 희석된 세정액에 첨가한다.

예컨대, 상기 식각액이 인산액인 경우, 희석된 식각액의 농도 변화는 식각액의 농도가 증가되는 방향으로 일어난다. 따라서, 상기 인산액의 농도가 85WT%정도로 낮아질 때까지 상기 혼합 수단(48)의 혼합조(48b)에 급수한다. 이때, 상기 혼합조(48b)로 펌핑되는 희석된 식각액의 온도는 크게 낮아진 상태이므로, 상기 희석된 식각액에 상기 급수관(L1)을 통해 공급되는 물이 첨가되더라도 상기 식각조(42)에 급수될 때 나타날 수 있는 희석된 식각액의 불안정한 반응은 나타나지 않는다. 즉, 상기 혼합조(48b)로 펌핑된 희석된 식각액과 상기 급수관(L1)을 통해 공급된 물은 혼합조(48b)에서 안정되게 반응하여 희석된 식각액이 혼합조(48b)에서 저장조(48c)로 흘러 넘치는 시점에서 상기 희석된 식각액의 농도는 식각에 알맞은 농도, 예컨대 피식각 물질막이 나이트라이드막이고 그 식각액이 인산액인 경우 85WT%정도로 조절된 상태가 된다. 이 과정에서 상기 혼합 탱크(48a)안에 발생된 기체는 배기관(L2)을 통해 혼합 탱크(48a)밖으로 배기된다. 상기 혼합 탱크(48a)에서 농도가 조절된 상기 희석된 식각액은 제2 순환 라인(G2)을 통해 상기 저장조(48c)에서 상기 식각조(42)로 공급된다. 그 과정에서 상기 2 순환 라인(G2)에 구비된 히터(H)에 의해 상기 희석된 식각액은 식각에 알맞은 온도, 예컨대 160℃이상으로 가열되고, 필터(F)에 의해 포함된 식각 부산물이 제거된다. 이와 같이, 상기 식각조(42)에 유입되는 희석된 식각액은 식각조(42)에 유입되기 전에 미리 그 농도 및 온도가 식각에 알맞게 조절되어 식각조(42) 내에서는 안정한 상태를 유지하게 된다. 따라서, 상기 식각조(42)내에서 종래와 같이 희석된 식각액이 끓어 넘치는 불안정한 반응은 나타나지 않게 된다. 또, 식각 대상물의 상기 식각조(42) 바닥에 가까운 영역과 먼 영역사이에 식각률이 달라지는 식각 균일도 불량도 나타나지 않는다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기 보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도 2 및 도 3에 도시한 습식 식각 장치를 습식 식각이 아닌 다른 공정에도 적용할 수 있을 것이다. 즉, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같은 구성의 장치를 SC-1(NH₄OH:H₂0₂:H₂O)을 희석된 세정액으로 사용하는 세정 장치로 사용하여 SC-1의 농도 조절에 이용할 수 있을 것이며, 상기 제1 순환 라인(L1)의 펌프(P) 전, 후에 식각액 농도 측정기를 설치할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 습식 식각 장치는 식각조 및 외조로 구성된 식각 탱크 외부에 희석된 식각액 농도 변화를 보상하기 위한 별도로 혼합 수단을 구비하고 있고, 여기서 식각과정에서 농도가 변화된 식각액의 농도를 식각에 알맞게 조절한 다음 식각에 알맞은 온도까지 가열하여 식각조에 공급한다. 이렇게 함으로써, 식각조내에서 희석된 식각액의 상태를 안정화시킬 수 있고, 식각 대상물의 영역에 따른 식각 불균일성을 해소할 수 있다.

Claims (6)

1. 식각조;

   상기 식각조의 일단에서 타단으로 식각액을 순환시키는데 사용되는 순환라인;

   상기 순환 라인에 설치된 펌프;

   상기 순환 라인에 설치된 히터; 및

   상기 순환라인에 설치되어 있으면서 상기 식각액의 희석에 사용되는 혼합 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 습식 식각 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 혼합 수단은

   혼합 탱크;

   상기 혼합 탱크내에 구비되어 있고 상기 순환 라인에 연결되는 혼합조;

   상기 혼합조로부터 흘러 넘치는 희석된 식각액을 담기 위한 것으로 상기 순환 라인에 연결되는 저장조;

   상기 혼합 탱크를 통해 상기 혼합조에 연결된 급수관; 및

   상기 혼합 탱크내에 발생되는 기체를 배출시키기 위해 상기 혼합 탱크 외부로 연결된 배기관을 구비하는 것을 특징으로 하는 습식 식각 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 혼합 수단은 상기 펌프와 상기 히터 사이의 순환 라인에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 습식 식각 장치.
4. 식각조로부터 유출된 식각액에 희석액을 첨가하는 단계;

   상기 희석액이 첨가된 식각액의 온도를 공정에 적합한 온도로 유지하는 단계;

   상기 희석액이 첨가되고 공정에 적합한 온도로 유지되는 식각액을 상기 식각조에 공급하는 단계; 및

   상기 식각조에서 식각공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 식각 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 식각조로부터 유출된 식각액에 희석액을 첨가하는 단계는 상기 식각조와 독립된 혼합 수단을 사용하여 농도가 달라진 식각액에 물을 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 식각 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 희석액이 첨가된 식각액은 나이트라이드막을 식각하기 위한 것으로 농도가 80wt%∼90wt%정도이고 온도가 160℃정도로 유지되는 인산(H₃PO₄)액인 것을 특징으로 하는 습식 식각 방법.