Chapter 14

종말점과 균일도

식각을 시작하는 것은 쉽다. 어려운 것은 멈추는 것이다. 너무 일찍 멈추면 트렌치 바닥에 산화막이 남아 접촉이 끊기고, 너무 늦게 멈추면 정지막이 뚫리고 마스크가 바닥난다. 게다가 웨이퍼는 지름 300 mm이고 그 위의 수십억 개 트렌치가 같은 순간에 바닥에 닿지 않는다. 이 장은 식각 흐름의 마지막 단계, 장비가 "지금 바닥에 닿았다"를 어떻게 알아채고 그 뒤로 얼마나 더 깎을지를 정하는 일을 다룬다.

정지막에 닿는 순간 플라스마 발광(OES)이 어떻게 바뀌는지 단면과 함께 설명한다.
열린 면적, 잡음, 필터가 종말점 검출의 늦음과 오차를 정하는 방식을 이해한다.
레이저 간섭계 신호의 주기 $\lambda/2n$로 식각 속도와 남은 두께를 구한다.
웨이퍼 안의 식각 속도 분포에서 필요한 과식각과 정지막 손실을 계산한다.
챔버 시즈닝, 첫 장 효과, 드리프트를 APC로 보정하는 원리를 말한다.

시간으로 멈추면 안 되는 이유

가장 단순한 방법은 시간으로 멈추는 것이다. EB-20의 산화막 160 nm를 식각 속도 400 nm/분으로 판다면 24초면 된다. 그런데 식각 속도는 고정된 값이 아니다. 챔버 벽의 상태, 웨이퍼의 열린 면적, 앞 웨이퍼에서 쌓인 고분자, 부품의 마모에 따라 몇 %씩 흔들린다. 막의 두께도 증착 장비의 산포만큼 흔들린다. 시간으로 멈추면 이 흔들림이 그대로 바닥의 결과가 된다.

그래서 식각을 세 부분으로 나눈다.

주 식각(Main etch): 대상막을 정지막까지 판다. 끝은 장비가 신호로 판정한다.
종말점(Endpoint, EPD): 대상막이 다 열려 정지막이 드러나는 순간. 웨이퍼 전체에서 보면 한 순간이 아니라 짧은 구간이다.
과식각(Over-etch): 종말점 뒤로 일부러 더 깎는 시간. 느린 곳, 좁은 곳, 두꺼운 곳까지 다 열기 위해서다. 그동안 먼저 열린 곳의 정지막과 마스크가 버텨야 한다.

이 책의 입자 시뮬레이터는 기본 레시피의 이론적 열린 평면 속도(openRate)로 정규화한 시간을 쓴다. 실제 셀 제거량은 이 이론값과 다르다. 이 장에서는 환산의 예로 이론적 기준 속도를 $R_0 = 400$ nm/분으로 잡는다. 그러면 시간 1 = 0.15초이고, EB-20의 기준 식각 시간 400은 60초, 정지막 도달 약 300은 45초다.

방법	무엇을 보나	장점	약점
시간	시계	단순하다	속도와 두께의 산포를 그대로 받는다
발광 분광 (OES)	플라스마의 빛, 생성물·반응물의 선 세기	장비마다 기본, 웨이퍼 전체를 본다	열린 면적이 작으면 신호가 작다
레이저 간섭계	웨이퍼 한 점의 반사광 세기	두께를 실시간으로 잰다, 중간에서 멈출 수 있다	한 점만 본다, 무늬가 있으면 해석이 어렵다
질량 분석 (RGA)	배기 가스의 분자 질량	생성물을 직접 본다	느리다, 장비가 크다
RF 전기 신호(V-I 탐침)	임피던스, 바이어스의 변화	잡음이 작다	변화의 원인을 해석하기 어렵다

발광 분광: 플라스마의 색이 바뀐다

플라스마가 빛나는 것은 전자에 맞아 들뜬 원자·분자가 바닥 상태로 내려오며 빛을 내기 때문이다(3장). 빛의 파장은 종마다 정해져 있다. 산화막을 불화탄소로 깎으면 산화막의 산소가 탄소와 만나 CO가 생기고, CO는 483.5 nm, 519.8 nm 같은 띠에서 빛난다. 정지막인 질화막이 드러나면 CO가 줄고 대신 질소가 나와 CN(387 nm)이 늘어난다. 이 변화를 분광기로 읽는 것이 발광 분광 종말점(OES, Optical emission spectroscopy)이다.

OES 종말점의 구성. 챔버 옆 창으로 나온 빛을 광섬유로 분광기에 보내 몇 개 파장의 세기를 시간에 따라 기록한다. 산화막이 다 열리면 생성물 CO의 빛이 줄고 질화막에서 나온 CN의 빛이 는다. 웨이퍼 전체의 빛을 한꺼번에 보므로 웨이퍼 평균의 종말점이다.

빛의 세기는 그 종의 밀도에만 비례하지 않는다. 전자 밀도와 전자 온도가 바뀌면 같은 밀도에서도 빛이 세지거나 약해진다. 그래서 들뜸 문턱이 비슷한 비활성 기체(Ar)를 조금 섞고 그 빛과의 비를 쓴다. 이것을 액티노메트리(Actinometry)라 한다.

$$n_X \;\approx\; C\,\frac{I_X}{I_{\text{Ar}}}\, n_{\text{Ar}}$$

$I_X$는 종 X의 선 세기, $I_{\text{Ar}}$는 비슷한 들뜸 문턱을 갖는 Ar 선(예: 750.4 nm)의 세기, $n_{\text{Ar}}$는 알고 있는 Ar 밀도, $C$는 두 선의 들뜸 단면적 비로 정해지는 상수다. 전자 쪽의 변화가 분자와 분모에서 상쇄된다. 대표적인 짝은 F 703.7 nm / Ar 750.4 nm다.

식각	보는 선	파장 (nm)	종말점에서
산화막 (불화탄소)	CO	483.5, 519.8	감소
산화막 → 질화막 정지	CN, N₂	387, 337	증가
실리콘 (불소)	SiF / F	440 / 703.7	SiF 감소, F 증가(덜 소모되므로)
폴리실리콘 (염소·브롬)	SiCl / Cl	287 / 837.6	SiCl 감소
알루미늄 (염소)	AlCl / Al	261 / 396	감소
탄소막·레지스트 (산소)	CO / O	483.5 / 777	CO 감소, O 증가

아래 시뮬레이터는 EB-20을 7장의 엔진으로 깎으면서, 매 순간 산화막이 깎여 나간 양을 CO 빛으로, 질화막이 깎인 양을 CN 빛으로 바꿔 그린다. 왼쪽 단면이 내려가는 것과 오른쪽 신호가 함께 움직인다. 식각이 끝나면 시간 손잡이로 되감아 본다.

SIMULATOR

EB-20이 정지막에 닿는 순간 CO 빛이 꺼진다

시간 (식각 뒤 되감기) 잡음 CN 387 nm도 보기

CO 483 nmCN 387 nm도함수

시간—

가운데 깊이—

남은 정지막—

CO 세기(처음 = 1)—

판정한 종말점—

해볼 것: ① 식각 시작을 누르고 CO 선을 본다. 처음부터 조금씩 줄어든다. 트렌치가 깊어질수록 바닥에 닿는 이온과 라디칼이 줄어 식각 속도가 떨어지기 때문이다(10장의 ARDE). ② 시간 약 300에서 CO가 뚝 떨어지고 CN이 오른다. 주황 도함수 곡선이 가장 깊이 내려간 곳이 종말점이다. ③ 끝난 뒤 시간 손잡이를 280, 300, 320으로 옮겨 단면과 신호를 맞춰 본다. ④ 잡음을 0.15로 올린다. 도함수가 잡음에 묻혀 종말점 판정이 흔들린다. (모델: ET.sim으로 EB-20을 깎으며 시간 5마다 산화막·질화막의 줄어든 양을 세어 신호로 바꿨다. 신호는 트렌치 하나의 것이므로 웨이퍼 전체가 동시에 닿는 경우와 같다. 도함수는 폭 15의 이동 평균 뒤 차분.)

트렌치 하나만 보면 종말점은 날카롭다. 산화막이 다 열리는 순간 CO의 근원이 사라진다. 그래도 신호가 0으로 떨어지지 않는 것은 트렌치 윗부분 측벽과 마스크 아래 모서리의 산화막이 조금씩 계속 깎이기 때문이다. 판정은 보통 세기 자체보다 세기의 기울기로 한다. 기울기가 정한 문턱을 넘어 떨어졌다가 다시 평평해지는 곳을 종말점으로 잡는다.

열린 면적이 작으면 신호도 작다

위 시뮬레이터에서 CO는 크게 떨어졌다. 단면의 절반이 트렌치였기 때문이다. 실제 웨이퍼에서 식각되는 면적, 곧 열린 면적 비율(Open area ratio)은 층에 따라 크게 다르다. 게이트 식각처럼 웨이퍼 대부분을 깎는 층은 수십 %지만, 접촉 구멍이나 비아 층은 1% 아래로 내려간다. CO 빛의 변화량은 열린 면적에 비례하는데, 플라스마 자체의 빛과 잡음은 그대로다. 열린 면적이 작으면 종말점의 변화가 잡음에 묻힌다.

$$\text{SNR} \approx \frac{\Delta I}{\sigma_I} \propto \frac{A_{\text{open}}\, R}{\sigma_I}, \qquad \sigma_{\bar I} = \frac{\sigma_I}{\sqrt{N}}$$

$\Delta I$는 종말점에서 바뀌는 신호의 크기, $\sigma_I$는 한 번 잴 때의 잡음, $A_{\text{open}}$은 열린 면적 비율, $R$은 식각 속도다. 이동 평균으로 $N$개를 평균하면 잡음은 $\sqrt N$분의 1로 줄지만, 평균 창의 절반만큼 판정이 늦어진다.

그래서 열린 면적이 작은 층에서는 파장을 여러 개 합치거나, 수백 개 파장의 스펙트럼 전체를 주성분 분석(PCA)으로 묶어 변화하는 성분만 뽑는다. 아래에서 열린 면적과 평균 창을 바꿔 가며 판정이 얼마나 정확하고 얼마나 늦는지 본다. 실제 종말점은 시간 300(45초)이다.

SIMULATOR

열린 면적, 잡음, 평균 창

열린 면적 평균 창 판정 문턱 (도함수, 잡음의 배수)

신호 변화 / 잡음—

판정한 종말점—

실제와의 차—

판정—

해볼 것: ① 열린 면적 10%에서는 종말점이 또렷하다. ② 열린 면적을 1% 아래로 내린다. 변화가 잡음보다 작아져 잘못된 곳에서 판정하거나 아예 못 잡는다(새 잡음을 여러 번 눌러 본다). ③ 그 상태에서 평균 창을 40 넘게 키운다. 판정은 다시 되지만 수 초 늦어진다. 그 늦음은 그대로 과식각이 된다. ④ 문턱을 낮추면 일찍 잡지만 잡음에 속기 쉽다. (모델: 신호 = 배경 1 + 열린 면적 × 로지스틱 감소(폭 6) + 가우시안 잡음 σ = 0.01. 판정: 이동 평균의 도함수가 처음 도함수 잡음의 k배 아래로 내려간 시각. 시간 1 = 0.15초.)

판정이 늦는 만큼 정지막은 더 깎인다. 반대로 너무 일찍 판정하면 덜 열린 곳이 남는다. 그래서 OES로 판정한 뒤에 고정된 비율(예: 주 식각 시간의 20~40%)의 과식각을 붙이는 것이 보통이다. 그 비율을 정하는 것이 뒤의 균일도다.

레이저 간섭계: 남은 두께를 실시간으로

OES가 "다 열렸다"를 알려 준다면, 간섭계는 "얼마나 남았다"를 알려 준다. 웨이퍼의 한 점에 레이저나 백색광을 비추고 반사광의 세기를 잰다. 막의 윗면에서 반사한 빛과 아랫면에서 반사한 빛이 겹치는데, 막이 얇아지면 두 빛의 경로 차가 바뀌어 세기가 밝아졌다 어두워졌다를 되풀이한다.

$$\delta = \frac{4\pi n d}{\lambda}, \qquad \Delta d_{\text{한 주기}} = \frac{\lambda}{2n}, \qquad R_{\text{식각}} = \frac{\lambda}{2n\,T}$$

$d$는 막 두께, $n$은 막의 굴절률, $\lambda$는 파장, $T$는 신호 한 주기의 시간이다. 산화막($n \approx 1.46$)에 670 nm 빛을 쓰면 한 주기가 약 229 nm다. 반사율은 공기/막/기판 세 층의 프레넬 식으로 계산한다.

한 주기가 지나는 데 걸린 시간으로 식각 속도를 알고, 남은 주기의 위상으로 남은 두께를 안다. 그래서 정지막이 없는 식각, 예를 들어 막 중간에서 멈춰야 하는 리세스 식각에 쓴다. 아래는 실리콘 위 산화막을 균일하게 깎을 때의 반사 신호다.

SIMULATOR

간섭 신호로 두께 읽기

그래프를 끌어 시간을 옮긴다

처음 산화막 두께 멈출 두께 (리세스 목표)

한 주기의 두께 λ/2n—

지금 두께—

반사율—

지나간 주기—

판정—

해볼 것: ① 670 nm, 두께 300 nm에서 신호가 한 번 반쯤 진동한다. 주기 하나가 229 nm다. ② 두께를 100 nm로 줄인다. 반 주기도 안 돼 속도를 재기 전에 식각이 끝난다. ③ 254 nm로 바꾼다. 주기가 약 85 nm로 짧아져 얇은 막에서도 진동이 여러 번 보인다. 대신 자외선은 플라스마 빛과 겹치고 광학계가 비싸다. ④ 그래프를 끝(회색 점선 오른쪽)까지 끈다. 막이 다 깎이면 신호가 평평해진다. 이것도 종말점 신호다. (모델: 공기/SiO₂/Si 세 층의 수직 입사 프레넬 반사. SiO₂ n = 1.46, 1.47, 1.51. Si n + ik = 3.82 + 0.01i, 5.42 + 0.33i, 1.69 + 3.60i(670, 405, 254 nm). 식각 속도 400 nm/분 일정.)

무늬가 있는 웨이퍼에서는 이야기가 복잡해진다. 마스크 윗면, 트렌치 바닥, 측벽에서 반사한 빛이 섞이고, 무늬가 빛의 파장보다 작으면 회절까지 생긴다. 그래서 여러 파장을 한꺼번에 재고 모델과 맞추는 광대역 간섭계, 곧 식각 중에 하는 산란 계측(in-situ OCD)이 쓰인다. 트렌치의 깊이를 재려면 바닥과 윗면에서 온 두 빛의 간섭을 본다. 깊이 $D$가 $\lambda/2$씩 늘 때마다 한 주기가 지난다.

웨이퍼의 가운데와 가장자리

OES는 웨이퍼 전체의 빛을 본다. 웨이퍼 위의 모든 트렌치가 같은 순간에 정지막에 닿는다면 신호는 앞의 시뮬레이터처럼 날카롭게 떨어진다. 실제로는 그렇지 않다. 플라스마 밀도, 가스 흐름, 웨이퍼 온도, 가장자리의 전기장이 반지름에 따라 달라서 식각 속도가 가운데와 가장자리에서 몇 % 다르다(5장). 이 차이를 숫자 하나로 적는 방법이 불균일도(Non-uniformity)다.

$$U = \frac{R_{\max} - R_{\min}}{2\,\bar R}\times 100\% \qquad\text{또는}\qquad U_{1\sigma} = \frac{\sigma_R}{\bar R}\times100\%$$

웨이퍼 위 수십~수백 점에서 잰 식각 속도로 계산한다. "±U%"라고 쓸 때는 앞의 범위 정의다. 가장자리 몇 mm는 보통 계산에서 뺀다(가장자리 제외, edge exclusion).

가장 느린 곳이 닿을 때까지 기다려야 하므로 필요한 과식각은 가장 빠른 곳과 가장 느린 곳의 비로 정해진다.

$$\text{OE}_{\min} = \frac{t_{\text{느림}}}{t_{\text{빠름}}} - 1 = \frac{R_{\max}}{R_{\min}} - 1 \approx \frac{2U}{1-U}, \qquad \Delta_{\text{정지막}} = r_{\text{정지막}}\,(t_{\text{끝}} - t_{\text{빠름}})$$

$t_{\text{빠름}}, t_{\text{느림}}$은 각각 가장 빠른 곳과 가장 느린 곳이 정지막에 닿는 시각이다. $r_{\text{정지막}}$은 정지막이 드러난 뒤 깎이는 속도로, EB-20의 엔진에서는 트렌치 안에서 시간 100에 약 2.2 nm, 곧 시간당 약 0.022 nm다. 균일도 ±5%면 최소 과식각이 약 11%다.

아래 지도에서 반지름에 따른 식각 속도를 손잡이 셋으로 정한다. 왼쪽은 위에서 본 웨이퍼, 오른쪽은 반지름 방향 단면의 속도 분포다. 과식각 슬라이더로 언제 멈출지 정하면, 웨이퍼 위 모든 곳에서 정지막이 얼마나 깎였는지 색으로 보인다.

SIMULATOR

웨이퍼 지도와 과식각 예산

오른쪽 그래프의 손잡이를 위아래로 끈다

과식각 (가장 빠른 곳 도달 기준)

산화막 남음규격 안정지막 손실 3 nm 초과

불균일도 ±U—

최소 과식각—

멈춘 시각—

정지막 손실 최대—

판정—

해볼 것: ① 처음 분포는 가장자리가 5% 느리다. 과식각 33%면 모두 열리고 정지막 손실은 가운데에서 약 2.2 nm다. ② 가장자리 손잡이를 0.85까지 내린다. 기본 과식각 33%로도 모두 열리고 최대 정지막 손실은 약 2.1 nm로 3 nm 규격 안이다. 이 설정에서 필요한 최소 과식각은 약 21%다. 과식각을 더 늘리면 이미 열린 곳의 정지막 손실만 커진다. ③ "느린 곳 기준"으로 바꾼다. OES는 웨이퍼 평균을 보므로 실제로는 둘 사이 어딘가에서 판정된다. (모델: 정지막 도달 시간 = 300 / 상대 속도, 정지막 손실 = 0.022 nm × 도달 뒤 시간. 반지름 방향 속도는 세 손잡이를 잇는 2차 곡선. 웨이퍼 지름 300 mm.)

지도에서 보듯 균일도와 정지막의 두께는 한 장부에 적힌다. 정지막을 얇게 하고 싶으면 균일도를 좋게 해야 하고, 균일도가 나쁘면 정지막을 두껍게 해야 한다. 장비 쪽에서 균일도를 맞추는 손잡이는 가운데·가장자리로 나뉜 가스 주입(zone), 코일·전극을 여러 구역으로 나눈 전력, 정전척의 온도 구역, 웨이퍼 가장자리의 포커스 링 높이다. 포커스 링은 플라스마 속에서 깎여 닳으므로 그 높이가 바뀌면 가장자리 속도가 서서히 변한다.

단면으로 보는 가운데와 가장자리

이제 같은 그림을 단면과 신호로 본다. 웨이퍼의 어느 점이든 그 점의 식각 속도가 $k$배라면, 웨이퍼 시각 $t$에서 그 점의 단면은 기준 식각의 시각 $k\,t$의 단면과 같다고 본다. 그러면 엔진으로 EB-20을 한 번만 깎아 두고 가운데와 가장자리를 함께 그릴 수 있다. 웨이퍼 전체의 OES는 반지름마다 면적으로 가중해 더한다.

SIMULATOR

가운데와 가장자리의 단면, 웨이퍼 전체의 OES

웨이퍼 시간 가장자리 상대 속도

가운데만웨이퍼 전체

가운데 / 가장자리 깊이—

가운데 / 가장자리 정지막—

가장자리 도달 시각—

상태—

해볼 것: ① "기준 식각 계산"을 누른다(위 OES 시뮬레이터를 이미 돌렸다면 바로 나온다). ② 웨이퍼 시간 300에서 가운데는 정지막에 닿았는데 가장자리(0.95)는 아직 바닥에 산화막이 몇 nm 남아 있다. 5% 차이로는 웨이퍼 전체의 신호가 가운데만의 신호와 거의 겹친다. ③ 가장자리 속도를 0.85로 내린다. 웨이퍼 전체의 CO 신호(파랑)가 한 번에 떨어지지 않고 비스듬히 무너진다. 이 기울기의 폭이 곧 필요한 과식각이다. ④ 시간을 400으로 옮겨 가운데의 정지막 손실을 본다. (모델: 기준 식각을 시간 5마다 저장하고, 상대 속도 k인 곳의 시각 t 단면을 기준 시각 k·t의 저장에서 꺼낸다. 속도 분포는 1 + (k−1)(r/R)².)

"웨이퍼 전체" 곡선이 OES가 실제로 보는 것이다. 가운데가 먼저 닿으면 신호가 내려가기 시작하고, 가장자리가 닿을 때 마저 내려간다. 도함수로 판정하면 그 사이 어딘가, 대개 웨이퍼의 넓은 쪽(면적의 대부분은 바깥 고리에 있다)이 닿는 때를 잡는다. 반지름의 바깥 절반이 웨이퍼 면적의 75%다.

과식각 예산

과식각은 균일도 하나만 덮는 것이 아니다. 늦게 열리는 원인을 모두 모으고, 정지막과 마스크가 그만큼을 견디는지 확인한다. EB-20에 대해 장부를 적으면 이렇다.

늦게 열리는 원인	크기(대략)	필요한 과식각
웨이퍼 안 식각 속도 불균일	±5%	약 11%
산화막 두께 산포	±2% (160 nm 중 ±3 nm)	약 4%
좁은 트렌치의 ARDE (10장)	폭 18 nm인 곳이 20 nm보다 약 5% 느림	약 5%
종말점 판정의 늦음·산포	평균 창, 잡음	약 3%
웨이퍼 간, 챔버 상태 차이	로트 안 드리프트	약 5%
여유		약 5%
합		약 33%

원인들이 서로 독립이라면 제곱합의 제곱근으로 더해도 되지만, 대부분의 공정은 단순합으로 보수적으로 잡는다. 이 33%가 EB-20의 기준 식각 시간 400 = 도달 약 300 + 과식각 약 100의 출처다. 그동안 엔진에서 정지막은 트렌치 가운데에서 약 2.2 nm(규격 3 nm), 마스크는 가장 얇은 곳이 약 34 nm(규격 15 nm) 남는다(8장).

과식각 중에 생기는 일들정지막 손실만이 아니다. 바닥이 질화막으로 바뀌면 이온이 바닥에서 덜 소모되고 측벽에 더 부딪혀 아래쪽이 넓어질 수 있다. 절연성 정지막 위에서는 전하가 쌓여 바닥 옆이 패이는 노칭이 생긴다(12장). 그래서 과식각 단계는 주 식각과 다른 조건, 예를 들어 바이어스를 낮추고 고분자를 늘린 조건으로 따로 짜는 경우가 많다.

챔버는 웨이퍼마다 조금씩 다르다

같은 레시피를 같은 장비에 걸어도 첫 웨이퍼와 백 번째 웨이퍼는 다르게 깎인다. 원인은 챔버 벽이다. 플라스마에 닿는 벽과 부품의 표면에는 식각 부산물과 불화탄소 고분자가 쌓이고, 벽은 라디칼을 흡수하거나 내놓는다. 벽이 깨끗하면 불소 라디칼을 많이 잡아먹어 식각이 느리고, 고분자로 덮이면 덜 잡아먹어 빨라진다. 습식 세정이나 부품 교체 직후의 첫 몇 장이 다르게 깎이는 첫 장 효과(First-wafer effect)가 그래서 생긴다.

시즈닝(Seasoning): 세정 뒤 더미 웨이퍼를 몇 장 깎아 벽을 정상 상태로 덮는다.
웨이퍼 없는 세정(WAC, Waferless auto clean): 웨이퍼마다, 또는 몇 장마다 O₂·NF₃ 플라스마로 벽의 고분자를 태워 매번 같은 출발점을 만든다.
APC(Advanced process control): 앞 웨이퍼의 측정값(식각 뒤 깊이, CD, OES로 본 도달 시간)으로 다음 웨이퍼의 시간이나 조건을 보정한다. 흔히 지수 가중 이동 평균(EWMA)을 쓴다.

$$\hat R_{i+1} = \lambda\,R_i + (1-\lambda)\,\hat R_i, \qquad t_{i+1} = \frac{d_{\text{목표}}}{\hat R_{i+1}}$$

$R_i$는 $i$번째 웨이퍼에서 잰 식각 속도, $\hat R$은 추정한 속도, $\lambda$(0~1)는 새 측정을 얼마나 믿을지다. $\lambda$가 크면 빨리 따라가지만 잡음도 따라간다.

아래는 한 로트 50장을 깎는 동안의 정지막 손실이다. 챔버 세정 직후 첫 장 효과와 서서히 진행하는 드리프트가 있다. 멈추는 방법을 바꿔 본다.

SIMULATOR

로트 50장: 시간, 종말점, APC

시즈닝 더미 웨이퍼 드리프트 (50장 동안) APC λ

열리지 않은 웨이퍼—

정지막 손실 최대—

규격(3 nm) 초과—

판정—

해볼 것: ① 고정 시간(400)으로 바꾼다. 세정 직후 첫 장은 느려서 정지막에 못 닿는다(빨간 ×). 드리프트를 +10% 넘게 올리면 로트 끝은 빨라져 정지막 손실이 3 nm를 넘는다. ② 시즈닝 더미를 5장 넣으면 첫 장 효과가 사라진다. ③ "시간 + APC"는 앞 웨이퍼의 측정 속도로 다음 시간을 고친다. 드리프트를 따라가지만 첫 장에는 소용이 없다. λ를 1로 올리면 잡음까지 따라 흔들린다. ④ OES 종말점은 웨이퍼마다 도달 시각을 직접 보고 그 뒤 33%를 붙이므로 손실이 거의 일정하다. (모델: 웨이퍼 i의 상대 속도 k = (1 − 0.35·exp(−i/2.5))(1 + 드리프트·i/50)(1 + 2% 잡음). 도달 = 300/k, 손실 = 0.022 nm × k × 도달 뒤 시간. OES 판정은 ±2 시간 단위 흔들림.)

OES 종말점이 가장 좋아 보이지만, 그것은 OES가 볼 수 있는 경우의 이야기다. 열린 면적이 작아 신호가 없거나 정지막이 없는 식각에서는 시간과 APC에 기대야 한다. 실제 생산에서는 셋을 섞는다. OES로 주 식각을 끊고, 과식각 시간은 APC로 보정하고, 챔버는 WAC와 시즈닝으로 같은 상태를 유지한다. 그리고 OES의 스펙트럼 자체를 웨이퍼마다 저장해 두면, 신호의 모양이 평소와 다를 때 챔버 이상을 먼저 알아채는 고장 감지(FDC)가 된다.

타깃 파일

TARGET EB-20타깃 파일 · 14장

시간 300에 CO가 꺼진다. 그 뒤 100을 더 깎는다

EB-20을 기준 레시피로 깎으면 트렌치 가운데가 시간 약 290~300(R₀ = 400 nm/분이면 약 44~45초)에 질화막에 닿는다. 그 순간 산화막이 깎여 나가는 양이 시간 5당 약 50 nm²에서 수 nm²로 떨어지고, CO 483 nm 신호가 무너지며 CN 387 nm가 오른다. 판정은 이동 평균의 도함수가 가장 깊이 내려간 곳으로 잡고, 엔진의 신호로는 약 300이다. CO 신호가 처음부터 조금씩 줄어드는 것은 트렌치가 깊어지며 바닥 속도가 떨어지는 ARDE 때문이다.

웨이퍼 가장자리가 5% 느리면 가장자리는 그보다 약 5% 늦게(약 305~316) 닿는다. 그 차이만 덮는 데 과식각 약 5%가 필요하고, 균일도 ±5%를 다 덮으려면 약 11%다. 두께 산포, 좁은 트렌치의 ARDE, 판정 산포, 로트 안 드리프트, 여유를 더해 과식각을 약 33%로 잡는다. 그래서 기준 시간이 400이다. 이때 가장 먼저 닿은 가운데의 정지막 손실은 약 2.2 nm, 마스크는 가장 얇은 곳이 약 34 nm 남는다. 둘 다 규격 안이다.

이 장에서 정한 것종말점 = CO 483 nm 감소(CN 387 nm 증가 확인), 시간 약 300. 과식각 약 33%(시간 100). 정지막 손실 약 2.2 nm. 세정 뒤 시즈닝, 로트 안 APC.

아직 남은 문제과식각 100 동안 정지막이 2 nm 넘게 깎이고, 정지막을 여는 단계는 그 아래 실리콘까지 건드린다. 원자 몇 층의 손실도 허락되지 않는 곳에서는 어떻게 하는가.

다음 단계15장에서 한 주기에 원자 한 층 남짓만 떼어 내는 자기 제한 식각으로 정지막 15 nm를 걷어 낸다.

핵심 정리

식각은 주 식각 → 종말점 → 과식각으로 나눈다. 시간만으로 멈추면 속도와 두께의 산포가 그대로 결과가 된다.
OES는 생성물·반응물의 발광 선(CO 483 nm, CN 387 nm, F 703.7 nm 등)의 변화로 종말점을 잡는다. Ar 선과의 비(액티노메트리)로 전자 쪽의 변화를 지운다.
신호의 변화는 열린 면적에 비례한다. 열린 면적이 작으면 평균과 다파장 분석이 필요하고, 평균 창만큼 판정이 늦어진다.
간섭계 신호의 한 주기는 막 두께 $\lambda/2n$이다. 주기로 속도를, 위상으로 남은 두께를 안다. 정지막 없이 중간에서 멈출 때 쓴다.
필요한 최소 과식각은 $R_{\max}/R_{\min} - 1 \approx 2U/(1-U)$이고, 그동안 먼저 열린 곳의 정지막이 $r_{\text{정지막}}\times$ 과식각 시간만큼 깎인다. 균일도와 정지막 두께는 한 장부에 적힌다.
과식각 예산은 균일도, 두께 산포, ARDE, 판정 산포, 드리프트, 여유의 합이다. EB-20은 약 33%다.
챔버 벽 상태가 식각 속도를 바꾼다. 시즈닝, 웨이퍼 없는 세정, APC(EWMA)로 웨이퍼 사이의 차이를 줄인다.

확인 퀴즈

산화막을 불화탄소 플라스마로 깎다가 질화막 정지막에 닿았다. OES에서 기대하는 변화로 가장 알맞은 것은?

CO는 산화막의 산소와 불화탄소의 탄소가 만나 생긴다. 산화막이 다 열리면 CO의 근원이 줄고, 질화막이 깎이며 나온 질소가 탄소와 만나 CN이 는다. Ar 선은 액티노메트리의 기준으로 거의 그대로다.

웨이퍼에서 식각 속도가 가장 빠른 곳이 가장 느린 곳보다 10% 빠르다(R_max/R_min = 1.1). 가장 느린 곳까지 열리려면 가장 빠른 곳이 정지막에 닿은 뒤 주 식각 시간의 몇 %를 더 깎아야 하나?

도달 시간은 속도에 반비례하므로 t_느림/t_빠름 = R_max/R_min = 1.1이다. 가장 빠른 곳 도달 뒤 10%를 더 깎아야 한다. 실제 과식각은 여기에 두께 산포, ARDE, 판정 산포 등을 더해 정한다.

633 nm 레이저로 굴절률 1.46인 산화막을 깎으며 반사 신호를 본다. 신호가 한 주기 진동하는 데 30초가 걸렸다. 식각 속도는?

한 주기의 두께는 λ/2n = 633 / 2.92 ≈ 217 nm다. 30초에 217 nm이므로 분당 약 434 nm다. 2n이 아니라 n으로 나누면 두 배로 틀린다. 빛은 막을 왕복하기 때문에 두께가 λ/2n 바뀔 때 경로 차가 한 파장 바뀐다.

비아 층처럼 열린 면적이 0.5%인 식각에서 OES 종말점이 자주 틀린다. 가장 직접적인 대책은?

신호 변화는 열린 면적에 비례하고 잡음은 그대로라서 SNR이 낮다. 여러 파장을 합치거나 주성분 분석으로 변화하는 성분만 뽑고, 시간 평균을 늘리면 SNR이 오른다. 대신 평균 창만큼 판정이 늦어지므로 그 늦음을 과식각 예산에 넣는다.