마이크로트렌칭과 노칭
단면 사진에서 트렌치 바닥은 평평해야 한다. 그런데 가끔 바닥의 양쪽 모서리에 가는 홈이 파이고 가운데가 볼록 남는다. 이것이 마이크로트렌치다. 또 정지막에 닿은 뒤 과식각을 하는 동안 측벽 맨 아래가 옆으로 패여 들어가기도 한다. 이것이 노칭이다. 둘 다 바닥 근처에서 이온이 "엉뚱한 곳"을 때려 생긴다. 앞의 것은 측벽에서 튄 이온이 모서리에 모여서, 뒤의 것은 대전된 바닥이 이온을 옆으로 밀어서다. 이 장은 식각 흐름의 프로파일 단계 가운데 바닥 모양을 다룬다.
- 기울어진 측벽에서 반사된 이온이 바닥 모서리에 모이는 기하를 그리고, 모서리 플럭스가 얼마나 커지는지 계산한다.
- 입자 시뮬레이터로 마이크로트렌치가 자라나는 모습을 보고, 반사 확률과 측벽 기울기의 영향을 구별한다.
- 전자 그늘이 바닥을 양으로 대전시키는 원리와, 그 전하가 정지막 위에서 노칭을 만드는 과정을 설명한다.
- 바이어스, 고분자, 펄스 플라스마, 저주파 바이어스 같은 대응이 각각 어느 원인에 듣는지 말한다.
평평하지 않은 바닥
11장에서 측벽을 때린 이온이 측벽을 부풀리는 것을 봤다. 측벽을 맞은 이온이 모두 거기서 멈추는 것은 아니다. 표면을 스치듯 맞은 이온(표면 법선과 이루는 각이 80° 안팎)은 상당수가 거울처럼 튕긴다. 튕긴 이온은 아직 에너지가 많이 남아 있어 다음에 맞는 곳을 깎는다. 측벽이 아래로 갈수록 좁아지는 모양(테이퍼)이면 튕긴 이온은 트렌치 안쪽, 바닥의 모서리 쪽으로 향한다.
두 결함은 모양이 비슷해 헷갈리지만 시점과 원인이 다르다. 마이크로트렌치는 주 식각 동안 바닥이 내려가면서 생기고, 측벽의 기울기와 이온 반사가 원인이다. 노칭은 정지막(절연체)이나 아래 막에 닿은 뒤 과식각 동안 생기고, 대전이 원인이다. EB-20의 규격은 마이크로트렌치 2 nm 이하다. 정지막을 뚫고 아래 실리콘까지 가면 소자가 망가지므로, 모서리가 가운데보다 먼저 정지막에 닿는 것은 그 자체로 위험하다.
반사 기하: 모서리로 모인다
측벽이 수직에서 \(\beta\)만큼 기울었다고 하자(측벽 각 \(90° - \beta\)). 수직으로 내려온 이온은 이 측벽을 법선과 \(90° - \beta\)의 각으로 맞는다. \(\beta\)가 몇 도라면 80°가 넘는 스치는 입사다. 거울 반사된 이온은 수직에서 \(2\beta\)만큼 기울어 트렌치 안쪽으로 날아간다.
아래에서 오른쪽 측벽 위 끝의 손잡이를 좌우로 끌어 측벽 기울기를 바꾼다. 수천 개의 이온을 날려 바닥이 받는 이온의 분포를 아래 막대로 그린다. 진한 선은 반사된 이온의 길이다.
기울어진 측벽에서 튄 이온은 어디로 가나
ET.sim과 같은 규칙: 계수 × (α − 65°)/21°, 86° 넘으면 계수 그대로. 반사 때 에너지 10% 손실.)기하에서 중요한 것이 셋 있다. 첫째, 반사가 일어나려면 입사각이 커야 하므로 살짝 기운 측벽이 가장 위험하다. 크게 기운 측벽은 이온을 반사하지 않고 흡수해 스스로 깎인다. 둘째, 반사 이온은 바닥에서 측벽의 가로 폭만큼 떨어진 곳까지만 간다. 모서리 바로 옆이 깊어지고 가운데는 직접 오는 이온만 받아 상대적으로 볼록하게 남는다. 셋째, 반사 확률은 재료와 표면 상태에 따라 다르다. 측벽에 고분자 보호막이 두껍게 쌓여 있으면 이온 에너지를 흡수해 반사가 줄어든다. 이온의 입사각에 따라 수율과 반사가 어떻게 바뀌는지를 다시 그려 보자.
입사각에 따라: 깎을까, 튕길까
ET.yIE, ET.ySP와 엔진의 반사 규칙을 그대로 그렸다. 반사된 이온은 수율에 넣지 않는다.)마이크로트렌치가 자란다
이제 입자 시뮬레이터로 실제로 깎는다. 실리콘에 위가 넓고 아래가 좁은 트렌치를 미리 파 두고(측벽 기울기 \(\beta\), 깊이 60 nm, 바닥 폭 약 40 nm), 염소·브롬화수소 실리콘 레시피로 이어서 깎는다. 마이크로트렌치를 잘 보기 위해 이온 각도 퍼짐을 1°로 줄이고 라디칼을 넉넉히(이온 제한 쪽으로) 줬다. 이 조건에서는 바닥 속도가 거의 이온 플럭스로 정해지므로, 이온이 몰리는 곳이 곧 깊게 파이는 곳이다.
측벽 반사로 생기는 마이크로트렌치
ET.sim, 폭 100 nm, 1 nm 셀, ET.recipe("silicon", {ion: {reflect, sigma: 1}, neu: {flux: 80}}). 홈 = 측벽에서 2 nm 넘게 떨어진 바닥 가운데 가장 깊은 곳(3열 평균) − 가운데 10 nm 평균 깊이.)시간에 따른 등고선을 보면 홈은 처음부터 있는 것이 아니라 바닥이 내려가면서 자란다. 홈이 생기면 바닥 모서리의 표면이 기울어 그 자리로 오는 반사 이온이 또 다른 곳을 향하고, 홈과 볼록한 가운데 사이의 비탈이 다시 반사판이 된다. 그래서 홈의 깊이는 한없이 커지지 않고 몇 nm 근처에서 자리 잡는다. 대신 바닥 전체가 정지막에 닿을 때 모서리가 먼저 닿는다.
전자 그늘: 바닥이 양으로 대전된다
이제 노칭으로 넘어간다. 원인은 전하다. 플라스마에서 웨이퍼로 오는 이온과 전자는 RF 한 주기 동안 평균하면 같은 양이다. 그래야 웨이퍼가 한없이 대전되지 않는다. 그런데 둘의 방향은 아주 다르다. 이온은 시스에서 수백 eV로 가속되어 수직에서 몇 도 안에 들어온다(4장). 전자는 시스의 전위 장벽이 낮아지는 짧은 순간에만 넘어오고, 온도가 수 eV라서 방향이 거의 고르다.
평평한 면에서는 이 차이가 상관없다. 좁고 깊은 트렌치에서는 다르다. 사방에서 오는 전자는 대부분 측벽 위쪽에 닿고 바닥까지 내려가지 못한다. 이온은 바닥까지 간다. 그래서 측벽 위쪽은 음전하가, 바닥은 양전하가 쌓인다. 이것이 전자 그늘(Electron shading)이다. 막이 도체라면 전하가 흘러 사라지지만 산화막과 질화막은 절연체라 남는다.
이온은 바닥으로, 전자는 측벽 위로
바닥에 양전하가 쌓이면 바닥 전위가 오른다. 전위는 이온 에너지 수백 eV에 비하면 수십 V 정도지만 이온을 멈추기에는 모자라도 옆으로 휘게 하기에는 충분하다. 바닥 가운데의 양전하가 들어오는 이온을 밀어내고, 측벽의 음전하가 끌어당긴다. 결과적으로 이온이 바닥 가장자리, 측벽 맨 아래로 휘어 들어간다. 바닥이 아직 산화막 안에 있을 때는 이것이 측벽 아래쪽을 넓히는 정도로 끝나지만, 바닥이 절연체 정지막에 닿아 더 내려가지 않으면 같은 자리를 계속 때린다. 정지막 바로 위의 측벽이 옆으로 패인다. 이것이 노칭(Notching)이다. 폴리실리콘 게이트를 산화막 위에서 과식각할 때 게이트 발 밑이 패이는 것이 고전적인 예다.
과식각 중의 노칭
EB-20으로 확인한다. 트렌치를 정지막까지 이미 판 상태에서 시작해, 과식각(시간 100)을 하는 동안 엔진의 대전 모델(ion.charge)을 켠다. 대전이 0이면 바닥이 정지막 위에서 멈추고 측벽은 그대로다. 대전을 올리며 정지막 바로 위를 본다.
EB-20 과식각: 대전이 정지막 위를 판다
ET.sim, 1 nm 셀, 화면이 멈추지 않도록 한 걸음 입자 수를 480개로 줄였다. 기본 산화막 레시피에 ion.charge만 바꿨다. 대전 모드는 바닥에 가까울수록 세제곱으로 세지는 가로 힘이라는 단순한 모형이다.)노칭은 측벽 맨 아래, 눈에 잘 띄지 않는 곳에 생긴다. 위에서 재는 CD는 멀쩡하고 정지막도 남아 있다. 그런데 메모리 셀의 트렌치에 나중에 금속을 채우면 노치 자리에서 이웃과의 간격이 좁아져 누설이 생기고, 게이트 식각에서는 게이트 발 밑이 파여 트랜지스터 특성이 달라진다. 그래서 단면 TEM으로 바닥 근처를 따로 확인한다.
대응: 반사를 줄이고, 전하를 지운다
마이크로트렌치와 노칭은 원인이 다르므로 대응도 따로 생각한다.
| 결함 | 대응 | 원리 | 대가 |
|---|---|---|---|
| 마이크로트렌치 | 측벽을 수직으로 (테이퍼 줄이기) | 수직 측벽은 수직 이온을 거의 맞지 않는다 | 측벽 보호를 줄이면 언더컷 위험 |
| 마이크로트렌치 | 측벽 고분자를 조금 두껍게 | 보호막이 스치는 이온의 에너지를 흡수해 반사를 줄인다 | 테이퍼가 커지면 오히려 반사판이 된다 |
| 마이크로트렌치 | 바이어스 낮추기 | 반사 이온의 에너지와 국부 식각 수율을 낮춘다 | 이방성·속도 저하 |
| 노칭 | 펄스 플라스마 | 꺼진 동안 전자 온도가 식어 전자·음이온이 바닥까지 들어가 양전하를 지운다 | 평균 속도 저하, 펄스 조건 관리 |
| 노칭 | 저주파 바이어스 | 한 주기 안에서 시스 전위가 크게 낮아지는 시간이 길어 전자가 더 들어간다 | 이온 에너지 분포가 넓어져 선택비·프로파일 변화 |
| 노칭 | 과식각을 짧게, 과식각 단계의 바이어스 낮추기 | 바닥이 멈춘 뒤 같은 자리를 때리는 시간을 줄인다 | 균일도·ARDE를 덮을 여유 감소(10장) |
펄스 플라스마의 효과를 단순한 충전 모형으로 본다. 플라스마가 켜진 동안에는 앞에서 본 불균형만큼 바닥 전위가 오르고, 꺼진 동안에는 전자와 음이온이 들어와 전위가 떨어진다. 주파수와 켜짐 비율(듀티)을 바꿔 평균 전위가 어떻게 되는지 본다.
펄스 플라스마: 켜고 끄며 바닥 전하를 지운다
펄스는 공짜가 아니다. 꺼진 동안은 식각도 쉰다. 그래서 펄스 조건은 평균 속도를 얼마나 내주고 전하를 얼마나 지울지의 절충이다. 꺼진 동안 이온 대신 라디칼은 계속 바닥으로 들어가 표면을 덮어 두므로, 다시 켜질 때 덮임률이 높아져 손해가 생각보다 작기도 하다. 고종횡비 식각(16장)에서는 펄스 플라스마와 저주파 바이어스가 거의 표준이 됐다.
타깃 파일
바닥은 평평한가, 정지막 위는 멀쩡한가
기본 레시피로 시간 400까지 깎은 EB-20의 마이크로트렌치는 0이다(ET.measure(s).micro). 측벽이 89.5~90°로 거의 수직이라 수직 이온이 측벽을 스칠 일이 없고, 반사 계수(0.7)와 각도 퍼짐(3°)도 모서리에 이온을 몰아 줄 만큼 크지 않다. 규격 2 nm를 여유 있게 지킨다.
위험한 쪽은 측벽이 몇 도 기울어지는 변화다. 실리콘 레시피로 측벽 기울기 8°, 반사 1의 트렌치를 깎으면 시간 40에 모서리 홈이 5~7 nm로 규격을 넘는다. 같은 기울기에서 반사가 0.5면 약 1 nm다. 고분자를 늘려 측벽을 테이퍼로 만드는 조건 변경(9장)은 마이크로트렌치를 함께 확인해야 한다.
과식각 동안 대전을 켜면 노칭이 생긴다. 과식각 100 동안 대전 세기 1이면 정지막 위의 폭이 가운데(약 24 nm)보다 넓은 약 28 nm, 세기 3이면 약 34 nm가 된다. 대전이 셀수록 정지막 손실은 오히려 줄어(남은 정지막 약 13 → 14 nm) 정지막 두께만 재서는 보이지 않는다. EB-20은 산화막·질화막 모두 절연체라 대전에 취약하므로, 과식각 단계는 바이어스를 낮추거나 펄스로 하는 것이 안전하다.
핵심 정리
- 마이크로트렌치는 바닥 모서리가 가운데보다 깊이 파이는 결함이다. 기울어진 측벽에서 스치듯 반사된 이온이 모서리 옆에 모인 결과다.
- 측벽 기울기 β에서 수직 이온의 입사각은 90° − β, 반사 이온은 수직에서 2β 기울어 모서리에서 약 h tan β 안쪽에 떨어진다. 그 띠는 직접 이온과 반사 이온을 함께 받아 플럭스가 거의 두 배가 된다.
- 반사는 입사각 약 65°부터 늘어 86°를 넘으면 최대다. 그래서 살짝 기운 측벽(β 몇 도)이 가장 위험하고, 크게 기운 측벽은 반사 대신 스스로 깎인다.
- EB-20처럼 측벽이 수직이면 마이크로트렌치가 거의 없다. 테이퍼와 높은 반사가 겹칠 때 생긴다.
- 전자 그늘: 이온은 수직으로 바닥까지, 전자는 사방으로 들어와 측벽 위쪽에 닿는다. 절연체 트렌치의 바닥은 양으로, 측벽 위쪽은 음으로 대전된다.
- 대전된 바닥은 이온을 측벽 아래쪽으로 휘게 한다. 정지막 위에서 과식각하면 같은 자리를 계속 때려 측벽 맨 아래가 옆으로 패인다(노칭). 정지막 손실은 오히려 줄어 드러나지 않는다.
- 마이크로트렌치는 측벽 각도와 반사로, 노칭은 전하 중화(펄스 플라스마, 저주파 바이어스)와 과식각 조건으로 대응한다.
확인 퀴즈
측벽이 수직에서 6° 기울어 있다. 수직으로 내려온 이온이 이 측벽에서 거울 반사되면 수직에서 몇 도 기울어 날아가는가?
측벽 기울기를 2°, 8°, 25° 세 가지로 했을 때 마이크로트렌치가 가장 뚜렷할 것으로 예상되는 것은? (이온 각도 퍼짐은 1°로 작다)
산화막 트렌치를 질화막 정지막까지 판 뒤 과식각했다. 단면을 보니 정지막 손실은 거의 없는데 정지막 바로 위 측벽이 옆으로 패여 있다. 가장 그럴듯한 원인과 대응은?
펄스 플라스마로 노칭을 줄이려 한다. 꺼진 동안 바닥 전하가 중화되는 시간 상수가 약 20 µs라면 가장 알맞은 펄스 조건은?