Chapter 12

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.

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.

마이크로트렌치: 측벽 반사 홈 홈 볼록 테이퍼 측벽 노칭: 바닥 대전 + + + + + −−−− 노치 정지막 위
바닥의 두 결함. 왼쪽: 수직 이온이 기울어진 측벽에 스치듯 맞고 튕겨 바닥 모서리에 모인다. 모서리는 직접 오는 이온과 튄 이온을 함께 받아 더 깊이 파이고, 가운데는 볼록하게 남는다. 오른쪽: 정지막에 닿은 뒤 바닥이 양으로 대전되면 이온이 측벽 쪽으로 휘어 정지막 바로 위의 측벽을 옆으로 판다.

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.

$$\alpha = 90° - \beta, \qquad \theta_{\text{반사}} = 2\beta, \qquad x_{\text{착지}} = h\,(\tan 2\beta - \tan\beta) \approx h\tan\beta$$
\(\alpha\)는 측벽 법선과 이온이 이루는 입사각, \(\theta_{\text{반사}}\)는 반사된 이온이 수직과 이루는 각, \(h\)는 이온이 측벽을 맞은 높이(바닥에서 잰 것), \(x_{\text{착지}}\)는 측벽 아래 끝(모서리)에서 착지점까지의 가로 거리다. 작은 \(\beta\)에서는 측벽의 가로 폭 \(h\tan\beta\)에 떨어지던 이온이 모서리 옆 같은 폭의 띠에 고스란히 내려앉는다. 그 띠는 직접 오는 이온과 튄 이온을 함께 받아 플럭스가 거의 두 배가 된다.

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.

SIMULATOR

기울어진 측벽에서 튄 이온은 어디로 가나

측벽 위 끝의 손잡이를 좌우로 끈다
측벽 입사각 α—
반사 확률—
모서리 띠 ÷ 가운데 플럭스—
착지 띠 (모서리에서)—
해볼 것: ① β = 8°에서 바닥 막대의 양쪽 끝에 봉우리가 선다. 모서리 옆 몇 nm의 띠가 가운데의 약 1.6배를 받는다. ② β를 0으로 한다. 수직 측벽은 수직 이온을 거의 맞지 않으므로 봉우리가 사라진다(각도 퍼짐이 있으면 모서리 바로 옆에 아주 가는 봉우리가 남는다). ③ β를 20° 넘게 키운다. 띠가 넓어지지만 입사각이 70° 아래로 내려가 반사 확률이 떨어지고, 봉우리는 낮아진다. 대신 측벽 자체가 깎인다. ④ 반사 계수를 0으로 내리면 β와 상관없이 바닥이 평평하다. (모델: 바닥 폭 40 nm, 높이 60 nm의 트렌치, 거울 반사 최대 2번, 반사 확률은 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.

SIMULATOR

입사각에 따라: 깎을까, 튕길까

그래프 위의 세로선을 좌우로 끈다
이온 강화 식각 수율 yIE물리 스퍼터 수율 ySP반사 확률
입사각 α—
해당 측벽 기울기 β = 90° − α—
yIE / ySP—
반사 확률—
해볼 것: ① α를 0에서 60°까지 움직인다. 이온 강화 수율은 거의 일정하다. 바닥이 이 영역이다. ② α = 65° 근처는 스퍼터 수율이 가장 크다. 마스크 모서리가 이 각도의 패싯으로 깎인다(8장). ③ α = 80~86°(β = 4~10°)에서 반사 확률이 빠르게 오른다. 마이크로트렌치를 만드는 측벽이 이 영역이다. ④ 반사 계수를 1로 올리면 그 영역의 반사가 늘어난다. (모델: 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.

SIMULATOR

측벽 반사로 생기는 마이크로트렌치

시간—
가운데 깊이 (실리콘 윗면 기준)—
모서리 홈 (가운데보다 더 깊은 양)—
판정 (≤ 2 nm)—
해볼 것: ① β = 8°, 반사 1로 끝까지(시간 40) 돌린다. 시간 10쯤부터 바닥 양쪽 모서리 옆이 먼저 내려가고 가운데가 볼록하게 남는다. 시간 40에 홈은 5~7 nm다. ② 반사를 0.5로 내려 다시 돌린다. 홈이 1 nm 안팎으로 줄어든다. 반사 0이면 바닥이 평평하다. ③ β = 16°로 키운다. 측벽이 이온을 덜 반사하고 스스로 깎여 홈이 거의 생기지 않는다. ④ β = 0도 해 본다. 미리 판 부분은 수직이지만 그 아래 새로 깎이는 부분이 저절로 몇 도 기울어, 반사 1이면 모서리 바로 옆에 가는 홈이 생긴다. (모델: 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.

SIMULATOR

이온은 바닥으로, 전자는 측벽 위로

트렌치 바닥의 손잡이를 위아래로 끈다
이온전자
바닥에 닿는 이온—
바닥에 닿는 전자—
바닥의 순 전하 (입구 이온 대비)—
상태—
해볼 것: ① A = 8에서 이온은 약 2/3가 바닥에 닿지만 전자는 몇 %뿐이다. 그 차이만큼 바닥에 양전하가 쌓인다. ② A를 1로 줄이면 전자도 상당수 바닥에 닿아 불균형이 작다. 얕은 무늬에서는 노칭이 거의 없다. ③ 전자 퍼짐 σₑ를 10°로 줄인다(전자가 방향성을 갖는 경우). 불균형이 크게 준다. 펄스 플라스마의 꺼진 구간이나 음이온 공급이 노리는 것이 이것이다. (모델: 입구 전체에서 가우시안 각도로 들어와 처음 닿는 곳에 붙는다. 측벽에서 튕기는 것과 전하가 궤적을 휘는 되먹임은 뺐다. 입구에서 이온과 전자의 양은 같다고 두었다.)

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.

SIMULATOR

EB-20 과식각: 대전이 정지막 위를 판다

산화막질화막 정지막실리콘
과식각 시간—
폭: 가운데 / 정지막 위—
노치 (아래 − 가운데, 한쪽)—
남은 정지막—
해볼 것: ① 대전 0으로 과식각한다. 정지막 위 폭이 가운데보다 1 nm쯤 넓을 뿐이다. ② 대전 1로 다시 한다. 아래쪽 폭이 약 28 nm로 넓어져 가운데보다 한쪽 2 nm쯤 더 패인다. ③ 대전 3이면 아래쪽 폭이 34 nm 가까이 되어 이웃 트렌치와의 벽(원래 18 nm)이 6 nm까지 얇아진다. ④ 대전이 클수록 정지막 손실은 오히려 줄어든다. 바닥 가운데를 맞던 이온이 벽으로 갔기 때문이다. 정지막 손실만 보고 과식각을 판단하면 노칭을 놓친다. (모델: 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.

결함대응원리대가
마이크로트렌치측벽을 수직으로 (테이퍼 줄이기)수직 측벽은 수직 이온을 거의 맞지 않는다측벽 보호를 줄이면 언더컷 위험
마이크로트렌치측벽 고분자를 조금 두껍게보호막이 스치는 이온의 에너지를 흡수해 반사를 줄인다테이퍼가 커지면 오히려 반사판이 된다
마이크로트렌치바이어스 낮추기반사 이온의 에너지와 국부 식각 수율을 낮춘다이방성·속도 저하
노칭펄스 플라스마꺼진 동안 전자 온도가 식어 전자·음이온이 바닥까지 들어가 양전하를 지운다평균 속도 저하, 펄스 조건 관리
노칭저주파 바이어스한 주기 안에서 시스 전위가 크게 낮아지는 시간이 길어 전자가 더 들어간다이온 에너지 분포가 넓어져 선택비·프로파일 변화
노칭과식각을 짧게, 과식각 단계의 바이어스 낮추기바닥이 멈춘 뒤 같은 자리를 때리는 시간을 줄인다균일도·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.

SIMULATOR

펄스 플라스마: 켜고 끄며 바닥 전하를 지운다

평균 바닥 전위 (연속 = 1)—
최대 바닥 전위—
평균 식각 속도 (연속 = 1)—
판정—
해볼 것: ① 듀티 100%(연속)에서 바닥 전위는 1까지 올라 머문다. ② 5 kHz, 듀티 50%로 하면 평균 전위가 절반 아래로 떨어진다. 대신 식각 속도도 절반이다. ③ 주파수를 50 kHz로 올린다. 꺼진 시간이 중화 시간보다 짧아 전위가 충분히 떨어지지 못하고, 평균이 다시 오른다. ④ 중화 시간 상수를 줄이면(음이온이 많은 가스) 높은 주파수에서도 잘 지워진다. 펄스 주파수를 중화 시간에 맞춰 고르는 이유다. (모델: 켜짐 동안 dV/dt = (1 − V)/τ충전, τ충전 = 20 µs, 꺼짐 동안 dV/dt = −V/τ중화. 이온은 켜짐 동안만 깎는다고 두었다. 정성적 모형이다.)

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

TARGET EB-20타깃 파일 · 12장

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.

이 장에서 정한 것기본 조건 마이크로트렌치 0(규격 2 nm). 측벽 테이퍼와 높은 반사가 겹치면 홈 5~7 nm. 과식각 중 대전은 정지막 위 폭을 넓히고(대전 1: 24 → 28 nm) 정지막 손실로는 드러나지 않는다.
아직 남은 문제과식각을 언제 시작하고 얼마나 할지를 무엇으로 정하는가. 바닥이 정지막에 닿는 순간을 어떻게 아는가.
다음 단계13장에서 이 식각의 앞뒤 공정을 이루는 재료별 화학을 정리하고, 14장에서 종말점을 찾는다.

핵심 정리

  1. 마이크로트렌치는 바닥 모서리가 가운데보다 깊이 파이는 결함이다. 기울어진 측벽에서 스치듯 반사된 이온이 모서리 옆에 모인 결과다.
  2. 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.
  3. 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.
  4. EB-20처럼 측벽이 수직이면 마이크로트렌치가 거의 없다. 테이퍼와 높은 반사가 겹칠 때 생긴다.
  5. 전자 그늘: 이온은 수직으로 바닥까지, 전자는 사방으로 들어와 측벽 위쪽에 닿는다. 절연체 트렌치의 바닥은 양으로, 측벽 위쪽은 음으로 대전된다.
  6. 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.
  7. 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?

입사각은 측벽 법선 기준 90° − 6° = 84°이고, 반사 이온은 수직에서 2β = 12° 기울어 트렌치 안쪽으로 간다. 측벽 높이 h에서 맞은 이온은 모서리에서 약 h(tan 12° − tan 6°) ≈ h tan 6° 안쪽에 떨어진다.

측벽 기울기를 2°, 8°, 25° 세 가지로 했을 때 마이크로트렌치가 가장 뚜렷할 것으로 예상되는 것은? (이온 각도 퍼짐은 1°로 작다)

2°는 반사는 잘 되지만 수직 이온을 받는 측벽의 가로 폭(h tan β)이 작아 모이는 이온이 적다. 25°는 입사각이 65°로 반사가 거의 없고 측벽이 깎인다. 그 사이의 몇 도~10° 언저리가 이온을 많이 받으면서 잘 반사해 모서리에 몰아 준다.

산화막 트렌치를 질화막 정지막까지 판 뒤 과식각했다. 단면을 보니 정지막 손실은 거의 없는데 정지막 바로 위 측벽이 옆으로 패여 있다. 가장 그럴듯한 원인과 대응은?

정지막 위에서, 과식각 중에, 측벽 맨 아래가 옆으로 패이는 것은 노칭의 전형이다. 절연체인 산화막·질화막 트렌치에서 전자는 측벽 위쪽에, 이온은 바닥에 닿아 바닥이 양으로 대전되고, 이온이 벽 쪽으로 휜다. 바닥 가운데를 때리던 이온이 벽으로 가므로 정지막 손실은 오히려 준다. 전하를 지우는 펄스 플라스마, 저주파 바이어스, 과식각 단계의 바이어스 낮추기가 대응이다.

펄스 플라스마로 노칭을 줄이려 한다. 꺼진 동안 바닥 전하가 중화되는 시간 상수가 약 20 µs라면 가장 알맞은 펄스 조건은?

꺼진 시간이 중화 시간 상수보다 충분히 길어야 전하가 지워진다. 수 kHz에 듀티 50%면 꺼진 시간이 100 µs 안팎이라 충분하다. 100 kHz, 듀티 90%면 꺼진 시간이 1 µs라 거의 지우지 못한다. 1 Hz는 켜진 0.5초 동안 바닥이 다시 완전히 대전되므로 노칭을 막지 못한다.