깎아서 새긴다
노광이 끝난 웨이퍼 위에 있는 것은 회로가 아니라 두께 수십 nm의 플라스틱 무늬다. 이 무늬는 곧 벗겨져 사라진다. 그 전에 무늬를 아래의 산화막, 실리콘, 금속으로 옮겨 새겨야 한다. 옮기는 일은 깎아서 한다. 이것이 식각(Etching)이다. 이 장은 식각을 말하는 단어를 정하고, 같은 마스크를 용액으로 녹일 때와 플라스마로 깎을 때 단면이 얼마나 다르게 변하는지 시간을 흘려 가며 본다. 그리고 이 책이 처음부터 끝까지 따라갈 트렌치 하나를 소개한다.
- 증착 → 노광 → 식각 → 세정의 되풀이 속에서 식각이 맡은 일을 말한다.
- 같은 마스크를 습식과 건식으로 깎은 단면의 차이를 시간에 따라 설명한다.
- 식각 속도, 균일도, 선택비, 이방성, 손상이라는 다섯 지표를 정의하고 계산한다.
- 화학적 식각, 물리적 스퍼터, 반응성 이온 식각이 만드는 프로파일을 구분한다.
- 이 책의 타깃 EB-20(폭 20 nm, 깊이 160 nm 산화막 트렌치)의 치수와 규격을 안다.
무늬를 옮기는 공정
칩은 같은 일을 수십 번 되풀이해 만든다. 막을 입히고(증착(Deposition)), 그 위에 감광막을 바르고 빛으로 무늬를 찍고(노광(Lithography)), 그 무늬대로 아래 막을 깎고(식각), 남은 감광막과 찌꺼기를 벗겨 낸다(스트립·세정(Strip, Clean)). 한 바퀴가 끝나면 막 하나에 무늬 하나가 새겨진다. 최신 메모리와 로직 칩은 이런 바퀴를 수십~백 번 넘게 돈다.
네 단계 가운데 "어디를" 깎을지 정하는 것은 노광이다(노광은 LithoBook이 다룬다). 그러나 노광이 만든 레지스트 무늬는 형편없는 재료다. 얇고, 무르고, 전기가 통하지도 않고 막지도 못한다. 그 무늬를 진짜 재료의 모양으로 바꾸는 것이 식각이다. 그래서 식각을 패턴 전사(Pattern transfer)라고도 부른다.
아래에서 한 바퀴를 직접 돌린다. 버튼을 왼쪽부터 누르면서 단계마다 무엇이 입력되고 무엇이 남는지 본다. 마지막 버튼은 같은 무늬를 한 번 더 써서 다음 층을 깎는다.
한 바퀴: 무늬가 재료가 되기까지
⑥이 보여 주는 것처럼 식각된 막은 다음 식각의 가림막이 되기도 한다. 이런 막을 하드마스크(Hard mask)라 한다. 레지스트 무늬는 여러 번의 식각을 거쳐 한 층씩 아래로 넘겨진다. 이 넘겨주기가 매번 정확해야 마지막 막의 모양이 레지스트의 모양과 같다.
녹일 것인가, 깎을 것인가
재료를 덜어 내는 방법은 크게 둘이다. 하나는 웨이퍼를 용액에 담가 녹이는 습식 식각(Wet etching)이다. 산화막은 불산(HF) 용액에 녹아 SiF₆²⁻ 이온이 되어 물에 풀린다. 다른 하나는 진공 용기 안에 기체를 넣고 전기를 걸어 만든 플라스마(Plasma)로 깎는 건식 식각(Dry etching)이다. 플라스마 속의 이온과 라디칼이 표면과 반응해 SiF₄, CO 같은 기체 생성물을 만들고, 그 기체가 펌프로 빠져나간다.
둘의 가장 큰 차이는 방향이다. 용액 속 반응물은 어느 방향에서나 같은 농도로 표면에 닿는다. 그래서 마스크 아래로도, 옆으로도 똑같은 속도로 녹인다. 플라스마 속 이온은 웨이퍼 앞의 전기장(4장의 시스)에 끌려 거의 수직으로 떨어진다. 이온이 맞는 바닥은 빨리 깎이고, 이온이 거의 닿지 않는 옆벽은 거의 깎이지 않는다.
아래 두 단면은 같은 마스크, 같은 막, 같은 평면 식각 속도다. 왼쪽은 용액, 오른쪽은 플라스마다. "식각 시작"을 누르면 시간이 흐르며 두 단면이 함께 깎인다. 흐린 선은 지나간 시간의 윤곽(등고선)이다. 다 돌린 뒤에는 시간 슬라이더로 앞뒤를 오갈 수 있다.
같은 마스크, 습식과 건식
ET.wet의 등방성 도달 시간 풀이, 오른쪽은 ET.sim의 C₄F₈/Ar/O₂ 기본 레시피. 입자 모델의 시간은 기본 레시피의 이론적 열린 평면 속도로 정규화했다. 실제 셀 제거량은 이론값과 다르다. 가로는 피치 120 nm로 되풀이된다.)두 단면이 이 책의 출발점이다. 습식의 등고선은 동심원이고, 건식의 등고선은 아래로 겹겹이 쌓인 평평한 바닥이다. 같은 시간 40에서 습식 홈은 마스크 밑으로 한쪽 약 40 nm를 파고들었지만 건식 홈의 윗 폭은 마스크 구멍(20 nm)과 거의 같다(약 22~24 nm). 습식으로 폭 20 nm의 홈을 깊이 80 nm로 파려 하면, 그 전에 홈과 홈 사이의 벽이 다 녹아 버린다. 반도체가 μm 아래로 내려오면서 패턴 식각이 플라스마로 넘어간 까닭이 이 그림 하나에 있다.
건식 식각의 세 얼굴
플라스마로 깎는다고 다 수직은 아니다. 플라스마가 표면에 보내는 것은 두 가지다. 전기장에 가속된 이온(Ion)과, 전하가 없지만 반응성이 큰 라디칼(Radical)이다. 어느 쪽이 일을 하느냐에 따라 건식 식각의 모습이 셋으로 갈린다.
- 화학적 식각. 라디칼이 혼자 표면을 녹인다. SF₆ 플라스마의 불소 원자는 실리콘과 만나면 바로 SiF₄가 된다. 라디칼은 모든 방향에서 오므로 습식처럼 등방성이다. 대신 선택비가 높고 손상이 적다.
- 물리적 스퍼터. 아르곤 이온이 표면 원자를 당구공처럼 쳐 낸다. 방향은 수직이지만 재질을 가리지 않아 마스크도 거의 같은 속도로 닳는다. 비스듬히 맞을 때 더 잘 쳐 내므로 마스크 모서리가 비스듬하게 깎인다(패싯(Facet)).
- 반응성 이온 식각. 이온과 라디칼이 함께 일한다. 라디칼이 표면에 붙어 약해진 결합을 이온이 때려 날려 보낸다. 이온이 맞는 바닥에서만 빠르므로 수직이고, 화학이 끼어 있으므로 재질을 가린다. RIE(Reactive ion etching)라 부르며 오늘날 패턴 식각의 거의 전부다(6장, 7장).
아래는 실리콘에 같은 산화막 마스크(25 nm, 구멍 20 nm)를 얹고 세 가지 플라스마로 같은 시간 동안 깎은 것이다. 시간 슬라이더로 얼마나 돌릴지 정하고 시작을 누른다.
화학 · 물리 · 반응성 이온
ET.sim의 sf6, argon, silicon 레시피. 세 단면 모두 같은 시간 단위로 돌렸다.)세 단면은 하나의 축 위에 놓여 있다. 화학 쪽으로 갈수록 선택비가 높고 등방성이며, 물리 쪽으로 갈수록 방향성이 좋지만 선택비가 낮다. RIE는 그 사이에서 두 장점을 함께 얻으려는 절충이다. 실리콘 RIE 단면의 옆벽에 쌓인 갈색 막이 그 절충을 가능하게 하는 측벽 보호막(Sidewall passivation)이다. 이 막이 라디칼의 옆 공격을 막는다.
식각을 말하는 다섯 단어
식각 공정을 평가할 때 늘 묻는 것은 다섯 가지다. 이 책의 모든 장은 결국 이 다섯 가운데 하나 이상을 다룬다.
| 지표 | 뜻 | 계산 | 주로 다루는 장 |
|---|---|---|---|
| 식각 속도(Etch rate) | 단위 시간에 깎이는 두께 | \(R = \Delta d / \Delta t\) (nm/분) | 6장, 5장 |
| 균일도(Uniformity) | 웨이퍼 위 위치에 따른 속도 차이 | \((R_{\max}-R_{\min})/(2\bar R)\) | 5장, 14장 |
| 선택비(Selectivity) | 깎을 막과 남길 막의 속도 비 | \(S = R_{\text{대상}}/R_{\text{마스크}}\) | 8장, 13장 |
| 이방성·프로파일(Anisotropy, Profile) | 깎인 단면의 모양 | \(A = 1 - R_{\text{옆}}/R_{\text{아래}}\), 측벽 각 | 7장, 9장~12장 |
| 손상·결함(Damage, Defects) | 남은 막에 남긴 흠 | 격자 손상 깊이, 대전, 잔류물, 입자 수 | 12장, 15장 |
식각 속도는 한 점에서 잰 값이지만 공정은 웨이퍼 전체에서 돌아간다. 지름 300 mm 웨이퍼의 가운데와 가장자리는 플라스마 밀도, 가스 흐름, 온도가 조금씩 다르다. 그래서 여러 점에서 깎인 양을 재고 평균과 퍼짐을 함께 적는다.
아래 웨이퍼 지도에서 측정점 아홉 개를 끌어 옮겨 본다. 색은 식각 속도다. 슬라이더로 가운데가 빠른 웨이퍼, 가장자리가 빠른 웨이퍼, 한쪽으로 기운 웨이퍼를 만든다.
웨이퍼 지도: 평균, 불균일도, 과식각
균일도는 숫자 하나로 끝나지 않는다. 같은 웨이퍼도 어디를 재느냐에 따라 불균일도가 달라지고, 가장자리 몇 mm를 빼느냐에 따라 또 달라진다. 그래서 양산에서는 측정점 배치와 가장자리 제외 폭을 함께 정해 두고 같은 방식으로만 비교한다. 그리고 불균일도는 그대로 과식각 시간이 되어 아래 막의 손실로 이어진다. 균일도와 선택비는 따로 노는 숫자가 아니다.
이방성: 옆으로 얼마나 가는가
앞의 두 단면을 숫자 하나로 줄이면 이방성이다. 아래로 깎는 속도에 견준 옆으로 깎는 속도의 비율을 1에서 뺀다.
아래에서 이방성 \(A\)를 바꾸고 마스크 구멍의 가장자리를 끌어 폭을 바꾼다. 시간 슬라이더는 산화막 60 nm를 다 열고 그 뒤로 더 깎는 과식각까지 간다. 피치는 80 nm로 고정이다.
이방성과 언더컷
언더컷의 크기는 무늬 폭이 아니라 깊이에 비례한다. 폭 20 nm, 깊이 160 nm의 홈을 폭 변화 2 nm 안에서 파려면 한쪽 언더컷이 1 nm 아래여야 하고, \(A\)는 0.994를 넘어야 한다. 실제 RIE에서는 \(A\)를 하나의 숫자로 다루기보다 측벽 각(90°가 수직)으로 적는다. 측벽 각 88.5°는 깊이 160 nm에서 한쪽 약 4 nm의 기울기에 해당한다. 이 언어는 9장에서 정리한다.
선택비: 마스크는 얼마나 버티는가
플라스마는 마스크도 깎는다. 깎을 막의 속도를 마스크의 속도로 나눈 값이 선택비다. 마스크 두께 \(t_m\)으로 팔 수 있는 깊이는 \(S\,t_m\)을 넘지 못한다. 과식각까지 넣으면 필요한 마스크 두께는 이렇다.
홈 바닥의 손잡이를 아래로 끌어 판다. 선택비와 마스크 두께를 바꿔 가며 목표 깊이 160 nm에 닿을 수 있는지 본다.
마스크 예산
보이지 않는 지표: 손상
다섯 번째 지표는 단면 그림에 잘 드러나지 않는다. 수백 eV로 날아온 이온은 표면 원자를 쳐 낼 뿐 아니라 몇 nm 아래의 결정 격자를 흩뜨린다. 불소나 탄소가 표면에 박혀 남기도 한다. 절연막 위에 쌓인 전하는 얇은 게이트 산화막을 뚫는 전압이 되기도 한다. 측벽의 보호막이나 반응 생성물이 다 지워지지 않으면 잔류물로 남는다. 이런 흔적을 통틀어 식각 손상(Etch damage)이라 한다.
손상을 줄이는 손잡이는 대개 이온 에너지를 낮추는 쪽이다. 그러면 속도와 방향성이 떨어진다. 이 줄다리기의 극단이 한 원자층씩 떼어 내는 15장의 원자층 식각이다. 이온 에너지를 표면 한 층을 떼어 낼 만큼만 쓴다.
이 책이 따라갈 트렌치: EB-20
이 책은 가상의 식각 하나를 처음부터 끝까지 따라간다. 이름은 EB-20이다. 메모리 칩 주변 회로에 들어갈 법한 산화막 트렌치로, 실제 회사나 제품과는 관계없다. 치수는 이렇다. 피치 40 nm, 홈의 폭(CD) 20 nm, 깊이 160 nm. 위에서부터 비정질 탄소 하드마스크 60 nm, 산화막(SiO₂) 160 nm, 질화막(Si₃N₄) 정지막 15 nm, 그 아래 실리콘이다.
숫자만 보면 평범하다. 하지만 이 트렌치는 어렵다. 이유를 세 가지로 미리 적어 둔다.
- 종횡비 8. 폭 20 nm의 입구로 들어온 라디칼은 바닥까지 가는 동안 옆벽에 수십 번 부딪힌다. 바닥이 받는 반응물은 위보다 훨씬 적다. 이온도 조금만 기울어 있으면 옆벽에 막힌다. 홈이 깊어질수록 식각이 느려진다(10장).
- 폭 20 nm, 측벽 각 88.5°. 깊이 160 nm에서 측벽이 1.5° 기울면 바닥 폭이 약 8 nm 줄어든다. 옆으로 3 nm만 부풀어도 벽 두께의 15%다. 이온의 각도가 1~2°만 퍼져도 결과가 달라진다(4장, 11장).
- 마스크 60 nm, 정지막 15 nm. 마스크는 160 nm를 파는 동안 버텨야 하고, 정지막은 웨이퍼 전체를 다 열기 위한 과식각 동안 3 nm 넘게 깎이면 안 된다. 두 막 모두 선택비의 시험대다(8장).
이 책의 순서
식각 하나는 여섯 단계를 거친다. 위쪽 띠에 있는 식각 흐름이 그것이다. 이 책의 장들은 이 흐름을 따라 EB-20을 한 걸음씩 진전시킨다.
| 단계 | 묻는 것 | 장 |
|---|---|---|
| 마스크 | 무엇으로 가리고, 얼마나 버티나 | 1장, 8장 |
| 플라스마 | 깎을 재료(이온·라디칼)를 어떻게 만드나 | 3장, 5장 |
| 수송 | 그 재료가 홈 바닥까지 어떻게 가나 | 4장, 10장 |
| 표면 반응 | 바닥에 닿은 뒤 무슨 일이 일어나나 | 2장, 6장, 13장, 15장 |
| 프로파일 | 그 결과 단면이 어떤 모양이 되나 | 7장, 9장, 11장, 12장 |
| 종말점·계측 | 언제 멈추고 어떻게 재나 | 14장 |
마지막 두 장은 응용이다. 16장은 EB-20을 3D 낸드 채널 홀처럼 깊게 늘리면 무엇이 무너지는지 보고, 17장에서는 독자가 EB-20을 처음부터 직접 깎아 규격을 맞춘다.
타깃 파일
폭 20 nm, 깊이 160 nm의 산화막 트렌치를 판다
EB-20은 피치 40 nm, 폭 20 nm, 깊이 160 nm(종횡비 8)의 산화막 트렌치다. 적층은 위에서부터 비정질 탄소 60 nm / 산화막 160 nm / 질화막 15 nm / 실리콘. 규격은 여섯 줄이다. 정지막까지 다 열 것, 측벽 각 88.5° 이상, 보잉 3 nm 이하, 마이크로트렌치 2 nm 이하, 남은 마스크 15 nm 이상, 정지막 손실 3 nm 이하.
이 장의 언어로 다시 쓰면 이렇다. 언더컷은 한쪽 2 nm 남짓만 허락되므로 이방성은 0.99 이상이어야 한다. 마스크 60 nm로 160 nm를 파고 15 nm를 남기려면, 과식각 30%를 넣을 때 패턴 위에서의 선택비가 약 4.6 이상이어야 한다. 균일도가 나쁠수록 과식각이 늘고 정지막이 그만큼 더 버텨야 한다.
남겨 두는 질문 하나. 앞의 습식·건식 비교에서 용액은 깊이만큼 옆으로도 녹였다. 그렇다면 이 트렌치를 HF 용액으로 판다면 어디까지 갈 수 있을까.
핵심 정리
- 식각은 노광이 만든 레지스트 무늬를 아래 막으로 옮겨 새기는 패턴 전사다. 식각된 막은 다음 식각의 하드마스크가 되기도 한다.
- 습식 식각은 용액으로 녹이며 등방성이다. 깊이만큼 마스크 아래로 파고든다. 건식(플라스마) 식각은 수직으로 날아오는 이온 덕분에 이방성을 얻는다.
- 건식 식각은 라디칼만 쓰는 화학적 식각(등방성, 높은 선택비), 이온만 쓰는 물리적 스퍼터(이방성, 낮은 선택비), 둘을 함께 쓰는 반응성 이온 식각(RIE)으로 나뉜다. 패턴 식각은 거의 RIE다.
- 평가 지표는 식각 속도, 균일도 \((R_{\max}-R_{\min})/2\bar R\), 선택비 \(S = R_{\text{대상}}/R_{\text{마스크}}\), 이방성 \(A = 1 - R_{\text{옆}}/R_{\text{아래}}\)와 측벽 각, 손상이다.
- 언더컷 \(u = (1-A)\,d\)는 깊이에 비례하므로 작고 깊은 무늬일수록 이방성이 1에 가까워야 한다.
- 마스크 두께는 \(d(1+\text{OE})/S\)에 여유를 더한 것보다 두꺼워야 한다. 불균일도는 과식각이 되어 선택비 문제로 돌아온다.
- 지표들은 서로 묶여 있다. 이온 에너지, 고분자, 압력 같은 손잡이는 한 지표를 좋게 하면 다른 지표를 나쁘게 한다.
- 이 책의 타깃 EB-20은 피치 40, 폭 20, 깊이 160 nm(종횡비 8)의 산화막 트렌치다.
확인 퀴즈
폭 20 nm의 마스크 구멍으로 완전 등방성 습식 식각을 깊이 30 nm까지 했다. 마스크 바로 아래 홈의 폭은 대략 얼마인가?
웨이퍼 9점에서 잰 식각 속도의 평균이 400 nm/분, 최대 420, 최소 380 nm/분이다. (max−min)/(2·평균)로 정의한 불균일도는?
아르곤 이온만으로 하는 물리적 스퍼터 식각에 대한 설명으로 옳은 것은?
EB-20(폭 20 nm, 깊이 160 nm)에서 측벽 각 규격이 88.5°다. 측벽이 정확히 88.5°로 곧게 기울었다면 바닥 폭은 대략?