프로파일과 측벽 각도
"수직으로 잘 팠다"는 말은 엔지니어끼리는 통하지 않는다. 몇 도인가, 어디서 쟀는가, 위가 넓은가 가운데가 넓은가, 바닥 모서리는 둥근가 패였는가. 단면의 모양을 프로파일이라 하고, 그것을 몇 개의 숫자로 옮기는 언어가 따로 있다. 이 장은 그 언어를 익히고, 7장의 두 기둥 가운데 측벽 보호막이 각도를 어떻게 정하는지 본다. 보호막이 조금 많으면 테이퍼, 많이 많으면 입구가 막힌다. 적으면 언더컷과 휜 측벽이다. 수직은 그 사이의 좁은 창이다.
- 수직, 테이퍼, 역테이퍼, 언더컷, 보잉, 노치, 풋팅, 패싯, 마이크로트렌치를 단면에서 구별한다.
- 측벽 각과 CD 프로파일을 정의하고, 재는 위치에 따라 숫자가 달라지는 것을 안다.
- 증착-식각 균형 \(\tan(90^\circ - \alpha) \approx g/R\)로 테이퍼 각을 계산하고 자기 제한 V홈을 설명한다.
- 라디칼의 자발 식각과 마스크 모양이 프로파일을 어떻게 바꾸는지 EB-20으로 확인한다.
프로파일의 낱말들
단면 사진(SEM, TEM)을 놓고 엔지니어들이 쓰는 말은 대체로 정해져 있다. 아래 아홉 가지가 기본이다. 대부분은 뒤의 장에서 원인과 대책을 따로 다룬다. 이 장은 그 가운데 측벽의 기울기, 곧 수직·테이퍼·역테이퍼·언더컷을 맡는다.
측벽 각은 어디서 재는가
측벽 각(Sidewall angle)은 측벽이 바닥 평면과 이루는 각이다. 90°가 수직이고, 90°보다 작으면 아래로 좁아지는 테이퍼, 크면 역테이퍼다. 문제는 측벽이 직선이 아니라는 데 있다. 위는 넓고 가운데는 불룩하고 바닥 모서리는 둥글다. 그래서 측벽 각은 어디서 어떻게 쟀는지를 함께 말해야 숫자가 된다.
ET.measure)은 깊이의 10%와 90%에서 좌우 벽 위치를 각각 잡아 직선으로 잇고, 기본 측벽 각은 왼쪽 값이다. 한 피치 전체가 비어 이웃 홈이 합쳐진 행에서는 독립 홈의 측벽 각을 정의하지 않는다. 깊이에 따른 폭 \(CD(d)\) 전체를 CD 프로파일이라 하고, 윗 CD(깊이 0), 가운데 CD(50%), 바닥 CD(90%)를 대표로 적는다.아래 단면에서 측벽의 두 측정점을 위아래로 끌어 본다. 프로파일을 바꿔 가며 같은 단면이라도 측정 위치에 따라 각도가 얼마나 달라지는지 본다.
측벽 각 측정기
s.paint로 그린 모양이다. 마스크 폭 20 nm, 깊이 160 nm.)EB-20의 규격이 측벽 각(≥ 88.5°)과 보잉(≤ 3 nm)을 따로 두는 것이 이 때문이다. 하나는 전체의 기울기를, 하나는 가운데의 불룩함을 잡는다. 실제 계측에서도 단면 TEM의 윤곽을 따 깊이별 폭을 뽑고, 웨이퍼 전체에서는 광학 산란 계측(OCD)으로 프로파일 모형의 몇 가지 매개변수(윗 CD, 바닥 CD, 측벽 각, 깊이)를 맞춘다. 어떤 정의를 썼는지가 같아야 두 데이터를 비교할 수 있다.
증착과 식각의 균형: 테이퍼
7장에서 측벽 보호막이 옆벽을 지킨다고 했다. 보호막은 바닥 모서리에도 조금씩 쌓인다. 바닥이 \(R\)의 속도로 내려가는 동안 옆벽이 \(g\)의 속도로 안쪽으로 자라면, 새로 깎이는 바닥은 매번 조금씩 좁아진다. 그 결과 측벽은 일정한 각도로 기운다.
이 단순한 기하를 먼저 만져 본다. 바닥의 손잡이를 끌어 시간을 흘리고, \(g/R\)를 바꾼다.
g/R 모델: 한 층씩 좁아지는 바닥
이제 엔진으로 진짜 EB-20을 깎는다. 손잡이는 고분자 전구체 플럭스다. C₄F₈ 유량을 늘리거나 O₂를 줄이는 것에 해당한다. 기본값은 2.4다. 깎기는 시간 300(정지막 도달 무렵)까지다. 오른쪽 그래프는 깊이별 폭, 곧 CD 프로파일이다.
고분자 전구체를 늘리며 EB-20 깎기
ET.EB20.recipe({ pol: { flux } }), 시간 300. 아래 표는 이 책이 엔진으로 미리 잰 값이다.)| 전구체 플럭스 | 0 ~ 4.8 | 5.0 | 5.2 | 5.4 | 6.0 | 6.5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 깊이 @시간 300 (nm) | 156 ~ 160 | 약 136 | 약 122 | 약 91 | 약 86 | 약 51 |
| 측벽 각 | 89.8 ~ 90° | 약 89.2° | 약 89.1° | 약 86.8° | 약 87.5° | 약 86.4° |
| 남은 마스크 가장 얇은 곳 (nm) | 40 ~ 41 | 약 44 | 약 44 | 약 51 | 약 52 | 약 56 |
전구체가 늘면 측벽 각만 바뀌는 것이 아니다. 깊이가 줄고(입구가 좁아져 이온과 라디칼이 덜 들어간다), 마스크는 덜 닳는다(마스크 위에도 고분자가 쌓인다). 선택비와 측벽 각과 속도가 한 손잡이에 묶여 있다. 8장에서 선택비를 높이려고 고분자를 늘리는 것이 공짜가 아닌 이유다. 엔진의 표에서 보듯 창의 가장자리가 벼랑처럼 급한 것도 실제 공정에서 흔히 보는 일이다. 보호막이 이온에 걷히는 양과 쌓이는 양이 비슷해지는 지점을 넘으면, 쌓인 막이 다시 입구를 좁혀 이온을 줄이고 그것이 또 막을 키우는 되먹임이 걸린다.
보호막이 모자랄 때: 언더컷과 휜 측벽
반대쪽 끝은 라디칼이 이온 없이도 깎을 때다. 불소 원자가 많은 조건(CF₄에 O₂를 많이 넣는 등)이나 온도가 높을 때 산화막에도 자발 식각이 조금 생긴다. 엔진에서는 산화막의 ch를 0보다 크게 두는 것에 해당한다. 라디칼은 마스크 바로 아래의 입구 근처에 가장 많으므로 그곳이 먼저 옆으로 파인다.
라디칼의 자발 식각이 있으면
ET.EB20.recipe({ mat: { ox: { ch } } }), 시간 300. 고분자 전구체는 기본값 그대로다.)여기서 측벽 각 87°는 앞 절의 테이퍼 87°와 숫자는 같지만 전혀 다른 단면이다. 테이퍼는 바닥이 좁아졌고 윗 CD는 마스크와 같다. 언더컷 쪽은 바닥 CD는 마스크와 같고 윗 CD가 넓어졌다. 둘을 가르는 것은 CD 바이어스다. 테이퍼는 윗 CD 바이어스가 0이고 바닥 CD 바이어스가 음수, 언더컷은 윗 CD 바이어스가 양수다. 그래서 프로파일은 각도 하나가 아니라 CD 프로파일 전체로 말한다.
마스크의 모양도 깎인다
지금까지 마스크의 옆벽은 수직이었다. 실제 하드마스크는 그 자체가 앞 단계에서 식각된 것이라 옆벽이 조금 기울어 있다. 위가 넓게 열린 마스크, 곧 마스크 테이퍼다. 직관으로는 이 기울기가 아래로 그대로 옮겨질 것 같다. 엔진으로 깎아 보면 그렇지 않다.
위가 넓게 열린 마스크로 깎으면
ET.EB20.build({ taper }), 기본 레시피, 시간 300. 마스크 바닥의 열린 폭은 모두 20 nm다.)마스크 테이퍼는 측벽 각이 아니라 마스크 예산과 보잉으로 나타났다. 두 가지 이유다. 첫째, 위가 넓게 열린 마스크의 가장자리는 얇은 쐐기라서 평면의 속도로 닳아도 금방 뒤로 물러난다. 마스크 입구가 넓어지면 그 아래 산화막의 윗부분이 함께 넓어진다. 둘째, 기운 마스크 벽은 수직 이온을 스치듯 받아 반대편 아래로 반사한다. 그 이온이 산화막 위쪽 옆벽을 때려 불룩하게 만든다. 11장의 보잉에서 이 반사를 기하로 따라간다. 하드마스크를 여는 앞 단계 식각에서 마스크 옆벽을 수직으로 세우는 일이 그래서 중요하다.
CD 프로파일로 비교하기
지금까지 깎은 단면을 한자리에 모은다. 위의 세 시뮬레이터에서 식각이 끝날 때마다 그 CD 프로파일이 아래 그래프에 쌓인다. 가로는 폭, 세로는 깊이다. 마스크 CD 20 nm의 세로선에서 오른쪽으로 벗어나면 넓어진 것, 왼쪽이면 좁아진 것이다.
CD 프로파일 비교판
식각 엔지니어의 하루는 이런 그래프를 들여다보는 일이다. 레시피를 바꿀 때마다 웨이퍼 몇 장을 잘라 단면을 찍고, 깊이별 폭을 뽑아 겹친다. 그 겹친 선들의 차이에서 무엇이 모자라고 무엇이 넘치는지를 읽어 다음 손잡이를 정한다. 이 책의 엔진이 하는 일도 같다. 다만 웨이퍼를 자르지 않아도 된다.
타깃 파일
89.5°는 어디서 잰 어떤 각인가
EB-20의 측벽 각은 산화막 윗면에서 잰 깊이의 10%와 90%에서 벽 위치를 직선으로 이어 정한다(ET.measure(s).angle). 기본 레시피로 시간 300~400에 약 89.5~90°다. CD 프로파일로 보면 윗 CD 약 24 nm(마스크 바로 아래가 한쪽 2 nm 넓다), 가운데와 바닥 CD 약 20~22 nm다. 측벽 각 규격 88.5°와 보잉 규격 3 nm를 따로 두는 것은 보잉처럼 위아래가 상쇄되는 모양을 각도 하나로는 잡을 수 없기 때문이다.
같은 레시피의 이웃 조건을 깎아 창을 쟀다. 고분자 전구체는 4.8까지 측벽 각과 깊이가 거의 그대로이고, 5.4에서 약 87°로 기울며 깊이 약 90 nm에서 멈추고, 6.5에서는 약 50 nm에서 입구가 막힌다. 산화막의 자발 식각이 0.01이면 측벽 각 약 88.6°로 경계, 0.02면 약 87°로 규격 밖이다. 마스크 옆벽이 2°만 기울어도 마스크 가장자리가 먼저 닳고 보잉이 약 6 nm 생긴다.
핵심 정리
- 프로파일은 수직, 테이퍼, 역테이퍼, 언더컷, 보잉, 노치, 풋팅, 패싯, 마이크로트렌치의 낱말로 말한다. 각각 원인이 다르다.
- 측벽 각은 측정 위치에 따라 달라진다. 직선이 아닌 측벽(보잉, 언더컷)은 각도 하나로 잡히지 않으므로 CD 프로파일과 최대 폭을 함께 본다.
- 바닥 모서리에서 보호막이 \(g\)로 자라고 바닥이 \(R\)로 내려가면 \(\tan(90^\circ - \alpha) \approx g/R\)인 테이퍼가 되고, 깊이 \(CD_0R/2g\)에서 V홈으로 닫힌다.
- EB-20에서 고분자 전구체를 늘리면 4.8까지는 그대로이다가 5를 넘으며 급히 기울고 느려진다. 수직의 창은 좁고 가장자리는 벼랑이다.
- 라디칼의 자발 식각은 입구 근처부터 옆으로 판다. 측벽 각이 같아도 테이퍼(바닥이 좁다)와 언더컷(위가 넓다)은 CD 바이어스로 구별한다.
- 마스크 옆벽의 기울기는 그대로 옮겨지지 않고, 얇은 마스크 가장자리의 후퇴와 반사 이온에 의한 보잉으로 나타난다.
확인 퀴즈
보호막이 옆벽에서 가로로 자라는 속도가 세로 식각 속도의 4%다(\(g/R = 0.04\)). 마스크 CD 20 nm로 판 홈의 측벽 각과 V홈으로 닫히는 깊이는?
두 레시피의 측벽 각이 똑같이 87°로 나왔다. A는 윗 CD가 마스크와 같고 바닥 CD가 좁고, B는 바닥 CD가 마스크와 같고 윗 CD가 넓다. 원인으로 가장 그럴듯한 짝은?
측벽이 가운데에서 불룩한 보잉 단면을 깊이 10%와 90%의 벽 위치를 잇는 방식으로 쟀다. 결과에 대한 설명으로 옳은 것은?
EB-20에서 고분자 전구체를 2.4에서 5.4로 늘렸다. 함께 일어나는 일이 아닌 것은?