Chapter 09

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.

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.

수직 테이퍼 역테이퍼 (재진입) 언더컷 보잉 (11장) 노치 (12장) 풋팅 (바닥 모서리 남음) 마스크 패싯 (8장) 마이크로트렌치 (12장)
프로파일의 낱말. 회색 마스크(탄소) 아래 산화막에 판 홈의 단면이다. 테이퍼는 아래로 좁아지고 역테이퍼는 넓어진다. 언더컷은 마스크 아래로 파고든 것, 보잉은 가운데가 배불뚝이인 것, 노치는 정지막 위에서 옆으로 패인 것, 풋팅은 바닥 모서리가 덜 깎여 남은 것이다.
모양무엇이 문제인가대표 원인다루는 곳
테이퍼바닥 CD가 좁다, 끝내 막힌다측벽 보호막 과다, 마스크 후퇴 부족이 장
역테이퍼 · 언더컷채움 공정에서 빈틈, 벽이 얇다라디칼 자발 식각, 보호막 부족이 장
보잉최대 폭이 커져 이웃과 붙는다넓은 이온 각도, 패싯 반사, 대전11장
노치 · 마이크로트렌치정지막을 국부적으로 뚫는다대전, 측벽 반사 이온 집속12장
풋팅홈의 바닥 CD가 작고 잔류물바닥 모서리의 이온 그늘, 과식각 부족14장

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.

$$\alpha = 90^\circ - \arctan\frac{x_{\text{벽}}(d_2) - x_{\text{벽}}(d_1)}{d_2 - d_1}, \qquad \Delta CD = CD_{\text{식각 뒤}} - CD_{\text{마스크}}$$
\(x_{\text{벽}}(d)\)는 깊이 \(d\)에서 한쪽 벽이 홈 안쪽으로 들어온 위치다. 이 책의 엔진(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.

SIMULATOR

측벽 각 측정기

측정점을 위아래로 끈다
측정점과 측정선CD 프로파일
두 점 측벽 각—
10~90% 측벽 각 (엔진)—
윗 / 가운데 / 바닥 CD—
최대 폭 − 윗 폭—
해볼 것: ① 테이퍼에서 두 점을 어디에 두어도 각도가 거의 같다. 직선 측벽이기 때문이다. ② 보잉으로 바꾼다. 위쪽 구간을 재면 90°가 넘고(넓어진다) 아래쪽 구간을 재면 90°보다 작다. 10~90% 직선 맞춤은 그 둘을 평균해 거의 수직으로 보고한다. 보잉은 각도 하나로 잡히지 않는다. ③ 언더컷도 마찬가지다. 그래서 규격에는 각도와 함께 최대 폭이나 보잉을 따로 둔다. (모델: 깎은 단면이 아니라 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.

$$\tan(90^\circ - \alpha) = \frac{g}{R}, \qquad CD_{\text{바닥}}(d) = CD_0 - \frac{2g}{R}\,d, \qquad d_{\text{한계}} = \frac{CD_0\,R}{2g}$$
\(g\)는 바닥 모서리 근처 옆벽에서 보호막이 가로로 자라는 속도, \(R\)은 세로 식각 속도다. \(g/R = 0.05\)면 측벽 각은 약 87.1°다. 바닥 폭이 0이 되는 깊이 \(d_{\text{한계}}\)에서 홈은 V자로 닫히고 식각이 저절로 멈춘다.

이 단순한 기하를 먼저 만져 본다. 바닥의 손잡이를 끌어 시간을 흘리고, \(g/R\)를 바꾼다.

SIMULATOR

g/R 모델: 한 층씩 좁아지는 바닥

바닥의 손잡이를 아래로 끈다
측벽 각 90° − arctan(g/R)—
깊이 / 바닥 CD—
멈추는 깊이 CD₀R/2g—
상태—
해볼 것: ① g/R = 0.03(측벽 각 약 88.3°)으로 160 nm까지 내린다. 바닥 CD가 20에서 약 10 nm로 준다. 최소 규격 88.5°에 조금 못 미친다. ② g/R을 0.07로 올린다. 깊이 약 140 nm에서 바닥이 닫혀 V홈이 되고 더 내려가지 않는다. ③ g/R = 0이면 수직이지만, 그 말은 옆벽에 보호막이 전혀 없다는 뜻이다. 자발 식각이 있으면 다음 절처럼 옆으로 파인다. (모델: 기하. 마스크 CD 20 nm. 바닥은 \(R\)로 내려가고 드러난 옆벽마다 보호막이 \(g\)로 자란다. 보호막이 이온에 깎이는 것은 넣지 않았으므로 위쪽 보호막이 실제보다 두껍다.)

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.

SIMULATOR

고분자 전구체를 늘리며 EB-20 깎기

탄소 마스크산화막고분자이번 CD 프로파일기본 레시피

시간—
깊이—
윗 / 바닥 CD—
측벽 각—
상태—
해볼 것: ① 처음 값 5.4로 깎는다. 옆벽의 갈색 막이 아래로 갈수록 홈을 좁히고, 시간 300에 깊이가 약 90 nm에 머문다. 측벽 각은 약 87°다. ② 2.4(기본)로 바꿔 깎는다. 같은 시간에 약 160 nm, 측벽 각 약 90°다. ③ 4.8과 5.2를 차례로 깎는다. 4.8까지는 기본과 거의 같다가 5를 넘으며 갑자기 느려지고 기운다. 창의 가장자리는 완만하지 않고 벼랑이다. ④ 6.5에서는 깊이 약 50 nm에서 입구가 막혀 멈춘다. (모델: ET.EB20.recipe({ pol: { flux } }), 시간 300. 아래 표는 이 책이 엔진으로 미리 잰 값이다.)
전구체 플럭스0 ~ 4.85.05.25.46.06.5
깊이 @시간 300 (nm)156 ~ 160약 136약 122약 91약 86약 51
측벽 각89.8 ~ 90°약 89.2°약 89.1°약 86.8°약 87.5°약 86.4°
남은 마스크 가장 얇은 곳 (nm)40 ~ 41약 44약 44약 51약 52약 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.

SIMULATOR

라디칼의 자발 식각이 있으면

탄소 마스크산화막이번 CD 프로파일기본 레시피

시간—
윗 / 최대 / 바닥 CD—
언더컷 (한쪽)—
측벽 각—
상태—
해볼 것: ① 처음 값 0.02로 깎는다. 마스크 바로 아래가 한쪽 6~8 nm 파여 윗 CD 약 32 nm, 측벽 각 약 87°다. 위가 넓고 아래가 좁은, 테이퍼와 반대 원인의 기울기다. ② 0.01로 낮춘다. 윗 CD 약 28 nm, 측벽 각 약 88.6°로 규격 경계다. ③ 0.04로 올린다. 입구 근처가 한쪽 30 nm 가까이 파여 피치 40 nm의 벽이 위에서부터 사라진다. (모델: 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.

자발 식각은 온도에 민감하다라디칼의 자발 식각은 표면 반응이므로 아레니우스 식을 따른다(2장). 웨이퍼 온도가 몇십 도 오르면 \(ch\)가 몇 배로 커질 수 있다. 식각 중 웨이퍼는 이온 충격으로 데워지므로, 정전척과 헬륨 후면 냉각으로 온도를 붙잡는다(5장). 반대로 웨이퍼를 −100 °C 가까이 식히는 극저온 식각은 자발 식각을 거의 0으로 만들어 보호막 없이 이방성을 얻는다(16장).

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.

SIMULATOR

위가 넓게 열린 마스크로 깎으면

탄소 마스크산화막이번 CD 프로파일기본 레시피

시간—
윗 / 최대 / 바닥 CD—
보잉—
마스크 가장 얇은 곳—
상태—
해볼 것: ① 처음 값 2°로 깎는다. 마스크 입구의 얇은 쐐기가 먼저 닳아 마스크 가장 얇은 곳이 약 7 nm로 떨어지고, 산화막 위쪽에 보잉이 약 6 nm 생긴다. 측벽 각 자체는 89°쯤으로 거의 수직이다. ② 4°로 올린다. 마스크 가장자리가 거의 다 사라지고 보잉이 10 nm를 넘는다. ③ 6°에서는 벽이 무너진다. (모델: 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.

SIMULATOR

CD 프로파일 비교판

기본 레시피 윗 / 바닥 CD 바이어스+4 / +1nm
마지막 실행—
마지막 실행 윗 / 바닥 CD 바이어스—
해볼 것: ① 위에서 전구체 5.4(테이퍼), 자발 식각 0.02(언더컷), 마스크 테이퍼 2°(보잉)를 하나씩 깎고 내려와 겹쳐 본다. ② 셋의 측벽 각은 87~89°로 비슷하지만 CD 프로파일은 완전히 다르다. 테이퍼는 아래로 갈수록 왼쪽으로, 언더컷은 위쪽이 오른쪽으로, 보잉은 가운데가 오른쪽으로 불룩하다. ③ "CD 바이어스"로 바꾸면 0 선에서의 차이가 바로 보인다. (회색 선: 기본 레시피를 이 책이 엔진으로 미리 깎은 시간 300의 프로파일.)

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

TARGET EB-20타깃 파일 · 9장

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.

이 장에서 정한 것측벽 각의 정의(10~90% 직선 맞춤)와 CD 프로파일. 기본 레시피 약 89.5°. 고분자 전구체는 2.4로 두고 4.8을 넘기지 않는다. 마스크 옆벽은 수직으로 연다.
아직 남은 문제폭 20 nm에서 이렇게 곧게 내려가는 홈도, 폭이 10 nm로 줄면 같은 시간에 훨씬 얕다. 웨이퍼 안의 다른 폭은 어떻게 같이 정지막에 닿는가.
다음 단계10장에서 폭에 따라 깊이가 달라지는 ARDE를 잰다.

핵심 정리

  1. 프로파일은 수직, 테이퍼, 역테이퍼, 언더컷, 보잉, 노치, 풋팅, 패싯, 마이크로트렌치의 낱말로 말한다. 각각 원인이 다르다.
  2. 측벽 각은 측정 위치에 따라 달라진다. 직선이 아닌 측벽(보잉, 언더컷)은 각도 하나로 잡히지 않으므로 CD 프로파일과 최대 폭을 함께 본다.
  3. 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.
  4. EB-20에서 고분자 전구체를 늘리면 4.8까지는 그대로이다가 5를 넘으며 급히 기울고 느려진다. 수직의 창은 좁고 가장자리는 벼랑이다.
  5. 라디칼의 자발 식각은 입구 근처부터 옆으로 판다. 측벽 각이 같아도 테이퍼(바닥이 좁다)와 언더컷(위가 넓다)은 CD 바이어스로 구별한다.
  6. 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?

\(\alpha = 90° - \arctan 0.04 \approx 87.7°\)이다. 바닥 폭은 깊이마다 양쪽에서 \(2g/R = 0.08\)씩 줄어 \(20/0.08 = 250\) nm에서 0이 된다. 그 깊이에서 식각이 저절로 멈춘다.

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?

보호막이 넘치면 바닥이 매번 조금씩 좁아져 아래로 좁아지는 테이퍼가 된다(윗 CD 바이어스 0, 바닥 음수). 자발 식각은 라디칼이 많은 입구 근처부터 옆으로 파 윗 CD가 넓어진다. 측벽 각만으로는 둘을 구별할 수 없고 CD 프로파일이 필요하다.

측벽이 가운데에서 불룩한 보잉 단면을 깊이 10%와 90%의 벽 위치를 잇는 방식으로 쟀다. 결과에 대한 설명으로 옳은 것은?

두 점 직선 맞춤은 가운데의 모양을 보지 않는다. 위아래 폭이 비슷하면 가운데가 아무리 불룩해도 거의 90°가 나온다. 그래서 EB-20 규격은 측벽 각과 별도로 보잉(최대 폭 − 윗 폭 ≤ 3 nm)을 둔다.

EB-20에서 고분자 전구체를 2.4에서 5.4로 늘렸다. 함께 일어나는 일이 아닌 것은?

고분자는 마스크 위에도 쌓여 마스크를 보호한다. 엔진에서 시간 300의 마스크 가장 얇은 곳은 약 40 nm에서 약 51 nm로 오히려 늘었다. 대신 측벽이 약 87°로 기울고 깊이가 약 90 nm에 머문다. 선택비, 측벽 각, 속도가 한 손잡이에 묶여 있다.