Chapter 07

RIE와 이방성

2장의 용액은 모든 방향으로 녹였다. 폭 20 nm, 깊이 160 nm의 트렌치는 그렇게는 만들 수 없다. 옆으로 160 nm를 파는 동안 벽이 통째로 사라지기 때문이다. 플라스마는 다르다. 위에서 아래로 곧게 날아오는 이온이 바닥만 두드리고, 이온이 닿지 않는 옆벽에는 얇은 고분자 보호막이 쌓인다. 두 가지가 겹치면 식각은 아래로만 나아간다. 이것이 반응성 이온 식각, RIE다. 이 장에서 처음으로 타깃 EB-20 전체를 입자 시뮬레이터로 깎는다. 단면이 시간에 따라 내려가는 모습을 직접 보고, 멈추고, 되감는다.

RIE의 이방성을 받치는 두 기둥(이온의 방향성, 측벽 보호막)을 설명한다.
라디칼만, 이온만, 둘 다일 때의 식각 속도와 단면을 비교하고 시너지를 수치로 말한다.
EB-20 트렌치를 시간 100/200/300/400에서 재고 깊이-시간 곡선이 왜 꺾이는지 설명한다.
표면 셀마다 받는 이온·라디칼 플럭스와 식각 속도를 읽는다.
윗 폭·아랫 폭·깊이로 이방성 $A$와 측벽 각을 계산한다.

이름에 담긴 것: 반응성 + 이온

반응성 이온 식각(RIE, Reactive ion etching)이라는 이름은 조금 오해를 부른다. 이온이 반응해서 깎는다는 뜻처럼 들리지만, 실제로 표면의 원자를 휘발성 분자로 바꾸는 화학의 대부분은 중성 라디칼이 한다. 3장에서 본 것처럼 플라스마 안의 라디칼은 이온보다 수백~수천 배 많다. 이온의 몫은 양이 아니라 에너지와 방향이다. 4장의 시스가 이온을 수백 eV로 가속해 웨이퍼에 거의 수직으로 꽂는다. 이온이 맞은 자리에서만 라디칼의 반응이 수십 배 빨라진다(6장의 이온-라디칼 시너지).

그러니 RIE는 "화학은 라디칼이, 방향은 이온이" 맡는 분업이다. 식각의 흐름(마스크 → 플라스마 → 수송 → 표면 반응 → 프로파일 → 종말점)에서 이 장은 프로파일 단계의 입구다. 앞 장들에서 따로 배운 플라스마, 시스, 표면 반응을 한 단면 위에 모아 놓고, 그것이 만드는 모양을 본다.

이방성의 두 기둥. 이온은 시스에서 수직으로 가속돼 바닥을 두드린다. 라디칼은 모든 방향에서 들어오지만 이온이 맞지 않는 곳에서는 느리다. 옆벽은 이온을 스치듯 받으므로 불화탄소 고분자(갈색)가 쌓여 남고, 바닥에 쌓인 고분자는 이온이 바로 걷어 낸다.

첫째 기둥: 이온은 방향을 갖고, 라디칼은 갖지 않는다

트렌치 입구로 들어오는 입자를 두 무리로 나눠 본다. 이온은 시스를 지나며 수직 방향으로 수백 eV를 얻고, 옆 방향으로는 이온 온도(수십 meV)만큼의 속도만 갖는다. 그래서 수직에서 몇 도 안쪽으로 몰린 좁은 각도 분포를 갖는다(4장, 기본 레시피 σ = 3°). 라디칼은 전하가 없어 시스의 영향을 받지 않는다. 방향이 고르게 퍼진, 코사인 분포로 들어온다.

종횡비 $A = \text{깊이}/\text{폭}$인 긴 트렌치에서 입구로 들어온 입자가 벽에 먼저 부딪히지 않고 바닥에 곧바로 닿는 비율을 생각한다. 코사인 분포의 라디칼은 2차원 슬롯에서 다음과 같다.

$$f_{\text{라디칼}} = \sqrt{1 + A^2} - A, \qquad f_{\text{이온}} = \int p(\theta)\,\max\!\left(0,\;1 - A\,|\tan\theta|\right)d\theta$$

$p(\theta)$는 이온의 각도 분포(표준편차 σ의 가우시안)다. σ가 작으면 $f_{\text{이온}}$은 1에 가깝다. 라디칼은 $A = 8$에서 약 0.06만 바닥을 바로 보고, 나머지는 벽에 부딪혀 붙거나 튕기며 내려간다(10장의 크누센 수송).

아래에서 입자를 직접 쏘아 본다. 입자 하나하나가 첫 번째로 부딪히는 곳이 점으로 남는다. 종횡비와 이온의 각도 퍼짐을 움직여 바닥에 닿는 비율이 어떻게 갈리는지 본다.

SIMULATOR

입구로 들어온 입자는 어디에 처음 부딪히나

종횡비 A 이온 각도 퍼짐 σ

이온라디칼

이온: 바닥에 바로 (모의)—

이온: 해석값—

라디칼: 바닥에 바로 (모의)—

라디칼: √(1+A²)−A—

해볼 것: ① 종횡비 8(EB-20)에서 이온은 거의 다 바닥에 닿고 라디칼은 6%쯤만 닿는다. ② σ를 10° 넘게 키운다. 이온도 옆벽 위쪽을 때리기 시작한다. 이것이 11장 보잉의 씨앗이다. ③ 종횡비를 1로 낮추면 라디칼도 40% 넘게 바닥을 바로 본다. 얕을 때는 라디칼이 옆벽과 바닥을 비슷하게 깎으므로 이방성은 이온만으로는 생기지 않는다. (모델: 2차원 슬롯, 첫 충돌만 센다. 벽에서의 반사와 재방출은 넣지 않았다.)

이온의 비율은 σ에 민감하고 종횡비에는 덜 민감하다. 라디칼은 반대다. 깊어질수록 라디칼은 대부분 옆벽에 먼저 부딪힌다. 그런데 이것만으로는 이방성이 설명되지 않는다. 라디칼이 옆벽에서도 바닥에서와 같은 속도로 실리콘이나 산화막을 깎는다면, 옆벽에 더 많이 맞는 라디칼은 오히려 옆으로 파 들어갈 것이다. 이방성이 생기려면 라디칼 혼자서는 거의 깎지 못해야 한다. 다음 절의 주제다.

라디칼만, 이온만, 둘 다

1979년 코번과 윈터스는 실리콘에 XeF₂ 기체만 흘렸을 때, Ar⁺ 이온만 쏘았을 때, 둘을 함께 줄 때의 식각 속도를 쟀다. 함께 줄 때의 속도가 따로 줄 때의 합보다 열 배쯤 컸다(6장). 라디칼이 표면에 붙어 약하게 결합된 층을 만들고, 이온이 그 층을 두드려 휘발성 생성물로 떼어 낸다. 이 책의 엔진은 셀마다 식각 속도를 이렇게 계산한다.

$$r = \big(Y_{ie}\,\Gamma_i\,\theta + k_{ch}\,\Gamma_n\big)\,e^{-P/p_0} + Y_{sp}\,\Gamma_i, \qquad \theta = \frac{\Gamma_n}{\Gamma_n + \gamma\,\Gamma_i}$$

$\Gamma_i$, $\Gamma_n$은 그 셀이 받는 이온과 (반응한) 라디칼의 플럭스, $\theta$는 표면의 덮임률, $Y_{ie}$는 이온 강화 식각 수율(ie), $k_{ch}$는 라디칼만의 자발 식각(ch), $Y_{sp}$는 물리 스퍼터(sp), $P$는 고분자 보호막 두께다. 수율은 이온의 입사각에 따라 달라진다(ET.yIE, ET.ySP).

첫째 항이 RIE의 엔진이다. 이온과 라디칼이 곱으로 들어간다. 이온이 없으면($\Gamma_i = 0$) 0이고, 라디칼이 없으면($\theta = 0$) 0이다. 둘째 항은 등방성 습식과 같은 성격이고, 셋째 항은 순수한 물리 스퍼터다. 아래에서 같은 실리콘 트렌치를 세 가지 방식으로 동시에 깎는다.

SIMULATOR

라디칼만 · 이온만 · 둘 다: 같은 시간 동안

산화막 마스크실리콘시간 25마다의 등고선

시간—

라디칼만: 깊이 / 언더컷—

이온만: 깊이—

둘 다: 깊이 / 언더컷—

시너지 (둘 다 ÷ 합)—

해볼 것: ① 시작을 누르고 세 단면의 등고선 간격을 비교한다. 라디칼만은 둥글게 조금, 이온만은 곧게 조금, 둘 다는 곧게 많이 판다. ② 시간 150에서 깊이는 약 5, 10, 61 nm다. 둘 다의 속도는 따로의 합보다 약 4배 크다. ③ 둘 다인 단면의 위쪽이 조금 넓다. 라디칼의 자발 식각이 섞여 있는데 아직 측벽 보호막이 없기 때문이다. 다음 시뮬레이터가 이 문제를 다룬다. (모델: ET.recipe("silicon")에서 고분자를 끄고 실리콘의 자발 식각 ch = 0.06. 라디칼만은 이온 플럭스 0, 이온만은 라디칼 플럭스 0. 폭 20 nm 개구, 산화막 마스크 20 nm.)

이온만으로 깎는 경우는 사실상 이온 밀링이다. 방향은 완벽하지만 수율이 작아 느리고, 재질을 가리지 않아 마스크도 같이 깎인다. 라디칼만으로 깎는 경우는 화학 식각이다. 재질은 가리지만 방향이 없다. RIE는 두 약점을 서로 메운다. 라디칼이 재질을 고르고, 이온이 방향을 고른다. 그러면서 속도는 둘의 합보다 몇 배 빠르다.

방식	무엇이 깎나	방향	선택비	대표 예
화학 식각(라디칼)	휘발성 생성물을 만드는 재질만	등방성	높다	다운스트림 애싱, SF₆ 실리콘 식각, 습식
물리 스퍼터(이온)	모두 (수율 차이만)	이방성, 경사면이 빠르다	낮다 (대개 3 이하)	Ar 이온 밀링, 자성 금속
이온 강화 식각(RIE)	라디칼이 고른 재질, 이온이 맞은 곳	이방성	높게 만들 수 있다	산화막(C₄F₈), 실리콘(Cl₂/HBr)

둘째 기둥: 측벽 보호막

실제 플라스마의 라디칼은 이온 없이도 조금은 깎는다. 실리콘을 깎는 염소 원자는 상온에서도 도핑된 실리콘과 느리게 반응하고, 불소 원자는 아주 빠르게 반응한다(13장). 이 자발 식각이 있으면 옆벽이 파여 들어간다. 위에서 본 "둘 다" 단면의 위쪽이 넓었던 이유다.

해결책은 옆벽에 막을 입히는 것이다. 불화탄소 플라스마의 CFₓ 조각, 실리콘 식각의 SiOₓBrᵧ 같은 반응 부산물은 표면에 쌓여 고분자나 산화물 막이 된다. 이 막은 이온이 세게 맞는 바닥에서는 쌓이자마자 떨어져 나가고, 이온이 스치듯 맞는 옆벽에서는 남는다. 엔진은 셀마다 보호막 두께 $P$의 변화를 이렇게 계산한다.

$$\frac{dP}{dt} = w_m\big(\Gamma_p + a\,\Gamma_i\big) - b\,\Gamma_i - c\,\Gamma_n$$

$\Gamma_p$는 고분자 전구체 플럭스, $w_m$은 재질마다 고분자가 쌓이는 정도(mat.pol), $a$는 이온이 실어 오는 증착, $b$는 이온이 걷어 내는 몫(ionRemove), $c$는 라디칼(산소 등)이 태우는 몫(chem)이다. $P$가 쌓이면 앞 식의 $e^{-P/p_0}$가 그 셀의 화학 식각을 막는다.

바닥은 $\Gamma_i$가 커서 $dP/dt < 0$이고 보호막이 없다. 옆벽은 $\Gamma_i$가 작아 $dP/dt > 0$이고 보호막이 자란다. 같은 화학이 위치에 따라 정반대로 작동한다. 이 구분을 만드는 것도 결국 이온의 방향이다. 아래에서 고분자 전구체의 양을 바꿔 가며 같은 트렌치를 깎는다.

SIMULATOR

고분자 전구체를 늘리면 옆벽이 선다

고분자 전구체 플럭스 라디칼의 자발 식각 ch

고분자 보호막실리콘

깊이—

언더컷 (한쪽)—

측벽 각—

상태—

해볼 것: ① 전구체 0으로 깎는다. 마스크 아래가 한쪽 약 9 nm 파이고 측벽 각은 약 81°다. ② 0.6으로 올린다. 옆벽에 갈색 막이 생기고 측벽 각이 약 89°로 선다. 오른쪽 그래프에 실행마다 점이 남는다. ③ 1.5까지 올린다. 이번에는 막이 입구를 좁혀 깊이가 줄고 바닥이 좁아진다. 보호막은 많을수록 좋은 것이 아니다(9장). ④ 자발 식각 ch를 0.3으로 올리면 같은 전구체로는 버티지 못한다. (모델: ET.recipe("silicon"), 시간 140, 폭 20 nm 개구. 슬라이더를 바꾸면 처음부터 다시 깎는다.)

이것이 RIE에서 가장 자주 쓰는 손잡이다. 산화막 식각에서는 C₄F₈ 같은 탄소가 많은 가스와 O₂의 비율로, 실리콘 식각에서는 HBr과 O₂로 보호막의 양을 조절한다. 보호막이 모자라면 언더컷과 휜 측벽, 넘치면 테이퍼와 막힌 입구다. 그 사이의 좁은 창 안에 수직 측벽이 있다. 이 창의 모양은 9장에서 자세히 잰다.

이온이 억제막을 걷는가, 에너지를 주는가이방성의 미시적 원인에 대해 두 그림이 있다. 하나는 억제막 모델이다. 표면 전체에 억제막이 쌓이는데 이온이 맞는 곳만 벗겨져 화학 식각이 일어난다. 다른 하나는 이온 에너지 모델이다. 라디칼만으로는 반응이 느리고, 이온이 실어 온 에너지가 반응을 일으킨다. 실제 공정은 둘이 함께 작동하며, 이 책의 엔진에도 둘 다 들어 있다($e^{-P/p_0}$ 항과 $Y_{ie}\Gamma_i\theta$ 항).

EB-20을 처음부터 끝까지 깎는다

이제 타깃 전체를 깎는다. 위에서부터 비정질 탄소 마스크 60 nm, 산화막 160 nm, 질화막 정지막 15 nm, 실리콘이다. 마스크에는 폭 20 nm의 홈이 열려 있고 같은 홈이 피치 40 nm로 되풀이된다. 레시피는 이 책의 기본 산화막 식각(ET.EB20.recipe(), C₄F₈/Ar/O₂)이다. 시간은 기본 레시피의 이론적 열린 평면 속도(openRate)로 정규화한다. 실제 셀 제거량은 이론값과 다르다. 예시 환산에서 이론적 기준 속도를 300 nm/분으로 잡으면 한 단위가 0.2초이고 시간 400은 80초다.

재생을 누르면 입자를 쏘기 시작한다. 이온 약 1000개, 라디칼과 고분자 전구체 각 약 1000개를 한 걸음으로 날리고 표면을 한 번 고친다. 이것을 700번쯤 되풀이한다. 시간 20마다 윤곽선이 등고선으로 남는다. 계산이 지나간 시간이면 언제든 시간 손잡이로 되돌아가 그 순간의 단면을 볼 수 있다.

SIMULATOR

EB-20 전체 식각: 시간에 따라 내려가는 단면

탄소 마스크산화막질화막 정지막실리콘고분자이온 궤적라디칼 궤적

시간 손잡이 (계산한 데까지) 등고선 기록 이온·라디칼 궤적

시간—

깊이 (산화막 윗면부터)—

측벽 각 (≥ 88.5°)—

보잉 (≤ 3 nm)—

마이크로트렌치 (≤ 2 nm)—

남은 마스크 (≥ 15 nm)—

정지막 손실 (≤ 3 nm)—

판정—

해볼 것: ① 재생을 누르고 오른쪽(좁은 화면에서는 아래) 그래프의 깊이 곡선이 처음에는 곧다가 차츰 눕는 것을 본다. ② 시간 300 근처에서 바닥이 정지막(주황)에 닿으면 깊이 곡선이 평평해지고, 그 뒤 100은 과식각이다. 정지막은 그동안 약 2 nm만 닳는다. ③ 다 깎은 뒤 시간 손잡이를 100, 200으로 되돌려 표의 값과 견준다. ④ 궤적을 켜고 일시정지한다. 붉은 이온은 곧게 바닥으로, 푸른 라디칼은 벽 사이를 지그재그로 튕기며 내려간다. (모델: ET.EB20.build() + ET.EB20.recipe(), 셀 1 nm, 주기 경계. 몬테카를로라 실행마다 1 nm 안팎으로 다르다. 그래프의 점은 이 책이 엔진으로 미리 잰 기준값이다.)

한 번 끝까지 돌려 보면 이 장의 결론이 거의 다 보인다. 엔진으로 잰 기준값은 다음과 같다.

시간	깊이 (nm)	평균 속도 (nm/단위)	측벽 각	마스크 가운데 / 가장 얇은 곳 (nm)	정지막 (nm)
0	0	—	—	60 / 60	15
100	약 61	0.61	약 88.8°	55.9 / 53.0	15
200	약 112	0.51	약 89.4°	51.7 / 46.7	15
300	약 158	0.46	약 89.8°	47.5 / 40.4	15
400	약 162	(정지막)	약 90°	43.3 / 34.1	약 13

세 가지를 읽는다. 첫째, 처음부터 열린 평면보다 느리다. 시간 100까지의 평균 속도는 열린 평면의 0.61배다. 홈이 아직 얕을 때도 그 위에 마스크 60 nm가 서 있어 입구의 종횡비가 이미 3이기 때문이다. 라디칼은 마스크 벽에서부터 붙고 튕기며 내려와야 한다. 둘째, 깊어질수록 더 느려진다. 시간 200~300의 속도는 0.46으로 처음보다 4분의 1쯤 느리다. 바닥까지 내려오는 라디칼이 줄어 덮임률 $\theta$가 떨어지기 때문이다. 이것이 10장의 ARDE다. 셋째, 정지막에서 멈춘다. 정지막 질화막은 이 레시피에서 산화막보다 약 90배 느리게 깎인다. 바닥 깊이가 시간 300 근처에서 160을 넘으면 곡선이 거의 수평이 된다. 남은 100의 과식각 동안 웨이퍼의 다른 곳, 더 좁은 홈이 따라온다(14장).

측벽 각은 처음 몇십 nm에서 조금 기울었다가 깊어지면서 89.5° 근처에 자리를 잡는다. 보잉과 마이크로트렌치는 생기지 않는다. 옆벽에는 1 nm 안팎의 고분자가 얇게 덮여 있고, 마스크 바로 아래의 산화막만 한쪽 2 nm쯤 넓어져 산화막의 윗 폭이 약 24 nm다. 처음 몇 걸음 동안 보호막이 아직 자리 잡지 않은 사이에 라디칼과 비스듬한 이온이 파 놓은 자국이다.

표면이 보는 것: 플럭스 지도

식각 속도 식의 입력은 셀마다 받는 이온과 라디칼의 양이다. 단면의 모든 표면 셀이 같은 양을 받는다면 모든 곳이 같은 속도로 깎여 등방성이 될 것이다. 이방성은 바닥과 옆벽이 받는 양이 다르기 때문에 생긴다. 아래는 위 시뮬레이터의 지금 단면에서 입자를 몇 묶음 더 쏘아(모양은 바꾸지 않고) 표면 셀마다 받은 양을 색으로 칠한 것이다.

SIMULATOR

표면 셀마다의 이온 · 라디칼 · 식각 속도

바닥 이온 (평면 = 1)—

바닥 라디칼 (평면 = 1)—

바닥 속도—

옆벽 평균 속도—

해볼 것: ① 위 시뮬레이터를 시간 100쯤에서 멈추고 가져온다. 이온은 마스크 윗면과 바닥에 1 가까이, 옆벽에는 거의 0이다. ② 라디칼로 바꾼다. 마스크 윗면과 입구 근처가 가장 많이 받고 바닥으로 갈수록 준다. ③ 식각 속도로 바꾼다. 바닥만 밝고 옆벽은 어둡다. 옆벽 속도는 바닥의 몇 % 안 된다. ④ 시간 300 근처를 가져오면 바닥 라디칼이 시간 100보다 적고, 바닥 속도도 그만큼 낮다. (단위: 이온과 라디칼은 열린 평면이 받는 양을 1로, 속도는 열린 평면 산화막 속도를 1로 했다. 셀 몇 개를 평균한 값이라 잡음이 있다.)

바닥의 이온은 깊이와 거의 상관없이 1 근처다. σ = 3°의 이온은 종횡비 8의 홈에서도 대부분 바닥에 곧바로 닿는다. 반면 바닥의 라디칼은 깊어질수록 줄어든다. 그러니 깊은 홈의 바닥은 이온은 넉넉한데 라디칼이 모자란 상태, 곧 덮임률이 낮은 "중성종 제한" 영역으로 옮겨 간다. 식각 속도가 줄어드는 것은 이 때문이다. 옆벽은 그 반대로, 라디칼은 받지만 이온이 없어 거의 깎이지 않는다.

이방성을 숫자로

단면이 얼마나 수직인지를 하나의 숫자로 말하는 방법은 두 가지다. 하나는 가로와 세로 식각 속도의 비로 정의하는 이방성(Anisotropy)이다.

$$A = 1 - \frac{R_{\text{가로}}}{R_{\text{세로}}} \approx 1 - \frac{u}{d}, \qquad \tan(90^\circ - \alpha) = \frac{(w_{\text{위}} - w_{\text{아래}})/2}{d}$$

$u$는 마스크 가장자리 아래로 파고든 언더컷(한쪽), $d$는 깊이, $\alpha$는 측벽 각(90°가 수직), $w_{\text{위}}$, $w_{\text{아래}}$는 홈의 윗 폭과 아랫 폭이다. 습식은 $A = 0$, 완전한 수직은 $A = 1$이다.

$A$는 언더컷이 있는 등방성 쪽 단면을 말할 때 편하고, 측벽 각은 테이퍼나 보잉처럼 모양이 있는 단면을 말할 때 편하다. 둘은 서로 다른 것을 잰다. 언더컷 없이 비스듬히 좁아지는 테이퍼 단면은 $A = 1$이지만 측벽 각은 90°가 아니다. 아래에서 마스크 아래 언더컷과 바닥 모서리를 끌어 두 숫자를 함께 본다.

SIMULATOR

언더컷과 바닥 폭으로 이방성과 측벽 각 재기

두 손잡이를 좌우로 끈다

깊이 d

이방성 A = 1 − u/d—

측벽 각—

윗 폭 / 아랫 폭—

상태—

해볼 것: ① "EB-20 기본 결과"를 누른다. 언더컷 2 nm, 깊이 160 nm로 $A$ ≈ 0.99, 측벽 각은 약 89.5°다. ② "습식이라면"을 누른다. 언더컷이 깊이와 같아 $A = 0$이고, 피치 40 nm의 벽은 이미 사라졌다. ③ "테이퍼"를 누른다. 언더컷이 없으므로 $A = 1$인데 측벽 각은 86°다. ④ 깊이를 줄여 같은 언더컷 2 nm라도 얕은 홈에서는 $A$가 크게 떨어지는 것을 본다. (모델: 기하 그림. 마스크 폭 20 nm, 피치 40 nm. 언더컷은 마스크 바로 아래, 측벽 각은 위 모서리와 바닥 모서리를 잇는 직선으로 잰다.)

수치로 보면 이방성 0.99는 대단해 보이지만 여유가 없다. 피치 40 nm에서 벽 두께는 20 nm이고, 양쪽에서 언더컷이 1 nm씩만 늘어도 벽은 10% 가늘어진다. 깊이가 µm 단위인 16장의 고종횡비 식각에서는 측벽 각 89.5°도 바닥에서 폭을 수십 nm 잃는 각도다. 측벽 각을 어떻게 정의하고 어디서 재느냐는 9장에서 다시 다룬다.

식각 방식	이방성 A (대략)	단면
습식 (HF, BOE)	0	둥근 언더컷, 언더컷 = 깊이
배럴·다운스트림 플라스마	0 ~ 0.2	등방성, 마스크 아래로 파고든다
SF₆ 실리콘 식각 (바이어스 낮음)	0.3 ~ 0.7	휜 측벽, 언더컷
RIE (Cl₂/HBr, C₄F₈/Ar/O₂)	0.95 ~ 0.99+	거의 수직, 측벽 각 88~90°
Ar 이온 밀링	~1	수직이지만 마스크 패싯·재증착

RIE라는 이름의 기계좁은 뜻의 RIE는 웨이퍼를 RF 전원이 걸린 전극 위에 놓는 평행판 반응기를 가리킨다(5장). 웨이퍼 쪽 전극이 작아 큰 자기 바이어스가 걸리고, 그래서 이온 에너지가 높다. 지금의 이중 주파수 CCP나 ICP는 이온의 양과 에너지를 따로 조절하지만, 이온 강화 식각으로 이방성을 얻는다는 원리는 같아 넓은 뜻으로는 모두 RIE라 부른다.

타깃 파일

TARGET EB-20타깃 파일 · 7장

처음으로 끝까지 깎았다

앞 장들에서 정한 조건(C₄F₈/Ar/O₂, 이온 에너지 수백 eV, 각도 퍼짐 σ = 3°, 평면 덮임률 약 0.62)으로 EB-20 전체를 엔진으로 깎았다. 시간 100에서 깊이 약 61 nm, 200에서 112 nm, 300에서 158 nm, 300을 조금 넘어 정지막에 닿았다. 시간 400(과식각 약 33%)의 단면은 측벽 각 약 89.5~90°, 보잉 0, 마이크로트렌치 0이다. 산화막 윗 폭은 약 24 nm로 마스크 바닥 바로 아래가 한쪽 2 nm쯤 넓어졌고, 아래로는 20~22 nm로 곧게 내려간다.

이방성은 두 기둥이 함께 만들었다. 이온은 깊이와 상관없이 바닥에 평면의 양만큼 닿고 옆벽에는 거의 닿지 않는다. 옆벽에는 1 nm 안팎의 불화탄소 고분자가 남아 라디칼의 공격을 막는다. 깊어질수록 바닥의 라디칼이 줄어 속도가 0.61에서 0.46으로 떨어졌다.

이 장에서 정한 것기본 레시피로 시간 400. 깊이 약 162 nm(정지막 위), 측벽 각 약 89.5°, 보잉 0, 마이크로트렌치 0. 측벽·보잉·마이크로트렌치 규격은 통과.

아직 남은 문제마스크 가장 얇은 곳은 약 34 nm, 가운데는 약 43 nm로 닳는 속도가 다르다. 정지막은 약 2 nm 닳았다. 왜 이만큼인가.

다음 단계8장에서 마스크와 정지막의 예산을 장부로 쓴다.

핵심 정리

RIE는 화학은 라디칼이, 방향은 이온이 맡는 분업이다. 이온 강화 식각 속도는 이온 플럭스와 덮임률의 곱 $Y_{ie}\Gamma_i\theta$로, 둘 중 하나만 있으면 느리다.
시스에서 가속된 이온은 수직에서 몇 도 안쪽으로 몰려 들어와 깊은 홈의 바닥에도 곧바로 닿는다. 코사인 분포의 라디칼은 종횡비 8에서 약 6%만 바닥을 바로 본다.
라디칼의 자발 식각이 있으면 옆벽이 파인다. 이온이 약한 옆벽에만 남는 고분자 보호막이 이것을 막는다. 보호막이 모자라면 언더컷, 넘치면 테이퍼와 막힘이다.
EB-20을 기본 레시피로 깎으면 시간 100/200/300/400에 깊이 약 61/112/158/162 nm, 측벽 각 약 89.5°다. 속도는 마스크 때문에 처음부터 평면보다 느리고, 깊어질수록 라디칼이 모자라 더 느려진다.
깊은 홈의 바닥은 이온은 넉넉하고 라디칼이 모자란 중성종 제한 영역이다. 옆벽은 라디칼은 받지만 이온이 없어 거의 깎이지 않는다.
이방성 $A = 1 - R_{\text{가로}}/R_{\text{세로}}$와 측벽 각은 서로 다른 것을 잰다. 테이퍼는 $A = 1$이어도 측벽 각이 90°가 아니다.

확인 퀴즈

같은 실리콘 시편에 라디칼만 주면 속도가 5, 이온만 주면 10이었다(임의 단위). 둘을 함께 주었을 때 RIE의 이온 강화 식각에서 기대할 수 있는 속도로 가장 알맞은 것은?

이온 강화 식각은 이온 플럭스와 라디칼 덮임률의 곱으로 들어가는 시너지다. 이 장의 시뮬레이터에서는 라디칼만 약 5, 이온만 약 10 nm를 파는 동안 둘 다로는 약 61 nm를 팠다. 코번과 윈터스의 실험에서는 합의 약 10배였다.

RIE에서 옆벽에 고분자 보호막이 남고 바닥에는 남지 않는 주된 이유는?

전구체는 바닥에도 온다. 차이는 이온이다. $dP/dt = w(\Gamma_p + a\Gamma_i) - b\Gamma_i - c\Gamma_n$에서 이온 플럭스가 큰 바닥은 음수, 작은 옆벽은 양수가 된다. 보호막의 위치를 정하는 것도 결국 이온의 방향성이다.

EB-20을 깎을 때 시간 200~300의 평균 속도(약 0.46)가 시간 0~100(약 0.61)보다 느린 까닭으로 가장 알맞은 것은?

플럭스 지도에서 바닥의 이온은 깊이와 상관없이 평면의 양 근처지만 라디칼은 깊어질수록 준다. 이온 강화 식각 속도가 $\Gamma_i\theta$에 비례하므로 $\theta$가 줄면 느려진다. 정지막에는 시간 약 300에 닿는다. 이 효과가 10장의 ARDE다.

폭 20 nm 마스크로 깊이 100 nm를 팠더니 언더컷은 없고 바닥 폭이 14 nm였다. 맞는 설명은?

언더컷이 없으므로 $A = 1 - 0/100 = 1$이다. 그러나 한쪽 벽이 100 nm 동안 3 nm 들어왔으므로 $\tan(90° - \alpha) = 3/100$, $\alpha \approx 88.3°$다. 테이퍼는 이방성으로는 잡히지 않고 측벽 각으로 잡힌다.