선택비와 마스크

선택비: 깎을 것만 깎는다

식각에서 지켜야 할 재질은 둘이다. 위에서 무늬를 지키는 마스크와 아래에서 식각을 멈춰 주는 정지막이다. 둘 다 대상막보다 느리게 깎여야 한다. 대상막과 다른 재질의 식각 속도 비를 선택비(Selectivity)라 한다.

기본 산화막 레시피(ET.EB20.recipe())로 열린 평면을 깎으면 산화막 : 비정질 탄소 : 질화막의 속도비가 1 : 0.042 : 0.011이다. 산화막 대 탄소 선택비 약 24, 산화막 대 질화막 약 90이다. 탄소 마스크 60 nm라면 이론상 60 × 24 = 1440 nm를 팔 수 있다. 깊이 160 nm인 EB-20에는 차고 넘친다. 그런데 7장에서는 160 nm를 파는 동안 마스크가 26 nm나 닳았다. 계산과 무려 네 배 차이다. 이 장의 첫 질문은 이 차이가 어디서 오는가다.

이 장은 식각의 흐름에서 맨 앞, 마스크 단계를 다룬다. 마스크가 무엇으로 되어 있고 어떻게 닳는지가 뒤의 모든 단계의 바탕이다. 레지스트에서 하드마스크로 무늬를 넘기는 이어달리기의 큰 그림은 LithoBook의 패턴 전사 장이 다루고, 이 장은 그 안의 식각 메커니즘을 판다.

마스크 예산: 평면의 선택비는 거짓말을 한다

마스크 위는 열린 평면이다. 이온과 라디칼을 평면만큼 받아 평면의 속도로 닳는다. 그런데 홈 바닥은 평면보다 느리다. 7장에서 본 대로 바닥까지 오는 라디칼이 모자라 EB-20의 홈은 평균적으로 평면의 절반쯤 속도로 내려간다. 같은 시간 동안 마스크는 평면 속도로, 홈은 그 절반으로 깎이니 실제 선택비는 절반이 된다. 여기에 마스크의 모서리는 윗면보다 빨리 닳는다(다음 절의 패싯). 그래서 홈 안에서 본 실효 선택비는 이렇다.

아래 단면에서 홈 바닥의 손잡이를 끌어 내린다. 세 값을 바꿔 가며 마스크의 가운데와 모서리가 얼마나 남는지 본다.

평면 선택비 24가 홈 안에서는 약 8로 줄었다. 깊고 좁은 홈일수록 이 차이는 더 벌어진다. 깊이가 µm 단위인 16장의 고종횡비 식각에서는 바닥의 속도가 평면의 몇 분의 일로 떨어지므로 마스크가 µm 두께로 두꺼워진다. 마스크 예산을 평면 선택비로 세우면 반드시 모자란다.

마스크는 모서리부터 닳는다: 패싯

이온의 스퍼터 수율은 입사각에 따라 달라진다. 수직으로 맞을 때보다 비스듬히 맞을 때 원자가 더 잘 튀어 나가고, 표면 법선에서 약 60~70°일 때 가장 크다(6장의 ET.ySP). 마스크의 모서리는 처음에는 직각이지만, 조금만 둥글어져도 그 둥근 부분은 수직 이온을 비스듬히 받는다. 그 각도가 수율이 가장 큰 각도 근처라면 모서리가 윗면보다 빨리 깎이고, 그 결과 일정한 각도의 빗면이 생긴다. 이 빗면을 패싯(Facet)이라 한다.

아래에서 탄소 마스크 40 nm에 폭 30 nm로 열린 홈을 두 가지 방식으로 깎는다. 물리 스퍼터만 있는 아르곤 이온 밀링과 이 책의 산화막 레시피다.

패싯은 두 가지 값을 치르게 한다. 하나는 마스크 예산이다. 가장 얇은 곳이 먼저 바닥나므로 예산은 가운데가 아니라 모서리로 세워야 한다. 다른 하나는 CD다. 패싯이 마스크 바닥까지 내려오면 마스크의 열린 폭이 넓어지고, 그 아래 대상막의 윗 폭도 따라 넓어진다. 또 패싯은 이온을 반사하는 거울이다. 패싯에서 튄 이온은 반대편 측벽의 어느 깊이를 때리는데, 그것이 11장 보잉의 주된 원인 가운데 하나다.

패싯을 줄이는 방법은 스퍼터 성분을 줄이는 것이다. 이온 에너지를 낮추고, 마스크를 단단한 재질(수소가 적은 증착 탄소, 금속)로 바꾸고, 마스크 위에 고분자가 쌓이게 해 모서리를 감싼다. EB-20 레시피의 마스크 모서리가 Ar 밀링보다 훨씬 덜 깎인 것은 마지막 효과 덕분이다.

고분자가 만드는 선택비

산화막 대 질화막 선택비 90은 어디서 오는가. 산화막(SiO₂)과 질화막(Si₃N₄)과 실리콘은 모두 실리콘이 주인공이고, 불소와 만나면 모두 SiF₄로 날아간다. 화학만 보면 산화막만 골라 깎을 이유가 없다. 답은 표면에 쌓이는 불화탄소 고분자에 있다.

엔진의 고분자 식 \(dP/dt = w_m(\Gamma_p + a\Gamma_i) - b\Gamma_i - c\Gamma_n\)에서 이 차이는 재질마다 다른 \(w_m\)에 들어 있다. 산화막은 0.35, 탄소 0.6, 실리콘 2.4, 질화막 4.0이다. 산화막은 쌓이는 것보다 걷히는 것이 많아 \(dP/dt < 0\)이고, 질화막은 반대다. 기체의 O₂는 \(c\)를 키운다. 아래 그래프는 열린 평면에서 재질마다 \(dP/dt\)가 O₂와 고분자 전구체에 따라 어떻게 바뀌는지 보여 준다. 0보다 위면 고분자가 쌓여 멈추고, 아래면 깎인다.

이 그림이 불화탄소 식각의 핵심 지도다. 산화막 식각의 레시피 엔지니어는 C₄F₈ 같은 고분자를 많이 만드는 가스와 O₂, 그리고 Ar의 비율을 맞춰 산화막은 0 아래, 질화막과 실리콘은 0 위인 창을 찾는다. 창의 한쪽 끝은 정지막이 뚫리는 곳, 다른 쪽 끝은 산화막마저 멈추는 곳이다. 같은 원리로 질화막을 산화막 위에서 골라 깎으려면 수소를 넣어(CH₃F, CH₂F₂) 질화막 쪽 고분자를 줄이는 다른 창을 쓴다(13장).

EB-20의 마스크가 닳는 모습

이제 EB-20의 탄소 마스크를 확대해서 본다. 7장과 같은 식각을 처음부터 다시 돌리되, 그림을 마스크와 그 아래 산화막의 윗부분에 맞추고 그래프에는 마스크 두께를 그린다. 점선은 열린 평면의 선택비로 계산한 예상선이다.

시간 400에서 가운데 약 43 nm, 가장 얇은 곳 약 34 nm가 남는다. 규격 15 nm에 대해 19 nm의 여유다. 이 여유가 어디에 쓰일지는 뒤 장들이 말한다. 이온 각도 퍼짐이 커지면 모서리가 더 빨리 닳고(11장), 같은 마스크로 더 깊이 파면 과식각이 길어진다(10장, 16장).

정지막과 과식각

웨이퍼 한 장 위에서 식각 속도는 고르지 않다. 가운데가 몇 % 빠르거나 가장자리가 느리다(5장). 홈의 폭도 조금씩 달라 깊이가 달라진다(10장). 가장 느린 곳까지 다 열리게 하려면 평균보다 오래 깎아야 하고, 그 사이 먼저 열린 곳의 바닥은 아래층을 계속 맞는다. 이 덧붙인 시간이 과식각(Over-etch)이고, 그동안 아래층을 지켜 주는 것이 식각 정지막(Etch stop layer)이다.

실제 공정은 주 식각과 과식각에 레시피를 따로 쓰는 일이 많다. 정지막에 닿은 뒤에는 산화막을 빨리 깎을 필요가 없으므로, 과식각 단계에서는 고분자를 늘려 선택비를 높인다. 반대로 고분자를 너무 줄이면 무슨 일이 생기는지 아래에서 본다. 주 식각(시간 280까지, 바닥이 정지막 10 nm 위)은 한 번만 계산해 두고, 그 뒤 과식각 단계의 O₂만 바꿔 시간 440까지 깎는다.

기본 레시피에서 정지막 손실은 시간 400에 약 2 nm로 규격 3 nm 안이다. 이것은 산화막 대 질화막 선택비가 높아서이기도 하지만, 더 정확히는 질화막이 드러나는 순간 그 위에 고분자가 쌓이기 때문이다. 바닥에 닿은 처음 몇 nm가 깎이는 동안 막이 자라고, 막이 자리를 잡으면 손실이 거의 멈춘다. O₂를 늘리면 이 막이 생기지 못해 질화막도 산화막처럼 이온 강화 식각을 받는다.

과식각을 얼마나 둘 것인가

과식각의 길이는 웨이퍼에서 가장 느린 곳이 정하고, 정지막 손실의 최대값은 가장 빠른 곳이 정한다. 아래는 웨이퍼 반지름 방향의 식각 속도가 가운데에서 가장자리로 갈수록 느려지는 단순한 모델이다. 불균일도와 과식각 비율을 움직여 본다.

정지막 손실이 왜 중요한가. 정지막 아래에는 대개 트랜지스터의 접합이나 아래층 배선이 있다. 정지막을 뚫고 실리콘을 몇 nm 파면 접합 누설이 늘고, 금속을 드러내면 그 금속이 플라스마에 오염된다. 그래서 정지막은 과식각 동안 무엇보다 버텨야 하고, 그 다음 공정에서는 아래층을 다치지 않게 따로 걷어 내야 한다. 15 nm 정지막을 0.5 nm 단위로 걷는 방법은 15장에서 다룬다.

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