패턴 전사: 식각으로 옮기기

마지막 단계: 무늬는 아직 플라스틱이다

1장에서 본 일곱 단계 가운데 여섯을 지나왔다. 레이아웃을 고치고(7장), 마스크를 만들고(6장), 빛으로 상을 맺고(2장~5장), 레지스트가 그 상을 화학으로 기록하고(8장), 현상액이 단면을 깎았다(9장). 그 결과가 웨이퍼 위의 레지스트 무늬다. 노광 공정의 산출물은 여기까지이고, 품질 검사도 여기서 한 번 한다. 이것을 현상 후 검사(ADI, After-develop inspection)라 한다.

하지만 칩에 남는 것은 레지스트가 아니다. 레지스트 아래의 막, 곧 배선이 들어갈 절연막이나 게이트가 될 실리콘이다. 레지스트 무늬를 가림막 삼아 아래 막을 깎아 내는 과정을 패턴 전사(Pattern transfer)라 하고, 깎는 공정이 식각(Etch)이다. 식각이 끝나고 레지스트를 벗긴 뒤에 다시 한 번 검사한다. 이것이 식각 후 검사(AEI, After-etch inspection)다. 소자의 성능을 정하는 것은 ADI의 선폭이 아니라 AEI의 선폭이다.

플라스마가 어떻게 만들어지고 이온과 라디칼이 표면에서 무슨 일을 하는지는 ProcessBook의 식각 장이 다룬다. 이 장의 관심은 그 식각을 써서 노광이 만든 무늬를 얼마나 온전히 아래로 내려보내는가다. 물어야 할 것은 네 가지다.

• 깊이. 가림막이 다 닳기 전에 원하는 깊이까지 팔 수 있는가.
• 폭. 레지스트의 선폭이 그대로 내려가는가, 넓어지거나 좁아지는가.
• 균일함. 촘촘한 곳과 성긴 곳이 같은 깊이로 파이는가.
• 가장자리. 레지스트의 거친 가장자리가 그대로 내려가는가.

레지스트는 형편없는 마스크다

식각은 가림막도 함께 깎는다. 플라스마는 재질을 가려 가며 깎지만 완벽하게 가리지는 못한다. 깎으려는 막의 식각 속도를 가림막의 식각 속도로 나눈 값을 선택비(Selectivity)라 한다.

레지스트는 탄소와 수소, 산소로 된 고분자다. 산화막을 깎는 불화탄소 플라스마 속에서 레지스트 대비 산화막의 선택비는 조건에 따라 대략 한 자릿수에 머문다. 예전에는 이것으로 충분했다. 레지스트가 수백 nm로 두꺼웠기 때문이다. 지금은 사정이 다르다. 9장에서 본 대로 선폭이 14 nm면 레지스트를 30 nm보다 두껍게 쓸 수 없다. 종횡비가 커지면 현상액이 마를 때 선이 쓰러진다. EUV에서는 초점 심도와 흡수 때문에도 얇아야 한다.

아래 시뮬레이터에서 직접 파 본다. 두께 30 nm의 레지스트 무늬만으로 산화막에 깊이 120 nm의 트렌치를 파는 것이 목표다. 트렌치 바닥의 손잡이를 아래로 끌면 식각 시간이 흐른다. 선택비를 바꿔 가며 목표 깊이에 닿는지 본다.

레지스트가 사라지는 순간이 중요하다. 그때부터는 가려진 곳과 열린 곳이 똑같이 깎인다. 이미 새겨진 단차는 남지만 더 깊어지지 않고, 선의 윗면이 내려앉는다. 실제 공정에서는 이보다 먼저 레지스트의 모서리가 비스듬히 깎이면서 선폭이 줄기 시작한다. 그래서 공정 설계자는 "식각이 끝났을 때 마스크가 얼마 남는가"를 예산으로 관리한다. 이 장에서는 이것을 레지스트 예산이라 부르겠다.

목표 깊이 120 nm, 레지스트 30 nm면 선택비 4가 넘어야 한다. 불가능한 값은 아니지만 여유가 없고, 깊이가 200 nm, 500 nm로 늘면 답이 없다. 선택비를 높이는 화학을 찾는 데는 한계가 있다. 그래서 방향을 바꾼다. 레지스트에게 깊은 식각을 시키지 않는다.

선택비 이어달리기

해법은 가림막을 여러 겹으로 쌓고, 무늬를 한 층씩 아래로 넘겨주는 것이다. 층마다 식각 화학을 바꾼다. 화학을 고르는 기준은 하나다. 지금 깎으려는 층은 빨리, 그 위의 가림막은 느리게. 이것이 가능한 까닭은 재질에 따라 잘 듣는 플라스마가 다르기 때문이다.

• 실리콘이 든 무기막(SiARC, 산화막, 질화막)은 불소 계열 플라스마에 잘 깎인다. 실리콘이 불소와 만나 휘발성인 SiF₄가 된다.
• 탄소로 된 유기막(레지스트, 탄소막)은 산소나 수소·질소 계열 플라스마에 잘 깎인다. 탄소가 CO, CO₂로 날아간다. 실리콘이 든 막은 산소 플라스마 속에서 오히려 표면이 산화막처럼 굳어 거의 깎이지 않는다.
• TiN 같은 금속 화합물은 염소 계열에 깎이고, 불화탄소 계열에는 매우 느리게 깎인다.

유기막과 무기막을 번갈아 쌓으면 한 번은 불소로, 다음은 산소로 깎으면서 매번 높은 선택비를 얻는다. 가장 널리 쓰는 조합이 삼층 구조(Trilayer)다. 위에서부터 레지스트, 실리콘 함유 반사 방지막(SiARC), 스핀 코팅 탄소막(SOC, Spin-on carbon)이다. 탄소막 아래에 TiN 같은 하드마스크를 한 장 더 두면 네 번의 이어달리기가 된다.

아래 시뮬레이터가 그 과정이다. 피치 28 nm, 선폭 14 nm의 레지스트 무늬에서 출발한다. 버튼을 왼쪽부터 차례로 누른다. 단계마다 무엇이 가림막 노릇을 하는지, 그 가림막이 얼마나 닳는지 본다.

마지막 화면을 처음 화면과 견줘 본다. 두께 30 nm였던 레지스트 무늬가 깊이 40 nm의 저유전막 트렌치가 됐고, 그 위에는 TiN이 8 nm 넘게 남아 있다. 중간에 선 탄소막 기둥은 높이 50 nm, 종횡비 3.6이었다. 레지스트로는 설 수 없는 높이다. 레지스트가 한 일은 10 nm짜리 SiARC를 여는 것 하나뿐이었다.

각 단계에서 가림막이 버텨야 하는 조건은 같은 꼴이다.

층의 두께는 아래에서 위로 거꾸로 정한다. 대상막의 깊이가 하드마스크 두께를 정하고, 하드마스크가 탄소막 두께를, 탄소막이 SiARC 두께를, SiARC가 레지스트에게 요구하는 최소 두께를 정한다. 그 값이 9장의 쓰러짐 한계보다 작으면 공정이 성립한다.

하드마스크 재료

가림막으로 쓰는 재료와 대표적인 선택비를 정리한다. 선택비는 플라스마 조건, 무늬의 종횡비, 막질에 따라 몇 배씩 달라진다. 표의 값은 크기를 가늠하는 용도다.

스핀 코팅 탄소막은 바르기 쉽고 평탄화가 잘 되지만 무르다. 종횡비가 큰 탄소막 선은 식각 중에 구불구불 휘는 일(위글링)이 있어, 깊은 식각에는 화학 기상 증착으로 만든 단단한 비정질 탄소막을 쓴다. D램의 커패시터 홀이나 3D 낸드의 채널 홀처럼 깊이가 μm 단위인 식각에서는 이 탄소막의 두께와 선택비가 공정의 한계를 정한다.

이방성: 아래로만 깎는다

깊이가 해결됐으니 폭을 본다. 가림막의 폭이 그대로 내려가려면 식각이 수직 방향으로만 일어나야 한다. 방향에 따라 식각 속도가 다른 성질을 이방성(Anisotropy)이라 하고, 모든 방향으로 똑같이 깎는 것을 등방성(Isotropic) 식각이라 한다.

용액에 담가 녹이는 습식 식각은 등방성이다. 플라스마 식각이 수직으로 깎을 수 있는 것은 전기장이 이온을 웨이퍼에 수직으로 끌어당기기 때문이다. 이온이 닿는 바닥은 빨리 깎이고, 이온이 닿지 않는 옆벽에는 반응 부산물이 얇은 보호막으로 쌓여 라디칼의 공격을 막는다. 자세한 원리는 ProcessBook의 식각 장을 본다.

아래에서 이방성을 0부터 1까지 움직여 본다. 두께 40 nm의 막을 20% 과식각한다. 선폭도 함께 바꿔 본다.

언더컷의 크기는 선폭이 아니라 막 두께에 비례한다. 그래서 선이 가늘어질수록 같은 이방성으로는 버틸 수 없다. 선폭 14 nm, 깊이 40 nm에서 선폭 손실을 1.4 nm(10%) 안에 두려면 한쪽 언더컷이 0.7 nm 아래여야 하고, 이방성은 0.985를 넘어야 한다. 원자 몇 층의 정밀도다. 최근에는 표면 한 층을 개질하고 그 층만 떼어 내는 일을 되풀이하는 원자층 식각(ALE)이 이런 곳에 쓰인다.

식각 바이어스와 트림: 리소 CD는 최종 CD가 아니다

식각이 완전히 수직이라 해도 식각 뒤의 선폭은 레지스트의 선폭과 같지 않다. 레지스트 옆면이 깎이기도 하고, 옆벽 보호막이 쌓여 가림막이 두꺼워지기도 하고, 옆벽이 비스듬히 기울기도 한다. 두 선폭의 차이를 식각 바이어스(Etch bias)라 한다.

바이어스가 늘 같은 값이라면 문제가 아니다. 마스크나 OPC 단계에서 그만큼 미리 보정하면 된다(7장의 리타기팅). 어려운 것은 바이어스가 무늬에 따라 다르다는 점이다. 촘촘한 선과 외딴 선, 선의 옆과 끝이 다르게 깎인다. 그래서 요즘의 OPC 모델은 광학과 레지스트 뒤에 식각 모델을 한 단 더 붙여 AEI 윤곽을 목표로 보정한다.

트림: 바이어스를 일부러 쓴다

바이어스를 나쁜 것으로만 볼 필요는 없다. 식각 전에 산소 플라스마로 레지스트를 사방에서 조금 깎아 내면 선이 가늘어진다. 이것을 트림(Trim)이라 한다. 노광이 찍을 수 있는 최소 피치는 광학이 정하지만(3장), 피치가 넉넉한 외딴 선의 폭은 트림으로 노광 한계보다 가늘게 만들 수 있다. 로직의 게이트 길이는 오랫동안 이렇게 만들었다. 노광이 찍은 선폭과 최종 게이트 길이가 수십 nm씩 달랐던 세대도 있다.

아래에서 레지스트 선의 가장자리를 안쪽으로 끌어 트림한다. 처음 선폭은 40 nm다. 위쪽 버튼으로 식각 뒤의 모습으로 바꿔 본다.

트림에는 값이 따른다. 사방에서 깎으므로 레지스트 높이도 같이 줄어 예산을 먹는다. 선이 가늘어지면 종횡비가 커져 쓰러진다. 그리고 트림은 선폭을 줄일 뿐 피치는 바꾸지 못한다. 선과 선 사이의 거리는 그대로이므로 촘촘한 무늬의 밀도를 높이는 데는 쓸 수 없다. 피치를 줄이는 방법은 16장에서 다룬다.

구멍이나 트렌치에는 반대 방향의 기법을 쓴다. 레지스트나 하드마스크의 옆벽에 얇은 막을 입혀 뚫린 폭을 줄이는 슈링크(Shrink)다. 트림이 선을 가늘게 하듯 슈링크는 구멍을 작게 한다. 둘 다 ADI와 AEI 사이의 장부에 일부러 적어 넣는 바이어스다.

로딩 효과: 좁은 곳은 느리게 파인다

같은 웨이퍼, 같은 시간 동안 식각해도 무늬에 따라 깊이가 다르다. 이것을 통틀어 로딩 효과(Loading effect)라 한다. 원인에 따라 셋으로 나눈다.

• 매크로 로딩. 웨이퍼 전체에서 열린 면적이 넓을수록 반응종이 빨리 소모돼 식각 속도가 전체적으로 떨어진다.
• 마이크로 로딩. 칩 안에서 열린 면적이 몰린 구역은 주변보다 반응종이 모자라 느리게 깎인다.
• 종횡비 의존 식각(ARDE, Aspect-ratio dependent etching). 좁고 깊은 구멍일수록 느리게 깎인다. 이온은 옆벽에 부딪혀 잃고, 중성 라디칼은 좁은 통로를 지나 바닥까지 가기 어렵고, 부산물은 빠져나오기 어렵다. RIE 지연(RIE lag)이라고도 부른다.

노광 엔지니어에게 가장 직접 닿는 것은 세 번째다. 같은 마스크에 폭이 다른 트렌치가 섞여 있으면 깊이가 달라진다. 간단한 모델 하나를 쓴다. 식각 속도가 그 순간의 종횡비에 따라 느려진다고 본다.

아래 단면에는 폭 14 nm의 촘촘한 트렌치 넷과 폭을 바꿀 수 있는 넓은 트렌치 하나가 있다. 넓은 트렌치의 오른쪽 가장자리를 끌어 폭을 바꾸고, 식각 시간과 \(k\)를 움직여 본다.

배선 트렌치의 깊이는 곧 배선의 두께다. 깊이가 다르면 저항과 정전 용량이 달라진다. 대응은 세 갈래다. 첫째, 설계 규칙으로 폭의 종류를 제한하고 빈 곳에 더미 무늬를 채워 밀도를 고르게 한다. 둘째, 대상막 아래에 식각 정지막(Etch stop layer)을 깔아 모든 트렌치가 같은 바닥에서 멈추게 한다. 느린 쪽이 닿을 때까지 과식각을 하면 깊이가 맞는다. 다만 빨리 닿은 쪽의 정지막이 그동안 버텨 줘야 하므로 여기서도 선택비가 문제 된다. 셋째, 압력과 가스 조성을 조절해 \(k\) 자체를 줄인다.

거칠기는 걸러지면서 내려간다

레지스트 선의 가장자리는 매끈하지 않다. 11장에서 본 선 가장자리 거칠기(LER)와 14장의 광자 산탄 잡음이 만든 요철이 있다. 이 요철이 식각을 거치면 어떻게 될까. 그대로 내려가지 않는다. 대체로 조금 줄어든다.

이유는 식각에 섞여 있는 등방성 성분이다. 트림처럼 표면에서 사방으로 깎는 성분은 튀어나온 곳을 더 많이 깎고, 옆벽에 쌓이는 보호막은 들어간 곳을 더 많이 메운다. 둘 다 짧은 주기의 요철을 뭉갠다. 신호 처리의 말로는 저역 통과 필터(Low-pass filter)다. 평활 길이 \(s\)의 가우시안으로 뭉갠다고 보면 거칠기의 전력 스펙트럼은 이렇게 바뀐다.

아래는 위에서 내려다본 화면이다. 가운데 세로선을 좌우로 끌면 같은 선의 식각 전(왼쪽)과 식각 후(오른쪽)를 견줄 수 있다.

여기서 두 가지를 얻는다. 하나, 식각과 그 앞의 트림·증착 조건을 다듬으면 거칠기를 수십 % 줄일 수 있다. 레지스트 위에 얇은 막을 입혔다가 깎는 처리를 따로 넣기도 한다. 둘, 줄어드는 것은 잔 요철뿐이다. 긴 주기의 굴곡과 선폭 자체의 느린 변화는 그대로 내려가 배선 저항과 트랜지스터 특성의 산포가 된다. 그리고 끊어진 선, 붙은 선 같은 확률적 결함은 전사가 고쳐 주지 못한다. 거칠기의 큰 몫은 여전히 노광 단계에서, 광자 수와 레지스트로 해결해야 한다.

톤: 남은 곳이 선인가, 뚫린 곳이 선인가

지금까지 "선"은 레지스트가 남은 곳이었다. 게이트처럼 막을 깎아서 선을 남기는 공정에서는 그 말이 그대로 맞는다. 레지스트 아래의 막이 살아남아 선이 된다. 그런데 구리 배선은 반대다. 뒤 절에서 볼 다마신 공정은 절연막에 홈을 파고 그 홈에 구리를 채운다. 구리 선이 되는 자리는 레지스트가 뚫린 곳이다.

그러니 금속층에서는 톤을 따져야 한다. 선택지는 셋이다.

• 마스크의 톤을 바꾼다. 배선 자리가 빛을 받게 마스크를 만들고 양성 레지스트를 쓴다. 빛을 받은 곳이 녹아 트렌치가 된다. 이때 공간상의 품질은 어두운 선이 아니라 밝은 틈의 것이 된다.
• 현상의 톤을 바꾼다. 같은 레지스트를 유기 용매로 현상하면 빛을 받지 않은 곳이 녹는다(음성 톤 현상, 9장).
• 전사 과정에서 뒤집는다. 이것이 톤 반전(Tone inversion)이다. 선으로 전사한 다음, 선 사이를 다른 재료로 메우고, 처음의 선을 빼낸다. 선이 있던 자리가 구멍이 된다.

세 번째를 직접 해 본다. 탄소막에 선을 새긴 상태에서 출발한다. 버튼을 차례로 누른다. 슬라이더로 처음 선폭을 바꿔 최종 구멍의 폭이 무엇을 따라가는지 본다.

톤 반전이 쓸모 있는 까닭은 노광이 잘하는 것과 소자가 원하는 것이 다를 때가 있기 때문이다. 작은 구멍 하나를 밝게 찍는 것보다 작은 기둥 하나를 어둡게 찍는 편이 공간상이 좋을 수 있다. 그럴 때 기둥으로 찍고 뒤집는다. 다만 공정 단계가 늘고, 메움과 에치백의 균일도가 새로운 CD 오차가 된다.

다마신: 트렌치가 구리 선이 된다

알루미늄 배선은 금속막을 깔고 식각으로 선을 남겼다. 구리는 그렇게 못 한다. 구리의 할로겐 화합물은 보통의 식각 온도에서 날아가지 않아 플라스마로 깎기 어렵다. 그래서 순서를 뒤집었다. 절연막에 먼저 홈을 파고, 구리를 채우고, 넘친 구리를 갈아 낸다. 금속 상감 세공에서 이름을 따 다마신(Damascene) 공정이라 한다.

1. 트렌치 식각. TiN 하드마스크를 가림막으로 저유전막을 판다. 앞의 이어달리기 마지막 단계다.
2. 배리어·라이너 증착. 구리가 절연막으로 번지지 못하게 TaN/Ta 같은 얇은 막으로 홈 안쪽을 감싼다.
3. 구리 채움. 얇은 씨앗층을 깔고 전기 도금으로 홈을 채운다. 홈이 넘치도록 채운다.
4. CMP. 화학적 기계 연마로 넘친 구리, 배리어, 하드마스크를 갈아 내 선과 선을 끊는다.

아래에서 단계를 밟는다. 마지막 CMP 단계에서는 연마면의 손잡이를 위아래로 끌어 얼마나 갈아 낼지 정한다. 배리어 두께도 바꿔 본다.

단면에서 눈여겨볼 것은 배리어다. 배리어는 구리보다 저항이 훨씬 큰데, 두께는 선폭에 맞춰 줄일 수가 없다. 구리의 확산을 막으려면 어느 정도의 두께가 있어야 하기 때문이다. 그래서 선이 가늘어질수록 단면에서 구리가 차지하는 몫이 준다. 게다가 폭이 전자의 평균 자유 행로(구리는 약 40 nm)보다 좁아지면 전자가 표면과 결정립 경계에서 흩어져 구리 자체의 비저항도 오른다. 이 때문에 가장 가는 배선에는 배리어를 얇게 하거나 없앨 수 있는 코발트, 루테늄 같은 금속이 검토되고 일부 쓰이고 있다.

벗기고 검사한다

식각이 끝나면 남은 가림막을 벗긴다. 유기물인 레지스트와 탄소막은 산소 플라스마로 태운다. 이것을 애싱(Ashing)이라 한다. 그 뒤 습식 세정으로 옆벽에 붙은 식각 부산물을 씻어 낸다.

간단해 보이지만 저유전막에서는 까다롭다. 저유전막은 산화막에 탄소를 넣고 미세한 구멍을 만들어 유전율을 낮춘 재료다. 산소 플라스마는 레지스트의 탄소와 저유전막의 탄소를 구별하지 않는다. 옆벽의 탄소가 빠져나가면 그 부분의 유전율이 올라가고 수분을 머금는다. 그래서 산소 대신 수소·질소 같은 환원성 가스나 CO₂를 쓰고, 금속 하드마스크를 써서 저유전막이 드러나기 전에 애싱을 끝내 두는 순서를 택한다. 앞의 이어달리기에서 애싱(④)이 트렌치 식각(⑤)보다 먼저 있었던 것이 그 때문이다.

벗기다 실패한 웨이퍼는 되살릴 수 없다는 점도 기억해 둔다. ADI에서 불량이 나오면 레지스트를 벗기고 다시 바르면 된다. 이것을 재작업(rework)이라 한다. 식각은 되돌릴 수 없다. 그래서 ADI가 마지막 관문이고, AEI는 결과의 확인이다.

식각 후 검사가 보는 것

표의 마지막 열이 중요하다. 식각은 웨이퍼 가운데와 가장자리에서 조금씩 다르게 깎는다. 그 차이는 되풀이되므로 예측할 수 있다. 그러면 노광 쪽에서 미리 반대로 틀어 둔다. 가장자리에서 식각 뒤에 선이 가늘어진다면 가장자리의 노광량을 조금 줄여 ADI에서 굵게 찍는다. 스캐너는 샷마다, 샷 안에서도 노광량을 바꿀 수 있다. 이렇게 노광과 식각은 따로 최적화하지 않고 AEI를 목표로 함께 맞춘다.

종합: 노광량에서 최종 트렌치까지

이제 전부 잇는다. 노광량이 레지스트 선폭을 정하고(10장), 트림이 그것을 줄이고, 이어달리기가 저유전막까지 옮긴다. 아래 시뮬레이터의 왼쪽은 현상과 트림을 마친 레지스트, 오른쪽은 식각을 마친 결과다. 레지스트의 선이 남는 자리가 트렌치 사이의 벽이 되고, 뚫린 자리가 트렌치가 된다는 점에 주의한다. 레지스트 선이 가늘어지면 트렌치는 넓어지고 벽은 얇아진다.

이 시뮬레이터에서 읽을 것은 오차가 흘러가는 방향이다. 노광량이 10% 흔들리면 레지스트 선폭이 약 1.3~1.6 nm 움직이고, 그것이 거의 그대로 트렌치 폭이 된다. 전사는 노광의 오차를 줄여 주지 않는다. 대신 전사가 실패하지 않게 하는 조건, 곧 레지스트 예산은 생각보다 넉넉하다. 두께 30 nm에서 출발하면 SiARC를 연 뒤에도 10 nm 넘게 남는다. 레지스트가 얇아도 되는 것은 이어달리기가 있기 때문이고, 이어달리기가 있어서 노광은 해상도에만 집중할 수 있다.

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