고종횡비 식각과 원자층 식각

왜 이렇게 깊이 파는가: 3D NAND 채널 홀과 DRAM 커패시터

평면 위에 셀을 더 촘촘히 놓는 데에는 한계가 있다. 그래서 NAND 플래시는 셀을 위로 쌓기 시작했다. 2024년의 한 리뷰는 3D NAND가 평면 NAND를 밀어낸 지 약 10년 만에 워드라인 적층이 24층에서 400층 넘게 늘었다고 정리한다. 산화막과 질화막을 번갈아 수백 층 쌓은 다음, 그 적층을 위에서 아래까지 꿰뚫는 구멍을 뚫고, 구멍 안에 채널을 만든다. 이 구멍이 채널 홀(Channel hole)이다. 적층 증착과 채널을 채우는 순서는 CVD 책의 3D NAND 절에서 볼 수 있다. 이 장은 그 가운데 구멍을 뚫는 한 단계를 다룬다.

층수 경쟁은 곧 구멍 깊이 경쟁이다. SK hynix는 2023년 6월에 238단, 2024년 11월에 321단 NAND의 양산을 시작했다고 발표했다. 회사는 321단에서 플러그, 곧 적층을 관통하는 수직 구멍을 세 번에 나눠 만들고 전기적으로 잇는 '3-플러그' 공정을 썼으며, 플러그 사이의 정렬을 자동으로 보정하고 응력이 작은 매립 물질을 썼다고 밝혔다. Samsung은 2024년 4월 9세대 V-NAND를 양산하면서 업계 최고 층수를 이중 스택 구조에서 채널 홀 식각으로 한 번에 뚫었다고 발표했다. 다만 보도자료에 층수는 적혀 있지 않다. 두 회사 모두 구멍을 몇 덩어리로 나눠 쌓는 구조를 말한다는 것은, 수백 층을 한 번에 꿰뚫는 식각이 그만큼 어렵다는 뜻으로 읽을 수 있다(원리에서 나온 해석).

구멍의 크기를 보자. 2024년 리뷰가 인용한 극저온 식각 예는 지름 100 nm, 깊이 10 µm의 홀을 400층 넘는 적층에 뚫었다. Lam Research의 자료는 깊이 10 µm 홀의 가장 넓은 CD가 108 nm, 바닥 CD가 99 nm라고 적었다. 깊이를 폭으로 나눈 종횡비(AR)는 약 100이다(계산). 폭 1 m, 깊이 100 m의 우물을 파는 셈이다. 최대 CD와 바닥 CD의 차이 9 nm를 같은 비율로 키우면 9 cm다(계산). 2012년 Applied Materials가 3D NAND용 유전체 식각 장비를 내놓으며 내세운 종횡비가 '최대 80:1'이었고, 보도자료는 이를 워싱턴 기념탑의 10:1과 비교했다. 지금의 채널 홀은 그보다도 깊다.

DRAM도 사정이 같다. DRAM은 셀마다 전하를 담는 커패시터가 있는데, 셀이 작아져도 담는 전하는 크게 줄일 수 없으니 커패시터를 위로 높게 세운다(원리에서 나온 해석). SK hynix의 기술 해설은 CD 10 nm 아래로 DRAM을 줄이려면 커패시터의 종횡비가 100을 넘어야 한다고 설명한다. 이처럼 폭에 비해 아주 깊은 구멍이나 트렌치를 뚫는 식각을 고종횡비 식각(High aspect ratio etch, HAR etch)이라 하고, 그 가운데 절연막을 뚫어 아래층과 잇는 구멍을 뚫는 식각을 HARC 식각(High aspect ratio contact etch)이라 부른다. 2024년 리뷰는 VNAND 채널 홀과 DRAM 커패시터의 HARC 식각이 점점 어려워지고 있으며, 큰 과제는 초고종횡비에서의 깊이 로딩과 가로 피치가 줄면서 생기는 3차원 효과라고 정리한다.

Lam Research는 고종횡비 유전체 식각 장비를 소개하며, 수직으로 셀을 쌓을수록 같은 CD에서 더 깊이 파야 하고 이온 각도가 조금만 어긋나도 형상이 크게 옮겨 갈 수 있다고 설명한다. 표 1과 이 문장이 이 장의 지도다. 아래에서 채널 홀 단면을 직접 눌러 보며 깊이마다 무엇이 문제인지 먼저 둘러보자.

탐색기의 근거: 깊이 구간별 문제, 입구의 Necking과 Bowing의 원인 목록, PR Facet에서 산란한 이온이 위쪽 Bowing을 만든다는 모델, Twisting의 정의와 대전 기구, 배열 가장자리의 기울기, 대전에 의한 이온 감속과 식각 정지, Focus ring 소모와 가장자리 기울기, ON 적층에서 가스에 따라 산화막과 질화막의 속도가 달라지는 측정.

바닥이 굶는다: 깊이에 따라 줄어드는 라디칼과 이온

식각은 바닥에서 일어난다. 그런데 바닥에 필요한 것들, 곧 막과 반응할 라디칼과 반응을 밀어붙일 이온은 모두 구멍 입구로 들어와 긴 통로를 지나야 한다. 8장 ARDE에서 이 통로가 좁고 길수록 바닥에 닿는 양이 준다는 것을 보았다. 이 절은 그 계산을 종횡비 100까지 밀어붙인다. 숫자가 얼마나 극단적이 되는지가 고종횡비 식각의 첫 번째 어려움이다.

라디칼: 덜 끈적일수록 깊이 간다

라디칼은 방향 없이 들어와 벽에 부딪히면 아무 방향으로나 다시 튄다. 원통 구멍에 아무렇게나 들어온 분자가 반대쪽 끝까지 가는 확률이 8장에서 본 Clausing 전달 확률 K다. 진공 공학의 Santeler 식은 길이 \(L\), 반지름 \(R\)인 원통에서 이 값을 0.7% 안쪽의 오차로 준다. 바닥에서 라디칼이 반응할 확률(부착 계수)을 \(s\)라 하면, 반응하지 못하고 튀어 나간 라디칼이 다시 바닥으로 돌아오는 것까지 더해 바닥에 닿는 라디칼의 몫은 아래 식이 된다. 벽은 라디칼을 먹지 않는다고 가정한 Coburn–Winters의 균형이다.

표가 말하는 것은 두 가지다. 첫째, AR 100에서 닿으면 바로 반응하는 라디칼은 입구의 1.3%만 바닥에 간다. 둘째, 같은 AR이라도 잘 붙지 않는 분자는 수십 번 튀면서도 살아남아 바닥에 훨씬 많이 닿는다(s = 0.01이면 57%). 그래서 깊은 홀일수록 쉽게 소모되지 않는 반응종이 유리하다. 2024년 리뷰가 극저온에서는 라디칼보다 한 자릿수쯤 많은 안정한 분자가 표면을 따라 흡착·확산하는 길이 Knudsen 수송보다 효과적일 수 있다고 적은 것도 같은 맥락이다. 이것은 5절에서 다시 만난다.

이온: 1°도 크다

이온은 Sheath에서 아래로 가속되어 거의 수직으로 들어온다. 그래도 완전히 수직은 아니다. Sheath 가장자리에서 이온이 가진 작은 가로 속도는 충돌이 없는 얇은 Sheath를 지나는 동안 그대로 남고, 웨이퍼에서의 각도 퍼짐은 Sheath 전압과 가로 이온 온도의 비로 정해진다. 4장 이온 각도 분포의 식을 쓰면 퍼짐은 대략 아래와 같다.

숫자를 넣어 보자. \(T_{i\perp}\)를 0.25 eV로 놓고(학습용 가정) \(V_s\) = 1 kV이면 \(\sigma_\theta\)는 약 0.64°다. AR 100의 구멍에 벽을 건드리지 않고 바닥까지 갈 수 있는 각도는 \(\arctan(1/100)\) ≈ 0.57°다(모두 계산). 퍼짐과 허용 각도가 같은 크기라는 뜻이다. 한 HAR 식각 연구는 목표치로 웨이퍼 전체의 플럭스 균일도 1% 이내와, 수 keV 이온의 각도 분포가 수직에서 1° 안에 드는 것을 든다. 세 주파수 CCP로 SiO₂ 고종횡비 식각을 계산한 모델에서도 이온의 각도는 3° 아래였다.

벽에 부딪힌 이온이 모두 사라지는 것은 아니다. 측벽을 스치며 중성화된 '뜨거운 중성종'은 열 라디칼보다 방향성이 좋고 거울처럼 튀어서 에너지와 반응성을 깊은 곳까지 나른다. 그래도 전체로 보면 손실이 크다. 지름 50 nm, AR 40의 SiO₂ 홀을 계산한 모델에서 바닥에 닿는 고에너지 입자의 플럭스는 AR 0에 비해 1/10, 라디칼 플럭스는 1/50로 줄었다. 같은 연구진의 다른 계산은 AR이 낮을 때는 라디칼이 막을 덮고 이온이 그것을 날려 보내는 화학 강화 식각이 주도하지만, AR이 높으면 고에너지 입자의 물리 스퍼터가 주도한다고 보았다. 깊어질수록 식각이 '화학'에서 '힘'으로 넘어간다는 뜻이다.

그럼 이온 에너지를 올리면 어떻게 될까? 고종횡비 형상의 식각 속도는 대략 이온 에너지의 제곱근을 따른다. 그리고 위 식에서 \(V_s\)가 커지면 각도 퍼짐도 \(1/\sqrt{V_s}\)로 좁아진다. 전압을 올리면 바닥에 닿는 이온이 늘고, 닿은 이온 하나하나가 더 세게 때린다. 아래 시뮬레이터로 지름, Bias 전압, 라디칼의 부착 계수를 바꾸며 바닥까지 가는 데 걸리는 시간을 재 보자.

모델의 근거: 원통 전달 확률, 바닥 플럭스 비, 각도 퍼짐이 Vs/Ti⊥로 정해진다는 설명, 식각 속도가 이온 에너지의 제곱근을 따른다는 점. 시간의 크기를 가늠하려면 장비사 발표 하나를 참고할 수 있다. Tokyo Electron은 깊이 10 µm 채널 홀을 33분에 식각했다고 발표했다(장비사 주장). 평균 0.3 µm/min이다(계산).

시뮬레이터의 ④처럼 바닥 속도가 0으로 떨어지는 것을 현장에서는 Etch stop이라 부른다. 실제의 식각 정지는 수송만의 문제가 아니다. 불화탄소 유전체 식각에서 고분자 플럭스가 너무 많으면 바닥의 보호막이 두꺼워지며 식각이 느려지다 멈추고, 바닥에 쌓인 양전하가 이온을 감속시켜 멈추게 할 수도 있다. 그리고 ARDE가 있는 공정은 가장 깊은 형상을 다 열기 위해 과식각을 더 해야 하고, 그만큼 선택비와 손상에 대한 요구가 커진다.

더 세게, 더 곧게, 쉬어 가며: 고에너지 Bias와 펄스

2절의 결론은 단순하다. 바닥까지 가려면 이온이 더 곧고 더 세야 한다. 현장의 첫 번째 답도 그랬다. 2024년 리뷰는 HARC 식각의 전통적인 방법이 더 큰 출력의 더 낮은 주파수(600 kHz) RF Bias 발생기와 DC에 가까운 사각 펄스로 이온 에너지를 올리는 것이었다고 정리한다. 낮은 주파수의 Bias는 두꺼운 Sheath를 가로질러 무거운 이온을 가속하며, 그 전압 진폭은 10 kV를 넘는다. 왜 낮은 주파수일까? 4장 이온 에너지 분포에서 보았듯, 이온이 Sheath를 지나는 시간이 RF 한 주기보다 짧으면 이온은 그 순간의 전압을 그대로 느낀다. 주파수를 낮추면 높은 순간 전압을 고스란히 받는 이온이 생긴다.

숫자로 보면 이렇다. 80/10/5 MHz 세 주파수 CCP로 SiO₂ 고종횡비 식각을 계산한 모델에서 5 MHz 출력을 2.5 kW에서 10 kW로 올리자 5 MHz 전압이 1,590 V에서 3,430 V로, 평균 이온 에너지가 1,630 eV에서 2,540 eV로 올랐고(최대 에너지 2,300~4,000 eV), 이온 각도는 3° 아래에 머물렀다. 이온 플럭스는 약 50% 늘고 바닥에 전달되는 출력은 약 3배가 되었으며, SiO₂/PR 선택비는 거의 그대로였다. 같은 모델에서 라디칼 플럭스는 이온보다 1~2 자릿수 많았다. 수 keV에 이르는 이온 에너지가 고종횡비 식각의 기본값이 된 셈이다.

하지만 출력을 끝없이 올릴 수는 없다. Bias 전압을 올리려면 Bias 출력도 그만큼 올려야 해서 실용적인 한계가 있고, 주파수를 더 낮추는 것이 한 방법이지만 낮은 주파수는 Focus ring 대전과 웨이퍼 가장자리의 기울기를 키운다. 2024년 리뷰는 저주파 고출력 Bias 방식에서 마스크 막힘과 발생기 아킹이 남은 문제이며, Bias의 Duty를 낮춰 완화하지만 처리량을 잃는다고 적었다. 또 4절에서 보겠지만, 더 센 이온이 대전 문제를 늘 줄여 주는 것도 아니다.

파형을 다듬는다

사인파 Bias는 이온 에너지 분포를 넓게 만든다. 4장의 두 봉우리 분포가 그것이다. Advanced Energy의 특허는 이 넓은 분포가 프로파일 제어를 제한한다고 지적하고, 스위치 모드 Bias 전원으로 주기적인 펄스를 걸면 이온이 거의 같은 에너지로 들어오게 할 수 있으며 일부러 두 에너지를 골라 두 봉우리를 만들 수도 있다고 설명한다. 같은 회사는 400 kHz 비대칭 Bias 파형 발생기를 '거의 단일 에너지' 분포를 내는 제품으로 소개한다(장비사 주장). 이렇게 사인파 대신 원하는 모양의 전압을 거는 것을 맞춤 파형(Tailored waveform) Bias라 한다. 2024년 리뷰도 대전 대책의 하나로 맞춤 파형과 DC 사각파를 든다.

켰다 껐다 한다: 펄스 플라즈마

또 하나의 손잡이는 시간이다. RF를 짧은 주기로 켰다 끄는 것을 펄스 플라즈마(Pulsed plasma)라 한다. 방전 출력(Source)은 100 Hz~1 MHz로, Bias 출력도 따로 켰다 끌 수 있고, 기체나 압력을 바꾸는 펄스도 있다. 한 주기 중 켜져 있는 시간의 비율이 Duty 비(Duty cycle, η = τon/τ)이고, 연속 방전과 견줄 때는 평균 출력을 같게 놓고 비교해야 한다. Source만, Bias만, 둘을 함께 켰다 끄는 동기 펄스가 있으며, 리뷰는 펄스가 이온 플럭스와 라디칼 플럭스를 따로 조절하게 해 나노미터 수준의 형상 왜곡을 없애는 열쇠라고 정리한다.

왜 따로 조절이 될까? 끄는 순간 일어나는 일이 입자마다 빠르기가 다르기 때문이다. 전원이 꺼진 뒤의 시간을 애프터글로(Afterglow)라 한다. 이때 전자 온도는 전자 밀도보다 빨리 떨어진다. 염소 TCP를 주기 100 µs, Duty 50%로 켰다 끈 예에서 Cl 라디칼의 밀도는 생성과 소멸이 모두 느려 한 주기 내내 거의 그대로였다. 같은 라디칼 플럭스를 더 적은 평균 출력으로 얻은 것이다. 꺼진 뒤 30~50 µs가 지나면 음이온 Cl⁻가 벽까지 닿을 수 있다. 수십 µs 단위로 켰다 끈 ECR 염소 방전에서는 애프터글로에 음이온이 많이 생기고 Sheath 전위가 빨리 줄어, 선택비가 높고 이방성이며 Notch와 대전 손상이 없는 Si 식각을 얻었다는 보고가 있다. 펄스 플라즈마는 식각 속도와 균일도를 높이고 손상을 줄이며 Notching, Bowing, Microtrenching, ARDE를 줄일 수 있다고 정리된다. Lam의 강의 자료도 Bias 펄스가 고에너지 이온과 저에너지 이온의 비를 낮춰 선택비와 ARDE를 개선한다고 설명한다.

펄스는 공짜가 아니다. 1 kHz로 동기 펄스한 ICP를 잰 연구에서 He/Ar 플라즈마는 켠 뒤 약 50 µs면 이온 플럭스가 연속 방전 값에 닿았지만, 염소 계열에서는 켜진 동안의 플럭스가 Duty에 크게 좌우되어 Duty 10%에서 연속 방전의 1/15이었다. 그래서 같은 Bias를 걸어도 이온 에너지는 훨씬 높아졌다. Duty 하나만 바꿨는데 플럭스와 에너지가 함께 움직이는 것이다. 2024년 리뷰는 산업 레시피가 수십 단계로 이루어지고 그 가운데 상당수가 여러 RF 전원을 펄스로 쓰며, 공정 중의 정보는 대개 OES와 RF 센서뿐이라고 적었다. 레시피의 손잡이가 늘어난 만큼 무엇이 바뀌었는지 읽어 내기도 어려워졌다.

Twisting: 바닥이 엉뚱한 곳으로 가는 이유

깊은 홀 배열의 단면 사진을 보면 이상한 일이 보인다. 모든 홀이 위쪽에서는 비슷하게 불룩한데(Bowing), 아래로 내려가면 어떤 홀은 왼쪽으로, 어떤 홀은 오른쪽으로 제멋대로 휜다. Wang과 Kushner는 상용 CCP로 식각한 SiO₂ 고종횡비 배열의 SEM에서 Bowing은 거의 고르지만 휘는 정도와 식각 깊이는 홀마다 달랐다고 기술한다. 이렇게 홀이나 트렌치가 이미 상당히 식각된 뒤에, 방향이나 위치에 뚜렷한 규칙 없이 수직에서 벗어나는 현상을 Twisting(뒤틀림)이라 한다. 홀 전체가 한쪽으로 비스듬히 식각되는 것은 Tilting(기울어짐)이다. Huang 등은 형상 왜곡을 모든 형상에 똑같이 나타나는 계통적 왜곡(Bowing)과 형상마다 달라지는 통계적 왜곡(Twisting, Tilting, 가장자리 거칠어짐)으로 나눈다. 계통적인 것은 레시피로 고치지만, 통계적인 것은 원인부터 다르다.

이온은 띄엄띄엄 들어온다

원인의 출발점은 숫자다. 지름 50 nm 홀의 입구 넓이는 약 2,000 nm²다. 이온 플럭스가 10¹⁶ cm⁻²s⁻¹이면 이 구멍에 이온이 들어오는 간격은 약 5 µs다(계산하면 5.1 µs). 형상이 작아지면 이웃한 두 홀에 들어오는 입자의 수와 종류가 더 이상 평균으로 같지 않고, 확률적으로 달라진다. 이것을 바탕으로 Wang과 Kushner는 이렇게 설명한다. 방향 없이 들어오는 전자는 대부분 입구 근처에 붙어 위쪽을 음으로 대전시키고, 거의 수직으로 들어오는 이온은 깊이 들어가 바닥과 아래쪽 측벽을 양으로 대전시킨다. 이 양전하는 띄엄띄엄 도착하는 이온이 남기므로 고르게 쌓이지 않고 무작위로 한쪽에 몰린다. 몰린 전하가 옆 방향 전기장을 만들고, 뒤따라오는 이온을 옆으로 꺾는다. 그 결과가 Twisting이다. 차등 대전은 AR 약 3에서도 이온 에너지를 30%쯤 깎는다는 보고가 있으니, AR이 수십인 곳에서 전하의 영향은 훨씬 크다.

측벽의 막도 한몫한다. 불화탄소 고분자처럼 전하를 붙잡아 두는 막은 Twisting을 키우고, 약하게라도 전기가 통하는 막은 전하를 흘려보내 줄인다. 같은 모델에서 대전을 넣으면 Twisting이 커졌고, 고분자를 만들지 않는 Si 도체 식각에서는 Twisting이 보이지 않았다.

배열 가장자리는 한쪽으로 기운다

무작위만 있는 것은 아니다. 지름 50 nm, 피치 100 nm, AR 40의 홀 배열을 계산한 Huang 등은 배열이 대칭이면 이웃 홀의 대전 때문에 홀들이 무작위로 기울되 평균 기울기는 없지만, 배열 가장자리나 빈자리 옆처럼 비대칭이면 조밀한 쪽(양전하가 많은 쪽)에서 성긴 쪽으로 향하는 알짜 옆 전기장이 생겨 성긴 쪽으로 계통적으로 기운다고 보고했다. 가장자리에 가까운 홀일수록 심했고, 모델의 최대 옆 전기장은 AR 약 11에서 4.5×10⁵ V/cm였다. 그리고 AR이 50~100을 넘으면 작은 기울기가 깊이만큼 커져 이웃 홀과의 간격을 줄이거나 아예 붙게 만들 수 있다.

그렇다면 Bias를 올리면 나아질까? 두 모델의 답이 다르다. Huang 등은 Bias 출력을 올리면 배열 가장자리의 기울기가 완화된다고 보았다. 반면 Wang과 Kushner의 모델에서는 RF Bias 출력을 올리면 대개 Twisting이 늘었다. 더 좁고 센 이온이 중화되기 전에 더 깊이 들어가 전하를 깊은 곳에 쌓기 때문이다. 3절의 '더 세게'가 만능 손잡이가 아닌 이유다.

전하를 비우는 방법

대책은 바닥의 양전하를 중화하는 쪽으로 모인다. Wang과 Kushner는 중성빔, 전하를 흘려보내는 약한 전도성 막, 음이온을 넣어 주는 펄스 이온–이온 플라즈마, 그리고 고에너지 전자 주입을 꼽는다. 이 가운데 dc 전압을 더한 CCP에서 나오는 고에너지 전자(High energy electron, HEE)는 에너지가 수 keV이고 각도 퍼짐이 약 0.5°로 좁아 깊은 곳까지 들어가 양전하를 중화하며, 모델에서 Twisting을 대전이 없을 때 수준 가까이 줄였다. 2024년 리뷰도 펄스 플라즈마에서 대향 전극에 음의 DC를 걸어 만든 고에너지 2차 전자와 맞춤 파형을 대책으로 든다. 3절에서 본 애프터글로의 음이온도 같은 역할을 노린다. 아래 애니메이션은 이 그림을 아주 단순한 학습 모델로 옮긴 것이다.

모델의 근거: 이온 도착 간격과 무작위 대전 기구, 막의 전하 포획, 중화에 의한 감소, 배열 가장자리의 계통적 기울기와 깊이에 따른 확대.

확인은 위치를 비교하는 일이다. 같은 배열의 가운데 홀과 가장자리 홀, 빈자리 옆 홀의 바닥 위치를 단면이나 X선 계측으로 재서 '무작위로 흩어지는가, 한쪽으로 몰리는가'를 본다. 흩어짐이면 대전과 막의 성질을, 한쪽 쏠림이면 패턴 배치를 먼저 의심하고, Bias 세기를 바꾼 비교로 어느 쪽 효과가 큰지 가린다(원리에서 나온 해석). 웨이퍼 가장자리에서만 한 방향으로 기운다면 그것은 홀 배열이 아니라 3절의 Focus ring 문제일 가능성이 크다.

온도를 낮추면: 극저온 식각

지금까지는 이온을 다루는 손잡이였다. 이제 웨이퍼 온도라는 전혀 다른 손잡이를 보자. 웨이퍼를 아주 낮은 온도로 식혀 표면 반응과 보호막을 조절하는 식각을 극저온 식각(Cryogenic etch)이라 한다. 5장 「온도의 영향」에서 차가울수록 보호막이 측벽에 잘 남는다는 원리를 이미 만났다. 처음 시도는 1988년이다. Tachi 등은 SF₆ 플라즈마로 Si를 −130~−100 °C에서 식각해 폭 변화가 아주 작은 이방성 형상을 얻었고, 유기 레지스트에 대한 선택비 30, 식각 속도 500 nm/min(RIE)과 1,000 nm/min(마이크로파 플라즈마)을 보고했다. 온도를 낮출수록 측면 식각이 줄고 마스크가 더 잘 버텼다. 2024년 리뷰도 첫 극저온 식각을 1988년 일본 연구진의 것으로 적는다.

온도가 바꾸는 세 가지

그림의 세 가지는 서로 방향이 다르다. 흡착이 늘면 바닥에 반응종이 더 많이 있어 빨라질 수 있고, 보호막이 안정해지면 옆으로 덜 깎여 곧아진다. 그런데 같은 이유로 바닥에도 흡착물과 고분자가 쌓인다. 이온이 그것을 치워 내지 못하면 바닥은 느려지다 멈춘다. 그래서 온도를 낮추면 수직도와 선택비가 좋아질 '가능성'이 있지만, 너무 낮추면 바닥 잔사와 Etch stop이 생길 수 있다(앞의 사실을 이은 해석). 이 이야기를 쓸 때 조심할 점이 하나 있다. '극저온 식각'이라는 같은 이름 아래 두 가지 다른 기구가 있다.

표의 왼쪽은 오래된 MEMS 기술이다. de Boer 등은 극저온 SF₆/O₂ Si 식각의 형상이 SiOxFy 측벽 보호막의 증착과 이온에 의한 제거 사이의 균형이라고 정리했고, 석영 돔은 부식되며 산소를 내놓아 O₂ 조절을 흐트러뜨리므로 알루미나 돔이 낫다고 권했다. 오른쪽이 이 장의 주인공이다. 2024년 리뷰가 인용한 Kihara 등의 2023년 발표(Tokyo Electron)는 HF/H₂O/PF₃ 공정으로 기판 온도 −70 °C에서 지름 100 nm, 깊이 10 µm의 홀을 400층 넘는 산화막/질화막 적층에 뚫었다.

장비사의 발표

극저온 유전체 식각은 이미 양산에 들어가 있다. 두 장비사의 발표를 나란히 놓아 보자.

Hitachi High-Tech도 마이크로파 ECR 식각 장비 M-600/6000 시리즈에 저온 식각 기술과 시간 변조(TM) Bias 기술을 쓴다고 소개한다. 온도와 펄스가 한 장비 안에서 함께 쓰이는 것이 요즘의 모습이다.

가스 쪽의 흐름도 함께 보자. 극저온 공정은 아니지만, 마스크 없는 산화막/질화막 적층(ONON)을 18 °C의 ICP에서 C₄F₈, C₄F₆, C₄H₂F₆ 기반 가스로 식각한 연구가 있다. ONON의 식각 속도는 셋 다 72~81 nm/min로 비슷했지만, SiO₂ 속도는 C₄H₂F₆ 72, C₄F₆ 87, C₄F₈ 92 nm/min이고 질화막은 반대 순서여서 C₄H₂F₆에서 두 막의 속도가 약 1:1이었다. 저자들은 이를 분자 속 수소 덕분으로 보았고, 측벽 보호도 C₄H₂F₆에서 가장 효과적이어서 CD 변화가 가장 작았다. 논문의 표에 실린 100년 지구온난화지수는 C₄F₈ 10,200, C₄F₆ 0.004, C₄H₂F₆ 0.377이다. 두 막을 번갈아 뚫는 채널 홀에서 두 막의 속도가 다르면 층마다 측벽이 들쭉날쭉해질 수 있으니(원리에서 나온 해석) 이런 숫자가 중요하다. 불화탄소 화학의 기본은 6장 「산화막: 불화탄소와 F/C 비」에 있다.

온도의 효과를 이제 직접 예측해 보자.

그래프는 정성적인 학습 모델이다. 흡착 정도는 Langmuir 꼴(머무는 시간 ∝ exp(Eₐ/kT))로, 측벽 횡식각은 Arrhenius 꼴의 자발 식각에 보호막 덮임을 곱해, 바닥 쌓임은 낮은 온도에서 응축하는 성분이 이온이 치우는 양을 넘을 때 두꺼워지도록 놓았다. 곡선의 모양만 의미가 있고 가로축에 실제 온도를 적지 않은 이유는 최적점의 위치가 데이터가 아니기 때문이다. 모양의 근거: 저온에서 측면 식각이 준다, 바닥 흡착을 늘리려 온도를 낮춘다, 고분자가 지나치면 식각이 멈춘다, 보호막의 증착과 이온에 의한 제거가 균형을 이룬다.

마스크 예산: 깎이는 속도는 깊이를 모른다

깊은 홀을 뚫는 동안 마스크도 계속 깎인다. 홀 위의 마스크는 보통 6장에서 본 비정질 탄소 하드마스크(ACL)다. 마스크가 다 깎이기 전에 바닥에 닿아야 하니, 필요한 마스크 두께를 미리 셈해야 한다. 블랭킷(평평한 막)에서 잰 선택비 \(S\)를 쓰면 계산은 간단하다.

이 식에는 숨은 가정이 있다. 막이 처음부터 끝까지 같은 속도로 깎인다는 것이다. 깊은 홀에서는 이 가정이 깨진다. 4,800 nm 깊이의 SiO₂ 비아를 계산한 모델에서 PR 마스크는 바닥에 닿을 때까지 약 450 nm 깎여 전체 선택비가 10.7이었다. 그런데 PR이 깎이는 속도는 AR과 상관없이 평평한 막처럼 일정했다. 막은 ARDE로 점점 느려지는데 마스크는 같은 속도로 깎이니, 깊어질수록 선택비가 나빠진다. AR 80에서는 PR이 거의 다 깎였다. 게다가 마스크가 두꺼우면 그 높이만큼 유효 종횡비가 커져 ARDE가 더 심해졌다. 마스크를 두껍게 하는 것이 그대로 여유가 되지 않는다는 뜻이다.

마스크 쪽 선택비 자체도 예민하다. 13.56 MHz CCP로 C₄F₈/CH₂F₂/Ar 유전체 식각을 할 때 O₂를 3.5%에서 6.5%로 늘리자 ACL 식각 속도가 25에서 76 nm/min로 세 배가 되었는데 SiO₂ 속도는 그대로여서, SiO₂/ACL 선택비가 2.18에서 0.8로 떨어졌다. O 라디칼이 탄소를 CO와 CO₂로 바꿔 날려 보내기 때문이다. O₂는 고분자를 줄여 바닥이 멈추는 것을 막아 주지만, 마스크를 빨리 먹고 측벽 보호를 줄여 Bowing을 키운다. 마스크가 깎이며 모서리가 비스듬해지면(Facet) 거기서 튕긴 이온이 위쪽 측벽을 깎는다는 모델 결과도 있다. 2024년 리뷰가 낮은 AR 구간의 문제로 마스크 선택비, CD 변화, 입구 막힘을 꼽은 것도 이 때문이다. 아래 시뮬레이터로 블랭킷 계산과 ARDE를 넣은 계산이 얼마나 다른지 보자.

모델의 근거: 블랭킷 마스크 예산 식(엔진 ET.maskBudget), 마스크 침식이 AR과 무관하고 마스크 높이가 유효 AR을 키운다는 모델 결과, 수송 모델의 근거는 2절과 같다.

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이제 이 장의 손잡이를 한꺼번에 쥐어 보자. Bias를 올리면 빠르고 곧게 가지만 마스크 모서리에서 튕긴 센 이온이 위쪽을 깎는다. O₂를 줄여 고분자를 늘리면 측벽과 마스크는 잘 지켜지지만 깊은 곳에서 바닥이 멈춘다. O₂를 늘리면 바닥은 열리지만 마스크가 빨리 닳고 측벽이 부푼다. 마스크를 두껍게 하면 오래 버티지만 구멍이 그만큼 깊어진다. 아래 문제는 이 균형을 찾는 연습이다.

모델 구성의 근거: 이온을 늘리면 속도·선택비는 오르지만 Bowing이 커지고 PR Facet이 Bowing을 키운다, 과도한 O₂는 측벽 고분자를 줄여 Bowing을 만든다, O₂가 ACL 식각을 빠르게 한다, 고분자가 지나치면 식각이 멈춘다, 대전이 이온을 감속시킨다, 식각 속도가 이온 에너지의 제곱근을 따른다.

원자층 식각(ALE): 한 층씩, 스스로 멈추게

이제 반대쪽 극단으로 가 보자. 지금까지는 10 µm를 얼마나 빨리, 곧게 파느냐였다. 그런데 어떤 식각은 몇 nm, 때로는 원자 몇 층만 정확히 걷어 내고 그 아래의 아주 얇은 막은 건드리지 않아야 한다. 금속 게이트 적층의 게이트 절연막이 얇아지고 게이트가 3차원이 되면서 식각에는 극단적인 선택비와 결국 원자층 분해능이 필요해졌다. 7 nm 아래의 로직에서는 SAC(자기 정렬 콘택)를 열 때 얇은 질화막 Spacer를 지키는 데 원자층 식각이 필수가 되었다고 2024년 리뷰는 적는다. SAC 식각 자체는 9장 「Contact·Via와 SAC」에서 다뤘다.

원자층 식각(Atomic layer etching, ALE)은 차례로 이어지는 두 단계 이상의 자기 제한 반응으로 얇은 층을 걷어 내는 기술이다. 25년 넘게 연구되어 왔고, 원자층 증착(ALD)의 짝으로서 산업이 이끌고 있다. ALD를 거꾸로 돌린다고 생각하면 쉽다. CVD 책의 ALD 포화와 같은 생각이다. 대표 예인 Si의 플라즈마 ALE를 단계로 보면 다음과 같다.

이상적인 ALE는 사이클마다 대략 원자 한 층을 걷어 내고, 스퍼터와 손상을 줄이려 이온 에너지를 보통 100 eV 이하로 쓴다. 한 사이클에 깎인 두께를 EPC(Etch per cycle, 사이클당 식각량)라 한다. 핵심은 두 단계가 각자 혼자서는 거의 깎지 못해야 한다는 것이다. 개질만 계속하면 표면이 다 덮인 뒤 멈추고, 이온만 쏘면 깨끗한 막은 떨어지지 않아야 한다. 그래야 사이클 수가 곧 깎인 두께가 되고, 시간이나 위치가 조금 달라도 결과가 같다.

시너지: 둘이 함께일 때만 깎인다

Lam Research의 Kanarik 등은 이 성질을 숫자 하나로 쟀다. 개질 단계만 되풀이했을 때 사이클당 깎이는 양을 \(\alpha\), 제거 단계만 되풀이했을 때를 \(\beta\)라 하면 ALE 시너지(ALE synergy, S)는 아래와 같다. 예로 EPC 0.70, \(\alpha\) 0.03, \(\beta\) 0.04 nm/cycle이면 S는 90%다.

시너지가 높으려면 에너지의 순서가 맞아야 한다. 개질 단계에서 표면에 주는 에너지는 개질에 필요한 장벽보다 크고 개질된 층이 떨어지는 장벽보다 작아야 하며, 제거 단계의 이온 에너지는 개질된 층을 떼어 낼 만큼 크되 깨끗한 막의 표면 결합 에너지로 정해지는 문턱보다는 작아야 한다. 이온의 스퍼터 수율은 문턱 위에서 √E로 자라고, 쓸 만한 수율을 얻으려면 표면 결합 에너지의 약 10배 이온 에너지가 필요하다. 이 '되는 범위'를 ALE 창(ALE window)이라 한다. 아래쪽 경계는 개질된 층이 떨어지기 시작하는 화학 강화 식각 문턱, 위쪽 경계는 깨끗한 막도 튀어 나가기 시작하는 물리 스퍼터 문턱이다. ALD 창에서 온도가 하던 역할을 ALE에서는 이온 에너지가 한다. 문턱이 막마다 다르다는 점은 선택비로도 이어진다. 불화탄소를 쓴 SiO₂ ALE에서 이온 에너지 최대 25 eV까지는 Si에 대한 선택성이 유지되었지만 30 eV에서 사라졌다.

표에서 Ge는 표면 결합 에너지가 낮아 창이 좁고 시너지도 66%에 그친다. 저자들은 시너지가 표면 결합 에너지와 함께 간다고 보고, Ta, Re, Nb처럼 결합이 강한 금속은 ALE에 유리하고 Mn, Ag처럼 무른 금속은 어렵다고 예상했다. 각 단계가 포화하는 데 걸리는 시간도 잰다. Si 염소화는 1초 안(약 0.5초), W는 약 2초에 포화했다. Si ALE의 균일도는 0.4 nm(σ), 표면 평탄도는 0.1 nm RMS였고, 탄소막은 50 nm를 ALE로 깎은 뒤 거칠기가 0.4에서 0.3 nm RMS로 오히려 줄었다. 같은 연구진은 이것을 'ALE의 평탄화 효과'라 부르고, 플라즈마를 쓰면서 ALE가 예전 방식보다 약 천 배 빨라졌다고 정리한다. 2005년 실험실에서 거의 완벽한 시너지를 보인 ALE는 한 사이클에 약 10분이 걸렸는데, 1초 안에 포화하는 플라즈마 염소화로 생산성이 3~4 자릿수 올랐다. 아래 시뮬레이터로 단계 시간과 이온 에너지가 EPC와 시너지를 어떻게 바꾸는지 보자.

모델의 근거: 시너지 식과 재료별 값, 포화 시간, √E 수율, ALE 창의 두 문턱. 시너지 S의 계산은 엔진 ET.aleSynergy를 썼다.

이상적이지 않은 ALE, 그리고 열적 ALE

현실의 ALE는 늘 조금씩 이상에서 벗어난다. 3차원 Si 구조의 ALE를 계산한 Huard 등은 어느 한 단계라도 자기 제한이 아닌 연속 반응이 섞이면 ARDE와 거칠기가 되살아난다고 보였다. 그래도 잘 맞춘 비이상 ALE는 연속 식각보다 나았고, FinFET 모서리의 남은 막을 훨씬 적은 과식각으로 걷어 냈다. 자기 제한이 잘 맞으면 깊이도 패턴을 덜 탄다. Ge ALE로 폭 55 nm와 77 nm 트렌치를 약 110 nm 깊이로 깎았을 때 깊이가 종횡비에 무관했다. 2절의 ARDE가 연속 식각의 숙명이라면, ALE는 바닥의 반응이 '시간'이 아니라 '포화'로 정해지게 해 그 숙명을 비켜 간다. 단계마다 충분히 포화할 때만 그렇다.

플라즈마 없이 열과 화학만으로 하는 ALE도 있다. 열적 ALE(Thermal ALE)다. Lee와 George는 Sn(acac)₂와 HF를 번갈아 흘려 Al₂O₃를 자기 제한적으로 깎았고, 사이클당 깎인 두께는 150 °C에서 0.14 Å, 250 °C에서 0.61 Å, 200 °C에서 X선 반사율로 잰 값은 0.27 Å였다. 막은 깎을수록 매끄러워졌다. 불화로 표면을 바꾼 뒤 리간드 교환(Ligand exchange)으로 휘발성 생성물을 만드는 이 방식은 ALD의 거꾸로이며 등방적이다. 그래서 고종횡비 구조의 안쪽을 고르게 깎을 수 있고, 리간드 교환 화학의 차이로 선택비를 얻으며, 라디칼이나 이온을 더하면 방향성을 줄 수도 있다. 다만 포화하지 않는 조건에서는 반응물 공급과 생성물 배출의 한계 때문에 고종횡비 소자 안에서 식각이 고르지 않게 될 수 있다. 사이클당 한 원자층에 꼭 맞지 않더라도 단계를 나눠 이득을 보는 공정은 준 ALE(Quasi-ALE)라 부른다. 상용 챔버에서 H₂ 플라즈마로 SiN을 개질하고 불소 플라즈마로 걷어 낸 준 ALE는 이방적이고 산화막에 대한 선택비가 100을 넘었으며 조밀·고립 패턴 차이가 없었지만, 사이클당 한 원자층으로 포화하지는 않았다.

ALE를 하는 장비

ALE는 특별한 장비가 아니라 플라즈마 식각 장비를 아주 빠르고 정확하게 돌리는 일에 가깝다. Agarwal과 Kushner는 비사인파 Bias로 이온 에너지를 조절하면 기존 ICP나 MERIE 장비에서도 플라즈마 ALE를 할 수 있다고 보였다. Lam Research는 2014년 Kiyo F Series를 '양산에 쓸 수 있는 첫 원자층 식각'으로 발표했고, 표 5의 측정도 Kiyo®에서 했다. 도체 식각용 Kiyo는 플라즈마 강화 ALE를, 유전체 식각용 Flex®는 AMMP™(Advanced Mixed Mode Pulsing)를 쓴 초고선택비 플라즈마 ALE를 내세운다(장비사 주장). 2024년 리뷰는 SAC ALE의 선택비가 사이클을 늘릴수록 좋아지지만 처리량이 떨어져, 장비가 빠른 가스 전환, 빠른 점화, 더 정밀한 이온 에너지 제어로 대응했다고 적었다.

장비: 고종횡비 식각기와 그 부품

이 장의 원리는 장비 안에서 어떻게 구현될까. 장비사의 공식 자료로 고종횡비 식각과 ALE에 관련된 장비를 모아 보면 아래와 같다. 성능 문구는 모두 장비사의 주장이다.

장비를 부품으로 나눠 보면 이 장의 각 절이 한 부품씩에 대응한다. ① 저주파 고출력 Bias 전원과 정합기는 2·3절의 이온 에너지와 각도를 만든다. 수 kV를 다루므로 아킹이 늘 걱정거리이고 Duty를 낮추는 대책은 처리량과 맞바꾼다. ② 펄스를 지원하는 RF 전원과 빠른 정합은 3·4절의 애프터글로를 만든다. Bias 펄스를 플라즈마 점화 뒤로 늦추는 순서 제어도 여기에 속한다. ③ 저온 정전척과 뒷면 He는 5절의 온도를 지킨다. ④ Focus ring은 웨이퍼 가장자리의 Sheath를 평평하게 지켜 가장자리 홀이 기울지 않게 한다. 링이 닳거나 Bias 주파수가 낮으면 가장자리 홀이 기울고, 링 소모량에 따라 링 전압을 보정하는 방법이 특허로 나와 있다. 2024년 리뷰도 Focus ring이 닳아 높이가 낮아지면 가장자리 Sheath가 휘어 메모리 홀이 어긋난다고 적는다. ⑤ 빠른 가스 전환과 점화는 7절의 ALE 사이클을 짧게 만든다. 각 부품의 구조는 7장 「장비」에서, 고장 증상은 12장 「현업 이상 분석」에서 이어진다.