ARDE — 같은 15분인데 왜 좁은 비아만 덜 파일까 (ICP 비아홀 식각 실습)

같은 챔버에서 같은 가스로 같은 15분을 식각했는데, 웨이퍼를 잘라 단면을 보면 구멍마다 깊이가 다릅니다. 넓은 구멍은 1550nm까지 내려갔는데 좁은 구멍은 1040nm에서 멈춰 있어요. 장비가 고장 난 것도, 레시피를 잘못 넣은 것도 아닙니다. 구멍의 종횡비(aspect ratio = 깊이 ÷ 지름)가 식각 속도를 바꾸기 때문에 생기는 현상이고, 이걸 종횡비 의존 식각(ARDE, Aspect Ratio Dependent Etching) 또는 현장 용어로 RIE lag이라고 부릅니다.

오늘은 미니팹(MiniFab)의 'ICP 비아홀 식각 (홀패턴·크기별 ARDE)' 시나리오를 돌려서, 지름이 다른 네 구멍이 한 단면에서 어떻게 갈리는지 정리해보려고 합니다. 먼저 밝혀둘 것이 하나 있어요. 아래 숫자는 전부 미니팹 시뮬레이션이 산출한 값이지 실장비 계측값이 아닙니다. 조건을 바꾸면 값도 달라지고요. 그래도 "무엇이 무엇을 어느 방향으로 움직이는가"를 손해 없이 익히는 데는 이만한 게 없더라고요.

이 쿠폰은 왜 이렇게 생겼을까

시편은 p-type (100) 실리콘이고, 마스크는 via_array_graded라는 이름이 붙은 크기 가변 비아 어레이입니다. 설계 의도가 이름에 그대로 들어 있어요. 지름 0.5 / 1 / 2 / 4µm 비아를 hex 격자로 크기별로 나란히 배치해 둔 겁니다. 실제 팹에서 단면 SEM용으로 쓰는 테스트 구조와 같은 발상인데, 한 번 쪼개면(cleave) 네 크기가 한 화면에 다 잡히거든요. 같은 조건에서 지름만 다른 결과를 눈으로 바로 비교할 수 있습니다.

피치(구멍 간격)는 지름의 2.2배로 고정돼 있습니다. 이게 중요한 설계 포인트예요. 지름이 커지면 간격도 같은 비율로 커지니까, 구멍 주변의 로컬 밀도는 네 크기 모두 비슷하게 유지됩니다. 밀도를 고정해 두면 남는 변수는 지름 하나뿐이고, 그래야 단면에 남은 깊이 차이를 순수하게 종횡비의 몫으로 읽을 수 있습니다.

비슷하지만 방향이 다른 효과가 하나 더 있습니다. 앞서 다룬 마이크로로딩 실습과 짝으로 놓고 보면 구분이 선명해져요.

라인(트렌치)이 아니라 닫힌 원형 홀이라는 점도 한몫합니다. 사방이 막힌 통로라 식각종 공급이 더 제한되고, 그만큼 ARDE가 더 뚜렷하게 나옵니다.

왜 좁으면 덜 파일까 — 세 가지가 동시에 나빠진다

원인은 "바닥까지 내려오는 양"과 "밖으로 빠져나가는 양"의 수지로 설명됩니다.

① 이온은 완벽한 수직이 아닙니다. 플라즈마에서 내려오는 이온은 좁지만 분명한 각도 분포를 가지고 있어요. 구멍이 넓으면 조금 기운 이온도 바닥에 닿지만, 구멍이 좁으면 같은 각도의 이온이 바닥에 닿기 전에 측벽에 먼저 부딪힙니다. 바닥에 도달하는 이온 수가 그만큼 줄어드는 거죠.

② 식각은 이온만으로 되지 않습니다. 방향성 없이 사방으로 움직이는 Cl 라디칼 같은 중성종이 표면과 반응해줘야 하는데, 통로가 좁고 깊을수록 이 친구들이 바닥까지 들어가기 어렵습니다.

③ 부산물은 나가야 합니다. 반응으로 생긴 SiCl₄가 빠져나가야 다음 반응이 일어나는데, 좁고 깊은 통로에서는 배출이 느려 식각을 방해합니다.

세 가지 모두 종횡비가 커질수록 심해집니다. 그래서 장비가 멀쩡해도 한 웨이퍼 안에서 구멍마다 식각 난이도가 달라져요.

공정은 이렇게 진행됐습니다

전체 11단계인데, 실제로 구멍을 파는 건 딱 한 단계입니다. 나머지 열 단계는 그 한 단계를 제대로 하기 위한 준비(마스크 만들기)와 뒷정리(마스크 벗기기)예요.

왜 PR을 태워 없애고 나서 본 식각에 들어갈까요? ICP 식각은 15분 동안 이온이 계속 표면을 때리는 환경입니다. 유기물인 PR은 이 시간을 버티기 어렵고, 가장자리부터 후퇴하기 시작하면 마스크가 물러난 만큼 구멍이 옆으로 벌어져요. 그래서 이 플로우는 PR로 SiO₂에 패턴을 옮긴 다음(③), PR은 태워 없애고(④), 무기물인 SiO₂ 하드마스크만 남긴 채 본 식각에 들어갑니다.

재기 전에 먼저 계산해 둡니다

결과를 받고 나서 계산하면 늦습니다. 값을 미리 잡아둬야 "이게 정상인지 이상한지"를 그 자리에서 판단할 수 있거든요. 쓰는 식은 세 개뿐입니다.

• d ≈ R × t — 깊이는 식각률에 시간을 곱한 것
• S = d(Si) ÷ d(SiO₂) — 선택비. Si가 깎이는 동안 마스크는 얼마나 덜 깎였나
• AR = d ÷ D — 종횡비. 구멍이 폭에 비해 얼마나 깊은가

기준 런의 Si 식각률은 103.5nm/min으로 산출됐습니다. 15분이면 약 1553nm, 그러니까 "ARDE가 전혀 없다면 모든 구멍이 1553nm까지 내려가야 한다"가 예측값이 됩니다. 실제로는 어땠을까요.

지름이 깊이를 가른다

같은 15분인데 Ø0.5µm 구멍은 명목 깊이의 67%에서 멈췄습니다. 513nm를 못 판 셈이에요. Ø1µm은 1382nm로 171nm를 손해 봤고, Ø2 이상은 명목값을 거의 그대로 따라갔습니다.

여기서 모델의 한계를 하나 짚고 갑니다. 미니팹이 쓰는 ARDE 모델의 폭 항은 2µm 이상에서 1.0으로 포화합니다. 그래서 Ø2와 Ø4가 같은 깊이로 산출돼요. 실공정이라면 둘 사이에도 작은 차이가 남지만, 이 시나리오에서는 그 구간을 구분하지 않습니다. 두 크기의 차이는 깊이가 아니라 종횡비에 남아요 — Ø2는 AR 0.78, Ø4는 AR 0.39입니다. 같은 깊이라도 앞으로 더 팠을 때 먼저 뒤처지는 쪽은 Ø2고요.

종횡비가 커지면 결국 식각이 멈춥니다. 모델에는 임계 종횡비라는 개념이 들어 있어서, 저압일수록 높은 AR까지 버티고 고압일수록 일찍 멈춥니다. 깊은 비아를 팔 때 "시간을 두 배로 주면 두 배 깊어지겠지"가 성립하지 않는 이유가 이겁니다.

압력을 올리면 왜 차이가 벌어지나

파라미터를 하나씩 돌려보면 방향이 보입니다. 다른 조건은 그대로 두고 압력만 바꿔봤어요.

압력이 올라가면 가스 밀도가 높아져서 큰 구멍은 오히려 더 깊게 파입니다. 그런데 작은 구멍은 반대로 얕아져요. 압력이 높을수록 이온이 다른 입자와 부딪히는 횟수가 늘어 각도 분산이 커지고, 좁은 구멍에서는 그 기운 이온이 바닥 대신 측벽으로 가버리기 때문입니다. 두 구멍의 깊이 비는 5mTorr에서 74%, 40mTorr에서는 43%까지 벌어집니다.

그래서 "저압·고밀도"가 ARDE를 줄이는 기본 처방이 됩니다. 다만 압력을 낮추면 전체 식각률도 함께 내려가니까(Ø4 기준 1638 → 1430nm), 최적점은 가장 낮은 압력이 아니라 트레이드오프의 어딘가예요.

source를 올리면 이온 에너지는 내려간다

ICP가 깊은 식각에 쓰이는 이유가 여기 있습니다. 용량결합(CCP) 방식은 RF 하나로 플라즈마 밀도와 이온 에너지를 함께 정하기 때문에 "많이, 그러나 약하게 때리는" 조합을 만들기 어렵습니다. ICP는 상부 코일의 source power로 밀도를, 하부 척의 bias power로 이온 에너지를 따로 정할 수 있어요.

bias를 100W에 고정해 두고 source만 올리면 DC self-bias가 오히려 내려갑니다. 직관과 반대라서 첫 실험으로 삼기 좋은 노브예요. 풀어 쓰면 이렇습니다. 밀도가 높아진다 → 같은 bias 전력을 더 많은 이온이 나눠 받는다 → 이온 하나당 에너지가 낮아진다. 그 결과 식각 속도는 오히려 올라가면서(95.5 → 119.5nm/min) 표면 데미지는 내려갑니다(0.78 → 0.35).

단, 실장비의 DC self-bias는 챔버 형상·RF 주파수·가스 조성에 따라 달라집니다. 같은 전력 값이 같은 이온 에너지를 보장하지는 않아요.

하드마스크는 어떻게 15분을 버텼나

기준 런에서 SiO₂ 마스크는 50.4nm 중 8.2nm만 소모되고 42.2nm가 남았습니다. 선택비로 환산하면 약 190:1이에요. Cl₂/HBr 화학이 Si는 103.5nm/min으로 깎으면서 SiO₂는 0.54nm/min밖에 못 먹기 때문에 생기는 차이입니다.

다만 이 두께가 어떤 조건에서도 충분하다고 읽으면 안 됩니다. 선택비는 bias를 올리면 낮아집니다(bias 200W면 약 136:1). 그리고 실공정에서는 마스크 모서리가 비스듬히 깎이는 파세팅(faceting)이 구멍 입구를 넓힐 수 있어요. 조건을 바꿨다면 마스크 잔여와 입구 형상을 SEM 단면으로 먼저 확인하는 습관이 필요합니다.

③ RIE 단계도 같은 맥락에서 볼 만합니다. 50.4nm 막을 뚫는 데 55.4nm 분량을 식각했어요. 약 10%의 의도된 오버에치입니다. 막 두께와 식각률이 웨이퍼 전체에서 완벽히 균일하지는 않으니, 가장 두꺼운 곳까지 확실히 뚫으려면 조금 더 깎아야 하거든요. 그 대가로 노출된 Si가 깎이는데, CHF₃ 화학은 Si를 훨씬 느리게 깎아서 손실이 0.33nm에 그쳤습니다.

깊이는 무엇으로 재는가

계측 장비를 고르는 훈련으로도 이 쿠폰이 좋습니다. 재려는 값과 장비가 안 맞으면 숫자는 그럴듯하게 나오는데 뜻이 없거든요.

• 광학 현미경 — 위에서 내려다보는 장비라 형상과 결함은 보지만 깊이는 못 봅니다. Ø0.5µm는 광학 분해능 한계에 가까워 미세 지름(CD) 확인에도 적합하지 않아요.
• 프로파일로미터 — 스타일러스 팁으로 표면을 긁어 높낮이를 읽는데, 팁이 구멍 안으로 못 들어가면 입구 위를 지나가며 평탄한 면으로 읽습니다. 기준 런에서 Ø4µm 홀조차 깊이를 읽지 못한 이유예요.
• SEM 단면 — 결국 비아 깊이는 잘라서 봐야 합니다. 지름별 깊이 비교도 3D 단면 뷰에서 절단면을 골라 확인합니다.
• AFM — 종횡비가 낮은 구조에서만 대안이 됩니다.

마지막으로 ⑥ BOE 습식 식각으로 마무리하는 이유도 짚고 갈게요. BOE는 SiO₂는 녹이지만 Si는 사실상 깎지 않습니다. 화학 자체가 멈춤층 역할을 하니까 담그는 시간이 조금 길어져도 애써 파둔 비아가 상하지 않아요. 세게 깎는 일은 건식으로, 벗겨내는 마무리는 선택비가 큰 습식으로 나누는 건 공정 순서에서 자주 보이는 구조입니다.

이 실습에서 남는 것

만드는 건 크기만 다른 구멍 네 개지만, 여기서 익히는 감각은 Si 식각이 들어가는 여러 곳에 그대로 쓰입니다.

1. 트렌치·MEMS 설계 감각 — 한 웨이퍼에 크기가 다른 개구부가 섞이면 같은 시간에도 깊이가 달라집니다. 가장 좁은 개구부를 기준으로 시간을 정하고, 넓은 곳에 생기는 추가 식각을 어떻게 흡수할지를 함께 설계해야 해요. ARDE는 없애는 게 아니라 설계에 넣는 겁니다.
2. 조건 찾기(DOE) 연습 — source, bias, 압력을 한 번에 하나씩만 바꾸고 DC self-bias·마스크 잔여·지름별 깊이가 어느 방향으로 움직이는지 확인하는 게 실험계획법의 출발점입니다.
3. 패턴 전사 체인의 이해 — PR → SiO₂ 하드마스크 → Si로 패턴을 옮겨 가는 구조는 식각 공정 전반의 기본 틀입니다. 각 단계에서 무엇이 마스크이고 무엇이 깎이는 대상인지, 그 사이 선택비가 얼마인지를 따지는 습관을 이 11단계로 훈련할 수 있어요.
4. 다음 확장 — 더 깊은 Si 식각으로 가면 SF₆ 식각과 C₄F₈ 보호막 증착을 번갈아 하는 Bosch 공정이 등장합니다. 이 시나리오의 ICP 단계에도 두 가스의 유량 항목이 이미 들어 있어요.

실공정에서는 여기에 측벽이 불룩해지는 보잉(bowing), 바닥 모서리가 더 깊게 파이는 마이크로트렌칭, 미세 잔류물이 마스크 역할을 해 바닥이 거칠어지는 블랙 실리콘, 고종횡비에서 식각이 멈추는 에치 스톱까지 더해집니다. 이 쿠폰은 그 출발점인 "지름이 결과를 바꾼다"를 손해 없이 겪어보는 자리예요.

정리하며

핵심은 하나입니다. 같은 레시피·같은 시간이라도 구멍의 지름이 다르면 깊이가 달라진다는 것(1040nm vs 1550nm, 약 33% 차이), 그리고 그 원인은 종횡비가 이온·중성종·부산물 세 가지 흐름을 동시에 조인다는 것이었습니다. 여기에 압력을 올리면 차이가 벌어지고, source를 올리면 이온 에너지가 내려간다는 두 방향까지 확인해봤고요.

주변 밀도가 만드는 차이와 나란히 놓고 보고 싶다면 마이크로로딩 실습을, 습식 식각이 아래·옆으로 똑같이 파고드는 모습이 궁금하다면 SiO₂ 하드마스크 언더컷을 이어서 보시길 권합니다. 다시 한번, 본문의 모든 수치는 미니팹 시뮬레이션 산출값이고 기준 런(권장 조건)의 것입니다. 조건을 바꾸면 값도 달라져요. 기준 런 값은 비교의 출발점이지 정답이 아닙니다.