식각 노칭은 바닥이 드러난 뒤의 이온 경로를 살펴보게 한다

실리콘을 절연층까지 식각했더니, 바닥 가까운 옆벽이 안쪽으로 패였다. 위쪽 벽은 곧은데 아래쪽만 가늘어진다면 전체 식각 시간을 잘못 계산한 문제와는 다른 단서가 된다. 식각 노칭은 바닥 부근의 국소적인 측면 식각이며, 그 원인 중 하나는 절연 표면에 쌓인 전하가 이온의 진행 방향을 바꾸는 것이다.

바닥이 드러나면서 전기장이 달라진다

플라스마에서는 전자와 양이온이 함께 표면으로 들어온다. 깊은 패턴 안에서 두 입자의 도달 방향과 도달량은 같지 않을 수 있다. 상대적으로 직진성이 큰 이온은 바닥으로 들어가지만, 전자는 입구와 옆벽에 가려져 다른 양이 도달할 수 있다. 전하를 바로 흘려보내기 어려운 절연 표면에서는 이런 차이가 국소적인 전위를 만든다.

식각이 진행돼 하부 절연층이 노출되면, 바닥과 주변 구조 사이의 전기장이 이온 궤적을 휘게 할 수 있다. 바닥을 향하던 일부 이온이 아래쪽 옆벽으로 향하면 원래 보호하려던 위치의 제거가 증가한다. 반응종이 존재하고 이온 충돌이 식각을 돕는 조건이라면, 형상에 패임이 생기는 경로가 된다.

Hwang과 Giapis의 1997년 연구는 절연층 위 폴리실리콘의 과식각을 전하 변화, 전기장, 이온 반응 및 산란을 포함한 모델로 다뤘다. 원문 초록은 노출된 절연 표면의 과도적인 충전이 노칭에 큰 영향을 주고, 도선의 연결 상태와 열린 영역의 폭에 따른 차이도 재현했다고 설명한다. 플라스마 전체가 균일하더라도 국소 전기장이 같다고 볼 수 없다는 뜻이다. Hwang과 Giapis의 원 논문

이온 에너지와 옆으로 휘는 거리

수치의 감을 잡기 위해 실제 노칭 시뮬레이션과 별개의 작은 궤적 예를 계산해 보자. 양전하가 하나인 이온이 수직으로 들어오고, 높이 d = 100nm인 구간에서 수평 전기장 Ex = 10⁸V/m만 받는다고 가정한다. 충돌과 수직 전기장은 없고, 이 구간을 지나가는 동안 수직 속도는 일정하다.

처음의 수직 운동 에너지를 K라고 하면, 비행 시간은 d를 수직 속도로 나눈 값이다. q를 이온의 전하, m을 질량이라고 쓰자. 수평 가속도 qEx/m와 그 시간을 이용하면 수평 변위는 다음과 같다.

수평 변위 = qEx d²/(4K)

K = 100eV이면 수평 변위는 2.5nm다. K = 20eV일 때는 12.5nm로 커진다. 같은 가상 전기장에서 에너지가 낮은 이온은 해당 구간에 더 오래 머물러 더 많이 휘는 것이다. 질량이 식에서 사라지는 것은 같은 수직 운동 에너지를 비교하면서 비행 시간과 가속도의 질량 의존성이 상쇄되기 때문이다.

이 12.5nm는 노칭 깊이의 예측값이 아니다. 실제 전기장은 위치와 시간에 따라 달라지고, 이온의 에너지·입사각 분포와 반응 확률도 필요하다. 제시한 전기장 역시 실측값이 아니다. 궤적을 바꾸는 요인과 식각된 거리 사이에는 표면 반응이라는 단계가 남아 있다.

하부를 덜 깎아도 옆벽은 패일 수 있다

하부 절연막에 대한 화학적 선택비가 높으면 그 막의 두께 손실을 줄일 수 있다. 하지만 그 조건이 충전과 이온의 측면 이동까지 없애 준다는 보장은 없다. 반대로 궤적을 덜 휘게 하겠다고 이온 에너지를 높이면, 다른 손상과 하부 제거가 달라질 수 있다. 위 가상 계산을 그대로 바이어스 증가 권장으로 읽으면 안 된다.

노칭을 확인할 때는 바닥 층이 노출되기 전후의 단면과 과식각 시간, 하부 재료, 구조의 전기적 연결을 비교하는 것이 유용하다. 같은 패임도 측면 보호막의 변화나 화학 반응이 함께 원인이 될 수 있어, 모양만으로 충전 하나를 확정하기는 어렵다.

바닥의 패임은 단순히 식각이 너무 강했다는 표시가 아니다. 하부가 드러난 뒤 국소 전기장과 반응 경로가 어떻게 달라졌는지 살펴보라는 단서다. 절연막의 두께 손실과 아래쪽 옆벽의 형상을 함께 평가해야, 정지층을 보존하면서 원하는 단면을 얻는 조건을 찾을 수 있다.