식각 선택비가 높아도 먼저 드러난 하부는 계속 깎인다

식각 선택비가 25라고 들으면 하부 층이 거의 깎이지 않는다고 느끼기 쉽다. 그러나 선택비는 제거 속도의 비율이다. 하부가 오래 노출되거나 원래 아주 얇다면, 작은 속도도 누적 손실을 만들 수 있다. 식각 선택비가 높은 것과 공정이 원하는 위치에서 완벽히 멈추는 것은 같은 보장이 아니다.

비율을 두께와 시간으로 바꾸기

목표층의 제거 속도를 Rt, 보호할 하부 층의 속도를 Rb라고 하면 선택비 S는 Rt/Rb다. 선택비가 크다는 것은 같은 조건에서 목표층을 더 빨리 제거한다는 뜻이다. 하부의 속도가 정확히 0이라는 뜻은 아니다.

또 어떤 두 재료를 비교했는지 명확히 해야 한다. 목표층에 대한 하부의 선택비와 마스크에 대한 선택비는 따로 존재한다. 마스크는 공정 시작부터 노출되고, 하부는 목표층이 사라진 위치부터 노출된다. 같은 속도비를 가진다고 손실 시간까지 같은 것은 아니다. MIT 식각 강의 20의 2~3쪽은 선택비를 목표층과 다른 재료의 속도 차이로 정의하고, 마스크와 하부의 손실을 각각 고려한다. MIT 식각 선택비 원문

가장 먼저 드러난 하부가 더 많이 깎인다

목표층의 두께가 위치에 따라 90~110nm이고, 어디서나 Rt = 50nm/min이라고 가정하자. 하부에 대한 선택비가 25이면 Rb = 2nm/min이다. 목표층이 가장 얇은 위치는 1.8분에 하부를 드러내고, 가장 두꺼운 위치는 2.2분에 드러낸다.

가장 늦은 2.2분 뒤에도 여유 시간을 줘 전체 공정을 2.64분에 끝낸다고 하자. 이는 이 예에서 마지막 제거 시간보다 20% 길게 정한 가상 조건이다. 90nm 위치의 하부 노출 시간은 2.64−1.8 = 0.84분이므로 하부 손실은 1.68nm다. 110nm 위치에서는 0.44분에 해당하는 0.88nm를 잃는다.

하부가 처음에 3nm라면 두 위치에 남는 두께는 각각 1.32와 2.12nm다. 선택비는 두 곳에서 똑같이 25인데, 종료 뒤 남은 두께는 크게 다르다. 두께 균일도가 충분치 않으면 빠른 위치에서 하부를 보호하기 어려운 이유다.

이 계산은 두 재료의 속도가 노출 전후에도 일정하고, 하부가 노출된 때부터 일정하게 제거된다고 가정한다. 실제 조건에서는 표면 상태와 이온 충돌, 국소 패턴에 따라 속도가 달라질 수 있다. 제시한 손실을 실제 박막 절연막의 전기적 손상이나 수명으로 바로 환산할 수는 없다.

시간 여유를 어디에 둘 것인가

전체 식각 시간에 하나의 선택비를 곱하는 것보다, 각 위치의 하부 노출 시간을 구하는 것이 정확하다. 마스크가 1nm/min으로 제거되는 별도 가상 조건이라면 2.64분 내내 노출돼 2.64nm를 잃는다. 목표층 아래에 숨어 있다가 드러나는 하부와 계산의 시작점이 다르다.

공정 종료를 맞추는 방법도 하나는 아니다. 두께와 속도의 불균일도를 줄이면 빠른 위치가 기다리는 시간을 줄일 수 있다. 목표층이 대부분 제거된 뒤에는 하부 보호에 더 유리한 조건으로 바꾸는 방법도 있다. MIT의 폴리실리콘 식각 강의 7~8쪽은 초기 표면 제거, 주요 식각과 과식각에서 서로 다른 목표를 가진 조건을 사용하는 사례를 설명한다. 특정 가스 조합을 그대로 적용하기보다, 각 단계에서 무엇을 보호할지 보는 관점이 중요하다. MIT 단계별 식각 원문

선택비를 평가하려면 비교 재료, 실제 표면 조건과 속도 측정 위치를 확인하고, 최악의 두께 및 마지막 종료 시간에 맞춰 하부 손실을 계산하면 된다. 큰 속도비는 유용한 여유를 주지만, 그 여유를 얼마나 오래 쓰는지는 공정이 결정한다. 비율을 노출 시간과 남은 두께로 바꾸어야 목표층 제거와 하부 보존을 함께 판단할 수 있다.