Etch 공정에서 Etch를 해야 하는 Target 박막의 면적 대비 깊이인 Aspect Ratio, AR이 중요한 인자로 적용됩니다. 미세화 트랜드에 따라서 우리는 어떻게 AR을 높이면서 깊고 좁은 Profile을 구현하기 위해 Etch 공정이 어떻게 진행되어야 하는지 고민해야 합니다. 오늘은 Etch 공정의 핵심 이슈 3가지에 대한 질문을 다루어보도록 하겠습니다.
[질문 1]. Loading Effect에 대해서 설명하세요.
Loading Effect는 Pattern Size와 구조로 인해 Etching Uniformity가 감소하는 효과를 의미합니다. Loading Effect는 크게 Macro Loading과 Micro Loading으로 구분됩니다. ① Macro Loading은 단위 면적당 반응물의 농도 차이에 의해 큰 Pattern은 Etch Rate이 높고, 좁은 Pattern은 Etch Rate이 작아지면서 Etch Uniformity가 저하되는 현상입니다. ② Micro Loading은 Pattern이 점점 더 좁고 깊어지면서 Profile 내부 반응물의 Pump Out Rate 차이가 원인입니다. 미세 혹은 깊은 Pattern 내에 반응물이 Pump Out되는 속도가 낮아지면서 Byproduct가 제대로 제거되지 않아 Etch Rate이 낮아지는 것입니다. (또한 깊은 Pattern에서 Passivation Layer가 잘 증착되지 않아 반대로 Etch Rate이 커질 수도 있습니다)
정리하자면, Pattern Size와 구조로 인해 Etching Uniformity와 효율이 달라지는 현상을 Loading Effect라 합니다. Macro Loading Effect는 단위 면적당 반응물의 농도차이에 의해 Etching Uniformity가 감소되고, Micro Loading Effect는 높은 Aspect Ratio Profile에서 Byproduct가 제대로 빠져나오지 못해 Etch Rate이 감소하는 이슈를 말합니다.
[꼬리 1.1]. Depth가 깊을 때, Etch Rate이 저하되는 Loading Effect를 어떻게 개선시킬 것인지 설명해보세요.
Depth가 깊을 때. 즉, 높은 Aspect Ratio Profile에서 Byproduct가 제대로 제거되지 않아 Etch Rate가 저하되는 이슈를 Micro Loading Effect라고 합니다. 이를 개선시키기 위해서는 공정 압력을 낮추어 Total Flow Rate 감소를 통해 Byproduct나 반응종들의 잔류시간을 감소시킴으로써 해결할 수 있습니다.
[꼬리 1.2]. Pattern 크기가 큰 곳에서 Etch Uniformity가 저하되는 것을 개선시키기 위한 방법에 대해서 말씀해보세요.
Etch 공정시Pattern의 크기에 따라 박막 표면으로 확산된 단위 면적당 반응종의 농도차이가 발생할 수 있습니다. 그로 인해, Etching Uniformity가 저하되는 이슈를 Macro Loading Effect라고 합니다. 이를 개선시키기 위해서는 압력을 높여야 합니다. 그리고 Bias Power를 감소시켜 충분한 반응종을 공급하여 Pattern 면적 전체에 균일하게 반응할 수 있도록 함으로써 Macro Loading Effect를 완화시킬 수 있습니다.
[Loading Effect 세부설명]
Depth Loading Effect는 Pattern의 구조와 크기에 따라 Etch Rate이 저하되면서 Etch Uniformity가 저하되는 이슈입니다. Macro Loading의 경우 Pattern이 넓은 부분과 좁은 부분의 반응물의 농도 차이가 발생합니다. 그에 따라 Etching Depth가 달라지게 됩니다. 좁은 영역은 Ion과 Radical이 들어가는 양이 한정되어 있습니다. 그러다 보니, Etch Rate이 감소하고, 넓은 영역은 양이온과 반응성이 높은 Radical에 의한 화학반응과 물리적 타격의 빈도가 높아 Etch Rate이 상대적으로 높습니다. 반면에 좁은 패턴은 그렇지 않습니다. Etch 공정에서는 어떻게든 Ion과 Radical에 의해 Byproduct가 생성되는데, 좁은 영역에서는 생성된 Byproduct가 쉽게 빠져나가지 못하게 되면서 의도하지 않은 Passivation Layer가 생겨 Etching 효율이 저하됩니다.
이를 극복하기 위해서 나온 것이 바로 Pulsing Etch 기법입니다. (Pulsed Plasma Etch 기법은 다음 장에서 설명드리겠습니다.) Plasma를 On/Off 에 따라 Ion이 Bias에 의해 수직으로 입사되고, Off의 경우 이온들이 좁은 Pattern 내부로 들어갈 확률이 작아집니다. 이때 Radical과 반응하여 생성된 Byproduct가 빠져나가게 되면서 Micro Loading Effect를 효과적으로 개선시킬 수 있습니다. 이와 같이 Depth Loading Effect를 해결하기 위해 Pulsed Plasma Etch 기술이 채택되었고, Source와 Bias의 On/Off 주기를 최적화하여 Byproduct를 효율적으로 제거하고 Etch Rate을 높여 전체적인 Etch Uniformity를 향상시킬 수 있습니다.
[질문 2]. Blocking Mask 이슈에 대해서 설명하세요.
깊고 좁은 미세 Profile을 구현할 때에는 PR 유기막 외에 Hard Mask를 적용합니다. 하지만 Etching 시 Mask의 Loss가 발생하면서 원하지 않는 Profile이 구현되면서 수율이 저하되는 요인으로 작용할 수 있습니다. CF 계열의 Etchant Gas를 사용하면 Si Etching 시 잔여 Carbon이 Polymerization 되면서 Passivation Layer를 형성합니다. 초반에는 Si Etching 시 Fluorine에 의해 Etching이 됐는데, Carbon이 쌓이게 되면서 Si Target의 Etch Rate은 급속도로 제하됩니다. 반면에 SiO2를 Etching 할 경우, 초기에 Si이 Fluorine과 반응하여 제거되고, SiO2 내에 Oxygen이 Carbon과 반응하여 제거되기 떄문에 Passivation Layer가 SiO2 표면에 쌓이는 정도가 상대적으로 작습니다. 즉, 동일한 공정 조건으로 Si와 SiO2를 Etching 할 때, Si에 비해 SiO2는 지속적으로 Etching이 되고, Si은 표면에 쌓인 Passivation Layer에 의해 Etching이 Stop 됩니다. 따라서, SiO2를 Etching 할 때에는 Si를 Blocking Mask로 사용할 경우 우수한 Etch Selectivity를 갖습니다. 이러한 원리를 적용해서 공정엔지니어는 물질 간의 Selectivity를 높이는 방향으로 드라이브 중입니다.
[정리] Main Gas의 Polarization에 의한 Passivation Layer를 형성하여 Selectivity를 조절 할 수 있습니다. 기판표면에는 Fluorocarbon Layer (CF)이 형성되고, Plasma 내에 Ion의 충돌에 의해 전달된 에너지가 기판 표면에 전달되어 식각이 이루어집니다. CF 계열의 Etchant Gas를 사용 시, Si의 경우 Fluorine과 반응하여 SiF4로 제거됩니다. 이후 Carbon을 남기게 되고 Carbon은 Polymerization 되어 Passivation Layer를 형성합니다.
- 2CF2 + Si → SiF4 + 2C (C : Non volatile) - 6CF2 + 1/3Si3N4 → SiF4 + 2/3(CN)2 + 2/3C (Mask Loss Issue) - (CN)2 : BP : -21℃ : Reactive - 2CF2 + SiO2 → SiF4 + 2CO Fluorocarbon (CF)의 두꼐 차이가 Etch Rate의 차이를 유발합니다. 적절한 CF 계열의 Gas를 사용하면 Si에 비해 SiO2의 Etch Rate을 높일 수 있습니다. 이는 앞서 설명드린 CF 계열의 Passivation Layer의 두께를 가지고 이해할 수 있습니다. 정리하자면 초반에는 CF 계열 Gas의 Fluorine에 의해 Si가 식각됩니다. 그리고 CF 계열 내에 Carbon이 쌓이게 되고 Passivation Layer가 형성됩니다. 두께가 점점 두꺼워지면서 Si의 Etch Rate이 감소하게 되고, CF 계열 Gas가 SiO2와 만나게 되면 박막 위에 잔여 Carbon은 SiO2의 Oxygen과 반응하여 제거됩니다. 그래서 SiO2의 Etch Rate은 증가합니다. 이렇듯 Plasma Etch 시 Etchant Gas와 Target 박막, Blocking Mask의 Chemistry를 기반으로 Selectivity를 높이는 방향으로 Target 공정을 최적화 시켜 공정 산포를 관리하고 수율을 개선시키고 있습니다.
좁고 깊은 Vertical Profile을 구현하기 위해서는 오늘 배운 Loading Effect는 차세대 기술에서 뛰어넘어야 할 장벽입니다. 다음 장에서는 이러한 Loading Effect를 개선시키기 위한 Etch 기술에 대해서 다루어보도록 하겠습니다. 오늘 하루도 고생 많으셨습니다.
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