딴딴 후보생 여러분들 Etch 공정의 종착역까지 얼마 남지 않았습니다. 오늘은 Loading Effect를 개선하기 위한 Etch Tech와 차세대 Etch 기술에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.
[질문 1]. Pulsed Plasma Etch 기술에 대해서 설명해주세요.
최근 Pulsed Plasma 기술이 Etch 공정에서 주목받고 있습니다. Pulsed Plasma는 Plasma를 형성하는 Source에 가해주는 Power를 On/Off, 이온을 가속시키는 Bias Power를 On/Off 함으로써 Source와 Bias Power를 이용하여 싱크 Pulse를 가해줄 수 있습니다. Pulsed Plasma가 주목받는 이유는 Pattern Size가 넓은 영역도 있고 집적도가 너무 높아 좁고 복잡한 구조를 가져 Pattern Density가 높은 영역도 있습니다. 이에 따라 Etch Rate, Depth 효율 모두가 달라져 Etch Uniformity를 저하시키는 Loading Effect 이슈를 직면했기 때문입니다. 이러한 Depth Loading Issue를 개선하기 위한 획기적인 방법으로 Pulsed Plasma 기술이 채택되었습니다.
[꼬리 1.1]. Pulsed Plasma Etch의 동작원리를 간단하게 설명해주세요.
Continuous Wave Plasma, CW는 지속적으로 Plasma를 켜놓은 상태로 100%라고 표현할 수 있습니다. 이때, 90%, 70%, 50% 와 같이 Plasma 상태가 On/Off 되어 있는 비율을 나타냅니다. Pulsed Plasma Etch는 Plasma가 Off 상태에 있는 주기에 Byproduct가 Pumping Out 되면서 잔여 Byproduct에 의해 Etch Rate이 저하되는 Micro Loading Effect를 효율적으로 개선할 수 있습니다. 또한, CW 이용시 Plasma 내에 Positive Ion에 의해서 Trench 현상이 발생합니다. Plasma는 주로 Positive Ion을 활용합니다. Target 박막을 Etching 할 때, 산화막에 Positive Charge가 Charging 되면서 Coulomb's Force에 의해 입사하는 이온의 Path가 휘어지면서 원하지 않는 Profile을 형성할 수 있습니다. Pulsed Plasma 기술을 적용하면 On/Off 하면서 순간적으로 Off인 순간에 Charging된 면의 전하를 제거해줌으로써 이를 개선시킬 수 있습니다.
[질문 2]. Cryogenic Etch 기술이 도입된 히스토리에 설명해주세요.
Cryogenic Etch는 말 그대로 공정온도를 극한으로 낮추는 것입니다. 일반적인 Etch 공정은 20-120℃에서 다양하게 이루어집니다. Cryogenic Etch는 -100℃ 이하의 온도 환경에서 공정이 진행되고, 일반적인 Etch가 깊고 Narrow Pattern에서 깊은 곳까지 Etching을 하기 위해서 Passivation Gas를 주로 사용합니다. 하지만 Passivation Layer 자체가 Blocking Mask 역할을 하면서 Etch Rate이 저하됩니다. 그렇다고 Passivation Layer를 사용하지 않을 경우 등방성 식각이 지배적으로 일어나 Undercut 이슈가 발생합니다. 또한, Depth Loading Effect를 해결하기 위해서 이온 에너지를 높일 경우, Selectivity가 감소하여 Hard Mask가 Etching 되면서 Mask Loss 이슈가 발생합니다. 또 이를 개선하기 위해서 Carbon 계열 Gas를 더 주입하고 Polymer가 형성되고 Polymer Layer가 Blocking Mask 역할을 하면서 Etch Rate이 감소되고 또 Etch Rate을 높이기 위해 Bias를 높여야 하는 악순환이 반복됩니다. 이를 개선하기 위한 획기적인 방법이 바로 Cryogenic Etch 기술입니다.
[Trade-off 에 대한 딴딴 교관의 마음가짐] 질문2에서 보시는 것처럼 여러분들은 직무를 수행하다 보면 Trade Off 관계를 쉽게 직면할 수 있을 것입니다. 소자의 Performance와 Leakage에 의한 Static Power가 대표적인 Trade Off 관계입니다. 이 처럼 어떤 Sweep Point를 찾아내려고 Target 조건을 변경하고, 공정레시피를 수정하는 일들을 반복하며 연구가 진행되고 있습니다.
하지만 특정 Performance와 최적의 Target 조건을 찾는다고 하더라도 산업체 공정에서는 Process Margin이 넓지 않으면 양산에 적용될 수 없습니다. 그래서 우리는 이러한 악순환을 끊기 위해 끊임없이 기술을 개발하고 연구를 진행하는 것입니다. 여러분들이 꼭 반도체 업체에서 이러한 악순환을 깰 수 있는 훌륭한 엔지니어가 되셨으면 하는 바램입니다.
[꼬리 2.1]. Cryogenic Etch 기술에 대해서 설명해주세요.
Cryogenic Etch 기술은 Loading Effect 이슈를 개선하고 Narrow하고 깊은 Vertical Profile 구현하는데 있어 획기적인 기술입니다. Plasma 내에 있는 이온이 충돌하고 Plasma의 Radical이 화학적 반응으로 Polymer Layer를 형성하여 Lateral 방향으로 Etching 되는 것을 억제합니다. 하지만 집적도가 높아지면서 좁고 깊은 복잡한 구조의 Pattern에서 Polymer Layer는 Etching Uniformity를 저하시키는 Loading Effect라는 이슈를 발생시킵니다. 그래서 공정온도를 극저온에서 수행한다면 화학적 반응성을 낮춤으로써 Lateral 방향으로 Etch 되는 것을 억제할 수 있지 않을까 하는 아이디어가 채택됩니다. 정말 간단하고 기본적인 Concept입니다. Passivation Gas를 사용하지 않더라도 극저온이라는 온도에 의해 화학적 반응을 제어할 수 있습니다. 이러한 경우, Passivation Layer를 크게 고려하지 않아도 되기 때문에 Gas Chemistry의 Spectrum이 넓어지면서 악순환을 깰 수 있습니다.
실제로 동일하게 SF6/O2로 Etch를 하더라도 공정온도에 따라서 Etching Profile이 크게 달라집니다. SF6/O2로 Si를 에치할 경우, Fluorine의 양이 많아 Chemical Etch가 심하게 일어나는데, 온도를 낮추면 화학적 반응이 제약이 걸리기 때문에 Passivation Gas가 없어도 Vertical Profile 구현이 가능합니다. 그래서 차세대 Etch 공정으로 Cryogenic Etch가 주목받는 것입니다.
다음 편에서는 Atomic Layer Etch (ALE) 공정의 메커니즘과 Deep RIE 기술인 Bosch 공정에 대해서 다루어보도록 하겠습니다. 오늘 하루도 고생 많으셨습니다. 충성! From 교관 홍딴딴.
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