식각(etching) 공정에서 profile에 영향을 미치는 loading effect에 대해서 - 1

식각(etching) 공정에서 profile에 영향을 미치는 loading effect에 대해서

반도체의 식각(etching) 공정은 진행하고자 하는 패턴에 따라 식각 속도나 proflie에 영향을 줄 수 있는 loading effect가 발생할 수 있다. 그래서 loading effect는 식각 공정을 진행하는 웨이퍼에서 uniformity를 떨어트릴 수 있다.

 

loading effect 의 종류와 profile을 어떻게 진행시키는지 공부해보자.

 

 

1. Macro loading effect

 

- Macro loading effect란 ? 

 

보통 Macro loading effect에 대해 검색해보면 붙어있는 패턴을 식각할 때 식각 속도의 차이가 나는 현상과 관련된 그림들이 많이 보인다. 

식각할 면적이 증가했을 때 식각속도가 감소하는 현상은 맞는데...

 

식각을 진행하는 장치 내의 wafer 수가 증가할 때 또는 식각할 총 면적이 증가함에 따라 식각 속도가 감소하는 현상을 말한다. 식각에 필요한 반응물의 양은 동일한데 식각해야 할 양이 많아진다면 식각 속도가 느려지는 것은 당연하다고 생각할 수 있다.

 

Macro loading effect

 

위의 그림에서 웨이퍼를 한 장 식각하는 것과 여러장을 한 번에 식각하는 경우를 비교했을 때 여러장을 식각하는 경우 식각 속도가 느려지는 현상을 말한다.

이렇게 여러장을 한 번에 진행하는 것을 batch type(배치식) 이라고 하고 한 장씩 진행하는 것을 single type(매엽식) 이라고 하는데 dry etching 공정에서는 잘 사용하지 않는다고 한다. wet etching 공정에서도 거의 사용하지 않는 것 같다.

 

 

- Macro loading effect 발생

 

Macro loading effect는 chemical 식각인 경우 더 잘 발생한다.

플라즈마를 이용해서 장치 내부로 공급된 gas를 분해해서 나온 radical이 식각하려는 물질과 반응하여 날아가는 경우가 지배적일 때를 말한다.

 

예시로 웨이퍼 한 장을 원하는 만큼 식각하는데에 반응 gas 100sccm이 필요하다고 가정하자면,

네 장을 동시에 식각 진행하는 경우에는 각각 25% 밖에 진행되지 않았을 것이다.

 

 

- 개선하려면?

 

그래서 radical과 반응해서 날아가는 방식이 아니라 Ion이 부딛히는 충격으로 식각되는 방식을 메인으로 사용되게 함으로써 Macro loading effect를 줄일 수 있다.

공급 gas를 바꾸거나, 압력을 낮추는 방법 등이 있다.

 

 

2. Micro loading effect

 

- Micro loading effect란 ? 

 

Micro loading effect 에 대해서 검색했을 때도 정확한 그림으로 설명한 경우는 잘 안보였다...

 

Micro loading effect는 한 웨이퍼 내에 식각하려는 패턴이 밀집되어있는 부분과 아닌 부분간의 식각 속도에 차이가 발생하는 현상이다. 

 

 

Micro loading effect

 

 

웨이퍼에서 국부적으로 etchant 고갈로 인한 현상이라고 할 수 있다.

웨이퍼와 반응을 일으킬 gas가 공급되었을 때 패턴이 밀집된 지역에서는 소모되는 양이 많으니 듬성듬성한 곳보다 식각 속도가 늦어지게 되는 것이다.

 

 

- Micro loading effect 발생

 

Micro loading effect도 chemical 식각인 경우 더 잘 발생한다.

위에서도 말했지만 플라즈마를 이용해서 장치 내부로 공급된 gas를 분해해서 나온 radical이 식각하려는 물질과 반응하여 날아가는 경우가 지배적일 때를 말한다.

 

밀집된 지역보다 듬성한 지역에서 남은 Etchant 양이 많으니 Chemical etching이 진행중이라면 Etchant가 많은곳의 식각 속도가 빠른것은 당연하다.

 

 

- 개선하려면?

 

Chemical 식각 공정은 보통 etchant 분해가 많이 필요해서 high pressure 조건(high density plasma)인 경우가 많은데 이 경우 etchant가 듬성한 곳에 남았어도 확산되기가 어렵다.

 

그래서 Low pressure 조건을 사용함으로써 etchant가 장치 내에서 부족한 곳으로 이동하기 쉽게 함으로써 micro loading effect를 줄일 수 있다. 

 

 

 

참고한 논문 :

박완재(2012), 「응용 공정별 맞춤형 플라즈마 건식 식각에 관한 연구」, 서울대학교 대학원.

A Study on customized plasma dry etching suited to various application processes

 

12년도 논문인데 내가 찾던 내용이 딱 있었다. 박사 논문을 학부생이 제대로 이해할 수는 없겠지만 다른 부분도 잘 읽어보아야 겠다.

 

★ Loading Effect 더 알아보기

2022.07.12 - [self.반도체&전자회로 공부] - 식각(etching) 공정에서 profile에 영향을 미치는 loading effect에 대해서 - 2

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