Dry Etch 공정의 Loading Effect와 RIE Lag 이해하기

1. CCP와 ICP 비교

이번 5주차에는 Dry Etch 공정에서 발생하는 Loading Effect와 RIE Lag에 대해 학습했다. 특히 HAR 구조에서는 단순히 식각이 되는지보다, 좁고 깊은 패턴까지 균일하게 식각되는지가 중요하다는 점을 배웠다.

Dry Etch에서는 플라즈마를 이용해 이온과 라디칼을 만들고, 이를 통해 박막을 식각한다. 이번 주에는 대표적인 플라즈마 방식인 CCP와 ICP를 비교했다.

구분

CCP

ICP

플라즈마 생성

전극 사이 전기장 이용

코일의 유도 전기장 이용

플라즈마 밀도

낮음

높음

공정 압력

비교적 고압

저압 가능

식각 특성

등방성 영향 큼

이방성 식각에 유리

제어성

독립 제어 어려움

Source/Bias Power 분리 제어 가능

CCP는 구조가 단순하지만 플라즈마 밀도가 낮고, 고압 조건에서는 이온 직진성이 떨어질 수 있다. 반면 ICP는 고밀도 플라즈마를 만들 수 있고, 저압에서도 식각이 가능해 HAR 구조 식각에 유리하다. 특히 ICP는 Source Power로 플라즈마 밀도, Bias Power로 이온 에너지를 조절할 수 있다는 점이 중요했다.

2. Loading Effect와 RIE Lag

Loading Effect는 패턴의 크기나 밀도에 따라 식각 속도가 달라지는 현상이다.

구분

의미

Macro Loading

웨이퍼 전체 식각 면적 차이로 평균 식각 속도가 달라지는 현상

Micro Loading

같은 웨이퍼 안에서 Dense/ISO 영역의 식각 속도가 달라지는 현상

RIE Lag = ARDE

좁고 깊은 패턴일수록 식각 속도가 느려지는 현상

Inverse RIE Lag

좁은 패턴이 오히려 더 빠르게 식각되는 현상

이번 실습에서 핵심은 RIE Lag, 즉 ARDE였다. 좁고 깊은 패턴에서는 라디칼과 이온이 바닥까지 도달하기 어렵고, 식각 부산물도 밖으로 빠져나오기 어렵다. 그 결과 넓은 패턴은 목표 깊이까지 식각되지만, 좁은 패턴은 상대적으로 얕게 식각될 수 있다.

3. RIE Lag 발생 원인

원인

설명

반응종 공급 부족

라디칼이 좁은 패턴 바닥까지 도달하기 어려움

이온 에너지 손실

이온이 sidewall에 부딪히며 에너지를 잃음

부산물 배출 지연

byproduct가 빠져나오지 못해 식각 방해

Polymer 축적

입구나 sidewall에 polymer가 쌓여 opening이 좁아짐

즉, RIE Lag는 단순히 식각 시간이 부족해서 생기는 문제가 아니라, 입자 전달, 이온 직진성, 부산물 배출, polymer 형성이 함께 작용한 결과라고 이해했다.

4. 개선 방향

개선 방법

기대 효과

Pressure 감소

평균 자유 행로 증가, 이온 직진성 향상

Bias Power 증가

바닥 방향 식각 강화

Source Power 조정

플라즈마 밀도와 반응종 공급 조절

Pulsed Plasma 적용

Off time 동안 부산물 배출, On time 동안 반응종 재공급

Gas Ratio 조절

Polymer 형성과 제거 균형 조절

다만 조건을 무조건 강하게 조정하는 것은 위험하다. Bias Power를 높이면 깊이 식각에는 유리하지만 mask loss가 커질 수 있고, pressure를 낮추면 이온 직진성은 좋아지지만 식각 속도나 균일도에 영향을 줄 수 있다. 그래서 공정 개선은 단순히 한 조건을 바꾸는 것이 아니라, etch depth, CD 변화, mask loss, selectivity를 함께 고려해 최적점을 찾는 과정이라고 느꼈다.

5. 5주차 학습을 마치며

이번 주에는 Dry Etch 공정에서 발생하는 Loading Effect를 중심으로 학습했다. 같은 recipe를 사용하더라도 패턴의 CD, 밀도, aspect ratio에 따라 식각 결과가 달라질 수 있다는 점이 가장 인상 깊었다. 특히 RIE Lag는 좁고 깊은 패턴에서 반응종 공급과 부산물 배출이 어려워지며 발생하는 문제였다. 이를 개선하기 위해서는 pressure, bias power, source power, gas ratio 등을 조절해야 하지만, 각 조건의 side effect도 함께 고려해야 한다. 이번 주를 통해 Dry Etch 공정은 단순히 막을 제거하는 공정이 아니라, 식각 깊이, profile, 선택비, mask loss를 동시에 관리해야 하는 정밀 공정이라는 것을 배웠다.