Etch 공정의 Loading Effect 및 개선방안

금일은 Etch 공정의 Loading Effect에 대해 포스팅하겠습니다. Loading Effect은 Etch 공정의 제어가 어려운 이유 중 하나라고 생각합니다. 금일 포스팅은 SAMCO 社 튜토리얼을 참고하였습니다.

https://www.samcointl.com/news-events/tutorials/loading-and-microloading-effect-si-drie/

Part 4 – Loading Effect and Microloading Effect in Silicon Deep Reactive Ion Etching | Samco Inc.

 

1. Loading Effect

식각이 이루어지는 메커니즘은 크게 확산과 반응의 두 가지로 구분할 수 있습니다. 확산은 식각 가스가 패턴 표면까지 도달하는 과정이며, 반응은 표면에서 화학적으로 물질이 제거되는 과정을 의미합니다. 확산이 충분하지 않다면 반응 속도가 아무리 빨라도 식각 속도는 제한되며, 반대로 확산이 충분하더라도 반응이 느리면 식각 속도는 향상되지 않습니다. 확산을 개선하기 위해서는 압력을 낮춰 평균 자유 경로를 증가시키는 방법이 있으며, 반응이 느릴 경우 열이나 플라즈마를 이용하여 반응성을 높일 수 있습니다.

 

Loading Effect는 발생 원인에 따라 두 가지로 구분할 수 있습니다. Micro Loading은 패턴의 CD에 따라 식각 정도가 달라지는 현상으로, 패턴의 CD가 좁을수록 라디칼이 내부까지 침투하기 어렵고 반응 부산물(by-product)의 배출도 제한되어 식각 속도가 감소합니다.
Macro Loading은 칩(Wafer) 내에서 Pattern Density에 따라 식각 속도가 달라지는 현상으로, Pattern Density가 높은 영역에서는 Radical이 빠르게 소모되어 상대적으로 부족해지고, 그 결과 식각 속도가 낮아집니다.

그림 1. Loading Effect 종류 : Micro Loading / Macro Loading

 

Loading Effect은 결국 Radical이 패턴 내부에 충분히 침투하지 못하거나, 공급이 부족하여 발생하는 현상입니다. 이는 확산 속도의 한계에서 비롯되므로, 확산 속도를 높이는 것이 중요합니다. 확산 속도를 높이는 대표적인 방법으로는 ① Pressure 감소와 ② Gas Flow 증가가 있습니다. 아래 실험에서는 Pressure를 낮춰 Mean Free Path가 길어져 Radical의 이동이 원활해지고, 이로 인해 확산 속도가 향상되며 Macro Loading이 개선되었습니다.

그림 2. Pressure 감소를 통한 Macro Loading 개선 실험

 

Loading Effect의 결론은 Pattern Density나 CD 등 공정 환경의 차이로 인해 Etch 속도 차이가 발생하고, 그 결과 Depth와 같은 구조적 불균일성이 나타난다는 점입니다. 이러한 차이를 최소화하기 위해서는 공정 조건의 최적화와 함께 Design 측면의 보정이 필요합니다.

2. Loading Effect 개선 방안 - Dummy pattern 삽입

앞서 공정적으로 Loading Effect을 개선하는 방법에 대해 간략히 언급하였습니다. 그러나 Foundry의 특성상 다양한 제품마다 개별적으로 공정을 최적화하는 것은 현실적으로 어렵습니다. 따라서 모든 제품의 공정 환경을 최대한 일치시키는 접근이 보다 효과적입니다.

 

대표적인 방법으로는 Pattern Density를 Design Rule로 설정하는 것이 있습니다. 예를 들어, Pattern Density가 50% 이상이어야 한다는 Design Rule을 적용하면, 첫 번째 사례처럼 Pattern Density가 50% 미만인 영역은 Rule 위반으로 판정됩니다. 설계적으로 Pattern Density를 늘리기 어렵다면 전기적으로 연결되지 않는 Dummy Pattern을 삽입하여 Design Rule을 만족할 수 있습니다. 이처럼 Pattern Density를 Design Rule을 설정함으로써 공정 환경을 균일하게 유지할 수 있습니다.

그림 3. Pattern Density에 의한 DRC Violation