8대 공정 : 식각공정

 

반도체 핵심, 식각 공정

오늘날 스마트폰, 컴퓨터, AI 등 첨단 기술의 심장부에는 ‘반도체’가 자리한다. 이 작은 칩 속에는 무수한 트랜지스터와 복잡한 회로가 촘촘히 새겨져 있으며, 이러한 정밀한 구조를 창조하는 8대 공정 중에서도 ‘식각 공정’은 핵심적인 역할을 수행한다. 마치 숙련된 조각가가 섬세한 손길로 돌덩이를 다듬어 예술 작품을 완성하듯, 식각 공정은 웨이퍼 위에 얇게 증착된 다양한 박막들을 선택적으로 제거하여 우리가 원하는 복잡하고 정교한 회로 패턴을 구현하는 데 결정적인 기술이다.

1. 식각 공정

식각(Etching)은 웨이퍼 표면의 특정 부분을 화학적 또는 물리적 방법을 활용하여 선택적으로 제거하는 과정을 의미한다. 현대 반도체 집적회로의 선폭이 눈부시게 미세화됨에 따라, 식각 공정의 중요성은 그 어느 때보다 강조되고 있다. 인간의 머리카락 굵기의 수십 분의 일, 심지어 수백 분의 일에 해당하는 극도로 정밀한 회로를 구현해야 하므로, 식각 공정은 나노미터(nm) 수준의 정밀도를 요구하는 첨단 기술 영역이다.

만약 식각 공정에서 조금이라도 오류가 발생한다면, 이는 곧바로 수많은 불량 칩 생산으로 이어져 제조 기업에 막대한 경제적 손실을 야기할 수 있다. 따라서 식각 공정은 최고 수준의 기술력과 철저하고 엄격한 품질 관리가 필수적으로 요구되는 매우 중요한 공정이다.

2. 식각 방식의 분류: 습식과 건식

웨이퍼 표면의 물질을 제거하는 방식에 따라 식각 공정은 크게 습식 식각(Wet Etching)과 건식 식각(Dry Etching) 두 가지 주요 범주로 나뉜다. 각 방식은 고유한 특징과 장단점을 지니며, 반도체 제조 공정의 특정 단계와 목적에 따라 선택적으로 활용된다.

2.1 습식 식각 (Wet Etching): 액상 화학 반응의 활용

습식 식각은 액체 상태의 화학 용액을 사용하여 웨이퍼 표면의 특정 물질을 용해시켜 제거하는 방식이다. 비교적 간단한 설비와 저렴한 비용으로 대량의 웨이퍼를 동시에 처리할 수 있다는 경제적인 이점이 있다. 또한, 일반적으로 식각 속도가 빠르고, 식각하고자 하는 물질과 그렇지 않은 물질 간의 식각 속도 차이인 선택비(Selectivity)가 높다는 특징을 갖는다. 이는 특정 박막만을 효과적으로 제거하는 데 유리하게 작용한다.

그러나 습식 식각은 주로 등방성(Isotropic) 식각 특성을 나타내어 수직 방향뿐만 아니라 측면으로도 식각이 진행되는 측면 식각(Undercut) 현상이 발생하기 쉽다. 이러한 등방성 식각은 고밀도로 집적된 미세한 패턴을 정밀하게 구현하는 데 어려움을 초래할 수 있다. 더불어, 사용 후 발생되는 폐수 처리 문제 또한 환경적인 측면에서 중요한 고려 사항이다. 이러한 이유로 습식 식각은 주로 웨이퍼 표면의 오염 물질 제거, 산화막 제거 등 비교적 정밀도가 덜 요구되는 공정에 주로 활용된다.

2.2 건식 식각 (Dry Etching): 플라즈마 기술의 적용

건식 식각은 고진공 상태에서 플라즈마 상태의 반응성 기체를 이용하여 웨이퍼 표면의 물질을 제거하는 첨단 기술이다. 플라즈마는 이온, 전자, 중성 입자 등 다양한 활성 종으로 구성되어 있으며, 이들이 웨이퍼 표면과 반응하여 식각이 이루어진다. 건식 식각의 가장 큰 장점은 이방성(Anisotropic) 식각이 가능하다는 점이다. 즉, 주로 수직 방향으로 식각이 진행되어 측면 식각을 최소화하고 매우 정밀한 수직 구조의 패턴을 형성할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 건식 식각은 고집적화된 최첨단 반도체 소자 제조에 없어서는 안 될 핵심 기술로 자리매김했다.

건식 식각은 플라즈마를 생성하는 방식, 사용되는 반응성 기체의 종류, 그리고 에너지 공급 방식에 따라 다양한 세부 기술로 분류된다. 대표적인 건식 식각 방식으로는 플라즈마 식각(Plasma Etching), 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE), 그리고 스퍼터링(Sputtering) 등이 있다.

• 플라즈마 식각 (Plasma Etching): 반응성이 높은 기체를 플라즈마 상태로 만들어 화학적 반응을 주도하여 웨이퍼 표면의 물질을 제거하는 방식이다. 비교적 높은 식각 속도와 우수한 선택비를 나타내어 특정 박막 제거에 효과적이다.
• 반응성 이온 식각 (Reactive Ion Etching, RIE): 플라즈마 내에서 생성된 이온들을 전기장을 이용하여 웨이퍼 표면으로 강하게 가속시켜 물리적인 충돌과 화학적인 반응을 동시에 유도하는 복합적인 식각 방식이다. 높은 이방성 식각 특성을 가지므로, 극도로 미세한 패턴을 정확하게 형성하는 데 매우 유리하다. 현대 반도체 초미세 공정에서 핵심적인 역할을 수행한다.
• 스퍼터링 (Sputtering): 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체 이온을 높은 에너지로 웨이퍼 표면에 충돌시켜 표면에 있는 박막 물질의 원자들을 물리적으로 튕겨내어 제거하는 방식이다. 주로 알루미늄, 금과 같은 금속 박막을 식각하는 데 주로 사용된다.

건식 식각은 습식 식각에 비해 장비가 훨씬 복잡하고 초기 투자 비용 및 유지 보수 비용이 높으며, 식각 속도가 상대적으로 느리고 선택비가 낮을 수 있다는 단점을 내포하고 있다. 그러나 극도로 높은 정밀도와 초미세 패턴 구현 능력이라는 결정적인 장점 덕분에 현대 반도체 제조 공정의 대부분, 특히 고집적화 공정에서 핵심적인 역할을 담당하며 그 중요성은 더욱 커지고 있다.

3. 선택비와 균일도

성공적인 식각 공정을 달성하고 고품질의 반도체 소자를 생산하기 위해서는 여러 가지 중요한 요소들이 최적화되어야 한다. 그중에서도 가장 핵심적인 두 가지 요소는 바로 ‘선택비(Selectivity)’와 ‘균일도(Uniformity)’이다.

• 선택비 (Selectivity): 이는 식각하고자 하는 특정 박막과 그 아래 또는 주변에 존재하는 다른 박막 간의 식각 속도 비율을 나타내는 중요한 지표이다. 높은 선택비는 원하는 박막만을 정밀하게 제거하고, 의도하지 않은 다른 부분의 손상을 최소화하여 최종적으로 생산되는 반도체 소자의 성능과 수율을 크게 향상시키는 데 필수적인 요소이다. 선택비가 낮으면 하부 박막이나 주변 구조물이 손상되어 소자의 전기적 특성에 악영향을 미칠 수 있다.
• 균일도 (Uniformity): 균일도는 웨이퍼의 전체 표면 영역에 걸쳐 식각 속도가 얼마나 일관되고 균일하게 유지되는지를 나타내는 중요한 지표이다. 식각 균일도가 낮으면 웨이퍼 내의 각기 다른 영역에서 소자의 특성이 불균일해지는 심각한 문제가 발생할 수 있다. 이는 결국 생산된 반도체 칩의 전체적인 품질 저하와 수율 감소로 이어진다. 따라서, 대량으로 생산되는 반도체 칩의 품질을 일정하게 유지하고 높은 수율을 확보하기 위해서는 웨이퍼 전체 영역에서 높은 식각 균일도를 확보하는 것이 매우 중요하다.

이 두 가지 핵심 요소 외에도 식각 속도, 공정의 재현성, 웨이퍼 표면의 결함 제어, 그리고 식각 후 잔류물(Residue) 관리 등 다양한 요소들이 식각 공정의 최종 결과와 생산 효율성에 중요한 영향을 미친다. 따라서 반도체 제조업체들은 이러한 모든 요소들을 종합적으로 고려하고 최적화하여 최고 품질의 반도체 칩을 생산하기 위해 끊임없이 노력하고 있다.

4. 식각 공정의 최첨단 기술 동향

반도체 소자의 집적도가 기하급수적으로 증가하고 회로 선폭이 나노미터 수준으로 극도로 미세화됨에 따라, 식각 공정 기술 역시 끊임없이 혁신적인 발전을 거듭하고 있다. 최근 식각 공정 분야의 주요 기술 동향은 다음과 같다.

• 고선택비 식각 기술: 극자외선(EUV) 노광 기술과 같은 차세대 노광 기술의 도입에 따라 더욱 미세한 회로 패턴 형성이 가능해짐에 따라, 특정 박막만을 매우 높은 선택비로 식각할 수 있는 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 이를 위해 새로운 화학 반응 메커니즘을 활용하는 반응성 기체 개발, 플라즈마 밀도 및 에너지 분포를 정밀하게 제어하는 고급 플라즈마 제어 기술 고도화 등 활발한 연구 개발이 이루어지고 있다.
• 고균일도 식각 기술: 웨이퍼의 크기가 점차 증가함에 따라, 넓은 웨이퍼 전체 영역에서 균일한 식각 성능을 확보하는 것이 기술적으로 더욱 어려워지고 있다. 이러한 난제를 해결하기 위해 혁신적인 개념의 새로운 식각 장비 개발, 식각 공정 조건의 최적화, 그리고 웨이퍼 표면의 반응성을 균일하게 유지하기 위한 다양한 기술들이 연구되고 적용되고 있다.
• 원자층 식각 (Atomic Layer Etching, ALE): 원자층 수준의 정밀도로 물질을 제거할 수 있는 ALE 기술은 극도로 미세한 공정에서 그 중요성이 날로 증가하고 있다. ALE는 화학적 흡착과 탈착 반응을 반복적으로 제어하여 원자층 단위로 물질을 식각하므로, 기존의 식각 방식으로는 달성하기 어려웠던 최고 수준의 정밀도를 제공한다. 자기 조립 단분자막(Self-Assembled Monolayer, SAM)과 같은 새로운 물질을 활용하여 식각 공정의 제어성과 정밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
• 인공지능 (AI) 기반 식각 공정: 방대한 양의 공정 데이터를 실시간으로 분석하고 예측하는 인공지능(AI) 기술을 식각 공정에 접목하려는 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. AI 기반 식각 공정은 식각 조건의 실시간 최적화, 공정 이상의 조기 감지 및 예측, 그리고 궁극적으로 수율 향상에 크게 기여할 것으로 전망된다. 머신러닝 알고리즘을 활용하여 과거의 공정 데이터와 결과를 학습하고, 새로운 공정 조건에 대한 최적의 파라미터를 자동으로 설정하거나, 발생 가능한 공정 오류를 사전에 예측하여 대응함으로써 공정 효율성과 안정성을 극대화할 수 있다.

5. 식각 공정의 미래 지향점

식각 공정은 앞으로도 미래 반도체 기술 발전에 있어서 가장 핵심적인 역할을 지속적으로 수행할 것이다. 인공지능(AI), 사물 인터넷(IoT), 자율주행차, 그리고 차세대 통신 기술 등 미래 혁신 기술들의 발전에 따라 더욱 고성능, 저전력, 그리고 고집적도의 반도체 칩에 대한 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예측되며, 이러한 추세에 발맞춰 식각 공정 기술 또한 끊임없이 혁신적인 발전을 거듭할 것이다.

더욱 미세하고 복잡한 3차원 구조의 회로 패턴을 정확하게 구현하기 위한 혁신적인 식각 장비와 새로운 개념의 공정 기술 개발 경쟁은 더욱 치열해질 것으로 예상되며, 원자층 식각(ALE)과 같은 극도의 정밀도를 요구하는 식각 기술의 중요성은 더욱 커질 것이다. 또한, 인공지능(AI), 빅데이터 분석 기술과의 융합을 통해 식각 공정의 효율성과 안정성을 극대화하려는 노력 역시 지속적으로 확대될 것으로 전망된다. 미래의 식각 공정은 단순히 물질을 제거하는 단계를 넘어, 나노미터 수준에서 물질의 특성을 정밀하게 제어하고 새로운 기능성 소자를 창조하는 핵심적인 역할을 수행할 것으로 기대된다.