식각으로 불필요한 부분 제거하기

빛으로 정한 자리를 실제로 깎는 공정

포토리소그래피가 끝나면 웨이퍼 위에는 감광막 패턴이 남아 있다. 이 패턴은 "어디를 남기고 어디를 없앨지"를 알려주는 임시 보호막이다. 하지만 아직 실제 산화막, 금속막, 반도체막이 원하는 모양으로 바뀐 것은 아니다. 그다음 필요한 공정이 식각이다.

식각은 노출된 부분의 막을 제거해 설계한 회로 모양을 실제 구조로 만드는 과정이다. 쉽게 말해 리소그래피가 그림을 그리는 단계라면, 식각은 그 선을 따라 재료를 깎는 단계다. 반도체 구조의 선폭, 깊이, 옆면 모양은 이 단계에서 크게 결정된다.

습식 식각과 건식 식각

식각은 크게 습식 식각과 건식 식각으로 나뉜다.

습식 식각은 화학 용액으로 재료를 녹여 제거하는 방식이다. 장비가 비교적 단순하고 처리 속도가 빠르며, 특정 재료만 잘 녹이는 조건을 만들기 쉽다. 그래서 넓은 면적을 제거하거나 미세도가 아주 높지 않은 공정에 유리하다. 다만 용액은 보통 모든 방향으로 파고든다. 아래로만 깎이는 것이 아니라 옆으로도 깎여 감광막 밑부분이 파이는 언더컷이 생기기 쉽다.

건식 식각은 기체와 플라즈마를 이용해 재료를 제거한다. 플라즈마는 기체에 에너지를 가해 이온, 전자, 반응성이 큰 입자가 섞인 상태로 만든 것이다. 이 방식은 장비가 복잡하지만, 미세 패턴을 더 정밀하게 만들 수 있어 현대 반도체 공정에서 매우 중요하다.

공정 선택은 제거할 재료, 필요한 선폭, 깊이, 생산성, 아래층 손상 가능성을 함께 보고 결정한다. 단순히 잘 깎이는지만 중요한 것이 아니라, 원하는 곳만 원하는 모양으로 깎이는지가 핵심이다.

플라즈마 식각이 미세 패턴에 강한 이유

미세한 회로에서는 옆으로 퍼지지 않고 아래 방향으로 곧게 깎는 능력이 중요하다. 플라즈마 식각은 이 점에서 유리하다.

플라즈마 안의 이온은 전기장에 의해 웨이퍼 표면 쪽으로 가속된다. 이때 이온이 수직 방향으로 충돌하면 표면 반응이 아래쪽으로 집중된다. 동시에 반응성 기체 입자가 재료와 화학 반응을 일으켜 휘발성 물질로 바꾸고, 이 물질은 장비 밖으로 배출된다.

즉 플라즈마 식각은 물리적으로 때려 내는 효과와 화학적으로 분해하는 효과를 함께 사용한다. 그래서 좁고 깊은 구멍이나 가느다란 선을 만들 때 옆면을 비교적 곧게 유지할 수 있다. 집적도가 높아질수록 이런 방향성은 더 중요해진다.

식각 품질을 좌우하는 세 가지 기준

식각 공정의 품질은 주로 선택비, 이방성, 균일도로 판단한다.

선택비는 깎고 싶은 막과 보호해야 할 막이 깎이는 속도의 비율이다. 예를 들어 위의 산화막은 빠르게 제거하면서 아래의 실리콘은 거의 깎지 않아야 한다면, 산화막에 대한 선택비가 높아야 한다. 선택비가 낮으면 필요한 막을 제거하는 동안 밑층이나 감광막까지 함께 손상될 수 있다.

이방성은 방향에 따라 식각 속도가 다른 성질이다. 아래 방향으로는 빠르게, 옆 방향으로는 느리게 깎이면 이방성이 좋다고 말한다. 미세 패턴에서는 이방성이 높아야 선폭이 설계값에서 벗어나지 않는다.

균일도는 웨이퍼 전체에서 식각이 얼마나 고르게 일어나는지를 뜻한다. 중앙과 가장자리의 식각 깊이가 다르면 같은 설계의 칩이라도 성능이 달라질 수 있다. 한 장의 웨이퍼 위에 수백 개에서 수천 개의 칩이 만들어지기 때문에 균일도는 곧 수율과 연결된다.

과식각과 결함이 소자에 미치는 영향

실제 공정에서는 막 두께가 완전히 같지 않고 장비 안의 반응도 위치마다 조금씩 다르다. 그래서 모든 영역을 확실히 제거하기 위해 목표 시간보다 조금 더 식각하는 과식각을 사용한다. 문제는 과식각이 지나치면 아래층까지 깎거나 표면을 손상시킬 수 있다는 점이다.

언더컷은 감광막 아래쪽이 옆으로 파이는 결함이다. 선폭이 의도보다 좁아지거나 넓어져 전류가 흐르는 길이 바뀔 수 있다. 배선에서는 저항 변화나 단선 위험을 만들고, 트랜지스터 영역에서는 문턱전압 같은 전기적 특성에 영향을 줄 수 있다.

건식 식각에서는 이온 충돌로 손상층이 생길 수 있다. 표면 원자 배열이 흐트러지거나 결함이 늘어나면 누설전류가 증가하고 소자의 신뢰성이 떨어질 수 있다. 그래서 식각 뒤에는 세정이나 열처리로 잔류물과 손상을 줄이는 단계가 이어지기도 한다.

식각은 단순히 재료를 없애는 공정이 아니다. 설계된 패턴을 실제 반도체 구조로 바꾸는 정밀 가공이다. 어느 막을 얼마나, 어떤 방향으로, 얼마나 균일하게 제거하느냐에 따라 회로의 성능과 수율이 달라진다. 다음 단계에서는 이렇게 만들어진 영역에 불순물을 넣어 전기적 성질을 조절하는 도핑과 이온주입을 살펴본다.