플라즈마 식각(Plasma Etching)의 원리

1. 왜 플라즈마 식각인가

반도체 공정에서 회로는 포토리소그래피로 그려지지만, 실제로 물질을 제거해 구조를 만드는 단계는 식각이다. 미세화가 진행될수록 수직 방향으로만 정확히 깎아내는 이방성 식각이 필수적이며, 이를 가능하게 하는 기술이 바로 플라즈마 식각이다. 플라즈마는 기체를 전자와 이온, 라디칼로 분리한 상태로, 화학 반응성과 방향성 제어를 동시에 제공해 나노 스케일의 정밀 가공을 실현한다.

2. 플라즈마란 무엇인가

플라즈마는 고주파 전력 등으로 기체에 에너지를 가해 이온화시킨 상태다. 이때 생성되는 구성 종은 다음과 같다.

• 전자: 낮은 질량, 높은 에너지로 충돌 이온화를 유도
• 양이온: 전기장에 의해 가속되어 표면을 물리적으로 두드림
• 라디칼: 화학 반응성이 매우 높은 중성 종으로 표면을 화학적으로 반응시킴
• 메타안정종/광자: 보조적 에너지 전달 및 반응 보강

3. 식각 메커니즘의 세 가지 축

3.1 물리적 식각 (Ion Milling)

가속된 이온이 표면을 물리적으로 때려 물질을 제거한다. 방향성은 우수하지만 손상이 크고 선택비가 낮다.

3.2 화학적 식각

라디칼이 표면 물질과 반응해 휘발성 부산물을 형성, 낮은 손상으로 균일하게 제거한다. 방향성은 상대적으로 약하다.

3.3 반응성 이온 식각(RIE)

이온의 물리적 충돌과 라디칼의 화학 반응을 결합해 이방성과 선택비를 동시에 확보한다. 현재 CMOS, 메모리, 로직 전 공정의 표준 식각 방식이다.

4. 핵심 공정 파라미터와 제어 포인트

• 가스 조성: Si/SiO₂ 식각에는 F계(CF₄, CHF₃, SF₆), 금속/폴리 실리콘에는 Cl₂, BCl₃, HBr 등을 사용한다. 중합 형성 가스를 함께 넣어 사이드월 보호막을 형성하면 이방성이 증가한다.
• 압력: 저압일수록 평균 자유행로가 길어 이온이 직선 운동을 하며 수직 식각이 향상된다.
• RF 파워: 소스 파워는 플라즈마 밀도, 바이어스 파워는 이온 에너지에 영향. 과도한 바이어스는 손상과 마모를 유발한다.
• 기판 온도: 반응 속도, 중합막 형성, 부산물 휘발에 직결된다.
• 시간/유량: 식각률과 프로파일을 좌우하므로 캘리브레이션이 필수다.

5. 선택비, 이방성, 균일도

선택비는 목표 물질 대비 마스크 또는 하부층의 상대 식각률 비율이다. 높은 선택비를 위해서는 적합한 가스 조성, 적정 바이어스, 하드마스크(SiN, TiN, Al₂O₃)의 활용이 효과적이다. 이방성 확보를 위해서는 사이드월 보호막 형성과 저압 고바이어스 조건이 유리하다. 균일도는 가스 분포, 챔버 구조, 웨이퍼 온도 균일도에 의해 좌우된다.

6. 고종횡비(HAR) 구조 식각

3D NAND처럼 수백 층 구조의 비아 및 트렌치를 식각하려면 고종횡비 공정이 필요하다. 핵심은 다음과 같다.

• 사이드월 패시베이션 강화로 측면 침식 억제
• 펌핑/가스 리뉴얼 최적화로 바닥부 라디칼 공급 보장
• 저온 공정과 주기적 클리닝으로 마이크로마스킹 방지
• 펄스드 플라즈마(On/Off)로 반응-확산-제거 사이클 제어

7. 엔드포인트 감지(EPD)와 공정 모니터링

• 광학 방출 분광(OES): 방출선 변화를 실시간 분석해 종료 시점 파악
• 인터페로메트리/리플렉토메트리: 막 두께 변화를 광학적으로 모니터
• 전기적 모니터: 바이어스/임피던스 변화 추적
• AI 기반 소신호 분석: 결함 전조를 조기 감지해 오버/언더에칭 방지

8. 대표 결함과 해결 전략

결함	원인	대책
노칭/풋팅	전하 축적, 과도한 바이어스	펄스 바이어스, 바닥 전도성 향상, 낮은 바이어스
마이크로마스킹	부산물 재부착, 파티클	가스 조성 최적화, 주기적 클리닝, 온도 관리
라인 엣지 러프니스(LER)	과도한 이온 폭격, 포토레지스트 열화	라디칼 비중 상향, 저바이어스, 하드마스크 사용
언더컷/테이퍼	등방성 반응 우세	중합성 가스 도입, 압력 하향, 바이어스 상향

9. 최신 동향: 원자층 식각(ALE)과 하이브리드 공정

• ALE(Atomic Layer Etching): 흡착-활성화-제거의 사이클을 반복해 원자층 단위로 식각. 손상 최소화와 프로파일 정밀 제어에 유리하다.
• Pulsed/Time-Multiplexed RIE: 플라즈마 온·오프 또는 가스 교대 주입으로 반응과 보호막 형성을 분리 제어.
• 저유전율(Low-k) 보호: 로직 백엔드에서 저손상 Cl/HBr 레시피, 저온 조건, 소스/바이어스 분리형 ICP 장비 활용.
• GAA/파워반도체: 채널 릴리스용 선택적 식각, SiC의 고난도 식각을 위한 고에너지 플라즈마와 고선택 레시피가 주목된다.

10. 장비 아키텍처 한눈에 보기

• RIE/ICP: 소스 RF로 플라즈마 밀도 형성, 바이어스 RF로 이온 에너지 제어
• 다중 스테이션 클러스터: 로드락과 프리클린, 식각, 애싱, 측정을 일괄 연결해 오염 최소화
• 정전척(ESC): 웨이퍼 고정과 열 제어를 동시에 수행, He 백사이드 가스로 온도 안정화

11. 간단 레시피 예시(개념용)

목표	가스	압력	소스 RF	바이어스 RF	온도	비고
SiO₂ 이방성 식각	CHF₃/O₂/Ar	저압	중간	중상	저온	사이드월 보호 강화
폴리-Si 고선택 식각	HBr/Cl₂/O₂	저압	중상	중간	중온	마스크 보호, LER 저감
HAR 트렌치	SF₆/C₄F₈ 펄스	저압	상	중상	저온	반응/패시베이션 교대

상기 수치는 장비와 공정 목적에 따라 크게 달라질 수 있으며, 실제 생산에는 별도 캘리브레이션이 필요하다.

12. 자주 묻는 질문

Q1. 왜 F계 가스를 많이 쓰나

플루오린 라디칼이 Si, SiO₂와 휘발성 부산물(SiF₄ 등)을 형성해 효율적 제거가 가능하다. 조성에 따라 보호막 형성까지 제어할 수 있다.

Q2. 이방성과 선택비를 동시에 높이려면

저압·적정 바이어스·중합 가스 병용으로 사이드월 보호막을 유지하면서 바닥부 이온 폭격을 강화한다. 마스크는 하드마스크를 우선 고려한다.

Q3. HAR에서 바닥 식각 정지가 생길 때

가스 리뉴얼과 펌핑, 챔버 벽 상태, 부산물 제거 조건을 점검하고 펄스드 레시피나 온도 튜닝으로 반응성 종의 공급과 제거 균형을 맞춘다.

마무리

플라즈마 식각은 물리와 화학, 장비와 공정 통합이 만나는 지점이다. 가스 조성, 압력, 전력, 온도, 시간의 미세한 조율이 라인 엣지 러프니스부터 고종횡비 프로파일까지 모든 결과를 좌우한다. 미세화와 3D 구조가 심화될수록 RIE를 넘어 ALE, 펄스드 공정, 하이브리드 레시피가 표준이 되고 있다. 식각을 이해하는 것은 곧 첨단 반도체의 현재와 미래를 이해하는 지름길이다.