반도체 건식 식각 공정이 무엇인지 이해하고 싶으신가요? 플라즈마 식각, 반응성 이온 식각, 이온빔 식각을 포함해 반도체 산업에서 사용되는 다양한 건식 식각 기술에 대해 알아보세요. 또한 습식 식각과 건식 플라즈마 식각의 차이가 무엇인지, 그리고 식각 공정 중 고려해야 할 다양한 요소들도 알아보세요.
반도체 식각 공정이란 무엇인가?
반도체 식각
식각 공정은 웨이퍼 표면에서 하나 이상의 소재 층이 제거되는 반도체 제조의 중요한 부분입니다. 요구되는 집적회로(마이크로칩) 레이아웃을 기반으로 웨이퍼의 특정 부분은 식각제에 저항성이 있는 마스크 패턴을 적용하여 보호됩니다. 이 마스킹 소재는 때때로 포토리소그래피를 통해 적용되는 포토레지스트입니다. 더 내구성이 강한 실리콘 질화막 마스크도 사용됩니다.
생산해야 할 인쇄회로기판(PCB)이나 반도체 소재의 유형에 따라 실리콘 식각 공정에는 다양한 단계가 있을 수 있습니다. 웨이퍼 표면에 공동을 생성하기 위해 식각 공정이 필요한 응용 분야도 있습니다. 이 공동의 깊이는 식각 속도를 조정하여 제어할 수 있습니다.
다양한 식각 공정이 있으며, 각각 고유한 화학적 식각제 유형을 가지고 있습니다. ‘플라즈마 식각’이라 불리는 건식 식각의 한 형태가 있습니다. 이 방법에서는 ‘플라즈마’라 불리는 식각 가스를 사용해 실리콘 기판 소재를 제거합니다. 그다음으로 대신 액체 화학물질을 사용하는 습식 식각이 있습니다. 플라즈마를 통한 화학적 식각 외에도 다른 건식 식각 공정들은 물리적 식각이나 두 가지를 혼합한 방식을 활용합니다.
식각 공정에서 고려해야 할 식각 특성
식각 공정은 마스크 처리된 층이나 하부 층을 손상시키지 않으면서 노출된 표면에서 반도체 소재 층을 제거해야 하기 때문에 매우 정밀해야 합니다. 그 결과 고려해야 할 두 가지 요소가 있습니다. 바로 식각 프로파일과 식각 속도입니다.
습식 및 건식 식각 모두에서 제조업체는 식각의 방향, 즉 ‘식각 프로파일’을 파악해야 합니다. 식각이 모든 방향으로 균일하게 일어날 때 이를 ‘등방성 식각’이라고 합니다. 반면 식각이 특정 방향을 따라 소재를 제거하는 경우 이를 ‘이방성 식각’이라고 합니다.
식각제는 서로 다른 소재를 서로 다른 속도로 식각합니다. 예를 들어 보호를 위해 사용되는 마스크는 노출된 소재와 다른 식각 속도를 가집니다. 두 식각 속도 사이의 비율을 ‘선택도’라고 하며, 이는 화학 물질이 한 소재는 선택적으로 식각하면서 다른 소재는 식각하지 않는 방식을 결정합니다. 습식 식각에 사용되는 액체와 건식 식각에 사용되는 플라즈마는 각각 고유한 식각 프로파일과 식각 속도를 가지고 있어 서로 다른 응용 분야에 적합합니다.
건식 식각 공정
건식 식각은 가장 널리 사용되는 방법 중 하나이기 때문에 흔히 플라즈마 식각과 동의어로 사용됩니다. 하지만 반도체 제작 중에 사용되는 다른 유형의 건식 식각 기술들도 있습니다.
플라즈마 식각 공정
플라즈마 식각에서는 산소, 염소, 플루오로카본과 같은 반응성 가스가 플라즈마 상태로 만들어지며, 이 상태에서 ‘자유 라디칼’이라 불리는 에너지를 가진 중성 입자를 포함하게 됩니다. 이 자유 라디칼들은 기판 표면과 반응하여 소재를 식각해냅니다. 이들은 모든 각도에서 웨이퍼와 반응하기 때문에 식각 프로파일은 등방성입니다.
식각이 필요한 기판이나 소재에 따라 다양한 유형의 플라즈마 식각이 사용됩니다. 사염화탄소(CCl4)는 실리콘과 알루미늄에 사용됩니다. 수소 플라즈마 식각은 웨이퍼 표면에서 발견되는 자연 산화막을 제거하는 데 탁월합니다.
불소 기반 플라즈마는 이산화규소 막을 제거하는 데 사용될 수 있으며, 산소 플라즈마 식각은 이를 성장시키는 가장 일반적인 방법 중 하나입니다. 이러한 방법들은 포토레지스트 소재를 선택적으로 성장시키거나 제거하기 위해 포토리소그래피에서 사용됩니다. 반도체 응용 분야 외에도 산소 플라즈마 식각은 다이아몬드 나노구조의 딥 에칭에도 사용됩니다.
반응성 이온 식각(RIE) 공정
반응성 이온 식각은 플라즈마 식각의 한 형태입니다. 하지만 무선 주파수(RF) 신호를 사용하면 자유 라디칼 외에도 자유 전자와 양전하를 띤 이온이 플라즈마 내에서 생성됩니다. 대전된 이온들은 별도의 RF 신호를 인가하여 가속될 수 있습니다. 이렇게 가속된 이온들은 웨이퍼 표면에 수직 각도로 충돌하며, 충분한 에너지를 가지고 있다면 화학 반응 없이도 기판에서 소재를 떼어낼 수 있습니다.
가속된 이온들은 표면을 물리적으로 식각하는 데 사용되며, 이 공정은 방향성이 있어 이방성입니다. 식각 깊이와 식각 속도는 RF 신호의 주파수를 조정하여 제어할 수 있습니다. 자유 라디칼은 일반적인 등방성 식각과 마찬가지로 웨이퍼 표면과 반응합니다. 이들은 또한 이온에 의해 식각된 소재가 웨이퍼에 재증착되지 않도록 보장합니다.
RIE 방식의 플라즈마 식각은 물리적 및 화학적 식각 측면을 모두 가지고 있기 때문에 식각 챔버의 압력, 온도, 무선 전파의 주파수와 같은 다양한 매개변수를 조정하여 그 방향성 측면을 제어할 수 있습니다. RIE 플라즈마 식각의 더 발전된 형태는 심층 반응성 이온 식각(DRIE)으로, 거의 수직에 가까운 측벽을 가진 그 어느 때보다 깊은 식각을 가능하게 합니다. 이는 서로 다른 조성의 식각 가스를 번갈아 사용하는 ‘보쉬 공정’을 통해 이루어집니다.
이온빔 식각 공정
이온빔 식각
이온빔 식각은 순전히 물리적 형태의 건식 식각입니다. 웨이퍼는 일반적으로 아르곤인 비활성 기체의 양이온으로 폭격당합니다. 이 과정에서 가속된 아르곤 이온의 운동 에너지가 표면의 건식 식각을 일으킵니다. 양이온이 웨이퍼에 수직으로 향하기 때문에 이 공정은 이방성이지만, 단점은 이온이 서로 다른 층을 구별할 수 없어 선택도가 매우 낮다는 것입니다.
또 다른 문제는 식각된 소재가 기체 상태가 아니기 때문에 웨이퍼에 침착될 수 있다는 것입니다. 이는 낮은 선택도와 낮은 식각 속도와 결합되어 이온빔 건식 식각을 이제는 거의 사용되지 않는 공정으로 만듭니다. RIE나 DRIE 방식의 플라즈마 식각이 훨씬 우수하고 더 유연합니다.
습식 식각이란 무엇인가?
습식 식각
습식 식각은 화학적 식각의 한 형태이지만 플라즈마 식각과 달리 액체 반응물을 사용합니다. 이러한 화학물질은 식각할 기판에 따라 산성이거나 염기성일 수 있습니다. 기판은 화학물질이 담긴 탱크에 분사되거나 침지됩니다. 그런 다음 기판의 노출된 부분을 선택적으로 식각합니다. 습식 식각은 매우 높은 선택도를 가지고 있어 얇은 마스크를 사용할 수 있으며 한 층이 식각된 후 다음 층을 손상시키지 않고 신속하게 멈출 수도 있습니다.
마스크는 습식 식각에서 자주 사용되며 신중하게 선택되어야 합니다. 마스크는 용해되지 않거나 기판의 노출된 부분보다 느리게 식각되도록 내구성이 있어야 합니다. 불산은 실리콘 기판에, 염산은 갈륨비소에 사용됩니다.
습식 식각은 등방성이며 마스크를 언더컷하는 경향이 있습니다. 이는 마스크보다 더 큰 형상을 만들어냅니다. 게다가 습식 식각은 안전한 폐기가 필요한 매우 많은 양의 산업 유독 폐기물도 발생시킵니다. 습식 식각에 사용되는 장비에 대해 더 알아보려면 반도체 습식 공정 장비를 읽어보세요.
습식 식각 vs 건식 식각
식각 공정에 사용되는 물질의 상태 외에도 건식 식각과 습식 식각은 여러 중요한 면에서 차이가 있습니다.
습식 식각 vs 건식 식각
습식 식각은 높은 식각 속도로 비교적 빠릅니다. 화학 욕조나 분무 시스템과 같은 매우 단순한 장비로도 높은 수준의 선택도를 얻을 수 있습니다. 선택도가 좋으면 기판에서 원치 않는 소재만 제거하면서 나머지는 손상되지 않게 유지할 수 있습니다. 하지만 습식 식각은 부식성이 있고 독성이 매우 강한 화학물질을 다루기 때문에 위험할 수 있습니다. 식각 속도를 유지하기 위해 지속적으로 보충해야 할 뿐만 아니라 비용이 많이 들 수 있는 특수 폐기 시스템도 필요합니다. 게다가 엔지니어들을 위한 안전한 환경을 유지하기 위해 유독 증기를 제거하는 특수 여과 시스템도 작업대에 설치되어야 합니다.
반면 건식 식각은 훨씬 더 안전하며, 플라즈마 처리는 공장 엔지니어와 멀리 떨어진 ‘식각 챔버’라 불리는 특수 진공 챔버 내에서 수행됩니다. 건식 식각은 무선 전파의 주파수를 조정하여 식각의 깊이와 속도를 제어할 수 있어 매우 정밀할 수도 있습니다. 산소 플라즈마부터 수소 기반까지 다양한 유형의 플라즈마 처리를 사용할 수 있으며, 동일한 장비로 다양한 공정 설정을 사용할 수 있습니다. 건식 식각에서는 원자재가 최소한으로 소비되며 기체 폐기물의 대부분은 무독성입니다.
식각의 응용 분야
어떤 방법이 사용되든 반도체 식각은 집적회로와 인쇄회로기판 제조에서 중요한 단계입니다. 제조 응용 분야 외에도 식각은 고장 난 소자의 분석에도 사용됩니다.
반도체 소재를 위한 플라즈마 식각
플라즈마 식각은 집적회로 생산에 사용될 반도체 소재를 준비하는 데 광범위하게 활용됩니다. 기판 표면에 미세한 형상을 식각하여 전기적 특성을 변경할 수 있습니다. 미세전자기계시스템(MEMS)은 작동을 위해 실리콘 표면에 깊은 트렌치를 만드는 플라즈마 처리가 필요한 움직이는 부품을 가진 미세 소자입니다. 이 기술의 최전선에 있는 과학자들은 이제 나노미터 규모의 훨씬 더 작은 MEMS 소자에도 플라즈마 식각을 활용하려 시도하고 있습니다.
인쇄회로기판을 위한 식각
식각은 인쇄회로기판(PCB) 제조 시 과잉 구리를 제거하는 데에도 사용됩니다. 식각이 시작되기 전에 원하는 회로의 레이아웃이 만들어집니다. 이 회로 레이아웃은 포토리소그래피를 사용해 기판에 전사됩니다. 이 절차에는 경계를 표시하는 외부 주석 도금과 회로 설계도를 표시하는 포토레지스트라는 두 가지 식각 레지스트가 있습니다. ‘시작 구리’라고도 불리는 노출된 베이스 구리는 이후 식각 공정을 통해 제거됩니다. 이 목적을 위해 건식과 습식 식각 방법이 모두 사용될 수 있습니다.
반도체 고장 분석에서의 디레이어링
집적회로는 때때로 작동 중에 고장 날 수 있습니다. 이런 일이 발생하면 과학자들이 제조 결함, 이상, 오염, 또는 그 밖의 원인일 수 있는 고장의 원인을 파악하기 위해 이를 분석합니다. 이를 위해서는 내부 구조를 확인하기 위해 집적회로를 열어야 합니다. 외부 층을 제거하는 이 공정을 ‘디레이어링’이라고 합니다. 제거해야 할 소재에 따라 건식 플라즈마 식각과 습식 화학 식각이 모두 사용됩니다. 이 주제에 대해 더 알아보려면 반도체 고장 분석과 그것이 중요한 이유를 읽어보세요.
차세대 반도체 소자를 위한 새로운 건식 식각 기술
ACS Omega 저널에 게재된 한 연구는 차세대 반도체 소자 개발에 매우 유용해질 새로운 플라즈마 식각 기술의 가능성을 보여주었습니다. 육불화황과 산소 플라즈마는 ‘간섭계 종점 검출’(IEPD)이라 불리는 새로운 접근법을 사용한 플라즈마 식각 공정에서 테스트되었습니다.
이 기법에서는 탄화규소 표면의 트렌치 깊이를 정확하게 제어할 수 있었습니다. 트렌치의 품질과 균일성은 이후 투과전자현미경(TEM)과 X선 광전자 분광법으로 검증되었습니다. 반도체 구성 요소 연구에 사용되는 첨단 장비에 대해 더 알아보려면 반도체 현미경은 무엇을 하는가?를 읽어보세요.
이 연구는 불화물 중독 없이 탄화규소의 표면 변형을 최소화한 결과를 보여주었으며, 이는 건식 플라즈마 식각 기술을 사용한 미래 소자 생산의 가능성을 시사합니다. 반도체 소자, 그 제조 방법, 응용 분야에 대해 더 알아보려면 Inquivix Technologies를 확인해 보세요!
자주 묻는 질문
건식 식각 공정이란 무엇인가요?
건식 식각은 액체 화학물질 대신 플라즈마를 사용해 반도체 기판에서 소재를 제거하는 반도체 제조 공정입니다.
반도체 제조에서 건식 식각이 사용되는 이유는 무엇인가요?
플라즈마를 사용한 건식 식각은 이방성이어서 식각 속도와 깊이에 대한 더 큰 제어를 제공합니다. 또한 취급이 더 안전하고, 원자재 소비가 적으며, 화학물질을 사용하는 습식 식각에 비해 유독 폐기물을 덜 발생시킵니다.
습식 식각이 건식 식각보다 더 빠른가요?
네. 습식 식각은 더 빠른 식각 속도 덕분에 더 신속한 공정이며 건식 식각에 비해 선택도가 높습니다.