건식 식각 (Dry Etch / Plasma Etch)

건식 식각의 원리

건식 식각의 본질은 ‘플라즈마’다.

진공 챔버 안에 식각용 가스를 흘려 넣고, RF 전기장으로 가스를 이온화하면 전자·이온·라디칼이 가득한 플라즈마가 만들어진다.

라디칼은 박막 표면과 화학 반응을 일으켜 휘발성 부산물(예: SiF4, SiCl4)을 만들고, 이 부산물이 진공 펌프로 빠져나가며 박막이 깎인다.

동시에 이온은 RF 바이어스에 의해 가속돼 표면에 수직으로 충돌하고, 이 물리적 충돌이 측벽을 거의 수직으로 만들어 ‘이방성’을 부여한다.

즉 건식 식각의 측벽 각도와 깊이는 ‘화학 반응’과 ‘이온 충돌’의 균형에서 결정된다.

CCP, ICP, TCP — 장비 종류

장비 종류는 플라즈마 생성 방식에 따라 나뉜다.

CCP는 두 평행 전극 사이에 RF를 인가해 플라즈마를 만든다.

이온 에너지 제어가 직접적이라 HARC, 게이트 식각, 컨택 식각 같은 ‘이온 의존도가 큰’ 식각에 잘 맞는다.

ICP는 코일로 자기장을 만들어 플라즈마를 발생시키고 별도 RF로 이온 에너지를 따로 제어한다.

메탈 식각, STI 식각 등 ‘플라즈마 밀도가 높아야 하는’ 식각에 강점이 있다.

TCP·ECR도 비슷한 가족이고, MEMS·딥 식각용으로는 보쉬 공정 기반의 DRIE도 사용된다.

화학적·물리적 식각의 균형

가스 화학은 식각의 ‘레시피 책’ 자체다.

SiO₂는 보통 CF4·CHF3·C4F8과 같은 플루오로카본 가스로 식각한다.

질화막은 CF4·CHF3·O2 혼합으로, 실리콘은 SF6·HBr·Cl2 혼합으로, 알루미늄은 Cl2·BCl3 혼합으로, 텅스텐은 SF6·Cl2 혼합으로, 폴리이미드는 O2 플라즈마로 깎는다.

폴리머 측벽 보호는 측벽에 얇은 폴리머 막을 형성해 측벽을 보호하면서 바닥만 식각되도록 만든다.

이런 가스 조합은 단순히 ‘이게 잘 깎인다’가 아니라, 선택비, 측벽 형상, 챔버 내 부산물 누적까지 함께 고려해 설계된다.

주요 가스와 화학 반응

응용은 매우 다양하다.

게이트 식각은 폴리실리콘 또는 메탈 게이트를 좁은 폭으로 정확히 깎고, 측벽 각도를 90도에 가깝게 유지해야 한다.

컨택 식각은 두꺼운 절연막에 깊고 좁은 구멍을 뚫고 그 바닥에서 정확히 멈춰야 한다.

STI 식각은 실리콘에 트렌치를 만들 때 깊이와 측벽 형상이 누설 특성에 직접 영향을 준다.

메탈 식각은 알루미늄·텅스텐·티타늄·탄탈 같은 다양한 금속을 고선택비로 깎아야 한다.

HARC와 3D NAND 채널홀은 한 번에 종횡비 50:1을 넘는 깊이까지 뚫어야 하며, 이를 위해 고출력 RF, 저온 척, 신가스 화학이 같이 발전해 왔다.

응용: 게이트·컨택·HARC

ALE(Atomic Layer Etch)는 ‘ALD의 식각 버전’이다.

식각 가스 흡착과 이온 충격을 분리해 한 사이클에 1Å 정도만 깎고, 사이클을 반복해 정밀하게 두께를 제어한다.

처리 시간이 길지만, 매우 얇은 게이트 산화막이나 GAA 시트 분리, 패턴 가장자리 정밀 보정 같은 곳에서 자리잡기 시작했다.

Lam Research의 ‘Yield-defining Etch’와 AMAT의 ‘Sym3’ 라인업이 ALE 능력을 강조하고 있다.

ALE의 부상

건식 식각 공정은 챔버의 컨디션이 결과에 큰 영향을 준다.

챔버 안에 부산물이 누적되면 ‘챔버 메모리 효과’가 생겨 같은 레시피라도 결과가 달라진다.

그래서 양산 라인은 정기적인 in-situ 클린, dummy 웨이퍼 컨디셔닝, 그리고 SPC 차트 모니터링을 결합해 ‘오늘 챔버가 어제와 같은 상태인지’를 확인한다.

또 부품(샤워헤드, ESC, 라이너)은 일정 시간마다 교체되며, 부품 교체 후에는 결과가 안정될 때까지 컨디셔닝 사이클을 거친다.

반응성 이온 식각(RIE)의 플라즈마와 전극 구조 · 이미지 출처: Wikimedia Commons