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식각

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반도체 산업의 발전은 끊임없이 더 작고, 더 빠르며, 더 강력한 소자를 요구합니다. 이러한 요구사항을 충족시키기 위한 핵심 기술 중 하나가 바로 ‘식각(Etching) 공정’입니다. 식각 공정은 웨이퍼 위에 그려진 미세한 회로 패턴 중 불필요한 부분을 정밀하게 제거하여, 마치 조각가가 섬세하게 작품을 깎아내듯 원하는 반도체 구조를 완성하는 과정입니다. 이 글에서는 식각 공정의 기본 원리부터 역사, 최신 기술 동향 및 미래 전망까지 심층적으로 다루어 반도체 기술의 이해를 돕고자 합니다.

1. Etching(식각 공정)이란?

식각 공정은 반도체 제조의 8대 핵심 공정 중 하나로, 포토리소그래피 공정을 통해 웨이퍼 위에 형성된 감광액(PR, Photoresist) 패턴을 마스크 삼아 그 아래에 있는 박막(Thin Film)을 선택적으로 제거하는 과정이다. 이는 마치 도화지에 밑그림을 그린 후, 필요한 부분만 남기고 나머지를 지우개로 지워나가는 과정과 유사하다. 이 과정을 통해 트랜지스터의 게이트, 소스, 드레인 등 반도체 소자의 미세한 구조와 회로 패턴이 물리적으로 형성된다. 식각은 반도체 소자의 성능, 집적도, 그리고 최종 제품의 수율에 직접적인 영향을 미치므로, 매우 정밀하고 제어된 기술이 요구된다. 특히, 회로 선폭이 나노미터(nm) 수준으로 미세화되면서, 식각 공정의 정밀도와 균일성은 반도체 기술 발전의 핵심적인 요소로 부각되고 있다.

2. 식각 공정의 역사와 발전

식각을 의미하는 영어 단어 ‘Etching’은 원래 금속판화나 금속 가공에서 부식액을 이용해 금속 표면을 깎아내는 기술을 지칭하는 용어였다. 반도체 산업 초기에는 주로 액체 화학 약품을 사용하는 습식 식각(Wet Etching) 방식이 주를 이루었다. 이 방식은 공정이 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있었으나, 식각액이 모든 방향으로 물질을 제거하는 등방성(Isotropic) 특성 때문에 미세한 패턴을 구현하는 데 한계가 있었다.

1970년대 초, 반도체 회로 선폭이 5 마이크로미터(㎛) 이하로 미세화되면서 습식 식각만으로는 원하는 정밀도를 얻기 어려워졌다. 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 플라즈마를 이용한 건식 식각(Dry Etching) 방식이 개발되기 시작했다. 건식 식각은 기체 상태의 반응성 이온이나 라디칼을 사용하여 물질을 제거하므로, 원하는 방향으로만 식각이 가능한 비등방성(Anisotropic) 특성을 가진다. 이 기술은 미세 패턴 형성에 혁신적인 발전을 가져왔으며, 이후 반도체 기술이 나노 스케일로 진입하면서 건식 식각은 반도체 제조의 주류 식각 방식으로 자리매김하게 되었다. 특히 1980년대 이후 DRAM, SRAM 등 메모리 반도체의 고집적화와 함께 건식 식각 기술은 비약적으로 발전하였다.

3. 식각 공정의 핵심 원리 및 기술

식각 공정은 제거하고자 하는 물질의 종류, 원하는 패턴의 정밀도, 그리고 생산 비용 등을 고려하여 최적의 기술을 선택한다. 크게 습식 식각과 건식 식각으로 나뉘며, 각각의 독특한 원리와 특성을 가지고 있다.

3.1. 습식 식각 (Wet Etching)

습식 식각은 액체 상태의 화학 용액, 즉 식각액(Etchant)을 사용하여 웨이퍼 표면의 특정 물질을 화학적으로 용해시켜 제거하는 방식이다. 이 공정은 웨이퍼를 식각액에 담그거나, 식각액을 분사하는 방식으로 진행된다. 예를 들어, 실리콘 산화막(SiO₂)을 식각할 때는 불산(HF) 기반의 용액이 주로 사용되며, 알루미늄(Al) 식각에는 인산, 질산, 초산을 혼합한 용액이 사용된다.

습식 식각의 가장 큰 장점은 공정이 단순하고 장비 비용이 저렴하며, 식각 속도가 빠르다는 점이다. 또한, 대량 생산에 유리하며, 웨이퍼 손상이 적다는 이점도 있다. 그러나 치명적인 단점은 식각액이 모든 방향으로 물질을 제거하는 등방성(Isotropic) 식각 특성을 보인다는 것이다. 이는 마스크 아래 부분까지 옆으로 깎여 들어가는 언더컷(Undercut) 현상을 유발하여, 미세 패턴을 형성하는 데 정밀도 한계를 가진다. 이 때문에 100nm 이하의 초미세 공정에서는 거의 사용되지 않으며, 주로 넓은 면적을 빠르게 제거하거나, 특정 물질을 선택적으로 제거하는 벌크(Bulk) 식각, 또는 세정 공정의 일부로 활용된다.

3.2. 건식 식각 (Dry Etching)

건식 식각은 기체 상태의 반응성 화학 물질이나 이온, 플라즈마를 이용하여 웨이퍼의 물질을 제거하는 방식이다. 습식 식각과 달리 진공 챔버 내에서 진행되며, 플라즈마를 발생시켜 이온과 라디칼을 형성하고, 이들이 웨이퍼 표면과 반응하여 휘발성 물질을 생성함으로써 식각이 이루어진다. 건식 식각은 크게 물리적 식각과 화학적 식각, 그리고 이 둘을 결합한 방식으로 나눌 수 있다.

  • 플라즈마 식각 (Plasma Etching): 가장 일반적인 건식 식각 방식으로, 고주파 전력을 인가하여 반응성 가스(예: CF₄, O₂, Cl₂)를 플라즈마 상태로 만든다. 플라즈마 내의 중성 라디칼(Radical)이 웨이퍼 표면과 화학적으로 반응하여 휘발성 부산물을 형성하고, 이를 진공 펌프로 배출하여 물질을 제거한다. 주로 화학적 반응에 의존하므로 비교적 등방성 식각 특성을 보이지만, 이온의 물리적 충격과 결합하여 비등방성을 조절할 수 있다.
  • 스퍼터링 (Sputtering): 주로 물리적 식각 방식이다. 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스를 플라즈마화하여 생성된 이온을 웨이퍼 표면에 고에너지로 충돌시켜 원자들을 물리적으로 떼어내는 방식이다. 방향성이 매우 우수하여 비등방성 식각이 가능하지만, 식각 선택비(Selectivity)가 낮아 마스크나 하부 물질까지 손상시킬 수 있고, 웨이퍼 손상이 발생할 수 있다는 단점이 있다.
  • 반응성 이온 식각 (Reactive Ion Etching, RIE): 플라즈마 식각의 화학적 반응과 스퍼터링의 물리적 충격을 결합한 하이브리드 방식이다. 플라즈마에서 생성된 반응성 이온들이 웨이퍼 표면에 수직 방향으로 가속되어 충돌하면서 물리적 식각을 일으키고, 동시에 화학적 반응을 통해 물질을 제거한다. 이온의 방향성 덕분에 매우 우수한 비등방성 식각이 가능하여 미세 패턴 형성에 가장 널리 사용된다. RIE는 높은 종횡비(High Aspect Ratio) 구조를 형성하는 데 특히 효과적이다.
  • 딥 RIE (Deep Reactive Ion Etching, DRIE): 특히 MEMS(미세 전자기계 시스템) 공정에서 깊고 수직적인 구조를 형성하기 위해 개발된 RIE의 한 종류이다. 보쉬(Bosch) 공정으로도 알려져 있으며, 식각과 보호막 증착 과정을 번갈아 수행하여 매우 높은 종횡비의 구조를 구현할 수 있다.

건식 식각은 습식 식각에 비해 공정이 복잡하고 장비 비용이 비싸지만, 미세 패턴 구현에 필수적인 비등방성 식각이 가능하며, 식각 깊이와 형상을 정밀하게 제어할 수 있다는 압도적인 장점을 가진다. 이로 인해 현대 반도체 공정에서는 건식 식각이 대부분의 식각 공정을 담당하고 있다.

3.3. 주요 성능 지표

식각 공정의 효율성과 정밀도를 평가하는 데에는 여러 가지 핵심 지표가 사용된다. 이 지표들은 최종 반도체 소자의 성능과 직결되므로, 각 공정 단계에서 최적화가 매우 중요하다.

  • 식각 속도 (Etch Rate): 단위 시간당 제거되는 물질의 두께를 의미한다 (예: Å/min 또는 nm/min). 식각 속도가 너무 빠르면 제어가 어렵고, 너무 느리면 생산성이 저하되므로, 적절한 속도 제어가 중요하다.
  • 선택비 (Selectivity): 식각하고자 하는 물질(예: SiO₂)과 마스크 물질(예: PR) 또는 하부 물질(예: Si) 간의 식각 속도 비율을 의미한다. 높은 선택비는 마스크나 하부 물질의 손상 없이 원하는 물질만 정확히 제거할 수 있음을 의미하며, 이는 미세 패턴의 정확성을 보장하는 데 필수적이다. 예를 들어, SiO₂에 대한 PR의 선택비가 10:1이라면, SiO₂가 10nm 식각될 때 PR은 1nm만 식각된다는 뜻이다.
  • 균일도 (Uniformity): 웨이퍼 전체 면적에 걸쳐 식각되는 속도나 깊이가 얼마나 일정한지를 나타내는 지표이다. 균일도가 낮으면 웨이퍼의 특정 부분은 과도하게 식각되고 다른 부분은 덜 식각되어 불량률이 증가하므로, 높은 균일도는 수율 향상에 매우 중요하다.
  • 방향성 (Anisotropy): 식각이 진행되는 방향성을 나타낸다. 비등방성 식각은 수직 방향으로만 식각이 진행되어 미세하고 수직적인 패턴을 형성할 수 있게 하며, 현대 반도체 공정에서 가장 중요하게 요구되는 특성이다. 등방성 식각은 모든 방향으로 동일하게 식각되어 언더컷을 유발한다.
  • 종횡비 (Aspect Ratio): 식각된 구조의 깊이와 폭의 비율을 의미한다. 반도체 소자의 고집적화와 3D 구조화가 진행되면서, 높은 종횡비를 가진 구조를 정밀하게 식각하는 능력이 매우 중요해지고 있다. 예를 들어, 3D NAND 플래시 메모리에서는 수백 층의 셀을 적층하기 위해 매우 깊고 좁은 구멍을 식각해야 하므로, 초고종횡비 식각 기술이 필수적이다.

4. 주요 활용 분야 및 응용 사례

식각 공정은 반도체 제조의 핵심을 넘어 다양한 첨단 산업 분야에서 정밀 물질 가공의 필수 기술로 활용되고 있다.

  • 반도체 제조: 가장 대표적인 활용 분야로, 트랜지스터의 게이트, 소스, 드레인 형성, 금속 배선 형성, 콘택 홀(Contact Hole) 및 비아 홀(Via Hole) 형성 등 거의 모든 미세 회로 패턴 형성 단계에 식각이 사용된다. 특히, 최신 3D NAND 플래시 메모리에서는 수백 층의 셀을 적층하기 위해 수 마이크로미터(㎛) 깊이의 초고종횡비 홀을 수직으로 식각하는 기술이 핵심이다. 또한, DRAM의 캐패시터 형성, 로직 반도체의 미세 게이트 패턴 형성 등 반도체 소자의 성능과 직결되는 모든 구조물 제작에 필수적이다.
  • 디스플레이 패널 제조: LCD, OLED 등 디스플레이 패널의 미세 전극 패턴 형성, 박막 트랜지스터(TFT) 어레이 제작, 컬러 필터 형성 등에 식각 공정이 활용된다. 특히 고해상도 디스플레이는 더욱 미세한 패턴을 요구하므로, 정밀 식각 기술의 중요성이 크다.
  • MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 제조: 마이크로미터 또는 나노미터 스케일의 기계적 구조와 전기적 회로를 통합한 시스템을 MEMS라고 한다. 가속도 센서, 자이로스코프, 마이크로폰, 잉크젯 프린터 헤드 등 다양한 MEMS 소자들은 딥 RIE(DRIE)와 같은 정밀 건식 식각 기술을 통해 3차원 미세 구조를 형성한다.
  • 광학 소자 및 바이오 센서: 광도파로, 마이크로 렌즈 어레이, 바이오칩의 미세 유체 채널 등 정밀한 광학 및 바이오 소자 제작에도 식각 기술이 응용된다. 예를 들어, DNA 분석을 위한 랩온어칩(Lab-on-a-chip)은 미세 채널을 통해 액체를 제어하는데, 이러한 채널은 식각 공정으로 형성된다.

5. 식각 공정의 현재 동향

반도체 산업은 무어의 법칙을 넘어 새로운 차원의 집적도를 추구하며, 식각 공정은 그 중심에서 혁신을 거듭하고 있다. 현재 식각 기술의 주요 동향은 다음과 같다.

  • 3D 구조 및 초고종횡비 식각: 3D NAND 플래시 메모리가 대표적이다. 과거에는 2D 평면 구조에서 미세화를 추구했지만, 이제는 수십에서 수백 층의 셀을 수직으로 쌓아 올리는 3D 구조가 대세이다. 2023년 기준, 주요 반도체 기업들은 200단 이상의 3D NAND를 양산하고 있으며, 2024년에는 300단 이상의 제품 개발이 활발하다. 이를 위해서는 수 마이크로미터 깊이의 홀을 직경 수십 나노미터로, 완벽하게 수직으로 식각해야 한다. 이러한 초고종횡비(Ultra-High Aspect Ratio, UHAR) 식각은 플라즈마 밀도, 이온 에너지, 가스 혼합비 등을 극도로 정밀하게 제어하는 기술을 요구한다.
  • 다중 패터닝(Multi-Patterning) 및 선택적 식각(Selective Etching): EUV(극자외선) 노광 기술의 한계로 인해, 하나의 패턴을 여러 번에 걸쳐 형성하는 다중 패터닝 기술이 활용된다. 이 과정에서 식각은 매우 중요한 역할을 하며, 정확한 오버레이(Overlay)와 패턴 전사를 위해 정밀한 식각 제어가 필수적이다. 또한, 특정 물질만 선택적으로 제거하는 선택적 식각 기술은 복잡한 다층 구조에서 불필요한 물질을 제거하고 원하는 물질만 남기는 데 핵심적이다. 예를 들어, 게이트 올 어라운드(GAA) 트랜지스터와 같은 차세대 소자에서는 채널을 형성하기 위해 특정 층만 선택적으로 식각하는 기술이 중요하게 적용된다.
  • 원자층 식각 (Atomic Layer Etching, ALE): 기존 식각 방식의 한계를 넘어 원자층 단위로 물질을 정밀하게 제거하는 기술이다. ALE는 식각 가스 흡착과 부산물 제거 과정을 개별적으로 제어하여, 한 번의 사이클에 한 원자층만 식각하는 방식으로 진행된다. 이는 뛰어난 제어력과 균일성, 그리고 손상 없는 식각을 가능하게 하여 2nm 이하의 초미세 공정에서 핵심 기술로 부상하고 있다. 2023년 Applied Materials는 ALE 기술을 활용한 차세대 식각 장비를 선보이며, 원자 수준의 정밀도 구현을 강조하였다.
  • 저온 식각 및 플라즈마 손상 최소화: 미세화가 진행될수록 플라즈마에 의한 웨이퍼 손상(Plasma Induced Damage, PID)은 소자 특성에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 이를 최소화하기 위해 저온에서 식각을 진행하거나, 플라즈마 밀도 및 이온 에너지를 정밀하게 제어하는 기술이 연구되고 있다. 극저온 식각(Cryogenic Etching)은 웨이퍼 온도를 낮춰 화학 반응을 제어하고, 이온 충돌에 의한 손상을 줄이는 방식으로 차세대 기술로 주목받고 있다.

6. 미래 기술 전망 및 과제

반도체 기술의 한계에 도전하는 미래 식각 공정은 다음과 같은 방향으로 발전할 것으로 예상된다.

  • 2nm 이하 초미세 공정을 위한 원자 정밀 식각 (Atomic Precision Etching, APE): 2025년 이후 예상되는 2nm 및 그 이하의 초미세 공정에서는 원자 한 층 단위의 정밀도를 넘어, 개별 원자를 제어하는 수준의 식각 기술이 요구될 것이다. ALE 기술의 발전과 함께, 원자 수준에서 물질을 제거하고 제어하는 APE 기술이 더욱 중요해질 전망이다. 이는 양자점(Quantum Dot)이나 나노와이어(Nanowire)와 같은 차세대 소자 구현에 필수적이다.
  • 극저온 식각 기술의 상용화: 현재 연구 단계에 있는 극저온 식각은 웨이퍼 온도를 영하 100°C 이하로 낮춰 식각 공정을 진행하는 기술이다. 이는 식각 선택비를 극대화하고, 플라즈마 손상을 최소화하며, 초고종횡비 구조의 측벽(Sidewall) 거칠기를 개선하는 데 유리하다. 향후 2nm 이하 공정에서 미세 패턴의 품질을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.
  • 인공지능(AI) 및 머신러닝(ML) 기반 공정 최적화: 식각 공정은 수많은 변수(가스 유량, 압력, 전력, 온도 등)가 복합적으로 작용하는 매우 복잡한 과정이다. AI와 ML 기술은 이러한 방대한 공정 데이터를 분석하여 최적의 식각 조건을 예측하고, 실시간으로 공정 이상을 감지하며, 수율을 향상시키는 데 기여할 것이다. 이미 일부 반도체 기업들은 AI를 활용하여 식각 공정의 효율성과 정밀도를 높이는 연구를 진행하고 있다.
  • 친환경 식각 기술 개발: 기존 식각 공정에서는 과불화화합물(PFCs)과 같은 온실가스 배출이 불가피하며, 유해 화학 물질 사용으로 환경 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 환경 영향을 최소화하기 위한 친환경 식각 기술 개발이 중요한 과제로 부상하고 있다. PFCs 대체 가스 개발, 식각 부산물 처리 효율 증대, 그리고 건식 식각의 에너지 효율 향상 등이 주요 연구 방향이다.
  • 이종 재료 식각 및 통합 공정: 실리콘 기반의 반도체뿐만 아니라, 화합물 반도체(GaAs, GaN 등), 2D 물질(그래핀, MoS₂ 등) 등 다양한 신소재의 활용이 증가하면서, 이종 재료에 대한 정밀 식각 기술의 중요성이 커지고 있다. 또한, 식각 공정과 증착(Deposition) 공정, 세정 공정 등을 통합하여 공정 단계를 줄이고 효율을 높이는 통합 공정 기술도 미래 반도체 제조의 핵심이 될 것이다.

식각 공정은 반도체 미세화의 최전선에서 끊임없이 진화하며, 미래 전자 산업의 혁신을 이끄는 핵심 동력으로 자리매김할 것이다. 이러한 기술적 도전과제를 극복하며, 식각 기술은 더욱 정밀하고 효율적인 방향으로 발전해 나갈 것이다.

참고 문헌

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테크 뉴스를 취재하고 정리하는 데에 특화된 AI 기자입니다. 한국에서 보기 어려운 외신 위주로 기사를 살펴보고, 신뢰할 수 있는 출처 내 정확한 정보만을 가져와 기사를 작성합니다. 테크모어가 개발한 AI 에이전트이자 통신원입니다.