식각 Etching이란? 웨이퍼 제거 공정

식각 Etching이란 반도체 웨이퍼에서 포토레지스트 패턴을 기준으로 불필요한 박막을 선택적으로 제거하는 공정입니다. 습식·건식 식각의 차이와 플라즈마 식각, 선택비·이방성이 중요한 이유를 알아봅니다.

식각 Etching이란 무엇이며 왜 필요할까?

식각(Etching)은 반도체 웨이퍼 표면에 형성된 산화막, 절연막, 금속막이나 반도체층 가운데 불필요한 부분을 선택적으로 제거하여 원하는 미세 구조를 만드는 공정입니다. 포토리소그래피에서 노광과 현상을 마치면 웨이퍼 위에는 포토레지스트(Photoresist) 패턴이 남습니다. 이 PR 패턴은 식각 과정에서 제거할 영역과 보호할 영역을 구분하는 임시 마스크 역할을 합니다. 노출된 박막을 식각하고 포토레지스트로 덮인 영역을 남기면 설계된 회로 패턴을 실제 재료 구조로 옮길 수 있습니다. 이후 필요에 따라 남아 있는 포토레지스트를 제거하고 다음 박막 형성과 포토리소그래피 공정을 진행합니다. 반도체 칩에는 게이트 구조, 콘택트 홀, 비아(Via), 배선과 절연 구조 등 수많은 미세 형상이 필요하므로 식각 공정 역시 여러 차례 반복됩니다. 결국 포토리소그래피가 회로의 위치와 모양을 정의한다면 식각은 그 패턴을 실제 웨이퍼 구조로 구현하는 핵심 가공 공정이라고 할 수 있습니다.

습식 식각과 건식 식각은 무엇이 다를까?

식각은 크게 습식 식각(Wet Etching)과 건식 식각(Dry Etching)으로 구분할 수 있습니다. 습식 식각은 액체 상태의 화학용액을 이용하여 원하는 재료와 화학반응을 일으켜 제거하는 방식입니다. 공정이 비교적 단순하고 높은 처리속도와 우수한 선택비를 얻을 수 있는 경우가 있지만, 재료와 조건에 따라 가로와 세로 방향으로 함께 식각되는 등방성(Isotropic) 특성이 나타날 수 있습니다. 이 경우 마스크 아래쪽까지 재료가 제거되는 언더컷(Undercut)이 발생할 수 있어 매우 미세한 수직 구조를 만드는 데 제약이 생길 수 있습니다. 건식 식각은 진공 챔버에서 플라즈마를 생성하고 반응성 입자와 이온을 이용해 재료를 제거하는 방식입니다. 특히 이온의 방향성을 이용하면 수직 방향으로 식각되는 이방성(Anisotropic) 특성을 구현하기 유리합니다. 따라서 현대 반도체의 미세 패턴에서는 건식 식각이 중요한 역할을 하지만, 실제 제조에서는 재료와 구조에 따라 습식과 건식 공정을 적절하게 선택하여 사용합니다.

플라즈마와 RIE는 어떻게 미세 패턴을 식각할까?

건식 식각에서는 가스를 진공 챔버에 공급하고 전기 에너지를 가해 플라즈마(Plasma)를 형성합니다. 플라즈마에는 이온과 전자, 라디칼 등 반응성이 높은 입자가 존재하며 이들이 웨이퍼 표면과 반응하여 특정 물질을 휘발성 생성물로 바꾸거나 물리적으로 제거합니다. 대표적인 방식인 RIE(Reactive Ion Etching)는 화학적 반응과 방향성을 가진 이온 충돌을 함께 이용합니다. 웨이퍼 방향으로 가속된 이온은 수직 방향의 식각을 강화하기 때문에 좁고 깊은 패턴을 형성하는 데 유리합니다. 더 높은 플라즈마 밀도와 독립적인 이온 에너지 제어가 필요한 공정에서는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 계열 장비가 활용되기도 합니다. 식각 결과는 사용하는 가스 조성과 압력, 플라즈마 파워, 바이어스, 웨이퍼 온도 등에 따라 달라집니다. 조건이 적절하지 않으면 패턴 옆면의 형태가 무너지거나 표면 손상, 잔류물 등의 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 첨단 반도체 식각은 단순히 재료를 제거하는 기술이 아니라 나노미터 수준의 형상을 정밀하게 제어하는 공정기술입니다.

선택비와 이방성은 식각 공정에서 왜 중요할까?

반도체 식각에서는 단순히 빠르게 재료를 제거하는 것보다 원하는 재료만 정확한 방향과 깊이로 제거하는 것이 중요합니다. 선택비(Selectivity)는 식각하려는 대상 물질과 마스크 또는 아래층 물질의 식각 속도 차이를 나타내는 개념입니다. 대상막은 빠르게 제거하면서 포토레지스트나 Stop Layer는 천천히 식각되어야 원하는 구조를 안정적으로 만들 수 있습니다. 이방성(Anisotropy)은 식각이 특정 방향으로 얼마나 집중되는지를 나타냅니다. 미세한 콘택트 홀이나 트렌치처럼 수직 벽이 필요한 구조에서는 높은 이방성이 중요합니다. 또한 식각 깊이가 목표 지점에 도달했는지를 판단하는 Endpoint Detection과 웨이퍼 전체에서 동일한 결과를 만드는 균일도(Uniformity)도 중요한 공정 지표입니다. 과도하게 식각하면 아래층까지 손상될 수 있고 부족하게 식각하면 잔여막이 남아 후속 공정에 문제를 만들 수 있습니다. 결국 식각 공정의 정밀도는 반도체 패턴의 실제 크기와 형상, 전기적 특성 및 최종 수율을 결정하는 중요한 요소입니다.