식각이 하는 일

PR 무늬를 진짜 막으로

노광과 현상이 끝난 웨이퍼를 현미경으로 보면 회로 무늬가 선명하다. 하지만 그 무늬는 빛에 반응하는 유기막, 곧 감광막(Photoresist, PR)으로 그린 것이다. PR은 어디를 남기고 어디를 없앨지 알려 주는 임시 가리개일 뿐, 그 자체가 게이트나 배선이 되지는 않는다. PR이 열어 둔 자리를 따라 아래 막을 실제로 없애 무늬를 옮기는 공정이 식각(Etching, 현장에서는 '에치')이다. 식각이 끝나면 PR은 벗겨 낸다. 이온 주입이나 식각 뒤에 PR 막과 그 잔여물을 걷어 내는 공정을 PR Strip(감광막 제거)이라 한다.

그래서 식각의 결과는 곧 소자의 모양이다. 예를 들어 보자. 게이트 전극을 먼저 만들고 그 양옆에 이온을 주입하면 Source와 Drain이 게이트 가장자리에 저절로 맞춰진다. 이 자기 정렬 방식이 이온 주입을 MOS 공정의 핵심으로 만들었다. 그러니 식각으로 정해진 게이트의 선폭이 곧 Source와 Drain 사이의 거리, 채널 길이가 된다(원리에서 나온 해석). 채널이 짧아지면 문턱 전압이 낮아지는 V_t Roll-off가 생긴다(IMP 책 10장). 막을 덜 깎으면 남은 막이 뒤의 이온 주입을 막고, 너무 깎으면 아래 막이 물리적으로 손상된다. 콘택 구멍을 파는 불화탄소 식각에서 고분자가 너무 많이 쌓이면 식각이 아예 멈춰 버릴 수 있고, 바닥이 열리지 않은 콘택은 아래층과 이어지지 않는다(원리에서 나온 해석). 바닥 모서리만 깊게 파이는 Microtrench는 정지막이나 게이트 산화막을 뚫을 수도 있다.

더 큰 그림도 있다. Gottscho 등은 웨이퍼 안의 작은 불균일이 "끝까지 열지 못해 잃는 칩"과 "너무 깎아 손상으로 잃는 칩" 사이의 절충을 정한다고 정리했다. 그림 1의 C와 D 사이에서 자리를 잡는 일이 식각 공정의 거의 전부라는 뜻이다. 소자가 작아지고 위로 쌓이면서 이 줄다리기는 더 팽팽해졌다. 3D NAND가 2010년대 초 24층을 넘어 128·256·512층으로 가면서 식각은 가장 어려운 공정 가운데 하나가 되었고, 2024년의 한 리뷰는 24층에서 시작한 워드라인 적층이 400층을 넘었다고 적는다.

이 책은 식각 결과를 다음 사슬로 읽는다. 가스·전력·압력·온도 같은 장비의 입력이 플라즈마 속 라디칼과 이온을 정하고, 그것들이 표면 반응과 측벽 보호막의 균형을 정하며, 그 균형이 CD·깊이·프로파일을 정하고, 마지막으로 저항·누설·수율이 정해진다. 공정 엔지니어는 측정한 CD 숫자 하나에서 이 사슬을 거꾸로 거슬러 올라가 원인을 찾는다. 이 장은 사슬의 양 끝, 곧 결과를 말하는 언어와 공정·장비의 큰 그림을 먼저 놓는다.

녹이기에서 깎기로: 습식과 건식

가장 오래된 식각은 액체에 담가 녹이는 습식 식각(Wet etching)이다. 산화막은 불산(HF)에 녹는다. SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O처럼 물에 녹는 생성물이 되어 떨어져 나간다. 습식은 대체로 플라즈마 식각보다 선택적이다. 문제는 방향이다. 결정 방향을 따라 깎이는 실리콘을 빼면 습식 식각은 모든 방향으로 같은 속도로 깎는 등방성(Isotropic) 식각이다. 한 방향, 대개 아래로 더 빨리 깎는 것을 이방성(Anisotropic)이라 부른다.

등방성 식각은 아래로 판 만큼 마스크 가장자리 아래로도 파고든다. 이 옆 파임을 언더컷(Undercut)이라 하고, 옆으로 들어간 거리 \(b\)를 깊이 \(d\)와 견주어 이방성의 정도를 잰다.

MIT 강의 예제를 보자. 0.3 µm 산화막을 \(A\) = 0.9로 식각하면 양쪽에서 0.03 µm씩 넓어져 0.2 µm 간격이 0.26 µm가 된다. 강의는 막이 얇거나 \(A\)가 1에 가까울 때만 식각 결과가 노광한 크기를 따라간다고 정리한다. \(A\) = 0인 습식이라면 같은 막에서 한쪽에 0.3 µm, 양쪽 합해 0.6 µm가 넓어진다(계산). 무늬의 크기가 막 두께 수준으로 작아지면 습식으로는 무늬를 지킬 수 없다는 뜻이다.

역사도 그대로 흘렀다. SK하이닉스 뉴스룸은 1970년대 초 습식으로는 5 µm의 CD를 맞출 수 없었고, CD가 3~5 µm이던 1970년대 중반부터 건식이 대세가 되어 그 10년 안에 전환이 끝났다고 정리한다. 지금 습식은 주로 세정에 쓰인다. 플라즈마 식각은 1960년대 중반 집적회로 공장에 들어와 1970년대 초 널리 퍼졌다. 처음 동기는 폐액을 줄이고 습식으로 얻기 어려운 선택비를 얻는 것이었고, 곧 Si·Al·SiO₂의 이방성 플라즈마 식각이 약 40년 동안 소자를 계속 작게 만든 돌파구가 되었다.

초기 플라즈마 장비는 석영관 안에 웨이퍼를 세우고 바깥 전극으로 기체를 방전시키는 배럴 식각기(Barrel etcher)였다. 차폐막이 웨이퍼를 빛나는 방전 영역 밖에 두어 순수하게 화학적으로 깎았고, 주로 PR을 태워 없애는 데 썼다. 1970년대의 배럴 장비는 약 1 Torr에서 등방성으로 깎았다. 1974년 Hosokawa 등이 휘발성 생성물을 만드는 기체와 높은 이온 에너지를 RF 스퍼터 식각에서 함께 쓰면서 "이방성 플라즈마 식각이 태어났고", 이듬해 1975년에는 이 방식의 특허가 열 건 남짓 나왔다. 이 방식을 RIE(Reactive Ion Etching, 반응성 이온 식각)라 부른다.

플라즈마가 방향을 줄 수 있는 까닭은 그 안에 성질이 다른 두 무리의 입자가 있어서다. 기체 분자가 쪼개져 생긴 전기적으로 중성인 라디칼(Radical)은 수가 훨씬 많고 사방으로 움직인다. 전자를 잃은 양이온은 수가 적지만 웨이퍼 쪽으로 가속되어 한 방향으로 떨어진다. 둘을 함께 쓰면 따로 쓸 때보다 약 열 배 빨리 깎인다. 이온은 바닥만 때리므로 바닥의 반응에 에너지를 보태거나 바닥에 쌓인 억제막을 걷어 내고, 이온이 닿지 않는 측벽은 덜 깎인다. 아래 애니메이션에서 같은 마스크를 두 방식으로 깎아 보자.

근거: 습식의 등방성과 \(A = 1 - b/d\). 실제 건식의 이방성은 이온 에너지, 측벽 보호막, 압력에 따라 달라지며 4장, 5장, 8장에서 다룬다.

그렇다고 건식이 습식을 몰아낸 것은 아니다. 삼성전자의 용어 사전은 건식이 습식보다 비싸고 복잡하지만 회로 간격이 좁아질수록 수율을 위해 더 널리 쓰인다고 설명한다. 방향은 상관없고 선택비가 중요한 곳에서는 습식이 여전히 강하다. 160 °C 인산은 LPCVD 질화막을 4.5 nm/min, 열산화막을 0.18 nm/min으로 깎아 질화막만 약 25배 빨리 걷어 낸다(계산). 반대로 물리적으로만 깎는 Ar 이온 밀링은 Si를 38, 열산화막을 39 nm/min으로 깎아 둘을 거의 구별하지 못한다. 방향은 이온에게서, 선택비는 화학 반응에게서 얻자는 것이 RIE의 발상이다(원리에서 나온 해석). 습식은 2장에서 자세히 본다.

식각의 언어: 속도, 선택비, 균일도, 모양

식각 결과를 말하려면 공통의 말이 필요하다. MIT 강의는 식각에서 따질 것을 다섯 가지로 꼽는다. 웨이퍼 전체와 무늬 안에서 고른가(균일도), 쓸 만큼 빠르면서 다룰 만큼 느린가(속도), 마스크보다 대상 막을 훨씬 빨리 깎는가(선택비), 방향에 따라 속도가 다른가(이방성), 생성물이 날아가고 안전한가. 다른 강의는 원하는 단면 모양, 작은 언더컷, 적은 손상, 재현성을 더한다. 하나씩 정의해 보자.

① 식각 속도

식각 속도(Etch rate, ER)는 단위 시간에 없앤 두께다.

속도 하나에도 변수가 많다. Williams와 Muller는 습식 식각 속도를 바꾸는 원인 15가지와 플라즈마 식각 속도를 바꾸는 원인 14가지를 꼽았다. 플라즈마 쪽에는 전력, 압력, 가스 유량, 온도, 표면을 막는 막, 경과 시간, 챔버 안의 재료와 챔버 상태의 변화, 오염, 막의 미세구조와 응력, 드러난 면적, 무늬의 모양이 들어간다. 그래서 식각 속도를 적을 때는 어떤 막을, 평평한 막인지 무늬인지, 어느 단계의 시간으로 쟀는지를 함께 적는다. 무늬가 좁고 깊어지면 같은 레시피에서도 속도가 느려지는데, 이것을 ARDE라 하며 8장에서 다룬다.

② 선택비

선택비(Selectivity)는 깎으려는 막의 속도를 지켜야 할 막(마스크나 아래 막)의 속도로 나눈 값이다. 선택비가 마스크의 두께를 정한다.

MIT 강의는 화학 반응은 선택비가 20~50까지 높을 수 있지만 물리적 스퍼터링은 1~5에 그친다고 적는다. 강의의 예제는 이렇다. 산화막 0.6 µm를 0.2 µm/min으로, 마스크에 대한 선택비 24로 깎되 약간의 과식각을 넣어 모두 3.6분 걸린다면 마스크는 0.03 µm보다 두꺼워야 한다. 0.035 µm 마스크라면 약 3 nm가 남는다. 선택비가 5라면 어떨지 직접 예측해 보자.

근거: 선택비의 정의와 마스크 두께, 화학적·물리적 식각의 선택비 범위, 이온 밀링의 Si·산화막 속도.

실제 깊은 식각은 이 계산보다 빠듯하다. Huang 등은 PR 1,600 nm로 4,800 nm 깊이의 산화막 비아를 파는 계산에서, 비아가 Si 정지층에 닿을 때까지 PR이 약 450 nm 깎여 산화막:PR 선택비가 10.7이었다고 보고했다. PR은 평평한 막처럼 종횡비와 상관없이 깎이는데 산화막은 깊어질수록 느려지므로 선택비가 점점 나빠지고, 종횡비 80에서는 PR이 거의 다 깎였다. 마스크 모서리는 이온 하나당 깎이는 양이 커서 평면보다 먼저 닳는다(Facet). 그래서 깊은 식각은 PR보다 잘 버티는 무기막이나 탄소막, 곧 하드마스크(Hard mask)를 쓴다. 비정질 탄소 하드마스크(ACL)가 그 예인데, 산화막 식각 가스에 O₂를 3.5%에서 6.5%로만 늘려도 ACL 식각 속도가 25에서 76 nm/min으로 뛰어 산화막:ACL 선택비가 2.18에서 0.8로 떨어졌다. 선택비가 가스 조성에 얼마나 예민한지는 6장, 깊은 식각의 마스크 예산은 10장에서 다시 본다.

③ 균일도

웨이퍼 한 장 위에서도 속도는 자리마다 다르다. 균일도(Uniformity)는 이 차이를 숫자 하나로 줄인 것인데, 정의가 여러 가지다.

같은 측정으로도 정의에 따라 숫자가 다르다. 3σ는 1σ의 세 배이고, 범위를 쓰는 두 식은 가장 큰 값과 작은 값 두 점에만 기대므로 튀는 점 하나에 크게 흔들린다(원리에서 나온 해석). 같은 Lam 특허는 3σ 숫자가 모든 점을 하나로 눌러 담아서 가운데가 빠른지 한쪽이 빠른지 같은 공간의 모양을 보여 주지 못한다고 지적한다. 수치의 예로, 200 mm 웨이퍼의 폴리실리콘 식각을 최적화한 연구는 3σ 불균일도 6.5%를 보고했고, Lam 엔지니어의 강의는 첨단 공정이 웨이퍼 가장자리 3 mm 안쪽까지 깊이와 CD의 3σ를 1 nm 아래로 요구한다고 적는다. 아래 계산기에서 49점 지도를 직접 만들어 보자.

근거: 세 가지 균일도 정의, 49점과 3σ, 평균 속도 200 nm/min과 선택비 24.

④ 이방성과 CD bias

무늬의 크기는 CD(Critical Dimension, 핵심 치수)로 잰다. 소자 성능에 직접 영향을 주어 특별히 관리하는 선폭이나 구멍 지름이다. 현상 직후 PR 무늬를 재는 단계를 ADI(After Develop Inspection, 현상 뒤 검사), 식각 뒤에 재는 단계를 AEI(After Etch Inspection, 식각 뒤 검사)라 하고, 이 두 CD는 공정 제어의 입력으로 널리 쓰인다. 식각이 바꾼 CD를 CD bias(Etch bias)라 한다.

CD bias는 작지 않을 수 있다. LELE 이중 패터닝의 한 예에서 노광 뒤 바닥 CD 40 nm가 식각 뒤 18 nm가 되었다. 이때 ADI는 레지스트의 바닥을, AEI는 가공한 막을 잰 것이라 재는 대상부터 다르다. 반대로 0.2 µm DRAM의 STI 식각은 식각 바이어스를 0.01 µm 아래로 묶었다. 위의 이방성 \(A\)와 CD bias는 같은 현상을 두 방향에서 본 것이다. 한쪽 언더컷 \(b\)가 생기면 빈 곳의 CD는 \(2b\)만큼 커진다(계산).

⑤ 프로파일

CD를 위에서만 재면 단면의 모양을 놓친다. 단면에서 본 측벽 각도, 바닥 모양, 굴곡을 모두 합쳐 프로파일(Profile)이라 한다. Lam 엔지니어의 강의는 무늬를 옮길 때 흔한 문제로 매크로·마이크로 로딩, ARDE와 역 ARDE, Faceting, Necking, Bowing, Microtrenching, Striation을 꼽는다. 원인은 8장에서 따지고, 여기서는 이름과 모양부터 익혀 두자.

⑥ 종횡비

종횡비(Aspect Ratio, AR)는 깊이를 폭으로 나눈 값이다. 폭 10 nm에 종횡비 10이면 깊이 100 nm다. 공개 자료의 예를 모아 보면 0.2 µm DRAM의 STI는 2.5였고, Applied Materials가 2012년 내놓은 3D NAND용 식각 장비는 80:1까지를 내세우며 10:1인 워싱턴 기념탑과 견주었다. CD 10 nm 아래의 DRAM 커패시터는 100을 넘어야 하고, 3D NAND의 채널 홀은 지름 약 100 nm에 깊이 10 µm다. 종횡비가 크면 마스크 예산, 이온과 라디칼의 수송, 수직도가 모두 어려워진다(8장, 10장). 측벽이 조금만 기울어도 깊은 구멍에서는 바닥 CD가 크게 달라진다. 아래 시뮬레이터에서 확인하자.

근거: 종횡비 = 깊이/폭, STI의 종횡비 2.5와 식각 바이어스, 채널 홀의 크기와 Lam 자료의 가장 넓은 CD 108 nm·바닥 CD 99 nm(제조사 주장).

Lam은 극저온 식각으로 10 µm 깊이 채널 홀의 가장 넓은 CD 108 nm, 바닥 CD 99 nm를 얻었다고 내세운다(제조사 주장). 한쪽 측벽이 10 µm 내려가는 동안 4.5 nm 안으로 들어온 셈이고 측벽 각도로는 약 89.97°다. 90°에서 0.1°만 기울어도 같은 깊이에서 바닥 CD가 약 35 nm 줄어든다(계산). 깊은 식각에서 수직도가 왜 핵심인지 이 숫자 하나가 말해 준다.

식각 한 번의 흐름: 마스크에서 검사까지

식각 장비에 웨이퍼가 한 번 들어갔다 나오는 일은 더 긴 흐름의 한가운데에 있다. 노광으로 그린 마스크에서 시작해 식각, PR 제거, 세정을 거쳐 검사로 끝난다. 그림 3에 그 흐름을 놓았다.

① 마스크. 포토 공정이 그린 PR 무늬다. 식각 전에 ADI CD를 잰다. 이 단계에서 무늬가 규격을 벗어난 것을 잡으면 마스킹 단계부터 다시 할 수 있다(Rework). PR만으로 버티기 어려운 깊은 식각에서는 앞 절에서 본 하드마스크를 먼저 열고 그것을 마스크로 쓴다.

② 식각. 레시피는 한 조건이 아니라 여러 단계다. 한 Lam 게이트 식각 특허는 표면의 자연 산화막을 뚫는 Breakthrough(BT, 첫 뚫기), 막의 대부분을 깎는 주 식각(Main etch, ME), 그리고 느리지만 선택비가 매우 높아 얇은 막 위에서 멈추는 과식각(Over-etch, OE)으로 단계를 나눈다. 2024년의 리뷰는 산업 레시피가 수십 단계에 이를 수 있다고 적는다. 언제 다음 단계로 넘어가고 언제 멈추는지는 아래에서 본다.

③ PR 제거. 식각이 끝나면 남은 PR을 걷어 낸다. 산소 플라즈마는 유기물인 PR을 태워 CO₂와 H₂O로 날려 보낸다. 이것을 애싱이라 한다. 국내 장비사 PSK는 이 드라이 스트립 장비 SUPRA를 세계 점유율이 가장 큰 제품군이라고 소개한다(제조사 주장).

④ 세정. 건식 식각 뒤에는 고분자 잔여물이 남아 씻어 내야 한다. Kern은 PR을 벗긴 뒤의 세정이 생산 공정 전체에서 마스크 층마다 필요하다고 적었다. 세정의 원리와 장비는 이 시리즈의 CLN 책에서 다룬다.

⑤ 검사. 식각 뒤 CD, 곧 AEI CD를 잰다. ADI와 AEI CD는 공정 제어에서 앞 공정의 결과를 다음 레시피에 미리 반영하는 Feed-forward의 입력으로 널리 쓰인다. 단면 모양은 잘라서 전자현미경으로 보거나 빛이나 X선으로 비파괴로 잰다. 다만 전자현미경 단면 계측은 느리고 비싸서 개발의 병목이 되고, 엔지니어들은 실험을 4~10개씩 묶어 돌린다. 회사에 따라 PR 제거와 세정까지 마친 뒤의 검사를 ACI라 부르기도 하고, 식각 뒤 CD를 ACI CD로 적은 논문도 있다. 어느 시점의 값인지 늘 확인한다.

언제 멈추나: 종말점

막이 다 깎여 아래 막이 드러나기 시작하는 때를 종말점(Endpoint)이라 하고, 센서 신호로 그때를 알아내는 것을 EPD(Endpoint Detection, 종말점 검출)라 한다. 가장 흔한 방법은 플라즈마가 내는 빛을 파장별로 나눠 보는 OES(Optical Emission Spectroscopy, 광방출 분광)다. 막이 사라지면 그 막에서 나오던 생성물의 빛이 줄거나 반응물의 빛이 늘어난다. OES는 실시간이고 공정을 건드리지 않아 1970년대부터 양산 식각의 거의 유일한 종말점 방법이었다. 다만 신호가 웨이퍼 전체에서 모인 빛이라, 검출할 만한 신호를 얻으려면 대개 식각 면적이 수 cm² 필요하다. 다른 방법은 레이저를 웨이퍼 한 점에 비추는 간섭계다. 막이 얇아지며 반사율이 물결치는 주기로 식각 속도를 알고, 계면에서 반사율이 갑자기 바뀌는 것으로 종말점을 안다. 앞의 게이트 특허는 선택비가 낮은 BT 단계를 간섭계로 게이트 산화막 약 40 nm 위에서 멈춘다(특허의 예). 종말점과 계측은 11장에서 자세히 본다.

과식각: 가장 느린 자리를 위해

종말점을 정확히 잡아도 거기서 멈추면 안 된다. 웨이퍼 위 자리마다 막 두께도, 식각 속도도 조금씩 다르기 때문이다. 종말점 신호는 넓은 면적에서 모인 빛의 변화이니, 신호가 바뀌는 순간에도 가장 두껍고 느린 자리에는 막이 남아 있다(원리에서 나온 해석). 남은 막을 마저 걷는 추가 식각이 과식각이다. 10% 과식각은 바닥에 닿는 데 걸린 시간의 10%를 더 식각한다는 뜻이고, 테이퍼진 바닥을 넓히려고 주기도 한다. 막 두께와 속도가 각각 ±\(\delta\)만큼 흩어져 있다면 가장 늦게 열리는 자리는 평균보다 다음 배수만큼 오래 걸린다.

과식각이 늘어날 이유는 더 있다. 깊고 좁은 무늬가 느려지는 ARDE가 있으면 종횡비가 큰 무늬를 마저 열기 위해 과식각이 필요하고, 그만큼 선택비와 낮은 손상이 더 요구된다. 그래서 과식각은 대개 주 식각과 다른 조건으로 한다. 염소 계열 고밀도 플라즈마로 폴리실리콘 게이트를 깎은 연구는 주 식각을 250 nm/min의 높은 에너지 단계로, 과식각을 Si:SiO₂ 선택비 약 80 이상의 낮은 에너지 단계로 나눴다. 1988년에 출원된 한 특허는 종래 Cl₂의 폴리:게이트 산화막 선택비가 약 20:1인데 HBr은 100:1이며, 250 Å 게이트 산화막을 지키려면 30:1보다 좋아야 했다고 적는다. 아래 도전에서 직접 과식각을 정해 보자.

근거: 문제 1의 두께·속도 ±5%, 400 nm, 200 nm/min, Si 손실 5 nm. 문제 2의 Cl₂ 약 20:1, HBr 100:1, 250 Å 게이트 산화막과 주 식각 250 nm/min. 문제 3의 CF₄·CHF₃의 산화막 식각 속도(600 nm/min 이상, 450 nm/min)와 SiO₂:Si 선택비(약 5, 약 15).

소자 속 식각 지도

트랜지스터 하나와 그 위의 배선을 만드는 동안 식각은 여러 번 들어간다. 아래에서 위로 가 보자. 먼저 트랜지스터 사이를 떼어 놓을 얕은 홈을 실리콘에 판다. 이것이 STI(Shallow Trench Isolation, 얕은 트렌치 소자 분리) 식각이다. 다음으로 게이트를 깎고, 게이트를 덮은 절연막을 되깎아 옆벽에만 스페이서(Spacer)를 남긴다. 층간 절연막에 구멍을 내 트랜지스터와 첫 배선을 잇는 콘택(Contact), 배선층과 배선층을 잇는 비아(Via), 그리고 배선이 뒤를 잇는다. 메모리에서는 3D NAND의 채널 홀과 DRAM의 커패시터처럼 아주 깊은 구멍이 식각의 한계를 시험한다. 각 식각이 무엇을 깎고 어디서 멈추는지 표로 정리했다.

배선이 왜 구리를 깎지 않는지는 식각의 기본 규칙 하나로 설명된다. 식각은 막을 기체 생성물로 바꿔 날려 보내는 일이라 생성물의 끓는점이 낮아야 한다. 실리콘은 SiF₄(끓는점 −86 °C)가 되어 쉽게 날아가지만, 구리의 염화물 CuCl은 1490 °C에서야 끓는다. 그래서 구리는 절연막에 홈을 먼저 파고 구리를 채운 뒤 CMP로 깎아 내는 다마신으로 만든다. IBM은 이 방식이 도입된 지 27년이 지난 지금도 업계 표준이라고 적는다. 막마다 어떤 가스로 깎는지는 6장, 공정별 식각은 9장, 깊은 구멍은 10장에서 다룬다. 아래 탐색기에서 단면을 눌러 보자.

장비와 엔지니어의 일

플라즈마 식각 장비는 가스를 넣고, 플라즈마를 만들고, 웨이퍼를 붙잡아 식히면서 이온을 끌어당기고, 생성물을 뽑아내는 하나의 닫힌 계다. 가스 상자 → 유량 조절기 → 가스 분배판 → 플라즈마 소스 → Sheath와 바이어스 → 웨이퍼와 척 → 압력 조절 밸브 → 진공 펌프의 순서로 따라가면 부품마다 라디칼의 양, 이온의 에너지, 웨이퍼 온도, 기체가 머무는 시간 가운데 무엇을 바꾸는지 연결된다(그림 4).

장비는 플라즈마를 만드는 방식으로 크게 둘로 나뉜다. 전극 두 장 사이에 RF 전압을 거는 CCP(Capacitively Coupled Plasma, 용량 결합 플라즈마) 방식의 기본형 RIE에서는 RF 소스 하나가 이온 밀도와 이온 에너지를 함께 정한다. 유전체 창에 붙인 코일로 플라즈마를 만드는 ICP(Inductively Coupled Plasma, 유도 결합 플라즈마) 방식은 웨이퍼 받침에 둘째 RF 발생기를 달아, 이온의 양은 코일 전력으로, 웨이퍼에 수직으로 들어오는 세기는 바이어스 전력으로 따로 조절한다. 절연막 식각에 많이 쓰는 이중 주파수 CCP는 높은 주파수로 이온 플럭스를, 낮은 주파수로 이온 에너지를 정한다. Lieberman은 식각 반응기를 RF 전원 하나로 여러 장을 처리하던 낮은 밀도의 1세대, 전원 둘로 한 장씩 처리하는 높은 밀도의 2세대, 그리고 절연막용 다중 주파수의 3세대로 나눈다. Lam Research는 1992년 첫 TCP(유도 결합형) 도체 식각 제품을, 1995년 첫 이중 주파수 Confined 절연막 식각 제품을 내놓았다. 요즘 장비는 웨이퍼와 위 전극의 온도, 압력, 약 20가지 가스의 비율과 유량, RF 발생기 최대 3대, RF와 가스 펄스, 여러 균일도 조절 장치를 손잡이로 갖는다. "Source는 양, Bias는 세기"라는 첫 그림과 그 한계는 4장과 7장에서 본다.

엔지니어의 일

식각 일을 하는 엔지니어는 흔히 공정과 장비 두 갈래로 나눠 부른다. 회사마다 이름과 경계가 다르니, 아래 표는 이 책이 쓰는 구분일 뿐이다. 공정 엔지니어는 "이 막을 원하는 모양으로 깎으려면 어떤 조건이 필요한가"를 묻고, 장비 엔지니어는 "레시피가 정한 가스·RF·압력·온도가 챔버에서 실제로 그대로 구현되는가"를 묻는다. 두 질문은 결국 같은 웨이퍼에서 만난다.

이 책의 지도

이 장에서 꺼낸 질문들은 다음 장들에서 하나씩 답을 찾는다. 2장은 습식을, 3~6장은 플라즈마와 표면 반응, 막별 화학이라는 원리를, 7~8장은 장비와 형상을, 9~10장은 응용 공정과 깊은 식각을, 11~12장은 제어와 현업의 이상을 다룬다. 카드마다 그 장이 답하는 질문과, 이 장에서 그 질문이 처음 나온 곳을 적었다.

처음 읽는다면 3~5장을 차례로 읽어 플라즈마 식각의 원리를 잡은 뒤, 관심 있는 공정이나 장비로 건너뛰어도 좋다. 막을 쌓는 쪽이 궁금하면 이 시리즈의 CVD 책을, 플라즈마 식각과 함께 쓰이는 이온 주입은 IMP 책을 함께 보자.