[Cryo Etch] Part 1. Etching 공정의 개요와 Cryo Etch 공정의 재조명

[Cryo Etch] Part 1. Etching 공정의 개요와 Cryo Etch 공정의 재조명

[Cryo Etch] Part 2. Plasma Etching의 원리와 한계

[Cryo Etch] Part 3. Cryogenic Etching의 원리와 등장 배경

[Cryo Etch] Part 4. 산업 적용 사례 및 미래 전망

[Cryo Etch] Part 5. 개인 정리 및 공부 방향

[Cryo Etch] Part 6. 개인 정리 및 공부 방향 2

0. AI 시대, 메모리 기술의 도전

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출처 : https://pacific.ai/detecting-and-evaluating-sycophancy-bias-an-analysis-of-llm-and-ai-solutions/

최근 AI 기술의 급격한 성장으로 인해, 반도체 산업의 패러다임도 빠르게 변하고 있다.
 
AI 연산에는 막대한 양의 데이터를 고속으로 연산하고 저장할 수 있는 메모리가 필수이며,
이에 대응하기 위해 고대역폭 메모리(HBM)와 AI 서버용 고용량 3D NAND 플래시가 주목받고 있다.

 
[人사이트] 김태원 램리서치 식각부문장 “AI용 첨단 메모리, 극저온 식각 공정으로 대응” - 전자신문

[人사이트]김태원 램리서치 식각부문장 “AI용 첨단 메모리, 극저온 식각 공정으로 대응”

해당 기사에서,
김태원 램리서치 유전체 식각 사업 부문장은 다음과 같이 말했다.

"현재의 200~300단 수준의 3D NAND로는 향후 AI 시대의 저장장치 수요를 감당하기 어렵다."

 

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0.1 극저온 식각(Cryo Etch)의 등장은 필연인가?

출처 : 서울경제 https://www.sedaily.com/NewsView/2DD53O1V39

AI용 메모리는 1,000단 이상의 고도화(Scaling)가 필요하다.
즉, 단순히 층을 쌓는 것 이상의 공정 기술 진화를 요구한다.
 
이에 따라, Lam Research는 이러한 요구에 대응하기 위해 3D NAND용 극저온 식각 기술인 Cryogenic Etching (Cryo Etch)를 개발하였고 다수의 글로벌 제조업체에 제공하고 있다.
 
그런데, cryo etch 공정이란 정확히 무엇일까?
그리고 왜 AI용 메모리에 특히 적합하다고 평가받는 걸까?
 
이 질문에 답하려면 먼저, 보다 근본적으로 "Etch 공정이란 무엇이며 왜 필요한가?"에 대한 이해부터 시작해야 한다.
 

1. Etch란 무엇인가? (Wet vs Dry)

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출처 : 애니메이션 심슨 중

결론부터 말하자면, Etch 공정은 반도체 회로를 ‘파내는’ 과정이다.
 
포토(Photo) 공정을 통해 회로 패턴이 형성된 후, 이 패턴대로 웨이퍼 상의 재료를 깎아내기 위해 식각이 수행된다.
즉, 회로의 도선을 물리적으로 조각하는 공정이라고 볼 수 있다.
 
비유하자면, 웨이퍼라는 공예판에 정밀 도구로 선을 그리고 파내는 작업과 같다.
이때 얼마나 정교하게, 얼마나 균일하게, 원하는 방향으로 식각이 이루어지느냐가 핵심이다.

자세한 과정은 [반도체공정 feat.jaeger] 식각(Etch) Chapter 2.2 - Wet Etch(습식 식각)이란? 을 참고하라.

[반도체공정 feat.jaeger] 식각(Etch) Chapter 2.2 - Wet Etch(습식 식각)이란?

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1.1 Wet Etch와 Dry Etch의 차이

Etch 공정은 크게 Wet Etch(습식 식각)과 Dry Etch(건식 식각)으로 나뉜다.

• Wet Etch는 액체 화학 용액을 사용하여 재료를 녹이는 방식이고,
• Dry Etch는 주로 플라즈마나 기체 이온을 이용해 재료를 증발시키는 방식이다.

최근 반도체 산업에서는 Dry Etch의 채택률이 압도적으로 높다.

 
그 이유는 다음과 같다.
 
나노미터급 미세 패터닝을 구현해야 하는 시대적 흐름에서 Dry Etch는 이방성(Anisotropy) 식각에 유리하고,
식각 속도와 방향을 정밀하게 제어할 수 있어 고정밀 회로 형성,
높은 수율, 안정성 확보에 유리하기 때문이다.
 
물론 Wet Etch는 공정이 비교적 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있지만

 패턴 모양 아래쪽에 추가 식각이 일어나 3um 이하의 미세 패턴에는 사용이 어려운 이유 등

undecut 현상

정밀 공정에는 한계가 있어 최신 공정에서는 Dry Etch가 점차 표준으로 자리 잡고 있다.

따라서 Etch 공정에 있어서 중요한 것은,
Uniformity(균일도) 유지, etch rate, 좋은 Selectivity, Profile(형상), aspect ratio(고종횡비).. 등등이 있다.
 
하나씩 살펴보자.
 

2. Etch 공정에서 고려할 요소 (Etch Rate, Selectivity, Aspect Ratio 등)

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Etch 공정의 목표는 단순히 "깎는 것"이 아니라, 균일하고, 정밀하고, 원하는 모양을 정확히 구현하는 것이다.
 
즉, 이 PR이 그린 회로 모양으로 etch가 잘 되어야 한다는 의미이다.
그렇기에 다음과 같은 특성이 중요하게 고려된다.
 
1. Etch Rate (식각 속도)

• 얼마나 빠르게 재료를 깎을 수 있는가?
• 너무 느리면 생산성 저하, 너무 빠르면 제어가 어려워져 불안정해짐.

2. Uniformity (균일도)

• 웨이퍼 표면 전체의 식각 깊이가 일정한가?
• 균일하지 않으면 회로 성능 편차, 전기적 특성 편차가 발생.

3. Selectivity (선택비)

• 식각 대상과 보호층(PR, 마스크 등) 사이의 식각 비율.
• PR은 최대한 안 깎이고 재료만 잘 깎여야 정밀한 회로가 나옴.

4. Profile (식각 형상)

• 수직선인지, 옆으로 깎여나갔는지 등의 etch 후 단면 형태.
• 수직성이 좋아야 패턴 무결성 유지 가능.

5. Aspect Ratio (종횡비)

• 높이/너비 비율. 고종횡비 구조는 정밀 식각이 어려움.
• DRAM 콘택 홀, 3D NAND 채널 등에서 핵심 지표.

이 다섯 가지 요소는 Etch 공정의 품질을 결정짓는 핵심 지표이다.
즉, 공정 조건을 설계할 때 반드시 종합적으로 고려해야 하는 항목이다.
 
그렇다면, 어떤 Etch 방식이 이런 조건을 잘 만족시키는가?
그리고 왜 최근엔 특히 Dry Etch, 그중에서도 Plasma Etch가 중심 기술이 되었을까?
 

3. 왜 Dry Etch를 고수하는가? → 미세 패터닝과 Anisotropy의 핵심성

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[인생맛칩 Ep.6] 여기가 바로 조각 맛집? 반도체 식각(Etch) 공정에서 만난 21세기 미켈란젤로

위의 삼성전자 뉴스에 의하면 삼성전자 반도체 메모리 etch 기술팀의 경우 건식 식각 공정만 활용한다고 한다.

 
왜? 미세한 패터닝, 이방성 식각이 가능하기 때문이다.
 
최근의 반도체 산업에서는 미세패터닝이 매우 중요하다.
dry etch는 wet etch에 비해 이방성 에칭이 유리하다.
 
근본적으로 왜일까?

3.1 Wet Etch의 한계: 등방성(Isotropic) 식각

출처 : https://www.globalwellpcba.com/wet-etching-vs-dry-etching/

화학 물질로 깎아내는 wet etch는 재료 표면에서 무차별적으로 반응한다.
= 모든 방향에서 동시에 식각 진행
= 등방성(Isotropic) 식각
= 옆으로도 식각

3.2 Dry Etch의 장점: 이방성(Anisotropic) 식각

출처 : https://www.youtube.com/watch?v=IjkhMYBmGcI, 플라즈마 RIE(eactive Ion Etching)

Dry Etch, 특히 Plasma Etch는 전기장을 통해 플라즈마 내 이온을 수직 방향으로 가속시켜 재료 표면에 수직 충돌하게 만든다.
= 식각 반응이 수직 방향으로 집중
= 옆면 손상을 줄이고 이방성(Anisotropic) 식각 특성을 구현
 
물론 완전히 위&아래로만 깎이는 것은 아니지만, 기존 Wet Etch에 비해 수직성이 매우 우수하다.


또한 당연히 '액체'에 의한 반응보다는 '기체'에 의한 반응을 조절하기 쉽다.
=미세한 조절이 가능하다.
=미세 패터닝
 
이게 바로 이방성 식각(Anisotropic Etch), 미세 패터닝의 대략적인 원리이다.
 
wet etch란?

[반도체공정 feat.jaeger] 식각(Etch) Chapter 2.2 - Wet Etch(습식 식각)이란?

 
식각의 방향

[반도체공정 feat.jaeger] 식각(Etch) Chapter 2.1 - 식각의 방향은?

 
dry etch란?
 

[반도체공정 feat.jaeger] 식각(Etch) Chapter 2.3 - dry Etch(건식 식각)이란?

 
이 세 포스팅을 참고하면 이해에 도움이 될 것이다.
 
따라서 DRAM 콘택홀, 3D NAND 채널처럼 수직성 유지가 중요한 공정에서는
Wet Etch보다 Plasma 기반 Dry Etch가 더 적합한 경우가 많다.
 

4. 다음 글 예고

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우리는 여기서 또 하나의 질문을 던질 수 있습니다.
Dry Etch는 이방성 식각에 유리하기 때문에 미세 패터닝에 적합하다고 했습니다.
그리고 Dry Etch의 대표적인 방식이 Plasma Etching입니다.
 
그렇다면 다음 질문은?

"Plasma Etching은 정확히 어떤 원리로 작동하는가?"
"그 뛰어난 기술에도 불구하고, 왜 새로운 방식인 Cryo Etch가 필요하게 되었는가?"

 
다음 포스팅은 파트는 "Part 2. Plasma Etching의 원리와 한계"입니다.
 
플라즈마가 어떻게 생성되고, 어떻게 식각을 수행하는지,
그리고 그 과정에서 어떤 문제가 발생하는지를 다루어 보겠습니다.

김태원 램리서치 복잡한 식각 사업 부문장