[Cryo Etch] Part 2. 요즘 누가 플라스마를 쓰나?

[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. 복습

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이전 포스팅에서

etch란 반도체의 '회로'를 파내는 작업이고,
wet, dry 등의 방식이 존재하며,
식각 속도와 선택성 등, 어떤 점이 고려해야 할 사항인지,

그리고 왜 dry 방식을 애용하는지에 대해 살펴보았습니다.

이번 포스팅에선 dry etch인 플라스마 식각에 대해 알아보겠습니다.

이번 글에서는 dry etch의 대표 기술인 Plasma Etching(플라스마 식각)의 원리와 구조, 그리고 한계를 정리합니다.  

이 내용을 정확히 이해해야,

이후 등장할 Cryogenic Etch(Cryo Etch)의 필요성과 기술적 배경을 명확히 파악할 수 있습니다.

 

1. Plasma Etch란?

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1.1 플라스마의 정의

플라스마는 제4의 물질 형태입니다.

전기적으로 중성 상태 유지하며 다수의 전자(-)와 이온(+)으로 분리된 집합체입니다.
에너지를 받아 분자가 이온과 전자로 분리되는 과정(이온화)을 통해 생성됩니다.

플라스마

전기적 에너지를 가진 이온화된 입자들의 중성 가스라고 보시면 됩니다.
etch, implantation, deposition 등의 다양한 공정에 활용됩니다.

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1.2 플라스마 발생 원리

이온(ion), 중성종(radical), 전자(electron)로 구성된 집합체가 플라스마입니다.

여기(Excitation) : 에너지가 충분하지 않다면! 전자는 분자의 바깥 궤도로 들뜨게 됩니다. 이는 일시적인 에너지 상태 변화로, 화학 결합은 그대로 유지됩니다. 들뜬 전자는 곧 원래 상태로 돌아가며, 그 과정에서 **광자(빛)나 진동 에너지**를 방출합니다.

중성종(radical) : 에너지가 적당히 있다면! 이때 공유결합이 깨져 해리(Dissociation)됩니다. 전자는 어디로 도망가지 않습니다. 따라서 해리된 원자는 중성종, 즉 라디칼(radical)이 됩니다. 모순적이게도 반응성이 높은 중성 입자이죠.

이온화(Ionization) : 에너지가 충분하다면! 외부 전계에 의해서 여기 된 전자가 가속하여 가스 원자와 부딪히고 이 가스 원자와 궤도 위의 전자가 궤도에서 떨어져 나가 자유전자를 형성하게 됩니다. 여기서 전자가 도망가버린 남은 원자는 (+) 이온이 되는 겁니다. 이 과정이 반복되면 나타나는 현상을 '플라스마'라고 부릅니다.

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1.3 플라스마의 분류

CCP (Capacitively-Coupled Plasma): 평행한 전극 사이에서 직류 또는 교류 전계를 인가해 플라스마를 형성하고 파워 전달 효율이 낮으나 균일하게 플라스마 형성이 가능합니다.
ICP (Inductively-Coupled Plasma): 코일에 교류 전압을 인가하여 전자기 유도를 통해 플라스마를 형성합니다. 전극이 필요 없고 파워 전달 효율이 높아 고밀도 플라스마 형성에 유리합니다. 밀도와 이온 에너지를 독립적으로 조절할 수가 있습니다.

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1.4 dry(건식) 식각의 원리와 종류

플라스마 방전에 의해 식각 가스가 생성되고, 이 가스가 표면으로 확산, 흡수, 반응, 탈착 된 후 배기되는 5단계 과정을 거칩니다.

종류는 아래와 같이 3가지로 나뉩니다.

1. Sputter Etching(물리적 식각)
2. Reactive Radical Etching(화학적 식각)
3. Reactive Ion Etching(RIE)(화학적+물리저 식각)

이 1,2를 보완한 버전이라 보시면 됩니다. 즉, 범용성 좋은 건 RIE이죠.

이러해서 Plasma etch는 dry 공법의 일부분으로 분류됩니다.

그럼 반도체에 있어서 Plasma Etch가 왜 중요할까요?

 

2. 반도체 공정 중 Plasma Etch의 중요성

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반도체 식각(Etch) 기술은 수십 년간 지속적으로 발전해 왔으며, 현재는 Wet Etch(습식)**와 Dry Etch(건식) 방식으로 크게 나뉩니다.

이 두 가지 방식 안에는 수많은 세부 공정들이 포함되어 있지만, 오늘날 Dry Etch, 그중에서도 Plasma Etch(플라스마 식각)은 산업적으로 가장 핵심적인 기술로 자리 잡고 있습니다.

그 이유는 다음과 같습니다.

 

Dry Etch의 기본이자 중추 기술.

 

dry etch의 핵심은 플라스마(Plasma)라고 말할 수 있겠습니다.

대부분의 dry etch는 Plasma에서 시작되었습니다. RIE, ICP, cryo... 등등도 전부 plasma 환경 내에서 작동합니다.
이전 포스팅에서 삼성전자에서는 dry 방식만을 채택한다고 언급했습니다. plasma etch의 유용성 때문이기도 하죠.

1. 이방성(Anisotropy) 확보
2. 고해상도 패턴 대응 가능 / Profile 제어
3. Selective Etch Control (선택비 조절)
4. 대규모 양산 + 확장성

등등의 이점이 있기 때문입니다.

만약 플라스마 에칭 기술이 없으면 

Plasma Etch의 방향성 식각(이방성)이 없다면, 다음과 같은 문제들이 발생합니다:
- Sidewall 무너짐 / Undercut / Line collapse
    → 패턴이 정확히 유지되지 않음
    
- 정밀 식각 불가
    → 3D NAND, FinFET, GAA 구조와 같은 고 종횡비 구조 불가능
    
- 고집적 DRAM 제조 불가  
    → 정밀한 Capacitor 형성이 어려움
    
- 식각 균일도 및 정밀도 저하
    
- 수율과 신뢰성 하락  
    → 전기적 특성까지 악영향

이것이 바로 기존의 다른 etch 기술과의 차이점입니다.

결국... Plasma Etch는 단순히 하나의 Etch 방식이 아니라,  
초미세&고집적 반도체 제조를 가능하게 하는 산업 표준 기술입니다.

여기서 한 가지 질문이 자연스럽게 떠오릅니다.

"그래. 차이점과 왜 중요한지 알 것 같다. 그렇다면 왜 굳이 cryo라는 새로운 기술을 또 필요하게 되었을까?"

바로 이 질문이 다음 챕터로 넘어가는 핵심 연결 고리입니다.

 

3. 왜 Cryo Etch가 필요하게 되었는가?

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20nm → 14nm → 10nm 노드로 진입하게 되면서...

FinFET 구조가 등장하고,
3D NAND 구조가 시작하고,
HAR 요구가 증가하게 되며,

해당 시기인 2010년대 초 중반 시점부터 Plasma etch의 한계가 드러나기 시작했습니다.

 

Plasma-Induced Damage, Profile Collapse 등 주요 한계가 존재하지만

*[PID 문제 - 포스팅예정]

정확히는 아래의 문제가 더 컸습니다.

 

1. profile 제어 문제 : 플라스마 특성상 너무 강한 물리적 식각 능력 == profile collapse(무너짐)
2. Mask 손상 문제: pattern의 미세화로 리소그래피 공정 단계에서 씌운 photoresist가 필연적으로 얇아지게 되고 플라스마로 인해 너무나 쉽게 손상이 됨. == 미세 조절 어려움.
3. Charging damage: 고체와 절연층 사이 경계에서 플라스마 충전으로 인한 전기적 대미지 증가
4. Scalloping 문제: Bosch 공정 사용 시, sidewall의 굴곡 현상(scalloping) == 구조적 불안정
5. Aspect ratio 제한: 식각 깊이가 깊어질수록 식각 이온 수가 감소하기 때문에 Dry Etch는 일반적으로 30:1 이상 HAR에서 균일한 식각 어려움.

이러한 다양한 한계로 새로운 기술을 요구하게 됐습니다.

 

4. 다음 글 예고

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확실히 플라스마 etching은 여전히 중요합니다. 응용 분야가 애초에 다양하니까요.

이렇게 중요한 기술이지만 한편으로는 HAR 구조 + 낮은 대미지 + 정밀도. 이 3 가지 조건이 동시에 요구되기 시작하면서 기존의 이 Plasma etch 기술로는 한계에 다다라 대체 기술이 필요한 상황이란 거죠.

2025년 현재 400단 NAND를 바라보게 되면서 단순 식각 조건을 바꾸는 것이 아니라 식각 환경 자체(온도, 반응성, 보호층의 안정성 등)를 바꾸는 접근으로 Cryo Etch가 대안으로 부상한 것이겠죠.

식각 조건 변화 -> 식각 환경 변화

로 요약이 가능하겠네요. 이다음이 또 있다면 그건 ALE겠죠?

 

그렇다면 다음 질문은?

"왜 하필 cryo인가?"

 

그렇다면 이제 Cryo etch가 무엇인지 알아봐야겠죠.

다음 포스팅은 'Cryogenic Etching의 원리와 등장 배경'입니다.
cryo etch 기술이 왜, 어떤 배경으로 등장했는지 알아보겠습니다.

 

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.