[Cryo Etch] Part 5. 개인 정리 및 공부 방향

※ 본 파트는 필자의 해석과 의견이 일부 포함되어 있습니다. 다만, 공개 자료와 업계 발표를 바탕으로 최대한 사실에 근거해 정리했습니다.

[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. 핵심 요약 및 필자 생각

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0.1. cryo etch는 좋다.

AI 발전으로 인해 반도체에는 3고(고성능, 고집적, 고효율) 메모리가 요구된다.
하지만 기존 플라스마 기반 Etch 공법은 이 3고 요구 충족에 한계가 있었다.

• 플라스마 Etch (예: Bosch 공정)
  • 문제점: Scalloping, PID 불안정 등
  • 성능 지표: AR ~40:1, Etch rate ~6 μm/min
• Cryo Etch
  • 장점: 극저온에서 가스 응축 → 보호막 안정적 형성, scallop 없음
  • 성능 지표: AR ~100:1, Etch rate ~18 μm/min

즉, Cryo는 기존 대비 성능·균일성·HAR 대응에서 유리하다.
 
이외에도 다양한 etch 공법이 제시되어 있으나 cryo가 가장 유망하다.

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0.2. 필자가 본 cryo에서의 중요 포인트

극저온 환경에서 etch 가스가 응축되어 보호막 역할을 한다고 설명했다.

그리고 etch 공정에서는 이온 충돌이나 라디칼 반응이 주요 식각 메커니즘이다.
 
따라서 cryo에서 좋은 etch를 하려면 극저온에서 etch 반응이 잘되며, 보호막 역할이 잘 작동되어야 할 것이다.
또한, 극저온 환경 상태를 유지하는 것뿐만 아니라 이 화학종이 얼마나 안정적으로 유지되느냐도 중요하다.
 
기존의 고전적인 etch 공정은 상온 위주로 진행된다.

하지만 cryo etch 공정은 온도가 점점 내려가 끝엔 극저온까지 내려간다.
cryo에서 핵심은 사용될 가스가 가져야 할 적절한 흡착 및 응축, 낮은 반응성과 안정성 특성이다.
 
당연히 극저온에서 etch할 때 가장 영향을 많이 주는 요소는 무엇인가?
 
가스 상호작용, 온도 안정성 이 두 가지이다.
 
필자는 가스에 주목했다.

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0.3. Cryo 3세대에서 HF 비중이 큰 이유

 
figure 1. 출처: https://www.fabricatedknowledge.com/p/semicon-west-big-shifts-in-the-nand

Semicon West: Big Shifts in the NAND Market

 

figure 1.

figure 1.을 보면, 두 번째에서는 내장형 냉각기를 사용하여 -70°C에서 진행되는 반면 첫 번째 의 경우 0~20도의 상온이다.
세 번째의 경우 -100도 이하까지도 간다.
 
기존 공정 세대부터 cryo 신 세대까지 HF의 점유율이 압도적으로 높아진다.
왜 세대를 거듭할 수록 HF 비중이 압도적일까?

이전에 다룬 필자 포스팅에서 HF 가스 etch 과정을 다룬 적이 있다.

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

위 포스팅에서 HF etchant 설명을 대충 요약하면 HF가 산화막과 만나면 Si-F 분자 구조가 생성되며 물에 의해 융해되면서 etch 되는 원리이다.
 
다시 figure 1.을 보면,
SF₆, O₂, CHF₃/C₄F₈, HF, NF₃, Cl₂, HBr 등의 가스가 주로 etch 가스로 쓰이는 것 같다.
 
etch에서 중요한 목표는 다음과 같다.

• 목표층을 선택적으로 식각할 것(selectivity) - 잘 깎는 것 보단, 안 깎아야 할 걸 안 깎는 것이 제일 중요.
• 조건 변화(gas flow, power, pressure...)에 민감하게 흔들리지 않으며, 좋은 uniformity.
• 레시피 단순화 및 균일성

단, Cryo 에서는 추가사항이 있다.

• 4. 극저온 안정성. - 온도에 민감한 가스는 수율 오차만 만들 것이다.
• 5. 적절한 응축 및 흡착 - 극저온에서 가스가 응축되어 형성된 보호막 두께가 적다면 scallop 패턴, undercut 현상이 일어날 것이다. 그렇다고 과도한 보호막은 etch 효율을 떨어트릴 것이다.

etch 가스를 선별할 때, 최소한 위 네 가지 사항을 기준으로 선택해야 할 것이다.
아래에 각 가스마다 위 사항을 비교해 본 표를 작성해 보았다.

 

Cryo Etch 화학종별 평가표

SF₆ (기본 식각 가스)	🟡 (Si 공격은 강하지만 산화막 공격은 제한적)	🟡 (저온에서 반응성 유지)	🟡 (보통)	🟡 (보조 가스 필요)	기본 공급원
O₂ (보호막 형성 보조 )	🔴 (산화막 자체를 강화 → 식각 방해)	🟡 (저온에서도 안정)	🟢 (산화막 강화 → Si 선택적 공격 가능)	🟡 (양 조절 중요)	선택비 향상용
CHF₃ / C₄F₈ (폴리머 가스)	🔴 (SiO₂ 공격력 약함)	🟡 (저온에서 응축)	🟡 (보통)	🔴 (폴리머 두께 불균일, 공정 복잡)	보조적
HF (플루오린화 수소)	🟢 (SiO₂ 직접 공격, 반응식 확실)	🟢 (극저온에서 응축 → 보호막 가능)	🟢 (산화막 vs Si 선택적 조정 용이)	🟢 (단순 반응 메커니즘, 균일성↑)	핵심 후보
NF₃	🟡 (Si 공격력 있음)	🟢 (극저온에서도 안정적)	🟡 (보통)	🟡 (보조적 사용)	플라즈마 안정화용
Cl₂, HBr (비플루오린계)	🔴 (SiO₂ 공격력 낮음)	🔴 (극저온 반응성 저조)	🔴 (선택비 낮음)	🔴 (비효율적)	Cryo에 부적합

 

참고 논문:

1. HF: SiO₂ etch, 극저온 안정성, 단순성

HF를 핵심으로 활용한 크라이오 식각(2세대)에서 SiO₂/SiN etch rate 최대 2.6 × 증가, PF₃ 보강이나 H₂O 펄스가 성능 향상에 기여.

• https://www.colorado.edu/lab/georgegroup/media/448

HF + H₂O의 흡착이 극저온에서 SI-etch 효율 및 충전 현상 완화에 큰 효과가 있음.

• https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11672179/
• https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdfdirect/10.1002/smtd.202400090

2. SF₆ / O₂: Sidewall 패시베이션

SF₆/O₂ 혼합이 극저온(-70 °C 이하)에서 측벽 보호막(SiOxFy) 형성에 매우 효과적이라는 연구.

• https://mtl.mit.edu/pipermail/labnetwork/attachments/20200406/761a9376/attachment-0001.pdf

플라스마에서의 physisorption 기반 패시베이션 증가가 크라이오 식각에서 수직도 유지에 핵심 역할.

• https://www.pppl.gov/events/2025/renewed-interest-cryogenic-etching-processes-what-are-advantages-cooling-substratehttps://www.pppl.gov/events/2025/renewed-interest-cryogenic-etching-processes-what-are-advantages-cooling-substrate?utm_source=chatgpt.com).

3. CHF₃: polymer 보호막 형성

CF₄ 플라스마에서 극저온(-100 °C)일수록 CF 라디칼 밀도 감소 → 대신 sidewall 보호막 응축 증가 확인.

• https://pubs.aip.org/aip/apl/article/126/3/031602/3331826/Cryogenic-cyclical-etching-of-Si-using-CF4-plasma

CHF₃/Ar 조합에서 특정 온도 조건에서 Si₃N₄에 대해 무한대 선택비(etch vs deposition 전환), 온도 변화에 따라 식각 모드 전환.

• https://www.bohrium.com/paper-details/cryogenic-etching-of-silicon-compounds-using-a-chf3-based-plasma/845659835209875459-585

4. Cl₂: 부적합성 및 선택비 한계

Cl₂ 플라스마는 2.5 nm 이하의 SiO₂에서 Cl 침투 → SiClₓ층 형성만 확인됐고, 실질적 SiO₂ 제거까지 이어지지 않음.

• https://www.researchgate.net/publication/252336711_Etching_mechanisms_of_thin_SiO2_exposed_to_Cl2_plasmahttps://www.researchgate.net/publication/252336711_Etching_mechanisms_of_thin_SiO2_exposed_to_Cl2_plasma?utm_source=chatgpt.com).

이는 SiO₂ 식각력이 약하고 Cryo 환경에서 선택비 확보에 부적합하다는 근거가 된다.

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O₂, CHF₃/C₄F₈, Cl₂ 얘들은 화학종 특성상 보호막 형성이 과할 것이다.
 
따라서 상온 및 저온에서는 온도 민감성이 그리 크지 않기에 이 비슷한 종들은 기본 상온 etch 공정이나 cryo 1세대~2세대까지도 잘 동작했을 것이다.
 
그러나 세대가 갈수록 cryo etch 메커니즘은 응축, 흡착 안정성에 의존하게 된다.
그래서 위 화학종들은 온도에 민감하므로 극저온에서 부정적으로 작용할 것이다.
 
또한, 다양한 가스를 조합하기 때문에 레시피 또한 단순하지 않을 것이고 공정이 꽤나 복잡해질 것이다.
 
반면 HF 가스로만 이루어진 etch 환경에서는 극저온에서 SiO2 산화막 간 반응이 잘되고, 흡착과 보호막 형성 균형이 좋다.
 
순수한 불산 HF는 끓는점이 약 19.5℃이기 때문에 상온에서 기체상태이고 극저온 -70℃~-100℃도 이후에서는 고체로 응축되어 챔버 벽이나 웨이퍼 sdiewall에 흡착되어 붙는다.
 
이것이 sidewall passivation layer 역할이다.

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0.4. 필자의 결론 및 정리

Cryo에서 HF 가스가 대세가 된 이유에는 단순히 SiO2 반응성이 좋다는 이유뿐만이 아닐 것이다.
극저온 환경에서 흡착, 반응의 적절한 사이클이 가능한 동시 온도 변화에 민감하지 않기 때문일 것이다.
 

앞으로 공정 노드가 미세해지고 복잡해질수록,
단순화, HAR 등의 문제가 심화될수록,

 
이러한 저온에서의 안정성은 더욱 중요해지고 핵심 지표가 될 것이다.
 
따라서 앞으로 미세화 및 HAR 공정이 심화될수록 Cryo Etch는 반도체 기술의 중심에 설 능성이 크며 이에 맞는 가스를 선택할 때에는 단순 화학반응만 볼게 아니라,

• 저온에서의 안정성,
• 보호막 형성 메커니즘,
• 균일성 확보,

이 세 가지까지 종합적으로 판단해야 하며 현재로서는 HF가 가장 적합한 화학종 후보이다.
 

1. Cryo Etch 이후 공부할 주제 (e.g., Etch Recipe 최적화, PID 실험 논문)

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다음 주제를 중심으로 문헌&논문 탐구 필요:

• GAA 트랜지스터: 초미세 패턴 형성 및 HAR 요구
• HBM/3D NAND: 깊고 균일한 Via 구조 필수
• PID 안정화: Cryo 조건에서 플라스마 파라미터 최적화 연구

 

2. 학생인 필자 관점에서 본 장점&단점 총평

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Cryo는 분명히 좋은 기술임에는 분명하다.

 
장점

1. HAR(High Aspect Ratio) 식각 가능
2. Scalloping 현상 억제
3. Sidewall 손상 최소화
4. AI 반도체 (GAA, HBM, 3D NAND 등) 적용 가능

단점

1. 극저온 환경 유지 자체의 어려움
2. 온도 제어 안정성 부족 → 수율 문제
3. Recipe 안정화 난제
4. 장비 투자 및 라인 변경 비용 부담

 

3. 끝을 맺으며

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원래 이 Cryo 기술 분석을 PART 5까지 길게 끌지 않으려고 했습니다.
대충 대강 이해하며 살펴보려고만 했죠. 

하지만 자료를 조사하며 파고들수록 의문이 생겼고 이 의문의 의문이 새로이 태어나면서 궁금증 해소에 시간을 좀 많이 소비했습니다.

필자는 궁금증이 생기면 해소하려고 발악하는 성격을 가지고 있습니다.

이 성격이 장점이자 단점인 이유가 예를 들어, 시험공부를 할 때 의문이 생기면 그 의문을 해소하기 전까진 시험공부를 잠시 멈춥니다.
분명 그 시험과 관련이 있지만 점수를 얻는 것에는 별로 도움이 안 되는 내용이 대다수였죠.

이에 학부 시절 제 동기들에 의하면 "미련하고 가까운 길을 멀리 돌아간다."라 저를 평가했습니다.

하지만, 좀 더 깊게 이해하게 된다는 장점이 있습니다.
대신 시험을 망친다는 점이죠.

서론을 각설하고, 다음 기술 분석은 아마 GAA나 HBM일 겁니다.

아직 확실하게 정해진 건 아니라서요.

일단 바로 다음 글은 또 다른 기술 분석 포스팅은 아니고 Cryo 기술 분석 파트의 연장선이라 생각하시면 됩니다.

사실 Cryo etch 기술을 제일 먼저 기술 분석 포스팅 콘텐츠로 선택한 이유가 Ai와 관련이 깊습니다.
"Ai 산업이 발전할수록 반도체에서 어느 공정이 가장 큰 영향을 주며, 중요해질까?"라는 질문이 가장 큰 이유였습니다.

여기서 또 의문이 하나 생겼습니다.

과연 Ai가 이대로 계속 발전할 것인가? 그렇다면 어디까지 발전할 것인가?
만약 발전 한계가 존재한다면? 한계에 봉착할 시기는 언제인가?
이에 반도체 산업은 어떤 대처를 할 것이며, 어떤 또 다른 기술이 등장할 것인가?

그래서 이 바로 다음 글은 Cryo etch 관련 자료 조사 과정 중 생긴 의문 하나에 대한 서술입니다.
 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.