단면도 (Cross-section) — 옆에서 자른 모습 · 좁은 화면은 좌우로 스크롤💡쉽게 말하면 리소그래피로 그린 패턴(PR)을 마스크 삼아, 그 아래 막을 깎아내 모양을 새기는 단계. PR이 가린 곳은 남고, 노출된 곳만 파입니다. "조각칼로 도장 파듯" 필요 없는 부분을 제거합니다.
식각은 노광으로 형성한 감광막(PR) 패턴을 마스크로 삼아 하부 박막을 선택적으로 제거하는 공정입니다. 크게 화학용액을 쓰는 습식(Wet)과 플라즈마를 쓰는 건식(Dry)으로 나뉘고, 깎이는 방향성에 따라 모든 방향으로 파이는 등방성(Isotropic)과 수직으로만 파이는 이방성(Anisotropic)으로 구분합니다. 미세 패턴일수록 이방성 건식 식각이 필수입니다.
등방성은 가로·세로 모든 방향으로 같은 속도로 깎여 마스크 아래까지 침식(언더컷)됩니다. 주로 습식 식각이 등방성입니다. 이방성은 수직 방향으로만 깎여 마스크 폭 그대로 깊게 파이며, 플라즈마의 이온 방향성(물리적 식각)을 이용한 건식 식각에서 구현됩니다. 미세 패턴은 이방성이 필수입니다.
Q. 식각 프로파일을 평가하는 지표에는 무엇이 있나요?▾ 답
① 식각률(nm/min)과 그 균일도(웨이퍼 내 WIWNU, 웨이퍼 간 WTWNU), ② 선택비(목표막/하지막·마스크), ③ 측벽 각도(이방성 정도, 보통 88~90°를 목표), ④ CD bias(식각 전후 선폭 변화), ⑤ 표면 거칠기와 잔류물 유무입니다. 이들이 종합적으로 패턴 충실도를 결정합니다.
Q. 식각과 증착·이온주입을 공정 관점에서 비교하면?▾ 답
식각은 막을 선택적으로 제거하는 subtractive 공정이고, 증착(CVD/PVD/ALD)은 막을 더하는 additive 공정, 이온주입은 도펀트를 주입해 전기적 특성을 바꾸는 공정입니다. 패턴은 보통 리소그래피로 PR에 형상을 정의한 뒤 식각으로 하부막에 전사하거나, 주입 시 PR을 마스크로 선택 영역만 도핑하는 식으로 결합됩니다.
2
습식 식각 (Wet Etch)
Wet EtchingBOE / HFH3PO4등방성
단면도 (Cross-section) — 옆에서 자른 모습 · 좁은 화면은 좌우로 스크롤💡쉽게 말하면 화학 용액에 담가 막을 녹이는 방식. 싸고 빠르지만 사방으로 녹아 미세 패턴엔 부적합. "통째로 산성 용액에 담그는" 느낌이라 균일하게 많이 벗겨낼 때 씁니다.
습식 식각은 화학 용액의 선택적 용해 반응을 이용합니다. 산화막은 BOE(Buffered Oxide Etchant)나 HF로, 질화막은 고온 인산(H3PO4, ~160°C)으로, 실리콘은 KOH/TMAH로 식각합니다. 선택비가 매우 높고 장비가 저렴하지만, 등방성이라 언더컷이 생겨 미세 패턴엔 쓸 수 없고 주로 막 전체 제거나 세정성 식각에 사용됩니다.
핵심 포인트
▸SiO2 → BOE(HF+NH4F), Si3N4 → 고온 인산, Si → KOH/TMAH
약 160°C의 끓는 인산(H3PO4)은 질화막을 산화막 대비 선택비 높게 식각해, STI나 스페이서 형성 후 질화막만 선택 제거할 때 씁니다. 다만 용액 내 실리카 농도가 변하면 식각률이 바뀌므로 농도·온도를 정밀 관리해야 하고, 산화막과의 선택비를 유지하기 위해 용액 상태를 모니터링합니다.
Q. 습식 식각이 여전히 쓰이는 공정 사례는?▾ 답
미세 패턴 형성에는 부적합하지만, ① 막 전체 제거(strip)나 희생층 제거, ② 식각 손상·잔류물 세정, ③ 비등방성이 필요 없는 큰 패턴, ④ 결정면 의존 식각(KOH로 Si <111>면 정지)을 이용한 MEMS·웨트 에치 구조 형성 등에 활용됩니다. 선택비가 높고 플라즈마 손상이 없으며 배치 처리로 생산성이 좋다는 장점 때문입니다.
3
건식 식각 / RIE
Reactive Ion Etching플라즈마CF4/Cl2이방성
단면도 (Cross-section) — 옆에서 자른 모습 · 좁은 화면은 좌우로 스크롤💡쉽게 말하면 진공 챔버에서 가스를 플라즈마로 만들어, 전기로 가속한 이온을 웨이퍼에 수직으로 때려 깎는 방식. 위에서 아래로만 파여서 미세하고 깊은 패턴이 가능합니다. "모래 분사로 수직으로 깎는" 느낌 + 화학반응이 합쳐진 것.
RIE(반응성 이온 식각)는 플라즈마의 화학 반응(라디칼)과 물리적 충격(이온 충돌)을 동시에 이용합니다. 바이어스 전압으로 이온을 웨이퍼 표면에 수직 가속시켜 바닥은 강하게, 측벽은 약하게 식각하므로 이방성 프로파일을 얻습니다. 측벽엔 부산물(폴리머)이 보호막을 형성(passivation)해 수직성을 강화합니다. 산화막은 불소계(CF4, C4F8), 금속/실리콘은 염소계(Cl2, HBr) 가스를 씁니다.
핵심 포인트
▸화학(라디칼) + 물리(이온 충격) 결합 → 이방성 + 적당한 선택비
▸RF 바이어스로 이온 방향성·에너지 제어
▸측벽 폴리머 패시베이션으로 수직 프로파일 유지
▸ICP/CCP: 플라즈마 밀도와 이온 에너지를 독립 제어
⚠ 주요 불량
플라즈마 손상(Charging)
이온 충격·전하 축적
영향: 게이트 산화막 열화
식각 잔류물/폴리머
부산물 과다 증착
영향: 후속 단락·결함
마이크로트렌칭
측벽 반사 이온이 바닥 모서리 집중
영향: 바닥 모서리 과식각
면접 포인트
Q. RIE가 이방성을 갖는 원리는?▾ 답
플라즈마의 라디칼은 등방성 화학 식각을 하지만, RF 바이어스로 가속된 이온은 웨이퍼에 수직으로 입사합니다. 바닥은 이온 충격으로 식각이 촉진되고 측벽은 이온이 닿지 않아 부산물 폴리머가 보호막을 형성합니다. 결국 수직 방향만 빠르게 식각돼 이방성 프로파일이 만들어집니다.
Q. ICP와 CCP의 차이는?▾ 답
CCP(용량결합)는 전극 간 RF로 플라즈마를 만들어 이온 에너지는 크지만 밀도가 낮습니다. ICP(유도결합)는 코일로 고밀도 플라즈마를 생성하고 별도 바이어스로 이온 에너지를 독립 제어합니다. ICP는 밀도와 에너지를 따로 조절할 수 있어 고종횡비·고선택비 식각에 유리합니다.
단면도 (Cross-section) — 옆에서 자른 모습 · 좁은 화면은 좌우로 스크롤💡쉽게 말하면 "깎고 싶은 막은 빨리, 그 아래 막(또는 마스크)은 천천히" 깎이게 하는 비율이 선택비. 구멍의 깊이÷폭이 종횡비. 종횡비가 클수록(깊고 좁을수록) 식각이 어렵습니다.
선택비(Selectivity)는 목표막 식각률 ÷ 하지막(또는 마스크) 식각률입니다. 선택비가 높아야 식각을 멈춰야 할 층에서 멈추고 마스크가 버팁니다. 종횡비(Aspect Ratio)는 식각된 구조의 깊이 ÷ 폭으로, NAND 채널홀처럼 60:1을 넘으면 이온·반응종이 바닥까지 도달하기 어려워 식각률이 떨어지는 ARDE(Aspect Ratio Dependent Etching) 현상이 생깁니다. CD(Critical Dimension)는 패턴의 임계 선폭으로, 식각 후 CD 변화(bias)를 관리합니다.
핵심 포인트
▸선택비 = 목표막 식각률 ÷ 하지막/마스크 식각률 (높을수록 좋음)
▸종횡비 = 깊이 ÷ 폭 — 클수록 식각 난이도 급상승
▸ARDE/RIE-lag: 좁은 패턴이 넓은 패턴보다 느리게 식각
▸CD bias 관리 — 식각 전후 선폭 변화 최소화
⚠ 주요 불량
마스크 소진(Erosion)
선택비 부족
영향: 패턴 깨짐, 깊이 부족
식각 정지(Etch stop)
고종횡비에서 반응종 고갈
영향: 바닥 미개통
면접 포인트
Q. 선택비가 왜 중요한가요?▾ 답
식각은 목표막만 깎고 그 아래 정지층이나 마스크는 보존해야 합니다. 선택비가 낮으면 목표막을 다 깎기 전에 마스크가 소진되거나 하지막까지 파여 소자가 손상됩니다. 예를 들어 콘택홀 식각에서 산화막:실리콘 선택비가 높아야 실리콘 기판을 손상시키지 않고 멈출 수 있습니다.
Q. ARDE(또는 RIE-lag)란 무엇이고 왜 생기나요?▾ 답
ARDE(Aspect Ratio Dependent Etching)는 종횡비가 큰(좁고 깊은) 패턴이 넓은 패턴보다 느리게 식각되는 현상입니다. 깊고 좁은 구멍일수록 반응종(라디칼·이온)이 바닥까지 도달하기 어렵고, 식각 부산물이 빠져나오기 힘들기 때문입니다. 패턴 밀도가 다른 영역 간 식각 깊이 편차를 유발해, 종말점 이후 over-etch나 펄스 플라즈마로 보정합니다.
Q. 식각 마스크로 PR 대신 하드마스크를 쓰는 이유는?▾ 답
고종횡비·고에너지 식각에서는 PR이 먼저 소진되거나 변형돼 패턴이 무너집니다. SiN, 비정질 카본(ACL/APF), 금속(TiN) 같은 하드마스크는 식각 내성이 훨씬 커서 깊은 구조를 끝까지 보호합니다. 특히 3D NAND 채널홀처럼 수 µm를 뚫어야 하는 경우 두꺼운 카본 하드마스크가 필수입니다.
5
고종횡비 식각 (HARC)
High Aspect Ratio Contact채널홀Bosch극저온
단면도 (Cross-section) — 옆에서 자른 모습 · 좁은 화면은 좌우로 스크롤💡쉽게 말하면 3D NAND 채널홀이나 DRAM 커패시터처럼 아주 깊고 좁은 구멍을 뚫는 최고난도 식각. 수십 층을 한 번에 수직으로 관통해야 해서 식각/보호를 번갈아 하거나 극저온을 씁니다.
HARC는 3D NAND의 채널홀(수백 층 관통, AR 60:1↑)이나 DRAM 깊은 트렌치처럼 극단적 종횡비 구조를 식각합니다. 일반 RIE로는 바닥까지 반응종이 도달하지 못해, ① 식각/패시베이션을 교대로 반복하는 Bosch 공정(MEMS), ② 측벽 보호를 극대화하는 극저온(Cryo) 식각, ③ 고에너지 이온과 두꺼운 카본 하드마스크를 쓰는 방법을 동원합니다. 휨(bowing), 비틀림(twisting), 미개통이 핵심 난제입니다.
핵심 포인트
▸3D NAND 채널홀: AR 60:1↑ 수백 층 동시 관통
▸Bosch 공정: SF6 식각 ↔ C4F8 측벽보호 사이클 반복
▸극저온 식각: 측벽 응축막으로 수직성 강화
▸두꺼운 카본 하드마스크 + 고에너지 이온 필요
⚠ 주요 불량
Bowing(휨)
상부 측벽 과식각
영향: 구멍 중간이 배불뚝
Twisting(비틀림)
깊이별 이온 경로 틀어짐
영향: 채널홀 정렬 불량
Not-open(미개통)
바닥 반응종 고갈
영향: 셀 단선
면접 포인트
Q. 3D NAND 채널홀 식각이 어려운 이유는?▾ 답
수백 층(수 µm 깊이)을 폭 100nm 이하로 수직 관통해야 해 종횡비가 60:1을 넘습니다. 깊어질수록 이온·반응종이 바닥에 도달하기 어려워 식각이 느려지고(ARDE), 측벽이 부풀거나(bowing) 비틀리며(twisting) 바닥이 안 뚫리는(not-open) 문제가 생깁니다. 그래서 두꺼운 카본 마스크, 고에너지 펄스 플라즈마, 측벽 보호 화학을 정밀 제어합니다.
Q. Bosch 공정과 극저온(Cryo) 식각의 차이는?▾ 답
Bosch 공정은 SF6 식각 단계와 C4F8 측벽 패시베이션 단계를 빠르게 번갈아 반복해 깊은 수직 구조를 만듭니다. 측벽에 미세한 부채꼴 굴곡(scallop)이 남는 것이 특징으로 주로 MEMS·TSV에 씁니다. 극저온 식각은 웨이퍼를 영하 수십 °C로 냉각해 측벽에 반응 억제막이 응축되도록 해 매끈한 수직 측벽을 얻습니다. 둘 다 고종횡비를 위한 측벽 보호 전략입니다.
Q. Bowing(휨) 결함은 왜 생기고 어떻게 줄이나요?▾ 답
깊은 홀 식각에서 측벽 상부가 이온의 산란·전하축적으로 과식각돼 가운데가 배불뚝이처럼 부푸는 현상입니다. 이온 입사각 산포와 차징이 주원인입니다. 펄스 플라즈마로 차징을 완화하고, 측벽 패시베이션을 강화하며, 이온 에너지·각도 분포를 좁혀(콜리메이션) 줄입니다.
6
종말점 & 로딩 효과
Endpoint & LoadingEPDOESLoading
단면도 (Cross-section) — 옆에서 자른 모습 · 좁은 화면은 좌우로 스크롤💡쉽게 말하면 "언제 식각을 멈출지"를 플라즈마 빛(발광)으로 감지하는 게 종말점 검출. 또 식각할 면적이 넓으면 반응 가스가 분산돼 느려지는데 이게 로딩 효과입니다.
종말점 검출(EPD, Endpoint Detection)은 목표막이 다 식각돼 하지막이 드러나는 순간 플라즈마 발광 스펙트럼(OES)이나 간섭 신호가 바뀌는 것을 감지해 식각을 정확히 멈춥니다. 과식각(over-etch)을 최소화해 하지 손상을 방지합니다. 로딩 효과(Loading)는 노출된 식각 면적이 클수록 반응종이 분산돼 식각률이 떨어지는 현상(macro-loading)과, 패턴 밀도에 따른 국부 편차(micro-loading)로 균일도를 해칩니다.
핵심 포인트
▸EPD: OES(발광분광)·간섭계로 막 소진 순간 감지 → 식각 정지
▸적정 over-etch로 잔류 없이 하지 손상 최소화
▸Macro-loading: 큰 노출 면적 → 식각률 저하
▸Micro-loading/ARDE: 패턴 밀도·종횡비별 식각률 편차
⚠ 주요 불량
과식각(Over-etch)
종말점 놓침
영향: 하지막 손상, CD 손실
식각 부족(Under-etch)
로딩으로 식각률 저하
영향: 잔류물, 미개통
면내 불균일
로딩·가스 흐름 편차
영향: 웨이퍼 위치별 편차
면접 포인트
Q. 종말점 검출(EPD)은 어떻게 하나요?▾ 답
플라즈마에서 식각 반응 생성물이나 반응 가스의 특정 파장 발광 세기를 OES(광방출분광)로 실시간 모니터링합니다. 목표막이 다 식각돼 하지막이 노출되면 반응 생성물 농도가 급변해 발광 신호가 꺾이는데, 그 변곡점을 종말점으로 잡아 식각을 멈춥니다. 박막 두께가 얇으면 레이저 간섭 신호 변화도 활용합니다.
Q. Macro-loading과 micro-loading의 차이는?▾ 답
Macro-loading은 웨이퍼 전체에서 노출된 식각 면적이 클수록 반응종이 분산·소모돼 식각률이 전반적으로 떨어지는 현상입니다. Micro-loading은 같은 웨이퍼 안에서도 패턴 밀도가 다른 영역 간에 식각률이 달라지는 국부 편차로, ARDE와 함께 종횡비·밀도 의존성으로 나타납니다. 더미 패턴 배치와 가스·압력 조건으로 완화합니다.
Q. Over-etch는 왜 필요하고 얼마나 해야 하나요?▾ 답
면내 식각률 불균일과 막두께 산포 때문에, 종말점에서 바로 멈추면 일부 영역에 잔류막이 남습니다. 그래서 종말점 이후 일정 비율(보통 10~30%) over-etch를 추가해 전 영역에서 막을 완전히 제거합니다. 다만 과도하면 하지막 손상·notching·CD 손실이 생기므로, 하지막과의 선택비가 높아야 안전한 over-etch 마진을 확보할 수 있습니다.