건식 식각과 습식 식각의 차이는 무엇인가?

액체로 깎을까, 플라즈마로 깎을까?

앞선 글에서 식각 공정은 반도체 웨이퍼 위에 만들어진 패턴을 기준으로 필요 없는 물질을 제거하는 과정이라고 알아봤습니다.

그렇다면 한 가지 궁금한 점이 생깁니다.

똑같이 물질을 제거하는데 왜 식각 방법이 여러 가지일까요?

반도체 제조에서 사용하는 식각은 크게 습식 식각(Wet Etching)​과 건식 식각(Dry Etching)​으로 나눌 수 있습니다.

가장 간단하게 표현하면,

습식 식각은 액체 화학약품으로 깎는 방법이고, 건식 식각은 기체와 플라즈마를 이용해 깎는 방법입니다.

하지만 두 방식의 차이는 단순히 액체와 기체의 차이만은 아닙니다.

어떤 방향으로 깎이는지, 얼마나 미세한 구조를 만들 수 있는지, 어떤 재료를 선택적으로 제거할 수 있는지에 따라 결과가 크게 달라집니다.

그래서 반도체 공정에서는 패턴의 크기와 구조, 사용하는 재료에 맞춰 적절한 식각 방법을 선택합니다.

먼저 식각이 왜 필요한지 다시 살펴보자

반도체를 만드는 과정에서는 웨이퍼 위에 산화막, 질화막, 금속막, 절연막 등 여러 재료를 차례대로 쌓습니다.

하지만 막을 쌓는 것만으로는 회로가 완성되지 않습니다.

필요한 부분만 남기고 나머지를 제거해야 실제 회로 구조가 만들어집니다.

이때 앞선 노광과 현상 공정에서 만든 패턴이 식각의 기준이 됩니다.

쉽게 생각하면 다음과 같습니다.

노광 → 어디를 남길지 결정

현상 → 그 위치를 식각할 수 있도록 패턴 형성

식각 → 실제 아래층 물질을 제거

따라서 식각은 단순히 물질을 녹이는 과정이 아니라 설계된 회로 모양을 실제 웨이퍼 구조로 옮기는 과정이라고 볼 수 있습니다.

습식 식각은 액체 화학약품으로 깎는다

습식 식각은 말 그대로 액체 상태의 화학약품을 이용해 특정 물질을 제거하는 방법입니다.

웨이퍼 표면의 물질과 식각액 사이에 화학반응이 일어나면서 원하는 막이 제거됩니다.

쉽게 비유하면 금속 표면에 특정 화학약품을 처리해 조금씩 녹여내는 것과 비슷합니다.

습식 식각의 가장 큰 장점은 공정 원리가 비교적 단순하고, 특정 재료에 대해 높은 식각 속도와 선택성을 얻을 수 있다는 점입니다.

또한 공정 조건에 따라 여러 장의 웨이퍼를 한 번에 처리할 수 있기 때문에 생산성이 중요한 분야에서는 여전히 유용하게 사용됩니다.

습식 식각의 장점

• 공정 원리가 비교적 단순하다
• 특정 재료에 대해 높은 선택성을 확보할 수 있다
• 넓은 영역을 빠르게 제거하는 데 유리하다
• 장비 구성이 상대적으로 단순하다
• 일부 공정에서는 비용 측면에서 유리하다

하지만 습식 식각에는 중요한 한계가 있습니다.

바로 식각의 방향을 정밀하게 제어하기 어렵다는 점입니다.

습식 식각의 대표적인 특징, 등방성

습식 식각을 이해할 때 가장 중요한 단어 중 하나가 등방성(Isotropic)​입니다.

등방성 식각은 쉽게 말하면 위아래뿐만 아니라 옆 방향으로도 식각이 진행되는 특성을 의미합니다.

예를 들어 위쪽의 일부가 식각되기 시작하면 아래쪽뿐만 아니라 마스크 아래쪽까지 파고들 수 있습니다.

이러한 현상을 쉽게 표현하면 다음과 같습니다.

식각 전

████████    ████████
████████    ████████
───────────────
───────────────


식각 후

██████      ██████
████        ████
──────┐    ┌──────
──────┘    └──────

이처럼 마스크 아래쪽까지 파고드는 현상을 언더컷(Undercut)​이라고 합니다.

패턴이 넓은 경우에는 큰 문제가 되지 않을 수 있지만, 회로 선폭이 매우 작은 반도체에서는 작은 언더컷도 패턴의 크기와 형태에 영향을 줄 수 있습니다.

그래서 아주 미세하고 정밀한 구조를 만들어야 하는 공정에서는 건식 식각이 중요한 역할을 합니다.

건식 식각은 플라즈마를 이용한다

건식 식각은 액체 화학약품 대신 기체와 플라즈마를 이용해 웨이퍼 표면의 물질을 제거하는 방식입니다.

일반적으로 진공 상태의 식각 챔버에 특정 가스를 주입하고 전기 에너지를 가하면 플라즈마가 만들어집니다.

이 과정에서 이온과 라디칼 등 다양한 반응성 입자가 생성됩니다.

이 입자들은 웨이퍼 표면의 물질과 화학적으로 반응하거나 물리적으로 충돌하면서 식각을 진행합니다.

즉, 건식 식각은 단순히 ‘플라즈마로 때려서 깎는 것’이 아닙니다.

화학적 반응과 물리적 작용을 적절하게 조절하면서 원하는 물질을 제거하는 기술입니다.

건식 식각의 가장 큰 장점은 방향성이다

건식 식각을 이야기할 때 가장 중요한 특징 중 하나가 이방성(Anisotropic)​입니다.

이방성은 모든 방향으로 똑같이 식각되는 것이 아니라 특정 방향으로 식각을 집중시킬 수 있는 특성을 말합니다.

특히 플라즈마에서 생성된 이온의 움직임을 제어하면 웨이퍼 표면에 대해 수직 방향으로 식각을 진행하는 데 유리합니다.

그 결과 다음과 같이 비교적 곧고 깊은 구조를 만들 수 있습니다.

습식 식각

████████    ████████
 ██████      ██████
  ████        ████
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건식 식각

████████    ████████
████████    ████████
████████    ████████
────────────────────

물론 실제 건식 식각에서도 완벽하게 수직으로만 식각되는 것은 아닙니다.

플라즈마 조건, 가스 조합, 압력, 전력, 재료 특성 등에 따라 식각 프로파일이 달라집니다.

중요한 것은 원하는 방향과 형태로 식각 프로파일을 제어하기가 습식 식각보다 유리하다는 것입니다.

습식 식각과 건식 식각을 비교하면?

두 방식의 차이를 표로 정리하면 훨씬 쉽게 이해할 수 있습니다.

구분	습식 식각	건식 식각
식각 방식	액체 화학약품	기체·플라즈마
주요 원리	화학반응	화학반응 + 물리적 작용
방향성	상대적으로 낮음	높은 방향성 확보에 유리
대표적인 특징	등방성 식각이 나타나기 쉬움	이방성 식각에 유리
장점	빠른 식각, 높은 선택성, 비교적 단순한 공정	미세하고 깊은 구조 형성에 유리
단점	언더컷 발생 가능	장비와 공정 제어가 복잡함
장비	상대적으로 단순	진공·플라즈마 장비 필요
주요 활용	특정 막 제거, 넓은 영역 식각 등	미세 반도체 구조, 고종횡비 구조 등

여기서 중요한 것은 건식 식각이 모든 면에서 습식 식각보다 우수한 것은 아니라는 점입니다.

두 방식은 서로 경쟁하는 관계라기보다 각각 잘하는 영역이 다릅니다.

왜 최신 반도체에서는 건식 식각이 중요할까?

반도체의 회로가 미세해질수록 식각에서 요구되는 정밀도도 높아집니다.

예를 들어 넓은 면적의 막을 제거하는 공정이라면 약간의 측면 식각이 발생하더라도 큰 문제가 되지 않을 수 있습니다.

하지만 선폭이 매우 좁거나 깊은 구조를 만들어야 한다면 이야기가 달라집니다.

특히 고종횡비(High Aspect Ratio) 구조에서는 좁은 구멍을 깊게 뚫어야 하기 때문에 식각 방향을 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다.

대표적으로 3D NAND와 같은 메모리 구조에서는 높은 종횡비를 가진 깊은 구조를 형성해야 하기 때문에 건식 식각 기술이 매우 중요합니다.

단순히 ‘더 작게 만드는 기술’이 아니라,

좁은 폭을 유지하면서 원하는 깊이까지 정확하게 식각하는 기술

이 필요한 것입니다.

그렇다면 습식 식각은 이제 필요 없을까?

그렇지 않습니다.

반도체 공정이 발전했다고 해서 습식 식각이 사라지는 것은 아닙니다.

오히려 특정 재료를 빠르게 제거하거나 높은 선택성을 확보해야 하는 공정에서는 습식 식각이 여전히 유용합니다.

예를 들어 어떤 막은 식각액에 잘 반응하지만 다른 막은 거의 반응하지 않는 조건을 찾을 수 있습니다.

이 경우 원하는 막만 선택적으로 제거하는 데 습식 식각이 유리할 수 있습니다.

따라서 중요한 것은

“습식과 건식 중 무엇이 더 좋은가?”

가 아니라

“지금 만들려고 하는 구조에는 어떤 식각 방식이 더 적합한가?”

입니다.

식각에서 중요한 또 하나의 개념, 선택비

습식과 건식 식각을 비교할 때 선택비(Selectivity)​도 빼놓을 수 없습니다.

선택비는 쉽게 말하면

“깎아야 할 물질은 잘 깎고, 보호해야 할 물질은 얼마나 잘 남길 수 있는가”

를 나타내는 개념입니다.

예를 들어 A라는 막을 제거해야 하는데 그 아래에 B라는 막이 있다고 생각해 보겠습니다.

A는 빠르게 제거하면서 B는 거의 제거되지 않는 식각 조건이라면 좋은 선택비를 가진 조건이라고 볼 수 있습니다.

반도체에서는 여러 층의 막이 쌓여 있기 때문에 이 특성이 매우 중요합니다.

식각을 너무 많이 진행하면 아래층이 손상될 수 있기 때문입니다.

결국 좋은 식각 공정은 빠르게 깎는 공정이 아니라 필요한 물질만 정확하게 제거하는 공정입니다.

건식 식각은 왜 비쌀까?

건식 식각은 진공 환경과 플라즈마를 이용하기 때문에 습식 식각보다 장비가 복잡합니다.

챔버 내부의 압력을 정밀하게 제어해야 하고, 가스의 종류와 유량, 전력, 온도 등 여러 조건을 함께 관리해야 합니다.

또한 장비 내부에서 발생하는 부산물과 파티클을 관리하는 것도 중요합니다.

이 때문에 건식 식각 장비는 높은 수준의 공정 제어 기술이 필요하고 장비 투자와 유지관리 역시 중요합니다.

하지만 미세한 회로를 정밀하게 만들어야 하는 반도체 공정에서는 이러한 복잡성을 감수할 만큼 건식 식각의 가치가 큽니다.

식각 과정에서 환경 문제는 없을까?

습식 식각에서는 화학약품을 사용하기 때문에 사용 후 발생하는 폐액을 적절하게 처리해야 합니다.

건식 식각 역시 문제가 없는 것은 아닙니다.

공정에 사용되는 가스와 식각 과정에서 발생하는 부산물을 적절하게 처리해야 합니다.

그래서 반도체 제조라인에서는 폐액 처리 시설뿐만 아니라 배출가스를 처리하는 장치 등을 함께 운영합니다.

즉, 식각 기술에서 중요한 것은 단순히 웨이퍼를 잘 깎는 것뿐만 아니라 사용한 화학물질과 부산물을 안전하게 처리하는 것까지 포함한 전체 공정 관리입니다.

자주 묻는 질문

Q. 건식 식각이 습식 식각보다 무조건 좋은가요?

아닙니다.

건식 식각은 미세하고 방향성이 중요한 구조를 만드는 데 유리하지만 장비와 공정이 복잡합니다.

반면 습식 식각은 특정 재료를 빠르게 제거하거나 높은 선택성을 확보하는 데 유리한 경우가 있습니다.

따라서 공정의 목적에 따라 선택해야 합니다.

Q. 습식 식각은 미세공정에서는 전혀 사용할 수 없나요?

그렇지는 않습니다.

습식 식각에서도 재료의 결정 방향이나 화학반응 조건에 따라 특정 형태의 구조를 만들 수 있습니다.

다만 일반적으로 초미세 패턴에서 요구되는 방향성과 프로파일 제어 측면에서는 건식 식각이 더 유리한 경우가 많습니다.

Q. 건식 식각은 정말 아래쪽으로만 깎이나요?

완벽하게 수직으로만 깎이는 것은 아닙니다.

공정 조건에 따라 측면 식각이나 프로파일 변화가 발생할 수 있습니다.

중요한 것은 플라즈마와 공정 조건을 조절해 원하는 식각 방향과 형태에 가깝게 만드는 것입니다.

Q. 왜 기계적인 칼로 깎지 않나요?

반도체 회로는 매우 작은 크기로 만들어지고 여러 층의 박막이 겹쳐 있기 때문에 일반적인 기계 가공으로는 원하는 정밀도를 확보하기 어렵습니다.

그래서 화학반응과 플라즈마를 이용해 재료를 선택적으로 제거합니다.

결국 핵심은 ‘무엇으로 깎느냐’보다 ‘어떻게 깎느냐’다

습식 식각과 건식 식각의 차이를 단순하게 외울 필요는 없습니다.

다음 네 가지만 기억하면 됩니다.

습식 식각

→ 액체 화학약품을 이용한다.

→ 화학반응을 통해 재료를 제거한다.

→ 넓은 영역이나 특정 재료를 선택적으로 제거하는 데 유리하다.

→ 측면으로도 식각되는 특성이 나타나기 쉬워 미세한 수직 구조에는 불리할 수 있다.

건식 식각

→ 기체와 플라즈마를 이용한다.

→ 화학적 반응과 물리적 작용을 함께 활용할 수 있다.

→ 식각 방향과 프로파일을 정밀하게 제어하는 데 유리하다.

→ 미세하고 깊은 반도체 구조를 만드는 데 중요한 역할을 한다.

결국 두 기술 중 어느 하나만 사용해서 모든 반도체 공정을 해결하는 것은 아닙니다.

재료의 종류, 패턴의 크기, 원하는 깊이, 필요한 선택비와 식각 프로파일에 따라 적절한 방법을 선택하는 것​이 중요합니다.

앞선 Part 6-12에서 식각을 ‘반도체의 불필요한 부분을 정확하게 제거하는 공정’​이라고 이해했다면, 이번 Part 6-13에서는 한 단계 더 나아가 ‘그 제거 작업을 액체로 할 것인지, 플라즈마로 할 것인지에 따라 공정 특성이 달라진다’​고 이해하면 됩니다.

반도체가 점점 작아지고 복잡해질수록 중요한 것은 단순히 회로를 작게 만드는 능력이 아닙니다.

설계한 모양 그대로, 필요한 부분만, 원하는 깊이까지 정확하게 깎아내는 기술.

바로 이 정밀한 식각 기술이 반도체 미세공정을 가능하게 만드는 중요한 기반입니다.