Atomic Layer Etching이란 무엇일까요? Etch 장비를 다루며 알게 된 ALE의 원리부터 기존 Plasma Etch와의 차이, Self-Limiting 반응, GAA와 차세대 반도체에서 중요한 이유까지 쉽게 알아봅니다.
반도체 Etch 장비를 다루다 보면 결국 한 가지 생각을 하게 됩니다.
“도대체 어디까지 정밀하게 깎을 수 있을까?”
저도 처음에는 Etch 공정을 비교적 단순하게 생각했습니다.
Chamber 안에 Gas를 넣고 Plasma를 발생시킨 다음, 만들어진 Ion과 Radical을 이용해서 Wafer 위의 필요한 부분을 제거하는 공정이라고 이해했습니다.
물론 큰 틀에서는 맞는 이야기입니다.
그런데 반도체 구조를 조금씩 공부하다 보니 생각이 달라졌습니다.
10nm, 7nm, 5nm, 3nm를 지나 2nm급 공정까지 내려가고 있고, 트랜지스터 구조도 평면에서 FinFET을 거쳐 GAA(Gate-All-Around)처럼 복잡한 3차원 구조로 바뀌고 있습니다.
3D NAND는 반대로 위로 계속 높아지고 있습니다.
이 정도까지 가면 단순히
“얼마나 잘 깎느냐”
만으로는 부족합니다.
이제는
“원하지 않는 부분은 거의 건드리지 않으면서 원하는 부분만 얼마나 정밀하게 제거할 수 있느냐”
가 훨씬 중요해집니다.
그러다 알게 된 기술이 바로 ALE(Atomic Layer Etching)입니다.
이름 그대로 해석하면 원자층 식각입니다.
처음 이 이름을 봤을 때는 저도 조금 과장된 표현이 아닐까 생각했습니다.
정말 원자 수준으로 Etch를 제어한다는 게 가능한가 싶었기 때문입니다.
그런데 원리를 살펴보니 왜 차세대 반도체에서 ALE가 계속 거론되는지 조금씩 이해가 됐습니다.
이번 글에서는 제가 Etch 장비를 다루면서 이해한 관점에서 Atomic Layer Etching이 무엇인지, 기존 Plasma Etch와 무엇이 다르고 왜 차세대 반도체에서 중요해지는지 최대한 쉽게 풀어보겠습니다.
일반 Etch로는 한계가 온다? Atomic Layer Etching(ALE)이란
차세대 Etch 기술 ALE는 Atomic Layer Etching의 약자입니다.
우리말로는 보통 원자층 식각이라고 합니다.
이름만 보면 굉장히 복잡해 보이지만 핵심 아이디어는 의외로 단순합니다.
기존 Plasma Etch에서는 Gas와 Plasma를 이용해 Wafer 표면의 물질을 연속적으로 제거하는 방식이 많이 사용됩니다.
반면 ALE는 표면을 먼저 반응 가능한 상태로 만든 다음, 그 부분을 제거하는 과정을 분리해서 반복합니다.
아주 단순화하면
표면 반응 → 제거 → 표면 반응 → 제거
를 반복하는 것입니다.
이 한 번의 반복을 Cycle이라고 생각하면 이해하기 쉽습니다.
중요한 점은 한 Cycle에서 제거되는 양을 매우 작고 일정하게 제어하려는 데 있습니다.
저는 처음 이 원리를 보고 ALD(Atomic Layer Deposition)가 떠올랐습니다.
ALD가 얇은 막을 원자층 수준으로 조금씩 쌓아가는 기술이라면 ALE는 반대로 아주 조금씩 제거하는 기술이라고 생각하면 이해하기 쉽습니다.
기존 Plasma Etch와 무엇이 다를까?
제가 이 부분을 이해할 때 가장 도움이 됐던 것은 연속적으로 깎는 것과 단계별로 깎는 것의 차이였습니다.
일반적인 Plasma Etch에서는 Plasma가 형성되어 있는 동안 Chemical Reaction과 Ion Bombardment가 계속 발생할 수 있습니다.
즉,
Plasma ON → Etching 진행 → 목표량 도달 → 종료
와 같은 흐름으로 생각할 수 있습니다.
물론 실제 Recipe는 훨씬 복잡합니다.
하지만 개념적으로는 Etch가 연속적으로 진행되는 방식입니다.
반면 ALE에서는 크게 두 단계를 분리합니다.
첫 번째는 Surface Modification입니다
먼저 Wafer 표면에 특정 Gas나 Reactive Species를 공급합니다.
이 Species가 표면의 가장 바깥쪽 Layer와 반응하면서 표면 상태를 변화시킵니다.
여기서 중요한 것은 반응이 무한정 깊게 진행되지 않도록 하는 것입니다.
표면의 일정 범위까지만 반응하고 그 이후에는 반응이 제한되는 Self-limiting Reaction이 핵심입니다.
두 번째는 Removal입니다
그다음 Energy를 공급해 앞 단계에서 반응한 표면층을 제거합니다.
이때 중요한 것이 Energy입니다.
너무 약하면 원하는 Layer가 제대로 제거되지 않을 수 있습니다.
반대로 너무 강하면 표면층뿐 아니라 그 아래까지 손상시킬 수 있습니다.
그래서 변형된 표면층은 제거하면서 아래의 정상적인 Material에는 최대한 영향을 주지 않는 Energy Window를 만드는 것이 중요합니다.
그리고 다시 첫 번째 단계로 돌아갑니다.
Modification → Removal → Modification → Removal
이 과정을 반복하면서 아주 조금씩 Material을 제거하는 것입니다.
왜 이렇게 복잡하게 Etch해야 할까?
처음에는 저도 이 생각이 들었습니다.
기존 Plasma Etch도 충분히 정밀한데 굳이 공정을 여러 단계로 나눠서 복잡하게 만들 필요가 있을까?
그런데 반도체 구조를 보면 이유가 보입니다.
예전보다 Feature Size가 훨씬 작아졌습니다.
예를 들어 100nm 구조에서 1nm가 더 깎이는 것과 몇 nm 수준의 구조에서 1nm가 더 깎이는 것은 의미가 완전히 다릅니다.
구조가 작아질수록 아주 작은 Etch 오차도 전체 Device 특성에 큰 영향을 줄 수 있습니다.
GAA Nanosheet 같은 구조에서는 더 그렇습니다.
원하는 Material만 제거하면서 바로 옆이나 아래에 있는 Material은 최대한 건드리지 않아야 합니다.
이때
Selectivity
CD Control
Surface Damage
Uniformity
같은 요소들이 굉장히 중요해집니다.
그래서 저는 ALE를 단순히
“Etch를 더 조금 하는 기술”
이라고 보기보다는
“Etch의 제어 단위를 훨씬 작게 만드는 기술”
이라고 이해하는 것이 더 정확하다고 생각합니다.
ALE에서 Plasma는 필요 없을까?
차세대 Etch 기술 반도체 ALE라고 하면 Plasma를 사용하지 않는다고 생각할 수도 있습니다.
하지만 그렇지는 않습니다.
ALE는 크게 Thermal ALE와 Plasma ALE 등으로 나눠볼 수 있습니다.
특히 반도체 제조에서는 Plasma를 활용해 Removal Step을 제어하는 방식이 중요하게 연구되고 사용됩니다.
이 부분에서 앞서 제가 작성했던 RF Generator와 Plasma 이야기가 다시 연결됩니다.
Plasma를 사용한다면 결국
RF Power
Bias
Ion Energy
Pressure
Gas Chemistry
등이 중요해집니다.
그런데 ALE에서는 특히 Ion Energy를 얼마나 정밀하게 제어하느냐가 중요합니다.
왜냐하면 ALE의 목적 자체가 필요한 표면층만 선택적으로 제거하는 것이기 때문입니다.
Ion Energy가 너무 높으면 아래층까지 Damage를 줄 수 있습니다.
반대로 너무 낮으면 반응한 표면층조차 제대로 제거하지 못할 수 있습니다.
그래서 ALE를 공부하다 보면 결국 다시 RF와 Plasma Control 문제로 돌아오게 됩니다.
여기서 RF Generator가 다시 중요해진다
개인적으로 이 부분이 재미있었습니다.
RF Generator를 처음 공부할 때는
“Plasma를 만드는 Power Supply”
정도로 생각했습니다.
그런데 공정이 정밀해질수록 RF Generator의 역할을 단순히 Plasma ON/OFF로 볼 수 없다는 생각이 듭니다.
Plasma Density와 Ion Energy를 얼마나 안정적으로 제어하느냐가 공정 결과에 직접적인 영향을 줄 수 있기 때문입니다.
ALE에서는 특히 Wafer에 도달하는 Ion의 Energy가 중요합니다.
예를 들어 제거해야 하는 표면층에 필요한 최소 Energy가 있다고 생각해보겠습니다.
그보다 낮으면 Etching이 충분히 일어나지 않습니다.
반대로 너무 높은 Energy가 들어가면 아래층까지 공격할 수 있습니다.
결국
너무 약해도 안 되고, 너무 강해도 안 되는 좁은 영역
을 찾아야 합니다.
장비 입장에서 보면 RF Generator와 Bias RF의 안정성이 더 중요해질 수밖에 없습니다.
저는 이런 기술을 볼수록 앞으로 장비 엔지니어가 단순히
“RF Power가 정상적으로 출력된다.”
만 확인해서는 부족해질 수 있겠다는 생각이 듭니다.
그 Power가 실제 Plasma와 Ion Energy Distribution에 어떤 영향을 주고 있는지까지 이해하는 것이 점점 중요해질 것 같습니다.
ALE의 핵심은 Self-Limiting Reaction
ALE를 이해할 때 꼭 알아야 할 개념이 Self-limiting입니다.
말 그대로 반응이 스스로 제한된다는 의미입니다.
일반 Etch에서는 시간이 늘어나면 Material이 계속 제거될 수 있습니다.
하지만 ALE에서는 표면의 반응 가능한 Site가 모두 반응하면 그 이후에는 반응속도가 크게 줄어드는 방식으로 공정을 설계합니다.
이렇게 하면 Process Time이 약간 변하더라도 제거량이 무한정 증가하지 않습니다.
이 특성 덕분에 매우 정밀한 Etch Control이 가능해집니다.
저는 이 부분이 ALE의 가장 중요한 특징 중 하나라고 생각합니다.
장비를 다루다 보면 완벽하게 똑같은 조건을 영원히 유지한다는 것이 얼마나 어려운지 알게 됩니다.
Gas Flow도 미세한 편차가 있을 수 있고 Pressure도 변할 수 있습니다.
Chamber Wall 상태도 공정 누적에 따라 달라질 수 있습니다.
그런 환경에서 Process 자체가 어느 정도 Self-limiting 특성을 가진다는 것은 굉장히 큰 장점이 될 수 있습니다.
GAA에서 ALE가 중요한 이유
최근 Logic 반도체에서는 FinFET 이후의 구조로 GAA가 중요해지고 있습니다.
GAA에서는 Gate가 Channel을 더욱 완전히 둘러싸는 구조를 사용합니다.
특히 Nanosheet 구조에서는 여러 개의 매우 얇은 Sheet가 쌓여 있습니다.
문제는 이 구조를 만들려면 특정 Material만 정밀하게 제거해야 하는 공정들이 필요하다는 것입니다.
예를 들어 서로 다른 Material이 반복적으로 쌓여 있다고 생각해보겠습니다.
그중 하나의 Material을 제거하면서 바로 옆의 다른 Material은 최대한 남겨야 합니다.
이때 높은 Selectivity가 필요합니다.
조금이라도 과도하게 Etch되면 Nanosheet의 두께나 형상이 달라질 수 있고 Device 특성에도 영향을 줄 수 있습니다.
그래서 차세대 Transistor로 갈수록
Selective Etch
와
Atomic-scale Etch Control
의 중요성이 커지는 것입니다.
3D NAND에서도 Etch는 계속 어려워지고 있다
Logic만 문제가 있는 것은 아닙니다.
3D NAND를 보면 또 다른 방향의 Etch 난제가 있습니다.
3D NAND는 Cell을 수직으로 계속 쌓고 있습니다.
Layer가 증가하면 깊은 Hole을 만들어야 합니다.
이때 등장하는 것이 High Aspect Ratio Etch, 흔히 HAR Etch라고 부르는 기술입니다.
구멍은 굉장히 좁은데 깊이는 매우 깊습니다.
장비 관점에서 보면 정말 까다로운 조건입니다.
위쪽과 아래쪽에서 동일한 Etch 결과를 만들어야 하고 Hole이 휘거나 넓어지는 Bowing도 제어해야 합니다.
Etch Stop이나 Profile 문제도 발생할 수 있습니다.
ALE가 모든 HAR Etch를 대신한다는 의미는 아닙니다.
하지만 반도체가 3차원화될수록 Etch의 정밀 제어 능력 자체가 더욱 중요해지고 있다는 점에서는 같은 흐름으로 볼 수 있다고 생각합니다.
ALE의 장점만 있는 것은 아니다
여기까지 보면 ALE가 기존 Etch를 모두 대체할 것처럼 느껴질 수도 있습니다.
하지만 저는 그렇게 보는 것은 조금 과하다고 생각합니다.
가장 현실적인 문제 중 하나는 Throughput입니다.
ALE는
Modification → Removal
을 반복합니다.
예를 들어 한 번에 아주 조금씩 제거한다면 원하는 깊이를 만들기 위해 많은 Cycle이 필요할 수 있습니다.
그만큼 Process Time이 길어질 가능성이 있습니다.
반도체 Fab에서는 정밀도만큼 생산성도 중요합니다.
아무리 좋은 공정이라도 Wafer 한 장을 처리하는 데 지나치게 오랜 시간이 걸린다면 제조원가가 올라갑니다.
따라서 실제 양산에서는
Precision
Throughput
Cost
Yield
를 함께 봐야 합니다.
그래서 앞으로도 모든 Etch가 ALE로 바뀐다기보다 정말 높은 정밀도가 필요한 Critical Step에서 ALE 또는 ALE에 가까운 정밀 Etch 기술이 확대되는 방향이 현실적이라고 생각합니다.
장비 엔지니어 입장에서 ALE가 흥미로운 이유
저는 ALE자체보다 이 기술이 장비에 요구하는 조건이 더 흥미롭습니다.
Etch Control 단위가 작아지면 장비의 작은 변화가 상대적으로 더 크게 보일 수 있기 때문입니다.
예를 들어
RF Power Stability
Bias Stability
Gas Flow Accuracy
Pressure Control
Temperature Uniformity
Chamber Condition
같은 요소가 더욱 중요해질 수 있습니다.
예전에는 어느 정도 허용되던 Variation이 차세대 공정에서는 문제가 될 수도 있습니다.
특히 Chamber Wall에 쌓이는 Polymer나 By-product 때문에 Plasma Chemistry가 조금씩 변한다면 ALE처럼 정밀한 공정에서는 더 민감하게 나타날 가능성도 생각해볼 수 있습니다.
결국 장비 상태와 Process 결과의 연결이 더욱 강해지는 것입니다.
앞으로 장비 엔지니어에게 Process 이해가 더 중요해질 것 같다
제가 최근 차세대 반도체 기술을 공부하면서 계속 드는 생각이 하나 있습니다.
앞으로 장비 엔지니어도 장비만 알아서는 부족할 수 있다는 것입니다.
예전에는
Pump가 정상인가?
RF Generator가 정상인가?
Valve가 정상인가?
Sensor 값이 정상인가?
를 잘 보는 것이 중요했다면 앞으로는 한 단계 더 들어가야 할 것 같습니다.
예를 들어 RF Power가 1% 변했다고 가정해보겠습니다.
장비 자체는 Spec 안에 있을 수 있습니다.
그런데 그 1% 변화가 Plasma Density나 Ion Energy Distribution을 바꾸고, 그것이 Atomic-scale Etch 결과에 영향을 준다면 이야기가 달라집니다.
그래서
Equipment → Parameter → Plasma → Process → Wafer
를 연결해서 이해하는 능력이 점점 중요해질 것이라고 생각합니다.
저도 장비를 보면서 가능하면 단순히 Alarm Code만 보는 것이 아니라
“이 Parameter가 실제 공정에서는 어떤 역할을 하는가?”
를 같이 공부하려고 하는 이유가 여기에 있습니다.
일반 Etch와 ALE를 간단하게 비교하면
| 구분 | 일반 Plasma Etch | ALE |
|---|---|---|
| 기본 방식 | 연속적인 Etching | Cycle 기반 단계적 Etching |
| 핵심 과정 | Plasma 반응과 제거 | Modification + Removal |
| 제거량 제어 | Time·Power·Chemistry 등 | Cycle 단위 정밀 제어 |
| Self-Limiting | 상대적으로 제한적 | 핵심 특성 |
| 정밀도 | 높음 | 매우 높은 수준 목표 |
| 장점 | 높은 생산성 | Atomic-scale Control |
| 단점 | 초미세 구조에서 Damage·정밀도 문제 | Throughput·공정 복잡성 |
| 활용 방향 | 일반적인 Etch 공정 | Critical Etch·차세대 구조 |
결국 ALE가 해결하려는 문제는 무엇일까?
제가 ALE를 공부하고 나서 내린 결론은 의외로 단순했습니다.
반도체가 너무 작아졌기 때문입니다.
예전에는 조금 더 깎이거나 덜 깎이는 것을 어느 정도 공정 Window 안에서 관리할 수 있었습니다.
하지만 구조가 몇 nm 수준까지 작아지고 복잡한 3D 구조가 등장하면서 아주 작은 차이도 중요해졌습니다.
그래서 Etch도
“잘 제거하는 기술”
에서
“필요한 만큼만 정확하게 제거하는 기술”
로 발전하고 있는 것입니다.
ALE는 바로 그 변화의 대표적인 기술이라고 생각합니다.
마무리
처음 Etch 장비를 접했을 때 저는 Gas와 Plasma를 이용해 Wafer의 Material을 제거하는 것이 Etch라고 이해했습니다.
지금도 기본 원리는 같습니다.
하지만 반도체 구조가 계속 작아지고 복잡해지면서 요구되는 수준은 완전히 달라지고 있습니다.
이제는 단순히 Etch Rate가 빠른 것이 중요한 게 아닙니다.
원하는 Material만 제거해야 합니다.
다른 Material에는 Damage를 최소화해야 합니다.
CD를 유지해야 합니다.
Uniformity도 맞춰야 합니다.
그리고 그 모든 것을 수많은 Wafer에서 반복해서 만들어내야 합니다.
그런 관점에서 보면 Atomic Layer Etching이 왜 차세대 반도체 핵심 기술로 거론되는지 이해할 수 있습니다.
개인적으로 ALE를 공부하면서 가장 인상적이었던 부분은 새로운 Etch 방식 자체보다 장비의 작은 Parameter 하나가 앞으로는 지금보다 훨씬 중요해질 수 있다는 점이었습니다.
RF Power, Bias, Pressure, Gas Flow, Temperature 같은 값들이 화면에서는 그냥 숫자로 보이지만 실제로는 Plasma를 바꾸고, Plasma는 Wafer 표면의 원자 수준 반응을 바꿀 수 있습니다.
결국
RF Generator → Plasma → Ion Energy → Surface Reaction → Atomic Layer Etching → Wafer 결과
까지 모두 연결되어 있는 것입니다.
그래서 앞으로 Etch 장비를 더 깊게 이해하려면 단순히 장비 부품을 많이 아는 것보다 장비에서 발생한 변화가 Plasma와 공정을 거쳐 실제 Wafer에 어떻게 나타나는지 연결해서 이해하는 능력이 더 중요해질 것이라고 생각합니다.
저도 현장에서 장비를 보면서 ＃이런 관점으로 하나씩 공부해보려고 합니다.
| ＃ALE, ＃Atomic Layer Etching, ＃원자층 식각, ＃Plasma Etch, ＃반도체 Etch |