3D NAND HAR Etch가 무엇인지 알기전에 3D NAND가 고단화될수록 Etch는 왜 어려워질까요? Etch 장비를 다루며 이해한 HAR Etch 원리와 ARDE, Bowing, Plasma, RF, Ion 제어의 핵심을 쉽게 설명합니다.
반도체 Etch 장비를 다루다 보면 처음에는 장비에 붙어 있는 Parameter부터 보게 됩니다.
RF Power가 얼마인지, Pressure는 정상인지, Gas Flow는 제대로 들어가는지, Matcher는 정상적으로 움직이는지 이런 것들 말이죠.
저도 처음에는 그렇게 장비 하나하나를 따로 보는 경우가 많았습니다.
그런데 공정을 조금씩 공부하다 보니 똑같은 RF와 Gas를 사용하는 것처럼 보여도 실제 Wafer 위에서 만들어야 하는 구조가 달라지면 Etch 난이도가 완전히 달라질 수 있다는 걸 알게 됐습니다.
그중에서도 개인적으로 가장 재미있게 본 게 3D NAND의 HAR Etch입니다.
처음 3D NAND 구조를 봤을 때는 이런 생각도 했습니다.
“NAND를 위로 계속 쌓으면 Etch도 그냥 더 깊게 하면 되는 것 아닌가?”
말만 놓고 보면 틀린 이야기는 아닙니다.
문제는 그 ‘더 깊게’가 생각처럼 간단하지 않다는 겁니다.
구멍의 폭을 크게 늘리지 않은 상태에서 깊이는 계속 깊어집니다.
그리고 그 좁은 Hole의 가장 아래까지 Ion과 Radical을 보내야 합니다.
반응하고 남은 By-product는 반대로 밖으로 빠져나와야 하고요.
그 과정에서 Hole이 옆으로 퍼져도 안 되고, 휘어도 안 되고, 중간에서 Etch가 멈춰도 안 됩니다.
무엇보다 이런 Hole을 한두 개 만드는 게 아니라 Wafer 전체에서 거의 동일하게 만들어야 합니다.
그래서 3D NAND의 Etch는 단순히 ‘얼마나 깊게 뚫느냐’의 문제가 아니라 ‘얼마나 깊고 좁은 Hole을 끝까지 원하는 모양으로 만들 수 있느냐’의 문제라고 보는 게 더 맞는 것 같습니다.
이번 글에서는 제가 장비를 보면서 이해한 방식대로 HAR Etch가 무엇인지, 3D NAND가 높아질수록 왜 Etch가 어려워지는지 하나씩 이야기해보겠습니다.
HAR Etch가 뭘까?
HAR은 High Aspect Ratio의 약자입니다.
Aspect Ratio는 쉽게 말하면 구조의 폭에 비해 얼마나 깊은지를 나타내는 값입니다.
예를 들어 폭이 100nm이고 깊이가 100nm라면 Aspect Ratio는 1 정도입니다.
그런데 폭은 그대로 100nm인데 깊이가 1,000nm가 되면 10이 됩니다.
깊이가 5,000nm라면 50까지 올라갑니다.
즉,
Aspect Ratio = 깊이(Depth) ÷ 폭(Width)
이라고 생각하면 이해하기 쉽습니다.
여기서 중요한 건 3D NAND가 고단화될수록 Cell Stack의 높이가 계속 올라간다는 점입니다.
하지만 Chip 면적 때문에 Channel Hole의 폭을 마음대로 넓힐 수는 없습니다.
결국 더 좁고 더 깊은 구조를 만들어야 합니다.
이런 구조를 정밀하게 식각하는 공정이 바로 HAR Etch(High Aspect Ratio Etch)입니다.
삼성전자도 V-NAND 기술을 설명하면서 HARC(High Aspect Ratio Contact) Etching을 통해 위에서 아래까지 균일한 Channel Hole을 만드는 것을 핵심 기술 중 하나로 설명하고 있습니다.
3D NAND는 왜 굳이 위로 계속 쌓을까?
이 부분을 먼저 이해하면 HAR Etch가 왜 중요한지도 쉽게 이해됩니다.
NAND Flash는 데이터를 저장하는 Memory입니다.
같은 Chip 면적 안에 더 많은 데이터를 저장하려면 Cell을 더 많이 넣어야 합니다.
과거에는 Cell 크기를 계속 줄이는 방향으로 발전했습니다.
그런데 평면에서 계속 줄이는 데 한계가 생기면서 아예 방향을 바꿨습니다.
옆으로 줄이는 것에서 위로 쌓는 것으로 바뀐 겁니다.
저는 이걸 건물로 생각하면 가장 이해하기 쉽더라고요.
같은 땅에 단층 건물만 지으면 사용할 수 있는 공간이 제한됩니다.
그런데 50층, 100층짜리 건물을 올리면 같은 땅에서도 훨씬 많은 공간을 사용할 수 있습니다.
3D NAND도 비슷합니다.
문제는 건물이 높아질수록 건설이 어려워지는 것처럼 NAND 역시 높아질수록 공정 난이도가 올라간다는 겁니다.
특히 수많은 Layer를 관통하는 Channel Hole을 만들어야 하는 Etch 공정에서는 이 문제가 상당히 직접적으로 나타납니다.
“그냥 Etch 시간을 길게 하면 되는 것 아닌가?”
저도 처음에는 이렇게 생각했습니다.
더 깊게 뚫어야 하면 Etch Time을 늘리면 되지 않을까?
그런데 실제로는 깊이가 증가할수록 Etch Rate 자체가 느려질 수 있습니다.
이걸 ARDE(Aspect Ratio Dependent Etching)라고 합니다.
Hole이 깊어지면서 Ion과 Radical이 바닥까지 도달하기 어려워지고, 반응 후 만들어진 부산물이 밖으로 빠져나오는 것도 어려워지기 때문입니다.
결국 위쪽은 이미 충분히 Etch됐는데 바닥에서는 반응이 느려지는 상황이 생길 수 있습니다.
여기서 시간을 무작정 늘리면 다른 문제가 생길 수도 있습니다.
Mask가 더 많이 소모될 수도 있고, Hole 위쪽 CD가 변하거나 Sidewall Profile이 무너질 수도 있습니다.
그래서 HAR Etch에서는 Etch Rate만큼 Profile Control이 중요합니다.
저는 이 부분을 알고 나서 ‘Etch를 잘한다’는 의미를 조금 다르게 생각하게 됐습니다.
빠르게 많이 제거한다고 무조건 좋은 Etch가 아니라는 거죠.
좁은 Hole 바닥까지 Ion을 어떻게 보낼까?
HAR Etch에서 가장 먼저 생각해볼 수 있는 문제가 Ion입니다.
Plasma에서 만들어진 Ion은 Sheath를 지나면서 Wafer 방향으로 가속됩니다.
그런데 Channel Hole이 깊어질수록 Ion이 들어가야 하는 길도 길어집니다.
여기서 Ion이 조금만 비스듬하게 들어와도 문제가 될 수 있습니다.
얕은 구조에서는 작은 각도 차이가 별것 아닌 것처럼 보일 수 있습니다.
하지만 굉장히 깊은 Hole에서는 그 작은 각도 차이가 아래쪽으로 갈수록 커집니다.
결국 Sidewall과 충돌하거나 Hole이 휘는 원인이 될 수 있습니다.
그래서 HAR Etch에서는 단순히
“Ion Energy가 얼마나 높은가?”
만 볼 게 아니라
“Ion이 어느 방향으로, 어느 정도의 Energy 분포를 가지고 들어오는가?”
까지 중요해집니다.
이 부분을 공부하면서 왜 RF와 Plasma Control이 그렇게 중요한지도 조금 더 이해하게 됐습니다.
Power를 무조건 높인다고 해결되는 문제가 아니기 때문입니다.
Radical도 바닥까지 내려가야 한다
Etch에는 Ion만 필요한 게 아닙니다.
Plasma에서 생성된 Radical도 Wafer 표면의 Chemical Reaction에 중요한 역할을 합니다.
그런데 Hole이 깊어질수록 Radical이 바닥까지 이동하는 것도 어려워집니다.
중간 Sidewall과 먼저 반응할 수도 있고, 아래쪽으로 내려가는 과정에서 소모될 수도 있습니다.
이렇게 되면 재미있는 상황이 생깁니다.
장비에서 보는 Gas Flow는 정상입니다.
Chamber Pressure도 정상입니다.
그런데 실제 깊은 Hole 안에서는 위쪽과 바닥의 Chemistry가 완전히 같다고 볼 수 없는 겁니다.
장비 Parameter만 보면 정상인데 실제 Pattern 내부에서는 다른 상황이 벌어질 수 있다는 거죠.
저는 HAR Etch를 보면서 이 부분이 상당히 인상적이었습니다.
Chamber가 정상이라고 해서 Pattern 내부의 모든 위치가 동일한 환경이라는 뜻은 아니다.
장비를 보는 입장에서는 꽤 중요한 관점이라고 생각합니다.
들어가는 것만큼 나오는 것도 어렵다
Etch가 진행되면 Material이 사라지는 게 아니라 반응을 통해 여러 형태의 By-product가 만들어집니다.
그리고 그 부산물이 밖으로 빠져나와야 Etch가 계속 진행될 수 있습니다.
Hole이 얕으면 상대적으로 문제가 덜합니다.
그런데 좁고 깊은 Hole에서는 상황이 달라져요
저는 이걸 긴 터널로 생각하면 이해하기 쉽다고 생각해요
작업에 필요한 사람과 장비를 터널 가장 안쪽까지 보내야 합니다.
그런데 작업하면서 나온 폐기물은 다시 입구까지 가져와야 하고, 터널이 길고 좁아질수록 둘 다 어려워집니다. 이는 HAR Etch도 비슷합니다.
Ion·Radical ↓
필요한 Species는 아래로 내려가야 하고,
By-product ↑
반응 후 생성된 부산물은 다시 밖으로 나와야 하죠
Aspect Ratio가 커질수록 이 물질 이동 자체가 하나의 큰 문제가 됩니다.
실제로 HAR 구조에서는 By-product나 재증착 물질이 입구와 Sidewall에 쌓이면서 Hole을 좁게 만들고 Reactive Species가 바닥까지 도달하는 것을 방해할 수 있습니다.
Bowing, 중간이 불룩해지는 문제
HAR Etch 자료를 보다 보면 Bowing이라는 단어를 자주 만나게 됩니다.
쉽게 말하면 Hole 중간 부분이 옆으로 불룩하게 넓어지는 현상이에요
우리가 원하는 건 가능한 한 위에서 아래까지 일정한 폭을 유지하는 수직 Profile인데, 실제 Etch에서는 Ion의 움직임, Sidewall 반응, Passivation과 Etch Chemistry 등의 영향으로 중간 부분이 넓어질 수 있습니다.
이게 심해지면 CD가 달라지고 인접 구조에도 영향을 줄 수 있죠.
여기서도 결국 하나의 Parameter만 가지고 해결하기 어렵습니다.
Gas를 바꾸면 Etch Rate가 달라질 수 있고, Bias를 바꾸면 Ion Energy가 달라집니다.
Pressure를 조정하면 충돌과 Transport 특성이 달라질 수 있습니다.
이런 걸 보면 Etch Recipe가 왜 그렇게 복잡한지 조금 이해가 될거에요. 저 또한 그렇게 공감하는 부분이구요
Hole이 휘어지는 Twisting과 Tilting
깊이가 증가하면 Hole을 똑바로 유지하는 것도 점점 어려워져요.
대표적으로 Tilting과 Twisting 같은 Profile 문제가 있습니다.
처음부터 Hole이 조금 기울어진 상태로 내려가거나 깊어지는 과정에서 방향이 틀어질 수 있습니다.
이 문제 역시 깊이가 깊어질수록 더 민감합니다.
예를 들어 1이라는 작은 각도 차이가 있다고 해도 깊이가 짧으면 바닥 위치 차이가 작은데, 깊이가 몇 배로 증가하면 같은 각도 차이가 훨씬 큰 위치 오차로 나타납니다.
그래서 3D NAND가 고단화될수록 단순한 Etch Depth보다 Hole의 직진성이 더 중요해질 수밖에 없습니다.
RF Power를 올리면 해결될까?
여기서 제가 이전에 작성했던 RF Generator 이야기를 다시 가져와 볼께요.
깊은 Hole 바닥까지 Ion을 보내야 하니
“Bias를 더 높여서 Ion Energy를 키우면 되지 않을까?”
라는 생각을 할 수 있어요
실제로 HAR Etch에서 Ion Energy는 중요한 요소입니다. 하지만 역시 무조건 높이는 게 답은 아닙니다.
Ion Energy를 지나치게 높이면 Mask Erosion이나 Sidewall Damage가 증가할 수 있고 Selectivity에도 영향을 줄 수 있습니다.
최근 HAR Etch 연구에서도 Aspect Ratio 증가로 Etch Rate가 감소하는 문제를 해결하기 위해 Ion Energy를 높이는 방식이 사용돼 왔지만, 동시에 Profile과 Damage를 함께 해결해야 하는 문제가 계속 남아 있습니다.
그래서 제가 이해한 HAR Etch의 핵심은
강한 Ion을 만드는 것
보다는
필요한 Energy의 Ion을 원하는 방향으로 안정적으로 바닥까지 보내는 것
에 더 가깝습니다.
Pressure도 무조건 낮다고 좋은 건 아니다
Pressure 역시 재미있는 Parameter입니다.
Pressure가 변하면 입자끼리 충돌하는 빈도와 Mean Free Path 등이 달라집니다.
일반적으로 낮은 Pressure는 Ion의 방향성을 확보하는 데 유리한 측면이 있습니다.
그렇다고 Pressure를 계속 낮출 수는 없습니다.
Plasma Density도 영향을 받을 수 있고 Etch Chemistry와 Etch Rate, Uniformity까지 함께 변할 수 있기 때문입니다.
결국 장비에서는
RF Power
Bias
Pressure
Gas Chemistry
Temperature
가 서로 따로 움직이는 게 아닙니다.
한쪽을 건드리면 다른 쪽도 달라집니다.
제가 Etch 장비를 보면서 가장 어려우면서도 재미있다고 느끼는 부분도 바로 이겁니다.
좋은 Parameter 하나를 찾는 게 아니라 여러 Parameter가 균형을 이루는 지점을 찾아야 한다는 것.
Sidewall은 일부러 보호하기도 한다
깊은 Hole을 아래 방향으로 계속 Etch하려면 옆면이 같이 깎이는 것을 막아야 합니다.
그래서 중요한 것이 Sidewall Passivation입니다.
쉽게 설명하면 Hole 옆면에는 보호막 역할을 하는 Layer를 만들고, 바닥 쪽에서는 Ion의 도움을 받아 Etch가 계속 진행되도록 만드는 겁니다.
저는 처음 이 개념을 접했을 때
“Etch 공정인데 일부러 뭔가를 쌓는다고?”
라는 생각이 들었습니다.
그런데 알고 보면 이 균형이 굉장히 중요합니다.
Passivation이 너무 약하면 옆면까지 Etch되어 Bowing이 커질 수 있습니다.
반대로 너무 강하면 Hole 바닥까지 Etch가 제대로 진행되지 않을 수 있습니다.
결국 또 Balance입니다.
Etch ↔ Passivation
이 균형을 얼마나 잘 잡느냐가 수직 Profile을 만드는 데 중요한 역할을 합니다.
Temperature도 그냥 온도 값 하나가 아니었다
장비를 처음 배울 때 ESC는 Wafer를 잡아주는 부품이라는 이미지가 강했습니다.
그런데 Etch 공정을 보면 ESC Temperature와 Backside He Cooling 역시 꽤 중요합니다.
Temperature가 바뀌면 Surface Reaction이나 Polymer 형성, By-product의 흡착·탈착 특성 등이 달라질 수 있기 때문입니다.
Wafer Center와 Edge의 Temperature 조건이 달라지면 Etch 결과도 달라질 가능성이 있습니다.
그래서 저는 요즘 장비의 Parameter를 볼 때
“이 값이 Spec 안인가?”
만 보기보다는
“이 값이 변하면 Plasma나 Surface Reaction에는 어떤 영향을 줄까?”
를 같이 생각하려고 하는 편입니다.
물론 현장에서 모든 현상을 바로 연결해서 판단하기는 쉽지 않습니다.
그래도 이런 식으로 보는 습관이 장비를 이해하는 데는 도움이 된다고 생각합니다.
고단화되면 Chamber 상태도 더 중요해진다
깊은 구조를 Etch하면 Process Time 역시 길어질 수 있습니다.
그러면 Chamber가 Plasma에 노출되는 시간도 증가합니다.
자연스럽게 Chamber Wall과 내부 Parts의 상태, Polymer와 By-product 누적도 중요해집니다.
여기서 제가 장비 엔지니어 입장에서 특히 관심 있게 보는 부분이 있습니다.
Chamber Condition이 항상 똑같을 수 있느냐는 겁니다.
PM 직후와 Wafer를 많이 진행한 뒤의 Chamber 상태는 완전히 같다고 보기 어렵습니다.
Wall Condition이 변하면 Plasma Chemistry에도 영향을 줄 가능성이 있습니다.
그래서 Seasoning이나 Cleaning, PM Cycle, Consumable Parts 상태 같은 것들이 결국 Wafer 결과와 연결될 수 있습니다.
장비에서 보면 그냥 유지보수 항목처럼 보이는 작업들이 사실 Process Stability와 연결되어 있는 셈입니다.
HAR Etch를 공부하면서 장비가 조금 다르게 보였다
HAR Etch를 공부하면서 제가 가장 크게 느낀 것은 새로운 Etch 용어를 하나 알았다는 것보다 기존에 보고 있던 장비 부품들이 서로 연결되어 보이기 시작했다는 점입니다.
RF Generator는 Plasma와 Ion Energy에 영향을 줍니다.
Matcher는 RF Power가 제대로 전달되도록 합니다.
MFC는 Gas Chemistry와 연결됩니다.
APC와 Pump는 Chamber Pressure를 제어합니다.
ESC는 Wafer를 잡으면서 Temperature와 Bias에도 연결됩니다.
Chamber Parts 상태도 Plasma와 Process에 영향을 줄 수 있습니다.
결국
RF → Plasma → Ion/Radical → Pattern 내부 Transport → Surface Reaction → Etch Profile
이라는 하나의 흐름으로 연결됩니다.
저는 장비 일을 하면서 이런 연결을 이해하는 게 상당히 중요하다고 생각합니다.
단순히 Alarm이 발생했을 때 고장 난 부품을 찾아서 교체하는 것도 중요하지만,
“왜 이 부품의 변화가 실제 Wafer 결과에 영향을 줄 수 있는가?”
까지 알게 되면 Troubleshooting을 보는 시각 자체가 조금 달라질 수 있기 때문입니다.
HAR Etch에서 자주 나오는 문제를 정리해보면
HAR Etch에서 대표적으로 볼 수 있는 문제는 다음과 같습니다.
ARDE
Aspect Ratio가 증가하면서 Etch Rate가 느려지는 현상입니다.
Bowing
Hole 중간 부분이 옆으로 넓어지는 현상입니다.
Tilting
Hole이 수직으로 내려가지 않고 기울어지는 현상입니다.
Twisting
Etch가 진행되면서 Hole의 방향이나 형태가 뒤틀리는 문제입니다.
Etch Stop
바닥까지 충분히 Etch되지 못하고 중간에 사실상 진행이 어려워지는 현상입니다.
Mask Erosion
긴 Etch 시간과 Ion Bombardment 등에 의해 Mask가 지나치게 소모되는 문제입니다.
CD Variation
Hole의 위쪽과 아래쪽 또는 Wafer 위치에 따라 Critical Dimension이 달라지는 문제입니다.
이런 문제들이 하나씩 독립적으로 발생한다기보다 서로 연결되어 있다는 게 HAR Etch의 어려운 점이라고 생각합니다.
앞으로 HAR Etch는 어떻게 발전할까?
3D NAND가 계속 높아진다면 기존 방식만으로 해결하기 어려운 영역도 점점 늘어날 것 같습니다.
그래서 저는 앞으로 몇 가지 기술을 관심 있게 보고 있습니다.
하나는 Pulsed Plasma입니다.
RF나 Bias를 시간에 따라 세밀하게 조절하면서 Plasma와 Surface Reaction을 제어하는 방식입니다.
또 하나는 Cryogenic Etch입니다.
낮은 Temperature를 활용해 Etch Chemistry와 Sidewall 반응을 제어하는 기술입니다.
그리고 결국 Plasma 자체의 정밀 제어도 더욱 중요해질 것 같습니다.
Ion Energy Distribution과 Angular Distribution을 얼마나 정밀하게 관리할 수 있느냐가 더 중요해질 수 있기 때문입니다.
장비 데이터 활용도 마찬가지입니다.
RF, Pressure, Gas, Temperature 등 수많은 Parameter의 Trend를 분석해 Process 이상을 더 빨리 감지하는 방향도 계속 발전할 가능성이 높다고 봅니다.
ALE와 HAR Etch는 어떻게 다를까?
앞서 블로그에서 Atomic Layer Etching(ALE)도 다뤘는데 두 기술은 목표가 조금 다릅니다.
제가 이해한 방식으로 아주 간단하게 구분하면 이렇습니다.
ALE = 얼마나 조금씩 정확하게 제거할 것인가
HAR Etch = 얼마나 깊고 좁게 원하는 형태로 제거할 것인가
ALE에서는 Atomic-scale Precision이 중요하고 HAR Etch에서는 Deep Profile Control이 중요합니다.
하지만 결국 두 기술 모두 앞으로의 Etch가
“많이 깎는 기술”에서 “원하는 곳을 원하는 형태로 정확하게 깎는 기술”로 변하고 있다
는 흐름에서는 연결되어 있다고 생각합니다.
결국 어려운 건 깊이가 아니라 ‘끝까지 똑같이 만드는 것’
처음 HAR Etch를 보면 깊이가 가장 먼저 눈에 들어옵니다.
저도 그랬습니다.
그런데 공부할수록 단순히 깊게 뚫는 것 자체가 핵심은 아니라는 생각이 듭니다.
깊으면서도 Hole이 수직이어야 합니다.
위와 아래의 CD도 관리해야 합니다.
Sidewall Damage도 줄여야 합니다.
바닥까지 Etch가 완료되어야 합니다.
그리고 이 결과가 Wafer 전체에서 균일해야 합니다.
무엇보다 양산에서는 이 결과를 한두 번이 아니라 계속 반복해서 만들어야 합니다.
그래서 저는 3D NAND HAR Etch를
“얼마나 깊게 뚫을 수 있느냐의 경쟁”
보다는
“얼마나 깊고 좁은 구조를 끝까지 같은 모양으로 반복해서 만들 수 있느냐의 경쟁”
이라고 생각합니다.
마무리
Etch 장비를 처음 접했을 때는 RF Power, Pressure, Gas Flow 같은 Parameter를 각각 따로 봤습니다.
RF 이상이면 RF 계통을 보고 Pressure가 이상하면 Pump나 APC 쪽을 보는 식이었습니다.
물론 Troubleshooting에서는 지금도 그런 접근이 필요합니다.
그런데 HAR Etch 같은 공정을 공부하다 보니 그 Parameter들이 결국 하나의 Process 안에서 전부 연결되어 있다는 게 조금씩 보였습니다.
RF Generator에서 만들어진 Energy가 Plasma를 바꿉니다.
Plasma에서 만들어진 Ion과 Radical이 좁은 Channel Hole 안으로 들어갑니다.
그 Species가 Hole 바닥까지 이동해 Surface와 반응합니다.
반응 후 만들어진 By-product는 다시 밖으로 나옵니다.
그리고 이 모든 과정의 결과가 우리가 보는 Etch Profile로 나타납니다.
결국
장비 → Plasma → Process → Wafer
가 전부 연결되어 있는 겁니다.
3D NAND가 더 높아질수록 이 연결에서 허용되는 오차는 점점 작아질 것이라고 생각합니다.
그래서 장비 엔지니어 입장에서도 단순히 장비가 정상적으로 움직이는지를 보는 것에서 한 단계 더 나아가 장비의 작은 변화가 실제 Plasma와 Etch Profile에 어떤 영향을 줄 수 있는지 이해하는 능력이 더 중요해질 것 같습니다.
저도 아직 이런 부분은 계속 공부하고 있지만, 적어도 HAR Etch를 알고 난 뒤부터는 장비 화면에 보이는 RF, Pressure, Gas, Temperature 같은 숫자들이 예전과는 조금 다르게 보이는 것 같습니다.