Selective Etch란 무엇일까요? 원하는 물질만 선택적으로 제거하는 반도체 식각 원리부터 Selectivity, Plasma, RF, Gas Chemistry와 GAA에서 중요한 이유까지 쉽게 설명합니다.
반도체 Etch 장비를 처음 접했을 때 저는 식각이라는 공정을 비교적 단순하게 생각했습니다.
“필요 없는 부분을 Plasma로 제거하는 공정.”
크게 보면 틀린 말은 아닙니다.
그런데 장비를 계속 접하고 공정을 조금씩 공부하다 보니 Etch에서 정말 어려운 건 단순히 잘 깎는 것만은 아니라는 생각이 들었습니다.
오히려 어떤 공정에서는
“원하는 물질은 잘 제거하면서, 바로 옆에 있는 다른 물질은 얼마나 안 건드릴 수 있느냐”
가 더 중요할 수도 있습니다.
Wafer 위에는 한 종류의 Material만 존재하는 것이 아니기 때문입니다.
Si, SiO₂, SiN, SiGe, Metal, Photoresist 등 여러 Material이 아주 복잡하게 구성되어 있습니다.
그중 하나를 제거해야 하는데 옆이나 아래에 있는 다른 막까지 같이 제거된다면 원하는 구조를 만들기 어렵습니다.
이때 등장하는 개념이 바로 Selective Etch입니다.
우리말로 표현하면 선택적 식각이라고 할 수 있습니다.
처음에는 저도 Selectivity를 단순히 Recipe에서 보는 하나의 공정 특성 정도로 생각했습니다.
그런데 GAA나 차세대 미세공정을 공부하다 보니 앞으로 Etch에서는 단순한 Etch Rate보다 어떤 Material만 선택적으로 제거할 수 있느냐가 훨씬 중요해질 수 있겠다는 생각이 들었습니다.
이번 글에서는 제가 Etch 장비를 보면서 이해한 방식대로 Selective Etch가 무엇인지, Selectivity는 어떻게 계산하는지, Plasma·Gas·RF·Temperature가 선택비와 어떻게 연결되는지 쉽게 이야기해보겠습니다.
Selective Etch란 무엇일까?
Selective Etch에서도 Plasma Density와 Ion Energy 제어는 상당히 중요합니다. RF와 Plasma가 만들어지는 기본 원리는 이전에 작성한 RF Generator와 Plasma 발생 원리에서 자세히 다뤘습니다.
Selective Etch를 가장 간단하게 설명하면
“원하는 Material은 빠르게 제거하면서 다른 Material은 최대한 남기는 Etch”
라고 할 수 있습니다.
예를 들어 A라는 Material과 B라는 Material이 있다고 생각해보겠습니다.
공정 목적은 A를 제거하는 것입니다.
A가 100nm 제거되는 동안 B가 1nm만 제거됐다면 두 Material 사이에는 상당히 높은 선택성이 있다고 볼 수 있습니다.
이때 사용하는 개념이 Selectivity, 선택비입니다.
간단하게 표현하면
Selectivity = 제거하려는 Material의 Etch Rate ÷ 보호해야 하는 Material의 Etch Rate
입니다.
예를 들어 A의 Etch Rate가 100nm/min이고 B가 2nm/min이라면
A:B Selectivity = 50:1
정도로 생각할 수 있습니다.
즉 A가 B보다 약 50배 빠르게 제거된다는 의미입니다.
숫자가 높을수록 우리가 원하는 Material을 상대적으로 선택해서 제거하기 쉬운 셈입니다.
Etch Rate가 빠르면 좋은 공정이라고 생각했던 적이 있다
저도 처음에는 Etch Rate가 높으면 좋은 공정이라는 이미지가 있었습니다.
같은 시간에 더 많이 제거할 수 있으니 생산성 측면에서는 유리해 보이기 때문입니다.
그런데 실제 반도체 구조를 생각해보면 이야기가 달라집니다.
예를 들어 제거하려는 막이 100nm이고 그 아래 보호해야 하는 막이 있다고 생각해보겠습니다.
위쪽 Material을 굉장히 빠르게 제거하더라도 아래쪽 Material까지 같이 공격한다면 좋은 공정이라고 하기 어렵습니다.
그래서 Etch에서는 단순히
“얼마나 빨리 깎는가?”
보다
“무엇을 얼마나 선택적으로 깎는가?”
가 중요합니다.
저는 이 부분을 이해하고 나서 Etch Rate와 Selectivity를 같이 보는 이유가 조금 더 와닿았습니다.
왜 Selective Etch가 점점 중요해질까?
반도체 구조가 단순하다면 어느 정도의 Over Etch를 허용할 수도 있습니다.
하지만 반도체가 미세해지고 구조가 3차원으로 복잡해질수록 작은 손상도 문제가 될 수 있습니다.
특히 최근 Logic 반도체에서 중요한 GAA(Gate-All-Around) 구조를 보면 이해하기 쉽습니다.
GAA Nanosheet 구조에서는 매우 얇은 Sheet들이 여러 층으로 구성됩니다.
공정 중 특정 Material을 제거하면서 다른 Material은 남겨야 하는 단계가 필요합니다.
대표적으로 Si와 SiGe처럼 서로 다른 Material 사이에서 선택적인 제거가 중요해질 수 있습니다.
여기서 제거해야 하는 Material뿐 아니라 남겨야 하는 Nanosheet의 두께와 형상을 얼마나 잘 유지하느냐가 중요합니다.
조금이라도 과도하게 제거되면 Nanosheet의 형상이 변할 수 있고 결국 Device 특성에도 영향을 줄 수 있습니다.
그래서 차세대 반도체로 갈수록
Selective Etch + Atomic-scale Control
이 함께 중요해지는 것 같습니다.
선택비는 Gas Chemistry와 굉장히 밀접하다
Selective Etch를 공부하면서 제가 가장 먼저 다시 보게 된 것이 Gas였습니다.
Etch 장비에서 MFC를 통해 들어가는 Gas는 단순히 Plasma를 만드는 재료가 아닙니다.
어떤 Gas를 사용하느냐에 따라 어떤 Radical과 Ion이 만들어지는지가 달라지고, 결국 어떤 Material과 잘 반응하는지도 달라질 수 있습니다.
예를 들어 Fluorine 계열 Chemistry는 Si 계열 Material과 반응할 수 있고, Chlorine이나 Bromine 계열 Chemistry 역시 특정 Etch 공정에서 사용됩니다.
중요한 것은
Gas A가 무조건 Material A를 제거한다
처럼 단순하게 생각하기 어렵다는 것입니다.
실제 Etch 결과는
Gas 종류
Gas Ratio
Pressure
RF Power
Bias
Temperature
Chamber Condition
등이 함께 결정합니다.
같은 Gas를 사용하더라도 다른 Parameter가 달라지면 Selectivity 역시 달라질 수 있습니다.
그래서 Recipe에 Gas Flow가 여러 개 설정되어 있는 것을 보면 단순히 Plasma를 만들기 위한 Gas 조합이 아니라 Etch와 Passivation, Selectivity의 균형을 맞추기 위한 Chemistry라는 관점으로 볼 필요가 있다고 생각합니다.
Plasma를 강하게 만들면 Selectivity도 좋아질까?
처음에는 Plasma가 강하면 반응이 활발해지니 Etch도 더 잘되고 결과도 좋아질 것처럼 생각하기 쉽습니다.
하지만 Selective Etch에서는 그렇게 단순하지 않습니다.
Plasma Density가 높아지면 Reactive Species가 증가할 수 있습니다.
그 결과 제거하려는 Material의 Etch Rate가 올라갈 수 있습니다.
문제는 보호해야 하는 Material의 Etch Rate 역시 같이 증가할 수 있다는 것입니다.
예를 들어
A Material의 Etch Rate가
100 → 150으로 증가했는데,
B Material의 Etch Rate가
2 → 10으로 증가했다면 어떨까요?
A의 Etch Rate 자체는 빨라졌습니다.
하지만 Selectivity는 오히려 떨어집니다.
기존에는
100 ÷ 2 = 50
이었지만,
변경 후에는
150 ÷ 10 = 15
가 됩니다.
즉 Etch Rate는 증가했는데 공정 선택성은 나빠질 수 있는 것입니다.
저는 이 예를 보고 Etch에서 Power를 단순히 높고 낮음으로 판단하면 안 되는 이유를 이해하기 쉬웠습니다.
Bias RF 역시 무조건 높다고 좋은 게 아니다
앞서 RF Generator 글에서도 Source RF와 Bias RF에 대해 이야기했습니다.
아주 단순하게 구분하면
Source RF → Plasma Density와 밀접
Bias RF → Wafer에 도달하는 Ion Energy와 밀접
하다고 볼 수 있습니다.
Selective Etch에서도 Bias는 중요합니다.
Ion Energy를 높이면 원하는 Material의 Etching을 촉진할 수 있습니다.
그런데 너무 높은 Energy가 들어가면 보호해야 하는 Layer까지 물리적으로 공격할 수 있습니다.
특히 아주 얇은 Layer를 남겨야 하는 차세대 구조에서는 작은 Damage도 문제가 될 수 있습니다.
결국 목표는
가장 강한 Ion
이 아니라
필요한 반응만 일으킬 정도의 적절한 Ion Energy
입니다.
이런 부분을 보면 앞서 다뤘던 ALE와 Selective Etch가 서로 연결되어 있다는 생각이 듭니다.
Selective Etch와 ALE가 연결되는 이유
앞에서 Atomic Layer Etching(ALE)에 관한 글을 작성했습니다.
ALE의 핵심은 한 번에 많은 Material을 제거하는 것이 아니라 표면 반응과 제거 단계를 나누면서 아주 작은 양을 정밀하게 제어하는 것입니다.
Selective Etch는 목적이 조금 다릅니다.
ALE → 얼마나 조금씩 정확하게 제거할 것인가
Selective Etch → 원하는 Material만 얼마나 선택적으로 제거할 것인가
라고 생각하면 이해하기 쉽습니다.
그런데 차세대 반도체에서는 두 가지가 동시에 필요할 수 있습니다.
원하는 Material만 선택적으로 제거하면서 그 양까지 아주 정밀하게 제어해야 하기 때문입니다.
결국
Atomic-scale Precision + High Selectivity
가 동시에 요구되는 방향으로 Etch 기술이 발전하는 것입니다.
GAA에서 Selective Etch가 중요한 이유
Selective Etch 이야기를 하면 GAA를 빼놓기 어렵습니다.
GAA Nanosheet 구조에서는 Channel을 Gate가 여러 방향에서 둘러싸는 형태를 사용합니다.
이 구조를 만들기 위해서는 여러 Material이 적층된 구조에서 특정 Material을 선택적으로 제거하는 과정이 필요합니다.
여기서 제가 중요하다고 느낀 부분은 단순히 Material을 제거하는 것이 목적이 아니라는 것입니다.
남겨야 하는 구조의 모양을 그대로 유지하면서 제거해야 한다는 것입니다.
예를 들어 제거 대상 Material은 완전히 제거했는데 남겨야 하는 Nanosheet도 같이 얇아졌다면 성공적인 공정이라고 보기 어렵습니다.
그래서 Selectivity뿐 아니라
Uniformity
Surface Roughness
Damage
Profile
등도 함께 관리해야 합니다.
반도체 구조가 작아질수록 ‘조금 깎였다’는 표현에서 그 조금의 의미가 완전히 달라지는 셈입니다.
GAA 관련 전문적인 내용은 아래 링크에서 좀 더 상세하게 공부하실수 있으세요.
Etch Stop Layer가 있는 이유도 조금 이해됐다
반도체 공정 자료를 보다 보면 Etch Stop Layer라는 말을 자주 보게 됩니다.
처음에는 단순히 Etch를 멈추는 막 정도로 생각했습니다.
실제로는 원하는 Material을 제거한 뒤 아래 Layer가 과도하게 식각되는 것을 막는 역할을 할 수 있습니다.
이때도 Selectivity가 중요합니다.
위쪽 Material은 잘 제거되지만 Etch Stop Layer에서는 Etch Rate가 크게 낮아져야 합니다.
그러면 어느 정도 Over Etch 시간이 발생하더라도 아래 구조를 보호할 수 있습니다.
양산에서는 Wafer 전체의 모든 위치가 정확히 같은 순간에 Etch가 끝난다고 보기 어렵습니다.
그래서 어느 정도 Over Etch Margin이 필요할 수 있습니다.
이때 높은 Selectivity가 Process Window를 확보하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.
Temperature가 선택비에도 영향을 줄 수 있다
저는 처음 장비를 배울 때 Temperature를 주로 Wafer Cooling 관점에서 생각했습니다.
하지만 Etch에서는 Temperature가 Surface Chemistry와 직접 연결됩니다.
Wafer Temperature가 달라지면
흡착
화학반응
Desorption
Polymer 형성
등의 특성이 변할 수 있습니다.
결국 동일한 Gas와 RF 조건에서도 Temperature가 달라지면 Material별 Etch Rate가 달라질 수 있고 Selectivity에도 영향을 줄 수 있습니다.
그래서 ESC Temperature나 Backside He Cooling이 단순한 장비 안정화 기능만은 아니라는 생각이 듭니다.
Wafer 온도를 얼마나 일정하게 유지하느냐 자체가 Process Control의 일부인 것입니다.
Chamber Condition도 무시할 수 없다
이 부분은 장비를 보는 입장에서 특히 흥미롭습니다.
Recipe가 똑같다고 해서 Chamber 내부 상태까지 항상 완전히 같은 것은 아닙니다.
Wafer를 계속 진행하면 Chamber Wall에 Polymer나 By-product가 누적될 수 있습니다.
Consumable Parts 상태도 조금씩 변합니다.
PM 직후와 많은 Wafer를 진행한 뒤의 Chamber Surface 상태도 다를 수 있습니다.
이런 변화가 Plasma Chemistry나 Radical Balance 등에 영향을 준다면 결국 Etch Rate와 Selectivity에도 영향을 줄 가능성이 있습니다.
그래서
“Recipe가 똑같으니까 Process도 똑같을 것이다.”
라고만 생각하기는 어렵습니다.
저는 장비를 볼수록 Recipe 숫자만큼 Chamber가 지금 어떤 상태인가를 이해하는 것도 중요하다고 느낍니다.
선택비가 높으면 무조건 좋은 걸까?
여기서 한 가지 궁금증이 생길 수 있습니다.
그렇다면 Selectivity는 무조건 높을수록 좋은 걸까요?
꼭 그렇게 단순하지는 않습니다.
선택비를 높이기 위해 Etch Rate가 지나치게 낮아진다면 Throughput 문제가 생길 수 있습니다.
또 특정 Chemistry를 사용해 Selectivity를 높였지만 Polymer가 너무 많이 발생한다면 Chamber 관리나 Defect 측면에서 다른 문제가 생길 수도 있습니다.
Profile이 나빠질 수도 있습니다.
결국 실제 공정에서는
Selectivity
Etch Rate
Profile
Uniformity
Damage
Throughput
을 동시에 고려해야 합니다.
이것도 결국 제가 Etch를 공부하면서 계속 느끼는 Balance의 문제로 돌아옵니다.
하나의 Parameter만 최고로 만드는 것이 아니라 여러 조건이 동시에 만족되는 Process Window를 찾는 것이 중요한 것입니다.
장비 엔지니어 입장에서 Selective Etch를 보면
Selective Etch를 공부하고 나서 저는 장비에서 보는 Parameter들이 조금 다르게 보였습니다.
예를 들어 MFC의 Gas Flow가 아주 조금 변했다고 생각해보겠습니다.
장비 Spec 안에서는 정상일 수 있습니다.
하지만 Gas Ratio가 중요한 Selective Etch Recipe라면 그 작은 변화가 Radical 조성을 바꿀 가능성이 있습니다.
RF Power가 조금 달라져도 Plasma 상태가 달라질 수 있습니다.
Bias가 변하면 Ion Energy가 변할 수 있습니다.
Temperature가 변하면 Surface Reaction이 달라질 수 있습니다.
Pressure가 달라지면 Collision과 Species Transport가 변합니다.
결국
장비 Parameter 변화
↓
Plasma Chemistry 변화
↓
Material별 Etch Rate 변화
↓
Selectivity 변화
↓
Wafer 구조 변화
로 연결될 수 있습니다.
이 흐름을 알고 장비를 보는 것과 단순히 Parameter가 Spec 안에 있는지만 확인하는 것은 조금 다른 이야기라고 생각합니다.
Selective Etch Trouble을 본다면 무엇을 같이 볼까?
만약 기존보다 Selectivity가 나빠졌다고 가정해보겠습니다.
저라면 한 가지 Parameter만 바로 원인이라고 생각하지 않을 것 같습니다.
먼저 Gas Flow와 Ratio가 정상인지 볼 필요가 있습니다.
RF Power와 Bias Trend도 비교해볼 수 있습니다.
Pressure가 평소와 다른지도 확인할 수 있습니다.
ESC Temperature와 Backside He 상태도 볼 필요가 있습니다.
Chamber PM 이후 변화가 있었는지, Consumable Parts 상태가 달라졌는지도 생각해볼 수 있습니다.
그리고 가능하다면 정상 Wafer와 문제 발생 Wafer의 Trend를 비교해서 어떤 Parameter가 먼저 변했는지 보는 게 중요하다고 생각합니다.
장비 Trouble을 볼 때 제가 계속 중요하다고 느끼는 것이 하나 있습니다.
비정상 상태만 보는 것보다 정상 상태를 잘 알고 있는 것이 중요하다는 점입니다.
정상적인 Trend를 알고 있어야 작은 변화도 눈에 들어오기 때문입니다.
앞으로 Selective Etch가 더 중요해질 것 같은 이유
반도체는 계속 작아지고 구조는 오히려 더 복잡해지고 있습니다.
FinFET에서 GAA로 넘어가고 앞으로 CFET 같은 더 복잡한 구조가 본격적으로 등장한다면 Etch에서 요구되는 선택성 역시 더 까다로워질 가능성이 높습니다.
이제는 단순히
Material A를 제거한다
가 아니라
A는 제거하면서 B는 거의 건드리지 않고 C의 Surface Damage도 최소화한다
같은 수준의 제어가 필요해질 수 있습니다.
그래서 앞으로 Etch 기술에서는
Selective Etch
Atomic Layer Etching
Low Damage Plasma
Ion Energy Control
Surface Chemistry Control
같은 기술들이 서로 따로 발전한다기보다 점점 연결될 것이라고 생각합니다.
Selective Etch 핵심을 한 번에 정리하면
제가 이해한 Selective Etch를 아주 간단하게 정리하면 이렇습니다.
Gas Chemistry
어떤 Reactive Species를 만들 것인가?
↓
Plasma
Radical과 Ion을 얼마나 만들 것인가?
↓
RF / Bias
Ion Energy를 어떻게 제어할 것인가?
↓
Pressure / Temperature
Transport와 Surface Reaction을 어떻게 만들 것인가?
↓
Material Reaction
어떤 Material과 더 잘 반응하도록 만들 것인가?
↓
Selectivity
원하는 Material만 얼마나 선택적으로 제거할 것인가?
↓
Wafer Structure
남겨야 하는 구조를 얼마나 정확하게 보존할 것인가?
결국 Selective Etch 역시 Etch 장비 전체가 하나의 시스템으로 연결되어 있습니다.
마무리
Etch를 처음 접했을 때 저는 잘 깎는 것이 가장 중요하다고 생각했습니다.
그런데 조금씩 공부하면서 생각이 바뀌었습니다.
미세공정에서는 잘 깎는 것만큼
“깎지 말아야 할 것을 얼마나 잘 지키느냐”
가 중요합니다.
Selective Etch는 바로 그 차이를 만들어내는 기술이라고 생각합니다.
Gas Chemistry를 선택하고 Plasma를 만들고 RF와 Bias를 조절합니다.
Pressure와 Temperature를 제어하고 Surface Reaction을 원하는 방향으로 유도합니다.
그 결과 제거하려는 Material과 보호하려는 Material 사이의 Etch Rate 차이를 만들어냅니다.
결국
Equipment → Plasma → Surface Chemistry → Selectivity → Wafer
로 연결됩니다.
개인적으로 HAR Etch를 공부했을 때는 깊은 곳까지 어떻게 원하는 Profile을 유지할 것인가가 Etch의 어려움으로 느껴졌다면, Selective Etch를 공부하면서는 또 다른 부분이 보였습니다.
얼마나 많이 제거하느냐보다 무엇을 남길 것인가가 더 중요할 수도 있다는 점입니다.
앞으로 GAA와 그 이후의 반도체 구조가 더 복잡해진다면 이런 정밀한 Material Control의 중요성은 더욱 커질 것이라고 생각합니다.
그리고 장비 엔지니어 입장에서도 RF, Gas, Pressure, Temperature 같은 숫자를 단순한 장비 Parameter로 보는 것이 아니라 그 작은 변화가 실제 Material의 선택비와 Wafer 구조에 어떻게 연결될 수 있는지 생각하는 것이 점점 중요해질 것 같습니다.