SEMI 테크놀로지 심포지엄(STS) 옥스퍼드인스트루먼트 CTO 강연
반도체 생산은 회로 패턴 사진을 찍고(노광), 깎고(식각), 씻고(세정), 재료를 덮는(증착) 과정의 연속이다. 이 가운데 식각(에칭)은 노광으로 그려진 회로 패턴이나 증착으로 얹어진 박막을 깎아내는 공정이다. 갈수록 회로 패턴이 미세해지면서 그만큼 정밀한 식각이 필요해졌고 ‘원자층 식각(ALE:Atomic layer etching)’이 유망 기술로 주목받고 있다.
마이크 쿡 옥스퍼드인스트루먼트 최고기술책임자(CTO)는 세미콘 코리아 2019 부대행사인 SEMI 테크놀로지 심포지엄(STS)를 통해 실리콘(Si), 이산화규소(SiO2), 이황화몰리브덴(MoS2), 질화갈륨(GaN), 알루미늄질화갈륨(AlGaN) 등 다양한 재료를 활용한 ALE 테스트 결과를 소개했다.
현재 널리 쓰이는 건식 식각은 플라즈마를 이용한다. 플라즈마 상태에서 여러 개의 이온이 식각 재료와 부딪치며 필요한 만큼 회로 패턴이나 박막을 깎는다. 그러나 이온 자체가 수 일렉트론볼트(eV)의 에너지를 가지고 있어 회로 패턴에 원하지 않는 피해가 생길 수 있다. 식각 표면층의 화학구조가 달라지거나 챔버를 씻기 위해 사용하는 특정 가스와 결합해 미세 파티클로 변할 수도 있다.
이런 문제 해결을 위해 등장한 ALE는 반응성 가스가 식각이 필요한 표면에 달라붙고 이를 중성빔으로 제거하는 기술이다. 반응성 가스가 식각층과 결합하면 중성빔이 두 재료를 원자 단위로 떼어낸다. 물리적으로 매끄러운 표면을 만들어내며 기존 건식 식각과 마찬가지로 등방성(isotropic), 이방성(anisotropic) 식각이 가능하다. 원하는 방향으로 식각 속도를 조절할 수 있다.
쿡 CTO는 1996년 Si와 갈륨비소(GaAs)를 통해 ALE가 가능하다는 점이 증명됐으나, 한정된 식각 재료와 중성빔의 에너지를 50eV 이하로 낮추면서 출력을 자유롭게 조절할 수 있는 능력이 필요하다고 강조했다. 현재 옥스퍼드인스트루먼트는 Si, MoS2, AlGaN, GaN을 이용해 ALE 공정 프로세스를 만들었다. 염소(Cl2)와 아르곤(Ar)을 반응성 가스로 썼다. 대상 재료는 Si와 SiO2다.
테스트 결과, 한 사이클 당 2에서 7옹스트롬(0.2~0.7나노)을 식각했다. 분당 최대 70옹스트롬까지 가능하다는 게 쿡 CTO의 설명이다. 25나노 크기의 3D Si에서 110나노 깊이로 굴곡을 만들었다. MoS2의 경우 40 사이클 만에 필요한 만큼 레이어를 제거했다. AlGaN은 어떨까. 20~30나노 레이어 두께를 가진 AlGaN을 한 사이클 당 1.4나노로 식각하면서 ±5% 내외의 균일도(200㎜ 웨이퍼 기준)를 나타냈다. 원하는 깊이로 매우 균일하면서 정확한 작업이 가능했다.
몇 가지 극복할 과제도 있다. 300㎜ 웨이퍼 지원과 중성빔 출력을 미세하게 조절할 수 있어야 한다. 쿡 CTO는 “실험실 환경에서 벗어나 다양한 재료를 사용하게 되면서 ALE는 사용 가능한 기술로 전환되고 있다”라며 “시장에 안착한 원자층 층착(ALD:Atomic Layer Deposition)과 함께 10나노 이하 반도체 생산에 필요한 어려움을 극복할 수 있는 방법이 될 것”이라고 덧붙였다.
