여러분들은 Atomic Layer Deposition, ALD 공정에 대해서는 많이 접해보셨을 겁니다. 원자 한층 한층을 제어하여 Deposition하는 기술인데, Etch 공정에서도 원자 한층 한층 Etching 해나가는 ALE 기술이 존재합니다. 점점 더 공정이 미세해지면서 RIE는 한계에 봉착했고, 개발 이후 수십 년 동안 생산 부분에서 외면 받다가 이제서야 주목 받고 있는 ALE에 대해서 다루어보겠습니다.
[질문 1]. Atomic Layer Etch, ALE 기술에 대해서 설명해주세요.
Atomic Layer Etch, ALE 공정은 이름처럼 원자층 단위로 Etching 하는 공정입니다. Ion, Radical 인자의 반응을 시분할하여 공정을 진행합니다. Plasma가 발생하면 반응종들이 확산을 통해 Target 표면으로 이동하여 흡착됩니다. 이때 ALD 공정처럼 반응물이 표면 전체에 흡착되는 'Self-limited' 혹은 'Self-Saturation' 자기제한 표면반응을 일으킵니다. 이후 Purge를 통해 잔여 반응물을 제거해주고, 하단 박막의 결합에너지와 반응한 박막의 에너지를 계산하여 그 에너지만큼만 이온에너지를 가하여 Target에 이온을 충돌시킵니다. 이때 이온 에너지가 적다면 불완전하게 제거될 것이고 이온에너지가 높다면 하부막까지 에칭이 되면서 Sputtering과 유사하게 제거될 것입니다. 따라서 ALD와 마찬가지로 ALE Window를 찾는 것이 중요합니다.
[ALE 공정 Mechanism : Si Etch] ALE 공정을 통해 Si을 Etching 하는 프로세스에 대해서 간단하게 다루어보겠습니다. 우선 Chlorine이 포함된 반응성 Etchant Gas를 Chamber 내부로 주입하고 약 650℃의 공정 환경을 만들어줍니다. ①주입된 Chlorine 반응종은 확산되어 SiO2 표면으로 이동하여 흡착됩니다. ②Chlorine과 반응한 SiOx는 결합에너지가 감소하게 됩니다. ③ 계속해서 표면에 Chlorine이 흡착되고 반응하면서 SiOx 표면은 포화됩니다. ④ SiOx가 포화되면 더 이상 Chlorine과의 반응은 일어나지 않고 (100% 표면반응, 'Self-limited or Self Saturation Reaction') 반응에 참여하지 않는 잔여 Chlorine Gas는 다음 Cycle에 영향을 주지 않기 위해 Purge Step에서 제거됩니다. ⑤ 이후 Bias를 인가하여 Ar+이온이 Chlorine과 반응한 SiOx 표면에 물리적인 충격을 가해 결합이 약해진 표면 원자층만 정확하게 제거 됩니다. ⑥ 원하는 Depth 만큼 Etching 될 때까지 Cycle이 반복됩니다.
[꼬리 1.1]. Atomic Layer Etch, ALE 기술의 장점에 대해서 설명해주세요.
표면 원자층을 Self-limited Reaction으로 식각하는 방법인 ALE는 4가지의 장점이 있습니다. 첫째, 반응한 원자만을 제거하기 때문에 정확한 공정이 가능합니다. 둘째, 원자층 단위로 Etching이 가능하기 때문에 원하는 두께만큼 정확하게 Etching이 가능합니다. 셋째, 얇은 원자층 단위로 Etching이 진행되기 때문에, Etching 이후에 Surface 막질이 우수하며, 매끈합니다. 넷째, 면적에 관계없이 원자층 단위로 Etching 할 수 있기 때문에 Etching한 Depth의 균일성이 매우 우수합니다.
[꼬리 1.1]. Atomic Layer Etch, ALE 기술의 단점에 대해서 설명해주세요.
ALE 기술은 상당히 오래 전에 개발된 기술인 것으로 알고 있습니다. 하지만 RIE 기술이 채택되고 ALE 기술이 양산에 적용되지 못했던 가장 큰 이유는 바로 생산성입니다. 초기 ALE 기술은 ALD와 마찬가지로 Thermal ALE 기술에서 시작했습니다. 챔버 내부를 고온 환경으로 만들어 반응성 가스와 표면 물질 간의 반응을 유도하는 열흡착 방식이었습니다. 하지만 표면이 포화되는 시간이 상대적으로 오래 걸려, 전체 공정 시간이 오래 걸리고 Throughput이 낮은 이슈로 인해 뛰어난 Etching 기술력임에도 불구하고 외면받았습니다.
[꼬리 1.2]. Atomic Layer Etch, ALE 기술을 개선시킨 방법에 대해서 설명해주세요.
초기 Thermal ALE의 열흡착 방식으로 Target 박막의 Surface에 완전히 포화되기 까지 최대 30 sec가 걸려 양산에는 적합하지 않다고 판단됐습니다. 그래서 모든 공정의 개발 추이와 마찬가지로 Plasma를 도입한 PEALE (Plasma Enhanced ALE)가 개발되었습니다. PEALE는 Etchant Gas를 주입하여 Plasma가 발생할 때 생성되는 Radical을 Target 박막 표면과 빠르게 반응시킬 수 있게 됐습니다. 이러한 Radical을 이용해서 표면 반응을 유도하고 표면이 포화되는 시간을 급속하게 줄일 수 있어 기존의 Thermal ALE의 Throughput 이슈를 개선시킬 수 있게 됐습니다. 또한 반응성 가스 외에 동일 챔버 내에서 Ar와 같은 비활성 기체의 첨가 가스를 통해 Plasma Ion을 형성할 수 있어 공정 속도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 그리고 Plasma를 도입한 공정들의 공통의 장점인 '저온 공정'이 가능하다는 장점이 있습니다.
[꼬리 1.3]. 그러면 PEALE 공정은 무슨 이슈가 있는지 설명해주세요.
Plasma Enhanced ALE 기술은 미세화 트랜드에 적합한 차세대 Etching 기술이라고 할 수 있습니다. 최근 ALD와 마찬가지로 5nm 이하 Tech node에서 적용할 핵심 공정 기술로 주목받고 있습니다. 다만 아직까지 원자층 단위로 Etching이 가능하기 위한 '기준', 원자간의 결합에너지를 고려하여 물리적인 타격을 주는 Ion Energy를 미세하게 제어하는 기술들이 도전 과제로 남아있습니다. 현재 글로벌 파운드리 기업들은 3nm Tech node 공정을 적용시켜 미세공정 기술력 우위를 선점하기 위해 총력을 기울이고 있습니다. PEALE는 이러한 반도체 전쟁에서 반드시 채택되어 개발해야 하는 핵심 미래 공정기술이라고 생각합니다.
오늘은 ALE 기술에 대해서 다루어보았습니다. 여러분들은 항상 '어떤 원리의 기술인지', '왜 이 기술이 도입이 되었는지', '어떤 한계가 있었고, 이를 어떻게 극복했는지' 끊임없이 물음을 가져야 성장할 수 있다고 생각합니다. 그리고 그 물음에 대한 답은 여기 반도체사관학교에서 충분히 얻을 수 있다고 생각합니다.
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