반도체 식각 공정은 소자의 소형화와 성능 향상에 대한 끊임없는 요구에 따라 놀라운 발전을 거듭해 왔다. 초기의 습식 식각 방식에서 오늘날의 고도로 정밀한 건식 및 플라즈마 기반 식각 기술에 이르기까지, 산업 전반은 원자 수준의 정밀도를 달성하기 위한 새로운 패러다임으로 이동하고 있다. 이러한 변화는 5nm 이하의 트랜지스터 아키텍처를 실현했을 뿐만 아니라, 2nm 및 그 이하 공정 시대를 위한 기반을 마련했다. 본 칼럼에서는 반도체 식각의 기술적 발전을 검토하고, 원자 수준 정밀도의 최신 기술 동향을 분석하며, 미래 식각 기술의 전망을 예측한다.

반도체 식각 공정의 기술적 진화

식각은 반도체 제조 과정에서 특정 재료를 선택적으로 제거하여 복잡한 패턴과 구조를 형성하는 핵심 공정이다. 초기 기술은 습식 식각이 주를 이루었으며, 이는 등방성 특성을 지녀 단순한 기하학적 구조에는 적합했으나, 소형화가 진행되면서 등방성 식각의 한계(언더컷 등)가 드러나게 되었다. 이에 따라 건식 식각, 특히 플라즈마 식각과 반응성 이온 식각(RIE)이 도입되었다.

깊은 반응성 이온 식각(DRIE)은 비등방성 식각 능력을 비약적으로 향상시켜 MEMS 및 3D 구조 제조에 필수적인 수직 패턴을 구현하게 했다. 이후 유도 결합 플라즈마(ICP) 식각 기술이 등장하면서 이온 에너지 제어와 선택성이 더욱 강화되었다.

가장 최근의 혁신은 원자층 식각(ALE)으로, 원자층 단위로 물질을 제거할 수 있는 자기 제한 반응(self-limiting reaction)을 이용해 균일하고 정밀한 결과를 제공한다. 이 기술은 FinFET, 게이트 올 어라운드(GAA) 트랜지스터 및 고급 아키텍처 구현에 필수적인 역할을 하고 있다.

최신 식각 기술의 현황

최신 식각 기술은 높은 종횡비, 선택성, 저손상 프로파일을 충족시키는 능력으로 정의된다. 자기 정렬 다중 패터닝(SADP, SAQP) 등 다중 패터닝 기술의 도입은 초미세 구조를 위한 초정밀 식각 시스템을 필요로 했다.

• 원자 정밀 식각(APE):
  ALE 원리를 활용하여 원자 단위 깊이 제어가 가능하며, 최소한의 재료 손실과 결함 생성을 보장한다.


• 고종횡비 식각(HARE):
  DRAM 및 3D NAND 같은 응용에서 100:1 이상의 종횡비를 가진 구조를 붕괴 없이 형성할 수 있다.


• 선택적 식각 솔루션:
  이종 재료 스택에서 유사 화학 특성을 가진 물질을 구별하여 선택적으로 제거할 수 있는 기술로, 이종 통합 시스템에서 필수적이다.


• 플라즈마 손상 감소 기술:
  마이크로파 기반 플라즈마와 같은 저손상 플라즈마 소스를 활용하여 결함 밀도를 줄이고 전기적·구조적 안정성을 유지한다.

미래 전망: 앙스트롬 수준의 정밀도를 향하여

반도체 산업은 앙스트롬 시대에 진입하며, 식각 정밀도는 원자 수준의 요구를 충족해야 한다. 향후 몇 가지 주요 트렌드와 도전 과제가 예상된다.

1. 고선택성 원자층 식각:
   화학 및 플라즈마 제어의 발전을 통해 원자 표면 차이를 구별하는 정밀한 반응을 실현하며, 이종 통합 및 칩렛 아키텍처를 지원한다.


2. 3D 소자 아키텍처에 대한 식각:
   3D NAND 및 수직 채널 구조의 복잡성에 대응하기 위해 깊은 트렌치와 다양한 재료층을 처리할 수 있는 기술이 요구된다.


3. 하이브리드 식각 기술:
   습식과 건식 식각의 장점을 결합한 접근법으로, 플라즈마 정밀도를 유지하면서 화학적 부드러움으로 손상을 최소화한다.


4. AI 기반 공정 최적화:
   기계 학습 알고리즘을 활용하여 식각 프로파일을 모델링하고, 공정 변화를 예측하며 장비 성능을 최적화함으로써 수율을 향상시킨다.


5. 지속 가능한 식각 공정:
   탄소 배출 절감, 화학물질 재활용, 에너지 효율 증대에 중점을 둔 친환경 기술 개발이 필수적이다.


6. 양자 소자 및 포스트 CMOS 아키텍처:
   큐비트 제조 및 2D 재료 처리 지원을 위해 원자층 단위 식각 기술이 핵심적으로 요구된다.

결론: 식각 기술의 미래를 재정의하다

반도체 식각 공정의 발전은 원자 수준의 정밀도와 확장성을 달성하려는 업계의 끊임없는 혁신을 보여준다. 2nm 이하 공정으로의 전환이 가속화됨에 따라, 식각 기술은 높은 종횡비, 복합 재료의 다양성, 친환경 공정 요구를 해결해야 한다.

원자층 식각(ALE), 하이브리드 식각, AI 기반 최적화와 같은 혁신 기술은 차세대 로직 및 메모리 아키텍처뿐만 아니라 양자 컴퓨팅 및 뉴로모픽 소자 개발을 지원하는 기반이 될 것이다.

식각 기술의 미래는 단순히 소자의 소형화가 아닌, 반도체 제조의 경제적·기술적 한계를 재정의하는 데 초점이 맞춰져 있다. 이 과정에서 혁신적 식각 기술에 투자하는 기업들은 차세대 반도체 시장에서 전략적 우위를 확보하며, 물리적·경제적 장벽을 넘어선 새로운 산업 생태계를 형성할 것이다.