[반도체 취업준비] 4주차. 반도체 공정 이론->산화도핑부분부터 추가하기

안녕하세요!
오늘은 4주차 5월27일부터 6월4일 6일 간 진행된
반도체 공정 이론 입니다. 🙊

 

3주차까지가 "무엇을, 어떻게 설계하는가"였다면,

4주차는 그 설계를 실제 웨이퍼 위에 어떻게 구현하는가(공정)에 대해 진행해보겠습니다.

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<목차>

1. 반도체 공정 개요

2. 진공

3. 플라즈마

4. 반도체 공정 - Photolithography

5. 반도체 공정 - Etch

 

6. 반도체 공정 - Deposition

 

7. 반도체 공정 - Oxidaition + Doping

 

8. 반도체 공정 - C&C

9. 반도체 공정 - 후공정

10. 반도체 공정 - 배선

11. 웨이퍼 & Fab

12. 반도체 공정 직무

 

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목차 1. 반도체 공정 개요

1-1. 전공정(Fab) vs 후공정(Package/Test)

구분	내용
전공정(Front-end)	웨이퍼 위에 회로를 만드는 과정 (증착·포토·식각·이온주입 등 반복)
후공정(Back-end)	완성된 웨이퍼를 자르고(다이싱) 패키징·테스트하는 과정

 

1-2. FEOL / MOL / BEOL

전공정은 다시 세 영역으로 나뉩니다.

영역	하는 일	의미
FEOL (Front End of Line)	소자 형성	트랜지스터(웰·게이트·S/D) 등 소자 자체를 만듦
MOL (Middle of Line)	연결 준비	소자와 배선을 잇는 컨택(Contact) 형성
BEOL (Back End of Line)	배선	여러 층의 금속 배선(Metal)·비아로 소자들을 연결

💡 FEOL=소자 만들기, BEOL=배선으로 연결하기, MOL=그 사이 연결 

 

1-3. 단위 공정 한눈에 보기 (포토 중심 사이클)

회로 한 층을 만들 때 아래 단계가 반복됩니다.

순서	공정	설명
①	증착(Deposition)	웨이퍼 위에 박막(절연막·금속 등)을 입힘
②	세정(Cleaning)	표면의 오염·파티클 제거
③	PR 도포(Coating)	감광제(Photoresist)를 얇게 코팅
④	노광(Exposure)	마스크 패턴에 빛을 쪼여 PR에 전사
⑤	현상(Develop)	빛 받은/안 받은 부분을 선택적으로 제거 → 패턴 형성
⑥	식각(Etch)	PR이 없는 부분의 박막을 깎아냄
⑦	PR 박리(Strip)	역할을 다한 PR 제거

증착→세정→PR도포→노광→현상→식각→PR박리 단계별 단면도

 

1-4. 반도체 요소 기술

• 박막(Thin Film): 절연·도전·반도체 박막을 쌓는 기술
• 패터닝(Patterning): 포토 + 식각으로 원하는 모양을 새기는 기술
• 도핑(Doping): 이온주입·확산으로 전기적 성질 부여
• 세정·평탄화(CMP): 공정 사이 표면 관리

 

1-5. CMOS와 웰(Well) 구조

• CMOS: NMOS + PMOS를 한 기판에 함께 구현 → 저전력의 핵심
• NMOS는 P형 영역에, PMOS는 N형 영역에 만들어야 하므로 웰(Well) 이 필요합니다.

구조	설명	특징
싱글 웰(Single Well)	한 종류 웰만 형성 (예: P기판에 N-well만)	공정 단순, 특성 최적화 한계
트윈 웰(Twin Well)	N-well·P-well 둘 다 별도 형성	NMOS·PMOS 각각 최적 도핑 가능 → 현대 CMOS의 표준

싱글 웰 vs 트윈 웰 단면 구조 비교

 

1-6. CMOS 공정 플로우 

1. 웰 형성: 이온주입으로 N-well / P-well 형성
2. 소자 격리(STI): 트랜지스터 간 절연 (Shallow Trench Isolation)
3. 게이트 형성: 게이트 산화막 + 게이트 전극 패터닝
4. S/D 형성: 이온주입으로 소스·드레인 도핑
5. 컨택·배선(MOL/BEOL): 절연막 증착 → 컨택 → 다층 금속 배선

CMOS 모듈

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목차 2. 진공(Vacuum)

증착·식각·이온주입 등 핵심 공정은 모두 진공 환경에서 이뤄집니다. 

 

2-1. 진공의 정의 및 단위

• 정의: 대기압보다 낮은 압력 상태 (분자 밀도가 낮은 공간)
• 단위: Torr(주로 사용), Pa, mbar, atm
  • 1 atm = 760 Torr ≈ 101,325 Pa ≈ 1013 mbar

 

2-2. 진공이 필요한 이유 (목적·용도)

목적	설명
오염 방지	잔류 기체와의 반응·파티클 부착 차단 → 깨끗한 표면 유지
MFP 확보	입자가 충돌 없이 멀리 날아가게 함 (증착·이온주입에 필수)
반응 제어	원하는 가스만 정밀하게 주입해 반응 조건 제어
플라즈마 형성	적정 저압에서 안정적인 플라즈마 생성

 

2-3. 평균자유행정(MFP)과 단분자층 형성 시간

• 평균자유행정(MFP, Mean Free Path): 한 입자가 다른 입자와 충돌하기 전까지 평균적으로 이동하는 거리
  • 압력이 낮을수록(진공일수록) MFP가 길어짐 → 입자가 곧장 직진
• 단분자층 형성 시간(Monolayer Formation Time): 깨끗한 표면에 기체 분자가 한 층 쌓이는 데 걸리는 시간
  • 진공이 높을수록 길어짐 → 표면을 오래 깨끗하게 유지 가능

💡 대기압에선 단분자층이 나노초 만에 덮이지만, 초고진공에선 수 시간이 걸림. 따라서 깨끗한 공정엔 고진공이 필수적임.

 

2-4. 진공 영역별 압력·분자수·MFP

진공	영역압력(Torr)	분자 수 밀도(개/cm³)	MFP(대략)
대기압	760	~2.5 × 10¹⁹	~70 nm
저진공(Rough)	760 ~ 1	10¹⁹ ~ 10¹⁶	μm 수준
중진공(Medium)	1 ~ 10⁻³	10¹⁶ ~ 10¹³	mm ~ cm
고진공(High)	10⁻³ ~ 10⁻⁷	10¹³ ~ 10⁹	m 수준
초고진공(UHV)	< 10⁻⁷	< 10⁹	km 수준

압력↓ → 분자 수↓ → MFP↑ → 단분자층 형성 시간↑

 

2-5. 진공 장비 구성

• 진공 챔버 → 게이지(압력 측정) → 펌프(배기) → 밸브·배관으로 구성
• 보통 저진공 펌프로 1차 배기 후 → 고진공 펌프로 2차 배기하는 2단 구성

진공 장비 구성도

 

2-6. 진공 펌프

분류	종류	특징
저진공용	로터리(회전날개), 드라이 펌프, 루츠 펌프	대기압에서 작동 시작, 1차 배기 담당
고진공용	터보몰레큘러(TMP), 디퓨전 펌프, 크라이오 펌프	저진공 상태에서만 작동 가능, 2차 배기 담당

💡 고진공 펌프는 대기압에서 못 키기 때문에 저진공 펌프로 먼저 빼주는 "예비 배기(Roughing)" 가 필수과정.

 

2-7. 진공 게이지

분류	종류	원리
저진공용	피라니(Pirani), 열전대(Thermocouple), 정전용량(Capacitance)	열전도도·압력 변화 측정
고진공용	이온화 게이지(열음극/냉음극·Penning)	기체를 이온화해 이온 전류로 압력 측정

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⭐목차 3. 플라즈마(Plasma)⭐

3-1. 플라즈마의 정의

• 정의: 기체에 에너지를 가해 일부가 이온화되어 양이온·전자·중성입자(라디칼)가 섞여 있는 상태 → "제4의 상태"
• 전체적으로는 전기적 중성(준중성, Quasi-neutral) 이지만, 내부에 자유 전하가 있어 전기장에 반응

 

3-2. 플라즈마 생성 기구 (충돌 반응)

전자가 기체 분자와 충돌하며 아래 반응들이 일어납니다.

반응	내용	공정에서의 의미
이온화(Ionization)	전자가 분자를 때려 전자를 떼냄 → 양이온 + 전자 2개	플라즈마 유지의 핵심
여기(Excitation)	전자가 분자를 높은 에너지 상태로 들뜸	—
발광/탈여기(Relaxation)	들뜬 분자가 빛을 내며 안정화	플라즈마 발광(글로우) 원인
해리(Dissociation)	분자 결합을 끊어 라디칼 생성	화학 반응종(라디칼) 공급
재결합(Recombination)	이온 + 전자가 다시 결합 → 중성	플라즈마 소멸 방향

• 에치 예시: CF₄ 플라즈마에서 F 라디칼이 생성 → Si와 반응해 휘발성 SiF₄로 식각
• PECVD 예시: SiH₄가 해리되어 생긴 SiH₃ 등 라디칼이 표면에 증착 → 저온에서도 박막 형성 가능

 

3-3. 플라즈마에서의 MFP

• 플라즈마는 저압(저진공) 에서 만들어 MFP를 길게 함
• MFP가 적당히 길어야 전자가 전기장에서 충분히 가속된 뒤 충돌·이온화 → 플라즈마 유지
• 너무 고압이면 충돌이 잦아 가속 전 에너지 손실, 너무 저압이면 충돌 자체가 부족

 

3-4. 플라즈마의 특성

• 준중성(Quasi-neutral): 큰 영역에서 양전하 ≈ 음전하
• 발광(Glow): 탈여기 시 방출되는 빛
• 전자 온도 ≫ 이온 온도: 가벼운 전자만 뜨겁고(고에너지), 무거운 이온·중성입자는 상온에 가까움 → 저온 공정 가능
• 반응성: 라디칼·이온이 풍부해 상온 기체로는 안 되는 반응을 일으킴

 

3-5. 쉬스(Sheath) — 매우 중요!

• 정의: 플라즈마와 벽(전극·웨이퍼) 사이에 생기는 전자가 부족하고 양이온이 우세한 얇은 경계층
• 형성 원리: 가벼운 전자가 무거운 이온보다 훨씬 빨리 벽으로 빠져나감 → 벽 근처에 양전하층이 남고 큰 전위차(전압 강하) 발생
• 역할: 쉬스의 강한 전기장이 양이온을 웨이퍼 표면으로 수직 가속 → 이방성(수직) 식각의 원동력

💡 식각이 "옆으로 안 퍼지고 아래로 곧게" 파이는 이유가 쉬스가 이온을 수직으로 때려주기 때문임.

 

3-6. 플라즈마 형성 방법 — DC vs RF

DC 플라즈마

• 두 전극에 직류(DC) 전압을 걸어 전자를 가속 → 기체 이온화
• 한계: 전극이나 타겟이 절연체면 표면에 전하가 쌓여(charge-up) 방전이 멈춤 → 도체에만 사용 가능 (DC 스퍼터링 등)

 

RF 플라즈마 (13.56 MHz)

• 고주파(RF) 전압을 인가 → 전극 극성이 빠르게 바뀜
• 원리: 가벼운 전자는 RF를 따라 진동하지만, 무거운 이온은 빠른 진동을 못 따라감
• 장점: 절연체에도 전하가 누적되지 않아 절연막 식각·증착 가능 → 반도체 공정의 표준

 

전위 분포

• 플라즈마 내부(Bulk)는 거의 일정한 플라즈마 전위(Plasma Potential), 양쪽 전극 근처에서 쉬스로 급격히 전위가 떨어짐
• 전극은 전자를 빨리 받아 음(−)으로 대전, 플라즈마는 상대적으로 (+)

 

두 전극 크기가 같을 때 vs 다를 때

• 크기가 같으면(대칭): 양쪽 쉬스 전압이 비슷 → 이온이 양 전극에 고르게
• 크기가 다르면(비대칭): 작은 전극에 더 큰 전압(셀프 바이어스)이 걸림
  • 관계식: V₁/V₂ ≈ (A₂/A₁)ⁿ (면적 비의 거듭제곱)
  • → 웨이퍼를 작은(전력 인가) 전극에 올리면 이온이 그쪽으로 강하게 집중 → RIE(반응성 이온 식각) 의 원리

 

셀프 바이어스(Self-bias)

• 비대칭 RF 방전에서 작은 전극이 평균적으로 음의 전압(DC 성분) 을 띠는 현상
• 이 음전압이 양이온을 웨이퍼로 끌어당겨 식각 방향성을 줌

 

RF 매처(Matcher / Matching Network) 

• 역할: RF 발생기(보통 50Ω)와 변하는 플라즈마 임피던스를 정합(Matching)시키는 회로
• 왜 중요한가:
  • 임피던스가 안 맞으면 전력이 플라즈마로 전달되지 못하고 발생기로 반사(Reflected Power) 됨
  • 반사 전력은 전력 손실 + 발생기 손상 + 플라즈마 불안정을 유발
  • 매처가 반사 전력을 최소화해 전력 전달 효율을 극대화하고 플라즈마를 안정시킴
• 플라즈마 상태는 가스·압력·전력에 따라 실시간으로 변하므로 자동 정합(가변 커패시터) 이 필수

 

3-7. 파셴 곡선(Paschen's Curve)

• 정의: 기체의 방전 개시 전압이 (압력 × 전극 간격, pd)에 따라 어떻게 변하는지 보여주는 곡선
• 특징: U자 형태로 최소 방전 전압을 갖는 지점이 존재
  • pd가 너무 작으면: 충돌 횟수 부족 → 이온화 못 함 → 방전 전압 ↑
  • pd가 너무 크면: 충돌이 잦아 전자가 가속 전 에너지 손실 → 방전 전압 ↑
• → 플라즈마는 이 최소점 근처의 적정 pd 에서 가장 효율적으로 생성

파셴 곡선

 

3-8. 글로우 방전 플라즈마(Glow Discharge)

• 저압 기체에 방전을 일으켜 만든 플라즈마로, 탈여기 발광으로 은은하게 빛남(Glow)
• 반도체 공정 플라즈마의 대부분이 이 글로우 방전 영역에서 동작 (아크 방전 전 단계)

 

3-9. 플라즈마 사용 공정 정리

공정	플라즈마 활용
포토	UV 라이트 소스(엑시머 레이저 등), 애싱(PR 제거)
식각(Etch)	반응성 이온 식각(RIE), 건식 식각의 핵심
증착(Deposition)	PECVD(화학), 스퍼터링(물리)
세정	플라즈마 애싱·클리닝
이온주입	이온 소스 생성

 

3-10. 플라즈마 응용의 예 (식각 & 증착)

공정	방식	원리
식각	물리적 식각	이온이 표면을 물리적으로 때려 깎음 (방향성↑, 선택비↓)
	화학적 식각	라디칼이 표면과 화학 반응해 휘발성 물질로 제거 (선택비↑, 방향성↓)
	RIE(반응성 이온 식각)	물리 + 화학 결합 → 방향성·선택비 모두 확보
증착	물리적(PVD, 스퍼터링)	타겟 원자를 이온으로 때려 떼어내 웨이퍼에 증착
	화학적(PECVD)	플라즈마로 가스를 해리시켜 라디칼로 박막 형성 (저온 가능)

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목차 4. 포토리소그래피(Photolithography) 

회로 패턴을 웨이퍼에 새기는 공정의 "설계도 전사" 단계입니다.

 

4-1. 포토 공정의 의미

• 마스크의 회로 패턴을 감광제(PR) 에 빛으로 전사해, 웨이퍼 위에 패턴을 형성하는 공정
• 이후 식각·이온주입의 "본"이 되는 가장 핵심적이고 반복되는 공정

 

4-2. 포토 마스크(Photomask)

• 정의: 회로 패턴이 그려진 원판(석영 유리 + 크롬 패턴)
• 역할: 노광 시 빛을 통과/차단시켜 PR에 패턴을 전사 (네거티브 필름 같은 역할)

 

4-3. 포토 공정 순서

 

포토 공정 전체 순서 흐름도

 

단계별 상세

단계	내용
HMDS 처리	표면을 소수성으로 만들어 PR 접착력 향상(베이퍼 프라임)
스핀 코팅	PR을 떨어뜨리고 고속 회전 → 균일한 박막 형성
소프트 베이크	저온 가열로 용매 제거, PR 안정화
얼라인 & 익스포저	마스크 정렬 후 빛 노광 → 패턴 전사
PEB (Post Exposure Bake)	노광 후 가열 → 정재파(Standing Wave) 완화, 화학증폭 반응 촉진
디벨롭(Develop)	현상액으로 빛 받은/안 받은 부분을 선택 제거
하드 베이크	고온 가열로 PR을 단단히 굳혀 후속 식각 내성 확보
M&I (Measurement & Inspection)	CD·오버레이 측정 및 결함 검사

 

4-4. 감광제(Photoresist, PR)

• 정의: 빛에 반응해 화학적 성질(용해도)이 바뀌는 고분자
• 포지티브 PR: 빛 받은 곳이 녹아 제거됨 → 마스크와 같은 패턴 (해상도↑, 주로 사용)
• 네거티브 PR: 빛 받은 곳이 경화되어 남음 → 마스크 반대 패턴

종류	특징
네거티브 PR	빛 받은 곳 경화, 접착력↑·내식각성↑, 해상도 한계
i-line용 포지티브 PR	365nm용, DNQ 계열
DUV용 포지티브 PR	248/193nm용, 화학증폭형(CAR)

 

화학증폭형 감광제(CAR, Chemically Amplified Resist)

• 노광 시 생성된 광산발생제(PAG) 가 산(H⁺)을 만들고, PEB 때 이 산이 연쇄(촉매) 반응으로 다량의 결합을 분해/경화
• 적은 빛으로 큰 반응 → 감도↑ → DUV/EUV 같은 단파장·저광량 공정에 필수

 

4-5. 노광 방식 비교

방식	원리	특징
밀착(Contact)	마스크를 웨이퍼에 밀착	해상도↑, 마스크 오염·손상
근접(Proximity)	살짝 띄움	손상↓, 회절로 해상도↓
투영(Projection)	렌즈로 패턴 축소 투영	비접촉·고해상도 → 현재 표준(스테퍼/스캐너)

Contact / Proximity / Projection 노광 방식 비교

 

4-6. 노광 장비

• 얼라이너(Aligner): 마스크·웨이퍼 정렬 후 노광 (Contact/Proximity 시절)
• 스테퍼(Stepper): 웨이퍼를 한 칸씩 이동(Step)하며 샷 단위 투영 노광
• 스캐너(Scanner): 마스크·웨이퍼를 동시에 스캔하며 노광 → 현재 주력

 

4-7. 분해능(Resolution)과 초점심도(DoF)

• 분해능(Resolution): 구분해 그릴 수 있는 최소 선폭 → 작을수록 좋음
  • R = k₁ · λ / NA (λ: 파장, NA: 개구수)
• 초점심도(DoF, Depth of Focus): 초점이 맞는 세로 범위
  • DoF = k₂ · λ / NA²

 

분해능과 초점심도의 관계 (트레이드오프)

• 분해능을 높이려고 NA를 키우면 DoF가 NA²로 급감 → 초점 맞추기 어려워짐
• <mark>"더 미세하게(분해능↑) ↔ 더 안정적으로(DoF↑)"가 서로 충돌</mark> → 리소그래피의 영원한 숙제

 

초점심도와 평탄화(CMP)의 필요성

• DoF가 얕으면 표면 단차가 조금만 있어도 초점이 어긋나 패턴 불량
• → CMP(화학적 기계적 연마) 로 표면을 평탄화해야 좁은 DoF 안에 들어옴

 

4-8. UV 광원 파장의 종류

광원	파장	비고
g-line	436 nm	초기
i-line	365 nm
KrF (DUV)	248 nm
ArF (DUV)	193 nm
ArF 액침(ArFi)	193 nm(실효↓)	물 매질로 NA↑
EUV	13.5 nm	차세대

💡 파장이 짧을수록 더 미세한 패턴(R ∝ λ)을 그릴 수 있어 광원이 계속 짧아져 왔음.

 

4-9. 분해능 향상 기술

빛의 회절(Diffraction)

• 패턴이 빛의 파장 수준으로 작아지면 빛이 회절·간섭해 상이 뭉개짐 → 미세화의 근본 한계

 

ArF 액침(Immersion) 기술

• 렌즈와 웨이퍼 사이를 물(굴절률 1.44) 로 채움 → 실효 NA 증가 → 분해능 향상
• 193nm 광원의 수명을 크게 연장한 핵심 기술

 

PSM (위상변위 마스크, Phase Shift Mask)

• 인접 패턴의 빛에 180° 위상차를 줘 경계에서 상쇄 간섭 → 패턴 대비(콘트라스트)↑ → 분해능 향상

 

비등축(이축) 조명 — Off-axis Illumination

• 빛을 수직이 아닌 비스듬히 입사시켜 회절광을 효과적으로 모음 → 해상도·DoF 동시 개선

Off-axis Illumination

 

OPC (광 근접 보정, Optical Proximity Correction)

• 회절로 패턴이 변형되는 걸 예측해 마스크 패턴을 미리 왜곡(보정) → 웨이퍼에 의도한 모양 구현

OPC

BARC (반사 방지막, Bottom Anti-Reflective Coating)

• PR 아래에 깔아 기판에서 반사된 빛으로 생기는 정재파·노칭 억제 → 패턴 균일도↑

하드마스크(Hard Mask)

• PR만으로 식각 내성이 부족할 때, PR 아래 단단한 박막(SiN, 비정질 카본 등) 을 패턴 전사용 마스크로 사용

하드 마스크

4-10. 다중 패턴(Multi-patterning)

광원 한계를 넘어 더 미세한 간격을 만드는 기술들입니다.

기법	원리
이중 노광(Double Exposure)	한 층을 두 번 나눠 노광
더블 패터닝(LELE)	노광-식각을 2회 반복해 피치를 절반으로
SADP / SAQP (자기정렬 스페이서)	패턴 옆면에 스페이서를 입혀 그 자체를 마스크로 → 피치 1/2(SADP), 1/4(SAQP)

💡 AQP는 노광 한 번으로 만들 수 있는 선의 4배 조밀한 패턴을 만들 수 있어 EUV 도입 전 미세화를 할 수 있었음.

 

4-11. 차세대 리소그래피 (EUV)

• EUV(극자외선, 13.5nm): 파장을 한 단계 더 줄여 한 번 노광으로 미세 패턴 구현
• EUVL 소스: 주석(Sn) 액적에 고출력 레이저를 쏴 플라즈마를 만들어 13.5nm 방출
• 다층 박막 반사경(Multilayer Mirror): EUV는 모든 물질에 흡수되어 렌즈를 못 씀 → Mo/Si를 40여 층 교대 적층한 반사경으로 빛을 모음
  • 브래그 법칙(Bragg's Law, nλ = 2d·sinθ): 각 층에서 반사된 빛이 보강 간섭하도록 층 두께(d)를 설계해야 반사율 확보
• EUV용 펠리클(Pellicle): 마스크에 파티클이 붙는 걸 막는 보호막. EUV 투과율을 높이면서 고온·고출력을 견뎌야 해 개발 난이도가 매우 높음

 

4-12. 포토 공정 불량 유형

단계	대표 불량
베이퍼 프라임(HMDS)	접착력 부족 → PR 들뜸·박리(Lifting)
스핀 코팅	두께 불균일, 줄무늬(Striation), 기포, 가장자리 뭉침(Edge Bead)
얼라인 & 익스포저	오버레이 오정렬, 과/부족 노광, 디포커스
PEB	온도 불균일 → CD 산포, 정재파 잔존
인스펙션(M&I)	파티클·브리지·패턴 결손 등 결함 검출

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목차 5. 식각(Etch) 

포토로 만든 PR 패턴을 따라 박막을 깎아 실제 회로 모양을 완성합니다.

 

5-1. 박막 패턴 가공 방법

방법	원리
식각(Etch)	박막 전체를 올린 뒤 불필요한 부분을 깎아냄 (가장 일반적)
리프트 오프(Lift-off)	PR을 먼저 패턴 → 박막 증착 → PR 제거 시 위 박막도 함께 떨어짐
다마신(Damascene)	절연막에 홈을 판 뒤 금속을 채우고 CMP로 연마 → Cu 배선의 표준

 

5-2. 식각 공정의 정의 및 분류

• 정의: 화학·물리적 방법으로 박막을 선택적으로 제거하는 공정

기준	분류
방식	습식(Wet) / 건식(Dry)
반응	화학적(Chemical) / 물리적(Physical)
형상	등방성(Isotropic, 사방으로) / 이방성(Anisotropic, 수직으로)

 

5-3. 습식 식각(Wet Etch)

• 공정 순서: 식각액 침지(Dip) → 헹굼(Rinse) → 건조(Dry)
• 장비: 침지조(Bath), 스프레이 장비
• 공정 특성: 등방성(언더컷 발생), 선택비 높음, 장비 단순·저렴, 대량 처리 유리 / 미세 패턴엔 부적합
• 결정 방향의 영향: 단결정 Si는 결정면(예: <100> vs <111>)에 따라 식각 속도가 달라 이방성 습식 식각(KOH 등)도 가능

대상 물질별 식각액

대상 박막	식각액
SiO₂(산화막)	HF, BOE(완충 산화막 식각액)
Si₃N₄(질화막)	고온 인산(H₃PO₄)
Si(실리콘)	HNA(HF+HNO₃+CH₃COOH), KOH
Al(알루미늄)	인산계 혼합액

 

5-4. 건식 식각(Dry Etch) & 플라즈마

• 정의: 플라즈마(가스 상태)로 박막을 식각 → 이방성 구현 가능 → 미세 패턴의 핵심
• 플라즈마 식각에 요구되는 특성: 높은 이방성, 높은 선택비, 균일도, 빠른 식각 속도, 적은 손상
• 식각 중 일어나는 반응: ① 라디칼 생성 → ② 표면 흡착 → ③ 화학 반응 → ④ 휘발성 부산물 형성 → ⑤ 탈착·배기

 

건식 식각의 종류

종류	원리	특성
화학적 식각	라디칼의 화학 반응	ㅈ↑, 등방성(방향성↓)
물리적 식각(스퍼터)	이온의 물리적 충돌	이방성↑, 선택비↓, 손상↑
이온 강화 식각(RIE)	화학 + 물리 결합	이방성·선택비 모두 확보
보호막 형성(측벽 보호) 식각	측벽에 보호막을 입혀 옆 식각 차단	이방성 극대화

 

RIE (반응성 이온 식각, Reactive Ion Etch) 

• 라디칼의 화학 반응으로 식각하면서, 쉬스 전기장으로 가속된 이온이 바닥을 수직으로 때려 반응을 촉진
• 측벽은 이온이 안 때리고 바닥만 집중 타격 → 바닥은 빨리, 옆은 천천히 → 수직 프로파일(이방성)
• 측벽에 쌓이는 보호막(Polymer)이 옆 식각을 더 막아 이방성을 강화

RIE 메커니즘

 

5-5. 습식 vs 건식 식각 비교

항목	습식 식각	건식 식각
형상	등방성(언더컷)	이방성(수직)
선택비	높음	보통
미세 패턴	부적합	적합
장비·비용	단순·저렴	복잡·고가
처리량	배치(대량)	매엽식
용도	박막 제거·세정	미세 회로 패터닝

습식(등방) vs 건식(이방) 식각 결과 비교

 

5-6. 식각 특성 지표

지표	의미
식각 속도(Etch Rate)	단위 시간당 깎이는 두께
선택비(Selectivity)	대상막 / 비대상막(또는 PR)의 식각 속도 비 → 높을수록 좋음
균일도(Uniformity)	웨이퍼 전면에서 식각 속도가 고른 정도
이방성(Anisotropy)	수직 식각 / 수평 식각 비율

 

5-7. 식각 공정 파라미터 — 로딩 효과

효과	내용
로딩 효과(Loading)	식각 면적이 넓으면 반응종이 소모되어 식각 속도 감소
마이크로 로딩	패턴 밀도 차이로 조밀한 곳과 성긴 곳의 식각 속도가 달라짐
매크로 로딩	웨이퍼 전체 vs 가장자리 등 큰 스케일에서의 속도 편차

💡 로딩 효과는 패턴마다 식각 깊이가 달라지는 원인이라, 공정 균일도 관리의 핵심 변수.

마이크로 로딩과 매크로 로딩

 

플라즈마 식각 공정 변수

플라즈마 식각의 결과(속도·이방성·선택비·손상)는 네 가지 핵심 변수로 조절됩니다.

변수↑ 높을 때↓ 낮을 때

 

변수	↑ 높을 때	↓ 낮을 때
가스 유량	반응종↑ → 식각 속도↑ (단, 과다 시 부산물 배기 부족 → 오히려 속도 저하)	반응종 부족 → 속도↓
공정 압력	라디칼↑·MFP↓ → 화학적·등방성 우세, 이방성↓	MFP↑·이온 수직 가속 → 물리적·이방성 우세
바이어스 전압	이온 에너지↑ → 속도↑·이방성↑, 단 PR·하부막 손상↑, 선택비↓	손상↓·선택비↑, 식각 속도·이방성↓
웨이퍼 온도	화학반응·부산물 휘발↑ → 식각 속도↑	측벽 폴리머 보호막 잘 형성 → 이방성·선택비↑ (극저온 식각)

💡 미세 패턴엔 "저압 + 적정 바이어스 + 저온" 조합이 유리함.. (측벽이 보호되고 이온이 수직으로 박히기 때문)
반대로 빠른 속도가 우선이면 압력·온도를 올려 화학 반응을 키워야함.

 

5-8. 건식 식각 장비와 가스·부산물

• 장비: 평행평판(CCP), 고밀도 플라즈마(ICP, ECR) 등
• 고밀도 플라즈마(HDP): 이온 밀도를 높여 저압에서도 빠르고 정밀한 식각 가능 (ICP가 대표)

 

플라즈마 식각 사용 가스·부산물

대상막	식각 가스	휘발성 부산물
Si / poly-Si	Cl₂, HBr, SF₆	SiCl₄, SiF₄
SiO₂	CF₄, CHF₃, C₄F₈	SiF₄, CO
Si₃N₄	CF₄ / O₂	SiF₄
Al	Cl₂, BCl₃	AlCl₃

핵심은 휘발성 부산물을 만드는 가스를 골라야 한다는 것임! 안 날아가면 표면에 쌓여 식각이 멈춤.

 

5-9. 원자층 식각(ALE, Atomic Layer Etching)

• 정의: 흡착 → 반응 → 제거를 한 원자층씩 자기제한적으로 반복하는 초정밀 식각
• 장점: 원자 단위 두께 제어, 매우 우수한 균일도·손상 최소화 → 3D·GAA 등 첨단 미세 공정에 필수
• 영향 파라미터: 반응 가스 종류·노출 시간, 이온 에너지, 퍼지(Purge) 시간, 사이클 수

ALE(원자층 식각)와 ALD(원자층 증착) 비교

 

ALE 식각 기구·공정 변수

- ALE 식각 기구 (4단계 자기제한적 사이클)

단계	내용
① 표면 개질(Adsorption)	반응 가스 공급 → 표면에 한 원자층만 화학 흡착 (포화되면 더 안 붙음 = 자기제한)
② 퍼지(Purge)	잔류 반응 가스 배기 → 다음 단계 오염 방지
③ 활성화(Removal)	저에너지 이온/플라즈마로 흡착층만 선택 제거 (아래층은 안 깎이는 임계 에너지 아래)
④ 퍼지(Purge)	부산물 배기 → 사이클 1회 완료

💡 한 사이클당 정확히 한 원자층만 제거 → 식각 깊이 = 사이클 수 × 단위 층 두께로 원자 단위 제어가 가능

 

- ALE 공정 변수

변수	영향
반응 가스 종류·노출 시간	흡착 포화 보장 → 자기제한성·균일도 결정
이온 에너지	임계값 아래로 유지해야 자기제한 성립 (너무 높으면 일반 RIE처럼 됨)
퍼지 시간	짧으면 반응 가스 혼합으로 자기제한 깨짐, 길면 처리량↓
사이클 수	최종 식각 깊이를 직접 결정
웨이퍼 온도	흡착·탈착 균형, 부산물 휘발 제어

 

 

5-10. 식각공정 결함(Defects) 7가지

① 식각 속도 이상

• 현상: 식각 속도가 목표 범위를 벗어남 → 언더에치(부족)/오버에치(과다)
• 원인: 가스 유량·압력·전력 드리프트, 챔버 오염, 반응종 농도 변화
• 대응: 챔버 컨디셔닝, 엔드포인트 디텍션(EPD) 으로 종점 감지

 

② 웨이퍼 내 식각 속도 불균일

• 현상: 센터-에지 또는 부위별 식각 깊이 편차(C-E Skew)
• 원인: 가스 분포 불균일, 척 온도 편차, 플라즈마 밀도 불균일
• 대응: 가스 인젝터 최적화, 멀티존 척 온도 제어, 코일/RF 구조 튜닝

 

③ 패턴 크기(CD)·프로파일 이상·패턴 무너짐

• CD 이상: 설계 선폭에서 벗어남(CD shift) — 측벽 보호막·바이어스 영향
• 프로파일 이상: <mark>보잉(Bowing), 노칭(Notching), 풋팅(Footing), 마이크로트렌칭, 측벽 경사 이상</mark>
• 패턴 무너짐(Pattern Collapse): 고종횡비 패턴이 건조 시 표면장력·정전기로 쓰러짐
• 원인: 이온 입사 각도, 측벽 보호 부족·과다, 건조 공정 표면장력
• 대응: 측벽 보호 가스(폴리머) 조절, 초임계 CO₂ 건조 등

 

④ 파티클에 기인한 패턴 불량

• 현상: 챔버 내 파티클(폴리머·금속 잔류)이 떨어져 그 자리가 안 깎임 → 잔류물(Residue), 브리지, 단락
• 원인: 챔버 클리닝 부족, 부산물 누적, 챔버 부품 마모
• 대응: 정기 WAC(Waferless Auto Clean), 챔버 컨디셔닝, 부품 수명 관리

 

⑤ 로딩 효과에 기인한 언더컷·오버에치

• 언더컷(Undercut): 측벽이 옆으로 파임 → 측벽 보호 부족 또는 등방성 과다
• 오버에치(Over-etch): 의도보다 깊게 식각 → 하부막 손상, 컨택 깨짐
• 원인: 패턴 밀도·노출 면적 차이로 위치별 반응종 농도가 달라 식각 속도 편차 발생
• 대응: EPD 기반 시간 제어, 측벽 보호막 강화, 고선택비 가스 조합

 

⑥ 플라즈마에 의한 손상(Plasma Damage)

• 차징 손상(Charging): 게이트 산화막에 전하 누적 → 절연 파괴(Antenna Effect)
• UV/이온 손상: 박막·계면 결함, V_T 시프트, 누설 전류 증가
• 금속 오염: 챔버 부품에서 떨어진 금속 이온이 박막 오염
• 대응: <mark>펄스 플라즈마(Pulsed Plasma), 안테나 룰 준수, 보호 다이오드 삽입</mark>

 

⑦ 식각 후 세정 불량

• 현상: 폴리머·할로겐 잔류물·식각 부산물이 표면에 남음
• 결과: Al 부식(염소 잔류), 컨택 저항 증가, 후속 공정 불량
• 원인: 세정액 농도·시간 부족, 폴리머 너무 두꺼움, 헹굼 부족
• 대응: 플라즈마 애싱(PR 제거) + 습식 세정 + 충분한 DI 헹굼 조합

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목차 6. 박막 증착(Deposition) 

웨이퍼 위에 nm~μm 두께의 박막을 입히는 공정. 절연막·금속 배선·게이트 산화막 등 칩의 거의 모든 구조가 박막으로 만들어집니다.

 

6-1. 박막 공정 개요 — 정의 및 분류

분류	원리	대표 공정
PVD (물리 기상증착)	물리적으로 원자를 떼어내 옮김	Evaporation, Sputtering
CVD (화학 기상증착)	가스의 화학 반응으로 막 형성	APCVD, LPCVD, PECVD, HDP-CVD
ALD (원자층 증착)	한 원자층씩 자기제한적 반응	ALD
Epitaxy (에피택시)	기판 결정 구조를 이어받아 단결정 성장	VPE, MBE, MOCVD

 

6-2. 박막의 종류

분류	예시	용도
절연막	SiO₂, Si₃N₄, HfO₂	게이트 절연, 층간 절연(ILD), 패시베이션
도전막	Al, Cu, W, Ti/TiN	배선, 컨택, 베리어 메탈
반도체막	poly-Si, a-Si, SiGe	게이트 전극, 채널, S/D 응력 인가

 

6-3. 박막의 요구 특성 및 역할

특성	내용
균일도(Uniformity)	웨이퍼 전면에 두께가 고를 것
접착력(Adhesion)	하부막과 단단히 붙어 박리되지 않을 것
스텝 커버리지(Step Coverage)	단차·구멍의 옆벽·바닥에 얇아지지 않고 잘 덮일 것
갭필(Gap-fill)	좁은 틈을 보이드 없이 채울 것
막질(Density·순도)	핀홀·불순물 적고 치밀할 것
응력(Stress) 제어	휨·균열 없을 것

 

6-4. 박막 품질 평가 지표

두께 균일도(웨이퍼 내/간), 화학 조성, 결정성(비정질/다결정/단결정), 결함(핀홀·보이드·파티클), 표면 거칠기(RMS) 등을 종합 평가합니다.

 

6-5. 물리적 기상증착(PVD)

6-5-1. Evaporation (증발법)

• 원리: 타겟 물질을 고온 가열(열·e-Beam)로 증발시켜 웨이퍼에 응축
• 종류: 열증착(Thermal Evaporation), 전자빔(e-Beam Evaporation)
• 장단점: 단순·고순도 / 단차 피복 나쁨, 합금 어려움
• 주로 단순 금속 박막·MEMS에 사용

 

6-5-2. Sputtering

• 원리: 플라즈마의 Ar⁺ 이온이 타겟을 때려 떨어진 원자가 웨이퍼에 증착
• 합금·다양한 재료 가능, 스텝 커버리지도 이베포레이션보다 좋아 현대 PVD의 표준

 

- 스퍼터링 공정 과정

1. 챔버 배기 → Ar 가스 주입
2. 전극에 전압 인가 → 플라즈마 발생
3. Ar⁺ 이온이 타겟 충돌 → 타겟 원자 방출
4. 방출 원자가 웨이퍼에 도달 → 박막 형성

 

- DC 스퍼터링

• DC 전압으로 플라즈마 생성
• 한계: 절연체 타겟은 표면에 전하가 쌓여 방전 멈춤 → 도체 타겟에만 사용 (절연체엔 RF 스퍼터 사용)

 

- 스퍼터 수율(Sputter Yield)

• 정의: 입사 이온 1개당 떨어져 나오는 타겟 원자의 수
• 영향 인자
  • 이온 에너지: 높을수록 수율↑ (단, 너무 높으면 포화·관통 손상)
  • 입사 각도: 비스듬할수록 수율↑ (수직보다 45° 부근에서 최대)
  • 이온/타겟 원자 질량비: 비슷할수록 운동량 전달 효율↑
  • 타겟 결합 에너지: 약할수록 수율↑

 

- 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering)

• 타겟 뒤에 자석 배치 → 자기장이 전자를 타겟 근처에 가둠
• 결과: <mark>타겟 근처 플라즈마 밀도↑ → 증착 속도↑, 저압 동작 가능, 기판 손상↓</mark>
• 현대 PVD 장비는 거의 다 마그네트론 방식

 

- 스퍼터링 에치(Sputter Etch)

• 스퍼터링 원리를 식각에 응용: 웨이퍼 자체를 이온으로 때려 표면을 깎음
• 용도: 증착 직전 표면 자연산화막 제거(In-situ Pre-clean), 표면 활성화

 

6-6. 화학적 기상증착(CVD)

가스를 챔버에 주입 → 웨이퍼 표면에서 화학 반응 → 박막 형성. 부산물은 휘발성 가스로 배기됩니다.

 

6-6-1. CVD 키네틱스(반응 속도론)

온도에 따라 율속(rate-limiting) 영역이 달라집니다.

영역	율속	특징
표면 반응 제한 영역 (저온)	표면 화학반응 속도	온도 민감, 가스 흐름엔 둔감 → 균일도↑, 배치 처리 유리(LPCVD)
물질 전달 제한 영역 (고온)	반응 가스 공급 속도	가스 흐름에 민감, 균일도 제어 어려움

💡 LPCVD가 600~900°C 저압에서 동작하며 균일도가 좋은 이유는 표면 반응 제한 영역에서 진행되기 때문임.

 

6-6-2. CVD 종류 비교

종류	압력·조건	온도	특성	대표 용도
APCVD	대기압	중~고온	빠름, 균일도↓	두꺼운 산화막
LPCVD	저압(~Torr)	600~900°C	균일도↑, 배치 처리↑	poly-Si, Si₃N₄
PECVD	저압 + 플라즈마	300~400°C	저온 가능 → 후공정 호환	층간 절연막, 패시베이션
HDP-CVD	저압 + 고밀도 플라즈마	저온	갭필 우수 (증착+스퍼터 동시)	STI/ILD 갭필
MOCVD	유기금속 전구체	중온	III-V 화합물 가능	LED, 화합물 반도체

 

6-6-3. HDP-CVD

• 증착과 동시에 스퍼터(식각)를 진행 → 좁고 깊은 틈을 보이드 없이 채움
• STI(소자 격리)·ILD 갭필의 핵심

 

6-6-4. PECVD

• 플라즈마로 가스를 활성화시켜 저온에서도 반응 가능
• BEOL처럼 고온을 못 쓰는 후공정 단계에 필수 (배선 위 절연막·패시베이션)

PECVD 장비 단면도

 

 

6-7. 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)

6-7-1. 공정 원리

두 전구체(A, B)를 번갈아 주입 + 사이에 퍼지 → 1사이클당 한 원자층씩 증착.

단계	내용
① 전구체 A 주입	표면에 한 층만 화학 흡착 (포화되면 더 안 붙음 = 자기제한)
② 퍼지	잔류 A 배기
③ 전구체 B 주입	A와 반응해 박막 한 층 완성
④ 퍼지	부산물 배기

💡 최종 두께 = 사이클 수 × 단위 층 두께 → 옹스트롬 단위 정밀 제어 가능

 

6-7-2. ALD 장점

• 원자층 단위 두께 제어 (옹스트롬 정밀도)
• 거의 100% 스텝 커버리지 → 고종횡비·복잡 구조에 완벽
• 콘포멀(Conformal) 증착, 핀홀 거의 없음
• 막질·균일도 매우 우수

 

6-7-3. ALD 단점

• 증착 속도 매우 느림 (사이클당 ~Å) → 두꺼운 막엔 비효율
• 전구체가 비싸고 종류 제한적
• 사이클 시간(특히 퍼지)이 처리량을 좌우

 

6-7-4. ALD 증착 특성·응용

• HKMG의 HfO₂ 게이트 절연막
• 3D NAND의 절연막·전하 저장층
• FinFET·GAA의 게이트 산화막·스페이서
• 배리어·시드 메탈 (TiN, TaN 등)

 

6-7-5. ALD 공정 챔버 디자인

방식	원리	특징
시분할(Temporal) ALD	한 챔버에서 전구체를 시간 순서로 주입·퍼지	구조 단순, 사이클 시간 김 → 처리량↓
공간분할(Spatial) ALD	챔버 안에 전구체별 영역을 공간적으로 구분, 웨이퍼가 회전하며 영역을 통과	처리량 매우 높음, AMAT(Applied Materials) 등에서 상용화

💡 공간분할 ALD는 회전 척 위 웨이퍼가 A → 퍼지 → B → 퍼지 영역을 한 바퀴 돌면 한 사이클이 끝나는 구조라, 시분할 대비 사이클 시간을 크게 단축됨.

 

6-8. 에피택시(Epitaxy) 증착

• 정의: 기판의 결정 구조를 그대로 이어받아 단결정 박막을 성장시키는 기술
• 종류: VPE(기상), MBE(분자선), MOCVD 등
• 용도
  • PMOS의 SiGe Source/Drain (압축 응력 → 정공 이동도↑, 스트레인드 실리콘)
  • 화합물 반도체(GaN, GaAs)
  • 전력 반도체의 두꺼운 드리프트 에피층

 

6-9. 산화막 vs 질화막 비교

항목	산화막 (SiO₂)	질화막 (Si₃N₄)
유전율(k)	~3.9 (낮음)	~7 (높음)
절연성	우수	우수
응력	압축 또는 약함	인장 강함
수분·이온 차단	부족	우수 → 패시베이션 핵심
식각 선택비	HF에 잘 깎임	고온 인산에 잘 깎임
대표 용도	게이트 산화막, 층간 절연	패시베이션, 식각 마스크, 에치 스토퍼

 

6-10. 박막 공정의 발전 방향 — 클러스터 툴화

• 클러스터 툴(Cluster Tool): 진공 이송 챔버를 중심으로 여러 공정 챔버(증착·식각·세정·열처리)를 위성처럼 배치한 통합 설비
• 장점
  • 진공을 깨지 않고 연속 공정(In-situ) → 표면 산화·오염 최소화, 계면 품질↑
  • 처리량↑, 풋프린트↓
  • 박막 적층 시 균일성·재현성↑
• 최근엔 PVD·CVD·ALD·식각을 하나의 플랫폼에 통합하는 이종 공정 일체화가 첨단 공정의 표준