반도체 공정(4) – 박막 증착과 식각 공정의 이해

반도체 제조에서 박막 증착(Thin Film Deposition)과 식각(Etching) 공정은 트랜지스터, 메모리 셀, 금속 배선 등 반도체 소자의 핵심 구조를 형성하는 필수적인 과정입니다.

• 박막 증착(Thin Film Deposition): 웨이퍼 위에 절연막, 도전막, 반도체막 등 다양한 박막을 형성하는 공정
• 식각(Etching): 필요 없는 박막을 정밀하게 제거하여 원하는 반도체 패턴을 형성하는 공정

이 두 공정은 반도체 회로를 형성하고, 미세 공정을 실현하는 중요한 기술로, 최신 반도체 공정에서는 원자 단위 수준(Angstrom, Å)의 정밀한 증착 및 식각 기술이 필수적입니다.

이번 글에서는 박막 증착과 식각 공정의 원리, 주요 기술, 응용 및 최신 트렌드를 자세히 살펴보겠습니다.

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1. 박막 증착(Thin Film Deposition) – 반도체의 층을 형성하는 공정

1) 박막 증착이란?

박막 증착(Thin Film Deposition)은 웨이퍼 위에 얇은 층(막, Film)을 형성하는 공정입니다.

🔹 트랜지스터, 게이트 절연막, 금속 배선, 반사 방지막 등의 층을 형성
🔹 증착된 막의 종류에 따라 절연막(Insulator), 도전막(Conductor), 반도체막(Semiconductor)으로 구분

 

📌 주요 박막 증착 종류:
✅ 절연막 (SiO₂, Si₃N₄ 등) → 전류 차단, 보호층 역할
✅ 도전막 (Cu, Al, W 등) → 금속 배선 형성
✅ 반도체막 (Si, GaN, MoS₂ 등) → 트랜지스터 활성층

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2) 박막 증착 기술의 종류

박막 증착 기술은 크게 물리적 증착(PVD)과 화학적 증착(CVD, ALD)으로 구분됩니다.

증착 방법

원리

장점

단점

주요 활용

PVD (물리적 증착)	물리적 방법으로 증착 (스퍼터링, 증발)	간단한 공정, 빠른 증착 속도	균일성이 낮음	금속 배선 (Al, Cu)
CVD (화학적 증착)	화학 반응을 이용한 증착	균일한 박막 형성 가능	고온 공정 필요	절연막 (SiO₂, Si₃N₄)
ALD (원자층 증착)	원자 단위 층별 증착	초박막 형성 가능, 균일성 우수	공정 속도가 느림	고유전율 물질, 3D 반도체

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3) 주요 박막 증착 기술 상세 설명

✅ PVD (Physical Vapor Deposition, 물리적 증착)

• 스퍼터링(Sputtering): 플라즈마를 이용해 증착
• 증발 증착(Evaporation): 금속을 증발시켜 웨이퍼에 부착
• 금속 배선(Al, Cu) 및 반사 방지막(TiN, TaN) 등에 사용

✅ CVD (Chemical Vapor Deposition, 화학적 증착)

• 기체 상태의 반응 물질을 분해하여 웨이퍼 표면에 박막 형성
• 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 저압 CVD(LPCVD) 등 다양한 방식 존재
• SiO₂, Si₃N₄ 등의 절연막과 폴리실리콘(Poly-Si) 증착에 사용

✅ ALD (Atomic Layer Deposition, 원자층 증착)

• 원자 단위(Å)로 층을 하나씩 쌓는 초정밀 증착 기술
• EUV(극자외선) 리소그래피 공정 및 3D 반도체에서 필수 기술
• FinFET, GAA(Gate-All-Around) 트랜지스터, 고유전율(HfO₂) 절연막에 적용

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2. 식각(Etching) – 불필요한 박막 제거 공정

1) 식각 공정이란?

식각(Etching)은 웨이퍼 위의 특정 영역에서 불필요한 박막을 제거하여 원하는 회로 패턴을 형성하는 공정입니다.

🔹 포토리소그래피로 형성된 패턴을 따라 필요 없는 부분을 정밀하게 제거
🔹 반도체 미세 공정에서 나노미터(nm) 단위의 정밀한 식각 기술이 필수적

📌 주요 식각 방식:
✅ 습식 식각 (Wet Etching) → 화학 용액을 사용하여 부드럽게 식각
✅ 건식 식각 (Dry Etching) → 플라즈마를 이용하여 정밀한 식각

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2) 식각 공정의 종류

식각 방식

원리

장점

단점

주요 활용

습식 식각 (Wet Etching)	화학 용액 이용	빠른 식각 속도	정밀한 패턴 구현 어려움	금속 패턴 제거
건식 식각 (Dry Etching)	플라즈마 이용	정밀한 패턴 형성 가능	공정 속도 느림	미세 공정 (7nm 이하)

✅ 습식 식각 (Wet Etching)

• 화학 용액을 이용하여 웨이퍼 표면을 부식
• H₂SO₄(황산), HF(불산) 등의 용액 사용
• 빠른 식각 가능하지만, 정밀한 패턴 형성이 어려움

✅ 건식 식각 (Dry Etching)

• 플라즈마 또는 이온 빔을 이용한 고정밀 식각
• 반응성 이온 식각(RIE, Reactive Ion Etching)이 대표적
• 7nm 이하 미세 공정에서는 건식 식각 필수

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3. 최신 반도체 공정에서 박막 증착 및 식각 기술의 중요성

1) 3D 반도체 공정에서 증착 기술 발전

• ALD(원자층 증착) 활용 증가 → 원자 단위의 균일한 박막 형성
• 고유전율(HfO₂), 저유전율(Low-k) 물질 증착 기술 개발
• 3D NAND, FinFET, GAA 트랜지스터에서 박막 증착 필수

2) 2nm 이하 미세공정에서 정밀 식각 기술 적용

• 하이-NA EUV 공정과 함께 초정밀 건식 식각 필수
• 플라즈마 손상을 최소화하는 저온 건식 식각(Low-Temperature Dry Etching) 연구 진행
• 메모리 반도체(DDR5, NAND)에서 정밀한 식각 기술 활용

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4. 결론 – 반도체 성능을 결정하는 핵심 공정, 박막 증착과 식각

🔹 박막 증착(Thin Film Deposition)은 반도체 소자의 층을 형성하는 필수 공정
🔹 식각(Etching)은 불필요한 부분을 정밀하게 제거하여 미세한 반도체 패턴을 형성
🔹 미세 공정(5nm, 3nm)에서는 ALD, 건식 식각(RIE) 기술이 필수적

최신 반도체 기술이 발전함에 따라 더 얇고 정밀한 박막 증착과 초미세 식각 기술이 필요해지고 있으며, 이를 통해 반도체의 성능과 집적도를 극대화할 수 있습니다.

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