반도체 공정에서 사용되는 플라즈마

반도체 공정에서 사용되는 플라즈마

반도체 산업에서 설계 못지않게 고도화된 기술이 제조 분야에 적용된다. 기사 등에서 쉽게 7나노, 5나노 공정 등 제조 기술의 초격차를 다룬 것을 많이 접했을 것이다. 이번 글에서는 초미세 공정을 가능케 하는 플라즈마에 대해 이야기하겠다.

반도체 제조는 하나의 판화를 그리는 것과 비슷하다. 실리콘 웨이퍼 위에 설계된 회로를 그리기 위해, 물질을 빚으로 쬐고 그 부분을 깎고 세정하는 단계를 수없이 거쳐야 한다.

그중에서 주로 물질을 깎고(에칭), 쌓고(증착), 주입(임플란트)하는 단계에서 플라즈마라는 물질의 상태를 이용한다. 부분적으로 세정 단계에서도 사용하는 경우도 있다.

플라즈마는 흔히, 기체/고체/액체 다음 4번째 물질 상태라고 소개가 된다. 물질 자체는 화학공학적 지식이 필수적이지만 플라즈마를 발생시키고 진단하는 것은 전자공학의 몫이므로 보통 전자/전기 공학과에서 연구한다.

플라즈마를 발생시킬 때는 기체를 이온화시킨다. 기체에 높은 에너지를 가하게 되면 이온화가 되어 플라즈마 상태로 되는데, 이 에너지를 가하는 역할을 전기가 하게 된다.

진공관 내 압력을 적절히 제어해준다면 낮은 전압으로도 플라즈마를 생성할 수 있기 때문이다. 이때 최적의 조건은 어떤 가스인가, 어떤 플라즈마 형태/전자의 이동 거리 등에 따라 결정된다.

또한 플라즈마는 인가하는 전기가 DC냐 AC냐에 따라 DC 플라즈마, RF 플라즈마로도 구분할 수 있으며, RF플라즈마 내에서도 커패시터를 이용하는 CCP, 인덕터를 이용한 ICP로 구분할 수 있다.

생성된 플라즈마를 이용하여 회로의 부분 중 미세하게 깎아야 하는 부분을 '깊고도 균일한 방향으로' 깎게 된다. 기존에는 화학 액체를 사용한 습식 식각이 이용되었는데, 미세화가 진전됨에 따라 균일성에 대한 한계를 위해 플라즈마가 없으면 안 되게 되었다.

또한 플라즈마 내 전자/양이온/라디컬의 양을 조절할 수 있게 되면서 증착 단계에서도 미세 공정이 가능해졌다. 챔버에 가해지는 전력 에너지를 조절하여 증착할 막의 두께를 이전보다 더 세밀하게 쌓을 수 있게 된 것이다.

이렇게 플라즈마를 이용한 장비를 만드는 업체는 대부분 외국 회사들인데, 에칭 부분은 램리서치(Lam Research), 도쿄일렉트론(Tel), 한국 회사로 테스(TES) 등이 있다. 증착 공정에서는 대표적으로 어플라이드머티리얼즈(Applied Materials)와 한국의 원익 등이 있다.

반도체에서 미세 공정 이야기가 나올 때마다 언급되는 ASML사가 있다. 본 글과는 무관한 공정인 포토 공정의 완전 독점사다. 그래서 플라즈마는 그에 반해 관심이 덜한 것으로 보이나 쓰임새나 기술의 난이도로 보았을 때 결코 무시할 수준이 아니다. 종합 반도체 기업은 물론이고 글로벌 장비 업체들도 플라즈마 전공자를 찾지 못해 안달이 난 상태라고 한다. 

시스템반도체 제조 부분에서도 메모리 초격차를 달성하려면 공정 분야의 전문가를 육성하는 방안도 설계 인력 못지않게 중요하다. 또다시 결론은 인재로 귀결되기에, 아직은 우리나라가 넘어야 할 산이 많아 보이고 또 어떻게 이뤄낼지 기대도 개인적으로 하고 있다.