<테마특강> 반도체장비 기술개발 동향

서화일

◇ 84년 경북대 전자공학과 졸업

◇ 91년 경북대 전자공학 박사

◇ 95년 남호주대학 객원연구원

◇현재 한국기술교육대 전자공학과 교수, 반도체장비기술교육센터 부소장

　반도체산업을 흔히 장치산업이라 일컫는다. 그만큼 장치, 특히 장비가 투자적인 측면이나 기술적인 측면에서 큰 비중을 차지하고 있다는 것을 의미한다. 우리나라는 세계적인 메모리 생산국으로 상당 수준의 제조기술을 갖고 있지만 이러한 위치는 거의 외국장비에 의존하여 이루어져 왔다. 세계적으로 경쟁이 치열하고 기술 이전이 힘들어지고 있는 점을 고려할 때 앞으로 앞선 기술을 유지하고 발전시키기 위해서는 공정기술의 발전을 뒷받침할 수 있는 장비기술의 동반 발전이 필수적이다.

　2001년경부터 3백㎜ 웨이퍼시대가 본격적으로 시작될 것이며 0.18㎛ 선폭시대도 곧 열릴 것으로 예측된다. 이렇게 패턴이 작아지고 웨이퍼가 대구경화됨에 따라 장비성능에 대한 요구도 넓어지고 엄격해지고 있다.

　장비·클린룸내 공기·인체·공정생성물 등으로 인해 파티클(Particle)이 발생되고 이로 인해 웨이퍼가 오염된다. 새로운 공정의 도입으로 불순물의 종류도 다양화되고 있으며 패턴의 미세화 및 고종횡비(Aspect Ratio)구조가 가속화되어 세정공정에 대한 요구는 점점 엄격해지고 있다. 대표적인 세정장비는 웨트 스테이션(Wet Station)으로 여러 개의 화학 약액이 담겨있는 조(Bath) 속을 로봇이 웨이퍼들을 옮겨가면서 세정하는 것이 일반적이다.

　세정장비의 개발동향을 보면 우선 소형화 추세다. 현재 클린룸 특정영역에 다양한 약액과 높은 대응력을 갖춘 대형 웨트 스테이션을 설치하고 각 공정 후 웨이퍼들을 가져와 세정을 진행하고 있다. 이 경우 메모리 등의 대량생산에 적합하나 공정 바로 전후의 세정이 곤란해 이동중 재오염되거나 자연산화막이 자랄 수 있으며 많은 공간을 차지하는 문제를 가지고 있다. 이에 대응하기 위해 각 공정에 분산 배치할 수 있는 소형화된 장비의 수요가 증대되고 있다. 현재 하나 또는 두 개의 조로 약액처리, 세척, 건조를 행할 수 있는 단조(One Bath)형 장비가 개발되고 있다. 단조형 장비는 장비의 소형화외에도 한번 사용한 약액이 재사용되지 않으므로 웨이퍼 로트(Lot)간 오염물의 이동이 없다는 장점이 있다. 이와 더불어 약액 및 순수 사용량 감소를 위해 카세트리스 방식이 보편화되고 있다.

　다음으로 현장(In-Situ) 세정처리화다. 커패시터 형성공정 등 특정 박막증착공정에서는 공정전 웨이퍼의 표면상태가 매우 중요하다. 따라서 작은 오염, 자연산화막, 수분의 표면흡착까지도 문제가 되므로 세정후 웨이퍼의 대기노출을 피할 필요가 있다. 결과적으로 현장 세정처리가 필요하며 이를 위해 클러스트화된 매엽식 세정장비의 실용화가 진행되고 있다. 매엽화에 있어 생산성은 최대의 극복과제이고 처리시간의 감축 등이 요구된다.

　마지막으로 스프레이식 또는 증기식 세정장비의 개발을 들 수 있는데 약액 및 순수의 사용량이 적어 웨이퍼처리비용이 감소될 뿐 아니라 환경오염방지를 위해서도 바람직한 방향이다.

　노광장비는 마스크 패턴을 빛 등의 매체를 통해 웨이퍼로 전달하는 것으로서 고집적화를 선도하는 중요 장비다. 노광장비의 개발방향은 사용광원 및 노광방식에서 찾을 수 있다. 먼저 사용광원면에서 살펴보자. 노광공정에서 해상도는 사용하는 빛의 파장이 짧을수록 우수해진다. 현재 노광장비에는 파장 3백65㎚의 i라인 빛을 많이 사용되고 있으나 패턴이 미세화되면서 파장 2백48㎚의 불화크립톤(KrF) 엑시머레이저를 광원으로 하는 장비들이 도입되고 있다. 앞으로 1백93㎚ 파장의 불화아르곤(ArF) 엑시머레이저 장비가 개발될 것이며 4GD램 이후에는 전자빔이나 X레이를 매체로 사용하는 장비의 개발도 기대된다.

　한편 해상도를 높이는 방법으로 사용광원의 파장을 짧게 하는 것외에도 PSM(Phase Shift Masking) 등의 기법도 장비에 응용되고 있다.

　노광방식은 스텝방법에서 스캔방법으로의 변화가 예상된다. 칩 크기가 증가함에 따라 노광면적이 커져 장비의 렌즈 크기도 같이 증가할 필요성이 생겼다. 그러나 KrF 엑시머레이저용 렌즈의 재료는 매우 고가일 뿐 아니라 대형렌즈를 정밀하게 가공하는 것 역시 기술적으로 매우 어려운 일이다. 스캔방식은 웨이퍼와 마스크를 동시에 이동하면서 가는 슬릿을 통해 노광하는 것으로 스캔 방향으로 칩의 크기에 관계없이 노광이 가능하기 때문에 장비에서 렌즈 크기 문제를 극복할 수 있다. 또한 왜곡, 노광불균일성 등도 개선되어 보다 정밀한 패턴을 얻을 수 있다는 것도 큰 장점이다. 다만 노광시 시간이 걸리므로 생산성이 문제다. 이외에도 정렬(Alignment)정밀도 향상, 광학계 개선에 대한 노력이 경주되고 있다.

　식각장비는 반응가스를 플라즈마화해 특정 막을 물리·화학적으로 제거하는 장비다. 따라서 장비의 개발방향도 플라즈마 및 반응 제어가 주류를 이룬다. 저압에서 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있는 ICP나 ECR 플라즈마 장치는 미세가공성 및 식각속도가 뛰어나고 균일성도 우수해 응용 확대가 기대되는 기술이다. 현재 금속·폴리실리콘 등의 식각장비에 사용되고 있으나 산화막 식각적용에는 어려움을 겪고 있다. 그 이유는 가스의 해리가 지나치게 진행되어 선택성이 떨어지고 체임버 내에 반응가스 등이 퇴적돼 재형성 및 파티클 제어에 문제가 발생하기 때문이다. 이의 해결을 위해 펄스변조 플라즈마 방식에 의한 해리 정도의 제어, 체임버벽의 온도제어 등의 방법이 개발되고 있다.

　앞으로 식각공정에서 요구되는 중요한 사항으로 선택성을 들 수 있다. 미세패턴에 의한 정렬오차를 극복하기 위한 SAC(Self Aligned Contact)기술, 앞으로 배선기술에 도입될 이중다마신(Dual Dm­scene)공정 등은 모두 산화막과 질화막 등의 식각률 차이를 이용하고 있다. 또한 3백㎜ 시대가 되면 포토 레지스트의 두께가 0.5㎛ 이하가 될 것이며 재료변화로 플라즈마 내성도 저하될 것으로 예상된다. 따라서 포토 레지스트와 제거대상막과의 식각 선택비도 매우 증가돼야 한다. 그밖에 식각손상 및 웨어퍼 표면의 전하축적방지, 좁고 깊은 구멍에서 반응생성물의 제거 등이 요구된다.

　이같은 모든 문제들에 대한 공통적 해결점은 반응가스의 종류와 플라즈마의 해리 정도, 밀도 및 균일성, 에너지 상태의 최적제어로 귀결될 수 있다. 이를 위해 각 공정에 알맞는 플라즈마 소스와 체임버구조의 개발이 필수적이다.

　불순물 주입장비는 특정 반도체영역에 불순물을 주입하여 원하는 전기적 성질을 얻는 것으로 이온주입기가 사용되고 있다. 이온주입기는 그동안 플라즈마 전하중화장치 개발에 의한 웨이퍼 표면에서의 전하축적(Charge Up)현상 방지, 장비 내부에서 빔이 충돌할 수 있는 금속부분에 대한 실리콘코팅 등으로 인한 금속 오염방지 등 많은 개선이 이뤄져 왔다.

　특히 집적도가 높아감에 따라 문턱전압(Threshold Voltage) 조절, 소스/드레인 형성에서 매우 얇은 불순물 주입이 요구되고 있으며 이에 따라 빔의 저에너지화가 필수적이다. P, As, BF₂에 비해 상대적으로 질량이 적은 경우 3백㎜ 시대에는 수 KeV 이하의 에너지가 필요하게 될 것이다. 고전류 이온주입기에서 빔의 에너지를 낮추면 같은 극성의 이온들이 반발해 분산됨으로써 빔의 제어가 불가능해진다. 빔을 집속시키면서 저에너지화가 필요하며 이를 위해 처음 이온을 밖으로 인출시키는 전압을 감소시키든지 또는 큰 에너지로 인출시키고 난 다음 에너지를 저하시키는 방법 등이 모색되고 있다.

　특정용도집적회로(ASIC) 제품은 소량 다품종 성격을 띠고 있으며 3백㎜ 시대에는 웨이퍼당 칩수가 증가하게 되므로 공정 웨이퍼수가 감소하게 된다. 따라서 배치식보다는 매엽식 장비를 선호할 가능성이 높다. 이에 따라 현재 매엽식 고전류 이온주입기가 개발되고 있다.

　박막증착장비는 반도체 제조과정에서 폴리실리콘, 절연막 및 금속막을 웨이퍼에 증착하는 것으로 가장 많이 사용되는 공정이며 대표적인 장비로 스퍼터(Sputter)와 CVD(Chemical Vapor Deposition)가 있다. 이중 스퍼터의 향후 최대 문제점은 피복(Coverage)능력의 부족이다. 앞으로 배선공정에서 콘택트(Contact) 및 비아(Via) 홀의 경우 종횡비가 점점 증가할 것이 예상되며 우수한 피복성은 필수적 요건이 된다. 피복성 향상을 위해 저압 원거리 스퍼터링 등의 지향성 스퍼터링이 사용되고 있으나 아직 충분치 못한 상태다. 현재 이온화 스퍼터링의 사용이 확대되고 있다.

　이는 입자를 이온화하여 전계를 가함으로써 웨이퍼 수직으로의 방향성을 증가시킨 것으로 상당히 우수한 피복특성을 가지고 있다. 이외에도 3백㎜ 시대에는 파티클의 감소, 전세정 기술, CVD 등과의 공정연계를 위한 장비의 모듈화 등이 요구된다.

　CVD는 화학가스를 반응시켜 원하는 박막을 형성시키는 방법으로 미세 패턴공정에서 필수적인 피복특성이 우수해 앞으로 사용이 더욱 증가할 것으로 전망되며 이중 최근 가장 주목받고 있는 것이 고밀도 플라즈마 CVD다. 반응가스외에 아르곤 가스를 함께 사용하며 ICP·ECR 등의 소스를 사용해 고밀도 플라즈마를 발생시키고 웨이퍼에 고주파를 주사함으로써 박막증착과 스퍼터링이 동시에 진행된다. 그 결과 공간채움성(Gap Fill)이 매우 우수해진다. 이 기술은 층간 절연막형성에 사용되고 있으나 그 적용이 확대될 것으로 보인다. 또한 SiOF 등 저유전율 절연막형성체 개발에도 많은 노력이 경주되고 있다.

　고집적·고속칩 등의 요구를 만족시키기 위해서는 새로운 재료의 개발이 불가피하다. 이러한 신재료의 형성법으로 가장 기대받고 있는 것이 유기금속(MO)CVD다. MOCVD는 유기금속을 소스로 사용하는 CVD로 소스가 고체 또는 액체라는 점에서 일반 CVD와 구분된다. 커패시터용 고유전체막으로 사용이 기대되는 바륨스트론튬티타늄(BST) 등의 막을 형성시킬 수 있을 뿐 아니라 알루미늄이나 구리 등 금속물질 형성방법으로도 기대받고 있다. 그러나 MOCVD가 양산공정에 적용되기 위해서는 해결해야 할 것이 많다. 먼저 기화 및 반응 후 부산물 제거가 쉬운 소스가 개발돼야 하고 정확한 양의 소스를 체임버까지 옮기고 이를 균일하게 기화시키는 것도 과제다. 현재 여러 형태의 소스 운반장치가 개발돼 있으나 아직 개선해야 할 것이 많은 상태다. 현재 성능을 개선코자 많은 노력이 경주되고 있으며 3백㎜ 시대에는 양산공정에 본격적으로 적용될 것이다.

　이같이 주요 반도체 제조장비의 개발동향을 보면 장비의 성능개선이 가장 중요한 요소인 것으로 여겨지지만 이에 못지 않게 장비의 가격 및 크기, 웨이퍼처리 비용의 감소가 요구된다. 한편 과불화화합물(PFC) 등 환경오염 원료사용 배제, 폐가스 및 용액에 대한 처리 등 환경을 고려한 장비 및 공정 개발이 더욱 중요해지고 있다. 앞으로 환경문제를 일으킬 수 있는 공정 및 장비는 사용에서 제한받게 될 것이며 이 추세는 더욱 광범위해지고 가속될 것이 분명하다. 국내 반도체산업이 수출산업임을 고려할 때 이러한 시대적 흐름은 중요한 요소로 작용할 가능성이 높다.