보쉬 공정 원리, 식각과 측벽 보호막으로 깊게 파는 법

부드러운 모래사장에 수십 미터 깊이의 수직 우물을 파 내려간다고 상상해 볼까요. 삽으로 바닥 모래만 계속 퍼내다 보면 옆벽 모래가 자꾸 안으로 무너져 내려 결국 넓고 얕은 구덩이가 되고 맙니다. 이때 영리한 토목 기술자라면 모래를 한 삽 파낸 뒤 곧바로 구덩이 안쪽 벽에 얇게 시멘트를 발라 굳히고, 다음번에는 바닥에 발린 시멘트만 정으로 톡 깨뜨린 뒤 그 아래 모래를 다시 한 삽 파내고 시멘트를 바르는 과정을 반복해 반듯한 수직 터널을 완성할 것입니다.

실리콘 웨이퍼를 수십에서 수백 마이크로미터(µm) 깊이까지 수직으로 관통해야 하는 첨단 패키징과 센서 공정에서도 이와 똑같은 교차 공법이 쓰입니다. 실리콘을 빠르게 녹이는 가스와 옆벽에 코팅막을 입히는 가스를 수초 간격으로 번갈아 흘려보내 경이로운 수직 깊이를 만들어 내는 보쉬 공정 원리와 측벽 보호 메커니즘을 자세히 알아보겠습니다.

심도 반응성 이온 식각(DRIE)이 필요한 이유

일반적인 트랜지스터 전공정에서 깎아 내는 박막의 두께는 수십 나노미터(nm)에서 기껏해야 수 마이크로미터(µm) 수준입니다. 그러나 고대역폭 메모리(HBM)처럼 여러 개의 칩을 수직으로 쌓아 전기 신호를 연결하는 실리콘 관통 전극(TSV, Through-Silicon Via)이나, 스마트폰 속 가속도계·자이로스코프 같은 미세전자기계시스템(MEMS), 그리고 CMOS 이미지 센서(CIS)의 깊은 픽셀 분리 트렌치(DTI)에서는 차원이 다른 깊이가 요구됩니다.

이러한 공정들은 단결정 실리콘(Si) 기판 자체를 수십 µm에서 수백 µm 깊이까지 수직으로 뚫어 내야 합니다. 일반 식각 속도로는 웨이퍼 한 장을 가공하는 데 몇 시간씩 걸려 양산성이 나오지 않을뿐더러, 그렇게 오랜 시간 플라즈마에 노출되면 포토레지스트나 산화막 마스크가 먼저 다 깎여 사라져 버립니다.

따라서 기존 RIE보다 식각 속도가 월등히 빠르면서도(분당 수 µm~수십 µm), 마스크 대비 실리콘 식각 선택비가 100:1 이상으로 높고 측벽은 90°에 가깝게 유지하는 심도 반응성 이온 식각(DRIE, Deep Reactive Ion Etching) 기술이 탄생하게 되었습니다.

일반 RIE의 동시 측벽 보호와 깊은 실리콘 식각의 한계

사실 일반적인 연속 반응성 이온 식각(Continuous RIE)에서도 측벽 보호막(Sidewall Passivation)은 핵심적인 역할을 합니다. 예컨대 실리콘을 브롬화수소(HBr)나 염소(Cl₂) 가스에 산소(O₂)를 약간 섞어 깎으면, 식각 부산물인 실리콘 성분이 산소와 결합해 트렌치 옆벽에 얇은 산화막 계열 보호층(SiOₓBrᵧ)을 동시에 만들면서 옆으로 파이는 것을 막아 주죠.

하지만 이처럼 ‘깎는 반응’과 ‘보호막을 입히는 반응’을 한 챔버에 가스를 섞어 동시에 진행하는 방식은 깊이가 수십 µm를 넘어가는 순간 한계에 부딪힙니다. 실리콘 식각 속도를 폭발적으로 높이려면 불소 라디칼(F*)을 대량으로 내놓는 육불화황(SF₆) 가스를 써야 하는데, 불소 라디칼은 실리콘과의 반응성이 워낙 강력해 상온에서 사방으로 둥글게 파고드는 등방성 식각을 일으킵니다.

만약 SF₆에 측벽 보호용 탄화불소 가스를 한꺼번에 섞어 넣으면, 두 가스가 플라즈마 안에서 서로 재결합해 식각 속도가 뚝 떨어지거나 보호막이 제대로 형성되지 않습니다. 결국 독일의 로버트 보쉬(Robert Bosch) 사가 고안한 돌파구는 ‘동시에 섞지 말고, 깎는 시간과 코팅하는 시간을 초 단위로 완전히 쪼개어 번갈아 진행하자’는 시간 분할(Time-multiplexed) 아이디어였습니다.

SF6 식각과 C4F8 보호막을 번갈아 수행하는 보쉬 공정 원리

보쉬 공정 원리의 핵심은 실리콘을 등방성으로 빠르게 깎아 내는 SF₆ 식각 단계와, 구멍 내부 전체에 프라이팬 코팅제(테플론)와 비슷한 탄화불소(CₓFᵧ) 폴리머를 입히는 C₄F₈ 패시베이션 단계를 수초 주기로 수백 번 반복하는 것입니다.

모래 우물에 시멘트를 바르는 비유와 실제 공정을 대조해 보면, 모래 우물은 중력에 의해 벽이 무너지는 것을 막는 물리적 지지대이지만 실제 보쉬 공정 원리의 테플론 보호막은 중성 불소 라디칼(F*)이 실리콘 원자와 접촉하지 못하게 차단하는 화학적 방어벽입니다. 그리고 바닥의 시멘트를 깨는 정 역할은 플라즈마 시스 전기장을 타고 수직으로만 떨어지는 이온의 방향성 스퍼터링이 담당하는 것이죠.

측벽 물결무늬 스캘럽(Scallop) 현상과 공정 제어

보쉬 공정은 식각 속도와 마스크 선택비가 압도적으로 뛰어나지만, 등방성 식각과 코팅을 징검다리처럼 반복하기 때문에 태생적으로 피할 수 없는 흔적을 남깁니다. 바로 수직 측벽을 현미경으로 확대했을 때 조개껍데기나 물결무늬처럼 올록볼록하게 파인 스캘럽(Scallop) 현상입니다.

간혹 보쉬 공정으로 뚫은 실리콘 관통 홀(TSV)은 측벽이 거울처럼 매끄러운 완전 평면이라고 오해하는 경우가 있지만, 1단계 SF₆ 식각 자체가 작은 공 모양으로 둥글게 파이는 등방성 반응이다 보니 수백 번의 사이클이 지나간 자리마다 수십~수백 나노미터 크기의 미세한 물결 주름(Scallop)이 계단처럼 남게 됩니다.

이 스캘럽 굴곡이 너무 깊고 날카로우면, 이후 TSV 구멍 안쪽에 절연막(라이너)과 구리 확산 방지막(배리어 메탈)을 입힐 때 오목하게 들어간 그늘진 부위에 박막이 제대로 발리지 않는 단차 피복성(Step Coverage) 불량이 터지고 기계적 응력이 집중됩니다. 따라서 엔지니어는 고속 대량 유량 제어기(Fast MFC)를 사용해 SF₆와 C₄F₈ 가스를 바꾸는 주기를 1초 안팎으로 아주 짧게 쪼개어 스캘럽 크기를 수십 나노미터 이하로 최소화하거나, 식각 직후 수소 어닐링·습식 스무딩으로 측벽을 매끄럽게 다듬는 후처리를 병행합니다.

일반 연속 RIE, 보쉬 공정(DRIE), 극저온 DRIE 비교

실리콘을 깊게 파는 세 가지 건식 식각 방식의 작동 원리, 측벽 형태, 장단점을 비교하면 아래와 같습니다.

비교 항목	일반 연속 RIE (Continuous)	보쉬 공정 (Time-multiplexed DRIE)	극저온 실리콘 DRIE (Cryo-DRIE)
작동 방식	식각 가스(HBr, Cl₂)와 산소를 동시에 주입해 연속 식각	SF₆ 식각 단계와 C₄F₈ 폴리머 코팅 단계를 수초 주기로 교차 반복	영하 100°C 부근 극저온에서 SF₆ + O₂를 연속 주입해 식각
측벽 보호 물질	얇은 산화·할로겐 반응층 (SiOₓBrᵧ 등)	탄화불소 테플론 계열 폴리머 (CₓFᵧ)	극저온에서만 유지되는 SiOₓFᵧ 물리·화학 흡착층
식각 속도 및 선택비	느림 (수백 nm/min), 선택비 보통	매우 빠름 (수~수십 µm/min), 마스크 선택비 매우 높음	빠름, 마스크가 극저온 열충격에 견뎌야 함
측벽 프로파일 특징	매끄러움 (단, 수십 µm 이상 깊이 한계)	올록볼록한 물결무늬 스캘럽 현상 발생	스캘럽이 없는 매우 매끄러운 수직 측벽
주력 응용 분야	초미세 로직 게이트, 얕은 트렌치(STI)	HBM용 TSV 관통 전극, MEMS 센서 구조물, 깊은 DTI	초미세 광소자, 측벽 거칠기에 민감한 차세대 TSV·DTI

핵심 정리

모래사장에 깊은 우물을 팔 때 한 삽 파고 옆벽에 시멘트를 바르는 작업을 번갈아 반복해 무너짐을 막듯, 보쉬 공정 원리는 빠른 등방성 식각(SF₆)과 탄탄한 테플론 측벽 보호막 증착(C₄F₈)을 시간축으로 분리해 실리콘을 수백 마이크로미터 깊이까지 수직으로 뚫어 내는 기술입니다. 바닥에 깔린 코팅막만 수직 이온 타격으로 걷어 내고 옆벽 코팅막은 남겨 두는 분업 덕분에, 높은 식각 속도와 높은 마스크 선택비라는 두 과제를 동시에 해결했습니다.

첨단 패키징(TSV)이나 공정 기술 면접을 준비할 때는 SF₆와 C₄F₈ 두 가스의 역할, 교차 주기에 따라 측벽에 남는 스캘럽 현상의 발생 이유, 그리고 후속 배리어 메탈 증착을 위해 스캘럽 크기를 줄이는 가스 스위칭 최적화 원리를 함께 정리해 두시기 바랍니다.

면접 대비 질문