GAA 희생층 제거, 나노시트 식각이 까다로운 이유

산호초에서는 초식 물고기들이 산호 위에 자라는 해조류를 뜯어 먹습니다. 해조류가 너무 번지면 산호가 햇빛을 받지 못하기 때문인데, 이때 중요한 것은 해조류만 먹고 산호는 건드리지 않는 일입니다.

GAA 트랜지스터의 나노시트를 만들 때도 같은 구도가 나옵니다. 실리콘 판 사이에 끼워 둔 SiGe 층을 골라서 없애고 실리콘은 남겨야 하며, 이 과정이 GAA 희생층 제거입니다. 이 글에서는 왜 두 번 필요한지, 선택비와 좁은 틈, 식각 뒤에 남는 문제를 차례로 짚어 보겠습니다.

물고기는 눈으로 해조류와 산호를 구분하지만 식각은 화학 반응성의 차이만으로 구분해야 합니다. 대상도 산호 위가 아니라 높이가 수 nm에서 십수 nm 수준인 좁은 틈 안쪽이라는 점이 다릅니다.

나노시트 GAA의 뼈대, Si와 SiGe를 번갈아 쌓는 이유

나노시트 GAA 트랜지스터의 채널은 얇고 넓은 실리콘 판 여러 장이 위아래로 겹친 모양이고, 게이트가 각 판을 사방에서 감쌉니다. 판 사이가 비어 있어야 게이트 물질이 들어갈 수 있으므로, 처음부터 판 사이를 어떻게 비워 두느냐가 핵심 문제입니다.

해법은 실리콘(Si)과 실리콘 저마늄(SiGe)을 번갈아 에피택시로 쌓아 초격자를 만들고, 나중에 SiGe만 제거해 실리콘 판 사이를 비우는 것입니다. SiGe는 결국 사라질 층이어서 희생층(Sacrificial layer)이라 부릅니다.

두 물질이 짝이 되는 이유는 결정 구조가 같아서 실리콘 위에 SiGe를 결함 없이 키울 수 있고, 조성이 달라 화학 반응성도 달라서 한쪽만 골라 깎을 수 있기 때문입니다. 다만 저마늄 원자가 실리콘보다 커서 SiGe의 격자가 더 크므로, 층이 두껍거나 저마늄 농도가 높으면 변형을 이기지 못하고 결함이 생깁니다. 그래서 한 층의 두께와 저마늄 비율은 에피택시가 허용하는 범위 안에서 정해집니다.

GAA 희생층 제거가 두 번 필요한 이유

희생층 제거는 한 번에 끝나지 않고 공정 흐름에서 두 번 등장합니다. 이름은 같아도 목적과 제어 방식이 다릅니다.

첫 번째, 내부 스페이서를 위한 부분 식각

소스와 드레인 자리를 파내면 시트와 SiGe 층의 옆면이 드러납니다. 여기서 SiGe만 옆으로 수 nm 파내어 홈을 만들고 절연막을 채워 넣은 것이 내부 스페이서(Inner spacer)입니다.

이 절연막은 나중에 SiGe 자리에 들어갈 게이트와 소스, 드레인 사이를 떼어 놓아 기생 용량을 줄이고, 두 번째 식각 때 식각제가 소스와 드레인 쪽으로 번지지 않게 가로막습니다. 홈의 깊이는 식각 시간으로 조절하므로 시간에 따른 균일성이 중요합니다.

두 번째, 채널 릴리즈를 위한 전량 식각

더미 게이트를 걷어 내면 시트의 양옆과 위가 열립니다. 이 틈으로 식각제를 넣어 SiGe를 남김없이 제거하는 단계가 채널 릴리즈(Channel release)이며, 시트는 양 끝이 소스와 드레인, 내부 스페이서에 붙잡힌 채 공중에 매달린 모양이 됩니다.

첫 번째는 정한 깊이까지만 파는 정밀한 부분 식각이고, 두 번째는 끝나는 지점이 내부 스페이서로 정해지는 전량 식각입니다. 둘 다 Si는 건드리지 않고 SiGe만 깎아야 한다는 점이 공통입니다.

선택비가 높아야 하는 이유와 얻는 방법

선택비(Selectivity)는 두 물질이 식각되는 속도의 비입니다. 이 공정에서는 SiGe의 식각 속도를 Si의 식각 속도로 나눈 값이 높아야 하는데, 시트 두께가 수 nm에 불과해서 Si가 조금만 깎여도 두께 변화의 비율이 크기 때문입니다.

가상 예시로 계산해 보겠습니다. 한쪽에서 SiGe를 15 nm 깊이까지 파고 들어가는 동안 가장 오래 노출되는 가장자리의 Si가 같은 시간 동안 선택비만큼 느리게 깎인다고 단순화합니다. 선택비가 30 대 1이면 한 면에서 15 ÷ 30 = 0.5 nm가 깎이고, 시트는 위아래 두 면이 노출되므로 두께가 약 1 nm 줄어 5 nm 시트의 20%에 해당합니다.

선택비가 100 대 1이면 한 면에서 0.15 nm, 두 면에서 0.3 nm가 깎여 같은 시트의 6%에 그칩니다. 선택비가 높을수록 시트를 보호하는 폭이 크게 달라지는 셈이며, 숫자는 설명을 위한 것이고 실제 값은 공정마다 다릅니다.

선택비를 얻는 원리는 SiGe가 Si보다 산화되고 식각되는 반응이 빠르다는 성질을 쓰는 것입니다. 저마늄 농도가 높을수록 이 차이가 커지는 경향이 있어서 농도를 높이면 선택비를 얻기 쉽지만, 에피택시의 결함과 이후 열처리에서의 저마늄 확산이라는 대가가 따릅니다.

열 이력이 쌓이면 저마늄이 인접한 Si 쪽으로 확산해 층의 경계가 흐려지고, 경계가 흐려진 구간은 선택비가 떨어져 시트 두께가 불균일해질 수 있습니다. 그래서 이 공정에서는 열 예산(thermal budget)도 함께 관리합니다.

식각 방식은 습식, 가스를 쓰는 기상 식각, 플라스마에서 만든 라디칼을 쓰는 건식 등방성 식각으로 나뉘며, 문헌에서는 과산화수소를 포함한 약액이나 염화수소 기체, 불소 계열 라디칼 등이 논의됩니다. 어느 방식을 어떤 조건으로 쓰는지는 회사와 세대마다 다르므로 이 글에서는 원리와 특성의 차이만 다룹니다.

좁은 틈 안으로 식각이 들어가는 어려움

일반적인 흐름에서 식각제는 시트 폭 방향의 양옆에서 틈으로 들어가 가운데를 향해 SiGe를 녹입니다. 틈의 높이는 SiGe 층 두께인 수 nm에서 십 nm 안팎인데 들어가야 할 거리는 시트 폭의 절반이어서, 높이보다 몇 배나 깁니다. 좁고 긴 틈이라 종횡비가 큽니다.

이런 틈에서는 식각제가 안쪽으로 확산하고 반응 부산물이 바깥으로 빠져나오는 속도가 식각 속도를 제한하기 쉽습니다. 입구 쪽은 식각제가 풍부하고 안쪽은 모자라서, 입구에서 먼 가운데 부분일수록 SiGe가 늦게 사라집니다.

가상 예시로 시트 폭이 30 nm이면 양옆에서 각각 15 nm를 파고 들어가면 되지만, 폭이 40 nm이면 각각 20 nm입니다. 거리는 20/15, 곧 약 1.3배인데, 식각 속도가 확산에 좌우된다고 가정하면 걸리는 시간은 거리의 제곱에 비례해 약 1.8배가 됩니다.

폭을 넓혀 전류를 키우는 설계 자유도에는 이렇게 식각 시간이 비선형으로 늘어나는 부담이 따라붙습니다. 실제로는 반응이 속도를 정하는 구간도 있어 이 계산보다 완만할 수 있으므로, 방향성을 보여 주는 예시로만 읽어 주세요.

층마다 식각제가 공급되는 조건이 달라 속도 차가 생길 수도 있습니다. 느린 층이 끝날 때까지 기다리면 먼저 끝난 층의 실리콘이 계속 식각제에 노출되므로, 층 사이의 편차가 곧 시트 두께의 편차로 이어질 수 있습니다.

식각 뒤에 남는 문제, 두께 편차와 휨과 잔류물

시트 두께 편차와 표면 거칠기

선택비가 높아도 완전하지는 않아서 Si 시트가 얇게 깎이고 표면이 거칠어질 수 있습니다. 표면이 거칠면 캐리어가 산란되어 이동도가 떨어지고, 시트가 얇을수록 두드러지는 양자 구속 효과를 통해 두께의 변화가 문턱 전압의 변화로도 나타납니다.

가상 예시로 폭 30 nm, 두께 5 nm인 시트 3장의 유효 채널 폭은 시트 둘레인 2 × (30 + 5) = 70 nm에 3을 곱한 210 nm입니다. 두께가 4 nm로 줄면 3 × 2 × (30 + 4) = 204 nm가 되어 유효 폭은 약 2.9%만 줄지만, 두께 변화의 영향은 이 숫자에 그치지 않습니다.

매달린 시트의 휨과 달라붙음

양 끝만 고정된 얇고 긴 시트는 SiGe가 사라지는 순간 그동안 받던 변형이 풀려 모양이 달라질 수 있습니다. 세정과 건조 때는 액체의 표면 장력이 시트를 끌어당겨 서로 달라붙을 위험도 거론되며, 틈이 좁고 시트가 길수록 이 위험이 커집니다.

틈 속의 잔류물

식각 부산물이나 산화물, 덜 제거된 SiGe가 틈 속에 남으면 뒤이어 들어갈 게이트 절연막의 균일한 증착을 방해합니다. 틈이 좁아 세정액도 안쪽까지 닿기 어려우므로, 식각과 세정과 건조를 하나의 흐름으로 설계합니다.

희생층 제거가 뒷공정과 소자 특성에 이어지는 방식

희생층이 있던 자리는 그대로 게이트가 들어갈 자리가 됩니다. 이 틈 안에 계면층과 high-k 절연막, 일함수 금속, 게이트 금속을 ALD 등으로 차례로 채우는데, 틈이 좁을수록 막을 나누어 넣을 여유가 줄어듭니다. 그래서 희생층의 두께, 곧 시트 사이의 간격은 게이트 스택이 들어갈 수 있는 최소 크기로 정해집니다.

간격은 소자 특성과도 이어집니다. 간격이 넓으면 게이트 금속이 들어가기 쉽지만 같은 높이 안에 쌓을 수 있는 시트 수가 줄고 기생 용량이 늘어나는 경향이 있습니다. 반대로 간격이 좁으면 금속 충전이 어려워지고, 일함수 금속의 두께 편차가 문턱 전압의 산포로 나타납니다.

그래서 GAA 희생층 제거는 한 단계의 식각이 아니라 에피택시의 조성, 내부 스페이서, 게이트 스택 증착까지 앞뒤 공정의 요구가 모이는 지점입니다. 한 층의 두께를 바꾸는 일이 여러 공정에 파급되는 이유입니다.

희생층 제거 방식 비교 표

구분 (일반적 경향)	습식 식각	기상(가스) 식각	원격 플라스마 라디칼 식각
식각 매체	산화제와 산, 염기를 조합한 약액	염화수소 같은 가스의 열 반응	플라스마에서 만든 중성 라디칼
좁은 틈 침투	점성과 표면 장력 때문에 느릴 수 있음	기체여서 비교적 쉬움	기체여서 쉬우나 라디칼이 입구 표면에서 소멸해 안쪽 공급이 줄 수 있음
건조 문제	시트가 달라붙을 위험, 틈 속 잔류물	액체 건조 문제가 없음	액체 건조 문제가 없음
장점	조성 조절로 선택비를 조정하기 쉬움	건조 문제 회피	상대적으로 낮은 온도에서 가능
우려 사항	표면 거칠기, 부산물 배출	비교적 높은 온도가 필요한 경우가 많아 열 예산 부담	선택비와 표면 손상이 조건에 민감, 입구와 안쪽의 편차

핵심 정리

GAA 희생층 제거는 Si와 SiGe 초격자에서 SiGe만 골라 없애 실리콘 시트 사이를 비우는 일이고, 내부 스페이서를 위한 부분 식각과 채널 릴리즈를 위한 전량 식각으로 두 번 나옵니다. 어렵게 만드는 요인은 시트 두께가 수 nm라 매우 높은 선택비가 필요한 점, 좁고 긴 틈 안으로 식각제가 들어가야 하는 점, 식각 뒤의 휨과 잔류물입니다.

산호는 남기고 해조류만 뜯는 초식 물고기처럼, 이 공정은 화학 반응성의 차이만으로 한쪽을 지켜야 합니다. 에피택시 조성과 열 예산, 식각 방식과 건조, 게이트 스택 증착이 서로 맞물려 있어서 희생층 하나의 설계가 소자 전체의 균일도를 좌우합니다.

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