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웨이퍼(mm) 위에 그리는 밑그림(nm). Part 1

  • 삼성전자 파운드리 사업부의 EUV Minimum Pitch Single Patterning

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삼성전자 파운드리 사업부는 EUV Minimum Pitch Single Patterning을 주제로 논문을 IITC(International Interconnect Technology Conference)에서 발표하였습니다. 논문과 EUV기술의 특징을 보다 많은 분들에게 전달하고자 포스트를 준비하였습니다. 1. 포토공정(노광공정, Photo Lithography)이 무엇인지부터. 반도체 공정하면 가장 먼저 주목을 받는 키워드 중 하나는 포토 공정(노광공정, Photo Lithography) 입니다. EUV도 이 포토 공정을 위한 기술이기 때문에 EUV를 잘 이해하기 위해서 먼저 포토 공정에 대해 파헤쳐 보도록 하겠습니다.
A. 조각을 위한 밑 그림 포토공정. 조각이나 재단을 위해 우리가 가장 먼저 하는 것은 바로 밑그림을 그리기 입니다. 원하는 곳을 정확하게 자르거나 파기 위해 미리 그림을 그려 놓는 것이죠. 포토 공정의 목적은 이 밑그림 그리기와 같습니다. 반도체 공정은 쌓고 깎는 활동의 반복이라고 할 수 있는데, 포토 공정을 통해 우리가 깎고자 하는 곳에 밑그림을 그려 놓는 것입니다. B. 밑 그림을 찍는다 찰칵 실 생활에서 우리는 밑그림을 그릴 때 보통 팬과 같은 도구를 이용하여 그려 넣습니다. 하지만 포토 공정은 그 이름에 걸맞게 빛으로 필름에 장면을 찍어내는 사진의 방식으로 진행됩니다. [그림1] 처럼 빛을 이용하는 것이죠. 그리고 싶은 모양을 얇은 판으로 제작하고 그 판을 통해 빛을 막거나 투과 시켜 원하는 곳에 밑그림을 현상 시키는 것이죠. 여기서 사용하는 얇은 판을 우리는 마스크 혹은 Reticle이라고 부릅니다.
그림[1] 카메라와 원리가 유사한 포토공정. 작은 사이즈의 한계를 벗어나기 위해 실제 그려지게 될 그림의 크기보다 크게 제작하고, 중간에 렌즈를 통해 빛을 모아 크기를 줄이게 됩니다.
그림[1] 카메라와 원리가 유사한 포토공정. 작은 사이즈의 한계를 벗어나기 위해 실제 그려지게 될 그림의 크기보다 크게 제작하고, 중간에 렌즈를 통해 빛을 모아 크기를 줄이게 됩니다.
그림[1] 카메라와 원리가 유사한 포토공정. 작은 사이즈의 한계를 벗어나기 위해 실제 그려지게 될 그림의 크기보다 크게 제작하고, 중간에 렌즈를 통해 빛을 모아 크기를 줄이게 됩니다.
그러나 종이에 빛을 비춰 그림자를 만든다고 그 그림자가 종이에 그림처럼 새겨지지는 않습니다. 들어온 빛을 그림처럼 남기려면 사진에서의 필름 역할을 할 무언가가 필요하죠. 포토공정에서 빛을 비추기 전 도포하는 PR(Photo Resist,감광액)이 바로 그런 역할을 하게 됩니다. PR은 빛에 반응해 성질이 변화하는 감광액의 일종인데요. 그림[2]처럼 깎고 싶은 물질 위에 PR을 도포한 후 마스크를 통과한 빛을 비추면 빛을 받은 영역의 PR과 받지 않은 영역의 PR간의 성질 차이가 생기게 됩니다. 그리고 이렇게 생긴 성질 차이를 이용해 PR의 두 영역 중 필요한 영역만을 남기고 제거하는 Develop과정을 거치게 됩니다. 최종적으로 마스크에 새겨진 모양이 PR로 남겨지게 되게 되는 것이죠. 이 일련의 과정을 마스크의 모양(Pattern)을 깎고자 하는 물질 위에 현상한다고 해서 패터닝(Patterning) 이라고 합니다.
그림[2] PR(Photo Resist,감광액)은 두가지 종류가 있다. 빛을 받지 않은 부분이 남아서 마스크의 막힌 부분과 같은 모양(Pattern)이 남게되는 경우는 Positive PR, 반대로 빛을 받은 부분이 남아 마스크의 뚫린 부분과 같은 모양이 남게 되는 경우는 Negative PR 이라 부른다.
그림[2] PR(Photo Resist,감광액)은 두가지 종류가 있다. 빛을 받지 않은 부분이 남아서 마스크의 막힌 부분과 같은 모양(Pattern)이 남게되는 경우는 Positive PR, 반대로 빛을 받은 부분이 남아 마스크의 뚫린 부분과 같은 모양이 남게 되는 경우는 Negative PR 이라 부른다.
그림[2] PR(Photo Resist,감광액)은 두가지 종류가 있다. 빛을 받지 않은 부분이 남아서 마스크의 막힌 부분과 같은 모양(Pattern)이 남게되는 경우는 Positive PR, 반대로 빛을 받은 부분이 남아 마스크의 뚫린 부분과 같은 모양이 남게 되는 경우는 Negative PR 이라 부른다.
패터닝을 한 후에는 물질을 깎는 공정인 식각(Etch) 공정을 진행하게 됩니다. 이때 전면을 동시에 깎아내게 되는데 PR이 남아있는 부위는 PR로 인해 하부가 깎이지 않고 남게 되어 원하던 밑그림을 완성하게 됩니다. 지금까지 포토 공정의 기본 역할과 원리에 대하여 설명 드렸습니다. 이렇게 보면 포토공정은 마스크를 통해 빛을 비춰 주기만 하면 되는 간단한 공정처럼 보이는데요. 반도체 산업에서 포토공정의 발전은 어떤 이유로 큰 주목을 받고 있는 것일까요?
2. 포토 공정 발전은 왜 필요 한가? 공정의 미세화, 즉 보다 작은 트랜지스터를 사용한 반도체를 생산하기위해 우리는 많은 요소에서 한계를 극복해 나가고 있습니다. 그 중 하나가 바로 포토 공정이죠. 그렇다면 포토 공정이 마주하는 장애물은 무엇일까요?
A. 패터닝을 방해하는 빛의 회절과 간섭 빛이 좁은 틈을 지날 때 본래의 진행방향과 다르게 넓게 퍼지는 특성인 회절과, 두개의 빛 파동이 만나 서로 보강되거나 상쇄되는 특성인 간섭은 포토공정의 패터닝을 방해하는 가장 큰 장애물입니다. 그림[3]와 같이 빛은 회절 하는 성질에 따라 좁은 틈을 통과 할 때 직진하지 못하고 그 틈을 중심으로 부채꼴 모양 파동이 되어 퍼져나가게 됩니다. 회절은 틈이 좁거나 파장의 길이가 길수록 더 넓게 퍼지게 하는 특징이 있죠.
그림[3] 위 두가지 경우에 회절 현상이 더 크게 일어나 파장이 더 넓게 퍼지게 됨. 파장이 길어진 경우 (a) → (b), 틈의 폭이 좁아진 경우 (c) → (d)
그림[3] 위 두가지 경우에 회절 현상이 더 크게 일어나 파장이 더 넓게 퍼지게 됨. 파장이 길어진 경우 (a) → (b), 틈의 폭이 좁아진 경우 (c) → (d)
그림[3] 위 두가지 경우에 회절 현상이 더 크게 일어나 파장이 더 넓게 퍼지게 됨. 파장이 길어진 경우 (a) → (b), 틈의 폭이 좁아진 경우 (c) → (d)
더욱이 그림[4]처럼 두개 이상의 틈을 지나며 회절 된 빛은 퍼져나가며 서로 간섭 현상을 일으키게 되는데요. 그림[4]의 (a)처럼 파장 대비 틈의 폭과 틈 간 간격이 충분히 넓다면 문제가 되지 않겠지만, (b)처럼 그 폭이 좁아지고 또 틈과 틈이 가까워진다면 원하는 모양을 PR에 정확하게 현상 할 수 없게 됩니다. 즉 그리고자 하는 밑그림의 선이 얇아지고(틈이 좁고), 빼곡할 수록(틈 간 간격이 좁을수록) 정확하게 그려내기 어려워 진다는 말이죠.
그림[4] 더 좁은 틈을 지나게 되면 회절 된 빛은 더 넓게 퍼지게 되며 더 넓은 영역에서 많은 간섭이 일어나 의도한 곳에 정확하게 빛이 도달하지 못함
그림[4] 더 좁은 틈을 지나게 되면 회절 된 빛은 더 넓게 퍼지게 되며 더 넓은 영역에서 많은 간섭이 일어나 의도한 곳에 정확하게 빛이 도달하지 못함
그림[4] 더 좁은 틈을 지나게 되면 회절 된 빛은 더 넓게 퍼지게 되며 더 넓은 영역에서 많은 간섭이 일어나 의도한 곳에 정확하게 빛이 도달하지 못함
공정 기술의 발전과 함께 트랜지스터의 크기는 점점 작아지고 있습니다. 이에 따라 포토공정이 그려야 하는 선의 폭은 좁아지고, 밀도는 올라가고 있죠. 이는 곧 포토공정의 난이도가 점점 올라가고 있다는 것을 말해 줍니다. 그렇다면 우리는 어떻게 포토 공정이 마주한 이러한 한계점들을 어떻게 극복해 왔을까요?
3. 조금 돌아 가더라도 목적지에 정확히 도달하자! 포토 공정이 마주한 한계점을 극복하는 방법은 여러가지가 있습니다. 우리는 그중 빛의 회절, 간섭과 관련된 문제점을 간접적으로 극복한 몇가지 사례를 알아 보겠습니다.
A. Multi Patterning Technology - 한번에 그리기 어려우면 두개로 나눠 그리자! 좁은 길을 지나가다 다른 사람과 어깨를 부딪힌 경험이 있으신가요? 각자 조금씩 떨어져 걸었다면 이런 충돌을 피할 수 있었을 것입니다. 빛들이 서로 간섭현상을 일으키는 문제를 해결한 방법도 이와 유사하게 진행되었습니다. 틈 사이 간격을 더 넓혀 빛과 빛 사이의 간섭을 줄이게 만드는 것이죠. 그림[5] (a)처럼 한번에 패터닝하던 좁은 간격의 네 개 틈을 (b)와 (c)로 두 개씩 두 번에 나누어 패터닝을 진행하면서 각 틈 사이의 간격을 넓히고 간섭을 줄이는 것입니다.
그림[5] 틈 간 간격이 너무 좁아 패터닝이 제대로 이루어지지 않는 (a)를 (b)와 (c)로 나누어 두 번 진행해 틈 사이 간격을 넓히게 되면 원하는 모양으로 패터닝을 진행 할 수 있음
그림[5] 틈 간 간격이 너무 좁아 패터닝이 제대로 이루어지지 않는 (a)를 (b)와 (c)로 나누어 두 번 진행해 틈 사이 간격을 넓히게 되면 원하는 모양으로 패터닝을 진행 할 수 있음
그림[5] 틈 간 간격이 너무 좁아 패터닝이 제대로 이루어지지 않는 (a)를 (b)와 (c)로 나누어 두 번 진행해 틈 사이 간격을 넓히게 되면 원하는 모양으로 패터닝을 진행 할 수 있음
이러한 방식을 여러 번 패터닝한다고 하여 Multi Patterning Technology라고 합니다. B. OPC - 작게 찍히면 크게 만들고, 크게 찍히면 작게 만들자! 양궁에서 과녁을 맞출 때 정가운데를 조준하였지만 다른 곳으로 화살이 날아간다면 우리는 다음 화살을 방향이 틀어진 만큼 반대 방향으로 조준해서 활시위를 당깁니다. 즉, 오차를 고려하여 재계산하는 것이죠. 패터닝시에도 이와 유사하게 오차가 발생했을 때 이를 반영하여 마스크를 만드는 방법을 사용합니다. 바로 OPC(Optical Proximity Correction)입니다. 그림[6]의 과정처럼 결과물로부터 피드백을 받아 마스크를 일부러 왜곡되게 제작하는 방법을 말하죠.
그림[6] 포토(Photo)와 식각(Etch) 공정을 진행하였을 때 빛의 성질에 의해 Pattering이 제대로 이루어지지 않아 마스크의 모양과는 다르게 일부가 두꺼워지거나, 얇아지게 되고 심하면 아예 없어지거나 근접한 부분과 붙어버리는 경우도 생기게 됩니다. 이런 오차가 발생한 결과를 참고하여 마스크자체의 모양을 왜곡되게 변경하여 진행해 원래 목표하던 모양을 얻게 되는 과정입니다.
그림[6] 포토(Photo)와 식각(Etch) 공정을 진행하였을 때 빛의 성질에 의해 Pattering이 제대로 이루어지지 않아 마스크의 모양과는 다르게 일부가 두꺼워지거나, 얇아지게 되고 심하면 아예 없어지거나 근접한 부분과 붙어버리는 경우도 생기게 됩니다. 이런 오차가 발생한 결과를 참고하여 마스크자체의 모양을 왜곡되게 변경하여 진행해 원래 목표하던 모양을 얻게 되는 과정입니다.
그림[6] 포토(Photo)와 식각(Etch) 공정을 진행하였을 때 빛의 성질에 의해 Pattering이 제대로 이루어지지 않아 마스크의 모양과는 다르게 일부가 두꺼워지거나, 얇아지게 되고 심하면 아예 없어지거나 근접한 부분과 붙어버리는 경우도 생기게 됩니다. 이런 오차가 발생한 결과를 참고하여 마스크자체의 모양을 왜곡되게 변경하여 진행해 원래 목표하던 모양을 얻게 되는 과정입니다.
4. 직접적 해결을 위한 노력. 이외에도 우리는 빛의 성질로 인한 포토공정의 한계를 다양한 방법으로 극복해 왔습니다. 하지만 결국 작아진 Pattern에서 빛의 성질로 인해 발생되는 문제의 근본적인 해결책은 빛의 파장을 줄이는 방법입니다(그림[3] 참조). 따라서 우리는 파장을 줄이기 위해서도 꾸준히 노력을 이어가고 있는데요. 다음 포스트에서 이러한 포토 공정의 발전에 따른 파장 변화 과정과 함께, 최근 가장 주목받고 있는 EUV는 어떤 특징을 가지고 있는지에 대하여 알아보겠습니다.
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