포토리소그래피로 회로 패턴 새기기

빛으로 회로의 위치를 정하는 공정

산화와 증착으로 웨이퍼 위에 막을 만들었다고 해서 곧바로 회로가 되는 것은 아니다. 그 막의 어느 부분을 남기고, 어느 부분을 없앨지 정해야 한다. 이때 사용하는 공정이 포토리소그래피다.

포토리소그래피는 말 그대로 빛을 이용해 패턴을 새기는 기술이다. 설계 단계에서 만든 회로 모양은 포토마스크에 담겨 있고, 노광 장비는 이 모양을 웨이퍼 위 감광액에 옮긴다. 감광액은 빛을 받으면 성질이 바뀌는 얇은 액체 막이다. 그래서 빛이 닿은 곳과 닿지 않은 곳을 현상 과정에서 다르게 남길 수 있다.

이 공정의 목적은 막을 직접 깎는 것이 아니다. 먼저 웨이퍼 위에 '가공할 위치'를 표시하는 것이다. 이후 식각이나 이온주입 같은 공정은 이 표시를 기준으로 진행된다.

감광액을 바르고, 굽고, 빛을 쏘고, 현상한다

기본 순서는 감광액 도포, 소프트베이크, 노광, 현상이다.

먼저 웨이퍼를 빠르게 회전시키며 감광액을 떨어뜨린다. 원심력으로 액체가 얇고 균일하게 퍼진다. 이를 스핀 코팅이라고 한다. 감광액 두께가 고르지 않으면 나중에 패턴 크기가 달라질 수 있으므로 매우 중요하다.

다음은 소프트베이크다. 감광액 안에 남아 있는 용매를 날리고 막을 안정시키기 위해 적당한 온도로 굽는다. 너무 약하면 감광액이 흐르거나 들뜰 수 있고, 너무 강하면 빛에 반응하는 성질이 나빠질 수 있다.

그다음 노광 장비가 포토마스크의 패턴을 감광액 위에 비춘다. 양성 감광액은 빛을 받은 부분이 현상액에 잘 녹고, 음성 감광액은 빛을 받은 부분이 더 단단해져 남는다. 어떤 감광액을 쓰느냐에 따라 최종적으로 남는 모양이 달라진다.

마지막으로 현상액을 사용해 필요한 부분만 남긴다. 이렇게 만들어진 감광액 패턴은 다음 공정에서 보호막처럼 작동한다. 식각 공정에서는 감광액이 덮은 곳은 보호되고, 열린 곳만 깎인다.

더 작은 패턴을 만들기 위한 조건

반도체 회로가 작아질수록 포토리소그래피는 더 어려워진다. 작은 선폭을 정확히 찍으려면 빛의 파장이 짧아야 하고, 렌즈가 빛을 잘 모아야 하며, 공정 조건이 안정적이어야 한다.

해상도는 쉽게 말해 얼마나 작은 무늬를 구별해 찍을 수 있는지를 뜻한다. 짧은 파장의 빛을 쓰면 더 작은 패턴을 만들기 유리하다. 렌즈의 성능도 중요하다. 개구수는 렌즈가 빛을 받아들이는 능력을 나타내는 값인데, 개구수가 클수록 더 미세한 패턴을 구현하기 쉽다.

하지만 장비만 좋다고 해결되지는 않는다. 감광액 두께, 노광량, 초점 위치, 웨이퍼 표면의 평탄도도 함께 맞아야 한다. 초점이 조금만 어긋나도 선이 굵어지거나 끊어질 수 있다. 반도체 공정에서 '조금'은 매우 작은 차이지만, 수십억 개의 소자가 들어가는 칩에서는 큰 불량이 된다.

DUV와 EUV가 필요한 이유

오랫동안 반도체 공정에서는 DUV, 즉 심자외선 리소그래피가 널리 사용되었다. DUV는 짧은 자외선 파장을 이용해 미세 패턴을 찍는다. 여기에 여러 번 나누어 패턴을 찍는 멀티 패터닝 기술을 더하면 더 작은 구조도 만들 수 있다. 다만 같은 층을 여러 번 노광하고 식각해야 하므로 공정이 복잡해지고 시간이 늘어난다.

EUV는 극자외선을 사용하는 기술이다. DUV보다 훨씬 짧은 파장을 쓰기 때문에 더 작은 패턴을 한 번에 구현하기 유리하다. 그래서 최첨단 반도체에서는 EUV가 중요해졌다. 다만 EUV는 빛을 만들고 다루기 어렵다. 일반 렌즈로는 흡수되어 버리기 때문에 특수 거울을 사용하고, 장비 구조도 매우 복잡하다. 감광액, 마스크, 오염 관리도 더 까다롭다.

즉 DUV는 성숙하고 안정적인 기술이고, EUV는 더 작은 회로를 만들기 위한 고난도 기술이다. 실제 공정에서는 제품의 종류와 필요한 선폭에 따라 두 기술이 함께 사용된다.

정렬과 초점이 틀어지면 회로가 어긋난다

반도체는 한 번의 포토리소그래피로 끝나지 않는다. 막을 만들고, 패턴을 찍고, 식각하고, 다시 막을 쌓는 과정을 수십 번 반복한다. 그래서 새로 찍는 패턴은 이전 층의 패턴과 정확히 맞아야 한다. 이를 오버레이 정렬이라고 한다.

정렬이 어긋나면 게이트, 소스, 드레인, 배선의 위치가 맞지 않는다. 전류가 지나가야 할 길이 끊기거나, 연결되면 안 되는 곳이 이어질 수 있다. 아주 작은 어긋남도 누설전류, 속도 저하, 단락 같은 문제로 이어진다.

패턴 왜곡도 중요한 불량 원인이다. 빛이 마스크 가장자리에서 퍼지거나, 렌즈와 감광액 조건이 완벽하지 않으면 설계한 직선이 실제로는 둥글거나 휘어진 모양으로 나타날 수 있다. 그래서 설계 단계에서는 이런 왜곡을 미리 보정하기도 한다.

포토리소그래피는 회로를 직접 완성하는 공정이라기보다, 모든 가공의 기준선을 그리는 공정이다. 이 기준선이 정확해야 다음 식각 공정에서 원하는 부분만 제거할 수 있다. 반도체 제조에서 빛은 단순히 비추는 도구가 아니라, 회로의 위치와 크기를 결정하는 정밀한 자이다.