오버레이란? 칩의 위아래 층은 왜 정렬해야 하나

오버레이(overlay)는 칩의 한 층 패턴이 바로 아래층과 얼마나 정확히 맞는지를 말하며, 측정한 어긋남의 거리를 오버레이 오차라 한다. 칩은 포토 공정으로 한 층씩 찍어 만들며, 층수는 흔히 십수 층에서 수십 층에 이른다. 새 층을 찍을 때마다 아래층 위에 정확히 겹쳐야 한다. 정확히 맞으면 위아래가 연결되고, 어긋나면 연결되어야 할 곳이 연결되지 않고 닿으면 안 되는 곳이 서로 닿는다.

왜 모든 층을 정렬해야 하나?

여러 색으로 찍는 다색 판화를 떠올려 보자. 빨강, 노랑, 파랑을 각각 다른 판에 새겨 한 색씩 찍는다. 판 하나만 비뚤게 놓여도 색이 선 밖으로 삐져나간다. 칩도 이렇게 한 층씩 쌓아 만들지만 훨씬 엄격하다. 위층의 작은 구멍이 아래층에서 연결해야 할 곳 위에 정확히 내려앉아야 한다.

패턴을 어떻게 ‘찍는지’는 ‘포토리소그래피(포토 공정)란?’에서 다뤘다. 이 글은 ‘정렬’ 하나만 다룬다.

얼마나 어긋나도 되나?

회로에서 가장 가는 선보다 훨씬 작아야 한다. 한 대학 강의 자료에 실린 경험칙은 최소 선폭의 3분의 1에서 5분의 1이다. 공개된 한 대학 논문이 든 예에 따르면, 선폭 0.18μm 세대에서는 허용 오차가 약 0.06μm에 불과했다.

최신 세대에 이르면 업계가 함께 만드는 기술 로드맵의 목표치는 2~4nm에 불과하다. 머리카락 굵기가 수만 nm 정도이니, 머리카락보다 만 배 넘게 가는 셈이다.

한 층을 어떻게 정렬하고, 측정하고, 바로잡나?

정렬과 오버레이는 다르다. 정렬(alignment)은 노광 전에 하는 동작이고, 오버레이는 노광을 마친 뒤에 측정한 결과다. 하나는 조준이고, 다른 하나는 어디에 맞았는지 확인하는 것이다.

1단계: 노광 전에 정렬 마크를 먼저 찾는다

• 하는 일: 웨이퍼가 노광 장비에 들어가도 바로 노광하지 않는다. 센서가 앞선 층들이 웨이퍼에 남긴 정렬 마크(작은 십자나 줄무늬로, 대개 칩과 칩 사이에 있어 마지막에 잘려 나가는 좁은 띠에 둔다)를 찾는다. 마크 여러 개의 위치를 측정해 웨이퍼 전체가 어느 쪽으로 밀렸는지, 얼마나 회전했는지, 조금 늘어났는지를 계산한 뒤 샷마다 어디에 찍을지 정한다.
• 이유: 웨이퍼는 올려놓을 때마다 위치가 조금씩 다르고, 앞선 공정 때문에 미세하게 변형되어 있을 수도 있다. 한 점만 봐서는 부족하다.
• 하지 않으면: 정렬 없이 노광하면 이 층이 아래층 위에 겹쳐지지 않고, 게다가 웨이퍼마다 어긋나는 모양도 제각각이 된다.

첫 번째 층은 아래에 맞출 대상이 아직 없으므로 웨이퍼 가장자리의 작은 노치(notch)를 기준으로 방향만 바르게 놓는다. 이 층부터 그다음 층들은 맞출 마크가 생긴다.

2단계: 노광하고 현상하면서 계측용 마크도 함께 찍는다

• 하는 일: 계산한 위치대로 샷을 하나씩 노광한 뒤 현상한다. 포토마스크에는 회로 말고도 오버레이 측정 전용 마크가 있어, 아래층의 마크 바로 옆에 함께 찍힌다. 예를 들어 아래층에는 큰 사각형이, 이번 층에는 그 안에 작은 사각형이 들어가는 식이다.
• 이유: 현상 후 두 층의 마크가 나란히 있어야 비교할 대상이 생긴다.
• 하지 않으면: 칩을 다 만들어 전기적으로 측정해 본 뒤에야 어긋났다는 것을 알게 되고, 그때는 이미 몇 주가 지나 있다.

3단계: 현상 후 얼마나 어긋났는지 측정한다

• 하는 일: 계측 장비가 빛으로 두 층의 마크를 보고, 작은 사각형이 정중앙에서 얼마나, 어느 쪽으로 벗어났는지 측정한다. 모든 웨이퍼를 측정하지는 않는다. 로트마다 몇 장, 웨이퍼마다 몇 샷을 골라, 흔히 샷의 네 모서리에서 한 점씩 측정한다. 계측 장비가 어떻게 보는지는 ‘팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까?’를 참고하면 된다.
• 이유: 여러 점의 어긋남을 모아 봐야 웨이퍼 전체가 어떤 유형으로 어긋났는지 알 수 있다.
• 하지 않으면: 어긋난 것을 모른 채 그대로 식각에 들어간다.

각 점을 화살표 하나로 그리면 어긋남은 대략 다음 유형으로 나뉜다.

• 좌우(x), 상하(y): 모든 화살표가 같은 쪽을 향하고 길이도 비슷하다. 스티커 한 장을 살짝 비켜 붙인 것과 같다.
• 회전: 화살표가 중심을 돌며 바깥쪽일수록 길어진다. 스티커를 비스듬히 붙인 것과 같다.
• 배율: 화살표가 중심에서 바깥쪽(또는 안쪽)을 향하며 바깥쪽일수록 길어진다. 전체가 아주 조금 늘어나거나 줄어든 것과 같다.

이런 유형은 웨이퍼 전체에도 있고, 노광한 샷 하나하나 안에도 있을 수 있다. 이 유형들을 모두 빼고 남는, 자잘해서 보정으로 없앨 수 없는 부분을 잔차(residual)라 한다.

4단계: 너무 어긋났다면 포토레지스트 상태일 때 다시 한다

• 하는 일: 규격을 벗어나면 먼저 이 로트를 홀드하고 리워크 여부를 정한다. 리워크는 포토레지스트를 한 층 통째로 벗겨 내고 다시 도포, 노광, 현상하는 것이다.
• 이유: 현상 직후에는 패턴이 아직 포토레지스트에만 있고, 그 아래 재료는 전혀 건드려지지 않았다.
• 하지 않으면: 식각에 들어가는 순간 어긋난 위치가 재료에 새겨져 되돌릴 수 없다. 리워크에도 대가가 있다. 공정을 한 번 더 돌고, 처리를 한 번 더 받고, 몇 시간이 더 든다. 조금만 어긋났을 때는 그만한 가치가 있는지 판단해야 한다.

5단계: 오차를 노광 장비에 넘겨 다음 로트에서 미리 보정한다

• 하는 일: 측정한 오차(좌우, 상하, 회전, 배율이 각각 얼마인지)를 노광 장비에 넘기면, 다음 로트를 노광할 때 반대 방향으로 조금 조정한다. 이를 보정이라 한다. 보정량은 시스템이 자동으로 계산하는 경우가 많다(‘APC란?’ 참고).
• 이유: 같은 장비, 같은 제품에서는 어긋나는 양상이 되풀이되는 경우가 많다. 이번 로트에서 측정한 것을 다음 로트에서 미리 바로잡을 수 있다.
• 하지 않으면: 로트마다 똑같은 모양으로 어긋나고, 매번 측정해서야 발견해 리워크하게 된다.

왜 어긋나나?

• 노광 장비 자체: 웨이퍼 스테이지의 움직임, 렌즈 안의 미세한 왜곡 등 장비마다 저마다의 작은 버릇이 있다.
• 웨이퍼가 당겨져 변형된다: 앞선 퍼니스 공정의 고온과 위에 쌓은 박막이 웨이퍼를 조금 휘게 하거나 늘이고 줄여, 마크의 위치도 따라 움직인다.
• 열팽창과 수축: 온도가 1°C 차이 나면 지름 30cm 실리콘 웨이퍼는 지름이 약 0.8μm 커진다. 최신 세대에서 허용되는 어긋남보다 백 배 넘게 큰 값이다.
• 마크가 조금 손상된다: CMP나 식각 때문에 마크의 모양이 비대칭이 되면, 센서가 읽는 위치가 어긋난다.
• 위아래 두 층을 서로 다른 장비에서 노광했다: 두 장비의 버릇이 달라 상쇄되지 않는다. 그래서 가장 중요한 몇 개 층은 같은 장비에 고정해 배정하기도 한다. 대가는 그 장비가 바쁠 때 다른 장비가 비어 있어도 쓸 수 없다는 점이다.

어긋나면 어떻게 되나?

위층의 작은 구멍은 아래층에서 연결해야 할 곳(트랜지스터나 배선) 위에 내려앉아야 한다. 가장 아래에서 트랜지스터와 연결되는 구멍이 콘택트이고, 위아래 두 배선층 사이를 잇는 것이 비아(via)다.

• 연결되지 않는다: 어긋나면 맞닿는 면적이 줄어 저항이 커지고, 심하면 아예 전기가 통하지 않는다.
• 닿으면 안 되는 곳에 닿는다: 옆으로 치우쳐 트랜지스터의 게이트나 옆 배선에 닿으면 단락(short)이 생긴다.

이 두 가지 구멍을 만드는 방법은 ‘트랜지스터 하나는 어떻게 만들어질까?’와 ‘칩 속 배선은 어떻게 만들까?’를 참고하면 된다. 조금 어긋난 것은 바로 드러나지 않을 수 있고, 몇 주 뒤 WAT를 측정해야 회로가 통하는지 알게 되는 경우가 많다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어를 찾은 다음 이름 아래의 ‘포토’를 누르면 포토 공정 엔지니어가 된다. 오전 근무에 P-3A08 로트의 오버레이가 규격을 벗어나 있고, 다음 공정은 바로 식각이다. 계측 장비에서 오버레이 맵을 본다. 격자선은 샷이고, 노란 화살표는 이 층이 아래층에 대해 어긋난 방향과 크기다. 평행 이동, 회전, 배율 세 가지 보정을 시험해 보면, 맞는 보정을 넣었을 때 화살표가 약간의 잔차만 남고 짧아진다. 이어서 기록을 살펴보면 아래층은 다른 노광 장비에서 노광했다. 가장 중요한 몇 개 층을 같은 장비에 고정할지, 두 장비의 차이를 보정에 더할지 정해야 한다. 마지막으로 PIE의 야팅에게 답을 줘야 한다. 리워크할지, 그대로 진행할지다.

같은 구역의 포토 장비 엔지니어는 심야 근무에 노광 장비가 정렬 마크를 찾지 못해 멈춘다. R&D 라인의 포토 개발 공정 엔지니어는 오전 근무에 콘택트 층을 처음으로 아래층에 정렬하고, 오버레이를 측정한 뒤 어느 항목을 보정할지 골라야 한다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 2 ‘한 공정씩’에서는 첫 번째 층 패턴 아래에 맞출 것이 없어 웨이퍼의 노치를 기준으로 놓는다. 게임 속 회사, 인물, 로트 번호, 숫자는 모두 가상이다. 오버레이를 측정하고 보정하는 방법은 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.