선폭(CD)이란? 반도체의 임계 치수는 어디서 정해지고 어떻게 잴까

반도체에서 CD란?

선폭은 칩 위의 선 하나가 얼마나 넓은지를 말한다. 업계에서는 흔히 CD라고 부르는데, critical dimension의 약자로 임계 치수라고 옮긴다. 넓게 보면 선과 선 사이의 간격, 작은 홀의 지름처럼 그 층에서 가장 중요하고 엄격하게 관리해야 하는 치수는 모두 CD라고 할 수 있다. 포토 공정에서 패턴을 찍은 뒤 재고, 식각으로 깎은 뒤 다시 재는, 팹에서 가장 자주 보는 숫자 가운데 하나다.

계측과 검사의 차이는 ‘팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까?’에서 다뤘다. 이 글은 선폭 자체만 다룬다.

선폭이 몇 nm 틀어지면 어떻게 될까?

칩 속의 스위치는 트랜지스터다. 전류가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 흐르고, 그 사이의 게이트가 켜짐과 꺼짐을 정한다(‘트랜지스터란?’). 게이트는 전류가 지나는 길 위를 가로지르는 가는 선인데, 이 선이 얼마나 넓게 찍히느냐가 전류가 지나야 하는 길의 길이를 정한다.

• 선이 좁아지면: 길이 짧아져 스위치가 더 쉽게 켜지고 빨라진다. 하지만 꺼져 있을 때도 누설 전류가 더 쉽게 흐른다.
• 선이 넓어지면: 길이 길어져 전류가 줄고 스위치가 느려진다.

그래서 평균만 맞아서는 부족하고, 선 하나하나가 비슷해야 한다. 웨이퍼의 중심과 가장자리, 같은 로트의 앞쪽과 뒤쪽 웨이퍼, 이 로트와 다음 로트가 모두 같아야 하며, 이를 균일도라고 한다. 균일하지 않으면 빠른 칩과 느린 칩이 섞여 나온다. 균일도에 대한 요구는 엄격하며, 흔히 통계적인 범위로 정한다.

선폭은 어디서 정해질까? 한 단계씩

1단계: 먼저 포토마스크에 그린다

• 하는 일: 포토마스크의 선은 보통 실제의 네 배 크기로 그리고, 노광할 때 축소해 찍는다. 주변에 다른 선이 있는지도 미리 계산에 넣어 일부러 조금 넓게 또는 좁게 그린다(‘OPC란?’).
• 이유: 선이 노광에 쓰는 빛의 파장보다 가늘어서, 빽빽한 선과 홀로 떨어진 선을 같은 폭으로 그려도 찍히는 폭이 달라진다.
• 하지 않으면: 선이 파장보다 가늘 때는 마스크의 작은 오차가 웨이퍼에 찍히면서 축소 비율만큼 작아지지 않고 오히려 커질 수도 있다.

2단계: 노광, 노광량과 포커스

• 하는 일: 노광 장비가 정해진 빛의 양(노광량)으로, 초점을 맞춰 노광한다(‘포토리소그래피(포토 공정)란?’).
• 이유: 빛이 많거나 적으면 선폭이 바뀐다. 초점이 어긋나면 상이 흐려져 선폭도 바뀌고 측면도 기운다. 그래서 새 층은 먼저 웨이퍼 한 장 위에서 노광량과 포커스를 한 칸씩 바꿔 가며 노광하고 칸마다 선폭을 재서, 둘 다 조금 어긋나도 선폭이 규격 안에 머무는 범위를 찾는다. 이를 공정 윈도우(process window)라고 한다.
• 하지 않으면: 장비는 매일 조금씩 흐르고, 웨이퍼도 모든 곳이 똑같이 평평하지는 않다. 윈도우가 좁으면 선폭이 자주 벗어난다.

3단계: 베이크와 현상

• 하는 일: 노광한 웨이퍼를 핫플레이트에서 굽고(노광 후 베이크) 나서 현상해 포토레지스트 선을 남긴다.
• 이유: 포토레지스트 안의 반응이 어디까지 진행되는지는 온도와 시간에 달려 있다(‘포토레지스트란?’).
• 하지 않으면: 핫플레이트의 한쪽이 차가우면 웨이퍼 전체가 한쪽은 넓고 한쪽은 좁아진다.

4단계: 현상 후 한 번 잰다

• 하는 일: 몇 장을 샘플링해 포토레지스트 선의 폭을 잰다. 이 단계를 흔히 현상 후 검사(ADI)라고 한다.
• 이유: 패턴이 아직 포토레지스트에만 있으므로, 잘못됐으면 포토레지스트를 벗겨 내고 다시 할 수 있다(리워크).
• 하지 않으면: 잘못된 폭이 식각으로 넘어가면 재료에 새겨져 되돌릴 수 없다.

5단계: 식각, 포토레지스트와 같은 폭이 된다는 보장은 없다

• 하는 일: 포토레지스트 선을 따라 아래층을 깎아 낸다(‘식각이란?’). 측면이 조금 깎여 들어가거나 포토레지스트의 가장자리도 조금 깎이면 선이 좁아진다. 측벽에 생기는 보호막이 너무 많이 쌓여 위는 좁고 아래는 넓은 모양이 되면 아래쪽이 넓어진다. 이 차이를 식각 바이어스(etch bias)라고 한다.
• 미리 정해 두는 이유: 차이의 크기는 미리 정해 둘 수 있고, 활용할 수도 있다. 칩의 최종 선은 포토 공정으로 찍을 수 있는 것보다 가는 경우가 많은데, 이는 식각이나 선을 더 가늘게 다듬는 공정으로 구현한다.
• 하지 않으면: 식각 조건이 흐르면 포토레지스트를 잴 때는 딱 맞는데 식각된 선은 틀어진다.

6단계: 식각 후 다시 한 번 잰다

• 하는 일: 식각된 선을 다시 잰다.
• 이유: 이것이 칩 위의 진짜 선이다. 현상 후에는 괜찮았는데 식각 후에 틀어졌다면 식각 단계를 먼저 의심한다. 둘 다 틀어졌다면 포토 공정을 먼저 살핀다.
• 하지 않으면: 포토 공정 문제인지 식각 문제인지 가릴 수 없고, 어느 장비를 조정해야 할지도 알 수 없다.

선폭은 어떻게 잴까? 위에서 찍거나, 빛으로 역산하거나

전자 현미경: 바로 위에서 찍는다

가장 많이 쓰는 것은 선폭 측정 전용 전자 현미경(CD-SEM)이다. 전자가 웨이퍼에 부딪히면 표면에서 다른 전자가 튀어나오는데, 선의 가장자리에서 특히 많이 나오기 때문에 이미지에서는 선마다 양쪽 가장자리가 밝게 보인다. 소프트웨어가 밝은 가장자리 두 줄 사이의 거리를 재고, 이것이 선폭이 된다. 주의할 점은 세 가지다.

• 가장자리는 곧지 않다: nm 단위로 보면 가장자리가 해진 천처럼 들쭉날쭉하다. 그래서 재는 값은 선의 일정 구간에 걸친 평균이다.
• 측면은 잘 보이지 않는다: 측면은 완전히 수직이 아니고 밝은 가장자리에도 폭이 있어서, 어디를 ‘가장자리’로 볼지는 방법에 따라 달라진다. 같은 방법으로 잰 값끼리만 비교할 수 있다. 측면이 얼마나 기울었는지 알려면 컴퓨터로 시뮬레이션한 이미지와 비교하거나, 웨이퍼를 잘라 단면 분석을 한다. 자른 웨이퍼는 다시 쓸 수 없다.
• 재는 일 자체가 바꿔 놓는다: 어떤 포토레지스트는 전자를 맞으면 조금 줄어들고, 처음 잴 때 가장 많이 줄어든다. 그래서 전자를 얼마나 쏠지 신중하게 정한다.

스캐터로메트리: 빛으로 역산한다

다른 방법은 사진을 찍지 않는다. 스크라이브 라인(칩과 칩 사이의 좁은 띠로, 마지막에 잘려 나간다)에 가는 선을 빽빽하게 반복해 늘어놓은 작은 영역을 찍어 두고, 빛을 비춰 색깔마다 얼마나 반사되어 돌아오는지 잰다. 선의 폭, 높이, 측면 기울기가 다르면 반사되는 모양도 달라진다. 컴퓨터가 여러 형태의 반사를 미리 계산해 두고 가장 비슷한 것을 고른다. 빠르고 측면 기울기까지 추정할 수 있지만, 맞는 모델과 재료의 광학적 성질을 알아야 하고, 그 작은 전용 패턴만 잴 수 있다.

잰 다음에는 어떻게 할까?

1. 관리도에 올린다: 로트 하나를 잴 때마다 관리도에 점 하나를 찍고, 조금씩 한쪽으로 쏠리지 않는지 본다(‘SPC 관리도란?’).
2. 현상 후 규격을 벗어나면 다시 한다: 먼저 홀드하고 포토레지스트를 벗겨 내 다시 찍는다(‘리워크란?’).
3. 천천히 틀어지면 다음 로트에서 보정한다: 측정한 선폭을 노광 장비에 넘겨 다음 로트의 노광량을 조금 바꾼다. 현상 후 선폭을 미리 식각 쪽에 넘겨 식각 시간을 조금 바꾸기도 한다(‘APC란?’).
4. 갑자기 틀어지면 원인을 찾는다: 핫플레이트 한 장, 새 포토레지스트 한 병, 식각 장비 한 대처럼 무엇이 바뀌었는지 거슬러 올라가 찾는다.

‘몇 나노 공정’의 숫자가 선폭일까?

아니다. 아주 오래전에는 공정의 이름이 그 세대에서 만들 수 있는 가장 가는 선과 대체로 맞았다. 그 뒤로 이름은 ‘몇 번째 세대인가’라는 뜻만 남았다(“뉴스에서 말하는 ‘2나노’는 무엇이 2나노일까?”, “뉴스에 나오는 ‘옹스트롬 시대’란?”). 선폭은 다른 이야기다. 층마다 목표가 따로 있고, 재는 것은 그 층이 실제로 얼마나 넓게 만들어졌는가이다.

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. 네 근무 중 어느 근무를 하게 될지는 사이트를 연 시각에 따라 정해지며, 낮부터 저녁 사이에 열면 오후 근무 ‘리워크’다. 첫 장면의 이름부터 ‘선폭’이다. 트랙(코터·디벨로퍼) TRK-01은 아침에 막 PM을 마쳤는데, 오후에 나온 2로트의 선폭이 한쪽은 넓고 한쪽은 좁다. 장비 엔지니어가 말한다. “PEB 온도가 조금만 달라도 선폭이 따라 움직여요.” 이어서 선폭 맵 12장이 나온다. 한 칸이 측정점 하나이고, 파란색은 선폭이 틀어진 곳이다. 몇 장은 파란색이 한쪽에 몰려 있다. 리워크할 웨이퍼를 다 체크하고 나면 장비 엔지니어가 알려 준다. 핫플레이트 네 장이 돌아가며 굽는데, 3번째, 7번째, 11번째 웨이퍼가 딱 한쪽이 차가워진 HP-3 차례였다.

이름 아래의 ‘식각’을 누르면 식각 공정 엔지니어가 된다. 아침에 열면 오전 근무인데, 계측 장비 MET-01에서 식각 후 선폭이 8점 연속 중심선 아래에 있고 점점 더 낮아진다. 10:40에 야팅에게서 전화가 온다. 어느 로트의 선폭이 관리 상한보다 조금 높지만 규격 안이다. 다음 공정으로 보낼까, 잡아 둘까.

선폭을 재는 전자 현미경이 어떻게 움직이는지는 ‘분해해서 보는 반도체 공장 장비’에서 볼 수 있다. 게임 속 회사, 인물, 로트 번호, 장비와 숫자는 모두 가상이다. 선폭이 무엇이고 어떻게 재는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.