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반도체 입문 · 11강

포토리소그래피: 패턴을 찍어 내는 공정

포토리소그래피(포토)는 칩의 패턴을 얼마나 미세하게 만들 수 있는지를 결정한다. 가장 정밀한 공정 가운데 하나이며, 최첨단 노광 장비는 값도 매우 비싸다.

학습 목표

포토리소그래피의 네 단계: 식각할 층 위에 포토레지스트를 바른다. 포토마스크를 통해 빛을 비춘다. 현상해서 빛을 받은 포토레지스트를 씻어 낸다. 드러난 층을 식각한 뒤 포토레지스트를 제거한다.
여기서는 빛을 받은 포토레지스트가 씻겨 나가는 방식을 그렸다. 반대로 빛을 받지 않은 쪽이 씻겨 나가는 방식도 있다. 단순화한 그림이다. 실제 노광 장비는 포토마스크와 웨이퍼 사이에 렌즈가 있고, 포토마스크의 패턴은 4배 크기다.

한 단계씩

  1. 노란 조명 아래에서 웨이퍼에 포토레지스트를 바르고, 고속으로 회전시켜 고르게 편 뒤 살짝 굽는다.

    이유포토레지스트는 필름처럼 빛을 받으면 성질이 바뀐다. 노란 조명은 파란빛과 그보다 파장이 짧은 빛을 걸러 낸 것이다.

    하지 않으면일반 백색 조명을 켜 두면 웨이퍼가 다음 공정을 기다리는 동안 포토레지스트가 실내 조명에 서서히 노출되어 변질된다.

  2. 노광 장비에 들어가도 바로 노광하지 않는다. 이전 층들이 남긴 정렬 마크를 찾아, 웨이퍼 전체가 얼마나 밀리고 얼마나 회전했는지 계산한다.

    이유웨이퍼는 올려놓을 때마다 위치가 조금씩 다르고, 앞선 공정 때문에 미세하게 변형되었을 수도 있어 한 점만 봐서는 부족하다.

    하지 않으면정렬 없이 노광하면 이번 층이 아래층 위에 제대로 겹치지 않는다. 이어져야 할 곳은 이어지지 않고, 닿지 말아야 할 곳은 서로 닿는다.

  3. 노광: 빛이 포토마스크를 통과해 포토레지스트 위에 한 칸씩 비치게 한다.

    이유빛이 통과한 곳의 포토레지스트만 변한다. 포토마스크는 보통 4배 크기로 그려 축소해 찍으므로 오차도 함께 줄어든다.

    하지 않으면포토마스크에 오염 한 점이 있으면 모든 칸의 같은 위치에 찍혀, 많은 칩이 한꺼번에 불량이 될 수 있다.

  4. 현상: 먼저 살짝 구워 반응을 마무리한 뒤, 현상액으로 빛을 받은 포토레지스트를 씻어 낸다(네거티브 레지스트는 빛을 받지 않은 부분을 씻어 낸다).

    이유빛을 받은 곳과 받지 않은 곳은 녹는 속도가 달라, 씻어 내고 남은 포토레지스트가 곧 패턴이 된다. 반응이 얼마나 진행되는지는 전적으로 굽는 온도와 시간에 달려 있다.

    하지 않으면핫플레이트의 한쪽이 차고 한쪽이 뜨거우면 웨이퍼 전체에서 선폭이 한쪽은 넓고 한쪽은 좁아진다. 현상 온도나 시간이 조금만 어긋나도 열려야 할 곳이 깨끗하게 열리지 않는다.

    포토 공정에서 첫 층 찍기: 포토레지스트 도포, 베이크, 정렬, 노광, 노광 후 베이크까지 마치고 이제 현상할 차례
    게임 fab24hr의 화면이다. 장비, 로트 번호, 인물은 모두 허구다. 게임에서 이 장면 플레이하기 →
  5. 선폭, 결함, 오버레이를 측정한다. 예를 들어 아래층에 큰 사각형, 이번 층에 작은 사각형을 찍고, 작은 사각형이 얼마나 벗어났는지 잰다.

    이유허용되는 어긋남은 가장 가는 선 폭의 몇 분의 1뿐이다. 측정한 오차를 노광 장비에 넘겨, 다음 로트는 미리 반대 방향으로 보정한다.

    하지 않으면측정하지 않으면 오차를 그대로 안고 식각에 들어간다. 같은 장비의 어긋남은 반복되는 경우가 많아, 다음 로트도 똑같은 모양으로 틀어진다.

  6. 잘못 찍혔으면 포토레지스트를 통째로 벗겨 내고 다시 도포, 노광, 현상한다(리워크).

    이유현상 후에도 패턴은 아직 포토레지스트에만 있고, 그 아래 재료는 전혀 건드려지지 않았다.

    하지 않으면식각에 들어가 재료가 깎이고 나면 되돌릴 수 없다. 리워크 역시 공정을 한 번 더 거치고 몇 시간을 더 기다려야 한다.

  7. 남은 포토레지스트를 틀로 삼아 식각이나 이온 주입으로 넘기고, 끝나면 포토레지스트를 제거한다.

    이유포토레지스트가 덮은 곳은 보호되고, 열린 곳만 깎이거나 원자가 주입된다.

    하지 않으면포토레지스트를 깨끗이 제거하지 않으면 잔여물이 다음 공정으로 넘어가, 다음 층이 제대로 형성되지 않거나 단단히 붙지 않는다.

조정하는 것과 조심할 점

핵심 설명

왜 ‘찍어서’ 만드는가: 사진 촬영과 같은 원리

휴대폰 칩 하나에는 스위치가 백억 개 넘게 있고, 가장 가는 선은 머리카락 굵기의 천분의 일도 안 된다. 이것을 한 줄씩 그릴 수는 없으므로 한 영역 전체를 한꺼번에 만들어야 하고, 게다가 모든 웨이퍼에서 똑같이 나와야 한다. 포토리소그래피(흔히 줄여서 포토라고 한다)는 빛을 이용해 회로 패턴을 한 영역씩 통째로 찍어 내는 공정으로, 사진 촬영과 같다. 셔터를 누르면 장면 전체가 필름에 남는다. 칩은 층마다 모양이 달라 층마다 자기 포토마스크(노광에 쓰는 ‘필름 원판’)를 쓰므로, 웨이퍼 한 장은 완성되기까지 포토 구역에 수십 번 돌아온다. 찍힌 패턴은 아직 포토레지스트라는 빛에 민감한 막 위에만 있다. 이어서 대개 식각 공정이 덮이지 않은 재료를 깎아 내고, 어떤 층은 이온 주입으로 넘어가는데, 이때 포토레지스트가 막은 곳에는 원자가 들어가지 않는다.

빛에 민감한 포토레지스트: 포지티브와 네거티브, 그리고 노란 조명

포토레지스트는 웨이퍼 위에 바르는 빛에 민감한 막으로, 빛을 받은 곳의 성질이 바뀐다. 필름의 감광층과 같다. 포토마스크는 매우 평평한 유리판으로, 그 위에 빛을 막는 얇은 막이 회로 모양으로 그려져 있어 빛이 통과하는 곳의 포토레지스트만 변한다. 변화는 눈에 보이지 않으며, 현상액으로 씻어 내야 비로소 드러난다. 포지티브 레지스트는 빛을 받은 곳이 잘 녹게 되어 씻겨 나가므로, 남는 부분이 포토마스크에서 빛을 막은 부분과 같다. 네거티브 레지스트는 그 반대로, 빛을 받은 곳이 남는다. 옛 방식의 네거티브 레지스트는 유기 용제로 현상했는데, 남은 레지스트가 용제를 흡수해 부풀면서 가까운 선끼리 달라붙었다. 포지티브 레지스트는 알칼리성 수용액으로 현상해 이렇게 부풀지 않으므로, 미세한 패턴은 대부분 포지티브 레지스트로 바뀌었고, 네거티브 레지스트는 지금은 아주 두껍게 발라야 하는 곳에도 흔히 쓰인다. 포토레지스트는 파란빛과 자외선에 반응하는데, 일반 백색 조명에도 이런 빛이 들어 있어서 다음 공정을 기다리는 웨이퍼가 서서히 빛을 ‘쬐게’ 된다. 그래서 이 구역의 조명은 파란빛과 그보다 파장이 짧은 빛을 걸러 내며, 그 결과 노랗게 보인다.

장비 안에서 한 바퀴: 도포, 정렬, 노광, 베이크, 현상

포토레지스트 도포, 베이크, 현상은 보통 트랙(코터·디벨로퍼) 한 대에서 이루어지며, 이 장비는 노광 장비와 연결되어 있어 웨이퍼가 두 장비 사이를 스스로 오간다. 먼저 웨이퍼 중심에 포토레지스트를 조금 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 남는 양을 털어 내면, 약 1μm 또는 그보다 얇은 막이 남는다. 살짝 구워 용제를 날려 보내야 막이 안정된다. 노광 장비에 들어가면 먼저 이전 층들이 남긴 정렬 마크(대개 칩 사이의 좁은 띠 위에 있다)를 찾아 여러 개를 측정하고, 웨이퍼 전체가 얼마나 밀렸는지, 얼마나 회전했는지, 조금 늘어나지는 않았는지 계산한 뒤 각 칸을 어디에 찍을지 정한다. 첫 층은 아래에 맞출 대상이 아직 없으므로, 웨이퍼 가장자리의 작은 홈(노치)을 기준으로 방향만 바로잡는다. 포토마스크의 패턴은 보통 실제의 4배 크기로 그려져 있고, 렌즈로 축소해 작은 칸(샷, 한 변이 약 2~3cm)을 한 번에 하나씩 찍는다. 노광이 끝나면 곧바로 핫플레이트로 돌아가 다시 굽는다. 심자외선용 포토레지스트는 대부분 빛이 먼저 아주 적은 양의 산만 만들고, 굽는 동안 반응이 계속 이어진다. 반응이 얼마나 진행되는지는 전적으로 온도와 시간에 달려 있어, 핫플레이트 온도가 1도만 달라도 선폭이 몇 nm 달라질 수 있다. 굽기가 끝나면 현상한다.

파장이 짧을수록 더 미세하게, 그리고 더 어렵게

얼마나 미세하게 찍을 수 있는지는 주로 빛의 파장에 달려 있다. 빛은 포토마스크의 아주 좁은 틈을 지나며 조금 퍼지는데, 파장이 짧을수록 덜 퍼져 선이 더 선명하게 찍힌다. 펜촉이 가늘수록 더 가는 선을 그릴 수 있는 것과 같다. 그래서 수십 년 동안 노광에 쓰는 빛은 계속 더 짧은 파장으로 바뀌어 왔고, 지금 흔히 쓰는 심자외선은 193nm다. 최첨단 극자외선(EUV)은 약 13.5nm에 불과하지만, 거의 모든 물질이 이 빛을 흡수해 버린다. 그래서 빛이 지나는 경로를 진공으로 만들어야 하고, 유리 렌즈를 쓸 수 없어 얇은 막을 수십 층 쌓은 반사 거울만 쓸 수 있다. 광원도 레이저로 1초에 수만 개의 작은 주석 방울을 때려서 만든다.

193nm 빛으로 수십 nm 선을 찍는 법: 물 한 층과 여러 번 나눠 찍기

파장 말고도 렌즈가 얼마나 비스듬한 빛까지 받아들일 수 있는지(이를 개구수라고 한다)도 중요하다. 더 비스듬한 빛을 받아들일수록 더 미세하게 찍을 수 있지만, 대신 초점이 맞는 범위가 얕아진다. 렌즈와 웨이퍼 사이가 공기라면 너무 비스듬한 빛은 렌즈 밖으로 나오지 못하므로 개구수는 반드시 1보다 작다. 그 자리에 초순수를 한 층 채우면, 빛이 물속에서는 공기 중보다 느리게 나아가므로 원래 반사되어 되돌아가던 비스듬한 빛도 물속으로 들어가 웨이퍼에 닿고, 개구수를 약 1.35까지 높일 수 있다. 이를 액침 노광이라고 한다. 193nm 빛으로 한 번 노광하면 촘촘히 늘어선 선을 폭 40nm 안팎까지 찍을 수 있다. 그보다 더 미세하게 하려면 한 층을 두세 번에 나눠 만드는데, 이를 멀티 패터닝이라고 한다. 선을 하나 걸러 하나씩 두 장의 포토마스크에 나눠 따로 찍거나, 먼저 성긴 선을 찍은 뒤 그 양옆에 입힌 박막을 새로운 선으로 삼아 선 간격을 절반으로 줄이고, 한 번 더 하면 4분의 1이 된다. 대가는 포토마스크와 공정 단계가 늘어나고 정렬도 더 엄격해진다는 것이다. EUV로 바꾸면 어떤 층은 한 번에 찍을 수 있다. 초점이 맞는 범위가 이렇게 얕다 보니, 표면의 높낮이 차가 크면 같은 패턴이라도 어떤 곳은 흐려지고 선폭이 틀어진다. 그래서 필요하면 그 전에 CMP(화학적 기계 연마)로 표면을 평탄하게 간다.

찍은 뒤 먼저 오버레이 측정: 식각 전이라면 다시 할 수 있다

위층의 배선은 아래층의 스위치에 정확히 이어져야 한다. 이번 층이 아래층과 얼마나 정확히 맞는지를 오버레이라고 하며, 허용되는 어긋남은 가장 가는 선 폭의 몇 분의 1에 불과하다. 그래서 로트마다 현상 후에 선폭(선이 얼마나 넓게 찍혔는지), 결함, 오버레이를 측정한다. 오버레이는 포토마스크에 따로 넣어 찍는 마크로 측정한다. 예를 들어 아래층에는 큰 사각형을, 이번 층에는 작은 사각형을 그 가운데에 찍는다. 로트마다 몇 장, 웨이퍼마다 몇 칸을 골라, 빛으로 작은 사각형이 정중앙에서 얼마나, 어느 쪽으로 벗어났는지 잰다. 어긋남은 좌우·상하 이동, 회전, 배율 같은 몇 가지로 나뉜다. 측정값을 노광 장비에 넘기면 다음 로트를 반대 방향으로 조금 조정하는데, 이를 보정이라고 한다. 규격을 벗어나면 먼저 그 로트를 홀드한다. 아직 식각 전이라면 포토레지스트를 한 층 통째로 벗겨 내고 다시 할 수 있다. 이를 리워크라고 하며, 대가는 공정을 한 번 더 거치고 몇 시간을 더 기다리는 것이다. 식각에 들어가면 되돌릴 수 없으므로 이 측정이 특히 중요하다.

흔한 오해

흔히 듣는 말포토 구역의 조명이 노란 것은 작업자의 눈을 보호하기 위해서다.
실제로는아니다. 노란색은 포토레지스트를 위한 것이다. 포토레지스트는 파란빛과 자외선에 반응하는데, 노란 조명은 포토레지스트를 감광시키지 않는다. 오히려 포토 구역에서 일하는 사람이 눈의 피로를 더 쉽게 느낀다는 연구도 있다. 노란 조명 아래에서는 빨간색, 주황색, 흰색을 구별하기 어려운 경우도 많다.
흔히 듣는 말EUV가 나왔으니 예전 노광 장비는 이제 필요 없다.
실제로는여전히 쓰인다. 칩 하나에는 수십 개의 층이 있지만 모든 층이 그렇게 미세하지는 않다. 가장 미세한 층에만 EUV를 쓰고, 나머지 층은 계속 심자외선을 써도 충분하다.

살펴보기: 분해해 보는 장비

필독

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플레이

포토 공정 엔지니어로 근무해 보기: 회로 패턴을 웨이퍼에 찍기 →

생각해 보기

  1. 다음 층을 찍기 전에는 먼저 이전 층에 정렬해야 하며, 조금만 어긋나도 웨이퍼 한 장 전체를 못 쓰게 될 수 있다. 일상에서도 ‘이전 층에 맞춰야 하는’ 일에는 무엇이 있을까? 어긋나면 어떻게 되고, 제대로 맞췄는지는 어떻게 확인하는가?
  2. 최첨단 노광 장비는 매우 비싸다. 장비가 이 정도로 비싸다면 칩의 가격에, 그리고 누가 최첨단 칩을 만들 여력이 있는지에 어떤 영향을 줄까?

수업 자료: 슬라이드

이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.

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