포토 리소그래피(Photo Lithography) 공정은 반도체 원 재료인 실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 형성하는 과정입니다.
포토 공정 중 핵심 세부 공정은 바로 노광(露光, exposure)입니다. 노광 공정 흐름은 대략 이렇습니다. 설계 패턴이 새겨진 금속 마스크(Mask) 원판에 빛을 쪼입니다. 마스크를 통과한 빛은 웨이퍼 위로 도포된 감광액(PR:Photoresist)에 닿습니다. 화학 반응이 일어나면 빛이 닿은 곳, 닿지 않은 곳을 선택적으로 제거하는 과정을 거칩니다. 이렇게 패턴이 만들어집니다. 일련의 과정은 필름 사진을 현상하는 방법과 흡사합니다.
금속 마스크는 회로 패턴을 고스란히 담은 필름에 비유할 수 있을 것입니다. 회로 정보를 담고 있는 원본 역할을 하므로 중요합니다. 여기에 문제가 있다면 최종 반도체 완성품이 제대로 작동할 리 없습니다. 이 때문에 대부분 규모를 갖춘 종합 반도체 회사는 자체 마스크 개발 생산 인프라를 구비해놓고 있습니다. 이쪽에서 일하는 전문 고급 인력도 상당수입니다.
7나노 로직에 극자외선(EUV) 노광 공정이 도입되면서 마스크 분야에선 애로 사항이 많은 것으로 전해지고 있습니다. 세간에 널리 알려진 것이 바로 펠리클(Pelicle) 투과율 문제입니다. 먼지로부터 마스크를 보호하는 펠리클은 EUV용으로 아직 제대로 개발이 안 된 상태입니다. 가격이 개당 5~10억원인 EUV 마스크에 먼지가 달라붙으면 쓸 수가 없게 됩니다. 하지만 주요 제조사가 원하는 사양(투과율)을 달성한 EUV 펠리클은 현재 시장에 없습니다. 그래서 7나노에선 '마스크를 금방 폐기할 수 있다'는 위험부담을 감수하면서 펠리클을 쓰지 않고 공정을 진행합니다.
투과율이 낮은 펠리클을 쓸 수 없는 이유는 무엇일까요. 요약하자면 EUV의 특별한 성질 때문이라고 말할 수 있습니다. EUV는 빛 파장이 13.5나노미터(nm)로 짧습니다. 파장이 짧아서 보다 미세한 회로를 그릴 수 있습니다.
다만 EUV 파장은 자연계 모든 물질, 심지어 공기에도 흡수되는 특수한 성질을 갖고 있습니다.
EUV 바로 전 세대인 불화아르곤(ArF) 액침(Immersion) 노광 장비는 광원이 대형 렌즈를 수직으로 투과해 마스크에 닿는 구조입니다. EUV에 이러한 구조를 적용하면 렌즈가 대부분 광원을 흡수해버리는 문제가 발생합니다. 때문에 EUV 장비는 다층 박막 특수 거울을 배치해 광원을 여러 차례 반사시켜 웨이퍼에 닿게 하는 구조로 설계됐습니다. 광원 손실을 최소화하기 위한 설계인 것입니다. 투과율이 90%에 미치지 못하는 펠리클을 쓰면서 생기는 광원 손실, 이로 인한 공정 시간 증가를 감내할 바에야 아예 쓰지 않겠다는 것이 현 시점에서 첨단 반도체 제조사가 가진 생각입니다.
이러한 EUV 성질과 기존과는 다른 장비 내 반사 구조는 또 다른 문제를 야기합니다. 앞서 언급했듯, ArF 이머전 노광 장비는 광원이 대형 렌즈를 수직으로 통과해 마스크에 닿았습니다. 반면에 EUV는 빛이 반사되는 구조입니다. 비스듬하게 들어온 빛은 마스크에 닿았다가 웨이퍼로 갑니다. 빛이 비스듬하게 들어오기 때문에 반사돼 웨이퍼로 갔을 때는 그림자가 질 수 있습니다.
원치 않는 산란광도 문제가 됩니다. 일반적으로 파장이 짧아질수록 이 같은 산란광 문제는 더욱 커집니다. 원하지 않는 영역에 빛이 반사돼 들어가면 패턴이 제대로 새겨질 수 없습니다.
개구수(NA:Numerical Aperture)가 높은, 해상력을 업그레이드 한 EUV 장비가 상용화 됐을 때도 풀어야 할 문제가 있습니다. 현재 EUV 장비 NA 값은 0.33입니다. 0.5 이상으로 NA를 높인 고해상력 EUV 장비가 개발되고 있습니다. 조만간 시장에 풀릴 것으로 보입니다. 0.33 NA에선 마스크에 새겨진 회로 패턴 크기가 가로 세로 각각 4배 큽니다. 0.5 NA에선 가로가 4배로 동일하나, 세로가 8배로 커집니다. 이렇게 비율이 바뀌면 보정 방법이나 각종 장비 설정 값이 모두 변경돼야 합니다.
전자설계자동화(EDA) 분야 전문업체인 멘토, 지멘스 비즈니스는 이러한 여러 문제를 해결하기 위한 광근접보정(OPC:Optical Proximity Correction) 솔루션을 제공하고 있습니다. 이 회사가 작성한 백서 'Calibre RET 플랫폼으로 신속 정확한 EUV 마스크 플로우 완성'에선 현재 EUV 마스크 제작시 발생할 수 있는 다양한 문제와 해결 방안이 담겨 있습니다.
독자 여러분의 많은 관심 부탁드립니다.