멀티패터닝 : 더 미세한 반도체를 위해서

멀티패터닝

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포토 공정은 원하는 패턴을 형성하는 공정이다.

후속 공정으로 식각을 통해 원하는 패턴의 구조를 얻거나, 이온 주입 공정을 통해 원하는 전기적 성질을 갖게 할 수 있다.

 

현재까지 반도체의 발전에서 가장 중요했던 것 중 하나는 바로 미세화다.

얼마나 미세한 선폭으로 회로를 만들고, 집적도를 높이는지, 그리고 이 과정에서 발생하는 문제들은 없는지가 핵심이었다.

 

포토 공정의 주요 포인트

포토 공정에서 Trade off 관점에서 살펴볼 것이 있다.

그것은 바로 Resolution과 DOF이다.

 

Resolution은 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있다.

여기서 NA는 렌즈의 개구수로 NA = nsin$\theta$ 로 표현된다.

Resolutionn은 최소 선폭의 한계로 PR에 마스크 패턴을 전사할 때 가능한 최소크기로 볼 수 있다.

다른 말로는 패턴간 간격을 얼마나 촘촘히 할 수 있는지로도 볼 수 있다.

 

 

DOF는 Depth of Focus로 아래와 같은 수식으로 표현된다.

DOF는 초점을 맞추는 난이도를 의미한다고 보면 된다.

초점을 맞춰서 빛을 원하는 곳에 조사할 때, 렌즈를 위아래로 얼마나 이동해도 상이 적절히 맺히는 지를 의미한다.

DOF가 높을 수록 초점을 맞추기 수월하다.

 

이 관점에서 Resolution 값은 작아야 좋다. 그 만큼 더 미세한 선폭을 그릴 수 있다는 뜻이기 때문이다.

DOF는 높아야 초점을 맞추기 수월하므로 이 상황에서 Trade off 관계를 가진다.

 

따라서 우선 Resolution을 낮추기 위해 파장을 낮춰가면서 노광 설비가 발전해왔고, 최근에는 EUV, 13.5nm 수준까지 도달했다.

다만 이전 DUV혹은, 향후 더 미세한 공정을 위해 EUV를 통해서라도, 설비를 단순히 운용할 때 이상으로 미세한 추가 기법들이 들어갈 수 있다.

 

그 예시가 멀티패터닝이다.

 

멀티패터닝 기법

멀티 패터닝은 노광설비의 한계를 넘어서 더 미세한 선폭을 달성하기 위해 사용한다.

이때 크게 두 가지로 나눠볼 수 있는데, 하나는 포토공정을 여러번 반복하는 방식

다른 하나는 spacer를 활용하는 방식이다.

 

LELE(+LE)

Lithography와 Etch를 반복하는데, 처음 형성한 구조 사이사이 중간에 다시 패턴을 넣는다고 생각하면 된다.

 

https://www.kipost.net/news/articleView.html?idxno=4633

위 그림에서 LELE 방식으로 처음 포토 공정을 통해 넣은 패턴 정중앙에 다시 패턴을 넣었다.

따라서 기존 가능한 것보다 2배 미세한 패턴이 만들어진다.

이걸 응용해서 사이 1/3 지점마다 넣으면 3배 미세한 패턴 등등으로 응용될 수 있다.

 

대략적으로 14nm 정도 핀펫 공정에 더블패터닝을 적용했다고 보면되고, 10nm대에서는 트리플 패터닝이 쓰였다고도 볼 수 있다.

 

SADP (Self-Align Double Patterning)

https://www.kipost.net/news/articleView.html?idxno=4633

이 방식에서는 포토 공정의 횟수가 줄어든다. 포토 공정을 한 번만 하고, CVD로 oxide를 증착한다.

위 사진에서는 생략되었지만, 위에 증착된 film에서 기존 패턴 주변은 두껍게 증착되고, 전체적으로 Dry etch로

isotropic하게 식각하면 sidewall 쪽이 두꺼우므로, 위 처럼 Spacer가 남는다.

 

여기에 대해 Wet etch 등 선택적 식각을 해서 기존 포토 공정에서 만든 패턴을 제거해주면 Spacer만 남게 된다.

이에 따라 기존 가능한 것보다 2배 미세한 패턴을 얻었다.

 

이 공정에서 알 수 있듯이 Spacer가 패턴 양쪽에 생기기 때문에 2의 배수 형태로 형성이 된다.

따라서 SADP보다 더 미세하게는 SAQP (Self-Align Quadraple Patterning)을 사용할 수 있다.

 

SADP는 20nm 정도 수준의 DRAM 공정에서, SAQP는 10nm급 DRAM 공정에서 쓰였을 것이다.

 

비교 및 정리

우선, LELE 식으로 하면 포토 공정이 여러번 쓰이기 때문에 그 만큼 포토 장비가 많이 필요하고 Cost가 높아진다.

하지만, 그 만큼 정교한 패턴에 유리하고 이에 따라 파운드리에서 많이 사용된 것으로 알려져 있다.

 

SADP, SAQP식으로 할 때는 포토 공정이 덜 들어가서 비용이 낮지만, 사실 공정이 복잡하기도 하고 Step수가 많은 단점이 있다.

또한 비교적 정교하지 못한 패턴이 있기 때문에 SPeed가 상대적으로 느리고 고장 Cell에 대해 Repair가 가능한 DRAM에 많이 사용했다.

 

다만 애초에 DUV 등으로 더 미세한 선폭을 얻고자하는 목적이었는데, EUV를 도입하면서 그 필요성이 조금은 줄어들었을 것이다.

물론 이후에는 뭐... 어떻게 될지는 지켜봐야할 것 같다.