빛으로 그린다 — 리소그래피는 어떻게 파장보다 작게 그리는가

회로는 찍어 냅니다

반도체 칩의 회로는 인쇄하듯 찍어 냅니다. 회로 그림을 담은 판인 마스크에 빛을 비추고, 칩을 만드는 얇고 둥근 실리콘 판인 웨이퍼 위로 그 그림을 옮깁니다. 웨이퍼에는 미리 빛을 받으면 성질이 바뀌는 얇은 막인 감광막을 발라 둡니다. 「노광 — 빛의 붓으로 회로를 그리는 법」은 이 일을 노광이라 부르고, 회로 그림을 빛으로 비춰 실리콘 위에 옮기는 일로 정의했습니다.

이 글은 같은 일을 리소그래피라 부릅니다. 리소그래피는 감광막을 바르고, 빛을 비추고, 씻어 내 웨이퍼 위에 회로 그림을 남기는 과정 전체입니다. 업계에서는 그 가운데 빛을 비추는 한 걸음만 좁게 노광이라 부르기도 하고, 이 글에서 「노광」은 그 좁은 뜻입니다. 첫걸음이 말한 넓은 뜻의 노광이 이 글의 리소그래피입니다.

마스크 자체도 그려서 만듭니다. 1990년대 중반에 반도체 소자를 만드는 일반적인 방법은 크롬을 입힌 유리판(포토마스크)에 전자빔으로 회로 그림을 그리고, 그 그림을 광학 노광 장치로 실리콘 웨이퍼 위에 되풀이해 찍는 것이었습니다 (DOI: 10.1093/oso/9780198562832.003.0007). 원판을 한 번 만들어 두면 같은 그림을 몇 번이고 다시 찍을 수 있습니다.

찍어 내는 방식이 버티는 까닭은 돈입니다. 1994년 당시 리소그래피는 집적회로 제조 비용의 약 3분의 1을 차지했고, 공장 하나에 드는 설비 투자액은 지수적으로 늘고 있었습니다. 같은 해의 비용 분석은 미세화의 진전을 끝내 멈추는 것은 기술적 요인보다 경제적 요인일 것이라고 내다봤고, 어떤 리소그래피 공정이든 비용 효율적이어야만 양산에 고려될 수 있다고 적었습니다 (DOI: 10.1364/eul.1994.elpm.13). 전자빔으로 웨이퍼에 직접 여러 줄을 그리는 방식은 2009년에도 기술적 과제와 경제적 장벽 때문에 「차세대」에 머물러 있었습니다 (DOI: 10.1145/1862879.1862880).

리소그래피가 반도체 공정의 병목으로 꼽히는 까닭은 해상도에 있습니다. 해상도(resolution)는 빛으로 얼마나 작은 것까지 또렷이 나눠 찍을 수 있는가입니다. 그 크기가 같은 넓이에 소자를 몇 개 넣을 수 있느냐를 정하므로, 해상도가 곧 집적도입니다. 이 글은 쓰는 빛의 파장보다 작은 것을 어떻게 그려 왔는지, 그리고 그 요령마다 무엇을 내주었는지를 따라갑니다.

바르고, 비추고, 씻고, 깎아 냅니다

과정의 뼈대는 「노광 — 빛의 붓으로 회로를 그리는 법」이 선 하나로 따라간 그대로입니다. 웨이퍼에 감광막을 바르고, 마스크의 그림을 빛으로 비춰 감광막에 옮기고, 감광막을 씻어 낸 뒤, 감광막이 덮지 않은 자리를 깎아 냅니다. 빛을 받은 감광막에서 바뀌는 성질은 현상액, 곧 감광막을 씻어 내는 약품에 녹는 정도입니다 (DOI: 10.2533/chimia.1993.387). 현상은 노광한 감광막을 현상액으로 씻어, 빛을 받은 자리와 받지 않은 자리 가운데 한쪽만 남기는 일입니다. 식각(etching)은 남은 감광막을 가림막 삼아, 그것이 덮지 않은 아래층을 깎아 내는 일입니다.

감광막 그림은 이런 길을 거쳐 단단한 구조가 됩니다. 전자빔으로 그린 감광막을 가림막으로 삼아, 먼저 감광막보다 단단한 재료로 된 가림막인 하드마스크를 25나노미터(nm) 폭·57 nm 높이로 만들었습니다. 그 하드마스크를 다시 가림막 삼아 깎아 내자 18 nm 폭·71 nm 높이의 실리콘 구조가 남았습니다 (DOI: 10.35848/1347-4065/adb4ff).

해상도의 식, 그리고 초점심도라는 대가

더 잘게 그리는 일을 가로막는 것은 빛의 회절입니다. 회절(diffraction)은 물결처럼 퍼지며 나아가는 빛이 날카로운 경계를 지난 뒤 가장자리로 번지는 성질입니다. 마스크의 경계가 아무리 날카로워도 웨이퍼에 맺힌 상은 조금 번지고, 이 번짐이 그릴 수 있는 가장 작은 크기를 정합니다. 번짐의 크기는 두 값이 좌우합니다. 「노광 — 빛의 붓으로 회로를 그리는 법」이 정의한 대로, 파장은 빛의 물결에서 한 마루와 다음 마루 사이의 거리이고, 개구수(NA)는 렌즈가 얼마나 넓은 각도의 빛을 그러모으는지를 나타내는 값입니다. 파장이 짧을수록, 개구수가 클수록 번짐이 작습니다.

이 관계는 식 하나로 적습니다. 그릴 수 있는 가장 작은 크기는 k1에 파장을 곱하고 개구수로 나눈 값입니다. k1은 이 식에 붙는 비례 계수로, 파장과 개구수 말고 조명을 비추는 방식·마스크·감광막과 공정 같은 요령이 얼마나 좋은지를 담는 값입니다. k1이 작을수록 같은 파장과 같은 개구수로 더 작은 것을 그립니다. 그래서 파장보다 작게 그리는 길은 셋입니다. 파장을 줄이거나, 개구수를 키우거나, k1을 낮추는 것입니다.

식이 주는 선은 실제로 계산됩니다. 여기서 쓰는 잣대는 피치입니다. 피치는 촘촘히 늘어선 선에서 한 선의 시작부터 다음 선의 시작까지의 간격, 곧 선 하나와 빈칸 하나를 합친 길이입니다. 248 nm 빛을 쓰는 KrF 노광 장비의 개구수가 0.6이라면, 찍을 수 있는 가장 좁은 피치의 회절 한계는 0.5λ/NA로 계산해 207 nm입니다 (λ는 파장). 그런데 이 207 nm 선조차 넘을 수 있었습니다. 현상을 여러 차례 나눠 하는 다중 현상법이라는 감광막 공정으로 200 nm 피치의 격자가 찍혔습니다. 저자들은 빛을 비스듬히 비추는 조명이나 빛의 위상을 바꾸는 마스크처럼 k1을 낮추는 기존 요령, 곧 해상도 향상 기법으로는 얻을 수 없던 결과라고 적었습니다 (DOI: 10.1143/jjap.38.6999). 감광막 공정의 요령으로 계산된 한계 아래를 찍은 예입니다.

산업이 먼저 고른 길은 파장을 줄이는 것이었습니다. 「노광 — 빛의 붓으로 회로를 그리는 법」이 따라간 대로, 노광에 쓰는 빛은 436 nm에서 365 nm, 248 nm를 거쳐 193 nm로 짧아졌습니다. 1994년의 한 보고는 193 nm 노광이 0.25마이크로미터(μm) 패터닝을 가능하게 하고, 0.18 μm에서 주력 양산 기술이 되리라 내다봤습니다 (DOI: 10.1364/eul.1994.elpm.10).

해상도를 얻는 데에는 대가가 붙습니다. 초점심도(DOF)는 상이 초점이 맞은 상태로 유지되는 깊이의 범위입니다. 사진기의 조리개를 열면 초점이 맞는 범위가 얇아지듯, 노광에서도 개구수를 키우면 초점심도가 얕아집니다. 초점심도는 k2라는 계수에 파장을 곱하고 개구수의 제곱으로 나눈 값으로 적습니다. 그릴 수 있는 크기는 개구수에 반비례하는데 초점심도는 개구수의 제곱에 반비례합니다. 그래서 개구수를 두 배로 키우면 그릴 수 있는 크기는 절반이 되고, 초점심도는 사분의 일로 줄어듭니다. 웨이퍼는 완벽한 평면이 아니고 감광막에도 두께가 있습니다. 초점심도가 얕아지면 그 높낮이 안에서 초점이 벗어나기 쉬워지고, 공정이 그만큼 예민해집니다.

이 맞바꿈은 실측으로 확인됩니다. 193 nm 빛을 쓰는 ArF 액침 노광 장비에서 개구수를 바꿔 가며 해상도와 초점심도를 재자, 둘 사이의 이론적 맞바꿈이 실험으로 드러났습니다. 두 식의 계수 k1과 k2는 각각 약 0.288과 0.745로 나왔습니다. 같은 실험에서는 마스크에서 빛이 지나는 면적의 비율에 따라 선폭 거칠기가 늘어나는 문제도 보였습니다. 선폭 거칠기(line width roughness, LWR)는 한 줄의 선 굵기가 자리마다 조금씩 들쭉날쭉한 정도입니다. 맞바꿈을 누그러뜨릴 여지도 같은 실험에서 나왔습니다. 초점심도는 개구수만이 아니라 감광막 두께에도 좌우되므로, 개구수를 고정한 채 목표 층의 선폭과 패턴 밀도에 맞춰 감광막 두께를 최적화할 수 있습니다 (DOI: 10.3390/mi13111971).

개구수를 키우는 쪽이 언제나 이득도 아닙니다. 같은 굵기의 선과 빈칸이 번갈아 놓인 0.3 μm 선/공간 패턴을 248 nm 노광으로 찍는 경우를 벡터 모델로 모의실험했더니, 개구수 0.6보다 0.42에서 초점심도가 더 컸습니다. 그 실험에 쓴 감광막의 대비, 곧 빛을 받은 자리와 받지 않은 자리의 녹는 정도가 가파르게 갈리는 정도가 높았기 때문입니다 (DOI: 10.1116/1.585149). 해상도는 파장과 개구수와 k1이 정하고, 개구수로 얻은 해상도는 초점심도로 갚습니다. 하나를 얻으면 하나를 내준다는 이 규칙이 뒤의 모든 요령에 따라붙습니다.

파장보다 작게 그리는 네 가지 방법과 그 값

193 nm 빛으로 파장보다 훨씬 작은 구조를 찍는 일은 실제로 벌어졌습니다. 먼저 개구수를 키웠습니다. 「노광 — 빛의 붓으로 회로를 그리는 법」이 다룬 액침 노광, 곧 렌즈와 웨이퍼 사이를 공기 대신 액체로 채워 개구수를 키우는 방식입니다 (DOI: 10.1116/1.1520577). 액침은 개구수를 1보다 크게 만드는 길을 열었고, 액침 장비용으로 개구수 1.35의 대물 광학계가 설계됐습니다 (DOI: 10.1364/ao.457833). 그 값으로 빛이 기판에 더 비스듬히 들어와 반사가 늘었고, 반사를 줄이는 막의 두께를 빛의 편광 상태마다 다시 정해야 했습니다 (DOI: 10.1143/jjap.45.9280).

그래도 한계는 다가왔습니다. 「「3나노」는 무엇의 길이인가 — 34평형 집을 줄자로 재면」이 정의한 대로 노드는 반도체 공정의 한 세대에 붙이는 이름이고, 그 숫자가 칩 안 어느 한 길이를 가리키지는 않습니다. 액침부터 계산 리소그래피까지 온갖 기법을 동원해도, 193 nm로 한 번에 찍는 방식은 22 nm 노드 근처에서 궁극적 한계에 다가가고 있었습니다. 45·32·22 nm 노드의 구조를 193 nm로 찍는 일은 나노미터 세대 미세화의 가장 근본적인 과제 가운데 하나로 꼽혔습니다. 반면 극자외선 같은 차세대 후보는 2009년 기준으로 여전히 「차세대」에 머물러 있었습니다 (DOI: 10.1145/1862879.1862880). 액침 말고 파장보다 작게 그리는 요령은 넷이고, 넷 모두 무엇인가를 내주고 해상도를 얻었습니다.

첫째 방법은 마스크에 일부러 다른 모양을 그리는 것입니다. 회절로 번진 상은 이웃 패턴이 어떻게 놓였느냐에 따라 다르게 번집니다. 이웃한 선이 가까우면 선 굵기가 달라지고, 선의 끝은 짧아지고, 직각 모서리는 둥글어집니다. 광근접효과(optical proximity effect)는 이웃한 패턴끼리 빛이 간섭해, 찍힌 모양이 마스크 그림과 달라지는 현상입니다. 광근접보정(OPC)은 그 어긋남을 미리 계산해 마스크 그림을 반대 방향으로 비틀어 두는 일입니다. 선 끝이 짧아지지 않게 마스크의 선 끝에 망치 머리 모양을 덧붙이는 방식이 그 예입니다. 0.25 μm 패턴에서 이 방식으로 찍은 한 화면 안의 선 굵기는 20 nm(3σ) 범위 안에 고르게 들었습니다. 3σ는 측정값의 흩어짐을 나타내는 표준편차의 세 배로, 측정값 대부분이 이 폭 안에 듭니다. 감광막에 쬐는 빛의 양인 노광량이 흔들려도 되는 여유는 14%, 초점심도는 0.8 μm였습니다 (DOI: 10.1143/jjap.37.6681).

광근접보정이 내주는 것은 계산과 검증입니다. 보정 모델을 맞추는 데 쓰는 데이터는 구조를 잘 고르면 적게 유지할 수 있습니다. 반면 보정이 맞았는지 확인하는 검증 단계에서는 데이터 양이 매우 커집니다. 시험 웨이퍼에서 수많은 구조가 노광량과 초점이 흔들리는 범위 전체에 걸쳐 제대로 찍혔는지 확인해야 하는데, 잘못 찍힐 위험이 큰 자리인 「핫스팟」을 찾는 일과 결과를 빨리 돌려받는 일이 서로 부딪힙니다 (DOI: 10.7567/jjap.55.06ga01).

둘째 방법은 빛의 위상을 건드리는 것입니다. 위상이동 마스크(phase-shift mask)는 마스크 일부를 지나는 빛의 물결을 마루와 골이 뒤바뀌게 뒤집어, 이웃한 빛과 서로 상쇄시켜 경계를 날카롭게 만드는 마스크입니다. 이 마스크에도 값이 붙습니다. 65 nm보다 미세한 세대에서 T자 모양을 위상이동 마스크로 찍으면 위상끼리 부딪히는 충돌이 생깁니다. 같은 세대에서는 틈이 좁아 T자 끝이 짧아지는 것을 광근접보정만으로 바로잡기도 어렵습니다. 위상을 바꾸는 조각을 광근접보정에 섞어 넣은 마스크를 모의실험해 보니, 선 끝이 짧아지는 정도는 4.6 nm로 줄고 초점심도는 200 nm 넘게 확보됐습니다 (DOI: 10.1116/1.2823020).

셋째 방법은 한 층을 여러 번 나눠 찍는 것입니다. 「노광 — 빛의 붓으로 회로를 그리는 법」이 정의한 다중 패터닝, 곧 한 층의 그림을 두 번 이상으로 나눠 찍는 방식입니다. 그 가운데 노광 단계가 가장 적은 방식이 자기정렬 이중 패터닝입니다. 자기정렬 이중 패터닝(SADP)은 노광은 한 번만 하고, 찍은 선의 양옆에 막을 입혀 선 하나를 둘로 늘리는 방식입니다. 먼저 맨드럴이라는 임시 패턴을 만들고, 그 위에 다른 재료를 고르게 덮은 뒤, 건식 식각으로 옆벽에 붙은 막(스페이서)만 남깁니다. 마지막에 맨드럴을 깎아 없애면 스페이서 두 줄이 남습니다. 이 방식은 노광 단계가 하나뿐이고 최종 선 굵기를 노광 대신 증착한 막의 두께가 정한다는 장점이 있습니다. 대신 증착과 식각을 여러 번 잇달아 해야 한다는 단점이 있어서, 저자들은 맨드럴과 스페이서 재료를 새로 골라, 공정 단계 수를 줄인 자기정렬 이중 패터닝을 개념 실증으로 보였습니다 (DOI: 10.1116/1.4963194). 같은 원리를 되풀이하면 세 번, 네 번까지 늘립니다.

나눠 찍은 그림도 고르게 찍힐 수 있습니다. 이중 패터닝을 여러 번 겹친 방식으로, 피치의 절반인 하프피치가 25 nm가 되도록 실리콘 기둥을 촘촘히 세운 예가 그렇습니다. 기둥은 지름 23.6 nm, 높이 114 nm였습니다. 300 mm 웨이퍼의 30개 지점에서 잰 균일도의 3σ는 1.7 nm에 그쳤고, 검사한 어느 구역에서도 기둥이 쓰러지지 않았습니다 (DOI: 10.1143/jjap.50.04da16).

다중 패터닝이 내주는 것은 정합과 늘어나는 공정 단계입니다. 정합(overlay)은 나눠 찍은 두 그림이 서로 얼마나 정확히 제자리에 겹치는가입니다. 「노광 — 빛의 붓으로 회로를 그리는 법」이 정렬이라 부른 것과 같습니다. 20 nm 기술에 193 nm 액침 이중 패터닝을 적용할 때 정합 제어는 이 기술을 성공시키는 핵심 지표 가운데 하나입니다 (DOI: 10.1149/06001.0173ecst). 늘어나는 공정 단계는 앞에서 본 증착과 식각의 되풀이입니다 (DOI: 10.1116/1.4963194).

넷째 방법은 파장 자체를 줄이는 것입니다. 「노광 — 빛의 붓으로 회로를 그리는 법」이 정의한 극자외선, 곧 파장이 13.5 nm인 아주 짧은 빛을 쓰는 극자외선(EUV) 노광입니다. 193 nm에서 한 번에 13.5 nm로 내려가니, 파장은 열네 배 짧아집니다. 같은 개구수라면 회절 번짐도 그만큼 작아집니다. 실제 장비의 개구수가 이 셈을 어떻게 바꾸는지는 「노광 — 빛의 붓으로 회로를 그리는 법」이 짚습니다. 숫자로는 가장 단순한 해법인데, 이 길이 공장에 닿기까지 수십 년이 걸렸습니다.

극자외선이 오래 걸린 까닭 — 거울, 마스크, 광원, 진공

서지 데이터로 극자외선 리소그래피의 발전을 추적한 한 보고서는 이를 「최근 반도체 산업에서 나온 가장 중요한 기술」로 부르며, 1980년대부터 그 보고서가 쓰인 시점까지 이어진 연구 공동체와 수십 년에 걸친 상업화 경로를 정리합니다 (DOI: 10.51593/20240003). 1994년과 1996년의 극자외선 리소그래피 학술대회 발표들이 무엇을 붙들고 있었는지를 보면 왜 오래 걸렸는지가 보입니다. 오래 걸린 것이 전망이 어두웠다는 뜻은 아닙니다. 2006년의 상황 보고는 그 몇 해의 진전이 뛰어났고 장비 공급사가 시험용 첫 장비(알파 툴)를 출하하고 있다고 적었습니다. 그리고 기술적·사업적 과제만 풀리면 극자외선이 32·22·16·11 nm 하프피치 노드에서 선택될 기술일 것이라고 내다봤습니다 (DOI: 10.1016/j.crhy.2006.10.002). 그 상황 보고에서 실제 양산 적용까지는 13년이 더 걸렸습니다.

첫째, 렌즈를 쓸 수 없습니다. 극자외선 노광은 기존 광학 리소그래피와 달리 반사형 광학계이고, 렌즈 대신 다층막을 입힌 거울로 빛을 모읍니다 (DOI: 10.1142/s0219607707000219). 그래서 거울 면에 입히는 다층 반사막이 이 기술이 성립하는 조건 자체가 됩니다. 재료는 쉽게 협조하지 않았습니다. 40~70 nm 파장 영역에서 거울에 수직으로 들어오는 빛의 반사막을 이론으로 검토한 연구는, 알루미늄 기반 다층 구조가 이론상 가장 높은 반사율을 주지만 표면 산화막 때문에 실용적 가치가 거의 없다고 결론지었습니다. 대신 산화를 다루기가 더 수월할 것으로 보이는 실리콘 기반 다층 구조를 대안으로 내놓았습니다 (DOI: 10.1364/eul.1996.rmc173). 종이 위의 최적해와 실제로 만들 수 있는 것 사이를 차선책으로 메운 한 예입니다.

둘째, 마스크 원판이 거의 결함 없이 만들어져야 했습니다. 극자외선 마스크도 빛을 되비추는 다층막으로 만듭니다. 그림을 새기기 전의 빈 원판인 마스크 블랭크용으로 몰리브덴과 실리콘(Mo/Si)을 번갈아 81층 쌓은 1996년의 다층막은, 결함 밀도를 제곱센티미터당 2×10⁻²까지 낮춰 기존 대비 10만 배를 줄였습니다 (DOI: 10.1364/eul.1996.r44). 그 뒤로도 마스크 블랭크의 결함을 줄이는 일은 이어졌고, 2006년의 상황 보고는 이를 그 몇 해의 중요한 진전으로 꼽으면서도 마스크에 대한 요구가 여전히 매우 까다롭다고 적었습니다 (DOI: 10.1016/j.crhy.2006.10.002). 원판을 먼지에서 지키는 일도 남았습니다. 펠리클은 마스크 위에 씌워 먼지가 그림에 내려앉지 못하게 막는 얇고 투명한 막입니다. 극자외선용 펠리클은 나노미터 두께라 기계적으로 약한데도 고온과 수소 라디칼을 견뎌야 합니다. 금속 실리사이드로 실물 크기 펠리클을 만들어 투과율 90% 이상을 확보한 연구는, 400 W 극자외선에 해당하는 오프라인 조건(20 W/cm²)에서 웨이퍼 2만 장 노광에 상당하는 시험으로 내구성을 검증했습니다 (DOI: 10.1088/1361-6528/ad902d).

셋째, 가장 오래 발목을 잡은 것은 광원입니다. 13.5 nm의 빛을 충분히 밝게, 안정적으로, 오래 만들어 내는 일이 문제였습니다. 2004년에는 액체 제논 줄기를 10 kHz(킬로헤르츠)로 동작하는 600 W(와트)급 레이저로 때려, 13.5 nm에서 2.2 W의 출력을 얻었습니다 (DOI: 10.1143/jjap.43.3707). 2007년의 한 개괄은 그때 요구되던 광원 출력을 115 W 초과로 적었고, 장비 개발은 2011년 가동을 목표로 서두르고 있었습니다 (DOI: 10.1142/s0219607707000219). 실제 양산 투입은 2019년이었습니다 (DOI: 10.1364/euvxray.2022.ew6a.6). 2004년 연구용 광원의 2.2 W(13.5 nm, 2% 대역폭·2π sr)와 2007년 장비가 요구한 115 W는 측정 조건이 서로 달라 곧바로 나눌 수 있는 숫자는 아닙니다. 그래도 그 자릿수 차이와 2011년과 2019년 사이의 간격이 이 기술이 왜 오래 걸렸는지를 보여 줍니다. 2006년의 상황 보고도 광원 출력이 사양에 다가선 수준까지 올라왔지만 그 출력에서 믿을 만하게 운전된다는 것은 아직 온전히 입증되지 않았다고 적었습니다 (DOI: 10.1016/j.crhy.2006.10.002). 광원은 빛만 내지도 않습니다. 앞의 2004년 연구에서, 빛을 내는 플라즈마, 곧 기체가 이온과 전자로 쪼개진 뜨거운 상태에서 튀어나온 빠른 이온이 Mo/Si 다층 거울을 두드려 깎아 내는 스퍼터링이 거울 손상의 주된 기구로 확인됐습니다 (DOI: 10.1143/jjap.43.3707).

넷째, 장비 안이 진공이어야 하고, 그 진공조차 깨끗하게 비어 있지 않습니다. 극자외선 노광 장비 안에서는 극자외선 빛이 남아 있는 기체를 이온으로 쪼개 수소 플라즈마가 생깁니다. 이 플라즈마는 광학계에 탄소가 쌓이는 것을 막아 주는 필수 요소이지만, 장비 안 다른 부품의 성능과 수명에 영향을 줄 수도 있습니다 (DOI: 10.1116/6.0003701). 이롭기도 하고 해롭기도 한 것을 안고 가야 합니다.

이런 과제들을 넘어서며 극자외선은 공장에 들어갔습니다. 1996년부터 마스크·감광막·광학 소자 같은 기초 기술을 연구해 온 한 시설의 2022년 보고에 따르면, 극자외선 리소그래피는 2019년부터 7 nm 노드 로직 소자에, 2020년부터 5 nm 노드 로직 소자에 양산 적용되기 시작했습니다 (DOI: 10.1364/euvxray.2022.ew6a.6). 펠리클과 장비 안 수소 플라즈마 같은 과제는 그 뒤로도 연구가 이어졌습니다 (DOI: 10.1088/1361-6528/ad902d, DOI: 10.1116/6.0003701).

파장을 줄이면 모든 것을 새로 갖춰야 합니다

파장을 줄이면 그만이라고 여기기 쉽습니다. 실제로는 파장이 바뀌면 그 파장에서 쓸 렌즈 재료, 마스크, 감광막, 광원을 전부 새로 갖춰야 합니다. 157 nm 리소그래피가 그 예입니다. 이 파장을 실현하려고 F₂ 레이저, 광학계, 포토마스크, 감광막이 모두 폭넓게 연구됐습니다. 개구수 0.85 투영 렌즈가 상을 완벽히 모으지 못하고 남기는 잔류 수차와, 렌즈 재료인 CaF₂가 빛을 방향에 따라 둘로 가르는 고유 복굴절이 상에 미치는 영향까지 따로 평가해야 했습니다. 저자들은 실험과 모의실험을 바탕으로 157 nm 고개구수 광학계로 70 nm 미만 패턴이 가능하며 양산 잠재력도 충분하다고 결론지었습니다 (DOI: 10.1116/1.1520577). 그런데 2009년의 개괄이 45·32·22 nm 노드를 찍는 빛으로 적은 것은 193 nm였습니다 (DOI: 10.1145/1862879.1862880). 「기술적으로 가능하다」와 「공장에 들어간다」는 서로 다른 말입니다. 193 nm 쪽에서는 1994년의 보고가 투명도 높은 광학 재료를 구할 수 있음을 보였고, 레이저 손상이 충분히 느려 투영 광학계가 10년 상시 운전 동안 사양을 지킬 것으로 내다봤습니다. 그리고 첫 단계를 성공적으로 밟았으며 큰 장애물은 예상되지 않는다고 맺었습니다 (DOI: 10.1364/eul.1994.elpm.10). 새 파장이 성공하려면 이런 확인이 항목마다 하나씩 쌓여야 합니다.

극자외선에서는 이 요구가 극단으로 갑니다. 굴절 렌즈 대신 거울을 써야 하고 (DOI: 10.1142/s0219607707000219), 40~70 nm 영역을 검토한 이론 연구에서는 이론상 반사율이 가장 높은 재료가 표면 산화막 때문에 실용 가치가 거의 없다고 평가됐으며 (DOI: 10.1364/eul.1996.rmc173), 상업화까지 수십 년이 걸렸습니다 (DOI: 10.51593/20240003). 감광막 쪽 요구도 높았습니다. 감도는 감광막이 적은 빛으로도 반응하는 정도입니다. 2006년의 상황 보고는 극자외선용 감광막이 해상도·선폭 거칠기·감도의 요구를 함께 맞추려면 상당한 노력이 더 필요하다고 적었습니다 (DOI: 10.1016/j.crhy.2006.10.002).

파장을 줄이는 일은 그 파장에 맞는 렌즈와 마스크와 감광막과 광원을 처음부터 다시 갖추는 일에서 시작합니다.

작아질수록 우연이 흔듭니다 — 확률적 결함과 가장자리 거칠기

노광 조건을 똑같이 맞추면 같은 결과가 나온다는 믿음은 아주 작은 크기에서 깨집니다. 확률적 효과는 구조가 작아져 한 자리에 관여하는 광자와 분자의 수가 적어지면서, 우연한 들쭉날쭉함이 결과를 흔드는 현상입니다. 광자는 빛이 에너지를 주고받는 가장 작은 알갱이입니다. 알갱이 수가 적으면 어느 자리에는 우연히 많이, 어느 자리에는 우연히 적게 닿습니다.

이 인식은 오래됐습니다. 극자외선으로 50 nm와 80 nm 콘택트홀, 곧 위아래 층을 잇는 작은 구멍을 찍는 상황을 모의실험하자(2003년), 빛 세기의 요동, 빛이 구멍 안에 퍼진 모양의 요동, 국소적인 화학 반응의 변덕이 모두 구멍의 크기를 바꿨습니다. 저자들은 이 정도의 정밀도를 얻으려면 감광막의 화학과 공정에 비상한 수준의 제어가 필요하다고 결론지었습니다 (DOI: 10.1116/1.1629294).

원인의 비중을 따진 2022년의 확률 모의실험이 있습니다. 광자 샷 노이즈(photon shot noise)는 빛이 알갱이 단위로 도착하는 탓에 한 자리에 닿는 광자 수가 우연히 들쭉날쭉한 것입니다. 극자외선 감광막의 결함 형성을 모의실험한 결과, 광자 쪽 난수 조건의 약 73%가 시행의 60% 이상에서 실패를 냈습니다. 재료 쪽 요인은 실패 건수는 많았지만 영향이 작았고, 이 모의실험에서는 광자 샷 노이즈에서 오는 실패가 지배적이었습니다. 저자들은 광자 샷 노이즈에서 오는 실패는 재료 개선만으로는 완화되지 않는다고 결론지었습니다 (DOI: 10.35848/1347-4065/ac5b22).

확률적 결함(stochastic defect)은 그 들쭉날쭉함 때문에 패턴이 통째로 잘못 찍히는 결함입니다. 선이 잘록해지거나(pinching), 떨어져 있어야 할 선이 붙거나(bridging), 위아래 배선을 잇는 구멍인 비아가 통째로 사라집니다 (DOI: 10.35848/1347-4065/ac54f5).

같은 뿌리에서 나오는 것이 가장자리 거칠기입니다. 선 가장자리 거칠기(LER)는 곧아야 할 선의 가장자리가 미세하게 물결치는 정도입니다. 양쪽 가장자리가 따로 물결치면 선 굵기도 자리마다 달라지는데, 앞에서 본 선폭 거칠기가 그것입니다. 문제는 선 가장자리 거칠기가 구조가 작아져도 함께 작아지지 않는다는 데 있습니다. 구조가 10 nm일 때 가장자리가 1 nm 흔들리는 것은 100 nm일 때와 전혀 다른 이야기입니다. 이 흔들림은 소자로 옮겨 갑니다. 핀펫은 「트랜지스터는 스위치다 — 전기로 여닫는 아주 작은 수도꼭지」가 정의한 대로 채널을 지느러미처럼 세워 게이트가 세 면을 감싸게 한 트랜지스터 구조입니다. 같은 계산 연구는 가장자리 거칠기가 핀펫의 전위와 드레인 전류, 곧 트랜지스터를 지나는 전류를 흔들어 성능 열화로 나타나는 과정을 정량화했습니다 (DOI: 10.3390/mi12121493).

거칠기를 줄이는 정공법은 광자 수를 늘리는 것입니다. 노광량을 늘리면, 가장자리 거칠기는 노광량의 제곱근에 반비례해 줄어듭니다. 그런데 어느 지점부터는 노광량을 아무리 올려도 더 줄지 않습니다. 이 하한의 원인을 몬테카를로 모의실험, 곧 무작위 수를 수없이 뽑아 결과가 흩어지는 모양을 계산하는 방법으로 파고들자, 빛을 받으면 산을 내어 감광막의 녹는 정도를 바꾸는 성분인 산 발생제가 노광 중에 소모되는 효과가 지배적 요인으로 드러났습니다 (DOI: 10.1143/jjap.51.06fc01). 뜻밖의 기여자로 기계도 꼽힙니다. 거칠기의 원인을 어골도로 분류한 2025년의 종설은 장비의 진동, 열적 불안정, 가스 유량 변동을 충분히 탐구되지 않은 기여 요인으로 지목했습니다 (DOI: 10.1115/imece2025-167155).

극자외선 노광은 이 문제를 구조적으로 안고 있습니다. 주어진 광원 출력에서 쓸 수 있는 광자의 수가 제한되므로 광자 샷 노이즈가 생기고, 그것이 가장자리 거칠기를 줄이는 일과 결함을 없애는 일을 함께 어렵게 만듭니다 (DOI: 10.1117/1.jmm.25.3.031608). 파장을 줄여 얻은 해상도의 뒷면에, 광자를 적게 쓰게 된다는 대가가 붙어 있습니다.

해상도 말고도 셀 것 — 초점, 정합, 계측, 비용

해상도는 이 일의 점수판 가운데 하나입니다. 이미 본 것만 세어도 셋입니다. 해상도를 올리면 초점심도를 내줍니다 (DOI: 10.3390/mi13111971). 개구수를 키우면 기판 반사가 늘어 반사를 줄이는 막을 다시 설계해야 합니다 (DOI: 10.1143/jjap.45.9280). 나눠 찍으면 정합이 새로운 병목이 됩니다 (DOI: 10.1149/06001.0173ecst).

잘 언급되지 않는 항목이 하나 더 있습니다. 재는 일입니다. 만든 것을 정확히 잴 수 없으면 제어할 수도 없는데, 가장자리 거칠기는 계측 자체를 흐립니다. 빛을 비춰 돌아오는 신호로 선폭을 재는 광학식 선폭 계측에서, 굴절률이 높은 격자라면 거칠기가 보태는 불확도의 상한이 편광에 따라 3.7 nm 또는 1.2 nm에 이릅니다. 저자들은 이것이 나노미터 이하를 재는 계측에서 결정적이라고 짚었습니다 (DOI: 10.1051/epjconf/202430902011). 거칠기는 소자를 나쁘게 만들 뿐 아니라, 얼마나 나쁜지를 재는 일까지 방해합니다.

마지막은 비용입니다. 1994년의 분석이 적은 대로, 어떤 리소그래피 공정이든 양산에 고려되려면 먼저 비용 효율적이어야 합니다 (DOI: 10.1364/eul.1994.elpm.13). 2006년의 극자외선 보고도 웨이퍼 처리량이 결정적인 비용 요인이므로 광원 출력, 감광막 감도, 시스템 설계를 함께 따져야 한다고 적었습니다 (DOI: 10.1016/j.crhy.2006.10.002). 아무리 작게 그려도 느리고 비싸면 공장에 들어가지 못합니다.

다음 세대에도 남는 것 — 높은 개구수, 스스로 줄 서는 분자, 갈라지는 길

극자외선에서도 개구수를 더 키우는 시도가 있습니다. 2016년, 연구용 고개구수 극자외선 노광 장비로 20 nm 이하 하프피치 패턴을 찍어 몬테카를로 모의실험과 대조한 연구는, 11 nm 하프피치를 실현하려면 현상 과정의 확률적 효과를 억누르는 일이 중요하다고 적었습니다 (DOI: 10.7567/jjap.55.096501). 앞에서 본 우연의 문제가 다음 세대에서도 그대로 기다립니다.

감광막 너머를 보는 접근도 있습니다. 유도 자기조립(DSA)은 빛으로 대략의 안내 틀만 그리고, 그 위에서 분자가 스스로 줄을 서게 해 선을 만드는 방법입니다. 극자외선으로 만든 안내 틀 위에서 두 종류의 사슬이 이어 붙은 고분자인 블록 공중합체를 자기조립시킨 몬테카를로 모의실험에서, 가장자리 거칠기가 줄고 선끼리 다리처럼 잘못 이어지는 결함이 사라졌습니다 (DOI: 10.1117/1.jmm.25.3.031608).

2017년의 패터닝 로드맵은 갈라지는 길을 내다봤습니다. 극자외선과, 도장처럼 틀을 눌러 찍는 나노임프린트라는 두 「차세대」 기술이 함께 도입될 수 있다는 것은 패터닝 기술이 점점 더 전문화되고 있다는 뜻이라고 그 로드맵은 봅니다. 이는 전체 비용을 낮추지만 어느 한 기술을 확장하는 속도는 오히려 느려질 수 있다는 것이 그 문서의 전망입니다 (DOI: 10.1515/aot-2017-0039).

이 글이 세대 이름으로 부른 22 nm, 7 nm 같은 숫자가 언제부터 실제 길이와 멀어졌는지는 「무어의 법칙 그 이후 — '나노미터'는 무엇을 뜻하게 됐나」가 따라갑니다. 노광의 큰 줄기를 다시 보려면 「노광 — 빛의 붓으로 회로를 그리는 법」이 출발점입니다.

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리소그래피는 회로를 찍어 내는 일입니다. 그릴 수 있는 가장 작은 크기는 파장과 개구수와 k1이 정하고, 개구수로 얻은 해상도는 초점심도로 갚습니다. 193 nm 빛은 액침으로 개구수를 키운 위에 네 가지 요령을 더해 파장보다 작은 것을 그렸습니다. 마스크를 일부러 비틀어 그리고, 빛의 위상을 뒤집고, 한 층을 여러 번 나눠 찍고, 끝내 파장 자체를 줄였습니다. 어느 것도 공짜가 아니었습니다. 액침은 반사와 편광을, 마스크 보정은 계산과 검증의 폭발을, 위상이동은 T자 같은 모양에서 위상끼리의 충돌을, 다중 패터닝은 정합과 늘어나는 공정을 불렀습니다. 극자외선은 반사 광학계와 광원과 진공과 펠리클을, 무엇보다 확률적 결함이라는 새로운 종류의 문제를 불렀습니다.

그 마지막 문제는 아직 열려 있습니다. 광자 수가 적어서 생기는 실패는 재료 개선만으로는 줄지 않는다는 모의실험 결론이 있고, 분자가 스스로 줄을 서게 하는 방법처럼 그 흔들림을 누그러뜨리는 길도 모의실험에서 탐색되고 있습니다. 손안의 기기 속을 떠올릴 때, 정밀한 조각칼 대신 빛과 확률을 상대로 매번 아슬아슬하게 이겨 온 인쇄기를 떠올려도 좋습니다.

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근거 논문

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