이미지=램리서치

[램리서치=리치 와이즈(Rich Wise)] 칩 제조업체들은 첨단 기술 노드로 전환할 때마다 훨씬 더 미세한 피처(feature) 문제를 해결해야 하는 과제에 직면한다. 주요 문제들 중 하나가 칩 설계를 웨이퍼로 전사할 때 사용하는 재료인데, 현재 설계를 정확히 전사하는 재료가 빠르게 그 한계에 다다르고 있다.

차세대 소자 스케일링의 순조로운 진행을 위해 램리서치가 도입한 획기적인 기술은 바로 건식 레지스트(dry resist)입다. 이 솔루션을 쉽게 이해할 수 있도록 먼저 패터닝 공정과 현재의 포토레지스트를 좀더 면밀히 살펴본 뒤 이 새로운 솔루션이 갖는 잠재적 이점에 대해 설명하겠다.

 

패터닝 : 칩 피처 제작

고급 칩 하나를 제작하려면 수백 가지 단계를 거쳐야 한다. 현미경으로나 보이는 미세한 피처들을 층층이 쌓아야 하기 때문이다. 가장 중요한 공정 단계 중 하나가 리소그래피인데, 이 과정에서는 증착 및 식각과 함께 이들 단계들을 계속 반복하면서 설계에 담긴 정보를 웨이퍼의 패턴으로 부호화한다. 

리소그래피 단계에서는 포토레지스트라고 하는 감광성(light-sensitive) 재료를 웨이퍼에 입힌다. 이후 포토마스크(투명 영역과 불투명 영역으로 이루어진 패턴)를 통해 빛을 흘려보내면 포토레지스트가 일부 영역에만 노출된다. 이후 노출된 부분은 식각되고 노출되지 않은 부분은 그대로 남는다(포지티브 포토레지스트의 경우). 그 결과 크기와 밀도가 원래 포토레지스트 패턴으로 결정된 피처 세트가 되어 소자 설계가 웨이퍼 막에 재현된다.

가능한 한 가장 작은 피처의 크기는 사용 중인 빛의 파장에 비례한다. 파장이 더 작은 극자외선(EUV, Extreme Ultraviolet) 리소그래피 시스템은 이전 모델보다 더 미세한 칩 피처를 만든다. 이는 픽셀 크기가 작을수록 스마트폰의 화면 해상도가 높아지는 것과 같은 원리다.

 

레지스트의 역할

레지스트라고도 부르는 포토레지스트는 리소그래피 공정에서 매우 중요한 역할을 한다.이상적으로 레지스트는  높은 해상도, 낮은 라인 엣지 거칠기(LER, Line Edge Roughness), 높은 민감도다. 

해상도(R, Resolution)는 레지스트로 만들 수 있는 가장 작은 치수로, 레지스트 재료가 들어오는 광자에 반응할 수 있는 능력으로 결정된다.

라인 엣지 거칠기(L, LER)는 인쇄되는 피처가 설계 의도에서 벗어난 정도를 말한다. 벽이 원자 수준으로 직선인 트렌치의 LER은 0일 것이다.

민감도(S, Sensitivity)는 피처를 만들 때 필요한 에너지의 척도다. 광원의 강도가 낮을 때는 민감도가 큰 레지스트가 필요하다.

이 세 요소를 모두 충족하기란 쉽지 않다. 서로가 관련되어 있기 때문이다. 일반적으로 파라미터 하나를 개선하면 나머지 하나 이상은 성능이 저하되는데 이것을 RLS 상충관계라고 한다. 이 상충관계가 존재하는 이유를 이해하려면 레지스트의 작동 방식을 알아야 한다.

 

레지스트 작동 방식 : CAR 이야기

현재의 화학 증폭형 레지스트(CAR, Chemically Amplified Resist)는 흡착제, 광산 발생제(PAG, Photoacid Generator) 등의 기본 폴리머 매트릭스 외에 점도, 밀착력, 저장 안정성을 조절하는 첨가제 같은 여러 구성요소로 이루어져 있다.

광자가 레지스트에 닿을 때 시작되는 연쇄반응에 의해 재료의 구조가 바뀌면서 용해성이 향상되는데, 이 때문에 추후 현상(development) 단계에서 재료가 씻겨나간다. 이 연쇄반응에서 최초 광자의 화학 증폭이 이루어지는데, 이때 광자가 먼저 여러 개 전자로 변환되고 이에 따라 입사 광자 한 개당 여러 개의 광산 분자가 생성된다. 그래서 이들 재료를 화학 증폭형 레지스트(CAR)라 부른다. 

CAR의 장점은 광자당 생성되는 광산 분자 수를 늘려 레지스트 민감도를 높일 수 있다는 것이다. 그러나 이렇게 늘어난 광산 분자는 원래 광자 위치에서 점점 더 멀어지기 때문에 해상도가 낮아지고 라인 엣지 거칠기가 높아져 이미지가 흐릿해진다.  

CAR은 지난 수십 년 동안 엄청난 발전을 이루었지만 현재 5nm 노드에서 상당한 한계에 직면해 있어, 칩 제조업체들은 해상도를 충족하기 위해 리소그래피의 다중 패스가 통합된 설계 설비와 반도체 팹을 만들어야 한다. 경제적이며 설계가 쉬운 EUV 패터닝을 향후 공정 노드에 확장하려면 새로운 레지스트 솔루션이 필요하다.

 

건식 레지스트 솔루션

램리서치가 ASML 및 imec과 함께 만든 혁신적인 레지스트 적용 기술은 스핀온 액체 레지스트와는 근본적으로 다르다. 증기 상태의 반응성 전구체를 사용하여 도포한 필름은 결과적으로 균일하고 균질하다.

이 신기술에는 0.5nm 미만의 작은 금속 유기체의 건식 증착이 사용되는데 여기에는 여러 가지의 이점이 있다. 특히 이 고밀도 감광성 입자 구조는 본래 광자 포집에 더 효율적인데, 이 같은 특성은 현재 EUV 소스가 파장이 더 긴 이전 모델보다 광자를 몇 배 적게 생성한다는 점에서 중요하다.

노출 메커니즘이 CAR과 관련된 연쇄반응과는 근본적으로 다르기 때문에 해상도가 더 높다. SPIE 첨단 리소그래피 심포지엄에서는 1 x10-8 mJ nm3 미만의 동급 최고의 Z 계수로 26nm 피치에서 성공적으로 촬상하는 결과를 선보였다.

건식 증착 방식을 사용하면 유일하게 증착과 현상 시간 변경만으로 레지스트 두께를 바꿀 수 있다. 반대로 스핀온 레지스트 코팅 두께는 바꾸기가 훨씬 더 어렵다. 점도와 표면 밀착도 문제를 둘 다 해결해야만 리소그래피 성능에서 원하는 결과를 얻을 수 있기 때문이다. 이러한 건식 레지스트 두께 조절을 광자 흡수, 전사 식각, 하부층 밀착과 동시에 최적화함으로써 라인 엣지 거칠기, 민감도, 결함/소자 수율의 상충 문제를 해결할 수 있다. 

건식 레지스트 방식은 RLS 상충 문제 해결 외에도 다른 이점이 있다. 점도, 화학물질 저장수명을 비롯해 습식 스핀온 레지스트에 영향을 주는 기타 제한 요소를 걱정할 필요가 없다. 밀착력이나 안정성을 위한 첨가제가 필요 없기 때문에 건식 증착 재료의 순도가 훨씬 더 높아 본래 민감도가 더 높으며, 특히 건식 현상 공정에 적합하다. 

새로운 건식 현상 공정도 함께 최적화되어 라인과 필라(pillar)의 쓰러짐이 최소화된다. 습식 공정 동안 불가피한 모세관력이 없기 때문에 건식 현상에서는 쓰러짐 없는 공정 윈도우의 범위가 훨씬 더 크다.

램리서치의 건식 레지스트 및 현상 기술을 통해 업계는 EUV 리소그래피의 향후 노드로 빠르게 전환하며 첨단 논리 장치 및 메모리 소자의 지속적인 스케일링이 가능할 것이다.

 

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