피치 워킹, 스페이서 패터닝에서 배선 간격이 어긋나는 이유

마당에 같은 간격으로 작은 담장들을 세우려고 나무 거푸집 판자를 일정한 거리마다 놓았다고 해 봅시다. 판자 양옆에 시멘트를 얇게 바른 뒤 가운데 나무 판자를 쏙 빼내면 판자 하나당 두 줄의 시멘트 담장이 남겠죠. 그런데 만약 처음 놓은 나무 판자의 폭이 조금이라도 넓거나 좁았다면, 판자가 빠진 자리의 골목 폭과 판자 바깥쪽 골목 폭이 넓고 좁기를 반복하는 짝짝이가 되고 맙니다.

반도체 미세 공정에서 노광 한계를 넘기 위해 쓰는 스페이서 패터닝에서도 이와 똑같은 간격 비대칭 문제가 발생합니다. 오늘은 자기정렬 멀티 패터닝의 가장 대표적인 공정 불량인 피치 워킹의 발생 원리와 제어 방법을 살펴보겠습니다.

스페이서 기반 패터닝(SADP·SAQP)이 주기를 쪼개는 과정

193nm 액침 불화아르곤(ArF-i) 노광기가 한 번에 찍을 수 있는 최소 패턴 주기(Pitch)는 약 80nm가 한계입니다. 더 좁은 배선을 만들기 위해 두 번 노광하고 두 번 식각하는 노광-식각 반복(LELE, Litho-Etch-Litho-Etch) 방식을 쓰면, 첫 번째 노광과 두 번째 노광 사이의 정렬 오차(Overlay Error)가 곧장 배선 간격 불균일로 이어지는 약점이 있었습니다.

이 정렬 오차를 원천적으로 없애려고 등장한 기술이 바로 기둥 양옆의 측벽을 그대로 마스크로 삼는 자기정렬 더블 패터닝(SADP, Self-Aligned Double Patterning)과 이를 한 번 더 반복하는 자기정렬 쿼드 패터닝(SAQP, Self-Aligned Quadruple Patterning)입니다.

흔히 자기정렬(Self-Aligned) 방식은 노광기를 두 번 쓰지 않으니 배선 간격이 언제나 완벽하게 등간격으로 찍힐 것이라고 오해하기 쉽지만, 실제로는 노광 정렬 오차 대신 선폭(CD)과 증착 두께 오차가 배선 간격을 흔드는 새로운 주범으로 등장합니다.

맨드릴 선폭과 스페이서 두께가 피치 워킹을 만드는 수학적 원리

가운데 맨드릴 기둥을 뽑아낸 자리를 가만히 들여다보면, 스페이서 사이의 빈 공간(Space)은 태생이 서로 다른 두 종류로 나뉩니다. 하나는 맨드릴이 빠져나간 안쪽 공간(Core Space, 폭 = A)이고, 다른 하나는 이웃한 두 맨드릴 사이에 스페이서 두 개가 자라나고 남은 바깥쪽 공간(Non-core Space, 폭 = B)입니다.

만약 이 두 공간의 폭 A와 B가 똑같지 않다면, 완성된 배선 간격이 ‘넓음-좁음-넓음-좁음’으로 걸어가듯 교대로 어긋나는 현상이 나타나는데 이를 피치 워킹(Pitch Walking)이라고 부릅니다. 앞서 든 나무 거푸집 비유가 눈에 보이는 골목 폭의 차이라면, 나노미터 공정에서는 1nm의 간격 차이만으로도 하부 식각 깊이와 커패시턴스가 달라져 소자 불량을 일으킨다는 점이 다릅니다.

가상의 수치 예시로 왜 이런 어긋남이 생기는지 직접 계산해 보겠습니다. 처음 노광으로 찍은 맨드릴 주기가 P0 = 80nm이고, 목표가 선폭 20nm, 빈 공간 20nm(최종 주기 40nm)인 균일한 패턴을 만드는 것이라고 가정해 봅시다.

이 목표를 정확히 달성하려면 스페이서 두께(S)는 20nm, 맨드릴이 있던 안쪽 공간(A = 맨드릴 선폭 M)도 정확히 20nm여야 합니다. 그러면 바깥쪽 공간(B)은 전체 주기에서 맨드릴과 양쪽 스페이서 두 개를 뺀 값인 B = P0 – M – 2S = 80 – 20 – 2(20) = 20nm가 되어 A와 B가 20nm로 완벽히 일치합니다.

그런데 만약 처음 맨드릴 식각이나 트리밍 공정에서 맨드릴 선폭(M)이 20nm가 아니라 24nm로 4nm 두껍게 만들어졌다면 어떻게 될까요. 맨드릴이 빠진 안쪽 공간(A)은 그대로 24nm로 넓어지는 반면, 바깥쪽 공간(B)은 80 – 24 – 40 = 16nm로 좁아집니다. 결국 두 인접 공간 사이에 A – B = 8nm라는 큰 피치 워킹이 발생해, 한쪽은 너무 넓고 다른 한쪽은 16nm로 좁아지는 비대칭이 생깁니다.

SAQP의 3종 간격 불균일과 하부막 식각으로 번지는 연쇄 문제

주기를 4분의 1로 쪼개는 쿼드 패터닝(SAQP)으로 가면 문제는 한층 더 복잡해집니다. 1차 스페이서를 다시 2차 맨드릴 삼아 그 옆에 2차 스페이서를 붙이기 때문에, 빈 공간의 출처가 1차 맨드릴 자리(α), 2차 스페이서 바깥 자리(β), 1차 스페이서가 빠진 자리(γ)까지 총 세 종류로 늘어납니다.

이 세 공간(α, β, γ)이 모두 같은 폭을 가지려면 1차 맨드릴 선폭, 1차 스페이서 증착 두께와 식각 프로파일, 2차 스페이서 두께가 옹스트롬(0.1nm) 단위로 동시에 맞아떨어져야 합니다. 어느 한 단계라도 흔들리면 세 가지 서로 다른 피치가 주기적으로 출렁이는 복합 피치 워킹이 나타납니다.

이렇게 생긴 간격 불균일은 단순히 위에서 본 모양이 짝짝이인 것으로 끝나지 않습니다. 스페이서 패턴을 마스크 삼아 아래쪽 하드마스크나 실리콘 핀(Fin), 금속 배선 홈을 깎아 들어갈 때, 넓은 틈으로는 식각 이온이 잘 들어가 깊게 파이고 좁은 틈은 덜 파이는 종횡비 의존 식각(ARDE, Aspect Ratio Dependent Etching) 현상이 겹칩니다. 그 결과 좁은 간격에서는 바닥이 덜 뚫려 이웃 배선끼리 쇼트(Short)가 나거나, 반대로 FinFET 공정에서는 인접한 두 핀의 높이와 두께가 달라져 트랜지스터의 문턱전압(Vt)과 구동 전류가 짝수·홀수 줄마다 달라지는 심각한 전기적 산포로 이어집니다.

ALD 박막 제어와 인라인 계측을 통한 공정 관리 전략

이 까다로운 불량을 잡기 위해 반도체 팹에서는 증착과 식각, 계측을 하나로 묶은 정밀 제어 루프를 가동합니다. 첫째로 스페이서 증착에는 계단 피복성(Step Coverage)이 거의 100%에 달하는 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)을 필수로 사용하여, 원자 한 층 단위로 스페이서 두께(S)를 균일하게 맞춥니다.

둘째로 가장 변동성이 큰 노광 후 맨드릴 선폭(M)을 맞추기 위해, 광학 산란 계측 장비(OCD, Optical Critical Dimension)로 맨드릴 치수를 실시간 측정한 뒤 그 값에 맞춰 식각 시간을 조절하는 피드포워드(Feed-forward) 제어를 적용합니다. 만약 맨드릴이 목표보다 2nm 굵게 찍혔다면 후속 슬리밍(Slimming) 식각 시간을 조금 늘려 정확히 목표 폭으로 깎아 내거나, 후속 ALD 스페이서 증착 사이클 수를 보정해 안쪽 공간과 바깥쪽 공간의 균형을 맞추는 식입니다. D램의 셀 커패시터·비트라인과 FinFET/GAA의 핀 패터닝처럼 극도로 촘촘한 주기적 패턴에서는 이러한 인라인 피치 워킹 관리가 곧바로 수율을 좌우합니다.

LELE 더블 패터닝과 스페이서 패터닝(SADP·SAQP)의 오차 비교

구분	LELE (노광-식각-노광-식각)	SADP (자기정렬 더블 패터닝)	SAQP (자기정렬 쿼드 패터닝)
주된 피치 불균일 원인	두 번의 노광 간 정렬 오차(Overlay Error)	맨드릴 선폭(M) 및 스페이서 두께(S) 오차	1·2차 맨드릴 선폭 및 1·2차 스페이서 두께 복합 오차
서로 다른 공간(Space) 종류	좌우 2종류 (오버레이 틀어짐만큼 비대칭)	2종류 (맨드릴 내부 A, 맨드릴 외부 B)	3종류 (1차 코어 α, 2차 외부 β, 1차 스페이서 γ)
핵심 제어 공정	노광기 스테이지 정밀 정렬 및 오버레이 보정	맨드릴 CD 트리밍 및 ALD 스페이서 두께 제어	다단계 OCD 계측 기반 피드포워드 식각·증착 제어
설계 자유도 및 용도	비교적 자유로운 2D 패턴 구현 가능	일정한 주기의 1D 라인/스페이스 및 핀(Fin) 공정	초미세 D램 비트라인 및 고밀도 핀·배선 어레이

핵심 정리

거푸집 나무 판자의 폭이 달라지면 남은 시멘트 담장 사이의 골목 폭이 짝짝이가 되듯, 피치 워킹은 자기정렬 스페이서 패터닝에서 맨드릴이 빠진 안쪽 공간과 스페이서 바깥쪽 공간의 치수가 어긋나 배선 주기가 흔들리는 현상입니다. 노광 정렬 오차를 피한 대신 증착 두께와 식각 선폭을 0.1nm 단위로 다스려야 하는 새로운 과제를 안게 된 셈이죠.

결국 미세 패터닝의 성공은 노광기에서 끝나는 것이 아니라, ALD 증착과 이방성 식각, 그리고 OCD 계측을 이용한 공정 간 피드포워드 제어가 얼마나 정교하게 맞물리느냐에 달려 있습니다.

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