* 9월 25일 발행된 <인사이트세미콘> 오프라인 매거진 10월호에 실린 기사입니다.

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반도체 칩 제조업체들은 회로 선폭을 10나노 수준으로 좁히기 위해 두 번, 세 번에 걸쳐 회로 패터을 형성하는 더블패터닝, 쿼드패터닝 등의 공법을 활용해왔다. 그러나 이처럼 여러 번에 걸쳐 패턴을 형성할 경우 공정 시간 증가로 원가 역시 높아질 수 밖에 없다. 업계에선 화학적 리소그래피 방식인 DSA를 해법으로 제시하고 있다.

글 필립 허스태드 다우케미칼 DSA 기술 책임자 및 선임 연구 과학자

DSA(Directed Self-Assembly)는 ‘블록(Block) 공-중합체(共-重合體, copolymer)’를 저항으로 사용하는 기술이다. 블록 공-중합체는 자기 조립을 통해 6~100nm 간격으로 나노 구조를 정렬할 수 있는 특수한 등급의 중합체다. 블록 공-중합체로 만들어진 패턴은 라인/스페이스 및 접촉 홀 어레이 같은 주요 집적 회로(Integrated Circuit, IC)의 패턴과 유사한 형태를 갖는다. 블록 공중합체의 형태학적 유형과 피처 크기는 열역학적 구동 방식을 거쳐 화학 및 분자 특성(예 분자량)을 선택함으로써 소재 내부에 프로그래밍된다. 자기 조립 방식을 이용하면 임의의 패턴이 생성되는데, IC 생산에 활용하려면 추가적인 구동력이 필요하다. 즉, 자기 조립을 유도하는 구동력이 필요하다는 의미다. 예컨대 빛 파장이 193nm인 이머전 혹은 극자외선(EUV) 노광 장비를 활용해 프리패턴을 만들고, 이 프리패턴으로 블록 공-중합체의 자기 조립을 유도함으로써 고도로 규칙적이고 조절된 어레이를 형성할 수 있다.

케모에피탁시(chemoepitaxy)라고도 일컫는 화학적 패터닝은 비교적 평평한 기판의 화학적 차이를 활용해 블록 공-중합체 형태를 유도한다. 그래포에피탁시(graphoepitaxy)는 구멍과 같은 지형적 패턴을 활용해 블록 공-중합체 조립을 제어한다.

비교적 단순한 공정으로 1개의 이머전 노광 장비로 만든 패턴의 밀도를 증대할 수 있다는 점이 DSA의 강점이다. 예를 들어 84nm 피치의 DSA 프리패턴을 사용하면 28나노 피치의 블록 공-중합체를 유도할 수 있다. 즉, 밀도가 3배나 높아지는 것이다. 이는 기존의 더블 혹은 쿼드 패터닝과 유사하지만 DSA는 여러 가지 복잡한 식각 및 증착 처리 단계를 줄여주기 때문에 원가를 더욱 낮출 수 있다.

현재 학계, 컨소시엄 및 산업 전반에서 협력 개발이 진행되고 있어 DSA 기술의 상용화 시기는 눈앞에 다가온 상태다. 다우케미칼은 2016~2017년까지 대량 생산 체제를 갖추는 것을 목표로 하고 있으며, 라인/스페이스 패터닝에 DSA 기술이 활용되도록 하는 것을 목표로 삼고 있다. 즉, DSA는 EUV와 같은 광학적 노광 공정의 보완 기술로 병행 사용될 것이란 의미다.

지금까지 DSA를 위한 대부분의 소재는 PS(polystyrene)-PMMA(polymethyl methacrylate)에 맞춰져 있었는데, 이것 만으로는 고객사의 요구를 모두 충족할 수 없다. 대부분의 반도체 칩 업체들은 DSA가 20nm(10nm 회로 선폭의 반도체)보다 작은 피치에서 가장 잠재력이 크다고 믿고 있다. PS-PMMA는 불화합성이 상대적으로 낮아 흔히 ‘로우치(low chi)’라고 부르며, 약 20nm 미만의 피치로는 형태를 만들 수 없다. 즉, 10나노 미만의 회로 선폭을 가진 칩을 만들 때 DSA 공정을 적용하려면 PS-PMMA의 한계를 뛰어 넘어 DSA를 개선 및 확장할 수 있는 하이치(high-chi) 블록 공-중합체가 필요하다. 다우는 PS-PMMA 소재는 물론 하이치(high chi) 블록 공-중합체 제품군도 보유하고 있다. 우리는 과거 하이치 블록 공-중합체를 활용해 5nm의 해상도를 구현할 수 있다는 사실을 실험을 통해 입증해 보이기도 했다.

물론, DSA가 양산 라인에 적용되려면 해결해야 할 과제들이 많이 남아 있다. 한 가지 예로 불량 문제를 들 수 있다. 우리는 미세한 피처의 블록 공-중합체 생산 능력을 입증했으나 불량을 낮추기 위한 웨이퍼의 표면 처리 등은 실질적으로 이 공정을 도입하는 해당 소자 업체들의 몫이다. 현재 패터닝 공정 라인을 완벽하게 갖추고 있는 소재 공급 업체는 없다. 따라서 소자-소재 업체들이 윈윈하려면 무엇보다 협력이 중요하다.