멀티패터닝(Multi-Patterning) 기술의 현황과 전망, 필요성

멀티 패터닝 기술이란?

멀티 패터닝은 반도체 제조 공정에서 고해상도 패턴을 만들기 위해 여러 차례의 패터닝 공정을 사용하는 기술입니다. 단일 노광 공정만으로는 미세한 패턴을 구현하기 어려울 때 사용되며, 회로의 선폭을 더욱 세밀하게 만들기 위해 리소그래피 공정을 여러 번 적용하는 방식입니다. 대표적으로 이중패터닝(Double Patterning), 삼중패터닝(Triple Patterning), 사중패터닝(Quadruple Patterning) 등이 있습니다. 이 기술은 10nm 및 7nm 노드 반도체 공정과 그 이후 세대에서 필요할 것으로 예상됩니다. 한 번의 리소그래피 노출만으로는 충분한 해상도를 제공하기 어려운 경우가 많아 추가적인 노출이나 에칭된 패턴의 측벽(스페이서)을 활용한 배치 패턴 생성이 필요하게 됩니다.

 

기술 현황과 도전 과제

1. 미세 공정 한계 돌파: 반도체 제조사들은 더 높은 집적도를 위해 회로의 크기를 줄이는 미세 공정을 끊임없이 시도하고 있으며, 기존의 광학 리소그래피 기술만으로는 한계에 직면했습니다. 이를 극복하기 위해 멀티패터닝이 보편적으로 사용되고 있습니다. 예를 들어, 10nm 이하 공정에서는 단순한 패터닝이 아닌 여러 단계의 노광 및 에칭 과정이 요구됩니다.
2. 복잡성과 비용 증가: 멀티패터닝은 정밀한 공정을 통해 더 작은 선폭을 구현하지만, 여러 번의 리소그래피 단계로 인해 공정이 복잡해지고 비용이 증가하는 문제가 있습니다. 이러한 비용과 시간적인 부담은 반도체 제조사들에게 큰 도전으로 작용합니다.
3. EUV(극자외선) 리소그래피와의 보완적 관계: 최근 등장한 EUV 리소그래피는 단일 패터닝으로 더 세밀한 회로를 구현할 수 있어 멀티패터닝의 의존도를 줄일 수 있는 잠재력이 있습니다. 그러나 EUV 장비의 비용과 생산성 문제로 인해 여전히 멀티패터닝 기술은 보완적으로 사용되며 중요한 역할을 하고 있습니다.

멀티 패터닝의 필요성과 전망

1. 초미세 공정에서의 필수 기술: 7nm 이하 공정에서는 단순한 단일 노광 방식으로 미세화를 달성하기 어려워 멀티패터닝이 필수적입니다. 이 기술은 회로의 정밀도를 높이고 반도체 칩의 성능을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 하고 있습니다.
2. 차세대 기술과의 융합: 멀티패터닝은 EUV와 같은 신기술과 융합하여 사용될 가능성이 큽니다. 이러한 접근 방식은 비용을 낮추고 생산성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.
3. 산업 경쟁력 강화: 멀티패터닝 기술을 통해 반도체 제조사는 더 높은 집적도와 성능을 달성하여 경쟁력을 유지할 수 있습니다. 특히 AI, 5G, 데이터 센터 등 고성능 반도체 수요가 늘어나면서 이 기술은 필수적인 요소로 자리 잡고 있습니다.

멀티 패터닝 기법의 종류

패턴 분할: 특징을 여러 그룹으로 나누어(예: 3개 그룹) 각각 다른 마스크로 패터닝하는 방식.

스페이서 사용: 간격에서 추가적인 별도 특징을 생성하는 방법.

반대 극성의 특징 사용: 기존 특징을 잘라내거나(작은 단절 생성) 패턴을 수정하는 방식.

단일 노출이 충분한 해상도를 제공할 경우에도, 인텔의 45nm 노드 또는 TSMC의 28nm 노드처럼 더 나은 패터닝 품질을 위해 추가 마스크를 사용하는 경우가 있습니다. 전자빔 리소그래피에서도 약 10nm 반피치에서 단일 노출이 충분하지 않아 더블 패터닝이 필요합니다.

 

더블 패터닝의 발전

더블 패터닝 리소그래피는 1983년 D.C. 플랜더스(D. C. Flanders)와 N.N. 에프레모프(N. N. Efremow)에 의해 처음 시연되었습니다. 이후, SADP(Self-Aligned Double Patterning)와 리소그래피만을 활용한 더블 패터닝 등 다양한 기법이 개발되었습니다.

특히, 피치 더블 패터닝은 2000년대 Micron Technology의 구르테즈 싱 산두(Gurtej Singh Sandhu)가 선구적으로 개발하였으며, 이를 통해 30nm급 NAND 플래시 메모리가 개발되었습니다. 이후 멀티 패터닝은 NAND 플래시와 랜덤 액세스 메모리 제조사들에 의해 널리 채택되었습니다.

 

이 기술은 반도체 제조의 고밀도화 및 고성능화를 가능하게 하며, 최신 노드의 주요 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다.

멀티패터닝 기술은 반도체 제조에서 미세 공정을 가능하게 하는 중요한 방법으로, 고해상도 회로를 구현하고 반도체 성능을 향상시키는 데 필수적입니다. 

 

Multiple patterning - Wikipedia

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