반도체 8대 공정이란? 3. 포토공정 제대로 알기 (EUV, 노광공정, 감광제, 다중패턴, 포토마스크)

포토 공정

포토공정이란?

포토공정이란, 원하는 회로설계를 만들어 놓은 마스크라는 원판에 빛을 쬐어 생기는 그림자를 웨이퍼 상에 전사시켜 복사하는 기술입니다. 회로를 그려내는 과정으로 보면 됩니다.

 

반도체의 제조 공정에서 설계된 패턴을 웨이퍼 위에 형성하는 가장 중요한 공정으로, 소자의 집적도를 향상하는 데 가장 핵심적인 공정입니다. 반도체 집적도가 증가할수록 칩을 구성하는 단위 소자 역시 미세 공정을 사용해 작게 만들어야 하기 때문에 포토 공정 기술 또한 높은 기술력을 요하게 됩니다.

 

 

포토 공정 순서

1단계 표면처리

웨이퍼의 표면을 화학 처리하여 친수성에서 소수성으로 바꾸어 감광제의 접착력을 향상시킵니다. 웨이퍼 표면을 HMDS 증기에 노출시켜 Si-O-H 형태의 친수성인 웨이퍼 표면을 Si-O-Si-(CH3)3형태의 소수성 표면으로 바꿉니다. 감광제는 소수성이기 때문에 소수-소수 결합을 통해 웨이퍼와 감광제의 접착력을 향상시킵니다. 후속의 현상(Develop) 공정에서 알칼리 수용액에서 현상공정을 진행하게 되므로, 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분의 용해 속도 차를 증대시키기 위하여 감광제는 점점 더 소수성이 커지므로 HMDS 처리는 필수적입니다.

 

2단계 Spin coating

감광제는 스핀 코팅하는데, 저속 회전 상태에서 감광제를 뿌린 후 특정 회전수까지 가속하여 PR이 웨이퍼의 표면에 고루 덮히도록 합니다. 최종적으로는 보통 3000~6000 rpm에서 수십 초간 고속으로 회전시켜 감광제를 원하는 두께로 코팅합니다. 이 때 감광제의 두께는 점도와 회전속도에 의해 결정되는 데, 점도가 높을수록 두꺼우며 회전속도가 높을수록 얇아집니다.

코팅 최종 단계에서 저속회전하면서 pr을 녹이는 용매를 뿌려 웨이퍼 가장자리에 pr을 제거하는 화학적인 방법과 레이저를 이용하여 그 에너지로 제거하는 광학적인 방법이 있습니다.

 

3단계 Soft bake

감광제 코팅 후 감광제에 포함된 유기용매를 제거하기 위하여 낮은 온도(90'C ~ 110'C)에서 Soft bake를 실시합니다. 스핀 코팅 시 발생한 원심력에 의한 감광제의 스트레스를 완화하고, 감광제 반응 특성을 일정하게 유지하여 후속 노광공정에서 환경 변화에 대한 민감도를 줄이게 됩니다.

 

 

4단계 align & exposure

Soft bake 후에는 노광공정이 진행됩니다. 포토공정은 반도체 제조에서 20~25회 정도 반복되는 데, 각 층간의 수평 위치를 정확히 맞추어 쌓아야 정확한 반도체 회로를 만들 수 있어, 이렇게 정확한 위치를 찾는 작업을 포토정렬이라고 하며, 정렬작업은 정렬키를 이용하며 각 층과 층간의 위치정확도는 Overlay Accuracy라 합니다.

 

5단계 PEB

노광이 완료되면 PEB(Post Exposure Bake)가 실시됩니다. PEB는 Soft bake보다 높은 온도인 110'C ~ 120'C 정도에서 진행하며, 노광공정에서 빛을 받은 부위에서 발생한 산을 확산시켜 불균일한 패턴을 개선하는 효과가 있습니다.

 

6단계 Develop

노광과 PEB가 완료되면 현상 과정을 거칩니다. POSITIVE / NEGATIVE

 

7단계 Hard bake

감광제의 변형이 일어나지 않도록 PR의 유리질 천이온도보다 높고 PAC의 분해온도보다 낮은 온도에서 Hard Bake합니다(110~130'C).

 

포토마스크란?

위 글에는 '마스크'라는 원판에 대한 언급이 있는 데, 이는 자외선이 잘 투과되는 '석영' 유리판에, 자외선을 차단하는 차단막(보통 Cr 박막)으로 반도체 회로 패턴을 만들어 놓은 것입니다. 따라서, 포토마스크에서 Cr 박막이 있는 부위는 자외선을 반사하고 석영은 자외선이 투과되기 때문에 포토마스크 위에 노광 장치를 통해 자외선을 쬐어주면 포토마스크의 패턴이 웨이퍼 위에 코팅한 감광제로 전사됩니다. 

 

감광제(Photo Resist)란?

노광공정을 통해 마스크 원판의 회로 패턴을 웨이퍼로 전사하기 위해서는 빛에 의해 특성이 변하는 어떤 매개체가 필요한데 그 매개체를 감광제라 합니다. 감광제는 특정 파장의 빛을 조사하면 빛과 반응하여 화학구조가 바뀌게 되고, 빛을 받은 부분 또는 받지 않은 부분이 후속처리(현상액)에 녹는 특성을 가지고 있습니다. 빛을 쬔 부분이 현상액에 녹으면 Positive PR, 빛을 받지 않은 부분이 녹으면 Negative PR입니다. 미세패턴 형성 측면에서 유리한 Positive PR이 사용됩니다.

감광제는 Resin(고분자 수지)과 이 Resin을 녹여 액체 상태로 만드는 Solvent, 그리고 빛과 반응하여 Resin 분자 구조를 바꾸어 주는 광반응제로 구성되어 있습니다. 광반응제는 PAC 또는 PAG로 부릅니다.

 

아래 포토마스크(Photomask)와 감광제(Spin-coated photoresis)를 참조하면 구조 이해가 쉽습니다.

출처: Photolithography — Cellular and Molecular Biomechanics Laboratory (biomechanicalregulation-lab.org)

 

 

노광 공정이란?

감광막에 빛이 조사되어 패턴이 형성되도록 하는 공정입니다. 

 

노광 공정 종류

노광 공정에 대해 조금 더 자세한 정보를 추가하려고 합니다. 감광막 위에 패턴을 형성하기 위해 빛을 노출시키는 공정입니다.

근접 노광 방식(contact/proximity)과 투영 노광 방식(Projection)이 있습니다.

접촉식:

감광제와 밀착되어 있어 빛의 회절의 영향을 적게 받아 작은 패턴 구현에 유리하도록 설계하였습니다. 하지만 감광제가 마스크에 묻어남에 따라 마스크의 수명이 짧아지는 문제가 있습니다. 반면 근접노광 방식은 ~10um정도의 간격을 갖고 있어 마스크가 손상되지는 않지만, 회절 현상이 발생하여 정밀한 패턴 구현에 문제가 있습니다.

 

투영 노광 방식:

적절한 광학계를 이용하여 4:1 또는 5:1 비율로 축소하는 방식이어서 마스크의 수명이 길고 렌즈를 사용하여 회절효과도 줄일 수 있습니다. 최근 양산 공정에서 주력으로 사용하는 stepper 및 scanner도 투영 노광 방식의 일종입니다. 렌즈와 웨이퍼 사이에 물을 투입시키는 액침노광 방식도 접촉 노광 방식에서 회절 영향이 최소화되는 효과를 투영광학계에서 구현한 것으로 생각할 수 있습니다.

 

포토공정 분해능 향상 기술(RET, Resolution Enhancement Techology)

소자가 미세화되면서 ArF 스캐너는 광원의 파장 길이인 193nm보다 짧은 이미지를 구현해야 했습니다. 빛의 파동은 좁은 간극을 통과하면 회절이 발생하고, 회절된 파동이 간섭을 일으켜 원래의 마스크와 다르게 왜곡되어 전사됩니다. 패턴 크기가 파장 길이보다 작을수록 이 현상은 심해집니다.

 

Res=k1*(λ/NA)=k1*(λ/(n*sin(theta))

Res=k1*(λ/(n*sin(theta))>=0.25*(193/0.93)≒52nm

 

NA를 낮추는 방법

Resolution을 높이기 위한 방법으로, 매질의 굴절률을 높일 수 있습니다. 물속에서 노광공정을 하면 193nm 파장에서 1.44 굴절률이 되므로 Resolution은 52nm에서 36nm로 증가하게 됩니다. 이를 ArF 액침(immersion) 기술입니다. 이 때 PR성분이 용해되지 않도록 DI water (Deionized water)를 액체로 사용하고 오염을 방지하기 위해 한쪽에서는 물을 공급하고, 다른 한쪽에서는 그 물을 회수하는 형식으로 순수한 물이 접촉하게 됩니다.

출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%A1%EC%B9%A8_%EB%85%B8%EA%B4%91

k1을 낮추는 방법

공정 factor k1을 낮추는 방법이 있습니다. 감광제 자체의 노광특성, 현상특성을 개선하는 것과 더불어 비등축조명(OAI, off-axis-illumination)과 근접효과보정(OPC, optical proximity correction), 위상변위마스크(PSM, phase shift mask) 등의 방법이 주로 사용됩니다.

이 중에서 광학근접효과 교정에 대해서 설명드리겠습니다. 마스크 패턴 모양을 미리 변형시켜 최종 포토공정 결과물이 원하는 패턴 모양으로 되게 하는 방법입니다.

출처: IBM and Synopsys Demonstrate EUV OPC Workload Runs >11,000 Cores on the Hybrid Cloud IBM

 

다중 패턴(Multiple Patterning)

반도체 칩은 포토공정의 한계보다 더욱 미세한 패턴을 요구하므로 큰 치수(Dimension)의 패턴을 여러 번 반복 공정을 진행하여 촘촘한 미세 패턴으로 만드는 다중 패턴 공법을 이용하여 극복하고 있습니다. 더블 패터닝과 자기정렬 스페이서가 있는 데, 더블 패터닝을 설명드리면 아래와 같습니다.

 

더블 패터닝(Double patterning, LELE)

기본적인 형태는, 패턴의 밀도를 두 배로 높이기 위해 노광과 식각 단계를 각각 두 번 반복하는 LELE(Litho-Etch-Litho-Etch) 공법이 있습니다. 이를 위해 원래 만들고자 하는 패턴을 밀도가 반으로 낮은 두 개의 패턴으로 분할하여 두 개의 다른 마스크를 만듭니다. 이 두 개의 마스크로 Litho Mask 1 - Etch, Litho Mask 2 - Etch와 같이 두 번 진행하면 원래 만들고자 했던 패턴 밀도를 갖는 패터닝이 가능합니다. 마스크 하나를 둘로 나누었기 때문에 두 마스크 사이의 정렬이 굉장히 중요합니다.

 

차세대 리소그래피(Extreme ultra violet lithography, EUVL) 기술

ArF 액침노광(Immersion Lithography) 방식에서 다중 패턴을 사용하면 회로 선폭이 10nm 정도 수준까지 패턴 미세화가 가능합니다. 반면, 극자외선(EUV) 노광 방식은 다중 패턴 공정 없이 노광공정을 한번만 진행하여 sub-10nm 패턴을 형성할 수 있어 노광 공정 횟수를 줄일 수 있습니다.

 

극자외선(EUV) 노광 방식은 노광 파장으로 13.5nm를 사용합니다. 극자외선은 매질에 대부분이 흡수되므로 투영광학계가 아닌 거울 광학계(mirror optical system)를 사용합니다. 노광 파장이 ArF 파장에 비해 1/10 이하로 짧아 10nm 이하의 패터닝이 가능하기 때문에 7nm 공정부터 EUV장비를 사용하고 있습니다.

출처: ASML

EUV 광원

레이저로 에너지를 전달하여 플라즈마화 된 주석 방울의 여기 및 이완 과정에서 13.5nm의 파장이 발생하는 현상을 이용하여 광원으로 이용하게 되었습니다.

 

아래 그림과 같이 장비의 소스부에는 droplet generator와 droplet catch가 위치하는 데, droplet generator에서는 주석(Sn)을 생성하고 cathcer 쪽으로 무수히 많은 수의 방울을 보냅니다. 이 때 collector 뒤쪽에서 출력이 높은 CO2 레이저가 입사되어 주석 방울에 전달되어 플라즈마화됩니다. 이 때 주석 이온과 전자가 존재하게 되며 여기된 후 이완된 전자로부터 방출되는 에너지(빛)이 바로 EUV 광원이 되며, 이는 13.5nm 파장의 빛입니다. 이 때 사방으로 퍼지는 빛은 collector에 모이게 되어 장비의 광학계로 전달됩니다. 따라서, Laser Produced Plasma(LPP) 방식으로 광원을 만들고 있습니다.

출처: ASML

 

EUV 광원계

EUV로 만들어진 파장은 파장이 짧아 기존과 같이 빛을 투과시키거나 굴절시키는 Projection 타입으로 사용할 수 없습니다. 따라서 반사경을 이용하여 빛을 반사시켜 웨이퍼에 패턴 정보를 전사시키는 방법을 사용합니다.

이를 가장 효율적인 방법을 위해 다층박막 반사경을 사용하는데, 반사도가 높은 물질(물질A)와 다층박막을 만들기 위한 spacer(물질B)로서의 물질을 규칙적인 두께로 ABABAB 반복되도록 만듭니다. 이를 위해 몰리브덴(Mo)과 실리콘(Si)이 가장 많이 쓰이고 있으며 약 6~7nm 두 층이 40층 이상이 되도록 규칙적으로 쌓아서 극자외선이 반사되도록 합니다.

 

EUV 마스크

마스크는 기존 쿼츠에 크롬을 이용한 투과형을 사용하면 에너지 손실이 매우크므로 사용할 수 없고, 반사경 방식의 마스크를 사용하게 된다.

 

 

해당 글은 렛유인 한권으로 끝내는 전공직무 면접 반도체 이론편을 참고하여 정리하였습니다.