반도체 8대공정 1탄 : 포토공정(Photolithography) 개념정리

반도체 8대공정에서 가장 오랜 시간을 차지하고 이에 따라 공정원가도 가장 높은 포토공정에 대해 알아보겠습니다. 포토공정의 흐름을 먼저 간략하게 살펴본 후 상세한 부분들을 설명하도록 하겠습니다. 위 그림을 보시면 첫 번째로 포토레지스트(PR:Photo Resist)를 웨이퍼(Wafer)상에 도포합니다. 하지만 PR은 소수성이라 웨이퍼 표면에 잘 달라붙지 않습니다. 따라서 PR을 웨이퍼 상에 도포하기 전에 HMDS(Hexa-Methyl-Di-Silazane)이라는 접착제를 미리 웨이퍼 표면에 얇게 도포합니다. HMDS를 도포하는 방법은 N2(질소)가스를 이용하여 밀폐된 좁은 공간에 HMDS를 넣고 일정한 압력으로 N2가스를 넣어서 웨이퍼 막에 HMDS가 얇게 퍼지게 하는 방식으로 도포합니다. 이제 접착제인 HMDS가 도포되었으니 PR을 코팅을 할 수 있습니다. PR은 Track장비에서 Spin Coating을 통해 코팅하는 방식을 사용합니다. 다음으로 웨이퍼를 낮은 온도에서 구워주고(Prebake) 노광장비로 들어가서 미세패턴이 새겨진 마스크를 이용하여 웨이퍼 상에 빛을 투사합니다(Exposure). 투사된 빛은 마스크 상에 있는 미세회로패턴을 웨이퍼 상에 그대로 새겨주고 다시 한 번 더 웨이퍼를 구워줍니다(PEB). 다음으로 현상액(Developer)을 사용하여 빛을 받은 PR부분이 날아가게끔 합니다(Development). 마지막으로 회로패턴이 잘 새겨졌는지 검사를 하고(Inspection) 불량 패턴은 PR을 제거하여 Rework를 진행하는 방식입니다.

 

지금까지 간략하게 포토공정의 흐름에 대해 알아보았습니다. 이제 좀 더 포토공정에 대해 세부적으로 알아보려고 합니다.

 

 

 

- PR(Photo Resist)의 종류와 구성성분

첫 번째로 설명할 내용은 PR에 대한 것입니다. PR은 Development 시 제거되는 타입에 따라 Positive PR과 Negative PR로 종류가 나뉩니다. Positive PR은 Development 시 exposed된 부분이 제거가 되는 반면, Negative PR은 exposed된 부분을 제외한 나머지가 제거가 되는 차이가 있습니다. 현재 대부분 공정에서는 Positive PR을 사용하는 추세입니다. 다음으로 PR을 구성하는 성분에 대해 알아보도록 하겠습니다. Positive PR은 3가지 성분으로 구성되는데 각각 Solvent, PAC(Photo Active Compound), Resin입니다. Solvent는 PR Spin Coating 시 웨이퍼 에지에 흘러내리는 것(edge bead)를 방지하기 위해 PR의 점도를 조절하는 역할을 수행합니다. 그리고 PR은 Resin으로 구성되어 있는데 이 Resin은 고분자폴리머(Polymer)로서 PR이 일정한 파장을 가진 빛을 받으면 PAC라는 것이 활성화가 됩니다. 이 때, PAC는 빛 에너지를 이용해서 폴리머 분자간의 결합력을 약화시킵니다. 이러한 원리를 이용하여 exposed된 부분을 Developer로 제거시킬 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

- PR Coating

다음 PR에 대해 소개해드릴 내용은 웨이퍼에 PR을 도포하는 과정입니다. PR을 웨이퍼 상에 도포할 때 코팅되는 두께에 따라 고려해야하는 파라미터들이 있습니다. 바로 PR의 두께가 두꺼울수록 Exposure 시간이 길어지고 그에 따라 etching시 selectivity와 CD(Critical Dimension)의 크기에 영향을 줄 수 있습니다. 또한 깊이에 따라 Ion Implantation시 필요 Energy량이 달라질 수 있습니다. PR의 두께는 결정하는 Spinner의 회전속도와 PR의 점성, 그리고 회전시간과 가속도를 조절함으로써 두께조절이 가능합니다.

 

 

 

- Prebake(=Soft bake)

PR이 웨이퍼 상에 일정한 두께로 도포되면 Track장비에서 약한 온도로 웨이퍼를 가열합니다. 이 과정을 Prebake, 다른 용어로는 Soft bake라고 합니다. 웨이퍼를 가열해주는 이유는 다음과 같습니다. PR에 남아있는 Solvent로 인해 Exposure 시 영향을 줄 수 있으므로 웨이퍼를 가열해 줌으로써 Solvent 성분을 증발시켜줍니다. 이 때, 가열해주는 온도에 따라 문제점이 발생할 수 있습니다. 첫 번째, 온도가 너무 낮은 경우 발생하는 문제점은 Solvent가 완벽하게 증발되지 않아서 Development가 깨끗하게 안 되거나 PR이 찢어질 수 있습니다. 두 번째, 온도가 높은 경우 발생하는 문제점은 Negative PR의 경우, 열에 의해서 원하지 않는 부분도 Cross-linking이 발생할 수 있습니다. Positive PR의 경우, 열에 의해서 PAC가 분해되어 빛을 받지 않은 부분도 Development 시 제거될 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

- Exposure

이제 Prebake한 웨이퍼를 노광장비로 이동시켜서 미세회로패턴을 새긴 마스크(=Reticle)와 웨이퍼를 정렬(Alignment)시킨 후 빛을 투사하는 Process를 Exposure이라고 합니다. 이 때, 파장이 짧은 광원을 사용할수록 미세패턴을 웨이퍼 상에 새기는 것이 유리합니다. 공정의 단위가 낮아질수록 웨이퍼 상에 만들 수 있는 칩의 개수가 늘어나게 되는데 이는 생산성과 단가에 직결되는 부분이므로 이 Process가 중요하다고 할 수 있습니다.

 

- Exposure 방식 3가지 장단점

Exposure하는 방식으로는 3가지가 있습니다. Contact, Proximity, Projection 순으로 최신공정방식입니다. 첫 번째로 Contact은 미세회로패턴을 새긴 마스크 Layer를 웨이퍼와 접촉을 시킨 상태에서 빛을 투사하는 방식입니다. 그러므로 난이도가 가장 쉽고 노광장비 또한 가격이 가장 저렴합니다. 하지만 마스크 layer가 웨이퍼와 직접 맞닿기 때문에 마스크가 마모되거나 PR이 손상될 위험이 있고 Particle(먼지)가 웨이퍼 상에 많아지게 돼서 단점이 많은 방식입니다.

 

그래서 Proximity 방식을 도입을 하게 되었습니다. 하지만 이 방식 또한 단점이 다수 발생하였는데요, 투사한 빛이 마스크를 통과하면서 Diffraction(회절)이 발생하게 되어 마스크 형상의 초점(Focus)이 Misalignment가 되는 단점이 있습니다.

 

이 단점들을 보완한 방식이 바로 Projection 방식입니다. 이 방식은 마스크 형상이 1/4 혹은 1/10 크기로 작아지면서 웨이퍼에 제대로 새겨지도록 마스크와 웨이퍼 사이의 간격을 충분히 확보한 후 렌즈를 활용하여 Focus를 맞추는 방식입니다. 따라서 간격이 멀어질수록 빛의 회절현상이 심화하여 Focus가 불안정해지는 것을 방지하기 위해 볼록렌즈를 달아주어 빛을 다시 한 번 더 모아준 후 웨이퍼 상에 투영하게 됩니다. 노광장비의 종류로는 크게 두 가지가 있습니다. Stepper와 Scanner가 있는데 150나노 이하공정에서는 전부 Scanner 장비를 사용하고 있습니다. Exposure가 끝난 후 Overlay라는 기능을 활용하여 Misalignment 정도를 확인할 수 있습니다.

 

- Dry / Wet type

Projection 방식은 렌즈를 활용하여 빛을 웨이퍼 상에 투사하는 방식이라고 설명했습니다. 이 때 렌즈와 웨이퍼 사이의 공간은 공기로 채워져 있는데 이러한 투사방식을 Dry type이라고 합니다. 이와 반대로 렌즈와 웨이퍼 사이에 물을 넣으면 Dry type보다 굴절률이 40% 개선이 되는데 이에 따라서 Resolution(해상도)이 좋아지게 됩니다. 이를 Wet type이라고 합니다. 다른 용어로는 Immersion 방식이라고 합니다.

 

 

 

 

 

 

- Resolution / Depth Of Focus(=DOF)

Resolution이란 분해능 또는 해상도로 표현이 되는 Parameter로 현대 미세공정으로 갈수록 Resolution이 좋아야(값이 작아야) 웨이퍼 상에 마스크형상을 미세하게 가져오기 유리합니다. Resolution의 공식을 살펴보면 

입니다.

 공정상수 k1, 파장, 그리고 Numerical Aperture(NA:광학상수)가 있습니다. 공정상수는 뒤에서 설명할 PSM(Phase Shift Mask) 기술을 통해 값을 줄일 수 있고 파장은 짧은 것을 쓸수록 Resolution 값이 좋아지는 것을 확인할 수 있습니다. NA는 광학상수로 렌즈가 회절하는 빛을 모아주는 능력을 가늠하는 Parameter입니다. NA는 렌즈의 직경이 클수록, 렌즈와 웨이퍼 사이 간격이 작을수록 값이 커집니다. 다음으로 DOF(Depth Of Focus)에 대해 설명하겠습니다. DOF란 Focus가 잘 맞는 영역, 즉 위아래로 Focus가 어느정도 일정한 범위를 의미합니다. 마스크와 렌즈 그리고 웨이퍼를 노광장비에 설치할 때 렌즈와 웨이퍼 사이의 간격에서 오차가 발생합니다. 이 때 DOF가 클수록 Process를 진행하는데 있어서 유리합니다.

 

 

 

 

 

-PEB(Post Exposure Bake)

Exposure Process가 끝난 웨이퍼는 다시 한 번 Track장비로 들어가서 가열을 해줍니다. PEB Process를 해줌으로써 PR에 있는 PAC를 활성화하여 PR표면을 평탄화해주고 Standing Wave를 개선해줍니다. 이 때, Standing Wave는 Exposure 시 빛의 간섭으로 인해 PR계면에 결이 생긴 것을 의미합니다. 만약 PEB를 하지 않은 상태에서 etching이 들어간다면 정확하게 etching이 되지 않고 CD의 균일도를 떨어뜨립니다. 따라서 신뢰성 이슈를 발생시킬 수 있는 Standing Wave이므로 PEB과정을 거쳐서 개선을 꼭 해줘야 합니다.

 

 

 

 

 

 

- Development

PEB까지 거친 웨이퍼는 Developer를 웨이퍼 상에 Spin Coating하여 exposed된 PR을 제거해줌으로써 웨이퍼 상에 회로패턴을 새기게 됩니다. 이 때, Developed된 찌꺼기들은 린스를 해주고 다시 한 번 더 Bake 해줍니다. 이 때 Bake과정이 바로 Hard Bake Process입니다.

 

- Hard Bake

Hard Bake를 통해 남아있는 Solvent와 Developer를 제거해줍니다. 이 때, Hard Bake를 해줌으로써 PR의 열적 특성을 향상하여 후속 공정에서 PR이 열적으로 변형되지 않게 해주고 결속력을 강화하여 etching이나 Ion Implantation 시 barrier 역할을 하게 만들어 줍니다.

 

 

 

 

 

- 최신 사진 공정 기술

 

 

- PSM(Phase Shift Mask)

위 그림을 보시면 마스크 패턴을 통과한 빛이 서로 영향을 줘서 제거하면 안되는 부분까지 제거가 되는 현상을 보실 수 있습니다. 이 때, Phase가 Shift된 Mask를 사용하면 서로 영향을 받지 않고 제거할 부분만 제거가 되는 것을 보실 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

- OPC(Optical Proximity Correction)

마지막으로 OPC라는 것에 대해 알아보겠습니다. Mask의 완벽한 이미지를 웨이퍼 상에 구현하기 위해서는 모든 회절된 빛을 이미지로 사용해야합니다. 하지만 포토공정에서 이미지는 주로 1차광이나 그 중 하나만 사용하므로 완벽한 회로패턴을 웨이퍼 상에 구현하기 어렵습니다. 이러한 한계점을 보완한 공정 기술이 바로 OPC로 마스크에 미세회로패턴을 넣을 때 이와 같은 오차를 고려하여 보정을 해주는 방식입니다.

 

 

 

여기까지 반도체 8대공정 1탄 : 포토공정(Photolithography) 개념정리를 마치겠습니다.

부족한 부분은 댓글로 피드백 주시면 감사하겠습니다!