[2일차] Part 2. 반도체 공정 (포토공정)

1. 포토 공정 개요

2. 포토 세부 공정

3. 포토 공정 설비

4. 노광 공정 주요 파라미터

5. 해상도 개선 기술

6. 최신 포토 공정 EUV

 

 

1. 포토 공정 개요

 

1) 포토공정 정의

설계자가 설계한 반도체 회로 정보를 담고 있는 마스크 상의 패턴을

웨이퍼 상에 도포되어 있는 포토 레지스트에 전사 시키는 공정 

-> PR 은 후속 식각 및 이온 주입 공정의 Masking역할

 

* 전사 - 패턴 형성 - 패터닝 - Define(현장에서 많이 사용!) 

ex) 포토 공정을 통해 패턴을 Define한다.

 

* 양성 PR : 빛을 받은 부분이 현상 시 현상액에 대해 불용성->용해성으로 바뀜(Chain 끊김)

* 음성 PR : 빛을 받은 부분이 가교(Cross-linking)가 형성되어 현상 시 불용해

 

2) 포토 마스크

- 반도체 회로 정보를 담고 있는 정밀한 원판

- 석영(quartz) 기판 위에 증착된 차광막(Cr)에 전기적 회로를 형상화 한 판 (layer 별, 수십장)

 

* 제작 방법

- 원재료 (블랭크 마스크) : 석영, 크롬 - 열 팽창 계수↓, 투과율↑, 기계/화학적 내구성

- 제작 공정은 웨이퍼 포토/식각 공정과 유사 - 마스크 대신 전자 빔으로 그림. (E-beam lithography)

- 펠리클 (Pellicle) : 마스크 보호(오염 등) 및 파티클에 대한 패터닝 불량 방지 목적 (얇은 고기능성 막)

 

2. 포토 세부 공정

 

표면 처리 (HMDS 처리) - Prime	웨이퍼 표면은 친수성 웨이퍼 표면을 소수성으로 변경 (PR은 소수성) 웨이퍼 표면과 PR 간의 접착력 증가 (Hexa Methyl Di-Silazane)
PR 도포	PR : 고분자 수지(resin) + 감광제(PAC or PAG) + 용제(solvent)  Spin coater의 노줄로 웨이퍼에 분사 (원심력에 의해 균일 도포) PR 두께 : 회전 속도와 점도에 의해 회전 도포 시 대부분의 용제는 휘발됨.
Soft Bake	오븐 또는 가열판 (90~110도) PR 내 잔류 용매 제거 노광 장비(렌즈) 및 마스크 오염 방지
Align & Exposure	정렬-이전 형성된 층과의 위치 정합성을 맞춤 노광-마스크에 빛을 조사하여 PR의 화학적 반응 유도
PEB(Post Exposure Bake)	PR의 화학 작용 촉진!!(100~120도) (PAG로부터 생긴 Acid 활성화) - 화학 증폭형 PR (DUV노광시 사용)의 산(Acid) 발생 촉진 -> 필수! - Standing wave effect (정재파 현상)에 의한 PR 측벽 물결 모양 완화   -> 수직화 - 음성 PR의 가교 형성 -> UV용 PR
현상 Develop	현상액 분사 -> 선택적으로 PR을 제거 양성PR (알칼리 용액 현상액) /음성 PR (유기용제 현상액/ Swelling 현상)
Hard Bake	PR 내 잔류 용매, 현상액 제거 후속 공정을 위해 PR을 더욱 견고히 하기 위함 100~120도
Develop Inspection	1) CD (Critical Dimension) 2) Overlay 정렬오차 3) 패턴 및 이물질 검사  => 재 작업 여부 결정(rework)

 

3. 포토 공정 설비

1) Track 설비

 

** Bake 과정 후 Chilling (냉각) : 후속 공정 영향 최소화 및 웨이퍼 열 팽창 방지!

* Track + 노광 설비

 

면적을 줄이는 적층 트랙 시스템/ 비용 절감.

 

2) 노광 설비 발전

- 노광 시스템 : 접촉 Contact - 근접 Proximity - 투사 Projection

- 노광원 : 단 파장화로 해상도 개선

[투사 노광법]

중간에 Projection 렌즈!

Defect X

고해상도 구현

축소 마스크 (마스크 제작 용이)

Stepper(5:1) /Scanner(4:1)

 

* EUV : Plasma를 써서 광원을 만들었음!! Laser Produced Plasma (LPP)

 

4. 노광 공정 주요 파라미터

1) 노광 공정 원리

노광은 빛의 굴절, 간섭, 반사 특성을 이용하여 마스크 상의 정보를 웨이퍼의 PR에 전달하는 과정

회절 된 빛을 얼마나 많이 렌즈로 모을 수 있는가가 관건이다.

 

[Slit 사용]

같은 Slit에서 단파장일수록 회절각 작고!

but, 미세화에 따라 좁은 Slit의 마스크 -> 회절각이 커짐!

=> 파장을 줄여서 세타를 줄이거나, NA를 키우거나.

 

2) 해상도 (분해능, Resolution)

- 웨이퍼 상에 전사 가능한 최소 패턴 크기

- 작을 수록 해상도가 좋음을 의미

 

레일리 Rayleigh 공식 

n= 굴절률! (공기중 n=1)

NA=nsinθ = r/F (=tanθ)

 

3) 초점 심도 (DOF Depth Of Focus)

- 마스크와 광학계 그리고 웨이퍼를 상대적으로 정렬할 때 허용 가능한 수직 정렬 오차의 척도

- 초점을 벗어나 노광을 해도 패턴의 크기 및 모양의 변경이 소자가 요구하는 spec 내에 있는 초점 여유도

- 최적 초점 면의 앞 뒤로 선명한 상을 얻을 수 있는 거리

- 클수록 DOF 여유가 좋음을 의미!

- Res ~ DOF는 Trade off 관계!

- 초점심도 DOF 개선 -> ① CMP 평탄화, ② PR 두께↓

 

5. 해상도 개선 기술

1) 고 NA화 - ArF Immersion (193nm)

- 렌즈와 웨이퍼 사이 공기 대신 고 굴절률 매질(초순수) 사용 -> 해상도 개선

- 동일 NA - 굴절률↑ - 굴절 각도 ↓ - 해상도 개선 없음. (스넬의 법칙)

- 웨이퍼로 입사되는 빛의 전반사 임계 각도 증가 -> 대구경 렌즈(NA>1) 사용 가능 -> 해상도 개선 가능!

 

* 초순수 (DI Water)

- n=1.44 @193nm ArF

- 낮은 광 흡수율 <5%

- PR 및 렌즈 재료와 호환 되나 일부 문제도 존재(?)

- 초순수 형태로 오염 최소화

 

 

2) 공정 파라미터 (k1)값 저감

- 각 업체 별 공정 능력

대표사진 삭제

사진 설명을 입력하세요.

① 비 등축 조명 노광 (Off Axis Illumination, OAI)

- 기존 수직 입사 조명 : 0차광 렌즈 집광 못함 - 웨이퍼에 상을 맺지 못함.

- 빛의 (경사지게)사입사 : 0차광과 +1 또는 -1차광 집광 => 해상도 개선

대표사진 삭제

 

사진 설명을 입력하세요.

 

② 위상 반전 마스크 (Phase Shift Mask, PSM)

- 이진 마스크 (binary mask) : 미세 패턴 → 투과광 상호 간섭 → 해상도 열화

- PSM : 마스크의 석영 부분에 반전 물질(Shifter) 설치

Shifter 부분 통과한 빛의 위상이 180도 변화

 

③ 광 근접 보정 (Optical Proximity Correction)

- 빛의 집중, 산란, 패턴 밀도, 주변 환경의 영향 → 포토 공정 후 왜곡 현상 예상 (취약 패턴)

- 의도한 설계 평면도와 유사한 PR 패턴이 형성 되도록 설계, 평면도상 패턴 일부를 보정

- 경험(rule)이나 컴퓨터 시뮬레이션(model)을 통해 OPC 및 마스크 제작 시간과 비용 → 원가 상승

 

④ 반사 방지 코팅(Anti-Reflective coating, ARC)

- 하부층 : 빛의 반사 미 산란 → 해상도/DOF 열화

- PR 상하부 ARC, BARC → 빛의 반사 최소화/흡수

 

⑤ 다중 패터닝 (Multi-Patterning)

- ~30nm 이하의 미세 패턴 확보 (포토 공정 한계 이하의 미세 패턴 형성)

- 피치(Pitch) 분할 방식 : 이중 패터닝(Litho-Etch-LE) - 주로 logic 제품 적용

포토 공정 2회 부담, 정렬 문제, 미세 패턴 -> 3회 LELELE

- 자기 정렬 방식 : 2중(4중) 패터닝 SADP/SAQP (Self aligned double (quardruple) patterning) - 주로 메모리 제품 적용

포토 공정 1회, 정렬 오차 없음.

 

 

 

6. 최신 포토 공정 EUV

1) EUV 도입 배경

- 다중 패터닝 공정 step 수 및 TAT 감소 (3~6배) -> 공정 원가 감소 (15~50% 감소)

  *TAT:Turn around time, 웨이퍼의 투입부터 최종 공정 완료까지 걸리는 공정 시간.

- 정렬 오차 감소 (overlay error)

- 패턴의 정확도(fidelity) 개선

- logic 제품(<7nm), DRAM (1z or 1a~), NAND는 3D 구조로 적용 계획 없음.

 

2) EUV 광원

- 주석(Sn) 액적(녹여서 방울 방울 떨어뜨림) -> CO2 레이저 조사 -> 플라즈마 발생 (LPP, Laser Produced Plasma)

  => 이 플라즈마에서 발생하는 빛이 EUV 13.5nm

- 극 단파장 (고에너지 ~92eV)으로 모든 물질에서 강한 흡수 ( 진공 시스템 필요, 회절 광학계가 아닌 반사 광학계)

3) EUV 광학계

- 굴절 광학계가 아닌 반사 광학계 사용

- 거울형 렌즈 및 마스크 (분산 브레그 반사경, DBR, Distributed Bragg Reflector) -> 반사율 ↑

 (서로 다른 굴절율을 가진 물질 여러층으로 만들어서 보강 간섭 시켜서 반사율 높임) : Si, Mo 사용

 

4) EUV 마스크 

- 반사형 마스크, 반사형 렌즈와 유사하게 Si과 Mo 적층 구조

- 반사층과 흡수층에서의 빛의 반사와 흡수로 패턴 형성

반사층에 들어간 빛은 반사 - 웨이퍼에 전사

흡수층에 들어간 빛은 흡수 - 웨이퍼에 전사 X (기존의 Cr역할)