[Photo 공정 심화1]

1. Photo 공정의 개요

2. Track 구성/표면 처리/PR Spin Coating

3. Soft bake/Alignment/Exposure

4. PEB/Development/Hard bake/ADI 검사

5. Resolution과 DOF/NA/광원과 파장

6. Resolution 향상 방안 및 EUV/DPT/Q PT

7. PSM/OPC

8. Photo 현장 실무

9. Photo 불량 사례 (1) (2)

 

◆ CMOS Vertial Profile

 

- N+, P+ : 고농도 (E15개/cm2) 불순물 주입된 전자, 정공

- N-, P- : 저농도 (E13개/cm2) 수준 불순물 주입

- Al-Cu : 99% Al에 0.5%가량 CU 합금

  => 왜? Electro migration 예방하기 위해 Cu

 

[층 별 이름]

- Shallow Trench Isolation (STI) : NMOS, PMOS Isolation

- Sidewall Spacer (USG : Undoped Sillicate) : LDD구조 (HCE/HCI Hot carrier effect? injection? 방지)

- Pre Metal Dielectric : PMD, PSG, BPSG

- Inter Metal Dielectric : IMD (Metal 간의)

- Inter layer Dielectric : ILD 

- Boron Phosphorous Sillicate Glass :BPSG

- Anti Relection Coating: ARC, SiON 막질 이용

- W-CVD, TiN-CVD(파란색 barrier metal, W깔기 전에)- Passivation Dielectri : PD, Oxide

 

 

1. Photo 공정의 개요

 

[Photo 공정 목적]

- 마스크 상에 설계된 패턴을 웨이퍼 상에 구현하는 기술 (Mask=Reticle)

- 웨이퍼에 감광 성질을 가지고 있는 PR을 도포한 후, 마스크 패턴을 올려높고 자외선 등의 빛을 쬐어 회로 패턴을 전사

- 형성된 감광막 패턴은 후속 공정인 식각 or 이온 주입시 barrier역할

 

[Photo 공정 요구 특징]

- 최소 선폭 : High Resolution

- 패턴 선명도 : High PR Sensitivity

- Overlay 정확도 : Precision Alignment

- 정확한 공정 Parameter : Coating, bake, alignment, development 조건

- 낮은 Defect : 낮은 불순물, 낮은 불량 패턴

 

[Photo Resist]

(1) 용제 (Solvent) : 감광제가 기판에 도포되어 사용될 때까지 액상 유지

(2) Resin (Polymer) : 결합체로 사용되어 막의 기계적 성질 (두께, 유동성, 접착도, 열에 의한 유동)

(3) Photoactive Compound(PAC) 감광제 : 빛을 받아 광화학 반응을 일으켜서 Pattern 형성에 기여 (Sensitizer라고도 함)

(4) Inhibitor : 알칼리 수용액에 불용성 역할 (?) => DUV(ArF, KrF)에서만 사용!!

=> 평상시에 Develop 용액에 안녹음. 빛을 받으면 Develop 용액에 잘 녹게

* 첨가제!!

 

* 양성 PR : 노광 영역 현상 -> 미 노광 영역의 패턴 남음 (대부분 사용)

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

* 음성 PR : 미노광 영역 현상 -> 노광 영역 패턴 남음

빛을 받은 부분이 가교(Cross-linking)가 형성되어 현상 시 불용해

Positive PR	Negative PR
산화막과의 접착도 나쁨 Swelling X Scum의 형성 X 현상액 수용액(TMAH) based Step coverage 높다 플라즈마 저항성 very good 열적 안정도 good 비용은 높다	산화막과의 접착도 좋음 Swelling 문제 (현상시 부풀어오름) Scum의 형성 O 현상액 유기 용매 Step Coverage 낮다 플라즈마 저항성 낮음 열적 안정도 bad 비용은 낮다

* Swelling : Develop 시 부풀어 오르는 현상

* Scum : PR 제거 시 달라붙는 현상

 

* Space : 빈 공간 / Bar 

 

2. Track 구성/표면 처리/PR Spin Coating

 

Photo 공정 완료 -> 감광제 제거 & Cleaning -> Film 증착 -> 표면 처리 -> Phoo 공정 다시 반복

만약 불량 발생 시 재작업 가능 (Rework)

 

◆ Track 장비

- Coater, Developer, Bake

- 대부분 공정이 Track! 

- Yellow room (공정 설비 배치 시 고려해야 할 사항이기도 함!)

* Stepper -> Scanner 사용!

 

 

* 2일차 강의 내용 소환!

1) 표면 처리 (HMDS 처리) - Prime	웨이퍼 표면은 친수성 웨이퍼 표면을 소수성으로 변경 (PR은 소수성) 웨이퍼 표면과 PR 간의 접착력 증가 (Hexa Methyl Di-Silazane)
2) 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.
3) Soft Bake	오븐 또는 가열판 (90~110도) PR 내 잔류 용매 제거 노광 장비(렌즈) 및 마스크 오염 방지
4) Align & Exposure	정렬-이전 형성된 층과의 위치 정합성을 맞춤 노광-마스크에 빛을 조사하여 PR의 화학적 반응 유도
5) 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
6) 현상 Develop	현상액 분사 -> 선택적으로 PR을 제거 양성PR (알칼리 용액 현상액) /음성 PR (유기용제 현상액/ Swelling 현상)
7) Hard Bake	PR 내 잔류 용매, 현상액 제거 후속 공정을 위해 PR을 더욱 견고히 하기 위함 100~120도
8) Develop Inspection	1) CD (Critical Dimension) 2) Overlay 정렬오차 3) 패턴 및 이물질 검사  => 재 작업 여부 결정(rework)

1) 표면 처리 (HMDS 처리) - Prime

웨이퍼 표면은 친수성 웨이퍼 표면을 소수성으로 변경 (PR은 소수성) 웨이퍼 표면과 PR 간의 접착력 증가 (Hexa Methyl Di-Silazane)

- Wafer Cleaning!! (자연 산화막 제거)

- Dehydration Baking : Si 기판 수분 제거

- Wafer Primer (밑칠) : 접착력 향상 HMDS 도포

 

2) 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.

- 도포 두께에 영향을 주는 요인  (대략 0.5~1μm 두께)

  : 점성 계수, 다중체(Polymer) 함량, 회전 속도(+가속도), 웨이퍼 크기 등 

   스핀 Speed는 1000~10000rpm 범위

=> Coating후 편평도(Center, Edge간)가 중요하다!

=> 각 Step 마다, 목적에 따라 PR 두께가 다르다. 

=> 모든 Focus는 수율!

 

* 공정 표준이 다 있음. 이런거 부터 보고 학습해야하는 것이 공정 엔지니어의 역할! 

  웨이퍼 표면에 어떻게 균일하게 PR 도포를 할 까? 최적의 레시피!!

 

- PR 두께

* PR 도포 시 처음부터 돌면서 뿌리는 경우도, 처음에는 멈춰놓고 이후에 돌리는 경우도 /

  PR 나오는 속도(Dispense rate)도 중요!

  PR Suck back 마지막에 다 뿌리고 빨아들여야 함. (이후 말라버려, 점도 차이 나거나, 중간에 떨어지면 Defect 유발)

  => 회사마다 노하우! 

◆ Stages of Resist Coating

떨어뜨리고 돌리다보면 원심력에 의해 2) 같이, 더 오래 돌리면 산모양으로 됨 3) 

4)의 Edge Bead 제거 해야함 Defect 유발 요인! => EBR (Edge Bead Remove) 진행!

 

▶ 불량 유형

  ① Edge beda : Edge Pattern 불량 유발 -> EBR 진행(Edge bead remove)

     - 방법1) Thinner 바깥쪽에만 Solvent 뿌려서 제거

     - 방법2) Wafer Edge Exposure (WEE) - 바깥쪽을 노광! 뒷 공정에서 현상할 때 녹아 없어짐

 

  ② Particle등에 의한 Streak (줄무늬, 가닥)

 

3) Soft Bake

오븐 또는 가열판 (90~110도) PR 내 잔류 용매 제거 노광 장비(렌즈) 및 마스크 오염 방지

70~95도, 4~30분

 

▶ 목적

- 용제를 증발시켜 PR을 건조

- 접착도 향상

- Annealing 효과로 Spin 동안 형성된 응력 완화

 

▶ 방식

- convention oven(생산량 good, 동일 온도 가능) - Solvent가 Trapping되어 제거 X

- IR oven - 온도 조절 힘듦 (잘 안 씀)

- Hot plate (가장 많이 씀) - 온도 Control good, no solven trap, 한 wafer 씩(자동 처리 장치 필요)

- 초고주파 oven

 

▶ Soft bake 불량 유형

- 과소 : 마스크 접착 불량(용제의 휘발 부족) -> lifting

- 과대 : 열 다중화에 의한 Scum 발생

=> 최적의 조건 찾는 것이 공정 엔지니어!

 

4) Align & Exposure

정렬-이전 형성된 층과의 위치 정합성을 맞춤 노광-마스크에 빛을 조사하여 PR의 화학적 반응 유도

[Align]

- Mask layer를 wafer에 정확히 맞추는 작업

- overlay accuracy (O.A란 전 Step 및 후 Step 간의 정렬 상태를 나타내는 지수)

- X,Y offset/ X,Y-Scale / Chip rotation / Chip magnification / Wafer roatation / Orthogonality

 

[Exposure]

- 감광막에 UV 빛을 조사 -> 패턴이 형성

- 노광 장치 : 접촉형, 근접 투사형, 투사 반복형(stepper/scanner) 패턴이 축소되면서 해상도 향상!

- Reticle에서 Fiducials (기준)

 

★ Miss Align은 Photo 공정에서 가장 주의해야 할 불량!!

Stepper(5:1축소)	Scanner(4:1축소)
Step and Repeat : 면 단위로 하나씩 프린팅 4Die/shot	Step and Scanner : 마스크와 노광장비 이동으로 선단위프린팅하는 방식
회로를 그릴 수 있는 마스크 패턴이 작음	더 많은 패턴 그려 넣을 수 있음 렌즈 수명이 더 길다 CD Control 유리 패턴의 왜곡 ↓