2장 흐름
- 리소그래피란 정확히 무엇인가
- 왜 리소그래피가 반도체 성능과 수율을 좌우하는가
- 공정 순서는 어떻게 되는가
- HMDS, PR, 노광, 현상은 각각 무슨 역할을 하는가
- 세정 공정은 왜 중요한가
- 습식 식각과 건식 식각은 어떻게 다른가
- 노광 장비는 어떻게 발전했는가
- 왜 파장과 NA가 중요한가
- EUV, PSM은 왜 필요한가
- 리소그래피 결과는 어떻게 검사하는가
즉, 2장은 회로를 웨이퍼위에 정밀하게 그리는 방법을 배운다
리소그래피란 무엇인가
리소그래피는 쉽게 말하면 마스크에 있는 회로 패턴을 웨이퍼 위에 복사하는 공정이다.
웨이퍼 위에 감광재인 포토레지스트(PR : Photoresist)를 바르고 마스크를 이용해 빛을 쬐고 빛에 반응한 PR을 현상해서 원하는 패턴을 남기는 과정이다. 즉, 리소그래피는 실제 회로를 형성하기 위한 도안 작업이다.
중요한 점은 리소그래피 자체가 최종 구조를 다 만드는 것이 아닌 어디를 남기고 어디를 제거할지 패턴을 정하는 공정이고 그 다음 식각이나 이온주입 같은 후속 공정이 이 패턴을 따라 실제 구조를 만든다.
왜 리소그래피가 중요한가.
반도체는 매우 작은 선폭의 회로와 트랜지스터를 웨이퍼 위에 정밀하게 만들어야 한다. 그래서 패턴이 작아야 하고, 위치가 정확해야 하고 모양이 무너지지 않아야 하고 층과 층 사이 정렬도 정확해야 한다.
리소그래피가 조금만 틀어져도 선폭이 설계값과 달라지며 회로가 붙거나 끊어지고 소자의 전기적 특성이 달라져 불량이 증가하고 전체 수율이 떨어진다.
즉, 리소그래피는 단순 사진 찍는 공정이 아닌 반도체 미세화와 수율을 좌우하는 핵심 공정이다.
집적회로는 여러 번의 마스크 공정을 반복해서 만들어지기 때문에 리소그래피 한 단계의 오차가 전체 칩 품질에 누적 영향을 줄 수 있다.
리소그래피 전체 흐름
HMDS 처리 -> PR 코팅 -> 소프트 베이킹 -> 마스크 정렬 및 노광 -> PEB -> 현상 -> 하드 베이킹
이 과정 앞 뒤로 세정, 장벽 형성, 식각이 포함된다. 큰 공정 흐름으로 보면
- 웨이퍼 세정
- 표면 전처리 또는 장벽 형성(HMDS)
- PR 도포
- 소프트 베이크
- 마스크 정렬
- 노광
- PEB
- 현상
- 하드베이크
- 식각 또는 이온주입 등 후속 공정
웨이퍼 세정이 왜 먼저 필요한가
리소그래피는 매우 미세한 패턴을 다루기 때문에 웨이퍼 표면이 깨끗해야 한다.
먼지, 유기물, 미세 입자, 자연 산화막, 수분 등이 남아 있으면 PR이 제대로 붙지 않고 노광이 불균일해지고 패턴이 찢어지며 식각 결과가 망가진다.
세정은 단순 보조 작업이 아니라 패텀 품질을 좌우하는 핵심 전처리다. 뒤에서 다시 자세히 다루겠다.
HMDS처리와 장벽 형성
HMDS란 무엇인가?
HMDS는 Hexamethyldisilazane라는 물질이다. 웨이퍼 표면과 포토레지스트 사이의 접착력을 높이기 위해 사용한다.
왜 필요한가?
실리콘 산화막 표면은 수분을 잘 흡착하는 편이다. 그런데 PR은 이런 수분이 많으면 잘 달라붙지 않는다. 그래서 HMDS로 표면을 처리해서 소수성 특성을 강화 하고 PR이 잘 코팅되도록 한다.
소수성(Hydrophobic) : 물과 잘 섞이지 않고, 물을 밀어내는 성질
친수성(Hydrophilic) : 물과 잘 젖고, 물과 잘 결합하려는 성질
포토레지스트(PR)란 무엇인가
PR은 Photoresist, 즉 빛에 반응하는 감광성 재료야. 리소그래피에서 실제로 패턴을 형성하는 핵심 재료다.
간단히 말하면 마스크 패턴을 임시로 받아서 후속 식각이나 이온 주입에서 마스크 역할을 하는 것이다.
즉, PR은 최종 소자가 아니라 패턴 형성을 위한 임시 보호막이라 생각하면 좋다.
PR 코팅
보통 PR은 스핀 코팅(spin coating)으로 도포한다.
웨이퍼 중앙에 액체 PR을 떨어뜨리고 빠르게 회전시키면 얇고 균일한 막이 형성된다.
감광제는 일반적으로 액체 상태로 사용하는데, 웨이퍼를 진공 척에 물리고, 얇고 균일한 막을 얻기 위해 높은 속도에서 30~60초 정도 회전시킨다. 1000~5000rpm 정도로 회전시키면 두께는 2.5 ~ 0.5㎛ 범위가 된다. 감광제의 실제적인 두께는 그것의 점도에 따라 달라지며 회전속도의 제곱근에 반비례한다.
왜 균일해야 하나?
PR 두께가 균일하지 않으면 노광량이 부분마다 달라지고 현상 속도도 달라지고 최종 선폭(CD)이 불균일해진다.
Positive PR과 Negative PR
Positive PR
빛을 받은 부분이 화학적으로 변해서 현상액에 녹아 제거된다. 즉, 노광된 부분이 없어지는 PR이다.
Negative PR
빛은 받은 부분이 경화되거나 가교결합을 일으켜 현상 후에도 남는다. 즉, 노광된 부분이 남는 PR이다.
소프트 베이킹(Soft Bake)
PR 코팅 직후에는 PR 내부에 용매가 많이 남아 있어 이 상태로 바로 노광하면 막이 불안정해서 패턴 품질이 떨어진다. 그래서 소프트 베이킹을 통해 용매를 제거하고 RP막을 안정화하고 접착성을 개선한다. 즉 노광 전 PR 상태를 안정하게 만드는 단계다.
온도는 60~100도이며 공기 또는 질소 분위기에서 5~10분 진행한다. 너무 과도하게 열처리하면 감광 특성이 변할 수 있어 적절한 온도와 시간이 중요하다.
마스크란 무엇인가
마스크는 회로 패턴이 새겨진 원판이다. 빛이 통과하는 부분과 차단되는 부분이 있어서 PR 위에 회로 모양을 전사하는 데 사용된다. 반도체 공정은 여러 층을 형성하므로 각 층마다 다른 마스크가 필요하다. 그래서 마스크 수가 많을수록 공정이 복잡해지고 제조 난이도가 커진다.
정렬이 왜 중요한가
리소그래피는 한 번만 하는 공정이 아니다. 소자와 배선을 만들기 위해 여러 층을 차례대로 형성해야 한다. 그런데 새로 그리는 패턴이 기존 패턴과 조금만 어긋나도 접촉창이 빗나가고 배선이 연결되지 않고 트랜지스터 위치가 틀어져 회로가 오작동하게 된다. 즉, 리소그래피는 단순 선폭만 작은게 아니라 정렬 정밀도도 매우 중요하다.
노광(Exposure)
노광은 PR 위에 빛을 쬐어 마스크 패턴을 전사하는 과정으로 리소그래피의 핵심 중 핵심이다.
빛을 쬐면 PR 내부 화학 구조가 바뀌고 그 결과 현상 때 일부 부분만 제거되거나 남게 된다.
즉, 노광은 빛으로 패턴 정보를 입력하는 단계다.
PEB(Post Exposure Bake)
PEB는 노광 후에 수행하는 베이킹이다. 노광 후 PR 내부에서는 화학 반응이 진행되는데, 이 반응을 안정화하고 균일하게 만들어주는 역할을 한다.
PEB의 효과는 노광 후 화학 반응 안정화, 패턴 품질 향상, 해상도 개선, 선폭 제어 개선이다.
소프트 베이크는 노광 전 준비, PEB는 노광 후 반응 안정화로 구분하면 된다.
현상(Develop)
현상은 노광 후 PR을 현상액에 넣어 필요 없는 부분을 제거해서 실제 패턴을 드러내는 단계다. 리소그래피에서 노광만하면 패턴이 끝나는 것이 아니다. 현상을 해야 패턴이 눈에 보이는 형태로 나타나는 것이다. 현상의 결과가 중요한 이유는 이 후속 식각이나 이온주입의 기준이 되기 때문이다.
현상 후 남은 RP 패턴이 이후 공정의 실질적 마스크 역할을 하는 것이다.
하드 베이킹(Hard Bake)
현상 후 남은 PR 패턴은 아직 충분히 강하지 않을 수 있다. 그래서 하드 베이킹을 통해 RP을 더 단단하게 만들어준다. 주요 목적은 PR 기계적 강도 향상, 내열성 향상, 후속 식각에서 패턴 보호다.
감광제를 굳히고 기판에 잘 접합하는 최종적으로 견고하게 만드는 공정이다.
120~180도 온동에서 20~30분간 진행된다.
리소그래피 공정 전체를 정리해보자.
리소그래피는 웨이퍼 표면을 세정한 뒤 HMDS 처리로 접착력을 향상시키고, 포토레지스트를 균일하게 도포한 후 소프트 베이킹으로 막을 안정화한다. 이후 마스크를 정렬하여 노광하고, PEB를 거쳐 화학 반응을 안정화한 뒤 현상하여 패턴을 형성한다. 마지막으로 하드 베이킹을 통해 패턴의 내구성을 향상시키며, 이후 식각이나 이온주입 공정의 마스크로 사용된다.
세정(Cleaning) 공정 자세히 정리
아까 얘기하던 세정 공정을 따로 정리하겠다. 따로 강조하는 이유는 리소그래피가 오염에 매우 민감하기 때문이다.
SPM
SPM은 황산(H2SO4) + 과산화수소(H2O2)를 혼합한 세정액을 말한다. 주로 유기물 제거에 사용된다.
예를 들면 유기 오염, PR 찌꺼기, 표면 유기 잔사 즉, 유기물 세정용이다.
혼합 및 사용 시 강한 발열 반응이 발생하므로 주의해야 한다.
APM(SC-1)
APM 또는 SC-1은 보통 암모니아수(NH4OH) + 과산화수소(H2O2) + 초순수(물, DIW) 혼합액이다.
주로 미세입자(particle)와 유기 오염물 제거에 사용된다.
표면 손상이 발생할 수 있으므로 온도, 시간, 농도 제어가 중요하다.
DHF / BOE
이 둘은 주로 산화막 제거에 사용된다.
DHF는 HF를 물로 희석한 용약으로 자연산화막과 SiO2를 제거한다.
BOE는 HF와 NH4F를 혼합한 완충 식각액으로, 산화막을 보다 안정된 속도로 식각한다.
DHF - 빠른 자연산화막 제거, BOE - 안정적이고 제어된 산화막 식각
불산(HF) 계열 용액이므로 취급에 주의해야한다.
인산(H3PO4)
인산은 Si3N4(질화막)을 제거하기 위해 사용되는 습식 식각액으로 가열된 고온 인산을 사용하며 질화막을 비교적 빠르게 식각한다. SiO2 식각 속도는 낮아 질화막을 선택적으로 제거하는 공정에 유리하다.
질화막 패턴 형성이나 질화막 제거 공정에 자주 사용된다. 실제 식각 속도와 선택비는 온도, 농도 등에 달라진다.
간단히 정리하면
SPM: 유기물 제거
APM(SC-1): 입자 제거
DHF/BOE: 산화막 제거
인산(H3PO4): 질화막 선택 식각
식각(Etching)과 리소그래피의 관계
리소그래피는 PR 패턴을 만드는 공정이고, 식각은 그 RP 패턴을 기준으로 실제 재료를 제거하는 공정이다.
자주 틀리는 포인트가 리소그래피로 산화막을 제거한다 말하는 것인데 정확히는 리소그래피가 아니라 리소그래피 후 식각이 산화막을 제거하는 것이다.
습식 식각(Wet Etching) / 습식 화학 식각
습식 식각은 액체 화학약품으로 재료를 녹여 제거하는 방식이다.
특징은 공정이 비교적 단순하고 식각 속도가 빠를 수 있으며 일반적으로 등방성(isotropic) 식각 특성을 가진다는 것이다.
등방성이란 모든 방향으로 비슷하게 깍이는 걸 말한다. 아래만이 아닌 옆으로도 같이 깎이는 것이다.
그래서 마스크 아래쪽까지 파고드는 언더컷(undercut) 문제가 생길 수 있어 미세 패턴에 불리한 경우가 많다.
*식각률 : 조건에 따라 달라지며, 온도와 조성의 영향을 크게 받는다.
건식 식각(Dry Etching)
습식 에칭의 문제점을 피할 수 있는 이방성 에칭을 할 수 있다. 이방성이란 특정 방향, 보통 아래 방향으로 더 잘 깍이는 걸 뜻한다. 그래서 측면 손상이 적고 세밀한 패턴을 만들기 좋다.
플라즈마 식각(Plasma Etching)
RF(13.56MHz) 여기로 플라즈마 형성
활성종(F, Cl 등)이 표면과 반응하여 식각
스퍼터 식각(Ion Milling)
고에너지 Ar+ 충동에 의한 물리적 제거
높은 이방성, 낮은 선택도
반응성 이온 식각(RIE)
화학적 식각 + 물리적 스퍼터링이 함께 작용
미세패턴 형성에 널리 사용
대표 적으로 사용되며 방향성 제어가 좋으며 수직에 가까운 프로파일 형성이 가능하여 미세 패턴에 유리하다.
습식과 건식 식각 비교
습식 식각 : 화학용액 사용, 등방성, 언더컷 가능성 큼, 단순
건식 식각 : 플라즈마 사용, 이방성, 미세 패턴 유리, 정밀함
리소그래피 인쇄 방식의 기본 개념
대표적으로 접촉 인쇄, 근접 인쇄, 투사 인쇄 방식이 있다.
접촉 인쇄(contact printing)
마스크가 웨이퍼와 거의 직접 접촉하는 방식이다. 해상도는 좋을 수 있지만 마스크 손상 위험이 있다.
근접 인쇄(proximity printing)
마스크와 웨이퍼 사이에 작은 간격을 두는 방식이다. 마스크 손상은 줄이지만 회절 영향이 커질 수 있다.
투사 인쇄(projection printing)
레티클과 투영광학계를 이용해 웨이퍼에 축소상을 형성하여 정밀하게 투영하는 방식이다. 현대 첨단 리소그래피는 이러한 방식이 중심이다.
Stepper와 Scanner
Stepper
Stepper는 웨이퍼의 한 영역을 한 번 노광한 뒤 다음 위치로 이동(step)해서 다시 노광하는 방식이다.
Scanner
Scanner는 마스크와 웨이퍼를 정밀하게 움직이면서 빛을 스캔하듯이 노광하는 방식이다.
장점은 더 높은 정밀도, 더 큰 영역 처리 가능, 첨단 미세공정에 유리한 것이다.
즉, 스캐너는 스테퍼보다 고정밀, 고해상도, 첨단공정 대응성이 더 높다고 보면된다.
해상도(Resolution)란 무엇인가
리소그래피에서 해상도는 얼마나 작은 패턴을 구분하고 형성할 수 있는가를 의미한다.
선폭이 작을수록 해상도가 높다고 보면 된다. 해상도는 리소그래피의 성능을 나타내는 핵심 지표다.
해상도는 광원 파장과 광학계에 의해 제한된다. 대표점인 개념식은 다음과 같다.
간단히 파장이 짧을 수록 더 작은 패턴 가능하고, NA가 클수록 더 작은 패턴이 가능하다는 것이다.
개구수(NA)가 무엇인가
NA는 Numerical Aperture의 약자다. 렌즈가 빛을 얼마나 잘 모으고 집속할 수 있는지를 나타내는 값이다.
NA가 클수록 더 많은 빛을 모을 수 있고 더 세밀한 패턴 형성에 유리하다.
해상도 향상 방법은 더 짧은 파장과 더 큰 NA를 사용하는 것만 외우면 된다.
왜 짧은 파장이 중요한가
빛은 파동이기 때문에 파장이 길면 아주 미세한 구조를 선명하게 구분하기 어렵다. 패턴이 작아질수록 회절과 간섭의 영향이 커지고, 경계가 퍼지게 된다. 그래서 짧은 파장으로 발전해왔다.
EUV 리소그래피
가장 현대적인 기술로 소개되는 것이 EUV(13.5nm)다.
EUV란
EUV는 Extreme Ultraviolet의 약자로 극자외선을 얘기한다.
파장이 13.5nm인 극자외선을 사용하는 노광 기술이다.
왜 중요한가
반도체가 5nm, 3nm, 2nm 수준으로 가면 기존 DUV 기술만으로는 원하는 선폭 구현이 어려워져 더 짧은 파장의 EUV가 필요해진다.
의미
EUV는 단순한 신기술이 아닌 초미세공정을 가능하게 하는 핵심 광원 기술이다.
위상변위 마스크(PSM)
PSM은 Phase Shift Mask의 약자다. 단순 빛을 통과시키고 막는 것만이 아니라, 빛의 위상까지 조절하는 마스크 기술이다.
왜 필요한가
미세 패턴에는 인접한 선들이 서로 구분이 잘 안 될 수 있다.
빛의 파동 특성 때문에 경계가 흐려지기 때문이다.
PSM은 위상 차를 이용해서 이미지 대비(콘트라스트)를 높이고 패턴 경계를 더 선명하게 하고 해상도를 향상시킨다.
리소그래피에서 검사와 분석이 중요한 이유
패턴을 잘 만들었다고 끝이 아니다. 실제로 설계한 대로 잘 만들어졌는지 확인 필요하다. 여기서 확인해야하는 것으로는 다음과 같다.
- 선폭이 정확한가
- 모양이 무너지지 않았는가
- 정렬이 맞는가
- 표면 결함이 없는가
- 내부 계면 구조가 정상인가
CD(Critical Dimension)
CD는 Critical Dimension, 즉 핵심 치수를 뜻한다. 보통 회로에서 아주 중요한 선폭, 간격, 구멍 크기 등을 말한다.
예를 들면 금속선 폭, 게이트 길이, 콘택홀 직경 등이 될 수 있다.
왜 중요하냐면 CD가 설계값과 다르면 전류 특성이 바뀌고 저항 용량이 달라져 회로가 오동작할 수 있기 때문이다.
즉 CD 측정은 리소그래피 품질을 확인하는 기본 검사다.
광학현미경
광학현미경은 기본적인 표면 패터 관찰에 사용된다. 비교적 간단하고 빠르게 큰 결함을 확인할 수 있다.
특징은 사용 간편함, 넓은 영역을 빠르게 볼 수 있음, 큰 결함 확인에 유리함, 해상도는 전자현미경보단 낮음이 있다.
최대 배율은 약 1,000배 까지 가능하다.
아래는 ppt에 있길래 적어본다.
* 양시야(birght field) : 시료를 투과하거나 반사된 빛을 관찰하는 일반 방식이다.
* 암시야(dark field) : 산란광만 수집하여 미세 결함이나 입자를 더 잘 보이게 하는 것이다.
SEM
SEM은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)다. 전자빔을 이용해 표면을 매우 정밀하게 관찰한다.
특징으론 고해상도 표면 관찰 가능, 미세 패턴 분석에 매우 유리, 선폭, 모서리 ,측벽 형상 확인 가능이 있다.
과정은 다음과 같다.
전자빔의 표면 주사 -> 이차 전자 발생 -> 이차 전차 전류 밀도 -> 표면 형상
최대 배율은 10만 ~ 30만배이다. (전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM)은 100만배까지다.)
TEM
TEM은 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope)다. 전자빔을 얇은 시료 내부로 통과시켜 내부 구조와 계면을 분석한다.
특징은 원자 수준에 가까운 정밀 분석 가능, 내부 구조 관찰 가능, 박막 계면, 층 구조, 결정 상태 분석 가능한 것이다.
시편 두께는 일반적으로 매우 얇아야 한다.(예 : <= 100nm)
구분 포인트로 SEM은 표면 관찰, TEM은 내부/계면 관찰이다.
광학 현미경, SEM, TEM 비교
광학 현미경 : 기본 표면 관찰, 빠르고 간단, 해상도 낮음
SEM : 고해상도 표면 관찰, 미세 패턴 분석
TEM : 내부 구조와 계면 분석, 가장 정밀
총정리
리소그래피: 마스크 패턴을 웨이퍼의 포토레지스트에 전사하는 공정
PR(Photoresist): 빛에 반응하는 감광성 재료
HMDS: 웨이퍼와 PR 사이의 접착력을 높이는 전처리 물질
소프트 베이크: PR의 용매 제거 및 막 안정화
노광(Exposure): 빛을 조사해 PR의 화학적 성질을 변화시키는 단계
PEB: 노광 후 화학 반응을 안정화하는 베이킹
현상(Develop): 반응한 PR을 제거하여 패턴을 드러내는 단계
하드 베이크: 형성된 PR 패턴의 강도와 내구성을 높이는 열처리
Positive PR: 노광된 부분이 제거되는 PR
Negative PR: 노광된 부분이 남는 PR
SPM: 유기물 제거용 세정액
APM(SC-1): 입자 제거용 세정액
DHF/BOE: 산화막 제거용 세정액
인산(H3PO4): 질화막 선택 식각에 사용되는 용액
습식 식각: 화학용액을 사용하는 등방성 식각
건식 식각: 플라즈마를 사용하는 이방성 식각
Stepper: 영역별로 step-and-repeat 방식으로 노광하는 장비
Scanner: 스캔 방식으로 고정밀 노광하는 장비
해상도: 구분 가능한 최소 패턴 크기
NA: 렌즈의 집광 능력을 나타내는 수치
EUV: 13.5nm 파장의 극자외선 광원
PSM: 빛의 위상을 제어해 해상도를 높이는 마스크 기술
CD: 선폭 등 중요한 패턴 치수
SEM: 표면의 미세 구조를 관찰하는 전자현미경
TEM: 내부 구조와 계면을 관찰하는 전자현미경
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