엔지닉 반도체 스터디 제 4탄. 사실 오늘 오전 9시부터 16시까지 2차전지 세미나가 있어서 스터디 일기를 늦은 밤이 되어서야 쓰게 되었다. 9시부터 16시까지 점심시간 1시간을 제하고 스트레이트로 쭉 달리는 빡빡한 일정 탓에 지금 굉장히 피로하다. 다행히 오늘 듣는 것이 어제 배워 좀 알고 있는 NAND Flash와 포토공정이라서 다행이지, 어제 들을 거를 오늘 듣는 거였으면 상당히 피곤했을 것 같다 ㅋㅋ. 반도체 교육 구성이 예상외로 매우 알찬 나머지 친구한테도 추천을 했는데 그 친구도 반도체 취업을 생각하고 있지만 반도체에 대해 갈피도 못 잡던 애라 상당히 기대하고 있는 듯하다.
어제 NAND를 얘기하면서 Floating Gate 얘기를 많이 했는데, 사실 Floating Gate를 이용하는 NAND는 현재 거의 없다.
Floating Gate 구조 대신에 요즘 잘 나가고 있는 구조는 Charge Trap 구조로, NAND의 작동원리와 크게 달라진 점은 없고
다만 Floating Gate에서는 Poly-Si Gate를 이용하여 그 속에 터널링된 전자를 포집하였다면 Charge Trap 방식에서는 실리콘 질화막인 SiN을 이용하여 터널링된 전자를 포획한다는 점이 다르다.
후자의 방식에서는 Charge Trap을 이용하여 전자를 붙들어 놓기 때문에, 도체의 성질을 가져 전자가 자유전자의 형태로 마구 움직이며 그 Poly-Si 안에 포집되어 있던 Floating Gate 구조와 비교하여 Charge Trap 방식에는 여러 이점이 존재한다.
우선 중구난방으로 움직이는 전자 탓에 Floating Gate 구조에서는 인접한 다른 Cell 내의 전자와의 상호작용으로 인한 간섭이 존재한다.
가뜩이나 Cell 밀집도를 높여 단위면적당 용량을 높이는 것이 명확한 발전방향인 NAND에서 Floating Gate 구조는 단점을 갖는 것이다.
또한 높은 이동성을 갖는 Floating Gate 내의 자유전자가 도로 Tunneling Oxide를 통하여 기판으로 돌아가는 것을 방지하기 위하여, Floating Gate 구조에서는 Tunnel Oxide를 비교적 두껍게 만들 필요가 있다.
이 또한 NAND Cell 미세화의 방향과 상반되는 내용이다.
그리고 Tunnel Oxide가 두껍기 때문에 다시 기판에서 Floating Gate로의 전자의 Tunneling을 위해 Control Gate에 가해야 하는 전압이 증가한다. (Program Bias Voltage의 증가)
더군다나 두꺼운 Tunnel Oxide는 얇은 Oxide보다 물리적으로 전자가 통과해야 하는 길이가 길기 때문에 중간에 Oxide 층 안으로 전자가 포집될 확률 또한 커져, Oxide의 Endurance가 감소한다.
확실하게 여러 측면에서 Floating Gate가 Charge Trap 형보다 단점을 갖기 때문에 현재의 NAND는 Charge Trap형 구조로 갈아탔다.
다음은 드디어 반도체 8대공정으로 넘어가, 포토공정을 배웠다.
8대공정은 사실 반도체 제조에 있어 마치 그림판의 도구들과 같이 반복적으로 사용하는 기본 단위 공정이 되는만큼 더 자세하게 알고 싶은 사람은 엔지닉 반도체 책과 같은 반도체 책을 사서 정독해보는 것을 추천한다.
포토공정의 정의는 Mask 상의 패턴을 'PR로 전사하는' 공정이다.
이거 정말 중요하다! 포토공정으로 패턴을 짜잔 하고 만드는 게 아니라, 포토공정은 마치 복사 붙여넣기와 같이 단순히 미리 만들어 둔 패턴을 PR로 옮기는 것에 불과하다.
또한 현재의 반도체는 복잡한 층상구조를 갖고 있는 데다가 미세화의 영향으로 공정이 복잡해졌기 때문에,
하나의 반도체를 완성시키기 위해서는 수십 번의 포토공정을 반복해서 진행하여야 한다. (상황마다 새기고 싶은 패턴이 매번 다를 테니깐)
그에 따라 수십 장의 마스크가 존재한다.
마스크는 레이저 커팅을 하듯이 e-Beam Lithography로 만드는데, 빛을 쫘라락 쬐는 포토공정과 비교해서 시간이 매우 오래 걸려 생산성이 떨어지나, 정확도는 매우 높다.
하지만 마스크를 만들어서 대량생산 하는 것도 아니고, 마스크는 생산될 반도체의 패턴 원본 역할을 하기 때문에 생산성이고 뭐고 마스크는 무조건 정확, 정밀성이 제일이다.
포토공정의 과정에 대해 간략하게 써보겠다. (Positive PR 기준)
포토공정은 우선 HMDS 증기를 Oven에서 얇게 Wafer 상에 도포하는 것으로부터 시작된다.
해당 과정을 Vapor Prime 또는 Wafer Prime으로 부른다.
웨이퍼 자체는 소수성이지만 표면에 Oxide 층이 생성된 웨이퍼는 친수성을 띄기 때문에 이 위해 유기 고분자인 PR을 도포하려고 하면 잘 붙지 않는다.
따라서 PR이 웨이퍼 위에 잘 붙도록 웨이퍼 표면에 소수성 처리를 하는 것이 바로 이 과정이다.
Wafer Prime을 끝낸 웨이퍼에는 Spin Coating으로 PR을 도포한다. 이때, PR의 두께는 PR의 종류(점도)와 RPM으로 조절할 수 있다.
여담으로 그저 원심력을 이용해 PR을 털어내는 것이기 때문에 웨이퍼의 Edge 부분 등에 PR이 다른 부분보다 더 잔류하고 있다거나 하는 문제가 발생할 수 있는데, 이는 이후에 Laser 따위로 잉여 부분에 국부적으로 빛을 쬐어 Developer로 녹여 버리던가 물리적으로 깎아내던가 하여 보완할 수 있다.
PR 도포가 끝난 웨이퍼는 오븐이나 가열판으로 옮겨져 가열되는데 (Soft Bake), 이는 Spin Coating할 때 쓴 Solvent를 날려 보내는 데에 주목적이 있다.
다음은 웨이퍼를 노광기 안에 넣어 마스크의 패턴과 실제 패턴이 입혀지길 원하는 부분이 제대로 정렬되어 있나 확인을 하고 (중요하다!)
노광을 시작한다.
노광이 끝난 웨이퍼는 다시 Soft Bake 때와 같이 오븐이나 가열판에서 가열되는데 이는 빛을 쬐어 결합이 느슨해진 부분과 빛을 쬐지 않아 남아 있어야 하는 부분 간의 차이를 명확하게 해준다. (Post Exposure Bake)
또한 아무래도 빛을 이용하여 포토공정이 진행되기 때문에 빛의 회절, 반사와 같은 현상으로 인한 문제가 발생하는데 그 중 하나가 Develop 후에 남아있는 PR의 벽면에 반사파 Standing Wave로 인한 물결무늬이다.
PEB에서는 열을 이용하여 다시 이 PR의 벽면을 일자로 매끄럽게 Reflow 시킴으로 물결무늬를 제거하는 역할 또한 한다.
물론 참고로 물결무늬는 Develop 이후 빛을 쬐지 않아서 남게 되는 PR의 벽면에서 관찰되는 것으로, Develop을 하기 전인 PEB 단계에서는 PR 벽면의 물결무늬를 관찰할 수 없다.
PEB가 끝나면 Developer 용액을 이용하여 선택적으로 빛을 쬔 PR을 제거한다. 이것이 Develop 과정이다.
예전 필름 카메라 시절, 사진을 인화하는 과정 또한 Develop한다고 하는데 이를 생각하면 Develop 과정에서 뭘 하게 되는지 쉽게 연상이 가능하다.
빛을 쬐지 않은 PR만이 남아있는 웨이퍼는 다시 오븐이나 가열판에 올려져 Hard Bake 과정을 거친다.
앞서 말했듯이 포토공정은 단순히 PR에다가 패턴을 옮기는 것으로 실질적으로 PR이 아닌, 패턴이 새겨지기를 원하는 물질에 패턴을 새기기 위해서는 패턴 모양으로 잔류한 PR을 기준으로 패턴을 만들고 싶은 물질을 제거하는 Etch 공정이 필요하다.
따라서 정확한 패턴의 형성을 위해서는 PR은 Etch 공정 때까지 움직이지 않고 딱 붙어있어야 하겠다. 이를 위하여 진행하는 것이 바로 이 Hard Bake.
드디어 포토공정이 완료되었고, 남은 것은 포토공정이 잘 진행됐는지 검사해보는 단계가 되겠다.
특수한 장비를 이용하여 웨이퍼를 들여다 보고 패턴의 모양을 관찰하며 패턴 간 길이, 패턴의 폭 등의 파라미터를 측정해본다.
만약 포토공정이 잘 진행되지 않았다면 다시 PR을 모두 녹여 포토공정을 다시 진행시킨다.
(PR에만 패턴을 새긴 것이므로 PR을 다시 전부 녹이고 포토공정을 처음부터 진행시키는 것이 가능함을 유의)
이때 Critical Dimension이라는 말이 등장하는데, 이 단어 정말 중요하다. 이름부터 크리티컬이다. 중요하지 않을리가.
Critical Dimension은 말 그대로 중요한 부분으로, 포토공정으로 새기고자 하는 패턴에서 가장 핵심적이고 중요하며 성패를 결정할만한 기준이 되는 곳을 의미한다.
따라서 Critical Dimension은 딱히 어느 한 곳으로 정해져 있는 것이 아니라, 상황마다, 즉 새기고자 하는 패턴의 종류나 모양마다 어느 것이든 될 수 있다.
이 CD를 이용하여 포토공정을 평가하고 수정을 가하는 것이기 때문에, CD는 마치 포토공정 엔지니어가 포토공정의 결과값으로 바라는 대표적인 것이라고 할 수 있겠다.
데일리미션
Q1. SRAM과 DRAM, NAND의 차이점을 데이터, 응용, 셀 크기, 내구성 등으로 분류하여 정리해보세요.
SRAM은 6개의 트랜지스터로 구성되어 Invertor Latch를 이용하여 데이터를 저장하는 메모리로써, 속도가 가장 빠르지만 셀 구조가 커 고용량화에 불리하다. 따라서 SRAM은 주로 CPU 등의 중앙연산장치에 내장된 캐시 메모리로 사용된다. DRAM은 1개의 트랜지스터와 1개의 Capacitor로 구성되어 Capacitor 내에 저장된 전하량으로 데이터를 저장한다. Capacitor에서는 주변으로의 누설전류가 발생할 수 있기 때문에 데이터의 보존을 위해서는 데이터를 주기적으로 Refresh하는 과정이 요구된다. 이러한 과정 때문에 DRAM은 SRAM보다 속도가 느리지만 고용량화에 용이하여 주메모리로 쓰인다. NAND는 Floating Gate, 혹은 Charge Trap을 이용한 전자 포획에 따라 달라지는 MOSFET의 Threshold 전압 이동을 이용한 것으로 하나의 트랜지스터로만 구성되어 한 Cell의 크기가 제일 작아 고용량화에 매우 유리하며, 전자가 포집된 부분은 Dielectric으로 둘러싸여 있기 때문에 전원 공급이 중단되어도 데이터의 손실이 발생하지 않는 비휘발성을 띈다. 따라서 NAND는 저장매체로 활용된다.
Q2. 포토 공정이 어떻게 진행되는지 그 과정을 정리하고, 각 과정에 대한 설명을 간략하게 작성하세요.
포토공정은 웨이퍼의 표면을 소수성으로 만들어 PR의 접착력을 증가시키기 위한 Wafer Prime 단계에서 시작된다. 그 다음으로는 Spin Coating으로 PR을 도포하고 Soft Bake하여 PR 층에 남아있는 잔류 Solvent의 대부분을 증발시킨다. Soft Bake를 마친 웨이퍼는 노광기에서 마스크와의 정렬을 마친 후 노광을 진행한다. 노광을 마친 웨이퍼는 Standing Wave로 형성되는 PR 측면의 물결무늬를 완화하기 위하여 Pre Exposure Bake시킨다. PEB를 끝낸 웨이퍼는 비로소 Developer를 이용하여 PR의 종류에 따라 빛을 받은 부분과 빛을 받지 않은 부분을 선택적으로 용해시킨다. 남은 PR 부분은 후속 공정을 위해 접착력을 강화시키고 견고하게 만들 필요가 있다. 따라서 Develop이 끝난 웨이퍼는 오븐이나 가열판 위에서 Hard Bake 된다. 마지막으로 Hard Bake까지 마무리 된 웨이퍼를 검사하여 다음 공정으로의 진행 여부를 결정하는 것으로 포토공정은 마무리된다.