엔지닉 반도체 스터디 5일차이다. 조금 알고 있던 반도체 8대공정 영역을 배우다 보니, 해당 반도체 교육이 설렁설렁이 아니라 꽤나 심도있고 균형잡히게 구성되어 있구나 싶은 느낌을 받을 수 있었다. 까먹은 부분도 되짚으며 다시 복습할 수도 있었고, 자세하게 모르던 영역도 배우게 되어 오늘 강의는 특히 마음에 들었다. 처음에는 기초만을 탄탄히 할 생각으로 들었던 강의였지만, 기초는 물론이고 심화 내용도 조금 배울 수 있어 정말 든든한 느낌이 든다. ㅋㅋ
앞서 말했듯이, 포토공정은 빛을 이용하여 Mask의 패턴을 PR로 전사하는 과정이라고 말한 바있다.
PR이 빛을 받아 결합이 느슨해지거나 견고해지는 성질을 갖고 있기 때문에 이것이 가능한 것이다.
노광 과정은 마치 사진기의 느낌을 연상시켜서 생각하면 좋다.
위에서 빛을 쏘아주고, Mask를 통과한 빛만 PR에 닿게 되는 그런 구조.
노광의 방식에는 Contact, Proximity, Projection 3가지의 Modes가 존재한다.
Contact는 PR에 바로 Mask를 닿게 하며 빛을 쏘아주는 방식으로,
모양자를 대고 종이에다가 그리면 모양자의 모양 그대로 종이에 그려지는 것과 같다.
PR 바로 위에 Mask를 아예 대고 있으므로 빛의 회절 현상을 최소화할 수 있다.
그러나 Mask에 PR이 바로 닿아있기 때문에, PR은 PR대로 손상되고 Mask는 Mask대로 손상될 수 있다.
특히 그렇게 공들여서 만든 Mask가 그런식으로 손상되면 참으로 슬플 것이다.
그래서 Contact 방식을 현재는 쓰지 않는다.
그렇다면 Mask를 웨이퍼에서 떨어뜨려 놓으면 어떨까?
깊게 생각할 필요 없다.
당연히 Mask가 멀리 떨어져 있으니 빛의 회절이 잘 일어나서, Mask는 살릴지 몰라도 패턴의 정확도와는 작별인사를 해야 한다.
그렇다면 마지막 Projection 방식은 무엇일까?
Projection 방식에서는 하나의 렌즈를 더 이용하는 특이한 녀석이다.
Mask와 웨이퍼 사이에 렌즈가 하나 더 설치되어 있어, Mask를 통과한 빛을 한 곳에 모아준다.
그 결과, 모아진 빛으로 인하여 해상도 상승의 효과를 얻을 수 있다.
또한 Projection 방식은 이러한 렌즈 덕분에 Mask를 통과한 빛이 그대로 웨이퍼로 들어갔던 종전의 방식들과는 다르게,
실제 패턴의 크기보다 큰 Mask를 사용할 수 있어, Mask 제작이 훨씬 용이하다는 장점이 있다.
현재 반도체 제조업계에서는 모두 이 Projection 방식을 사용하며, Stepper 혹은 Scanner 장비를 사용한다.
참고로 Stepper는 면 전체에 패턴을 조사하여 한번에 노광을 진행하는 장비이고
Scanner는 다이를 이동시켜 가면서 국부적으로 노광을 진행하는 장비이다. (레이저 커팅기의 느낌이라고 할까)
물론 미세화된 반도체의 패터닝에는 후자의 경우를 사용한다.
패턴공정을 얘기하다 보면 패턴 공정에서 빼놓을 수 없는 두 변수가 있다.
그것은 해상도와, DOF(Depth of Focus)
해상도는 노광 과정에서 구현할 수 있는 최소 형상의 Dimension,
렌즈가 웨이퍼 상에서 유효한 수준의 정확한 초점을 맺을 수 있는 최대의 거리이다.
두 변수는 다음과 같다.
k는 공정상수, 람다는 광원의 파장, NA는 Numerical Aperture로 렌즈의 크기에 비례한다.
여기서 한 가지 문제가 발생하는데, 해상도는 낮을수록 좋은 거고 DOF는 클수록 좋다는 것이다.
마치 이 세상의 맛있는 거는 건강에 나쁜 것과 같은 Trade-off의 관계에 있다.
그래도 반도체는 어떻게든 미세화를 해야겠고 하니 Resolution을 줄여야 하긴 줄여야 한다.
그러나 여기서 렌즈의 크기를 늘려서 NA를 무턱대고 증가시켜 버리면 DOF는 NA의 제곱에 반비례하기 때문에 DOF가 정말 아름답게 작아져 버린다.
따라서 포토공정은 그나마 DOF에 영향이 덜 가는 파장을 줄이고, 공정상수를 건드리는 방향을 중점적으로 발전해 왔다.
포토공정에 사용하는 광원의 파장이 점점 단파장으로 가고 있다는 것은 널리 알려져 있을 테니 생략하도록 하겠다.
이제부터 말할 것은 포토공정에서 공정상수를 낮추기 위하여 지난 몇 십년간 반도체의 역사에 쌓아올린 결과물들이다. 오오...
OAI (Off Axis Illumination)
기존과 다른 모양의 조리개를 사용하여 Mask로 애초부터 빛을 수직이 아닌 사선으로 입사시킨다.
그렇게 되면 기존과 다르게 0차광과 함께 +-1차광을 모아 웨이퍼 상에 초점을 맞게 할 수 있어 해상도가 개선된다.
PSM (Phase Shift Mask)
일부 마스크의 영역을 통과하는 빛의 위상을 특수한 물질을 사용하여, 180도 반전시킨다.
그렇게 함으로써 노광이 일어나지 않아야 하는 PR 부분으로 조사될 수 있는 빛을 상쇄간섭으로 인하여 상쇄시킬 수 있다. (해상도 개선)
OPC (Optical Proximity Correction)
애초에 패턴의 왜곡이 발생할 것으로 예상되는 부분의 Mask를 수정하여 미리 보정을 가한다.
ARC (Anti Reflection Coating)
저번에 말했듯이 웨이퍼로부터 반사되는 반사광은 PR 측면에 물결무늬를 만들 뿐만 아니라 원치 않는 부위의 PR을 건드리면서 노광공정의 정확도를 낮출 수 있는데 PR의 위나 아래에 반사 방지막을 둠으로써 반사광을 억제하는 것이다.
반도체 단면도를 보면 회로가 들어있는 부분의 전후로 TiN ARC 층이 존재하는 것을 쉽게 발견할 수 있는데 그게 바로 이것이다.
다음은 다중 패터닝.
애초에 형성할 수 있는 패턴에 한계가 있다면 그냥 마스크 조금 옮겨서 패터닝 또 하면 되잖아? 라는 생각으로부터 나온 기술이다.
해당 기술은 뭐, 거의 필수라고 해도 무방할만큼 기본 패시브로 여러 제조사에서 사용하고 있는 방식이다.
해당 기술로는 LELE와 SADP가 있는데, 두 기술은 말로 하는 것보다 위의 그림을 보면 이해가 빠르다.
특이한 점은 LELE는 노광과 식각을 두 번 반복한다는 것과, SADP는 증착과 Anistropic한 식각의 결과물로 나오는 Sidewall Spacer를 활용한다는 것.
현재 미세화된 반도체 제조에는 이 두 기술의 발전형인 LELELE와 SAQP를 사용하고 있다.
SAQP는 특이한 점이, 하도 패턴의 크기가 작아지다 보니 이젠 식각으로도 만족할만한 정확도를 보이지 못하였고, 그에 따라 플라즈마를 사용한 원자층 증착, PEALD를 사용한다는 점이다.
데일리미션
Q1. 노광 공정의 원리를 정리해보세요.
노광 공정은 빛의 특성을 이용하여 Mask의 패턴을 PR에 옮기는 과정으로 포토 공정의 핵심 단계에 해당한다. 노광의 방식에는 Contact, Proximity, Projection의 방법이 있으며 마스크와 PR의 손상이 발생할 수 있는 Contact나 빛의 회절로 인하여 해상도가 낮은 Proximity 대신에 현재 반도체의 생산에는 렌즈를 이용한 패턴 축소와 집광을 이용한 Projection 방식이 사용된다.
Q2. 해상도 개선을 위해 레일레이 공식의 공정 상수를 감소시키는 기술에 대해 정리해보세요.
Numerical Aperture의 큰 증가는 DOF의 대폭 감소를 야기하기 때문에, 반도체가 미세화 됨에 따라서 포토 공정의 해상도를 개선시키기 위하여 공정 상수를 조절하는 여러 기술들이 개발되어 왔다. OAI는 특수한 조리개를 사용하여 Mask로 빛을 사선으로 입사시켜 결과적으로 마스크의 패턴 정보를 담고 있는 빛이 최대한 웨이퍼에 집광되도록 하는 방식이다. PSM은 일부 빛을 180도 위상 반전시켜 그에 따른 상쇄간섭을 유도, 패턴을 형성시키지 않고자 하는 부위로 도달하는 빛의 양을 줄여 해상도를 향상시키는 기술이다. OPC는 빛의 특성에 의해 패턴의 왜곡이 발생하는 것을 감안하여 Mask 자체를 수정하여 왜곡을 보정하는 방법이고 ARC는 PR의 위나 아래에 반사 방지막을 증착해 노광공정의 정확도를 감소시키는 반사파를 억제하는 방식이다. 마지막으로 Multi-Patterning은 여러 다른 공정을 반복하여 한 번의 노광공정에서 구현할 수 있는 최소 패턴 크기의 한계를 우회하여 더 미세한 패턴을 구현할 수 있는 기술에 해당한다.