포토 공정

기출문제 풀이

기출문제 ❶

포토 공정에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제이며 난이도는 하 수준으로 주로 반도체 비전공자를 대상으로 한 문제이다.

• 포토 공정의 정의, 세부 공정 순서, 주요 설비, 주요 파라미터에 대해 간략히 설명한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q 포토 공정?

• 정의: 회로 정보 → 마스크 상 패턴 → 노광 → 웨이퍼 상 PR에 전사

• 세부 공정: HMDS 처리 → PR 도포 → 소프트 베이크 → 정렬 및 노광 → 노광 후 베이크 → 현상 → 하드 베이크 → 현상 후 검사

• 포토 설비: 트랙 및 노광 설비(스테퍼, 스캐너)

• 주요 파라미터: 해상도, 초점 심도

STEP3 모범답안

포토 공정이란 반도체 회로 정보를 담고 있는 마스크 상의 패턴을 감광성 고분자 물질(Photoresist, PR)이 도포되어 있는 웨이퍼 상에 특정 파장의 빛을 조사하여 전사시키는 공정을 말합니다. 포토 공정은 몇 가지 세부 공정으로 구성되는데, 먼저, PR과의 접착력을 증가시키는 ① HMDS(Hexa-Methyl Di-Silazane)를 진공에서 기화시켜 표면 처리 후 고분자 수지(Resin), 감광제, 그리고 유기용매(Solvent)로 구성된 PR을 웨이퍼 상에 도포하는 ② PR 도포(Coating) 공정을 수행합니다. 이후 PR 내 용매를 제거하기 위한 ③ 소프트 베이크(Soft bake) 공정 진행 후 마스크가 장착된 노광 설비에서 이전에 형성된 층과의 위치 정합성을 맞추는 정렬 및 마스크에 빛을 조사하여 PR의 화학적 반응을 유도하는 공정인 ④ 정렬 및 노광(Align & Exposure) 공정을 거치게 됩니다. 이후 PR의 화학 작용을 증진시키기 위한 ⑤ 노광 후 베이크(Post Exposure Bake, PEB) 공정 후 현상액을 분사하여 PR을 선택적으로 제거하는 공정인 ⑥ 현상(Develop) 단계를 거치는데, 이때 노광된 부분의 PR이 제거되는 PR을 양성(Positive) PR, 반대의 경우를 음성(Negative) PR이라 하고 해상도가 좋은 양성 PR이 현재 미세 패턴의 형성에 주로 사용되고 있습니다. 현상 후에는 후속 식각이나 이온주입 공정에서 내성을 갖도록, PR을 더욱 단단히 하기 위한 ⑦ 하드 베이크(Hard bake) 공정이 진행되고 임계치수(Critical Dimension, CD), 정렬 오차(Overlay) 및 패턴 불량 검사 등의 포토 공정 결과를 검사하는 ⑧ 현상 후 검사(Develop inspection)를 끝으로 포토 공정이 완료됩니다. 만약 검사에서 불량이 발견되면 PR 제거 후 재작업(Re-Work)을 하게 됩니다.

포토 공정에서 회전 도포 및 베이크 공정 등은 주로 트랙(Track) 설비에서, 정렬 및 노광 공정은 축소 노광의 투사 노광법(Projection exposure)을 이용한 스테퍼(Stepper)나 스캐너(Scanner) 설비에서 진행됩니다. 포토 공정의 대표적인 파라미터로는 해상도(Resolution)와 초점 심도(Depth Of Focus, DOF)를 들 수 있습니다. 해상도란 웨이퍼 상에 전사 가능한 최소 패턴 크기를 말하며 값이 작을수록 해상도가 좋음을 의미하는데, 이는 사용하는 광원의 파장에 비례하고 렌즈의 크기와 관련된 개구수(Numerical Aperture, NA)에 반비례합니다. 초점 심도란 최적 초점면의 앞뒤로 선명한 상을 얻을 수 있는 거리로 정의되며 값이 클수록 초점 심도(DOF) 여유가 좋음을 의미합니다.

기출문제 풀이

기출문제 ❷

노광 공정의 주요 공정 변수에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제로 난이도는 중하 수준이며 빈출 문제에 속한다.

• 해상도(Resolution)와 초점 심도(DOF)가 중요 변수이므로 각각에 대해 설명한다.

• (판서 가능 시) 해상도와 DOF를 설명할 수 있는 간단한 그림을 그리는 것이 좋다.

• 해상도와 DOF에 대한 레일레이(Rayleigh)의 공식을 쓰고 이들이 서로 트레이드 오프 (Trade-Off) 관계임을 설명한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q 노광 공정 주요 변수?

• 해상도(Resolution)↓, 초점 심도(DOF)↑

• R = k 1 · [ λ/NA] = k 1 · [ λ/nsinθ]

• DOF = k 2 · [ λ/(NA)2 ] = k 2 · [ λ/(n^2 sin^2 θ)]

• R↓, DOF↓ → Trade-Off

STEP3 모범답안

노광 공정에서 가장 중요한 파라미터는 해상도(Resolution, R)와 초점 심도(Depth of Focus, DOF)입니다. 해상도란 웨이퍼 상에 전사 가능한 최소 패턴 크기로 정의할 수 있고, 분해능이라고도 합니다. 따라서 해상도는 그 값이 작을수록 해상도가 양호하다는 의미가 됩니다. 해상도를 개선하기 위해서는 회절 현상을 감소시키거나 회절되어 흩어지는 빛을 가능한 많이 렌즈 속에 들어가도록 해야 합니다. 렌즈의 크기에 해당하는 개구수(NA)는 렌즈를 통과하여 θ각도로 웨이퍼로 입사되는 빛에 대해 nsin\theta로 정의됩니다. 따라서 \text{NA}는 렌즈의 반경에 비례하게 되므로, 렌즈의 크기를 대변해 줍니다. 여기서 n은 렌즈와 웨이퍼 사이에 있는 매질의 굴절률입니다. 이를 정리하면 해상도는 파장에 비례하고 개구수(\text{NA} = nsin\theta)에 반비례하며, 그 비례 상수를 k_1으로 정의한다는 의미의 레일리(Rayleigh)의 공식(R = k_1 \cdot [\lambda/\text{NA}] = k_1 \cdot [\lambda/nsin\theta])을 얻을 수 있습니다. 여기서 k_1은 공정 인자(Factor)로, 해상도에 영향을 줄 수 있는 공정 방식 또는 각 반도체 업체의 공정 기술 수준에 따라 달라지는 공정 상수입니다.

초점 심도(Depth Of Focus, \text{DOF})는 렌즈의 초점으로부터 몇 \text{nm}의 단차(Focus) 범위까지 유효한 상을 얻을 수 있는지를 나타내는 척도로써, 초점이 가장 잘 맞아 상이 뚜렷하게 보이는 최적 초점 위치를 기준으로 +/-로 초점의 변화를 주어도 \text{CD}나 패턴의 형상, \text{PR}의 측면 프로파일 등의 포토 공정 평가 인자들이 허용할 수 있는 수준 내에 있을 때의 범위를 말합니다. 이를 수식으로 나타내면 \text{DOF} = k_2 \cdot [\lambda/(\text{NA})^2] = k_2 \cdot [\lambda/(n^2sin^2\theta)]가 됩니다. \text{DOF}의 값이 클수록 \text{DOF}의 여유가 있다는 의미인데, 해상도와 \text{DOF} 수식을 비교해 보면 서로 트레이드 오프(Trade-Off) 관계에 있음을 알 수 있습니다. 다시 말해 파장을 줄이면 해상도는 감소하여 유리하지만, \text{DOF} 여유도는 줄어들고, 마찬가지로 \text{NA}, 즉 렌즈의 크기를 크게 하면 역시 해상도는 좋아지지만 \text{DOF}는 나빠지게 됩니다. 특히 \text{NA}는 \text{DOF}의 경우, 제곱에 반비례하므로 해상도의 개선 시 많이 고려해야 할 사항입니다.

기출문제 풀이

기출문제 ❸

해상도 개선 기술에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제로 난이도는 중 수준이며 출제 빈도가 높다.

• 미세화에 따른 문제점 및 해상도 공식의 구성 요소별 공정 및 설비의 분해능 향상 기술을 설명한다

STEP2 답안 구조화 TIP

Q 해상도 개선 기술?

• 미세화 문제: 피치↓ → 산란, 간섭 회절↑ → 해상도 열화 → 패턴 왜곡

• R = k 1 · [λ/NA] = k 1 · [λ/nsinθ] → λ↓, NA↑, k 1↓

• λ↓: UV[g-line(436nm), i-line(365nm)] → DUV[KrF(248nm), ArF(193nm)] → EUV(13.5nm)

• NA↑: n↑ → ArF immersion •k 1↓: OAI, OPC, PSM, ARC, 멀티 패터닝

STEP3 모범답안

반도체 소자의 미세화에 따라 마스크 상의 피치(Pitch)가 감소하여 마스크를 통과한 빛의 회절이 심해지고 패턴 간 간격의 감소 및 단차 심화로 인한 빛의 산란과 간섭이 생겨 배치 설계된 모양과는 다른 왜곡된 패턴이 웨이퍼에 전사되는 문제가 발생하게 되었습니다. 이는 모두 노광 공정의 해상도(분해능) 열화에서 기인한 문제로 해상도(R)는 R = k_1 \cdot [\lambda/\text{NA}] = k_1 \cdot [\lambda/n\sin\theta] 식으로부터 사용하는 광원의 파장(\lambda)에 비례하고 개구수(\text{NA})에 반비례하며 다양한 공정 인자(k_1)에 비례하는 관계에 있습니다.

먼저 ① 광원은 수은램프에 의한 g-line(436nm)과 i-line(365nm)의 근자외선(UV)에서 KrF(248nm)와 ArF(193nm) 엑시머 레이저를 사용한 원자외선(Deep UV, DUV) 그리고 최근에는 13.5nm의 파장을 가진 극자외선(Extreme UV, EUV)까지 광원의 파장이 지속적으로 감소되면서 분해능을 개선해 왔습니다. ② 렌즈의 크기를 키워 \text{NA} 값을 지속적으로 증가시켜 왔지만, 렌즈와 웨이퍼 사이의 매질로 굴절률이 1.0인 공기를 사용하면 \text{NA}는 최대 1.0을 넘지 못하게 됩니다. 이에 ArF 광원에서 공기(Dry) 보다 굴절률이 큰 초순수(DIW)를 매질로 사용하는 ArF 액침 노광 공정이 도입되어 \text{NA} 값을 1.0 이상으로 증가시켜 해상도를 개선하였습니다. ③ k_1 값의 감소에 의한 분해능 향상 기술은 매우 다양한데, 먼저 i) 비 등축 조명 노광(Off Axis Illumination, OAI)은 0차광을 경사지게 입사시켜 마스크에 의한 회절 각도가 커져도 +1 또는 -1차광이 렌즈 내로 안정적으로 들어가도록 하여 해상도를 개선한 기술입니다. ii) 광 근접 효과 보정(Optical Proximity Correction, OPC) 기술은 주변 패턴의 밀도 등에 의한 빛의 산란 및 간섭에 의해 왜곡이 일어날 것으로 예상되는 부분의 패턴을 인위적으로 변조시킨 마스크를 제작하여 사용하는 기술로, 배치 설계 패턴과 PR 상 패턴의 모양을 가능한 비슷하게 만드는 방식입니다. iii) 위상 반전 마스크(PSM)는 마스크 내의 인접 패턴을 통과한 빛의 위상을 180^\circ 반전시켜 서로 중첩되는 부분을 소멸 간섭 효과를 통해 제거하여 분해능을 개선한 기술입니다. iv) 노광 과정에서 발생되는 정상파 현상 및 하부 패턴에 의한 빛의 산란 및 반사로 인해 패턴의 왜곡이 발생하는 것을 방지하기 위해, PR의 하부나 상부에 빛의 반사를 180^\circ의 위상차를 두어 소멸시키거나 흡수하여 억제하는 반사 방지막(Anti-Reflective Coating, ARC)을 적용하여 문제를 해결하기도 합니다. v) 멀티 패터닝(Multi-Patterning)은 한 층(Layer)의 포토 공정을 패턴 피치를 완화시킨 2장 이상의 마스크로 포토 및 식각 공정을 2회 이상 진행(Litho-Etch-Litho-Etch, LELE)하거나 1회의 노광과 스페이서(Spacer)를 이용해 여러 번의 증착 및 식각 단계를 통해 패턴을 형성(SADP, SAQP)하여 패턴의 밀도를 증가시켜 해상도의 한계를 극복하는 기술입니다.

기출문제 풀이

기출문제 ❹

액침 노광에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제로 난이도는 중상 수준이며 자주 출제되는 문제이다.

• 해상도 공식으로부터 NA의 굴절률(n) 증가의 필요성을 언급한다.

• 스넬의 법칙으로부터 매질 변경만으로 해상도가 개선되는 것이 아님을 강조한다.

• 해상도 개선은 NA 자체의 증가, 즉 대구경 렌즈의 도입이 필요함을 설명한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q 액침 노광?

• 액침 노광: 해상도(R) = k 1 · [ λ/NA] = k 1 · [ λ/nsinθ] → NA↑

• 매질만 변경[공기 \rightarrow 물(n = 1.44)] \rightarrow 동일 \text{NA}(스넬의 법칙) \text{NA} = n_{\text{Lens}}\sin\theta_{\text{Lens}} = n_{\text{Air}}\sin\theta_{\text{Air}} = n_{\text{Water}}\sin\theta_{\text{Water}} \rightarrow 해상도 개선 없음

• 초순수(DIW) + 대구경 렌즈 → 고 NA → 해상도 개선

• 공기 + 대구경 렌즈 → 전반사로 해상도 개선 없음

STEP3 모범답안

해상도(R)는 렌즈의 개구수(\text{NA})에 반비례하며 \text{NA}는 n\sin\theta로, n은 프로젝션 렌즈와 웨이퍼 사이 물질(매질)의 굴절률이며 \theta는 웨이퍼로 입사되는 빛의 입사각입니다. \text{NA}를 증가시키는 것은 물리적으로 렌즈의 크기를 키워 회절 각도가 큰 빛도 렌즈 안으로 받아들이기 위함인데 공기(n=1)를 매질로 하는 기존의 경우는 \text{NA}를 1 이상으로 올리는 것이 불가능합니다. 그래서 액침 노광은 공기보다 굴절률이 큰 매질로 바꿔 \text{ArF}광의 공기 대비 높은 굴절률을 이용하는 것입니다. 매질의 요건은 먼저, 굴절률이 공기의 굴절률인 1보다 커야 하고, 193\text{nm}의 \text{ArF} 광원에서 낮은 광 흡수율을 보여야 하며 포토레지스트 및 렌즈 재료와 호환 가능하고 오염이 없어야 합니다. 이와 같은 요건에 잘 부합하는 것은 굴절률이 \text{ArF} 광원에 대해 \sim1.44인 초순수(\text{DIW})입니다.

\text{NA} = n\sin\theta에서 굴절률이 1에서 1.44로 높아진다고 해서 \text{NA}가 증가하는 것은 아닙니다. 스넬의 법칙에 의하면 굴절률이 증가하면 \theta가 감소하여 \text{NA}에는 변동이 없기 때문입니다. 따라서 동일 광학 시스템에서는 해상도의 개선이 없습니다. 그러므로 \text{NA}를 증가시키기 위해서는 입사각 \theta를 증가시켜야 하며 이는 곧 렌즈의 대구경화를 의미합니다. 그러나 공기를 매질로 쓰면서 렌즈 크기를 크게 하는 경우, 렌즈와의 굴절률 차이가 크고 전반사가 일어나는 임계각이 작아져 렌즈의 가장자리로 들어오는 입사각이 큰 빛은 전반사가 되므로 대구경 렌즈 사용의 의미가 없어집니다. 하지만 물의 경우는 공기 대비 전반사가 일어나는 임계각이 커져 더욱 큰 구경의 렌즈를 사용할 수 있습니다. 이렇게 되면 동일 \text{DOF}에서 높은 \text{NA}를 사용하므로 \sim38\text{nm}의 미세 패턴을 확보할 수 있어 현재도 다른 해상도 개선 기술과 함께 20\text{nm} 이하의 미세 패터닝에 적용 중인 기술입니다.

기출문제 풀이

기출문제 ❺

멀티 패터닝(Multi-Patterning)에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제로 난이도는 중 수준이다.

• 해상도 공식으로부터 공정 상수 k1의 저감 방식임을 설명한다.

• 피치 분할 방식과 자기 정렬에 의한 방식의 특징 및 장단점을 설명한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q 멀티 패터닝?

• 해상도 개선 기술 → 30nm 이상 패터닝 가능

• 20nm 이하 미세화 필요 → R = k 1 · [λ/NA] = k 1 · [λ/nsinθ] → k 1 추가 감소 필요

• 피치 분할 방식 → LELE & LELELE → 공정 단순, 정렬 오차↑

• 자기 정렬 방식 → SADP, SAQP → 정렬 오차↓, 공정 복잡

• 공정 스텝 수 및 시간 증가, 설비 투자 증가 → 원가 상승

STEP3 모범답안

~30nm 이하의 미세 패턴을 확보하기 위해 다양한 멀티 패터닝 기술이 개발되어 사용 중에 있습니다. 멀티 패터닝은 크게 피치(Pitch) 분할 방식과 자기 정렬에 의한 방식으로 나눌 수 있습니다. 먼저 피치 분할 방식 중 하나인 포토와 식각 공정을 2회 진행하여 해상도를 높이는 이중 패터닝(Double patterning) 기술은 한 층(Layer)의 포토 공정 진행을 위해 각 포토 공정 진행 후의 피치가 최종 패턴의 최소 피치의 2배 크기를 갖도록 제작된 두 장의 마스크와 웨이퍼 상의 하드마스크를 이용하여 포토와 식각 공정을 각각 2회씩 진행하는 방법으로 이를 Litho-Etch-Litho-Etch(LELE) 방식이라고도 합니다. 이 방식은 노광 시 정밀한 정렬 오차 제어가 필수적이고, 포토 및 식각 공정을 2회 진행해야 하는 관계로 설비 투자 및 공정 시간 등 원가 상승의 큰 요인이 됩니다. 매우 미세한 패턴의 경우 포토와 식각 공정을 3회까지 진행하기도 하는데 이를 3중 패터닝(Triple patterning) 또는 LELELE 공정이라 합니다.

자기 정렬 2중 패터닝(Self-Aligned Double Patterning, SADP) 또는 자기 정렬 4중 패터닝(Self-Aligned Quadruple Patterning, SAQP) 방법은 하드마스크와 스페이서를 이용해 Etch back 공정으로 패턴을 형성합니다. 포토 공정을 1회만 진행하므로 2중 또는 3중 패터닝보다 높은 정렬도로 형성할 수 있다는 장점이 있지만, 스페이서 박막 증착 및 식각, 그리고 CMP 공정 등의 추가되는 공정이 있어 비용이 증가되고 포토와 식각 공정의 단순 반복이 아니기 때문에 공정의 최적화가 필요합니다. 패턴 피치 감소를 위한 스페이서 형성을 1회만 진행하여 처음 포토 공정에서 형성된 패턴보다 1/2 피치 작은 패턴을 얻을 수 있는 방식이 SADP이고, 스페이서 형성을 1회 더 추가하여 1/4 피치의 미세 패턴까지 확보하는 방식이 SAQP입니다.

기출문제 풀이

기출문제 ❻

EUVL에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제로 난이도는 중상 수준이다.

• EUVL(Extreme Ultra Violet Lithography)의 도입 배경에 대해 설명한다.

• EUVL의 각 구성 요소(광원, 광학계, 마스크, PR) 및 문제점 등에 대해 설명한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q EUVL?

• 필요성: 멀티 패터닝에 의한 원가 상승 저감

• 광원: LPP → 13.5nm 광원 생성 → ~93eV → 모든 물질에 흡수

• 광학계: 진공 챔버, 반사형 광학계 → 반사율 문제 → 고출력 광원 개발

• 마스크: 반사층/흡수층 → Mask 검사 기술 & 펠리클 개발

STEP3 모범답안

미세화로 인한 멀티 패터닝 공정 적용층(Layer) 수가 지속적으로 증가하면서 추가 공정으로 인한 원가 상승이 발생하였고, 이에 포토 단일 스텝(Single step)에 의한 해상도 개선에 대한 요구가 점차 증가하여 최근 7nm 이하 로직 공정에서 극자외선(Extreme Ultra Violet, EUV) 포토 공정을 적용하기 시작하였습니다. EUV광의 파장은 13.5nm로, 진공 상태의 챔버에서 고출력 \text{CO}_2 레이저가 주석(Sn) 액적(Droplet)에 충돌하여 형성된 고온, 고밀도의 플라즈마로부터 EUV광이 발생되며 이를 플라즈마 생성 레이저(Laser Produced Plasma, LPP) 방식이라 합니다. ~93eV의 높은 광자(Photon) 에너지를 갖는 EUV광은 공기를 포함한 모든 물질에 잘 흡수되므로 그 시스템이 고진공 상태로 유지되어야 하고 지금까지 사용되던 굴절형 광학계는 사용할 수 없어 반사형 거울을 사용해야 합니다. 그러나 EUV광은 개별 물질에 있어 반사율(Reflectivity)이 낮아 Si과 Mo 박막을 수십 주기로 적층한 다층 반사경인 분산 브레그 반사경(Distributed Bragg Reflector, DBR)을 사용합니다. 하지만 이렇게 최대화한 반사율도 거울당 최대 ~70%이며 수 개의 반사경을 거칠 경우 매우 작은 양의 빛 밖에 웨이퍼에 도달하지 못하게 됩니다. 따라서 반사도 개선과 함께 고출력의 광원 개발을 위한 연구가 계속되고 있습니다.

같은 이유로 EUVL에 사용되는 마스크 또한 투과형 마스크 대신 반사형 마스크를 사용해야 하며 마스크 상의 패턴은 빛을 잘 흡수하는 물질로 된 흡수층으로 구성되어 마스크에서 반사된 빛만 웨이퍼로 전달되어 패턴이 형성되는 원리입니다. EUV 마스크에서의 문제는 Si/Mo 적층 구조에 대한 마스크 검사와 매우 높은 투과율, 기계적 강도 및 열적 안정성 등 매우 고난이도의 기술적 요구 사항들을 가지고 있는 펠리클(Pellicle)의 개발 등입니다.

핵심 이론 정리

1. 포토 공정

(1) 포토 공정의 정의

포토 공정은 집적회로 제조 과정에서 감광성 고분자 물질(Photoresist, PR)을 이용해, 설계자가 설계한 반도체 회로 정보를 담고 있는 마스크(Mask) 상의 회로 패턴을 특정 파장의 빛을 조사하여 웨이퍼 상에 전사시키는 공정으로 정의된다. 이렇게 형성된 PR 패턴은 후속 식각 및 이온주입 공정에서 선택적 보호막(Blocking layer)의 역할을 하게 된다.

(2) 포토 공정의 세부 단계

①표면처리 - HMDS(Hexa-Methyl-Di-Silazane) 처리

PR은 소수성의 물질로서, 친수성의 웨이퍼와는 접착성(Adhesion)이 좋지 않다. 이에 HMDS(Hexa-Methyl-Di-Silazane)를 분사하여 웨이퍼 표면을 소수성으로 바꿔 PR과의 접착성을 향상시킨다.

② 감광액(Photoresist, PR) 도포(Coating)

웨이퍼 상에 PR을 도포하는 단계이다. PR은 몸체인 고분자 수지(Resin)와 빛에 반응하는 광 감응 물질(Sensitizer), 그리고 이 둘을 용해시켜 일정한 점성을 갖게 하는 유기용매(Solvent) 등으로 구성된다. 회전 도포기(Spin coater)에서 PR을 웨이퍼 중심에 분사한 후 고속 회전시켜 원심력에 의해 균일하게 도포한다.

③ 소프트 베이크(Soft bake)

고온 척(Chuck)이나 오븐에서 웨이퍼를 90 \sim 100^{\circ}\text{C} 정도 가열하여 PR 내의 유기용매를 제거하는 단계로, 잔류 유기용매의 휘발로 인한 노광 장비나 마스크의 오염을 방지할 목적으로 진행된다.

④ 정렬(Align) 및 노광(Exposure)

반복되는 포토 공정에 있어, 노광 진행 전 마스크와 이전 공정에서 형성된 웨이퍼 상 패턴과의 정밀한 정합성이 필요한데, 이를 정렬(Align)이라 한다. 정렬이 완료된 후에는 특정 파장의 빛을 웨이퍼에 조사하는 노광 공정이 진행되고 이때 조사하는 빛의 양(Dose)을 조절하여 PR의 반응 정도를 제어한다.

⑤ 노광 후 열처리(Post Exposure Bake, PEB)

노광 시의 정상파 효과(Standing wave effect) 감소 및 화학 증폭형 PR(Chemical Amplification Resist, CAR)의 화학 반응 활성화 등을 목적으로 100^{\circ}\text{C} 이하에서 진행되는 열처리 단계이다.

⑥ 현상(Develop)

현상액 및 세척제를 이용하여 후속 이온주입 또는 식각 공정이 진행될 부분의 PR을 제거하는 단계로, 양성 PR은 빛이 조사된 부분이 제거되고, 음성 PR은 그 반대이다. 음성 PR은 양성 PR 대비 저렴하고 처리량이 높지만 현상액이 스며 들어가 부푸는 팽윤(Swelling) 현상이 일어나 해상도에 문제가 있으므로 미세 패턴의 형성에는 양성 PR이 사용된다.

⑦ 하드 베이크(Hard bake)

현상 완료 후 고온인 100 \sim 150^{\circ}\text{C}에서의 열처리를 통해 고분자 수지 간의 가교 결합(Crosslink)을 증가시켜 내화학성 및 내열성을 향상시키고, 후속 식각 및 이온주입 공정에 대한 내성을 증가시킬 수 있다.

⑧ 포토 공정 후 검사(After Develop Inspection, ADI)

포토 공정 후 진행되는 검사 과정으로, 전자 주사 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 임계치수(Critical Dimension, CD)와 층간 정렬 오차(Overlay)를 측정하고 취약 패턴 형성의 문제 여부 등을 검사한다. 결과가 설정된 목표값에 도달하지 못하면, PR 제거 후 재작업(Re-Work)을 진행한다.

(3) 포토 공정 설비

[그림 3-7]과 같이 회전 도포 및 베이크 공정 등은 주로 트랙(Track) 설비에서, 노광 및 정렬은 축소 노광의 투사 노광법을 이용한 스테퍼(Stepper)나 스캐너(Scanner) 설비에서 수행된다.

2. 포토 공정의 주요 파라미터

포토 공정에서 가장 중요한 파라미터는 해상도(Resolution)와 초점 심도(Depth Of Focus, DOF)이다.

(1) 해상도(Resolution,R)

해상도란 웨이퍼 상에 전사 가능한 최소 패턴 크기로 정의할 수 있고, 분해능이라고도 한다. 따라서 해상도는 그 값이 작을수록 해상도가 양호하다는 의미이다. 해상도(R)를 개선하기 위해서는 회절 현상을 감소시키거나 회절되어 흩어지는 빛을 렌즈에 담을 수 있도록 대구경의 렌즈를 사용하여야 한다. 이때 렌즈의 크기에 해당하는 개구수(NA)는 [그림 3-8]과 같이 렌즈를 통과하여 \theta 각도로 웨이퍼에 입사되는 빛에 대해 n\sin\theta로 정의되며, 이 값은 렌즈의 크기에 비례한다. 여기서 n은 렌즈와 웨이퍼 사이에 있는 매질의 굴절률로, 공기의 경우는 1, 초순수(DIW)를 매질로 하는 불화아르곤(ArF) 액침 노광(Immersion)의 경우는 1.44이다. 이러한 차이는 매질에 따라 웨이퍼로의 입사각 \theta가 달라지기 때문이다. 이상의 결과를 종합해보면 해상도(R)는 파장에 비례하고 개구수(\text{NA} = n\sin\theta)에 반비례하며, 그 비례 상수를 k_1으로 하는 해상도에 대한 레일리(Rayleigh) 공식으로 정리된다. 여기서 k_1은 해상도에 영향을 줄 수 있는 공정 방식 또는 각 반도체 업체의 공정 기술 수준에 따라 달라지는 공정 상수를 말한다.

(2) 초점 심도(Depth Of Focus, DOF)

초점 심도는 렌즈의 초점으로부터 몇 nm의 단차(Focus) 범위까지 유효한 상을 얻을 수 있는가를 나타내는 척도이다. 좀 더 상세히 설명하면 상이 뚜렷하게 보이는 최적 초점 위치를 기준으로 +/-의 초점 변화를 주었을 때, 임계 치수(CD)나 패턴의 형상, PR의 측면 프로파일 등의 포토 공정 평가 인자들이 허용할 수 있는 수준 이내에 있을 때의 범위를 초점 심도라고 한다. 이를 수식으로 나타내면 [그림 3-9]의 공식과 같이 나타낼 수 있으며, DOF는 그 값이 크면 클수록 초점 심도의 여유가 있다는 의미이다. 그런데 앞의 해상도 공식과 DOF 수식을 비교해 보면, 서로 트레이드 오프 관계에 있음을 알 수 있다. 다시 말해 파장을 줄이면 해상도가 감소하여 유리하지만, DOF 여유도가 줄어 불리해진다. 마찬가지로 개구수(NA), 즉 렌즈의 크기를 크게 하면 역시 해상도는 좋아지지만 DOF는 나빠진다는 이야기이다. 특히, 개구수(NA)는 DOF의 경우, 제곱에 반비례하므로 해상도의 개선 시 많이 고려하여야 할 사항이다. 따라서 해상도와 DOF를 모두 개선하기에는 많은 어려움이 따른다. 이에 포토 공정에서는 PR의 두께를 감소시키거나 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정을 적용하여 포토 공정 전 웨이퍼의 단차를 최소화하여 DOF 여유도를 개선하는 방법이 사용된다.

3. 해상도 개선 기술(Resolution Enhancement Technology, RET)

해상도는 사용하는 광원의 파장이 짧을수록, 개구수(NA)가 클수록 개선되며, 공정 상수인 k1의 감소 또한 중요한 인자라 할 수 있다(R = k1·λ/NA = k1·λ/nsinθ).

(1) 광원의 단파장화(λ 감소)

광원은 [그림 3-10]과 같이 수은램프에 의한 g-line(436nm)과 i-line(365nm)의 근자외선(UV)에 서 KrF(248nm)와 ArF(193nm)의 원자외선(Deep UV, DUV)을 거쳐 최근에는 13.5nm의 파장을 가 진 극자외선(Extreme UV, EUV)까지 광원의 파장을 지속적으로 감소시키면서 분해능을 개선해 왔다.

(2) 불화 아르곤 액침 노광(ArF Immersion Lithography) (NA 증가)

액침 노광(ArF immersion)은 [그림 3-11]과 같이 프로젝션 렌즈와 웨이퍼 사이에 공기보다 높은 굴절율의 매질을 넣어 개구수(NA)를 올림으로써 해상도를 개선시키는 기술로, 이러한 매질의 요건 으로는 ① 굴절률이 1보다 클 것, ② 193nm의 ArF 광원에서 낮은 광 흡수율을 보일 것, ③ PR 및 렌즈 재료와 호환 가능할 것, ④ 오염이 없을 것 등이 있다. 이러한 요건에 잘 부합하는 것은 굴절률 이 ArF 광원에 대해 ~1.44 정도인 초순수(DIW)가 있다. 이렇게 물을 매질로 사용한다 하여 액침 노광을 ArF-Wet, 반대로 공기를 사용하는 경우를 ArF-Dry라 표현하기도 한다. 그러나 굴절률만 1.44로 높아진다고 하여 개구수(NA)가 증가하는 것은 아니다. [그림 3-12]의 스넬의 법칙(Snell's law)에 의하면, 굴절률이 증가하면 입사각 \theta가 감소하여 개구수(NA)에는 차이가 없기 때문이다. 동일 광학 시스템에서는 해상도의 개선은 없고, \theta 감소에 따른 DOF 여유도 개선만 있을 뿐이다. 따라서 NA를 증가시키기 위해서는 대구경의 렌즈가 필요한데, 렌즈(n \sim 1.56)에서 매질로 빛이 이동할 때 렌즈와의 굴절률 차이가 큰 공기의 전반사가 일어나는 임계각이 물을 사용할 때 대비 작으므로, 큰 입사각으로 렌즈의 가장자리로 입사되는 빛이 모두 반사되어 대구경 렌즈를 사용하는 의미가 사라지게 된다. 이에 반해 물을 매질로 사용하면, 반대의 이유로 대구경의 렌즈를 사용할 수 있어 1 이상의 NA가 불가능했던 기존의 공기 대비 1.3 이상으로 증가시킬 수 있고 결국 ~38nm 정도의 미세 패턴을 확보할 수 있게 되었다. 하지만 액침 노광은 물과 렌즈가 직접 접촉하게 됨으로써 렌즈 표면이 오염될 소지가 있어 렌즈에 투명한 물질을 코팅(Coating)하여 방지하기도 한다. 또한 PR 또한 물과 직접 접촉되므로 PR 내의 광-산 발생제(PAG) 또는 첨가제 일부가 용매에 용해되어 렌즈 및 패턴의 오염 또는 PR 표면에 물방울 결합 등을 일으킬 우려가 있다. 이에 대한 대응책으로는 물과의 반응을 억제하기 위해, PR 위에 ArF 광원에 대한 투광도가 좋은 Cyclic fluorine 계열의 박막을 코팅하는 Topcoat 방법이 도입되어 사용 중에 있다. 이때 Topcoat층의 제거를 위한 불소치환 시너(Thinner)가 필요하게 되었고, 이로 인해 상승된 원가의 절감 및 공정 시간 단축을 위한 Topcoat-Less PR도 제안되어 사용 중에 있는 것으로 알려져 있다. Topcoat-Less PR은 ArF용 PR과 구조상 유사하나, PR 용제에 소수성 첨가제(플루오린 폴리머 등)를 추가한 차이가 있다.

(3) 공정 상수(k1) 감소

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

[그림 3-13]과 같이 빛이 수직 입사할 경우, 회절된 빛 중에서 0차항 이상의 빛은 렌즈를 통해 집광되지 못해 웨이퍼에 상을 맺지 못한다. 하지만 OAI는 빛의 경사 입사를 통해 0차항뿐만 아니라 +1 또는 -1차항의 빛을 렌즈로 모을 수 있어 이미지를 맺을 수 있게 하는 해상도 향상 기술이다.

② 위상 반전 마스크(Phase Shift Mask, PSM)

기존의 일반 마스크 기판에 [그림 3-14]와 같이 위상 반전층을 형성해 이 층을 투과한 빛과 인접한 기존 석영층을 투과한 빛 간에 180^{\circ}의 위상차가 나도록 한다. 이로써 패턴의 경계부에서 상쇄간섭을 일으켜 일반 마스크에서의 근접 패턴 간 간섭 문제를 해결하고 해상도를 개선한 기술이다. 단, 제조 공정이 다소 복잡하고 불량률이 기존 이진 마스크 대비 높아 단가가 높다는 단점이 있다.

③ 광 근접 보정(Optical Proximity Correction, OPC)

광 근접 보정은 포토 공정 후 빛의 산란이나 간섭에 의해 패턴의 왜곡이 일어날 것으로 예상되는 취약 부분에 대해, 경험이나 컴퓨터 시뮬레이션(Simulation)을 이용하여 [그림 3-15]와 같이 보강 패턴을 추가시킨 마스크를 사용하는 기법을 말한다. 이러한 OPC 기법은 정확한 패턴을 구현할 수 있는 장점은 있지만 마스크 제작에 필요한 비용이 원가 상승의 요인이 될 수도 있다.

④반사 방지층 코팅(Anti-Reflective Coating, ARC)

[그림 3-16(a)]와 같이 노광 시에는 하부 층(Layer)으로부터의 빛의 반사 및 산란에 의한 노칭(Notching) 등으로 인해 해상도 및 DOF 등에 문제가 생기거나, 정상파에 의한 PR 형상 이상 등의 문제를 초래하게 된다. 이에 대해 PR의 하단(Bottom ARC, BARC) 또는 상부(Top ARC, TARC)에 반사 방지층 코팅을 적용하여, 입사파와 반사파 간의 상쇄 간섭에 의해 반사율을 최소화하거나 반사파를 흡수하여 이러한 문제를 개선한다.

(4) 다중 패터닝(Multi-Patterning)

~30nm 이하의 미세 패턴을 확보하기 위해서는 포토 공정 능력만으로 형성할 수 있는 패턴보다 더욱 미세한 패턴을 확보할 수 있는 다중 패터닝(Multi-Patterning) 기술이 적용되어야 한다. 다중 패터닝은 크게 피치(Pitch) 분할 방식과 자기 정렬(Self-Aligned) 방식으로 양분된다. 먼저, 피치 분할 방식은 패턴이 불규칙한 로직 제품에 주로 사용되는 기술로서, 하나의 마스크를 2개 이상으로 분할하여 포토 및 식각 공정을 복수 회 진행함으로써 포토 공정 시 패턴 간 최소 거리를 증가시켜 공정의 여유도를 높이고 최종적으로 1회의 포토 공정만 진행할 때보다 패턴의 밀도를 2배 이상 증가시킬 수 있는 기술이다. 이를 더블(Litho-Etch-Litho-Etch, LELE) 및 트리플 패터닝(LELELE)이라 한다. 더블 패터닝 방법은 [그림 3-17]과 같이 첫 번째 마스크로 포토 공정을 진행한 후, PR을 블로킹(Blocking)막으로 하여 하드 마스크를 식각한다. 그리고 두 번째 마스크를 이용해 2차 포토 공정한 후 하드 마스크를 식각하고 PR을 제거해낸다. 그 후 1, 2차 포토 및 식각 공정을 통해 형성된 하드 마스크를 블로킹막으로 하여, 식각하고자 하는 피 식각층을 제거함으로써 패터닝이 종료된다. 이러한 피치 분할 방식은 기존의 공정을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있지만 노광 시 정밀한 정렬 오차 발생 가능성이 높고, 포토 공정을 2회 이상 진행하여야 하므로 고가의 노광 장비에 대한 투자가 필요하다는 단점이 있다.

두 번째 자기 정렬 방식은 [그림 3-18]과 같이 포토 및 식각 공정으로 형성된 맨드릴(Mandrel) 역할을 하는 하드 마스크(HM) 패턴의 양 측벽에 스페이서(Spacer)를 형성하고, HM 제거 후 스페이서를 블로킹층으로 하여 하부 박막을 식각함으로써 포토 공정에서 형성된 피치를 1/2로 감소시킬 수 있는 기술이다. 이를 SADP(Self-Aligned Double Patterning)라 하고 이러한 단계를 1회 추가함으로써 1/4 피치로 하는 SAQP(Self-Aligned Quadruple Patterning)로의 확장이 가능하다.

4. EUVL(Extreme Ultra Violet Lithography)

(1) EUVL의 도입 배경

[그림 3-19]와 같이 미세화로 인한 멀티 패터닝 공정 적용 층(Layer)수가 지속적으로 증가하면서 추가 공정으로 인한 원가 상승으로 포토 단일 스텝(Single step)에 의한 해상도 개선에 대한 요구가 점차 증가하였다. 이에 최근 7nm 이하 로직 공정에서 극자외선(Extreme Ultra Violet, EUV) 포토 공정을 적용하기 시작하였다.

(2) EUV 광원

극자외선(EUV)의 파장은 13.5nm이며, [그림 3-20]과 같이 고출력의 \text{CO}_2 레이저를 주석(Sn) 액적(방울)에 충돌시켜 고온, 고밀도의 플라즈마를 형성하고, 이로부터 EUV 광이 발생하게 된다. 이를 플라즈마 생성 레이저(Laser Produced Plasma, LPP) 방식이라 한다. EUV 광은 짧은 파장으로 인해 ~93eV의 높은 광자(Photon) 에너지를 가져 공기를 포함한 모든 물질에 잘 흡수된다. 따라서 EUVL(EUV Lithography) 전체 시스템은 고진공 상태로 유지되어야 한다.

(3) EUVL 광학계

EUV의 높은 광자 에너지 때문에 기존의 굴절형 광학계는 EUV 광을 흡수해 버리므로 EUVL의 모든 광학계는 반사형 렌즈를 사용하는데, 이 경우에도 EUV 광은 개별 물질에 있어 수직에 가까운 입사광에 대한 반사율(Reflectivity)이 낮아 EUV 파장 영역에서 반사율을 높이기 위해서는 일반적으로 [그림 3-21]과 같이 수십 주기의, 낮은 소멸 계수(k)를 가지면서 굴절률(n) 차이가 큰 두 물질로 구성된 다층 반사경인 분산 브레그 반사경(Distributed Bragg Reflector, DBR)을 사용하여야 한다. 이러한 조건에 부합되는 물질이 실리콘(Si)과 몰리브덴(Mo)이며 각 적층 계면에서 반사되는 모든 빛이 보강 간섭이 되도록 두 물질의 두께(\sim \lambda /4)를 선택해야 한다. 실제 EUVL에 사용되는 반사경은 [그림 3-22]와 같이 Si와 Mo 박막을 6~7nm의 주기로 40~70층 적층하여 제작되지만 반사율이 미러당 약 70% 정도가 최대이므로, 12개의 거울을 사용한다고 했을 때 광원에서 생성된 광량의 ~1.4% 밖에 웨이퍼에 도달하지 못한다. 따라서 반사도 개선과 함께 생산성 향상을 위해서는 고출력의 광원 개발이 과제로 남아 있다.

(4) EUVL 마스크

EUV용 마스크는 기존 투과형 마스크 대신 반사형 마스크를 사용해야 한다. EUV용 마스크의 구조는 [그림 3-23(a)]와 같다. [그림 3-23(b)]와 같이 빛을 비추면 흡수층에서는 빛이 흡수되어 버리고, 흡수층 이외의 Si/Mo 반사층에 도달한 빛은 반사되어 웨이퍼로 전달됨으로써, 마스크의 회로 정보가 웨이퍼에 전사되는 원리이다. EUV용 마스크의 문제점은 흡수층에 의한 반사광의 그림자 효과로 수평/수직 패턴 간 CD 차이가 발생하는 3차원 마스크 효과(M3D) 및 Si/Mo 적층 구조에 대한 마스크 검사 기술의 개선이다.

(5) EUVL 펠리클(Pellicle)

마스크를 외부 이물질로부터 보호하고, 파티클이 부착되더라도 웨이퍼에는 전사되지 못 하게 하는 기능을 갖는 EUVL용 펠리클(Pellicle)([그림 3-24] 참조)은 다음과 같은 도전 과제에 직면해 있다. ① EUV 광을 흡수하면 안되므로 [그림 3-25]와 같이 흡수율이 가장 낮은 실리콘 계열의 물질을 매우 얇게(50nm 이하) 만들어야 투과도가 업계에서 요구하는 90% 이하를 만족할 수 있다. ② 통상 EUV 마스크(110 × 144mm)의 크기에 50nm로 매우 얇은 초박막 필름 형태로 만들면, [그림 3-26(a)]와 같이 중력에 의한 처짐 등의 문제가 발생한다. ③ 높은 광자 에너지의 EUV가 펠리클 박막에 흡수되면 흡수 에너지는 대부분 열 에너지로 변환돼 [그림 3-26(b)]와 같이 박막의 온도가 급격히 올라가 열 충격 및 열팽창에 의한 박막의 주름 등의 문제가 발생할 수 있다. ④ 스캐너에서 마스크가 빠른 속도로 이동하면서 노광이 이루어지는 경우, 또한 진공을 위한 펌핑(Pumping) 과정에서 펠리클 양면의 압력 차이 등의 열악한 환경에서도 견딜 수 있는 기계적 강도가 필요하다. 이러한 다양한 문제들의 해결을 위해 많은 기업들이 노력 중에 있다.