리소그래피

실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 형성하는 공정. 리소그래피 공정은 반도체 전공정 중에서도 핵심이고 관련 장비 시장 규모가 가장 크다. 한편, 향후 반도체의 고집적화 성공 여부를 결정짓는 공정이기도 하다. 이 공정은 여러 단계의 공정들로 다시 세분화 되며 세정공정과 같이 각 공정들이 계속 반복되어 공정수가 제일 많다.

주요 공정

Silazane gas 분사→ PR(감광액) 도포 → 소프트 Bake → 정렬 → 회로 패턴 노광 (포토마스크를 통과한 빛이 투과되면 감광액이 변화됨.) → PR 현상 (현상액을 통해 현상) → 하드 Bake (감광액을 건조시킴) → Etching(원하는 부분을 형성하기 위해 불필요한 부분을 깎아냄) → PR 제거 (PR을 웨이퍼에서 제거) → 세정

Silazane gas 분사

대표적인 예로는 HexaMethylDiSilazane (HMDS)가 있다.

웨이퍼 표면에 Silazane gas 분사를 통하여 Si-O-H 형태의 친수성인 웨이퍼 표면을 소수성으로 바꾸어 주어 웨이퍼와 감광제의 접착력을 향상시킨다. 패턴이 미세해질수록 수용성 알칼리 현상액(developer)에 대 한 용해 속도 차를 증대시키기 위하여 감광제를 점점 더 소수 성으로 개발하는 경우가 많아지므로 극성 반발로 인한 coating 불량을 막기 위해 HMDS 처리는 필수 공정으로 자리 잡았다.

감광제 코팅

HMDS 처리 후 spin coating 방식을 이용하여 감광제를 코팅한다. 코팅의 일반적인 순서는 저속 회전 상태에서 감광제를 뿌린 후 특정 회전수까지 가속한 후 고속으로 회전시켜 PR을 원하는 두께로 조절하며 최종 단계에 저속회전으로 PR 주변의 잔여물을 제거하게 된다.

감광제는 웨이퍼 표면에서 해상력에 가장 큰 영향을 미치는 소재이다. 감광제는 빛을 받아 물질의 특성이 변하여 후속 처리를 통하여 빛을 받은 부분과 그렇지 않은 부분을 선택적으로 제거할 수 있는 물질을 말한다. 감광제에 빛을 쬐면 감광제가 빛과 반응하여 화학구조가 바뀌어 현상액에 반응하는 속도가 달라진다.

빛을 쬔 부분이 현상액에 녹아 나가면 positive, 빛을 받지 않은 부분이 녹아나가게 되면 negative라고 정의한다. 아주 이상적인 positive 감광제는 한계 노광량을 넘기면 완전히 현상되고 그 이하는 전혀 현상되지 않는 것이라고 할 수 있다. 만약 이런 감광제가 실제로 존재한다면 마스크 상의 패턴을 똑같이 재현할 수 있을 것이다. 하지만 아쉽게도 그런 감광제는 실제로 존재하지 않는다. 노광되지 말아야 할 부분도 실제로는 약간씩 현상되고, 노광량에 따라 현상 속도가 빨라진다. 따라서 실제 감광제가 이상적인 감광제와 얼마나 차이나는지 알아 두어야 한다.

Soft bake

Coating 공정 후 감광제에 남아있는 유기 용매를 제거하기 위하여 낮은 온도에서 soft bake를 실시한다. 잔류 용매로 인한 노광설비 및 마스크 오염을 방지하고 감광제 반응 특성을 일정하게 유지하기 위함인데 일반적으로 90~110도 정도로 가열하여 용매를 제거하고 PR의 밀도를 높여서 환경 변화에 대한 민감도를 줄이게 된다.

노광

露光, exposure

2015년 현재, 1Gb DRAM에서 칩이 완성될 때까지 걸리는 총 생산원가의 35%, 총 시간의 60%를 노광 공정이 차지한다. 노광 장비의 핵심은 미세한 회로 패턴을 그리는 것이고, 이를 위해서는 사용하는 빛의 파장이 짧든지 개구수 (NA; Numerical Aperture)가 높은 렌즈를 사용해야 한다. 그 외에도 회절과 산란으로 인한 간섭을 줄여야 한다. 최첨단 장비이기 때문에 세계적으로도 몇 군데 회사 이외는 만들 수 없다. 그 중에서도 2017년 2월 현재 네덜란드 ASML이 78%로 시장을 사실상 독점하고 있다.

EUV

Extreme Ultra Violet, 극자외선

13.5nm의 파장을 가지는 빛을 노광 공정에 써보려는 시도이다. 이 장비를 개발하고 있는 업체는 네덜란드의 ASML이 유일하다.

EUV는 기체를 포함한 모든 물질에 흡수되는 독특한 성질을 가지고 있기 때문에 활용이 극히 어려웠다. 그래서 장비 내부를 진공 상태로 만들었다. 기존장비에는 투과형 렌즈를 사용했으나 EUV lithography는 렌즈에 흡수 문제가 생기므로 사용할 수 없다. 그래서 렌즈 대신 박막 거울을 사용한다. 그런데 Mo-Si 다층 박막 거울의 반사 효율은 최대 70% 수준이어서 손실이 너무 심하고 공정 시간이 지연된다. 이 때문에 EUV 리소그래피가 실용화되는 데는 굉장히 오랜 시간이 걸렸다.

삼성전자는 기존에 EUV 노광장비 3300을 1대 가지고 있었고, 2016년 9월에 3350을 2000억원에 1대 사왔다. 2017년 1분기부터 시험 양산될 모바일 애플리케이션 프로세서 (AP) 생산에 EUV를 활용한 공정을 시험 도입하기로 했다. 이후 추가 계약을 체결해 2018년부터 시스템반도체 라인 7나노 공정에 EUV 노광장비를 도입하기로 했다.

노광 후 bake

Post exposure bake : PEB

감광제의 확산을 통한 패턴 형성에 매우 중요한 과정이다.

현상

사진 현상과 마찬가지다. 일반적인 감광제의 현상액은 대부분 수용성 알칼리 용액을 사용하고 있으며 주 원료로는 KOH와 TMAH(TetraMethyl-Ammonium-Hydroxide) 수용액을 사용하고 있다. 일반적인 경우 현상 시간은 약 60초 정도이나 감광제의 두께가 낮아지면 현상 시간을 줄이는 것이 유리하다. 실험실 수준에서는 주로 큰 통에 현상액을 담고 웨이퍼를 넣어서 흔들어 주는 dip 방식이 사용되기도 하지만 실제 양산에서는 공정 조절 능력이 좋은 puddle 방식이 사용된다. Puddle 방식은 현상 초기에 느린 속도로 웨이퍼를 spin하며 약간의 현상액을 뿌려 현상 초기에 제거된 부위를 씻어낸 후 정지 상태에서 웨이퍼 위에 developer를 표면장력으로 잡아서 현상하는 방식이며, 현상액의 소모량이 작고 uniformity가 우수한 특성을 보인다.

현상이 끝나면 현상액을 제거한다.

(hard bake)

필요에 따라 마지막으로 hard bake를 수행한다. 우선은 순수(DI water)로 감광제를 충분히 린스하여 잔여 감광제를 제거한 후 건조를 하며, 이후 감광제의 변형이 일어나지 않도록 PR의 유리질 천이온도보다 조금 높은 온도에서 bake를 한다. Hard bake 과정 중 노광이 완료된 감광제의 roughness가 개선되는 현상을 보인다.

식각, 이온 주입, 감광제 제거

식각이나 이온 주입이 끝나면 감광제는 필요없으므로 제거한다. 대체로 감광제는 유기 고분자로 구성되어 있으므로 산소 플라즈마에 의하여 쉽게 제거된다.