[청년 Hy-Po 4기] 강의노트 작성하기 (반도체 공정 3편)

[청년 Hy-Po 4기] 강의노트 작성하기 - 반도체 공정 3편

 

안녕하세요!

SK 하이닉스 청년 Hy-Po 4기 교육생이자 서포터즈 2기로 활동중인 교육생 김세영입니다!

 

이번편은 미션은 아니지만, 저번 미션 5에서 말씀드렸던 반도체 공정의 강의노트 후속편들을 정리해보려고 합니다!

단순히 핵심만 집중적으로 공략하려고 해요!

그냥 제가 복습하고 공부하면서 작성하는 강의노트라고 생각하시면 될 것 같습니다😁😁

이번편은 반도체 공정의 3번째 편인 "Photolithography" 입니다!

 

Hy-Po 4기 활동을 하면서 프로젝트 활동도 같이 했는데, 저희 조가 선택했던 심화 공정이 바로 이 Photolithography였습니다.

저희는 해당 공정을 선택할때 조원들의 관심도에 따라 주제를 설정했는데요...!!

그만큼 반도체 엔지니어를 꿈꾸는 대학생들에게 가장 관심있는 공정이지 않을까... 감히 얘기해봅니다.😅😅

 

반도체의 핵심이 되는 회로를 그려넣는 공정으로, 노광공정 혹은 포토공정으로 불리기도 합니다.

현재 반도체 미세화에 따라 파장의 길이를 짧게 하는 등의 온갖 연구들의 노력이 보여지는 공정이기도 합니다!

 

그럼 바로 시작해볼까요?

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📝 노광 공정 (Photolithography)

[출처] 삼성반도체이야기

• 웨이퍼 상의 회로 패턴을 구현하기 위한 공정
• wafer 위에 빛에 반응하는 감광성 고분자 물질인 PR(Photo Resist) 또는 LOR(Lift Off Resist)을 얇게 코딩한 후 원하는 패턴의 마스크(mask)를 올려놓고 빛을 쪼여 원하는 패턴을 형성하는 과정
• 반도체 미세화가 진행될수록 패턴의 폭이 작아지고, 회로 선 폭이 줄어들면 포토 공정 시에사용하는 포토 마스크의 개구(Mase aperture)도 줄어든다. 그에 따라 빛(노광)의 파장도 줄어들어야 함
• 수율 및 반도체 소자의 성능을 결정하는 아주 중요한 공정

 

📝 Photolithography 공정 진행 시 고려 사항

• Resolution (해상도)
  • 빛을 분해하는 정도 (분해능)
  • 인접해 있는 점을 선이나 개별적으로 따로따로 구분해 낼 수 있는 능력
  • 마스크의 미세패턴 이미지를 웨이퍼 표면에 얼마나 작은 크기로 옮겨올 수 있는지 가늠하는 척도
  • 해상도의 값이 작아야 유리함
    • 렌즈의 직경이 클수록, 초점거리 (마스크와 웨이퍼 사이)는 작을수록 좋음
• Depth of Focus (DOF, 초점-심도)
  • 마스크와 렌즈, 웨이퍼를 노광 장비에 설치하거나 공정을 진행할 때 렌즈와 웨이퍼 사이의 물리적인 거리에 오차가 발생
  • 초점이 잘 맺히게 하는 영역 (어느정도 일정한 유효거리가 길어야 유리)
• Resolution과 Depth of Focus의 Trade-off 관계
  • DOF는 길어져야 하지만, Resolution의 값은 낮아야 함
  • 즉, 물리적/화학적 변수에서 서로 충돌하는 문제가 발생하기 때문에 타협해 적정값을 찾아야함

 

📝 노광 공정의 공정 과정

1.  Clean wafers
   • 막의 표면에 있을지 모르는 오염 물질을 세정
2. Deposit barrier layer
   • 산화막 등을 증착하고, 표면에 접착제 (HMDS) 등을 코팅
3. Coat with PR
   • 노광 전, Photo Resist 도포 (spin on coating 방식)
   • 균일하게 도포하는 것이 중요
4. Soft bake
   • 약한 온도로 웨이퍼를 굽는 과정
   • 남아있는 PR의 Solvent를 날리고, wafer와의 adhesion 강화
5. Align masks
   • Mask layer 간 패턴을 정확한 위치와 맞추는 과정
   • 정교하게 맞추는 것이 중요
6. Expose pattern
   • 감광막에 빛을 조사하여 패턴을 형성
7. Develop PR
   • 현상액을 이용하여 일정 부위의 PR을 제거하여 패턴을 형성하는 공정
8. Hard bake
   • Develop 후에 남아 있는 수분과 Solvent 등을 제거하여 PR을 다시 건조해 PR의 접착도를 증가시키는 공정
   • Polymer 내 기포도 제거, 결합력, 안정성 증가
9. Etch window in barrier layer
   • PR 패턴 모양대로 SiO2나 Metal을 깎아주는 과정
10. Remove PR
    • SiO2나 Metal을 원하는 패턴으로 만든 후 남아 있는 PR을 제거하여 패터닝을 완성하는 단계
    • 아세톤 등으로 제거

 

📝 PR (Photo Resist)

• 양성 (Positive PR)
  • 빛이 닿은 면적의 조직이 붕괴되어 현상 시에 제거되는 PR
  • 대부분의 공정에서 positive PR을 사용
  • 해상도가 좋아져서 패턴이 선명하게 됨
  • 밑에 산화막이 있을 경우 접착력이 떨어지는 단점이 존재
• 음성 (Negative PR)
  • 빛을 받은 부분의 조직이 오히려 굳건해져서 현상 시에 빛이 닿지 않는 부분이 제거되고 빛을 받은 부분이 남게 되는 PR
  • 패턴이 양성에 비해 덜 선명하게 됨
  • 산소와 잘 결합하여 하부층을 형성한 산화막과 접착이 잘되는 장점이 있음

 

📝 감광제 두께 조절

[출처] SK hynix newsroom

• 빛이 감광제 속으로 들어가면서 반사와 굴절 현상이 발생
• 감광제의 두께에 의해 빛이 감광제 속에 머무는 시간이 결정되기 때문에 감광이 잘 되기도 하고 안되기도 함
• 따라서 감광제의 두께를 알맞게 조절하기 위해서 감광제가 잘 펴지지 않도록 하는 점성과, 얇게 펴주도록하는 웨이퍼 회전 속도를 맞춰야 함
• 감광제는 일정량을 웨이퍼에 떨어뜨린 후, 빠른 속도로 웨이퍼를 회전시켜 감광제가 웨이퍼 위에 얇게 펴지도록 하는 spin on coating 방식하여 도포

 

📝 감광제 두께 조절

[출처] ASML

• EUV 기술이 필요한 이유
  • 소자의 미세화 때문!
  • EUV 광원은 기존 공정에 적용중인 불화아르곤(ArF) 광원보다 파장이 훨씬 짧아 반도체 노광 공정의 정밀도를 높일 수 있다
  • 로직, 파운드리 공정에서 7nm 이하에서는 DPT(Double Patterning Technology)/QPT(Quadruple Patterning Technology) 공정보다 EUV 공정을 활용하는 게 비용 측면에서 이득
  • 노광공정을 반복하지 않고 7nm, 5nm 공정 구현이 가능하다.
• EUV 기술의 단점
  • 양산성 (수율 문제)
  • 전력원을 위해 별도의 발전소가 필요할 정도로 구현난도가 매우 높다
  • 금속 오염도 심함
  • 파장이 너무 짧아서 공기 중에서 흡수됨
  • 마스크에 묻은 매우 작은 불순물도 치명적인 회로 결함으로 이어질 수 있음
  • EUV가 일반 가시광선대비 높은 에너지를 가지고 있어 장비내 열관리도 어려움
  • 동일한 노광 공정에 비해 더 적은 광자로 인해 노이즈에도 취약
• EUV 공정의 이슈
  • 광원
  • Mask
  • Resist
  • Pellicle

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이렇게 해서 반도체 공정 3편! Photolithography 공정에 대한 핵심 정리가 끝났습니다!

반도체의 핵심이 되는 회로를 그려넣는 공정인 만큼 중요하게 공부해야 될 개념도, 어떤 원리를 통해 발전시킬 수 있을지도 매우 중요한 공정이라 공부하는 것이 어려웠던 것 같습니다😂😂😂

이후에는 EUV 공정으로 발전이 되면서 발생하는 문제나, 해당 문제들을 해결하기 위해서 어떤 노력들을 하고 있는지에 대한 것들도 공부해보면 좋을 것 같다고 생각합니다!!

앞으로 반도체 공정에 관련된 개념 정리는 아직 남았으니까.. 앞으로도 기대해주세요~!!!😋😋😋