[8대 공정으로 MOSFET 형성 체험] (4) 찰칵! 패턴 그리기(포토,식각 공정) :: STEP 한국기술대학교 온라인평생교육원

8대 공정으로 MOSFET 형성 체험
(4) 찰칵! 패턴 그리기

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학습목표

 

PR과 포토 공정에 대해 설명할 수 있다, 포토 공정에서 노광 방식의 발전 동향에 대해 설명할 수 있다,

식각 공정에 대해 설명할 수 있다

 

학습목차

 

1. 포토 공정

2. 식각 공정

 

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1. 포토 공정

 

UV에 사용되는 PR -> 현재는 EUV까지 발전한 상태

 

Positive PR

 

빛을 받은 부분이 현상 시 사라지는 PR

 

Resin+ 감광제 + solvent

 

Novolac 기반 + DNQ(감광제) + Acetate

 

DNQ: 노광 전에는 Novolac 수지의 용해를 억제하는 기능을 하지만

노광을 진행하면 N2가 분리되어 C=O 자리를 차지해 -COOH(카복실기)가 생성됨

-> 노광된 영역은 염기성 현상액에 용해되어 사라지게 됨

 

Negative PR

 

빛을 받은 부분이 현상 시 잔류하는 PR

 

폴리이소플렌 + Biz-arylzide(감광제) + 방향족

 

Biz-arylzide

: 노광을 진행하면 인접한 고분자 사이에 가교결합이 형성되어 내식각성이 증가

따라서 현상 후에도 노광된 부분은 남아있게 됨

 

공정선호도

 

대부분의 공정에서는 positive PR 사용

 

Positive PR: 노광량이 부족하면 아래쪽 식각이 제대로 이루어지지 않고 부착력이 약함

Negative PR: 노광시 부피 변화가 일어나 미세 공정에 이용하기 어렵다 -> 치명적 단점

 

포토 공정의 주요 인자

 

분해능 (Resolution)

- 해상도: 서로 떨어져 있는 두 물체를 구별할 수 있는 능력

= 웨이퍼에 전달할 수 있는 패턴의 최소 크기로

작을 수록 우수한 성능임

 

초점 심도 (DOF)

= 초점 거리로

유효한 상을 얻을 수 있는 정도를 나타내는 초점으로부터의 거리로

클수록 여유도가 증가한다

 

 

두 특성이 서로 반대되는 경향을 보이므로

NA를 증가, 파장을 감소시켜 분해능을 개선하고

감소한 DOF의 경우

웨이퍼의 단차를 출이는 CMP 공정을 적용해 여유도를 개선함

 

포토 공정

 

- yellow 룸에서 진행

 

- HMDS를 이용해 PR의 도포성 문제를 해결

HMDS: Hexa Methyl Di Siliazane

기판(Si+SiO2) 표면이 공기중에 노출되어 생성된 -OH에 의해 친수성으로 작용하여 소수성 용매를 사용한

PR의 부착성이 감소하는 문제를 해결

 

- PR 도포

스핀코팅 방식으로 도포, 점도가 높고 회전속도가 낮을수록 PR의 두께 증가,

가장자리 용액 뭉침의 해결을 위해 EBR(Edge Bead Removal), WEE (Wafer Edge Expose)를 적용

 

- soft bake

PR을 도포한 이후 비교적 낮은 온도로 열을 가하는 단계 (90~110도씨)

-> solvent의 20% 정도를 제거, 기판과의 부착력 증가, mask의 오염 최소화

 

- Align + Exposure

stepper장비: Mask와 기판을 동시에 이동해 노광 영역의 조절에 용이함

 

 

 

- Develop (현상)

: 잔류 PR을 남기고 제거하는 단계

 

Positive PR: 노광된 부분이 -COOH를 가지므로 염기성 수용액 (TMAH, KOH+DIW) 이용

Negative PR: 노광된 부분의 결합이 강해지므로 나머지 부분을 벤젠과 같은 방향족 유기용매(C6H12)

 

- hard bake

현상을 마친 후 높은 온도로 열을 가하는 단계(100~1050도씨)

대부분의 solvent가 제거되며 가교결합을 통한 내열성이 증가함

 

 

문제 해결

 

- 정상파 효과 완화 (standing wave) -> ARC, PEB

 

PR을 통과해 아래로 향하는 빛 + 기판에서 반사되는 빛으로 인해

정상파 (standing wave)형성 + PR 측면에 물결무늬 형성

 

 

ARC (Anti Reflective Coating): 표면이 평평하지 않을때 산란 우려가 증가하므로 반사 방지 코팅 진행

PEB (Post Exposure Bake): 노광 후 현상 진행 전 열처리를 진행해 응력 완화 (~100도씨)

 

- DOF 여유도 개선 (immersion)

 

NA (Numerival Aparture 개구수) 

-> NA 증가시 DOF 값이 증가하는 것 이용

 

ArF Immersion Lithography

: 공기의 굴절율(n=1) < 물의 굴절율(n=1.44)

물을 지속적으로 순환시켜 공급해 오염을 방지

 

n의 증가= 전반사 임계각의 증가 효과

-> 렌즈 구경 증가 가능

 

해상도 개선

 

포토 공정에 사용되는 파장은 점점 짧아지는 중

 

- UV

수은램프: 수은 아크 스펙트럼을 이용

g-line(463nm), i-line(365nm)

 

- DUV

Excimer Laser

불활성 가스에 순간적인 에너지를 가해, 여기 후 안정되며

방출하는 형태의 빛을 이용

KrF(248nm),ArF(193nm)

 

- EUV

LPP

파장이 짧아 모든 물질에 흡수가 잘 되므로

고진공 chamber 필요

렌즈 대신 거울을 이용한 DBR으로 공정 진행: 13.5nm

 

Multi patterning

 

LELE (= Litho-Etch-Litho-Etch)

: 2번의 포토-식각 공정을 이용해 하드 마스크에 미세 패턴을 그려 넣는 방식

 

SAQP(=Self Aligned Quadruple Patterning)

: PR에 SiO2 산화막을 ALD 방식으로 증착한 뒤, 식각을 통해 상단을 제거하고

내부의 PR도 제거하여 측면의 산화막을 남기는 방식

 

공정을 여러번 반복해야 해서 공정 비용이 증가한다는 단점이 있음

 

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2. 식각 공정

 

건식식각

플라즈마 식각

 

플라즈마 속 radical 표면과 반응시키는 방법

-> 휘발성이 높은 부산물이 생성될 때만 적용 가능

스퍼터 식각

스퍼터링에서 타겟의 입자를 떼어내듯

가속시킨 이온과 표면을 충돌시켜 깎아내는 방법

-> 낮은 선택비와 이방성 특징

 

RIE (플라즈마+스퍼터 식각의 성질)

 

스퍼터 식각 방법으로 결합력을 약화시킨 후

플라즈마 식각 방법으로 화학 반응 진행

 

-> 화학 반응 진행으로 선택비 증가

-> 스퍼터 방식으로 이방성 증가

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습식 식각

 

HF

 

SiO2 식각에 쓰이는 용액

SiO2 + 6HF -> H2 + SiF6 + 2H2O

 

Si-F 결합력 < Si-O 결합력

쉽게 치환되는 특성을 이용해

실리콘 산화막 제거

 

산화막 제거

HF: NH4F = 1:6 으로 섞은 BOE 이용

-> 완충용액을 사용해 균일도 개선 가능

 

H3PO4

 

Si3N4 식각에 쓰이는 용액

실리콘 질화막 제거

 

3Si3N4+4H3PO4+27H2O -> 4(NH4)3PO4 + 9H2SiO3 (140~200도씨)

 

고온에서 진행하므로 지속적인 물 공급 필요

 

이온주입마스크로 실리콘 질화막을 사용할 경우

주입 이후 인산을 제거할 수 있음

 

PR의 경우 현재 공정에서 제거하지 않고 이온주입 마스크로 사용한 후 PR 스트립을 적용해 제거