[포토공정] Photolithography & 장애물 & EUV

Photolithography

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해당 카테고리에서는

내가 가장 관심이 많은 Photolithography,

즉 포토공정에 대해서 공부하고 포스팅 할 예정이다.

 

따라서 이 카테고리에 첫 포스팅은

포토공정이 무엇인지,

포토공정이 개선해나가야 할 장애물은 무엇인지,

그 방법인 EUV가 무엇인지에 대해서 정리해보려고 한다.

 

반도체에서 패턴은 정말 중요하다.

특히 패턴을 그리는 포토공정이 중심을 잡아 주어야 반도체 전체 성능이나 동작, 칩의 완성도가 높아진다.

 

 

포토공정은 설계된 회로를 웨이퍼 위에 그리는 공정인데 이름처럼 사진 인화의 원리와 같다.

 

간단히 설명하면

1단계는 감광액(PR) 도포이다.

형성되는 막의 두께가 균일해야 하기 때문에 스핀코팅(spin coating)으로 회전하면서 도포하게 된다.

 

출처 삼성전자반도체뉴스룸

 

스핀코팅은 학부시절 perovskite solar cell 프로젝트 실험 당시 가장 사용해본 실험 방식이라 익숙하다.

작은 rpm, 회전시간 변화에도 막의 두께가 크게 달라지기 때문에 정확한 수치를 치키고 최적화 조건을 찾는 것이 중요하다. 

 

감광제는 위 그림처럼 두 가지 성질로 나뉘는데,

빛을 받은 부분(마스크의 뚫린 부분)이 남는 Negative PR과

빛을 받지 않은 부분(마스크의 막힌 부분)이 남는 Positive PR로 나뉜다.

 

 

그 다음 2단계는 노광(Exposure)이다.

 

레티클(마스크)를 이용해 웨이퍼 위에 패턴을 그리는 단계인데,

패턴이 그려진 유리 마스크 위로 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어낸다.

투영된 빛을 웨이퍼에 일정하고, 반복적으로 새기는 것이 포인트이다.

작아지는 기기와 칩 크기에 맞추어 패턴도 세밀해지기 때문에

미세한 작업이 가능할수록 그 가치가 올라간다.

 

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포토공정이 개선해나가야 할 장애물에는 무엇이 있을까?

 

빛의 회절과 간섭

 

 

빛이 좁은 틈을 지날 때 본래의 진행방향과 다르게 넓게 퍼지는 특성인 회절과,

두개의 빛 파동이 만나 서로 보강되거나 상쇄되는 특성인 간섭은 포토공정의 패터닝을 방해하는 가장 큰 장애물이다.

 

아래 그림과 같이 빛은 회절 하는 성질에 따라 좁은 틈을 통과 할 때 직진하지 못하고

그 틈을 중심으로 부채꼴 모양 파동이 되어 퍼져나가게 된다.

 

회절은 틈이 좁거나 파장의 길이가 길수록 더 넓게 퍼지게 하는 특징이 있다.

 

 

이런 경우 원하는 모양을 PR에 정확하게 현상 할 수 없게 된다.

즉 그리고자 하는 밑그림의 선이 얇아지고(틈이 좁고), 빼곡할 수록(틈 간 간격이 좁을수록) 정확하게 그려내기 어려워 진다는 말이다.

원하는 패턴과 다른 엉뚱한 그림을 그릴 수가 있다.

 

이런 문제를 해결할 수 있는 방법은 뭐가 있을까?

 

Multi Patterning Technology : 한번에 그리기 어려우면 두개로 나눠 그리자!

 

 틈 사이 간격을 더 넓혀 빛과 빛 사이의 간섭을 줄이게 만드는 것이다.

 

 

틈 간 간격이 너무 좁아 패터닝이 제대로 이루어지지 않는 (a)를 (b)와 (c)로 나누어 두 번 진행하여

틈 사이 간격을 넓히게 되면 원하는 모양으로 패터닝을 진행 할 수 있다.

 

이러한 방식을 여러 번 패터닝한다고 하여 Multi Patterning Technology라고한다.

하지만 패터닝을 여러번 진행하는 것은 시간적, 효율적, 오염원에 노출될 확률의 증가로 힘든 부분이 많다.

따라서 EUV의 도입으로 이 단점을 없애는 것은 중요한 변화이다. (관련 내용은 뒤에서 계속)

 

OPC :  작게 찍히면 크게 만들고, 크게 찍히면 작게 만들자!

 

또 다른 해결책은 OPC(Optical Proximity Correction)으로

오차를 고려하여 재계산하여 반영해 마스크를 만드는 방법이다.

 

결과물로부터 피드백을 받아 마스크를 일부러 왜곡되게 제작하는 방법이라고 할 수 있다.

 

 

포토(Photo)와 식각(Etch) 공정을 진행하였을 때 빛의 성질에 의해 Pattering이 제대로 이루어지지 않아

위 그림처럼 마스크의 모양과는 다르게 일부가 두꺼워지거나,

얇아지게 되고 심하면 아예 없어지거나 근접한 부분과 붙어버리는 경우도 생기게 된다.

(마치 라떼 위 하트 모양 틀에 코코아 가루를 부어도 가루가 떨어지며 날려 찌그러진 하트가 되는 것 처럼..!)

 

OPC는 이런 오차가 발생한 결과를 참고하여 마스크자체의 모양을 왜곡되게 변경하여 진행해 원래 목표하던 모양을 얻게 되는 과정이다.

 

하지만 결국 작아진 Pattern에서 빛의 성질로 인해 발생되는 문제의 근본적인 해결책은 빛의 파장을 줄이는 방법이다.

 

따라서 파장을 줄이기 위해서도 꾸준히 노력을 이어가고 있는데

이러한 포토 공정의 발전에 따른 파장 변화 과정과 함께, 가장 주목받는 EUV는 어떤 특징을 가지고 있는지에 대하여 알아보자.

 

 

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Extreme Ultra Violet (EUV)

 

 

이전 세대에 사용된 ArF(불화아르곤)은 193나노 파장대를 사용했지만

EUV 파장은 13.5나노이기 때문에 더욱 미세한 작업이 가능하다.

 

EUV 파장 덕분에 동일한 크기의 메모리 내에 더욱 많은 용량을 저장할 수 있다.

또한 싱글패터닝이 가능하기 때문에 정밀도의 증가와 공정시간의 단축, 오염 노출 위험의 감소 등

여러가지 장점이 있어 기존 공정 대비 웨이퍼 생산 효율을 향상시켰다.

 

 

 

삼성전자는 EUV 기술을 DRAM에 조기 도입했으며 그로인해 DRAM의 품질과 기술 모두 인정받고 있다.

2022년에 삼성전자 파운드리 사업부는 EUV Minimum Pitch Single Patterning을 주제로

논문을 IITC(International Interconnect Technology Conference)에서 발표하기도 했다.

 

파장이 짧으면 회절로 퍼져나가는 각도를 줄일 수 있어 포토 공정의 한계를 극복할 수 있기 때문에

패터닝의 한계는 짧은 파장을 사용하면 해결할 수 있다.

 

 

포토공정의 광원은 과거 램프에서부터 레이저(DUV)로, 현재는 플라즈마(EUV)로 발전해왔다.

EUV는 강력한 플라즈마로 만든 짧은 파장이다.

 

CO2 Laser를 떨어지는 Sn(주석)에 정확하게 충돌 시켜 플라즈마를 발생시키고

그 플라즈마에서 나온 빛을 거울로 모아 EUV를 만드는 방식이다.

 

따라서 EUV에서 거울은 굉장히 중요하다.

빛은 파장이 짧을수록 다른 물질에 쉽게 흡수된다. 따라서 광원이 목표물까지 온전한 에너지를 갖고 도달하기 어렵다.

 

이를 방지하기 위해 EUV장비 내부는 진공상태로 만든 후 공정이 진행된다.

거울을 사용하는 것 또한 같은 원리인데,

EUV는 파장이 짧아 렌즈를 통과할 때도 다량의 빛이 렌즈에 흡수된다.

따라서 거울을 이용해 통과(투과)가 아닌 반사를 시켜 흡수를 최소화한 상태로 목표물(감광액)까지 빛이 온전히 도달하게 한다.

 

 

 

이처럼 투과에서 반사로 노광 방식이 바뀌면서 마스크 또한 제작 방식이 바뀌게 되었는데,

EUV를 활용하는 공정은 마스크 역시 반사를 활용하도록 제작하여 사용한다.

 

빛을 막는 영역과 투과되는 영역으로 구성된 기존의 마스크가

반사가 되는 영역과 빛이 흡수가 되어버리는 영역으로 구성된 마스크로 바뀌게 되었다.

 

 

EUV 마스크는 흡수율을 최소화 하기 위해 Mo(몰리브덴)과 Si(실리콘)이 여러 번 겹쳐있는 구조의 반사경을 사용하며,

보호필름 역할을 하는 Protection층으로 거울을 보호한다.

반사가 되지 않아야 할 영역은 Absorber(TaN)를 사용하여 빛을 흡수하는 방식이다.

 

즉 EUV 포토공정을 한 장의 그림으로 보게 되면 다음과 같다.

 

EUV 포토공정 (출처: 삼성전자 뉴스룸)

 

 

 

그리고 EUV와 ArF를 비교하자면 다음과 같다.

 

 

 

요약하자면 광원, 빛 전달 방식, 마스크가 다르다고 할 수 있다.

 

앞서 포토 공정의 문제점인 회절을 해결하기 위한 방법으로 멀티패터닝 (MPT: Multiple Patterning Technology)을 소개했는데,

이 MPT는 작은 패턴을 그릴 수 있다는 장점이 있지만,

마스크도 여러 개 필요하고 공정도 여러 번에 거쳐 진행해야 한다는 단점이 있다.

 

 

하지만 파장이 짧은 EUV는 단 하나의 마스크와 단 한번의 포토공정으로 이 패턴을 그릴 수 있어 이 단점을 극복할 수 있다.

즉 시간, 수율, 비용적 이점을 모두 챙길 수 있다.

 

 시간 : 공정 진행 소요시간 단축

 

결과물을 얻는데 필요한 단계가 많아지면 그만큼 시간이 오래 걸리게 된다. 단계를 줄여 이전 보다 훨씬 빠른 진행이 가능하게 된 것.

 

수율 : 오염을 줄여 수율 향상

 

여러 번에 거쳐 진행된다는 것은 오염될 가능성이 여러 번 존재 한다는 말과 같다.

반도체 공정에서 오염은 수율 하락의 원인으로 작용하기 때문에 EUV는 이러한 수율 하락의 원인을 줄여줌.

 

비용 : MASK 제작 비용 감소

 

Mask제작에도 비용이 필요한데, 여러 장 만들던 Mask를 EUV를 활용하며 한 장으로 줄일 수 있었으니,

이에 따라 제작 비용도 감소하게 됨

 

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이렇게 포토공정에 대한 기본 내용과 개선 사항, 개선 방법인 EUV 에 대해서 알아봤다.

포토공정에서의 전문가가 되는 그 날까지 열심히 포토공정 관련 내용을 포스팅 할 예정이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

출처

웨이퍼(mm) 위에 그리는 밑그림(nm). Part 1 | 삼성반도체

 

웨이퍼(mm) 위에 그리는 밑그림(nm). Part 2 | 삼성반도체