4.3 포토리소그래피(Photolithography) 기초

포토리소그래피(Photolithography) 는 반도체 제조 공정에서 미세회로 패턴을 실리콘 웨이퍼에 구현하는 핵심적인 기술이다. UV와 포토레지스트를 사용하여 미세한 회로 패턴을 전사한다.

 

• 웨이퍼는 Thin Film Deposition → Photolithography → Etching → Ion Implantation → Diffusion → Polishing 등의 과정을 반복하며 점진적으로 소자가 형성된다.
• 마지막으로 Testing and Sorting을 통해 완성된 웨이퍼가 품질 기준을 충족하는지 확인된다.
• 이러한 Front-End Process는 반도체 소자의 성능과 품질을 결정짓는 매우 중요한 단계이다.

포토마스크/레티클과 패터닝 공정

포토마스크(Photomask) 

• 회로 패턴이 새겨진 유리 또는 석영 기판, 노광 공정에서 패턴을 웨이퍼에 전사하는데 사용
• 마스크에는 빛을 차단하는 불투명한 영역(크롬 등)과 빛을 투과시키는 투명한 영역이 존재 -> 이러한 특성을 통해 특정 패턴을 빛으로 전사하게 된다.
• 포토마스크는 주로 크롬(chrome)으로 패턴을 형성하며, 크롬 마스크는 높은 해상도와 정확한 패턴 전사를 위해 사용
•  포토마스크는 컨택트 얼라이너나 프록시미티 얼라이너 같은 1:1 노광 장비에서 사용된다.
• 따라서 포토마스크의 패턴은 실제 칩과 동일한 크기(1:1)로 제작되어 웨이퍼에 직접 전사됨.

레티클(Reticle)

• 레티클은 일반적으로 투영 노광(projection lithography)에서 사용되며, 마스크와 유사하지만 크기가 더 크다.
• 웨이퍼에 직접 전사되는 패턴보다 몇 배 크게 설계되며 투영 장비를 통해 축소된 패턴이 웨이퍼에 전사된다.
• 레티클은 주로 스텝퍼(stepper)나 스캐너 장비에 사용되며, 웨이퍼 위에 여러 번 반복 노광하는 방식으로 활용
• 실제 칩 크기보다 4~5배 크게 제작되며 투영 광학계를 통해 축소되어 웨이퍼에 투영됨.

 

• 위는 포토리소그래피 공정과 카메라 원리의 유사성에 대해 이야기하고 있다.
• 포토리소그래피는 광원을 통해 마스크의 패턴을 렌즈를 통해 웨이퍼에 축소 투영하여 회로를 형성하는 공정이다.
• 이는 카메라가 물체의 이미지를 렌즈로 축소하여 필름이나 센서에 투영하는 원리와 유사하다.

광학 리소그래피에서의 자외선 파장

• 157 nm: VUV(Vacuum Ultraviolet) 영역에 속하며, 차세대 리소그래피 공정에서 사용.
• 193 nm: DUV(Deep Ultraviolet) 영역, 가장 일반적으로 사용되는 파장으로, 현대의 반도체 제조에서 널리 활용.
• 248 nm: DUV 영역, 초기 리소그래피 공정에서 사용된 파장.
• 365 nm, 405 nm, 436 nm: I(g, h) 라인으로, 구형 리소그래피 장비에서 사용.

 

 

• 그림은 포지티브 리소그래피(Positive Lithography) 과정을 보여준다.
• 자외선(UV) 빛이 포토레지스트(Photoresist)에 노광된다.  빛에 노출된 영역의 포토레지스트는 용해되어 제거되고, 그림자(shadow)로 가려진 부분만 남는다.
• 결과적으로 노광된 영역이 제거되면서, 남은 포토레지스트는 회로 패턴을 형성한다.

 

그림은 포지티브 포토레지스트와 네거티브 포토레지스트에서 사용하는 마스크 패턴의 차이를 보여준다.

• 포지티브 포토레지스트: 마스크 패턴은 원하는 구조와 동일하게 설계되며, 빛에 노출된 부분이 제거된다.
• 네거티브 포토레지스트: 마스크 패턴은 원하는 구조의 반대 모양으로 설계되며, 빛에 노출된 부분이 남는다.
  포토레지스트 타입에 따라 마스크 설계 방식이 달라진다.

오버레이 정확도(Overlay Accuracy)

 

오버레이 정확도(Overlay Accuracy)는 여러 레이어가 웨이퍼에 정밀하게 적층되는 정도를 나타낸다.

위 그림은 CMOS 인버터의 구조를 위에서 본 모습(Top view)과 단면도(Cross section)로 나타낸다.

1. Top View:
   • PMOSFET과 NMOSFET이 직렬로 배치되어 있으며, 각각의 소스(Source), 드레인(Drain), 게이트(Gate)가 연결되어 있다.
   • 마스크 패턴과 각 층의 정확한 정렬(Overlay)이 중요하며, 오버레이 정밀도는 회로의 성능과 신뢰성을 결정한다.
2. Cross Section:
   • CMOS 구조의 단면을 보여준다.
   • PMOSFET은 P형 기판 위의 N웰(N-well)에 형성되고, NMOSFET은 N형 기판 또는 P웰(P-well)에 형성된다.
   • 게이트는 산화막으로 절연되며, 소스와 드레인은 도핑 영역으로 구성된다.

 

OPC(Optical Proximity Correction)

• OPC(Optical Proximity Correction)는 포토리소그래피 공정에서 발생하는 광학적 근접 효과로 인해 패턴이 정확하게 웨이퍼에 전사되지 않는 문제를 보정하는 기법임.
• 미세한 패턴을 노광할 때, 물리적 및 광학적 특성에 의해 원래 설계된 패턴과 웨이퍼에 실제 전사된 패턴간에 차이를 수정하는 과정
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• 광학 근접 효과(Optical Proximity Effect): 광합근접 효과로 인해 설계된 선폭과 달리 실제로 전사된 패턴의 선폭은 넓어지거나 좁아질 수 있음. 
• 이는 빛의 회절, 간섭, 광학적 비선형성에 의해 원하지 않는 패턴 변형이 일어남.