반도체 제조 공정 리소그래피 공정 공주대학교 전기전자제어공학부 최 복 길.

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1 반도체 제조 공정 리소그래피 공정 공주대학교 전기전자제어공학부 최 복 길

2 Contents 1. 반도체 제조 공정 (Overview) 2. 리소그래피 공정 (Lithography)
3. 결론 및 토의 (Conclusion) Electrical Eng.

3 반도체 제조 공정 Electrical Eng.

4 Overview Logic Design Wafer Preparation Circuit Design Mask (Reticle)
Wafer Fabrication Assembly Test Electrical Eng.

5 Overview Wafer Fabrication Logic & Circuit Design Mask Fab.
Crystal Growing Ingot Slicing Lapping & Polishing Electrical Eng.

6 Overview Assembly Oxidation PR Coating Exposure Development Etching
Metallization CVD Ion Implantation Electrical Eng.

7 Overview Test & Sorting Sawing Chip bonding Final test Molding
Wire bonding Electrical Eng.

8 2. 리소그래피 공정 Electrical Eng.

9 Lithography 리소그래피 (Lithography) 
Lithography : 집적회로 제조과정에서 마스크(mask) 상의 회로 패턴을 웨이퍼(wafer) 위에 옮기를 공정 Photoresist : 마스크를 통해 빛을 통과시켜 그 형태를 마스크로부터 감광제(photorerist)로 옮기는 공정 Etching : 현상된 감광막 패턴을 이용하여 웨이퍼 상의 불필요한 부분을 제거하는 공정 리소그래피 (Lithography) 감광막 프로세스 Photoresist process  식각 프로세스 Etching process Electrical Eng.

10 패턴 식각 (pattern etching) 마스크 정렬 (mask alignment)
Lithography 감광막 프로세스 Photoresist process 식각 프로세스 Etching process 감광막 도포 (PR coating) 패턴 식각 (pattern etching) 연화 건조 (soft bake) 감광막 제거 (PR strip) 마스크 정렬 (mask alignment) Next process 노광 (exposure) 현상 (develop) 경화 건조 (hard bake) Electrical Eng.

11 Lithography Pattern Preparation Photoresist Coating Stepper Exposure
Develop & Bake Acid Etch Electrical Eng.

12 Lithography Positive Resist Negative Resist SiO2 Resist SiO2 SiO2 Si
Mask SiO2 SiO2 Si Si Si Electrical Eng.

13 Lithographic masking steps to produce Transistor
Lithography Lithographic masking steps to produce Transistor Electrical Eng.

14 Lithography - Photo Pattern Preparation 레티클(reticle) 제작
컴퓨터에 의해 설계된 레이아웃(layout) 데이터를 패턴 형성기에 입력하고, 전자선을 감광막이 입혀진 크롬 유리판에 주사하여 패턴을 형성 reticle의 크기 : 실제 크기의 1~10 배 패턴 형성기 : E-beam, Laser 작업 마스크(working mask) 제작 레티클로 유리판 위에 반복적인 패턴 형성 Electrical Eng.

15 Lithography - Photo Photoresist Negative resist Positive resist
high molecular weight polymer(MW~65,000) UV 광이 감응제(additive)에 흡수되면 N-N 결합이 깨어지고 대단히 활성인 dangling bond가 생성 감응제가 다중체(polymer)와 가교(crosslink) 반응을 일으켜 노광된 감광제 (photoresist)는 현상액(developer)에 잘 녹지 않음 Positive resist low molecular weight polymer(MW=5,000~10,000) 감응제(inhibitor)가 첨가된 감광제는 현상액에 잘 녹지 않음 UV 광이 감응제(inhibitor)에 흡수되면 구조적으로 재배열하여 산(acid)이 되고, 노광된 감광제는 현상액에 잘 녹음 Electrical Eng.

16 Lithography - Photo Mask 종류 Hard mask 기판 재료 Emulsion mask Hard mask
정해진 노출 회수 동안 사용 후 폐기 비용이 저렴하나 2.5mm 이하 사용 불가 Hard mask Cr, 산화철, Si 박막을 유리판 위에 형상화하여 제작 1mm 이하 선폭 구현 가능 Hard mask 기판 재료 소다석회 유리 알루미나-소다석회 유리 붕규산 유리 ; 1.5mm 이하 수정 유리 ; 1mm 이하 Electrical Eng.

17 Lithography - Photo PR Coating 필요한 두께의 감광막을 웨이퍼 전체에 균일하게 도포하는 공정
두께와 균일성에 영향을 주는 요소 점성 계수, 다중체 함량, 스핀 속도와 시간, 가속도 결함 speed boat : 웨이퍼 표면 상의 불순물의 영향 orange peel : 감광막 두께 과다 Electrical Eng.

18 Lithography - Photo Soft Bake
용제를 증발시켜 감광막을 건조시키고, 접착도를 증가시키며 열에 의한 어닐링 효과로 응력을 완화시키는 공정 전형적인 공정 변수 70~95℃, 4~30min 적당하지 못한 온도의 영향 과소 : orange peel, 마스크 접착 과대 : scum(균일하고 얇은 감광막 잔류) Bake 장비 대류식 오븐(convention oven), 적외선 오븐(infrared oven), 열판(hot plate), 초고주파 오븐(microwave oven) Electrical Eng.

19 Mask Alignment & Exposure
Lithography - Photo Mask Alignment & Exposure 마스크의 상을 웨이퍼 표면에 정확히 맞추어 정렬한 다음, 마스크를 통하여 도포된 감광막을 적절히 노광하는 공정 노광 장치 광 노광 장치 : 접촉형, 근접형, 투사형, 투사 반복형(stepper) 비광학 노광 장치 : E-beam, X-ray, Laser, Ion beam 광원 - g-line (436nm) 일반 수은등 - i-line (365nm) - KrF (248nm) Eximer laser - ArF (193nm) Electrical Eng.

20 Projection Lithography
Lithography - Photo Proximity & Contact Lithography Projection Lithography Illumination light Condenser lens Illumination light Mask pattern Mask pattern Diffracted light gap Projection lens Photoresist Wafer Photoresist Wafer Electrical Eng.

21 E-Beam Directing Writing Lithography
Lithography - Photo E-Beam Directing Writing Lithography Electron source Illumination lens 1st aperture Beam blanker Condenser lens 2nd aperture Cell mask Beam Deflector Objective lens Wafer stage * Very Low throughput issue Electrical Eng.

22 Next Generation of Lithography Technology
Lithography - Photo Next Generation of Lithography Technology X-Ray Lithography Resolution 좋지만, 비율 적용 불가 Resolution 좋지만 throughput 매우 낮다 E-Beam Directing Lithography SCALPEL Lithography E-beam + Mask Throughput, resolution 좋지만, Mirror 만들기 어렵다 (현실성 크다) EUV Lithography Ion Beam Lithography 현실성 적다 Electrical Eng.

23 Key Technologies of Optical Lithography
Lithography - Photo Key Technologies of Optical Lithography Technology Optical Form Resist Reticle Optical Materials Optical Coatings Optical Surfacing Stages Alignment Light Source Focus 248 193 157 EUV Technology Available Evolutionary Development R&D Required Electrical Eng.

24 Lithography - Photo Develop 빛에 노출되어 성질이 변한 감광막을 현상액을 사용하여 제거시키는 공정
현상액 및 세척액 양성 감광막 : NaOH, KOH or organic bases ; H2O 음성 감광막 : Xylene, Stoddard’s solvent ; n-butylacetate 현상 방법 spray 법 : 500~1,000rpm spin immersion 법 : 현상액과 세척액에 순차적으로 담그는 방법 불량 잔류 감광막 Electrical Eng.

25 Lithography - Photo Hard Bake
잔여 용제를 제거하여 감광막을 건조시키며, 기판에 대한 감광막의 접착도를 증가시키는 공정 전형적인 공정 변수 100~150℃, 10~20min 지나친 온도와 시간 영향 양성 감광막 : etching 이후 감광막의 제거가 어려움 음성 감광막 : puddling(감광막이 오므라드는 현상) Electrical Eng.

26 박막 증착 (Thin film deposition)
Lithography - Etch Lift-Off 가장 간단한 패턴 형성 공정 기술 적용 : 융점이 낮은 금속 등의 pattering 포토 공정 (Photo process) 박막 증착 (Thin film deposition) 감광막 제거 (PR strip) Electrical Eng.

27 Lithography - Etch Wet Etching 특징 식각 용액 등방(isotropic) 식각이 얻어진다.
공정조건의 제어가 쉽지 않다. 식각 용액 Si isotropic ; 1HF : 3HNO3 : 8CH3COOH 22℃ anisotropic ; KOH, NaOH, EDP, Hydrazine(N2H4 • H2O) 22℃ ☞ EDP: Ethylene Diamine[NH2(CH2)2NH2] + Pyrocatechol[C6H4(OH)2] + H2O SiO2 7NH4F : 1HF ℃ Electrical Eng.

28 Lithography - Etch 감광막 제거 (PR strip) 4H2SO4 : 1H2O2 120℃ 10min Si3N4
H3PO ℃ poly-Si doped ; 200HNO3 : 80CH3COOH : 1HF ℃ undoped ; 20HNO3 : 20CH3COOH : 1HF ℃ Al 80H3PO4 : 5HNO3 : 5CH3COOH : 10H2O ℃ 감광막 제거 (PR strip) 4H2SO4 : 1H2O ℃ 10min Electrical Eng.

29 Lithography - Etch Dry Etching 특징 식각 기구 비등방(anisotropic) 식각
공정조건의 제어 용이 압력, 온도, RF 주파수, 인가 자계 유무에 의해 선택도(selectivity), 등방성(isotropy), 식각율(etch rate), 균일도(uniformity)에 영향 식각 기구 플라스마(plasma)에 의해 화학적 활성종(active species)과 이온화 종(ionized species)이 형성되고, 식각될 물질과 화학 반응을 통해 박막이 제거 Electrical Eng.

30 Lithography - Etch Physical Sputtering (& Ion Beam Milling)
< 10-4 Torr Physical Sputtering (& Ion Beam Milling) Physical momentum transfer (Ar) Anisotropic possible Poor selectivity Radiation damage possible 10-4 ~ 10-2 Torr Reactive Ion Etching Physical and chemical Directional More selective than sputtering 0.1 ~ 1 Torr Plasma Etching Chemical, thus faster by X Isotropic More selective Electrical Eng.

31 Lithography - Etch 식각 형태
식각 형태 Si + [O/F] a SiF4 (or SiOF2 or Si2OF6) + O2 + F2 + CO2 [O/F] : O2 + {Cl2 or SF6 or CF4} SiO2 + [O/F] a SiF4 (or SiOF2 or Si2OF6) + O2 + F2 + CO2 + H2O [O/F] : O2 + {CF4/H2 or C2F4 or C3F6 or C4F8} Si3N4 + [O/F] a SiF4 (or SiOF2 or Si2OF6) + O2 + F2 + CO2 + H2O Electrical Eng.

32 3. 결론 및 토의 Electrical Eng.

33 Conclusion & Discussion
반도체 제조 공정의 특징 융합 기술 : 물리학 + 화학 + 전자공학 + 소재공학 + … 극한 기술 : 고진공, 고순도 ... 고가의 첨단설비 장치산업 수백 단계의 많은 공정수 신기술 적용 : Microlithography 차세대 반도체 제조 기술 ? Nanotechnology Electrical Eng.