반도체 8대 공정 : 포토 공정 (Photolithography)

반도체 산업은 지난 40여년간 '반도체 소자의 집적도는 18개월마다 두 배씩 증가한다.'는 무어의 법칙에 따라 발전해왔다. 이렇게 소자의 집적도를 향상하는 데 가장 핵심적인 역할을 한 것은 바로 포토 공정(Photolithography)이라고 말할 수 있다. 포토 공정은 1G DRAM 생산을 기준으로 소자가 완성되기까지 약 20~25회 적용되는 최대 진행 공정으로 메모리 제조 공정 시간의 60%, 총 생산원가의 약 35%를 점하고 있다. 포토 공정은 원하는 회로설계를 만들어놓은 마스크라는 원판에 빛을 쬐어 생기는 그림자를 웨이퍼 상에 전사시켜 복사하는 기술이다. 반도체의 제조 공정에서 설계된 웨이퍼 위에 형성하는 매우 중요한 공정이다.
포토 기술은 필름 카메라 사진 작업과 비슷하다. 사진을 찍고자 하는 피사체는 노광기술의 마스크에 해당하고, 사진기는 노광기, 사진 필름은 감광제(Photoresist, PR)가 도포된 웨이퍼, 필름 현상은 빛을 받은 감광제를 현상(Develop)하는 과정, 현상된 필름을 이용하여 사진 인화를 하는 작업은 노광공정 후 진행하는 식각공정, 이온주입 공정에 해당한다. 이러한 사진 작업이 완료되어 여러 장의 사진을 모아 놓은 앨범은 공정이 완료되어 제작된 반도체 소자에 해당한다고 볼 수 있다. 포토 공정은 포토마스크에 그려진 집적 회로 패턴을 웨이퍼로 옮기는 공정으로써, 빛에너지를 이용하여 포토마스크 상에 새겨진 반도체 패턴 회로를 투과 또는 반사해 웨이퍼에 도포된 감광제에 조사(Expose)한 후, 현상 작업하여 전사하는 방법이다. 실제 반도체 소자는 최종적으로 3차원 구조물이지만 반도체 소자를 구성하는 박막층을 2차원 구조로 쌓아 올려 만든 것이다. 이러한 2차원 구조를 포토마스크라는 일종의 원판으로 제작한 후 판화를 찍듯 빛을 이용하여 복사하면 짧은 시간에 2차원 구조를 생산하는 것이 가능하다. 노광공정만으로 원하는 3차원 구조가 만들어지는 것이 아니므로 박막증착과 식각 등 다른 단위 공정과 조합하여야 한다. 노광공정에서는 부분적으로 보호막을 형성하고 후속 작업에서 가려지지 않은 부분을 식각하거나 이온주입을 한다.

1. 포토마스크(Photo Mask)

포토마스크는 자외선이 잘 통과하는 석영유리판에 자외선을 차단하는 차단막으로 반도체 회로 패턴을 만들어 놓은 것이다. 제작 공정은 반도체 제작 공정과 동일하게 진행한다. 석영판 위에 차단 박막을 증착하고 레지스트를 올려 회로 패턴을 만든다. 그 후 노출된 박막을 식각하고 다시 레지스트를 제거하면 포토마스크가 완성된다. 단, 이 포토마스크용 패턴은 원판이 없고 CAD 데이터만 있기 때문에 레지스트 패턴 형성 방법이 뒤에 설명할 포토 공정과는 차이가 있다. 포토마스크를 위한 패턴 형성은 마치 펜으로 그림을 그리는 것처럼 전자선을 E-beam 레지스트에 스캐닝하는 방식이다. 포토마스크에서 차단 박막이 있는 부위는 자외선을 반사하고 석영(Quartz)은 자외선이 투과되기 때문에 포토마슼크 위에 노광장치를 통해 자외선을 쬐어주면 포토마스크의 패턴이 웨이퍼 위에 코팅한 감광제로 전사 되는 것이다.

2. 포토 공정 순서

기본적으로 포토 공정은 감광제(PR)를 코팅하고 노광 후 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분을 구분하는 현상 작업 3 과정으로 구분된다. 여기에 작업마다 사전 준비, 후속 처리 과정이 더해지게 된다.

1단계 : 표면처리
첫 번째 단계는 웨이퍼의 표면을 화학 처리하여 친수성인 표면을 소수성 표면으로 바꾸어 감광제의 접착력을 향상하는 과정이다. 이 작업에서는 웨이퍼 표면을 HMDS(HexaMethylDisilazane) 증기에 노출해 친수성 웨이퍼 표면을 소수성 표면으로 바꾸어 준다. 감광제는 보통 소수성 성질을 가지기 때문에 감광제와 웨이퍼 간의 접착력을 향상한다. 후속의 현상(Develop) 공정에서 알칼리 수용액을 통해 현상 공정을 진행하게 되는데, 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분의 용해 속도 차를 증대시키기 위하여 감광제는 소수성이 커지므로 HMDS 처리는 필수적이다.

2단계 : Spin Coating
이후 감광제를 스핀 코팅(Spin Coating, 회전 도포 방식)하는데, 저속 회전 상태에서 감광제를 뿌린 후 회전수까지 가속하여 PR이 웨이퍼의 표면에 고루 덮이도록 만든다. 최종적으로 보통 3000~6000rpm에서 수십 초간 고속으로 회전시켜 감광제를 원하는 두께로 코팅한다. 이때 감광제의 두께는 감광제의 점도와 회전 속도에 의해 결정되는데, 각속도를 증가시키면 원심력이 증가하면서 두께가 감소하고, PR의 점도가 증가하면 PR의 두께는 증가한다. 스핀 코팅 작업 시 감광제가 웨이퍼 가장자리에서 두꺼워지는데, 이는 후속 공정에서 장비 내 오염을 일으켜 파티클 또는 결함의 원인이 될 수 있기 때문에 제거해 주어야 한다. 코팅 최종 단계에서 저속 회전하면서 PR을 녹이는 용매를 뿌려주어 웨이퍼 가장자리의 PR을 제거하는 화학적인 방법과 레이저를 이용하여 그 에너지로 제거하는 광학적인 방법이 있다.
3단계 : Soft Bake
감광제 코팅 후, 감광제에 포함된 유기용매를 제거하기 위하여 낮은 온도에서 Soft Bake를 실시한다. 스핀 코팅 시 발생한 원심력에 의한 감광제의 스트레스를 완화하고, 감광제 반응 특성을 일정하게 유지하여 후속 노광공정에서 환경 변화에 대한 민감도를 줄이게 된다.