[포토공정] 훈련 6 : "포토공정, 공정여유 or 공정마진"

 

반도체사관학교 중사 교육생 단계

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포토공정의 3가지 목표
이미지 패턴이 "정확한 모양으로, 균일한 크기로, 정확한 위치"에 전사되었는가.

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[질문 1]. 포토공정에서 공정의 제어(Control) 단계에 대해서 설명해보세요.

• Keyword : [Inspection, CD-SEM, Overlay, Critical Dimension, EL, 패턴 결함, 두께 측정]

포토공정은 설계도를 웨이퍼에 대량으로 빠른 시간 안에 전사시키는 기술입니다. 웨이퍼에 설계 회로도가 잘 올라갔는지 검증하는 Inspection 제어 단계가 요구됩니다. 먼저, 포토리소그래피 공정은 3가지의 목표를 가지고 있습니다. 정확한 모양으로, 균일한 크기로, 정확한 위치에 이미지 패턴을 웨이퍼에 전사시키는 것입니다. 이를 판단하기 위한 것이 바로 Inspection 단계입니다. 측정 방법으로는 CD-SEM을 통해 원하는 패턴이 정확한 모양과 크기로 만들어졌는지 감광막의 두께, 패턴의 결함조사 등 전체적으로 확인하고, Overlay 측정을 통해 패턴이 정확한 위치에 적층되었는지 확인할 수 있습니다.

[꼬리 1-1]. 과잉노광시 (Over-exposure)시 발생하는 이슈는 무엇인가요.

에너지의 양이 많고 적음에 따라 빛이 감광제에 도달하는 양이 달라집니다. 다시 말해, 감광제에 도달하는 빛의 양에 따라 선폭 (Critical Dimension, CD)를 조절할 수 있습니다. 에너지의 양이 많아질수록 패턴이 작아지고 적게 받을수록 패턴의 선폭이 두꺼워집니다.

[꼬리 1-2]. 적절한 Exposure dose 이 됐는지 어떻게 알 수 있을까요.

적절한 노광이 이루어졌는지 확인하는 방법은 Exposure Latitude (EL) 척도를 확인하는 것입니다. EL의 척도는 Critical Dimension, CD의 변화의 정도를 측정함으로써 얻을 수 있습니다. CD 변화에 따라 허용되는 Exposure Dose의 범위를 정할 수 있습니다. 예를 들어 CD 변화 정도가 허용되는 범위로는 30nm 선폭 구현이 목적이라 할 때, ±10% 범위로 선정하여 EL로 나타냅니다. 이러한 공정 마진은 Photoresist 선정평가의 기준이 되는 것으로 알고 있습니다.

[세부설명] : Exposure Latitude (EL)은 CD의 변화의 정도를 측정함으로써 얻어집니다. 이는 exposure dose량의 범위를 결정할 수 있으며, 수평공정마진이 결정됩니다. 정리하자면 Photoresist의 exposure dose 범위와 EL로 PR 선정평가를 진행합니다.

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[질문 2]. 수직공정마진에 대해서 설명하세요.

포토공정에서 수직공정마진은 DOF (Depth of Focus)를 의미합니다. DoF 범위 내에 있을 때 원하는 패턴이 잘 형성되지만 그렇지 않으면 감광깊이가 균일하지 않아 패턴이 틀어지게 됩니다. DoF는 수평공정마진 내에서 CD를 유지하는 수직공정마진 or Focus 마진을 의미합니다. DOF가 클수록 수직공정마진이 넓고 패턴이 잘 형성됩니다. EL이 어느 정도인지, DOF가 어느 정도인지에 따라 공정마진이 있다, 없다를 판단하는 기준이 됩니다.

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[훈련 5. 포토공정 : 하사, "Resolution과 DoF의 관계에 대해서 설명하세요"

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[질문 3]. Overlay 평가에 대해서 설명하세요

Inspection 단계에서 Overlay는 층간중첩도를 나타내는 지표입니다. 첫 번째 패턴에서 만들어진 패턴에 두 번째 패턴을 중첩해서 전사하게 되는데 정확한 위치에 패턴이 형성됐는지 평가할 수 있는 방법입니다. 포토공정 일련의 과정을 통해서 3차원 적층구조의 소자를 제작합니다. 문제없이 패턴들이 잘 정렬되었는지, Miss align이 발생하게 되면 소자의 불량을 야기합니다. 그래서 Overlay 평가를 통해 원하는 패턴의 align이 잘 되었는지 공정 중간 중간에 Overlay 평가를 수행하여 수율을 개선합니다.

[꼬리 3-1]. Overlay 평가를 어떻게 진행하는데?

Overlay 평가는 마스크의 side 부분에 key pattern을 형성하여 중첩 간에 마진을 계산합니다. 하부막의 key pattern이 상부막 key 허용 오차범위 내에 있으면 잘 정렬되었다고 평가할 수 있습니다.

[요약] CD-SEM / Overlay
Process Control 단계에서 EL, DOF, 층간중첩도는 포토공정에서 가장 중요한 공정마진이 얼마인지를 측정하는 것입니다. CD-SEM과 Overlay로 측정을 수행합니다. 박막의 thickness를 측정할 수 있는 CD-SEM은 Deposition, CMP 등 thin film에 공통적으로 사용되는 측정 장비이지만, Overlay는 오직 포토공정에만 적용됩니다.

Process Control 단계에 대해서 정리하자면, Exposure dose의 양이 증가할수록 패턴이 얇아지고 적을수록 선폭이 두껍습니다. 이때 CD의 변화량을 측정하여 허용하는 오차범위가 EL입니다. 수평공정마진인 EL을 기준으로 Exposure Dose량을 최적화시킵니다. 수직공정 마진의 지표는 DOF입니다. DOF는 파장이 짧아질수록 Numerical Aperture, NA가 커질수록 수직공정여유도가 작아지고 이는 Resolution과 trade off 관계에 있습니다. 이는 CD-SEM 측정을 통해 평가할 수 있습니다. 그리고 Overlay를 통해 층간중첩도를 측정함으로써, 패턴이 정확한 위치에 전사 됐는지 평가합니다. 이때는 마스크의 key 패턴간의 거리를 측정하여 공정마진을 계삲랍니다. 포토공정에서는 이 공정마진이 얼마인지가 매우 중요한 key factor로 작용합니다.

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포토공정에서 가장 중요한 공정마진에 대해서 교육하였습니다.
공정에 대해서 좀 더 심도있게 교육을 할 수도 있지만, 저희는 직무면접 전선에서
승리하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 정도만 숙지하시더라도 충분히 개인전투력 향상에 도움이 될 것이라고 판단합니다. 추가 질문사항이나 오류가 있으면 댓글로 남겨주시길 바라겠습니다.
여기서 교육을 마치도록 하겠습니다.