[포토공정] 훈련 7 : "Photoresist technology"

반도체사관학교 상사 교육생 단계

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EUV 공정의 도입으로 High sensistivity, High speed Photoresist 기술이 요구되고 있습니다.

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[질문 1]. Deep UV photoresist에 대해서 설명해주세요.

• Keyword : [화학증폭형, CAR, Polymer resin, Photo Acid Generator, Photo Active Compound]

광원의 빛은 파장이 짧아짐에 따라 빛의 세기 Intensity는 줄어들게 되었습니다. 따라서 낮은 빛의 Intensity에도 패턴을 정상적으로 형성하기 위해 화학증폭형 Photoresist인 CAR이 개발되었습니다. CAR은 Polymer resin과 Photo Acid Generator (PAG), 그리고 Solvent로 구성되어 있으며 노광시 빛을 받은 PAG가 Acid를 발생시키고 발생한 acid는 고온에서 polymer resin과 반응하여 용해성 물질로 전환하게 됩니다. 이때 발생한 acid가 또 다른 polymer resin과 반응하여 증폭이 되기에, 이를 화학증폭형 photoresist라고 부릅니다.

[꼬리 1-1]. I-line PR과 DUV PR의 차이에 대해서 말씀해보세요.

I-line PR과 DUV PR의 가장 큰 차이는 감광 메커니즘입니다. i-line에서 사용되는 PR은 용해억제형인 Novolac resist를 사용합니다. Novolac resin, PAC, 그리고 Solvent로 구성되어 있으며, 노광 시 빛을 받은 부분은 PAC의 보호기 탈리현상으로 인해 알카리성 Developer에 잘 용해되는 Acid로 변하며, 빛을 받지 않은 영역은 Resin과 PAC가 결합하면서 Developer에 용해되지 않는 불용성 물질이 됩니다. 따라서 PAC가 resin과 결합하여 용해를 억제하는 용해억제형 PR이 사용됩니다. 그에 반해 DUV는 앞서 말씀드렸듯이 PAC에서 발생한 acid가 polymer resin과 반응하여 용해성 물질로 변하고 화학적으로 활성화되는 화학증폭형 PR을 사용합니다.

[꼬리 1-2]. 양산에서 Positive PR을 사용하는 이유에 대해서 설명해보세요.

Positive PR을 사용하는 이유는 높은 해상도를 가지는 특성 때문에 미세화 트랜드에 적합합니다. 반면에 Negatifve PR은 Develop 과정에서 PR이 부푸는 Swelling 현상으로 인해 해상도가 저하됩니다. 그외에도 Positive PR은 Scum 형성이 적고, Step coverage, 열적안정도가 Negative PR에 비해 우수하기 때문에 양산에 사용되는 것으로 알고 있습니다.

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[질문 2]. Photoresist의 현재 EUV 이슈에 대해서 설명해보세요.

기존 DUV는 노광시 빛을 받은 PAG에서 바로 acid가 발생하며 Post-Exposure Bake (PEB)를 통해 활성화시켜 빛을 받은 부분과 아닌 부분의 경계를 명확하게 구분할 수 있습니다. 하지만 EUV는 높은 에너지를 가지는 빛에 의해 Polymer resin에서 광 흡수가 일어나고 그로 인해 전자가 발생합니다. 생성된 전자에 의해 PAG에서 산이 발생하게 됩니다. 따라서, 기존 DUV PR 메커니즘보다 resin에서 발생한 전자에 의해 산을 발생시키는 step이 추가적으로 존재하기 때문에 효율이 떨어지는 이슈가 존재합니다.

[꼬리 2-1]. 그러면 EUV에서 어떤 Photoresist가 요구되는가.

무엇보다도 DUV와 같이 광을 바로 흡수해서 Acid를 발생시키는 EUV 광의 최적화된 고감도 Photoresist 개발이 요구됩니다.

[꼬리 2-2]. Photoresist를 채택할 때 고려해야 하는 지표에 대해서 설명해보세요.

Photoresist를 채택할 때 고려해야 할 지표는 PR의 용해성, 민감도, 열적 안정성, 접합성이라고 생각합니다. 용해성이 클수록 패턴모양과 공정마진이 우수합니다. 감도가 작으면 분해를 위해 보다 많은 빛이 요구되기 때문에 현상속도가 느려집니다. 하지만 감도가 너무 커지면 현상속도가 빨라지나, 빛의 산란, 회절, 반사 등의 영향을 받아 Notching 현상이나 패턴의 변화가 생기는 이슈가 발생하기 때문에 적절한 민감도를 가지는 PR이 요구됩니다. 그 외에도 열적안정성이 떨어지면 PEB 과정에서 PR이 흘러내리는 이슈가 발생하고, 접착력이 낮으면 Spin coating 과정에서 균일한 유기박막 코팅이 정상적으로 진행되지 않을 수 있습니다.

[용어설명]
1. Notching : 빛의 산란과 반사로 인해 특정 부분에 빛이 집중되는 현상을 말합니다.

2. Contrast : Contrast는 노광부와 비노광부의 '용해성 차이 (명암비)'를 말합니다. Contrast가 클수록 패턴 모양이 우수하고 공정마진이 좋습니다.

3. Sensitivity : PR의 민감도를 의미합니다. 감도가 작으면 분해를 위해 보다 많은 빛이 요구되어 현상속도 (photospeed)가 느려집니다. 감도가 크면 photospeed가 빨라지나, 빛의 산란, 회절, 반사 등의 영향을 많이 받아 패턴 모양이 나빠지고, 노광기의 초점거리에 의한 패턴 변화가 심해지는 단점이 있습니다.

4. 현상속도 (Photospeed) : 포토공정의 생산성에 영향을 주는 인자로, 너무 빠르면 공정마진이 줄고 CD 바이어스가 크게 나와 공정 안정성이 떨어집니다.

5. 열적안정성 : 포토공정의 최종단계에서 hard bake를 수행하는데, 이때 고온으로 가열된 PR은 Resin 간의 가교결합을 증가시켜 내화학성 및 내열성을 향상시킵니다. 이때 PR의 열적안정성이 떨어지면 PR이 흘러내리는 이슈가 발생합니다.

6. 접착력 (Adhesion) : PR은 다양한 종류의 막에 대한 접착력이 우수해야 합니다. PR을 구성하는 Polymer resin의 분자량이 클수록 접착력이 우수합니다.

7. 에칭저항력 : 포토공정 이후 후속공정으로 에칭공정을 진행할 시 강한 에칭 조건을 잘 견뎌야 원하는 패턴을 얻을 수 있습니다. 이는 PR의 열적 안정성과 접착력, 공정 조건에 따라 결정됩니다.