[포토공정] 훈련 8 : "포토공정 내 수율을 저하시키는 요인"

반도체사관학교 소위 교육생 단계

---

공정엔지니어는 데이터를 기반으로 정확한 원인을 분석하고
솔루션을 제공해야 하는 역량을 갖추어야 한다.

---

[질문 1]. 포토공정에서 수율에 영향을 미치는 요인이 무엇이 있을까요.

• Keyword : [PR 두께, 산란, 반사, 정상파, Standing wave effect, PEB, ARC, BARC)

포토공정에서 수율을 저하시키는 불량에 대해서 말씀드리겠습니다. 가장 큰 요인 전사된 PR의 profile 불량이 가장 큰 요인으로 작용합니다. PR profile의 불량을 야기하는 것은 첫 번째, Exposure dose, Develope time, Bake temperature, 현상액의 과농도와 같이 공정 조건에 의한 것입니다. 두 번째는 빛의 산란과 반사로 인해 Standing Wave Effect (SWE) 효과로 노광시 PR성분 중 PAC (or PAG)의 농도차이로 PR profile이 wave지는 현상입니다. 이는 Post-Exposure Bake, PEB 공정을 통해 개선시킬 수 있습니다. 그 외에도 HMDS 처리 불량으로 PR이 Lifting 되는 요인이 있습니다.

[꼬리 1-1]. Spin coating 시 발생하는 Defects에는 무엇이 있나요.

PR 내 공기방울이 존재하거나, Dispense 끝이 평평하지 않거나, 혹은 Spin coating의 rpm이 너무 빠르면 PR이 Wafer 중앙 표면에서 떨어져 나가게 됩니다. 혹은 spin coating 시간이 너무 짧으면 와류패턴이 발생하게 됩니다. 그리고 Chuck type에 따라 chuck mark가 발생할 수 있습니다. 혹은 너무 적은 량의 PR이 웨이퍼에 분사되었을 경우 코팅이 되지 않는 부분이 발생할 수 있으며, PR 내 또는 웨이퍼 내에 공기방울이나, particle이 발생할 경우 pinhole defects이 발생합니다.

[꼬리 1-2]. 이 친구 포토공정 공부 좀 열심히 했네요. 시간을 충분히 드릴테니, 포토공정에서 아는 불량사례 다 말씀해보세요.

감사합니다.

1. 첫 번째 불량은 Defocus로 인해 Pattern이 원하는 이미지 패턴으로 define 되지 않는 불량입니다. 해당 불량은 focus 마진을 평가 후 최적 조건을 도출하거나 PR 변경 후 exposure dose와 focus를 재평가 해야 합니다.

2. 두 번째 불량은 패턴 미싱입니다. 이는 최소 선폭구현을 위한 공정마진(Resolution & DOF)이 부족한 경우 패턴이 소실됩니다. 이 경우 OPC (Optimal Proximity Correction) 수정을 진행하여, 마스크에 보정함으로써 개선합니다.

3. 세 번쨰 불량은 PR 패턴이 붕괴되거나 쓰러지는 불량입니다. 이는 PR의 Adhesion이 불량하여 PR이 lifting 되면서 발생하는 불량입니다. 이와 같은 경우 HMDS를 재평가하고 PR의 접착력을 향상시켜야 합니다.

4. 네 번째 불량은 패턴간의 Bridge가 생기는 불량입니다. 이와 같은 경우는 국부적인 부분이 defocus 되거나, Exposure 혹은 Develop이 불충한 경우 생기는 불량입니다. Defocus로 인한 이슈이면 CMP 공정으로 Global 평탄화를 수행하여 개선시킬 수 있으며, 아니라면 Exposure time과 focus matrix를 재평가해야 합니다.

5. 다섯 번째 불량은 잔여 PR인 Scum 입니다. 이는 PR Bake 과다로 발생하고, Bake의 온도나 Baking time을 조절하여 개선시킬 수 있습니다.

6. 그 외에도 포토공정 내에 불량 이슈가 존재합니다. 이러한 이슈는 설비를 깨끗하게 관리하고 Wafer Cleaning을 통해 particle을 제거함으로써 발생하는 Defects을 최대한 줄일 수 있습니다. 정리하자면 공정조건의 변경, 소재, 공정의 도입으로 불량을 개선할 수 있지만, 무엇보다도 Cleaning이 가장 중요하다는 것을 말씀드리고 답변을 마치겠습니다.

[꼬리 1-3]. 그러면 Topology에 의한 Defocus 현상과 그외 불량에 대해서 자세히 설명해주세요.

앞서 말씀드렸듯이 단차를 가지는 특정 topology에 노광공정 수행 시, 단차가 DOF를 벗어나면 Defocus되어 이미지 패턴이 define 되지 않는 이슈를 가지고 있습니다. 이는 CMP 공정을 통한 글로벌 평탄화를 도입하여 개선할 수 있습니다. 그리고 웨이퍼 표면의 적층구조가 단차를 가질 경우 하부막질이나 단차 edge에서 빛의 산란 혹은 반사에 의해 PR profile이 변형될 수 있습니다. 이는 하부 막질에서 빛의 산란과 반사를 억제하기 위핸 Bottom Anti-Reflective Coating (BARC) 박막을 코팅함으로써 개선시킬 수 있습니다.

[꼬리 1-4]. Bottom Anti-Reflective Coating (BARC)에 대해서 설명해보세요.

BARC 박막은 Anti-Reflective Coating 이름에서 처럼 반사억제방지 막입니다. Profile 상 단차가 존재할 때, 빛의 경로나 빛의 양이 달라지게 됩니다. thin film에서 metal은 실제 거울처럼 빛이 반사되는 부분이 눈이 부시듯이 빛의 양이 많기 때문에 원하지 않는 PR Profile이 형성됩니다. 그래서 BARC 막을 Resist 하부에 코팅해서 이를 방지합니다.

[꼬리 1-5]. 그러면 Bottom Anti-Reflective Coating (BARC) 원리에 대해서 설명해보세요.

BARC에는 Bragg's Law이 적용됩니다. 다양한 각도에서 빛이 입사되면 특정 각도에서 특정 파장의 강한 빛이 반사됩니다. ARC 박막의 원리는 EUV 마스크와 동일한 원리를 적용하지만, EUV 마스크는 박막 두께를 조절하여 입사하는 빛과 반사되는 빛의 보강간섭을 유도하고, ARC 박막은 상쇄간섭을 유도합니다. 물질을 이루는 결정원자에 의해 산란된 빛이 결정구조에 주기성에 의해 강해지거나 약해지는 원리를 이용한 것입니다. 이 원리가 바로 Bragg's Law이고 파장과 결정구조의 폭, 반사면과 입사광의 각도의 관계를 계산하여 BARC 박막의 두께를 결정합니다.

[꼬리 1-6]. 압박하는 것 같아서 미안해요. 그럼 BARC의 종류에 대해서 알고있나요.

ARC Layer는 Top ARC와 Bottom ARC가 있습니다. Top BARC는 상부막에 박막의 두께 조절을 통해 상쇄간섭을 유도합니다. 하지만 이는 ARC 층을 올리는 공정 온도가 높기 때문에 PR에 영향을 끼치게 됩니다. (대부분의 Polymer는 200도 이상에서 공정이 어려움. PR 스핀코팅하는 가장 큰 이유) Bottom ARC는 organic과 inorganic으로 구분됩니다. organic 유기박막은 높은 흡수율로 입사하는 빛을 모두 흡수하여 반사를 억제합니다. inorganic은 SiON 층을 사용하여 Thickness를 제어하여 상쇄간섭을 유도합니다.

압박이 장난이 아니네요. 이렇게 압박 들어오면 그냥 "죄송합니다. 잘 모르겠습니다."하고
"혹시 OOO에 대해서 설명드려도 될까요?" 라고 하는 편이 낫다고 하네요.

1. Standing wave effect
-노광시 입사광과 반사광이 서로 결합하여 정상파를 형성합니다. 그로 인해, PR에 도달하는 빛의 양의 불균일을 초래합니다. 그 결과 PR 성분 중 PAC (or PAG)에서 발생한 Acid 농도의 불균일이 발생하고 이는 불균일한 감광 프로파일을 형성합니다. (Contrast가 낮다는 것임. 이제 Contrast라는 키워드를 자연스럽게 쓰셔야 됩니다.) 이를 개선하기 위해 Post-Exposure Bake (PEB)를 통해 PAC의 농도를 diffusion (활성화)시켜 노광부와 비노광부의 Contrast를 향상시킬 수 있습니다. 그리고 반사억제방지막인 ARC layer를 형성하여 반사광을 억제하는 방법으로 개선시킬 수 있습니다.

2. Post-Exposure Bake, PEB
감광제의 확산을 통한 패턴 형성에 매우 중요한 과정으로 특히 193nm 파장을 이용한 ArF PR의 경우 화학증폭형 감광제 (CAR, Chemical Amplified Resist)를 사용하는 경우가 많은데, 이 경우 PEB 과정을 통해 화학증폭 반응이 일어남. 이는 노광시 감광제의 산의 농도차이로 열을 가해 acid를 diffusion 시켜 profile을 변화시킵니다.


3. SiON : SiON은 LPCVD로 보통 증착하며 SiO2보다 dense하여 알카리 금속이 침투되는 것을 막고, Si3N4 보다 박막간의 물리적 긴장을 완화하여 박막간의 물리적 stress를 완화시킨다는 장점을 가지고 있습니다. 해당 박막소재에 대한 정보는 '반도체 소재' 카탈로그에서 자세히 교육하겠습니다.


4. 화학증폭형 Photoresist Details : 화학증폭형 감광제는 빛을 흡수하면 감광제가 산을 발생합니다. 이 산이 촉매가 되어 베이크 공정에서 수지 측면 고리에 차례로 수산기가 생기고 레지스트가 알카리 현상액에 녹게 되는 것입니다. 하나의 산이 촉매 되어 복수의 수산기 생성반응을 요구하기 때문에 레지스트의 고감도산과 고 콘트라스트화가 가능하게 됩니다.