[포토공정] 추가교육 : "교육생들 질문 photoresist technology #1 "

포토공정 소령 단계

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생각보다 반도체 공정에 대해서 해박한 교육생들이 질문을 많이 남겨주었습니다. 우선 저도 많이 배울 수 있었다고 미리 감사의 말씀을 전합니다. 많은 질문 중에 괜찮은 질문들 정리해서 추가교육 실시하도록 하겠습니다. 교육 내용 중 이전 교육과 겹치는 내용은 링크를 참고해주세요.

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[질문 1]. EUV 이슈가 아직 정말 많은데 왜 굳이 EUV를 사용하는가. EUV가 정말 경쟁력이 있는가

• 질문의도 : ArF-immersion, DPT, QPT로는 이제 더이상 안돼.. EUV이어야만 하는 이유에 대해서 말해보세요.

EUV 이전 패터닝 공정 중에 미세패턴을 구현할 수 있는 최신 기술은 바로 멀티패터닝 공정입니다. DPT, QPT 등 패터닝 방식들이 실제 양산에 적용되고 있고 기술 구현을 위해 추가되는 공정 수가 많아 공정단가가 올라가면서, 가격경쟁력에서 우위를 점할 수 없는 상황에 이르렀습니다. EUV는 한 번에 Exposure 단계로 패터닝을 할 수 있습니다. 현재 만들어지는 대표적인 소자 구조는 FinFET 을 예로 들 수 있습니다. FinFET의 테크노드는 현재 10나노, 7나노, 5나노로 작아지고 있는데 5나노 이하에서는 GAAFET이 적용된다고 합니다. 그 이유는 Fin을 공정하기가 매우 어렵기 때문입니다. Fin을 형성하기 위해서는 에칭을 진행해야 하며, 에칭을 진행하기 위해서는 에칭을 견딜 미세한 수나노 크기의 포토레지스트 패턴 보호막이 필요합니다. 하지만 단 한 번의 Exposure을 통해 10나노, 7나노 수준의 Fin을 제작할 수 없게 됐고 멀티패터닝 공정이 도입됩니다. 하지만 QPT 부터 증착, 에치, CMP 공정이 추가되고 공정시간이 길어지면서 공정단가가 크게 증가했고 원가절감으로 가격경쟁률을 갖추기 위해서는 EUV 밖에 없다고 생각합니다.

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[질문 2]. Photoresist 선정 기준을 간단하게 설명해주세요.

고감도 photoresist,는 낮은 에너지의 빛을 이용해서 회로패턴을 형성할 수 있습니다. 낮은 에너지로 패턴을 형성할 수 있다면 그 만큼 공정시간이 감소되고 생산성은 향상될 것입니다. 높은 해상도를 가져야 합니다. resolution은 구현할 수 있는 최소 선폭을 의미합니다. 그리고 Line Edge Roughness, LER이 우수해야 합니다. 즉, 패턴 Line의 거칠기 값이 작아야 합니다. 그외 화학적 안정성, 접착 특성 등 다양한 특성이 있지만 대표적으로 Resolution, Line Edge Roughness, Sensitivity 이 3가지가 가장 대표적입니다. 왜냐하면 이 3가지 특성은 RLS trade off 관계이기 때문입니다.

★중요★
교육생들이 언어의 혼동을 겪으신 것 같아 첨언을 드리겠습니다.
저희가 특히 이미지 센서나 포토공정에서 '해상도'를 들으셨을 것입니다. '고해상도 이미지 센서', '높은 해상력' 
해상도의 사전적 의미는 '두 점을 구분할 수 있는 두 점 사이의 최소의 거리'를 의미합니다. 그래서 해상도가 작으면 작을수록 해상도가 높다고 표현합니다. (?).
"말장난에 속으시면 안됩니다." 사람들은 크다, 높다 라고 표현하면 '긍정'을 작다, 낮다 라고 표현하면 '부정'을 떠올립니다. 그냥 마켓팅 용어라고 간주하면 마음이 좀 편할 것 같습니다.
고해상도는 '두 점 사이의 거리를 더욱 미세하게 구분할 수 있다.'라는 의미로 사용됩니다. 즉, 고해상도는 해상도 변수 값이 작음을 의미합니다. 그러면 '고감도'도 마찬가지입니다. 고감도 레지스트일수록 적은 양의 에너지로 resist threshold energy를 채울 수 있습니다. 즉, 적은 에너지로 패턴을 형성할 수 있다는 것입니다. 하지만 감도의 단위는 에너지입니다. 그래서 적은 양의 에너지에도 빠르게 패턴을 형성하기에 '고감도'라고 표현하지만 실제 Sensitivity 감도 변수의 값은 '적은 양의 에너지'를 표현하기에 낮을수록 좋습니다. Line Edge Roughness, LER 또한 마찬가지입니다. 그래서 Resolution, Sensitivity, Line Edge Roughness 세 변수 모두 작은 값도록 최적화 시켜야 하지요. 

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[꼬리 2-1]. 감도의 값은 높은게 좋아요, 낮은게 좋아요.

EUV용 resist는 고감도 resist 개발이 요구됩니다. 고감도라는 것은 그만큼 적은 에너지의 양에도 패턴을 형성할 수 있음을 의미합니다. 감도를 표현하는 수치는 에너지 단위를 사용하여 평가합니다. KrF, ArF, EUV 모두 단위면적당 투입되는 에너지로, mJ/cm^2 단위를 사용합니다. 그래서 감도 변수의 값이 낮을수록 더 작은 에너지에서 photoresist의 화학반응이 일어난다고 할 수 있습니다. 그래서 고감도의 포토레지스트는 낮은 변수값을 가집니다.

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[꼬리 2-2]. 그러면 감도가 무작정 낮을수록 좋은거에요?

그렇지 않습니다. 감도가 낮을수록 적은 에너지의 빛으로도 쉽게 패턴을 구현할 수 있지만, 우리가 원하는 크기의 미세패턴을, 원하는 Line Edge Roughness, LER 거칠기의 패턴을 만든다는 전제 하에 감도가 작을수록 좋은 것입니다. 다시 말하면, 해상도를 더 작게 만들면서, 패턴의 라인이 깔끔한 LER 특성이 우수해야 하고 이러한 조건에서 감도가 낮아야 합니다. 그래서 이 3가지 값이 모두 0에 값에 가까우면 최고의 결과를 낼 수 있을 것입니다. 하지만 세 가지의 변수는 두 개를 향상시키면 하나의 값이 저하되는 trade off 관계이기 때문입니다. 감도가 너무 낮으면 LER 값이 증가하고 또 너무 높으면 resist threshold energy에 도달하기 위해 노광시간이 길어지면서 생산성이 떨어지게 됩니다.

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[꼬리 2-3]. Line Edge Roughness, LER은 어떻게 개선해야 하는건가요.

빛은 에너지를 가진 Photon이라는 입자로 간주합니다. 레지스트에 들어가는 photon의 수가 적을수록 LER 값이 커지게 됩니다. 즉, 레지스트 edge가 울퉁불퉁 해지게 됩니다. photon을 적게 넣어 패터닝을 한다는 것은 그 만큼 적은 에너지에도 충분히 패터닝을 할 수 있다는 것을 의미합니다. 즉, 감도를 낮게하면 어쩔 수 없이 LER 특성이 저하된다는 것을 의미합니다. 그래서 감도 변수를 낮추면서 LER 값을 낮추기 위해서 레지스트의 화학반응을 바꾸고 구성하는 원소들을 바꾸면서 최적의 조건을 찾기 위해 연구개발 중에 있습니다.

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[세부설명]
감도가 낮을수록 적은 수의 photon으로 패턴을 구현할 수 있습니다. 감도가 낮은 포토레지스트를 사용할 경우, 적은 포톤양에도 패턴을 형성할 수 있지만, 매끈한 PR profile을 얻을 수 없습니다. (LER 값 증가). 동일한 감도의 레지스트를 사용할 때 고에너지인 EUV에서 LER이슈가 왜 발생하는지 위에 그림을 보면 알 수 있습니다. 고에너지의 세로의 크기는 resist의 threshold energy라고 생각하시면 됩니다. 그래서 고에너지의 광원인 EUV에서는 DUV 보가 더 빠르게 threshold energy에 도달하기 때문에 (적은 양의 포톤으로 threshold energy에 도달하기 때문에) LER 특성이 불량하고, 우수한 LER 특성을 가지면서 (매끈한 패턴을 유지하면서) 고감도의 포토레지스트가 요구됩니다. 
 정리하자면, EUV의 LER 특성을 향상시키기 위해서는 resist threshold energy를 증가시켜야 합니다. (위 그림에서 세로 길이를 증가시켜야 함. 이는 감도 ‘값’이 큼을 의미) 하지만 EUV의 광원은 DUV에 비해 광의 효율이 좋지 못합니다. 그래서 현재 기존 DUV의 Eximer laser가 아닌 플라즈마 핀치를 이용하여 EUV를 만들어내고 있죠. 저감도 즉, 감도 값이 너무 커지면 그 만큼 패턴을 형성하기 위해 노광시간이 길어지기 때문에 공정시간이 길어지고 (TAT 증가ㅠ) 생산성이 떨어지게 됩니다. 그래서 EUV에서 고감도, 고속 포토레지스트 개발이 요구된다는 말은, '우수한 Line Edge Roughness', 혹은 '매끈한 PR profile' 특성을 가지는 고감도, 고속 포토레지스트가 요구된다고 말하는 것이 정확합니다.

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[질문 3]. 빛의 에너지와 광자 수도 달라지는거 아닌가요.

파장이 달라지면 도달하는 광자의 수가 달라질 수밖에 없습니다. 보통 DUV Resist는 50mJ/cm^2 단위면적당 에너지의 감도를 가지는 포토레지스트를 사용합니다. 그러면 KrF (248nm), ArF (193nm), EUV (13.4nm) 광원을 50mJ/cm^2 레지스트에 사용할 경우, 이 에너지를 채움으로써 패턴을 형성할 수 있습니다. 즉, 대략적으로 사용할 수 있는 빛의 에너지가 정해져있다는 것을 의미합니다. 에너지는 EUV가 가장 단파장이므로 가장 높은 에너지의 빛입니다. 광자 하나 당 에너지가 크기 때문에 동일한 50mJ/cm^2 에너지를 채우기 위해서는 KrF는 많은 포톤이 도달해야 하지만, EUV는 몇 개의 광자만 도달하면 벌써 에너지가 가득차는 상황이 발생하게 됩니다.

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[꼬리 3-1]. 그러면 고에너지의 적은 포톤으로 에너지에 도달하게 되면 LER은 어떻게 되나요.

(위 그림 참고). 비유를 하겠습니다. 상대적으로 작은 에너지의 빛인 KrF는 구슬, 고에너지의 EUV는 축구공이라 하겠습니다. 이때, 구슬과 축구공을 이어붙여서 1m의 선을 만든다고 했을 때, 구슬로 선을 만들 때는 매끈하겠지만 지름이 큰 축구공으로 선을 만들 때는 울퉁불퉁 해질 수밖에 없습니다. 즉, 고에너지일수록 적은 포톤의 수로 Resist threshold energy에 도달하게 되다 보니 Line edge roughness가 커질 수밖에 없는 것입니다.

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[꼬리 3-2]. EUV가 고에너지이니깐 더 빠르게 효율적으로 패턴을 형성할 수 있는거 아닌가요.

 resist threshold energy를 고에너지의 적은 광자로 채우는 현상은 EUV 공정이슈중 LER 특성을 저하시키기 때문에 감도를 낮출 필요가 있습니다. 하지만 감도를 낮추면 photospeed 또한 감소됩니다. EUV 공정에 화학증폭형 (CAR) resist를 사용할 경우, resin에서 EUV의 흡수가 일어나고 2차전자가 발생하여 PAG에서 산이 발생하게 됩니다. Resin에서 흡수라는 단계가 추가 되기 때문에 효율이 낮고 감광속도는 더 느려지게 됩니다. 게다가 고에너지이기 때문에 LER 특성또한 나쁜 것입니다. 그래서 광원의 특성이 변하면, 포토레지스트도 바뀌어야 한다는 것입니다. 즉, EUV는 LER을 개선하기 위해 고감도, 1차 resin 흡수 없이 즉각 EUV에 반응하는 레지스트가 요구되는 것입니다.

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Photoresist에 대해 궁금한 교육생들이 정말 많았습니다. EUV의 레지스트는 Resolution, Sensitivity, LEW 변수를 최적화할 수 있는 방향으로 개발되고 있습니다. 다음 교육은 'Photoresist technology #2'로 찾아뵙겠습니다.