Photolithography

Photolithography

반도체 웨이퍼 위에 감광 성질이 있는 포토레지스트를 얇게 바른 후, 원하는 마스크 패턴을 올려놓고 빛을 가해 사진을 직는 것과 같은 방법으로 회로를 형성하는 기술을 말한다.

PR(포토레지스트) 코팅

위처럼 PR을 웨이퍼에 고르게 도포한다.

이후 Exposure(노광)을 통해 PR 막에 회로 패턴을 찍어내고, Development(현상) 과정을 통해 PR 막을 제거한다.

이때 빛을 받은 부분의 PR 막을 제거하는 것을 positive PR, 빛을 받지 않은 부분의 PR 막을 제거하는 것을 negative PR이라고 한다.

• positive PR: 빛을 받은 부분만 사라지고, 받지 않은 부분만 단단해서 남는다.
• negative PR: 빛을 받은 부분만 단단해져서 남고, 빛을 받지 않은 부분만 사라진다.

Photolithography Mask

Mask란 영어로 막는다는 표현이다. 빛을 막는 Photo mask와 에칭(etching)을 막는 물질 mask를 구분해야 한다.

위 사진은 빛을 막는 Photo mask이다. 물질 mask는 후 챕터에서 설명한다.

유리로 만든 mask는 해상도가 낮고, 석영으로 만든 mask는 2~3um 정도로 해상도가 높다.

유리나 석영으로 만든 리소그래피 마스크를 contact mask, 플라스틱으로 만든 마스크를 shadow mask라고 한다. shadow mask는 해상도가 매우 낮다.

PR이 negative냐 positive냐에 따라, mask의 종류에 따라 새겨지는 패턴의 음양이 달라진다.

 

Photolithography 순서

1. Si/SiO2 기판을 준비한다. 이때 웨이퍼는 이물질이 없도록 깨끗하게 세척해야 한다.
2. HMDS 처리: 자가조립단일체 폴리머를 스핀코팅 처리한다. 웨이퍼는 친수성이고, PR은 소수성이기 때문에 잘 달라붙지 않는다. 이를 해결하기 위해 웨이퍼 표면을 소수성으로 변화시키는 HMDS 처리 과정을 거친다.
3. PR Coating: 포토레지스트를 스핀코팅으로 웨이퍼 표면에 덮는다. Positive는 빛을 받는 곳이 없어지고, Negative는 빛을 받는 PR이 남는다. Positive가 Negative보다 고해상도를 구현하기에 더 좋다.
4. Soft Baking: PR을 약간 단단하게 만드는 과정이다. PR은 끈적거리기 때문에 Mask에 PR이 붙지 않도록 하기 위해서는 소프트베이킹 과정을 거쳐야 한다. 80~90도 오븐 기준으로 10~30분 정도 걸리며, 크레파스 정도의 강도로 단단해진다.
5. Mask aligning: mask를 만들고자 하는 패턴에 맞게 알맞은 곳에 위치시키는 과정이다. 일반적인 회로를 만들 땐 마스크가 4개정도 필요하고 복잡한 경우에는 20개 이상의 마스크를 사용한다.
6. Exposure: mask 패턴에 맞춰 PR에 빛을 쬐는 과정이다.
7. Developing: Developer에 넣어서 무른 PR을 제거한다.
8. Hard Baking: 에칭 과정이 오래 걸리는 경우 웨이퍼를 보호하는 PR이 견디지 못하는 경우가 발생하지 않도록 PR을 더욱 단단하게 만드는 과정이다. 130도 정도에서 이루어지며 소프트베이킹때보다 온도가 더 높다. 온도는 너무 높지 않아야 하는데 그 이유는 PR이 더욱더 단단해져서 벗기기가 매우 힘들어지기 때문이다.
9. Etching: 만들어진 PR 패턴에 따라 화학 또는 물리적인 웨이퍼 에칭을 진행한다.
10. PR removing: 에칭이 마무리되면 남아있는 PR을 아세톤과 같은 유기용매를 이용하여 제거한다. PR을 제거할 때 사용하는 아세톤도 마지막에 제거해야 한다. 이때는 DI water처럼 탈이온화된 물을 이용하여 아세톤을 제거한다.
11. Patterning Checking: 패턴이 제대로 형성되었는지 확인한다.

 

Lithography를 이용하여 금속 패턴을 형성하는 방법

Lift-off

금속 등의 패턴을 웨이퍼 위에 형성하기 위한 가장 간단하고 흔한 기법으로 95% 정도의 금속 패턴을 리프트오프 과정으로 만들어진다.

Lithography 후 PR을 벗겨내지 않고 그 위에 금속을 증착한 후 기판 전체를 아세톤에 침수시킨다. 3~12 시간 후 PR이 녹고 PR이 없던 부분의 금속만 남게 된다. 이때 금속이 웨이퍼 표면에서 떨어지지 않게 하려면, Ti(티타늄), Cr(크롬) 등 접착성이 강한 금속을 먼저 웨이퍼 표면에 증착시킨 후 그 위에 필요 금속을 증착한다.

PR이 잘 떨어지지 않는 경우에는 오른쪽 그림과 같이 Sonication 기법을 이용한다. 초음파를 이용하는 기법으로 초음파의 힘이 매우 강하기 때문에 나노 소자들이 떨어지지 않도록 주의해야 한다.

 

Metal etching

lift off와는 다르게 먼저 전체 면적에 금속을 증착시키고 그 후 lithography를 이용해 금속 위에 PR을 패턴한다.

패턴된 PR를 보호막 삼아 아래 금속층을 특정 부위만 에칭한다. 에칭은 플라즈마를 이용하는 드라이에칭과 엣첸트를 이용하여 웻에칭 2가지가 존재하며, 금속은 일반적으로 드라이에칭이 잘 안되고 웻에칭이 금속을 잘 녹인다. 단 웻에칭은 스며드는 현상때문에 해상도가 좋지 않다.

 

Damascene

다마신 공정은 금속을 증착하고 그 위를 평탄화하여 도선을 만드는 기법이다.

그림을 보면 구리가 SiO2로 확산되어 short가 발생하는 것을 막기 위해 Barrier layer로 TiN(질화티타늄)을 사용함을 알 수 있다. TiN은 구리가 잘 증착되도록 접착제 역할도 한다.

TiN을 깔고 구리를 그 위에 도금이나 증착을 통해 깐 뒤, 필요없는 윗부분의 구리를 제거하는 평탄화 작업을 진행하여 공정을 마무리한다.