반도체 공정 중 lithography에 대해서 간략하게 정리 해 보고자 합니다. 반도체 공정에는 다양한 공정이 있습니다. 각 공정 별 설명을 할 예정이고, 이번 포스팅에서는 lithography에 대해서 먼저 정리 해 보고자 합니다.
Si위에 SiO2 산화막을 길렀다면 이제 원하는 모양으로 산화막을 만들어야 합니다. 특정 부분은 산화막을 지워야 하고, 특정 부분은 살려서 또 다른 용도로 사용하기 위함입니다. 즉 아파트 단지를 설계하기 위해 땅에다가 표시를 하고 설계도를 그려야 하는데 그 작업을 이 lithography에서 진행을 하게 됩니다. Photolithography라고도 불립니다.
이 공정이 매우 작게 그리고 무조건적으로 정확하게 진행이 되어야 집적도가 높은 반도체를 생산할 수 있게 됩니다.
Lithography작업을 위해서 먼저 photoresist라고 불리는 자외선 UV 감광 재료로 Si이 코팅이 됩니다. 이때 사용되는 photoresist는 negative resist와positive resist로 두 타입이 상황에 따라 사용이 됩니다. Negative resist에 빛을 쪼여주면 해당 영역은 폴리머가되어 용매에 녹기 어렵게 됩니다. Positive resist는 빛을 쪼여진 부분이 없어지게 됩니다. 이러한 photoresist위에서 photomask라고 불리는 반도체 설계 정보가 들어가 있는 광 판유리를 올려 빛을쪼여 lithography 작업을 완료합니다. 이후 산화물 제거를 진행하고 남아있는 photoresist의 resist strip공정으로 모든 공정을 완료하게 됩니다.
이러한 lithography 작업은 주로 사진을 찍는다 라는 표현을 합니다. 마치 사진 필름을 인화하는 작업과 유사하기 때문입니다.
Lithography는 빛을 다루는 공정입니다. 따라서 광학적 회절에 의해 최소 크기가 결정됩니다. 매우 짧은 파장을 사용하면 해상도를 매우 높게 가져갈 수가있습니다. 약 248nm와 193nm의 레이저 광원이 널리 사용이 되고 있습니다. 파장을 더욱 짧게 하면 해상력을 높을 수 있지만 기술의 한계가 다가오고 있는상황입니다.
해상력도 문제이지만, 집적도의 증가로 반도체 간의 간격도 매우 좁아지기 때문에 서로 인접하는 반도체의 모양을 서로가 붙지 않게 만드는 것도 매우 어려운기술이 되고 있습니다. 여기서 서로가 붙지 않게 하는 기술로 광 마스크 상에 약간 더 가는 선을 더 만들어 넣어 주는 형태로 보상이 가능합니다. 이러한 기술을 optical proximity correction OPC라고 부르고 있습니다. 만약 반도체 설계가 복잡하면 복잡할 수록 OPC를 수행하기 위해서는 수많은 계산이 필요하게 됩니다.
빛을 다루는 공정이기 때문에 장비에도 고가의 렌즈, 광원, 마스크가 들어가게 됩니다. 세상에서 가장 작은 반도체를 Si위에 그려야 하는 장비이기 때문에 공정 중 매우 고가의 공정이라고 할 수 있습니다.
위에서 해상력에 대한 이야기를 잠깐 했습니다. 해당 기술의 발전을 위해 짧은 파장에 대한 렌즈와 마스크를 제작할 물질을 찾기가 매우 어렵기 때문에 웨이퍼와 렌즈 사이에 물을 넣는 기술이 개발 되었습니다. 물을 투과한 빛은 굴절률 만큼 파장이 축소가 됩니다. 이 방법을 응용하여 시스템을 물로 채워 빛의 굴절률을 바꿔 빛의 파장을 축소시키는 기술이 개발 되었습니다. 해당 기술은 wet lithography 또는 immersion lithography로 불리고 있습니다.
최근에는 extreme ultraviolet lithography EUVL 기술이 13nm파장을 이용하면서 엄청난 기술적 발전을 이루어내고 있습니다. 하지만 엄청나게 짧은 파장을 이용하는 만큼 매우 고가의 장비라고 할 수 있습니다. 짧은 EUV 광은 레이저 펄스로 특정 가스 흐름을 때려서 생성 한다고 합니다.
반도체 공정 중 비싼 공정이라고 불리는 lithography에 대해서 정리 해 보았습니다. 얼마전 일본과의 무역 문제로 반도체 관련 이슈가 뉴스에 나왔습니다. 그때 이야기 되었던 반도체 장비가 바로 이 EUV의 mask 이었습니다. 또 뉴스를 검색 해 보면 다양한 회사가 해당 장비를 서로 설치하겠다는 내용이 많이 있습니다. 그만큼 집적도 향상에 매우 중요한 역할을 하는 공정입니다.
보다 디테일한 장비 설명, 공정 설명은 이미 많이 있기 때문에 이 정도로 마무리 하겠습니다.
위 내용 출처는 현대 반도체 소자 공학, solid state electronic devices 교과서에서 발췌했습니다.
댓글