안녕하세요^^ 베네모아 입니다. 오늘은 반도체 CD(Critical Dimension) 정의 및 노광 장비와의 관계에 대해 간단히 정리해보려고 합니다. CD는 ‘웨이퍼 위에 새겨지는 패턴의 최소 선폭’으로 유명한 공식에 의거 파장에 비례하고, NA(개구수)에 반비례합니다. 반도체 제조 공정 안에서도 노광, 식각, 증착, CMP 등 다양한 공정의 영향을 받는 파라미터입니다. 이 안에서도 오늘은 노광장비가 CD에 미치는 영향에 대해 간단히 요약해보겠습니다.
초간단 CD(Critical Dimension) 정의 및 특징
앞서 서두에 언급했듯이 CD란 ‘웨이퍼 위에 형성되는 회로 패턴 중 가장 중요한(작은) 선폭’을 말하며 반도체(트랜지스터)의 성능 및 회로 집적도, 전력 소비량 등 전반에 걸쳐 영향을 줍니다. 통상 NMOS, PMOS 구조에서 게이트(Gate) 길이’를 대표하는 경우가 많은 용어입니다. 참고로 게이트는 트랜지스터 ON/OFF를 제어하는 핵심 부분이며 공정 노드와 밀접하게 연결된 개념입니다.
보통 CD는 점점 더 작은 패턴을 구현하는 방향(해상력 증가)으로 발전하고 있기에 앞으로 동일 면적에 더 많은 트랜지스터들을 집적하고 전력 효율을 증가 시킬 수 있겠습니다. 단, CD가 작아짐에 따라 공정 난이도가 올라가고, 결함 발생 가능성(수율 저하)이 높아질 수 있다는 단점이 존재합니다.
CD가 원하는대로 구현되지 않는 경우
- 원하는 CD보다 작은 경우
이는 패턴의 선폭이 계획보다 얇게 나오는 경우를 의미하며 PR에 노광량이 많아지면(Over-exposure) 발생할 수 있는 상황입니다. (PR 특성이나 프로세스에 따라 양상이 반대로 나타날 수 있긴 합니다)
이 경우 전기적 특성 불안정(누설전류 증가), 기계적 강도 약화 및 수율 저하(미세 결함) 등의 문제에 직면할 가능성이 높습니다.
- 원하는 CD보다 큰 경우
이는 패턴의 선폭이 계획보다 두껍게 나오는 경우를 의미하며 앞선 내용과 반대로 PR에 노광량이 적어지면(Under-exposure) 발생할 수 있는 상황입니다. (마찬가지로 PR 특성 및 프로세스에 따라 양상이 달라질 수 있습니다)
이 경우 회로 간 간격 감소(이로 인한 쇼트 발생 가능), 집적도 저하 및 성능 저하(전력 소모 상승) 등으로 이어질 수 있습니다. 참고로 회로 간 간격이 감소하는 이유는 한정된 공간에 게이트(=CD) 길이가 늘어나다보니 트랜지스터 단위에서 봤을 때 서로의 거리가 좁아지기 때문이죠!
노광장비와 CD control에 대하여
CD는 수율과도 직결되는 요소이며 노광 장비에서 관여하는 부분이 많기 때문에 총 3가지 부분으로 나누어 살펴보려고 합니다.
- Dose
Dose는 노광 시 웨이퍼 위에 조사되는 빛의 에너지 총량이라고 보시면 되고, 단위는 mJ/㎠로 표현됩니다. 통상 웨이퍼 위 PR을 감광시켜 나머지 영역이 현상(Develop)되어 제거되도록 합니다. 앞서 정리했듯이 Dose가 일정하지 않고 variation이 생긴다면 CD에 중대한 영향을 미치고 이는 곧 공정상의 수율 문제로 이어지게 됩니다.
ASML 노광장비에선 이러한 부분을 방지하기 위해 웨이퍼에 조사되는 dose 양을 일정하게 유지시켜주며 웨이퍼 스테이지의 속도를 제어하기도 합니다. 왜냐하면 웨이퍼를 잡고 움직이는 스테이지 속도가 변화하면 dose에 변동이 생기기 때문입니다.
- Illumination setting
조명계라고도 불리는 Illumination setting의 경우 dose와 밀접한 연관성이 있으며 어떤 세팅을 선택하느냐에 따라 CD에 직접적인 영향을 미칩니다.
조명계 모드(Shape), NA(개구수), 조명계 크기 비율(sigma inner/outer) 등이 여기서 말하는 대표적인 Illumination setting에 해당합니다.
요약하면 Conventional의 경우 해상도가 그리 높지 않은 패턴을 노광할 때 필요한데 그 이유는 0차광의 인텐시티가 높아서 나머지 차수와의 contrast가 좋지 않기 때문입니다.
Annular의 경우 광원이 중심이 비어있는 링모양이며 Conventional 대비 높은 해상도를 제공하는데 왜냐하면 0차광 보다 고차광들의 인텐시티를 끌어올려 전반적인 contrast를 높였기 때문입니다. 따라서 conventional 보다 비교적 미세하고 선폭이 작은 패턴을 노광할 때 유리합니다.
추가로 Annular의 경우 sigma inner/outer 조절을 통해 dose 특성에 맞춰 CD를 제어하는데요. 보통 sigma outer가 증가하면 더 넓은 각도로 조사하여 해상력이 상승하고, sigma inner가 증가하면 중앙부 빛이 줄어 광각이 늘기 때문에 마찬가지로 해상력이 상승하지만 반대로 DOF(Depth of Focus)는 감소합니다. (sigma inner/outer 범위 = 해상력, DOF 및 공정 허용오차에 영향)
이외에 dipole, quadrupole, off-axis 등의 조명계가 있지만 최근 DUV NXT immersion 설비들에서는 Flexray라는 최첨잔 자유형 조명 기술을 활용하여 아주 정밀하고 미세한 패턴까지 CD 이슈 없이 조사할 수 있습니다.
- Focus
먼저 DOF(Depth of Focus)라는 개념에 대한 설명이 필요한데 이는 렌즈를 투과한 빛의 초점이 패턴의 품질을 유지시켜줄 수 있는 범위를 말합니다. 즉, 오차 범위 내에서 초점이 약간 어긋나도 CD가 크게 변하지 않는 안전 구간을 의미하죠. 그리고 여기 말하는 Focus는 DOF 중앙에 맞추는 것을 의미하죠!
초점을 DOF 중앙에 맞추기 위해서,
- 웨이퍼를 최대한 잘 로딩한 뒤 레퍼런스 마크를 통해 스테이지 얼라인을 진행합니다.
- 이후 레벨 센서로 웨이퍼 표면의 전체를 스캔하여 Z height map을 만든 뒤 이를 노광시 보정에 활용하도록 제공합니다.
- 이어서 웨이퍼 전체에 노광을 진행한 뒤 나오는 필드별 포커스 데이터를 분석하여 CD 변동이 최소화가 되는 지점을 DOF 중앙으로 정합니다.
- 양산하는 동안 여러 가지 변화(웨이퍼 변화 및 레티클 히팅 등)를 각종 센서로 감지하여 실시간 반영을 통해 포커스를 미세 조정합니다.
위에 정리된 내용을 포함하여 전반적인 ASML 노광설비와 CD 연관성을 표로 정리하면 아래와 같습니다.
| 구분 | 영향 요소 | CD에 미치는 영향 및 설명 |
|---|---|---|
| 노광 조건 | Exposure Dose | 부족하면 CD 커짐, 과다하면 CD 작아짐 |
| Focus | 초점 벗어나면 CD 흐트러짐 또는 변동 | |
| Illumination (Shape, NA) | 해상력과 CD 정밀도에 영향 | |
| 마스크 관련 | Mask 패턴 품질 및 CD | 마스크 오차가 웨이퍼 CD에 직접 전달 |
| Mask 3D 효과 | 광학적 왜곡 유발하여 CD 변화 가능 | |
| 광학 시스템 | Optics (왜곡, Aberration 등) | 광학 결함으로 CD 변동 발생 |
| Optical Proximity Effect (OPE) | 주변 패턴 간섭으로 CD 변화 | |
| PR 공정 | Photoresist 특성 (두께, 민감도) | PR 반응에 따라 CD 변화 |
| PR 현상 조건 | 현상 방식에 따라 CD 크기 및 형태 영향 | |
| 환경 및 장비 | 환경 조건 (진동, 온도 등) | 스캐너 안정성 및 CD 재현성에 영향 |
| Dose & Focus Control 시스템 | 자동 보정으로 CD 제어 및 변동 최소화 | |
| Alignment/Overlay | 정렬 오차 시 CD 위치 및 크기 변동 가능 |
역시나 노광 조건에 해당하는 dose, focus, illumination이 가장 중요하다고 볼 수 있겠죠!
지금까지 반도체 CD(Critical Dimension)에 대한 정의 및 ASML 노광 장비와의 관계에 대하여 CD control 측면에서 정리해봤습니다. 여러 자료들을 토대로 평소 궁금했던 내용을 정리한 것이라 부족한 부분이 있을 수 있으니 수정이 필요한 부분은 피드백 부탁드리겠습니다! 추가로 다루면 좋을만한 주제도 남겨주시면 공부한 뒤 포스팅해보도록 하겠습니다^^. 감사합니다.
