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PhotolithographyPhotolithography
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Clean wafer
Deposit barrier layer
SiO2, Si3N4, metal
Coat with photoresist
Soft bake
Align masks
Substrate
SiO 2
Substrate
SiO 2
PR
Substrate
SiO 2
PR
Light
Photolithography
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Expose pattern
Develop photoresist
Hard bake
Etch windows in
barrier layer
Remove photoresist
Substrate
SiO 2
PR
Substrate
PRSiO 2
Substrate
SiO 2
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PhotolithographyPhotolithography
Si wafer cleaning procedureSi wafer cleaning procedureSolvent removalSolvent removalRemoval of residual organic/ionic contaminationRemoval of residual organic/ionic contaminationHydrous oxide removalHydrous oxide removalHeavy metal cleanHeavy metal clean
Class#: Number of 0.5µm particles per ftClass#: Number of 0.5µm particles per ft33
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PhotolithographyPhotolithography
Barrier layer formationBarrier layer formationThe most common material:SiOThe most common material:SiO22
SiSi33NN44, polysilicon, photoresist and metals are used , polysilicon, photoresist and metals are used at different points in a process flowat different points in a process flow
Thermal oxidation, CVD, sputtering and vacuum Thermal oxidation, CVD, sputtering and vacuum evaporationevaporation
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Processing EquipmentsProcessing EquipmentsMetal Evaporator
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PhotolithographyPhotolithography
Photoresist applicationPhotoresist applicationSurface must be clean and dry for adhesionSurface must be clean and dry for adhesionA liquid adhesion promoter is often appliedA liquid adhesion promoter is often appliedTo make 2.5 to 0.5 µm thick layer, 1000 to 5000 rTo make 2.5 to 0.5 µm thick layer, 1000 to 5000 r
pm for 30 to 60 secpm for 30 to 60 secThe actual thickness The actual thickness viscosity viscosity
1/(spinning speed)1/(spinning speed)0.50.5
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PhotolithographyPhotolithography
Soft baking (Pre-baking)Soft baking (Pre-baking)To improve adhesion & remove solvent from PRTo improve adhesion & remove solvent from PR10 to 30min. in an oven at 80 to 90 ºC10 to 30min. in an oven at 80 to 90 ºCManufacturer’s data sheetsManufacturer’s data sheets
Hard baking Hard baking To harden the PR and improve adhesion to the substrateTo harden the PR and improve adhesion to the substrate20 to 30 min. at 120 to 180 ºC20 to 30 min. at 120 to 180 ºCManufacturer’s data sheetsManufacturer’s data sheets
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PhotolithographyPhotolithography
Mask alignmentMask alignmentSquare glass plate with a patterned emulsion or metal Square glass plate with a patterned emulsion or metal
film is placed 25 to 125µm over the waferfilm is placed 25 to 125µm over the waferWith manual alignment, the wafer is held on a vacuum With manual alignment, the wafer is held on a vacuum
chuck and carefully moved into positionchuck and carefully moved into positionComputer-controlled alignment equipment achieves Computer-controlled alignment equipment achieves
high precision alignmenthigh precision alignmentAlignment marks are introduced to align each new Alignment marks are introduced to align each new
mask level to one of the previous levelsmask level to one of the previous levels
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Various printing techniquesVarious printing techniques
Lens
Mask
SiO2Photoresist
Wafer Wafer
Wafer
Space
Lens I
Lens II
Mask
SiO2
Photoresist(a) (b)
(c)
(a) Contact printing(b) Proximity printing(c) Projection printing
Ultravioletlight
source
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Processing EquipmentsProcessing Equipments
Wafer aligner and exposure tool
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PhotolithographyPhotolithography
PR exposure and development PR exposure and development The photoresist is exposed through the mask with The photoresist is exposed through the mask with
a proper lighta proper lightThe photoresist is developed with a developer supThe photoresist is developed with a developer sup
plied by the manufacturerplied by the manufacturerA positive resist and a negative resistA positive resist and a negative resist
The positive resist yields better process control in sThe positive resist yields better process control in small-geometry structuresmall-geometry structures
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PhotolithographyPhotolithography
Etching techniquesEtching techniquesWet chemical etchingWet chemical etchingDry etchingDry etching
Plasma, sputter, RIE, CAIBE, ECRPlasma, sputter, RIE, CAIBE, ECRPhotoresist removalPhotoresist removal
Liquid resist strippers cause the resist to swell and lLiquid resist strippers cause the resist to swell and lose adhesion to the substrateose adhesion to the substrate
Resist ashing: oxidizing(burning) it in an oxygen plasResist ashing: oxidizing(burning) it in an oxygen plasma systemma system
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Processing EquipmentsProcessing Equipments
Plasma etcher
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OutlineOutline
IntroductionIntroduction PhotoresistPhotoresist FabricationsFabrications ExposureExposure BakingBaking DevelopmentDevelopment MaskMask
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IntroductionIntroduction What is Photolithography?What is Photolithography?
마스크상에 설계된 패턴을 공정제어 규격 마스크상에 설계된 패턴을 공정제어 규격 하에 웨이퍼 상에 구현하는 기술하에 웨이퍼 상에 구현하는 기술 패턴이 형성된 마스크를 이용하여패턴이 형성된 마스크를 이용하여 특정한 파장을 갖는 빛을 통하여특정한 파장을 갖는 빛을 통하여 광 감응제가 도포되어 있는 웨이퍼 상에 노광시킴광 감응제가 도포되어 있는 웨이퍼 상에 노광시킴
• 특정한 파장에 의해 광화학 반응 유도특정한 파장에 의해 광화학 반응 유도• 이후 현상공정을 통해 화학반응에 의해 패턴 형성이후 현상공정을 통해 화학반응에 의해 패턴 형성
형성된 감광막 패턴은 후속공정인 식각 형성된 감광막 패턴은 후속공정인 식각 혹은 이온 주입시 혹은 이온 주입시 barrier barrier 역할을 하게 된다역할을 하게 된다 ..
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Fabrication ProcedureFabrication Procedure Wafer InspectionWafer Inspection
육안 검사육안 검사 , , 웨이퍼 상태 점검웨이퍼 상태 점검 Wafer CleaningWafer Cleaning
웨이퍼 세척 및 웨이퍼 세척 및 RinseRinse Spin CoatingSpin Coating
Photoresist Photoresist 도포도포 Soft BakingSoft Baking UV ExposureUV Exposure
마스크를 이용한 노광마스크를 이용한 노광 Hard BakingHard Baking DevelopingDeveloping
현상을 통한 필요없는 현상을 통한 필요없는 Photoresist Photoresist 영역 제거영역 제거 EtchingEtching Photoresist removalPhotoresist removal
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Photoresist Photoresist 구성구성용제용제 (Solvent) (Solvent)
감광제가 기판에 도포되어 사용될 때까지 액상 유지감광제가 기판에 도포되어 사용될 때까지 액상 유지다중체다중체 (Polymer)(Polymer)
결합체로 사용되어 막의 기계적 성질결합체로 사용되어 막의 기계적 성질 (( 두께두께 , , 유동성유동성 , , 접착도접착도 , , 열에 의한 유동열에 의한 유동 )) 을 결정을 결정
감응제감응제 (Photoactive agent)(Photoactive agent) 빛을 받아 광화학 반응을 일으켜서 빛을 받아 광화학 반응을 일으켜서 Pattern Pattern 형성에 기여 형성에 기여
Photoresist (PR)Photoresist (PR)
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PhotoresistPhotoresist 의 종류의 종류 Pattern polarityPattern polarity
Positive type : Positive type : 노광 영역 현상 노광 영역 현상 미노광 영역의 패턴 남음 미노광 영역의 패턴 남음 Negative type: Negative type: 미노광 영역 현상 미노광 영역 현상 노광 영역 패턴 남음 노광 영역 패턴 남음
ComponentComponent 1 Component : 1 Component : 한 성분이 감광과 한 성분이 감광과 Mask Mask 작용작용 2 Component : 2 Component : 감광작용의 감광작용의 Sensitizer (PAC) + Image Sensitizer (PAC) + Image 작용의 작용의 Polymer Polymer (Resin)(Resin) 3 Component : 3 Component : 강산발생의 강산발생의 PAC + Polymer + PAC + Polymer + 촉매촉매
Light SourceLight Source UV Photoresist : UV Photoresist : 일반적으로 많이 사용일반적으로 많이 사용 Deep UV Photoresist : SU-8 Deep UV Photoresist : SU-8 등등 X-ray Photoresist : PMMA (LIGA X-ray Photoresist : PMMA (LIGA 공정공정 )) E-Beam Photoresist : Cr Mask E-Beam Photoresist : Cr Mask 제작시 제작시 fine pattern (submicron fine pattern (submicron 공정공정 ))
광반응 구조별광반응 구조별 용해 억제형 용해 억제형 : Resin + PAC : Resin + PAC 구조 구조 . g/I line. g/I line 용용 화학 증폭형 화학 증폭형 : Resin + PAC + Crosslink, Deep-UV: Resin + PAC + Crosslink, Deep-UV 용용
Photoresist (PR)Photoresist (PR)
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Fabrication Technologies (I)Fabrication Technologies (I)
Antireflective Coating (ARC)Antireflective Coating (ARC) 웨이퍼의 난반사를 줄이기 위한 기법웨이퍼의 난반사를 줄이기 위한 기법
Multilayer resist processMultilayer resist process 표면층은 표면층은 22 층 혹은 층 혹은 33 층 구조로 패턴 형성층 구조로 패턴 형성 , , 아래층은 아래층은 건식 식각 등을 통한 수직 벽 형성용 등으로 사용 건식 식각 등을 통한 수직 벽 형성용 등으로 사용
Contrast Enhancement Lithography (CEL)Contrast Enhancement Lithography (CEL) 얇은 얇은 CEL CEL 층을 사용하여층을 사용하여 , Contrast mask, Contrast mask 가 있는 것과 가 있는 것과 같은 효과 얻음같은 효과 얻음
광반응 폴리머광반응 폴리머고온에 견디는 고온에 견디는 PolyimidePolyimide 의 특성을 살려 영구 의 특성을 살려 영구 감광막으로 사용감광막으로 사용
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Fabrication Technologies (II)Fabrication Technologies (II) Adhesion EnhancementAdhesion Enhancement
웨이퍼와 웨이퍼와 P.R.P.R. 의 접착력을 높이기 위해 의 접착력을 높이기 위해 HMDS HMDS 용액으로 용액으로 표면처리표면처리 P.R.P.R. 과 접착력이 용이하지 않은 표면과 접착력이 용이하지 않은 표면
• SiO2, PSG, Poly-Si SiO2, PSG, Poly-Si 등등
Spin CoatingSpin Coating 필요한 두께의 감광막을 웨이퍼 전체에 균일하게 형성하는 공정필요한 두께의 감광막을 웨이퍼 전체에 균일하게 형성하는 공정 두께에 영향을 주는 요인두께에 영향을 주는 요인
점성계수점성계수 , , 다중체 함량다중체 함량 , , 최종 스핀속도와 가속도최종 스핀속도와 가속도 , , 웨이퍼 웨이퍼 크기 등크기 등
두께와 여러 변수들과의 관계두께와 여러 변수들과의 관계 t=Ks[v/(wR^2)]t=Ks[v/(wR^2)] K : K : 상수 상수 , s : , s : 다중체 함량 다중체 함량 , v : , v : 점성계수 점성계수 , w : , w : 각속도 각속도 , R : , R : 웨이퍼 반경웨이퍼 반경
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Baking (I)Baking (I) Soft BakeSoft Bake
목적 목적 : : 용제를 증발시켜 용제를 증발시켜 P.R.P.R. 을 건조시키고을 건조시키고 , , 접착도를 향상시키며접착도를 향상시키며 , , 열에 의한 열에 의한 Annealing Annealing 효과로 효과로 응력 완화응력 완화
공정변수 및 범위공정변수 및 범위 70 ∼ 95℃ , 4-30 min 70 ∼ 95℃ , 4-30 min
적당하지 못한 적당하지 못한 Soft bake Soft bake 온도의 경우온도의 경우 과소 과소 : : 마스크 접착 마스크 접착 (( 용제의 부족 휘발용제의 부족 휘발 )) 과대 과대 : : 열 다중화에 의한 열 다중화에 의한 scum scum 발생발생
Baking Baking 장비장비 Convection oven : 10 – 30 min Convection oven : 10 – 30 min 모든 웨이퍼에 동일한 온도 모든 웨이퍼에 동일한 온도 유지 가능유지 가능
IR oven : 3-4 min IR oven : 3-4 min 웨이퍼 종류에 따른 반사웨이퍼 종류에 따른 반사 , , 흡수의 차이로 흡수의 차이로 동일온도 유지 힘듦동일온도 유지 힘듦
Hot plate : 0.5 – 1 min Hot plate : 0.5 – 1 min 진공흡착 및 자동 진공흡착 및 자동 Wafer Wafer 처리장치 처리장치 필요필요
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Baking (II)Baking (II) Hard BakeHard Bake
목적 목적 : : 잔류 용제를 제거하여 감광막을 잔류 용제를 제거하여 감광막을 건조시키며 기 판에 대한 감광막의 접착도 증가건조시키며 기 판에 대한 감광막의 접착도 증가
공정변수 및 범위공정변수 및 범위 100 ∼ 150℃ , 10-20 min 100 ∼ 150℃ , 10-20 min
적당하지 못한 적당하지 못한 Hard bake Hard bake 온도의 경우온도의 경우 과대할 경우과대할 경우
• Pudding Pudding 감광막이 오므라드는 현상감광막이 오므라드는 현상• 식각후 감광막 제거 힘듦 식각후 감광막 제거 힘듦
Baking Baking 장비장비 Soft bakeSoft bake 와 같은 장비 사용와 같은 장비 사용
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Exposure (Exposure ( 노광노광 ))
AlignmentAlignment 목적 목적 : : 집적 회로 제작시 인접한 집적 회로 제작시 인접한 LayerLayer 간의 간의 패턴의 정확패턴의 정확 한 위치 선정 한 위치 선정
Overlay accuracyOverlay accuracy O.A.O.A. 란 란 device process stepdevice process step 이 진행됨에 따라 전 이 진행됨에 따라 전 Step Step 및 및 후 후 stepstep 간의 정렬상태를 나타내는 지수로써 간의 정렬상태를 나타내는 지수로써 device device 고집적화로 고집적화로 resolution limit resolution limit 이 이 device processdevice process 에 중요한 에 중요한 변수가 되고 있다변수가 되고 있다 ..
O.A.O.A. 에 영향을 미치는 요인에 영향을 미치는 요인• Mask error(Mask error( 보정 불가보정 불가 ) ) 및 및 System Error(System Error( 보정 가능보정 가능 ) )
일반적으로 일반적으로 Overlay accuracy control rangeOverlay accuracy control range 는 는 device device 최소 최소 선폭의 선폭의 20-30%20-30% 정도로 함정도로 함
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Wafer
DeviceLayer
Mask
Tolerance
Mark
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UV ExposureUV Exposure Light SourceLight Source
High pressure mercury arc lamp High pressure mercury arc lamp UV UV Mercury/Xenon lamp Mercury/Xenon lamp UV UV Excimer laser (KrF, ArF) Excimer laser (KrF, ArF) DUV (KrF : 248 nm) DUV (KrF : 248 nm) Electron beamsElectron beams X-rayX-ray
Exposed Energy Exposed Energy Energy(mJ) = Light intensity(mW) * time(s)Energy(mJ) = Light intensity(mW) * time(s)
Light Spectrum Light Spectrum i line : 365 nm i line : 365 nm g line : 436 nmg line : 436 nm h line : 405 nmh line : 405 nm
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DevelopmentDevelopment 목적 목적 : : 식각식각 (Etch)(Etch) 되어야 할 부분에 존재하는 감광막 제거되어야 할 부분에 존재하는 감광막 제거 현상액 및 세척액현상액 및 세척액
Positive P.R. : NaOH, KOH or Organic bases H2OPositive P.R. : NaOH, KOH or Organic bases H2O Negative P.R. : Xylene, n-butyl acetonNegative P.R. : Xylene, n-butyl aceton
방법방법 SpraySpray 법 법 : Spin 500 – 1,000 rpm. Positive P.R.: Spin 500 – 1,000 rpm. Positive P.R. 의 경우 현상이 의 경우 현상이
온도에 민감하므로 피하는 것이 보통온도에 민감하므로 피하는 것이 보통 ImmersionImmersion 법 법 : : 현상액과 세척액에 순차적으로 담그는 방법현상액과 세척액에 순차적으로 담그는 방법
현상시 양성과 음성 감광막의 차이현상시 양성과 음성 감광막의 차이 Positive P.R. : Positive P.R. : 빛이 쪼여진 부분이 현상액에 녹으므로 노출 차이와 빛이 쪼여진 부분이 현상액에 녹으므로 노출 차이와
막 두께에 따라 현상 속도 변화막 두께에 따라 현상 속도 변화 . . 현상 시간이 현상액 농도에 현상 시간이 현상액 농도에 민감하나 현상액이 빛을 쪼이지 않은 부분은 스며들지 아니하여 좀 민감하나 현상액이 빛을 쪼이지 않은 부분은 스며들지 아니하여 좀 더 정밀한 크기의 패턴 형성이 가능함더 정밀한 크기의 패턴 형성이 가능함 ..
Negative P.R. : Negative P.R. : 빛이 쪼여지지 않은 얇은 부분이 현상액에 녹으므로 빛이 쪼여지지 않은 얇은 부분이 현상액에 녹으므로 과소 노출시 막 두께는 얇아지나 상 크기는 불변과소 노출시 막 두께는 얇아지나 상 크기는 불변 . . 빛을 쪼인 부분에 빛을 쪼인 부분에 관계없이 현상액이 스며들어 관계없이 현상액이 스며들어 Swelling Swelling 이 일어나 보통 이 일어나 보통 2mm 2mm 이상의 이상의 패턴 형성에 적당함패턴 형성에 적당함 ..
Development (Development ( 현상현상 ))
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Printing MethodPrinting Method Contact PrintingContact Printing
Contact force : 0.05 – 0.3 atmContact force : 0.05 – 0.3 atm Wavelength : 400nm Wavelength : 400nm 근처근처 Line width : 1um Line width : 1um 이하 가능이하 가능 MaskMask 는 종류에 따라 는 종류에 따라 5-255-25 번 공정 후 교체번 공정 후 교체
Proximity PrintingProximity Printing Longer mask lifeLonger mask life MaskMask 와 와 Wafer Wafer 사이 간격 사이 간격 : 2.0-25um: 2.0-25um Resolution : 10-15um Resolution : 10-15um 간격시 간격시 Feature size(2-3um)Feature size(2-3um)
Projection PrintingProjection Printing N.C.N.C.
Mask & PrintingMask & Printing
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Mask DesignMask Design Selection of Mask TypeSelection of Mask Type
Film mask Film mask 저가저가 , , 낮은 해상도낮은 해상도 (200u(200um m 이상이상 ))• 공정 공정 TestTest 용용
Emulsion Mask Emulsion Mask 중저가중저가 , , 낮은 낮은 해상도해상도 (50um (50um 이상이상 ))• 공정 공정 Test, Test, 일회성 공정용일회성 공정용
Cr Mask Cr Mask 고가고가 , , 높은 해상도높은 해상도 (0.6um (0.6um 이상이상 ))• Working Mask, Working Mask, 정밀 공정정밀 공정 , , 다수 다수 PrintinPrintin
gg 용용 Device DesignDevice Design Pattern DesignPattern Design Process DesignProcess Design Drawing your mask patternDrawing your mask pattern
Feature size Feature size 결정결정 (( 최소 선폭최소 선폭 , , 간격간격 )) PatternPattern 은 균일하게 정렬함은 균일하게 정렬함 Positive/Negative P.R.Positive/Negative P.R. 에 따라 결정에 따라 결정 Align mark/keyAlign mark/key Bonding Bonding 여부 결정여부 결정
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Fabrication ResultFabrication Result
Test pattern 사진 Device 부위 사진
Test 패턴
