[반도체] 오버레이 장비와 식각공정

Overlay 장비

• Overlay장비는 Metrology 장비의 일종으로 반도체 공정상 회로패턴치 적층되는 과정에서 하부패턴과 상부패턴간의 수직방향의 정렬상태를 계측하는 장비

• 초기 정렬에 오차가 발생한다면 Layer가 누적될수록 기하급수적으로 늘어나게 됨

• Overlay 장비 연평균 성장률은 15%

• 21년 성장률은 52% 기록, EUV 적용의 영향으로 판단

• Track 장비와 마찬가지로 노광기와 밀점하게 연동되어야 하는 장비 특성 상 ASML의 점유율 30%

• 국내에는 오로스테크놀로지가 TSV(Through Slicon Via) 패턴용 Overlay 장비를 생산 납품 중

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Mask Inspection

• EUV의 경우 투과형이 아닌 반사형 Photomask로 Inspection의 난이도가 높아지고 있음

• 16년 이후 연평균 27% 성장으로 노광기의 시장 성장률을 초과

• 21년 기준 Mask 검사 장비 분야에서 Lasertec의 시장점유율은 44% 육박

• 국내의 파크시스템의 원자현미경(AFM) 기반의 Photomask 검사장비를 납품

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PR(Photo Resist)

• PR은 빛과 반응성을 기반으로 웨이퍼 표면에 회로패턴을 구현하게 하는 화학물질

• 빛과의 노출 여부를 기준으로 용해되어 없어지거나 잔존하게 되며, 잔존되는 부분은 이후 Etching 공정에서 웨이퍼 표면을 보호하는 역할 수행

• - 반도체 노광공장에서는 고해상도 패턴에 유리한 Positive Resist를 주로 사용

• DNQ->CAR->MOR(Metal Oxide Resist)의 순서로 기술 발전

• 동진쎄미켐, SKMP 등의 EUV PR 진출 시도

• TEL, 램리서치 등이 주로 경쟁

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포토마스크(Photomask)

• 포토마스크는 유리 기판 위에 반도체 미세회로를 형상화 한 노광 공정용 핵심 부품

• 포토마스크의 패턴대로 Wafer의 PR에 새겨지게 됨

• 포토마스크의 패턴이 새겨지기 전을 블랭크마스크

• 블랭크마스크의 제조사는 Hoya, 아사히글라스, 국내에는 에스앤에스텍

• 기존 노광 패터닝 방식은 포토마스크를 투과한 빛을 최종적으로 렌즈를 이용해 포토마스크 1/4면적으로 집광

• EUV에는 렌즈가 아닌 거울을 통해 빛을 집광하고 포토마스크 또한 반사형 포토마스크 사용

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펠리클

• 펠리클은 포토마스크를 보호하기 위한 투명한 보호막

• 포토마스크는 고가의 부품으로 소모성인 펠리클을 장착해 보호

• EUV용 반사영 포토마스크의 경우 제작이 어렵고 비싸며, DUV용 포토마스크에 비해 파티클의 기준이 월등히 타이트하기에 펠리클이 더 필요함

• ASML과 일본 미쓰이화학이 일부 생산, 국내에는 에스앤애스텍과 에프에스티가 EUV용 펠리클 연구개발과 설비투자 진행

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식각

• 식각 공정은 회로 패턴 형성을 위해 필요없는 부분을 선택적으로 제거하는 공정

• 가스를 사용하는 식각을 건식 식각(Dry Etching), 액상 화학물질(Etchant)를 사용하는 식각을 습식 식각(Wet Etching)이라고 함

• 습식식각은 등방성, 높은 선택성, 신속성, 경제성의 특징을 가짐

• 건식식각을 비등방성, 낮은 선택성, 늦은 처리속도, 정밀성, 낮은 경제성의 특징이 존재

• 등방성(Isotrpic) : 식각 대상이 노출된 모든 방향으로 식각되는 특징 <-> 비등방성

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건식식각의 종류

• Physical Dry Etching : 비활성 기체의 플라즈마에 높은 운동에너지를 가해 대상에 물리적으로 충돌, 화학결합을 끊어 제거하는 방식

• 플라즈마의 직진성이 강하기때문에 비등방성의 경향이 크게 나타남

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• Chemical Dry Etching : 반응성 기체가 플라즈마로 인해 형성된 라디칼이 반응물과 직접 반응, 기체상태로 기화해 제거되는 방식, 플라즈마 에칭이라고도 함

• 플라즈마에 Bias를 가하기 않기 때문에, 등방성 식각이라고도 부르며 선택성이 높은 편

• 반응성 기체로는 CF4, SF6, Ci2등이 사용

• 최근 GAAFET 공정에서 SiGe층의 선택적 식각방식에 대해 HF/H2O2 등을 이용한 식각 논의

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• Reactive Ion Etching(RIE): Chemical Dry Etching 장점인 선택성과 Physical Dry Etching의 장점인 이방성을 결합한 식각방식

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식각장비

• Dry Etching은 플라즈마를 이용한 식각 방식으로 주로 RF플라즈마 사용

• 구동방식에 따라 CCP방식과 ICP방식으로 구분

• CCP방식은 챔버 내 웨이퍼가 위치하는 하부전극과 상단부에 위치한 전극 사이 전력을 인가해 형성되는 축전 전기장에 의해 플라즈마 발생(장점 균일도, 단점 에너지 독립적 조절 불가)

• ICP 방식은 챔버 외벽 또는 상단의 코일에 인가에 전력에 의해 발생한 유도 전기장으로 플라즈마 형성

• 식각속도 빠름, CCP 방식대비 균일도가 떨어짐

• 식각장비 시장규모는 199억달러로 증착 장비와 함께 가장 큰 시장

• 반도체 공정 발전과 패턴의 미세화 과정에서 식각공정이 실질적으로 주도

• 향후 메모리 고단화에 따라 유전체 식각 수요 증가

• Logic 소자에서 FinFET -> GAAFET으로 트랜지스터 구조 변경 또는 전도체 식각의 수요 증가 촉진

• 램리서치, TEL, 어플라이드머트리얼즈 3사의 점유율이 91%

• 공정의 중요도가 높고 보수적인 장비구매가 불가피

• 규모가 작지만 국내의 건식식각 제조사는 에이피티씨 존재

• SK하이닉스 향으로 DRAM, NAND향으로 납품

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식각가스

• 건식식각의 원리는 기본적으로 식각가스가 박막과 반응해 박막의 고체 물질이 기체로 바뀌어 날아가는 원리

• 핵심은 CF계 식각가스에서 생성된 플라즈마와 이온이 SiO2박막과 반응해 기체로 날려보내지는 과정

• 대표적인 식각가스 제조사는 칸토덴카, 쇼와덴코, 아데카 등의 일본업체

• 국내의 경우 사용빈도가 높은CF계 국산화 생산

• SK쇼와덴코 및 후성은 CF계 Gas

• 원익머트리얼즈는 SiF6, SiCI4, 오션브릿지 CF4, HBr을 생산 유통

• NF3은 식각보단 챔버세정용으로 사용(SK머트리얼즈 글로벌 생산능력 1위)

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습식식각

• 습식식각은 액체 상태의 화합물인 Wet Echant를 통해 목표로하는 물질을 제거하는 공정

• 건식식각보다 빠른 속도와 높은 선택성이 장점

• 습식식각의 대표적인 예로 3D NAND 공정에서 SiO2/Si3N4 적층 구조 형성이후 Si3N4를 선택적으로 제거하는 공정으로 선택성이 높아야 하기 때문에 이를 HSN 식각이라고 한다.

• 삼성전자가 128단의 낸드를 싱글스택으로 할 수 있었던 이유는 건식식각을 통한 Hole Etching에서의 기술격차 뿐만 아니라 128단의 Si3N4 박막을 선택적으로 제거할 수 있는 H3PO4 레시피 개발이 결정적

• 국내 대표적인 Wet Etchant 제조사는 솔브레인이며 HF, BOE뿐만 아니라 HSN H3PO4 생산

• 사용량 면에서 HF보다 많은 H2O2의 경우 한솔케미칼

• GAAFET에서는 Etchant가 H2O2의 사용량이 매우 많음

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Focus Ring

• 포커스링은 건식식각 공정과정에서 Dry Etcher 또는 플라즈마 CVD 챔버내에서 Wafer를 고정하는 역할

• 포커스링의 구조상 웨이퍼와의 경계면에서 플라즈마가 집중되는 현상이 발생

• 이를 방지하기 위해 의도적으로 포커스링의 높이를 웨이퍼보다 소폭 높게 제작

• 포커스링의 안쪽 경계면은 항상 빠르게 식각되어 높이가 낮아지고, 간격이 벌어져 상기한 플라즈마 왜곡을 초래하게 된다. 포커스링을 주기적으로 교체해야하는 이유

• CVD SiC Ring의 사용은 SiC의 내구성도 좋지만, SiC 상부면에 도포함으로해서 하단의 소재는 저유전 소재를 사용할 수 있게 되고 링 전체의 Capatance를 낮추는 효과

• 3D NAND의 경우 홀 에칭을 위해 플라즈마 에너지가 높은 CCP 건식 식각을 이용하거나 ICP를 사용하더라도 플라즈마 밀도를 높인다.

• 즉 3D NAND의 단수 증가는 플라즈마 에너지의 강화 -> SiC 링 수요의 증가

• 국내 Si/SiC Focus Ring 제조사는 티씨케이, 하나머티리얼즈, 월덱스, 케이엔제이

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Dry Strip(Ashing)

• 노광과 식각이 끝난 이후 PR을 제거하는 공정을 Ashing 공정이라고 함

• 박막을 제거한다는 의미에서 광의의 식각

• PR Strip 과정중의 플라즈마가 이미 식각이 끝난 웨이퍼 표면을 손상시키지 않아야 하기 때문에 고난이도 플라즈마 컨트롤을 요하는 공정

• PR Strip 전용장비 기준으로는 국내의 피에스케이가 글로벌 점유율 41%로 1위

• 시장 내에서도 피에스케이 점유율이 가장 크기에 IDM/파운드리의 케파 투입패턴과 유사한 궤적

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Bevel Etcher

• 웨이퍼 가장자리 부분을 Bevel 이라고 한다. 반도체 공정을 거치면서 Bevel 부분의 불필요한 잔여물과 박막이 쌓이게 됨

• 이를 제거하기 위한 장비를 Bevel Etcher

• 피에스케이가 Bevel Etcher에 대한 국산화 시도

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