[반도체 공정] 포토공정(Photolithography)-3

6. RET(Resolution Enhanced Technology)

 

- 포토공정 KPI: Resolution(분해능)- 구현 최소 크기

                             DOF(초점심도)- 초점 여유도                  

                                                             DOF margine 넓다=어느 정도 초점 흔들려도 비교적 선명한 pattern 현상된다.    

 

- Trade off관계  

   : Resolution(R)=k x λ/NA

      DOF~λ/(NA)^2

 

- 이론 한계: k1= 0.25

                        λ= EUV(13.5nm)

                       NA=1.0

 

- R 향상 방법: 단파장화, 렌즈의 고 NA화, k 감소(OPC, PSM..)

 

 

1) λ, 단파장화

 

EUV(13.5nm)

- 장점: 분해능 향상, Uniform, DP 사용 x-> 비용 절감

 

 

- EUV 핵심: Laser

                      광원 바로 만들어지지 x

                       LPP(Laser Produced Plasma): 초당 5만 번씩 떨어지는 주석에 CO2 레이저 쏘면 Plasma 발생,

                                                                                      여기 및 이완으로EUV 생성

 

 

 광학계

   - 대부분의 물질에 의해 흡수-> 반사형 마스크(거울), 광학계 필요

 

   - DBR(Distributed Bragg reflectors: 다른 굴절률 가지는 두 개의 물질로 구성된 다층 반사경

                                                                           50층 이상 Mo/Si multilayer 거울, Ta기반 흡수체

                                                                          높은 반사도, 좁은 차단 대역

                                                                          굴절률 차이로 각 계면에서 반사로 인해 보강 간섭되도록 물질, 두께 선택

                                                                           완벽한 표면 필요

 

 

   - 조명 광학계(illumination Optics): 마스크 제외 약 9개의 반사 거울로 구성

                                                                       반사거울 렌즈로 빛 모양 정돈

                                                                        광원에서 나온 EUV광선-> 조명 광학계(Illuminator) 거침-> 마스크에서 반사

                                                                       -> 투영 광학계(Projection Optics) 거쳐 웨이퍼에 전사

 

    - 투영 광학계(Projection Optics): Parabolic mirror(Au-화학적으로 안정, 높은 굴절율)

                                                                     Ellipsoidal mirror: 초점, 인텐시티 증폭

 

    - 마스크: 반사형

                      Qurtz/Buffer layer/Mo, Si multilayer 거울/ 탄탈륨 기반 흡수체

 

 

    - 펠리클: 얇은 Poly Si 기반 멤브레인 구조

                     기존 유기 펠리클은 EUV 광원 흡수 

                     EUV 마스크 장당 약 5억-> Pellicle 중요(원가부담)

                      문제: 광자 E 세서 문제-> 주기적 노광 등 적용

                                 투과율 위해한초박막 형태로 기계적, 처짐 문제 발생

                                투과율(목표 95%) 문제- 빛이 펠리클을 두 번 통과해 어려움

       

 

    - PhotoResist: Resin -> hv->Resin+ e-

                                  PAG+ e- -> X+H+             

 

 

 

Issue

: 1. Throughtput(생산성) 낮음

     - 단위 시간당 공정 가능 wafer량 적음-> 장비 수↑-> 공정비용↑

 

     - 원인 1. 광원 흡수율 큼

                 마스크 제외 9개의 반사 거울로 구성

                    -> 거울을 거치면서 빛의 출력 감소

                    ->1장의 웨이퍼를 노광 하기 위해 긴 시간 필요

                    투입 광원 증가 or 반사도,투과율 높은 Mask, Pellicle 개발

 

*ArF- 렌즈를 사용해 빛을 모음-> 광원의 출력이 높지 않아도 됨

            오랫동안 사용한 실적이 있어 출력을 높이기가 어렵지 않음

 

 

 2. 전력소비 문제

     - 발광효율 0.1%

       150W 광출력 위해 대당 약 150KW 전력 소비

            ->장비 10대 (가동률 80%)->약 10억 원 전기요금 -

 

3. 3차원 효과

  - 다층 겨울과 흡수체의 높이 차가 증가할수록 형성되는 패턴 위치의 이동, CD 증가가 일어남

  - 미세화 될수록 악화

     -> 고 흡수율 흡수체, 감쇠형 위상반전 마스크

 

 

  4. EUV PR

      - LWR(Line Width Roughness), Sensitivity, Resolution Trade off 문제

        Out-gassing 문제-독성가스 배출하기 때문

 

      - LER, LWR

         : Photon Shot Noise, 분자 크기가 원인

     

        - Photon Shot Noise 효과: 광자와 포토 레지스트 (PR) 간 반응에 대한 확률 통계적인 효과

                                                             짧은 wavelength-> 광자 하나의 에너지 큼

                                                                  -> 같은 노광 에너지양에서 흡수되는 광자수 감소

                                                                  -> Large photon shot noise-> LER, LWR 악화

  

                                            개선: 0차 회절광 대비 ±1차, ±2차 등의 고차 회절광의 비율을 증가시켜

                                                  패턴 정보를 가지고 있는 광자의 수를 늘림

                                                  흡수 영역의 반사도와 위상반전 효과-> 낮은 두께 가능

                                                    -> Mask Shadowing 효과 감소 

 

       - 기존 고분자 폴리머 Resist-> 표면 불균일

         개선: 기존 Resist 특성 향상 or 저분자 폴리머 Resist 개발

                     

          저분자 폴리머 Resist 문제

            - 분자가 작은 Resist -> 감도 저하-> EUV 광원의 조사시간연장-> 생산성 감소

              개선: Metal resist 제안: 금속산화물을 유기재료로 피복 

 

 

 

2) NA, 고 NA화

 

Imersion Litho(Ar-i)

- n(굴절율) 증가-> R 향상

  n water:1.44 -> NA>1 (입사각 증가해도 초점 맞춰짐)

  λ air/ λ fluid=193/1.44=13.4nm

 

- 광원 열을 물이 냉각

- 초순수로 인한 렌즈 식각, PR 오염 문제-> 렌즈 코팅, Topcoat-less PR(PR에 소수성 첨가제 추가)

- DRAM 기준 10nm 공정에서 ArF-I 비중 큼

 

 

3) k(공정 상수) 감소

 

- Mask

  패턴 미세화로 인해  Reticle에 의한 패턴 회절 증가-> 패턴 왜곡 발생

Illumination Mode	조리개 통해 광 경로 조절 -패턴 크기 감소-> Reticle에 의한 패턴 회절 증가	Conventioanl, Annular, Quadrupole, Dipole, Paranetric, Flexray
OAI(Off Axis Illumination)	0 차광을 경사지게 입사 목적:1 차광이 최대한 lens내부로 많이 들어가도록 설계 -패턴 크기 감소-> Reticle에 의한 패턴 회절 증가로 1 차광 손실
OPC (Optical Proximity Correction, 광학적 근접 패턴 보정)	광학적 인위적 작업 통해 패턴 왜곡 보정 -회절에 의한 빛 파동 확산, 간섭 문제 개선
PSM(Phase Shift Mask)	위상 반전 코팅 통해 빛 위상 조절해 패턴 왜곡 보정 -회절광 간섭효과 문제 개선

 

- Multi Patterning

  : DPT(Double Patterning)= LELE(litho-ethchx2)

                                                         - 주로 패턴이 불규칙한 로직 반도체에 이용

                                                         -22nm 30% reduc

    SADT(Self- alined Double Patterning, 자기정렬 2중 패터닝)-주로 메모리에 이용

출처-키포스트

 

     Issue- Depo, Etch 등 공정 step 증가

                -> 공정 시간, 비용 증가

                -> 패턴 일정 x, Align문제, Short문제 -> 생산성↓

                    (Memory는 부분 안 쓰면 돼서 불량 컨트롤 가능, 로직은 문제)

 

 

 - Resist

    : Hard mask (ARC)-BARC,TARC

      ARC(Anti Reflective Coating)- Notching, Stand wave effect 방지

                                                                  공정고도화로 물성 변화하며 입사되는 빛이 산란 야기-> 해상도 저하

                                                                  -> 고신뢰성 Hard mask 개발 필요

 

 

7. Process Control

   : CD SEM, OA 평가로 Process Control

 

- Exposure Latitude(EL) : CD변화 정도가 허용되는 dose 범위

  EL=E(-10%) - E(+10%)/E(0) X 100

  높을 시 CD가 Dose에 덜 민감-> PR 평가. 선정 기준

 

 

- OA(Overlay Accuracy, 층간 중첩도)

 

 

- Resist Profile

  패턴이 미세화되며 패턴 붕괴 위험 증가-> 낮은 surface tension rinse liquid 적용, 기판의 표면처리 필요

 

 

 

8. Aberration (광학 수차)

  : Ideal-Real 파면 사이 광 경로 차이

    패턴 왜곡 발생시킴

 

- Longitudinal Spherical Aberration(L-SA) : 종구 면수 차, 축과의 거리에 따라 초점거리가 다름

- Lateral Spherical Aberration(T-SA) : 횡구 면수 차, 한 초점면에서 광선의 높이차

 

1) Monochromatic (단색 수차)

 

- Spherical Aberration(구면수차)

   : Lens가 구면이기 때문에 나타남

     확인방법- Pattern Size(Pitch) 별 Best Focus 차이 비교

-Astigmatism(비점 수차)

  : 축 밖의 점에서 비스듬히 입사할 때, 수직(Tangential) Ray와 수평(Sagittal) Ray가의 Focus차이

    일반적으로 비점 수차는 코마수차와 수직 한 방형으로 나타남

    확인방법- Pattern 방향별(Vertical&Horizontal) Best Focus 차이 비교

- Coma(혜성 형수 차)

   : 축 밖의 점에서 비스듬히 입사할 때, Lens의 중심을 지나는 빛(Chief Ray)과

     다른 빛들의 결상되는 위치가 다르게 나타나는 현상

    렌즈 조리개를 줄임으로써 개선

     확인방법: Two Bar or Five Bar Pattern 좌우 CD 차이

 - Field Curvature(상면 만곡)

   : Astigmatism을 제거한 Focal Plane도 휘어져 있기 때문에 발생

    렌즈의 조리개를 닫아 초점심도를 증가시켜 개선

    확인방법- Field Position별 Pattern 방향(Vertical & Horizontal)에 따른 Best Focus 차이 비교

- Distortion(왜곡)

   : 일정한 Lateral Magnification(횡 배율)을 갖지 못하는 경우, 상의 전체적인 모양에 영향

    이상적인 상의 위치를 벗어난 거리에 대한 이상적인 상의 높이의 백분율로 표현

    확인방법- Field Poistion별 Pattern의 좌표를 절대 좌표와 비교

 

2) Chromatic(색수차) : 파장에 따른 굴절율 차이