Photolithography의 성능을 나타내는 주요 factors들이 존재할텐데요. 저희가 이런 factors들을 파악하다 보면 성능의 한계와 문제점을 알 수 있을 것이고 문제점들을 고민 하다보면 그 성능의 한계와 문제점을 어떻게 해결해야 할지 알 수 있지 않을까요?
그렇기에 먼저 photolithography의 성능을 이야가할때 사용된는 기준들을 알필요가 있겠습니다.
Projection type(Stepper, Scanner, EUV)에서 크게 두가지가 있는데 1) 분해능 2)초점심도 가 있습니다.
1) 분해능(Resolution, RES) : 패턴을 웨이퍼에 전사하는 한계 (=CD, Critical dimemsion)
두 factor 중에 특히 분해능이 중요한데요, 우리가 미세공정으로 들어갈 수록 각 패턴들을 분해를 시키는 것이 더욱 중요해집니다. 다른말로 해상도가 중요하다고 말하죠.
RES를 contact/proximity type에서는 CD라고도 부릅니다.
contact type일 경우엔 g=0이기 때문에 CD의 수식은 근사값에 가깝습니다.
현대의 대부분의 설비의 type은 projection이기 때문에 RES가 중요합니다. RES의 방정식은 레일레이의 방정식에 따라 유도된다고 합니다.
해상도를 분해능이라고 하는 이유는요 두개의 파장이 서로 분해가 되야하기 때문입니다.
아래 그림에서 왼쪽은 그래도 그나마 분해가 된 모양이고 오른쪽의 경우는 빛이 하나인지 두개인지 알수가 없는 상태입니다. 파장이 분리가 안됐기 때문이죠.
2) 초첨심도(Depth of Focus, DOF) : 초점을 맞출 수 있는 범위
DOF의 수식은 다음과 같습니다
우리가 보통 resist의 중앙에 focus를 맞추는데 하지만 resist의 두께나 여러가지 공정 factor들에 의해서 margin이 필요한 경우가 생기기 때문에 이 margin이 초첨심도인데 초점심도는 NA와 반비례 관계인걸 알 수 있습니다. 식을 보시면 NA를 높게하면 RES의 경우는 얇게 얇게 가능하지만 DOF는 작아지는 것을 알 수 있습니다.
미세공정에서는 다른 Factor 보다 resolution 개선이 가장 큰 issue입니다,
Resolution 개선 방안에는 몇가지가 있는데요
1) 파장(λ) 감소: 단파장 사용 (가장 효과가 좋음)
2) K1 감소 : 공정 개선, PR개발, 광학계 구조 개선 필요
3) 높은 개구수(NA) : Lens 디자인(크기) 개선
이런 parameter들을 바꾸었을때 생기는 side effect는 DOF가 감소한다는 것인데요 RES 와 DOF가 공존하는건 쉽지 않습니다. 서로 trade off 관계인 것이지요.
RES 뿐만 아니라 DOF도 lithography의 주요 Factor라고 했지요.
DOF를 결정하는 요인으로는 1) CD 2) patten, shape, slope 3) 광원 energy 4) lens 성능 이렇게 있는데요 우리가 좀 더 중요하게 볼 필요가 있는 건 DOF의 개선 방안입니다.
DOF 개선방안
1) Resist 변경 (Resist 자체를 바꿔서 focus 개선)
2) Surface 평탄화 (들쭉날쭉하면 당연히 focus가 안맞겠죠?)
3) ARC, OAI, PSM, OPC 등의 기법 사용 (뒤에 다룰 예정)
어째든 DOF도 lithography에서 무시할 수는 없는 요인이라는 것이죠. 아래 그림만 보시더라도 focus가 잘 맞으면 패턴이 잘 나오지만 focus가 안맞으면 패턴 사이즈가 잘 안나오거나 slope이 이상하던지를 확인할 수 있습니다.
DOF나 RES처럼 수치적으로 판단할 수 있는 것들 뿐만 아니라 패턴의 불량이 나오는 요인들은 몇가지가 있는데요
1)빛의 반사와 정재파
빛이 입사가 되면 기판에 반사되어서 정재파 현상이 발생하는데요. 이 정재파에 따라서 노광영역과 비노광 영역이 구분이 되는데 직선으로 구분되는게 아니라 아래 그림처럼 구불구불하게 구분된다는 것이죠.
그렇기에 PEB를 통해서 PAC를 확산시켜서 이것을 완화시킨다고 했었는데 기억 나시나요? 일반 DNQ PR에서는 PEB를 통해서 정재파 현상이 조금 완화가 됩니다.
<UV용 PR중 negative pr에서도 PEB가 진행되고 CAR에서는 필수적으로 PEB가 진행된다고 했는데 여기서 DNQ PR에서와 PEB를 통해 얻는 이점은 다른것 같습니다. (맞나요;;?)>
PEB로 개선할 수 있었던 pr들이 일반 UV PR이라면 CAR PR에 좀 더 특화된 불량들이 있는데요
크게 T-top shape, Footing, Undercut 이 있습니다.
CAR Resist의 경우 노광후에 PEB를 거치면 H+ 산이 발생하는데요 이 떄 노광부터 현상까지의 시간이 길어지면 문제가 발생합니다.
1) Develop 영역의 확산
오랜시간 놔두면 H+가 비노광 영역에 침투하게 됩니다. 그러서 line이 줄어드는 line slimming 현상이 발생합니다. 그래서 현상이 더 많이 된다는 것이죠
2) 대기와의 반응
오랜시간 놔두면 기판의 표면이 대기와 반응을 하는데요, 이 대기에는 HMDS,NMP,NH3,TMAH등 여러 물질들이 떠다니는데 이런 성분들에 의해 표면이 오염되면서 산이 중화가되면서 생기는게 T-top shape 현상입니다.
3) 기판 의존성
PR의 산 성분이 기판으로 침투를 하게 되면 Undercut이 생기고 오히려 기판에서 무언가가 나오면 Footing이 생기게됩니다. 기판이 TiN, SiN, SOG일 경우 반응이 특히 잘 일어난다고 합니다.
다음 그림은 위해 말씀드린 패턴 불량들의 모습입니다.
T-top shpae를 방지하기 위해서는 요즘은 노광과 현상을 한번에 진행하는 in-line화 공정을 진행하기도 하고 undercut과 footing을 방지하기 위해선 pr과 기판 사이에 inter layer나 BARC(Back side anti relrction coating) 반사막을 넣어서 노광시 반사에 의한 여려 현상을 방지 가능하고 기판 표면에 plasma ashing, 열처리, 산처리등 계면처리를 하기도 합니다.
다만 어째든 중요한건 노광 후 현상 공정까지는 빠르게 가져가야 한다는 것이 핵심입니다.
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