Photolithography 발전 방향 (2) 문제 극복을 위한 개발 향상
앞서서도 빛의 굴절에 대해서 한번 소개를 드렸던 적이 있는데요 이런 물에서의 빛의 굴절을 이용해서 lithography를 하면 어떨까라는 생각이 바로 Immersion Lithography입니다.
Immersion Lithography
한국 말로 '액침 노광' 이라고 하는데요 Lens와 기판 사이의 매질을 공기에서 물(혹은 용매)로 바꿔서 노광하는 공정을 의미합니다.
이때 공기대신 사용하는 매질의 조건은 3가지 정도가 있는데요
1) 매질이 빛을 흡수 하면 안되고 굴절율이 높아야함
2) PR에 침투하면 안됨
3) PR에 침투하더라도 영향이 적어야함
immersion lithography에서 우리는 주로 물을 매질로 사용하는데요 물이 1.44로 꽤 높은 굴절율을 가지고 있으면서도 위의 조건들을 만족시키기 때문입니다.
immersion lithography를 했을때의 특징은 무었일까요?
일단 우리가 가장 중요시 여기는 해상도와 초점심도가 개선된다는 겁니다.
하지만 단점이 생각보다 많았습니다.
1) PR과 용매/lens가 맞닿아 있기에 PR의 감광제/첨가제 일부가 용먀에 용해되어서 lens 및 pattern을 오염시킵니다.
2) 노광후에 PR 표면에 미세 용매 방울들이 잔존할 수 있는데 이것들이 Defect를 유발하는 요인이 됩니다.
3) 용매의 종유에 따라 빛 에너지를 흡수할 가능성이 있는데요 그래서 적절한 굴절률을 갖는 매질을 도입하는 것이 중요합니다.
ArF경우엔 물을 쓸때 아무 문제가 없었지만 F2의 경우 용매를 PFPE 오일등을 사용해서 문제가 좀 있다고 합니다.
일반적으로 우리가 immersion lithography라고 하면 보통 ArFi를 의미합니다.
KrF에 immersion하는 것보다 ArF에 immersion하는게 효과가 더 좋고 ArF는 ArFi로 개선이 가능하지만 대체할 수 없고 KrF는 ArF로 대체가 가능합니다. 그래서 굳이 KrF에 immersion을 쓸 필요가 없기 때문입니다.
또한 ArF는 공정 난이도가 낮고 매질을 물을 이용하기 때문에 매질의 용이함도 있기 때문입니다.
그냥 dry ArF노광일 경우는 193nm의 파장을 가지지만 ArFi일 경우는 134nm의 파장을 갖는 효과를 가진다고 생각하면 될 것 같습니다.
앞서 말한 단점들을 개선하기위해서 몇가지 개선점이 있는데요
1) 애초에 PR자체가 소수성인데 그런데 물이 조금이라도 영향을 줄 수 있기때문에 PR의 소수성을 엄청 강화시킵니다.
2) 그래도 물과 PR의 혹시나 반응을 막기위해서 PR위에 Topcaot이라는 걸 도입해서 물과 닿아도 괜찮게 만들어 줍니다.
Top Coat
말그대로 PR위에 코팅을 한다는 이야기인데요 즉 소수성 막을 PR위에 도포하는 것입니다.
대신 이 막은 투명도를 확보하는게 필수적이겠네요.
이 막에 사용되는 물질에는 F이 많이 함유가 되어 있는데요. 높은 함량의 불소(F) 치환된 고분자를 사용합니다.
그리고 이 물질들은 노광후에 불소 치환된 시너를 이용하여 제거가 가능해야 합니다.
하지만 Top Caot사용의 단점도 존재합니다
1) coating / cleaning 공정이 각가 1회에서 2회로 증가됩니다.
2) Top coat를 제거하는데 고비용의 시너가 사용됩니다.
그래서 장기적으로는 매질이 스며들지 않는 좋은 성능의 PR의 개발이 필요합니다.(Topcoat less PR)
Anti-Reflective Coating
이전에 제가 BARC에 대해서 약간 소개해 드린적이 있는데요. BARC는 ARC의 한 종류입니다.
그렇다면 ARC는 뭘까요?
우리가 DUV PR을 사용하면 DUV PR은 높은 반사도를 가지고 있어서 정재파로 현상이 많이 일어나고 CD의 uniformity가 않좋아집니다. 또한 DOF margin 도 않좋아 집니다.
이를 방지하기 위해서 ARC를 해주는 건데요 ARC를 해주면 굴절률이 서로 다른 계면에서의 재반사되는 반사광을 최소화해줘서 wafer에서의 난반사를 감소 시켜주고 PR의 광흡수율도 증가시켜줍니다.
또 Undercut/ Footing 등의 형태을 방지하고 정재파 현상도 감소 시켜줍니다.
이런 반사 방지막의 위치에 따라서 TARC, BARC로 나뉘는데요 PR위에 코팅하면 TARC, PR밑 기판위에 코팅하면 BARC입니다.
아래는 TARC와 BARC의 특징과 기능 효과를 나눈표입니다.
보시면 BARC도 organic과 inorganic으로 나눠지죠? 이것도 한번 알아봅시다.
Off Axis Illumination(OAI)
빛의 회절에 의해서 Mask를 통과한 빛이 0차 -1차 +1차광 등이 생성되는데요. 빛을 그냥 수직으로 쏘면 0차 광과 1차광들이 모이게되어서 DOF가 줄어들게 됩니다.
대신에 비스듬하게 빛을 입사하면 -1차광을 차단하고 0차와 +1차광만으로 조사가 되어서 Image를 만들어 냅니다. 이런 공정을 Off Axis Illumination이라고 합니다.
빛의 초점을 맞추는 DOF margin을 상당히 많이 얻어 낼 수 있는 장점이 있고 또 역시 회절각이 작아져서 Define(패턴을 정의하는) 능력이 향상되어서 RES를 개선하는데도 효과적입니다. 그리고 렌즈적으로는 NA가 2배 상승하는 효과도 있습니다.
다만 아무래도 Energy의 일부만 사용하는 것이기에 광량이 부족할 수 있는데 요즘에는 Powerful한 광원을 쓰기 때문에 상쇄 가능한 단점이라고 합니다.
Phase Shift Mask(PSM)
마스크에서도 문제를 개선할 수 있는 법이 있는데요 Phase Shift Mask를 만들었습니다.
Mask의 모재인 Quartz위에 Chrome을 놓고 그냥 빛을 쏘게 되면 파장들이 아래 그림처럼 위상이 겹치는 경우가 생깁니다. 그래서 일반 conventional mask에서는 에너지가 이렇게 나옵니다.
그래서 Quartz에 일종의 Shifter를 설치하여서 통과하는 빛의 위상을 변하게(반파장 Shift) 하는 Phase Shift Mask를 만들었습니다. 그래서 에너지가 훨씬 골 마루가 잘 보이게 나옵니다.
PSM을 만드는 방법은 2가지가 있습니다.
1) Attenuated Pase Shift Mask(ATTPSM)
Chrome면 밑에다가 MoSi를 넣어주는 건데요 MoSi를 빛이 통과하면 약한 빛이 나오게하고 Phase가 바껴서 나오게 합니다.
주로 조금 큰 size인 Contact hole 같은 size를 만드는데 주로 사용됩니다.
2) Alternating Phase Shift Mask(AltPSM)
아예 Quartz면 일부분을 식각을 하는 건데요 Quartz면을 식각하다보니 두께가 얇아져서 투과율이 상승합니다. 그러나 밑에 intensity 그래프르 보시면 원하지 않는 부분에 노광이되는 부분이 생기게 됩니다. 그래서 이런 것들을 없애주기 위해서 2nd Trim mask를 필요로 하는데요. 이로서 원하지 않는 부분에서 나오는 빛들을 제거해줍니다.
이런 단점에도 이 마스크는 intensity가 강력하고 성능이 좋아서 주로 미세패턴에서 많이 사용됩니다.
이렇게 만든 PSM은 모든 설비에서 RES를 개선해주고 DOF를 향상시켜주는 장점이 있습니다.
##Grey-tone Photomask(3D Mask)##
보통 우리가 만드는 패턴은 2분법적이라고 말한거 기억나시나요? 그런데 가끔 Grey tone이 필요할때가 있잖아요? 이럴때 사용하는게 Grey-tone mask인데 마스크의 패턴을 형성하는 방법을 달리하여 빛의 투과율을 조절해서 만든 마스크입니다.
쉽게말해서 약간 패턴을 어디는 투과율 좋게 많이 깍고 어디는 투과율이 낮게 덜 깍아서 만드는 마스크라고 합니다.
Optical proximity correction(OPC)
이건 공정에서 진행되는 해결법은 아닌데요 미세패턴 디자인 시, 실제 공정에서 형성되는 영역을 미리 생각해서 디자인하는 방법입니다.
포토공정에서는 빛의 산란을 고려해서 디자인해야는데요 PR pattern과 디자인을 동등하게 형성하기 위해서 마스크 위 pattern일부를 수정하는 과정입니다.
OPC를 진행하는 방법에는 2가지가 있습니다.
1) Rule-base
맨날 일일히 수정할 수 는 없기에 일정한 규칙을 둬서 만드는 겁니다. 짧은 시간내에 OPC를 만들어 내기 때문에 정확도는 낮습니다.
2) model-base
그렇게 아주 미세한 공정에서는 먼저 simulation을 하고 원하는 layout과 끊임없이 비교하고 simulation을 해서 될때까지 수정하는 겁니다. 오래걸리는 대신에 정확합니다.
이렇게 마스크내에서 해결 방법들인 OAI,OPC,PSM 기법들을 다 적용하면 얼마나 RES가 좋아질까요?
RELACS Process
이 공정 방법은 수용성 물질로 Contact hole size를 기본보다 작게 줄일 수 있는 기술인데요 이를 위해서는 PR과 반응하는 RELACS Agent 물질이 필요합니다. 이 물질을 PR위에 코팅을하고 나서 열을 가해주면 PR경계에 있는 물질들만 경화가 되어서 이 부분에서는 현상액에 용해가 되지 않습니다.
140nm->110nm로 약 30nm로 패턴의 크기를 감소시킬 수 있습니다.
Multiple Patterning
RELACS Process로는 사람들이 만족을 못해서 나온 공정법인데요. 단인 Patterning 공정에서의 Pitch 확보 문제를 개선하기 위해서 나온 기법입니다. 좀더 Pitch들 간의 간격을 좁히고 싶어하는 욕심이죠. 즉 Pitch와 Pitch사이에 Pitch를 더 개설하고 싶어하는 느낌이랄까?
1) Double Exposure
단순하게 각기다른 마스크 2개를 써서 2번 노광을 하는 겁니다. 단순하지만 Pitch의 불균일 가능성이 있습니다.
2) Double Patterning(DPT)
이제 부터 Hard mask가 쓰이는데요 Hard mask를 한장 깔고 첫 마스크로 노광후 식각한후 다시 PR 도포후에 두번째 마스크로 노광후 식각하는 방식입니다. 하지만 이 방법역시 아직 Pitch 불균일할 가능성이 있습니다.
3) Spacer Double patterning(SPT)
이 방식은 마스크를 하나만 써도 되지만 Spacer와 Hard mask가 2개 필요합니다. Hard mask를 부착된 pr에 노광후 식각한 다음 Spacer를 균일하게 붙여줍니다. 이때 spcaer를 얼마나 잘 컨트롤해서 균일하게 도포하는게 중요합니다.그런다음 Oxide를 증착해주고 싹 갈아주고 spacer를 싹 없애주면 hard mask와 oxide로 이루어진 pitch들이 생성됩니다.
이 방식으로 하면 안정적으로 균일한 pitch를 얻어낼 수 있습니다.
하지만 사람들은 아직 욕심이 그득그득합니다.
SPT를 2회 반복하는 즉 Hard mask를 3개 필요한 QPT Process를 진행합니다. 처음에는 QPT를 진행할땐 매우 비쌌지만 요즘은 기술이좋아져서 가격이 저렴해졌기에 널리 사용된다고 합니다.
QPT 방식도 SPT방식과 마찬가지로 Spacer의 컨트롤이 중요한 기법입니다.