[Photo 공정 심화3]

1. Photo 공정의 개요

2. Track 구성/표면 처리/PR Spin Coating

3. Soft bake/Alignment/Exposure

4. PEB/Development/Hard bake/ADI 검사

5. Resolution과 DOF/NA/광원과 파장

6. Resolution 향상 방안 및 EUV/DPT/Q PT

7. PSM/OPC

8. Photo 현장 실무

9. Photo 불량 사례 (1) (2)

 

5. Resolution과 DOF/NA/광원과 파장

◆ PR의 요구사항

1) 해상도(분해능) Resolution

- 얇은 PR일수록, 높은 해상도

- but 얇은 PR일수록 식각, 이온주입 보호막 기능 저하

2) 고 식각 저항성 (to IIP, Plasma 등)

3) 높은 접착력 : Lifting은 불량 유발 

4) 다양한 공정 적용 범위

- 공정 조건 변경에 높은 공정 허용치

- PR 종류, 조건 다 다르다.. 표준화가 되어 있다.

 

 

◆ Resolution & DOF

1) 해상도 (분해능, Resolution)

- 웨이퍼 상에 전사 가능한 최소 패턴 크기

- 작을 수록 해상도가 좋음을 의미

 

레일리 Rayleigh 공식 => 망소 (작을수록 좋다)

2) 초점 심도 (DOF Depth Of Focus)

- 마스크와 광학계 그리고 웨이퍼를 상대적으로 정렬할 때 허용 가능한 수직 정렬 오차의 척도

- 초점을 벗어나 노광을 해도 패턴의 크기 및 모양의 변경이 소자가 요구하는 spec 내에 있는 초점 여유도

- 최적 초점 면의 앞 뒤로 선명한 상을 얻을 수 있는 거리

- 클수록 DOF 여유가 좋음을 의미! (망대)

- Res ~ DOF는 Trade off 관계!

=> 고성능 PR 및 PSM, 변형조명(OAI Off Axis Ilumination) 등을 사용하여 상호 보완하는데 주력!

- 초점심도 DOF 개선 -> ① CMP 평탄화, ② PR 두께↓

◆ N.A 개구수

- NA는 빛 경로를 제한하는 Aperture 로 간단히 Lens의 상대적 크기로 생각할 수 있다.

- 해상도 및 초점심도를 변화시키는 큰 요인

-  기존 장치는 NA가 고정되어 있지만 현재는 가변 NA로 되어 있어 공정 특성에 맞게 해상도 및 초점심도 조절한다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- NA = 반지름 / F (tan) = R/F

 * F는 잘 안변함

 

 

 

 

◆ Excimer Laser란?

- 레이저 발생매질에 희유가스 (Ar, He, Ne, Kr, Xe, Rn)의 여섯 가지 기체 원소를 통틀어 이르는 말) 및 할로겐 등의 혼합 가스를 이용하는 자외선

 

 

ArF 193nm

KrF 246nm

 

* 참고 

 

6. Resolution 향상 방안 및 EUV/DPT/QPT

 

◆ Resolution 향상 방향 (RET : Resolution Enhancement Tecnology)

 

1) 고 NA화

- 보다 큰 구경 렌즈는 고비용으로 비현실적

- DOF의 감소로 생산에 어려움.

 

* ArF Immersion (193nm)

- 렌즈와 웨이퍼 사이 공기 대신 고 굴절률 매질(초순수) 사용 -> 해상도 개선

- 동일 NA - 굴절률↑ - 굴절 각도 ↓ - 해상도 개선 없음. (스넬의 법칙)

- 웨이퍼로 입사되는 빛의 전반사 임계 각도 증가 -> 대구경 렌즈(NA>1) 사용 가능 -> 해상도 개선 가능!

 

* 초순수 (DI Water)

- n=1.44 @193nm ArF

- 낮은 광 흡수율 <5%

- PR 및 렌즈 재료와 호환 되나 일부 문제도 존재(?)

- 초순수 형태로 오염 최소화

 

 

2) 공정 파라미터 (k1)값 저감

- 각 업체 별 공정 능력

 

① 비 등축 조명 노광 (Off Axis Illumination, OAI)

- 기존 수직 입사 조명 : 0차광 렌즈 집광 못함 - 웨이퍼에 상을 맺지 못함.

- 빛의 (경사지게)사입사 : 0차광과 +1 또는 -1차광 집광 => 해상도 개선

 

7. PSM/OPC

② 위상 반전 마스크 (Phase Shift Mask, PSM)

- 이진 마스크 (binary mask) : 미세 패턴 → 투과광 상호 간섭 → 해상도 열화

- PSM : 마스크의 석영 (Qz) 부분에 반전 물질(Shifter) 설치

Shifter 부분 통과한 빛의 위상이 180도 변화

 

(추가)

- 노광부와 비노광부의 경계면에서 빛의 세기 (Contrast)를 명확히 구분

- 해상도 및 초점심도 향상

PR Exposure 민감도! => 너무 올라옴

 

PR Exposure 민감도! => 적당. 원하던 PR 형태

▶ 원리

- 굴절률의 변화를 줌

- 파장의 주기를 변환

- 후속 파장의 주기 이동됨. (굴절률 큼 <-> 파장 작음 // 굴절률 작음 <-> 파장 큼)

=> 정밀도가 요구되는 layer만 사용 : Metal 1, Active 등 

 

③ 광 근접 보정 (OPC, Optical Proximity Correction)

- 빛의 집중, 산란, 패턴 밀도, 주변 환경의 영향 → 포토 공정 후 왜곡 현상 예상 (취약 패턴)

- 의도한 설계 평면도와 유사한 PR 패턴이 형성 되도록 설계, 평면도상 패턴 일부를 보정

- 경험(rule)이나 컴퓨터 시뮬레이션(model)을 통해 OPC 및 마스크 제작 시간과 비용 → 원가 상승

(추가)

- 목적 : Reticle Degisn 상에서 Pattern Edge부에 Cr을 추가 및 제거를 통해

          PR Pattern 형성을 Design 과 동등하게 형성하여 공정 Magin 확보

   => 수율 향상! 성능 향상!

* Scattering bar : 패턴을 추가로 넣어서 노광 조절

* OAI (Off Axis Illumination)

- conventional illumination 에서는 projection lens에 동일한 모양으로 상이 생기면서 노광

- off-axis illumination에서는 reticle에 입사하는 빛을 경사지게 하는 것이 차이점

- conventional에선 reticle의 pattern size가 줄어들면 reticle에 의한 회절 각이 커진다. pattern size가 줄어듬에 따라, 결국엔 1차광이 lens 내부로 들어가지 않게 된다.

- off-axis에선 0차광을 경사지게 입사시키므로 reticle에 의한 회절 각이 커져도 1차광이 lens 속으로 안정적으로 들어가게 된다. => 고해상도를 얻기에 유리

 

④ 반사 방지 코팅(Anti-Reflective coating, ARC)

- 하부층 : 빛의 반사 미 산란 → 해상도/DOF 열화

- PR 상하부 ARC, BARC → 빛의 반사 최소화/흡수

 

⑤ 다중 패터닝 (Multi-Patterning)

- ~30nm 이하의 미세 패턴 확보 (포토 공정 한계 이하의 미세 패턴 형성)

- 피치(Pitch) 분할 방식 : 이중 패터닝(Litho-Etch-LE) - 주로 logic 제품 적용

포토 공정 2회 부담, 정렬 문제, 미세 패턴 -> 3회 LELELE

- 자기 정렬 방식 : 2중(4중) 패터닝 SADP/SAQP (Self aligned double (quardruple) patterning) - 주로 메모리 제품 적용

포토 공정 1회, 정렬 오차 없음.

 

 

3번째 그림. 에칭 후 PR 제거. 선택비 높은 chemical, gas 를 Hard mask 제거!

 

* LFLE (Litho-Freeze-Litho-Etch) (Freeze 정지 시키다?)

- 프리징 재료 : 도포 한 후 고화(고체화) => 다음 현상액에 제거가 되지 않음. 

 

 

* SADP

- 희생 Hard Mask(SHM) 에치

- Spacer Deposition 

- Dry Etch하면 옆에만 남음(Spacer)

- Hard mask만 선택적으로 제거

 

* QPT 도입 및 기술

- 기존의 DPT를 반복하는 방식

- 첫번째 DPT에서 패턴 형성 후, 패턴 사이에 또 다른 패턴을 추가

- Photo 장비 추가 없음. CVD/Etch/CMP 공정이 추가 -> EUV의 백업 기술!

- SADPT 방식을 반복해서 사용 

 

장점 : 기존의 ArF 장비 이용해 구혀 가능

단점 : 공장이 복잡해서 원가 상승 초래 가능성

 

※ Hard Mask : APF (Advanced Patterning Film) 비정질 탄소 하드마스크 (PECVD) (?)

Spacer - Etch back

 

* 파장의 감소

- 광원, 새로운 PR, 설비 개발 필요

 

◆ EUV

- 다층 유리를 통한 파장에서 광 및 마스크의 반사를 활용!

- 극자외선은 거을의 반사를 이용하여 상을 축소시키고, 이러한 반사율을 극대화하기 위하여 다층 박막을 이용함

- 방출되는 극자외선은 처음에 마스크에 반사되고 다시 거울들에 의해 반사되어 웨이퍼에 패턴을 형성시킨다.

- 극자외선은 흡수되는 문제를 해결해야 한다. 왜냐하면 극 자외선은 모든 물질에 강하게 흡수가 잘된다.

=> 따라서 리소그래피 공정 시 챔버 안은 진공 상태를 유지해야 한다.

- 거울은 다충 코팅으로 코팅되어야 한다. 

 

* LTEM : Low Thermal Expansion Coefficient Material (EUV 기판 재질- 이 기판에 EUV 반사)

* DPP : Discharge-Produced Sn(주석) Plasma 13.5nm

* LPP : Laser-Produced Xe(제논) Plasma : 11.3/ 13.5nm

 

▶ 장점

- 짧은 파장으로 해상도(최소 선폭) 극대화

- 적은 횟수의 패터닝으로 구현 가능하기 때문에 공정 수 대폭 감소

 

▶ 단점

- EUV 장비 가격은 기존 ArF 장비 약 2배 (1억 5000만 달러)

- 대부분의 물질, 심지어 산소나 이산화탄소에도 흡수되는 성질이 있기 때문에, 진공 상태에서 반사형 박막 거울을 사용해야함. 현재 박막 거울은 최대 반사 효율이 70%에 불과(18년 기준?)

- 현재 기술로 광원 출력이 부족해, 웨이퍼 처리량이 부족함.

  => 하루당 웨이퍼 처리량 WPH(Wafer Per Hour) 2500장 이상 돼야 함.