CHAPTER 4 Photolithography - hjeon.namoweb.net

Fundamentals of Semiconductor Fabrication

CHAPTER 4 Photolithography

Semiconductor Materials Lab.

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Contents 4.1 Optical Lithography 4.1.1 The Clean Room 4.1.2 Exposure Tools 4.1.3 Masks 4.1.4 Photoresist 4.1.5 Pattern Transfer 4.1.6 Resolution Enhancement Techniques

4.2 Next Generation Lithography Methods 4.2.1 Electron Beam Lithography 4.2.2 Extreme Ultraviolet Lithography 4.2.3 X-ray Lithography 4.2.4 Ion Beam Lithography 4.2.5 Comparison of Various Lithographic Methods

4.3 Photolithography Simulation 4.4 Summary Semiconductor Materials Lab.

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Introduction 포토 리소그래피는 웨이퍼(wafer) 위에 감광제(photoresist)를 도포한 후 노 광(ultraviolet)에 의해 마스크(mask)를 이용하여 원하는 기학학적인 형상의 패턴(pattern)을 전사시켜 형성하는 공정

Ultraviolet light

Mask pattern Mask Photoresist Wafer


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Introduction

Lithography 공정을 위한 청정실(clean room)의 중요성 소개 Headlines of chapter 4 photolithography

가장 광범위하게 사용되어지는 lithography 방법인 optical lithography 와 lithography 장비의 해상도 향상 기술의 소개

차세대 lithography 방법의 장점과 단점소개


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4.1 OPTICAL LITHOGRAPHY 4.1절은 Optical lithography에서 사용 되어지는 광원은

청정실, 노광장치, 마스크, 감광제,

Ultraviolet light (wavelength , λ≡ 0.2~0.4㎛ )

패턴형성 공정, 해상도 증가 기술 에 대해서 소개


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4.1.1 The Clean Room 포토리소그래피 공정 시 청정실의 중요성과 particle에 따른 문제점 공기 중에 있는 particle들이 반도체 웨이퍼 또는 lithography

소자의 결함 유발

마스크에 증착하게 되면

-반도체 웨이퍼 표면에 particle 들이 쌓이면 에페텍셜 막의 단결 정 성장이 방해를 받음 -Particle들이 gate oxide막 속으 로 들어감 -Photo 마스크 표면에 particles 들이 묻음


-전위(dislocations) 형성 유발

-낮은 항복전압으로 인하여 소자의 불량 유발 -패턴 형성 시 단락 유발

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포토마스크 표면에 particle들이 증착되어 문제점을 유발시키는 경우

Pin hole 형성 Metal 내 particles에 의한 저항 증가

Short circuit 유발

Figure 4.1 Various ways in which dust particles can interfere with photomask patterns.


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청정실의 등급(class)은 2 가지 방식

① English system

② Metric system

으로 나뉘어 진다.

1. English system : 공기 중 청정실의 입방 피트 당 0.5㎛ 또는 그 이상의 크기를 갖는 particle 로 최대 허용하여 얻을 수 있는 수를 그대로 나타내는 class system. . 2. Metric system : 공기 중 청정실의 입방 미터 당 0.5㎛ 또는 그 이상의 크기를 갖는particle 로 최대 허용하여 얻을 수 있는 수를 로그(log)로 나타내는 class system.


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예를 들면 Class 100 청정실 (English system)은 100 particles/ft3 ( 0.5㎛ 또는 그 이상 크기의 particle 수)이다. 반면에, Class M 3.5청정실(metric system)은 103.5 또는 3500 particles/m3 ( 0.5㎛ 또는 그 이 상 크기의 particle 수)이다.

100 particles/ft3 = 3500 particles/m3

Class 100 청정실 (English system)은 Class M 3.5 청정실 (metric system)과 일치 (그림 4.2에서 확인)


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Particle 수

Particle 크기 청정실(clean room)은

온도와 습도에 따라 단위 부피 당 particle 의 수가 엄격히 통제되어야 하며 또한 particle 의 수에 따라 청정실의 등급(class)이 나뉘어짐

ICs fab. area 는 class 100, lithography area 는 class 10 또는 class 1 가 요구되어진다. Figure 4.2 Particle-size distribution curve for English (- -) and metric(―) class of clean room.


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 Optical Lithography :


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4.1.2 Exposure Tools 노광 (Exposure) ? 정렬(alignment)이 끝난 후 마스크의 패턴이 웨이퍼에 형성되도록 자외선 에 감광제를 노출시키는 공정 패턴 형성 공정 시 관련된 노광 기술의 3요소

① Resolution ② Registration ③ Throughput - Resolution : 해상도라 하며, 노광 시 웨이퍼 상에 최소 크기의 미세 패턴을 형성 시킬 수 있는 정도 - Registration : 중첩정밀도라 하며, 반도체소자의 제작 시 15∼20회 정도의 노광 공정이 반복되므로 각각의 공정에 있어 마스크와 웨이퍼의 중첩정밀도가 요구 되어지는 정도 - Throughput : 작업처리량이라 하며, 주어진 마스크를 이용하여 노광 시 시간 당 패턴 형성시킨 웨이퍼 수량


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노광 방법 음영인쇄법 (Shadow printing)

접촉인쇄법 (Contact printing) 근접인쇄법 (Proximity printing)

투사형인쇄법

(Projection printing)

Step-and-repeat printing

기본적으로 노광방법은 음영인쇄법과 투사형인쇄법으로 나누어진다. 다시 음영인쇄법은 마스크와 웨이퍼를 직접 접촉시키는 접촉인쇄법과 마스크와 웨이퍼 사이의 간격을 띄우는 근접인쇄법으로 다시 나누어진다. 그리고 투사형인쇄법은 step-and-repeat 인쇄법이라 부르기도 한다.


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접촉인쇄법(contact printing)은 감광제가 도포된 웨이퍼 위에 물리적으로 마스크를 접촉시켜 정해진 시간동안 UV 를 노광시키는 인쇄법. (그림 4.3(a) 참고)

장점: 감광제와 마스크 사이의 접촉으로 해상도는 대략 1㎛를 나타낸다. 즉, 해상도가 좋다. 단점: 먼지에 의해 주요 결함을 유발할 수 있 다. 즉, 마스크가 먼지나 실리콘의 얼룩 에 의해 오염이 생겨질 수 있으며 마스 크가 먼지에 의해 치명적인 손상을 입을 수 있다. 또한 웨이퍼 패턴 상에 결함을 가져오며 감광제와 마스크가 접촉하게 되어 감광제의 막이 손상될 수 있다.


Figure 4.3 Schematic of optical shadow printing techniques. (a) Contact printing, (b) Proximity printing

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근접인쇄법(Proximity printing)은 마스크의 손상을 최대한 줄이기 위하여 근접인쇄법이 사용되어진다. (그림 4.3(b) 참고) UV 노광 시 마스크와 웨이퍼 사이에 간격(10~50 ㎛)을 띄우는 것을 제외하면 방식은 접촉인쇄법과 유사하다. 장점: 마스크와 웨이퍼 사이의 간격에 의해서 마스크의 손상과 오염의 문제는 생기지 않는다. 단점: 마스크와 웨이퍼 사이의 공간으로 인한 회절 현상 즉, 광원(UV)이 마스크 패턴의 끝부분(edge) 모서리에서 회절하여 쉐도우 영역까지 침입하여 해상도가 떨어지게 된다. 근접인쇄법의 해상도는 2~5 ㎛의 범위로 접촉인쇄법의 해상도( 1㎛ ) 보다 감소한다.


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음영인쇄법(shadow printing)에서, 인쇄되어질 수 있는 최소 선폭(critical dimention, CD)은 다 음과 같이 정의된다.

CD ≅ λg λ : 노광 시 광원의 파장,

(1)

g : 마스크와 웨이퍼 사이의 간격

예를들면, λ이 0.4 ㎛이고 마스크와 웨이퍼 사이 간격 g가 50 ㎛이며 CD는 4.5 ㎛이 된다. 만약 λ와 g가 감소하여 λ이 0.25 ㎛이고 마스크와 웨이퍼 사이 간격 g가 15 ㎛이며 CD는 2.0 ㎛이 된다. 따라서 λ와 g를 감소시키면 CD 또한 감소하는 장점을 얻을 수 있다. 또한 g보다 큰 직경의 particle들이 있다면, 마스크의 손상을 유발시킬 수 있다.

λ,

g


CD

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음영인쇄법과 연관된어 마스크 손상의 문제점을 피하기 위해 투사형인쇄법으로 발전되었다.

투사형인쇄법(Projection printing)은 마스크 패턴의 이미지를 수 cm 떨어진 감광제가 도포된 웨이퍼 위에 투사시켜 패턴을 형 성시키는 인쇄법이다. 이때 근접인쇄법과 같이 마스크의 손상은 생기지 않는다. 해상도를 증가시키기 위해 마스크의 작은 영역이 동시에 노광 되어지며, 작은 패턴의 이 미지 영역은 웨이퍼 전체 표면을 덮기 위해 스캔 되어지거나 또는 스텝화되면서 노광공정 이 이루어진다. 즉, 마스크의 한 작은 영역만을 노출할 수 있기 때문에 근접인쇄법 보다는 해상도를 증가 시킬 수 있다. 간격 g가 작은 근접인쇄법에서는 프레넬 회절(Fresnel diffraction)이, 반대로 g가 큰 투사형 인쇄법에서는 프라운호퍼 회절(Fraunhofer diffraction)이 일어나게 된다.


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Photolithography  Exposure Tools :  Two optical exposure methods : •

Projection printing ;


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그림 4.4(a)는 1:1 웨이퍼 투사 시스템이다. 너비가 약 1mm인 좁은 아치형의 이미지 면은 마스크의 틈 이미지를 웨이퍼 위에 연속적으로 전사한다. 즉 웨이 퍼위의 이미지는 마스크의 위의 것과 같다.

그림 4.4(b)와 (c)는 각각 1:1의 비율 또는 M:1(웨이 퍼에서 10배로 축소하는 1:1)로 축소하는 스텝과 반 복 투사(step and repeat projection) 시스템이다. 1:1 광시스템은 10:1이나 5:1의 감소 시스템에 비해 설 계나 제작이 더 용이하나, 축소 비율이 10:1이나 5:1인 경우보다 1:1에서 결함이 없는 마스크를 제작하기 훨씬 어렵다.그리고 축소 투사 노광 (reduction projection lithography)시스템은 스텝퍼의 렌즈 재 설계없이 더 큰 웨이퍼를 인쇄할 수 있다.

그림 4.4(d)에서 레티클(reticle)상의 이미지 영역은 M:1 스텝과 스캔(step and scan)투사 노광에서 좁은 아치형을 이루는 시스템이다. 스텝과 스캔 시스템은 속도 v의 웨이퍼 2차원 평행 이동 과 웨이퍼 보다 M배 빠른 속도인 마스크의 1차원 이동 을 가져온다.


Figure 4.4 Image partitioning techniques for projection printing. (a) Annual-field wafer scan, (b) 1:1 step-and-repeat, (c) M:1 reduction step-and-repeat, (d) M :1 reduction step-and-scan.

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투사형시스템의 해상도는 다음과 같다.

lm

=

k1

λ

λ : 노광 시 광원의 파장, k1 : 공정 의존 요소, NA : 개구 수

(2)

NA

(1)식에서 NA는 다음과 같다.

NA

= n sin

θ

n : 굴절률, θ : 노광 시 점 이미지로 모

(3)

아주는 원추형 빔의 반 각도

또한 초점 심도(depth of focus, DOF)는 다음과 같다.

DOF

=

±l / 2 m

tan θ

≈

±l / 2 m

sin θ

= k

λ 2

( NA )2

(4)

k2 : 공정 의존 요소 Resolution (lm)은 NA를 증가 시키거 나파장를 감소 시킴으로서 개선가능 DOF는 파장을 감소시키는것 보다 NA 를증가시키는 것이 더 나쁘게 한다. DOF는 초점을 벗어나 노광을 해도 패 턴의 크기 및 모양의 변형이 소자가 요 구하는 spec내에 있는 초점 여유도.

Figure 4.5 Simple image system


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Photolithography  Depth of Focus :


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Photolithography Depth of Focus :


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높은 세기와 재현성

노광 시 가장 많이 사용되는 광원 : 고압수은 아크 램프 이때 수은아크 스펙트럼은 여러 개의 피크(파장)를 갖음 (그림 4.6)

G-line (436nm)

H-line (405nm)

I-line (365nm)

5:1 step-and-repeat 투사형에서 I-line 광원은 0.3㎛의 해상도을 제공한다. 해상도를 높이기 위한 광원들

KrF excimer laser (248nm) ArF excimer laser (193nm) F2 excimer laser (157nm)

해상도 해상도 해상도

0.18㎛ 0.10㎛ 0.07㎛

리소그래피 기술에서 해상도를 높이기 위해 광원의 파장을 점점 짧게한다.


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Figure 4.6 Typical high-pressure mercury-arc lamp spectrum.


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4.1.3 Masks ICs 소자 제작을 위해 각 레이어(layer)별 회로 패턴이 그려진 유리판에 각 패턴은 빛을 막 는 불투명 (크롬) 영역과 빛을 통과시키는 투명 영역으로 구분되어지며, 이렇게 제작되어 진 마스크를 축소 레티클이라 한다.

마스크 제작 과정 CAD 를 이용한 회로 패턴 디자인 설계 CAD로 디자인 된 데이타를 전자빔 리소그래피 시스템에 입력 실리카 기판에 크롬을 증착하고 전자빔에 민감한 감광제를 도포하여 입력된 데이터에 따라 전자빔 을 감광제 위에 조사하여 패턴 형성 감광제는 현상액에 그리고 크롬은 건식식각으로 제거 마스크 완성


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마스크의 종류 는 Well 마스크, Active 마스크, Isolation 마스크, Gate 마스크, S/D 마스크, Contact 마스크, Metal 마스크 등의 여러 마스크가 있으며, ICs 제조공정 시 마스크의 수는 대락 15~20개 정도로 공정 중 에 사용되어지고 있으며, 한 마스크의 패턴은 집적회로 설계의 한 단계를 뜻한다.

표준 마스크의 크기 가로 : 15cm 세로 : 15cm 두께 : 0.6cm 재료 : 혼합 실리카 기판 사용

- 낮은 열패창 계수 - 단파장 시 높은 투과율 - 기계적 강도 우수 Figure 4.7 An integrated circuit photomask.


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마스크에 대해서 중요한 관점 중 하나가 결함 밀도이며, 이때 마스크 결함은 마스크 제조 또는 리소그래피 공정 중에 나타날 수 있다. 작은 크기의 마스크-결함밀도는 최종 ICs 수율에 영향을 미친다. 수율이란?

웨이퍼당 동작한 칩 개수 의 비율로 정의된다. 웨이퍼당 생산된 총 칩 개수

수율 Y 은 다음 식과 같다

Y ≅ e − D0 Ac

(5)

D0 : 단위면적 당 결함의 평균 갯수 Ac : ICs 칩에서 결함에 민감한 영역 만약 D0가 모든 마스크에 대해서 같다면 (e.g., N=10 level), 그때 최종 수율 Y 은

Y ≅ e − ND0 Ac

(6)

그림 4.8은 결함 밀도의 다양한 값에 대해 칩 크기의 함수에 따른 10단계 리소그래프 공정에 대한 수율 Y을 나타낸다.


Figure 4.8 Yield for a 10-mask lithographic process with various defect densities per level.

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4.1.4 Photoresist 감광제(photoresist)는 노광에 따라 양성(positive) 또는 음성(negative)으로 나누어 진다.

양성 감광제와 음성 감광제 Positive resist(양성 감광제) 노광 된 영역은 가용성이 강하여 현상액(develop) 처리 시 쉽게 제거되어 마스크에 형성된 패턴과 감광제에 형성된 패턴이 같아 진다.

Negative resist(음성 감광제) 노광 된 영역은 가용성이 약하기 때문에 현상액 처리 시 감광제의 패턴은 마스크와 반대로 형성되어진다.


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Photolithography  Photoresist :


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2011-10-18

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Positive resist(양성 감광제)는

감광성화합물(photosensitive), 합성수지(base resin), 유기용매(organic solvent) 의 3가지 성분으로 구성

노광 전

감광성 물질은 현상액에 불용성

노광 후

감광성 물질은 노광 된 패턴 영역에 복 사 에너지가 흡수되고 또한 화학구조가 바뀌게 되어 현상액에 쉽게 용해(가용성) 된다. 이때 노광된 영역은 제거된다.


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Negative resist(음성 감광제)는

감광성화합물(photosensitive)에 폴리머(polymer)가 결합되어진 상태 감광성 물질은 현상액에 가용성

노광 전

노광 후

감광성 물질은 광 에너지를 흡수하고 이때 화학적 에너지로 변환되어 폴리머의 교차 결합반응을 유발한다. 교차 결합된 폴리머 는 높은 분자 무게 때문에 현상액에 쉽게 용해(불용성)되지 않는다. 즉, 노광되지 않 는 영역이 제거된다.

음성 감광제의 공정 시 문제점 현상 공정에서 감광제의 부피가 현상액의 흡수에 의해 팽창되어짐


음성 감광제의 해상도 제한

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그림 4.9는 감광막의 전형적인 노광 반응 곡선과 단면 이미지이다 반응 곡선은 노광 에너지에 대하여 노광과 현상 후에 남아 있는 감광막을 백분율로 나타낸 것이다.

그림 4.9(a) Positive resist에서, 노광에너지 증가

용해도는 문턱에너지(threshold energy, ET)에 이르기 까지 점차적으로 증가

Larger γ 는 노광에너지의 단계적 증가에 따른 감광막의 용해도 증가   ET   E1

γ ≡ ln

  

감광막 완전히 용해

Sharper images 구현 γ : 명암 비율

−1

ET : 문턱 에너지 E1 : 시작되는 에너지

(7)

그림 4.9(b) Negative resist에서, 문턱에너지(threshold energy, ET) 보다 낮은 노광에너지에서

감광막 완전히 용해

음성광감제에서 명암비율 γ 는 식 (7)에서 ET 와 Eㅣ가 서로 바뀌어짐


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양성 및 음성 감광제는 광원의 회절(diffraction)로 인하여 수직한 형상의 패턴을 형성하기 어려움

문제점 발생

Figure 4.9 Exposure response curve and cross section of the resist image after development. (a) Positive photoresist, (b) Negative photoresist.


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원자외선 노광(deep UV lithography: 248nm and 193nm)에서, 기존의 감광제들은 높은 양의 원자외선 노광을 요구하는데, 이때 렌즈 손상과 낮은 처리량(throughput)이 발생되어짐

화학적 증폭 감광제(CAR: chemical amplified resist) 개발

화학적 증폭 감광제는, 포토 산 생성자(photo-acid generator), 고분자 수지(resin polymer), 용매(solvent)으로 구성 되고 원자외선 조사에 매우 민감하다. 그리고 현상액에서 노광 된 영역과 노광 되지 않는 영역 에서의 용해도가 완전히 다른 특성을 나타낸다.


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4.1.5 Pattern Transfer 그림 4.10은 실리콘 웨이퍼 위에 형성되어진 절연막인 SiO2를 마스크로 부터 ICs 패턴을 형 성하는 단계의 그림이다. 웨이퍼는 청정실(노란 빛이 조명되는)에 있어 야 한다. 감광제는 0.5㎛ 이상의 파장에서는 반응을 하지 않기 때문에. 접착력을 향상하기 위해 HMDS(Hexamethyl-disilazane) 도포 진공상태로 웨이퍼 고정(친수성소수성) 스핀코터(Spin coator)를 이용한 감광제 도포 스핀 스피드는 일반적으로 1000~10,000rpm 범위에서는 감광제가 대략 0.5~1 ㎛ 두께로 평평하게 도포된다. Figure 4.10 Details of optical lithographic pattern transfer process.


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Photolithography  Photoresist :


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<마스크를 이용한 패턴 형성 과정> 1. 감광제를 스핀코터로 이용하여 도포한 후 2. Soft baked : 90~120 ℃, 60~120sec. : 감광제로 부터 solvent를 제거시키고 웨이퍼에 감광제의 접착력 증가 3. 마스크를 웨이퍼에 정렬(alignment)시키고 광 리소그래피를 이용하여 UV로 노광을 시킴 4. 노광 된 감광제를 현상(development)액에 침지시킨 후 제거 5. 웨이퍼 세척(rinse and dry) 6. Post baked : 100~180 ℃ : 웨이퍼에 감광제의 접착력 증가 7. SiO2막 에칭(etching) 8. 최종적으로 감광제 제거(strip)


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SiO2 절연막은 공정 중에 마스크 처럼 사용되어질 수 있다. Ex) 이온주입(ion implantation) 공정 시 절연막이 에칭되어 노출된 기판 속으로 불순물이 주입하게 된다.

Lift off 공정 패턴 형성 기술과 연관된 공정은 lift off기술이 있으며, 그림 4.11에 나타냈다.양성 감 광제가 기판 위에 도포되었으며 박막(알루미늄)은 감광제와 기판 위에 증착되었다. 특히, 박막의 두께는 감광제의 두께 보다 더 얇으며, 이때 박막의 일부분이 선택적으로 식각되어 겹쳐진 막이 리프트 오프(lift off)되어 제거된다.


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Lift off기술은 높은 해상도를 가지며 고 전력 MESFET과 같은 분리된 소자에 넓게 적 용되고 사용되어진다. 그러나 ULSI 소자에는 적용을 하지 않으며, 대신에 건식식각(dry etching)에 적용되 어지는 기술이다.

Figure 4.11 The liftoff process for pattern transfer.


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4.1.6 Resolution Enhancement Techniques 광 리소그래피는 더 나은 해상도와 초점심도(DOF)를 공급하기 위해 계속 연구되고 있다. 이러한 연구는 - 광원의 단파장 - 새로운 감광제의 개발 으로 이루어지고 있다. 소자에서의 미세한 선폭에 따른

해상도 증가 기술 요망 해상도 증가 기술 - PSM(phase-shifting mask) - OPC(optical proximity correction) 그림 4.12는 PSM을 나타낸 원리이다.


Figure 4.12 The principle of phase-shift technology. (a) Conventional technology. (b) Phase-shift technology.

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PSM(phase-shifting mask) : 상변환 마스크 - conventional mask 사용 시 • 일반적인 마스크는 전계가 매 간격마다 같은 상을 갖으며,광 시스템의 회절과 해상도의 제한으로 웨이퍼에 전계(electric field)가 넓게 퍼지는 것을 그림 4.12(a)에서 보여주고 있다. 근접한 간격을 갖는 틈에 의해 회절되어진 파장 사이에서의 간섭(보강)은 그 영역 에서 증가한다. • 세기(I)는 전계(E)와 비례하기 때문에, 가깝게 투사되는 두 이미지의 분리는 힘들다. - Phase shift mask 사용 시 • 그림 4.12(b)에서 보면 근접한 간격의 틈을 갖는 PSM을 통과하며, 전계의 신호와 반대 로 된다. 마스크의 세기가 변하지 않기 때문에 웨이퍼의 이미지의 전계는 없앨 수 있다. 그러므로 서로 가깝게 위치한 투사되어지는 이미지를 분리할 수 있다. • 180 상 변화는 두께(d = /2(n-1))를 갖는 투명한 층을 사용하여 얻을 수 있다.

OPC(optical proximity correction) : 광학 근접 보정 -

또 다른 해상도 향상기술로, 이미지 능력을 향상시키기 위해 인접한 하위 해상도 형상을 변형시킨 모양들을 이용한 기술 (Square의 contact hole은 circle 로 되기 때문에 정확한 square를 만들기 위해 additional geometry를 사용한다)


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Photolithography  OPC ( Optical Proximity Correction ) :


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4.2 NEXT-GENERATION LITHOGRAPHIC METHODS 광 리소그래피는 현 공정에 많이 사용되어짐 장점

4.2 절에서는 차세대 노광장비인

- high throughput - 높은 해상도 - 적은 비용 - 쉬운 조작

Electron Beam Lithography Extreme Ultraviolet Lithography X-ray Lithography Ion Beam Lithography

그러나 앞으로 deep submicron ICs 제조에서,

에 대해서 소개

광 리소그래피 공정의 한계점과 교체의 필요성 대두

다양한 유형의

차세대 노광장비 연구


-

광 리소그래피에서의 회절 효과 전자 빔 리소그래피에서의 근접 효과 X선 리소그래피에서의 마스크 제작의 복잡성 극자외선 리소그래피에서의 블랭크 마스크 제작의 어려움 이온 빔 리소그래피에서의 확률론적인 space charge 문제

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4.2.1 Electron Beam Lithography 전자빔 리소그래피 기법은 자기 및 정전기장이 전자를 휘어지게 하거나 조절하게 한다. 패턴을 발 생시키는 빔을 스캔 하거나 또는 마스크를 통해 전자 이미지 작업을 수행하게 한다. 전자빔 리소그래피는 처음에 포토마스크 를 제작하기 위해 사용되어짐. 또는 마스크 없이 전자빔을 감광제에 조사하여 직접 노광시킴 그림 4.13은 전자빔 리소그래피 장치의 개략도이다. *전자 건(electron gun)은 적당한 전류밀도로 전자 빔 을 가속시킬 수 있는 장치이다. 전자 건으로는,

- 텅스텐 열전자 방출 캐소드(tungsten thermionic emission cathode) - 단결정 LaB6(single-crystal lanthanum hexaboride) *콘덴서 렌즈(condenser lense)는 전자 빔을 포커싱 하기 위해 사용되어짐. (spot 크기 10~25nm) *beam blanking plate 전자 빔의 전원(on & off) *빔 편향 코일(beam deflection coil)는 컴퓨터로 통제 되며, 기판 위에 포커싱 된 전자빔이 똑바로 갈 수 있게 MHz 또는 그 이상으로 주파수를 조절함


Figure 4.13 Schematic of an electron beam lithography machine.

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전자 빔 리소그래피의 장단점 장점 - 감광제의 초미세 패턴 형성 가능 - 자동화 및 정확한 조절 가능 - 광 리소그래피 보다 높은 초점심도(DOF) - 마스크 사용 없이 반도체 웨이퍼에 직접 패턴 형성 가능 단점 - 낮은 throughput (0.25㎛ 이하의 해상도일 경우 시간당 10장의 웨이퍼 공정 가능, 단 포토마스크 제작일 경우 적절한 throughput ) - 근접효과 - 장비의 고가


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포커싱 된 전자 빔의 두 가지 스캔 방식 Raster scan (a) Deflection 가능한 전지역을 주사하면서 패턴 부분만 beam on 하는 유형. Raster Scan의 경우 노광이 필요 없는 부분도 스캐닝 하므로 시간 낭비가 많으나 accuracy error를 줄일 수 있는 장점도 있다.

Vector scan (b) 패턴 부분에만 빔을 Address하여 주사하는 유형 Vector Scan의 경우는 throughput 은 증가하나 positioning error가 큰 단점이 있다.

Several types of e beams (c) Gaussian spot beam(round beam) Variable shaped beamvector scan에서 사용 여러 unit 를 동시에 exposure 할 수 있음 high thruput Cell projection 복잡한 모양을 한번의e beam exposure로 함 MOS같이 매우 반복적인 디자인 소자에 적합 (아직 optical exposure보다는 thruput이 떨어짐)


Figure 4.14 (a) Raster scan writing scheme. (b) Vector scan writing scheme. (c) Shapes of electron beam: round, variable, and cell projection.

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Electron Resist Electron resist 는 폴리머(polymer) 물질이며 감광제(photoresist)와 유사하다. 조사(irradiation)에 의해 resist 내 화학적 또는 물리적인 변화가 유도되고 이러한 resist의 변화로 패턴이 형성됨 - Positive electron resist : * 폴리머-전자의 상호작용으로 인하여 화학적 결합이 깨지면서 짧은 분자 조각으로 형성 * 조사된 영역 내에서 resist의 분자량은 줄어들며, 현상액(developer solution)에 침지시 키면 이때 낮은 분자량 부분만이 현상액에 의해 제거되어짐 * 일반적으로 poly-methyl methacrylate (PMMA)와 poly-butene-1 sulfone (PBS)가 사용되어짐 * 해상도 0.1㎛ 또는 그 이상 요구 시 공정 가능 - Negative electron resist : * 조사로 인하여 폴리머가 더욱 강하게 연결됨 * Cross-linking 때문에 분자량이 늘어나고 현상액에 크게 영향을 받지 않음 * Nonirradiated resist 는 현상액에 용해됨 * 일반적으로 poly-glycidyl methacrylate-co-ethly-acrylate(COP)가 사용되어짐 * COP는 현상하는 동안 resist가 팽창되기 때문에, 해상도가 대략 1㎛로 제한되어짐


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Figure 4.14 Schematic of positive and negative resists used in electron beam lithography.


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근접 효과 근접효과란 조사된 전자빔이 resist막 또는 웨이퍼에서 의 산란에 의해 노광을 하고자 하는 영역 이외의 부분에 도 영향을 끼쳐, 원하지 않는 패턴의 형성이 생기는 현상

전자 빔 리소그래피에서, 해상도는 회절에 제한 을 받지는 않지만 전자산란에는 영향을 받음 (광 리소그래피에서, 해상도는 빛의 회절에 제한을 받음)

그리고 전자가 resist 막과 웨이퍼에 침입할 때 충 돌이 생기고 이때 충돌로 인하여 에너지 손실과 경로의 변화가 생긴다. 패턴들을 작은 구획 속에서 격리시켜 근접효 과를 최소화함 그림 4.16(a)는 20keV 전자 빔이 조사되었을 때 P MMA와 기판에서의 전자의 경로를 시뮬레이션화 그림 4.16(b)는 resist막과 웨이퍼 게면에서의 정방 향 산란 전자와 후방 산란 전자의 분포도


Figure 4.16 (a) Simulated trajectories of 100 electrons in PMMA for a 20keV electron beam. (b) Dose distribution for forward scattering and backscattering at the resistsubstrate interface.

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4.2.2 Extreme Ultraviolet Lithography 극자외선(EUV) 리소그래피는 광 리소그래피의 원리와 같은며, 다층유리를 통한 파장에서 광 및 마스크의 반사를 활용한다.

극자외선 리소그래피는 차세대 기술로써 throughput 손실없이 최소 선폭을 30nm로 향상시킬 수 있음 극자외선 파장 : 10~14nm 극자외선은 렌즈를 통과할 수 없으므로 거 울의 반사를 이용하여 상을 축소시키고 또한 이러한 반사율을 극대화하기 위하여 다층 박 막을 이용함 즉, 극자외선을 마스크에 반사 시켜 웨이퍼 위에 패턴 형성(그림 4.17참고) 그림 4.17은 극자외선 리소그래피 장치의 개략도 Figure 4.17 Schematic representation of an extreme ultra-violet (EUV) lithography system.


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극자외선 리소그래피는 13nm 파장을 사용하여 PMMA resist 에 50nm 패턴을 형성할 수 있다. 방출되는 극자외선은 처음에 마스크에 반사되고 다시 거울들 ( paraboloid1개, ellipsoid 2개, plane mirror 1개 순서대로 구성된 거울 장치 )에 의해 반사되어 웨이퍼에 패턴을 형성시킨다. 반면에 극자외선은 흡수되는 문제를 해결해야 한다. 왜냐하면 극자외선은 모든 물질에 강하게 흡수가 잘 된다. 따라서 리소그래피 공정 시 챔버 안은 진공 상태를 유지해야 한 다. 거울은 ¼ Bragg 반사기를 만드는 다층 코팅으로 코팅되어야 한다

Mask blank는 방출되는 파장 (10~14nm)의 반사도를 최대화 하기 위해 다층으로 코팅을 해야만 한다.  문제점 중 하나


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4.2.3 X-Ray Lithography X-선 리소그래피(XRL)는 optical litho와 같이 Shadow printing method를 쓴다 X-선 리소그래피는 100nm ICs 제조를 위 해 가능한 공정이다. X-선을 발생시키는 방법은 싱크로트론 저장 환(synchrotron storage ring)이 있으며, 이러한 방법을 이용할 시 많 은 양의 평행한 빛을 발생시킬 수 있고 10~20개의 exposure tools를 사용가능. X-선 흡수는 재료의 원자번호에 비례하고 대부분 1nm 파장에서 가장 적게 투과된다.

Figure 4.18 Schematic representation of a proximity xray lithography system.


Mask substrate는 SiC나 Si 같은 경량 재료 로 만들며 1~2um두께이어야한다. Pattern은 Ta, W, Au,와 같은 무거운 재료로 하며 0.5 um정도로 얇게 한다

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X-선 흡수는 물질의 원자수에 의존적이며 대부분의 물질은 파장이 대략 1nm일때 낮은 transparency를 갖는다. - 마스크 기판은 얇은 막(1~2 ㎛)이면서 낮은 원자 번호를 갖아야 한다. Ex) Silicon carbide or silicon - 패턴 자체 또한 얇은 막(~0.5 ㎛)으로 정의되어야 하며 상대적으로 원자 번 호가 높은 물질이어야 한다. Ex) tantalum, tungsten, gold and one of their alloys XRL 장치에서 마스크 제작이 가장 어려우며 중요한 요소이다. 그리고 x-선 마스크 제작 은 포토마스크 보다 훨씬 복잡하다. 이것이 X-선 리소그래피의 단점으로 나타나고 있다.

소스와 마스크 사이에서 X-선의 흡수를 피하기 위해 일반적으로 노광 시 He 분위기로 해주며 X-선 발생은 진공실에서 헬륨으로 부터 서로를 분리시킨다.


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X-선 resist로써 전자 빔 resist를 사용할 수 있다. 왜냐하면 X-선이 원자에 의해 흡수되어질때 원자는 전자의 여기 에 의해 여기준위로 가며 또한 전자도 방출한다(XPS도 비슷한원 리). 여기된 원자가 다시 기저준위로 내려갈 때 입사된 X-선과는 다 른 파장인 X-선을 방출하게 된다. 이때 방출된 X-선은 다른 원자에 의해 다시 흡수가 이루어지며, 이것이 계속 반복 된다. 이 공정은 전자의 방출을 야기하고 X-ray irradiation를 받은 resist는 다른 공정에서 많은 2차 전자를 irradiated된 것과 같은 상태가 된다 X-선이 마스크 한 장 전체 영역을 웨이퍼에 투영시키므로 다른 방사 노광 방식인 전자 빔이나 이온 빔보다 throughput가 높다.


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4.2.4 Ion Beam Lithography 이온 빔 리소그래피는 광, X-선 또는 전자 빔 리소그래피 기술보다 고 해상도를 갖는다. 왜냐하면 이온은 높은 질량을 가지며 따라서 전자 보다 덜 산란이 된다. 가장 중요한 적용 은 광 리소그래피를 위한 마스크의 repair이다.

Figure 4.19 Trajectories of 60-keV H+ ions traveling through PMMA into Au, Si and PMMA.


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50 H+ ion이 60keV로 PMMA나 여러 기판에 implant될 때의 computer simulation임 전자의 경우와 다르게 ion beam의 산란은 매우 적고 Si의 경우 backscattering이 거의 없다 (Au 경우 아주 적음)  그러나 ion beam litho는 ion beam를 broadening하는 space charge 효과가 생길 수 있다

이온 빔 리소그래피 장치는 두 가지 유형이 있다.

- A scanning focused-beam system 전자빔 장치와 유사 (이온 소스: Ga+ or H+ ) - A mask-beam system 광 5배율 축소 투사형 step-and-repeat 장치와 유사하다.


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4.2.5 Comparison of Various Lithographic Methods 리소그래피 방법은 100nm 또는 더 나은 해상도를 갖기 위해 예전부터 연구되어 왔다. 표 4.1은 다양한 리소그래피 기술의 비교에 대해서 나타내고 있다. 하지만 각각의 다양한 방법에서, 한계점을 확인할 수 있다. 즉, - 광 리소그래피에서의 회절 효과 - 전자 빔 리소그래피에서의 근접 효과 - X-선 리소그래피에서의 마스크 제작의 복잡성 - 극자외선 리소그래피에서의 마스크 블랭크 제작의 어려움 - 이온 빔 리소그래피에서의 확률적인 space charge 문제 직접회로 제작을 위해 모든 단계에서 동일한 노광기술을 사용할 필요는 없다 각 노광기술의 장점을 살려 패턴 형성에 대한 해상도의 개선과 throughput 최대화 로 나타나는 장점을 보여 줄 수 있을 것이다. ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)에 따르면 2010년 까지 ICs 제조 기술은 50nm로 접근할 것으로 나타나고 있다.


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Table 4.1 Comparison of Various Lithographic Technologies. Optical 248/193nm Exposure Tool Source Diffraction limited Optics

SCALPEL

Laser

Filament

Yes Refractive

Yes Refractive

Step and scan Yes Throughput of 40 200-nm wafers/hr. Mask Demagnification 4× Optical proximity Yes correction Radiation path Transmission Resist Single or Single multilayer Chemical-amplified Yes resist

EUV

Laser plasma Yes Refractive

X-ray

Ion Beam

Synchrotron

Multicusp

Yes No optics

Yes Full-fieid refractive Stepper 30

Yes 30~35

Yes 20~30

Yes 30

4× Yes

4× Yes

1× Yes

4× No

Transmission

Transmission

Transmission

Single

Single imaging No

Single

Single

Yes

No

Yes


Transmission

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4.3 PHOTOLITHOGRAPHY SIMULATION 실제 공정이 진행되기 전 컴퓨터로 시뮬레이션화 작업 진행 포토 리소그래피 공정의 시뮬레이션은 PROLITH 프로그램으로 사용되어짐 PROLITH는 크리스 맥(Chris Mack)에 의해 개발된 양/음성 감광제 광학 노광 모델을 사용하는 윈도우 기반 프로그램이다. 즉, 이러한 프로그램으로 감광제 막 노광과 현상을 통해 가공의 이미 지 형성으로부터 완전한 1,2차원의 광학 노광 공정을 모의 실험하게 된다. 특히 PROLITH 는 아래 항목들을 시뮬레이션화할 수 있다. - 광학 투영 방식에 의한 마스크 형상의 이미지 형성 - 이미지에 의한 감광제 막의 노광 - 이미지의 확산 - 노광된 감광막의 현상


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Figure 4.20 The Imaging Tools windows in PROLITH


Figure 4.21 The resist profile for the mask feature specified in Fig. 4.20 and Example 3.

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4.4 Summary 반도체 산업의 성장으로 인하여 웨이퍼 상에 점점 작은 회로 패턴을 형성시키 는 기술이 요구되어지고 있으며, 포토 리소그래피는 소자의 패턴을 형성시킴으로 써 ULSI 소자제작 시 상당히 중요한 단위공정 중에 하나이다. 현재 리소그래피 장비에서 가장 중요한 부분은 광 시스템이다. 특히, 광 리소그래 피에서 해상도를 제한할 수 있는 중요한 요소는 회절 부분이다. PSM와 OPC와 같이 엑시머 레이져의 발전, 감광제, 해상도 증가 기술이 요구되 고 있으며, 광 리소그래피의 기술의 발전은 여전히 증가하고 있다.


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각각의 포토 리소그래피 기술의 한계점 -

광 리소그래피에서의 회절 효과 전자 빔 리소그래피에서의 근접 효과 X선 리소그래피에서의 마스크 제작의 복잡성 극자외선 리소그래피에서의 블랭크 마스크 제작의 어려움 이온 빔 리소그래피에서의 확률론적인 space charge 문제

포토 리소그래피 기술의 해결책 앞으로는 다양한 포토 리소그래피 기술의 혼합과 접목 으로 접 근하는 방식이 해상도의 개선과 throughput 최대화로 나타낼 수 있는 장점을 보여 줄 수 있음


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CHAPTER 4 Photolithography - hjeon.namoweb.net

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