극자외선 리소그래피용 펠리클 구조 연구와 선폭 거칠기 형성 이해를 위한 감광제 모델링

Abstract

반도체의 고집적화에 따라 1X nm 패터닝이 요구되는 현 시점에서 이를 가능케 하는 것이 극자외선 리소그래피 기술이다. 하지만 13.5 nm 의 매우 짧은 파장을 이용함으로써 높은 해상력을 얻을 수 있는 이 극자외선 리소그래피 기술의 양산화 적용을 위해서는 반드시 해결해야 할 문제점들이 남아 있다. 그 중에 본 논문에서는 펠리클과 감광제에 관련된 연구를 수행하였다. 우선, 양산 적용을 위해서는 오염 물질 및 결함으로부터 마스크를 보호하기 위해 펠리클 사용이 요구된다. 극자외선의 파장이 매우 짧아 대부분의 물질에서 흡수가 일어나기 때문에 극자외선 펠리클의 경우, 흡수를 최소화하기 위해 두께가 수십 나노미터로 매우 얇은 구조를 가지고 있다. 이런 얇은 구조에 의해 야기되는 기계적인 충격에 대한 내구성 저하 문제를 해결하기 위해 얇은 박막을 차례로 적층시킨 다층박막 펠리클 구조가 제시되었다. 하지만, 열적 광학적 특성 등 다른 물리적 특성도 만족시켜야 하기 때문에 다층박막 펠리클 구조 최적화에 대한 연구가 필요하다. 현재 극자외선 스캐너에서는 극자외선 방사선과 더불어 대역외 방사선도 함께 방출된다. 이런 대역외 방사선이 펠리클 표면에서 반사되어 웨이퍼에 도달하게 되면 심각한 패터닝 오류를 일으키게 된다. 대역외 방사선이 웨이퍼에 도달하지 못하도록 이를 막는 필터가 있지만 효율적이지 못하다. 따라서 펠리클이 높은 극자외선 투과율을 보이되 대역외 방사선에 대해서는 표면에서 낮은 반사율을 갖게 함으로써 대역외 방사선의 영향이 웨이퍼에 미치지 못하게 하는 새로운 다층박막 펠리클 구조를 제시하였다. 지르코늄, 실리콘카바이드, 실리콘나이트라이드의 적층 구조로 이루어진 새로운 다층박막 펠리클 구조는 높은 극자외선 투과율을 나타내면서 약 12% 이하의 낮은 대역외 방사선 반사율을 가져 기존의 다층박막 펠리클 구조보다 한층 개선된 다층박막 펠리클 구조가 될 수 있음을 확인하였다. 아울러, 리소그래피 공정에서 마스크 결함 검사는 공정 수율과 직결되는 것으로 매우 중요한 과정이다. 마스크 결함 검사 방법에는 노광 공정에서 이용하는 파장과 결함 검사에 이용하는 파장이 같은 actinic 방식과 각각의 파장이 서로 다른 non-actinic 방식이 있다. 하지만 극자외선 리소그래피에서 기술적 한계로 인해 non-actinic 결함 검사 방식을 써야 한다. 하지만 현재 실리콘 기반의 펠리클은 non-actinic 결함 검사 때 쓰는 자외선 파장에 대한 투과율이 너무 낮아 펠리클이 부착된 상태에서 마스크 결함 검사를 할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 펠리클을 제거하지 않아도 자외선을 이용하여 마스크 결함 검사를 할 수 있는 다층박막 펠리클 물질 및 구조를 제시하였다. 이를 위해서는 높은 극자외선 투과율을 가질 뿐만 아니라 자외선 영역의 투과율까지 높아야 한다. 모델링 연구를 통하여 그래파이트와 실리콘나이트라이드 계열의 물질을 이용한 특정 다층박막 구조가 극자외선과 자외선 모두 높은 투과율을 나타내었다. 실제 마스크 결함 검사 시, 빛이 마스크에서 한번 반사되고 펠리클을 두 번 통과하게 되는데 이런 경로를 거치더라도 약 30 % 까지 세기가 남아 보다 명확한 마스크 결함 검사 이미지를 형성할 수 있을 것으로 판단이 된다. 또한 이 다층박막에는 보호층으로 루세늄이 적층되어 있어서 우수한 열적 안정성을 가지기 때문에, 제시된 다층박막 구조는 양산을 위해 요구되는 다양한 물리적 특성을 만족시키는 펠리클 제작에 적용할 수 있을 것이다. 극자외선 리소그래피 기술의 양산화를 위해 해결해야 될 또 다른 문제는 극자외선 감광제의 성능 향상이다. 감광제의 성능 향상을 위해서는 해상도, 선폭 거칠기, 민감도의 개선이 필요하다. 그 중에서 선폭 거칠기의 경우, 목표 선폭 거칠기에 쉽게 이르지 못해 이를 해결하기 위한 연구가 필요하다. 선폭 거칠기를 개선시키기 위해서는 공정 중에 감광제 내부에서 발생하는 현상 및 선폭 거칠기에 영향을 미치는 요인들을 정확히 이해하고 이를 적절하게 구현할 수 있는 모델링이 필요하다. 먼저 공정 중 발생하는 산의 확산 및 반응으로 인해 선폭 거칠기가 결정되므로 산의 거동을 연속체 모델을 통해 구현을 하였다. 또한, 극자외선 리소그래피에서는 불규칙한 광자밀도 등 무작위성 영향을 고려한 모델링이 요구되기 때문에 무작위 행보를 기반으로 하는 감광제 모델링을 구현하였다. 아울러, 감광제는 고분자 사슬 구조 복합체로 구성되어 있기 때문에 공정 단계를 거치면서 변하는 고분자 사슬 구조 복합체의 거동을 기반으로 하는 감광제 모델링도 구현하였다. 이러한 모델링 결과, 무작위성 영향과 고분자 사슬 구조의 거동이 선폭 거칠기에 미치는 영향이 더 크고, 실제 선폭 거칠기에 가까운 값을 가지는 것을 확인하였다. 따라서 추후 새로운 물질 개발이나 후처리 방법 연구에 있어서 이러한 특성을 제어할 필요가 있다고 판단이 된다. |Extreme-ultraviolet (EUV) lithography is the most promising candidate for 1X patterning technologies and beyond. However, critical problems related to EUV high volume manufacturing (HVM) still remain. One of the critical problems for EUV HVM is ensuring a defect-free mask. In order to maintain defect-free masks, the use of EUV pellicle has been suggested. In this paper, we determined a multi-stack structure for an EUV pellicle that can block the out-of-band (OoB) radiation. This is significant because if OoB radiation reaches the wafer, it can cause undesired patterning on the wafer. However, previous OoB radiation filters, like the spectral purity filter (SPF), cannot effectively block OoB radiation. Moreover, EUV optics are not designed to block OoB radiation in EUV lithography systems. Therefore, we found a new multi-stack structure for an EUV pellicle that can successfully block the OoB radiation. The multi-stack EUV pellicle membrane consists of Zr, SiC and SiNx layers and it has high EUV transmission (90 %, one pass) and shows minimal reflectivity of OoB radiation (12 % reflectivity of ArF and 11 % reflectivity of KrF) at the pellicle surface compared to other multi-stack EUV pellicle membranes. A challenge of EUV pellicle is to allow through-pellicle EUV mask inspection. In EUV lithography system, no commercial EUV actinic mask inspection tool is available yet. However, if EUV mask is inspected by non-actinic inspection system, existing Si-based EUV pellicle membranes are opaque to deep-ultraviolet (DUV) light, so that it should be removed to appply non-actinic mask inspection tool. Novel EUV pellicle membrane that is possible to inspect EUV mask without EUV pellicle removal in non-actinic inspection tool is required. We found that graphite- and SiNx- based multi-stack EUV pellicle membranes can obtain not only high EUV transmission but also high DUV transmission. If through-pellicle inspection can be done using graphite- and SiNx-based membranes, it can obtain more clear inspection image than that of using other EUV pellicle membrane. Moreover, these membranes have better thermo-mechanical stability compared to existing well-known EUV pellicle membranes. RLS (resolution, line edge roughness (LER), and sensitivity) trade-off describes the difficulty in improving resolution, LER, and sensitivity simultaneously. A LER improvement is one of the challenges for achieving EUV HVM while keeping high resolution and sensitivity. In order to improve the LER, it is necessary to accurately understand the phenomena occurring inside the EUV chemically amplified resists (CARs) during the lithography process and the factors affecting the LER, and to model it properly. Since the LER is determined by the acid diffusion and reaction during lithography processes, we implemented an acid behavior-based simulation via the continuum model. Also, we verified the impact of stochastic effect (e.g., photon shot noise and secondary electron blur) on LER in EUV lithography. Finally, since the EUV CARs consists of many polymer chains, the EUV CARs modeling is implemented based on the polymer chain conformation that changes during lithography processes. From these results, EUV CARs modelings can describe the larger experimental EUV CARs roughness and enhanced modeling in which all effects are considered can make to improve the LER and EUV CARs characteristics.; Extreme-ultraviolet (EUV) lithography is the most promising candidate for 1X patterning technologies and beyond. However, critical problems related to EUV high volume manufacturing (HVM) still remain. One of the critical problems for EUV HVM is ensuring a defect-free mask. In order to maintain defect-free masks, the use of EUV pellicle has been suggested. In this paper, we determined a multi-stack structure for an EUV pellicle that can block the out-of-band (OoB) radiation. This is significant because if OoB radiation reaches the wafer, it can cause undesired patterning on the wafer. However, previous OoB radiation filters, like the spectral purity filter (SPF), cannot effectively block OoB radiation. Moreover, EUV optics are not designed to block OoB radiation in EUV lithography systems. Therefore, we found a new multi-stack structure for an EUV pellicle that can successfully block the OoB radiation. The multi-stack EUV pellicle membrane consists of Zr, SiC and SiNx layers and it has high EUV transmission (90 %, one pass) and shows minimal reflectivity of OoB radiation (12 % reflectivity of ArF and 11 % reflectivity of KrF) at the pellicle surface compared to other multi-stack EUV pellicle membranes. A challenge of EUV pellicle is to allow through-pellicle EUV mask inspection. In EUV lithography system, no commercial EUV actinic mask inspection tool is available yet. However, if EUV mask is inspected by non-actinic inspection system, existing Si-based EUV pellicle membranes are opaque to deep-ultraviolet (DUV) light, so that it should be removed to appply non-actinic mask inspection tool. Novel EUV pellicle membrane that is possible to inspect EUV mask without EUV pellicle removal in non-actinic inspection tool is required. We found that graphite- and SiNx- based multi-stack EUV pellicle membranes can obtain not only high EUV transmission but also high DUV transmission. If through-pellicle inspection can be done using graphite- and SiNx-based membranes, it can obtain more clear inspection image than that of using other EUV pellicle membrane. Moreover, these membranes have better thermo-mechanical stability compared to existing well-known EUV pellicle membranes. RLS (resolution, line edge roughness (LER), and sensitivity) trade-off describes the difficulty in improving resolution, LER, and sensitivity simultaneously. A LER improvement is one of the challenges for achieving EUV HVM while keeping high resolution and sensitivity. In order to improve the LER, it is necessary to accurately understand the phenomena occurring inside the EUV chemically amplified resists (CARs) during the lithography process and the factors affecting the LER, and to model it properly. Since the LER is determined by the acid diffusion and reaction during lithography processes, we implemented an acid behavior-based simulation via the continuum model. Also, we verified the impact of stochastic effect (e.g., photon shot noise and secondary electron blur) on LER in EUV lithography. Finally, since the EUV CARs consists of many polymer chains, the EUV CARs modeling is implemented based on the polymer chain conformation that changes during lithography processes. From these results, EUV CARs modelings can describe the larger experimental EUV CARs roughness and enhanced modeling in which all effects are considered can make to improve the LER and EUV CARs characteristics.