회절 산란 분광 및 가속 오염 시스템을 이용한 극자외선 마스크의 이미징 특성에 관한 분석

Abstract

13.5 nm의 파장을 사용하는 극자외선 노광 기술은 22 nm 급 이하 반도체 생산에 가장 유력한 차세대 노광 기술로 평가되고 있다. 특히 극자외선 마스크는 극자외선 노광 공정을 이용한 대량 생산 실현에 있어 큰 부분을 차지하는 요소 중 하나이다. 극자외선 마스크의 구조는 기존의 투과형 노광에서 사용하는 것과는 달리, 반사형 마스크를 사용한다. 13.5 nm의 파장을 이용하며 반사형의 구조를 갖기 때문에 마스크 제작 시 고려할 사항이 존재한다. 먼저, 마스크 제작 상 발생할 수 있는 결함을 감소시켜야 하며 두 번째로 발생된 결함을 검사하는 방법 및 능력이 갖추어져야 한다. 본 논문에서는 극자외선 마스크의 결함 검사를 위해 coherent scattering microscopy / in-situ contamination system (CSM/ICS)의 actinic 검사 및 측정 장비가 개발되었으며 이 장비를 이용하여 가속 노광을 통한 마스크 오염 분석 및 광학 특성에 대하여 논의하고자 한다. 2 장에서는 CSM/ICS의 시스템에 대해 설명한다. 이 장비는 웨이퍼 이미징 예측을 위한 CSM과 가속 노광을 통하여 인위적 오염을 시킬 수 있는 ICS의 두 부분으로 구성되어 있다. CSM/ICS는 웨이퍼 스캐너와 동일한 13.5 nm의 파장을 사용하며 6도 사입사로 빔을 조사한다. 또한 중심파장이 13.5 nm 를 갖는 극자외선용 구면 거울과 평면 거울로 구성된다. 마스크 패턴에 의해서 산란된 간섭광은 가로 세로 1 인치 크기의 charge coupled device (CCD)에 의해 2 차원적인 회절 스펙트럼으로 검출된다. 빔의 노광 시간은 고속 셔터를 이용하여 조절하였다. 극자외선 빔 발생을 위해 포항 가속기 연구소의 싱크로트론 방사광과 한양대의 고차 조화파 (HHG) 광원이 이용되었다. 고차 조화파를 이용한 빔 발생은 Ne 가스에 800 nm의 펨토 초 레이저가 집속되면 플라즈마가 발생되는 원리가 이용되었다. 발생된 조화파 중 59차에 해당하는 13.5 nm의 파장이 극자외선 빔이 된다. 3 장에서는 CSM의 활용과 이를 위한 이론에 대해 설명한다. CSM은 기존 대물 렌즈를 사용하는 광학 현미경과는 달리 마스크로부터 측정된 산란 스펙트럼을 얻기 위해 CCD를 사용한다. 측정된 산란 스펙트럼은 위상 재구성 알고리즘에 의해서 상으로 재구성되는데 이때 사용되는 알고리즘이 hybrid input-output (HIO)이다. HIO 알고리즘은 퓨리에 공간에서의 산란광 세기에 의한 구속 조건 (constraint)과 상이 있는 공간에서의 노광 빔 영역에 의한 지지조건 (support)을 갖는 이 두 공간을 반복적으로 (iterative) 이동하는 과정을 통해서 산란 스펙트럼의 위상 및 상을 재구성하게 한다. 이 알고리즘은 DOF, exposure latitude, MEEF, H-V CD bias, NILS와 같은 광학적 특성을 예측할 수 있게 해 준다. CSM은 또한 측정된 산란 스펙트럼으로부터 RCWA 알고리즘을 이용하여 마스크 CD 측정을 가능하게 한다. CSM으로 측정된 마스크 CD는 CD SEM으로 측정된 마스크 CD와 유사한 경향을 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 4 장에서는 CSM/ICS를 이용하여 얻어진 탄소의 오염 분석과 광학적 특성 파악을 위한 평가 결과에 대해 논의되었다. 가속 노광을 통한 오염 및 오염, 비오염 영역의 이미징 특성 파악을 위해 극자외선 마스크가 제작되었다. 오염의 크기는 대략 500 ㎛이며 20 nm의 두께로 증착 되었으며 원소 분석 결과 탄소와 산소의 성분이 검출되었다. 1, 2 및 3 시간의 가속 노광된 오염 지역에서 1.3, 2.0 및 2.8 %의 반사도 감소가 측정되었다. 마스크 CD SEM과 CSM으로 측정된 오염, 비오염 영역의 CD 차이는 마스크 CD SEM으로 측정된 경우가 약 3.8배 더 큰 차이를 보였다. 이 원인은 시뮬레이션과 실험을 통해 오염된 탄소의 밀도가 0.66 g/cm3로 graphite의 2.2 g/cm3보다 3 배 정도 낮은 값을 보인 것에서 찾을 수 있다. 낮은 밀도는 CD SEM 또는 AFM 측정 시 바람직한 CD 측정에 오차를 줄 가능성이 있음을 말해준다. CSM을 이용하여 오염, 비오염 영역으로부터 측정된 마스크 CD와 웨이퍼 CD를 통해 NA 0.25, 시그마 0.8의 조명조건에서 1.6의 MEEF 값을 얻을 수 있었다. CSM은 또한 NILS를 통해 웨이퍼 이미징의 한계를 예측할 수 있는 장점을 가지고 있으며 CSM으로 얻어진 NILS는 Solid-EUV를 통한 시뮬레이션과 정합성이 있어 CSM 예측에 신뢰성을 더하고 있다. 결론적으로, actinic 검사 및 측정 장비인 CSM/ICS 구축을 통하여 마스크 오염원인 탄소의 특성을 분석하고, NILS, MEEF 등의 광학적 특성을 통해 웨이퍼 이미징의 한계를 예측할 수 있었다. CSM/ICS은 극자외선 마스크 양산을 위한 핵심 검사 및 측정 장비로 활용될 수 있다.|Extreme ultraviolet lithography (EUVL) is a promising solution for 22 nm half pitch and below. Properties such as a short wavelength of 13.5 nm, robust mask, and reliable concept for mass production using EUVL are superior to the other next generation lithography (NGL) technologies. EUV mask is considered as one of the most critical issues for high volume manufacturing (HVM) using EUVL. EUV mask structure is different from that of the conventional optical lithography, and is based on the mirror-type mask blank. All the mask components should be prepared with great care considering the reflection of 13.5 nm wavelength, which requires nano-scale thin film technologies. One of considerations is the defect mitigation issue to minimize the fabrication-induced defects of the mask. The other issue is the mask inspection and metrology issue caused from the wavelength-dependent defectivity. To solve these problems, the coherent scattering microscopy / in-situ contamination system (CSM/ICS) as a EUV actinic inspection and metrology tools was developed. In this thesis, the analysis of mask contamination and optical performance using the CSM/ICS was studied. In chapter 2, system of CSM/ICS was described. The CSM/ICS optic consists of two modules. One is the CSM as an imaging module, used to measure the imaging properties; the other is the ICS as a contamination module, to implement intentional in-situ contamination. The CSM employs an EUV beam with a 13.5 nm wavelength and an incident angle of 6 degrees for the wafer scanner emulation. The CSM consists of a condenser optics that delivers the EUV beam to the mask and detector that measures the field spectrum diffracted by the mask pattern. Using a pair of spherical and plane EUV mirrors, coherent EUV light is relayed to the mask and the light diffracted by the mask pattern is measured by a 1 inch size charge-coupled device (CCD) detector. The integration time of the EUV beam in the detector is controlled by a high speed shutter. Synchrotron beam of Pohang acceleration laboratory (PAL) and high-order harmonic generation (HHG) source of Hanyang University were utilized for generating EUV source of 13.5 nm wavelength. HHG utilizes laser produced plasma, which uses an 800 nm femto-second pulsed laser in Ne ambient. High-order harmonics emit laser-like beams covering a wide spectral range between ultra-violet (UV) and soft X-rays. The 59th beam of 800 nm pump laser is a coherent 13.5 nm harmonic beam. In chapter 3, applications and principles of the CSM were illustrated to get practical data. The CSM uses a CCD camera to obtain the diffracted field spectrum from the mask and, instead of the objective lens used in conventional microscopy, a computer based phase retrieval algorithm to construct the aerial image. The measured field spectrum is used to reconstruct an aerial image with phase information; this information is computed from the phase retrieval algorithm. One of the well known stable phase retrieval algorithms is hybrid input-output (HIO). The HIO algorithm retrieves the phase of the field spectrum through an iterative process of propagation, i.e., Fourier transformation, between the image plane with support and the plane of field spectrum with constraint. Then the original image of the mask pattern is reconstructed from the field spectrum with a retrieved phase. The support is defined by the EUV beam size on the sample, the constraint is that the amplitude of the scattered beam must be replaced with the square-root of the intensity of the field spectrum. This algorithm enables us to investigate the projected image properties, such as the depth-of-focus (DOF), exposure latitude, mask error enhancement factor (MEEF), horizontal-vertical critical dimension (H-V CD) bias, normalized image log slope (NILS), and so on. It also provides a mask CD from a rigorous coupled-wave analysis (RCWA) algorithm modeling based on the Maxwell equation through a measured diffraction pattern. The mask CD measured by CSM shows a good correlation with the mask CD measured by the mask CD-SEM. In chapter 4, experiment results using CSM/ICS were discussed for analysis of carbon contamination and evaluation of lithographic performance. EUV mask was fabricated to investigate the effect of carbon contamination on the imaging performance and intentional contamination was performed on the mask through acceleration exposure. The dimension of contamination was approximately 500-μm-wide and 20-nm-thick after 3 h acceleration exposure and the contamination layer was identified as containing carbon and oxygen as measured by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Reflectivity drop of contamination area was measured to be 1.3, 2.0, and 2.8 % for 1, 2 and 3 h contamination, respectively. EUV mask CD difference after carbon contamination was analyzed using the CSM and CD-SEM, which give huge difference in mask CD measurement as large as 3.8 times. This extremely low density of carbon film is speculated to be the main reason of difference in ΔCD value compared to those values measured by CD-SEM and AFM. MEEF was calculated from the difference of mask CD and wafer CD between the contaminated area and the non-contaminated area. The calculated MEEF was 1.6 under illumination conditions of numerical aperture (NA) and sigma (σ) values of 0.25 and 0.8, respectively, which are the same vales as those of the EUV exposure tool. The CSM has advantages which can propose the information for imaging limit according to design node through the CSM applications. NILS calculated by CSM has good consistency with simulation results in the non-shadowing patterns. However, NILS obtained from the CSM is lower than the simulation value in the shadowing patterns. This implies that additional correction, like OPC, is required in real situations for the shadowing patterns. The CSM has the potential to allow the investigation of imaging limits in high-NA EUV imaging systems. In conclusion, the CSM/ICS was developed as an actinic inspection and metrology tool. Properties of carbon contamination were analyzed. Also, imaging limitation of optical performance was expected by the CSM/ICS. Finally, The CSM/ICS can be used as a key inspection and metrology tool for production of EUV mask.; Extreme ultraviolet lithography (EUVL) is a promising solution for 22 nm half pitch and below. Properties such as a short wavelength of 13.5 nm, robust mask, and reliable concept for mass production using EUVL are superior to the other next generation lithography (NGL) technologies. EUV mask is considered as one of the most critical issues for high volume manufacturing (HVM) using EUVL. EUV mask structure is different from that of the conventional optical lithography, and is based on the mirror-type mask blank. All the mask components should be prepared with great care considering the reflection of 13.5 nm wavelength, which requires nano-scale thin film technologies. One of considerations is the defect mitigation issue to minimize the fabrication-induced defects of the mask. The other issue is the mask inspection and metrology issue caused from the wavelength-dependent defectivity. To solve these problems, the coherent scattering microscopy / in-situ contamination system (CSM/ICS) as a EUV actinic inspection and metrology tools was developed. In this thesis, the analysis of mask contamination and optical performance using the CSM/ICS was studied. In chapter 2, system of CSM/ICS was described. The CSM/ICS optic consists of two modules. One is the CSM as an imaging module, used to measure the imaging properties