Monte-Carlo 전산모사를 통한 반도체 패턴 선 가장자리 거칠기 영향 분석

Abstract

반도체에서 패턴의 집적도의 증가는 용량을 높이고 성능을 향상시킨다. 광리소그래피는 반도체 패턴을 형성하는 공정으로써 패턴의 크기를 줄이기 위해 새로운 기술이 요구되고 있다. 이를 위해 레이저의 파장을 줄이는 방법을 사용하고 있는데, KrF (248 nm)에 이어서 ArF (193 nm) 가 사용되었고 ArF 리소그래피에서 double pattering, immersion lithography 등 새로운 방법이 이용되었으며 이제 또다시 그 한계를 넘어서기 위해 새로운 광원인 약 13.5 nm 파장의 극자외선 (Extreme Ultra-Violet, EUV)을 이용한 리소그래피 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이러한 새로운 리소그래피의 목적은 22 nm 이하의 작은 패턴 형성에 있다고 할 수 있다. 선폭 거칠기 (Line Width Roughness, LWR) 혹은 선 가장자리 거칠기 (Line edge Roughnes, LER)는 패턴 크기 (Width) 의 8~10 %의 값이 요구되는데, ITRS roadmap 에 따르면 LWR은 2013년에 32 nm DRAM 1/2 pitch에서 3.3 nm (3 sigma) 가 2016년에 23 nm DRAM 1/2 Pitch에서 2.3 nm가 요구되고 있다 [1]. LER/LWR의 원인은 다양하다. 크게 생각해 볼 수 있는 것은 입자의 고르지 못한 분포가 원인이다. 먼저는 광원의 광자가 고르지 못하고, 패턴의 원판인 마스크에서 완벽히 LER 이 제거되지 못한 것도 한 원인이고, 최종적으로는 레지스트 (photresist)의 구성 성분이 고르지 못하기 때문에 LER이 생기게 되며 공정 중에서도 발생할 수 있는데, 현상과정에서 물의 장력에 의한 pattern collapse까지 문제가 될 수 있다. 본 연구에서는 레지스트의 입장에서 LER의 원인을 규명하고 해결 방법을 제안하였다. 레지스트 모델로써 포지티브 화학 증폭형 감광제 (positive tone chemically amplified resist, CAR)를 대상으로 연구하였다. 이는 EUV lithography 가 레지스트의 좋은 민감도 (sensitivity) 를 요구하기 때문이다. CAR resist 의 기본적인 구성은 resin, protection group, Photo Acid Generator (PAG)이며 이들의 물성과 LER 의 관계에 대하여 알아보았다.; Extreme ultra-violet (EUV) lithography has been developed to make pattern sizes of 22 nm and blow. Line edge/width roughness (LER/LWR) as well as resolution or sensitivity is very important issue. There are some novel resists for EUV lithography that can be used for obtaining the target resolution and sensitivity, while the line edge roughness has not reached the target values in most resist yet. In order to reduce the LER, several simulations were studied here. Firstly, the molecular resist was studied with various molecular weights because the molecular weight will affect to LWR. Secondly, we tried a new approach to reduce down the LER by changing the shape or structure of the molecular resist. A new molecular resist shape that shows the anisotropic structure is tried to see the LER and whether this anisotropic resist can be used for LER reduction. And we studied the reduction of LER versus acid diffusion. Lastly, resist using the polymer- bound PAG is being studied. It is believed that uniformity of PAG of polymer-bound PAG is more uniform than that in the conventional polymer-blend PAG resist. Some studies experimentally show that LER can be reduced by using polymer-bound PAG resist. Our work checked how the uniformity of PAG affected to acid concentration, de-protection reaction and LER finely. We also found that the reason of the reducing LER by using polymer-bound PAG compared with polymer-blend PAG was PAG’s uniformity. Monte-Carlo method with 3-dimensional disposition of each component was used and also well proven equations of exposure, diffusion and de-protection reaction were used in this study.