Fabrication of Nanostructure for Mask Absorber and Effect of Physical Characteristics of Substrate in Atomic Force Microscope Lithography

Abstract

유비쿼터스(ubiquitous) 시대인 현재 모든 전자 기기들은 슬림(slim) 하면서 다양한 기능을 구현해야 하기 때문에 내부 모든 전자 소자들이 초 고집적화 되어지고 있다. 특히 이러한 소자들을 제작하는 단위 공정에서 리소그래피 기술은 중요한 부분을 차지하게 되었고, 광 리소그래피 기술이 여러가지 물리적인 제한으로 패턴의 선폭을 줄이는데 점차 한계에 다다르면서 차세대 리소그래피 기술로서 전자 빔(Electron Beam) 리소그래피. 극자외선(Extreme Ultra Violet) 리소그래피, 나노 임프린트 리소그래피, 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscope) 리소그래피 등이 연구 되어지고 있다. 이 중 특히 원자 힘 현미경 리소그래피 는 대기중에서 간단한 공정으로 나노 패턴을 제작 할 수 있어 이를 이용한 응용 분야들은 더욱 주목을 받고 있다. 본 논문에서는 원자 힘 현미경 리소그래피를 이용하여 극자외선 리소그래피용 마스크 흡수체 패턴을 제작하는 공정 방법을 제안하였으며, 양극 산화법 리소그래피시 산화막 나노 구조물의 성장에 기판의 전기전도도, 열전도도, 변형이 주는 효과에 대한 결과 및 이론적인 분석을 하였다. 극자외선 리소그래피용 마스크 흡수체 패턴 제작을 위해 일반적으로 흡수체로 많이 쓰이는 탄탈륨 나이트라이드(TaN) 대신 원자 힘 현미경 리소그래피를 수행하기에 물리적인 특성이 좋은 탄탈륨(Ta) 을 물질로 선정하였다. 탄탈륨 기판위에서 탄탈륨 옥사이드 나노 구조물을 30 nm 급으로 형성하였다. 그리고 흡수체 패턴 제작 응용을 위해 100 nm 선폭을 가지는 옥사이드 패턴을 제작한 후 건식 식각 공정을 통해 최종적으로 2 nm 깊이를 가지는 탄탈륨 나노 구조물을 형성하였다. 하지만 나노 구조물의 종횡비가 낮아 탄탈륨을 더 많이 식각하기 위해 유기물 보호막 패턴을 탄탈륨 위에 저에너지 전자 방사법을 이용해 형성하였다. 원자 힘 현미경 리소그래피를 이용해 산화막 나노 구조물의 형성 속도를 증가시키기 위해서는 기판의 물리적인 특성이 중요한 영향을 미친다. 먼저 기판의 일함수(workfunction) 에 기초한 전기 전도도는 산화막 구조물의 모양에 특히 영향을 미친다. 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 에서 산화막 나노 구조물을 형성하였으며, 전기 전도도가 좋은 크롬과 텅스텐에서는 전자의 이동이 좋아 둥근 산 모양의 나노 구조물이 탄탈륨과 티타늄에서는 뾰족한 산 모양의 나노 구조물을 형성하였다. 이때 전기 전도도는 구조물의 높이보다는 선폭에 더 많은 영향을 미쳤으며, 특히 전기 전도도가 좋아 문턱전압이 낮고 표면의 거칠기가 좋은 크롬에서는 고속 리소그래피까지 가능하였다. 둘째로 산화막 구조물 형성시 외부 열 에너지에는 탐침과 기판사이에 형성된 물층(water column) 내에서 전기 화학 반응이 빨리 일어나 수산화 이온이 기판에 확산 되는 속도를 빠르게 함을 확인하였다. 그리고 비교해본 결과 전기 전도도와 달리 나노 구조물의 선폭보다는 높이에 영향을 많이 미쳤으며, 그러한 결과를 이용해 최적화된 패턴을 형성하였다. 또 한 열에너지를 가해줬을 경우에도 마찬가지로 고속에서 리소그래피가 가능하였다. 마지막으로 변형된 기판에서 전자 이동의 향상이 나노 구조물의 형성에 미치는 영향을 알아보기 위해 차세대 반도체 물질인 변형 실리콘과 일반 단결정 실리콘 기판에서 문턱전압의 차이를 비교해보았으며, 이때 1/2 낮은 전압에서 단결정 실리콘에서와 비슷한 선폭의 나노 구조물을 변형 실리콘에서 형성하였다. 이러한 기판의 물리적 특성이 나노 구조물을 제작하는데 미치는 효과에 관한 연구는 궁극적으로 원자 힘 현미경 리소그래피의 낮은 공정효과(Throughput)를 개선하기 위해 진행하였으며, 이 연구를 기반으로 원자 힘 현미경 리소그래피의 고속화를 이뤄내어 앞서 개발한 EUV 마스크 제작을 포함한 다양한 전자 소자 제작의 국부적인 부분에 이 기술을 응용할 수 있을 것이다.; Local oxidation using atomic force microscope (AFM) lithography was carried out on tantalum (Ta) thin film as a material of mask absorber. Nanostructures of local oxidized tantalum oxide (Ta2O5) were selectively etched by inductively coupled plasma (ICP) etching system. After the etching process, nanostructures of Ta with a few tens-hundreds nm were successfully fabricated. Based on this process, AFM lithography was applied the fabrication of EUV mask. Nanostructures with 60 nm linewidth were fabricated on Ta/ML substrate (ML is multi layer) which is real EUV mask structure. Apart from local oxidation, electron exposure lithography was studied by the electron radiation for manufacturing the mask absorber. For application of nanostructures with minimum feature size, the growth behavior of nanostructures on absorber such as chromium (Cr), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W) in atomic force microscope (AFM) anodization lithography was must be preferentially investigated. Physical characteristics of substrate are critical factor leading to enhance of oxidation rate and aspect ratio of oxide structures. Among these physical factors, in particular, oxide growth was increased with enhance the transfer of electron by electrical conductivity and by additional thermal energy. On the basis of these physical effects, Cr film, which is the most sensitive to electron transport and conductivities, has hill-shaped nanostructures. Also, Ta and Ti, which are less sensitive, can be used to fabricate nanostructures with a high aspect ratio (spike-shape). In addition, Oxidized nanostructures with a high aspect ratio were successfully fabricated at high temperature by external thermal energy. The lithographic speed of fabrication of protruded nanostructures was dramatically improved by the enhancement of electron transfer depending on the external thermal energy and directional diffusion of OH? ions depending on the increase of temperature. Finally, strained silicon has highly electron mobility better than single crystal silicon due to low resistance by strain effect. By the enhancement of electron mobility, nanostructures on strained silicon substrate were fabricated at lower driving voltage compared with that on silicon substrate (about 2 times).