16 nm 이하급 패턴 형성을 위한 식각된 다층막 극자외선 마스크

Abstract

반도체 소자의 미세화 속도가 점차 가속화됨에 따라 기존의 노광으로는 한계에 다다르게 되어 새로운 개념의 리소그래피 공정의 도입이 필요하게 되었다. 22 nm 이하의 패턴을 형성하기 위한 공정 후보군인 193 nm DP (Double patterning), Immersion Lithography, Imprint, ML2 (Maskless Lithography) 들 중 가장 유력한 것이 극자외선 리소그래피 (EUVL: Extreme Ultra-Violet Lithography) 이다. 극자외선 리소그래피는 13.5 nm 의 짧은 파장을 이용하는 공정으로서 기존의 공정과는 다른 개념의 광원 (Source) 과 광학계 (Optics), 마스크 (Mask), 감광제 (Resist) 등을 필요로 한다. 그중 마스크 기술은 리소그래피 기술의 핵심 요소로서 투과형 마스크가 아닌 반사형 마스크를 사용하여야 하는데, 6 ~ 8도 정도의 각도로 입사시켜 웨이퍼까지 전달해야 하는 특성 때문에 기본적으로 마스크는 반사를 잘 시킬 수 있는 Mo/Si 를 2 ~ 4 nm 정도의 두께로 40여 층을 쌓은 표면에 흡수체로 패턴을 형성하는 구조의 마스크를 사용한다. 본 논문은 흡수체 사용 대신 식각된 다층막 마스크 구조를 사용하여, 이 새로운 마스크 구조가 16 nm 패터닝에 기존 마스크에 비해 효과적임을 보여 주고자 하였다. 식각된 다층막의 깊이와 피치에 따라 에어리얼 이미지와 콘트라스트, 임계 선폭 (Critical Dimension, CD) 변화, H-V bias 등을 통하여 확인해 보았다. 그리고 기존에 연구된 채움 마스크와 비교 해 보고 식각된 다층막 마스크와의 차이를 확인해 보았다. 또한 새로운 형태의 마스크 구조에서 결함에 의한 영향을 연구해 보았다. 본 연구를 통하여 식각된 다층막 마스크 구조가 16 nm 패터닝에 최적의 마스크 구조임을 확인해 보고자 Synopsys 사의 TCAD Sentaurus Lithography 시뮬레이터를 사용하여 확인해 보았다. 그 결과 본 연구에서 제시한 식각된 다층막 마스크 구조의 경우 패턴의 크기가 작을수록 기존 마스크보다 향상된 에어리얼 이미지를 얻을 수 있으며, 패턴의 방향에 따른 CD 변화를 살펴본 결과 피치가 변화함에도 불구하고, H-V Bias 가 거의 없는 것으로 확인되었다. 따라서 이에 대한 근접효과보정 (Optical Proximity Correction, OPC) 가 필요 없다고 볼 수 있다. 또한 노광량의 차이에서도 기존 마스크보다 작은 노광량으로도 16 nm 패턴 형성이 가능함을 확인하였다. 이는 극자외선 노광이 아직까지 양산에 적용되지 못하고 있는 가장 큰 이유인 고출력 광원을 얻지 못하고 있는 것을 보완할 가능성을 보여 주는 것이다. 또한 결함에 의한 영향을 확인해 보았을 때, 식각된 다층막 마스크의 경우 패턴 부분에 발생하는 결함의 경우 영향이 없는 것으로 확인 되었다. 또한, 다층막 내부에 생긴 결함의 경우는 여전히 문제가 되기는 하지만 기존 마스크보다는 심각하지 않음을 확인 할 수 있었다.이는 극자외선 양산을 가로막는 두 번째 이슈인 마스크 결함에 대한 영향을 식각된 마스크가 줄일 수 있어서 수율 향상에 도움을 줄 수 있을 것이라 기대된다. 따라서 본 연구 과제가 제시하고 있는 식각된 다층막 마스크 구조의 경우, 16 nm 급 패턴이하에서는 기존 마스크보다 훨씬 더 좋은 패터닝이 가능할 뿐만 아니라 H-V Bias 가 거의 없고, 결함에 대한 영향도 기존 마스크보다 작아 수율 향상이 기대되며, 현재의 극자외선 리소그래피 장비의 낮은 출력으로 인한 문제를 보완할 수 있을 것으로 기대해 본다.