극자외선 리소그래피에서 몬테카를로 방법과 감광제 재흐름 공정을 통한 패턴 거칠기에 관한 연구

Abstract

반도체 제조 공정은 웨이퍼 제조, 회로 설계, 마스크 제작, 노광 (Lithography), 식각 (Etching), 패키징 (Packaging) 등 여러 가지 공정이 있다. 이 중에서도 노광 공정은 매우 중요하다. 웨이퍼 및 마스크를 정확하게 제작하였다 하더라도 노광 공정을 통해 패턴을 만들지 못한다면 반도체 자체를 만들지 못하게 된다. 또한, 현재 반도체 공정에서 패턴의 크기가 점점 작아짐에 따라 패턴의 표면 거칠기 또한 중요시 되고 있다. 표면 거칠기가 크다면 우리가 원하는 패턴의 크기가 정확히 형성되지 않는다. 이러한 표면 거칠기는 노광 후 굽기 (Post Exposure Bake, PEB) 공정에서의 굽기 시간, 온도 및 산 확산 거리에 의한 것뿐만 아니라, 레지스트 (resist) 분자의 크기 및 분포 정도에도 영향을 받는다. 이러한 패턴 거칠기를 줄이기 위한 연구는 수년 전부터 계속 진행되어 왔다. 노광량 (Exposure Dose) 의 변화, PEB 시간 및 온도 변화, 레지스트 내의 산의 농도 및 분포 변화, mask 의 종류에 따른 변화 등등 많은 방법이 연구되어 왔다. 이 논문에서는 극자외선 리소그래피 (Extreme Ultra-Violet Lithography) 에서 패턴 거칠기의 개선을 위해 몬테 카를로 방법 (Monte-Carlo Method) 과 감광제 재흐름 공정 (Resist Reflow Process, RRP) 을 이용하여 레지스트 분자내의 농도 분포, 크기 변화, RRP 시간 및 온도 변화 등에 따른 변화를 알아보았다.; Recently, the feature size of semiconductors has been decreased and is close to 22 nm. However, it is difficult to achieve a smooth sub-22 nm line and space (L/S) pattern because line edge roughness (LER) and linewidth roughness (LWR) cannot be controlled well. The roughness depends on variations in the environment and many parameters, such as exposure dose, contrast, and post exposure bake (PEB) time and temperature. In previous research, a metal hard mask and dual hard mask double patterning in a 193 nm dry system were used to reduce LER and LWR. In addition, LER and LWR depend on how the polymer is synthesized and the characteristics of the polymer, such as molecular weight, photo-acid generator (PAG) homogeneity, and PAG aggregation behavior. The method of measuring LER and LWR has been studied and developed using 3σ, power spectrum density, and LER transfer function, which fundamentally differs from both the conventional optical transfer function and the modulation transfer function. In this study, the developed resist profiles are checked for the reductions in LER and LWR by the Monte-Carlo method. In addition, we chose 3σ values for the measurement of LER and LWR. The resist reflow process (RRP) has been applied to contact holes to shrink the feature size by baking the developed resist above the glass transition temperature. Furthermore, many methods have been applied by using the illumination conditions, such as annular and conventional conditions, and by changing the inner or outer sigma to find the optimum condition. To improve the performance of RRP, a binary mask and an attenuated phase-shift mask are used. The molecular weight, blocking ratio of the resin, cross-linker amount, and solvent type were varied to investigate the effects of chemical characteristics on the contact hole pattern. RRP is applied not only to the contact hole pattern but also to the microlens. RRP has the advantage of a simple process without any additional chemicals involved in the lithography process. RRP can reduce the LER of the pattern as well as make smaller contact holes. We studied the reduction of surface roughness for Extreme Ultra-Violet Lithography using Monte-Carlo method and Resist Reflow Process. We changed ratio of components of photoresist, molecular size, RRP temperature and time.