극자외선 간섭 노광 기술의 실험적 증명

Abstract

초 록

극자외선 간섭 노광기술의 실험적 증명

한양대학교 재료공학과 김 태 근 지도교수: 안 진 호

노광공정은 반도체 디바이스 공정에서 집적화된 회로를 만드는데 사용되는 중요한 공정이다. 반도체 디바이스의 진보는 노광기술의 발전에 기인해왔다고 해도 과언이 아니다. 이러한 발전을 위해 노광기술의 해상도를 개선시키기 위한 여러 노력들이 시도되고 있지만, 현재의 광노광기술로는 한계가 있다. 그러므로 반도체 디바이스의 계속적인 발전을 위해 차세대 노광기술의 필요성이 대두되고 있다. 극자외선 노광기술(EUVL)은 22 nm half pitch (hp) 이하의 기술 세대에 적용될 가능성 있는 대안 기술로, 가장 유력한 차세대 노광기술로 평가받고 있다. 타 차세대 노광기술과 비교할 때, 극자외선 노광기술은 13.5 nm의 짧은 파장, 내구성이 강한 구조의 마스크, 대량생산에 적용할 수 있는 적합한 개념의 기술이라는 점이 장점으로 두드러진다. 그러나, 극자외선 노광기술이 적용되기 위해서 극복해야 할 여러 이슈들이 있는데, 가장 중요한 세 가지 이슈로는 1) defect-free 마스크와 결함 검사, 2) 높은 민감도와 고해상도, 낮은 line edge roughness (LER), 3) 높은 안정성을 갖는 고출력 source를 들 수 있다. 이 가운데, 본 연구 주제인 극자외선 간섭노광기술(EUV-IL)은 EUV 광 소스를 사용하는 간섭 노광기술로, 22 nm hp 이하의 EUV 레지스트를 평가하는데 유용한 기술로 여겨진다. EUV 레지스트의 평가를 위한 장치를 고려해볼 때, optics를 사용하는 EUV 노광 시스템으로는 낮은 LER이 달성되기 어려운데, 그 이유는 optics에 의해 수차(aberration)와 flare 현상이 일어나기 때문이다. 그러나 EUV-IL은 flare가 없기 때문에, EUV 리소그라피의 민감도와, LER, 해상한계를 평가하는데 유용한 시스템으로 여겨진다. 이 EUV-IL을 실험적으로 검증하기 위해 일본 효고대학 synchrotron 연구시설인 NewSUBARU의 긴 언듈레이터(LU) 빔라인에 EUV-IL 시스템을 설치하였고, 관련된 실험적 특성들을 조사하였다. EUV-IL에서 광 source의 coherence는 간섭을 일으키는 핵심 요소인데, 일반적으로 temporal coherence와 spatial coherence로 정의된다. Temporal coherence는 공간상의 어떤 한 지점에서의 field와 시간차를 둔 같은 지점에서의 field의 상호 일관성을 일컫고, spatial coherence는 빔의 wavefront에서 두 점의 field 사이의 상호 일관성을 일컫는다. 본 연구를 위해 두 가지 개념의 EUV-IL 빔라인을 설계하였다. 첫 번째 빔라인은 미러를 사용하여 평행한 빔을 만드는 것을 기본 개념으로 하고 있는데, flux의 무작위의 발산으로 인해서 실제로는 부분적인 spatial coherence가 있는 소스가 얻어졌다. 큰 입사각을 갖는 설계로 인해 다층박막이 코팅된 미러를 사용하였고, 20 nm 이상의 파장의 빛을 효과적으로 제거하기 위해 Zr filter를 사용하였다. Ray-tracing 시뮬레이션을 통해 0.6 mm 영역에서 0.625 mm의 spatial coherence를 갖는다는 것을 확인할 수 있었다. 두 번째 빔라인은 미러를 이용하여 빔을 pinhole에 집속시키는 개념을 바탕으로 하여 설계되었고, 이 빔라인에서는 넓은 spatial coherence를 갖는 광 소스를 제공한다. 그리고, photodiode를 사용한 빔 정렬 방법을 고안하여, 정확한 정렬을 수행할 수 있도록 하였다. 이 빔라인에서는 pinhole을 이용하여 큰 spatial coherence를 갖는 광 소스를 얻을 수가 있다. 실제 EUV-IL 빔라인의 source 특성 분석을 위해 temporal coherence와 spatial coherence 특성을 조사하였다. 스펙트럼 별 빔의 세기 측정을 통해 temporal coherence가 측정되었고, 영의 이중 슬릿 실험을 통해 spatial coherence가 측정되었다. 광의 단색성에 대한 측정과 계산을 통해 temporal coherence를 확인할 수 있었다. Photon spectrum의 측정을 통해, 빔라인의 LU 광 소스가 13.5 nm의 파장에서 FWHM이 0.37 nm인 폭이 좁은 피크를 갖는 것을 알 수 있었다. Mo/Si 다층막 미러와 Zr 필터를 사용함으로써 빔의 FWHM은 0.2 nm로 감소되었고, undulator의 higher harmonics와 낮은 에너지의 radiation이 효과적으로 제거되었다는 것을 알 수 있었다. 실험에 의한 측정 데이터를 바탕으로 temporal coherence를 계산한 결과, 광 소스의 temporal coherence는 다층막 미러를 사용하지 않았을 때 0.49 μm이었고, 이들을 사용했을 때 0.91 μm가 되었다. 한편 spatial coherence를 측정하기 위해 영의 이중 슬릿 실험이 수행되었고, EUV에 민감한 CCD 카메라에 통해 fringe 패턴을 관찰했다. Spatial coherence는 슬릿의 폭에 의해 조절되었다. 직경 20μm의 pinhole에 대해서는 122 μm의 spatial coherence가 얻어졌는데, 노광 위치에서는 340 μm로 예상된다. 이 값은 CCD 카메라의 해상도의 한계로 인해 작게 측정된 것으로 판단되었고, 더 정확한 spatial coherence 측정을 위해 EUV CCD 카메라 대신에 2 μm 슬릿이 설치된 photodiode을 사용하여 spatial coherence를 측정하였다. 측정 간격을 1 μm로 하고, 25 μm 슬릿을 사용할 경우, double slit 위치에서의 spatial coherence는 204 μm, 10 μm 슬릿의 경우에는 440 μm로 측정되었고, 노광 위치에서는 각각 544 μm와 1173 μm로 계산되었다. Grating pattern의 design은 측정된 spatial coherence 값 이내의 범위로 제한을 받게 된다. EUV-IL용 transmission grating은 diffraction 효율, 투과도와 같은 요구 사항들을 고려하여 설계되었다. Transmission grating의 효율은 홈의 형태와 두께, 재료의 굴절 지수(refractive index), 선폭과 공간폭의 비에 의해 결정된다. 홈의 형태와 선폭과 공간폭의 비에 대해서는 직사각형 형태의 홈과 1:1의 비를 만족할 때 고효율을 얻을 수 있다. Ta, TaN, Cr, Si3N4, Mo, MoO2, Ru을 사용한 grating에 대한 1차 회절 효율을 계산해 보았다. 회절 효율은 물질의 굴절 지수와 그 물질의 두께에 의해 영향을 받는데, 시뮬레이션 결과를 통해 최대 효율을 갖는 최선의 물질은 각 두께 범위에 따라 바뀜을 확인하였다. 한편 본 연구에서는 direct beam stopper를 사용하지 않는 구조를 채택하였기에, 별도의 layer 없이 direct 빔을 차단하기 위해서는 낮은 투과도의 grating이 요구된다. 투과도 계산에 의해 Ta과 TaN, Cr이 낮은 EUV 투과도를 갖는 적절한 물질로 선별되었다. 회절 효율과 투과도를 동시에 고려하여 40 nm 두께의 Ta와 50 nm 깊이만큼 선택적으로 식각된 100 nm 두께의 Si3N4로 이루어진 Ta/Si3N4 구조에서 10 %의 고효율을 얻을 수 있었다. Grating 효율 계산과 실험실에서 사용 가능한 제작공정을 기반으로 하여, Ta/Si3N4 grating 구조가 선택되었다. 코팅(coating)과 electron beam (e-beam) writing, 건식 식각, 습식 식각 공정을 통해 1600 nm pitch의 grating을 성공적으로 제작할 수 있었다. DC/RF 마그네트론 스퍼터링 시스템에 의해 낮은 stress를 갖는 코팅 공정이 수행되었고, Zygo interferometer에 의해 코팅된 박막의 stress가 측정되었다. 레지스트 패터닝 공정에서, grating 디자인은 e-beam writer에 의해 레지스트에 옮겨졌다. 레지스트 현상 후, reactive ion etching (RIE)과 inductively coupled plasma etching system에 의해 식각 공정이 수행되었다. RIE 시스템을 사용한 건식 식각 공정에서 일어나는 RIE lag 문제를 피하기 위해 식각 사이에 배기 시간을 둔 step etching 방법이 적용되었다. 그 다음으로 후면의 Si이 KOH etchant로 식각되었다. 패턴의 평면 사진과 단면 사진은 광학 현미경과 스캐닝 전자 현미경에 의해 관찰되었다. 제작된 grating은 EUV-IL 시스템에서 resist를 사용하여 테스트를 하였고, 레지스트 상에서 400 nm hp의 일정한 fringe 패턴을 구현할 수 있었다. 노광 실험을 위해 먼저 sensitivity curve로부터 레지스트에 대한 최적 dose를 조사하였다. Grating을 사용하여 여러 가지 실험적 테스트들 수행하였는데, 첫번째로 grating과 wafer 사이의 거리를 조절함으로써, 그 거리가 0차 광의 패턴과 회절된 1차 광의 패턴 사이의 거리에 영향을 미침을 확인하였다. 설계상의 위치에서 가장 넓은 면적의 간섭 영역이 얻어짐을 확인할 수 있었다. Grating 설계에 관해서는 경계로부터 나타나는 원하지 않는 회절 모양을 피하기 위해 긴 라인으로 이루어진 설계 개념이 요구되었다. Grating 효율의 영향을 테스트하기 위해, 식각 깊이를 달리한 두 grating이 준비되었는데, 계산에 통해 확인해 본 결과, 100 nm 두께의 Ta과 250 nm 만큼 식각된 300 nm 두께의 Si3N4의 grating의 효율은 6.0 %였고, Si3N4이 150 nm 만큼 식각된 경우에서는 4.6 %로 나타났다. 고효율의 grating이 낮은 효율의 grating에 비해 더 나은 contrast의 결과를 보여주었다. 광의 단색성에 관해서는, 높은 temporal coherence 소스에서 높은 contrast의 노광 결과를 얻을 수 있었으나, 이 경우에는 예상하지 못한 간섭 결과를 얻게 되었다. 또한 단색성을 높이면 이에 반비례하여 flux의 손실을 가져오기 때문에 노광 시간과 간섭 결과를 고려할 때, EUV-IL 시스템에서는 제한된 temporal coherence를 갖는 소스가 추천된다. 그리고 본 시스템에서의 fine pattern의 구현 가능성을 검증하기 위한 fine pattern 노광 실험을 진행하였rh, 100 nm pitch의 2-beam grating과 4-beam grating을 사용하여 각각 50 nm pitch의 line-and-space (L/S)과 71 nm pitch의 contact hole pattern을 얻을 수 있었다. 결론적으로 EUV-IL 시스템이 성공적으로 구축되었고, EUV-IL에서의 필수 요소들이 실험적으로 조사되었다. 구축된 EUV-IL 시스템을 이용하여 50 nm pitch의 L/S 패턴이 성공적으로 구현되었고, grating 디자인, grating과 wafer 사이의 거리, grating 효율, 소스의 단색성에 의한 영향들이 조사되었다. EUV-IL은 EUV resist를 평가하는데 큰 도움이 될 것으로 예상되고, EUV resist를 포함한 새로이 개발된 advanced resist를 개발하는데 널리 사용될 것으로 예상된다.; Abstract

Experimental verification of EUV interference lithography

Tae Geun Kim Department of Materials Science and Engineering Hanyang University Major advisor: Prof. Jinho Ahn

Lithography is a key process used to fabricate integrated circuits in semiconductor device fabrication. It is no exaggeration to say that the continuous progress of semiconductor devices has been due to advances in lithography. Despite many different attempts to improve the resolution, current optical lithography has physical limitations. Thus, next generation lithography (NGL) is on the rise for the continuous advance of semiconductor devices. Among the possible alternative technologies, extreme ultraviolet lithography (EUVL) is a promising solution for 22 nm half pitch (hp) and below. EUVL has remarkable characteristics, such as a short wavelength of 13.5 nm, a robust mask, and a reliable concept for mass production. However, there are also many issues to overcome for EUVL. The top three of these are: 1) a defect-free mask and defect inspection, 2) the simultaneous achievement of high sensitivity, high resolution, and low line edge roughness (LER) resist, and 3) a high power source with high stability. EUV interference lithography (EUV-IL), which is interference lithography with an EUV light source, has great potential for evaluating an EUV resist with less than 22 nm hp. Considering the evaluation system for EUV resist, an exposure system with conventional optics has limited potential, since these kinds of optics have aberration and flare. On the other hand, because EUV-IL has no flare, it is a promising method to evaluate the sensitivity, LER, and the resolution limit of EUV lithography. To verify EUV-IL experimentally, an EUV-IL system was constructed at the long undulator (LU) beamline in NewSUBARU, University of Hyogo, Japan and its experimental properties were investigated. In EUV-IL, the coherence of the light source is the key element causing interference. In general, coherence is defined as temporal coherence and spatial coherence. Temporal coherence refers to the mutual coherence between the field at a certain point in space and the field at the same point with a certain time lag. On the other hand, spatial coherence refers to the mutual coherence between the fields at two points on the wavefront of the beam. For the experiment, two EUV-IL beamlines were designed. One was based on making a parallel beam with mirrors, which provided partially spatially coherent radiation due to the random divergence of the flux in practice. Owing to the high angle of incidence due to the design, a multilayer mirror was used. A Zr filter was used to remove wavelengths longer than 20 nm. Through a ray-tracing simulation, a spatial coherence of 0.625 mm was obtained for a 0.6 mm range. The other beamline was based on focusing the beam on a pinhole with mirrors, which provided a large spatially coherent light source. In the latter system, a beam alignment method using a photodiode was useful for accurate alignment. With the pinhole, highly spatially coherent light could be achieved. The EUV-IL beamline was characterized with respect to temporal coherence and spatial coherence. The temporal coherence was measured through a spectral intensity measurement and the spatial coherence was measured by Young’s double slit experiment. In relation to the temporal coherence, the monochromatic characteristic of the light was analyzed by both calculation and measurement. By the measurement of the photon spectrums, we found that the LU light source in the beamline had a narrow peak at around 13.5 nm with an FWHM of 0.37 nm. By using an Mo/Si multilayer mirror and a Zr filter, the FWHM was decreased to 0.2 nm. We found that the higher harmonics of the undulator and the low energy radiation were effectively eliminated by the multilayer mirror and the Zr filter. By calculating the temporal coherence based on the experimental data, the temporal coherence of the source was found to be 0.49 μm without the multilayer mirror and Zr filter and 0.91 μm with them. To measure the spatial coherence, Young’s double slit experiment was performed. The fringe patterns were obtained with an EUV sensitive CCD camera. The spatial coherence was controlled by the slit width. With a 20 μm diameter pinhole, a spatial coherence of 122 μm was obtained, which was expected to be 340 μm on the exposure position. The measured value was limited by the resolution of CCD camera. For the accurate measurement, the photodiode with 2 μm slit was used instead of CCD camera. With 1 μm scan-step and 25 μm slit, the spatial coherence at the double slit position was 204 μm. In the case of 10 μm slit, it was 440 μm. Considering the exposure position, they were 544 μm and 1173 μm, respectively. The area of the grating design has to be limited by the measured spatial coherence. The transmission grating for the EUV-IL was designed with a consideration of requirements such as efficiency and transmittance. The efficiency of the transmission grating was determined by the groove profile, thickness, refractive index of the material, and the line-and-space ratio. Regarding the profile and the line-and-space ratio, rectangular shaped grooves with a 1:1 ratio were needed for high efficiency. Calculations were used to investigate the grating efficiency of the 1st order diffraction with several materials, such as Ta, TaN, Cr, Si3N4, Mo, MoO2, and Ru. The diffraction efficiency was affected by the refractive index of the material and its thickness. The best material with the highest efficiency varied based on the thickness range. On the other hand, the grating required low transmittance to block the direct beam without a direct beam stopper. Based on the transmittance calculations, Ta, TaN, and Cr were regarded as appropriate materials with low transmittance of EUV light. Simultaneously considering the diffraction efficiency and transmittance, a high efficiency of over 10 % can be obtained by a 40 nm Ta/100 nm Si3N4 material with a 50 nm etch depth. Based on the grating efficiency calculation and the accessibility of the fabrication process in our laboratory, a grating stack of Ta/Si3N4 was chosen. A grating with a 1600 nm pitch was successfully fabricated through coating, electron beam (e-beam) writing, dry etch, and wet etch processes. Low stress coating process was conducted with a DC/RF magnetron sputtering system. The stress of the coated film was measured by a Zygo interferometer. In the process of resist patterning, the design of the grating was replicated on the resist by using an e-beam writer. After developing the resist, the etching process was performed using a reactive ion etching (RIE) system and an inductively coupled plasma etching system. Step etching with an evacuation time was useful to prevent the RIE lag problem. A top view and cross-sectional view of the patterns were observed by using an optical microscope and a scanning electron microscope. Then, the backside Si was etched with KOH etchant. The fabricated grating was tested with resists in the EUV-IL system. Uniform fringe patterns with a 400 nm hp were replicated on the resist. For the exposure experiment, the optimum dose for the resist was investigated from the sensitivity curve. Using the grating, several experimental tests were performed. By controlling the distance between the grating and the wafer, we found that the distance affects the space of the diffracted patterns from the 0th order pattern. In the case of the designed distance, we could get the largest interference area. Regarding the grating design, a design concept with a long length line is recommended to prevent an unwanted diffraction image appearing from the edge. To test the grating efficiency effect, two gratings with different Si3N4 etch depths were prepared. From calculations, the efficiency of 250 nm etch depth with 100 nm thick Ta was 6.0 %, and that of 150 nm etch depth was 4.6 %. The grating with a higher efficiency showed better contrast compared to the grating with lower efficiency. For the monochromaticity of the light, high temporal coherence led to high contrast for the image. However, it caused unexpected interference images. In addition, it underwent flux loss in inverse proportion to the monochromaticity. Considering the exposure time and imaging results, limited temporal coherence with the specular mode might be recommended in this system. In addition, the fine pattern exposure experiment was performed. 50 nm pitch line-and-space (L/S) patterns and 71 nm pitch contact hole patterns were obtained by 2-beam grating with 100 nm pitch and 4-beam grating, respectively. In conclusion, an EUV-IL system was successfully constructed, and the essential elements for EUV-IL were investigated experimentally. The EUV-IL system was used to successfully replicate 50 nm pitch L/S patterns, and an experimental investigation was performed to evaluated the effect of grating design, distance between the grating and wafer, grating efficiency, and monochromaticity of the source. EUV-IL is expected to be helpful to evaluate EUV resist, and will be widely used to develop EUV resist.