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반도체 리소그래피 시뮬레이션

1. Lithography Simulation

궁극적으로 wafer 위에 형성될 photo resist의 패턴을 예측하는 것이다. Soft bake, exposure, post exposure bake 및 develop의 전 공정을 단계적으로 simulation하면 상당히 정확한 예측을 할 수 있지만 이를 위해서는 simulation에 필요한 여러 가지 parameter를 확보해야 하고 또한 많은 시간이 요구되므로 simulation을 통한 소기의 목적을 달성하기가 어렵다. 주로 실시하는 simulation은 웨이퍼 위에 맺히는 aerial image을 구하는 것으로, 이는 최종 resist의 패턴이 aerial image의 특정 level의 contour와 매우 흡사하며 simulation 시간도 많이 소요되지 않는다. 반면 이것만으로 예측이 어려운 경우도 많아 simulation 시간의 큰 증가 없이 많은 것을 예측할 수 있는 수정된 simulation model이 많이 제시되고 있다. 당사가 개발한 diffused aerial image method(DAIM)도 이러한 맥락에서 제안된 Simulation tool이다.

 

     1-1. Lithography Simulation Tool

현재 상업화된 lithography simulation tool로는 SOLID-C, DEPICT, PROLITH/2, FAIM, IC WorkBench등이 있다. 국내에는 전자통신연구소 주관으로 개발한 HANOL이 있다. Tool의 개발 방향은 크게 simulation의 정확성 향상과 speed 향상으로 나눌 수 있다. 전자는 3D mask structure simulation, 3D wafer topology simulation, vector simulation등 보다 확장된 simulation을 목적으로 하며 많은 시간이 요구되는 것이 많다. 후자는 full chip simulation을 목표로 정확도를 약간 손해보는 대신 속도를 획기적으로 증가시켜 넓은 영역을 simulation하는 것이다. 넓은 영역을 simulation하고 속도 향상을 위해 많은 양의 computer memory를 요구한다.

 

     1-2. Simulation Tool의 올바른 사용

Simulation에서 중요한 관건중의 하나는 `신뢰도` 문제이다. 기본적으로 simulation결과는 model에 크게 의존한다. 즉, model이 성립하지 않는 영역에서 simulation한 결과는 실제와 많은 차이를 보이게 된다. Simulation 결과를 신뢰하기 위해서는 사용하는 tool의 model이 타당해야 한다. 이를 판단하는 가장 좋은 방법은 실험과의 비교를 자주 해 보는 것이다. 그리고 model의 원리 및 approximation등을 잘 검토해 보아야 한다. Simulation을 하면서 자주 하는 실수 중의 하나가 입력 변수값을 제대로 넣지 않아 잘못된 결과를 얻는 것인데, 실험의 변수와 simulation 입력 변수와의 상관관계를 잘 파악하지 못할 때 실제 pattern결과는 simulation에서 벗어나게 된다.

 

2. Mask Making

    

     2-1. Mask(reticle)의 구조

 

  

     2-2. Mask 제작

 

(1) Blank Mask

Quartz위에 1000Å정도의 chrome층이 형성되어 있으며, 그 위에 resist가 coating 된다. 이때 resist coating thickness uniformity는 mask의 CD uniformity에 크게 영향을 미친다.

(2) Writing

MEBES(electron beam), ALTA(laser)등의 장비로 CAD data를 mask위의 resist에 전사하는 과정이다. 이 때 전사된 resist는 develop을 통해 형상화된다. 위의 두 writing 장비의 특징을 살펴보면, MEBES의 경우 resolution이 뛰어나지만 writing 시간이 길며, ALTA는 writing 시간이 짧고 defect 발생량이 적은 대신 resolution은 떨어진다.

(3) Chrome Wet Etching

Develop후 생성된 resist 패턴을 막으로 하여 chrome을 wet etching한다. 패턴의 크기가 작은 경우에는 chrome을 dry etch하기도 한다.

(4) Inspection / Cr repair

Resist strip 및 cleaning이 끝나면 defect를 찾고 이를 repair한다. Defect는 대부분의 경우 발생하며 이를 모두 제거할 수 있을 경우에만 실제 사용가능한 mask가 만들어 진다.

(5) Clean / Pellicle / Inspection

Repair 후에 cleaning을 실시하고 난 후 chrome 패턴을 particle등으로부터 보호하기 위해 pellicle을 붙이며, 최종적으로 마스크 검사를 실시한다.

 

3. Binary Intensity Mask

 

현재 가장 많이 사용되는 마스크는 그림과 같이 마스크 구조를 지탱하는 투명한 quartz위에 빛을 차단하는 chrome 막을 입혀 구현하고자 하는 패턴을 형상화 한 것이다. 여기서 binary라고 하는 의미는 마스크가 빛을 완전 차단, 또는 완전 투과만 한다는 의미이다. 패턴 크기가 해상한계에 접근하면 빛의 회절과 간섭현상에 의해 패턴의 변형이 일어난다. 이를 보상하여 얻고자 하는 패턴을 얻어내려면 chrome폭을 조정하거나 chrome 보조패턴을 추가하는 등의 방법으로 이를 보상하는데 이를 OPC(Optical proximity correction)이라 한다.

  

4. 위상 반전 마스크(Phase Shift Mask)

 

     4-1. 위상 반전 마스크의 원리

위상 반전 마스크는 마스크상에서 빛의 위상을 적절히 반전시켜 패턴의 공간주파수를 줄이거나(주기성 패턴), 가장자리 contrast를 증가시키는 간섭효과를 이용(고립 패턴)한다. 이러한 기술은 높은 해상력을 실현하며, exposure latitude 향상 및 DOF의 증가를 제공한다.

 

    

빛의 파장은 매질에 따라 달라진다. 이는 빛이 같은 거리를 진행하더라도 매질에 따라 광경로가 틀리다는 의미이다. 그림 21과 같이 Qz의 두께가 서로 다른 지점을 지나는 두 빛 a, b는 동일한 위상으로 입사하였더라도 마스크를 지나면서 발생한 광경로차로 인해 마스크를 지난 후 광경로차에 해당하는 위상차를 가지게 된다. 이 때의 광경로차 및 위상차는 아래와 같다.

rm OPD &= (n_Qz - n_air ) d# DELTA phi &= {2pi rm OPD }over lambda# rm&={2pi(n_Qz - n_air ) d } over lambda

이때, 위상을 반전(위상차 π) 시키는 Qz의 두께차(d)는 다음과 같다.

rm d = lambda over {2 ( n_Qz - n_air ) }

 

     4-2. 위상 반전 마스크의 종류

  

(1) Alternating PSM

이것은 80년대 초반 제시된 PSM으로 binary intensity mask에 shifter를 그림 22의 (a)와 같이 배치하는 방법이다. 위상반전(Shifter) 영역은 E-field가 180°반전되어 바로 옆에 있는 pattern과 간섭을 하지 않기에 binary에 비해 작은 pattern을 높은 contrast도 patterning 할 수 있다.

(2) Chromeless PSM

빛을 차단하는 크롬을 사용하지 않고 위상반전 패턴만으로 aerial image quality를 증가시키는 PSM이다. 이는 (1)에서 크롬선의 폭이 0인 특수한 경우에 해당한다고 볼 수 있다.

(3) Outrigger PSM

이 PSM은 고립된 contact hole이나 clear line같은 패턴에 위상반전 효과를 주기 위해 고안된 것으로 그림 22의 (c)와 같이 형상하고자하는 주패턴 주위에 해상한계 이하크기의 위상반전 보조패턴을 배치하는 방법이다. 이러한 보조 패턴의 역할은 자신은 웨이퍼에 나타나지 않으면서 주패턴의 image의 가장자리 contrast를 증가시키는 것이다.

(4) Rim PSM

이 PSM은 (3)에서 보조패턴이 주패턴에 붙어 있는 특수한 경우에 해당한다.

(5) Attenuated PSM

가장 늦게 제시된 PSM으로 임의의 패턴에 적용이 가능하다. Embedded PSM, Half Tone PSM등으로 불리기도 한다. 기본적으로 마스크의 dark영역은 반전된 위상과 감쇄된 진폭을 가진다.[그림 22의 (e)] 여기서 반전된 위상(음의 진폭)으로 image의 가장자리 contrast를 증가시키고, 감쇄된 진폭은 음의 진폭에 의해 감광제가 반응하는 것을 방지한다. 마스크의 제작 방법 및 위상 반전 영역의 진폭에 따라 strong PSM, weak PSM으로 나누어지기도 하는데, (1)∼(4)는 전자에 해당하고 (5)는 후자에 해당한다.

 

     4-3. 위상 반전 마스크의 문제점

 

위상반전 마스크는 Patterning 측면에서는 이득이 있으나 small sigma 조명의 적용으로 렌즈의 수차에 의한 영향을 크게 받는다는 단점도 있다. 특히 장비마다 각기 다른 Coma aberration에 의한 영향은 pattern을 Non-linear하게 이동시킬 수 있기에 적용 전에 이에 대한 확인이 필요하다.

 

(1) Strong PSM

1) Defect가 없는 마스크를 제작하기가 어렵다. ⇒ 현재 PSM이 production에 적용되지 못하는 가장 큰 이유이다. 특히 shifter defect는 detect하기도 어려울 뿐만 아니라 발견된다 하더라도 repair가 매우 어렵다.

2) 위상 반전 영역의 위상을 일정하게 제어하기가 어렵다. ⇒ 주로 Qz를 etch하여 위상 반전을 일으키는데, etch uniformity를 잘 제어하면 사용하는데 문제가 없는 마스크를 제작할 수 있다.

3) Qz etch된 위상 반전 영역의 측벽에서 발생하는 빛의 산란현상으로 위상 반전 영역의 transmittance가 떨어진다. ⇒ Qz dry etch이후에 Qz wet etch를 이용하여 크롬 뒤의 Qz를 적당한 깊이로 제거하면 transmittance error을 충분히 감소시킬 수 있다.

4) 간섭효과를 충분히 얻기 위해서는 low σ를 사용해야 하는데, 이는 렌즈 수차에 매우 취약한 특성을 가진다. ⇒ 되도록 렌즈 수차가 적은 결상계(stepper보다는 scanner)를 이용하고 필요이상의 low σ를 사용하지 않는다.

5) phase conflict

위상이 바뀌는 경계에서는 빛이 상쇄간섭을 일으켜 그림 23의 (b)에서와 같이 원하지 않는 영역에서 패턴이 형성되는 현상이다. ⇒ 경계지역을 다중 위상으로 처리[그림 23의 (c)]하거나 이중 노광[그림 23의 (d)]으로 원하지 않는 패턴을 제거한다.

  

(a) standard layout

(b) two-phase alternating shifter PSM

(c) multi-phase alternating shifter PSM

(d) second exposure mask

 

(2) Weak PSM

1) Background가 진폭이 0이 아니므로 secondary lobes가 심하다. ⇒ 투과율과 마스크 패턴을 조절하여 secondary lobes를 최소화한다.

2) Low σ를 사용할 경우 렌즈 수차와 phase error가 심하게 나타난다. ⇒ 적절한 σ의 사용과 phase를 엄격하게 제작한다.

3) Die의 경계에서 발생하는 4중 노광지역의 P/R loss가 심하다. ⇒ Scribe lane 바깥에 최적화된 opaque ring 처리를 한다. 주로 해상한계이하의 contact hole array가 사용된다. 근래 DUV PSM에서는 chrome막을 처리하는 추세이다.

4) 노광장비에서 reticle align fail이 발생하는 경우가 있다. ⇒ Reticle align mark 주위를 chrome막으로 처리한다.