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제 9 장 Lithography I

1. Introduction

▢ Optical Lithography 기술의 발달 과정

Year of 1st DRAM Shipment 1997 1999 2003 2006 2009 2012

DRAM Bits/Chip 256M 1G 4G 1G 64G 256GMinimum Feature Size nm

Isolated Lines (MPU)Dense Lines (DRAM)

Contacts200250280

140180200

100130140

70100110

507080

355040

ΔL: 3σ (nm) 20 14 10 7 5 4Overlay: 3σ (nm) 85 65 45 35 25 20

DRAM 칩 크기 (mm2) 280 400 560 790 1120 1580MPU 칩 크기 (mm2) 300 360 430 520 620 750

Field Size (mm) 22x22 25x32 25x36 25x40 25x44 25x52Exposure Technology 248nmDUV 248nmDUV

248nmor193nmDUV193nmDUV 193nmDUV 193nmDUV

Minimum Mask Count 22 22/24 24 24/26 26/28 28

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▢ Photolithography- Photo: light, Litho: stone, Graphy: writing

▢ Image Transferring

- Steps of Photolithography Process

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▢ Typical Processes following lithography process

▢ Key Topics- Minimum Feature Resolution

- Depth of Focus

- Overlay Errors

- Photoresist Response

- E-beam and EUV lithography

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2. Photoresist Mechanism

(1) 기본적인 PR의 전문용어 • Mask or Reticle, Developer, Photoresist (PR) (2) PR의 구성 성분

① Resin (고분자 수지): Novolac

- 결합체 (matrix)

- 빛과 반응하지 않음

- PR의 접착력 및 에칭 저항력 향상

- 현상액에 의해 잘 용해됨

② PAC or PAG (Photoactive compound or Photo Acid generator)

- Diazonaphthaquinones

- 빛과 반응하는 물질

- 빛이 쪼여지면 carboxylic acid로 분해되어 더

이상 수지를 현상액으로부터 보호하지 못함

③ 용매 (Solvent)

- n-butyl acetate + xylene + cellosolve

acetate로 구성

- PR을 액화시키는 역할 함

④ Additives

• PR의 기본 기능- precise pattern formation

- protection of the substrate during etch

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(3) PR의 특성

▢ Contrast- 노광부와 비노광부의 용해성의 차이를 말한다. 이 차이

가 크면 클수록 패턴 모양이 우수하고 공정 마진도 크다.

• resist contrast (γ) = log

= 5 ∼ 10

* : sensitivity

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▢ Sensitivity (감도)- photoresist가 빛에 대해 반응하는 민감도를 의미한다.

- 감도가 작으면 분해를 위해 많은 빛이 요구되며, 따라

서 photospeed가 느려진다. 반면에 크게 되면 speed는

빨라지나 빛의 산란, 회절, 반사 등의 영향을 많이 받아

패턴 모양이 나빠지며, 노광기의 초점거리에 의한 패턴의

변화가 심한 단점이 있다.

▢ Photospeed- 현상 속도를 말한다. 생산성에 영향을 주는 인자이다.

너무 빠르면 공정 마진이 줄고 CD 바이어스가 크게 나옴

으로 공정 자체가 불안해진다. * CD 바이어스 = DICD - CD Spec.

▢ Resolution (해상력): PR 간의 수준차를 보여줌 ▢ Thermal Stability- Photo 공정의 최종 단계에서 hard bake 해준다. 이는

PR을 고온에서 가열하여 resin 간의 cross-link(가교 결

합)을 증가시켜 내화학성, 내열성을 향상시킨다. 이때 PR

의 열적 성질이 약하면 PR이 녹아 흘러 공정이 망가진다.

따라서 PR 자체의 열적 특성이 좋아야한다.

▢ Adhesion (접착력)- PR은 다양한 종류의 막에 대한 접착력이 좋아야 한다.

접착력은 resin의 분자량이 클수록 좋아진다.

▢ Etching resistance- PR이 강한 etching 조건을 잘 견디어주어야 원하는

etching 패턴을 얻을 수 있다. 이 Etching resistance는

PR의 열적 성질, 접착력, 공정 조건에 따라 좌우된다.

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(4) Two Types of Resist

① Negative PR: 노광된 영역에서 PR이 남음

② Positive PR: 노광된 영역에서 PR이 제거됨

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▢ 두 가지 타입 PR의 특성 비교• 현재 거의 모든 공정에서 positive PR이 사용되고 있음• Positive PR의 해상력이 negative PR보다 월등히 높음 • PR은 끊임없이 변함 : 노광 빛의 파장에 맞추기 위하여 • Negative PR은 단지 특수한 공정에서만 사용되고 있음

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▢ 두 가지 (Clear vs. Dark) Mask Types

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(5) PR Processing

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① Substrate cleaning

② Dehydration bake (웨이퍼 표면 습기제거) • PR의 접착력 증가를 위해 400℃에서 oven bake ③ Priming (웨이퍼 표면에 접착제 도포)• bake 끝나자마자 HMDS를 웨이퍼 표면에 spinning

또는 vapor priming으로 coating * HMDS: hexamethyldisiliazane

④ PR Spin Coating• 3000-7000 rpm에서 20-30초 동안 spinning • PR 두께는 spin speed와 PR의 점성도에 의해 결정 • 점성도가 온도에 민감하므로 온도를 ±1℃로 제어 • Spin 동안 솔벤트의 증발로 인하여 웨이퍼의 온도가

하강하고 따라서 웨이퍼가 습기흡수, 이를 방지하기 위해 습도를 50% RH 이하로 유지

• 두께 균일도: ±100Å 이내

⑤ Soft-bake (prebake)• PR의 솔벤트 제거 (20-30% -> 4-7%), 접착력 증가

및 spin 동안 형성된 stress 제거 목적

• 90 - 100℃ 에서 bake • Oven type: convection, infrared(IR), hot plate 등 ⑥ Exposure (노광) • 적게 하면 scumming, 많이 하면 notching과 pin

hole 발생

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⑦ Post-Exposure Bake (PEB): optional• 정상파효과 감소위해 사용• Flood exposure, Flood Treatment exposure,

reactive gas treatment, vacuum treatment 등이 있음

⑧ Development (현상)• 자외선 에너지를 흡수하여 화학변화를 한 PR을 화학

적으로 에칭 • 보통, PAC의 광화학반응으로 PR내에 형성된

carboxylic acid를 유지암모늄 수용액으로 제거 • 현상 결과는 노광시간, prebake 온도, 현상액 농도,

현상 온도(보통 23±0.5℃), 현상시간, agitation방법 등에 의해 결정

⑨ Post-bake (hard bake)• PR 또는 에칭 면에 잔류한 현상액, rinse 액, 세정액

등을 휘발․제거하여 PR의 내식각성/접착성을 증가시킴 • 고온일수록 효과가 크기 때문에 PR이 경화하여 flow

하는 순간의 온도 (120-150℃에서 실시 • 최대온도는 PR의 경사가 최소 80°이상이되도록 결정 • 다음 공정이 과도한 에칭 공정이기 때문에 PR의 내식

각성을 크게 증가시킬 필요가 있을 경우에는 Deep UV Hardening을 실시

※ Deep UV hardening: deep UV를 쪼여주면서 고온에서 (보통 120-190℃까지 온도 ramp) 약 60초동안 bake

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(6) 패턴 크기의 불안정의 주 원인

▢ PR의 두께 차 tan

▢ 빛의 산란과 반사

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• Swing ratio: R1: reflectivity at resist/ air interface

R2: reflectivity at resist/ substrate interface

α: absorption coefficient

D: resist thickness

• 해결책① R1 ↓ ===> TAR (top anti•reflector)② R2 ↓ ===> ARC (anti•reflection coating) ③ α ↑ ===> dyed resist

④ Δφ ===> broad band exposure

• Anti-reflection Coating (ARC)- optimization of ARC optical parameters

- highly absorbing (70-85% of radiation penetrating

resist)

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▢ 정상파 효과 (standing wave effect)• 노광시 입사광과 반사광이 서로 결합하여 정상파를 형성함으로 말미암아 감광 막의 두께에 따라 노광하는 빛

의 세기에 불균일 발생

• 해결책: ARC/ TAR, Dyed resist, MLR, Over•exposure, PEB

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(7) Multilayer Resist (MLR) Processes

▢ Substrate에서의 step의 높이가 선폭보다 큰 경우에는 step의 top 부근의 resist가 step의 bottom 부근의

resist 보다 심각하게 얇아 resist의 선폭의 크기 차이 및

focusing의 문제를 야기 => MLR 공정 사용

▢ MLR 공정 과정① step 높이보다 두껍게 organic layer 증착

② pre-baking

③ thin imaging layer 증착

④ imaging layer에 pattern 형성

⑤ imaging layer의 pattern을 두꺼운 bottom layer에

전달. 이 때, imaging layer는 blanket exposure or

etching mask로 사용

▢ Example: Organic Tri-layer Processes

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(8) Image Reversal

▢ 공정① positive PR을 manazoline으로 doping

② initial exposure: mask를 사용하여 노광: 빛이 통과

한 영역에서는 manazoline이 PAC과 반응하여 현상액에

녹지 않는 indene을 형성함

③ flood exposure

④ 현상: indene이 형성되지 않은 영역만 제거됨

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(9) 차세대 Lithography를 위한 PR 개발

▢ Optical 노광 장치의 발전 동향① Hg-Xe lamp Lithography (Xe: Xenon)

- g-line (436 nm)

- h-line (405 nm)

- I-line (365 nm)

② DUV (Deep Ultra-Violet) Lithography

- KrF excimer laser (248 nm): 해상력 = 0.18μm

- ArF excimer laser (193 nm): 해상력 = 0.10μm

- F2 excimer laser (157 nm): 해상력 = 0.07μm

③ EUV (extreme Ultra-Violet) Lithography

- Discharge-produced Sn Plasma: 13.5 nm

- Laser-produced Xe Plasma: 11.4 or 13.5 nm

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▢ DUV Lithography 용 PR 개발

원자외선 노광 (deep UV lithography: 248nm and

193nm)에서, 기존의 감광제들은 높은 양의 원자외선

노광을 요구하는데, 이때 렌즈 손상과 낮은

throughput이 발생

↓화학적 증폭 감광제(CAR: chemical amplified resist)

개발

• 화학적 증폭 감광제는, ① 포토-산 생성자 (PAG: photo-acid generator)

② 고분자 수지 (polymer resin)

③ 용매 (solvent)로 구성

- 원자외선 조사에 매우 민감하다.

- 현상액에서

노광된 영역의 용해도 >> 노광 않된 영역의 용해도

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Year of 1st DRAM Shipment 1997 1999 2003 2006 2009 2012

DRAM Bits/Chip 256M 1G 4G 1G 64G 256GMinimum Feature Size nm

Isolated Lines (MPU)Dense Lines (DRAM)

Contacts200250280

140180200

100130140

70100110

507080

355040

ΔL: 3σ (nm) 20 14 10 7 5 4Overlay: 3σ (nm) 85 65 45 35 25 20

DRAM 칩 크기 (mm2) 280 400 560 790 1120 1580MPU 칩 크기 (mm2) 300 360 430 520 620 750

Field Size (mm) 22x22 25x32 25x36 25x40 25x44 25x52Exposure Technology 248nmDUV 248nmDUV

248nmor193nmDUV193nmDUV 193nmDUV 193nmDUV

Minimum Mask Count 22 22/24 24 24/26 26/28 28