[포토공정] 훈련 9 : "ArF-immersion, DPT, QPT에 대해서 설명하세요"

반도체사관학교 중위 교육생 단계

드디어 여러분들은 중위 단계까지 오셨습니다.
말년 중위의 무서움을 여러분들이 아시는지 모르겠지만 어딜가든 조직내 실세라고 할 수 있습니다.
물론 단기자원만..
아무튼 여러분들은 포토공정에 대해서 실세가 되었습니다.
조금만 더 참고 달려봅시다.

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[질문 1]. ArF-immersion 공정에 대해서 설명하세요.

• Keyword : [ArF-i, immersion, Water, 굴절율, DOF, Resolution, n=1.44, 193nm → 134nm, DOF(150nm), Resolution(40nm)]

ArF는 193nm의 Eximer laser를 광원으로 하는 노광 설비입니다. 기존의 공기로 차있는 웨이퍼와 Projection lens 사이의 매질을 물을 사용함으로써 Resolution과 DOF를 향상시키는 기술입니다. 현재 ArF를 사용하는 스캐너 설비로 구현할 수 있는 디자인 룰은 스펙업 한계에 도달했고, 웨이퍼와 렌즈 사이에 높은 굴절율의 물을 사용하여 높은 NA값을 확보함으로써 성능 향상을 할 수 있게 됐습니다.

 
[꼬리 1-1]. 물을 매질로 사용하면 어떤 효과기 있는지 설명해보세요.

물을 매질로 사용하는 액침노광의 경우, Resolution과 DOF를 향상시킬 수 있습니다. 입사된 빛은 매질에서 굴절이 일어나고 굴절된 빛은 DOF를 향상시킵니다. 굴절된 빛이 DOF를 향상시킬 수 있는 원리는 빛이 퍼질수록 DOF가 감소하는데 빛이 굴절되면서 모아지는 효과가 있기 때문입니다. (그림참고). 빛이 물에서 굴절되면서 Aperture angle이 작아지고 DOF는 향상됩니다. 

 

 
 
[꼬리 1-2]. Resolution은 왜 향상되는지 설명해보세요. [여기서 헷갈리시면 안됩니다.]

Numerical Aperture, NA의 이론적인 수치는 1입니다. 렌즈가 무한정 커질 수 없음을 의미합니다. 이는 변함이 없습니다. 높은 굴절률을 사용할 경우, 'NA=nsinθ' 공식에서 기존 공기 매질 (n=1) 보다 높은 굴절률의 매질인 물 (n=1.44)의 도입으로 굴절이 일어나고 θ가 작아지게 됩니다. (NA의 이론적인 수치 = 1). 그로 인해, DOF가 커지게 된 것입니다. ArF 노광설비의 스펙업이 한계에 봉착한 이유는 193nm로 규격화된 광원에서 NA를 무한정 키울 수 없기 때문이었습니다. 그 이유는 Resolution과 trade off 관계인 DOF 때문이었습니다.  ArF-immersion 기술을 통해 수직공정마진인 DOF가 커지게 되었고, 기존 설비보다 더 큰 NA를 가지는 Lens를 사용할 수 있게 됐습니다. 그 결과 ArF-immersion 공정은 기존 ArF-dry 대비 DOF를 약 150nm 정도, Resolution을 약 40nm 정도 향상시키는 결과를 얻었습니다.   

 
[꼬리 1-3]. ArF-i 공정의 이슈에 대해서 설명해보세요.

ArF-i는 웨이퍼와 Projection lens 사이에 굴절률이 높은 매질인 물이 첨가됩니다. 물은 Photoresist와 Lens에 맞닿게 되고, 이는 PR 감광제 or 첨가제 일부가 용매에 의해 용해가 됩니다. 그로 인해 패턴이 오염되고 Lens가 오염되는 이슈가 발생합니다. 그리고 Photoresist 표면에 잔여 미세 방울이 존재하여 이는 Pattern 불량 즉, Defect을 발생시킬 수 있습니다. 마지막으로 용매 또한 특정 파장의 빛에서 흡수율을 가지기 때문에 빛 에너지를 흡수할 가능성이 있습니다.

 
[꼬리 1-4]. 그 이슈를 어떻게 해결할 수 있죠.

ArF-i의 이슈를 극복하기 위해서는 우선 재료공학적 접근으로 Photoresist 소재가 물에 용해되지 않도록 소수성을 강화시키는 방법이 있습니다. 혹은 Photoresist의 용해와 오염을 방지하기 위해 topcoat를 도입합니다. 그리고 물 외에도 적절한 굴절률을 가지는 용매 매질을 채택함으로써 극복할 수 있습니다.

 

[세부셜명] : Resolution = k1 λ/NA = k1 λ/nsinθ, n=매질의 굴절률

ArF 파장은 193nm로 양산에서 쉽게 구현할 수 있는 광원 중에서 가장 단파장입니다. 물의 절대 굴절률은 보통 1.33이고, ArF 파장에서 물의 굴절률은 1.44 값을 가집니다. ArF-immersion 공정은 193nm의 광원을 사용하는 ArF 공정의 Resolution을 향상시켰고, 이는 134nm의 단파장을 만들어내는 효과를 얻었습니다.

 

[질문 2]. Double Patterning Tech (DPT) 공정에 대해서 설명하세요.

DPT 공정은 Double Patterning Terch로 정해진 파장과 정해진 lens 크기 즉, 기존 스캐너 설비를 이용하여 k1 공정상수 값을 낮춤으로써 미세패턴을 구현할 수 있는 기술입니다. DPT 기술은 이미지 field를 형성할때, 두 번의 패터닝 공정을 통해 원하는 최종 이미지 field를 형성합니다. DPT 기술에는 2번의 노광과 2번의 에치 공정이 도입되는 LELE (Litho-Etch-Litho-Etch)와 LFLE (Litho-Freeze-Litho-Etch) 그리고 Self-Aligned Double Pattern, SADP 방법이 있습니다. DPT 기술의 장점은 미세패턴을 형성하기 위해 고가의 스캐너 장비를 사용하는데, ArF-i or EUV와 같이 새로운 공정이 도입되는 것이 아니라 기존 설비를 두 번 나우어 찍기 때문에 기존 설비를 사용할 수 있다는 장점이 이습니다. 이렇게 추가 공정을 통해 패터닝을 진행하면 ArF-i로 구현하기 어려운 22nm, 25nm를 실현할 수 있습니다.

 
[꼬리 2-1]. Quadruple Patterning Tech (QPT) 기술에 대해서 설명해보세요.

QPT는 Quadruple Patterning Tech로 기존의 Double Patterning Tech, DPT 기술 중 SaDPT (Self-aligned Double Patterning Technology)를 반복함으로써 미세패턴을 구현하는 기술입니다. 첫 번째 DPT에서 회로 패턴을 형성한 후, 두 번째 공정에서 회로 사이에 또 다른 패턴을 추가함으로써 초미세 패턴을 구현할 수 있습니다. 기존의 ArF 장비를 이용하여 구현 가능하며 현재 EUV 기술보다 생산효율이 높아 EUV의 백업기술로 알고 있습니다. 단점으로는 CVD/Etch/CMP 공정이 추가되면서 공정 수의 증가로 원가가 증가하고, 미세화가 갖는 원가절감의 효과를 떨어트리게 됩니다. 현재 QPT 기술은 10nm 이하 공정에서는 불가능할 것이라 판단하고 있으며, 공정의 미세화를 위한 대체 광원이 현재 존재하지 않습니다. (초기 X-ray, E-beam이 후보로 채택되었으나 부적합으로 판단됨)

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ArF-immersion, 멀티패터닝 공정인 DPT, QPT에 대해서 교육하였습니다.
포토공정 단계에 대위(진)이 되신 것을 축하드립니다.
이것으로 교육을 마치겠습니다.
충성!