여러분들 오늘은 EUV 노광기술의 A부터 Z까지 간략하게 다루어보도록 하겠습니다. 면접 시즌이다 보니 많은 분들이 EUV에 대한 요청이 많이 와서 숙제를 풀듯이 한 번 작성해보았습니다. 작은 도움이라도 되셨으면 좋겠습니다.
[질문 1] EUV 노광 기술의 출현 배경에 대해서 설명해주시겠어요.
차세대 반도체 Logic Technology는 고도의 단위 공정기술의 발전으로 더욱 우수한 PPAct (Performance, Power, Area, Cost, Time to Market) 달성을 할 수 있게 되었습니다. 모든 단위 공정이 중요하지만, 초미세화가 가능했던 이유는 단연 노광기술입니다. 소자가 점점 더 미세해지면서 ArF-immersion 노광기술은 한계에 봉착하였고, 결국 13.4nm의 극단파장인 극자외선을 활용한 EUV 노광기술이 출현하게 되었습니다. EUV는 극단파장의 광원을 이용하기에 Single Exposure만으로도 Resolution을 압도적으로 향상시킬 수 있어, 지금의 FinFET, GAAFET과 같은 새로운 Structure의 Device Architecture를 구현 및 3D Integration과 같은 기술의 창을 열 수 있게 되었습니다.
[꼬리 1-1] ArF-immersion의 한계라고 하셨나요?. 한 번 설명 해주시겠습니까.
22nm node 이하에서 FinFET이 출현하고 5nm node까지 Fin의 Scaling을 통해 PPA의 Challenge를 해결했습니다. 그러기 위해서는 Fin의 Fine Pitch 구현이 Key Factor이었고, High Resolution의 노광기술이 요구됐습니다. 기존의 ArF-immersion의 해상도는 한계가 있었고,Double Patterning, SADP(Self-alined Double Patterning), SAQP(Self-aligned Quadruple Patterning)과 같은 Low-k1 Technology를 통해 Resolution을 향상시킬 수 있었습니다. 3nm node에서 Channel 전면을 Gate가 감싸는 구조인 Gate-All-Around FET이 출현하게 되면서 ArF-immersion을 이용한 노광기술은 Fine Pitch를 달성하는데 한계에 봉착하게 됩니다.
[꼬리 1-2] 자꾸 한계라고 말씀하시는데, 판서를 사용하셔도 되니 ArF-immersion의 가능 Resolution을 설명해줄 수 있을까요.
ArF 광원의 파장은 193nm입니다. Common한 ArF 설비의 NA는 1.35 정도로 알고 있습니다. ArF-immersion 노광공정을 통해 42nm, 40nm, 38nm 계속 줄여나가다 보면, 36nm Half Pitch에서는 Wafer 상에 원하는 Line Pattern이 형성되지 않습니다. 이러한 물리적인 한계점은 공정 난이도를 나타내는 k1 Factor를 통해 알 수 있습니다. 42nm Half Pitch의 Line & Space의 k1 Factor는 약 0.290, 40nm는 0.280, 38nm는 0.265 입니다. 이렇듯 Low-k1 Technology를 통해 더 미세한 Line Pattern을 형성할 수 있죠. 그런데, 이론 상으로 k1 Factor가 0.250 이하로 낮아지게 되면 Mask를 통과한 회절된 빛이 렌즈를 벗어나게 되면서 Imaging이 되지 않는 물리적 한계를 가지게 됩니다. 즉, 36nm Half Pitch Line & Space 일 때, k1 Factor는 ~0.251인 것을 감안하면, 최종적으로 ArF-immersion의 경우, 35.7nm (k1 = 0.25) 일 때, Resolution의 한계를 가지게 된다고 볼 수 있습니다.
따라서 우리는 고집적화를 위해서 ArF-immersion의 35.7nm 이하 Resolution 한계 극복이 요구됐고, 13.4nm의 극단파장의 EUV 노광기술이 출현한 것입니다.
[질문 2] EUV 노광기술과 DUV 노광기술의 차이에 대해서 설명해주세요.
첫 번째로, DUV와 달리 EUV 노광 설비는 진공 환경을 가지고 있습니다. 13.4nm의 극단파장의 광원을 사용하는 EUV의 경우, 높은 에너지의 광이 입사되게 되면 거의 모든 물질에서 에너지가 흡수됩니다. (EUV 광자의 Energy ~ 91.35eV : 대부분의 원자 궤도에 있는 전자를 떼어낼 수 있는 크기). 뿐만 아니라 고에너지의 빛은 높은 직진성을 가지고 있기에, EUV의 광이 입사되면 설비 내부에 부유하는 입자와 충돌하여 산란이 되면서 빛의 경로가 틀어지게 되는 문제가 발생합니다.
두 번째로, 투과형 광학계인 DUV와 달리 EUV는 반사형 광학계를 이용하여 회로 패턴 정보를 Wafer에 전달합니다. 빛은 매질이 서로 다른 물질의 계면에서 일부 반사가 일어나고, 일부는 굴절하며 투과합니다. 또 다른 일부 빛은 물질에 흡수됩니다. EUV는 고에너지의 직진성이 강한 빛을 Bragg's Mirror를 이용하여 반사율을 극대화 시켜 Wafer에 Imaging을 시키게 됩니다.
EUV 브래그 미러를 이해하기 위해서는 프레넬의 반사 법칙 & 브래그 법칙 이 2가지에 대한 이해가 필요합니다. 프레넬 법칙은 앞서 설명드렸듯이, 특정 입사각을 가지고 들어오는 빛이 서로 다른 굴절률을 가지는 매질의 계면을 만나게 되면 반사율과 투과율이 결정되는 법칙을 나타냅니다. 브래그 법칙은 특정 파장과 입사각을 가지는 빛이 보강간섭 혹은 상쇄간섭을 일으키는 조건을 의미합니다. (nλ=2dsinθ, 파장의 정수배는 보강간섭을 일으킴) 두 매질의 굴절률 차이가 크면 클수록, 두 매질 계면에서의 반사율은 커지게 됩니다. 하지만 대부분의 막질의 굴절률 차이는 그리 크지 않기 때문에, 투과하는 빛이 생기기 마련이고 반사율을 극대화 시키기 위해서, 여러 주기의 막질을 겹겹히 쌓아 올리는 것입니다. 또한 입사하는 빛과 계면에서 반사하는 빛의 위상차가 브래그 법칙에 의하여 파장의 정수배가 되면 보강간섭이 일어나게 되면서 반사율을 극대화시킬 수 있습니다.
[꼬리 2-2] 그럼 EUV Mask의 Challenge에 대해서 설명해주시겠습니까.
EUV Mask 역시 미러 형태의 브래그 다중층 반사경 구조를 가집니다. 마찬가지로 13.4nm의 EUV 광의 반사율을 극대화 시키기 위해서 굴절률이 서로 다른 Mo/Si Bilayer를 여러 겹으로 적층함으로써 (40-50주기) 반사율을 극대화시킵니다. 하지만 이러한 복잡한 구조의 Mask를 사용한다 하더라도 현재 EUV Mask의 반사율은 최대 ~60% 수준으로 알고 있습니다. 40%의 에너지는 흡수나 산란으로 손실된다는 것입니다. 뿐만 아니라, 고에너지의 빛을 흡수하게 되면 일부 미러의 뒤틀림이나 결함이 발생하기 쉽습니다. 또한 회로 패턴을 형성하기 위해서 Ta or TaN 과 같은 흡수층을 이용하여 Mask 상에 회로 패턴을 형성하는데, 해당 패턴이 단차를 가지고 있기 때문에 Mask 3D Effect가 발생할 수 있습니다.
따라서, 우리는 반사율을 극대화 시키면서, 고에너지 흡수에 따른 뒤틀림이나 결함이 적고 열에 잘 견디는 혹은 방출하는 기판을 사용하며, 명확한 패턴 형성을 위해 EUV 광의 흡광률이 높은 물질을 사용하여 회로 패턴을 형성해야 하는 것이 바로 EUV Mask의 Key Challenge라고 할 수 있습니다.
[질문 3] 설마 이것까지 준비하셨을까요..?ㅎ. EUV 노광장비에서 빛의 경로에 대해서 간단하게 설명해주세요.
잠시 생각할 시간을 주시겠습니까. 넵. 답변 드리겠습니다. EUV의 빛은 LPP (Laser Produced Plasma) 방식으로 만들어집니다. LPP는 Laser를 통해 EUV 파장을 얻는 방식인데, 간략하게 설명드리자면 tin droplet(물방울)을 강한 에너지의 CO2 Laser를 이용하여 1초에 50,000번 정확하게 맞추어 Plasma 상태로 만들고, 이때 방출되는 13.4nm 파장의 EUV 광을 추출합니다. 이렇게 LPP 방식으로 만들어진 EUV 빛을 Collector를 통해 집광되고 EUV 노광장비 안으로 전달 됩니다. 이때, IF (Intermediate Focus)에서 하나의 점 형태로 빛이 Focusing 되는데, IF는 EUV 노광장비에서 하나의 기준 위치가 됩니다. IF를 통과하여 노광장비 안쪽으로 들어온 EUV 광은 Illuminator와 Mask 그리고 Mirror 형태의 Projection 광학게를 거쳐 Wafer에 전달됩니다.
[꼬리 3-1] EUV 광원에 대한 Key Challenge는 무엇일까요.
단연, EUV 광의 Key Challenge는 광수율을 높이는 것입니다. 앞서 말씀드린 EUV 광을 만들고, Wafer에 전달하기 까지 EUV는 극악의 효율을 가집니다. 이전에 말씀드렸다시피 Mask의 반사율은 ~60% 정도입니다. EUV 빛이 Wafer에 도달하기 까지 Illuminator에서 4개의 Mask, 6개의 Projection Optics 까지 총 11개의 브래그 미러를 지나는 과정에서 초기 LPP Source에서 추출한 EUV 광 중 약 0.4%만이 Wafer로 전달됩니다.
따라서 99% 이상의 에너지 Loss가 발생하는 이슈가 현재 EUV 노광기술에서 다루어야 할 근본적인 이슈이며, 이는 높은 생산성을 달성해야 하는 EUV 공정을 개발하는 데 있어 반드시 극복해야 할 Key Challenge라고 할 수 있습니다.
[질문 4] EUV의 Photoresist 특징에 대해서 설명해주시겠어요.
EUV 감광제는 EUV 광자가 Resist에 도달하게 되면, Resist 안에 Robustness를 향상을 위한 Polymer Resin과 만나면서 그 위치에서 2차 전자를 발생시키게 됩니다. 이렇게 발생한 2차 전자는 주변의 PAG를 Activation 시킴으로써 Acid (Proton, H+)를 발생시키고, 후속열처리 공정을 통해 Acid를 확산시켜 Pattern을 형성합니다. 이렇듯, EUV Resist의 경우 DUV Resist인 CAR(Chemical Amplified Resist) type인 화학증폭형 Resist와 유사한 Mechanism을 가지지만, DUV의 광이 PAG에 Direct로 전달되어 Acid를 발생시키는 것과 달리 EUV의 경우 PAG로 전달되지 못 하고, 높은 흡수율에 의해 Polymer Resin에 1차적으로 흡수하는 Step을 거치게 됩니다. 그로 인해, 감광 Speed가 떨어지고 효율이 저하되면서 Throughput의 이슈가 생길 수 있습니다.
[꼬리 4-1] EUV의 Photoresist의 Key Challenge에 대해서 설명해주세요.
EUV Photoresist를 이해하기 위해서는 Shot Noise에 대한 개념을 먼저 언급해야 할 것 같습니다. 193nm ArF 대비 1/14 (13.4nm) 만큼의 짧은 파장을 가지는 EUV 광자 하나가 가지는 에너지는 기존 ArF 광자 하나 대비 14배 보다 큰 수준의 에너지를 가집니다. 이는 다시 말해, 동일한 Threshold Energy를 가지는 Resist를 감광시킨다고 했을 때, 포톤의 개수가 1/14로 감소한다는 것을 의미합니다. 예를 들어, ArF가 140개의 광자로 Resist를 감광시켰다면, EUV는 10개의 광자면 충분합니다. 그렇다면 적은 Exposure Dose량을 사용하니 Throughput이 향상될 수 있으니 긍정적이라고 생각하실 수 있으나, 눈에 띠게 감소한 광자의 밀도는 EUV 노광 기술로 패턴을 형성하는데 있어 Noise와 같이 작용될 수 있습니다. 즉, Mask를 통과한 빛이 Wafer 상에 정확한 위치에 전달되어야 하지만, Mask 정보를 전달하는 매개체인 광자의 부족으로 정보전달에 왜곡이 발생할 가능성이 높은 것입니다.
따라서, EUV의 낮은 광자 밀도에도 노광영역과 비노광영역을 명확하게 구분해야 하는 EUV 전용 Photoresist 개발이 Key Challenge라고 할 수 있습니다.
※ Tip : Challenge of EUV Photoresist Development EUV는 광자 밀도가 굉장히 낮습니다. 그리고 Resist 물질 자체에서 낮은 광흡수율로 인해, 위 그림과 같이 Shot Noise 현상으로 LER 특성이 현저하게 저하됩니다. 따라서 EUV 전용 Resist는 고흡수율, 고감도 소재의 개발이 필요하죠. 또한, EUV Resist의 경우, 불균일한 조성으로 Acid (Proton, H+) 확산 제어가 상당히 어렵고, 유기 PR 사용 시 낮은 기계적 강도로 패턴이 붕괴되는 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 균일 분자 소재와 단위 분자 내에서 반응이 화학적 증폭 기작이 필요하며 높은 기게적 강도의 무기소재가 EUV 용 Resist로 활발히 연구되고 있죠. (특히 Tin 계열). 해당 내용은 하기 EUV Resist 링크에서 자세히 확인할 수 있습니다.
[꼬리 4-2] EUV Photoresist 개발 추이에 대해서도 알고 계실까요.
충분히 알고 있다고 자부할 수 있습니다. 그런데 면접관님들의 압박면접이 너무 심해서 공황이 온 것 같습니다. 해당 답변은 하기 링크를 참고 부탁드리겠습니다..
[ EUV Photoresist : Resolution x Sensitivity x Line Edge Roughness 항목 설명 ]
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