[포토공정] 훈련 3 : "Illumination mode, OPC, PSM 기술"

반도체사관학교 상병 교육생 단계

---

빛이 들어오게 되면서 마스크 패턴들이 웨이퍼에 잘 도달하게 만드는 것이 리소그래피 기술 중에 대부분을 차지합니다. Input layer (설계 마스크), Illumination mode (빛의 경로)

[질문 1]. 이미지 패턴이 웨이퍼에 이미징 되기 위한 공식에 대해서 설명하세요.

• Keyword : [Pitch, NA, 회절각, off-axis illumination mode]

'sinθ = λ/P', 이미지 패턴이 웨이퍼에 이미징 되기 위해서는 마스크를 만나 회절된 빛의 회절각 Sinθ가 렌즈의 크기 NA보다 작아야 웨이퍼에 이미징 될 수 있습니다. 수직으로 웨이퍼에 들어오는 빛을 0차광, 회절된 빛을 1차, -1차광이라 했을 때, 회절광의 회절각이 NA보다 작아야 렌즈 안으로 빛이 들어오게 되고 웨이퍼에 이미징이 됩니다.

[용어설명]
1. Pitch (P) : 반복되는 패턴과 패턴 사이의 기본 간격을 의미.
2. NA (Numerical Aperture) : 보통 '렌즈의 크기'를 나타내지만, 렌즈의 유효한 부분을 재현하는 Aperture의 size를 수치화된 개념으로 lens가 capture 할 수 있는 '최대 회절각'을 의미. 이상적인 값 'NA = 1'
[세부설명, 'Off-axis illumination mode'] : 똑바로 들어오는 빛을 'on-axis', 패턴을 만나서 경로가 바뀌는 빛을 'off-axis'라고 정의합니다. 빛이 들어오면서 마스크의 크롬의 경계면에서 빛이 들어오면서 회절이 발생합니다. 이때 회절된 빛의 경로차를 θ로 정의하고 0차, 1차, -1차로 정의합니다. 렌즈에 0차, 1차광의 빛이 온전히 들어와야 웨이퍼 상에 이미징이 됩니다. 벗어난 빛은 이미지가 만들어지지 않습니다. 이를 개선한 것이 'off-axis illunmination mode'입니다. 렌즈를 통해 회절이나 산란된 +1, -1 차광 off-axis 광이 렌즈 안에 모두 들어올 수 있도록 레이저를 중앙이 아닌 좌우로 약간 이격된 거리에서 입사시키는 방법을 말합니다.

[꼬리 1-1]. 포토공정에서 illumination mode에 대해서 이기 해보아라.

실질적으로 광원을 조절할 수 있는 3가지 illumination mode에 대해서 말씀드리겠습니다. 첫 번째는 Wavelength 파장입니다. I-line, KrF, ArF, EUV 순으로 단파장의 광원을 사용할 수록 더 작은 크기의 미세패턴을 구현할 수 있습니다. 두 번째, 빛의 경로를 on-axis가 아닌 off-axis illumination으로 조사하여, 회절광이 렌즈에 최대한 많이 들어오도록 하는 방법입니다. 세 번째는 조리개를 이용하여 둥근형태의 기존 광원을 복잡한 조리개를 사용하여 Flexray 같은 복잡한 모양의 빛을 만들어서 사용하는 방법입니다.

[꼬리 1-2]. 복잡한 조리개를 사용하면 무엇이 좋은데?

Conventional 광원은 둥근형태의 beam 모양을 가집니다. 빛은 외곽으로 갈수록 빛의 intensity가 작아지는 특성을 가지고 있습니다. 이 특성은 미세패턴을 구현하는데 있어 패턴의 불균일한 감광 프로파일을 초래합니다. 그래서 미세패턴을 구현하게 되면서 점점 더 복잡한 빛의 모양이 채택되고 있습니다. 패턴이 작아짐에 따라 빛의 산란이 심화되고 외부로 나가기 때문에 복잡한 조명계를 사용하여 빛을 모아주는 기술이 요구되고 있습니다.

---

[질문 2]. OPC (Optimal Proximity Effect and Correction) 에 대해서 설명해보세요.

• Keyword : [OPC, 마스크, Calibration]

OPC 기술은 Optimal Proximity Effect and Correction의 약어로 마스크 내에 원하는 패턴이 웨이퍼에 최대한 근사하게 전사될 수 있도록 mask 위의 패턴을 보정하는 절차입니다. 포토공정에서 마스크는 오직 수직패턴만을 형성할 수 있습니다. 수직으로 위치한 마스크 패턴들은 웨이퍼에 도달하면서 edge 부분이 작아지는 혹은 둥글게 나오는 왜곡이 발생하게 됩니다. 그래서 설계한 마스크 패턴에 최대한 근사하도록 마스크 패턴을 보정함으로써 Calibration 하는 것이 OPC 기술의 핵심이라고 할 수 있습니다.

[상세설명] : 마스크 패턴을 웨이퍼 위에 수직으로 전사하면 패턴의 edge 부분이 왜곡되는 이슈가 발생합니다. 소자 사이즈가 점점 미세화 되면서 원하는 이미지 패턴을 구현할 수 없는 치명적인 이슈로 자리 잡습니다. OPC 기술을 통해 원하는 패턴이 웨이퍼에 최대한 근사하게 전사될 수 있도록 Mask 패턴을 보정해줍니다. OPC 방법은 Biashing, Jogging, biasin serif 등이 있습니다.

---

[질문 3]. PSM (Phase Shift Mask) 에 대해서 설명해보세요.

• Keyword : [굴절률, 경로차, 상쇄간섭, resist threshold energy]

PSM 기술은 Phase Shift Mask의 약어로 위상변위마스크 기술입니다. 포토공정에서 k1 factor를 낮추기 위해 도입된 방법 중 하나로 mask를 통과한 빛의 세기 뿐만 아니라 위상을 조절하여 웨이퍼 상에 원하지 않는 회절 이미지를 상쇄간섭을 통해 없애는 방법입니다. 하지만 마스크 패턴이 점점 복잡해지면서 복잡한 패턴의 위상차이를 최적화 시키는 것이 매우 어렵고 mask 제작 단가가 높아져 보편적으로는 사용되지 않고 있습니다.

[상세설명] : PSM 기술은 굴절률이 큰 매질 속에서 빛의 속도가 지연되는 원리를 사용합니다. 패턴을 투과하는 빛의 경로차를 변조하여 상쇄간섭을 유도함으로써, 감광이 되서는 안될 부분의 감광막이 resist threshold energy를 넘지 못하게 방지함으로써 좀 더 깨끗하고 선명한 이미지 패턴을 형성할 수 있습니다.

---