[📚세미피디아] Computational lithography란?

 

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https://www.chetanpatil.in/the-computational-semiconductor-lithography/

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Computational lithography

계산 사진 석판술(Computational lithography, 또는 계산 축소라고도 함)은 사진 석판술(photolithography)을 통해 달성할 수 있는 해상도를 향상시키기 위한 수학적 및 알고리즘적 접근 방식의 집합입니다. 계산 사진 석판술은 2008년 반도체 산업이 22나노미터 CMOS 마이크로 제조 공정으로의 전환과 관련된 과제에 직면했을 때 사진 석판술 기술의 최전선에 부각되었으며, 반도체 트랜지스터 제조의 설계 노드 및 토폴로지를 더욱 줄이는 데 필수적인 역할을 해왔습니다.

https://www.youtube.com/watch?v=HxyM2Chu9Vc&pp=ygUZQ29tcHV0YXRpb25hbCBsaXRob2dyYXBoeQ%3D%3D

역사

계산 사진 석판술은 컴퓨터를 사용하여 마이크로 사진 석판 구조를 인쇄하는 것을 의미합니다. 초기 작업은 1980년대 초반에 NSA의 Chris Mack, IBM의 Rick Dill, 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 Andy Neureuther에 의해 수행되었습니다. 이러한 도구는 저항체에 대해 몇 평방 마이크로미터로 제한되어 있는 알고리즘으로 인해 사진 석판 공정 최적화로 제한되었습니다. 모델 양식을 사용하는 최초의 상용 전칩 광학 근접 보정(OPC)은 1997년경 TMA(현재 Synopsys의 자회사)와 Numerical Technologies(Synopsys의 일부)에 의해 구현되었습니다.

 

그 이후 시장과 복잡성이 크게 성장했습니다. 180nm 및 130nm 노드에서 부파 기능, 위상 전이 마스크와 같은 RET(Resolution Enhancement Technology) 기술이 OPC와 함께 사용되기 시작했습니다. 65nm에서 45nm 노드로 전환할 때 고객들은 설계 규칙만으로는 수율 제한 hot spot 없이 인쇄를 보장하기 어렵고, 테이프아웃 시간도 수천 개의 CPU나 수 주의 실행 시간이 필요할 수 있다는 우려를 표했습니다. 이러한 45nm 공정 노드로의 전환에 따른 계산 복잡성의 지수적 증가 예측은 제조를 위한 설계 분야의 벤처 캐피털 투자를 촉발했습니다.

https://www.youtube.com/watch?v=_bhEDQzNQ-c&list=PLwYzDeSMOcCwjs0D7I9V6T01QVcJ-1Dho

이 문제를 해결하기 위한 자체 혁신적인 솔루션을 홍보하는 여러 스타트업 기업들이 등장했고, 맞춤형 하드웨어 가속에서 역 사진 석판술과 같은 근본적으로 새로운 알고리즘에 이르기까지 다양한 기술이 제안되었습니다. 그러나 기존의 OPC 공급업체들은 고객을 유지할 수 있었고, RET와 OPC를 이전 노드와 마찬가지로 함께 사용했지만 더 많은 층과 더 큰 데이터 파일로, 그리고 새로운 알고리즘과 멀티코어 범용 프로세서의 발전으로 턴어라운드 시간 문제도 해결했습니다. '계산 사진 석판술'이라는 용어는 2005년 ASML 자회사인 Brion Technology에 의해 처음 사용되었으며, 이후 업계에서 전칩 마스크 합성 솔루션을 설명하는 용어로 사용되고 있습니다.

 

현재는 처리량과 기능뿐만 아니라 소스 마스크 최적화(SMO)와 같은 새로운 계산 사진 석판술 기술도 주목받고 있습니다. 오늘날 모든 주요 마스크 합성 벤더들은 22나노미터 공정에 필요한 마스크 합성 기술 세트를 설명하기 위해 '계산 사진 석판술'이라는 용어를 사용하고 있습니다.

 

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계산 사진 석판술의 구성 기술

계산 사진 석판술은 최첨단 포토마스크의 성능(해상도 및 대비)을 향상시키기 위해 다양한 수치 시뮬레이션을 활용합니다. 포함되는 기술에는 해상도 향상 기술(RET), 광학 근접 보정(OPC), 소스 마스크 최적화(SMO) 등이 있습니다. 이러한 기술들은 기술적 실현 가능성과 엔지니어링적 합리성에 따라 채택도가 다양합니다.

 

해상도 향상 기술

해상도 향상 기술은 90 나노미터 세대부터 사용되기 시작했으며, 회절 광학의 수학을 사용하여 웨이퍼 표면에서 해상도를 향상시키는 간섭 패턴을 사용하는 다층 위상 전이 포토마스크를 지정합니다.

https://www.youtube.com/watch?v=Zs1XZaimaUs&pp=ygUZQ29tcHV0YXRpb25hbCBsaXRob2dyYXBoeQ%3D%3D

광학 근접 보정

광학 근접 보정은 회절 관련 흐림 및 과소 노출의 영향을 상쇄하기 위해 계산 방법을 사용하여 마스크 내부 기하학을 수정합니다. 예를 들어 주변 기하학의 밀도에 따라 선폭을 조정하거나, 선 끝에 "개구렬"을 추가하여 선 단축을 방지하는 등의 방법을 사용합니다.

OPC는 규칙 기반과 모델 기반으로 크게 나뉩니다. OPC를 역 영상 문제로 처리하는 역방향 사진 석판술 기술도 유용한 기법이 될 수 있습니다.

렌즈 시스템 및 포토레지스트의 복잡한 모델링

RET와 OPC에 사용되는 모델 외에도 계산 사진 석판술은 스캐너의 신호를 활용하여 OPC 모델의 정확성을 높이는 등 칩 제조성과 수율을 개선하는 방법을 사용합니다. 예를 들어 렌즈 조리개의 편광 특성, 스테퍼 렌즈의 Jones 행렬, 포토레지스트 스택의 광학 매개변수, 포토레지스트를 통한 확산, 스테퍼 조명 제어 변수 등이 있습니다.

 

계산 작업량

이러한 방법들의 계산 작업량은 막대합니다. 한 추정에 따르면 최첨단 집적 회로에 대한 초점 및 노출 변화를 고려하여 OPC 기하학을 조정하는 데 약 100 CPU-년의 컴퓨터 시간이 소요될 것으로 추정됩니다. 이는 광원의 3D 편광 모델링이나 제조용 계산 사진 석판술 마스크 제작 흐름에 필요한 여러 시스템 모델링은 포함되지 않습니다. ASML 자회사인 Brion Technologies는 계산 사진 석판술 계산 전용 하드웨어 가속기를 판매하고 있습니다.

193nm 심자외선 사진 석판술

사진 석판술을 통한 해상도 향상은 무어의 법칙을 이끌어온 주요 동력이었습니다. 해상도 향상을 통해 집적 회로에서 더 작은 기하학을 인쇄할 수 있게 되었습니다. 일반적으로 사진 석판술에 사용되는 투영 시스템이 인쇄할 수 있는 최소 특징 크기는 대략 다음과 같이 주어집니다:

 

CD = k1 * λ/NA

 

여기서 CD는 최소 특징 크기(임계 치수), λ는 사용되는 광원의 파장, NA는 웨이퍼에서 보이는 렌즈의 개구수, k1은 공정 관련 계수입니다.

 

역사적으로 사진 석판술의 해상도 향상은 점점 짧은 파장의 스테퍼 광원 진화 - 수은 램프 기반의 "g-line"(436nm) 및 "i-line"(365nm)에서 193nm 심자외선 엑시머 레이저 기반 시스템까지 - 를 통해 달성되었습니다. 그러나 극자외선 리소그래피와 X선 리소그래피의 해결 불가능한 문제로 인해 더 짧은 파장 광원으로의 진화가 지연되어, 반도체 제조업체들은 193nm 광학 리소그래피 시스템을 계속 사용해야 했습니다.

https://www.youtube.com/watch?v=UxfGFjgqBjM&pp=ygUZQ29tcHV0YXRpb25hbCBsaXRob2dyYXBoeQ%3D%3D

해상도를 높이기 위한 다른 노력으로는 개구수 증가를 통한 침지 리소그래피가 있습니다. 파장 감소나 개구수 증가를 통한 추가적인 해상도 향상이 기술적으로나 경제적으로 실현 가능하지 않게 되자, k1 계수를 줄이는 데 많은 관심이 집중되었습니다. 위상 전이 포토마스크와 같은 공정 개선을 통해 k1 계수를 줄일 수 있었고, 이를 통해 193nm 심자외선을 사용하는 32나노미터 CMOS 공정 기술을 실현할 수 있었습니다.

 

그러나 ITRS 로드맵에 따르면 2011년까지 22나노미터 노드 사용이 예정되어 있어, 사진 석판술 연구자들은 22나노미터 기술을 제조 가능하게 하기 위한 추가적인 개선책을 개발해야 했습니다. 수학적 모델링의 증가는 오래전부터 진행되어 왔지만, 그러한 계산의 정도와 비용이 높아짐에 따라 변화하는 환경을 설명하기 위해 '계산 사진 석판술'이라는 새로운 용어가 정의되었습니다.

https://www.youtube.com/watch?v=rXWOiWQ8zwo&pp=ygUZQ29tcHV0YXRpb25hbCBsaXRob2dyYXBoeQ%3D%3D

https://semi52.tistory.com/79

[세미피디아] 광학 근접 보정(Optical Proximity Correction, OPC)이란?

 

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