[📚세미피디아] EUV란? (Extreme ultraviolet lithography)

 

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EUV란?

https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=215246

https://en.wikipedia.org/wiki/Extreme_ultraviolet_lithography

https://www.youtube.com/watch?v=wI6nCmG-PpI&pp=ygUQd2hhdCBpcyBldXYgYXNtbA%3D%3D

극자외선 리소그래피(EUVL, 또는 EUV라고도 알려지고 있다)는 반도체 산업에서 집적회로(IC)를 제조하는 데 사용되는 최첨단 기술이다. 이는 극자외선(EUV) 광선을 사용하여 실리콘 웨이퍼 위에 복잡한 패턴을 만드는 일종의 광리소그래피 기술이다.

2023년 현재, ASML 홀딩스가 5나노미터(nm) 및 3나노미터 공정을 대상으로 하는 EUV 시스템을 생산하고 판매하는 유일한 회사이다.

EUVL에 사용되는 EUV 파장은 약 13.5나노미터(nm)이다. 이는 레이저로 펄스된 주석(Sn) 액적 플라즈마(Sn IX에서 Sn XIV까지의 이온 상태의 Sn 이온이 4p64dn - 4p54dn+1 + 4dn-14f 이온 상태 천이에서 약 13.5nm 근처의 광자 방출 스펙트럼 피크를 나타내)를 사용하여 생성된다. 반사형 포토마스크를 사용하여 감광제로 덮인 기판을 노출시켜 패턴을 만들어내고 있다.

2019년 국제전자소자회의(IEDM)에서 TSMC는 자사의 5나노미터 공정에서 콘택, 비아, 금속선, 절단 레이어에 EUV를 사용한다고 발표했다. 이때 절단은 핀, 게이트 또는 금속선에 적용될 수 있다고 하였다.

2020년 IEDM에서 TSMC는 5나노미터 공정의 최소 금속 피치를 7나노미터 공정의 40nm에서 30% 줄어든 약 28nm로 보고했다.

삼성의 5나노미터 공정은 7나노미터 공정과 동일한 설계 규칙을 사용하며, 최소 금속 피치는 36nm이다.

EUV 다층 및 흡수체는 이미징 라인을 위한 마스크 패턴을 구성합니다. 마스크 패턴에서 반사된 EUV 방사선은 레지스트와 기판에서 흡수되어 광전자와 2차 전자를 생성합니다. 이 전자들은 레지스트 내의 화학 반응의 범위를 증가시킵니다. 무작위적인 성질의 2차 전자 패턴이 광학 이미지에 중첩됩니다. 원치 않는 2차 전자 노출은 해상도 손실, 관찰 가능한 라인 가장자리 거칠기 및 선폭 변화를 초래합니다.

https://www.sedaily.com/NewsView/22Q3Y8MPN7

[강해령의 하이엔드 테크] 인텔 ‘회심의 일격’, High-NA EUV는 무엇일까?<1>

https://www.sedaily.com/NewsView/22Q3YO7BB4

[강해령의 하이엔드 테크] 인텔 ‘회심의 일격’, High-NA EUV는 무엇일까?<2>

역사

1960년대에는 가시광선이 집적 회로 생산에 사용되었으며, 파장은 435nm(수은 "g 선")까지 작아졌다.

이후 자외선(UV) 광선이 사용되었는데, 먼저 365nm(수은 "i 선") 파장이 사용되었고, 이후 엑시머 파장이 사용되었다. 먼저 248nm(크립톤 불화 레이저)가 사용되었고, 그 다음 193nm(아르곤 불화 레이저)가 사용되었는데, 이를 딥 UV라고 불렀다.

다음 단계는 더 작은 파장을 사용하는 것으로, 이를 극자외선 또는 EUV라고 불렀다. EUV 기술은 많은 이들에 의해 불가능한 것으로 여겨졌다.

EUV 광선은 유리와 공기에 의해 흡수되기 때문에, 이전과 같이 렌즈를 사용하여 광선을 집속할 수 없었다. 대신 진공 상태에서 거울을 사용해야 했다. EUV의 안정적인 생산 또한 문제였다. 그 결과 스테퍼 선두 업체인 캐논과 니콘이 개발을 중단했고, 일부는 무어의 법칙의 종말을 예측했다.

 

1991년, 벨 연구소 과학자들은 13.8nm 파장을 사용한 소프트 X선 투영 리소그래피 가능성을 보여주는 논문을 발표했다.

EUV 리소그래피의 과제를 해결하기 위해, 1990년대에 로렌스 리버모어 국립연구소, 로렌스 버클리 국립연구소, 샌디아 국립연구소의 연구원들이 기초연구를 수행하도록 지원을 받았다. 이 성공적인 노력의 결과는 공공-민간 파트너십인 협력 연구개발 협약(CRADA)을 통해 공개되었다. 발명과 권리는 전부 미국 정부가 소유했지만, 에너지부와 의회의 승인 하에 라이선스가 부여되고 배포되었다.

당시 업계 선두주자였던 인텔, 캐논, 니콘은 물론 네덜란드의 ASML과 실리콘밸리 그룹(SVG)도 라이선스를 모색했다. 의회는 일본 기업에게 필요한 허가를 거부했는데, 이들이 당시 기술적 경쟁자로 인식되었고, 미국 기업의 이익을 해칠 수 있다고 판단했기 때문이다. 2001년 SVG가 ASML에 인수되면서, ASML이 이 핵심 기술의 유일한 수혜자가 되었다.

 

2018년까지 ASML은 수십 년간의 연구개발 끝에 EUV-LLC의 지적재산권을 활용하는데 성공했다. 여기에는 유럽 자금으로 지원된 EUCLIDES(Extreme UV Concept Lithography Development System) 프로젝트와, 오랜 파트너인 독일 광학 제조업체 ZEISS, 그리고 Oxford Instruments의 시너트론 광원 공급이 포함되었다. 이에 MIT 기술리뷰는 ASML을 '무어의 법칙을 구한 기계'라고 명명했다. 2006년 첫 프로토타입은 23시간만에 웨이퍼 1장을 생산했지만, 2022년 현재에는 최대 시간당 200장의 웨이퍼를 생산할 수 있다. 이 스캐너는 ZEISS의 광학을 사용하는데, 이 회사는 이를 '세계에서 가장 정밀한 거울'이라고 부른다. 이 거울은 불완전성을 찾아내고 이온빔 연마 기술 등을 사용하여 개별 분자를 제거하는 방식으로 제작된다.

이로 인해 규모가 작았던 ASML이 세계 최대의 스캐너 생산업체이자 이 첨단 기술의 독점자가 되었다. 이에 따라 ASML의 2021년 매출은 186억 유로를 기록하며, 라이선스 접근이 거부되었던 경쟁업체인 캐논과 니콘을 압도했다. 이 기술이 여러 분야의 발전에 핵심적이기 때문에, 미국 라이선스 발급자는 네덜란드 당국에 이 기계를 중국에 판매하지 말도록 압박했다. ASML은 네덜란드 수출통제 지침을 따르고 있으며, 추후 통지가 있기 전까지 중국에 이 기계를 배송할 권한이 없다.

https://www.youtube.com/watch?v=RI3lCUEzSvE&pp=ygULd2hhdCBpcyBldXY%3D

마스크

EUV 포토마스크는 반사광을 통해 작동한다. 이는 몰리브덴과 실리콘을 교대로 적층하여 달성한다. 이는 기존의 포토마스크가 석영 기판 위 단일 크롬 층으로 빛을 차단하는 것과 대조된다. EUV 마스크는 40-50개의 실리콘과 몰리브덴 교대 층으로 구성되어 있다. 이 다층막이 브래그 회절을 통해 극자외선 광선을 반사시킨다. 반사율은 입사각과 파장의 강한 함수이며, 장파장은 수직 입사에 가까이서, 단파장은 수직에서 벗어나 더 많이 반사된다. 패턴은 다층막 위의 탄탈륨 기반 흡수층에 정의된다. 이 다층막은 얇은 루테늄 보호층으로 보호될 수 있다.

공백 포토마스크는 주로 AGC Inc.와 Hoya Corporation에 의해 제작된다. 다층막 증착에는 베코가 주로 제작한 이온빔 증착 장비가 사용된다. 공백 포토마스크는 감광제로 덮인 뒤, 오븐에서 경화되고 전자빔을 이용한 무마스크 리소그래피로 레이저광에 노출된다. 노출된 감광제는 제거되고, 보호되지 않은 부분이 에칭된다. 남은 감광제는 제거된다. 마스크는 이후 검사되고, 전자빔으로 수리된다. 에칭은 보호층 부분에만 수행되어야 하므로, 루테늄과 다층막을 구분할 필요가 있다. 이를 에칭 선택성이라 하며, 기존 포토마스크의 단일 핵심층 에칭과 다르다.

https://www.youtube.com/watch?v=Jv40Viz-KTc&pp=ygULd2hhdCBpcyBldXY%3D

도구

EUV 리소그래피 도구, 로렌스 리버모어 국립연구소

EUV 도구(EUV 포토리소그래피 장비)는 레이저 구동 주석(Sn) 플라즈마 광원, 다층 미러로 구성된 반사 광학계, 수소 가스 환경 내에 포함되어 있다. 수소는 EUV 집광경(Sn 플라즈마에서 넓은 각도(~2π sr)로 방출되는 EUV를 최초로 집광하는 거울)에서 Sn 퇴적을 방지하는 데 사용된다. 구체적으로, EUV 발생 챔버 내 수소 완충 가스는 EUV 집광경을 향해 이동하는 Sn 이온과 Sn 잔해를 감속시키거나 밀어내어, Sn(고체) + 4H(기체) = SnH4(기체) 반응을 통해 집광경 표면의 Sn 퇴적을 제거한다.

EUV 리소그래피는 딥 UV 리소그래피와 크게 다르다. 모든 물질이 EUV 방사선을 흡수하기 때문에, EUV 리소그래피에는 진공이 필요하다. 포토마스크를 포함한 모든 광학 부품은 결함 없는 몰리브덴/실리콘(Mo/Si) 다층막(이론적 반사율 한계는 약 75%)을 사용하여, 층간 간섭으로 빛을 반사시켜야 한다. 이 거울 중 하나라도 입사광의 30%를 흡수하므로 거울 온도 제어가 중요하다.

현재 EUV 리소그래피 시스템에는 최소 2개의 집광 다층 거울, 6개의 투영 다층 거울, 그리고 다층 마스크가 포함된다. 거울이 EUV 광선의 96%를 흡수하므로, 이상적인 EUV 광원은 이전 세대보다 훨씬 밝아야 한다. EUV 광원 개발은 레이저 또는 방전 펄스로 생성된 플라즈마에 집중되고 있다. 광선을 수집하는 거울은 플라즈마에 직접 노출되어 고에너지 이온과 주석 액적 등의 잔해에 의한 손상 위험이 있어, 비싼 비용이 드는 교체가 필요하다.

https://www.youtube.com/watch?v=5yTARacBxHI&pp=ygULd2hhdCBpcyBldXY%3D

자원 요구 사항

EUV의 필요 유틸리티 자원은 후자의 경우 2회 노출을 사용함에도 193nm 수침에 비해 크게 더 크다. 2009년 EUV 심포지엄에서 하이닉스는 EUV의 벽면 효율이 약 0.02%라고 보고했다. 즉 100장/시간 처리 속도를 위해 200와트의 중간 초점 출력을 얻기 위해서는 1메가와트의 입력 전력이 필요한데, ArF 수침 스캐너의 경우 165킬로와트면 충분하다. 동일 처리량에서도 EUV 스캐너의 발자국은 ArF 수침 스캐너보다 약 3배 크여 생산성 저하가 발생한다. 또한 이온 잔해를 억제하기 위해 초전도 자석이 필요할 수도 있다.

일반적인 EUV 도구의 중량은 약 200톤에 달한다.

딥 UV vs EUV 도구 에너지 소비(2020년 측정): EUV 도구는 침지 도구보다 최소 10배 더 많은 에너지를 소비한다.

https://www.youtube.com/watch?v=5Ge2RcvDlgw&pp=ygULd2hhdCBpcyBldXY%3D

광원 출력, 처리량 및 가동률

노출 선량에 따른 EUV 처리량. EUV 도구의 웨이퍼 처리량은 고정된 광원 출력에서 노출 선량의 함수이다.

중성 원자나 응축 물질은 EUV 방사선을 방출할 수 없다. EUV 방출을 위해서는 우선 이온화가 선행되어야 한다. 다가 양이온의 열적 생성은 높은 밀도와 고온의 플라즈마에서만 가능한데, 이 플라즈마 자체가 EUV를 강하게 흡수한다. 2016년 기준, 확립된 EUV 광원은 레이저로 펄스 구동되는 주석 플라즈마이다. 이온이 방출한 EUV 광을 다시 흡수하고, 플라즈마 내 전자에 의해 낮은 이온화 상태로 쉽게 중성화되어, 다른 사용할 수 없는 파장의 빛을 주로 방출하게 되므로, 높은 플라즈마 출력에서의 리소그래피용 광 생성 효율은 크게 감소한다.

처리량은 광원 출력을 노출 선량으로 나눈 값에 비례한다. 펄스 출력을 높일 수 없다면, 더 높은 선량을 위해 스테이지 속도를 늦춰야 한다.

EUV 집광경 반사율은 매 50kHz 펄스당 약 0.1-0.3%씩 저하되어(약 2주 내 10% 감소), 가동률과 처리량 손실로 이어진다. 초기 수십억 펄스(1일 이내)에서도 여전히 20%(±10%) 정도의 변동이 있다. 이는 앞서 언급한 누적되는 주석 잔류물이 완전히 제거되지 않기 때문으로 보인다. 반면 기존 수침 리소그래피 도구는 최대 1년까지 일관된 출력을 제공한다.

 

최근 NXE:3400B 조명기는 송광 비율(PFR)을 20%까지 낮추면서도 손실 없이 구현했다. PFR은 금속 피치 45nm 부근에서 최대화되며 0.2 이상을 유지한다.

EUV 광을 흡수하는 거울을 사용하므로, 광원 출력의 극히 일부분만이 웨이퍼에 도달한다. 조명 광학에 4개, 투영 광학에 6개의 거울이 사용되며, EUV 마스크 자체도 추가 거울이다. 11회 반사 후에는 광원 출력의 약 2%만이 웨이퍼에 도달한다.

처리량은 EUV 감광제 노출 선량에 영향을 미치는데, 이는 다시 요구되는 해상도에 따라 달라진다. 적절한 처리량을 위해 40 mJ/cm2의 선량이 유지될 것으로 예상된다.

https://www.youtube.com/watch?v=qxdLZ7JHrng&pp=ygULd2hhdCBpcyBldXY%3D

도구 가동률

EUV 광원은 처리량 외에도 도구 가동률을 제한한다. 예를 들어 2주 기간 동안 7시간 이상의 정기 정지 시간이 예약되며, 예기치 않은 문제까지 포함하면 실제 가동 중단 시간이 하루를 넘기 쉽다. 2% 이상의 선량 오차도 도구 가동 중단을 정당화한다.

웨이퍼 노출 처리량은 2019-2022년 동안 점진적으로 1일 약 1,000장(시스템당)까지 확대되었지만, 이는 상당한 유휴 시간을 의미한다. 반면 다중 패턴 EUV 층의 경우 120 WPH를 초과하여 실행된다.

 

다른 리소그래피 광원과의 비교

EUV(10-121nm)는 X선(0.1-10nm)보다 긴, 수소 라이먼-알파선보다 짧은 파장대이다.

첨단 193nm ArF 엑시머 레이저의 강도가 200 W/cm2인 데 비해, EUV 생성 플라즈마용 레이저는 1011 W/cm2 수준으로 훨씬 더 강력해야 한다. 첨단 ArF 수침 리소그래피 120W 광원에는 최대 40kW만 필요하지만, EUV 광원은 40kW를 넘어설 것으로 목표한다.

EUV 리소그래피의 전력 목표는 최소 250W 이상인 반면, 기타 기존 리소그래피 광원은 훨씬 낮다. 예를 들어 수침 리소그래피 광원은 90W, 건식 ArF는 45W, KrF는 40W 수준이다. 고NA EUV 광원은 최소 500W 이상이 필요할 것으로 예상된다.

https://www.youtube.com/watch?v=m2WuoODe56U&pp=ygULd2hhdCBpcyBldXY%3D

EUV 특유의 광학적 문제

반사 광학

EUV의 수평-수직 초점 차이 &nbsp;수평(H) 및 수직(V) 마스크(레티클) 패턴 특징은 EUV 광학 시스템에서 서로 다르게 초점이 맺힌다. 수치 개구수(NA)도 차이를 만든다.

EUVL 도구의 근본적인 특징은 반사 광학 사용으로 인한 6도 오프축 조명(조명 슬릿 내 다른 위치에서 다른 방향)이다. 이로 인해 발생하는 그림자 효과는 회절 패턴의 비대칭성을 유발하여 패턴 충실도를 저하시킨다. 예를 들어 그림자 뒤쪽은 그림자 내부보다 더 밝아진다.

반사면 내부(수평선 영향)와 반사면 외부(수직선 영향)의 광선 거동이 다르다. 가장 두드러지는 것은 EUV 마스크의 동일 크기 수평선과 수직선이 웨이퍼에서 다른 크기로 패턴된다는 점이다.

초점에 따른 2-바 CD 차이 &nbsp;인접한 두 수평선 폭의 차이가 초점에 따라 달라진다.

오프축 비대칭성과 마스크 그림자 효과가 결합되어, 인접한 동일 특징도 동시에 초점이 맺히지 않는 근본적인 한계가 있다. EUVL의 주요 문제 중 하나가 수평선 쌍(이른바 "2-바")의 상단과 하단선 비대칭이다. 이를 부분적으로 보상하기 위해 보조 특징이나 비대칭 조명을 사용한다.

다수 수평선 그레이팅으로 확장하면 유사한 초점 민감도가 나타난다. 이는 11개 수평선 세트의 상단과 하단 임계 치수(CD) 차이로 나타난다.

반사에 의한 편광화도 수직선 이미징에 유리한 편광을 만들어낸다.

https://www.youtube.com/watch?v=z6c3vzIGo9o&pp=ygULd2hhdCBpcyBldXY%3D

초점 이탈로 인한 패턴 변위(non-telecentricity)

EUV 마스크 반사로부터의 상이한 위상 변화로 인해, 다른 조명각이 다른 변위를 유발한다. 이로 인해 이미지 대비가 감소하는데, 이를 "희미해짐(fading)"이라고도 한다.

EUV 마스크 흡수체는 부분 투과로 인해 선-공간 패턴의 0차와 1차 회절 신호 간 위상 차이를 만들어, 주어진 조명각에서 이미지 변위와 피크 강도 변화(선폭 변화)를 초래한다. 이는 초점 이탈로 인해 더욱 증폭된다. 결과적으로 서로 다른 피치와 조명각에서 최적 초점 위치가 다르게 나타난다. 일반적으로 조명원 쌍(광축 양측)의 상쇄로 이미지 변위가 균형을 이루지만, 개별 조명원 이미지 변위가 충분히 크면 중첩된 최종 이미지 대비가 저하된다. 이 위상 차이가 최적 초점 위치를 결정한다.

다층막 자체에서 회절광의 위상 변화로 인한 이미지 변위도 발생한다. 마스크 패턴을 두 번 통과하는 광선으로 인해 이는 불가피하다.

 

반사 사용으로 인해 웨이퍼 노출 위치가 레티클 평탄도와 레티클 클램프에 극도로 민감해진다. 레티클 클램프 청결을 지속적으로 관리해야 한다. 국부 기울기 수준의 작은(mrad 단위) 마스크 평탄도 편차와 웨이퍼 초점 이탈로 인해 문제가 발생한다. 더 중요하게는, 마스크 초점 이탈이 큰 정렬 오류로 이어진다는 것이 발견되었다. 특히 10nm 노드 금속 1 레이어(48nm, 64nm, 70nm 피치, 고립, 전력선 포함)의 경우, 40nm 마스크 z축 변위로 인한 정정 불가능한 패턴 위치 오류가 1nm에 달한다. 이는 이전 층 대비 전역적인 패턴 변위이지만, 위치에 따라 다층막 하부 결함으로 인한 국부적 마스크 평탄도 편차로 각기 다른 변위가 발생한다. 마스크 비평탄으로 인한 정렬 오류 기여도는 피크-Valley 두께 변동의 약 1/40배로 추정된다. 공백 피크-Valley 사양이 50nm라면 약 1.25nm의 이미지 배치 오류가 가능하며, 최대 80nm의 두께 변동으로 인해 최대 2nm의 변위가 발생할 수 있다.

레티클의 오프축 조명은 웨이퍼 초점 이탈에 의한 비텔레센트리시티의 주요 원인이기도 하다. 이는 100nm 피치의 느슨한 설계 규칙에서도 NXE:3400 EUV 스캐너의 1.4nm 정렬 예산 중 대부분을 소모한다. 단일 슬릿 위치에서 80nm 웨이퍼 초점 변위 시, 24nm 선의 최악 정정 불가능 패턴 배치 오류는 인접 72nm 전력선 대비 약 1.1nm이다. 전체 슬릿 성능을 고려하면 초점 이탈 범위에서 최악 오류가 1.5nm를 넘는다. 2017년에는 0.33NA, 0.2/0.9 Quasar 45 조명을 모사한 액티닉 현미경으로, 80nm 피치 콘택트 어레이가 -0.6 to 1.0nm, 56nm 피치는 -1.7 to 1.0nm 변위를 보였다.

 

웨이퍼 초점 이탈은 또한 국부 마스크 비평탄으로 인한 이미지 배치 오류를 유발한다. 국부 기울기가 α라면, 4배 투영 도구에서 이미지는 4αDOF만큼 변위된다(DOF는 초점 심도). 100nm 초점 심도에서 2.5mrad(0.14°)의 작은 국부 비평탄도가 1nm의 패턴 변위를 초래할 수 있다.

시뮬레이션과 실험을 통해 EUV 리소그래피의 조리개 불균형이 피치 의존적 패턴 배치 오류를 유발할 수 있음이 밝혀졌다. 조리개 불균형은 EUV 집광경 노화 또는 오염으로 변하므로, 이런 배치 오류는 시간이 지남에 따라 안정적이지 않다. 논리 소자처럼 다수 피치가 동시에 임계 요구사항을 가지는 경우 특히 문제가 된다. 이는 최적화된 복수 노광으로 해결하는 것이 이상적이다.

 

레티클 슬릿 위치 의존성

링 필드 슬릿을 가로지르는 조명 회전 &nbsp;곡면 광학 표면 반사로 생성된 아크 세그먼트에서, 각 조리개 위치의 점광원 반사로 인해 아크 모양 슬릿 위에 조명각이 방위각으로 회전된다.

조명 방향은 슬릿 위치에 강하게 의존하며, 본질적으로 방위각으로 회전된다. 낸야 테크놀로지와 시너프시스는 쌍극자 조명에서 수평 대 수직 편향이 슬릿을 가로질러 변화함을 발견했다. CXRO의 SHARP 액티닉 리뷰 현미경에서 -25°~25° 범위의 입사면 회전이 확인되었다. 이는 직사각형 필드를 아크 모양으로 변환하는 거울 사용 때문이다. 균일성 유지를 위해 회전 대칭과 회전 입사면을 사용한다.

링 필드 시스템은 오프축 환형 영역 유래의 아크 필드 회전 대칭을 이용해 수차를 줄인다. 이는 반사 시스템이 수차를 악화시키는 오프축 경로를 사용해야 하기 때문이다. 따라서 아크 슬릿 내 좌우 반쪽의 동일 다이 패턴은 다른 OPC가 필요하다. 이로 인해 이제 진정 동일한 다이가 아니므로 다이 대 다이 비교로 검사할 수 없다. 쌍극자, 사극, 육극 조명이 필요한 피치에서는 회전으로 인해 슬릿 중심부와 가장자리의 동일 패턴이 불일치한다. 환형 또는 원형 조명에서도 각도 의존 다층막 반사율로 인해 회전 대칭이 파괴된다. 방위각 범위는 ±~20°이지만, 7nm 설계 규칙에서는 ±15° 이하의 엄격한 조명 허용 오차가 필요하다. 환형 조명의 비균일성과 비대칭도 이미징에 큰 영향을 미친다. 28nm 피치에서 쌍극자 조명을 슬릿을 가로질러 유지하는 것이 불가능해진다.

슬릿을 가로질러 변화하는 피치 의존 쌍극자 조명의 큰 입사각은 수평선 그림자에 크게 영향 주지 않지만, 수직선 그림자는 중심에서 가장자리로 갈수록 증가한다. 고NA 시스템은 더 작은 피치를 목표로 하므로, 그림자 완화에 한계가 있을 수 있다.

Horizontal and vertical lines exhibit different shadowing across the slit.

EUV(극자외선) 리소그래피에서 기울어진 패턴은 특히 DRAM에서 까다로운 문제이다. 그림자 및 조리개 회전 등의 더 복잡한 영향 외에도, 기울어진 가장자리는 계단 모양으로 변화하며 이는 OPC(광학 근접 효과 보정)에 의해 왜곡될 수 있다. 사실 EUV를 이용한 32nm 피치 DRAM의 셀 면적은 최소 9F2까지 늘어날 것이며, 여기서 F는 활성 영역의 반 피치를 의미한다(전통적으로는 6F2였다). 2D 자기정렬 이중 패터닝을 활용하면 셀 면적을 8.9F2까지 줄일 수 있다.

광학 표면의 서브원자적(<0.1nm) 수준 편차와 열 변형, 그리고 편광 반사 효과 등으로 인한 수차 또한 슬릿 위치에 의존적이며, 이는 소스-마스크 최적화(SMO)와 관련하여 추가로 논의될 것이다. 열로 유발되는 수차는 각 위치에서 달리 나타나는데, 이는 변형된 거울의 서로 다른 부분을 만나기 때문이다. 역설적이게도, 열 및 기계적 안정성이 높은 기판 재료를 사용하면 오히려 파면 오차를 보정하기 더 어려워진다.

파장 범위와 입사각 회전이 결합되면 EUV 이미징의 심각한 확률적 영향이 악화된다.

https://www.youtube.com/watch?v=RmgkV83OhHA&pp=ygULd2hhdCBpcyBldXY%3D

 

파장 대역폭(색수차)

초점 오차로 인한 이미지 이동은 파장에 의존한다. 물체(마스크)의 다층막 반사율의 각도 의존성이 파장마다 다르기 때문에 초점이 맞지 않으면 다른 이동이 발생한다.

DUV(심자외선) 리소그래피 광원인 엑시머 레이저와 달리, EUV 플라즈마 광원은 13.5 nm 근처의 2% FWHM 대역폭 내에서 다양한 파장의 빛을 발생시킨다.

EUV 스펙트럼이 완전히 단색이지는 않지만, 13.5 nm가 일반적인 작업 파장으로 간주된다. 실제로는 13.3-13.7 nm 범위에서 반사 파워가 주로 분포된다. EUV 리소그래피용 다층막 거울에 의해 반사되는 EUV 광의 대역폭은 ±2%를 초과하며, 주어진 조명각에서 파장 변화에 따른 위상 변화를 계산할 수 있다.

반사율의 파장 의존성은 조리개 내 조명 분포(apodization)에도 영향을 미친다. 서로 다른 파장은 다층막에 의해 다르게 반사되므로 실제로는 다른 조명을 '보게' 된다. 이러한 조명 기울기는 초점 오차로 인한 큰 이미지 이동을 초래할 수 있다. 반대로 조리개 내에서 최대 반사 파장은 입사각에 따라 달라진다. 이 문제는 링형 조명과 같이 넓은 각도 범위를 다룰 때 더욱 악화된다. 최대 반사율 파장은 입사각이 작을수록 증가한다.

더 좁은 대역폭은 1 nm 수준의 마스크 흡수체 및 버퍼 두께에 대한 민감도를 높일 것이다.

https://www.youtube.com/watch?v=UcH0Ds26eW8&pp=ygUIZXV2IGFzbWw%3D

 

플레어

플레어는 해상력 이하의 표면 특징에서 발생하는 산란 광의 배경광이다. EUV 시스템에서는 EUV 광 또는 EUV 광원에 의해 발생하는 대역 외(OoB) 광이 그 원인이 될 수 있다. OoB 광은 EUV 노광 외에도 레지스트 노광에 영향을 미칠 수 있다. OoB 광 노광은 레지스트 상부의 코팅층 및 EUV 마스크의 '블랙 테두리' 기능으로 완화할 수 있다. 그러나 코팅층은 EUV 광을 흡수하고, 블랙 테두리는 EUV 마스크 공정 비용을 추가한다.

 

 

라인 끝 효과

EUV의 핵심 과제 중 하나는 반 피치(hp)가 감소함에 따라 라인 끝 간 거리(T2T)가 반비례하여 감소하는 현상이다. 이는 부분적으로 EUV 리소그래피에서 사용되는 이진 마스크의 낮은 이미지 대비에 기인한다. 라인 끝 모서리 둥글림으로 인한 라인 단축은 이진 마스크에서 더 심각하다. EUV 리소그래피에서 위상 시프트 마스크 사용이 연구되었지만, 얇은 층의 위상 제어 문제와 EUV 광의 대역폭 문제가 있다. 대신 OPC가 모서리 둥글림과 라인 단축을 해결하는 데 사용된다.

단방향 금속층에서 라인 끝 간 간격은 단일 노광 패터닝을 위한 주요 문제 중 하나이다. OPC를 적용하더라도 실제 라인 끝 간 거리는 설계 값보다 크게 나타난다. 이는 수직 라인에서는 약 30 nm, 수평 라인에서는 약 25 nm가 최소 반 피치 한계가 된다.

높은 피치에서는 일반적인 조명을 사용할 수 있어 라인 끝 간 거리가 더 크다. OPC를 적용하면 24 nm 및 32 nm 반 피치에서 각각 39 nm와 28 nm의 라인 끝 간 거리를 얻을 수 있다.

https://www.youtube.com/watch?v=YKnWaXc_sHI&pp=ygUIZXV2IGFzbWw%3D

 

EUV 패터닝을 위한 향상 기회

보조 패턴

보조 패턴 OPC. 보조 패턴은 고립된 패턴(청색)의 이미지를 밀집된 패턴(회색)과 유사하게 개선한다. 그러나 보조 패턴이 효과적일수록 실제 인쇄될 위험이 커진다(주황색).

보조 패턴은 서로 다른 조명각에 따른 비텔레센트릭 현상으로 인한 비대칭을 보정하기 위해 7 nm 노드부터 사용되어 왔다. 그러나 보조 패턴은 주로 가장 높은 공간 주파수를 강화할 뿐, 초점과 위치에도 영향을 미치는 중간 공간 주파수는 크게 영향을 받지 않아 비대칭이 완전히 제거되지는 않는다. 주 이미지와 자기 이미지 간의 결합이 너무 강해 보조 패턴만으로는 비대칭을 제거할 수 없으며, 비대칭 조명만이 이를 달성할 수 있다.

보조 패턴은 전원/접지 레일에 대한 접근을 방해할 수 있다. 전원 레일이 더 넓어질수록 국부 피치를 제한하여 보조 패턴의 효과성을 낮춘다. 최소 피치의 1-2배 사이의 국부 피치에서는 보조 패턴을 배치할 공간이 없다. 두 개의 바 간 비대칭을 해결하기 위한 최적의 보조 패턴 배치는 두 바 간 피치보다 작거나 클 수 있다. 공정창 면적, 초점 깊이, 노출 여유도 등 최적화할 매개변수에 따라 보조 패턴의 최적 구성이 크게 달라진다.

 

58 nm 미만 피치에서는 초점 깊이 향상과 대비 저하 사이의 trade-off가 발생한다. 여전히 보조 패턴이 의도치 않게 인쇄되지 않도록 하기 위해 노출 여유도가 제한된다.

Shot noise 문제도 있다. 서브해상 보조 패턴(SRAF)을 사용하면 의도치 않은 인쇄를 방지하기 위해 요구 dose가 낮아져, 더 작은 패턴을 정의하는 광자 수가 줄어든다.

SRAF는 주 패턴보다 작고 인쇄되지 않을 정도의 dose만 받기 때문에, stochastic dose 변동에 의한 인쇄 오류에 더 취약하다. 이는 EUV에서 특히 문제가 되는데, 주 패턴을 80 mJ/cm2에서 인쇄할 때에도 SRAF는 stochastic 인쇄에 시달린다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=pJGafdtuMGc&pp=ygUIZXV2IGFzbWw%3D

소스-마스크 최적화

피치가 SMO에 미치는 영향. 특정 피치를 대상으로 수행한 SMO는 다른 피치에서 성능이 달라질 수 있다.

비텔레센트릭 현상의 영향으로 인해, 디스크 또는 링형 등의 표준 조명 조리개 모양으로는 약 20 nm 이하(10 nm 노드 이상)의 패턴 크기에 적합하지 않다. 대신 조리개의 50% 이상을 비대칭적으로 제외해야 한다. 제외할 부분은 패턴에 따라 달라진다. 특히 가장 밀집된 선 패턴은 한 방향으로 정렬되며 쌍극자 형태를 선호한다. 이 경우 X, Y 방향 패턴이 모두 존재하므로 2D 패턴을 위해서는 이중 노광 리소그래피가 필요하다.

수백~수천 개의 조명점이 균형을 이루는 이미지를 생성하므로, shot noise 효과가 초점 심도에 걸쳐 이미지 위치에 심각한 영향을 미친다.

패턴이 상당히 다른 최적화된 조명을 필요로 하는 서브 패턴으로 구성되어 있다면, 이중 또는 다중 패터닝이 요구된다.

 

 

슬릿 위치와 수차의 영향

서로 다른 파장의 영향. 서로 다른 파장은 효과적으로 다른 조리개를 갖게 되어 소스-마스크 최적화 결과가 달라진다.

주로 슬릿 형상과 잔류 수차 때문에, 슬릿 위치에 따라 SMO의 효과가 달라진다. 각 슬릿 위치에서는 서로 다른 수차와 입사각이 존재하여 그림자 현상도 달라진다. 따라서 일반적인 라인-공간 패턴에서는 명확히 드러나지 않지만, 수차에 민감한 특징에서는 슬릿 전체에 걸쳐 교정되지 않은 변동이 발생할 수 있다. 각 슬릿 위치에서 OPC와 보조 패턴을 적용해도, 조명 조건에 따라 그 효과가 달라져 슬릿마다 다른 소스-마스크 조합이 필요할 수 있다.

마스크에 의한 apodization 때문에 발생하는 앞서 언급한 색수차 또한 파장에 따라 일관되지 않은 소스-마스크 최적화를 초래한다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=ZBC7bkc3WyQ&pp=ygUIZXV2IGFzbWw%3D

피치 의존 초점 창

주어진 조명 하에서, 패턴 크기, 극성, 방향에 따라 최적 초점이 크게 달라진다. 36 nm 피치에서 수평 및 수직 다크필드 특징 간 최적 초점이 30 nm 이상 차이 난다. 34 nm와 48 nm 피치의 최적 초점 차이가 가장 크다. 48-64 nm 피치 범위에서는 피치에 따라 대략 선형적으로 10-20 nm씩 최적 초점이 이동한다. 34-48 nm 피치 범위에서는 반대 방향으로 이동한다. 이는 0차와 1차 회절 주문 간 위상차와 관련된다.

보조 패턴을 넣어도 중간 피치 범위에서는 이 경향이 크게 줄지 않으며, 18-27 nm와 쿼사 조명에서는 오히려 악화된다. 50 nm 콘택홀에서도 100 nm와 150 nm 피치에 대한 최적 초점 위치 차이가 약 25 nm로 작은 패턴일수록 더 심각할 것으로 예상된다. 48-100 nm 피치 콘택홀의 최적 초점 범위는 37 nm이며, 레지스트에 따라서도 달라진다.

핵심 레이어에는 한 방향의 다크필드 트렌치와 다른 방향의 공간이 섞여 있어, 이러한 최적 초점 차이가 더욱 크게 나타나 라인 끝-라인 및 라인 끝-라인 끝 이미징을 어렵게 한다.

 

 

조리개 충진률 감소

슬릿 전체에 걸친 조리개 회전으로 인해 쌍극자 조명에 훨씬 낮은 조리개 충진률(사다리꼴 또는 직사각형 내)을 사용해야 한다.

SMO와 초점 창 이동의 결과로 조리개 충진률이 감소한다. 즉, 최적의 조명은 고려해야 할 다양한 패턴에 대한 선호 조명의 최적화된 중첩이 된다. 이로 인해 더 나은 결과를 위해 낮은 조리개 충진률을 사용해야 한다. 그러나 20% 이하의 조리개 충진률에서는 흡수 때문에 처리량이 저하된다.

 

위상 시프트 마스크

EUV용 감쇠 위상 시프트 마스크의 위상 프로파일. 부분 투과성 EUV 흡수체와 함께 사용되는 감쇠 위상 시프트 마스크의 실제 위상 프로파일(빨간색)은 oblique 입사 조명과 흡수체 가장자리 산란 때문에 이상적인 설계 프로파일(점선)과 일치하지 않는다.

EUV의 흔히 언급되는 장점 중 하나는 상대적으로 쉬운 리소그래피로, 이는 k1 비율로 나타난다. 18 nm 금속 선폭의 k1은 0.44이다. k1이 0.5에 접근할 때 ArF 레이저(193 nm)에서는 감쇠 위상 시프트 마스크 등 약한 해상력 향상이 필수적이었지만, EUV에서는 사용할 수 없다.

특히 흡수체 가장자리에서의 산란을 포함한 3D 마스크 효과로 인해 원하는 위상 프로파일이 왜곡된다. 또한 위상 프로파일은 입사 평면파가 아닌 다층막을 통해 반사된 평면파 스펙트럼에서 유도된다. 흡수체가 없을 경우에도 oblique 입사 조명으로 인한 near-field 왜곡이 발생하며, 편광(TE, TM)에 따라 위상 천이가 다르다.

본질적으로 chromeless 위상 시프트 마스크는 마스크의 0차 회절 주문 억제를 통해 피치 분할을 가능하게 하지만, EUV용 고품질 위상 시프트 마스크를 제작하는 것은 결코 간단한 과제가 아니다. 이를 위한 한 가지 방법은 마스크 패턴의 푸리에 평면에서 공간 필터링을 활용하는 것이다.

 

 

EUV 포토레지스트 노광: 전자의 역할

EUV 광은 물질 흡수 시 광전자를 생성한다. 이 광전자는 다시 2차 전자를 발생시키며, 화학 반응에 참여하기 전에 느려진다. 충분한 dose에서는 40 eV 전자가 180 nm 두께 레지스트를 투과하여 현상을 일으킬 수 있다.

160 μC/cm2 dose(15 mJ/cm2 EUV dose, 1 전자/광자 가정)에서 30 eV 전자가 PMMA 레지스트를 7 nm 제거했으며, 380 μC/cm2 dose(36 mJ/cm2, 1 전자/광자)에서는 10.4 nm 제거했다. 이는 전자가 레지스트 내에서 이동할 수 있는 거리를 보여준다.

최근 측정에 따르면 93 eV 광전자(금 언더레이어)의 1/e 감쇠 길이가 레지스트에서 28 nm이며, 37%의 방출 전자가 28 nm 이상 이동한다. EUVL에는 화학증폭 레지스트와 금속 산화물 나노클러스터를 포함하는 레지스트가 사용된다.

높은 흡수율의 레지스트는 상단부에서 더 많은 광을 제거하여 하단부로 도달하는 광량이 감소한다. 따라서 상단과 하단의 흡수 dose 차이가 더 크게 나타난다.

낮은 흡수율의 레지스트일수록 수직 흡수 균일성이 높지만, EUV에서는 감도 향상을 위해 흡수율을 높이는 것이 목표와 상충된다. Shot noise 또한 문제가 된다.

https://www.youtube.com/watch?v=wH7D8V47etk&pp=ygUIZXV2IGFzbWw%3D

 

광전자 및 2차 전자 이동이 해상도에 미치는 영향

Low energy electron migration. &nbsp;Low energy electron travel distance (r) can reach at least several nanometers, even though the distance between electron collisions (scattering) is 1&nbsp;nm.

전자 이동 거리는 산란 거리 1 nm에 비해 상당히 길며, 이는 해상도에 영향을 미친다. 50-100 eV 전자가 15 nm 이상의 레지스트 두께(PMMA 또는 상용 레지스트)를 쉽게 투과하여, 200-300 μC/cm2 이상의 dose에서 광 흡수 지점을 중심으로 30 nm 이상 범위의 레지스트가 영향받는다.

전자 투과 과정은 확률적이므로 광자 흡수점에서 멀리 떨어진 곳에서도 레지스트 노광이 발생할 수 있다. Dose 증가는 장거리 전자 수를 늘려 레지스트 손실을 확장시킨다. 80 eV 전자 80 μC/cm2에 노광된 화학증폭 레지스트는 최대 7.5 nm 두께 손실을 보였다.

광전자 방출 정도는 초점 깊이에 영향을 미치는데, 하드마스크층이 광전자 방출을 증가시켜 초점 깊이를 저하시킨다. 또한 레지스트 내 defocused 이미지에 의한 전자도 최적 초점 이미지에 영향을 준다.

포토레지스트 내 광전자 발생은 이미지 형성의 근본적 부분이며, dose 증가에 따라 무작위 퍼짐이 증가한다. 2차 전자 수의 무작위성 자체가 EUV 레지스트 이미지의 확률적 행동 원인이 된다. 전자 퍼짐 길이도 분포를 가진다.

전자 퍼짐은 레지스트 표면에서의 전반사에 의해서도 영향받는다.

 

 

2차 전자 퍼짐 vs. dose

직접 광전류 측정을 통해 EUV 조사에 대한 2차 전자 수율을 얻을 수 있으며, 이를 기반으로 한 시뮬레이션에 따르면 2차 전자 퍼짐이 dose 증가와 함께 증가한다. 이는 dose 증가에 따라 포획 사이트가 감소하고 이를 고갈시키는 반응이 진행되기 때문이다.

주어진 광자 흡수 지점에서 저에너지 전자 유발 사건도 dose 증가와 함께 증가하며, 이는 저에너지 전자 dose에 따른 레지스트 두께 손실 측정으로 확인되었다. 전자빔 리소그래피에서도 dose 의존적 2차 전자 퍼짐이 알려져 있다.

dose 증가에 따른 2차 전자 퍼짐 증가는 확률적 결함 제어를 더욱 어렵게 한다.

 

 

하부층 영향

Electrons from layers under the resist can affect the profile and onset of collapse.

레지스트 하부층에서 발생한 2차 전자는 레지스트 프로파일과 패턴 붕괴에 영향을 미친다. 따라서 레지스트 하부 및 그 하부층 선택이 중요하며, defocused 이미지에서 발생한 전자도 이미지의 확률적 특성을 악화시킬 수 있다.

 

충전 및 전자 포획

다양한 에너지의 2차 전자 생성으로 인해 레지스트의 국부적 충전이 fluctuate한다. 퍼짐이 작은 EUV 노광은 특징 가장자리에서 더 큰 전하 차이와 전기장을 야기할 수 있다. 이는 유전체 절연파괴를 유발한다. 2차 전자 포획은 필름으로부터의 2차 전자 방출 감소를 초래하지만, trap 사이트 자체가 고갈되면서 결과적으로 높은 dose에서 2차 전자 퍼짐이 확장된다. 전자 포획은 폴라론 행동의 일부로 예측되며, 이는 전자의 최종 에너지 침착을 trap 사이트에 제한한다. 예를 들어 PMMA에서 폴라론 크기는 46 nm에 달한다.

https://www.youtube.com/watch?v=qtw3dFKZgvQ&pp=ygUIZXV2IGFzbWw%3D

 

오염 효과

레지스트 outgassing

Outgassing contamination vs. EUV dose: &nbsp;The increase of dose to size (E size ) to reduce&nbsp; shot noise &nbsp;and roughness comes at price of increased contamination from&nbsp; outgassing . The contamination thickness shown here is relative to a reference resist.

EUV dose에 따른 outgassing 오염. shot noise와 거칠기 감소를 위해 증가시킨 노광량(Esize)은 outgassing에 의한 오염 증가 비용을 초래한다. 이 그래프의 오염 두께는 기준 레지스트 대비 상대적이다.

EUV를 강하게 흡수하는 포토레지스트의 특성 때문에 가열 및 outgassing이 주요 문제가 된다. 잘 알려진 문제 중 하나는 EUV 또는 전자 반응으로 인한 주변 또는 outgassed 탄화수소의 레지스트 표면 오염 증착이다. 유기 포토레지스트는 탄화수소를, 금속 산화물 레지스트는 물, 산소, 금속(수소 환경에서)을 outgassing한다. 탄소 오염은 다층막 반사율에, 산소는 EUV 다층막 광학계의 루테늄 캐핑층에 특히 해롭다.

 

 

주석 재증착

툴 챔버의 원자 수소는 EUV 광학면에 증착되는 주석과 탄소를 제거하는 데 사용된다. EUV 광은 H2를 직접 광이온화하여 원자 수소를 생성하며, 이 반응에서 발생한 전자도 H2를 해리하여 추가적인 원자 수소를 만든다.

원자 수소는 주석을 휘발성 SnH4로 전환시켜 제거할 수 있지만, SnH4가 다른 EUV 광학면에 재증착될 수 있다. 재증착은 다른 중간 반응을 거쳐 일어날 수도 있다.

재증착된 주석은 원자 수소 노출로 제거될 수 있지만, 재증착과 수소 탈착으로 인해 제거 효율이 0.01% 미만에 불과하다. 주석 산화물의 제거 효율은 순수 주석보다 약 2배 높으며, 빛원에 소량의 산소를 주입하면 주석 제거 속도를 높일 수 있다.

 

 

수소 물집 형성

원자 수소(빨간 점)를 이용한 표면 세정 시, 수소가 표면 아래로 침투한다. Mo/Si 다층막에서 수소는 H2로 형성되어 갇히게 되며, 이로 인해 물집(흰 영역)이 생긴다.

수소는 금속 화합물과 반응하여 금속으로 환원되며, 다층막의 규소와 몰리브덴을 통해 확산되어 물집을 유발한다. 수소 관련 손상을 완화시키는 캡핑층은 반사율을 70% 이하로 감소시킨다. 캡핑층은 산소, 수소 등 주변 가스에 투과성이 있으며 수소에 의한 물집 결함에 취약하다. 수소는 캡핑층과 반응하여 제거될 수도 있다.

 

 

주석 분출

수소가 액체 주석(Sn)에 침투하면 수소 기포가 생성되며, 이 기포가 표면에서 터지면서 주석이 넓은 각도로 퍼져나가는 현상을 주석 분출이라 한다. 이는 EUV 콜렉터 오염 원인 중 하나이다.

 

레지스트 침식

수소는 포토레지스트를 식각하거나 분해시킨다. 실리콘도 매우 느리게 수소 플라즈마에 의해 식각된다.

 

멤브레인

이러한 영향을 완화하기 위해 2017년 도입된 NXE:3400B 장비에는 웨이퍼와 투영 광학계를 분리하는 멤브레인이 있다. 이 멤브레인은 DUV 및 IR 방사를 흡수하고 EUV는 85-90% 투과시킨다. 하지만 웨이퍼 outgassing과 입자 오염은 여전히 누적된다.

https://www.youtube.com/watch?v=ukMgxbirO6I&pp=ygUIZXV2IGFzbWw%3D

EUV 유도 플라즈마

EUV 노광 영역(보라색 경계) 외부에서도 EUV 유도 플라즈마에 의한 전자 충전이 발생한다.

EUV 리소그래피 시스템은 1-10 Pa 수소 배경가스 환경에서 작동한다. 이 플라즈마는 VUV 방사, 전자, 수소 이온의 근원이며, 노출된 물질을 식각한다. 플라즈마 방사는 포토레지스트에 대한 비 EUV 노광을 유발하여 확률적 결함 밀도를 증가시킨다.

2023년 TSMC의 연구에 따르면, 플라즈마 내 전자와 전자 방출에 의한 순 충전이 EUV 노광 영역 외부에서도 발생한다.

 

 

마스크 결함

EUV 결함 인쇄 가능성은 피치에 따라 달라진다. 여기서 다층막의 표면 거칠기도 상당한 영향을 미친다.

EUV 마스크의 결함 감소는 EUV 리소그래피의 상용화를 위한 가장 중요한 과제 중 하나이다. 결함은 다층막 아래, 내부 또는 상부에 존재할 수 있다. 다층막 증착 시 스퍼터링 타겟에 형성된 돌출부가 입자로 떨어질 수 있다. 높이 0.3-0.5 nm, FWHM 100 nm의 원자 스케일 결함도 10% CD 영향을 미칠 수 있다.

상당히 작은 50 nm 결함도 높이 0.6 nm에서 10% CD 영향을 줄 수 있지만 감지하기 어렵다. 또한 위상 결함 가장자리가 입사각 3도 이상 벗어나면 반사율이 10% 이상 감소한다. 결함 높이가 낮아도 다층막 층을 변형시켜 반사율 저하를 초래한다.

마스크 결함 수리도 슬릿 전체의 조명 변동 때문에 복잡하다. 슬릿 위치에 따라 수리 증착 높이를 매우 정밀하게 제어해야 한다.

 

 

다층막 반사율 무작위 변동

GF와 LBNL은 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 EUV 마스크의 Mo/Si 다층막 층간 혼합 효과를 연구했다. 원자 스케일의 두께 변동이 CD 수준에서 상당한 영향을 미치며, 이는 대면적 반사율 측정으로는 감지될 수 없다. 몇 nm 표준편차에서 국부적 반사율 변동이 10% 수준일 수 있다.

다층막 손상

10 mJ/cm2 미만의 다수 EUV 펄스가 Ru-capped Mo/Si 다층막 거울 광학 소자에 누적 손상을 줄 수 있다. 이는 0.33 NA 광학계의 입사각 범위 내이다.

 

 

펠리클

생산용 EUV 장비에는 마스크 오염을 방지하는 펠리클이 필요하다. 펠리클은 마스크를 운반, 챔버 출입, 노광 과정에서 입자로부터 보호한다. 광학 리소그래피에서는 펠리클 사용이 문제가 되지 않았지만, EUV에서는 EUV 흡수를 막기 위해 필름이 너무 얇아 펠리클 사용이 어렵다. 200 W 이상의 안정성이 확보되지 않으면 입자 오염이 문제가 될 것이다.

EUV 마스크 펠리클의 가열(80 W 입사 시 750 K까지)로 인한 변형과 투과율 감소가 우려된다. ASML은 82% 투과율의 70 nm 폴리실리콘 펠리클을 개발했으나 절반 이하만 견뎠다. SiNx 펠리클도 82 W에서 파괴되었다. 250 W 수준에서는 686°C까지 도달해 알루미늄 녹는점을 넘는다. 대체 재료는 투과율, 기계적/열적 안정성을 모두 만족해야 한다. 그래핀 등 탄소재는 EUV에 의한 전자 방출과 수소 플라즈마 식각에 취약하다. 실리콘도 수소 플라즈마에 식각된다. 코팅으로 내수소성을 높이면 투과율/방사율이 감소하고 기계적 안정성(팽창)도 영향받는다.

펠리클의 주름은 EUV 흡수 차이로 CD 불균일을 유발하며, 주름이 작고 조명이 더 간섭성일수록 심각하다.

펠리클이 없는 경우, 실제 웨이퍼 노광 전 마스크 청정도를 특수 마스크 검사 웨이퍼로 확인해야 한다. 결함이 있으면 마스크를 청소하고 재검사를 반복해야 하며, 영향받은 제품 웨이퍼도 재작업해야 한다.

TSMC는 2019년부터 자체 펠리클 제한 사용을 시작했고, 삼성은 2022년 도입 계획이다.

 

 

수소 팽창 결함

앞서 설명한 바와 같이, 수소가 EUV 마스크 층 내부로 침투하면 팽윤 결함이 발생한다. 이는 수소 환경에서 충분한 EUV 마스크 노광 후에 생기는 물집 결함이다.

https://www.youtube.com/watch?v=F1Tb1alj_Q4&pp=ygUIZXV2IGFzbWw%3D

투과율 확장의 한계

EUV 확률적 문제

Shot noise &nbsp;causing significant CD variations

EUV 리소그래피는 확률적 효과에 특히 민감하다. 큰 규모의 특징들이 인쇄되었을 때, 대부분은 해결되지만 일부는 완전히 인쇄에 실패하여 구멍이 없거나 선이 이어지는 등의 결함이 발생한다. 이에 대한 주요한 요인은 인쇄에 사용되는 dose이다. 이는 shot noise와 관련이 있는데, 도착하는 광자 수의 확률적 변동으로 인해 일부 영역은 인쇄 임계값에 도달하지 못하여 노광되지 않은 결함 영역이 생긴다. 레지스트 층의 하부가 상부의 흡수로 인해 더 과소 노출되기 쉽다. 일부 영역은 과도 노출되어 레지스트 손실이나 가교가 과도하게 발생할 수 있다. 특징 크기가 작아질수록 확률적 실패 가능성이 지수적으로 증가하며, 같은 크기에서도 특징 간 거리가 멀어질수록 가능성이 크게 증가한다. 모양이 변형된 선 절단은 아크와 단락의 가능성으로 인해 큰 문제이다. 수율을 위해서는 1e-12 미만의 확률적 결함까지 검출해야 한다. 다른 패턴에서 온 photon들로 구성된 이미지나 큰 조리개 채움에 의한 defocus는 확률적 결함을 더 악화시킨다.

 

확률적 결함은 임계 dose 부근에서 확률적 흡수 dose 변동이 있는 곳에서 발생한다. 이는 파란색 점들이 모이는 곳으로 나타난다. 동일한 집단에서 여러 결함 모드가 공존할 수 있는데, 트렌치 사이의 선이 끊어지는 것이 그 예이다. 이는 2차 전자에 의한 확률적 레지스트 손실 때문이다. 2차 전자의 무작위성 자체도 EUV 레지스트 이미지의 확률적 행동의 원인이 된다. 특정 패턴은 모서리 사이의 압착, 사이드로브, 스폿 사이 간격 등으로 인해 확률적 결함에 더 취약하다. 과소 노출과 과다 노출 결함 영역이 공존하여 특정 post-etch 결함 수준에서 저선량과 고선량 패터닝 cliff 사이의 dose 창이 손실된다. 따라서 파장 단축에 따른 해상도 이점이 사라진다. 레지스트 하부층도 중요한 역할을 한다. 이는 하부층에서 발생한 2차 전자 때문일 수 있다. 2차 전자는 노출된 가장자리에서 10 nm 이상의 레지스트를 제거할 수 있다. 결함 수준은 1K/mm2 order이다. 2020년 삼성은 5 nm 레이아웃에서 공정 결함 위험이 있다고 보고했고 자동화된 점검과 수정을 시작했다.

 

Line end position affected by shot noise. &nbsp;The natural variation of EUV photon number can cause the position of the line end to shift.

Photon shot noise는 dose 의존 blur(가우시안 모델링)를 통해 확률적 결함과 연결될 수 있다. Blur가 큰 영역이 확률적 결함의 장소가 될 수 있다. Photon shot noise는 또한 확률적 edge placement error를 초래하는데, 이는 1 nm를 초과할 수 있다. 두 점 퍼짐 함수 사이의 간격을 고려하면 2 nm를 초과할 수 있다.

Photon shot noise는 2차 전자 또는 화학증폭 레지스트의 산 등과 같은 blur 요인들에 의해 어느 정도 증폭된다. 이러한 blur가 상당하면 가장자리의 이미지 대비도 또한 감소한다. blur는 이미지 흐릿해짐에 의해서도 발생할 수 있다. 특징 크기보다 blur가 작기 때문에 특징의 전체 포함 면적에도 변동이 있을 수 있다. 일반적으로 사용되는 dose에서 EUV가 DUV 파장보다 photon 밀도가 낮고 더 작은 특징 크기가 더 작은 픽셀로 표현되기 때문에, EUV의 경우 이러한 blur가 더 심하다. blur를 고려해도 최종 화학종 분포는 여전히 확률적이다. 더 높은 dose는 확률성을 줄일 수 있지만 더 큰 blur를 유발하여 확률적 변동의 범위를 넓힐 수 있다. 확률적 문제를 해결하는 다른 방법은 방향성 식각을 사용하여 측벽 가장자리를 매끄럽게 하는 것이다.

 

 

미래 EUV 리소그래피의 해상도는 throughput 유지에 어려움이 있다. 이는 더 작은 필드, 추가 미러, shot noise 때문이다. Throughput을 유지하기 위해서는 중간 초점면에서 출력을 계속 높여야 한다. Photon의 무작위 도착 및 흡수 시간으로 인한 자연 포아송 분포로 인해, 최소 3σ 수준의 수 퍼센트 dose(photon 수) 변동이 있어 노출 과정이 확률적 변동에 취약하다. Dose 변동은 특징 가장자리 위치의 변동, 즉 blur 요소로 작용한다. 회절에 의한 엄격한 해상도 한계와 달리, shot noise는 더 완화된 한계를 부과하며, 주요 가이드라인은 ITRS 선폭 거칠기(LWR) 사양인 선폭의 8%(3σ)이다. Dose를 높이면 shot noise를 줄일 수 있지만, 이를 위해서는 소스 출력도 높여야 한다. 10 nm 폭, 10 nm 길이의 어시스트 특징 영역에서, 15 mJ/cm2의 목표 비인쇄 dose와 10% 흡수에 대해, 100개 이상의 광자로 정의되는데, 이는 6σ 노이즈 59%에 해당하는 6~24 mJ/cm2의 확률적 dose 범위를 가져 인쇄 가능성에 영향을 줄 수 있다. Intel의 2017년 연구에 따르면, 반 격리 비아의 경우(그 Airy 원반을 가우시안으로 근사할 수 있음) CD의 dose 민감도가 특히 강해, dose 감소가 비아 인쇄 실패로 비선형적으로 이어질 수 있다.

Shot noise와 EUV 방출 전자의 두 가지 문제는 두 가지 제한 요인을 나타낸다: 1) tolerable 수준의 shot noise를 위해 dose를 충분히 높게 유지하는 것, 2) EUV 방출 광전자 및 2차 전자의 기여가 증가로 인한 edge blur 증가로 인한 해상도 제한을 피하기 위해 dose가 지나치게 높지 않도록 하는 것. 해상도 영향 외에도, 더 높은 dose는 outgassing을 증가시키고 throughput을 제한하며, 매우 높은 dose에서는 가교 현상이 발생한다. 화학증폭 레지스트의 경우, 더 높은 dose 노출은 산 발생기 분해로 인한 선폭 거칠기 증가를 초래한다. 동일 dose에서 더 높은 흡수를 갖는 EUV가 ArF(193 nm) 파장보다 더 큰 shot noise 우려를 갖는데, 주로 더 얇은 레지스트에 적용되기 때문이다.

 

 

앞서 보았듯이, 목표 입사 dose 수준에서 EUV 레지스트의 EUV 광자 흡수가 ArF 레지스트의 ArF 광자 흡수에 비해 크게 적다. 레지스트 투과율이 더 높음에도 불구하고, 같은 면적당 에너지 dose에 대한 입사 광자 속이 약 14배(193/13.5) 더 크다. 양자 수율은 ArF와 EUV 파장 모두에서 화학증폭 레지스트의 반응을 유사하게 만들지만, ArF 레지스트는 더 큰 blur를 허용하여 추가 smoothing을 가능하게 한다. 레지스트 두께는 투명성뿐만 아니라 레지스트 붕괴와 스트립 고려사항에 의해 제한된다. 확률적 요인들로 인해, IRDS 2022 리소그래피 로드맵은 더 작은 특징 크기에 대해 더 큰 dose를 인정하고 있다. 그러나 dose를 4배 높여도 확률적 결함을 제거하기에는 충분하지 않을 수 있으며, 이는 throughput 저하를 초래한다. EUV 해상도는 확률적 효과에 의해 손상될 가능성이 크다. 더 작은 피치는 photon shot noise와 blur에 의해 더 심각한 영향을 받으며, 30 nm에서도 이미 결함이 나타나고 있다. ASML은 30 nm 피치에 대해 직접 노광이 아닌 더블 패터닝을 사용할 것이라고 밝혔고, Intel도 30 nm 피치에 EUV를 사용하지 않았다. 현재 36 nm 피치에서 확률적 결함 밀도가 1/cm2를 초과했으며, 피치가 작아질수록 더 악화된다. 따라서 EUV 노광은 충분히 큰 피치만을 포함해야 한다.

 

 

조리개 채움 비율

As pitch decreases, a smaller fraction of pupil (fewer illumination angle) may be used.

피치가 감소하면 더 작은 조리개 영역(더 적은 조명 각도)이 사용될 수 있다. 파장의 절반/수치 개구수보다 작은 피치의 경우 쌍극자 조명이 필요하다. 이 조명은 조리개 가장자리에 있는 잎 모양 영역을 최대로 채운다. 그러나 EUV 마스크의 3차원 효과로 인해 더 작은 피치에서는 이 잎 모양의 더 작은 부분이 요구된다. 조리개의 20% 미만에서는 throughput과 dose 안정성이 저하되기 시작한다. 더 높은 수치 개구수를 사용하면 같은 피치에 대해 더 높은 조리개 채움이 가능하지만, 초점 심도가 크게 줄어든다.

 

 

Use with multiple-patterning

EUV는 0.33 NA에서 약 34 nm 피치에서 더블 패터닝을 사용할 것으로 예상된다. 이 해상도는 DRAM의 '1Y'에 해당한다. 2020년 ASML은 5 nm M0 층(30 nm 최소 피치)에 더블 패터닝이 필요하다고 보고했다. 2018년 하반기 TSMC는 자사 5 nm EUV 공정에서도 다중 패터닝을 사용한다고 확인했으며, 이는 광범위한 DUV 다중 패터닝을 사용했던 7 nm 노드에 비해 마스크 수가 감소하지 않았음을 나타낸다. EDA 업체들도 다중 패터닝 방식의 지속적 사용을 나타냈다. 삼성은 자사 7 nm 공정에서 EUV 단일 패터닝을 도입했지만, 심각한 photon shot noise로 인한 과도한 선폭 거칠기로 인해 더 높은 dose를 요구하여 결과적으로 throughput이 낮아졌다. TSMC의 5 nm 노드는 더 엄격한 설계 규칙을 사용한다. 삼성은 더 작은 치수가 더 심각한 shot noise를 야기할 것이라고 밝혔다.

 

0.33 NA EUV 공정에서 38 nm 이하의 중심 간격에서는 콘택트 또는 비아층에 대해 더블 또는 트리플 패터닝이 필요할 것이다.

Intel의 보완적 리소그래피 방식에서 20 nm 반 피치에서 EUV는 193 nm 선 인쇄 노출 후 두번째 선 컷팅 노출에만 사용된다. 동일 층에 서로 다른 최적화된 조리개 형상이 필요한 서로 다른 피치나 폭의 두 개 이상의 패턴이 존재하는 경우에도 다중 노출이 필요하다. 예를 들어 64 nm 수직 피치의 엇갈린 막대 배열에서 수평 피치를 64 nm에서 90 nm로 변경하면 최적 조명이 크게 변한다. 선-공간 회절격자와 끝-끝 회절격자 기반의 소스-마스크 최적화로는 한 면에 갭이 있는 밀집 트렌치 같은 논리 패턴의 모든 부분에 대한 개선을 얻을 수 없다. 2020년 ASML은 3 nm 노드에서 40 nm 이하의 콘택트/비아 중심 간 간격에 대해 더블 또는 트리플 패터닝이 필요할 것이라고 보고했다. 24-36 nm 금속 피치에 대해, EUV를 (두 번째) 컷팅 노출로 사용하는 것이 금속층의 단일 노출로 사용하는 것보다 공정 창이 크게 더 넓다는 것이 확인되었다. pellicle 없이 결함 관리를 위해서도 동일 마스크의 다중 노출이 필요할 것으로 예상되며, 이는 다중 패터닝과 유사하게 생산성을 제한할 것이다. SALELE는 7 nm에서 도입되어 5 nm에서도 계속 사용되는 하이브리드 SADP/LELE 기술이다. SALELE는 일부 층이 28 nm 피치인 5 nm 노드에서 EUV와 함께 사용되는 더블 패터닝의 하나로 인정되고 있다.

 

 

Single-patterning extension: anamorphic high-NA

사이드로브는 일정 중심 간 거리에서 확률적 변동으로 인한 위험이 더 크다. 이 위험은 고NA EUV 시스템의 중심 차폐로 인해 더 증가한다.

더 높은 수치 개구수(NA) 공정으로 단일 패터닝 확장이 가능할 것이다. NA 0.45의 경우 몇 % 정도의 재조정이 필요할 수 있다. 배율을 늘리면 이 재조정을 피할 수 있지만, 축소된 필드 크기로 인해 많은 코어와 수십억 개의 트랜지스터가 있는 14 nm Xeon과 같은 대규모 패턴에는 심각한 영향을 미친다. 두 개의 마스크 노출로 필드를 조립해야 하기 때문이다. 중심 회절 차폐로 인해 최소 피치와 더 큰 피치의 특정 조합이 금지된다.

2015년 ASML은 NA 0.55의 아나모픽 차세대 EUV 스캐너 세부 정보를 공개했다. 배율은 한 방향(입사면)에서만 4배에서 8배로 증가했다. 그러나 0.55 NA의 초점 심도는 침지 리소그래피보다 훨씬 작다. 또한 아나모픽 0.52 NA 공정에서도 5 nm 노드의 단일 노출 및 다중 패터닝 컷팅에 대해 너무 큰 CD 및 배치 변동성이 관찰되었다. NA 증가로 인한 초점 심도 감소도 우려 사항으로, 특히 193 nm 침지 리소그래피의 다중 노출과 비교하면 더 크다.

Central diffraction order obscuration forbids certain combinations of minimum pitches with larger pitches (red).

 

고NA EUV 공정도 차폐로 인한 문제를 겪는데, 이는 특정 패턴의 이미징에 오류를 발생시킬 수 있다. 특히 사이드로브 피크와 계곡이 확률적으로 인쇄될 수 있다. 첫 번째 고NA 공정은 2025년 이르면 Intel에서 기대된다. 차폐와 슬릿 회전의 복합적 영향으로 인해, 1.x nm 노드에서는 throughput이 제한될 것으로 예상된다. 2 nm 미만 노드에서 고NA EUV 시스템은 throughput, 새로운 마스크, 편광, 더 얇은 레지스트, 2차 전자 blur와 무작위성 등의 문제에 영향을 받을 것이다. 초점 심도 감소로 인해 30 nm 미만의 레지스트 두께가 필요하며, 이는 photon 흡수 감소로 확률적 효과를 증가시킨다. 20 nm 미만 피치를 목표로 하는 고NA EUV 시스템은 20% 미만의 조리개 채움으로 충분한 초점 심도를 얻기 어려운 큰 피치에는 적합하지 않다. 전자 blur는 최소 약 2 nm로 추정되며, 이는 고NA EUV 리소그래피의 이점을 상쇄할 만큼 크다.

 

Beyond EUV wavelength

약 6.7 nm의 훨씬 더 짧은 파장은 BEUV(Beyond EUV)라고 불리며, 현재 기술로는 충분한 dose를 보장하지 않으면 shot noise 효과가 더 심각할 것이다.

 

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