극자외선(EUV) 리소그래피가 생산 단계에 가까워지고 있지만 stochastic effects(스토캐스틱 이펙트)라고도 하는 문제가 있는 변형이 다시 나타나며 현재의 반도체노광 기술에 더 많은 문제와 도전을 만들고 있습니다.
Intel, Samsung 및 TSMC등의 Main반도체 제조회사들은 EUV 리소그래피를 7nm 및/또는 5nm에서 적용하기를 원하지만, 이전과 마찬가지로 EUV는 칩 제조업체가 적용하기 전에 함께 제공되어야 하는 여러 준비요소가 필요합니다.
여기에는 scanner, power source, resists and masks등이 포함됩니다. 그리고 보다 최근에는 공정상 큰 변수를 수반하는 현상인 스토캐스틱(stochastic)에 대한 업계의 경고가 나오기 시작했습니다.
일부는 공정상 준비된 반면 다른 몇몇 요소들은 문제가 되고 있습니다. 실제로 EUV관련된 산업계는 처음으로 포토레지스트(Photoresist) 및 관련 문제를 EUV Power Source를 능가하는 EUV의 최대 과제로 나열했습니다. 수년간의 지연 끝에 EUV Power의 문제의 경우는 마침내 HVM(대량 생산) 사양을 만족할 수준이 되었습니다.
패턴을 만드는 데 사용되는 빛에 민감한 폴리머인 레지스트는 다른 이야기이며 stochastics을 유발하는 원인중의 하나입니다. 정의에 따르면 stochastics은 확률 변수가 존재합니다. 이것들은 예측할 수 없으며 안정적인 패턴이 없습니다.
EUV의 경우 광자(Photon)가 레지스트에 부딪혀 반응을 일으킵니다. 그러나 EUV 공정에서는 개별 발생 또는 여러 이벤트로 완전히 새롭게 다른 반응이 있을 수 있습니다.
따라서 EUV공정은 stochastics과 관련된 문제가 이전의 ArF공정보다 발생하기 더 쉽습니다. 일반적으로 업계에서는 stochastics에 대해 포토레지스트를 이슈화 하지만 포토마스크 및 EUV공정중의 다른 부분에서도 이러한 문제들이 발생할 수 있습니다.
* (아래) Tech node가 EUV영역인 10nm이하로 가면서 패턴의 Roughness의 위험성은 2배 증가
그리고 언급한 Stochastic관련 Defect은 10배로 증가가 되고 있다
광자 계산(Counting photons)
포토 레지스트(Photoresist)의 개선과 개발은 또 다른 과제입니다. 수년 동안 업계에서는 248nm 및 193nm 리소그래피에서 chemically amplified resists (CARs:화학적 증폭반응방법)을 사용해 왔습니다. 간단히 말해서 리소그래피 광원은 광자 또는 빛의 입자를 생성합니다. 광자는 CAR에 충돌하여 산을 생성합니다. 그런 다음 CAR은 노광공정후 Baking프로세스 동안 산 촉매 반응을 거칩니다.
EUV에 사용할 수 있는 CAR은 훨씬 더 복잡하고 훨씬 더 높은 에너지 광자를 가지고 있습니다. 예를 들어 Stochastic을 설명하기 위해서는 레지스트를 EUV광에 노출시켜 특정 수의 광자를 레지스트로 보내는 것입니다. 이상적으로는 이러한 광자가 고르게 분산됩니다. 그러나 한 지점에서는 10개의 광자가 레지스트에 흡수되고 다른 위치에서는 8개의 광자가 흡수될 수 있습니다. 이 원치 않는 결과를 Stochastic이라고 합니다.
그런 다음 다른 예에서 EUV 빛이 3개의 연속적이고 개별적인 상황에서 레지스트에 부딪친다고 가정해 보겠습니다. 첫 번째 이벤트에서 레지스트는 10개의 광자를 흡수합니다. 그런 다음 다음에는 9를 흡수하고 그 다음에는 11을 흡수합니다. 한 상황에서 다음 상황으로의 변동성은 photon shot noise(샷노이즈)라고 하는 현상입니다.
곡선에 표시하면 광자의 분포가 때때로 바람직하지 않습니다. 피처 크기가 점점 작아지면서 가우시안 분포가 꼬리가 자라기 시작하고 한쪽이 비대칭이 된다는 것을 발견했습니다.
몇 년 전에는 stochastics과 샷 노이즈가 큰 Issue나 관심사항이 아니었습니다만 193nm 리소그래피에서 문제가 나타나기 시작했습니다. 193nm에서 칩 제조업체는 패턴의 가장자리(Pattern Edge)근처에서 10mJ/cm²의 도즈를 사용합니다. "1nm² 영역을 선택하면 해당 노출 과정에서 평균 97개의 광자가 해당 영역을 통과하여 포토레지스트로 이동합니다. 그러나 측면에서 10nm²의 더 큰 볼륨을 보면 평균적으로 9,700개의 광자가 있을 것입니다.”라고 Fractilia의 CTO인 Chris Mack가 설명했습니다.
따라서 패터닝을 할 수 있는 충분한 수의 광자가 있으면 따르면 광자 샷 노이즈 또는 변동치는 1%에 불과합니다.
반면에, EUV 광자는 193nm 빛보다 광자당 14배 더 많은 에너지를 가지고 있습니다. 이는 동일한 선량에 대해 EUV의 광자가 14배 더 적다는 것을 의미합니다. 따라서 위의 예에서는 1nm² 영역을 노출시키는 97개의 광자가 있었지만 EUV에는 7개의 광자만 있습니다. 상대 불확실성은 1/광자 수의 제곱근입니다. 97개의 광자의 경우 +/- 10%의 불확실성입니다. 7 광자의 경우 불확실성은 +/- 40%입니다.
문제를 복잡하게 만드는 것은 각 노드에서 기능 크기가 더 작다는 사실입니다. 그 과정에서 광자의 수를 셀 수 있습니다. 그 시점에서 변동은 기하급수적으로 확대됩니다.
이것은 새로운 것이 아닙니다. Chris Mack과 관련 사람들은 수년 동안 EUV stochastics 이 패턴에서 원치 않는 LER(Line-Edge Roughness)을 유발할 수 있다고 경고했습니다. LER은 패턴의 모서리(edge)의 차이를 말합니다.
LER 외에도 업계는 이제 칩의 다른 부분, 특히 Contact에 대해 걱정하고 있습니다. 노광공정중에 EUV 스캐너는 Contact Hole을 패턴화하는 Photon을 생성합니다. 그러나 때때로 프로세스가 완벽하지 않아 Contact에서 Stochastic Issue가 발생합니다. 이러한 Defect은 line breaks or holes으로 나타나며, 때로는 "missing and kissing contacts"라고도 합니다.
이러한 문제는 패터닝 공정에 가장 치명적입니다. “Contact Hole은 Photons을 넣을 작은 점(구멍)입니다. 그러나 몇 개의 광자가 있는 경우 Contact Hole이 100개의 광자를 얻고 때로는 80개, 때로는 140개를 얻습니다. 결과적으로 Contact Hole의 크기가 다양합니다.
이러한 결함은 7nm에서 나타날 수 있지만 5nm 이하의 공정에서도 분명 나타날 것입니다. “EUV의 stochastic effects는 기본적으로 노광공정시 CD control의 normal dose/focus window에 예측하지 못하는 변화를 만드는 뿐만 아니라 추가적인 line-edge roughness 및 shot-to-shot dose variation를 야기시킵니다. 포토공정담당자에게 이것은 더 적은 프로세스 창을 의미합니다. -> 즉 포토공정의 공정마진(Budget)이 작아짐을 의미함
따라서 Stochastic effects는 Process Node를 규정하는데 필요한 패터상의 면적 및 수율 요구 사항을 달성하기 위해 어떤 레이어가 어떤 리소그래피/다중 패터닝 기술을 사용할 것인지에 대한 결정에 중요한 Factor가 될것입니다.
위와 같이 Technode가 EUV로 가면서 생기는 근본적인 패터닝의 한계를 극복하기 위해서 레지스트의 개발개선(예)Inpria와 같은 스타업회사에서 금속산화물을 포함한 PR를 개발하는것. 그리고 측정의 정밀화(CD SEMI계측)의 오차(Noise)의 문제등을 정확하게 측정하는등 여러가지 공정개선의 시도가 이루어 지고 있다고 할수 있다.
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