33. EUV Mask에 대하여 - 종류 (5)

 

그림자 효과

그림자 효과란?
EUV Lithography에서 Mask로 입사각, 반사각은 6˚인데

Absorber Pattern은 두꺼우면 안되는데 두꺼워지면 빛이 반사되서 나갈때 그림자가 지는 현상입니다.

빛이 Mask로 들어오고 반사되서 나갈 때 Absorber Pattern이 두껍다면 Absorber Pattern에 맞게 되겠죠?. 그래서 두께가 두꺼워지면 Absorber Pattern에 반사되서 나가야하는 빛이 흡수가 되는 일이 발생합니다. 그래서 Absorber Pattern 옆의 반사가 되어야하는 부분은 반사가 잘 되지 않게 됩니다. 이를 현상을 Shadowing Effect, Mask 3D Effect라고 하는데 Absorber가 얇아져야 이런 현상이 안 생깁니다.

그림자 효과는 비스듬한 조명과 마스크 지형의 조합으로 인해 발생하는 문제입니다. 이 효과로 인해 CD 편향과 위치 이동이 발생합니다. 그렇기에 설계된 마스크 CD와 비교하여 공간 특징은 작게 인쇄되고 선 특징은 크게 인쇄됩니다.

 

 

이 효과는 위 두개의 방정식에서 표현된 것 처럼 흡수체 스택의 두께가 증가함에 따라 증폭됩니다. 근거리 회절의 효과를 고려하면 흡수체 가장자리 근처의 어두운 영역의 전기장은 완전히 어둡지 않습니다. 빛은 가장자리의 어두운 영역으로부터 확장되죠.

마스크 가장자리에서 회절되는 전기장은 ML에서 다시 반사되는 빛도 간섭합니다. 결과적으로 빛의 회절은 재료의 기하학적 구조와 광학적 특성(굴절률) 모두에 따라 달라집니다. Dn(굴절률의 실제 부분과 진공 상태의 굴절률 차이)이 더 큰 TaN과 Cr을 사용하면 Al 및 Ge과 같은 다른 재료에 비해 더 큰 그림자 효과가 발생합니다. 그렇다고 흡수층 스택을 줄이자니 Contrast를 얻으려면 흡수체 두께가 충분하여 누설광이 가능한 한 낮아야 하는 딜레마가 있습니다..

Bossung curve 분석 및 초점 shift

Bossung curve란?
focus를 조절하여 DOF를 파악하고, energy를 조절하여 EL과 dose 민감도를 파악할 수 있도록 나타낸 plot 

특정 패턴을 가진 EUV 마스크를 고려할 때, 큰 Pitch에서 선의 Bossung curve이 기울어지고 최적 초점이 이동합니다. 이 최적 초점 이동은 Pitch에 따라 달라집니다. periodic lines에서 isolated lines까지 Pitch가 증가함에 따라 최적 초점 이동이 증가합니다.

 

100nm 두께의 TaN 흡수체, 30nm 라인의 Bossung curve plot

 

periodic lines에서도 작은 초점 이동이 존재합니다. TaN 케이스의 경우 고밀도 라인과 isolated lines 사이의 최대 초점 이동에 의한 차이는 40nm에 달합니다. Pitch마다 최적 초점 이동이 다른 경우 스캐너 초점 조정으로 Pitch가 다른 모든 라인의 최적 초점 이동을 보정할 수 없습니다. EUVL의 DOF는 약 100nm에 불과하기 때문에 밀집된 라인과 분리된 라인 사이의 40nm 최적 초점 불일치는 전체 리소그래피 프로세스 윈도우에 큰 영향을 미칩니다.

 

그림자 효과와 마찬가지로 이 최적 초점 이동은 흡수재 재료의 n 및 k 값에 따라 달라집니다. 그러나 흡수재 재료의 두께는 충분한 EUV 광 흡수를 허용하는 한(잔류 반사율 <1%) 베스트 포커스 시프트 효과에서 상대적으로 작은 역할을 합니다. 추가 레이어(예: phase shift layer)를 적용하면 이 추가 레이어 재료의 광학적 특성에 따라 최적 초점 이동 및 Bossung curve 기울기 효과가 변조됩니다. 상대적으로 큰 Dn을 가진 세 번째 레이어를 사용하면 흡수재 재료의 광학적 특성에 관계없이 최적 초점 이동 및 Bossung curve 기울기 효과가 증가하게되죠.

 

Alternative euv mask

Etched multilayer (ML) binary mask

 

Alternative mask 구조는 마스크 3D 효과의 영향을 완화하고 EUV 해상도 한계를 더욱 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. phase shift 마스크와 같은 다양한 신규 마스크 구조가 개발되었습니다. 다른 변형으로는 etched multilayer (ML) binary mask, attenuated Phase Shift Mask(PSM, 임베디드 또는 에칭된 ML), alternating PSM(기판 또는 에칭된 ML), 수정된 교번 PSM(이중 에칭 또는 흡수체 스택 포함) 등이 있습니다. 이러한 구조에 대한 상당량의 연구는 시뮬레이션을 기반으로 하지만, 일부 실험 결과는 실제 적용 가능성을 보여주었습니다.

Etched multilayer (ML) binary euv mask

흡수체 스택의 레이아웃 패턴을 정의하는 마스크 패터닝 방법 외에도, EUV 광이 반사되지 않거나 덜 반사되어 에칭된 영역이 어둡게 보이는 마스크에 패턴 트렌치를 남기기 위해 ML에 에칭할 수 있습니다. 에칭된 영역의 나머지 이중층은 감쇠된 반사율에 기여하고, 에칭된 트렌치의 깊이는 왕복 광 경로 차이로 인한 위상 변화에 기여합니다. 그 결과 반사율과 위상 변이는 다양한 이미징 기능을 가진 다양한 유형의 마스크를 달성하도록 설계할 수 있습니다.

 

트렌치 영역에서 모든 ML을 제거하면 에칭된 트렌치에서 기판 표면에서 반사되는 EUV 광은 0.09%에 불과하므로 99.96%의 훨씬 높은 이미지 대비를 얻을 수 있습니다. 반사된 nearfield 강도는 흡수체 스택이 있는 기존 마스크에 비해 edge streamer가 없고 엣지에서 그림자 효과가 더 적습니다. 또 다른 차이점은 에칭 ML 마스크 아키텍처의 경우 광자 감쇠(어두운 영역)가 트렌치 하단(위치가 낮음)에 생성되는 반면, 흡수체 레이어가 위에 있는 기존 마스크 아키텍처의 경우 ML 스택 상단(위치가 높음)에 생성된다는 점입니다. 결과적으로 이 두 가지 마스크 패턴의 경우 섀도 효과는 서로 반대되는 톤으로 나타납니다.

 

위 그림을 통해 Etched multilayer (ML) binary mask에서 반사된 nearfield와 키르히호프 마스크(얇은 마스크 모델)에서 반사된 nearfield 간에 비대칭성이 줄어들고 유사성이 높아진 것을 명확하게 볼 수 있습니다. 또한 에칭된 ML 구조, 특히 편향 에칭된 바이너리 ML 마스크를 사용하면 DOF를 개선할 수 있습니다

 

그러나 Pitch가 감소함에 따라 에칭된 바이너리 마스크의 마스크 클리닝은 심각한 패턴 붕괴를 유발한다는 단점이 있습니다. 이를 위해 연구된건 에칭된 ML 바이너리 마스크를 높은 흡수 계수를 갖는 재료로 트렌치를 리필하는 것 해결? 할수 있습니다. 이로 인해 리필 마스크의 평면 형상은 그림자 효과를 방지할 수 있죠. 리필 및 에칭된 nearfield는 모두 흡수체 바이너리 마스크의 경우와 비교하여 오른쪽 가장자리(왼쪽에서 들어오는 빛)에서 그림자 효과가 훨씬 적기 때문에 H-V 바이어스 및 IPE 측면에서 더 나은 이미지를 생성합니다. IPE는 등방성 배율 오차를 제거한 후 정의된 기준 그리드에 대한 중심선 이미지 배열의 최대 구성 요소 편차(X 또는 Y) 오류로 정의됨을 기억합시다!

 

Attenuated phase shift euv mask

감쇠형 PSM은 두 가지 방법으로 제작할 수 있습니다. 하나는 흡수 스택 없이 ML을 정의된 깊이로 에칭하는 방법(에칭 ML 감쇠 PSM)이고, 다른 하나는 광학 마스크의 PSM에서와 같이 상단에 위상 시프터를 구현하는 방법입니다(임베디드 감쇠 PSM).

 

에칭된 ML 감쇠 PSM에서는 에칭된 영역의 나머지 이중층이 감쇠 반사율에 기여하고 에칭된 트렌치의 깊이가 왕복 광 경로 차이에 따른 위상 시프트에 기여합니다. ML 스택이 4개의 이중층만 남은 상태에서 에칭되는 경우 에칭된 영역은 약 6%의 감쇠된 E-Field 강도를 갖습니다. 일부 이중층을 제거하면 에칭된 영역에서 반사되는 nearfield와 에칭되지 않은 영역에서 반사되는 nearfield 간에 180도 위상 이동을 얻을 수 있습니다

이 공정은 식각 깊이를 정밀하게 제어하거나 식각 정지층(ESL)을 채택하여 구현할 수 있죠. ESL을 사용하면 식각 공정을 잘 제어할 수 있지만, ML의 총 반사율을 감소시키지 않으면서도 처리를 위한 우수한 식각 선택성을 제공하도록 재료와 두께를 신중하게 선택해야 합니다.

 

SiO2(이산화규소)는 높은 에칭 선택성(Cl2/HBr/He/O2 플라즈마 화학을 사용한 Mo/SiO2 90)과 습식 에칭성으로 인해 ESL에 적용되죠. SiO2의 낮은 EUV 흡수는 에칭 영역에서 캡핑 층으로 작용할 수 있는 ESL을 제거하지 않고 PSM을 가능하게 할 수 있습니다. 이러한 nearfield의 위상 이동은 주로 트렌치에서 아래위로 빛이 전파되는 광 경로 차이에 기인하죠.

 

 

다른 감쇠 PSM은 광학 PSM과 유사한 임베디드 PSM입니다. 임베디드 PSM의 경우, 단일 흡수체 층으로 180도 위상 편이 효과를 얻을 수 있어 감쇠 PSM과 유사한 효과를 얻을 수 있습니다. 그러나 EUV용 흡수체 스택은 위상과 원하는 흡수를 모두 만족시켜야 하죠, 주로 2층으로 적용되는데. 1개 층은 주로 흡수체 역할을 하고 다른 층은 위상 시프터 역할을 합니다.

 

2레이어 접근 방식은 기존 EUV 마스크의 흡수체/버퍼 구조와 일치합니다. 그러나 식각 선택성과 다른 공정과의 호환성을 위해 몇 가지 고려해야 할 사항이 있습니다. 흡수체와 위상 시프터의 굴절률이 매우 유사하면 이러한 모든 복잡한 최적화 프로세스를 단순화할 수 있죠.

 

두께 비율에 관계없이 40.5nm 두께의 총 흡수체 스택(TaN 흡수체 ＋ Mo 위상 시프트 층)으로 위상 외 조건(180도 위상 시프트)을 달성할 수 있는것 처럼요. 이 중요한 특성을 이용하여 흡수체 스택의 전체 두께가 40.5nm로 고정되어 있을 때 아웃 오브 위상 상태를 유지하면서 Mo 위상 시프터의 두께를 조정하여 반사율을 제어할 수 있습니다. 이는 TaN 흡수체와 유사한 굴절률을 갖는 Mo 위상 시프터로 인해 가능합니다.

Alternating phase shift euv mask

 

두 영역(0도 및 180도 위상 영역)에서 ML의 불일치로 인한 위상 차이는 ML 코팅 전 기판의 위상 스텝에 의해 생성되어 alternating PSM(APSM)으로 만들 수 있습니다. 일반적인 증착 공정에서는 ML 증착에 따라 표면 거칠기가 변하고 최소 스텝을 쉽게 제어할 수 없죠. APSM의 잘 알려진 문제 중 하나는 선 위치가 바뀌는 이미지 불균형 효과입니다. EUV 이미지 불균형 현상은 리플렉터의 반사광과 흡수체 상단의 반사광 사이의 간섭에 크게 좌우되며, 스텝 높이가 증가함에 따라 이 효과는 증가합니다. 패턴 Pitch가 증가함에 따라 이미지 불균형 효과는 더 높은 에칭 위상 스텝에서도 감소합니다. 기존 바이너리 마스크와 비교하여 50nm Pitch에서 15nm 마스크 라인의 경우 더 큰 노출 및 초점 위도를 관찰할 수 있습니다.

 

APSM은 감쇠 PSM과 유사한 에칭된 ML 구조로 제작할 수 있습니다. 에칭된 영역에 높은 반사율을 위해 충분한 이중층이 남아 있는 경우, 즉 에칭되지 않은 영역과 유사한 경우(예: 60주기 이중층으로 시작하는 77nm 에칭 깊이), 이 에칭된 영역은 APSM에서 180도 위상 쉬프트 영역으로 동작하죠. 기판까지 다시 에칭하거나 에칭되지 않은 영역에 흡수체 스택을 증착하거나 에칭된 APSM을 부분적으로 다시 채워서 APSM의 수정도 가능합니다. 이중 에칭된 APSM은 바이너리 마스크와 흡수체가 있는 APSM에 비해 DOF가 더 큽니다!

black border of euv mask

흡수체 이미지 테두리의 EUV 반사율은 흡수체 높이에 따라 1~3%입니다. 따라서 위 그림에 표시된 것처럼 다이 가장자리에 있는 구조물은 1.5-5%의 추가 백그라운드(BG) 광을 받는 반면 모서리에서는 4.5-15%까지 받을 수 있습니다. 이러한 높은 수준의 추가 BG광은 인접한 다이의 가장자리에서 CD 드롭과 모서리에서 이미징의 저하를 보여주게 됩니다.

 

이러한 노출로 인해 가장자리에 있는 구조물의 대비와 프로세스 창도 안좋죠. 이 문제에 대한 해결책은 이미지 경계에서 EUV 반사율을 줄이는 것입니다. 현재 EUV 노광 툴에는 DUV 대역 외 광이 존재하기 때문에 이미지 테두리의 DUV 반사율도 제어해야 합니다. 이 영역의 반사율을 줄이는 한 가지 방법은 유리 기판까지 에칭하고 이미지 필드 주변에 저반사 트렌치를 만들어 흡수체와 MLM을 제거하는 것입니다. 이렇게하면 결과적으로 EUV 반사율은 0.05% 미만이고 DUV 반사율은 6% 미만이 되게 됩니다. 이게 DUV 마스크랑 외적으로 크게 다른 부분중 하나죠, 궁금하면 POD서 꺼내보세요?.. 흐흐

high-NA를 위한 마스크 설계

마스크에서 더 많은 회절광을 수집하기 위해 NA를 높이는 것은 리소그래피에서 가장 효과적인 해상도 향상 기술 중 하나임을 이제는 다들 아시리라 믿습니다. 따라서 EUV에서 해상도를 수 nm 이하로 확장하려면 NA가 0.33보다 높아야 합니다. 그렇지 않으면 입사 광선과 반사 광선이 겹치기 때문에 NA가 0.45인 경우 6도의 CRA, reduction 4를 유지할 수 없죠. 라이트 콘을 분리하려면 CRA 또는 감쇠 계수를 높여야 합니다. 감쇠 계수가 4보다 높으면 감쇠 계수가 높을수록 발생하는 노출 필드 크기 감소로 인한 처리량 감소를 방지하기 위해 마스크의 크기를 확대해야 합니다. 그러나 마스크 제작 인프라에 큰 변화가 필요하기 때문에 마스크의 크기를 변경하는 것은 어렵습니다.

 

대신 두 개의 라이트 콘을 분리하기 위해 CRA를 증가시키면 흡수체 두께와 비스듬한 입사광으로 인한 마스크 3D 효과가 심해지죠. 또한 입사각에 따른 반사율 변화로 인한 0차 회절의 불균형은 웨이퍼의 패턴 이동을 유발하는 텔레센트릭 오차를 발생시킵니다. 패턴 Pitch가 미세할수록 패턴 이동과 마스크 3D 효과가 더 커지기 때문에 위에서 언급한 문제를 완화하기 위해 흡수체 스택과 MLM의 설계 변경이 필요했죠. Mo/Si 이중층으로 구성된 MLM은 CRA가 9도인 High NA 시스템에 적용하기 위해 간격과 감마 비율을 조정하여 재설계해야 합니다. NA 및 감쇠 계수 M에 따라 달라지는 라이트콘에 대한 입사각 a의 범위는 아래 식으로 표현할 수 있습니다.

따라서 식에 따라 NA를 증가시키면 더 넓은 범위의 입사각이 도출되는데... NA가 0.33이고 감쇠가 4인 경우, 입사각 a의 범위는 9.5도이며 이 입사각 범위에 대한 반사율 변화는 기존 MLM에서 3% 미만으로 나타났죠..그러나 NA가 0.45이고 CRA가 9도인 경우, 4회 및 6회 감쇠의 경우 입사각 범위는 각각 2.5-15.5도 및 4.3-13.7도로 변하게 됩니다. 감사합니다.