Chapter 4 Photolithography 4 1 Optical Lithography 4

Chapter 4 Photolithography 4. 1 Optical Lithography 4. 2 Next-Generation Lithographic Methods 4. 3 Photolithography Simulation 4. 4 Summary 1

• Photolithography: mask에 있는 patterns를 photoresist에 transfer하는 process. • pattern transfer는 선택적 etching에 의하여 수행된다. 4. 1 Optical lithography. • optical equipment는 ultraviolet light ( )사용. 4. 1. 1 The Clean Room § clean room의 필요성: dust particle이 devices에서 defects를 유발 · single-crystal growth에서 dislocation을 형성. · dust particle이 gate oxide안으로 들어가서 conductivity를 증가시켜 device가 low breakdown voltage가 되도록 한다. · dust particle이 photomask의 표면에 붙으며. Opaque pattern이 되어 이 pattern을 underlying layer로 transfer시킨다. 2

Figure 4. 1 Various ways in which dust particles can interfere with photomask patterns. • particle 1 : a pinhole in the underlying layer. • particle 2 : a constriction of current flow in d metal runner. • particle 3 : a short circuit between the two conducting regions. 3

Figure 4. 2 Particle-size distribution curve for English (---) and metric (——) classes of clean rooms. 4

• English system: 0. 5 ㎛이상 크기의 particle의 최대허용 개수/ft 3 ㆍclass 100 clean room : a dust count of 100 particles/ft 3 • metric system : the logarithm (base 10) of the maximum allowable number of particles that are 0. 5 ㎛ and larger per cubic meter. ㆍclass M 3. 5 clean room : a dust count of 103. 5 or 3500 particles /m 3 with particle diameters of 0. 5 ㎛ or larger • 100 particles/ft 3 = 3500 particles/m 3 (class 100 in the English system = class M 3. 5 in the metric system) 5

4. 1. 2 Exposure tools • exposure tool의 성능을 결정하는 3가지 parameters ; resolution, registration, throughput. ㆍresolution ; the minimum feature dimension that can be transferred with high fidelity to a resist film. ㆍregistration; wafer위에 이전에 정의된 pattern에 대하여 연속하는 mask 위에 pattern이 얼마나 정확하게 정렬될 수 있는가 하는 척도. ㆍthroughput; 주어진 mask level에 대하여 시간당 노출될 수 있는 wafer 의 수. • two optical exposure methods. shadow printing; contact printing, Proximity printing. Projection printing. 6

Figure 4. 3 Schematic of optical shadow printing techniques. (a) Contact printing. (b) Proximity printing. 7

• resist 와 mask 사이 직접적인 contact은 resolution이 약 1㎛ 이고, dust particle에 의하여 야기되는 단점이 있으면 mask damage가 있다. [Fig 4. 3 a] • proximity exposure [Fig 4. 3 b] small gap (10~50 ㎛). • shadow printing 에서 minimum linewidth [or critical dimension(CD)] (예) : ※g보다 직경이 큰 dust particle은 mask에 damage를 줄 수 있다. 8

(a) Annual-field wafer scan. (b) 1: 1 step-and-repeat. (c) M: 1 reduction step-and-repeat. (d) M: 1 reduction step-and-scan. Figure 4. 4 Image partitioning techniques for projection printing. 9

Figure 4. 5 Simple image system. 10

• projection-printing: mask로부터 수cm 떨어진 resist-coated wafer위에 mask pattern의 image를 project. • resolution을 증가시키기 위하여 mask의 small portion이 조사된다. • projection system의 resolution은 11

• DOF (depth of focus) • resolution은 λ를 줄임에 의하여 혹은 NA를 증가시킴에 의하여 혹은 둘 다 에 의하여 개선된다. (식 2) 그러나 DOF는 NA증가에 의하여 그리고 λ를 줄임에 의하여 퇴화된다. • High- pressure mercury-arc lamp : high intensity and reliability. G-line (436 nm), H-line (405 nm), Ι-line(365 nm) • 5: 1 step-and-repeat projection= 0. 3 ㎛ resolution을 가능하게 함. 12

Figure 4. 6 Typical high-pressure mercury-arc lamp spectrum. • Kr. F excimer laser : 248 ㎛. Ar. F excimer F 2 excimer laser : 193 ㎛. laser : 157 ㎛. 0. 18 ㎛ resolution. 0. 10 ㎛ resolution. 0. 07 ㎛ resolution. 13

4. 1. 3 Masks. Circuit design IC lay out 축소 촬영 Art work Step & repeating Rubylith cut Development & fixing 1/25 ∼ 1/50 Recticle Contact copy master mask Photolithography Working mask ※Rubylith : a red strippable plastic film on a Mylar • standard-size mask substrate is a fused-silica plate 15× 15 cm square, 0. 6 cm thick. • fused-silica plate: low coefficient of thermal expansion. high transmission at shorter wave lengths. its mechanical strength. 14

FIGURE 2. 9 Outline of steps in the mask fabrication process. 15

Pattern data Plotter 100∼ 200배 plot Photo reduction Emulsion 10배 reticle Step-and repeat camera Emulsion 1배 mask Contact printing Wafer Optical Pattern generator 5∼ 20배 Hard surface reticle S/R camera 1배 hard Surface mask E-B P/G S/R camera 2∼ 10배 Hard surface reticle Wafer S/R camera Wafer Electron. Projection -printer E-B Direct processing 1배 hard Surface mask 5∼ 10배 1배 reticle Contact-proximity. Reduction. Projection-printer E-B P/G Projection. Printer Photo or E. B Wafer Contact printer Photo of proximity Printer, X-ray 16

l Mask material § Emulsion masks • Lowest cost • 단점 : contact printing process 동안 망가짐. cleaning 이 어려움. § Hard surface masks • 유리기판 위에 hard-surface mask materials (1000 ∼ 2000 Å두께) 전형적인 emulsion film의 1/40 ∼ 1/20 의 두께 • Chromium : chromium oxide, iron oxide silicon • Chromium : higher optical density 로서 우수한 물질. 단점 : highly reflective – alignment에 문제 -gold 나 chromium oxide로서 antireflection coating. l HRP®(high resolution plate) : KODAK § § § 두께 : 1. 52 mm 광원 : U. V. 를 통과 입도 : <0. 1 ㎛ (평균 0. 5 ㎛) 분 해능 : resolution capabillity 2000 line/mm. 유제 두께 (emulsion mask) : 6㎛ λ: 5450Å ※exposure 할 때 빛깔 mercury green line : 5461Å 17

• Yield § 모든 mask levels 에서 같다면 (e. g. , N=10 levels) § 10 -level lithographic process에 대하여. 18

Figure 4. 8 Yield for a 10 -mask lithographic process with various defect densities per level. 19

4. 1. 4 Photoresist. • positive resists: exposed region이 more soluble. 그리하여 development process에서 쉽게 removed. positive resist에서 형성된 pattern (also called images) mask 위에 pattern과 same. • negative photoresists: exposed region이 less soluble. 그리하여 negative resist에서 형성된 patterns mask pattern과 반대. • positive photoresists photosensitive compound, base resin, organic solvent. 노출 이후 photosensitive compound는 exposed pattern area에서 radiation 을 흡수하여. Chemical structure를 변화시키고, developer solution에서 녹는다. 20

• negative photoresist: photosensitive compound와 결합된 polymers이다. 노출 이후 photosensitive compound가 optical energy를 흡수하여 polymer가 cross-linking reation 을 일으키게 된다. cross-linked polymer는 higher molecular weight를 가지고, developer solution에서 insoluble하게 된다. 주요 결점은 development process중에. Whole resist mass가 developer solvent의 흡수에 의하여 부푼다. 21

Figure 4. 9 Exposure response curve and cross section of the resist image after development. (a) Positive photoresist. (b) Negative photoresist. 22

• Fig 4. 9(a) : resist가 radiation에 노출 없이도 developer에서 일정한 solubility를 가진다. positive resist의 sensitivity는 exposed region에서 complete solubility가 되기 위하여 요구되는 energy 로서 정의된다. (ET=threshold energy) contrast ratio (7) E 1 : ET 에서 100% resist thickness에 이르는 접점 (tangent)을 그림에 의하여 얻어지는 energy. : larger 는 sharper image를 나타낸다. 23

• resist image의 edges가 mask edges의 vertically projected position이 아닌 것은 diffraction 때문이다. • Fig 4. 9(b) : negative resist가 ET보다 낮은 노출 energy에 대하여 완전히 녹는다. ET이상에서 development이후 resist film이 더 많이 남는다. ET의 두 배 노출 energies에서 resist film이 developer 에서 기본적으로 insoluble이다. negative resist에 대하여 image cross section은 역시 diffraction effect에 의하여 영향 받는다. 24

4. 1. 5 Pattern Transfer • yellow light로 조명되는 clean room에서 (0. 5㎛ 이상의 파장에 대하여 P. R은 반응하지 않음). • adhesion promoter : hexamethyl–disilazane (HMDS). • 0. 5 ~ 1㎛의 uniform film 두께를 coat하기 위하여 1000 ~ 10000 rpm의 범위에서 약 30초 정도. • soft bake (90 ~ 120℃ for 60 ~ 120 seconds) P. R 로부터 solvent를 제거하여 adhesion을 증가시킨다. Figure 4. 10 Details of the optical lithographic pattern transfer process. 25

• wafer가 mask에 대하여 aligned. • resist가 UV 빛에 노출 (Fig 4. 10(b)) • P. R develop. • wafer가 rinsed 되고 그리고 건조된다. • post baking (100℃ ~ 180℃) resist substrate에 adhesion 을 증가시키기 위하여. • 노출된 insulation layer를 etching (Fig 4. 10(d)) • resist가 stripped 된다. (e. q. , using solvents or plasma oxidation). mask 위의 opaque image와 같은 insulator image가 남는다. (Fig 4. 10(e)) • insulator image는 연속되는 processing (e. q. , ion implantation)을 위하여 mask로서 사용될 수 있다. 26

Figure 4. 11 The liftoff process for pattern transfer. • positive resist가 사용된 lift-off technique. • film (e. q. , aluminum)이 restst 와 substrate위에 deposited 된다. film두께는 resist의 두께보다 얇아야 한다. 27

4. 1. 6 Resolution Enhancement Techniques. • phase-shifting mask (PSM). Figure 4. 12 The principle of phase-shift technology. (a) Conventional technology. (b) Phase-shift technology. 28

• Fig 4. 12(a) : 부근의 aperture에 의하여 굴절되는 waves사이 간섭은 그들 사이 field를 enhance시킨다. Intensity(Ι)는 electric field의 제곱에 비례하기 때문이다. • Fig 4. 12(b) : • 부근의 aperture에 씌워진 phase-shift layer는 electric field의 부호를 반전시킨다. 따라서 wafer에서 image의 electric field는 상쇄될 수 있다. 그러므로 서로 가까이 투사되는 images는 분리될 수 있다. • 180° phase change는 두께 의 transparent layer를 사용함으로써 얻을 수 있다 n는 refractive index이다. • OPC (optical proximity correction) : 별지 그림 참조 29

v OPC PATTEERN FIDELITY 30

4. 2 Next-Generation Lithographic Methods. • optical Lithography가 넓게 사용되는 유망한 방법인 이유. high throughput, good resolution, low cost, ease in operation. ※ deep-submicron 혹은 nanometer Ics의 process에서는 다른 방법을 찿 아야 한다. • next-generation lithographic method의 여러 가지 types. electron beam lithography. extreme UV lithography. x-ray lithography. ion beam lithography. 4. 2. 1 Electron Beam Lithography. • photomask 제조용. 혹은 mask없이 direct exposure용으로 사용. 31

Figure 4. 13 Schematic of an electron beam lithography machine. 32

Electron gun: tungsten thermionic emission cathode 혹은 single-crystal lanthanum hexaboride (La. B 6). Condenser lenses; electron beam을 spot size 10~25 nm diameter로 focus한다. Beam-blanking plates; e-beam을 on 그리고 off로 돌린다. × Beam deflection coils; focused e-beam을 직접적으로 substrate위에 임 의 장소에 (in the scan field). Computer controlled; operated at MHz. scan field ( typically/cm )가 substrate의 직경보다 대단히 작기 때문에 정밀한 mechanical stage가 사용된다. 33

• e-beam lithography의 장점. generation of submicron resist geometries. highly automated and precisely controlled operation. greater depth of focus than that available from optical lithography. direct patterning on a wafer without using a mask. • 단점; low throughput (photo mask 제조용으로 적당) • focused e-beam을 scan하기 위한 두 가지 방법. raster scan, vector scan. 34

Figure 4. 14 (a) Raster scan writing scheme. (b) Vector scan writing schemes. (c) Shapes of electron beam: round, variable, and cell projection. 35

• raster scan system (Fig 4. 14 a). beam이 수직으로 모든 가능한 지점을 연속적으로 scan한다. 노출이 요구되지 않는 곳은 turned off. 주어진 pattern은 beam address size에 의하여 균등히 나눌 수 있는 최소 increment interval을 가져야 한다. • vector scan system (Fig 4. 14 b). beam이 요구되는 pattern features로 곧 바로 향한다. 그리고 feature에서 feature로 jump한다. 많은 chip에 대하여 평균 노출영역은 chip area의 단지 20%이다. 따라서 시간이 많이 절약된다. • several types of e-beam (Fig 4. 14 c). Gaussian spot beam (round beam). variable-shaped beam; Gaussian spot beam보다 higher throughput. complex geometric shape in one exposure with an e-beam system → cell projection이 라 부른다. cell projection; highly repetitive designs에 적합. (예. MOS memory cell). 36

Electron resist Figure 4. 15 Schematic of positive and negative resists used in electron beam lithography. 37

• positive electron resist (Fig 4. 15 a) ; PMMA (poly-methyl methacrylate). PBS (poly-butene-l sulfone). 0. 1 ㎛ 혹은 그보다 더 좋은 resolution을 얻을 수 있다. 노출된 부분이 develop시 녹는다. • negative electron resists (Fig 4. 15 b) ; COP (poly-glycidyl methacrylate-co-ethyl-acrylate). 약 1㎛의 resolution. 노출되지 않은 부분이 develop시 녹는다. 38

The Proximity Effect. • e-beam lithography에서 resolution은 diffraction에 의하여 제한 되는 것이 아니고, election scattering에 의하여 제한 받는다. • electron이 resist film과 밑에 놓인 기판을 통과할 때 충돌한다. 이 충돌이 에너지를 잃게 하고 path를 바꾼다. 그리하여 incident electrons는 spread out 하는 가 혹은 back scattering 때문에 material을 떠난다. Figure 4. 16 (a) Simulated trajectories of 100 electronics in PMMA for a 20 -ke. V electron beam. (b) Dose distribution forward scattering and backscattering at the resist-substrate interface. 39

4. 2. 2 Extreme Ultraviolet Lithography. • throughput losses 없이 30 nm의 최소선폭이 가능. • laser-produced plasma 혹은 synchrotron radiation이 10~14 nm의 파장을 갖는 EUV 의 source로서 사용된다. • 13 nm radiation을 사용하여 PMMA 로써 50 -nm feature를 printing 할 수 있다. • 4 x reduction optics. (the oneparaboloid, two-ellipsoid, and one plane mirror). • mirrors는 multilayer coating. (quarter-wave Bragg reflectors) ; 10~14 nm에서 reflectivity를 최대화 Figure 4. 17 하기위하여. Schematic representation of an extreme ultraviolet (EUV) lithography system. 40

4. 2. 3 X-Ray Lithography. • high resolution and high throughput at the same time. Figure 4. 18 Schematic representation of a proximity x-ray lithography system. 41

• x-ray wavelength; 1 nm. • 1 x mask를 통하여, wafer에 close proximity (10~40㎛)에서 printing. • mask substrate; low-atomic-number material (예. Si. C 혹은 Si)로 만들어진 thin membrane(1~2㎛ thick). • pattern; thin(~0. 5㎛), relatively high-atomic number material (예. Tantalum, tungsten, gold)이 thin membrane에 의하여 supported 된다. • 기판으로부터 reflection이 없어서 standing waves가 없다. • electron beam resist가 x-ray resists로서 사용될 수 있다. x-ray가 atom에 의하여 흡수되면, atom은 electron을 방출(emission)하면 서 exited state가 되고, excited atom이 x-ray( incident x-ray와 다른 주파수) 를 방출(emitting)하면서 ground state로 되돌아 간다. 이 x-ray가 다른 atom에 의하여 흡수된다. 이 과정이 반복된다. 42

4. 2. 4 Ion Beam Lithography. • optical, x-ray, electron beam lithographic 기술보다 더 높은 resolution을 얻을 수 있다. Ion은 higher mass이므로 electron보다 scattering이 덜하다. • 가장 중요한 응용은 optical lithography를 위한 masks의 repair이다. Figure 4. 19 Trajectories of 60 -ke. V H* ions traveling through PMMA into Au, Si, and PMMA. 43

Si 기판에 대하여 Backscattering이 거의 없다. gold기판인 경우에 약간 있다. random space- charge effects를 당할 수 있다. • ion beam lithography system의 two type. scanning focused-beam system ; electron beam machine (Fig 4. 13)과 비슷하다. Ion source는 Ga+ 혹은 H+이다. mask-beam system ; optical 5 x reduction projection step-and-repeat system과 유사하다. H 2+같은 100 -Ke. V light ions를 stencil mask를 통하여 project 한다. 44

4. 2. 5 Comparison of Various Lithographic Methods. • 100 nm혹은 better resolution에 대하여, 45

• limitations diffraction effect in optical lithography. proximity effect in e-beam lithography. mask fabrication complexities in x-ray lithgraphy. difficulty in mask blank production for EUV lithography. stochastic space charge in ion beam lithography. • 50 nm generation around 2010 ( Semiconductor Industry Association’s International Technology Roadmap for Semiconductors) 46