광리소그래피 시물레이션을 위한 변수 추출 및 열처리효과에 관한 연구 = Parameter extraction and bake effects in the simulation of optical lithography

국문 초록 (Abstract)

반도체 소자의 크기가 더욱 작아짐에 따라 더욱 정교하고 복잡한 공정이 필요하게 되었다. 최소 선폭을 얻기 위한 최적의 공정 조건을 구하기 위해 수많은 실험을 하는 데 시간과 돈이 많이 든다. 시간과 자원을 절약하고 현공정의 최적 조건을 구하거나 더 나은 공정개발을 위하여 리소그래피 시물레이션은 이제 필수적인 도구가 되었다. 더욱 나은 시물레이션 결과를 얻기 위해서 더욱 정확한 변수가 필요하다. 이를 위해 더욱 진보된 모델과 변수추출 방법이 필요하게 되었다. 그러나 광 이미지부분 이외의 감광제와 노광 후 열처리 그리고 현상에 대한 것은 그 과정에 대한 이해가 부족하며 아직 제대로 된 모델이 개발되어 있지 않다. 본 논문에서는 광리소그래피 공정의 다양한 면들에 대해 연구하였으며, 특히 공정에서 중요하게 취급되고 있는 감광제의 노광 및 열처리 과정 중 물리, 광학적 특성변화를 조사하고 시물레이션 변수를 구하고자 하였다. 또한 변수를 추출하는 모델을 도입하고 그 모델을 이용한 시물레이션 프로그램을 개발하여 실공정과 같은 결과를 얻고자 하였으며 결과를 비교 검증하였다.
화학증폭형 감광제가 현재 반도체 제조 공정에 널리 쓰이고 있다. 일반적으로 일반 비화학증폭형 감광제의 노광변수는 Dill 모델을 써서 구하며 화학 증폭형 감광제도 같은 방법으로 구해왔다. 그러나 일반 감광제와 화학증폭형 감광제는 그 특성이 다르며 일어나는 반응도 다르다. 이렇게 구한 변수로는 정확한 결과를 얻지 못하였다. 본 연구에서는 화학증폭형 193 nm 감광제의 노광변수를 구하기 위해 ArF 엑시머 레이저로 노광하여 노광 중 복소굴절율 변화를 구하였으며 이로부터 노광 변수를 추출하였다. 모델을 최초로 도입하여 노광 중 일어나는 과정을 설명하였으며 이 모델을 이용해 노광변수를 추출하였다. 이 변수들을 이용하여 시물레이션 한 결과가 실제 공정과 잘 맞음을 알 수 있었다.
감도를 높이기 위해 개발된 화학증폭형 감광제는 노광 후 열처리 과정(PEB)을 거쳐야 하며 전열처리(SB) 및 현상 후 열처리 등도 받게 된다. 본 연구에서는 또한 이러한 열처리 과정들이 어떻게 감광제에 특성변화를 일으키는지 다양한 재료, 주변 환경 그리고 열처리 조건을 달리하며 실험하여 조사하였고 물리적, 광학적 특성 변화로부터 열처리 변수들을 추출하였다. 열처리 온도, 시간에 따른 두께 및 굴절률의 변화, 감광제 도포 두께에 따른 굴절률의 변화 등 열처리조건에 따른 물리적 변화뿐만 아니라 열 촉매작용 반응물질 농도 등 화학적 변화도 조사하였다. 이들 상호간의 관계를 규명하고 모델을 도입하여 열처리 변수를 구하였다. 이들 변수를 이용하여 시물레이션한 결과 후열처리 조건에 따라 선폭의 변화가 아주 큼을 확인하였다. 뿐만 아니라 전열처리 조건에도 크게 영향을 받으며, 정확한 패턴 선폭을 얻기 위해서는 후열처리뿐만 아니라 전열처리 조건 까지도 고려해야 함을 알았다. 열처리중의 두께변화를 적용한 시물레이션 도구를 개발하여 결과를 검증한 결과, 탑 라운딩, 측면각, 초점 여유도, 그리고 노광량 감소 등이 실제와 더 가까웠다. 노광 후 열처리 되기 전까지의 시간은 공기 중 오염 물질에 인한 산의 중화 또는 산의 증발 등의 작용에 의해 선폭에 영향을 미친다. 이 노광 후 지연시간에 따른 허수 굴절률을 구하였으며 이 결과를 시뮬레이터에 적용하여 노광 후 지연 시간에 의한 감광제 프로파일 변화를 나타낼 수 있었다.
노광 후 열처리과정 중에 화학증폭 반응이 일어나고 이 반응은 온도의 함수이다. 이러한 온도의 차이가 반응정도의 차이 따라 결과적으로 선폭의 차이로 나타나게 되어 열처리 과정 중 온도조건이 아주 중요하게 작용한다. 그러나 일반적으로 열처리과정 중 온도변화가 순간적으로 빨리 일어난다고 가정한 변수가 사용되어 결과가 실제와 다르게 나온다. 여기서 본 연구에서는 유효열처리시간이란 개념을 새로이 도입하여 온도에 따른 화학반응률로 계산하였다. 이 유효 열처리시간을 적용시켰을 때 시물레이션 결과가 잘 맞음을 보았다. 이 유효 열처리시간을 입력하도록 시물레이션 프로그램을 변경하였다. 다양한 조건의 열처리에 대하여 유효 열처리 시간을 구하여 비교한 결과 웨이퍼 종류 및 가열 방식에 따라 큰 차이를 보였으며 패턴이 형성되지 않는 경우도 있었다. 패턴크기가 작아짐에 따라 더욱 정교하고 안정된 온도 조절이 유지되어야 함을 보였다. 이렇게 새로운 해석을 통해 모델을 개발하고 변수를 추출하여 적용한 결과 더 나은 시물레이션 결과를 얻을 수 있었다.