A Study on EUV/X-ray Optics Applications for Advanced Semiconductor Process Development

Abstract

Extreme-ultraviolet (EUV) lithography has many critical challenges regarding its implementation in the semiconductor industry. One of the main challenges is flare, the unwanted total integrated light scattering at the wafer level, which reduces the critical dimension and imaging performance. Therefore, EUV flare has been intensively studied and has been compensated by a rule-based method for many years. However, there are few results with regard to developing more accurate and feasible flare-modeling techniques to enable us to satisfy the criteria of the sub-22 nm half pitch (HP) technology node and beyond. In this work, we will describe the calculation of flare map with the fractal model of flare point-spread function (FPSF) at IMEC. Implementation of the correlation between three-dimensional (3D) EUVL mask topography and flare level into flare map will be discussed in order to have more accurate results and an optimized multi-grid strategy for generating a flare map over the full-field scale will be introduced. In this point of view, we proposed a flare-modeling technique based on the pedestal model using novel effective reflection coefficients in order to achieve sufficient accuracy. Such an approach is thought to be needed instead of the conventional pattern density approach in preparation for upcoming advanced HP technology nodes or for the change of absorber materials and illumination angles. Lastly, the need for a flare map shift to compensate for the mask defocus error is described. In addition to the study of flare in EUV lithography, we made an effort to overcome one of the main difficult challenges in metrological inspection of international technology roadmap for semiconductors (ITRS), which is to obtain the 3D profiles about critical dimension for nanometer scale patterns in the sub-22 nm node and beyond. In this work, firstly, transmission small angle X-ray scattering (TSAXS) as fast, in-situ, and nondestructive next-generation metrological solution was used to measure several TaN grating patterns on Si substrate fabricated by standard e-beam lithography process. Our TSAXS experimental results compared to Fourier analysis allowed us to obtain extensive cross-sectional information about the line grating patterns including sidewall angle, and corner rounding at the bottom as well as average linewidth and pitch of patterns in a second. Measured dimensions by TSAXS were compared with the evaluation by transmission electron microscope (TEM) for the same patterns. Also, additional fast Fourier transform simulations for the form factor of TSAXS model were performed to understand the behavior of intensity on the Qx – Qz Fourier plane. Secondly, reflective grazing incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) was used for the same objective of our TSAXS experiments. Theoretically, its results would be expected to contain Qz component, directly and have advantages in the limit of substrate thickness as well as characterization throughput for whole profiles. In summary, unlike other microscopy-based techniques, SAXS measurements including both TSAXS and GISAXS provided statiscally averaged value over an area where beam passed through and did not need any additional sample preparation process.

차세대 극자외선 리소그래피는 차세대 반도체 개발 및 반도체 산업의 지속적인 기술 발전을 위해서는 그 개발이 필수적이지만, 많은 해결 과제를 안고 있다. 그 중 하나가 EUV Flare로써, 웨이퍼 차원에서 원하지 않는 산란된 빛을 뜻한다. 이는 전체적인 패턴의 리소그래피 결과 안 좋게 하며, 그렇기 때문에 전세계적으로 수많은 회사와 연구 그룹이 EUV Flare영향을 제거하거나 보정하기 위하여 다 년간 노력 중에 있다. 그러나 22 nm HP 노드 이하에서의 EUV Flare error를 만족시키는 정확도와 실현성을 겸비한 모델링 전략과 방법에 관한 연구는 크게 부족한 것이 현실이다. 그래서, 본 논문의 전반부에서는 IMEC ADT FPSF를 기반으로 하여 Flare Map을 구현하였는데, 특히 EUV Flare가 3차원 EUVL용 마스크 모양에 받는 영향을 고려하여 정확도를 높였다. 또한 Full-field 스케일의 Flare Map을 구현하는데 최적화된 Multi-grid 전략을 고안하였다. Pedestal Flare 모델에서 기존에 사용하던 마스크 계수는, 각 부분의 반사도 차이가 EUV Flare의 산란에도 영향을 미치는 점을 착안하여 새로운 공식으로 도출된 마스크 계수를 사용하여 정확도를 더욱 높였다. 이러한 방법은 현재의 HP 노드에서보다도 앞으로의 22 nm HP 노드 이하에서 더욱더 그 의미가 있을 것으로 밝혀졌으며, 앞으로 있을지도 모르는 EUV 마스크의 흡수체 물질 교체, EUV 광의 조사각 변화에도 대비할 수 있는 포괄적인 EUV Flare 모델링 방법인 것으로 생각된다. EUV 리소그래피의 Flare 이슈 외에 논문의 후반부에는 ITRS 로드맵에도 소개되어 있듯이, 패턴 검사에 필요한 새로운 광학적 기술에 대한 연구를 기술하고자 한다. 특히, 앞으로 FinFET, 매우 좁고 깊은 패턴 및 Interconnect 패턴의 증가, Overlay 문제, 3D Memory Device 설계 증가로 인하여 패턴에 대한 nm 스케일 혹은 angstrom 스케일의 3D 프로파일에 관한 필요가 나날이 증가하고 있다. 본 논문에서는 먼저 이에 대한 대안으로 투과형 SAXS를 빠르고 비파괴적인 차세대 패턴 검사 장비로의 가능성을 알아보았다. 투과형 SAXS의 실험 결과는 푸리에 변환 시뮬레이션 결과와 비교하여 3D 프로파일의 여러 변수인 평균 CD 크기, 패턴의 측각 크기, 패턴의 주기 등을 도출해낼 수 있었으며, 패턴 하단의 모양이 둥글게 퍼지는 정도에 대해서도 예측할 수 있었다. 기존의 논문들에서는 XSEM과 같이, 원천적으로 angstrom 스케일 단위로 판별할 수 없는 검사 기술에 대한 결과와 비교했기 때문에, 여러 변수에 있어서 그 오차가 컸는데, 본 논문에서는 투과형 SAXS로 측정한 패턴을 TEM 측정 결과와 비교하여 더욱 정확한 도출을 시도하였다. 마지막으로, 투과형 SAXS와 더불어 반사형 GISAXS로 패턴 검사 가능성을 연구하였다. 투과형과 반사형 SAXS 각각은 각기 장단점이 확연하지만, 이론적으로 기본적인 반사형 SAXS 강도 데이터에는 Qz 축의 성분이 포함되어 있는 점이 크게 다르다. 종합적으로는 본 실험에서와 같이 투과형 SAXS와 반사형 SAXS가 함께 사용되어 서로의 단점을 보완하고 장점을 살릴 수 있는 Hybrid SAXS 시스템이 매우 효과적인 차세대 패턴 검사 기술이 될 수 있으리라고 생각된다.