[Research Paper] 대한금속･재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 55, No. 3 (2017), pp.198~201DOI: 10.3365/KJMM.2017.55.3.198

198

새로운 EUV 흡수체 연구：니켈 & 니켈 산화물

우동곤1, 김정환1, 김정식2, 홍성철1, 안진호1,2,3,*

1한양대학교 공과대학 신소재공학과2한양대학교 공과대학 나노 반도체 공학과

3한양대학교 나노 과학 기술 연구소

Study of Novel EUV Absorber：Nickel & Nickel Oxide

Dong Gon Woo1, Jung Hwan Kim1, Jung Sik Kim2, Seongchul Hong1, and Jinho Ahn1,2,3,*

1Department of Materials Science and Engineering, Hanyang University, Seoul 04763, Republic of Korea2Department of Nanoscale Semiconductor Engineering, Seoul 04763, Republic of Korea

3Institute of Nano Science and Technology, Seoul 04763, Republic of Korea

Abstract: The shadowing effect is one of the most urgent issues yet to be solved in high-volume manufacturing using extreme ultraviolet lithography (EUVL). Many studies have been conducted to mitigate the unexpected results caused by shadowing effects. The simplest way to mitigate the shadowing effect is to reduce the thickness of the absorber. Since nickel has high extinction coefficients in the EUV wavelengths, it is one of more promising absorber material candidates. A Ni based absorber exhibited imaging performance comparable to a Tantalum nitride absorber. However, the Ni-based absorber showed a dramatic reduction in horizontal-vertical critical dimension (H-V CD) bias. Therefore, limitations in fabricating a EUV mask can be mitigated by using the Ni based absorber.

†(Received August 24, 2016; Accepted August 26, 2016)

Keywords: extreme ultraviolet lithography, semiconductor, thin film, optical properties, computer simulation

1. 서 론

극자외선 노광 기술 (Extreme ultraviolet lithography:

EUVL) 에서는 흡수체 두께와 사입사 하는 광학계 구조로 인

해서 그림자 효과(shadowing effect) 가 발생한다 [1-4]. 이로

인해서 그림자가 발생하는 방향에서는 마스크 상에 설계된

패턴 폭에 대비하여 더 큰 패턴이 웨이퍼 상에 전사되는 수평

-수직 임계 치수 차이 (horizontal-vertical critical dimension

bias: H-V CD bias)가 발생한다. 이는 궁극적으로 해상 한계

를 저하시키기 때문에 반드시 완화되어야 한다 [5].

또한 웨이퍼로 전사되는 이미지의 왜곡을 보정하는 광학

근접 효과보정 (optical proximity correction: OPC)이 이 그림

자 효과로 인해 더욱 복잡하게 되어 공정 난이도의 상승으로

이어질 것으로 예상된다 [6]. 그림자 효과를 완화하는 가장 간

단한 방법은 흡수체의 두께를 감소시키는 것이다. 극자외선

*Corresponding Author: Jinho Ahn[Tel: +82-2-2220-0407, E-mail: jhahn@hanyang.ac.kr]Copyright ⓒ The Korean Institute of Metals and Materials

마스크는 반사막 위에 형성된 흡수체 패턴의 구조를 갖는데,

이제까지 많이 연구된 흡수체 물질은 질화탄탈륨 (TaN)이며

요구되는 두께는 약 70 nm이다 [7]. 그러나 그림자 효과 완화

를 위해서 흡수체의 두께를 낮추는 경우, 흡수 영역에서 극자

외선의 차단이 약해져 명암비(image contrast)와 임계치수

(critical dimension, CD) 균일도의 악화로 이어진다 [8]. 따라

서 얇은 흡수체로 높은 극자외선 차단의 효과를 얻기 위해서

는 높은 소광계수의 물질을 사용하여야 하며[9], 본 연구에서

는 높은 소광계수를 가지는 니켈 (Ni)과 니켈 산화물의 극자

외선 마스크용 흡수체 물질로서의 특성을 평가하였다 [10].

2. 실험방법

Ni계 물질의 극자외선 흡수체로서의 특성을 평가하기 위

해서 2 nm 의 Ru 덮개층 (capping layer) 를 가지는 40층의

Mo/Si 다층박막 (multilayer: ML) 위에 흡수체 패턴을 가지는

마스크 구조를 가정하였고, 흡수체 물질의 광학상수는 The

199 우동곤･김정환･김정식･홍성철･안진호

Fig. 1. Image contrast and reflectivity results depending on the absorber thickness of (a) Ni, (b) NiO, and (c) Ni2O3

Table 1. The index of refraction of TaN and Ni-based absorber materials

n kTaN 0.92599 0.04363Ni 0.94822 0.07272

NiO 0.94326 0.05497Ni2O3 0.91578 0.07359

Center for X-ray Optics (CXRO)의 데이터 베이스에서 차용

하였다 [11]. 시뮬레이션에 적용한 노광조건은 ASML의 양

산형 노광기 NXE 3300과 같은 개구수(numerical aperture:

NA) 0.33, partial coherence(σ) 0.9, 입사각 6˚, 4배 축소 투영

조건을 적용하였다 [12,13].

본 연구에서는 기존의 TaN 흡수체를 대체하는 Ni, NiO,

Ni2O3 를 흡수체 물질로 사용하여 half pitch (HP) 16 nm 에

서 32 nm 까지의 line & space (L/S) 패턴에 대해서 EM-Suite

시뮬레이션 툴을 사용하여 이미징 특성을 평가하였다. 흡수

체의 두께는 0.5 % 이하의 반사도를 가지면서 공정에 적용가

능한 수준의 명암비를 가지는 두께로 선정하였다 [14].

3. 결과 및 고찰

그림자 효과의 완화를 위해서는 얇은 흡수체가 유리하지

만, 이로 인한 흡수도 감소는 명암비 의 악화로 이어진다. 따

라서 공정에 적용할 수 있는 수준의 명암비를 확보하면서 그

림자 효과의 완화가 가능한 흡수체 두께를 시뮬레이션을 통

해 선정하였다. 그림 1은 Ni, NiO, Ni2O3 흡수체의 두께 별 반

사도 및 명암비를 시뮬레이션한 결과로 각각 반사도 0.4,

0.27, 0.54% 를 가지는 두께 42, 47, 44 nm 를 흡수체의 두께

로 결정하였다.

Ni와 NiO의 흡수체 두께 선정을 위해서 흡수체 두께에 따

른 반사도와 명암비를 비교하였다. 여기서 명암비는 아래의

식 1과 같이 정의된다.

Image contrast = maxminmaxmin (1)

Imax는 aerial image 에서 최대 intensity 를 의미하고, Imin 은

최소 intensity 를 의미한다. 실험에 사용한 흡수체 물질의 광

학상수는 표 1 과 같다.

낮아진 두께에 따른 Ni, NiO, TaN 흡수체의 이미징 특성

평가를 위해서 명암비, 정규화 이미지 로그 기울기

(normalized image log slope: NILS), H-V CD bias, 포커스에

따른 CD 변화를 분석하였다. 여기서 NILS와 H-V CD bias는

다음과 같이 정의된다.

NILS =

ln

여기서 w는 목표 패턴의 크기를 의미하며, NILS 는 패턴

가장자리에서의 위치에 따른 빛의 세기의 변화 정도를 의미

한다. 패턴 가장자리에서의 빛의 세기의 로그 기울기 값에 목

표 선폭을 곱하여 정규화한 값이 NILS 이다. NILS 는 일정

기준 내의 패턴 크기를 형성하기 위한 노출 광량의 범위를 의

미하는 exposure latitude 와 직결되는 개념으로 에어리얼 이

미지의 NILS 값을 토대로 실제로 감광제에 노광 공정을 진행

하지 않고 공정 능력을 평가 할 수 있다. 일반적으로 2 이상의

NILS 값을 가질 때 공정에 적용 할 수 있다고 알려져 있다.

H-V CD bias 는 반사형 시스템을 사용하는 EUVL 에서 심

화되어 발생하는 현상으로, 6˚ 사입사 환경에서 광원에 수직

(non-shadowing direction)한 패턴과 수평(shadowing direction)

대한금속･재료학회지 제55권 제3호 (2017년 3월) 200

Fig. 2. (a) Image contrast and (b) NILS of TaN, Ni, NiO and Ni2O3

Table 2. Diffraction efficiency of non-shadowing direction and shadowing direction

Non-shadowing direction diffraction efficiency

(+1st/0th order)

Shadowing direction diffraction efficiency

(+1st/0th order)TaN 0.704 0.603Ni 0.664 0.582

NiO 0.675 0.616Ni2O3 0.846 0.774

Fig. 3. H-V CD bias of TaN, Ni, NiO, Ni2O3 as a function of half-pitch

한 패턴 사이의 임계치수 차이를 의미한다. 광원과 수평한 패

턴에서 흡수체에 의해 EUV 광이 차단되어 목표 임계치수와

오차가 발생하게 된다.

Ni 흡수체의 명암비와 NILS는 그림 2에서와 같이 모든

HP에서 TaN 에 비해 감소한 값을 보였지만 NiO 와 Ni2O3 흡

수체의 경우 TaN 흡수체의 결과와 유사한 값을 나타냈다. 해

당 결과는 Ni 산화물 흡수체가 수직 방향에서 TaN 와 유사한

이미징 특성을 가짐을 나타낸다. 따라서 수평 방향에서의 Ni

산화물의 이미징 특성이 향상된다면 TaN 를 대체할 흡수체

물질로 사용이 가능하다.

이를 확인하기 위해서 각각의 흡수체의 수직 방향과 수평

방향에서의 회절효율을 분석하였다. 표 2는 Ni 기반의 흡수

체와 TaN 흡수체의 회절효율을 각각의 방향에 대해서 정리

한 표이다. 회절효율은 1차 회절광과 0차광의 비율을 나타낸

수치로, 마스크의 이미지 전사 특성을 결정하는 중요한 수치

이다. 일반적으로, 수평 방향에서 회절광들은 흡수체 벽에 가

로막혀 진행에 방해를 받기 때문에 수직 방향과 비교하였을

때 회절효율이 감소하게 된다. 표 2에서와 같이 모든 흡수체

는 수평 방향에서 회절효율이 감소한다. 하지만, 높은 소광계

수를 가지는 Ni 기반의 흡수체의 경우, 상대적으로 낮은 흡수

체 두께를 사용할 수 있으므로 흡수체 벽에 가로막혀 소실되

는 회절광이 TaN를 흡수체로 사용하였을 경우에 비해 감소

한다. 수치상으로 확인하였을 때, TaN의 경우 수평 방향에서

회절효율이 수직 방향에 비해 14.5% 감소 하였으나, Ni,

NiO, Ni2O3 는 각각 12.3, 8.9, 8.6% 감소하였다.

이를 통해 Ni 기반의 흡수체를 사용하였을 때, 수평 방향

과 수직 방향에서의 회절효율 차이가 상대적으로 적은 것을

확인할 수 있다. 이는 수평 방향과 수직 방향에서 이미징 특

성의 차이를 나타내는 그림자 효과가 완화됨을 의미한다.

최종적으로 그림자 효과에 의한 H-V CD bias의 완화 정도

를 분석하여, 실제로 얇은 흡수체 두께로 인해 그림자 효과가

완화되었는지 평가하였다. 그림 3에서와 같이 패턴의 크기가

해상도 한계에 근접할수록 그림자 효과가 심화되기 때문에

H-V CD bias 가 증가하게 된다. 따라서 TaN 를 흡수체로 한

16 nm 이하급 패턴의 이미징은 거의 불가능에 가깝다. 그러

나 Ni 산화물을 흡수체로 사용한 경우, 상대적으로 완화된

H-V CD bias를 획득 할 수 있다. 이는 TaN 에 비해서 얇은 흡

수체 두께로 인해서 수평 방향에서 흡수체에 가려 space

pattern 의 크기가 감소하는 것을 보상할 수 있기 때문이다.

결과적으로 Ni계 물질은 TaN 에 비해 얇은 두께의 흡수층

을 사용하여 TaN와 유사한 명암비 특성을 가지면서도 완화

된 H-V CD bias 를 나타내므로 그림자 효과를 완화 할 수 있

는 흡수체 물질로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

4. 결 론

Ni 및 Ni 산화물은 TaN에 비해서 EUV 파장 영역에 대해

높은 소광계수를 가진다. 따라서 Ni계 물질은 TaN에 비해 더

201 우동곤･김정환･김정식･홍성철･안진호

욱 얇은 두께를 가지는 흡수체 물질로 대체가 가능하다. 시뮬

레이션 결과, 얇은 흡수체 두께로 인해 shadowing 방향에서

Ta 계열과 유사한 명암비 와 NILS 를 나타내었지만 H-V CD

bias 가 크게 감소하였다. 이는 Ni 화합물이 EUV 파장에 대

해서 높은 소광계수를 가지므로 흡수체의 구조 및 EUV 입사

각에 의한 그림자 효과를 완화할 수 있기 때문이다. H-V CD

bias 가 감소함에 따라 마스크 제작 시에 발생하는 제약을 완

화 할 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구를 통해서 Ni계 흡수

체를 갖는 극자외선 마스크는 더욱 향상된 이미징 특성을 가

짐을 확인하였고, 향후 Ni계 물질에 대한 식각특성, 내화학

성, DUV 명암비 등에 대한 연구가 진행된다면 새로운 EUV

흡수체로 충분한 효용성이 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

이 논문은 한국 정부(MSIP)에서 후원하는 한국연구재단

(National Research Foundation of Korea, NRF)의 기초연구

사업에 의하여 지원되었음 (Grant No.2011-0028570).

REFERENCES

1. ITRS organization, “International technology roadmap for semiconductors 2014 edition: Lithography summary”, from http://www.itrs2.net (2014).

2. Z. J. Qi, J. Rankin, E. Narita, and M. Kagawa, Proc. of SPIE 9635, 96350N, 2015.

3. D. G. Woo, S. Hong, J. S. Kim, C. K. Yang, J. H. Lee, C. Shin, and J. Ahn, Korean J. Met. Mater. 54, 7 (2016).

4. Y. J. Jang, J. S. Kim, S. Hong, and J. Ahn, Korean J. Met. Mater. 54, 6 (2016).

5. M. Sugawara, A. Chiba, and I. Nishiyama, J. Vac. Sci. Technol. B 21, 2701 (2003).

6. P. C. W. Ng, K. Y. Tsai, Y. M. Lee, F. M. Wang, J. H. Li, and A. C. Chen, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS, 10, 013004 (2011).

7. J. V. Heramans, D. Laidler, P. Foubert, K. D’Have, S. Cheng, M. Dusa, and E. Hendrickx, Proc. of SPIE 8322, 832202 (2012).

8. S. H. Lee, T. R. Younkin, M. J. Leeson, M. Chandhok, G. Zhang, J. Magana, H. Tanabe, and S. L. Carson, Proc. of. SPIE 7969, 79691R (2011).

9. J. U. Lee, S. Hong, and J. Ahn, Appl. Phys. Express 6, 076502 (2013).

10. A. Rastegar, M. House, R. Tian, T. Laursen, A. Antode, and P. Kearney, Proc. of SPIE 9048, 90480L (2014).

11. The Center for X-ray Optics(http://henke.lbl.gov/optical_constants/getdb2.html).

12. T. Kim, H. Seo, I. Kang, C. Y. Jeong, S. Huh, J. Na, S. Kim, C. Jeon, I. Mochi, and K. A. Goldberg, Proc. of SPIE 8322, 83220A (2012).

13. D. Hellweg, J. Ruoff, A. Herkommer, J. Stühler, T. Ihl, H. Feldmann, M. Ringel, U. Strößner, S. Perlitz, and W. Harnisch, Proc. of SPIE 7969, 79790H (2011).

14. H. S. Seo, D. G. Lee, H. Kim, S. Huh, and B. S. Ahn, J. Vac. Sci. Technol. B 26, 2208 (2008).