Focus Exposure Matrix (FEM)과 Defocus 불량

이번 포스팅에서는 Focus Exposure Matrix(FEM) 및 Defocus에 의한 불량 사례 대해 정리해보겠습니다. 최근 공정이 미세화되면서 Defocus에 의한 불량 사례가 많이 발생하고 있습니다. 특히 Depth of Focus(DOF)는 노광 파장이 짧아질수록 감소하기 때문에, EUV와 같은 미세공정에서는 공정 마진 확보에 불리합니다. 제가 참고한 논문은 아래와 같습니다.

 

① Submicron patterning on flexible substrates by reduction optical lithography
② Wafer Backside Cleaning for Defect Reduction and Litho Hot Spots Mitigation
③Improvement of 90 nm KrF Cu Process Window by Minimizing Via Deformation Caused by Low Frequency Resonance of Scanner Projection Lens 

 

Lithography 공정에서 Focus와 Dose는 가장 핵심적인 공정 변수입니다. (1) Focus는 Projection Lens와 Wafer 간의 초점 위치를 의미하며, 초점이 벗어날 경우 Defocus 불량이 발생하여 패턴이 흐려지거나 Critical Dimension (CD) 편차가 커집니다. (2) Dose는 노광 시 사용되는 빛의 세기를 의미하며, 과도하거나 부족한 Dose는 패턴 변형이나 CD 불균일을 유발합니다. 따라서 공정 안정성을 확보하기 위해서는 적정 Dose를 유지하고, 충분한 Depth of Focus (DOF)를 확보하는 것이 매우 중요합니다. 자세한 내용은 아래에서 다루도록 하겠습니다.

그림 1. Focus

1. Focus Exposure Matrix (FEM)

반도체를 제조하기 위해서는 여러 단계의 리소그래피 공정이 필요합니다. 모든 리소그래피 공정에서는 앞서 언급한 두 가지 주요 변수인 Focus와 Exposure Energy(Dose)를 조합하여 공정 마진을 평가합니다. 간단히 말해, Focus를 고정한 상태에서 Energy를 변화시키며 평가하고, 반대로 Energy를 고정한 상태에서 Focus를 변화시키며 평가하는 방식으로 Matrix를 구성합니다. 이를 Focus Exposure Matrix(FEM)이라고 합니다. 아래 표는 FEM을 나타낸인데 이를 기반으로 Bossung Curve를 만들 수 있으며, 이 그래프를 통해 공정 Target (① Line CD ② 측벽 Angle, 이 그래프에서는 Line CD)을 만족하는 최적의 Focus와 Exposure Energy 조건을 찾을 수 있습니다.

그림 2. Focus Exposure Matrix

 

아래 그래프는 Bossung Curve를 변환한 [Focus vs. Energy의 CD contour 맵]이며, 파란색 구간은 Line CD Spec을 만족하는 영역을 나타냅니다.

• Depth of Focus(DOF)는 각 Energy 조건에서의 Focus 마진, 즉 파란색 구간의 가로 길이를 의미합니다.
• Best Energy(최적 Energy 조건)는 Line CD Spec을 만족하면서 DOF가 가장 큰 구간으로 정의됩니다.

논문 사례에서 Best Energy는 74.28 mJ/cm²이며, 이때의 DOF는 2.2 µm입니다. 포토 장비(NA)와 광원 종류(λ)에 따라 DOF는 달라지며, 해당 논문에서는 I-line 광원을 사용했습니다. I-line의 이론적인 DOF는 약 2.0 µm 수준으로, 실험 결과와 유사한 값을 보입니다. 정리하자면 FEM을 통해 Bossung Curve를 만들고 Best Energy를 계산하여 해당 조건으로 공정을 진행하게 됩니다. 동일 공정이더라도 Mask가 다르면 Bossung Curve가 다를 수 있습니다.

그림 3. Process Window

2. Defocus에 의한 불량 사례

Defocus 불량은 다양한 원인으로 발생할 수 있으며, 그중에서도 Backside Particle로 인한 Defocus는 10nm 이하 공정에서 점점 더 중요한 문제로 부각되고 있습니다. 소자 크기가 미세화되면서 DOF(Depth of Focus)와 Overlay 마진이 급격히 줄어들기 때문입니다.

 

아래 이미지는 Wafer Backside의 광학 이미지를 입니다. Wafer Backside Defect은 발생 원인에 따라 주로 입자(particles), 잔류물(residues), 스크래치(scratches)로 구분됩니다. 이러한 결함은 Chuck, Robotic Arm 등의 웨이퍼 이송 장치나 CMP 공정 중에서 발생하며, 종종 동심원 형태로 관찰됩니다.

그림 4. Wafer Backside Particle에 의한 Defocus

 

이러한 Wafer Backside Defect은 Photo 공정 중 웨이퍼의 평탄도를 왜곡시켜 불량을 유발할 수 있습니다. 이러한 불량을 Etch 공정 전에 확인되면 Rework이 가능하지만, 그렇지 않을 경우 수율에 영향을 미칩니다. 아래 이미지를 보시면 Defocus 발생 시, Pattern이 작거나 끊겨있는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 해당 문헌에서는 Defocus 개선을 위해 Backside Particle을 제어하는 방안 대해서 실험하였습니다.

그림 5. Defocus에 의한 Pattern 불량

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결론 및 의견

위에서 언급했듯, Defocus 불량은 파장이 짧아질수록 DOF가 감소하면서 발생 빈도가 높아지며, 이에 대한 제어가 더욱 중요해지고 있습니다. 저도 EUV와 ArF Immersion 공정에서 Defocus 불량을 경험했으며, 포토레지스트(PR) 변경과 Scan speed 감소를 통해 이를 개선한 바 있습니다.

 

한 논문에서도 Via 패턴이 타원형으로 왜곡되는 불량이 발생했으나, Scan Speed를 감소시켜 Via를 원형으로 복원하고 DOF를 개선한 결과를 확인할 수 있었습니다. 실제로 Defocus 및 패턴 왜곡 불량 개선을 위해 Scan Speed 감소는 일반적으로 사용되는 주요 개선 방법입니다.

그림 6. Scan speed 감소에 따른 Via 왜곡 및 DOF 개선