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차세대 반도체의 고속·고정밀도 마스크 패턴 묘화기술


자료집필: 국제테크노정보연구소

서 론 

오늘날 정보사회를 유지하고 있는 핵심 기반기술의 하나로 반도체 집적회로(LSI)의 미세화 기술이 있다. LSI 제작 공정 패턴 흐름을 나타내면 그림 1과 같이 된다. 설계된 회로 패턴은 우선 마스크라 불리는 기판에 형성된다. 다음에 이 마스크를 원판으로 스테퍼라고 불리는 전사장치를 이용하여 웨이퍼상에 패턴을 축소 전사한다. 즉, 마스크 패턴이 기준이 되어 회로가 형성된다. 따라서, 마스크상의 회로 패턴 형성에는 완전성이 요구되므로, 마스크 패턴 형성기술은 LSI 제작의 열쇠를 쥐고 있다고 할 수 있다.
마스크상에 패턴을 형성하는 방법에는 전자빔 묘화장치를 이용하는 방법과 레이저 묘화장치를 이용하는 방법이 있다. 미세화를 이끌어가는 마스크 패턴 형성에는 해상성이 뛰어난 전자가 이용된다.
본고에서는 25년 이상 전자빔 묘화기술의 연구개발에 전념해 온 (주)뉴플레어테크놀러지사와 도시바사가 공동 개발한 묘화장치와 차세대를 지향한 기술개발에 대해 소개한다.

로드 맵의 캐치업과 가속

웨이퍼상의 패턴치수가 250nm(1nm=100만분의 1mm) 이하로 되면, 스테퍼의 해상 한계로 마스크 패턴을 전사하는 필요성 때문에, 마스크 패턴의 오차가 전사 성능에 크게 영향을 주고 있었다(95년 무렵). 그 때문에, 마스크의 패턴은 그 당시부터 급격하게 고정밀화가 요구되었다. 94년판의 반도체 로드 맵중에서 마스크에 요구된 정밀도의 일례를 표 1(a)에 나타낸다. 예를 들면, 130nm 세대는 2004년에 달성될 것으로 예측되며, 패턴치수의 균일성은 13nm가 요구되지만, 실현이 곤란하다는 이유로, 20nm가 목표이었다. 위치 정밀도에는 26nm가 요구되고 있었다.
요구 정밀도를 달성하고, 또한 실용적인 묘화속도를 얻기 위해, 각종 Break through 기술을 개발하여 실용화했다. 99년 이후에 시판된 전자빔 마스크 묘화장치는 이하 언급하는 Break through 기술을 사용하고 있으며, 세계 최고의 정밀도를 자랑하고 있다. 99년판의 로드 맵(표 1(b))에서 나타낸 성능을 만족시키며, 완전하게 요구 정밀도를 catch-up할 수 있었다고 생각하고 있다.
그 후, 장치를 계속 개량함으로써 2001년판의 로드 맵(표 1(c))의 가속에 완전하게 대응할 수 있었다. 동시에 종래에서는 곤란하다고 여겨진 성능(적색과 황색으로 표시)도 기술적으로 가능하게 되었다는 것을 나타내고 있다. 이러한 기술이 로드 맵을 바꾼 셈이다. 현재, 첨단 반도체의 제작에 사용되는 마스크의 대부분이 이 장치로 묘화되고 있다.

고속·고정밀도 패턴 묘화기술

이 회사의 전자빔 마스크 묘화장치 및 가변성형빔(VSB) 묘화방식을 그림 2(a), (b)에 나타낸다. 전자빔을 S1, S2 애퍼처(aperture)를 통해 사각형 또는 삼각형으로 성형하여 마스크 기판상의 소정의 위치에 집광하고, 이것을 고속으로 ON/OFF시켜 임의의 패턴을 묘화한다. 이 방식에서는 종래의 환빔 방식에 비해 고속묘화가 가능하다. 게다가, 빔의 고속·고정밀도 편향을 가능하게 하는 편향 앰프를 개발했다. 이들에 의해 고속 묘화가 가능해진 것이 첫째 기술 포인트이다.

다음에, 패턴을 고정밀화하기 위해, 마스크 기판내부로부터의 반사전자의 영향으로 치수가 변화하는 근접효과를 리얼타임으로 보정하는 기술, 반사전자의 장치내에서 재반사를 저감시키는 기술, 중력 왜곡 이외의 일그러짐을 전혀 생기지 않도록 하는 마스크 유지기술, 철저한 노이즈 저감과, 온도제어 등의 기술, 그리고, 전자빔의 드리프트 저감기술과 고정밀도의 전자빔 제어기술을 개발하여 안정화와 고정밀화를 달성했다. 이것이 두 번째 기술 포인트이다.
또, 묘화 프로세스와 다른 프로세스간의 인터페이스가 되는 반송계에서는 마스크에 파티클이 부착되지 않도록 여러 가지 구조와 기구를 개발하여, 이것에 의해 패턴상의 결함 발생을 저감시켰다.
더구나, 묘화 데이터의 데이터량 증대에 대응한 대규모 데이터처리 회로기술, 노이즈에 대한 로버스트성을 높인 회로기술과, 장치설치 환경의 정밀도에 대한 영향을 억제하는 내환경기술, 0.001℃ 이하의 온도제어가 가능한 스테이지 기술을 개발하여, 장기 안정화에 대응시켰다. 이것이 세 번째 기술 포인트이다. 이러한 기술개발에 의해, 100nm 세대까지의 마스크 묘화가 가능할 것으로 생각하고 있다.

차세대의 고속 마스크 묘화기술

(주)뉴플레어테크놀러지와 도시바사에서는 더욱 미세한 70nm 세대 이후에 대응할 요소기술 개발을 진행하고 있다. 미세화가 진행됨에 따라 묘화시의 쇼트수는 큰 폭으로 증대하여, 이 결과 묘화시간이 매우 길어질 것으로 예상된다.
이 문제를 해소하는 방법의 하나로 고안하여 연구가 진행되고 있는 것이 "EB(전자빔) 마스크스캔 묘화방식"이다. 그림 2(c)에 나타낸 바와 같이, 같은 패턴의 묘화 요소를 미리 정해두고, 이 부분은 전사에 의해 패턴을 묘화하는 방식이다. 이 방식에서는 복수의 전사용 개구를 형성한 EB 마스크를 S2 애퍼처의 위치에 배치하고 있다. 전사용 개구의 선택 범위를 넓히기 위해, EB 마스크는 스테이지 기구를 이용하여 이동 가능하도록 되어 있다. 전사용 개구상을 전자빔을 스캔하여 마스크 기판상에 패턴을 전사함으로써 전사 패턴의 대형화와 VSB 방식과의 병용이 가능해진다. 이 방식의 채용으로, 대폭적인 묘화시간을 단축할 수 있을 것으로 생각하고 있다. 이미 연구용의 시제기가 완성되어 평가를 진행하고 있다.
이 회사는 이와 같이, 반도체 소자의 제작에 있어서 열쇠가 되는 마스크의 제작에 사용되는 전자빔 묘화기술을 제공하여, 세계 반도체 산업의 발전에 기여하고 있다.
 

 

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