[논문 리뷰] Lithographic performance of ZEP520A and mr-PosEBR resists exposed by electron beam and extreme ultraviolet lithography

Roberto Fallica, Dimitrios Kazazis외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 01.

Advancements in Photolithography Techniques참고 문헌 32인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 전자선 리소그래피(EBL)를 위해 설계된 ZEP520A 및 mr-PosEBR 리소그래피에 대해 극자외선(EUV) 리소그래피를 통해 노출했을 때의 리소그래피 성능을 평가한다. 두 리소그래피 모두 높은 감도(dose to clear <12 mJ/cm²)를 보이며, 25 nm 반주기 선/공극을 낮은 선 가장자리 불규칙성(<6 nm)으로 해상하고, 높은 에칭 선택성을 유지하여 기존의 EBL 공정을 직접 EUV로 확장할 수 있음을 입증한다. 이는 고해상도, 대면적 나노패터닝에서 뛰어난 패턴 품질과 양호한 수율을 달성할 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

Pattern transfer by deep anisotropic etch is a well-established technique for fabrication of nanoscale devices and structures. For this technique to be effective, the resist material plays a key role and must have high resolution, reasonable sensitivity and high etch selectivity against the conventional silicon substrate or underlayer film. In this work, the lithographic performance of two high etch resistance materials was evaluated: ZEP520A (Nippon Zeon Co.) and mr-PosEBR (micro resist technology GmbH). Both materials are positive tone, polymer-based and non-chemically amplified resists. Two exposure techniques were used: electron beam lithography (EBL) and extreme ultraviolet (EUV) lithography. These resists were originally designed for EBL patterning, where high quality patterning at sub-100 nm resolution was previously demonstrated. In the scope of this work, we also aim to validate their extendibility to EUV for high resolution and large area patterning. To this purpose, the same EBL process conditions were employed at EUV. The figures of merit, i.e. dose to clear, dose to size, and resolution, were extracted and these results are discussed systematically. It was found that both materials are very fast at EUV (dose to clear lower than 12 mJ/cm2) and are capable of resolving dense lines/space arrays with a resolution of 25 nm half-pitch. The quality of patterns was also very good and the sidewall roughness was below 6 nm. Interestingly, the general-purpose process used for EBL can be extended straightforwardly to EUV lithography with comparable high quality and yield. Our findings open new possibilities for lithographers who wish to devise novel fabrication schemes exploiting EUV for fabrication of nanostructures by deep etch pattern transfer.

연구 동기 및 목표

• 비화학적 강화 리소그래피인 ZEP520A 및 mr-PosEBR가 극자외선(EUV) 리소그래피에 적합한지 평가하기.
• 동일한 공정 조건에서 전자선 리소그래피(EBL)와 EUV-IL 간의 리소그래피 성능—감도, 해상도, 패턴 품질—을 비교하기.
• EUV 및 EBL 노출 조건에서의 도스 투 클리어, 도스 투 사이즈, 선 가장자리 불규칙성(LER)을 핵심 성능 지표로 평가하기.
• 일반적인 EBL 공정 레시피가 고해상도 패턴링을 위해 최적화 없이도 EUV 리소그래피로 직접 이관 가능한지 확인하기.
• 나노패터닝에서 혼합-매치 EUV-EBL 공정에 대한 잠재력을 탐색하기.

제안 방법

• EBL(Vistec EBPG 5000 Plus) 및 EUV-IL(ASML TWINSCAN NXE:3300) 장비를 사용하여 두 리소그래피에 대해 동일한 공정 조건을 적용하였다.
• EBL 및 EUV-IL을 모두 사용하여 50 nm, 25 nm, 22 nm 반주기의 조밀한 선/공극 배열을 패턴링하였다.
• CD 대 노출 도스 그래프에서 대trast 곡선을 이용해 도스 투 클리어 및 도스 투 사이즈를 측정하였다.
• 다양한 노출 도스에서의 선/공극 배열에 대해 SEM 미세측정을 통해 선 가장자리 불규칙성(LER)을 정량화하였다.
• EBL의 빔 스텝핑과 EUV-IL의 단일 빔 간섭도를 고려하여 에어리얼 이미지 품질을 정규화된 이미지 로그 기울기(NILS)로 비교하였다.
• 감도 및 성능 비교를 위해 PMMA를 기준 리소그래피로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원래 EBL를 위해 개발된 ZEP520A 및 mr-PosEBR가 EUV 리소그래피에서 동일한 성능을 발휘할 수 있는가?
• RQ2 EBL 대비 EUV 노출 조건에서 이들의 감도(dose to clear 및 dose to size)는 어떠한가?
• RQ3 고해상도 선/공극 패턴에서 이들의 선 가장자리 불규칙성(LER)은 EBL와 EUV-IL 간에 어떻게 비교되는가?
• RQ4 에어리얼 이미지 품질(NILS)은 EBL와 EUV-IL 간의 LER에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 표준 EBL 공정 레시피가 고해상도 패턴링을 위해 최적화 없이도 EUV 리소그래피로 직접 이관 가능한가?

주요 결과

• ZEP520A 및 mr-PosEBR는 모두 높은 EUV 감도를 보이며, 도스 투 클리어가 12 mJ/cm² 이하로 나타나 PMMA보다 뚜렷이 뛰어나다.
• 25 nm 반주기 선/공극에 대해 EUV-IL에서 ZEP520A의 도스 투 사이즈는 79.2 mJ/cm², mr-PosEBR는 88.7 mJ/cm²이다.
• 최소 선 가장자리 불규칙성(LER)은 ZEP520A가 1.5 nm, mr-PosEBR가 4 nm로 각각 해당 도스 투 사이즈 조건에서 도달하였다.
• EBL에서는 ZEP520A가 LER 2 nm를, mr-PosEBR는 6 nm를 기록하여 빔 스텝핑 조건에서 더 높은 패턴 정밀도를 보였다.
• 두 리소그래피 모두 EUV-IL에서 EBL보다 LER가 일관되게 낮았으며, 이는 EUV에서 더 높은 NILS와 감소된 샷 노이즈 때문으로 기인된다.
• 이 연구는 일반적인 EBL 공정 레시피가 고해상도 패턴링에서 뛰어난 수율과 품질을 유지하면서도 직접 EUV-IL로 확장 가능함을 확인하였다.