KR100788345B1 - 사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법에 관한 것이다. 사진 공정의 노광 과정에서 발생하는 플레어 효과에 대한 기존의 연구는 일반적인 경우의 핵심 치수 조절에 미치는 단순 효과 또는 이론적인 배경에 한정되었다. 본 발명에서는 라인의 너비가 일정하고, 열림 창의 열림 크기가 다른 여러 개의 마스크 패턴을 가지는 테스트 마스크를 사용하여 여러 노광 에너지로 라인 패턴을 형성하여 플레어 효과를 정량적으로 측정하고, 플레어 효과를 가미하여 해당 마스크를 수정함으로써, 핵심 치수를 조정한다. 본 발명은 여러 조명 조건에 따른 플레어 효과 변화 관찰이 용이함으로 각 반도체 소자의 층별 사진 공정 조명 조건에서 플레어 효과의 양을 측정하여 각 층별 마스크를 수정함으로써, 핵심 치수를 정교하게 조정할 수 있다.

플레어 효과(Flare Effect), 테스트 마스크(Test Mask), 핵심 치수(Critical Dimension)

Description

사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법{Measurement Method for Flare Effect in Photo Lithography Process}

도 1은 본 발명의 테스트 마스크를 나타내는 그림이다.

도 2는 테스트 마스크의 열림 창의 열림 크기에 따른 라인 패턴의 핵심 치수의 크기 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 플레어 효과를 측정하는 방법을 나타낸 순서도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

5: 테스트 마스크 8: 테스트 마스크의 필드

10: 테스트 마스크의 라인

20: 테스트 마스크의 열림 창 20a: 열림 창의 열림 크기

본 발명은 반도체 소자의 제조 기술에 관한 것으로서, 특히 사진 공정에서 마스크 상의 라인과 열린 창의 단순한 패턴을 이용하여 각 조명 조건에 대한 플레어 효과를 측정하고, 각 조명 조건에서 플레어 효과의 양을 측정하여 반도체 소자의 층별 마스크를 수정함으로써 정교하게 핵심 치수를 조정할 수 있는 방법에 관한 것이다.

반도체 제품의 대량 생산이 시작된 이후로 사진 기술 개발이 비약적으로 이루어져 왔다. 반도체 소자의 제조 기술에서, 사진 공정은 소자의 고집적도를 선도하는 기본 기술로서, 빛을 이용하여 반도체 기판 위에 반도체 소자의 형성에 필요한 감광막 패턴을 형성하는 공정이다. 사진 기술의 여러 가지 변수 가운데 한계 해상도 이하에서 패턴 이미지를 형성해야 하는 90nm 이하 노드에서 핵심 치수(Critical Dimension)에 영향을 미치는 중요한 변수는 플레어 효과(Flare Effect)이다. 사진 공정에서 나타나는 플레어 효과는 노광 공정을 진행할 때 빛이 마스크 경계 면에서 난반사 되어 패턴을 형성하는 노광 에너지에 더해지면서 형성하고자 하는 패턴의 핵심 치수를 작게 만드는 역할을 한다.

플레어 효과와 같은 광학적 특성은 사진 마스크의 열림 정도(open ratio)를 변화시키면 열림 정도에 따라 중거리 플레어(mid-range flare)의 효과가 달라지면서 핵심 치수의 변화가 생기는데, 이와 유사한 현상이 조명계 구경 형태에서도 나타날 것으로 기대된다. 즉, 부분 결맞음 계수(partial coherence factor; σ)와 같은 조명계의 구경 계수 (illumination Numerical Aperture; illumination NA) 및 변형 조명계 구경 (modified illumination aperture) 형태에 따라 달라질 것으로 예상되나, 아직 이에 대한 연구가 충분치 않은 상태이다.

플레어 효과의 크기 변화를 정량적인 수치로 알면 플레어 효과로 인한 패턴의 변형(deformation)을 예측하고, 마스크 패턴 선묘(mask pattern drawing)에 반영할 수 있다. 그러나, 지금까지 플레어 효과에 대한 연구는 일반적인 경우의 핵심 치수 조절에 미치는 단순 효과 또는 이론적인 배경에 한정되었다.

본 발명의 목적은 사진 공정에서 기존의 핵심 치수 조절에 미치는 단순 효과 또는 이론적인 배경에 한정하여 설명되던 플레어 효과를 테스트 마스크를 이용하여 정량적으로 측정함으로써, 반도체 소자의 층별 마스크를 수정하여 정교하게 핵심 치수를 조정할 수 있는 사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법은 라인의 너비가 일정하고, 열림 창의 열림 크기가 다른 여러 개의 마스크 패턴을 가지는 테스트 마스크를 제조하는 단계와, 노광 장비에서 테스트 마스크를 사용하여 테스트 마스크 상의 라인의 너비와 동일한 크기의 라인 패턴을 형성하는 노광 에너지를 기준으로 매 칩마다 다른 노광 에너지를 사용하여 열린 창의 열림 크기가 다른 여러 개의 마스크 패턴의 라인을 웨이퍼에 라인 패턴으로 형성하는 단계와, 웨이퍼에서 기준으로 하는 노광 에너지와 마스크에서 열린 창의 총 너비가 커짐에 따라 열린 창에 의한 플레어 효과가 가해져서 라인 패턴을 형성한 노광 에너지로 플레어 효과를 계산하는 단계와, 계산된 플레어 효과를 가미하여 해당 마스크를 수정함으로써, 핵심 치수를 조정하는 단계를 포함한다.

실시예

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 193nm 광원의 사진 공정의 스캔(scan) 및 스탭(step) 노광 장비에서 사용할 수 있는 마스크(mask)로서, 라인(line, 10)과 열린 창(open window, 20)으로 구성된 테스트 마스크(5)를 만들어 플레어 효과(Flare effect)를 측정한다.

먼저, 테스트 마스크(5)는 라인(10)의 너비를 100nm 이하의 일정한 크기로 고정한 상태에서 라인(10)의 양 옆에 있는 열린 창(20)의 열림 크기(20a)를 0.3 ~ 20㎛로 나눈 여러 개의 마스크 패턴들을 가지도록 만든다. 이때, 마스크(5)는 크롬(Cr) 등의 금속으로 라인(10) 및 필드 부분(8)을 형성하고 있으며, 금속이 없는 부분은 열린 창(20)으로 빛이 통과하는 부분이다.

한편, 이러한 테스트 마스크(5)를 사용하여 일정한 노광 에너지(Dose)로 라인 패턴을 웨이퍼에 형성하였을 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 테스트 마스크(5)의 열린 창(20)의 열림 크기(20a) 정도에 따라 웨이퍼 상에 형성되는 라인 패턴(line pattern)의 핵심 치수(Critical Dimension)의 변화를 관찰할 수 있다. 상기 웨이퍼 상에 형성되는 라인 패턴의 핵심 치수는 마스크(5)에서 열린 창(20)의 열림 크기(20a)가 커질수록 플레어 효과가 커지게 되면서, 패턴을 형성하기 위해 사용하는 노광 에너지에 플레어 효과에 의한 노광 효과가 가해지게 된다.

이에 따라, 열린 창(20)의 열림 크기(20a)가 커질수록 증가된 노광 효과로 인해 웨이퍼 상에 형성되는 라인 패턴의 핵심 치수가 작아지게 됨을 볼 수 있다. 그러므로, 테스트 마스크(5) 상의 열린 창(20)의 열림 크기(20a)가 커질 경우에는, 웨이퍼에 테스트 마스크(5) 상의 라인(10) 너비대로 라인 패턴을 형성하기 위해서 노광 에너지를 줄여 주어야 한다.

다음으로, 테스트 마스크(5)를 사용하여, 테스트 마스크(5) 패턴 가운데 플레어 효과가 가해 지지 않은 마스크 패턴 즉, 열린 창(20)의 총 너비와 라인의 너비가 1 : 1인 패턴에 대해서 테스트 마스크(5) 상의 라인(10)의 너비와 동일한 크기의 라인 패턴을 웨이퍼에 형성하는 노광 에너지를 찾아낸다.

이후, 노광 장비에서 이 노광 에너지를 열린 창에 의한 플레어 효과가 없이 라인 패턴을 형성한 기준 노광 에너지로 정하고, 테스트 마스크(5)를 사용하여 웨이퍼 상에 매 칩(chip)마다 다른 노광 에너지로 노광하여 라인 패턴을 형성한다. 이때, 웨이퍼에는 테스트 마스크(5) 상의 열린 창(20)의 열림 크기(20a)가 다른 여러 개의 마스크 패턴에 의해서 라인 패턴들이 형성된다.

웨이퍼에 형성된 라인 패턴들 가운데는 패턴을 형성하기 위해 사용하는 노광 에너지와 테스트 마스크(5) 상의 열린 창(20)에 따른 플레어 효과가 가해져서 테스트 마스크(5) 상의 라인(10)의 너비와 동일한 크기의 라인 패턴이 형성하게 된다.

여기서, 플레어 효과는 기준이 되는 노광 에너지와 열린 창(20)의 열림 크기(20a)가 커짐에 따른 플레어 효과가 가해져서 라인 패턴을 형성한 노광 에너지를 가지고 계산할 수 있다. 즉, 플레어 효과(%)는 다음 수식 1에 의하여 구할 수 있다.

예컨대, 마스크에서 열린 창(20)의 총 너비가 0.3um이고, 라인(10)의 너비도 0.3um인 열린 창(20)의 총 너비와 라인의 너비가 1 : 1인 마스크 패턴을 웨이퍼에 마스크 상의 라인(10) 너비와 동일한 0.3um의 핵심 치수를 갖는 라인 패턴(10a)으로 형성한 노광 에너지가 50mJ이다. 그리고, 마스크에서 라인(10)의 너비는 0.3um이고 열린 창(20)의 총 너비가 커진 조건(플레어 효과가 가해진)에서, 웨이퍼에 0.3um 핵심 치수를 갖는 라인 패턴으로 형성한 노광 에너지가 45mJ이다. 이때, 플레어(%)는 수식 1의 플레어 계산식에 의해 다음 수식 2와 같이 정량적인 수치를 구할 수 있다.

이 같은 방법으로 플레어 효과의 영향을 정량적인 수치로 구하면, 플레어 효과로 인한 패턴의 변형을 예측하고, 마스크 패턴 선묘에 반영할 수 있다.

또한, 반도체 소자의 각 층마다 각각 다른 조명 조건을 사용하는 보통의 경우, 층별 플레어 효과를 고려하여 노광 에너지뿐만 아니라 조명 구경수(NA), 조명 조리개 모양 및 렌즈 구경수 등의 조명 조건에 대한 층별 플레어 효과를 측정한다.

이후, 조명 조건에 따라 플레어 효과가 달라짐을 확인하고, 이를 이용하여 각 반도체 소자의 층별 사진 공정 조명 조건에 따라 플레어 양을 측정하여 각 층별 마스크를 수정함으로써 정교한 핵심 치수 조정을 가능하게 한다. 즉, 도 3과 같은 순서대로 플레어 효과를 측정하여 마스크를 수정함으로써 핵심 치수를 조정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 마스크 상의 라인과 열린 창의 단순한 패턴을 이용한 플레어 효과를 정량적으로 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 조명 조건에 따른 플레어 효과 변화 관찰이 용이하여 각 반도체 소자의 층별 사진 공정 조명 조건에 따라 플레어 효과의 양을 측정하여 각 층별 마스크를 수정함으로써, 핵심 치수를 정교하게 조정할 수 있다.

본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (5)

1. (a) 라인의 너비가 일정하고, 열림 창의 열림 크기가 다른 여러 개의 마스크 패턴을 가지는 테스트 마스크를 제조하는 단계와,

   (b) 노광 장비에서 상기 테스트 마스크를 사용하여 상기 테스트 마스크 상의 상기 라인의 너비와 동일한 크기의 라인 패턴을 형성하는 노광 에너지를 기준으로 매 칩마다 다른 노광 에너지를 사용하여 열린 창의 열림 크기가 다른 여러 개의 마스크 패턴의 라인을 웨이퍼에 라인 패턴으로 형성하는 단계와,

   (c) 상기 웨이퍼에서 기준으로 하는 상기 테스트 마스크 상의 상기 라인의 너비와 동일한 크기의 라인 패턴을 형성하는 노광 에너지와 상기 마스크에서 상기 열린 창의 총 너비가 커짐에 따라 열린 창에 의한 플레어 효과가 가해져서 라인 패턴을 형성한 노광 에너지로 플레어 효과를 계산하는 단계와,

   (d) 상기 계산된 플레어 효과를 가미하여 해당 마스크를 수정함으로써, 핵심 치수를 조정하는 단계를 포함하는 사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법.
2. 제1항에서,

   상기 (a)단계에서 상기 마스크의 상기 라인 너비는 100nm 이하의 일정한 너비로 만드는 것을 특징으로 하는 사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법.
3. 제1항에서,

   상기 (a)단계에서 상기 마스크의 상기 열림 크기는 0.3 ~ 20㎛로 나누어서 만드는 것을 특징으로 하는 사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법.
4. 제1항에서,

   상기 (b)단계에서 상기 노광 장비에서의 조명 구경수(NA: Numerical Aperture), 조명 조리개 모양 및 렌즈 구경수를 포함하는 조명 조건에 따라 플레어 효과를 측정하는 것을 특징으로 하는 사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법.
5. 제1항에서,

   상기 (c)단계에서 상기 플레어 효과를 계산하는 방법은 플레어 효과를

   

   의 수식에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 사진 공정에서 플레어 효과를 측정하는 방법.

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