KR0171947B1 - 반도체소자 제조를 위한 노광 방법 및 그를 이용한 노광장치 - Google Patents

반도체소자 제조를 위한 노광 방법 및 그를 이용한 노광장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체소자 제조를 위한 노광 방법 및 그를 이용하는 노광장치에 관한 것으로서, 종래의 선형 편광에서 발생하는 콘트라스트 갭 즉 패턴의 길이 방향과 편광 방향의 불일치에 대한 콘트라스트 차이를 방지하기 위하여 벡터 이미지 이론을 이용하여 유추된 식들을 이용하여 편광 분포 함수를 구하여, 노광마스크에 입사하는 x,y 성분을 갖는 편광을 자오 평면과 수직인 성분 S-편광 성분(Scom)과 평행한 성분 P-편광 성분(Pcom)을 구하여 적정한 콘트라스트 갭과 콘트라스트를 갖는 타원 편광 정도를 결정할 수 있어 적절한 타원 편광을 사용하여 콘트라스트 갭을 감소시키고, 콘트라스트를 향상시켰으므로, 미세 패턴 형성이 용이하여 소자의 고집적화에 유리하고, 공정여유도가 증가되어 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

반조체소자 제조를 위한 노광 방법 및 그를 이용한 노광장치
제1도는 일반적인 축소노광장치를 설명하기 위한 개략도.
제2a도 내지 제2c도는 다양한 편광 상태 광의 진행 분포도.
제3도는 라인/스페이스 패턴에 대해 일반노광과 사입사노광 및 원 편광을 사용한 패턴의 크기에 대한 콘트라스트의 그래프.
제4도는 본 발명의 일 실시예에 따른 노광 방법을 사용하여 타원율을 변화시키며 콘트라스트에 대한 패턴 크기의 그래프.
제5도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노광 방법을 사용하여 타원율을 변화시키며 콘트라스트에 대한 패턴 크기의 그래프.
제6도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노광 방법을 사용하여 타원율을 변화시키며 콘트라스트에 대한 패턴 크기의 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 광원 2 : 애퍼처
3 : 집광랜즈계 4 : 노광마스크
5 : 투사랜즈계 6: 웨이퍼
7: 광
본 발명은 반도체소자 제조를 위한 노광방법 및 그를 이용하는 노광장치에 관한 것으로서, 특히 원형 도는 타원형 편광 광을 광원으로 사용하여 종래의 노광장치를 사용하여 미세 선폭의 패턴 형성이 용이하여 소자의 고집적화에 유리하고, 공정 여유도가 증가되어 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체소자 제조를 위한 노광방법 및 그를 이용하는 노광장치에 관한 것이다.
최근 반도체장치의 고집적화 추세는 반도체장치의 제조 공정중에서 식각 또는 이온주입 공정 등의 마스크로 매우 폭 넓게 사용되고 있는 감광막패턴을 형성하는 리소그래피 공정에 의한 미세 패턴 형성기술의 발전에 큰 영향을 받고 있다.
특히 감광막패턴을 형성하는 축소노광장치(stepper)의 광분해능을 향상시키기 위하여 광원의 파장을 감소시킨다. 예를 들어 파장이 365nm인 i-라인 축소노광장치는 공정 분해능이 약 0.5㎛정도이고, 248 nm 인 KrF 레이저나 193nm 인 ArF 레이저를 광원으로 사용하는 축소노광장치는 라인/스페이스 패턴의 경우에 약 0.25㎛정도의 패턴 분해가 가능하다.
또한 미세패턴 형성을 위하여 노광마스크로서 인접 패턴간의 광간섭을 이용하는 위상반전 마스크(phase shift mask; 이하 PSM이라 칭함 )를 사용하거나, 스테퍼의 광원을 편광하여 사용하는 편광조명법 등을 사용하기도 한다.
상기의 리소그라피 공정에서 웨이퍼상에 소정 형상의 감광막패턴을 형성하기 위해서는 소정의 광차단막 패턴이 형성된 마스크 예컨대, 레티컬(Reticle)을 사용하여 노광을 실시한다.
제1도는 종래 일반 조명법에서의 축소노광장치의 구조를 설명하기 위한 개략도로서, 퀼러(Kohler) 조명법의 예이다.
먼저, 상기 축소노광장치는 광원(1)으로부터 나온 빛(7)이 애퍼처(2)와 집광렌즈계(3)를 통과하여 노광마스크(4)의 광차단막 패턴을 지나며 이미지를 띄고, 투사렌즈계(5)를 통과하여 웨이퍼(6)상에 도달하게 된다.
상기의 일반 조명법에서는 노광시 노광시간이 짧게 소요되지만, 촛점심도가 작아지기 때문에 공정진행시 생산수율을 저하시키게 되는 문제점이 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 애퍼처의 형상을 변화시켜 애퍼처의 중심부분에 빛을 차단하는 차단부를 두어 노광마스크 상에 경사진 빛이 입사하도록 하는 변형조명법을 사용한다.
이때, 노광마스크로부터 회절된 빛중 0차 회절광과 ±1차 회절광중 하나가 그 하부에 위치한 전사렌즈(Projection Lens)로 집속되므로써 0차 회절광과 ±1차 회절광의 입사각이 같을 때에 촛점심도의 증가효과를 얻을 수 있다.
그러나, 상기 종래의 변형 조명법에서는 애퍼처의 중심부에 위치한 빛 차단부에 의해 애퍼처의 중심부분으로 통과하는 빛을 차단시키게 하므로 노광마스크 및 웨이퍼상에 도달하는 빛의 세기가 일반 조명법에 비해 대체적으로 작아지게 되어 일반 조명법에 비해 오랜시간 동안 노광을 해야 하므로 광분포가 일정하지 않아, 대량생산시 생산수율이 저하되게 된다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 제시된 방법이 광원으로 조사되는 광을 한 방향으로 선형 편광하여 사용하는 선형 편광조명법을 사용하고 있다.
상기의 선형 편광조명법은 편광 방향과 나란하게 레티클의 광차단막 패턴이 형성되어 있는 경우에 대해서는 i-선 광원의 축소노광장치로도 0.175㎛의 라인/스페이스 폭까지 상을 구현할 수 있으나, 편광 방향과 수직을 이루는 광차단막 패턴에 대해서는 나란한 방향의 패턴보다 상당히 상의 콘트라스트가 저하되는 현상인 콘트라스트 갭(contrast gap)이 존재한다.
제3도에 도시되어 있는 바와 같이, 점선으로 표시된 부분이 선형 편광을 사용하여 일반노광과 사입사노광 및 위상반전 마스크를 사용하는 경우, 라인/스페이스 패턴에서 선형편광의 주축이 노광마스크의 광차단막 패턴과 나란한 경우 φ=90°인 Scom성분가 수직한 경우 φ=0°인 Pcom성분에 비해 큰 콘트라스트를 가지므로 두 성분간의 콘트라스트 갭이 존재하게 된다. 이는 분해능이 작은 순서인 일반노광과 사입사노광 및 위상반전 마스크클 사용하는 경우 모두에 존재하게 된다.
이러한 콘트라스트 갭은 애퍼처에서 투광면적과 전체 면적간의 비인 부분 간섭도σ가 작을수록, 이미지 크기(feature size)가 작을수록, 랜즈 구경수(Numerical Aperture; 이하 NA라 칭함)가 커질수록, 그리고 위상반전 마스크나 사입사 조명을 사용할 경우 더욱 커져 선형 편광 조명법을 사용하여 여러 가지 방향의 패턴으로 이루어진 노광 마스크의 미세한 패턴을 구현하는데 큰 장애가 되며, 소자의 고집적화를 저해하고, 공정여유도가 감소되어 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 타원 편광(원 편광 포함)조명법을 사용하되, 상기 타원 편광의 기울어진 정도인 편광각을 조절하여 콘트라스트를 결정하고, 타원의 장축 및 단축의 비인 타원율을 결정하여 콘트라스트 갭이 결정되는 관계식을 유도하여, 공정 조건에 따라 편광각과 타원율을 결정하여 선형 편광 조명법에서 얻을 수 있는 편광 효과에 의한 높은 콘트라스트를 유지하면서, 콘트라스트 갭은 감소시켜 소자의 고집적화에 유리하고, 공정여유도가 증가되어 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체소자 제조를 위한 노광 방법을 제 공함에 있다.
또한 타원 편광을 사용하여 미세 패턴 형성이 용이한 반도체소자 제조용 노광장치를 제광함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자 제조를 위한 노광방법의 특징은, 편광된 광을 광원으로사용하여 노광마스크를 통하여 웨이퍼에 상을 조사하여 패턴을 형성하는 노광방법에 있어서, 타원 편광된 광을 광원으로 사용하되, 타원율과 편광각을 하기의 식들을 이용하여 계산하여 공정여유도가 허가하는 범위내의 콘트라스트 갭을 갖도록 하고 콘트라스트를 향상시킴에 있다. 식은 편광 분포 함수,
이고, f와 g는 공간주파수 성분, 자오 평면과 수직인 성분 Scom과 평행한 성분 Pcom에서
여기서 EOX, EOY와 δX, δY는 X, Y 방향의 크기와 위상이다.
본 발명의 다른 반도체소자의 제조용 노광장치의 특징은, 광원에서 조사되는 광을 애퍼처와 집광랜즈계와 노광마스크 및 투사랜즈계를 통하여 웨이퍼에 조사시켜 상을 형성하는 노광장치에 있어서, 상기 광원과 애퍼처의 사이에 설치되어 광을 일정한 타원율과 편광각을 갖는 타원으로 편광시키는 편광판을 구비함에 있다.
이하, 본 발명에 따른 반도체소자 제조를 위한 노광방법 및 그를 이용한 노광장치에 관하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본발명에 사용되는 원을 포함하는 타원 편광을 사용하기 위한 이론적인 근거로서, 편광 분포 함수(polarization distribution function)와 그에 따른 편광성분을 구하기 위한 수식을 간단하게 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 물체면에 방향 단위 벡터(directional unit vector)인 (tx,ty)방향으로 입사한 빛이 마스크를 통과하여 (rx,ry)방향으로 회절된 후, 투사 렌즈계를 통과하여 출사동에서 (Sx,Sy)방향으로 가우시안 상점(gaussian image point)을 향해 진행하여 (x,y)의 좌표계를 갖는 상면에 만드는 전기장은 식 1과 같다.
여기서 상기이고, 상기는 마스크 투과함수(mask transmission function)의 푸리에 변환(Fourier transformation)이며,는 벡터 전달 함수(vector transfer function)로서DHK 함께방향으로 입사한 빛이 투사 렌즈계를 통과한 후방향으로의 크기(amplitude)를 결정한다.
즉, 상면에서의 전기장은의 크기를 갖고,(Sx,Sy) 방향으로 진행하는 평면파(plane wave)들의 중첩(superposition)이다.
그러나 벡터 전달 함수는 입사 방향 성분인에 거의 영향을 받지 않는 값으로서 다음과 같은 근사치(approximation value)를 갖는다.
또한, 마스크의 공간 주파수를 상면에 전달하는 역할을 하는 근사된 벡터 전달 함수는 다음과 같이 정의 된다.
일때)=0 (다른 값에서)------ 식3
여기서 cosα와 cosβ는 각각 마스크를 통과한 회절광이 광축과 이루는 방향 성분과 투사 렌즈계를 통과한 광이 광축과 이루는 방향 성분을 나타내어
으로 표시되며,투사 렌즈계를 통과하면서 생기는 파면 수차함수(wavefront aberration function)이며,는 편광 분포 함수(polarization distribution function)로서 광축에 나란하게 입사한 빛이 출사 등를 통과하는 회절광에 기여하는 값을 나타낸다.
또한 부분 간섭도가 α인 부분 간섭 조명인 경우에는 마스크에 입사하는 빛의 방향을 나타내는의 영역이 입사동에 생기는 유효 관원(effective source)영역이므로, 상면에서의 광도는 식을에 대해 유효 광원 영역에서 다음과 같이 적분하면 된다.
여기서이고, 적분 영역은 퀄러 조명계에서 입사등에 만드는 유효광원의 크기를 나타내며,는 입사광 분포의 가중치(weighting function)를 나타내는 값으로서 퀄러 조명계에서는 마스크면에 생기는 광원의 크기를 표시한다.
상기의 식1-5들을 서로 대입하여 상면에서의 광분포를 계산하면 다음과 같다.
여기서 *은 공액 복소수(complex conjugate)이다. 식을 계산하기 위해 물체면(object plane)에서의 방향 성분을 상면(image plane)에서의 방향 성분으로 치환하면
이 된다. 여기서 M은 투사 렌즈계의 배율이며,와는 각각 물체면에서의와 (rx,ry)방향 성분이 투사 렌즈계를 통과하면서 방향 성분의 변화를 나타낸다. 따라서
식을 마스크를 통과한 회절광으로부터 투사 렌즈계를 통과하면서 생기는 공간 주파수에 대한 적분식으로 표현하기 위해 다음과 같이 치환한다.
따라서 식7의 광분포는 방향 성분에 대한 적분식은 공간 주파수에 대한 적분식 표현으로 다음과 같이 바꿀 수 있다.
여기서 TCCk는 벡터 TCC(vector transmission cross coefficient)의 k 방향 성분이며 다음과 같이 계산된다.
상기 식9에서은 마스크 자제의 좌표를 (x,y)에서(x/M,y/M)로 변환하여 푸리에 계산하면 F(f,'g')로 나타낼 수 있고,역시 적분영역이 상 공간(image space)에서 반지름이인 원이므로으로 표현한 후, 적분 영역을 물체 공간(object space)에서 반지름 으로 바꾸면 같은 결과를 얻을 수 있다.
따라서 상면에서의 공간상(aerial image)의 광도 분포는 규격화된 공간 주파수의 적분 형태인 다음과 같이 계산된다.
여기서로 규격화된 공간 주파수이며마스크 투과 함수의 푸리에 변환을 나타내며, F*는 F의 공액 복소수(conjugate)이다.
또한 TCCk(f',g':f,g)는 벡터 TCC의 k 성분을 나타내며, 노광마스크의 광차단막 패턴과 무관한 광학계의 특성값으로서
과 같이 계산된다.
상기 식11에서는 입사동에 생기는 조명계이 유효 광원을 나타내는 값으로서 원형 조명일 경우,
와 같은 값을 갖는다.
그리고 K(f,g)는 벡터 회절 이론에서 새로이 정의되는 벡터 전달 함수(vector transfer function)이며
와 같이 정의되며, C는 물체면과 상면 사이에 광 에너지가 보존되기 위한 값으로서로 계산된다.는 투사 렌즈계의 탈초점(defocus)을 포함한 파면 수차 함수이다.
또한 편광 분포 함수(Polarization distribution function)는 입사광의 편광 성분이 광학계를 통과하여 출사동에서방향으로 향하는 회절광의 k=(k=x,y,z) 방향 성분에 기여하는 양을 나타내는 값이다.
여기서 상기의 식1-13들을 이용하여 제2a도 내지 제2c도에 도시되어 있는 바와 같은 선형 편광, 원 편광, 타원 편광 3가지 편광 상태의 모든 경우에 대해 편광 분포 함수를 구해 보면 다음과 같다.
먼저, 3가지 편광 상태는 입사동에 입사하는 편광의 x,y 방향 성분에 의해 결정된다. 즉 x,y성분의 크기비(amplitude ratio)와 위상차(phase difference)에 의해 모든 편광 상태를 표현할 수 있다. 입사하는 조명에 편광 상태를 x,y 성분으로 분해하면 다음과 같다.
여기서이며,와는 x, y 방향의 크기와 위상을 나타낸다. x,y 방향의 두성분 Ex(z,t),Ey(z,t)이 공간상에서 그리는 자취의 모습에 따라 제2a도내지 제 2c도에서와 같이 , 3가지 편광 상태를 만든다. x,y 방향의 편광 성분을 나타내는 식에서, 위상이 같으면 선형 편광(linear polarization), 크기가 같고 위상이 90°차이가 나면 원 편광(circular polarization), 크기와 위상 모두 다르면 타원 편광(elliptical polarization)을 만든다.
상기에서 타원 편광의 경우 제2c도에 도시되어 있는 바와 같이 광학계의 좌표계와 광선 진행 경로를 그림과 같이 정의하고, 타원 편광 조명볍에서 타원의 기울어진 각을 편광각(the angle of polarization)은, 장축과 단축의 비를 타원율(the ratio of ellipticity)를 χ, tan χ=b/a라 정의하고,와 χ가 결정되면 편광 분포 함수를 모든 편광 상태에 대해서 계산할 수 있다. 마스크에 입사되는 빛의 타원 편광(원 편광 포함)의 x, y 성분을 표시하는 상기의 식에서 편광 분포 함수의 x, y, z 방향 성분은 각각
이 되며, 이때 f, g는 공간주파수 성분이며, 광축과 상점(focal point)을 향하는 광선이 이루는 자오 평면(merdional plane)을 정의하고 자오 평면과 수직인 성분을 S-편광 성분(Scom), 평행한 성분을 P-편광 성분(Pcom)이라 하고, 노광마스크에 입사하는 x, y 성분을 갖는 편광을 Scom, Pcom으로 분리하면
으로 표시된다.
상기의 계산식들을 실제의 노광 공정에 적용하여 살펴보면 다음과 같다.
제3도는 라인/스페이스 패턴에 대해 i-line , NA=0.5인 경우, 상기의 식 14-16을 사용하여 원 편광에서 얻은 값을 이용하여 실선으로 도시하고 선형편광을 사용한 경우에는 점선으로 도시하여 보면, 작은 패턴 크기에서부터 각각 위상반전 마스크를 사용한 경우와 사입사노광한 경우 및 일반 노광의 경우에 대하여 원 편광조명을 사용하였을때 선형편광의 편광각이 ψ=90°일때에 비해 콘트라스트는 저하되지만 콘트라스트 갭이 없어짐을 확인할 수 있다.
제4도는 상기의 식들을 이용하여 라인/스페이스 패턴에 대해 i-line, NA=0.5, σ=0.5인 경우, 타원 편광 조명을 사용했을 때 편광각이 ψ=90°(타원편광의 주축이 마스크패턴과 수직인 경우)에 대해 각각 타원율을 χ=100%, 75%, 50%, 25%, 0%로 변화시켰을 때 콘트라스트와 콘트라스트 갭의 특성을 조사한 결과로서, χ가 커질수록 즉 원에 가까위 질수록 콘트라스트 갭은 감소됨을 알수 있다.
제5도는 타원 편광 조명법으로 위상반전 마스크를 같이 사용한 경우의 특성으로서, 제4도에 도시되어 있는 일반적인 노광마스크를 사용하는 경우에 비해 패턴 크기가 감소됨을 알 수 있다.
제6도는 타원 편광 조명법과 사입사조명(σout=0.5, σin=0.3)을 사용한 경우의 특성으로서, 패턴 크기가 제4도의 경우 보다는 작으나, 제5도의 경우 보다는 증가됨을 알 수 있다.
따라서 타원 편광의 편광각을 조절하여 콘트라스트를 결정할 수 있으며, 타원율을 조절하여 콘트라스트 갭을 결정할 수 있으므로, 공정과정에서 허용되는 콘트라스트와, 콘트라스트 갭이 결정되면 상기 식들을 이용하여 가장 적절한 편광각과 타원율을 선택하여 높은 콘트라스트를 유지하면서도 콘트라스트 갭을 최소화시킬 수 있어, 기존의 i-line 편광 조명 스테퍼의 구조를 크게 바꾸지 않고서도 1G DRAM 등과 같은 고집적 소자의 제작에 필수적인 0.18㎛급 미세 패턴 상을 웨이퍼에 구현할 때 이용될 수 있다.
특히 마스크의 패턴이 대부분 한가지 방향으로 이루어져 있고 나머지 부분이 여러 방향으로 구성되어 있는 경우 편광각을 주된 패턴 방향에 일치시키고, 허용되는 콘트라스트 갭의 최대값에 타원율을 조절하면 미세 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
또한 상기와 같은 타원 편광의 편광각 및 타원율는 원하는 데로 제작된 편광판을 사용하면 임의의 값들을 얻을 수 있으므로, 종래의 스태퍼에서 광원과 애퍼처의 사이에 편광판을 설치하는 것만으로 본 발명의 효과를 실현할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 , 본 발명에 따른 반도체소자 제조를 위한 노광방법 및 그를 이용하는 노광장치는 종래의 선형 편광에서 발생하는 콘트라스트 갭 즉 패턴의 길이 방향과 편광 방향의 불일치에 대한 콘트라스트 차이를 방지하기 위하여 벡터 이미지 이론을 이용하여 유추된 식들을 이용하여 편광 분포 함수를 구하여, 노광마스크에 입사하는 x,y 성분을 갖는 편광을 자오 평면과 수직인 성분 S-편광 성분 (Scom)과 평행한 성분 P-편광 성분(Pcom)을 구하여 적정한 콘트라스트 갭과 콘트라스트를 갖는 타원 편광 정도를 결정할 수 있어 적절한 타원 편광을 사용하여 콘트라스트 갭을 감소시키고, 콘트라스트를 향상 시켰으므로, 미세 패턴 형성이 용이하여 소자의 고집적화에 유리하고, 공정여유도가 증가되어 공정수율 및 소자 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (2)

  1. 편광된 광을 광원으로 사용하여 노광마스크를 통하여 웨이퍼에 상을 조사하여 패턴을 형성하는 노광방법에 있어서, 타원 편광된 광을 광원으로 사용하되, 타원율과 편광각을 하기의 식들을 이용하여 계산하여 공정여유도가 허가하는 범위내의 콘트라스트 갭을 갖도록 하고 콘트라스트를 선형 편광에 비해 증가시킨 반도체소자 제조를 위한 노광방법.
    마스크에 입사되는 빛의 편광 분포 함수의 x,y,z 방향 성분
    이고, f와 g는 공간주파수 성분, 자오 평면과 수직인 성분 Scom과 평행한 성분 Pcom에서
    여기서 Eox, Eoy와 Sx, Sy는 x, y방향의 크기와 위상.
  2. 광원에서 조사되는 광을 애퍼처와 집광랜즈계와 노광마스크 및 투사랜즈계를 통하여 웨이퍼에 조사시켜 상을 형성하는 노광장치에 있어서, 상기 광원과 애퍼처의 사이에 설치되어 광을 일정한 타원율과 편광각을 갖는 타원으로 편광시키는 편광판을 구비하되, 상기 타원 편광 정도를 편광 분포 함수 식
    이고, f와 g는 공간주파수 성분, 자오 평면과 수직인 성분 Scom과 평행한 성분 Pcom에서
    여기서 Eox, Eoy와 Sx, Sy는 x, y 방향의 크기와 위상이며, 상기식을 사용하여 구한 편광각 및 타원율 만큼 편광하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조용 노광장치.
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