KR100197663B1 - Method for forming a fine pattern using non-linear exposure process - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비선형 노광공정을 통한 반도체 소자의 미세패턴 형성방법에 관한 것으로, 특히 마스크상의 패턴을 에이퍼상의 감광제에 전사시키는 고광공정에 있어서 기판의 반사율이 웨이퍼내에서 변화되어 요구되는 최적 노광 에너지가 달라지는 경우에 있어서, 웨이퍼 상부면에 정의된 노광필드의 각 영역을 좌표화 시키고, 좌표화된 노광영역의 각 위치에 따라 노광 에너지가 비선형적으로 작용되도록 하는 노광 에너지 산출식을 정의한 다음, 상기 산출식에 따라 노광필드의 각 위치에서 얻어진 각기 다른 노광 에너지로 상기 각 위치에 노광을 실시함으로써 마스크 패턴의 허용오차 이내의 미세패턴을 형성하여 반도체 소자의 제조수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a method for forming a fine pattern of a semiconductor device through a non-linear exposure process, and particularly, in a high light process for transferring a pattern on a mask onto a photosensitizer on an aperture, the reflectance of the substrate is changed in the wafer, An exposure energy calculating expression for defining each area of the exposure field defined on the upper surface of the wafer to be coordinate and causing the exposure energy to act nonlinearly according to each position of the coordinateized exposure area is defined, It is possible to form a fine pattern within the tolerance of the mask pattern by performing exposure to the respective positions at different exposure energies obtained at respective positions of the exposure field according to the formula, thereby improving the production yield and reliability of the semiconductor device.
Description
제1도는 웨이퍼 상부면의 노광필드를 도시한 도면.Figure 1 shows the exposure field of the wafer top surface.
제2a도와 제2b도는 웨이퍼상의 분포 위치에 대한 웨이퍼상에 증착되는 막의 두께 변화를 도시한 분포도.Figs. 2a and 2b are distributions of the thickness of the film deposited on the wafer relative to the distribution location on the wafer. Fig.
제3a도와 제3b도는 감광제 하부막의 두께변화에 기인한 반사율의 변화를 도시한 그래프.Figs. 3 (a) and 3 (b) are graphs showing changes in reflectance due to a change in thickness of the photosensitive film lower layer. Fig.
제4a도와 제4b도는 상기 제3a도와 제3b도의 반사율 변화에 따라 형성되는 감광제 패턴의 임계크기 변화량을 도시한 그래프.FIGS. 4A and 4B are graphs showing a critical magnitude variation of the photosensitizer pattern formed according to the change in the reflectance of FIGS. 3A and 3B; FIGS.
제5도는 상기 제1도에 도시된 웨이퍼 상부면의 노광필드를 좌표화한 노광필드맵(Map).FIG. 5 is an exposure field map in which the exposure field of the upper surface of the wafer shown in FIG. 1 is coordinated.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS
11 : 웨이퍼 13 : 노광필드11: wafer 13: exposure field
15, 17 : 웨이퍼상에 증착되는 막의 두께변화 분포선15, 17: thickness variation distribution line of the film deposited on the wafer
19, 21 : 증착막의 두께 변화에 기인하는 노광빛의 반사율 변화 분포선19, 21: Reflectance change distribution line of exposure light due to thickness variation of evaporation film
23, 25 : 노광빛의 반사율 변화에 따라 형성되는 감광제 패턴의 임계크기 변화 분포선23, 25: Change in the critical dimension of the photosensitizer pattern formed according to the change of the reflectance of exposure light
본 발명은 비선형 노광공정을 통한 반도체 소자의 미세패턴 형성방법에 관한 것으로, 특히 감광제 하부에 형성되는 막의 두께변화를 고려하여 웨이퍼의 위치별로 노광 에너지를 변화시켜 노광함으로써 마스크 패턴의 임꼐크기 허용오차 이내의 미세패턴을 형성할 수 있게 하는 반도체 소자의 미세패턴 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a fine pattern of a semiconductor device through a non-linear exposure process, and more particularly, to a method of forming a fine pattern of a semiconductor device through a non-linear exposure process, And a method of forming a fine pattern of a semiconductor device.
일반적으로 웨이퍼상에 산화막 또는 질화막 등의 절연막이나 다결성 실리콘 또는 알루미늄 등의 도전층이 증착되어 있는 경우, 일반적으로 두께 변화는 제2a도와 제2b도와 같이 된다.In general, when an insulating film such as an oxide film or a nitride film, or a conductive layer such as a composite silicon or aluminum is deposited on a wafer, the thickness variation generally becomes as shown in Figs. 2a and 2b.
즉, 제1도에 도시된 웨이퍼(11)상의 노광필드(13) 분포에 따라 웨이퍼(11)의 수평축(x-x`)과 수직축(y-y`)에 따라 증착되는 두께변화의 분포는 각각 분포선(15), (17)과 같이 된다.That is, the distribution of the thickness variations deposited along the horizontal axis (xx ') and the vertical axis (yy`) of the wafer 11 according to the distribution of the exposure field 13 on the wafer 11 shown in FIG. 15) and (17).
즉, 웨이퍼(11)의 중심부에서 증착되는 두께는 웨이퍼(11) 가장자리부에서보다 그 두께가 더 얇아져 있는 형태로 되고, 또한 웨이퍼의 플랫존(14)이 위치한 수직축(y-y`)방향으로는 증착두께의 중심부에서 얇아지는 형태로 되나, 좌우측 방향의 분포가 비대칭적으로 형성됨을 할 수가 있다.In other words, the thickness of the wafer 11 deposited at the central portion is thinner than that at the edge portion of the wafer 11, and in the direction of the vertical axis (yy ') where the flat zone 14 of the wafer is located, It becomes thinner at the center of the thickness, but the distribution in the left and right directions can be formed asymmetrically.
제3a도와 제3b도는 웨이퍼 상에 증착된 막에 노광빛이 주사될 경우 막의 두께변화에 따른 반사율의 변화를 도시한 그래프이다.FIGS. 3A and 3B are graphs showing changes in reflectance according to film thickness variation when exposure light is scanned on a film deposited on a wafer. FIG.
상기 반사율은 하부막의 종류 및 조성에 의존되나 개략적으로 상기 도면에 도시된 바와 같다.The reflectance depends on the type and composition of the lower film but is schematically as shown in the figure.
상기와 같은 조건의 웨이퍼에 감광제를 도포하고 스테퍼(Stepper)나 스캐너(Scanner)와 같은 노광장비로 노광하는 경우, 기판의 반사율의 차이에 기인되어 제4a도 및 제4b도와 같은 마스크 패턴의 임계 크기가 주어져 정밀한 임계크기 조절이 목표인 노광공정이 거의 불가능할 정도에 이르고 있다.When a photoresist is applied to a wafer under the above conditions and exposure is performed using an exposure apparatus such as a stepper or a scanner, a critical dimension of the mask pattern as shown in FIGS. 4a and 4b due to the difference in reflectivity of the substrate, So that an exposure process in which a precise critical size adjustment is aimed is almost impossible.
상기와 같은 반사율의 효과는 노광광원의 파장이 짧아질수록, 마스크 패턴이 미세할수록 심화되는데, 참고로 256MD이상의 고집적 디바이스에서는 이같은 현상 때문에 하부막을 제거하고 다시 균일하게 재증착하는 것이 일반화되고 있다.As described above, in a highly integrated device having a thickness of 256MD or more, it is generalized to remove the underlying film and re-uniformly re-deposit the same because of such a phenomenon, as the wavelength of the exposure light source becomes shorter and the mask pattern becomes finer.
그러나 증착공정이 갖는 한계 때문에 웨이퍼의 중심과 주변과의 두께 차이가 보통 100A 정도가 되는데, 이는 임계 크기를 마스크 패턴의 10%오차 이내로 조절하기 위한 증착두께 변화량이 248nm의 노광광원의 경우 약 20A 정도인 것을 고려해 볼 때 증착공정을 통해서는 패턴의 크기를 마스크 패턴의 허용오차 이내로 하기에는 여전히 어려움이 따른다.However, due to the limitations of the deposition process, the thickness difference between the center and the periphery of the wafer is usually about 100 A, which means that the deposition thickness variation to control the critical dimension to within 10% of the mask pattern is about 20 A It is still difficult to make the pattern size within the tolerance of the mask pattern through the deposition process.
한편 제 4a도와 제4b도에 도시된 바와같은 임계크기 변화는 감광제 하부막의 반사율 차이에 의해 최적 노광에너지가 변화되기 때문이다. 그런데 기존의 노광장비는 통상의 노광공정시 웨이퍼상의 전 노광필드(All exposure field)를 일정한 노광에너지로 밖에 노광할 수 없다. 이는 종래에서와 같이 365mm의 노광정원을 이용하는 경우 반사율/임계크기 의존성이 크지 않았기 때문에 각 노광필드를 서로 다른 에너지로 노강할 필요성이 없었기 때문이다.On the other hand, the change of the critical size as shown in FIGS. 4A and 4B is because the optimum exposure energy is changed by the reflectance difference of the photosensitive film lower film. However, the conventional exposure apparatus can not expose the entire exposure field on the wafer to only a predetermined exposure energy in a normal exposure process. This is because there is no need to excite each exposure field with different energy because the reflectance / critical dimension dependency is not large when using a 365 mm exposure gauge as in the prior art.
앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 증착공정은 웨이퍼 주변부(Edge)쪽이 중심부(Center)보다 두껍게 증착되며, 플랫영역이 있는 수직축을 따라서는 중심축에 대해 비대칭적인 두께변화를 나타낸다. 결국 이와같은 감광제 하부층에서 두께변화로 인해 노광빛의 반사율이 위치에 따라 다르게 나타나게 되어 미세패턴의 형성이 어려워지게 되는 문제점이 있다.As described above, generally, in the deposition process, the edge of the wafer is deposited thicker than the center, and a thickness variation asymmetric with respect to the central axis along the vertical axis with the flat region is exhibited. As a result, the reflectance of the exposure light differs depending on the position due to the thickness variation in the lower layer of the photoresist, which makes it difficult to form a fine pattern.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 웨이퍼의 위치별로 노광에너지를 변화시켜 노광함으로써 하부층의 증착조건에서 형성하고자 하는 패턴의 임계크기를 정확히 조절할 수 있도록 하는 반도체 소자의 미세패턴 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems and provides a method of forming a fine pattern of a semiconductor device capable of precisely controlling a critical dimension of a pattern to be formed under the deposition conditions of a lower layer by exposing the wafer by changing exposure energy for each position of the wafer It has its purpose.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미세패턴 형성방법에 의하면, 노광 에너지를 웨이퍼상의 감광제에 전사시켜 노광 마스크 상의 패턴을 웨이퍼상에 성형하는 반도체 소자의 패턴형성방법에 있어서, 웨이퍼 상부면에 정의된 노광필드의 각 영역을 좌표화하는 단계와, 상기 좌표화된 노광필드에 따라 노광 에너지가 비선형적으로 작용되도록 하는 노광 에너지 산출식을 정의하는 단계와, 상기 산출식에 따라 노광필드의 각 위치에서 얻어진 각기 다른 노광 에너지로 상기 각 위치에 노광을 실시하는 단계로 구섬됨을 특징으로 한다.According to the method for forming a fine pattern of the present invention for achieving the above object, there is provided a method of forming a pattern of a semiconductor element for transferring exposure energy onto a photosensitive agent on a wafer to form a pattern on the exposure mask on the wafer, The method comprising the steps of: coordinate each area of an exposure field; defining an exposure energy calculation expression that causes the exposure energy to act nonlinearly according to the coordinated exposure field; And performing exposure to each of the above-mentioned positions with different exposure energy obtained.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 상세한 설명을 하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제5도는 상기 제1도에 도시된 웨이퍼 상부면의 노광필드를 좌표화한 노광필드 맵(Map)이다.FIG. 5 is an exposure field map in which the exposure field of the upper surface of the wafer shown in FIG. 1 is coordinateized.
상기 도시된 노광필드 맵에서 감광제 하부막의 두께가 노광필드에 따라 변화되어 반사율차이가 유발되는 경우, 일정한 노광에너지로 노광하면 상기 제4a도와 같은 임계크기로 밖에 노광공정이 수행될 수 밖에 없음은 이미 설명하였다.When the thickness of the lower photoresist film is changed in accordance with the exposure field in the above-described exposure field map to cause a difference in reflectance, if the exposure is performed with a constant exposure energy, the exposure process can only be performed with a critical dimension similar to the above- .
만약 노광필드별로 각각 다른 에너지로 노광한다면 매우 균일한 임계크기분포로 노광공정을 수행할 수 있음은 명백하다.It is clear that if exposure is performed with different energy for each exposure field, the exposure process can be performed with a very uniform critical size distribution.
따라서 본 발명에서는 노광을 하고자 할 경우, 노광에너지를 아래 (1)식과 같은 에너지로 노광하여 노광필드별로 각각 다른 에너지로 노광을 한다.Therefore, in the present invention, when exposure is to be performed, exposure energy is exposed with energy equal to Equation (1) below and exposure is performed with different energy for each exposure field.
상기 식(1)에서 x, y는 노광필드의 x, y축으로의 좌표계를 나타내고 α는 x축으로의 가중치, β는 y축으로의 가중치이다.In the above equation (1), x and y represent coordinate systems in the x and y axes of the exposure field, a is a weight in the x axis, and is a weight in the y axis.
|x|, |y|는 노광필드의 좌표의 절대값이다.| x |, | y | is the absolute value of the coordinates of the exposure field.
만약 제5도에서 x-x`, y-y`와 같은 증착조건을 갖는 기판위에 노광공정을 하려는 경우, 웨이퍼의 중심에서 노광필드가 멀어질수록 요구되는 최적에너지가 (Reguired Optimum Exposure Energy) 커지므로 α 그리고 β는 (+)양 (positive guantity)이 된다. 그래서 종래의 노광에서는 웨이퍼의 중심에 있는 노광필드를 노광할때나 웨이퍼의 외곽(즉, ⓛ, ②, ⓝ 등등)을 노광할때에 전부 같은 에너지인 Eo로 노광하는 것이지만 본 발명에서와 같이 식(1)과 같은 비선형 노광을 하게되면, 웨이퍼의 중심에 있는 노광필드는 Eo로, 외곽(즉, 위치ⓝ)에 있는 노광 필드는 Eo + α`Eo +β`Eo라는 에너지로 노광하게 된다.If the exposure process is performed on a substrate having the same deposition conditions as in FIG. 5, the required optimum energy (regulated optimum exposure energy) becomes larger as the exposure field moves away from the center of the wafer, Is a positive (positive) guantity. Thus, in the conventional exposure, when the exposure field at the center of the wafer is exposed, or when the wafer is exposed to the outside (i.e., ⓛ, ②, ⓝ, etc.), the exposure is performed with Eo which is the same energy as in the present invention. (1), the exposure field at the center of the wafer is exposed at Eo, and the exposure field at the outskirts (i.e., position A) is exposed with the energy Eo + α`Eo + β`Eo.
여기서 α`, β`은 α|x|, β|y|이다.Where α 'and β' are α | x | and β | y |.
또한 상기 노광을 위한 광원의 파장 범위는 10nm~1000nm이고, 노광을 위한 감광제의 광 반응영역은 10nm~1000nm이다.Further, the wavelength range of the light source for the exposure is 10 nm to 1000 nm, and the photoreactive region of the photosensitizer for exposure is 10 nm to 1000 nm.
만약 감광제 하부막의 증착두께가 균일하여 웨이퍼의 위치에 따른 반사율 차이가 없다면 상기 수학식1에 α, β값에 0을 대입하여 얻어지는 노광 에너지로 노광하면 된다.If the deposition thickness of the lower layer of the photoresist is uniform and there is no difference in reflectance depending on the position of the wafer, exposure may be performed with exposure energy obtained by substituting 0 for? And?
상기 식에서 α, β의 값을 정확히 구할수록 본 발명의 효과는 증대되는데, α값을 정의하는 식의 일예로서 다음의 식(2)와 같이 하여 얻을 수도 있다.The more accurate the values of? And? In the above equation are, the more the effect of the present invention is increased. An example of an expression for defining? Value can be obtained by the following equation (2).
상기 식(2)에서 Rmax는 반사율 최대, Rmin은 반사율 최소를 나타낸다.In the formula (2), Rmax represents the maximum reflectance and Rmin represents the minimum reflectance.
상기 제3a도에 도시된 반사율의 변화와 같은 경우라면 α = (Rc - Rn)/Rc이 된다.In the case of the change of the reflectance shown in FIG. 3a,? = (Rc - Rn) / Rc.
따라서 증착두께 등이 변화되며 기판의 반사율이 변화되고, 이에 기인되어 요구되는 최적 노광 에너지가 웨이퍼 좌표계를 따라 변화되는 경우, 상기 본 발명에서와 같은 비선형 노광공정을 이용하여 매우 균일한 임계크기를 갖는 패턴을 형성할 수 있다.Therefore, when the deposition thickness or the like is changed and the reflectance of the substrate is changed, and thus the required optimum exposure energy is changed along the wafer coordinate system, a non-linear exposure process as in the present invention can be used to obtain a uniformly- A pattern can be formed.
한편, 상기 최적 노광에너지의 식(1)이 E-E0(1 + α|x| + β|y|)을 따르지 않더라도, 노광필드가 웨이퍼 좌표계에 위치하는 유사한 식에 의해 비선형적인 노광에너지로 노광할 수도 있음은 물론이다.On the other hand, even if the formula (1) of the optimum exposure energy does not conform to EE 0 (1 + α | x | + β | y |), the exposure field is exposed to non-linear exposure energy by a similar equation Of course it is possible.
이상 상기에서 살펴본 바와같이 본 발명의 기술을 적용하여 노판공정을 수행할 경우, 증착공정의 오차에 기인되어 기판의 반사율이 달라지는 종래의 경우에 있어서 증착된 층을 모두 제거하고 다시 재증착한 후 노광공정을 해야만 하는 불필요한 작업공정을 없앨 수 있을 뿐만 아니라, 반도체 소자제조의 수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.As described above, in the conventional case where the reflectance of the substrate is changed due to the error of the deposition process when the lathing process is performed by applying the technique of the present invention, all of the deposited layers are removed, It is possible to eliminate an unnecessary work process requiring a process, and to improve the yield and reliability of semiconductor device manufacturing.
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