KR100298190B1

KR100298190B1 - 리소그라피 공정에서의 최적 초점 측정을 위한 방법

Info

Publication number: KR100298190B1
Application number: KR1019970075050A
Authority: KR
Inventors: 김형수
Original assignee: 박종섭; 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 1997-12-27
Filing date: 1997-12-27
Publication date: 2002-01-15
Also published as: KR19990055138A

Abstract

본 발명은 반도체 리소그라피 공정시 마스크 상의 패턴 모양에 따라 달라지는 최적 노광 초점을 통상의 정렬도 측정 장비로서 빠른 속도로 측정하기 위한 방법을 제공하데 그 목적이 있는 것으로, 이를 위해 본 발명은 소정 값 만큼 이격되어 있고, 각각 라인과 스페이스가 밀집하여 반복된 제1패턴과 제2패턴, 및 상기 제2패턴과 상기 소정값과 동일한 값만큼 이격되어 있고, 주변으로부터 고립된 제3패턴을 구비하는 측정마크를 갖는 마스크를 제조하는 제1단계; 상기 마스크를 사용하여 초점을 달리해가면서 각각 다른 웨이퍼의 영역에 노광을 실시하여, 웨이퍼 상에 제1, 제2, 및 제3패턴의 이미지에 상응하는 제1, 제2, 및 제3 포토레지스트 패턴을 형성하는 제2단계; 각 초점에 상응하는 노광 지역의 웨이퍼에서, 상기 제1포토레지스트 패턴과 상기 제2포토레지스트 패턴간의 간격 값인 제1값 및 제2포토레지스트 패턴과 제3포토레지스트 패턴 간의 간격 값인 제2값을 구하는 제3단계; 상기 제1값과 제2값을 이용하여 (제1값-제2값) / 2의 식에 의해 정렬정밀도 값을 각각 구하는 제4단계; 및 상기 정렬정밀도 값이 가장큰 값에 상응하는 초점을 최적초점으로 결정하는 제5단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

리소그라피 공정에서의 최적 초점 측정을 위한 방법{Method for measuring DOF in Lithography process}

본 발명은 반도체 장치를 제조하는 공정중, 리소그라피 공정 상에서 마스크 상의 패턴을 웨이퍼 상의 포토레지스트에 정확히 전사시키기 위하여, 최적 초점을 측정하는 방법에 관한 것이다.

리소그라피 공정에 있어서 노광 초점은 가장 중요한 공정 변수중의 하나이다. 따라서, 최적 노광 초점을 알아내어 그 값으로 초점을 맞춘 다음 노광을 실시하여야 한다. 최적 노광 초점(optimum best focus)은 마스크상의 패턴 모양에 따라 달라지며, 아울러 노광장비의 상태 및 렌즈의 수차에 따라 달라지므로, 노광 공정전에 신속하고 정밀한 측정이 요구되어 진다.

노광공정을 행하는 공정 엔지니어는 노광 공정전 최적 초점(best focus)을 확인하고 표본노광(sample exposure)을 1~2장 실시하여 노광 초점이 정확한지, 패턴크기는 정확한지, 정렬정밀도는 정확한지를 확인한 후 메인 노광(main exposure)의 실시여부를 판단한다. 그런데 노광장비의 초점은 장비의 상태에 따라 매일매일 달라지고 마스크 상의 패턴 모양에 따라 달라지게 된다.

한편, 최적 노광 초점을 측정하기 위한 종래의 방법은, 노광 초점을 노광할 다이(die)별로 다르게 노광한 후 전자현미경을 이용하여 패턴크기를 측정하여, 도 1과 같이, 패턴크기(CD: critical dimension)와 초점(defocus)과의 상관 도표로 만든 다음, 노광 초점을 결정한다. 도 1에서 최적 노광 초점은 초점 변화에 따른 패턴크기가 가장 큰 값을 나타내는 초점값 즉, 0um이다. 도 1은 렌즈의 수차가 없어서 라인/스페이스(line/space, 11), 고립된 라인(isolated line, 12), 고립된 스페이스(isolated space, 13)가 모두 같은 최적 노광 초점을 나타낸 경우의 도표이다.

이와 같이, 종래의 방법은 서로다른 초점으로 샘플 웨이퍼에 각각 노광을 실시한 다음, 웨이퍼 상의 레지스트 패턴을 직접 전자현미경을 사용하여 패턴 크기를 측정하는 방법을 사용하기 때문에, 초점 측정 시간이 길어 최적 노광 초점 결정에많은 시간이 소요되고, 전자현미경을 이용한 패턴크기 측정의 오차가 무시하지 못할 정도로 커서, 최적 노광 초점 설정이 잘못될 경우가 많으며, 잘못 설정된 초점(defocus)에 의해 패턴크기가 의도한 대로 되지 않아 마스크 재 작업이 필연적이다.

본 발명의 목적은 반도체 리소그라피 공정시 신속하고 정확하게 최적 초점을 측정할 수 있도록하기 위한 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 노광 장비의 프린트 바이어스(print bias) 값과 렌즈 수차를 정량화할 수 있도록 하기 위한 최적 초점 측정 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 마스크 패턴의 노광 초점에 따른 패턴 크기 변화를 나타내는 그래프.

도 2는 정렬 정밀도 측정 방법을 설명하기 위한 웨이퍼 단면도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 측정마크를 나타내는 마스크 평면도.

도 4는 도 3을 사용한 노광에 의해 웨이퍼 상에 형성된 포토레지스트 패턴을 나타내는 웨이퍼 단면도.

도 5는 본 발명에 따라 측정된 각 오차에서의 정렬정밀도 값을 나타내는 그래프.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 최적 초점 측정 방법은, 소정 값 만큼 이격되어 있고, 각각 라인과 스페이스가 밀집하여 반복된 제1패턴과 제2패턴, 및 상기 제2패턴과 상기 소정값과 동일한 값만큼 이격되어 있고, 주변으로부터 고립된 제3패턴을 구비하는 측정마크를 갖는 마스크를 사용하여, 노광에서의 최적 초점을 측정하기 위한 방법에 있어서, 상기 마스크를 사용하여 초점을 달리해가면서 각각 노광을 실시하여, 웨이퍼 상에 제1, 제2, 및 제3패턴의 미미지에 상응하는 제1, 제2, 및 제3 포토레지스트 패턴을 형성하는 제1단계; 각 초점에 상응하는 노광 지역의 웨이퍼에서, 상기 제1포토레지스트 패턴과 상기 제2포토레지스트 패턴간의 간격 값인 제1값 및 제2포토레지스트 패턴과 제3포토레지스트 패턴 간의 간격 값인 제2값을 이용하여, (제1값-제2값) / 2의 식에 의한 값을 각각 구하는 제2단계; 상기 정렬정밀도 값이 가장큰 값에 상응하는 초점을 최적초점으로 구하는 제3단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 기존의 정렬 정밀도 측정 방법을 이용하여 최적 초점을 알아내는 방법으로서, 도 1을 참조하면, 마스크 상의 패턴이 밀집된 라인/스페이스(11) 형태의 패턴 경우 노광 초점의 변화에 따라 패턴크기가 거의 변화되지 않음을 볼 수 있다. 이는 밀집된 패턴의 노광공정에서 매우 일반적인 현상으로 전문용어로는 "isofocal" 하다고 말한다. 그러나 고립된 라인(12) 또는 고립된 스페이스(13)와 같이 고립된 패턴의 경우에는 "isofocal" 특성이 나타나기 어려워서 최적 노광 초점에서 패턴크기가 가장 큰 값을 나타나게 된다. 이와 같이, 초점변화에 따라서 밀집된 패턴에서는 패턴크기가 거의 변화되지 않고 고립된 패턴에서는 패턴크기 최대값(또는 최소값)을 나타낸다는 물리적인 사실로부터 최적 노광 초점을 통상의 정렬정밀도 측정 장비로 측정할 수 있는 방법을 생각해 낼 수 있다.

본 발명을 설명하기 전에 통상적인 노광공정에서 사용되는 정렬정밀도 측정장비의 정렬정밀도 측정원리를 도 2를 참조하여 간단히 설명한다.

도 2를 참조하면, 1차 노광/식각에 의해 기판(21)에 외부마크(식각된 홈)가 형성되어 있고, 2차 노광공정에 의해 포토레지스트 패턴(22)으로 내부마크가 형성되어 있을 경우, 1차 노광공정과 2차 노광공정과의 정렬정밀도는 외부마크와 내부마크의 거리인 x1, x2에 의한 수식 (x1-x2)/2로 나타내어진다. 이때, 정렬정밀도 측정 장비는 거리 x1, x2를 광학적인 방법으로 측정하여 자동적으로 계산된 정렬정밀도 값을 그래프 또는 모니터 상에 나타내어 준다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라, 최적 초점 측정을 위한 마크가 그려진 상태의 마스크(레티클) 평면도이고, 도 4는 도3의 마스크 패턴이 노광에 의해 웨이퍼 상에서 포토레지스트 패턴으로 나타난 상태를 나타내는 것으로, 도 3에서 도면부호 "31"은 제1 라인/스페이스 패턴, "32"는 제2 라인/스페이스 패턴, "33"은 고립된 라인 패턴을 각각 나타내며, "x1"은 제1 라인/스페이스 패턴과 제2 라인/스페이스 패턴 간의 거리를, "x2"는 제2 라인/스페이스 패턴과 고립된 라인 패턴간의 거리를 각각 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 최적 노광 초점 측정 마크는 마스크(300) 상에 라인과 스페이스가 밀집하여 반복된 제1라인/스페이스 패턴(31)과 제2 라인/스페이스 패턴(32)이 일정거리 "x1" 만큼 떨어져 있고, 제2라인/스페이스 패턴(32)과 고립된 라인 패턴(33)은 "x1"과 동일한 크기의 "x2" 만큼 거리를 두고 형성되어 있다. 여기서 마스크 상의 라인 또는 스페이스 패턴이라 함은 각각 광차단 영역인 크롬 패턴 또는 광투과 영역인 비크롬 패턴을 일컫는다.

이와 같은 도3의 마스크를 사용하여, 노광을 실시하여 웨이퍼 상에 마스크 상의 패턴 이미지를 전달하면, 도 4와 같이 웨이퍼 상에는 포토레지스트 패턴(31', 32', 33')이 형성되게 되는데, 마스크 상에서 동일했던 x1과 x2는 웨이퍼 상에서는동일한 크기를 갖지 않는다. 즉 도4의 웨이퍼에서 x1과 x2와 각각 대응되는 에서 x1'와 x2'는 같지 않게된다. 그 이유는 밀집한 패턴 지역과 밀집하지 않은(고립된) 지역간에서 서로 다르게 나타나는 프린트 바이어스(print bias) 때문에, 마스크 상에서 동일했던 x1과 x2의 크기는 웨이퍼 상에서는 동일하지 않게된다. 이렇게 웨이퍼 상에서 x1'과 x2'의 차이가 나는 정도는 초점을 다르게 가져가면서 노광할때마다, 앞의 도 1에서 설명한 바와 같이, 서로 다른 값이 나타날 것이다.

부연하면, 초점을 변화시켜가며 도 3과 같은 마스크를 사용하여, 노광을 실시하면, 밀집된 라인/스페이스 패턴은 초점변화에 따라 패턴크기가 거의 변화되지 않으므로 웨이퍼 상에서의 제1라인/스페이스 패턴(31')과 제2 라인/스페이스 패턴(32')간의 거리 x1' 값은 초점변화에 거의 무관한 값을 나타낸다. 그러나 고립된 패턴은 초점변화에 따라 민감하게 패턴 크기가 변화되므로 최적 노광촛점에서 가장 큰 패턴 크기를 나타낸다. 즉, 웨이퍼 상에서 제2 라인/스페이스 패턴(32')과 고립된 라인 패턴(33')간의 거리가 가장 작은 x2' 값을 나타내게 된다.

따라서, 도 3과 같은 측정 마크가 패턴이 그려진 마스크를 사용하여, 초점을 노광 다이(die)별로 변화시켜 노광공정을 행한후, 각 노광 초점에 해당하는 다이별로 (x1' - x2') / 2를 정렬정밀도 측정장치로 측정하면 최적 노광 초점에서 가장 큰 값의 (x1' - x2' ) / 2를 얻을 수 있는 것이다. 다시 말하면 상기 방법으로 노광한 후 정렬정밀도를 측정하여 가장 큰 미스얼라인 값을 나타내는 초점값이 바로 최적 노광 초점이 되는 것이다.

한편, 도 4에서 x1'은 라인/스페이스 패턴 간의 거리가 아니라, 하나의 큰고립된 스페이스(isolated space) 패턴이라고 볼 수 있으나, x1'을 큰 사이즈(size)의 고립된 스페이스라고 본다고 해도 본 발명에 위배되지 않는다. 왜냐하면 패턴크기가 큰 경우 초점여유도가 매우 커서 초점변화에 따라 패턴크기가 거의 달라지지 않는, 즉, "isofocal" 특성을 나타내게 되기 때문이다.

도 3의 마스크상에서 x1과 x2 값이 각각 5um, 모든 패턴의 크기가 W로 설계되었다면, 측정장비에서 읽을 웨이퍼 상의 패턴간격 x1' , x2' 값은 다음 수학식 1 및 수학식 2로 표현된다.

x1' = ( x1 + W/2 + W/2 ) - ( W/2 + W/2 ) = x1

x2' = ( x2 + W/2 + W/2 ) - ( W/2 + W/2 ) = x2

그러나 초점에 따라 패턴크기가 달라져서 라인/스페이스 패턴(31', 32')의 크기는 Wd, 고립된 라인 패턴(33')의 크기는 Wi가 되므로, 이 경우 정렬정밀도 측정장비가 읽는 패턴간격 x1' , x2'은 다음 식으로 주어진다.

x1' = (x1 + W/2 + W/2 ) - ( Wd/2 + Wd/2 )

x2' = ( x2 + W/2 + W/2 ) - ( Wd/2 + Wi/2 )

상기 수학식 3 및 4를 이용하여 도 1의 데이터에서 x1' , x2' , (x1'-x2')/2를 구하면 도 5와 같은 결과를 얻을 수 있다. 도 5는 정렬정밀도(x1' - x2')/2를 나타내었는데 최적 노광 초점에서 최대값을 나타냄을 잘 알 수 있다.

한편, 정렬정밀도 측정장비를 사용하여 얻어진 (x1'-x2')/2 값은 최적 노광촛점에서도 영(zero)이 아니다. 그것은 도 1에서 볼 수 있듯이 노광장비, 패턴의 밀집도 및 형태에 따라 노광공정후 얻어지는 패턴크기가 약간씩 달라지기 때문이다. 이를 프린트 바이어스(print bias)라고 한다. 노광장비가 고정된 경우 패턴의 밀집도에 따라 프린트 바이어스가 달라지기 때문에 노광 초점에서 얻어진 (x1'-x2')/2 값은 노광장비가 갖고 있는 프린트 바이어스를 정량화하는 지표가 된다. 결국, 본 발명에 의해 프린트 바이어스 값을 정량화 할 수 있다. 아울러 노광장비의 렌즈가 수차가 큰 경우 프린트 바이어스 특성이 노광 최적 초점을 기준으로 비대칭성을 나타내게 되므로 정렬정밀도 특성곡선도 비대칭성을 보이게 된다. 따라서 도 5에서 얻은 정렬정밀도 특성 곡선은 렌즈의 수차를 직접적으로 나타내는 지수가 되게 된다. 결국, 본 발명으로 최적초점을 측정할 경우 렌즈의 수차 역시 정량화 할 수 있다.

종래의 전자현미경을 이용한 최적 노광촛점 결정은 전자현미경으로 패턴의 크기를 정확히 측정하는데 많은 시간이 필요되고 또 측정된 패턴크기가 작업자에 따라 달라지는 단점이 있었지만, 본 발명을 사용하면 측정이 4배 이상 빠를 뿐만 아니라 측정이 자동화되어 있으므로 측정값의 신뢰도를 높일 수 있다.

아울러 전자현미경을 사용하는 종래에는 최적 노광 초점을 찾기 위해 반드시 초점을 변화시켜 노광하는 공정, 즉, 포커스 매트릭스(focus matrix) 노광법이 측정하고자 하는 순간마다 매회 필요되었으나, 본 발명에서는 상기 작업을 한 번만 수행하여 최적 노광 초점에서 정렬 정밀도 값을 기록해 놓으면 이후 공정에서는 단순히 정렬정밀도 값만을 가지고서도 장비의 최적 초점을 즉각적으로 알 수 있게 된다.

Claims

소정 값 만큼 이격되어 있고, 각각 라인과 스페이스가 밀집하여 반복된 제1패턴과 제2패턴, 및 상기 제2패턴과 상기 소정값과 동일한 값만큼 이격되어 있고, 주변으로부터 고립된 제3패턴을 구비하는 측정마크를 갖는 마스크를 제조하는 제1단계;

상기 마스크를 사용하여 초점을 달리해가면서 각각 다른 웨이퍼의 영역에 노광을 실시하여, 웨이퍼 상에 제1, 제2, 및 제3패턴의 이미지에 상응하는 제1, 제2, 및 제3 포토레지스트 패턴을 형성하는 제2단계;

각 초점에 상응하는 노광 지역의 웨이퍼에서, 상기 제1포토레지스트 패턴과 상기 제2포토레지스트 패턴간의 간격 값인 제1값 및 제2포토레지스트 패턴과 제3포토레지스트 패턴 간의 간격 값인 제2값을 구하는 제3단계;

상기 제1값과 제2값을 이용하여 (제1값-제2값) / 2의 식에 의해 정렬정밀도 값을 각각 구하는 제4단계; 및

상기 정렬정밀도 값이 가장큰 값에 상응하는 초점을 최적초점으로 결정하는 제5단계를 포함하여 이루어진 노광에서의 최적 초점 측정 방법.
제1항에 있어서,

상기 제3단계 및 제4단계는 정렬정밀도 측정 장비에서 자동적으로 측정 및계산하는 것을 특징으로 하는 노광에서의 최적 초점 측정 방법.