KR100525787B1 - 선폭 보상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마스크를 이용하는 노광 공정에서 선폭의 오차를 보상하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체기판 저면 조건차이에 의한 선폭 불균일을 마스크 설계를 바꾸어 자동으로 보상하고, 균일한 선폭으로 패턴을 형성할 수 있는 선폭 보상 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 주 셀 영역과, 상기 주 셀 영역을 둘레에 형성되는 프레임 영역으로 구성되는 마스크를 사용하여 부분 중첩 방식으로 노광 공정을 수행할 때, 중첩되는 부분에 형성되는 패턴들 중 동일한 선폭으로 노광되어야 하는 임의의 두 개의 패턴들이, 반도체 기판 상에서 단차가 다르고 반사율이 다른 곳에 각각 노광되어 형성됨에 따라 서로 선폭이 달라지게 되는 것을 보상하는 방법으로서, 부분 중첩 노광 방식에 따라 중복 노광되는 상기 마스크 상의 프레임 영역에서, 제1 샷에서 특정 패턴이 형성되지 않는 부분 중, 제2 샷에서 단차가 깊고 반사율이 높은 패턴이 형성되어야 할 부분과 중복 정렬되는 상기 마스크의 일 영역 상에 소정의 투과율을 가지는 위상반전부를 형성하는 단계(a), 동시에 제2 샷에서 단차가 얕고 반사율이 낮은 패턴이 형성되어야 할 부분과 중복 정렬되는 상기 마스크의 일 영역 상에 차광부를 마스크 상에 형성하는 단계(b), 상기 단계(a) 및 단계(b)에서 각각 형성된 위상반전부 및 차광부에 대응하는 마스크 상의 위치에, 제2 샷에서 동일 선폭으로 노광되어야 할 패턴들을 형성하는 단계(c) 및 상기 단계(a) 내지 단계(c)를 거쳐 만들어지는 마스크를 사용하여 부분 중첩 노광을 수행하는 단계(d)로 구성되는 선폭 보상 방법이 제공된다. 본 발명에 의하면, 콘택홀의 선폭 보정은 노광장치의 부분 반복 정렬 노광에 의해 자동 보정되므로, 별도로 콘택홀의 선폭을 보정하는 작업이 필요없고, 설계 단계에서 조절이 가능하게 된다. 또한, 반사방지막 도포 공정이 불필요하므로 제조 원가 및 제조 공정을 단순화 할 수 있고, 위상 반전 마스크에서 위상 반전에 의한 해상도 개선 및 반사율 및 단차 차이에 의한 선폭 균일도를 개선할 수 있다.

Description

선폭 보상 방법 {A method for correcting the line width}

본 발명은 마스크를 이용하는 노광 공정에서 선폭의 오차를 보상하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체기판 저면 조건차이에 의한 선폭 불균일을 마스크 설계를 바꾸어 자동으로 보상하고, 균일한 선폭으로 패턴을 형성할 수 있는 선폭 보상 방법에 관한 것이다.

마스크 패턴 형성 기술은 반도체 기판에 형성되는 패턴의 정확도에 밀접한 영향을 준다. 특히, 반도체 기판의 단차가 존재하거나 기판 저면의 반사율이 서로 다를 경우에나, 또는 더미 패턴(dummy pattern)이 존재하는 경우, 리소그래피(lithography) 공정 후에 본래 노광 의도와 달리 동일 패턴간 선폭 차이가 발생하여 반도체 소자 특성에 나쁜 영향을 주게 된다.

이에 반도체 포토 리소그라피 기술은 마스크설계를 정교하게 함으로써 마스크를 투과하는 빛의 양을 적절히 조절하여, 마스크에 그려진 Pattern형상에 의한 빛의 왜곡 현상을 최소화시킬 수 있는 여러 방법들이 모색되고 있다.

근래에 많이 사용되고 있는 방법으로는 광학 근접 보상기술(Optical Proximity Correction: OPC)이라든가, 위상반전마스크 기술(Phase Shifting Mask: PSM)이 멀리 사용되고 있으며, 그 외에도 여러 가지 방법들이 연구 개발되고 있다.

또한, 원자외선파장(248nm 또는 194 nm)의 빛에 감광력이 뛰어난 화학 증폭형 레지스트가 개발되어 더욱 해상도를 증가 시킬수 있게 되었다.

도 1a 내지 도 1c에는 종래 기술에 따른 모니터 패턴이 형성된 마스크 및 이를 사용하는 노광 공정을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 1a에는 0.15㎛ 선폭 룰을 가지고, 투과율이 5%인 콘택홀 레이어의 감쇄형 위상반전 마스크(mask)(또는 레티클(reticle))의 도면이 도시되어 있다.

도 1a에 도시된 것과 같이, 마스크(15)는 주 셀(main cell) 영역(11)과, 각종 소자 모니터 패턴(13a, 13b, 13c 및 13d) 및 노광 공정에서의 정렬에 필요한 얼라인 마크 패턴 등이 탑재되는 약 150㎛의 폭을 갖는 프레임 영역(frame Area)(12)으로 이루어진다.

패턴이 형성되는 주 셀 영역(11)과, 각각의 소자 모니터 패턴들(13a, 13b, 13c 및 13d)은 감쇄형 위상 반전 톤(tone)으로 형성되어 있고, 프레임 영역(12)은 차광부로 형성되어 있다.

도 1b에는 부분 반복 정렬(step and repeat) 노광 방식에 따라 노광 공정을 진행할 때의 마스크를 정렬시키는 방식을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 1b에 도시된 것과 같이, 노광 공정에서 상기 마스크(15)를 사용하여 노광할 때, 부분 반복 정렬 노광 방식으로 직전 노광된 마스크 프레임 영역(12)의 정렬 키(align key)를 기준으로 현 마스크 프레임(12)의 일부를 정렬시켜 노광 공정을 연속적으로 진행한다.

종래에는 이와 같은 방식으로 중첩될 경우, 프레임 영역(12)의 소자 모니터 패턴(13)들이 이중으로 노광되지 않도록 하기 위해, 중첩되는 부분 중 모니터 패턴 영역(13b)의 차광층을 미리 마스크(15)의 프레임 영역(12)에 형성해 둔다. 즉, 첫 번째 샷(shot)에서 노광되지 않는 차광 부분에 대해서 두 번째 샷에서 패턴이 형성되도록 하였다. 이 방법은 부분 반복 정렬 노광 방식으로 노광되는 어떠한 패턴이라도 이중 노광을 허용하지 않는다.

그러나, 모니터 패턴은 주 셀 영역(11)의 주요 패턴을 그대로 옮겨 놓은 것이어서 인접 동일 패턴간이라도 단차가 다르고 기판 반사율도 전혀 다른 저면 구조를 갖는다. 이외에도 실제로 좁은 프레임 영역(12) 내에서의 패턴 밀집도가 서로 차이가 있어 복합적인 선폭 에러를 유발시킨다.

도 1c에는 도 1b의 E부분의 확대도가 도시되어 있다.

도 1c에 도시된 것과 같이, 첫 번째 샷에서의 모니터 패턴 부분(13b)과 두 번째 샷에서의 모니터 패턴 부분(13a)간에 생기는 중첩 부분(E)을 다시 도시한 그림이다.

도 2a에는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 마스크를 사용하는 부분 반복 정렬 노광 방식의 노광 공정을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 2a에 도시된 것과 같이, 첫 번째 샷에서 노광되지 않은 부분에 중첩되는 두 번째 샷의 노광 부분(13a)중 반도체 기판 단차가 크고 반사율이 높은 부분에 형성되는 콘택홀(2)이 마스크 프레임(A2)에 위치하고, 기판 단차가 낮고 반사율이 낮은 부분에 형성되는 콘택홀(1)이 마스크 프레임(A1)에 위치하면, 노광 장치를 통해서 100%의 입사광이 들어올 때, 투광량은 똑같이 100%의 공간 이미지로 감광제(3)가 표면에 도포된 기판(4)에 조사된다. 그러나, 실제로는 반사율 차이에 의해 감광제 내부에 만들어지는 이미지는 서로 차이가 난다. 도 2b에는 이러한 공정을 거쳐 형성된 홀(10, 20)의 전자 현미경 사진이 함께 도시되어 있다.

종래에는 이와 같이 콘택홀의 구경이 차이가 생기는 것을 막기 위해, 별도의 반사방지막(Bottom Anti Reflective Coating:BARC) 형성 단계를 공정에 추가로 삽입하였다. 그러나, 이러한 방법으로는 공정이 지연되는 불편이 따르게 된다.

도 3에는 종래 기술에 따라 단차가 형성되고 반사율이 다른 조건 하에서 형성된 콘택홀들의 단면도가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 이상에서 설명한 종래 기술에 따르면, 반도체 기판(4)내에 임플란트(implant) 공정(5, 6), 게이트 공정, PSG공정(7)등이 진행되고 단차 및 반사율이 다른 조건에서 만들어진 콘택홀 단면 선폭(10, 20)의 차이가 나는 것을 알 수 있다.

이에 단차가 형성되고 반사율이 다른 경우에도 콘택홀 선폭의 차이를 상쇄할 수 있도록 패턴이 형성된 마스크 및 이를 이용한 반도체 제조 공정의 개발의 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은 단차가 형성되고 반사율이 다른 경우에도 콘택홀들의 선폭의 차이를 노광 공정에서 상쇄할 수 있는 마스크 및 이러한 마스크를 사용하는 반도체 노광 공정을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 주 셀 영역과, 상기 주 셀 영역을 둘레에 형성되는 프레임 영역으로 구성되는 마스크를 사용하여 부분 중첩 방식으로 노광 공정을 수행할 때, 중첩되는 부분에 형성되는 패턴들 중 동일한 선폭으로 노광되어야 하는 임의의 두 개의 패턴들이, 반도체 기판 상에서 단차가 다르고 반사율이 다른 곳에 각각 노광되어 형성됨에 따라 서로 선폭이 달라지게 되는 것을 보상하는 방법으로서, 부분 중첩 노광 방식에 따라 중복 노광되는 상기 마스크 상의 프레임 영역에서, 제1 샷에서 특정 패턴이 형성되지 않는 부분 중, 제2 샷에서 단차가 깊고 반사율이 높은 패턴이 형성되어야 할 부분과 중복 정렬되는 상기 마스크의 일 영역 상에 소정의 투과율을 가지는 위상반전부를 형성하는 단계(a), 동시에 제2 샷에서 단차가 얕고 반사율이 낮은 패턴이 형성되어야 할 부분과 중복 정렬되는 상기 마스크의 일 영역 상에 차광부를 마스크 상에 형성하는 단계(b), 상기 단계(a) 및 단계(b)에서 형성된 위상반전부 및 차광부에 대응하는 마스크 상의 위치에 제2 샷에서 동일 선폭으로 노광되어야 할 패턴들을 형성하는 단계(c) 및 상기 단계(a) 내지 단계(c)를 거쳐 만들어지는 마스크를 사용하여 부분 중첩 노광을 수행하는 단계(d)로 구성되는 선폭 보상 방법을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 단계(a)에서의 소정의 투과율을 결정하기 위해, 2% 내지 12%의 투과율을 순차로 적용하여 선폭 보상이 가장 완전하게 이루어지는 경우의 투과율을 선택하는 단계(e)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 여기서, 상기 단계(e)에서의 적용 가능한 투과율은 2% 내지 12%의 범위에 속하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 이하에서는, 0.15㎛ 선폭 룰을 가지고 투과율이 5%인 콘택홀 Layer의 감쇄형 위상반전 마스크(attenuated phase shifting mask)를 기준으로 설명한다.

도 4a에는 본 발명에 따른 선폭 보상 방법에 사용되는 마스크(mask)(또는 레티클(reticle))가 도시되어 있다.

도 4a에 도시된 것과 같이, 상기 마스크(15)는 주 셀(main cell) 영역(11)과, 노광 시에 마스크를 정렬시키는데 필요한 얼라인 마크(align mark)가 탑재되는 약 150㎛의 폭을 갖는 프레임 영역(frame area)(12)으로 구성된다. 상기 프레임 영역(12)에는 반도체 제조 공정 중에 패턴 상태를 확인하여 칩 내의 불량의 발생을 미연에 방지하기 위해 설치되는 각종 소자 모니터 패턴 영역(13a, 13b, 13c 및 13d)이 형성된다.

주 셀 영역(11)과 모니터 패턴(13a, 13b, 13c 및 13d)은 감쇄형 위상 반전 톤으로 형성되어 있다.

프레임 영역(12) 상에 구비되는 소자 모니터 패턴(13a, 13b, 13c 및 13d)들은 제1 샷 노광과 제2 샷 노광 시 선택적으로 중첩 노광된다.

도 4b에는 본 발명에 따라 선폭 보상을 위해 사용되는 마스크가 부분 중첩되는 방식을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 4b에 도시된 것과 같이, 노광 장치를 써서 마스크를 노광할 때에는 부분 반복 정렬 노광 방식으로 일부 중첩 노광을 실시한다. 직전 노광된 마스크 프레임의 정렬 키(align key)를 기준으로 현 마스크의 프레임 일부를 정렬시켜 계속 노광을 진행한다. 이런 식으로 중첩될 경우 프레임(11)의 소자 모니터 패턴(13a, 13b, 13c 및 13d)들이 이중으로 선택적으로 노광 되도록 한다. 즉, 종래에는 제2 샷에서 모니터 패턴(13a)이 형성되는 위치에, 제1 샷에서 도 1a에 도시된 것과 같은 마스크를 사용하여 도 1a 상에서 모니터 패턴(13b) 하부(23)에 차광부분으로 형성하였던 것을, 도 4a 상에서 모니터 패턴(13b) 하부(33)를 도 4c에 잘 도시된 것과 같이 확대위상반전영역(B2)과 차광부분(B1)으로 구분하고, 제2 샷에서 모니터 패턴 부분(13a)을 제1 샷에서 형성된 모니터 패턴 부분(13b)과 정렬시킨 상태로 노광을 수행한다.

도 4c는 도 4b의 E부분의 확대도이다.

도 4c에 도시된 것과 같이, 도면 상에서 모니터 패턴(13b)의 하부(33)에는 제2 샷에서 모니터 패턴(13a)이 정렬되는 위치로서, 상기 모니터 패턴(13a)의 콘택홀 패턴부(A1, A2)에 각각 대응하는 차광부(B1)와 위상반전부(B2)가 형성된다.

도 5a에는 본 발명에 따른 마스크를 사용하는 노광 공정을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 5a에 도시된 것과 같이, 상기 모니터 패턴(13a)의 콘택홀 패턴부(A1, A2)에 각각 대응하는 차광부(B1)와 위상반전부(B2)로 구분된 부분에 대해서는 선택적으로 전면 노광(blanket exposure)이 진행된다. 즉, 제1 샷에서 상기 차광부(B1) 아래에 놓여 노광되는 부분은 전혀 패턴이 형성되지 않고, 제1 샷에서 상기 위상반전부(B2) 아래에 놓여 노광되는 부분에는 5%의 투과율만을 갖는 감쇄형 톤으로 노광된다.

제2 샷에서 노광되는 모니터 패턴(13a) 상의 패턴(1, 2)들은 동일 선폭으로 제조되어야 할 콘택홀로서 투과율 100%이고, 상기 패턴(1, 2)을 제외한 콘택홀 패턴부(A1, A2)의 나머지 부분은 5%의 투과율을 갖는 위상반전형 톤으로 형성된다. 상기 패턴(2)은 상기 패턴(1)보다 반도체 기판 단차가 깊고 반사율이 높은 액티브 영역 위에 형성되는 개구부 패턴이다. 제1 및 제2 샷을 중첩 노광한 결과, 감광제 표면(3)에는 서로 다른 노광 에너지가 조사된다. 즉, 감광제 표면(3)에 형성되는 개구부 중 단차와 반사율이 낮은 게이트 셀 위에 형성되는 개구부(10)에는 100%의 투광에너지가 조사되고, 단차와 반사율이 높은 액티브 영역 위에 형성되는 개구부(200)에는 105%의 투광에너지가 조사된다. 결과적으로 자동 선폭 보정된 동일한 홀이 감광제 내에 만들어진다. 이렇게 형성된 전자 현미경 사진의 홀(10, 200)들이 도 5b에 함께 도시되어 있다. 실제로 248nm 윤대 조명 노광 시 0.20㎛ 설계 룰을 갖는 고립 홀 의 경우, 최대 0.02㎛까지 차이가 나지만 본 발명에 의하면 선폭 바이어스의 차이를 없앨 수 있다.

도 6에는 반도체 기판(4) 내에 임플란트 공정(5, 6), 게이트 공정, PSG(Photon Stimulated Desorption) 공정(7) 등이 진행된 후, 도 5a에서 설명된 공정을 통하여 단차 및 반사율이 다른 조건에서 형성된 콘택홀 단면 선폭(10, 200)의 개선된 상태를 보여주는 단면도가 도시되어 있다. 도 3과 비교할 때, 콘택홀 단면 선폭(10, 200)이 개선된 것을 한눈에 알 수 있다.

도 7에는 본 발명의 다른 실시예를 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 7에 도시된 실시예는 본 발명을 프레임과 메인 칩간의 선폭 차이가 존재하는 경우에 적용하는 실시예이다. 대부분의 경우, 마스크 제조 단계부터 메인칩의 선폭 보다는 프레임의 선폭이 상대적으로 작게 만들어진다. 따라서 이를 보상하는 방법으로 부분 반복 정렬 노광 방식으로 일부 중첩 노광하는 것을 이용하여 자동 선폭 보정을 수행한다. 도 7의 왼쪽에는 프레임 영역(13a 및 13b)이, 오른쪽에는 주 셀 영역(11)이 도시되어 있다. 이때, 상기 프레임 영역(13b)은 모두 5%의 투과율을 갖는 위상반전 영역으로만 구성되어 있어서, 첫 번째 노광 샷에서 상기 프레임 영역(13b)에 전면 노광되고, 두 번째 노광 샷에서 감쇄형 위상 반전 톤을 갖는 모니터 패턴 부분(13a)을 상기 프레임 영역(13b)에 맞춰 정렬 노광한다. 이와 같이, 부분 반복 정렬 노광 방식으로 노광 공정을 진행하면, 감광제 표면(3)에 조사된 총 투광량은 프레임 부분이 105%, 메인칩 부분은 중첩 노광되지 않으므로 100%가 된다.

따라서, 결과적으로 본 발명에 따른 자동 노광 보정 방법에 의해 동일한 콘택홀(10, 200 및 120)이 반도체 기판 상에 형성된다.

이상에서는 위상반전 영역의 투과율을 5%에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 5% 투과율을 가지는 위상반전영역을 사용하는 것에 한정되지 않으며, 2% 내지 12%의 투과율을 가지는 위상반전영역을 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 콘택홀의 선폭 보정은 노광장치의 부분 반복 정렬 노광에 의해 자동 보정되므로, 별도로 콘택홀의 선폭을 보정하는 작업이 필요없고, 설계 단계에서 조절이 가능하게 된다.

또한, 반사방지막 도포 공정이 불필요하므로 제조 원가 및 제조 공정을 단순화 할 수 있고, 위상 반전 마스크에서 위상 반전에 의한 해상도 개선 및 반사율 및 단차 차이에 의한 선폭 균일도를 개선할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

도 1a는 0.15㎛ 선폭 룰을 가지고, 투과율이 5%인 콘택홀 레이어의 감쇄형 위상반전 마스크의 도면.

도 1b는 부분 반복 정렬 노광 방식에 따라 노광 공정을 진행할 때의 마스크를 정렬시키는 방식을 설명하는 도면.

도 1c는 도 1b의 E부분의 확대도.

도 2a는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 마스크를 사용하는 부분 반복 정렬 노광 방식의 노광 공정을 설명하는 도면.

도 2b는 종래의 노광 공정을 거쳐 형성된 홀의 전자 현미경 사진.

도 3은 종래 기술에 따라 단차가 형성되고 반사율이 다른 조건 하에서 형성된 콘택홀의 단면도.

도 4a는 본 발명에 따른 선폭 보상 방법에 사용되는 마스크의 도면.

도 4b는 본 발명에 따라 선폭 보상을 위해 사용되는 마스크가 부분 중첩되는 방식을 설명하는 도면.

도 4c는 도 4b의 G부분의 확대도.

도 5a는 본 발명에 따른 마스크를 사용하는 노광 공정을 설명하는 도면.

도 5b는 도 5a의 노광 공정에 의해 형성되는 콘택홀들의 전자 현미경 사진.

도 6은 도 5a에서 설명된 공정을 통하여 단차 및 반사율이 다른 조건에서 형성된 콘택홀 단면 선폭의 개선된 상태를 보여주는 단면도.

도 7은 본 발명의 다른 실시예를 설명하는 도면.

Claims (3)

1. 주 셀 영역과, 상기 주 셀 영역을 둘레에 형성되는 프레임 영역으로 구성되는 마스크를 사용하여 부분 중첩 방식으로 노광 공정을 수행할 때, 중첩되는 부분에 형성되는 패턴들 중 동일한 선폭으로 노광되어야 하는 임의의 두 개의 패턴들이, 반도체 기판 상에서 단차가 다르고 반사율이 다른 곳에 각각 노광되어 형성됨에 따라 서로 선폭이 달라지게 되는 것을 보상하는 방법으로서,

   부분 중첩 노광 방식에 따라 중복 노광되는 상기 마스크 상의 프레임 영역에서, 제1 샷에서 특정 패턴이 형성되지 않는 부분 중, 제2 샷에서 단차가 깊고 반사율이 높은 패턴이 형성되어야 할 부분과 중복 정렬되는 상기 마스크의 일 영역 상에 소정의 투과율을 가지는 위상반전부를 형성하는 단계(a);

   부분 중첩 노광 방식에 따라 중복 노광되는 상기 마스크 상의 프레임 영역에서, 제1 샷에서 특정 패턴이 형성되지 않는 부분 중, 제2 샷에서 단차가 얕고 반사율이 낮은 패턴이 형성되어야 할 부분과 중복 정렬되는 상기 마스크의 일 영역 상에 차광부를 형성하는 단계(b);

   상기 단계(a) 및 단계(b)에서 각각 형성된 위상반전부 및 차광부에 대응하는 마스크 상의 위치에, 제2 샷에서 동일 선폭으로 노광되어야 할 패턴들을 형성하는 단계(c); 및

   상기 단계(a) 내지 단계(c)를 거쳐 만들어지는 마스크를 사용하여 부분 중첩 노광을 수행하는 단계(d)로 구성되는 것을 특징으로 하는 선폭 보상 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(a)에서의 소정의 투과율을 결정하기 위해, 적용 가능한 투과율을 소정 간격으로 변화시키면서 적용하여 선폭 보상이 완전하게 이루어지는 경우의 투과율을 결정하는 단계(e)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선폭 보상 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 단계(e)에서의 적용 가능한 투과율은 2% 내지 12%의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 선폭 보상 방법.