KR100600042B1

KR100600042B1 - 반도체 소자 제조용 노광장비의 변형 어퍼쳐

Info

Publication number: KR100600042B1
Application number: KR1020040049918A
Authority: KR
Inventors: 박찬하; 홍종균
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-07-13
Also published as: KR20060000926A

Abstract

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조용 노광 장비의 조명계에 관한 것이며, 더 자세히는 반도체 소자 제조용 노광장비의 변형 어퍼쳐(aperture)에 관한 것이다. 본 발명은 노광원의 한계 해상도 이하의 패턴 피치를 구현할 수 있는 반도체 소자 제조용 노광장비의 변형 어퍼쳐를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, X축 방향의 양극에 대칭적으로 배치된 부채꼴의 호 형상('( )' 형상)의 제1 및 제2 개구를 구비하며, 상기 제1 및 제2 개구의 개구각이 60∼75°인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 노광장비의 변형 어퍼쳐가 제공된다.

리소그래피, 조명계, 변형 어퍼쳐, 개구각, 회절빔

Description

반도체 소자 제조용 노광장비의 변형 어퍼쳐{MODIFIED APERTURE IN EXPOSURE EQUIPMENT FOR SEMICONDUCTOR DEVICE FABRICATION}

도 1은 노광장비의 조명계 구성을 나타낸 도면.

도 2a는 일반적인 어퍼쳐의 레이아웃을 나타낸 도면.

도 2b는 각종 변형 어퍼쳐의 레이아웃을 나타낸 도면.

도 3은 일반 조명과 변형 조명의 원리를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 어퍼쳐의 레이아웃을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명을 적용한 조명계를 사용하여 얻은 에어리얼 이미지를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명을 적용한 조명계를 사용하여 얻은 실제 패턴의 전자현미경 사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

θ : 개구각

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조용 노광 장비의 조명계에 관한 것이며, 더 자세히는 반도체 소자 제조용 노광장비의 변형 어퍼쳐(aperture)에 관한 것이다.

DRAM(Dynamic Random Access Memory)을 핵심으로 하는 반도체 제품의 양산이 시작된 이후로 리소그래피(lithography) 기술 개발이 비약적으로 이루어져 왔다. 리소그래피 공정은 반도체 제품의 집적도를 결정하는 핵심 공정이라 할 수 있다.

DRAM의 집적도는 3년 주기로 거의 4배씩 증가하여 왔으며, 이에 따른 제품의 디자인 룰(design rule, 최소 패턴 사이즈) 역시 4Mb DRAM의 0.8㎛에서 1Gb DRAM의 0.18㎛까지 축소되어 왔고, 현재는 비광학 리소그래피(non optical lithography) 기술을 준비해야 하는 단계에 놓여 있다.

광학 리소그래피(optical lithography)에서의 해상력(resolution)은 노광 광원의 파장에 반비례 하는데 "스텝 앤드 리피트(step and repeat)"의 노광방식을 채택한 초기의 스테퍼(stepper)에서 사용한 광원의 파장은 436㎚(g-line)에서 365㎚(i-line)을 거쳐 현재는 248㎚(KrF 엑시머 레이저) 파장의 DUV를 이용하는 스테퍼나 스캐너(scanner) 타입의 노광장비를 주로 사용하고 있다.

광학 리소그래피는 그 동안 0.6 이상의 높은 구경수(Numerical Aperture, NA)의 렌즈와 어퍼쳐 등의 노광 시스템 자체의 발전은 물론이고, 화학증폭형 레지스트(Chemically Amplified Resist, CAR)형 레지스트와 같은 포토레지스트 물질의 개발, 그리고 프로세스 측면에서의 TLR(Tri Layer Resist), TSI(Top Surface Imaging), ARC(Anti Reflective Coating), 마스크(mask) 측면에서는 PSM(Phase Shift Mask)과 OPC(Optical Proximity Correction) 등의 많은 기술 개발들이 이루어져 왔다. 248㎚의 파장을 가지는 KrF 엑시머 레이저는 초기에 공정 시간 지연, 기판 의존성 등과 같은 많은 문제들이 발생하였지만, 0.18㎛ 디자인 룰을 구현할 수 있었다. 그러나, 그 이하의 디자인 룰을 구현하기 위해서는 ArF 엑시머 레이저(193㎚), F2(157㎚) 등의 차세대 광원에 대한 기술 개발이 이어져야 한다.

통상적으로, 노광장비의 조명계에는 Kohler 조명법(illumination)이 적용되고 있다.

도 1은 노광장비의 조명계 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 유효광원에서 출발한 빛이 프로젝션 렌즈(projection lens)의 입사동(entrance pupil)에 상이 맺히도록 꾸미는 조명법으로, 마스크가 놓여진 면에서는 균일한 조도를 얻어낼 수 있다. 유효광원이 위치한 곳에는 어퍼쳐를 두어 최적의 노광조건을 선택한다.

도 2a는 일반적인 어퍼쳐(conventional aperture)의 레이아웃을 나타낸 도면이며, 도 2b는 각종 변형 어퍼쳐의 레이아웃을 나타낸 도면이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일반적인 어퍼쳐는 원형의 개구를 가지는 형태이며, 이를 제외한 형태의 어퍼쳐는 모두 변형 어퍼쳐라 할 수 있다.

현재 사용되고 있는 변형 어퍼쳐로는, 도 2b에 도시된 바와 같이 둥근 띠 형태의 개구를 가지는 환형(annular) 어퍼쳐(a), 정방형으로 배치된 네 개의 작은 원 형 개구를 가지는 4극자(quadrupole) 어퍼쳐(b), 십자로 배치된 네 개의 작은 원형 개구를 가지는 십자극(crosspole) 어퍼쳐(c), 두 개의 타원형 개구를 가지는 2극자(dipole) 어퍼쳐(d) 등이 있다.

도 3은 일반 조명(conventional illumination)과 변형 조명(off-axis illumination)의 원리를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 일반 조명의 경우, 0차 회절광이 패턴 형성에 기여하여 패턴의 공간 이미지 상에서 DC 성분만 증가시켜 공간 이미지 MTF(Modulation Transfer Function) 값의 저하를 가져온다. 또한, 패턴 크기가 작을 경우는 1차 회절광이 투영 렌즈를 통과하지 못하게 되어 패턴을 형성할 수 없게 되는 단점이 있다(점선 화살표 참조).

반면, 변형 조명의 경우, DC 성분의 0차 회절광이 광축으로부터 벗어나 사입사 된다. 그 결과 입사광은 레티클상에 있는 패턴에서 회절하지 않고 직진한 0차광과, 패턴에 의해 회절된 ±1차광, 그리고 그 이상의 고차 광으로 갈라진다. 이중에서 0차광과 +1차광의 두 광속을 이용하여 마스크 상의 패턴을 웨이퍼에 결상하는 것이다. 이에 따라, 공간 이미지 상에 DC 성분이 제거되어 MTF 값을 증가시켜 해상도 향상과 초점심도(Depth Of Focus, DOF) 마진의 증가를 가져온다.

현재 양산에 적용 중인 KrF 엑시머 레이저를 노광원으로 사용하는 경우, 전술한 변형 어퍼쳐를 사용하더라도 구현할 수 있는 제품은 패턴의 하프 피치(half pitch)가 100nm 이상인 제품으로 한정된다. 만일, 패턴의 하프 피치가 100nm 이하로 줄어들면, 그만큼 줄어든 마스크 상의 패턴 사이즈로 인하여 입사광의 회절각이 커지고, 이에 따라 충분한 콘트라스트(contrast)를 얻지 못해 패터닝이 어렵게 된다.

아래의 표 1은 KrF 엑시머 레이저를 노광원으로 사용하는 경우의 어퍼쳐/디자인 별 회절빔의 양을 나타낸 것이며, 표 2는 KrF 엑시머 레이저를 노광원으로 사용하는 경우의 2극자형 어퍼쳐의 개구각/디자인 별 회절빔의 양을 나타낸 것이다.

	Annular	Quadrupole 25	Dipole 90
100nm 하프 피치	18.3%	6.7%	73.2%
90nm 하프 피치	7.6%	0.0%	30.2%

	50	55	60	65	70	80	90
190nm 하프 피치	97.6%	94.8%	90.8%	85.4%	79.3%	69.4%	61.7%
180nm 하프 피치	68.3%	62.4%	57.2%	52.0%	49.1%	42.9%	38.2%

표 1을 참조하면, KrF 엑시머 레이저 광원으로 0.80 NA(내부 σ 0.65, 외부 σ 0.89)의 렌즈를 사용하여 노광을 실시할 때(레일리 공정 팩터 k1=0.322), 예컨대, 2극자 어퍼쳐(개구각 90)를 사용하는 경우에는, 100nm 하프 피치의 라인-스페이스 패턴을 형성하기 위한 마스크를 적용하면 첫번째 회절빔이 입사동에 도달하는 비율은 73.2%이고, 90nm 하프 피치의 라인-스페이스 패턴을 형성하기 위한 마스크를 적용하면 그 비율이 30.2% 정도까지 떨어진다. 통상적으로, 안정적인 패턴을 구현하기 위해서는 첫번째 회절빔의 도달 비율이 70% 이상이어야 한다.

표 2는 KrF 엑시머 레이저 광원으로 내부 σ 0.70, 외부 σ 0.90의 구경을 갖는 렌즈를 사용하여 노광을 실시하는 경우, 같은 타입의 어퍼쳐를 사용하는 경우에도 디자인(하프 피치) 및 개구각에 따라 첫번째 회절빔의 도달 비율이 달라짐을 확인할 수 있다.

한편, 100nm 하프 피치 이하의 패턴을 구현하기 위해서는 KrF 엑시머 레이저 보다 파장이 더 짧은 노광원을 사용하면 되지만, 이 방법은 고가의 노광장비를 도입해야 하는 부담이 따를 뿐만 아니라 레지스트 등에 대한 개발 및 검증이 선행되어야 하는 문제점이 따른다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 노광원의 한계 해상도 이하의 패턴 피치를 구현할 수 있는 반도체 소자 제조용 노광장비의 변형 어퍼쳐를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, X축 방향의 양극에 대칭적으로 배치된 부채꼴의 호 형상('( )' 형상)의 제1 및 제2 개구를 구비하며, 상기 제1 및 제2 개구의 개구각이 60∼75°인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 노광장비의 변형 어퍼쳐가 제공된다.

바람직하게, 상기 X축 방향은 소자 내에서 상대적으로 밀하게 배치된 라인 패턴의 피치 방향에 대응한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기의 변형 어퍼쳐를 포함하는 노광 시스템에 있어서, 노광원으로 KrF 엑시머 레이저를 사용하고, 0.80NA(내부 σ 0.65, 외부 σ 0.89) 조건을 적용한 것을 특징으로 하는 노광 시스템이 제공된다.

본 발명은 최적화된 회절빔을 얻을 수 있는 변형 어퍼쳐를 제안한다. DRAM을 비롯한 대부분의 반도체 소자는 특정한 방향으로 조밀하게 배열된 라인 구조를 가지기 때문에 그 방향에 대하여 더 많은 회절빔을 얻을 수 있도록 변형 어퍼쳐를 설계하였으며, 물론 전술한 방향과 수직한 방향으로 배치된 패턴에 대해서도 고려하였다.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 어퍼쳐의 레이아웃을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 변형 어퍼쳐는, X축 방향의 양극에 부채꼴의 호 형태의 대칭적인 개구를 갖는다. 이는 마치 환형 어퍼쳐의 개구를 2극자형 어퍼쳐의 개구 영역으로 한정한 것과 같은 형태이며, 개구의 모양은 '( )' 형상을 생각하면 이해가 쉬울 것이다.

이때, 개구의 개구각(θ)은 60∼75°범위에서 결정할 수 있으나, 70°가 가장 바람직하다.

전술한 변형 어퍼쳐를 조명계에 도입하고, 노광원으로 KrF 엑시머 레이저를 사용하는 경우, X축 방향(게이트 셀 패턴의 피치 방향)으로 최대한의 콘트라스트를 유지할 수 있도록 첫번째 회절빔의 양을 증대시킬 수 있다.

도 5는 본 발명을 적용한 조명계를 사용하여 얻은 에어리얼 이미지(aerial image)를 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명을 적용한 조명계를 사용하여 얻은 실제 패턴의 전자현미경 사진이다.

도 5 및 도 6은 각각 노광원으로 KrF 0.80NA 시스템에서 내부 σ 0.65, 외부 σ 0.89 조건으로 상기 도 4에 도시된 변형 어퍼쳐(θ=70°)를 사용하여 얻은 결과이다.

한편, 도 6에서 (a)는 DRAM 게이트 셀을 고배율로 촬영한 결과이며, (b)는 DRAM 게이트 셀을 저배율로 촬영한 결과이며, (c)는 DRAM 게이트 셀과 반대 방향으로 배치된 패턴을 촬영한 결과이다.

이상의 결과는 본 발명에서 제안한 변형 어퍼쳐를 적용하고, 적절한 OPC를 수행함으로써 KrF 엑시머 레이저를 노광원으로 사용하는 경우에도 90∼100nm 급의 게이트 셀 피치를 구현할 수 있음은 물론, 모든 방향에 대해서 안정적인 프로파일을 확보할 수 있음을 증명하고 있다. 또한, 타겟 CD의 ±10% 허용 범위 내에서 셀의 DOF는 0.4㎛ 이상, 노출 레티튜드(exposure latitude)는 10% 이상을 얻을 수 있었다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으 나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

예컨대, 전술한 실시예에서는 KrF 엑시머 레이저를 노광원으로 사용하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명에 따른 변형 어퍼쳐는 ArF 엑시머 레이저, F2 레이저 등과 같이 KrF 엑시머 레이저에 비해 짧은 파장을 가지는 차세대 노광 시스템에도 적용할 수 있다.

전술한 본 발명은 노광원의 한계 해상도 이하의 패턴 피치를 구현할 수 있으며, 이에 따라 차세대 노광 시스템의 도입에 따른 원가 증가를 억제할 수 있다.

Claims

삭제
X축 방향의 양극에 대칭적으로 배치된 부채꼴의 호 형상('( )' 형상)의 제1 및 제2 개구를 구비하며, 상기 제1 및 제2 개구의 개구각이 60∼75°이며, 상기 X축 방향은 소자 내에서 상대적으로 밀하게 배치된 라인 패턴의 피치 방향에 대응하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 노광장비의 변형 어퍼쳐.
제2항의 변형 어퍼쳐를 포함하는 노광 시스템에 있어서,

노광원으로 KrF 엑시머 레이저를 사용하고, 0.80NA(내부 σ 0.65, 외부 σ 0.89) 조건을 적용한 것을 특징으로 하는 노광 시스템.