KR100759418B1 - 반도체 제조공정의 얼라인먼트 측정방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 제조공정의 얼라인먼트 측정방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 제 1 얼라인먼트 키를 형성하는 단계와, 상기 제 1 얼라인먼트 키를 덮는 물질막을 형성하는 단계와, 상기 물질막 상에 불투명막을 형성하는 단계와 상기 불투명막에 이온주입공정을 실시하여 불투명막의 흡광계수를 낮추는 단계를 포함한다. 상기 불투명막 상에 포토레지스트막을 형성하고, 상기 흡광계수가 낮아진 불투명막을 투과하는 빛을 조사하여 상기 제 1 얼라인먼트 키의 위치를 측정한다.
Description
도 1 내지 도 3은 일반적인 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 통상의 노광 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 여러가지 형태의 얼라인먼트 키 가운데 하나를 예시한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 종래의 얼라인먼트 측정방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 얼라인먼트 측정방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 얼라인먼트 측정방법의 효과를 나타낸 도면이다.
본 발명은 반도체 제조공정에서 선행 패턴과 후행 패턴의 오정렬을 방지하기 위한 얼라인먼트 측정방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 선행 패턴 상에 형성된 불투명막의 흡광계수를 낮추어 선행 패턴의 위치를 측정할 수 있는 얼라인먼트 측정방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 다층의 패턴들이 집적된 구조를 가진다. 따라서, 서로 다른 층에 형성된 패턴들은 오차범위를 벗어나지 않는 수준에서 얼라인먼트가 이루어지는 것이 요구된다. 패턴들 간의 얼라인먼트를 측정하는 방법에는 여러가지가 있으나, 통상적으로 패턴과 함께 형성되는 얼라인먼트 키의 위치를 광학적으로 측정하여 상. 하의 얼라인먼트 키의 중첩도를 측정하는 방법이 사용된다.
디자인 룰이 축소됨에 따라 패턴의 선폭이 작아지고, 작은 선폭의 패턴을 정의하기 위해서는 단파장의 노광광이 요구된다. 패턴의 정밀도 및 정확도를 높이기 위하여 두께가 얇은 포토레지스트막은 단파장의 광원을 사용하는 노광공정에 사용된다. 그러나, 식각하고자 하는 대상물질의 두께가 두꺼운 공정에서는 얇은 포토레지스트막은 충분한 식각마스크를 제공해주지 못하기 때문에, 대상물질 상에 대상물질에 대한 식각선택성이 우수한 하드마스크층을 형성하여 미세한 패턴을 형성하는 기술이 사용되고 있는 추세이다.
도 1 내지 도 3은 일반적인 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 물질막(12)을 형성하고 상기 물질막(12) 상 하드마스크층 및 포토레지스트막을 형성한다. 상기 하드마스크층은 패터닝이 용이하고 하부 물질막에 대한 식각선택성이 우수한 유기 하드마스크막(14)과 상기 유기 하드마스크막(14)의 식각마스크로 사용되는 무기하드마스크막(16)으로 구성된다. 상기 포토레지스트막을 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴(18)을 형성한다.
도 2를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(18)을 식각마스크로 사용하여 상기 무기하드마스크막(16)을 패터닝하여 무기 하드마스크 패턴(16p)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴(18)을 제거한다. 계속해서, 상기 무기 하드마스크 패턴(16p)을 식각마스크로 사용하여 상기 유기 하드마스크막(14)을 패터닝하여 유기 하드마스크 패턴(14p)을 형성한다.
도 3을 참조하면, 상기 무기 하드마스크 패턴(16p) 및 상기 유기 하드마스크 패턴(14p)을 식각마스크로 사용하여 상기 물질막(12)을 패터닝하여 물질막 패턴(12p)을 형성한다. 상기 물질막 패턴(12p)은 스스로가 패턴을 형성할 수도 있고, 다른 패턴을 형성하기 위한 주형 패턴이 될 수도 있다. 상기 무기 하드마스크 패턴(16p)는 물질막 패턴 형성과정에서 식각될 수 있고, 상기 무기 하드마스크 패턴(14r)의 일부분도 식각될 수 있다.두꺼운 물질막 패턴이 형성되는 공정으로는 예컨대, 디램 소자의 스토리지 노드 형성을 위한 주형층 형성공정이 있다. 즉, 상기 물질막 패턴(12p)은 스토리지 노드가 형성되는 오프닝을 정의할 수 있다.
특정 공정에서 형성된 패턴과 선행 공정에서 형성된 패턴은 오차범위 내의 중첩도가 요구된다. 따라서, 상.하의 패턴 사이의 중첩도를 측정하기 위한 오버레이 마크 또는 얼라인 키가 패턴과 함께 기판의 소정 영역에 형성된다. 도 4에 도시된 것과 같이, 포토마스크(60)에 디자인된 패턴 영역(62)이 기판 상에 전사된다. 이 때, 선행 공정에서 형성된 칩 영역(52)에 상기 패턴 영역(62)이 정확하게 정렬된 상태에서 노광이 되어야 한다. 이를 위해서, 기판 상의 칩 영역에 이미 형성된 선행 얼라인먼트 키(54)와 포토마스크(60)에 디자인된 후행 얼라인먼트 키(64)를 정렬한 이후 노광이 실시된다. 또한, 노광 및 현상이 완료된 이후에는 선행 얼라인먼트 키와 포토레지스트 패턴에 전사된 후행 얼라인먼트 키의 위치를 측정하여 중첩도를 확인한 후, 중첩도가 오차범위를 만족할 때 식각공정을 실시한다.
도 5는 여러가지 형태의 얼라인먼트 키 가운데 하나를 예시한 도면이다. 노광 공정에서 패턴의 중첩도를 측정하는 얼라인먼트 키는 그 정렬 방법에 따라 다양한 형태로 형성될 수 있다. 도시된 것과 같이 얼라인먼트 키는 선행 패턴에 대응하는 제 1 얼라인먼트 키(70a)와 후행 패턴에 대응하는 제 2 얼라인먼트 키(70b)로 구성된다. 제 2 얼라인먼트 키(70b)는 노광 전에는 포토마스크에 디자인 된 것일 수 있고, 노광 후에는 기판 상에 형성된 것일 수 있다. 얼라인먼트 측정은 키의 경계에서 산란되는 빛의 시그널을 이용하여 얼라인먼트키의 위치를 측정하고, 제 1 얼라인먼트키(70a)와 제 2 얼라인먼트키(70b) 사이의 가로간격(d1, d2)을 비교하여 수평방향 중첩도를 계산하고, 세로간격(d3, d4)을 비교하여 수직방향 중첩도를 측정할 수 있다.
도 6에 도시된 것과 같이, 선행 공정에서 형성된 제 1 얼라인먼트 키(20a)를 덮는 물질막(12)의 표면이 제 1 얼라인먼트 키(20a)의 형태에 따라 굴곡을 가지는 경우, 그 굴곡의 경계에서 산란되는 빛의 시그널을 측정함으로써 제 2 얼라인먼트 키(20b)와의 간격(d, d')을 측정할 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시된 것과 같이, 제 1 얼라인먼트 키(20a)를 덮는 물질막(12)이 평탄화되고, 얼라인먼트 측정에 사용되는 빛에 대해 불투명한 유기 하드마스크막(14)이 형성된 경우에는 그 하부의 얼라인먼트 키의 위치를 측정할 수 없다. 포토레지스트막(18)을 식각하여 제 2 얼라인 먼트 키(20b)를 형성한 이후에도 측정광이 상기 유기 하드마스크(14)를 투과하지 않기 때문에 제 1 얼라인먼트 키(20a)의 위치를 측정할 수가 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 얼라인먼트 측정에 사용되는 빛에 대해 불투명한막의 흡광계수를 낮추어 하부의 얼라인먼트 키의 위치를 측정할 수 있는 얼라인먼트 측정방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 불투명막의 흡광계수를 낮추어 하부의 얼라인먼트 키의 위치를 측정할 수 있는 얼라인먼트 측정방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 제 1 얼라인먼트 키를 형성하는 단계와, 상기 제 1 얼라인먼트 키를 덮는 물질막을 형성하는 단계와, 상기 물질막 상에 불투명막을 형성하는 단계와 상기 불투명막에 이온주입공정을 실시하여 불투명막의 흡광계수를 낮추는 단계를 포함한다. 상기 불투명막 상에 포토레지스트막을 형성하고, 상기 흡광계수가 낮아진 불투명막을 투과하는 빛을 조사하여 상기 제 1 얼라인먼트 키의 위치를 측정한다.
본 발명은 상기 제 1 얼라인먼트 키 상에 평탄화된 물질막이 형성되는 경우에도 적용될 수 있다. 상기 불투명막은 유기 하드마스크막으로서, 예컨대 비정질탄소막일 수 있다. 상기 불투명막과 상기 포토레지스트막 사이에 무기 하드마스크막이 더 형성될 수 있다.
상기 얼라인먼트 키의 위치측정은 포토마스크를 기판에 정렬하는 단계에서 실시되거나, 포토레지스트 패턴을 형성한 이후에 실시될 수 있다. 예컨대, 상기 제 1 얼라인먼트 키의 위치를 측정하여 포토마스크를 기판에 정렬하고, 상기 포토마스크 사용하여 상기 포토레지스트를 노광할 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 노광된 포토레지스트를 현상하여 제 2 얼라인먼트 키를 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 제 1 얼라인먼트 키 및 상기 제 2 얼라인먼트 키의 위치를 측정하여 상기 포토레지스트 패턴의 얼라인먼트를 측정할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 9a, 9b, 10a, 10b, 및 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 얼라인먼트 측정방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9a를 참조하면, 제 1 얼라인먼트 키(120a)가 형성된 기판(100) 상에 물질막(102)을 형성하고, 상기 물질막(102) 상에 유기 하드마스크막(104)을 형성한다. 일반적으로 얼라인먼트 측정 장비는 600㎚ 내지 700㎚ 파장 대역의 측정광을 사용 한다. 상기 유기 하드마스크막(104)은 물질막에 대한 식각특성이 우수하고, 증착이 용이한 비정질 탄소막으로 형성될 수 있다. 상기 유기 하드마스크막(104)은 흡광계수(light asorption coefficient) 가 높기 때문에 하부의 얼라인먼트 키의 위치를 측정하기 위해서는 일정 수준 이하의 두께가 형성되어야 한다. 그러나, 이 경우 물질막에 대한 충분한 식각마스크를 제공할 수 없기 때문에 두께를 낮추는데는 한계가 있다.
유기 하드마스크막(104)의 형성온도가 증가함에 따라 흡광계수가 높아진다. 따라서, 낮은 온도에서 유기 하드마스크막(104)을 형성한는 것을 고려할 수도 있으나, 낮은 온도에서 형성된 유기 하드마스크막(104)은 수소함량비(hydrogen ratio)가 높아 식각내성이 약하다. 따라서, 하드마스크막의 기능을 수행하기 위해서는 500℃ 이상의 온도에서 유기 하드마스크막을 형성하여야 하는 형성온도의 제한이 있다.
본 발명에서는 500℃ 내지 600℃의 온도에서 유기 하드마스크막(104)을 형성하여 측정광에 대하여 흡광계수가 높아 불투명층이 되더라도, 높은 식각내성을 가지는 유기 하드마스크막(104)을 형성한다. 예컨대, 상기 유기 하드마스크막은 하이드로-카본 계열(CxHy)의 소오스 가스와 수소, 질소 또는 암모니아 등을 반응가스로 사용하여 형성되는 비정질 탄소막일 수 있다.
계속해서, 상기 유기 하드마스크막(104)에 이온주입공정을 실시하여 상기 하드 마스크막의 흡광계수를 낮춘다. 예컨대, 1015 레벨의 도즈량의 질소 이온을 유기 하드마스크막에 주입하여 600㎚ 내지 700㎚ 파장의 측정광에 대한 유기하드마스크막의 흡광계수를 0.35 내지 0.4로 낮출 수 있다.
하부의 물질막에 대한 충분한 식각마스크를 제공하기 위하여 상기 유기 하드마스크막(104)은 150Å 내지 250Å의 두께로 형성할 수 있다. 이 때, 상기 유기 하드마스크막(104)을 투과하여 상기 제 1 얼라인먼트 키(120a)에 측정광이 도달하기 위해서는 상기 유기 하드마스크막(104)의 흡광계수가 0.35 내지 0.40이 되는 것이 바람직하다.
도 10a을 참조하면, 상기 이온주입에 의해 흡광계수가 낮아진 투광성 유기 하드마스크막(104a) 상에 무기 하드마스크막(106)을 형성하고, 상기 무기 하드마스크막(106) 상에 포토레지스트막(107)으르 형성한다. 상기 포토레지스트막(107)은 그 하부에 반사방지막을 포함할 수 있다. 패턴 영역이 디자인된 포토마스크와 상기 포토레지스트막(107)이 형성된 기판을 정렬하기 위하여 노광 장비에서 얼라인먼트가 수행된다. 본 발명의 투광성 유기 하드마스크막(104a)은 얼라인먼트 측정광원에 대한 흡광계수가 낮기 때문에 상기 제 1 얼라인먼트 키(120a)의 위치를 측정할 수 있고, 제 1 얼라인먼트 키와, 포토마스크에 디자인된 제 2 얼라인먼트 키의 중첩도를 측정하여 포토마스크를 기판에 정렬한다. 그러나, 포토마스크의 정렬키의 위치와 노광장비에 미리 입력된 좌표를 비교하여 포토마스크를 정렬하는 방법을 채택하는 경우 기판 상의 얼라인먼트키와 포토마스크 상의 얼라인먼크 키의 중첩도 측정은 생략될 수 있다.
도 11을 참조하면, 기판에 오차범위 내의 위치에 정렬된 포토마스크를 사용 하여 노광공정이 실시된다. 노광된 포토레지스트막을 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴은 얼라인먼트 측정영역에 제 2 얼라인먼트 키 패턴(120b)을 포함한다. 상기 제 2 얼라인먼트 키(120b)와 상기 제 1 얼라인먼트 키(120a)의 중첩도를 측정하여 오차범위를 벗어나는 경우 재작업(rework)을 실시한다.
계속해서, 상기 포토레지스트 패턴의 중첩도가 오차범위에 들어온 경우 상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 하드마스크층과 물질막을 식각하는 식각공정을 실시한다.
도 9b 및 도 9b는 본 발명의 변형례를 설명하기 위한 도면이다.
도 9b에 도시된 것과 같이 유기 하드마스크막(104)에 이온주입 공정을 실시한다. 도 9a에 도시된 실시예와는 달리, 상기 유기 하드마스크막(104) 상에 무기 하드마스크막(106)을 형성한 이후에 이온주입공정을 실시한다. 이 때, 얼라인먼트 키 영역을 제외한 나머지 영역은 포토레지스트 패턴(107)로 덮은 상태에서 이온주입이 실시된다.
계속해서, 도 10b를 참조하면, 얼라인먼트 키 영역에 해당하는 무기 하드마스크막(106)의 일부분에 이온주입층(106a)이 형성될 수 있으나 측정광은 투과될 수 있기 때문에 제 1 얼라인먼트 키의 위치는 측정될 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명은 하부막에 대한 식각선택성은 우수하지만 불투명한 하드마스크막을 사용할 때, 상기 하드마스크막에 이온주입공정을 적용하여 하 드마스크막의 흡광계수를 낮출 수 있고, 그 결과, 하부막이 평탄화되더라도 하부의 얼라인먼트 키까지 빛이 투과되기 때문에 키의 위치를 측정할 수 있다.
도 12는 이온주입에 따른 유기 하드마스크막의 흡광계수 변화를 나타낸 그래프이다. 이 그래프는 550℃에서 증착된 비정질탄소막에 50 keV의 에너지에 5×1015 ion/cm2 의 도우즈로 질소이온이 주입된 마스크층과 동일한 조건에서 형성되고 질소이온이 주입되지 않은 비정질탄소막에서 측정한 결과이다.
도 12에 도시된 것과 같이 유기 하드마스크막의 흡광계수는 이온주입이 적용지 않은 것(선 ①)과 이온주입이 적용된 (선 ②)에서 파장에 따라 명확하게 다른 양상을 나타낸다. 일반적으로 측정 장비에 사용되는 600㎚ 내지 700㎚ 파장대역의 빛에서 이온주입된 마스크층은 0.35 내지 0.40의 흡광계수를 가지고, 이온주입되지 않은 마스크층은 약 0.45의 흡광계수를 가진다.
Claims (17)
- 기판 상에 제 1 얼라인먼트 키를 형성하는 단계;상기 제 1 얼라인먼트 키를 덮는 물질막을 형성하는 단계;상기 물질막 상에 불투명막을 형성하는 단계;상기 불투명막에 이온주입공정을 실시하여 불투명막의 흡광계수를 낮추는 단계;상기 불투명막 상에 포토레지스트막을 형성하는 단계; 및상기 흡광계수가 낮아진 불투명막을 투과하는 빛을 조사하여 상기 제 1 얼라인먼트 키의 위치를 측정하는 단계를 포함하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 물질막은 평탄화된 막인 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 불투명막은 비정질탄소막인 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 불투명막과 상기 포토레지스트막 사이에 무기 하드마스크막을 형성하는 단계를 더 포함하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 이온주입 공정은 상기 무기 하드마스크막을 형성한 이후에 실시하는 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 이온주입공정에서 주입되는 이온은 질소 이온인 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 얼라인먼트 키의 위치를 측정하여 포토마스크를 기판에 정렬하는 단계;상기 포토마스크 사용하여 상기 포토레지스트를 노광하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 노광된 포토레지스트를 현상하여 제 2 얼라인먼트 키를 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및상기 제 1 얼라인먼트 키 및 상기 제 2 얼라인먼트 키의 위치를 측정하여 상기 포토레지스트 패턴의 얼라인먼트를 측정하는 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측 정방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 흡광계수는 3.5 내지 4.0으로 낮추는 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
- 반도체 기판에 제 1 얼라인먼트 키를 형성하는 단계;상기 제 1 얼라인먼트 키가 형성된 기판의 전면에 평탄화된 물질막을 형성하는 단계;상기 물질막 상에 불투명 유기막을 형성하는 단계;상기 불투명 유기막에 이온주입공정을 실시하여 흡광계수를 낮추는 단계;상기 불투명 유기막 상에 무기 하드마스크막 및 포토레지스트막을 순차적으로 형성하는 단계; 및상기 포토레지스트막, 상기 무기 하드마스크막, 상기 불투명 유기막 및 상기 물질막을 투과하는 빛을 조사하여 상기 제 1 얼라인먼트 키의 위치를 측정하는 단계를 포함하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 이온주입공정은 상기 무기 하드마스크막을 형성한 이후에 실시하는 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 유기 하드마스크막 상에 무기 하드마스크막을 형성하는 단계;상기 무기 하드마스크막 상에 얼라인먼트 키 영역을 노출시키는 희생 포토레지스트 막을 형성하는 단계;상기 희생 포토레지스트막을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 유기 하드마스크막에 이온주입공정을 실시하는 단계;및상기 희생 포토레지스트막을 제거하는 단계를 포함하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 흡광계수는 3.5 내지 4.0으로 낮추는 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 불투명 유기막은 비정질 탄소막인 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 이온주입공정에서 주입되는 이온은 질소 이온인 것을 특징으로 하는 얼 라인먼트 측정방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 제 1 얼라인먼트 키의 위치를 측정하여 포토마스크를 기판에 정렬하는 단계;상기 포토마스크 사용하여 상기 포토레지스트를 노광하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 노광된 포토레지스트를 현상하여 제 2 얼라인먼트 키를 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및상기 제 1 얼라인먼트 키 및 상기 제 2 얼라인먼트 키의 위치를 측정하여 상기 포토레지스트 패턴의 얼라인먼트를 측정하는 것을 특징으로 하는 얼라인먼트 측정방법.
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