KR20030073613A

KR20030073613A - 포토 마스크, 그 제조 방법 및 이를 이용한 웨이퍼 노광설비의 광학적 특성을 공정 중에 측정하는 방법

Info

Publication number: KR20030073613A
Application number: KR1020020013263A
Authority: KR
Inventors: 정태문; 김성혁; 최성운
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2003-09-19
Also published as: US20030175600A1; US20060204864A1; US7070891B2; KR100450674B1; US7341809B2

Abstract

포토 마스크(photo mask), 그 제조 방법 및 이를 이용한 웨이퍼 노광 설비의 광학적 특성을 공정 중에 측정하는 방법을 개시한다. 본 발명의 일 관점에 의한 포토 마스크는 기판, 및 기판 상에 형성된 십자형의 차광 영역 패턴과 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 사분면 영역에 형성되며 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 다수의 투광 영역 패턴들을 포함하는 포커스(focus) 또는 수차 측정용 패턴을 포함하여 이루어진다. 이러한 포토 마스크를 이용하여 노광 설비의 포커스 정도 및 수차를 정밀하게 측정할 수 있다.

Description

포토 마스크, 그 제조 방법 및 이를 이용한 웨이퍼 노광 설비의 광학적 특성을 공정 중에 측정하는 방법{Photo mask, manufacturing method of the same ＆ method of in field estimating optical properties of wafer exposure system using the same}

본 발명은 반도체 소자 제조에 관한 것으로, 특히, 반도체 소자 제조를 위한 사진 공정에 이용되는 포토 마스크(photo mask), 이의 제조 방법 및 이를 이용한 웨이퍼(wafer) 노광 설비의 포커스(focus) 상태 및 렌즈 수차(lens aberration) 등과 같은 노광 설비의 광학적 특성을 제조 공정 중에 측정 또는 관측하는 방법에 관한 것이다.

현재 반도체 소자 제조 공정에서 소자의 선폭(CD:Critical Dimension)이 점점 더 엄격해짐에 따라, 노광될 패턴이 렌즈의 포커스 분포 및 수차에 큰 영향을 받게 되고 있다. 따라서, 노광 설비의 제조 공정 중에서의 포커스 분포 및 수차를관리 및 파악하는 일이 더욱 중요하게 대두되고 있다.

현재까지의 노광 설비의 포커스 정도를 측정 또는 검사하기 위한 방법은 주로 주사형 전자 현미경(SEM)을 이용하여 노광 설비의 디포커스(defocus)에 따른 실제 웨이퍼 상의 패턴 CD를 측정하거나 또는 디포커스에 따른 패턴의 이동을 오버레이(overlay) 측정 설비를 이용하여 측정하는 데 집중되고 있다.

그럼에도 불구하고, 주사 전자 현미경을 이용하여 패턴의 CD를 측정하는 방법은 노광 설비의 포커스를 정확하게 측정하기가 어려운 것으로 알려지고 있다. 즉, 실제 패턴의 CD는 주사 전자 현미경으로 정밀하게 측정하는 것이 가능하지만, 이와 같이 측정된 패턴의 CD가 정확하게 노광 설비의 포커스 상태를 정확히 대변한다고 판단되기가 어렵다.

또한, 오버레이를 측정하는 방법은 비교적 노광 설비의 포커스를 정밀하게 측정할 수 있다고 알려져 있으나, 오버레이 측정 설비에서 관측될 수 있는 패턴을 위한 포토 마스크를 제조하는 데 어려움이 대두되고 있다. 오버레이 측정을 위한 패턴은 실제 소자를 위한 패턴들에 비해 매우 큰 크기의 패턴으로 제조된다. 따라서, 이러한 오버레이 측정을 위한 패턴에 대응되게 포토 마스크를 제조할 경우, 포토 마스크 상에 매우 큰 크기의 패턴이 제작되어야 한다. 그런데, 일반적으로 석영 블랭크(quartz blank)와 포토 마스크용 포토레지스트(photoresist) 사이의 접착성이 열악하다고 알려져 있다. 하지만, 큰 크기의 패턴을 포함하는 포토 마스크를 제조하기 위해서는 석영 블랭크 상의 넓은 면적을 포토레지스트 패턴으로 덮어야 하므로, 포토레지스트를 노광 및 현상할 때 형성된 포토레지스트 패턴의리프팅(lifting)이 발생하는 문제가 다수 발생할 수 있다.

따라서, 반도체 소자 제조 공정 과정 중에 보다 정밀하게 노광 설비의 포커스 및 수차 등과 같은 광학적 특성을 측정 또는 감지할 수 있는 방법 및 이에 이용될 수 있는 포토 마스크가 요구되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 반도체 소자 제조 공정 과정 중에 보다 정밀하게 노광 설비의 포커스 및 수차 등과 같은 광학적 특성을 측정 또는 감지하는 데 이용될 수 있는 포토 마스크 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기한 포토 마스크를 이용하여 반도체 소자 제조 공정 과정 중에 보다 정밀하게 노광 설비의 포커스 및 수차 등과 같은 광학적 특성을 측정 또는 감지하는 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 포토 마스크를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 포토 마스크에 채용되는 단위 패턴을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 포토 마스크에 채용되는 단위 패턴을 설명하기 위해서 도 2의 3-3' 절단선을 따라 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 포토 마스크에 채용되는 단위 패턴을 설명하기 위해서 도 2의 4-4' 절단선을 따라 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 포토 마스크에 채용되는 단위 패턴을 설명하기 위해서 도 2의 5-5' 절단선을 따라 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 의한 웨이퍼 노광 설비의 포커스(focus) 정도를 측정하는 방법을 설명하기 위해서 도시한 포커스 변화에 따른 단위 패턴의 이동 모양을 개략적으로 도시한 도면들이다.

도 9는 포커스 변화에 따른 패턴 이동 정도를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 그래프이다.

도 10 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 의한 웨이퍼 노광 설비의 수차(aberration) 정도를 측정하는 방법을 설명하기 위해서 도시한 수차 정도에 따른 단위 패턴의 이동 모양을 개략적으로 도시한 도면들이다.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

100: 측정용 단위 패턴, 110: 차광 영역 패턴,

120, 140, 160, 180: 투광 영역 패턴들,

200: 기판.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 노광 설비의 포커스 및 수차를 측정하는 데 이용되는 포토 마스크를 제공한다. 상기 포토 마스크는, 기판, 및 상기 기판 상에 형성된 차광 영역 패턴과 상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 영역에 형성되며 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 다수의 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 측정용 패턴은 상기 기판 상에 다수 개가 분포 배열될 수 있다. 상기 차광 영역 패턴은 크롬층으로 이루어질 수 있다. 상기 위상차는 90°일수 있다.

또한, 상기 포토 마스크는, 기판, 및 상기 기판 상에 십자형으로 형성된 차광 영역 패턴과, 상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 네 개의 사분면 영역에 형성되며 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 네 개의 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 포함하여 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 투광 영역 패턴들 중 어느 하나는 어느 하나의 상기 사분면 영역의 상기 기판 표면으로 이루어지고, 다른 상기 투광 영역 패턴들은 나머지 각각의 상기 사분면 영역의 상기 기판에 상호 다른 깊이로 파여진 각각의 홈으로 이루어질 수 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 관점은, 노광 설비의 포커스 및 수차를 측정하는 데 이용되는 포토 마스크를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 포토 마스크 제조 방법은, 기판 상에 차광 영역 패턴을 형성하고, 상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 영역에 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 다수의 투광 영역 패턴들을 형성하여 상기 차광 영역 패턴 및 상기 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 포토 마스크는 기판 상에 십자형의 차광 영역 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 네 개의 사분면 영역에 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 네 개의 투광 영역 패턴들을 형성하여 상기 차광 영역 패턴 및 상기 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 투광 영역 패턴들을 형성하는 단계는 상기 사분면 영역 중의 어느 하나의 영역을 어느 하나의 투광 영역 패턴으로 설정하고, 나머지 각각의 상기 사분면 영역의 상기 기판 부분들을 순차적으로 상호 다른 깊이로 선택적으로 식각하여 상호 다른 깊이의 홈 각각으로 이루어지는 나머지 투광 영역 패턴들을 순차적으로 형성하도록 수행된다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 관점은, 상기한 포토 마스크를 이용하여 웨이퍼 노광 설비의 포커스를 공정 중에 측정하는 방법을 제공한다. 상기 측정 방법은, 기판 상에 형성된 차광 영역 패턴, 및 상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 영역에 형성되며 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 다수의 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 포함하는 포토 마스크를 이용하여, 웨이퍼 상에 사진 공정을 수행하여 웨이퍼 상에 상기 측정용 패턴에 기인하는 패턴을 전사하는 단계와, 상기 웨이퍼 상에 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계, 및 상기 패턴의 변형 이동 정도로부터 노광 설비의 포커스를 측정하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 차광 영역 패턴은 상기 투광 영역 패턴들이 각각 위치하는 네 개의 사분면 영역을 구분짓는 십자형으로 형성되고, 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도는 상기 투광 영역 패턴들로부터 기인하여 전사된 패턴들 상호 간의 변형 이동 정도로부터 측정된다. 여기서, 상기 투광 영역 패턴들 중의 어느 하나는 상기 사분면 영역 중의 어느 하나의 영역의 상기 기판으로 이루어지고, 다른 상기 투광 영역 패턴들은 나머지 각각의 상기 사분면 영역의 상기 기판에 상호 다른 깊이로 파여진 각각의 홈으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도는 상기 투광 영역 패턴들로부터 기인하여 전사된 패턴들 상호 간의 상하 또는 좌우 어느 일 방향으로의 변형 이동 정도로부터 측정된다.

상기 측정 방법은 상기 측정용 패턴을 상기 포토 마스크의 기판 상에 다수 개 분포 배열시켜 상기 분포된 측정용 패턴들 각각에 기인하는 전사된 패턴들 각각의 변형 이동 정도를 측정하여 상기 포토 마스크에 대응되는 상기 웨이퍼 상의 영역에 대한 포커스 지도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 노광 설비의 포커스 정도를 달리하며 상기 패턴을 전사하는 단계 및 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계를 다수 번 수행하여 상기 노광 설비의 최적의 포커스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도는 상기 전사된 패턴을 주사형 전자 현미경으로 관측하여 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정할 수 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 관점은, 상기한 포토 마스크를 이용하여 웨이퍼 노광 설비의 수차를 공정 중에 측정하는 방법을 제공한다. 상기 측정 방법은, 기판 상에 형성된 차광 영역 패턴, 및 상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 영역에 형성되며 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 다수의 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 포함하는 포토 마스크를 이용하여, 웨이퍼 상에 사진 공정을 수행하여 웨이퍼 상에 상기 측정용 패턴에 기인하는 패턴을 전사하는 단계와, 상기 웨이퍼 상에 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계, 및 상기 패턴의 이동 정도로부터 노광 설비의 수차를 측정하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 차광 영역 패턴은 상기 투광 영역 패턴들이 각각 위치하는 네 개의 사분면 영역을 구분짓는 십자형으로 형성되고, 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도는 상기 투광 영역 패턴들로부터 기인하여 전사된 패턴들 상호 간의 변형 이동 정도로부터 측정될 수 있다. 이때, 상기 투광 영역 패턴들 중의 어느 하나는 상기 사분면 영역 중의 어느 하나의 영역의 상기 기판으로 이루어지고, 다른 상기 투광 영역 패턴들은 나머지 각각의 상기 사분면 영역의 상기 기판에 상호 다른 깊이로 파여진 각각의 홈으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도는 상기 투광 영역 패턴들로부터 기인하여 전사된 패턴들 상호 간의 상하 또는 좌우 어느 일 방향으로 발생된 변형 이동 정도로부터 측정될 수 있다.

상기 측정 방법은 상기 측정용 패턴을 상기 포토 마스크의 기판 상에 다수 개 분포 배열시켜 상기 분포된 측정용 패턴들 각각에 기인하는 전사된 패턴들 각각의 변형 이동 정도를 측정하여 상기 포토 마스크에 대응되는 상기 웨이퍼 상의 영역에 대한 수차 지도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 측정 방법은 노광 설비의 수차 정도를 달리하며 상기 패턴을 전사하는 단계 및 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계를 다수 번 수행하여 상기 노광 설비의 최적의 수차를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 수차는 비점 수차일 수 있다.

상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계는 상기 전사된 패턴을 주사형 전자 현미경으로 관측하여 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 노광 설비의 포커스 및 수차 등과 같은 광학적 특성을 공정 중에 정밀하고 용이하게 측정할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 반도체 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 상기 어떤 층은 상기 다른 층 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제3의 층이 개재되어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 노광 설비의 광학적 특성, 예컨대, 포커스 정도 및 수차를 공정 중에 측정하는 방법은 실질적으로 위상 반전형 포토 마스크를 이용하며, 이러한 위상 반전형 포토 마스크에 의해서 전사되는 패턴의 이동 정도를 주사형 전자 현미경 등을 이용하여 측정함으로써 노광 설비의 포커스 정도 및 수차를 측정한다. 본 발명의 실시예에서는 노광 설비에 의해서 전사되는 패턴의 이동 정도를 보다 확연하게 측정하기 위해서, 패턴 이동 정도를 측정하기 위한 측정용 패턴을 포함하는 포토 마스크를 제시한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 포토 마스크는 다수의 측정용 단위 패턴(100)들을 포함한다. 이러한 측정용 단위 패턴(100)은 포토 마스크 영역 내에 다수 개가 분포 배열될 수 있다. 이러한 측정용 단위 패턴(100)은 포토 마스크의 기판(200)에 사진 노광 및 선택적 식각으로 형성된다.

도 2는 도 1의 측정용 단위 패턴(100)을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 3은 도 2의 3-3' 절단선을 따라 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4는 도 2의 4-4' 절단선을 따라 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 5는 도 2의 5-5' 절단선을 따라 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 측정용 단위 패턴(100)은 차광 영역 패턴(110)과 이러한 차광 영역 패턴(110)에 의해서 구획지워지는 투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)을 포함하여 이루어진다.

차광 영역 패턴(110)은 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 투명한 석영 기판 등과 같은 포토 마스크용 기판(200) 상에 증착되어 패터닝되는 크롬 패턴으로 이루어질 수 있다. 차광 패턴(110)은 다수의 투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)을 구획짓는 경계로 역할하기 위해서, 투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)이 네 개의 구분되는 영역 패턴들로 이루어질 때 평면 상에서 볼 때 십자 형태로 이루어질 수 있다.

차광 영역 패턴(110)에 의해서 구분되는 투광 영역 패턴들(120, 140, 160,180)은 상호간에 투과하는 광들이 위상 차이를 가지도록 유도한다. 즉, 십자 형태의 차광 영역 패턴(110)은 시계 방향으로 제1사분면부터 제4사분면으로 투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)을 구분하는 데, 제1사분면의 제1투광 영역 패턴(120)에서는 투과하는 광이 0°의 위상 반전(shift)을 일으키도록 하고, 제2사분면의 제2투광 영역 패턴(140)에서는 투과하는 광이 90°의 위상 반전을 일으키도록 하고, 제3사분면의 제3투광 영역 패턴(160)에서는 투과하는 광이 180°의 위상 반전을 일으키도록 하고, 제4사분면의 제4투광 영역 패턴(180)에서는 투과하는 광이 270°의 위상 반전을 일으키도록 한다. 즉, 투광 영역 패턴(120, 140, 160,180)들은 투과하는 광들이 상호 간에 바람직하게 90°의 위상차를 가지도록 한다.

투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)을 각각 투과하는 광들에 이와 같이 위상차를 가지도록 하기 위해서, 투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)은 위상 반전 영역들로 준비된다. 예를 들어, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 투과 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)들은 기판(200) 상에 차광 영역 패턴(110)을 사진 식각 공정을 이용하여 크롬 패턴으로 형성한 후, 순차적으로 각각의 영역들을 열어서 식각하는 방법으로 형성될 수 있다.

즉, 차광 영역 패턴(110)을 형성하는 사진 식각 공정을 수행한 후, 제2투광 영역 패턴(140)을 위해서 십자형의 차광 영역 패턴(110)에 의해서 구분되는 제2사분면을 열고 도 2에서와 같이 기판(200)을 일정 깊이로 식각한다. 이때, 제1사분면은 식각하지 않음으로써 제1투광 영역 패턴(120)이 자연스럽게 형성되도록 한다. 제2사분면에서 기판(100)이 식각되는 깊이는 제2투광 영역 패턴(140)을 투과하는광이 제1사분면의 제1투광 영역 패턴(120)을 투과하는 광과 바람직하게 90°의 위상차를 갖는 깊이로 설정된다.

연후에, 도 4에 도시된 바와 같이 제3사분면을 열고 기판(200)을 상기한 제2사분면에서 식각된 깊이와 다른 깊이로 제3사분면을 식각하여 제3투광 영역 패턴(160)을 형성한다. 이때, 제3사분면에서 식각되는 깊이는 제3투광 영역 패턴(160)을 투과하는 광이 제2사분면의 제2투광 영역 패턴(140)을 투과하는 광과 바람직하게 90°의 위상차를 갖는 깊이로 설정된다. 또한, 제3사분면에서 식각되는 깊이는 제3투광 영역 패턴(160)을 투과하는 광이 제1사분면의 제1투광 영역 패턴(120)을 투과하는 광과 바람직하게 180°의 위상차를 갖는 깊이로 설정된다.

연후에, 도 5에 도시된 바와 같이 제4사분면을 열고 기판(200)을 상기한 제3사분면에서 식각된 깊이와 다른 깊이로 제4사분면을 식각하여 제4투광 영역 패턴(180)을 형성한다. 이때, 제4사분면에서 식각되는 깊이는 제4투광 영역 패턴(180)을 투과하는 광이 제3투광 영역 패턴(160)을 투과하는 광과 바람직하게 90°의 위상차를 갖는 깊이로 설정된다. 또한, 제4사분면에서 식각되는 깊이는 제4투광 영역 패턴(180)을 투과하는 광이 제1사분면의 제1투광 영역 패턴(120)을 투과하는 광과 바람직하게 270°의 위상차를 갖는 깊이로 설정된다.

이와 같이 구성되는 측정용 단위 패턴(100)은 각각의 투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)을 투광하는 광들 간에 위상차를 부여함으로써, 노광 설비의 포커스 정도 또는 수차 등과 같은 광학적 특성에 의해서 웨이퍼 상의 패턴 이동이 보다 확연하게 관측될 수 있도록 유도할 수 있다. 도 2에서 이러한 측정용 단위 패턴(100)의 차광 영역 패턴(110)이 네 개의 사분면을 구획짓도록 십자형으로 형성되는 예를 제시하였으나, 필요에 따라 차광 영역 패턴(110)은 여러 개의 사분면, 예를 들어, 4배수개의 사분면들을 구획짓도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 차광 영역 패턴(110)은 여덟 개의 사분면을 구획짓도록 변형될 수 있다.

이러한 측정용 단위 패턴(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 포토 마스크의 다수 개가 분포되게 배열될 수 있다. 노광 설비의 포커스 정도 등을 단순히 측정할 경우에는 하나의 측정용 단위 패턴(110)으로도 가능하다. 그럼에도 불구하고, 웨이퍼 상의 노광되는 영역 전역에 걸친 포커스 지도(focus map)를 얻어 전체적인 포커스 정도를 얻거나, 웨이퍼 상의 노광되는 영역 전역에 걸친 수차 지도(aberration map)를 얻어 전체적인 수차 정도를 얻을 경우에, 포토 마스크 전 영역에 상기한 측정용 단위 패턴(100)들을 다수 분포시킬 수 있다. 이러한 경우 측정용 단위 패턴(100)들에 대응되는 각각의 위치에서의 노광 설비의 포커스 정도 및 수차를 각각 얻을 수 있고, 이를 조합하면 상기한 포커스 지도 또는 수차 지도를 얻을 수 있다. 이러한 포커스 지도 또는 수차 지도를 얻음으로써, 노광 설비에 대한 최적의 광학적 특성, 즉, 포커스 정도 또는 수차를 측정하고 실제 웨이퍼 노광 공정에 피드 백(feed back)하여 적용할 수 있다.

상술한 바와 같은 측정용 단위 패턴(100)을 포함하는 포토 마스크를 이용하여 노광 설비의 광학적 특성, 예컨대, 포커스 정도 및 수차를 측정하는 방법을 실례를 들어 설명한다.

먼저, 본 발명의 실시예에서 제시하는 바와 같은 포토 마스크를 이용하여 사진 노광 설비로 포커스를 변화시켜 가며 웨이퍼 상의 포토레지스트층에 노광 및 현상을 수행한다. 이때, 현상된 웨이퍼 상, 실질적으로는 현상된 포토레지스트층을 주사형 전자 현미경을 이용하여 관측한다. 이때, 주사형 전자 현미경으로 관측할 대상은 포토 마스크 상에 준비된 측정용 단위 패턴(100)이 전사되어 형성된 패턴이 된다. 이와 같이 주사형 전자 현미경으로 관측되는 측정용 단위 패턴(100)에 대응되어 실질적으로 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 예들은 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같다.

도 6은 디포커스(defocus)를 0.0㎛로 설정한 경우 관측되는 패턴 형상이고, 도 7은 디포커스를 -0.3㎛로 설정한 경우 관측되는 패턴 형상이고, 도 8은 디포커스를 -0.6㎛로 설정한 경우 관측되는 패턴 형상이다. 도 6 내지 도 8에서 "300"으로 지칭되는 선들은 실제 웨이퍼 상에 관측되는 실제 패턴의 윤곽선을 나타낸다. 웨이퍼 상에서 관측되는 실제 패턴(300)은 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 노광 설비에서 설정한 포커스 정도에 따라 그 패턴 모양에 있어서 변형이 발생한 상태를 나타내게 된다.

도 6에서 이러한 실제 패턴(300)은 측정용 단위 패턴(100)의 차광 영역 패턴(도 2의 110)과 투광 영역 패턴들(도 2의 120, 140, 160, 180)에 의한 형상 또는 패턴이 전사된 것이다. 이때, 투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)은 투과하는 광들에 위상차를 부여하는 기능을 가지므로, 이러한 투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)들이 전사된 실제 패턴(300)에는 노광 설비의 포커스 정도에 따라 변형이 확연하게 발생되게 된다.

도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 측정되는 실제 패턴(300)의 변형 정도를 측정하면, 노광 설비의 포커스별 실제 패턴(300)의 변형 정도를 수치화할 수 있다. 이러한 수치화에 의해서 노광 설비의 최적 포커스, 즉, 패턴의 변형이 발생하지 않거나 최소화되는 포커스를 찾아낼 수 있다. 이때, 실제 패턴(300)의 변형 정도는 실제 패턴(300)의 윤곽선의 가로선 혹은 세로선의 위/아래 혹은 좌/우로의 패턴 이동 정도로 측정할 수 있다.

도 6 내지 도 8에서 제1투광 영역 패턴(120)에 대응되는 실제 패턴(300)만을 고려하면, 도 7에서의 실제 패턴(300)의 이동이 도 6 및 도 7에 비해 최소화된 것을 알 수 있다. 또한, 도 6에서는 실제 패턴(300)이 도 7에 비해 가로 방향으로 우측으로 변형되어 이동된 것을 알 수 있으며, 도 8을에서는 도 7에 비해 가로 방향으로 좌측으로 변형되어 이동된 것을 알 수 있다.

이와 같이 노광 설비의 디포커스 정도에 따른 패턴의 이동 또는 변형 정도를 수치화하여 비교하면, 패턴의 이동 또는 변형이 최소화되거나 일어나지 않는 최적의 포커스를 얻을 수 있다. 즉, 도 7에서의 디포커스 값이 최적의 노광 설비의 포커스 값으로 간주할 수 있다.

도 9는 노광 설비의 디포커스 정도에 따라 패턴 이동 정도를 비교 도시한 그래프(graph)이다. 도 9의 그래프에 따르면, 대략 -0.3㎛의 디포커스 정도를 최적의 포커스 값으로 얻을 수 있다.

이제까지 도 6 내지 도 9를 참조하여 하나의 측정용 단위 패턴(100)에 대해서 디포커스 정도에 따른 패턴의 이동 정도를 고려하여 노광 설비의 최적의 포커스값을 찾는 바를 설명하였으나, 다수의 측정용 단위 패턴(100)들 각각의 위치에서 상기한 바와 같은 측정을 수행하면 측정용 단위 패턴(100)들 각각의 위치에서의 노광 설비의 포커스 지도를 측정할 수 있다. 이러한 포커스 지도를 측정하여 얻음으로 인해서, 노광되는 영역 전체에 걸친 최적의 포커스 값을 얻을 수 있다.

이와 같이 측정용 단위 패턴(100)을 포함하는 포토 마스크를 이용하여 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 변형 또는 이동 정도로부터 노광 설비의 수차, 특히, 비점 수차(astigmatism aberration)를 관측할 수 있다. 노광 설비의 포커스가 최적의 포커스 값으로 설정된 경우에도 어느 한 방향으로의 패턴 변형이 발생할 수 있는 데 이는 실질적으로 크게 비점 수차 정도에 의존한다고 알려져 있다. 만약, 노광 설비가 비점 수차를 가지고 있으면, 어느 한쪽 방향, 예를 들어, 좌우 방향으로 최적의 포커스여서 좌우 방향으로의 패턴 변형이 발생하지 않을 경우에도 다른 방향, 예를 들어, 상하 방향으로는 최적의 포커스가 아니어서 상하 방향으로의 패턴 변형이 발생될 수 있다. 이러한 패턴 변형 정도는 노광 설비의 비점 수차 정도에 의존한다.

이러한 노광 설비의 비점 수차를 본 발명의 실시예에서 제시하는 측정용 단위 패턴(100)을 포함하는 포토 마스크를 이용하여 측정할 수 있다.

먼저, 본 발명의 실시예에서 제시하는 바와 같은 포토 마스크를 이용하여 사진 노광 설비로 디포커스(defocus)를 변화시켜 가며 웨이퍼 상의 포토레지스트층에 노광 및 현상을 수행한다. 이때, 현상된 웨이퍼 상, 실질적으로는 현상된 포토레지스트층을 주사형 전자 현미경을 이용하여 관측한다. 이때, 주사형 전자 현미경으로 관측할 대상은 포토 마스크 상에 준비된 측정용 단위 패턴(100)이 전사되어 형성된패턴이 된다. 이와 같이 주사형 전자 현미경으로 관측되는 측정용 단위 패턴(100)에 대응되어 실질적으로 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 예들은 도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같다.

도 10은 사진 노광 설비가 0.05λ의 비점 수차를 가지고 있을 경우 관측되는 패턴 형상이고, 도 11은 비점 수차 0.1λ을 가지고 있을 경우 관측되는 패턴 형상이고, 도 12는 비점 수차 0.15λ를 가지고 있을 경우 관측되는 패턴 형상이고, 도 13은 비점 수차 0.2λ를 가지고 있을 경우 관측되는 패턴 형상이다. 도 10 내지 도 13에서 "400"으로 지칭되는 선들은 실제 웨이퍼 상에 관측되는 실제 패턴의 윤곽선을 나타낸다. 웨이퍼 상에서 관측되는 실제 패턴(400)은 도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이 노광 설비에서 설정한 비점 수차 정도에 따라 그 패턴 모양에 있어서 변형이 발생한 상태를 나타내게 된다.

도 10에서 이러한 실제 패턴(400)은 측정용 단위 패턴(100)의 차광 영역 패턴(도 2의 110)과 투광 영역 패턴들(도 2의 120, 140, 160, 180)에 의한 형상 또는 패턴이 전사된 것이다. 이때, 투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)은 투과하는 광들에 위상차를 부여하는 기능을 가지므로, 이러한 투광 영역 패턴들(120, 140, 160, 180)들이 전사된 실제 패턴(400)에는 노광 설비의 비점 수차 정도에 따라 변형이 확연하게 발생되게 된다.

도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이 실질적으로 상하 방향으로의 실제 패턴(400)의 변형 정도는 극히 미미하다. 따라서, 상하 방향으로의 포커스는 최적화된 상태임을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고, 좌우 방향으로 실제 패턴(400)이 비점 수차 정도에 따라 변형 또는 이동되고 있음이 도 10 내지 도 13에 나타나고 있다. 따라서, 이러한 비점 수차 정도에 따른 패턴 이동 정도를 수치화 또는 비교함으로써, 노광 설비의 최적의 비점 수차를 즉, 패턴의 변형이 발생하지 않거나 최소화되는 비점 수차를 찾아낼 수 있다.

이제까지 도 10 내지 도 13을 참조하여 하나의 측정용 단위 패턴(100)에 대해서 비점 수차 정도에 따른 패턴의 이동 정도를 고려하여 노광 설비의 최적의 비점 수차 값을 찾는 바를 설명하였으나, 다수의 측정용 단위 패턴(100)들 각각의 위치에서 상기한 바와 같은 측정을 수행하면 측정용 단위 패턴(100)들 각각의 위치에서의 노광 설비의 비점 수차 지도를 측정할 수 있다. 이러한 비점 수차 지도를 측정하여 얻음으로 인해서, 노광되는 영역 전체에 걸친 최적의 비점 수차 값을 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에서 제시하는 측정용 단위 패턴을 포함하는 포토 마스크를 이용함으로써 사진 노광 설비의 포커스 및 수차 등과 같은 광학적 특성을 정밀하게 측정할 수 있다. 이와 같이 측정되는 포커스 및 수차 등을 이용하여 노광 설비의 최적 포커스 및 최적 수차 관리가 가능하고, 반도체 소자 제조 공정 진행 중에 노광 설비의 포커스 및 수차의 분석이 가능하다. 따라서, 제조되는 반도체 소자의 품질 향상을 도모할 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

상술한 본 발명에 따르면, 반도체 소자를 제조하는 공정, 특히, 노광 및 현상 공정의 사진 공정 중에 노광 설비의 포커스 및 수차를 정밀하고 용이하게 분석하는 것이 가능하다. 또한, 노광 설비의 최적 포커스 및 최적 수차를 공정 중에 얻을 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 품질 향상을 구현할 수 있다.

Claims

기판; 및

상기 기판 상에 형성된 차광 영역 패턴, 및

상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 영역에 형성되며 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 다수의 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
제1항에 있어서,

상기 측정용 패턴은 상기 기판 상에 다수 개가 분포 배열되는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
제1항에 있어서,

상기 차광 영역 패턴은 크롬층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
제1항에 있어서,

상기 위상차는 90°인 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
기판; 및

상기 기판 상에 십자형으로 형성된 차광 영역 패턴, 및

상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 네 개의 사분면 영역에 형성되며 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 네 개의 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
제5항에 있어서,

상기 측정용 패턴은 상기 기판 상에 다수 개가 분포 배열되는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
제5항에 있어서,

상기 차광 영역 패턴은 크롬층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
제5항에 있어서,

상기 위상차는 90°인 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
제1항에 있어서,

상기 투광 영역 패턴들 중 어느 하나는 어느 하나의 상기 사분면 영역의 상기 기판 표면으로 이루어지고, 다른 상기 투광 영역 패턴들은 나머지 각각의 상기 사분면 영역의 상기 기판에 상호 다른 깊이로 파여진 각각의 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
기판 상에 차광 영역 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 영역에 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 다수의 투광 영역 패턴들을 형성하여 상기 차광 영역 패턴 및 상기 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크 제조 방법.
제10항에 있어서,

상기 기판 상에 상기 측정용 패턴을 다수 개 분포 배열시키는 것을 특징으로 하는 포토 마스크 제조 방법.
기판 상에 십자형의 차광 영역 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 네 개의 사분면 영역에 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 네 개의 투광 영역 패턴들을 형성하여 상기 차광 영역 패턴 및 상기 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크 제조 방법.
제12항에 있어서,

상기 측정용 패턴은 상기 기판 상에 다수 개가 분포 배열되는 것을 특징으로 하는 포토 마스크 제조 방법.
제12항에 있어서, 상기 투광 영역 패턴들을 형성하는 단계는

상기 사분면 영역 중의 어느 하나의 영역을 어느 하나의 투광 영역 패턴으로 설정하고,

나머지 각각의 상기 사분면 영역의 상기 기판 부분들을 순차적으로 상호 다른 깊이로 선택적으로 식각하여 상호 다른 깊이의 홈 각각으로 이루어지는 나머지 투광 영역 패턴들을 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크 제조 방법.
기판 상에 형성된 차광 영역 패턴, 및 상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에의해서 구분되어지는 영역에 형성되며 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 다수의 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 포함하는 포토 마스크를 이용하여,

웨이퍼 상에 사진 공정을 수행하여 웨이퍼 상에 상기 측정용 패턴에 기인하는 패턴을 전사하는 단계;

상기 웨이퍼 상에 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계; 및

상기 패턴의 변형 이동 정도로부터 노광 설비의 포커스를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 포커스를 공정 중에 측정하는 방법.
제15항에 있어서,

상기 위상차는 90°인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 포커스를 공정 중에 측정하는 방법.
제15항에 있어서,

상기 차광 영역 패턴은 상기 투광 영역 패턴들이 각각 위치하는 네 개의 사분면 영역을 구분짓는 십자형으로 형성되고,

상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도는 각기 상기 사분면 영역인 상기 투광 영역 패턴들로부터 기인하여 전사된 패턴들 상호 간의 변형 이동 정도로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 포커스를 공정 중에 측정하는 방법.
제17항에 있어서,

상기 투광 영역 패턴들 중의 어느 하나는 상기 사분면 영역 중의 어느 하나의 영역의 상기 기판으로 이루어지고,

다른 상기 투광 영역 패턴들은 나머지 각각의 상기 사분면 영역의 상기 기판에 상호 다른 깊이로 파여진 각각의 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 포커스를 공정 중에 측정하는 방법.
제17항에 있어서,

상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도는 상기 투광 영역 패턴들로부터 기인하여 전사된 패턴들 상호 간의 상하 또는 좌우 어느 일 방향으로의 변형 이동 정도로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 포커스를 공정 중에 측정하는 방법.
제15항에 있어서,

상기 측정용 패턴을 상기 포토 마스크의 기판 상에 다수 개 분포 배열시켜 상기 분포된 측정용 패턴들 각각에 기인하는 전사된 패턴들 각각의 변형 이동 정도를 측정하여 상기 포토 마스크에 대응되는 상기 웨이퍼 상의 영역에 대한 포커스 지도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 포커스를 공정 중에 측정하는 방법.
제15항에 있어서,

노광 설비의 포커스 정도를 달리하며 상기 패턴을 전사하는 단계 및 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계를 다수 번 수행하여 상기 노광 설비의 최적의 포커스를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 포커스를 공정 중에 측정하는 방법.
제15항에 있어서,

상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계는 상기 전사된 패턴을 주사형 전자 현미경으로 관측하여 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 포커스를 공정 중에 측정하는 방법.
기판 상에 형성된 차광 영역 패턴, 및 상기 기판의 상기 차광 영역 패턴에 의해서 구분되어지는 영역에 형성되며 상기 영역을 투과하는 광들에 각기 차이나는 위상 반전을 야기하여 위상차를 부여하는 다수의 투광 영역 패턴들을 포함하는 측정용 패턴을 포함하는 포토 마스크를 이용하여,

웨이퍼 상에 사진 공정을 수행하여 웨이퍼 상에 상기 측정용 패턴에 기인하는 패턴을 전사하는 단계;

상기 웨이퍼 상에 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계; 및

상기 패턴의 이동 정도로부터 노광 설비의 수차를 측정하는 단계를 포함하는것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 수차를 공정 중에 측정하는 방법.
제23항에 있어서,

상기 위상차는 90°인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 수차를 공정 중에 측정하는 방법.
제23항에 있어서,

상기 차광 영역 패턴은 상기 투광 영역 패턴들이 각각 위치하는 네 개의 사분면 영역을 구분짓는 십자형으로 형성되고,

상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도는 각기 상기 사분면 영역인 상기 투광 영역 패턴들로부터 기인하여 전사된 패턴들 상호 간의 변형 이동 정도로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 수차를 공정 중에 측정하는 방법.
제25항에 있어서,

상기 투광 영역 패턴들 중의 어느 하나는 상기 사분면 영역 중의 어느 하나의 영역의 상기 기판으로 이루어지고,

다른 상기 투광 영역 패턴들은 나머지 각각의 상기 사분면 영역의 상기 기판에 상호 다른 깊이로 파여진 각각의 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 수차를 공정 중에 측정하는 방법.
제26항에 있어서,

상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도는 상기 투광 영역 패턴들로부터 기인하여 전사된 패턴들 상호 간의 상하 또는 좌우 어느 일 방향으로 발생된 변형 이동 정도로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 수차를 공정 중에 측정하는 방법.
제23항에 있어서,

상기 측정용 패턴을 상기 포토 마스크의 기판 상에 다수 개 분포 배열시켜 상기 분포된 측정용 패턴들 각각에 기인하는 전사된 패턴들 각각의 변형 이동 정도를 측정하여 상기 포토 마스크에 대응되는 상기 웨이퍼 상의 영역에 대한 수차 지도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 수차를 공정 중에 측정하는 방법.
제23항에 있어서,

노광 설비의 수차 정도를 달리하며 상기 패턴을 전사하는 단계 및 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계를 다수 번 수행하여 상기 노광 설비의 최적의 수차를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 수차를 공정 중에 측정하는 방법.
제29항에 있어서,

상기 수차는 비점 수차인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 수차를 공정 중에 측정하는 방법.
제23항에 있어서,

상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 단계는 상기 전사된 패턴을 주사형 전자 현미경으로 관측하여 상기 전사된 패턴의 변형 이동 정도를 측정하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 노광 설비의 수차를 공정 중에 측정하는 방법.