KR20060047284A - 포토 마스크 상에 형성된 패턴들의 크기를 측정하기 위한장치 및 방법 - Google Patents

포토 마스크 상에 형성된 패턴들의 크기를 측정하기 위한장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

포토 마스크 상에 형성된 패턴들의 크기를 측정하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 이 방법은 포토 마스크의 회로 패턴들의 위치를 규정하는 설계 데이터를 준비하고, 상기 설계 데이터를 이용하여 상기 포토 마스크를 제작하고, 소정 파장의 측정광을 상기 포토 마스크의 소정영역에 투과시킨 후, 상기 투과된 측정광의 분광학적 상태를 측정하는 단계를 포함한다. 이후, 상기 설계 데이터를 이용하여 상기 투과된 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 크기 사이의 관계를 규정하는 광-크기 데이터를 준비한 후, 상기 투과된 측정광의 측정된 분광학적 상태를 상기 광-크기 데이터와 비교하여 상기 측정광이 투과한 영역에서 상기 회로 패턴들의 크기를 결정한다.

Description

포토 마스크 상에 형성된 패턴들의 크기를 측정하기 위한 장치 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING DIMENSION OF PATTERNS FORMED ON PHOTOMASK}
도 1은 이미지를 이용하여 패턴의 크기를 측정하는 종래의 방법을 설명하기 위한 도면;
도 2는 반사 스펙트럼을 이용하여 패턴의 크기를 측정하는 종래의 방법을 설명하기 위한 순서도;
도 3 내지 도 5는 포토 마스크에 형성되는 다양한 패턴들을 도시하는 도면들;
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 패턴 크기 측정 장치를 개략적으로 나타내는 구성도;
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 패턴 크기 측정 장치를 개략적으로 나타내는 구성도;
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 패턴 크기 측정 장치를 개략적으로 나타내는 구성도;
도 9은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 패턴 크기의 측정 방법을 설명하기 위한 순서도;
도 10은 본 발명에 따른 측정 방법을 이용하여 측정한 결과를 도시하는 투과 율-밀도 그래프;
도 11는 다양한 측정 방법들을 이용하여 측정한 결과를 도시하는 크기 그래프이다.
본 발명은 포토 마스크 상에 형성된 패턴들의 크기를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 집적 회로의 제조 공정은 포토 마스크에 형성된 회로 패턴을 웨이퍼 상에 도포된 웨이퍼 포토레지스트막(wafer photoresist layer)으로 전사시키는 사진 공정의 단계를 포함한다. 상기 사진 공정을 통해 형성되는 웨이퍼 포토레지스트 패턴은 그 하부에 놓인 물질막을 식각하기 위한 마스크로 사용된다. 이때, 상기 웨이퍼 포토레지스트 패턴의 임계 치수(critical dimension, CD)는 반도체 제품의 집적도를 결정하는 가장 중요한 기술적 변수이며, 상기 집적도는 상기 반도체 제품의 가격에 영향을 주는 주된 기술적 요인이다. 따라서, 상기 웨이퍼 포토레지스트 패턴의 임계 치수를 줄이기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.
한편, 상기 웨이퍼 포토레지스트 패턴의 선폭 균일성(uniformity)은 제품의 수율에 크게 영향을 미치기 때문에, 선폭 균일성의 향상을 수반하지 않는 집적도의 증가는 아무런 기술적 이점이 없다. 이에 따라, 상기 선폭 균일성을 집적도의 증가에 상응하여 향상시키기 위한 다양한 기술들이 제안되고 있다. 이때, 상기 웨이퍼 포토레지스트 패턴은 상기 포토 마스크(photo mask)에 형성된 회로 패턴이 상기 사진 공정을 통해 전사된 결과물이기 때문에, 상기 웨이퍼 포토레지스트 패턴의 형태적 특성들은 상기 포토 마스크의 상응하는 특성에 본질적으로 영향을 받는다. 특히, 상기 전사 과정에서의 비선형적 특성에 의해, 상기 웨이퍼 포토레지스트 패턴의 선폭이 상기 전사 과정의 축소 배율보다 더 큰 비율로 변하는 문제가 나타난다. 이에 따라, 상기 사진 공정에서 사용되는 포토 마스크는 상기 선폭 균일성 등의 항목이 포함된 소정의 검사를 통과해야 한다.
종래의 방법에 따르면, 패턴의 상(image) 또는 패턴으로부터 반사된 반사 스펙트럼이 상기 포토 마스크의 선폭 균일성을 측정하는 과정에 이용된다. 상기 상을 이용하는 방법은, 도 1에 도시한 것처럼, 모니터와 같은 시각 장치에 패턴의 상을 디스플레이한 후, 패턴의 경계에서 상의 밝기(1)가 변하는 현상을 이용하여 상기 패턴의 크기를 측정하는 방법이다. 하지만, 이처럼 상(10)을 이용한 측정 방법에서, 측정 오차는 촬영의 해상도에 의해 결정되기 때문에, 패턴의 크기를 측정하기 위해서는, 요구되는 측정 오차보다 작은 크기까지도 구별할 수 있는 해상도를 갖는 촬영 방법이 필요하다. 이처럼 높은 해상도를 제공하기 위해, 상기 상(10)을 이용한 측정 방법에는 일반적으로 주사전자현미경(SEM)이 사용된다. 한편, 상기 회로 패턴들은 같은 모양으로 설계되었을지라도 위치에 따라 약간씩 다른 크기를 가질 수 있다. 이에 따라, 의미있는 측정 결과를 얻기 위해서는 매우 많은 수의 측정이 필요하다. 하지만, 상기 SEM을 이용한 측정 방법은 무시할 수 없는 내재적 측정 오차를 가질 뿐만 아니라, 측정 시간이 과다하게 소요된다. 이에 따라, 상기 SEM 측 정 방법에서 의미있는 측정 결과를 얻기 위해서는 많은 시간 및 많은 비용이 소요된다.
반면, 반사 스펙트럼을 이용하는 방법은, 도 2에 도시한 것처럼, 상기 포토 마스크의 설계 데이터로부터 준비된 (반사 스펙트럼과 패턴 크기 사이의 관계를 규정하는) 반사 스펙트럼-크기 데이터를 이용하는 단계를 포함한다. 상기 반사 스펙트럼은 복잡한 반사 과정의 결과이기 때문에, 이론적 접근을 통해 유효한 반사 스펙트럼-크기 데이터를 얻는 것은 제한적인 경우(예를 들면, 도 3에 도시한 것처럼 규칙적으로 반복되는 직선 형태의 패턴들)에 대해서만 가능하다. 이에 따라, 도 4 또는 도 5와 같이 복잡한 모양을 갖는 패턴들에 대해 유효한 반사 스펙트럼-크기 데이터를 얻기 위해서는, 다른 테스트 마스크를 사용하여 상기 반사 스펙트럼-크기 데이터를 결정하는 단계를 포함하는 것과 같은 경험적 방법이 필요하다. 이러한 경험적 방법은 과다하게 많은 시간과 비용이 소요됨에도 불구하고, 패턴 모양이 복잡해질 경우 그다지 유효한 반사 스펙트럼-크기 데이터를 생성하지 못한다. 이에 따라, 상기 반사 스펙트럼을 이용하는 방법은 도 3과 같이 매우 단순한 모양의 회로 패턴들을 갖는 포토 마스크(예를 들면, 활성 영역을 정의하기 위한 ISO 마스크)에 대해서만 사용되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 포토 마스크에 형성된 패턴들의 크기를 빠르면서 정확하게 측정할 수 있는 크기 측정 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 포토 마스크에 형성된 패턴들 의 크기를 빠르면서 정확하게 측정할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 모양에 대한 의존성없이, 높은 정확성을 가지고 미세한 패턴의 크기를 측정할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 투과 분광학적 방식으로 포토 마스크의 패턴 크기를 측정할 수 있는 측정 장치를 제공한다. 이 장치는 소정 파장의 측정광을 방출하는 광원, 상기 측정광을 수신하는 투과 검출기, 상기 광원과 상기 투과 검출기 사이에 배치되는 스테이지 및 상기 투과 검출기에 연결되는 제어기를 구비한다. 이때, 상기 스테이지에는 소정 크기의 회로 패턴들이 형성된 포토 마스크가 안착되고, 상기 제어기에는 상기 수신되는 측정광의 분광학적 특성으로부터 상기 회로 패턴들의 크기를 결정하는 크기 결정 알고리즘(algorithm for deciding dimension)이 내장된다.
이때 추가로 광원과 스테이지 사이에는 제 1 광학계가 배치되고, 스테이지와 투과 검출기 사이에는 제 2 광학계가 배치될 수 있다. 상기 제 1 광학계는 상기 광원으로부터의 측정광을 상기 스테이지에 안착된 포토 마스크로 입사되도록 하고, 상기 제 2 광학계는 상기 포토 마스크를 통과한 측정광을 상기 투과 검출기로 입사되도록 한다. 이때 상기 제 1 광학계는 상기 광원으로부터의 측정광을 점광원 또는 면광원 형태로 상기 포토 마스크로 입사되도록 한다. 상기 제 1 광학계가 상기 포토 마스크에 면광원이 입사될 수 있도록 구성된 경우에는 상기 투과 검출기를 이미지 센서로 구비하여, 상기 포토 마스크를 통과한 광을 이미지로 손쉽게 얻어낼 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제어기에는 상기 회로 패턴들의 밀도와 크기 사이의 관계를 규정하는 밀도-크기 데이터(density-dimension data), 상기 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 밀도 사이의 관계를 규정하는 광-밀도 데이터(spectrum-density data) 및 상기 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 크기 사이의 관계를 규정하는 광-크기 데이터(spectrum-dimension data)가 내장된다. 상기 크기 결정 알고리즘은 상기 측정광의 측정된 분광학적 특성을 상기 광-크기 데이터와 비교하는 단계를 포함한다.
이에 더하여, 상기 제어기에는 상기 밀도-크기 데이터를 추출하기 위한 밀도-크기 알고리즘(density-dimension algorithm) 및 상기 밀도-크기 데이터 및 상기 광-밀도 데이터로부터 상기 광-크기 데이터를 생성하기 위한 광-크기 알고리즘(spectrum-dimension algorithm)이 내장된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어기는 상기 회로 패턴들의 위치를 규정하는 설계 데이터를 저장하는 소정의 기억 장치에 더 연결될 수 있다. 이때, 상기 밀도-크기 알고리즘은 상기 설계 데이터로부터 상기 밀도-크기 데이터를 추출한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 광원은 소정의 대역(band) 폭을 가지면서 기준 파장이 대략 0.001 내지 500nm의 범위인 빛을 이용하되, 바람직하게는 소정의 대역 폭을 갖는 원자외선(Deep Ultra-violet, DUV)을 이용한다.
상기 다른 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 투과 분광학적 방식으로 포토 마스크를 측정하는 단계를 포함하는 포토 마스크의 크기 측정 방법을 제 공한다. 이 방법은 포토 마스크의 회로 패턴들의 위치를 규정하는 설계 데이터를 준비하고, 상기 설계 데이터를 이용하여 상기 포토 마스크를 제작하고, 소정 파장의 측정광을 상기 포토 마스크의 소정영역에 투과시킨 후, 상기 투과된 측정광의 분광학적 상태를 측정하는 단계를 포함한다. 이후, 상기 설계 데이터를 이용하여 상기 투과된 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 크기 사이의 관계를 규정하는 광-크기 데이터를 준비한 후, 상기 투과된 측정광의 측정된 분광학적 상태를 상기 광-크기 데이터와 비교하여 상기 측정광이 투과한 영역에서 상기 회로 패턴들의 크기를 결정한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 측정광으로는 소정의 대역(band) 폭을 가지면서 기준 파장이 대략 0.001 내지 500nm의 범위인 빛이 사용되며, 바람직하게는 소정의 대역 폭을 갖는 원자외선이 사용된다.
또한, 상기 측정광의 분광학적 상태를 측정하는 단계는 상기 포토 마스크의 소정영역을 투과한 측정광의 투과율을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 측정광을 이용하여 상기 포토 마스크의 소정영역을 투과시키는 단계는 소정의 광분배기를 이용하여 상기 측정광을 상기 포토 마스크를 투과하는 투과광과 상기 포토 마스크를 투과하지 않는 기준광으로 나누는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 투과율을 측정하는 단계는 상기 기준광과 상기 투과광의 측정된 세기를 비교하는 단계를 포함한다.
상기 광-크기 데이터를 준비하는 단계는 상기 설계 데이터를 이용하여 상기 회로 패턴들의 밀도와 크기 사이의 관계를 규정하는 밀도-크기 데이터를 준비하고, 상기 투과된 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 밀도 사이의 관계를 규정하는 광-밀도 데이터를 준비하고, 상기 투과된 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 크기 사이의 관계를 규정하는 상기 광-크기 데이터를 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 광-크기 데이터는 상기 밀도-크기 데이터 및 상기 광-밀도 데이터를 이용하여 준비된다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 광-밀도 데이터는 상기 회로 패턴의 모양에 대한 의존성을 갖지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 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 상에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 포토 마스크의 패턴 크기 측정을 위한 시스템을 개략적으로 나타내는 장치 구성도이다.
도 6을 참조하면, 이 시스템(100)은 소정 파장의 측정광(measuring light, 115)을 생성하는 광원(light source, 110) 및 포토 마스크(150)가 안착되는 스테이지(stage, 140)를 포함한다. 상기 광원(110)과 상기 스테이지(140) 사이에는 상기 광원(110)으로부터 방출되는 상기 측정광(115)을 투과광(transmitted light, 125)과 기준광(standard light, 135)으로 나누는 광분배기(beam splitter, 170)가 배치된다. 상기 투과광(125)은 상기 포토 마스크(150)를 투과하는 투과 경로를 갖고, 상기 기준광(135)은 상기 포토 마스크(150)를 지나지 않는 기준 경로를 갖는다.
상기 측정광(115)은 대략 0.001 내지 500nm의 파장을 갖는 빛이다. 바람직하게는, 단일 파장이 아니라 소정의 대역(band) 폭을 갖는 빛이 상기 측정광(115)으로 사용된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 측정광(115)은 소정의 대역 폭을 갖는 원자외선(Deep Ultra-violet, DUV)을 사용한다. 상기 광분배기(170)는 반도금 거울(half-silvered mirror)인 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 상기 투과광(125)은 상기 광분배기(170)에서 반사되는 빛을 이용하고, 상기 기준광(135)은 상기 광분배기(107)를 통과하는 빛을 이용한다. 상기 스테이지(140)는 상기 투과광(125)에 대해 상대 운동을 할 수 있도록 구성된다. 상기 스테이지(140)의 운동은 상기 투과광(125)에 대해 수직한 평면으로 제한(constrain)되는 것이 바람직하다.
상기 포토 마스크(150)의 아래에는 상기 투과광(125)을 측정하기 위한 투과 검출기(120)가 배치된다. 상기 광분배기(170)를 통과한 상기 기준광(135)을 측정하기 위하여, 상기 측정광(115)의 통과 결로 상에는 기준 검출기(130)가 배치된다. 상기 투과 검출기(120) 및 상기 기준 검출기(130)는 각각 상기 투과광(125) 및 상기 기준광(135)의 세기(intensity)를 측정한다.
상기 투과 검출기(120) 및 상기 기준 검출기(130)는 제어기(160)에 전기적으 로 연결된다. 상기 제어기(160)는 소정의 데이터들 및 상기 데이터들을 처리하기 위한 알고리즘들을 내장한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제어기(160)에는 밀도-크기 데이터(D250), 광-밀도 데이터(D270) 및 광-크기 데이터(D290) 등이 내장된다. 그리고 상기 밀도-크기 데이터(D250)는 상기 포토 마스크(150)에 형성되는 회로 패턴들의 밀도(density)와 크기(dimension) 사이의 관계를 규정하고, 상기 광-밀도 데이터(D270)는 상기 투과광(125)의 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 밀도 사이의 관계를 규정한다. 또한, 상기 광-크기 데이터(D290)는 상기 투과광(125)의 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 크기 사이의 관계를 규정한다.
또한, 상기 제어기(160)에는 밀도-크기 알고리즘(S260), 광-크기 알고리즘(S280) 및 크기 결정 알고리즘(S230)이 내장된다. 상기 밀도-크기 알고리즘(S260)은 상기 회로 패턴들의 위치를 규정하는 설계 데이터(D200)로부터 상기 밀도-크기 데이터(D250)를 추출하는 과정을 규정한다. 상기 설계 데이터(D200)는 상기 제어기(160)가 아닌 별도의 기억 장치(180)에 저장될 수 있다. 상기 광-크기 알고리즘(S280)은 상기 밀도-크기 데이터(D250) 및 상기 광-밀도 데이터(D270)로부터 상기 광-크기 데이터(D290)를 생성하는 과정을 규정한다. 상기 크기 결정 알고리즘(S230)은 상기 투과광(125)에 의해 측정되는 영역에 배치된 회로 패턴들의 크기를 결정하기 위해, 상기 투과광(125)의 측정된 분광학적 특성을 상기 광-크기 데이터(D290)와 비교하는 단계를 포함하는 일련의 처리 절차를 규정한다.
본 발명에 따르면, 상기 크기 결정 알고리즘(S230)에서 비교되는 상기 투과광(125)의 분광학적 특성은 상기 투과광(125)의 투과율(transmissivity, T)인 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 제어기(160)는 상기 투과 검출기(120) 및 상기 기준 검출기(130)에서 측정되는 빛의 세기(intensity)를 비교하여, 상기 투과광(125)의 투과율(T)을 결정하는 단계를 포함하는 투과율 결정 알고리즘(S235)을 더 내장한다. 이러한 실시예들에 따르면, 상기 광-밀도 데이터(D270) 및 상기 광-크기 데이터(D200)에서 상기 분광학적 특성으로 기술 항목은 상기 투과광(125)의 투과율(T)이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 패턴 크기 측정 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 7을 참조하면, 포토 마스크(150)를 통과하는 투과광(125)의 경로 상에 제 1 렌즈부(210) 및 제 2 렌즈부(220)를 포함한다. 상기 제 1 렌즈부(210) 및 제 2 렌즈부(220)는 적어도 하나 이상의 렌즈들의 조합으로 구성된다. 상기 투과광(125)은 제 1 렌즈부(210)를 통과하여 상기 포토 마스크(150)로 입사된다. 그리고 상기 포토 마스크(150)를 통과한 투과광(125)은 제 2 렌즈부(220)를 통과하여 상기 투과 검출기(120)로 입사된다.
이때 도시된 바와 같이 제 1 렌즈부(210)는 상기 투과광(125)을 굴절시켜 상기 포토 마스크(150) 상에 점광원 형태로 빛이 입사되도록 조절한다. 즉, 포토 마스크(150)의 측정 지점에 상기 제 1 렌즈부(210)를 통과한 빛의 초점이 맺히도록 하는 것이다. 그리고 상기 제 2 렌즈부(220)는 상기 포토 마스크(150)를 통과한 투과광(125)을 굴절시켜 상기 투과 검출기(120)로 빛이 입사되도록 조절한다. 이와 같이 점광원의 형태로 상기 포토 마스크(150)에 투과광(150)이 입사되도록 하는 방 식은 상기 포토 마스크의 패턴이 일정하여 일부만을 측정하는 것으로 전체 패턴의 형태를 가늠할 수 있는 경우에 유리하게 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 패턴 크기 측정 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 8을 참조하면, 포토 마스크(150)를 통과하는 투과광(125)의 경로 상에 제 1 렌즈부(210'), 제 2 렌즈부(220') 및 제 3 렌즈부(230)를 포함한다. 이때에도 상기 제 1 렌즈부(210'), 제 2 렌즈부(220') 및 제 3 렌즈부(230)는 적어도 하나 이상의 렌즈들의 조합으로 구성된다. 투과광(125)은 상기 제 1 렌즈부(210')를 통과하여 상기 포토 마스크(150)로 인가된다. 그리고 상기 포토 마스크(150)를 통과한 투과광(125)은 상기 제 2 렌즈부(220') 및 제 3 렌즈부(230)를 통과하여 상기 투과 검출기(120)에 입사된다.
이때 상기 제 1 렌즈부(210')를 통과하는 투과광(125)은 면광원 형태로 상기 포토 마스크(150)에 입사된다. 그리고 상기 제 1 렌즈부(210')를 통과하는 상기 투과광(125)은 상기 포토 마스크(150)의 전영역을 충분히 비출 수 있는 크기의 면광원으로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 포토 마스크(150)를 통과한 상기 투과광(125)은 상기 제 2 렌즈부(220') 및 제 3 렌즈부(230)를 통과하여 상기 투과 검출기(120)에 입사된다. 상기 제 2 렌즈부(220') 및 제 3 렌즈부(230)는 상기 포토 마스크(150)를 통과한 면광원 형태의 투과광(125)이 상기 투과 검출기(120)로 면광원 형태로 전달되로록 조절한다. 이때 면광원 형태로 전달된 투과광(125)를 손쉽게 검출하기 위하여 상기 투과 검출기(120)는 이미지 센서로 구성될 수 있다. 이미지 센 서는 광을 받아 전기적 신호로 전환하고 다시 이를 전압으로 변환하는 장치이며, 구체적으로는 전하결합소자형(charge coupled device/CCD) 이미지 센서 또는 상보성금속산화물반도체형(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서가 있다. 이처럼 면광원 형태로 입사되는 투과광(125)을 상기 이미지 센서로 감지함으로서 이미지를 얻어 투과광의 세기를 쉽게 얻어낼 수 있다.
이처럼 투과광(125)이 면광원 형태로 포토 마스크(150)에 입사되도록 조절하는 방식은 상기 포토 마스크의 패턴이 복잡하여 여러 부분을 측정하여야 하는 경우에 유리하다. 즉 상기 포토 마스크 패턴을 이미지 형태로 얻어낼 수 있기 때문에 점광원 형태로 측정 지점들을 각각 측정하는 것이 시간의 제약으로 힘든 경우에 특히 효과적일 것이다.
도 9은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 패턴 크기의 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9을 참조하면, (CAD 또는 OPUS 등과 같은) 컴퓨터 프로그램을 사용하여 반도체 제품의 회로 패턴을 설계한다. 상기 회로 패턴의 설계는 반도체 제품의 개발자(developer)에 의해 수행된다. 상기 개발자에 의해 설계된 회로 패턴은 소정의 기억 장치에 전자적 데이터(electronic data, D200)로써 저장된다. 상기 설계 데이터(D167)는 포토 마스크 기판 상에 형성되는 회로 패턴들의 위치를 규정한다.
상기 설계 데이터(D200)를 이용하여, 상기 마스크 패턴들이 형성된 포토 마스크(150)를 제작한다(S210). 상기 포토 마스크(150)의 제작 과정은 노광 공정, 현상 공정 및 식각 공정을 포함한다.
보다 상세하게 상기 포토 마스크의 제작 과정(S210)을 설명하면, 상기 노광 공정을 위한 노광 데이터를 추출하기 위해, 상기 설계 데이터(D200)는 소정의 데이터 처리 프로그램들을 내장한 컴퓨터에서 처리된다. 이어서, 상기 포토 마스크 기판 상에 형성된 포토레지스트막의 소정 영역을 조사하는 노광 공정을 실시한다. 통상적으로 석영 기판(Quartz substrate)이 상기 포토 마스크 기판으로 사용되고, 전자빔 또는 레이저 등이 상기 노광 공정의 조사 광원(irradiative source)으로 사용된다. 상기 노광 공정에서 조사되는 영역은 상기 노광 데이터에 의해 결정된다.
상기 노광된 포토레지스트막을 현상하여, 그 하부의 마스크막을 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 마스크막은 크롬(Cr), 몰리브덴 실리사이드(MoSi), IV족 전이 금속 질화물, V족 전이 금속 질화물, VI족 전이 금속 질화물 및 실리콘 질화물 중에서 선택된 적어도 한가지일 수 있다. 이어서, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 노출된 마스크막을 식각함으로써, 상기 포토 마스크 기판의 상부면을 노출시키는 회로 패턴들을 형성한다. 이어서, 상기 포토레지스트 패턴을 제거하여 상기 회로 패턴들의 상부면을 노출시킨 후, 상기 회로 패턴들이 형성된 상기 포토 마스크(150)를 세정한다.
상기 회로 패턴들이 형성된 포토 마스크(150)에 대해, 상기 회로 패턴들의 크기를 측정하기 위한 소정의 측정 공정을 실시한다(S220). 상기 측정 공정(S220)은 소정 파장의 측정광(115)을 상기 포토 마스크(150)의 소정 영역에 투과시킨 후, 상기 투과된 측정광(125)의 분광학적 상태를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 측정광(115)은 도 6에서 설명한 것처럼, 대략 0.001 내지 50nm의 파장을 갖는 빛을 사 용할 수 있으며, 바람직하게는 원자외선(DUV)을 사용한다. (아래에서 도 8을 참조하여 설명될 것처럼) 정확성을 향상시키기 위해, 상기 측정광(115)은 소정의 대역 폭을 갖는 빛을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예 따르면, 상기 측정광(115)은 소정의 대역 폭을 갖는 원자외선(Deep Ultra-violet, DUV)을 사용한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 측정광의 투과율(T)이 상기 회로 패턴들의 크기를 결정하는 과정에 이용된다. 상기 투과율(T)은 상기 포토 마스크(150)로 입사되는 빛의 세기와 상기 포토 마스크(150)를 투과하는 빛의 세기 사이의 비율을 의미한다. 상기 투과율(T)을 보다 정확하게 측정하기 위해, 상기 측정광(115)은 소정의 광분배기(170)에 의해, 상기 포토 마스크(150)를 투과하는 경로를 갖는 투과광(125)과 상기 포토 마스크(150)를 투과하지 않는 경로를 갖는 기준광(135)으로 나누어진다.
상기 광분배기(170)를 포함하는 시스템(100)의 구조가 변하지 않는 일반적인 경우에 있어서, 상기 기준광(135)의 세기와 상기 투과광(125)의 세기 사이의 비율은 일정하게 유지된다. 즉, 상기 포토 마스크(150)로 입사되는 빛의 세기는 상기 기준광(135)의 세기에 대해 일정한 비율을 갖는다. 따라서, 상기 포토 마스크(150)를 투과한 빛(즉, 상기 투과 검출기(120)에서 측정되는 투과광(125))의 세기와 상기 기준광(135)의 세기를 비교함으로써, 상기 투과광(125)의 투과율은 용이하면서 정확하게 측정될 수 있다. 상기 빛의 세기를 비교하여 상기 투과율(T)을 결정하는 과정은 소정의 제어기에 내장된 소정의 투과율 결정 알고리즘(S235)을 사용하여 수 행되는 것이 바람직하다.
상기 측정된 투과광(125)의 분광학적 상태는 상기 투과광(125)이 투과한 영역에 배치된 회로 패턴들의 크기를 결정하는데 이용되며, 이러한 결정 과정은 소정의 크기 결정 알고리즘(S230)에 의해 규정된다. 상기 크기 결정 알고리즘(S230)은 상기 투과광(125)의 측정된 분광학적 상태와 소정의 광-크기 데이터(D290)를 비교하는 단계를 포함한다. 상기 광-크기 데이터(D290)는 상기 패턴들의 크기와 상기 투과광(125)의 예견되는 분광학적 상태 사이의 관계를 규정한다.
상기 광-크기 데이터(D290)를 준비하는 단계는 광-크기 알고리즘(S280)을 이용하여 밀도-크기 데이터(D250) 및 광-밀도 데이터(D270)를 처리하는 단계를 포함한다. 상기 밀도-크기 데이터(D250)는 상기 회로 패턴들의 밀도와 크기 사이의 관계를 규정하고, 상기 광-밀도 데이터(D270)는 상기 투과광의 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 밀도 사이의 관계를 규정한다.
상기 밀도-크기 데이터(D250)는 밀도-크기 알고리즘(S260)을 이용하여 상기 설계 데이터(D200)로부터 추출된다. 즉, 상기 밀도-크기 알고리즘(S260)은 소정 영역에서의 패턴 밀도가 얼마인지를 알아내기 위해, 상기 설계 데이터(D200)를 이용하는 단계를 포함한다. 상기 밀도-크기 알고리즘(S260)을 사용하여 상기 밀도-크기 데이터(D250)를 추출하는 단계는 통상적으로 TOPO 또는 Solid-C와 같은 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 수행될 수 있다.
상기 포토 마스크(150)는 빛이 투과할 수 있는 영역을 결정하기 위한 장치라는 점에서, 상기 투과광(125)의 투과 현상은 측정 영역에서의 패턴 밀도에 의해 완 전히 결정된다. 이에 따라, 상기 투과율(T)은 측정 영역에서의 패턴 밀도(ρ)의 함수로서 표현될 수 있다.
도 10은 상기 투과율(T)을 측정한 실험 결과를 도시하는 그래프이다. 실험은 다양한 모양의 회로 패턴들을 갖는 포토 마스크들에 대해 실시되었다. 실험 결과에서 x축은 패턴 밀도(ρ)를 나타내고, y축은 측정된 투과율(T)을 나타낸다. 상기 측정된 회로 패턴들은 다양한 모양을 갖기 때문에, 도시된 것처럼, 다양한 패턴 밀도를 갖는다.
측정 결과에 따르면, 상기 투과율(T)과 상기 패턴 밀도(ρ) 사이에는 소정의 연관성을 발견할 수 있으며, 이러한 연관성은 이론적 또는 경험적 방법을 통해 정량적으로 해석될 수 있다. 예를 들면, 상기 연관성은 전자기학에 근거한 이론적 분석 또는 소정의 보간법(interpolation)을 이용하는 경험적 분석을 통해 얻어지는 소정의 모델을 통해 설명될 수 있다. 즉, 상기 투과율(T)은 상기 패턴 밀도(ρ)의 함수로 표현될 수 있다:T~T(ρ).
특히, 이 실험에서는 서로 다른 파장을 갖는 빛들이 상기 투과광(125)으로 사용되었으며, 참조 번호 a, b, c는 각각 633nm, 365nm 및 193nm의 파장을 갖는 빛들을 사용하여 측정된 결과를 나타낸다. 아래 표 1은 상기 세가지 그룹에 대해, 분석을 통해 얻어지는 모델이 측정된 데이터를 잘 설명하는 정도를 표현하는 R2 값을 계산한 결과이다. 상기 R2 값이 1에 가까울 경우, 모델은 측정된 데이터를 잘 대변하는 것으로 이해된다. 표 1을 참조하면, 원자외선(DUV)의 파장(c, 193nm)을 사용 할 경우, 상기 R2 값은 1에 가깝고, 파장이 증가할수록 1에서 벗어난 값을 갖는다. 이 결과로부터, 적어도 원자외선보다 짧은 파장을 갖는 빛을 상기 투과광으로 이용하는 것이 바람직하다는 사실을 알 수 있다.
파장(nm) R2
193 0.999
365 0.838
633 0.801
이처럼, 상기 투과율(T)이 상기 패턴 밀도(ρ) 만의 함수로 표현될 수 있기 때문에, 상기 패턴들의 모양에 대한 의존성없이 상기 투과율(T)을 기술할 수 있다. 그 결과, 상기 광-밀도 데이터(D270)를 이용하여 결정되는 상기 패턴의 크기 역시 상기 패턴들의 모양에 대한 의존성을 갖지 않는다. 즉, 상기 측정하는 패턴의 크기는 상기 패턴들의 모양에 대한 의존성없이 결정될 수 있다.
도 11는 본 발명에 따른 측정 방법에 따른 측정의 정확성을 평가하기 위해 수행된 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 실험은 주사전자현미경(d), 193nm 파장의 DUV(e) 및 190~230nm의 파장 대역을 갖는 DUV(f)를 상기 투과광으로 사용하여, 포토 마스크의 소정 영역을 반복적으로 측정하였다. 또한, 표 2는 이 실험의 세가지 데이터 그룹들(d, e, f)이 갖는 표준 편차(3σ)를 나타낸다.
측정 방법 3σ
DUV band(190~230nm) 0.37nm
DUV(193nm) 2.1nm
SEM 4.3nm
실험 결과에 따르면, DUV band를 투과광으로 이용하여 패턴의 크기를 측정하는 방법이 주사전자현미경(SEM)을 이용하는 방법에 비해 10배 이상의 정확성을 가졌다. 또한, DUV band를 이용하는 방법이 단일 파장의 DUV를 이용하는 방법에 비해서도 월등히 높은 정확성을 가졌다. DUV band를 사용하는 방법이 DUV를 사용하는 방법에 비해 노이즈가 감소하기 때문에, 이러한 차이가 발생하는 것으로 이해된다.
한편, 본 발명은 이미지를 이용하는 방법이 아니라 투과된 빛의 스펙트럼을 분석하는 방법에 해당한다. 이에 따라, 본 발명에 의해 측정되는 크기는 상기 회로 패턴의 특정 위치에서의 국소적 크기(local dimension)가 아니라 특정 영역에 배치되는 패턴들의 광역적 크기(global dimension)이다. 상기 포토 마스크의 선폭 균일성은 위치에 따른 크기 변화의 정도를 나타낸다는 점에서, 본 발명에 따른 광역적 크기의 측정 방법 역시 선폭의 균일성을 검사하는 방법으로 유효하다.
또한, 본 발명은 분광학적 방법을 채택하기 때문에, (주사전자현미경에서와) 같은 과도하게 긴 측정 시간 및 이에 따른 생산성 저하의 문제가 없으며, (이미지를 이용하는 방법에서와 같은) 측정의 한계를 규정하는 해상도에 대한 제한 역시 없다. 따라서, 본 발명에 따르면 보다 효율적이면서 더불어 정확하게 포토 마스크의 선폭 균일성을 검사하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 투과 분광학적 방법을 사용하여 포토 마스크에 형성된 회로 패턴들의 크기를 결정할 수 있다. 이에 따라, 통상적으로 사용되는 패턴 크기 측정 방법인 주사전자현미경을 사용하는 측정 방법과 비교할 때, 월등히 빠르고 경제적으로 포토 마스크의 패턴 크기를 측정하는 것이 가능하다.
특히, 본 발명은 측정되는 투과 분광학적 특성은 패턴 모양에 대해 의존성을 갖지 않는다는 사실을 이용한다. 이에 따라, 패턴 모양에 대한 의존성을 알아내기 위한 별도의 경험적 데이터 확보의 과정이 불필요하다. 그 결과, 본 발명은 포토 마스크의 선폭 균일성을 종래의 기술들에 비해 월등히 빠르고 경제적인 방법으로 검사할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 패턴 크기의 측정 방법은 이미지를 이용하는 방법이 아니기 때문에, 이미지의 해상도에 대한 제한을 갖지 않는다. 이에 따라, 본 발명은 미세한 패턴의 크기까지도 정확하게 측정할 수 있다. 특히, 투과 분광학적 방법을 사용하는 본 발명은 주사전자현미경과 같이 고가의 장비를 사용하는 방법에 비해 월등히 우수한 정확성을 제공한다.

Claims (21)

  1. 소정 파장의 측정광을 방출하는 광원;
    상기 측정광을 수신하는 투과 검출기;
    상기 광원과 상기 투과 검출기 사이에 배치되되, 소정의 크기를 갖는 회로 패턴들이 형성된 포토 마스크가 안착되는 스테이지; 및
    상기 투과 검출기에 연결되어, 상기 수신되는 측정광의 분광학적 특성으로부터 상기 회로 패턴들의 크기를 결정하는 크기 결정 알고리즘을 내장한 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 장치.
  2. 소정 파장의 측정광을 방출하는 광원;
    상기 측정광을 수신하는 투과 검출기;
    상기 광원과 상기 투과 검출기 사이에 배치되되, 소정의 크기를 갖는 회로 패턴들이 형성된 포토 마스크가 안착되는 스테이지;
    상기 광원과 상기 스테이지 사이에 위치하여 상기 측정광을 상기 포토 마스크에 입사시키는 제 1 광학계;
    상기 스테이지와 상기 투과 검출기 사이에 위치하여 상기 포토 마스크를 투과한 상기 측정광을 상기 투과 검출기에 입사시키는 제 2 광학계; 및
    상기 투과 검출기에 연결되어, 상기 수신되는 측정광의 분광학적 특성으로부터 상기 회로 패턴들의 크기를 결정하는 크기 결정 알고리즘을 내장한 제어기를 구 비하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 회로 패턴들의 밀도와 크기 사이의 관계를 규정하는 밀도-크기 데이터;
    상기 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 밀도 사이의 관계를 규정하는 광-밀도 데이터; 및
    상기 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 크기 사이의 관계를 규정하는 광-크기 데이터를 내장하되,
    상기 크기 결정 알고리즘은 상기 측정광의 측정된 분광학적 특성을 상기 광-크기 데이터와 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 밀도-크기 데이터를 추출하기 위한 밀도-크기 알고리즘; 및
    상기 밀도-크기 데이터 및 상기 광-밀도 데이터로부터, 상기 광-크기 데이터를 생성하기 위한 광-크기 알고리즘을 내장하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 회로 패턴들의 위치를 규정하는 설계 데이터를 저장하는 소정의 기억 장치에 더 연결되되,
    상기 밀도-크기 알고리즘은 상기 설계 데이터로부터 상기 밀도-크기 데이터를 추출하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광원은 소정의 대역 폭을 갖는 원자외선(Deep Ultra-violet, DUV)인 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 장치.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광원과 상기 스테이지 사이에 배치되어, 상기 측정광을 투과광 및 기준광으로 나누는 광분배기; 및
    상기 기준광을 수신하는 기준 검출기를 더 포함하되,
    상기 광분배기는 상기 투과광을 상기 포토 마스크의 방향으로 반사시키고,
    상기 기준 검출기는 상기 제어기에 전자적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 광학계는 상기 측정광을 점광원 형태로 상기 포토 마스크에 입사 되도록하는 포토 마스크 크기 측정 장치.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 광학계는 상기 측정광을 면광원 형태로 상기 포토 마스크에 입사되도록하는 포토 마스크 크기 측정 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 기준 검출기는 이미지 센서인 포토 마스크 크기 측정 장치.
  11. 포토 마스크의 회로 패턴들의 위치를 규정하는 설계 데이터를 준비하는 단계;
    상기 설계 데이터를 이용하여 상기 포토 마스크를 제작하는 단계;
    소정 파장의 측정광을 상기 포토 마스크의 소정영역에 투과시키는 단계;
    상기 투과된 측정광의 분광학적 상태를 측정하는 단계;
    상기 설계 데이터를 이용하여 상기 투과된 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 크기 사이의 관계를 규정하는 광-크기 데이터를 준비하는 단계; 및
    상기 투과된 측정광의 측정된 분광학적 상태를 상기 광-크기 데이터와 비교하여, 상기 측정광이 투과한 영역에서 상기 회로 패턴들의 크기를 결정하는 단계를 포함하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 측정광은 소정의 대역 폭을 갖는 원자외선인 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 측정광의 분광학적 상태를 측정하는 단계는 상기 포토 마스크의 소정영역을 투과한 측정광의 투과율을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 측정광을 이용하여 상기 포토 마스크의 소정영역을 투과시키는 단계는 소정의 광분배기를 이용하여 상기 측정광을 상기 포토 마스크를 투과하는 투과광과 상기 포토 마스크를 투과하지 않는 기준광으로 나누는 단계를 포함하되,
    상기 투과율을 측정하는 단계는 상기 기준광과 상기 투과광의 측정된 세기를 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 광-크기 데이터를 준비하는 단계는
    상기 설계 데이터를 이용하여 상기 회로 패턴들의 밀도와 크기 사이의 관계 를 규정하는 밀도-크기 데이터를 준비하는 단계;
    상기 투과된 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 밀도 사이의 관계를 규정하는 광-밀도 데이터를 준비하는 단계; 및
    상기 밀도-크기 데이터 및 상기 광-밀도 데이터를 이용하여, 상기 투과된 측정광의 예상되는 분광학적 특성과 상기 회로 패턴들의 크기 사이의 관계를 규정하는 상기 광-크기 데이터를 준비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 광-밀도 데이터는 상기 회로 패턴의 모양에 대한 의존성을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 광-크기 데이터를 준비하는 단계는
    상기 설계 데이터를 이용하여 상기 회로 패턴들의 밀도와 크기 사이의 관계를 규정하는 밀도-크기 데이터를 준비하는 단계;
    상기 측정광의 예상되는 투과율과 상기 회로 패턴들의 밀도 사이의 관계를 규정하는 광-밀도 데이터를 준비하는 단계; 및
    상기 밀도-크기 데이터 및 상기 광-밀도 데이터를 이용하여, 상기 측정광의 예상되는 투과율과 상기 회로 패턴들의 크기 사이의 관계를 규정하는 상기 광-크기 데이터를 준비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 회로 패턴들의 크기를 결정하는 단계는 상기 측정광의 측정된 투과율과 상기 광-크기 데이터를 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
  19. 포토 마스크의 회로 패턴들의 위치를 규정하는 설계 데이터를 준비하는 단계;
    상기 설계 데이터를 이용하여 상기 포토 마스크를 제작하는 단계;
    소정 파장의 측정광을 상기 포토 마스크의 소정영역을 투과하는 투과광과 상기 포토 마스크를 투과하지 않는 기준광으로 나누는 단계;
    상기 투과광과 상기 기준광의 세기를 비교하여, 상기 투과광의 측정된 투과율을 결정하는 단계;
    상기 설계 데이터를 이용하여 상기 회로 패턴들의 밀도와 크기 사이의 관계를 규정하는 밀도-크기 데이터를 준비하는 단계;
    상기 투과광의 예상되는 투과율과 상기 회로 패턴들의 밀도 사이의 관계를 규정하는 광-밀도 데이터를 준비하는 단계;
    상기 밀도-크기 데이터 및 상기 광-밀도 데이터를 이용하여, 상기 투과광의 예상되는 투과율과 상기 회로 패턴들의 크기 사이의 관계를 규정하는 상기 광-크기 데이터를 준비하는 단계; 및
    상기 투과광의 측정된 투과율을 상기 광-크기 데이터와 비교하여, 상기 투과광이 투과한 영역에서 상기 회로 패턴들의 크기를 결정하는 단계를 포함하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 측정광은 소정의 대역 폭을 갖는 원자외선인 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 광-밀도 데이터는 상기 회로 패턴의 모양에 대한 의존성을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 포토 마스크의 크기 측정 방법.
KR1020050032824A 2004-06-14 2005-04-20 포토 마스크 상에 형성된 패턴들의 크기를 측정하기 위한장치 및 방법 KR100684895B1 (ko)

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