KR20080061946A - Method for manufacturing semiconductor device with enhancing pattern cd uniformity - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 제시한 공정흐름도이다. 1 is a process flowchart schematically shown to explain a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 제시한 단면도들이다. 2 and 3 are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 측정된 포토레지스트층 두께 변화에 따른 패턴 임계 선폭 변화 그래프이다. 4 is a graph showing a pattern threshold line width change according to a change in thickness of a photoresist layer measured according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히, 패턴의 임계 선폭 균일도를 개선하는 반도체 소자 제조 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor devices, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device for improving the critical line width uniformity of a pattern.
반도체 소자가 고집적화됨에 따라, 디램(DRAM) 메모리 소자를 구성하는 회로 패턴의 크기가 급격히 축소되고 있다. 메모리 셀(memory cell)을 구성하는 최소 트랜지스터(minimum transistor)의 크기가 점점 작아짐에 따라, 주변 회로 패턴을 형성하는 공정 마진(margin)이 셀에 비해 점차 부족해지고 있다. 최근 개발중인 60nm 급 소자나 50nm 급 소자에서, 최소 트랜지스터의 크기는 100nm 이하로 줄어들어 실질적인 공정 마진이 매우 협소하다. As semiconductor devices are highly integrated, the size of circuit patterns constituting DRAM memory devices is rapidly being reduced. As the size of a minimum transistor constituting a memory cell becomes smaller and smaller, a process margin for forming a peripheral circuit pattern is gradually becoming shorter than that of a cell. In 60nm or 50nm devices under development, the minimum transistor size is reduced to less than 100nm, resulting in very narrow process margins.
공정 마진의 부족은 트랜지스터의 게이트(gate) 패턴의 임계 선폭(CD: Critical Dimension)의 불량을 유발할 수 있어, 실제 메모리 소자 칩(chip)의 동작에 영향을 미칠 수 있다. 게이트 패턴과 같은 웨이퍼 상의 실제 회로 패턴의 CD 균일도를 개선하기 위해서는, 우선적으로 게이트층이나 하드 마스크층과 같은 식각 대상층 상에 형성되는 포토레지스트 패턴의 선폭 균일도의 개선이 요구되고 있다.Lack of process margins may cause a defect in critical dimension (CD) of the gate pattern of the transistor, which may affect the operation of the actual memory device chip. In order to improve the CD uniformity of the actual circuit pattern on the wafer such as the gate pattern, it is necessary to first improve the line width uniformity of the photoresist pattern formed on the etching target layer such as the gate layer or the hard mask layer.
그런데, 포토레지스트 패턴의 선폭은 여러 패터닝 환경에 의해 영향을 받으며, 특히, 포토레지스트층의 두께에 따라 패턴 CD 변동이 유발되고 있다. 실질적으로 포토레지스트층의 두께에 따라, 형성되는 패턴의 CD는 사인 커브(sine curve)의 변동성을 보이고 있다. 즉, 포토레지스트층이 단순히 두껍다고 더 많은 노광 에너지에서 현상되고, 반대로 적은 에너지에서 포토레지스트층이 완전히 노광 현상되는 경향을 보이지 않는다. 포토레지스트가 현상되는 노광 에너지는 포토레지스트층의 굴절률, 두께 및 노광 장비에서 사용되는 노광원의 파장대 등에 의존하여 바뀔 수 있다. 따라서, 실제 공정에서 사용되는 정해진 노광 에너지에서 현상되는 패턴 CD 또한 포토레지스트층의 두께에 의존하여 변동되게 측정되게 된다. By the way, the line width of the photoresist pattern is affected by various patterning environments, and in particular, the variation of the pattern CD is caused by the thickness of the photoresist layer. Substantially depending on the thickness of the photoresist layer, the CD of the pattern to be formed exhibits sine curve variability. That is, the photoresist layer is simply thick and developed at more exposure energy, and conversely, the photoresist layer does not tend to be fully exposed and developed at less energy. The exposure energy to which the photoresist is developed may vary depending on the refractive index, the thickness of the photoresist layer and the wavelength band of the exposure source used in the exposure equipment. Therefore, the pattern CD developed at a given exposure energy used in the actual process is also measured to vary depending on the thickness of the photoresist layer.
따라서, 포토레지스트 패턴의 CD 변동성을 보다 완화하거나 억제하여, 보다 균일한 패턴 CD 균일도를 구현하기 위해서는, 우선적으로 적절한 포토레지스트층의 두께를 선정하는 과정이 요구되고 있다. Therefore, in order to further mitigate or suppress CD variability of the photoresist pattern and to realize a more uniform pattern CD uniformity, a process of first selecting an appropriate thickness of the photoresist layer is required.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 패턴의 임계 선폭 균일도를 개선할 수 있는 포토레지스트층의 두께를 선정하는 반도체 소자 제조 방법을 제시하는 데 있다. An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method for selecting a thickness of a photoresist layer capable of improving the critical line width uniformity of a pattern.
상기 기술 과제를 위한 본 발명의 일 관점은, 테스트 웨이퍼 상에 실제 소자 패턴의 하부 구조 및 실제 식각 대상층을 형성하는 단계, 상기 테스트 웨이퍼들 상에 테스트 포토레지스트층을 두께를 달리하여 형성하는 단계, 상기 테스트 포토레지스트층들에 노광 및 현상을 수행하는 단계; 상기 노광 및 현상된 테스트 포토레지스트층에 형성된 패턴의 선폭들을 측정하는 단계, 상기 측정된 선폭들을 상기 테스트 포토레지스트층들의 두께 변화에 대한 그래프로 산출하는 단계, 상기 그래프의 최소점 또는 최대점에 위치하는 두께를 실제 웨이퍼 상에 형성할 공정 포토레지스트층의 두께로 선정하는 단계, 상기 소자 패턴의 하부 구조 및 식각 대상층이 형성된 실제 웨이퍼 상에 상기 선정된 두께의 공정 포토레지스트층을 형성하는 단계, 및 상기 공정 포토레지스트층을 노광 및 현상하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조 방법을 제시한다. One aspect of the present invention for the above technical problem, the step of forming a substructure of the actual device pattern and the actual etching target layer on the test wafer, forming a test photoresist layer on the test wafers with a different thickness, Performing exposure and development on the test photoresist layers; Measuring line widths of the pattern formed on the exposed and developed test photoresist layer, calculating the measured line widths as a graph of a change in thickness of the test photoresist layers, positioned at a minimum or maximum point of the graph Selecting a thickness of the process photoresist layer to be formed on the actual wafer, forming a process photoresist layer having the predetermined thickness on the actual wafer on which the lower structure of the device pattern and the etching target layer are formed, and A semiconductor device manufacturing method comprising exposing and developing the process photoresist layer is provided.
상기 식각 대상층은 게이트층 및 하드마스크층을 포함할 수 있다. The etching target layer may include a gate layer and a hard mask layer.
상기 테스트 웨이퍼는 상기 실제 웨이퍼와 대등하게 공정 수행된 웨이퍼를 이용할 수 있다. The test wafer may use a wafer processed in parallel with the actual wafer.
본 발명에 따르면, 패턴의 임계 선폭 균일도를 개선할 수 있는 포토레지스트층의 두께를 선정하는 반도체 소자 제조 방법을 제시할 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device manufacturing method for selecting a thickness of a photoresist layer capable of improving the critical line width uniformity of a pattern.
본 발명의 실시예에서는, 반도체 소자를 제조하는 과정 중에 수반되는 공정 변화를 반영하여 포토레지스트층의 두께를 재설정함으로써, 패턴 임계선폭(CD)의 균일도를 개선하는 반도체 소자 제조 방법을 제시한다. 반도체 소자의 제조를 위해 하부 구조가 반도체 기판 상에 형성되면, 하부 구조인 식각 대상층을 덮게 형성되는 포토레지스트층의 두께를 재설정한다. In an embodiment of the present invention, a method of fabricating a semiconductor device for improving the uniformity of the pattern critical line width (CD) by resetting the thickness of the photoresist layer in consideration of a process change accompanying the process of manufacturing the semiconductor device is provided. When the lower structure is formed on the semiconductor substrate for manufacturing the semiconductor device, the thickness of the photoresist layer formed to cover the etching target layer, which is the lower structure, is reset.
반도체 기판 상에 하부 구조가 형성될 때까지 많은 공정 상 스킴(scheme), 반도체 기판의 종류 및 다양한 종류의 층들이 도입되고 또한 두께 변경 또한 진행되게 된다. 또한, 노광 공정의 마진 문제(margin issue)로 인해, 포토레지스트 종류 및 바닥반사방지막(BARC: Bottom Anti-Reflective Coating) 변경도 진행된다. 이러한 많은 공정 변화가 포토레지스트층의 두께 재설정 시 반영되게, 포토레지스트층의 두께 설정을, 실제 소자 형성이 진행되고 있는 실제 웨이퍼 상에 포토레지스트층을 형성하고 노광하여 최소 트랜지스터의 게이트 패턴 임계선폭(CD)을 측정하여 수행한다. Until the lower structure is formed on the semiconductor substrate, many process schemes, types of semiconductor substrates and various kinds of layers are introduced, and thickness changes also proceed. In addition, due to a margin issue of the exposure process, the photoresist type and the bottom anti-reflective coating (BARC) change also proceed. In order to reflect these changes in the thickness of the photoresist layer, the thickness setting of the photoresist layer is formed by exposing the photoresist layer on the actual wafer on which the actual element formation is in progress and exposing the gate pattern threshold line width of the minimum transistor. CD) is performed by measuring.
실제 반도체 소자 제조 과정이 진행되어 기본 라인(base line) 구조 또는 하부 구조가 형성된 웨이퍼 상에, 포토레지스트층을 형성한다. 이때, 포토레지스트층의 두께를 스플릿(split)하여 달리 설정하여, 각각의 웨이퍼들에 대해서 대등한 노광 에너지로 노광을 수행한다. 포토레지스트층의 두께에 따라서 측정되는 패턴의 CD가 변하게 되므로, 이에 대한 그래프를 산출한다. 얻어진 PR 두께 변화에 따른 CD 변화 그래프는 사인 커브(sine curve) 형태로 얻어지며, PR 두께에 따른 측정된 트랜지스터의 CD 그래프에서 두께 변동에 따른 CD 변화량에의 영향을 최소화할 수 있는 부분, 예컨대, 사인 커브의 최소점이나 최대점에서의 포토레지스트의 두께로 선정한다. The actual semiconductor device fabrication process proceeds to form a photoresist layer on a wafer on which a base line structure or substructure is formed. At this time, the thickness of the photoresist layer is split and set differently, and the exposure is performed with the same exposure energy for each wafer. Since the CD of the pattern to be measured varies depending on the thickness of the photoresist layer, a graph for this is calculated. The obtained CD change graph according to the PR thickness change is obtained in the form of a sine curve, and in the CD graph of the measured transistor according to the PR thickness, the portion which can minimize the influence on the CD change amount due to the thickness variation, for example, The thickness of the photoresist at the minimum or maximum point of the sine curve is selected.
게이트 패턴의 CD 균일도에 영향을 미치는 요소로 웨이퍼(wafer) 상의 게이트 층 및 하드 마스크(hard mask)의 층 등의 포토레지스트(PR)층의 하부 구조의 표면 토폴로지(topology), 두께 및 굴절률 등을 고려할 수 있다. 이는 실질적으로 포토레지스트층 자체 두께에 따라 패턴 CD의 변동이 발생되는 것으로 이해될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 실제 공정이 진행된 웨이퍼 상의 하부 구조의 영향을 포토레지스트층의 두께 설정에 반영함으로써, CD 균일도를 구현할 수 있는 포토레지스트층의 두께를 최적으로 선정할 수 있다. 따라서, 포토레지스트 패턴의 CD 변동을 보다 억제할 수 있어, 포토레지스트 패턴에 의해 패터닝되는 하부의 하드 마스크 층 패턴 또는 그 하부의 게이트 패턴의 CD 균일도를 보다 증가시킬 수 있다. Factors affecting the CD uniformity of the gate pattern include the surface topology, thickness, and refractive index of the underlying structure of the photoresist (PR) layer, such as the gate layer and the hard mask layer on the wafer. Can be considered It can be understood that the variation of the pattern CD occurs substantially in accordance with the thickness of the photoresist layer itself. In the exemplary embodiment of the present invention, the thickness of the photoresist layer capable of implementing CD uniformity may be optimally selected by reflecting the influence of the underlying structure on the wafer on which the actual process is performed, in setting the thickness of the photoresist layer. Therefore, CD variation of the photoresist pattern can be further suppressed, and CD uniformity of the lower hard mask layer pattern patterned by the photoresist pattern or the gate pattern thereunder can be further increased.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 제시한 공정흐름도이다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 제시한 단면도들이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 측정된 포토레지스트층 두께 변화에 따른 패턴 임계 선폭 변화 그래프이다. 1 is a process flowchart schematically shown to explain a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 2 and 3 are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 4 is a graph showing a pattern threshold line width change according to a change in thickness of a photoresist layer measured according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법은, 실제 소자 패턴의 하부 구조 및 실제 식각 대상층이 형성된 실제 공정이 수행된 실제 웨이퍼를, 포토레지스트층의 두께 선정을 위한 테스트 웨이퍼로 이용한다. 먼저, 테스트 웨이퍼 상에 실제 소자 패턴의 하부 구조 및 실제 식각 대상층을 형성한다(도 1의 110). 테스트 웨이퍼는 실제 웨이퍼 또는 이에 대등한 공정이 수행된 웨이퍼를 이용하므로, 도 2에 제시된 바와 같은 하부 구조 및 식각 대상층이 형성된 웨이퍼일 수 있다. Referring to FIG. 1, in the method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, a test wafer for selecting a thickness of a photoresist layer may include a real wafer on which a substructure of an actual device pattern and an actual etching target layer are formed. Use as. First, a substructure of an actual device pattern and an actual etching target layer are formed on a test wafer (110 in FIG. 1). Since the test wafer uses an actual wafer or a wafer on which the equivalent process has been performed, the test wafer may be a wafer having a lower structure and an etching target layer as shown in FIG. 2.
도 2를 참조하면, 웨이퍼(210) 상에 활성영역(active region: 211)을 설정하는 소자분리층(215)을 형성하고, 게이트 유전층(230) 및 게이트층(250)을 형성한다. 이때, 게이트층(250)은 실제 트렌지스터 소자를 구성하는 데 이용되는 도전성 폴리실리콘(polysilicon)층(251) 및 텅스텐(W) 또는 텅스텐 실리사이드(WSix)층(251)을 포함하여 형성될 수 있다. 게이트층(250) 상에 자기정렬콘택(SAC: Self Aligned Contact)을 위한 실리콘 질화물의 캡층(capping layer: 270)을 형성한다. 이러한 층들의 구조 및 하부의 소자분리층(215)의 구조는 웨이퍼(210) 표면에, 베어 웨이퍼(bare wafer)와 다른 표면 높이 변동, 즉, 토폴로지를 유발하게 된다. Referring to FIG. 2, an
이러한 하부 구조 상에 식각 대상층인 하드 마스크층(290)을 형성한다. 포토레지스트층은 하드 마스크층(290)을 패터닝하는 과정에 사용되기 위해서 도입되나, 실질적으로는 하드 마스크층(290)의 패턴에 패턴을 부여하고, 하드 마스크층(290)의 패턴에 따라 게이트층(250) 등의 패턴 프로파일(profile)이 의존한다. 따라서, 포토레지스트층은 게이트층(250)의 패터닝을 위해 도입되는 식각 마스크로 이해될 수 있다. The
이와 같은 실제 소자 형성 과정이 수행된 실제 웨이퍼(210)나 또는 대등한 공정이 수행된 웨이퍼를 테스트 웨이퍼로 이용한다. The
다시 도 1 및 도 3을 참조하면, 테스트 웨이퍼(210)들 상에 테스트 포토레지 스트층(330)을 두께를 달리하여 형성한다(도 1의 120). 이때, 테스트 웨이퍼(210)들 별로 테스트 포토레지스트층(330)의 두께가 달라지게 포토레지스트를 코팅할 때, 스피너(spinner)의 회전 속도(rpm)를 변화시킬 수 있다. 또한, 테스트 포토레지스트층(330) 아래에는 실제 공정과 마찬가지로 바닥반사방지층(310)이 도입될 수 있다. 1 and 3, the
이후에, 테스트 포토레지스트층(330)들에 실제 공정 상의 노광 과정에 도입되는 포토마스크(350)를 도입하여 노광(370)을 수행한다. 포토마스크(350)는 게이트 패턴의 형상을 부여하는 마스크 패턴(351)을 포함하여 도입될 수 있다. 따라서, 이러한 노광 과정은 실제 공정 상의 노광 과정이나 이에 대등한 과정으로 이해될 수 있다. 따라서, 각각의 테스트 웨이퍼(210)들 상에는 대등하거나 동일한 노광 에너지로 노광이 수행된다(도 1의 130). 이후에, 노광된 테스트 포토레지스트층(330)들을 현상한다. Subsequently, an
노광 및 현상된 테스트 포토레지스트층(도 3의 330)에 형성된 패턴의 임계선폭(CD)들을 측정한다(도 1의 140). 테스트 포토레지스트층(330)들은 웨이퍼(210) 별로 다른 두께로 스플릿(split)되어 형성되므로, 측정되는 CD들 또한 다양하게 측정되게 된다. The critical line widths (CDs) of the pattern formed on the exposed and developed test photoresist layer (330 of FIG. 3) are measured (140 of FIG. 1). Since the test
도 1과 함께 도 4를 참조하면, 측정된 임계선폭들을 테스트 포토레지스트층(330)들의 두께 변화에 대한 그래프(400)로 산출한다(도 1의 150). 도 4의 그래프(400)는 산출된 결과를 보여주고 있다. 산출된 그래프(400)는 PR 두께에 따라 CD 변화가 사인 커브를 가지는 경향을 보여준다. Referring to FIG. 4 along with FIG. 1, the measured critical line widths are calculated as a
이러한 그래프(400) 결과를 바탕으로, 공정에 실제 수반되는 변수에 따른 CD 변화량을 최소화할 수 있는 포토레지스트층의 두께를 선정한다(도 1의 160). 도 4의 그래프(400) 결과에서 그래프(400)의 최대점(410) 또는 최소점(430)에 대응되는 PR 두께를 선정한다. 이러한 지점(410, 430)에서는 실제 공정상의 PR 두께 변동이나 또는 패터닝 환경 변수의 변동에 의한 CD 영향이 최소화될 수 있다. Based on the result of the
이후에, 도 2 및 도 3에 제시된 바와 같은 소자 패턴의 하부 구조 및 식각 대상층이 형성된 실제 웨이퍼 상에 선정된 두께의 공정 포토레지스트층을 형성하고, 노광 및 현상하는 패터닝 과정을 수행한다(도 1의 170). 이러한 패터닝 결과에 따른 패턴들의 CD는, 포토레지스트층의 두께가 패턴 균일도를 구현하는 데 최적화될 수 있으므로, 보다 균일한 선폭을 가지게 형성될 수 있다. Subsequently, a patterning process of forming, exposing and developing a process photoresist layer having a predetermined thickness is performed on the actual wafer on which the lower structure of the device pattern and the etching target layer are formed as shown in FIGS. 2 and 3 (FIG. 1). Of 170). The CD of the patterns according to the patterning result may be formed to have a more uniform line width since the thickness of the photoresist layer may be optimized to realize pattern uniformity.
상술한 본 발명에 따르면, 디램(DRAM) 또는 논리 소자(LSI) 등에 채용되는 트랜지스터 공정 마진 확보 및 패턴 임계선폭(CD) 균일도의 개선을 구현할 수 있다. 실제 공정이 진행되거나 대등한 공정이 진행된 실제(real wafer)를 이용하여 포토레지스트층의 두께 변화에 따른 CD 변동 그래프, 즉, PR 사인 커브(sine curve)를 도출함으로써, 공정 상태를 반영하여 포토레지스트층의 두께를 선정할 수 있다. 따라서, 실제 공정에서의 CD 변동을 보다 억제할 수 있다. 보다 균일한 CD 균일도를 얻을 수 있다. According to the present invention described above, it is possible to secure the process margin of the transistor and the uniformity of the pattern critical line width (CD) which are employed in the DRAM or the logic device LSI. By using a real wafer that has been processed in real or equivalent processes, a CD variation graph according to the thickness change of the photoresist layer, that is, a PR sine curve, is derived to reflect the process state. The thickness of the layer can be selected. Therefore, CD fluctuation in an actual process can be suppressed more. More uniform CD uniformity can be obtained.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것으로 해석되어지는 것은 바람직하지 않다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능한 것으로 이해될 수 있다. As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail through the specific Example, it is not preferable that this invention is interpreted as limited to this. Embodiments of the invention are preferably to be interpreted as being provided to those skilled in the art to more fully describe the invention. In addition, it can be understood that the present invention can be modified or improved by those skilled in the art within the technical idea of the present invention.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020060137156A KR20080061946A (en) | 2006-12-28 | 2006-12-28 | Method for manufacturing semiconductor device with enhancing pattern cd uniformity |
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KR (1) | KR20080061946A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014127582A1 (en) * | 2013-02-21 | 2014-08-28 | 合肥京东方光电科技有限公司 | Method and device for determining photolithography process parameter |
-
2006
- 2006-12-28 KR KR1020060137156A patent/KR20080061946A/en not_active Application Discontinuation
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