KR20110121463A - 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법 - Google Patents

노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법은, 웨이퍼 노광에 사용되는 노광 장치의 퓨필(pupil) 이미지를 개구부 및 개구부 이외의 영역을 포함하여 형성하는 단계; 퓨필 이미지로부터 개구부 및 개구부 이외의 영역의 위치와 각각 대응하는 광 강도를 수집하는 단계; 개구부 이외의 영역에서 나타나는 광 강도 값을 검출하는 단계; 개구부 이외의 영역에서 광 강도 값이 검출된 대상 퓨필 이미지로부터 잔여 광 강도 값을 추출하는 단계; 및 잔여 광 강도 값을 공정 허용 기준과 비교하여 노광 장치에 반영하는 단계를 포함한다.

Description

노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법{Method for analysis a pupil shape of an exposure device}
본 발명은 반도체 소자 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 높아지면서 패턴의 크기가 작아짐에 따라 미세한 패턴을 형성하기 위해 포토리소그래피 기술, 특히 노광 공정의 중요성이 높아지고 있다. 노광 공정은 미세한 크기의 패턴을 정확하게 구현하는데 있어서 중요한 특성인 해상도에 영향을 미치는 광원을 포함한다. 리소그래피 노광 장치에서 패터닝 공정에 영향을 미치는 요소 가운데 하나로 퓨필(Pupil)이 있다.
패턴을 구현하기 위해 일반적으로 적용하고 있는 리소그래피 노광 장치는 축소 투영(projection) 광학을 이용하여 광원을 웨이퍼 상에 조사한다. 축소 투영 광학은 미세한 크기의 패턴을 형성하는데 따른 마스크 제작의 부담을 감소시키는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 축소 투영 광학을 포함하는 리소그래피 노광 장치를 개략적으로 나타내보인 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 축소 투영 광학을 포함하는 리소그래피 노광 장치는 광원(100)에서 시작하여 콘덴서 렌즈(condenser lens, 105), 레티클(reticle, 110) 및 프로젝션 렌즈(projection lens, 115)를 포함하여 구성된다. 여기서 프로젝션 광학계(115)는 대물 렌즈(115a), 퓨필 플레인(115b) 및 투사 렌즈(115c)를 포함한다. 이러한 리소그래피 노광 장치에는 쾰러 조명계가 기본 조명계로써 사용된다. 쾰러 조명계는 임의의 광원에서 출발한 빛이 레티클 표면에 떨어질 때 위치에 관계없이 빛의 세기를 균일하게 형성시킨다. 이미지 형성에 대한 아베(Abbe)의 법칙에 따르면, 광원은 레티클 상의 패턴에 의해 회절되어 대물렌즈(objective lens)에서 중첩되며, 푸리에 변환을 통해 대물렌즈 후면의 초첨면(objective rear focal plane)에 회절 무늬를 만든다. 도 1을 다시 참조하면, 광원의 형상이 퓨필 플레인(pupil plane) 상에 맺히는 것을 확인할 수 있다. 이러한 광원의 형상은 장치를 구성하는 방식에 따라 웨이퍼면 또는 웨이퍼 하부에 위치한 센서 모듈(sensor module)을 통해서 확인이 가능하다. 즉, 광원의 출발점을 어디로 하느냐에 따라 광원의 형태를 얻을 수 있는 위치가 달라진다. 예를 들어 일반적인 노광 장치에서 레티클이 위치하는 지점을 광원의 출발점으로 지정하는 경우, 광원의 모습은 웨이퍼면 하단에서 확인할 수 있다. 이러한 방식을 통해 노광에 사용되는 광원의 형태를 측정할 수 있다.
한편, 노광 장치의 분해능력을 향상시키기 위해 노광 장치에 배치되는 조명계는 단순한 형상의 조명계에서 사입사(off-axis) 조명계와 같은 복잡한 형상의 조명계로 변화되고 있다. 이 경우, 복잡한 형상의 조명이 처음 의도한 대로 만들어졌는지를 확인하는 것은 지금까지 몇 가지 변수를 통해 확인할 수 있었다. 그러나 조명계의 특성을 완전하게 정량화하여 대변하는 것은 어려운 점이 있다. 특히 단순한 변수로 퓨필의 형태를 표현하는 경우 숫자로 드러나지 않는 부분에 의해 원하지 않는 공정 결과가 나타나는 문제가 발생하고 있다. 특히 반도체 제조 회사에서는 생산비 절감을 위하여 단기간에 많은 양의 웨이퍼를 투입하여 공정을 진행하고 있는데, 양산 장비에서 나타나는 현상이 정확하게 분석이 되지 않는 경우, 품질 저하나 수율 감소의 문제로 이어지게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 노광 장치를 이용하여 패턴을 형성하는 패터닝 공정 결과에 직접적인 영향을 미치는 노광 장치의 구성 요소 가운데 퓨필의 특성을 규정하고 관리할 수 있는 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법은, 웨이퍼 노광에 사용되는 노광 장치의 퓨필(pupil) 이미지를 개구부 및 상기 개구부 이외의 영역을 포함하여 형성하는 단계; 상기 퓨필 이미지로부터 상기 개구부 및 개구부 이외의 영역의 위치와 각각 대응하는 광 강도를 수집하는 단계; 상기 개구부 이외의 영역에서 나타나는 광 강도 값을 검출하는 단계; 상기 개구부 이외의 영역에서 광 강도 값이 검출된 대상 퓨필 이미지로부터 잔여 광 강도 값을 추출하는 단계; 및 상기 잔여 광 강도 값을 공정 허용 기준과 비교하여 상기 노광 장치에 반영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 퓨필 이미지는 상기 노광 장치의 조명계 상에 광원을 조사하여 상기 웨이퍼 면 또는 웨이퍼 하부에 형성되는 이미지이다.
상기 조명계는 셀과 수평인 방향으로 개구부가 형성된 y축 다이폴 조명계 또는 셀과 수직인 방향으로 개구부가 형성된 x축 다이폴 조명계인 것이 바람직하다.
상기 잔여 광 강도 값을 추출하는 단계는, 상기 개구부 이외의 영역에서 광 강도 값이 검출된 대상 퓨필 이미지와 광 강도 값이 검출되지 않은 타겟 퓨필 이미지의 광 강도 값의 차이로 추출하는 것이 바람직하다.
상기 잔여 광 강도 값을 추출하는 단계는, 상기 잔여 광 강도 값으로부터 잔여 광 강도 이미지를 수집하는 단계; 상기 잔여 광 강도 이미지를 개구부 영역 및 비개구부 영역으로 분할하는 단계; 상기 비개구부 영역에 대해 상기 개구부 영역과 상기 비개구부 영역의 경계에서 시작점으로 하고, 상기 비개구부 영역의 중심부를 종료점으로 하여 상기 퓨필 이미지의 중심부를 기준축으로 이동하면서 광 강도 값을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 광 강도 값을 적산하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 노광 장치에 반영하는 단계에서, 상기 잔여 광 강도 값이 공정 허용 기준을 초과하면 노광 장치의 광원의 위치를 이동시키거나, 조명계의 개구부 각도를 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 퓨필의 변화를 정량적이며 구체적으로 표현하는 것이 가능하고, 정량화된 퓨필의 정보에 따라 공정 과정에서 발생하는 문제를 미리 예방할 수 있다.
도 1은 일반적인 축소 투영 광학을 포함하는 리소그래피 노광 장치를 개략적으로 나타내보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법을 설명하기 위해 나타내보인 공정 흐름도이다.
도 3은 일반적인 다이폴 조명계를 개략적으로 나타내보인 도면이다.
도 4 내지 도 6은 도 3의 조명계를 이용하여 측정한 다양한 퓨필 이미지를 나타내보인 도면이다.
도 7 및 도 8은 디램 소자 및 플래시 소자에서 비정상적인 퓨필로 인해 유발되는 선폭 차이를 그래프로 나타내보인 도면들이다.
도 9 및 도 10은 잔여 광 강도의 이미지를 추출하는 방법을 나타내보인 도면이다.
도 11은 공정 과정에서 허용하는 광 강도 범위로부터 초과하는 광 강도 범위를 나타내보인 도면이다.
노광 장치 상에 웨이퍼에 전사하고자 하는 패턴의 형상으로 광을 선택적으로 투과시키는 마스크를 배치하고, 이 마스크 상에 광원을 조사하는 노광 공정을 진행하여 선택적으로 투과된 광에 의해 웨이퍼 상에 원하는 패턴을 구현하고 있다. 이에 따라 노광 공정은 미세한 크기의 패턴을 정확하게 구현하는데 있어서 중요한 특성인 해상도에 영향을 미친다. 특히 분해능력을 향상시키기 위해 복잡한 형태의 조명계로 변화되면서 조명이 의도한대로 형성되는지 확인하기가 어려운 점이 있다. 형성된 조명에 따라 임의의 격자(grating) 또는 마스크 패턴에 조사되는 광원의 형태가 달라지고, 이에 따라 회절광 정보의 수준 및 분해능이 달라지면서 웨이퍼 상에서의 패턴 사이에 선폭(CD; Critical Dimension)의 차이도 발생하게 된다. 따라서 의도한 형태의 퓨필이 정확하게 만들어졌는지 확인하고 퓨필에 이상이 있는 경우에는 어느 정도 수준인지를 측정 및 표현할 수 있어야 비정상적으로 형성된 패턴으로 인해 야기되는 품질 문제나 수율 저하 문제를 피할 수 있다. 이에 본 발명의 실시예에서는 패턴을 형성하는데 있어서 공정 결과에 직접적인 영향을 주는 광 강도를 규정하고 관리하기 위해 퓨필을 분석하는 방법을 제시한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법을 설명하기 위해 나타내보인 공정 흐름도이다. 도 3은 일반적인 다이폴 조명계를 개략적으로 나타내보인 도면이다. 그리고 도 4 내지 도 6은 도 3의 조명계를 이용하여 측정한 다양한 퓨필 이미지를 나타내보인 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 노광 장치의 광원으로부터 차광부 및 투광부를 포함하는 조명계 상에 광을 조사한다(S100). 여기서 광원은 도 3에 도시한 다이폴 조명계(200, 210)와 같이 편광된 빛을 투광시키는 투광 부분을 가지는 비대칭 조명계를 이용하여 광을 조사한다. 또한 광원은 KrF, ArF 레이저 또는 EUV 파장의 광원을 이용할 수 있다. 구체적으로, 다이폴 조명계에 조사된 광원은 조명계 상에 형성된 두 개의 개구부(205, 215)를 통해 조사된다. 여기서 조명계 상에 형성된 개구부가 x축 방향으로 형성되거나 y축 방향으로 형성된 위치에 따라 x축 다이폴 조명계(도 3의(a)) 또는 y축 다이폴 조명계(도 3의(b))로 구분한다. 이러한 다이폴 조명계는 노광될 패턴의 방향에 따라 다른 해상력을 다른 해상력을 가지며, 조명계의 퓨필이 형성된 방향과 같은 방향의 패턴에 대해서 높은 해상력을 가진다. 여기서 x축 다이폴 조명계(도 3의(a))는 셀 영역과 수직인 방향으로 형성되는 패턴에 높은 해상력을 가지며, y축 다이폴 조명계(도 3의(b))는 셀 영역과 수평인 방향으로 형성되는 패턴에 대해 높은 해상력을 가진다.
다음에 웨이퍼 노광에 사용되는 노광 장치의 퓨필 이미지(pupil image)를 조명계의 개구부 및 개구부 이외의 영역을 포함하여 형성하고(S110), 퓨필 이미지로부터 개구부 및 개구부 이외의 영역의 위치와 각각 대응하는 광 강도를 수집한 다음(S110), 개구부 이외 영역, 예컨대 차광 부분에서 나타나는 광 강도 값을 검출한다(S120).
퓨필 이미지는 광원으로부터 조사된 광의 강도를 센서를 이용하여 검출하여 나타낸다. 여기서 퓨필 이미지는 웨이퍼 면 또는 웨이퍼 하단에서 측정할 수 있다. ArF 파장을 이용하는 리소그래피 노광 장치에서 계측된 퓨필 이미지를 나타내보인 도 4 및 도 5를 참조하면, 이상적인 퓨필 이미지(도 4)의 경우, 개구부(305a, 315a)가 위치한 부분에서만 광 강도 값이 검출되어 개구부 이외의 영역(310a, 320a)으로 새어 들어가는 빛의 양이 거의 없는 것으로 판단할 수 있는 반면, 비정상적인 퓨필 이미지(도 5)의 경우에는 설정된 개구부(305b, 315b) 이외의 영역(310b, 320b)에서도 광 강도 값이 검출되어 이 부분에서도 일정 수준의 빛의 세기가 존재하는 것을 판단할 수 있다. 이는 개구부 영역을 A-A' 방향을 따라 측정한 광 강도 및 개구부 이외의 영역을 B-B' 방향을 따라 측정한 광 강도를 위치에 따른 그래프로 나타내보인 도 6을 참조하면, 비정상적인 퓨필 이미지에서는 개구부 이외의 영역에도 빛이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 퓨필 이미지로부터 비정상적인 퓨필(도 5)에서는 설정된 개구부(305b, 315b) 이외의 영역(310b, 320b)으로 빛이 새는 것으로 예측할 수 있으며, 전자빔 정렬(beam alignment)이 정상으로부터 벗어나거나 렌즈의 재질 또는 불량 등을 빛이 새는 원인으로 꼽을 수 있다. 여기서 본 발명의 실시예에서 측정한 퓨필 이미지 가운데 도 4의(a) 및 도 5의 (a)는 개구부의 각도가 90도인 y축 다이폴 조명계를 적용하였고, 도 4의 (b) 및 도 5의 (b)는 개구부의 각도가 35도인 x축 다이폴 조명계를 적용하여 측정하였다. 또한 노광 장치에 이상적인 퓨필 이미지의 광 강도 데이터를 내장하여 비정상적인 퓨필 이미지의 광 강도와 비교가 용이하게 할 수 있다.
이와 같이 비정상적인 퓨필 상태를 계측하지 못한 상태에서 노광 공정을 진행하면 개구부 이외의 지역과 대응하는 웨이퍼 상에 빛이 조사되면서 비정상적인 공정 결과, 예컨대 선폭(CD)의 차이도 발생하게 된다. 특히 셀에 수직인 방향으로 형성되는 패턴에 높은 해상력을 가진 x축 다이폴 조명계의 경우, 개구부 이외의 영역(310b, 320b)에 빛이 존재하면 웨이퍼 선폭(CD)의 차이가 크게 나타나는 문제가 있다.
도 7 및 도 8은 디램 소자 및 플래시 소자에서 비정상적인 퓨필로 인해 유발되는 선폭 차이를 그래프로 나타내보인 도면들이다. 도 9 및 도 10은 잔여 광 강도의 이미지를 추출하는 방법을 나타내보인 도면이다. 그리고 도 11은 공정 과정에서 허용하는 광 강도 범위로부터 초과하는 광 강도 범위를 나타내보인 도면이다.
디램(DRAM; Dynamic Random Access Memory) 소자의 주변회로영역에 형성된 게이트의 선폭(CD)을 나타내보인 도 7을 참조하면, 정상적으로 배치된 퓨필과 비정상적으로 배치된 퓨필로 인해 선폭의 차이가 나타난다. 여기서 비정상적인 퓨필에 의해 형성된 게이트의 선폭은 정상적인 퓨필에 의해 형성된 게이트의 선폭과 비교하여 적어도 5nm의 선폭 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이 경우 선폭의 차이를 측정한 소자는 1.12NA(개구부)를 사용하는 50nm급 디램 소자의 주변회로영역에 형성된 게이트를 측정하였다. 이러한 퓨필의 배치에 따른 선폭 차이는 디램 소자뿐만 아니라 플래시 소자에서도 발생한다. 플래시 소자의 콘트롤 게이트의 선폭 차이를 나타내보인 그래프인 도 8을 참조하면, 플래시 소자의 경우 선폭 차이로 인해 저항이 변하고 이에 따라 프로그래밍 속도가 달라지는데, 특히 선택 라인(selective line)의 가까이에 있는 스트링 셀(string cell)안 첫 번째 스트링 셀(1)과 마지막 스트링 셀(31)의 선폭 변화가 심하게 나타나는 것으로 확인할 수 있다. 여기서도 퓨필의 형태에 따라 5nm 수준의 콘트롤 게이트의 선폭 차이가 발생한다.
이어서, 개구부 이외의 영역인 차광 부분에서 광 강도 값이 검출된 대상 퓨필과, 차광 부분에서 광 강도 값이 검출되지 않은 타겟 퓨필의 광 강도 값의 차이인 잔여 광 강도 값을 추출한다(S130).
상술한 바와 같이, 퓨필의 형태에 의해 실제로 웨이퍼 상에 구현되는 패턴의 선폭에 차이가 발생하기 때문에 수시로 퓨필의 형태를 계측하고 이를 정확하게 표현할 수 있는 방법이 요구된다. 이를 위해 잔여 광 강도의 이미지를 추출하는 방법을 나타내보인 도 9에 도시한 바와 같이, 개구부(305b) 이외의 영역(310b)에서 빛이 검출된 퓨필 이미지(도 9의(a))와 개구부(305a) 이외의 영역(310a)에서 빛이 발생하지 않은 이상적인 퓨필 이미지(도 9의(b))의 광 강도 차이를 계산하면 도 9의(c)와 같은 잔여 광 강도의 이미지를 추출할 수 있다. 도 9의(c)를 참조하면, 개구부 이외의 영역(310)에서 잔여 광 강도가 검출되는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 광 강도 이미지에서 붉은 색일수록 광 강도가 존재하는 것을 의미하고, 파란 색일수록 광 강도의 차이가 존재하지 않는 다는 것을 의미한다.
다음에 잔여 광 강도 값을 공정 허용 기준과 비교하여 대상 퓨필 이미지에 반영한다(S140).
이를 위해 개구부 이외의 영역(310)에서 존재하는 잔여 광 강도 값을 구한다. 구체적으로, 도 10을 참조하면, 잔여 광 강도의 이미지를 개구부 영역(400, 410)과 빛이 들어가지 않는 비개구부 영역(405, 415)으로 분할한다. 다음에, 빛이 들어가지 않는 비개구부 영역(405, 415)에 대해 개구부 영역과 비개구부 영역의 경계부(I)에서 시작하여 비개구부 영역의 중심부(Ⅱ)까지 퓨필의 중심부(C)를 축으로 하여 이동하면서 지정된 지점으로부터 측정된 광 강도 값을 적산하여 광 강도의 양을 구한다. 이때, 이동하면서 지정된 지점은 임의로 지정한 샘플링 포인트(sampling point)이다.
계속해서 구해진 광 강도 양을 공정에서 허용하는 기준과 비교하여 일정 수준을 초과하는 경우 자동으로 공정 결과를 재확인하고 비정상 퓨필 이미지에 대한 점검을 실시하도록 한다. 구체적으로, 도 11을 참조하면, 공정 과정에서 허용하는 광 강도 범위의 그래프(425)와 도 10에서 상술한 방법으로 측정된 광 강도 범위의 그래프(420)를 비교하여 허용 광 강도 범위로부터 초과하는 광 강도 범위를 검출한다. 이와 같이 검출된 초과 광 강도 범위를 참고자료로 하여 노광 장치 광원의 빔 위치를 이동시키거나 조명계 상의 개구부 각도를 조절하여 초과된 광 강도 범위가 허용 광 강도 범위 이내에 위치하게 조절하여 대상 퓨필 이미지 상에 반영한다.
본 발명에 의하면, 비정상적으로 계측된 퓨필의 빛의 세기를 구간별로 정량화하여 퓨필의 변화를 정량적이며 구체적으로 표현할 수 있다. 또한 정량화된 퓨필 정보에 따라 기준을 정하여 허용 범위를 벗어난 퓨필에 대하여 보정을 수행함으로써 노광 공정에서 발생되는 문제를 미리 방지할 수 있다.
200, 210: 다이폴 조명계
개구부: 205, 215, 305a, 305b, 315a, 315b, 400, 410
개구부 이외의 영역: 310a, 310b, 320a, 320b, 405, 415
비개구부 영역의 경계부; I
비개구부 영역의 중심부: Ⅱ
퓨필의 중심부: C

Claims (6)

  1. 웨이퍼 노광에 사용되는 노광 장치의 퓨필(pupil) 이미지를 개구부 및 상기 개구부 이외의 영역을 포함하여 형성하는 단계;
    상기 퓨필 이미지로부터 상기 개구부 및 개구부 이외의 영역의 위치와 각각 대응하는 광 강도를 수집하는 단계;
    상기 개구부 이외의 영역에서 나타나는 광 강도 값을 검출하는 단계;
    상기 개구부 이외의 영역에서 광 강도 값이 검출된 대상 퓨필 이미지로부터 잔여 광 강도 값을 추출하는 단계; 및
    상기 잔여 광 강도 값을 공정 허용 기준과 비교하여 상기 노광 장치에 반영하는 단계를 포함하는 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 퓨필 이미지는 상기 노광 장치의 조명계 상에 광원을 조사하여 상기 웨이퍼 면 또는 웨이퍼 하부에 형성되는 이미지인 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 조명계는 셀과 수평인 방향으로 개구부가 형성된 y축 다이폴 조명계 또는 셀과 수직인 방향으로 개구부가 형성된 x축 다이폴 조명계인 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 잔여 광 강도 값을 추출하는 단계는, 상기 개구부 이외의 영역에서 광 강도 값이 검출된 대상 퓨필 이미지와 광 강도 값이 검출되지 않은 타겟 퓨필 이미지의 광 강도 값의 차이로 추출하는 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 잔여 광 강도 값을 추출하는 단계는,
    상기 잔여 광 강도 값으로부터 잔여 광 강도 이미지를 수집하는 단계;
    상기 잔여 광 강도 이미지를 개구부 영역 및 비개구부 영역으로 분할하는 단계;
    상기 비개구부 영역에 대해 상기 개구부 영역과 상기 비개구부 영역의 경계에서 시작점으로 하고, 상기 비개구부 영역의 중심부를 종료점으로 하여 상기 퓨필 이미지의 중심부를 기준축으로 이동하면서 광 강도 값을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 광 강도 값을 적산하는 단계를 포함하는 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 노광 장치에 반영하는 단계에서, 상기 잔여 광 강도 값이 공정 허용 기준을 초과하면 노광 장치의 광원의 위치를 이동시키거나, 조명계의 개구부 각도를 조절하는 노광 장치의 퓨필 형태 분석 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111989619A (zh) * 2018-04-09 2020-11-24 Asml荷兰有限公司 半导体结构的基于模型的重构

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