포토마스크의 임계치 변화량 정정 방법
이 발명은 포토마스크에 관한 것으로, 특히 포토마스크의 방사 감쇠를 위한 광학 셰이딩 요소 또는 회절 광학요소를 마련하여 포토마스크를 통해 만들어진 웨이퍼에서 임계치(CD:critical dimension) 변화량을 정정하기 위한 방법이다.
특허권자 | 칼 자이스 에스엠에스 엘티디
발명자 | 자이트 에이탄, 드미트리에브, 블라디미르, 구레트스키, 니코래이, 오쉠코브, 세르게이, 벤-즈비, 가이
직접회로 제조에 사용되는 포토마스크는 석영이나 용융 석영판에 퇴적된 크롬층으로 구성되고, 이후 포토리소그래픽 프로세스에서 사진촬영으로 인화 처리한 것과 유사한 ‘네거티브’로서 사용하기 위해 연속적으로 패턴이 만들어진다. 포토리소그래픽 프로세스에서 자외선 빛이 크롬층에서 새겨진 패턴을 통해 통과하고, 이미지가 실리콘 웨이퍼의 최상단 포토레지스트층에 형성된다. 이때 보호층, 무반사 층, 또는 MoSi등 매립된 상이동층의 부가 층은 종종 크롬 층을 수반한다.
IC(직접회로)와 같은 부가적인 응용 사례는 데이터저장용 하드 디스크 장치에서 사용되는 박막 자성 리드/라이트 헤드를 위한 포토리소그래픽 프로세스이다. 프론트-엔드(Front-end) 직접회로 프로세스에는 마스크 대상에서 실리콘 웨이퍼가 인쇄된 이미지로 1:4의 광역 배율을 갖는 서브 미크론 해상도가 요구된다. 이러한 서브 미크론 프로세스는 웨이퍼에 인쇄된 임계치(CD)가 정밀한 사양으로 균일하게 만들어져야 한다. 그러나, 반도체 산업에서 잘 알려진 바와 같이 리소그래피 프로세스는 사양과 요건을 자주 초과한다.
따라서 이 발명의 목적은 포토리소그래픽 프로세스에서 포토마스크와 관련된 필드의 임계치 변화량을 감소시키는 방법과, 포토마스크에서 매립된 셰이딩 요소나 회절 광학 요소를 사용하여 임계치 변화량을 감소시키는 방법을 제공하는 것이다.
실시 예시
직접회로의 리소그래픽 인쇄에서 프로세스 변동은 실리콘 웨이퍼에 인쇄된 라인과 공간의 크기 변동에 의해 특징화된다.
라인과 공간의 변동은 웨이퍼의 다른 범위에서 평균 임계치 크기로 측정된다. 웨이퍼에서 인쇄되지 않은 라인과 공간의 폭에서 변동이 있으면 포토마스크는 임계치 변화량을 갖는다고 할 수 있다.
이 발명은 포토마스크의 유리 기판 내부에 있는 화소로 이루어진 셰이딩 요소를 울트라패스트 펨토 세컨드 레이저(ultrafast femto second laser)로 라이트하여 웨이퍼의 노출 필드에서 임계치 변동을 제어하는 새로운 방법을 제공한다. 셰이딩 요소 감쇠 레벨은 기판의 볼륨에서 화소의 크기와 화소 3차원 배열을 제어하는 작업에 의해 결정된다. 이때 요구되는 감쇠 레벨은 웨이퍼의 노출필드 내부에서 목표 임계치로부터 임계치 변화량 정도에 의해 결정된다.
목표 임계치에 존재하는 포토마스크를 통해 통과하는 빚의 양을 감쇠시키면 포토리소그래픽 프로세스에서 임계치를 감소시키며, 결과적으로 노출된 필드 밖의 임계치 변화량을 감소시킨다. 100 펨토세컨드 정도의 펄스 기간을 갖는 초단 펄스 레이저는 에너지가 투명한 매체 내부에서 비선형 흡수를 위한 임계값을 초과하는 소정의 초점항복점을 생성하기 위해 포토마스크 후방을 통해 기판에 초점을 맞추되, 굴절률로 일부 변화를 만든다.
유리 또는 석영물질과 같은 투명 매체 내부에서 발생하는 이 항복은 밀도와 굴절률이 서로 다르다. 때문에 빛을 산란시키는 화소점에서 발생한다.
고속 주사 광학과 이동 X/Y 스테이지를 결합한 50KHz이상의 패스트 레이저 반복률에 있어 유리기판 내부에서 화소 배열은 소정의 화소 크기와 측면 크기, 화소 밀도, 층수를 갖춘 셰이딩 요소를 마련하고 셰이딩 레벨이 임계치 변화량을 보상하게 된다.
구체적인 과정
이제부터 이 발명의 바람직한 실시예에 따른 임계치 정정 프로세스를 설명한다.
먼저, 테스트 웨이퍼를 인쇄한다. 테스트 웨이퍼 임계치 분포는 CD SEM이나 다른 광학 메트롤러지 툴을 사용하여 매핑된다. 전형적인 임계치 분포 맵은 수십 개 또는 수백 개의 임계치 측정 포인트로 만들어진다.
측정 포인트와 각 임계치 변화량 값은 각각의 임계치 포인트가 퍼센트로 X좌표와 Y좌표 및 임계치 변화량 값의 세트를 할당하는 방법 등 기존의 임계치 맵핑 기술을 통해 단일 테이블 내에 모인다. 마지막 테이블은 1개의 노출 필드를 나타내며, 웨이퍼를 인쇄하도록 사용된 마스크 영역과 동일하다.
이때 웨이퍼 노출 필드 임계치 변화량 맵은 모든 임계치 변화량 소스를 포함하는 중첩을 표시하지만, 마스크 자체에서 임계치 변화량은 제한되지 않는다.
이 발명에 따르면, 컴퓨터 프로그램은 임계치 정정 툴에 임계치 변화 테이블을 불러온 후, 퍼센트의 임계치 변화값을 필요한 퍼센트의 감쇠 레벨로 변환한다. 그 다음 프로그램은 마스크 볼륨의 3차원으로 배열된 픽셀 화소로 바꾼다(따라서 큰 임계치 변화량 영역은 가장 밀도 있는 화소 임계치 정정 패턴을 받아들일 것이고, 결과적으로 이 영역은 가장 낮은 자외선 투과율을 나타낼 것이다).
마스크가 CDC(CD Correction) 툴에 로드 및 할당되면, 울트라패스트 레이저는 CDC맵에 따라 화소의 패턴을 새기게 된다. 이를 레이저 라이트 단계라고 한다.
레이저 라이트 단계 후, UV 전송 측정 시스템은 마스크 각 영역의 감쇠 레벨을 측정하고 감쇠 레벨과 비교한다. 더 많은 감쇠가 필요하다면 특정 영역을 감쇠 레벨을 높이도록 CDC툴에 의해 재처리할 수 있다.
레이저 라이트와 UV 전송 측정이 완료된 후, 마스크는 웨이퍼 인쇄를 위해 반송되고 인쇄 노출필드 내부와 전체에 감소된 (혹은 향상된) 임계치 변화량을 마련한다. 대체로 150fs의 짧은 레이저 펄스를 전송할 수 있지만, 20피코초 기간 이하에서는 펄스당 5나노줄보다 큰 에너지에서 200KHz 반복률을 가진 패스트 펄스 펨토세컨드 레이저는 셰이딩 요소(SE:Shading element)의 적합한 설계 또는 SE의 구제적 형태인 회절 광학 요소(DOE:diffractive optical element)를 실현하기 위해 마스크 기판이나 산란과 흡수의 고도 레벨을 갖는 항복 존의 굴절률에서 일부 변화를 일으킬 수 있다. SE 구조 설계는 선택된 영역상에서 투영을 만들어야 하며, 평균 임계치 변화량을 정의한다.
셰이딩 요소의 파라미터는 다양한 셰이딩 요소 파라미터 목록과 그에 상응하는 감쇠력(전형적인 퍼센트로 측정됨)를 포함하는 기준 교정 목록을 사용하여 결정된다.
포토마스크의 전방 크롬 패턴 측면이 광학적으로 영향을 받는 영역의 범위는 크롬에서 유리 내부의 깊이와 직접적으로 비례한다. 마스크 두께가 보통 6.35mm이기 때문에 표면의 후방 측면 아래에서 레이저 화소 패턴은 효과적으로 필요한 영역을 가린다. 이때 프로세스가 영향받는 영역을 줄이면, 패턴은 크롬이 코팅된 측면에 수차 보정이 필요할 경우 더 가깝게 새길 수 있다.
임계치 변화량 맵은 보통 CD SEM(주사형 전자현미경)이나 웨이퍼를 가로질러 기판 전체의 CD 맵을 측정하는 광학 CD 시스템을 사용하여 결정된다. 이 맵은 보통 나노미터에서 XY 좌표의 세트와 ±임계치의 변화량 값으로 주어진다.
발명은 포토마스크에 새겨질 때 임계치 변화량을 보정할 화소의 세트를 결정하고 실행함으로써 수행할 수 있다. 보정은 화소 정렬을 통해 수행하며, 부분적 차광이 이루어지고, 마스크의 차광된 영역을 통과하는 UV 방사선량을 감소시킨다.
이 기술의 직접적인 이점은 예를 들어 WO 03/071358, Zait 등에 의해 결함이 있는 포토마스크를 수정하는 방법 및 시스템에서와 같이 투명한 매체 또는 인트라 볼륨 패턴 내부에 화소를 패턴화하는 가능성을 시사한다는 것이다.
고도의 광학 집적을 달성하고 레지스트 임계치에 관해 필요한 레벨로 UV 광의 전송을 감쇠시키기 위해 레이저 화소는 수평 또는 수직으로 축적될 수 있다. 초단 펄스 레이저가 유리나 어떤 투명 매체 내부에 화소를 패턴화하도록 사용할 때 유리 기판 두께는 광학시스템의 작용부가 되고, 레이저 빔의 광추적을 강하게 중재한다.
광경로 길이 내부에 평탄한 유리를 추가하는 것은 강력한 구면수차를 도입하는 효과를 일으킨다. 하지만 이는 보통 1/4″ 두께의 유리로 2개 이상의 요인에 의해 해상도가 저하된다. 유리에서 몇 밀리미터의 광경로 길이 변화에 의해 생성된 구면수차는 가로와 세로 양쪽에 존재한다. 구면수차는 가로와 세로 양쪽의 최적화된 초점에서 레이저 스팟의 에어리디스크(Airy disk)의 이상적인 형상에 일어난 손실 탓에 발생한다. 대부분의 레이저 에너지는 중심 에어리 디스크에서 외부 링으로 전환하고, 레이저 스폿은 광학항복(breakdown)을 위해 몇 배 더 많은 에너지를 필요로 한다. 따라서 스팟 크기는 확대되고, 동시에 상당히 희미해진다.
이 발명은 기판의 후방 패턴 사용을 제시(예를 들어 크롬층에 이미 패터닝된 전방 측면을 통과하는 것이 아니라 기판의 후방 측면을 통과하는 레이저 기록 방사를 유도)하며, 추가적인 유리 두께를 위해 광경로 길이를 보정한다. 이때 레이저 패터닝은 필요한 초점면에서 제한된 회절이다.
광학적으로 보정하는 셋업을 이용하면서 구면수차는 낮은 레벨로 감소할 수 있고, Strehl 비율(수차의 에너지 비율은 이상적 회절 제한 스폿과 같은)은 0.98을 초과한다. 또, SE의 광학 설계는 유효 구경수 및 종류와 UV 방사 소스의 부분 코히런스 σ에 따라 설계될 수 있다.
셰이딩 요소 설계를 위한 파라미터 계산은 수학적으로 복잡하고, 회절 차수가 더 낮지만, 비교적 낮은 1%~25%의 셰이딩 레벨을 위해 회절(회절 격자에서 ±1이 작은 기여도를 갖고 있는 것처럼 더 높은 차수)의 0차수로 고려하는 것이 좋은 접근이다. 이때 감쇠 레벨은 정렬 내부의 화소에 의해 덮혀진 관련 영역에 의해 결정된다.
대부분의 경우에서 감쇠 레벨은 1% 내지 25% 범위에 있고, 이러한 처리는 작은 감쇠 범위에서 넓고 다양한 범위를 가지고 있다. 따라서 화소 크기를 결정하는 화소와 레이저 에너지 사이의 거리는 정확도를 통해 제어된다. 50KHz 이상의 레이저 펄스에서 고속 스캐너와 XY 이동 스테이지를 결합한 10만 이상의 화소로 이루어진 하나의 셰이딩 요소는 새겨지는데 최대 몇 분 가량이 걸린다.
차광된 영역은 임계치 측정맵에 의해 결정된다. 실제로 맵은 그래픽 파일 또는 숫자 테이블로 컴퓨터에 로딩되고, 각각의 영역은 기준 리스트에서 얻어지는 특정기준으로부터 다양한 레벨에 따라 패턴화된다.
발명 구성 설명
이제부터 이번 발명의 구성을 도면에 따라 설명한다.
레이저 마스크의 처리 스테이션에서 제안되는 셋업을 도식화한 도면 1에서 마스크는 XYZ스테이지의 홀더 위에 놓인다. 여기서 시스템은 초단 펄스 펨토세컨드 레이저(1)을 포함하고, 중앙 연산 제어유닛(21)은 펄스 타임을 제어한다. 레이저 펄스 기본 주파수는 조파 생성기(2)에 의해 더 높은 조파로 다중화되고, 가변이 쉬운 감쇠기(3)에 의해 출력 에너지가 제어된다.
감쇠된 레이저 빔은 갈보 스캐너 또는 압전 액추에이터형 스캐너 또는 음향광학 편향기(5) 같은 스캐너를 포함하고, 연산 제어유닛(21)에 의해 레이저 펄스 타이밍과 3축 무빙 스테이지(9)에 동기시키는 빔 전송 시스템으로 유도된다. 그 후에 메인 대물렌즈(6)가 포토마스크 기판 측면(7)에 초점을 맞춘다.
대물렌즈(6)는 고배율을 갖는 현미경으로 기능하는 인-시투 머신비전 시스템을 위해 쓰인다. 이 현미경은 유리 물질의 레이저 항복 처리의 감시뿐만 아니라 화소 크기와 형태를 측정하기 위해 쓰인다. 마스크에서 원하는 CD분야와 관련된 셰이딩 요소를 정확하게 위치 결정하기 위해서도 쓰인다.
마스크는 광 가이드(10)와 가변 개구 조리개(11)을 거쳐 광원(13)에 의해 조사된다. 화소 영역과 형태 그리고 위치는 개구수와 경우에 따라 리소그래픽 프로세스의 조명 모드에 일치하도록 선택할 수 있다.
빛은 마스크(8)의 패턴화된 크롬층 상에 집광렌즈로 조준한다.
이미지는 CCD카메라(19)에서 빛을 직접 조준하며 대물렌즈(6), 빔 스플리터(4), 렌즈관(18)을 거쳐 형성된다. 이미지는 연속 프레임그래버(20)에 의해 상이 잡힌 뒤 중앙 연산 제어유닛(21)에서 처리된다. UV 소스(16)와 검출 시스템(17)은 유리 내부에서 패턴화된 각각의 셰이딩 영역의 UV 방사감쇠 레벨을 측정하여 리드한다.
저배율을 갖는 추가적인 이미징 시스템(15)(광원(14)을 사용)은 마스크를 통과하는 내비게이션을 위해 쓰인다. XY 정렬된 좌표를 포함하는 임계치 변화량 테이블은 컴퓨터에 로드되며 이후 레이저 패턴화 처리를 일치시키는 정렬마크의 좌표를 결정한다.
도면 2는 웨이퍼 레벨상 임계치가 일치하는 이상적인 상황을 도시한 것이다. 이때 조명·마스크·이미지 파라미터가 바람직하다. 포토마스크(30)는 소정의 패턴(34)이 코팅이 제거된 깨끗한 라인 형태로 마련된 흡수코팅(32)를 포함한다. 이때 라인은 두께가 이상적으로 균일하고, 플롯(36)에 도시된 바와 같이 임계치의 변화량의 요인이 되는 외부 효과가 없다.
도면 3은 한두 가지 이유(빔 조명이 동일하지 않음, 마스크 임계치 변화, 이미지 광학적 변이 등)의 변동 때문에 웨이퍼 노출 필드를 가로질러 임계치가 변하는 실제 상황을 도시한 것이다. 왼쪽에서는 라인이 이상적인 임계치 단일성(36)을 보여주지만 중앙에는 작은 임계치 변화량(38)을 오른쪽에는 큰 임계치 변화량(40)을 나타낸다.
도면 4는 웨이퍼(도면 3과 동일)의 실제 임계치 변동 맵(예를 들면 CD SEM)에 기초하여 마스크에서 라인 각각의 영역을 통하여 전사된 UV광의 레벨을 감쇠시키고, 바람직한 값으로 웨이퍼 노출 필드상의 효과적인 임계치를 정정한 포토마스크 내부에 보상 패턴이 생성된 상황을 도시한 것이다.
중앙에는 포토마스크 내부에 새겨진 약한 임계치 정정 패턴(42)이 마련되며, 오른쪽에는 강한 임계치 정정 패턴(44)이 감쇠 강도로 마련된다. 그 결과 정정된 투사 패턴(46)이 나타난다.
임계치 정정 패턴은 기판 내부에서 후방 표면(크롬층과 반대 쪽)에 미리 조정한 최상의 초점면이다. 이는 기판을 통하여 라이트하여 생성된다. 이는 앞면이 주로 크롬층과 패턴으로 코팅되어 있기 때문이다. 임계치 변화량 정정은 셰이딩 패턴을 추가하는 과정에서 투명하고 자유로운 후방 측면을 통하여 조명하는 것이 용이하다.
