KR0184000B1 - 투영노광방법 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 단파장광원과 고개구수(高開口數)의 투영광학계를 사용하여 웨이퍼상에 포토마스크의 패턴을 투영할 때에, 포커스마진을 확대하여 안정된 해상을 달성하고, 또한 스루풋을 향상시킨다. 결상면을 예를 들면 3위치 즉 웨이퍼표면단차의 고저의 평균높이인 센터포커스와 이 센터포커스의 양측에서 소정의 양만큼 오프셋된 플러스 및 마이너스포커스에 결상면을 설정함으로써 3단계법에 의한 노광을 행할 때, 상기 각 위치에서 총노광량을 3등분한 노광량으로 노광을 행하면 2단계법에 의한 노광을 행할때 포커스마진이 작아지게 된다. 본원 발명에 따라서, 센터포커스에서 상대적으로 작은 노광량을 사용함으로서 합성광강도 콘트라스트가 센터포커스에서 최소로 되어도 포커스마진을 확대할 수 있다. 센터포커스에서 결상면의 이동속도를 비교적 크게 하여 일정한 노광량으로 연속노광을 행하여도 동일한 효과가 달성되며, 스루풋이 향상된다.

Description

투영노광방법

제1도는 종래의 2단계법에 의한 광강도 콘트라스트곡선을 나타내는 특성도.

제2도는 종래의 3단계법에 의한 광강도 콘트라스트곡선을 나타내는 특성도.

제3도는 본원 발명을 실시하기 위해 사용되는 투영노광장치의 일구성예를 나타내는 모식도.

제4a도 내지 제4c도는 본원 발명의 3단계법에 적용한 경우의 결상면의 위치설정의 일예를 나타내는 모식적 단면도로서, 제4a도는 마이너스포커스시, 제4b도는 센터포커스시, 제4c도는 플러스포커스시를 각각 나타낸다.

제5도는 본원 발명을 3단계법에 적용한 경우의 광강도 콘트라스트곡선을 나타내는 특성도.

제6도는 본원 발명을 적용한 경우의 Z 스테이지의 이동속도의 변화패턴의 일예를 나타내는 특성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1：광원 5：포토마스크

6：결상렌즈 8：XY스테이지

9：Z 스테이지 10：웨이퍼

20：기판 21：포토레지스트층

본원 발명은 반도체장치의 제조분야 등에 있어서 포토리소그래피에 적용되는 투영노광방법에 관한 것이며, 특히 웨이퍼의 전체면에 걸쳐서 균일한 해상(解像)을 가능하게 하는 방법에 관한 것이다.

반도체 집적회로의 분야에 있어서는 서브미크론(submicron)레벨의 가공이 양산공장에서 이미 실현되고, 금후의 하프미크론(half-micron) 레벨, 나아가서는 64M 비트 DRAM 클라스에서 필수로 되는 쿼터미크론(quarter-micron)레벨의 가공에 관한 연구가 진행되고 있다.

이와 같은 미세가공의 진보의 관건이 된 기술은 포토리소그래피이며, 종래의 진보는 노광파장의 단파장화 및 축소투영노광장치(스테퍼)의 축소광학렌즈의 고개구수(高開口數)(NA)화에 의한 바가 크다. 그러나, 이들 단파장화와 고 NA화는 모두 초점의 심도(深度)를 증대시키는 관점에서 불리한 조건이다. 그것은 초점의 심도가 노광파장에 비례하고, 개구수의 제곱에 반비례하기 때문이다.

그 한편에서 피노광체(被露光體)인 반도체 웨이퍼의 표면단차(段車)는 반도체 집적회로의 고밀도화에 따라서 매년 증대되고 있다. 이것은 디바이스의 구성이 3차원화 되고 있는 상황하에서 회로의 성능이나 신뢰성을 유지하는 관점에서 2차원방향의 디자인룰의 축소에 비해 3차원방향의 축소가 진행되지 않기 때문이다. 이와 같이 큰 단차를 가진 반도체 웨이퍼의 표면에 포토레지스트재료를 도포하면, 형성된 포토레지스트층에도 커다란 표면단차나 막두께의 불균일이 생긴다. 이제까지 비교적 미세한 패턴에 의해 발생하는 단차에 대하여는 다층레지스트법에 의해 웨이퍼표면의 평활화가 행해져 왔다. 그러나, 이 방법을 사용해도 예를 들면 메모리셀부와 주변회로와의 사이의 단차와 같이 큰 면적에서 발생하는 단차를 흡수할 수는 없다. 이러한 웨이퍼에 대해 노광을 행하려면, 그 결상면의 위치는 단차 상하의 평균적인 위치에 설정하지 않을 수 없게 된다. 그리고, 투영렌즈의 상면(像面)왜곡의 존재에 의해 결상면은 완전평면으로는 될 수 없으며, 또한 웨이퍼표면도 투영광학계의 광축에 대해 완전한 수직은 아니다.

이러한 사정이 초점심도가 얕아지는 경향이나 단파장화(短波長化)에 의한 포토레지스트재료의 광흡수의 증대등과 더불어 웨이퍼전체면에 걸친 균일한 해상을 곤란하게 하고 있다.

이와 같이, 해상도와 초점심도에 대해 요구와는 본질적으로 상반되는 것이다. 그래서, 이러한 문제를 해결하기 위해 개구수를 일정레벨로 억제하고, 또한 실용레벨의 초점심도를 확보한 다음, 노광장치의 사용법이나 프로세스의 연구에 의해 고콘트라스트화를 통하여 고해상도를 달성하려는 기술이 몇가지 검토되고 있다.

그 하나로 이른바 FLEX법이 있다. 이것은 일본국 특개소 58(1983)-17446호 공보에 개시된 바와 같이, 동일한 포토마스크를 통하여 결상면을 시프트시키면서 복수회의 노광을 행함으로써 실효적으로 광축방향으로 길게 광학상 콘트라스트를 유지하려는 방법이다. 결상면을 시프트시키는데는 상기 공보에 기재된 바와 같이 포토마스크, 반도체웨이퍼, 투영광학계중 최소한 하나를 광축방향으로 미소진동시키는 방법 또는 일본국 특개소 63(1988)-64037호 공보에 기재된 바와 같이 이들 부재의 위치를 노광할 때마다 단계적 또는 연속적으로 시프트시키면서 노광을 행하는 방법등이 취해진다.

가장 단순한 FLEX 법은 광축상의 서로 다른 2점을 결상면으로 하여 행해지는 2단계법이다. 여기서는 웨이퍼를 재치하는 Z스테이지를 상하로 구동함으로써 결상면을 광축(Z축)방향으로 이동시킨 예에 대해 제1도를 참조하면서 설명한다.

도면중 횡축은 Z축방향의 스테이지위치(㎛)를 표시한다. 이것은 웨이퍼의 단차상하의 평균적인 위치에 설정되는 결상면의 위치(센터포커스)를 원점 0으로 정하고, 이곳을 기준으로 하는 포커스오프셋으로서 정의되는 양이다. 여기서, 노광광원에 접근하는 방향을 -측, 노광광원에서 멀어지는 방향을 +측으로 하고, 웨이퍼가 -측으로 시프트될 경우를 마이너스포커스, +측으로 시프트될 경우를 플러스 포커스라 하기로 한다. 종축은 광강도 콘트라스트를 나타낸다. 2개의 실선 e, f는 원점 0에서 -0.1㎛, +1.0㎛만큼 결상면을 각각 시프트시켜서 동일 노광량으로 투영노광을 했을 때의 광강도 콘트라스트곡선이다. 또한, 파선 g은 양 곡선 e, f의 합성으로 얻어지는 합성광강도 콘트라스트곡선이다. 또한, 광강도 콘트라스트는 엄밀하게는 노광량과 직선적으로 대응하는 양은 아니지만, 본 명세서중에서는 편의상 대략 노광량과 대응하는 양으로서 생각하기로 한다.

웨이퍼의 전체면에 걸쳐서 패턴이 양호하게 해상되기 위해서는 웨이퍼의 표면단차, 투영렌즈의 상면왜곡, 웨이퍼의 경사 등으로 정해지는 광축방향의 어느 일정범위내에 있어서, 일정수준 이상의 광강도 콘트라스트가 유지되어 있지 않으면 안된다. 여기서, 실용상 충분한 해상도가 달성되는 광강도 콘트라스트의 적정범위를 0.5∼0.8로 가정하고, 이 범위의 값이 달성되는 Z축 방향의 범위를 포커스마진이라 정의하면, 합성광강도 콘트라스트곡선(파선 g)상에서 본 포커스마진은 도면중 범위, B₁, B₂로 표시된 바와 같이, -측 및 +측에 있어서 각각 약 1.2㎛이며, 합계 2.4㎛이다. 그러나, 센터포커스 부근에서는 합성광강도 콘트라스트곡선이 0.5이하로 되어, 안정된 해상도가 달성될 수 없다는 것을 알 수 있다. 이로 인해 예를 들면 콘택트홀 직경의 변동이 생기는 등의 문제가 발생한다.

한편, 상기 2단계법에 센터포커스노광을 가한 3단계법도 제안되어 있다. 이것을 제2도를 참조하면서 설명한다.

이 도시에 나타낸 예에서는 ±1.0㎛의 포커스오프셋시에 더하여 센터포커스시에도 노광을 하고 있다. 즉, 3개의 실선 h, i, j는 포커스오프셋을 각각 -1.0㎛,0㎛, +1.0㎛로 하여 각각 동일한 노광량으로 투영노광을 했을 때의 광강도 콘트라스트곡선이다. 또한, 파선 k는 3곡선 h, i, j의 합성으로 얻어지는 합성광강도 콘트라스트곡선이다. 여기서, 총노광량은 상기 2단계법과 같기 때문에, 1회의 노광량은 2단계법의 경우보다 작아져 있다.

이 기술에 의하면 합성광강도 콘트라스트곡선(파선 k)상에서 본 포커스마진은 상기 2단계법과는 다르며, 제2도중 범위 C로 표시된 바와 같이 연속범위로서 얻어지며, 센터포커스는 부근에 있어서의 해상의 불안정성도 해소되어 있다.

그러나, 전술한 3단계법에 의한 포커스마진은 제2도에 나타낸 예에서는 약 2.2㎛이며, 제1도에 나타낸 2단계법보다 오히려 저하되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 3단계법의 장점과 충분히 살아있다고는 할 수 없다.

그래서, 본원 발명은 3단계법, 나아가서는 그 이상의 수의 결상면을 설정하여 행해지는 투영노광방법에 있어서 포커스마진을 확대하는 동시에, 스루풋의 향상도 실현하는 것을 목적으로 한다.

종래의 3단계법에 있어서, 2단계법보다 포커스마진이 감소해버리는 이유는 총노광량을 3등분한 결과 전체로 광강도 콘트라스트가 저하되고, 특히 결상면의 이동범위의 양단부에 있어서 현저히 저하되었기 때문랬. 본원 발명자는 제2도에 나타낸 합성광강도 콘트라스트곡선(파선 k)에 있어서 센터포커스부근이 증강되어 있는 것에 착안하여, 이 부분의 노광량을 마이너스포커스측과 플러스포커스측으로 일부 나누면, 센터포커스부근에서 곡선의 프로파일이 극소로 되었다 해도, 전체적으로 포커스마진을 확대할 수 있다고 생각했다. 본원 발명에 있어서, 결상면의 이동범위의 중앙근방에 있어서 노광량을 상대적으로 작게하는 것은 이와 같은 생각에서 비롯된 것이다.

그러나, 이러한 제어노광을 스테이지의 이동·정지, 셔터의 개폐, 노광파워의 증감등과 조합하여 행하는 것으로는 스루풋의 향상에도 한도가 있다. 그래서, 본원 발명은 또한 광축방향의 위치에 따라 투영광학계, 포토마스크, 웨이퍼중 최소한 하나의 부재를 광축방향으로 속도분포를 갖게하면서 이동시킨다. 이 방법에 의하면, 노광파워가 일정하며 또한 셔터가 항상 개방된 상태라도 이동속도가 빠른 영역에서는 노광량이 감소되고, 느린영역에서는 노광량이 증대된다. 센터포커스부근의 노광량을 감소시키려고 할 경우에는 이 부근에 있어서의 부재의 이동속도를 증대시키면 되는 것이다. 따라서, 종래의 다단계 노광계 비해 제어해야 할 파라미터가 감소되고, 스루풋이 대폭적으로 향상된다.

이상의 설명으로부터도 명백한 바와 같이, 센터포커스부근에 있어서의 노광량을 상대적으로 감소시킴으로써 포커스마진을 확대할 수 있다. 또, 결상면을 이동시킬 수 있는 부재의 Z축 방향의 이동속도에 변화를 준다는 매우 교묘한 방법에 의해 스루풋의 향상을 도모할 수 있다.

따라서, 노광의 단파장화나 투영광학계의 고개구수화에 따라 초점심도가 감소하고 있는 상황하에 있어서 본원 발명의 산업상의 가치는 매우 크다.

다음에, 본원 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

[실시예 1]

본 실시예는 본원 발명을 3단계법에 적용하여 웨이퍼의 승강에 의해 결상면을 이동시킨 예이다.

먼저, 본 실시예에서 사용한 투영노광장치의 투영광학계 및 제어계의 개략적인 구성을 제3도에 나타낸다.

상기 투영광학계는 광원(1)으로부터 발한 빛을 반사경(2)에 의해 반사수속(反射收束)시킨후, 애퍼쳐(3)를 통하여 콜리메이터렌즈(4)에 입사시켜서 이것을 평행광으로 변환하고, 다시 포토마스크(5)를 투과시켜서, 결상렌즈(6)에 의해 웨이퍼스테이지(7)상의 웨이퍼(10)상에 투영시키는 것이다. 상기 웨이퍼스테이지(7)는 웨이퍼(10)를 그 면내 방향(XY 방향)으로 이동시키기 위한 XY 스테이지(8)와 광축(Z 축)방향으로 이동시키기 위한 Z스테이지(9)로 구성되며, 양 스테이지(8), (9)의 동작의 조합에 의해 이 웨이퍼(10)를 지정된 위치로 3차원적으로 이동시키는 것을 가능하게 하고 있다.

한편, 상기 제어계는 노광의 타이밍을 제어하는 셔터제어계(17), 상기 XY 스테이지(8)를 지정된 위치로 구동하는 XY 제어계(14), XY 면내에 있어서의 웨이퍼(10)의 상대위치를 검출하는 XY 센서(11), 상기 Z 스테이지(9)를 지정된 위치로 구동하는 Z 제어계(13), Z 축방향에 있어서의 웨이퍼(10)의 상대위치를 검출하는 Z센서(12), 장치전체를 일괄제어하는 콤퓨터(16) 및 상기 각 제어계(13), (14), (17)와 상기 콤퓨터(16)를 서로 접속하는 버스라인(15)등으로 구성된다. 상기 콤퓨터(16)에는 웨이퍼(10)상에 있어서의 xy 면내의 노광위치, 각 노광위치에 대하여 설정되는 결상면의 수 및 Z 스테이지(9)의 이동량, 각 결상면에 있어서의 노광량등이 미리 기억되어 있다. 상기 각 제어계(13), (14), (17)는 콤퓨터(16)에 기억된 정보에 의거하여 생성되는 각종 신호를 버스라인(15)을 통하여 수취하여 소정의 동작을 행하게 된다.

제4a도∼제4c도에는 3단계법에 의한 노광을 행한 경우의 결상면의 이동상황을 모식적으로 나타낸다.

이들 도면은 소정의 재료층으로 이루어지는 기판(20)위에 포토레지스트층(21)이 형성되어 이루어지는 웨이퍼(10)에 대해 ±1㎛의 범위에서 결상면을 이동시켜서 노광을 행하는 경우를 나타낸 것이다. 이 합계 2㎛의 이동범위내에 도시되지 않은 영역에 있어서 발생하고 있는 웨이퍼(10)의 휩이나 포토레지스트층(21)의 표면단차, 투영광학계의 수차에 의한 결상면의 왜곡등이 대략 포함되어 있다. 도면의 좌표는 Z축방향에 있어서의 결상면의 이동(포커스오프셋)을 설명하기 위한 것이며, 원점 0은 상기 이동범위의 중점, -측은 원점 0으로부터 결상렌즈(6)에 가까워지는 방향, +측은 멀어지는 방향을 표시한다. 제4a도는 포커스오프셋을 -1.0㎛로 한 마이너스포커스시, 제4b도는 역시 0㎛로 한 센터포커스시, 제4c도는 역시 +1.0㎛로 한 플러스포커스시에 각각 대응하고 있다.

전술한 바와 같은 투영노광장치를 사용하여 이러한 3단계법에 의한 노광을 행하는 수순은 대략 다음과 같다.

이것은 이른바 스텝 앤드 리피트식이라고 하는 노광방법이다. 먼저, 콤퓨터(16)의 명령에 의해 XY 제어계(14)가 XY 스테이지(8)를 소정의 위치로 이동시키면, Z 제어계(13)가 Z 스테이지(9)를 구동하여 예를 들면 상술한 제4a도에 나타낸 바와 같이 포커스오프셋이 -0,1㎛로 되는 위치까지 웨이퍼(10)를 상승시킨다. 이 때의 웨이퍼(10)의 상대위치는 XY 센서(11)와 Z 센서(12)를 통하여 각각 XY 제어계(14)와 Z 제어계(13)로 피드백되고, 필요하다면 자동적으로 보정된다. 다음에, 셔터제어계(17)로부터의 명령에 의해 셔터가 개방되어 소정의 노광량으로 노광을 행한다. 노광종료후, 셔터를 폐쇄하고 Z 스테이지(9)를 구동하여 제4b도에 나타낸 바와 같이 센터포커스위치까지 웨이퍼(10)를 하강시켜 같은 수순으로 노광을 행한다. 2회째 노광종료후, Z 스테이지(9)를 구동하여 제4c도에 나타낸 바와 같이 포커스오프셋이 +1.0㎛로 되는 위치까지 다시 웨이퍼(10)를 하강시켜 같은 수순으로 노광을 행한다.

이상의 3회의 노광중 센터포커스부근에 있어서의 노광시에는 노광량이 다른 2회의 노광보다 상대적으로 감소되어 있다. 이것을 광강도 콘트라스트곡선으로 보면 제5도에 나타낸 바와 같다. 3개의 실선 a, b, c는 포커스오프셋을 각각 -1.0㎛, 0㎛, +1.0㎛로 한 경우의 광강도 콘트라스트곡선이다. 여기서, ±1.0㎛에 있어서의 노광량은 전술한 제1도에 나타낸 2단계법의 경우보다 약간 작고, 그 감소분이 센터포커스위치에 있어서의 노광량으로서 분배되어 있고, 이들 3곡선을 합성한 것이 파선 d로 표시된 합성광강도 콘트라스트곡선이다.

이러한 노광에 의해 제5도중 범위 A로 표시된 바와 같이 약 2, 8㎛의 연속된 포커스마진이 달성되었다. 이것은 상술한 제2도에 나타낸 바와 같은 Z 스테이지의 이동범위의 양단부근에 있어서의 광강도 콘트라스트의 감소가 억제되고, 또한 상술한 제1도에 나타낸 바와 같은 센서포커스부근에 있어서의 오목한 부분이 완화되었기 때문이다.

그리고, 여기서는 3단계의 노광을 마이너스포커스측에서 개시한 경우에 대해 설명하였으나, 플러스포커스측에서 개시해도 전혀 지장이 없다.

또, 본 실시예는 XY 평면상의 소정의 위치에 있어서 3개의 결상면을 설정한 예이나, 본원 발명은 이 실시예에 한정되는 것은 아니며, 4개 이상의 결상면을 설정하는 경우에도 역시 적용할 수 있다. 그 경우에는 결상면수에 따라 노광량의 분배를 최적화할 필요가 있으나, 결상면수가 홀수인 경우에는 센터포커스위치에 있어서의 노광량을 상대적으로 감소하고, 짝수인 경우에는 센터포커스위치를 사이에 둔 최소한 2개소에 있어서 노광량을 상대적으로 감소하도록 하면된다.

[실시예 2]

본 실시예는 상술한 실시예 1에 있어서의 노광작업의 능률을 더욱 높인 예이다.

본 실시예에서 사용한 투영노광장치의 구성, 웨이퍼(10)의 구성 및 결상면의 이동범위는 실시예 1에서 설명한 바와 같다. 단, 여기에서는 노광작업을 전술한 바와 같은 스텝앤드리피트식으로 행하는 것이 아니고, 셔터를 항상 개방한 상태에서 Z 스테이지의 이동속도를 예를 들면 제6도에 도시된 바와 같은 패턴으로 변화시켰다. 즉, Z 스테이지의 이동속도를 포커스오프셋 ±1.0㎛ 부근에서는 작게 설정하고, 그곳으로부터 센터포커스위치에 가까워질수록 증대하고, 센터포커스위치에 있어서 최대가 되도록 설정하였다. 이 경우, 콤퓨터(16)에는 결상면수 대신에 전술한 바와 같은 속도변화패턴을 기억시켜 두는 것이 필요하게 된다.

이러한 설정하에서는 노광파워가 일정하면 노광량은 노광시간에 비례하게 되고, 그 노광시간은 스테이지이동속도에 반비례한다. 즉, 포커스오프셋 ±1.0㎛ 부근에서는 노광량이 최대, 센터포커스 부근에서는 노광량이 최소로 되어, 제5도와 대략 같은 노광량의 변화패턴이 달성된다. 물론, 노광량의 변화와 Z 스테이지(9)의 이동속도의 변화를 적절히 조합해도 된다.

이와 같은 방법에 의하면, 결상면의 이동은 도중에 정지를 필요로 하지 않고 연속적으로 행해지며, 또한 XY 평면상의 하나의 노광위치에 있어서 노광이 1회로 족하다. 따라서, Z 스테이지(9)의 이동·정지나 셔터의 개폐에 요하는 시간이 단축되어 스루풋을 대폭 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 투영광학계의 의해 웨이퍼상에 포토마스크의 패턴을 투영하는 투영노광방법에 있어서, 상기 웨이퍼상에서 상기 패턴의 결상면을 상기 광학계의 광축방향에 따라 소정의 범위내에서 3위치 이상에 설정하고, 상기 범위내의 중앙근방에 있어서의 노광량이 상기 범위의 양단부보다 작게되므로 이들 위치에서 노광동작을 단계적으로 행하는 것을 특징으로 하는 투영노광방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 결상면의 설정은 상기 투영광학계를 구동함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 투영노광방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 결상면의 설정은 상기 포토마스크를 구동함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 투영노광방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 결상면의 설정은 상기 웨이퍼를 구동함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 투영노광방법.
5. 투영광학계에 의해 웨이퍼상에 포토마스크의 패턴을 투영하는 투영노광방법에 있어서, 상기 웨이퍼상에서 상기 패턴의 결상면을 상기 광학계의 광축방향에 따라 소정의 범위내에서 이동시키고, 상기 범위내의 중앙근방에 있어서의 상기 결상면의 이동속도가 상기 범위의 양단부보다 크게 되도록 노광동작을 연속적으로 행하는 것을 특징으로 하는 투영노광방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 결상면의 이동은 상기 투영광학계를 구동함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 투영노광방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 결상면의 이동은 상기 포토마스크를 구동함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 투영노광방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 결상면의 이동은 상기 웨이퍼를 구동함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 투영노광방법.