KR100325049B1 - 주사 노광용 포토 마스크 및 주사 노광 방법 및 주사 노광 장치 - Google Patents

주사 노광용 포토 마스크 및 주사 노광 방법 및 주사 노광 장치 Download PDF

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Abstract

주사 노광 방식에서 노광되는 라인 패턴의 단변 칫수를 포함한 패턴 칫수의 오차를 해소하여 패턴 칫수 정밀도를 높히며, 이것에 의해 고신뢰성의 반도체 장치를 제조하는 것이 가능해진다.
포토 마스크(PM)로 형성된 노광용 패턴(P)은 그 패턴 형태의 장변 방향이 노광시에 주사되는 슬릿광(SL)의 장변 방향에 일치되도록 구성되며, 슬릿광의 중심 영역과 양단 영역에서의 코마 수차(coma aberation)의 영향이 억제되도록 슬릿광의 장변 방향을 노광한 패턴의 장변 방향과 일치시켜서 반도체 웨이퍼(W)에 대한 투영 렌즈(107)를 이용한 주사 노광을 행한다. 노광한 포토 마스크(PM)의 패턴에 대한 슬릿광(SL)의 장변 방향의 양단부에 있어서 코마 수차의 영향을 완화하며, 코마 수차의 영향에 의한 패턴 형태나 패턴 칫수의 불균일을 해소하며, 고정밀도인 패턴의 노광, 전사를 실현할 수 있다.

Description

주사 노광용 포토 마스크 및 주사 노광 방법 및 주사 노광 장치{PHOTO MASK FOR SCANNING EXPOSURE, SCANNING EXPOSURE METHOD AND SCANNING EXPOSURE APPARATUS}
본 발명은 반도체 장치의 제조 공정의 하나로서 포토리소그래피 공정에서 수행되는 노광 기술에 관한 것으로, 특히 포토 마스크에 대한 슬릿광에서의 주사를 행하는 노광 방식에 이용되는 포토 마스크와, 그 포토 마스크를 이용한 주사 노광 방법 및 주사 노광 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 공정에서는, 반도체 웨이퍼의 표면상에 형성된 도전막이나 절연체를 소정의 패턴으로 에칭 형성하는 패터닝 공정이 있으며, 이 패터닝을 수행하기 위한 기술로서 포토리소그래피 공정이 있다. 이 포토리소그래피 공정에서는, 반도체 웨이퍼의 표면상에 형성된 도전막이나 절연체의 패턴 형성막상에 포토레지스트를 도포하여 형성하도록 하는 패턴에 대응한 광 투과부 또는 광 불투과부의 패턴을 갖는 포토 마스크에 광원으로부터의 광을 조사하여, 이 포토 마스크를 투과한 광을 상기 포토레지스트에 조사함으로써 상기 패턴을 노광하고, 그 후에 포토레지스트를 현상하여 노광 부분의 포토레지스트를 제거함으로써(양성형 포토레지스트), 상기 포토레지스트에 상기 포토 마스크의 패턴을 전사한 패턴 형성이 수행된다. 이와 같이, 패턴 형성된 포토레지스트를 선택 마스크로서 패턴 형성막을 선택적으로 에칭함으로써, 상기 도전막이나 절연체를 소정의 패턴으로 형성하는 것이 가능하다.
따라서, 최근에 반도체 장치의 미세화, 고집적화에 따라, 상기한 포토리소그래피 공정에서의 포토 마스크의 패턴을 포토레지스트에 전사하는 노광 기술로서, 슬릿광을 이용한 주사 노광 기술이 제안된다. 도 7은 그 개략 구성을 도시한 도면으로, 광원(301)으로부터 출사된 자외광을 도면 외부의 콘덴서 렌즈에 의해 집광하여 평행 광속으로 한 위에서 슬릿판(302)에 의해 상기 광속의 일부를 조광하며, 광축을 포함한 방향, 예를 들면 Y 방향으로 가늘고 긴 구형(矩形)을 한 슬릿광(SL)으로 한다. 그래서, 이 슬릿광(SL)을 반도체 웨이퍼상에 형성하는 반도체 칩 중 1개의 칩에 상응하는 노광용 패턴이 형성되는 포토 마스크(PM)에 조사하며, 이 포토 마스크(PM)를 투과한 광을 축소 투영 렌즈(303)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 집광하여, 상기 포토 마스크(PM)의 노광용 패턴(P)을 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 투영 노광한다. 상기 반도체 웨이퍼(W)의 표면에는, 도시되어 있지 않지만 상기와 같이 패턴 형성막이 형성되며, 또한 그 표면에 포토레지스트가 도포되어 있다. 그래서, 상기 포토 마스크(PM)를 그 면 내에서 소정의 속도로 X 방향으로 이동시키고, 또한 이것과 동기하여 반도체 웨이퍼(W)를 반대의 -X 방향으로 이동시킴으로써, 상기 포토 마스크(PM)는 슬릿광(SL)에 의해 주사되며, 또한 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 포토 마스크(PM)의 패턴이 주사 노광된다. 또, 이 경우에, 포토 마스크(P)의 주사 속도 vP와, 반도체 웨이퍼(W)의 주사 속도 vW는 축소 투영 렌즈(303)의 결상 배율을 m으로 할 때, vP=vW x m으로 하면, 포토 마스크(PM)의 노광용 패턴(P)은 X 방향 및 Y 방향으로 동일한 축소 배율로 반도체 웨이퍼(W)에 노광된다.
이 주사 노광 방식에서는, 광원(301)으로부터 출사되며, 또한 평행 광속으로 된 광 동안에, 광축을 포함한 구형(矩形)의 슬릿 영역의 슬릿광(SL)만을 이용하여 노광을 행하기 때문에, 축소 투영 렌즈(303)에 있어서 렌즈 수차의 영향을 적게 하며, 반도체 웨이퍼(W)의 결상면에서의 변형이나 집점의 흐려짐을 억제하는 패턴 노광이 가능해진다. 이로 인해, 포토 마스크의 노광용 패턴을 일괄하여 반도체 웨이퍼에 축소 투영하여 노광하는 방식의 경우에는, 노광을 순간적으로 수행할 수 있다는 이점이 있지만, 축소 투영 렌즈의 주변부를 투과하는 광을 이용하여 패턴 노광을 행하기 때문에, 포토 마스크의 주변부에서 렌즈 수차의 영향은 현저해지며, 주변부에 있어서의 패턴 형태나 칫수에 오차가 발생하기 쉽다.
여기서, 상기한 슬릿광에 의한 주사 노광을 행하는 경우, 종래에서는 포토 마스크로 형성하는 노광용 패턴은 반도체 웨이퍼에 대한 포토 마스크의 배치 방향에 기초해서만 설계된다. 예를 들면, 반도체 기억 장치의 메모리 셀의 워드선 및 비트선을 형성하는 경우를 예로서 설명한다. 도 7에 도시한 바와 같이, 종래에서는 스테이지상에 탑재된 반도체 웨이퍼(W)의 오리엔테이션 플랫(OF)을 기준으로 반도체 웨이퍼(W)를 X, -X 방향으로 주사하고, 포토 마스크(PM)는 포토 마스크를 지지하기 위한 마스크 스테이지에 대하여 일정 방향으로부터 착탈하도록 구성된다. 이로 인해, 메모리 셀의 워드선을 노광하기 위한 포토 마스크(PMw')는, 도 8(a)에 도시한 바와 같이, 워드선의 장변 방향이 X 방향을 따라 연장된 패턴(Pw)으로 형성된다. 이것에 대해, 워드선에 직교되는 비트선을 노광하기 위한 포토 마스크(PMb)는, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 비트선의 장변 방향은 Y 방향을 따라 연장된 패턴(Pb)으로서 형성된다. 따라서, 이들 포토 마스크(PMw', PMb')를 이용하여 워드선 및 비트선의 각 패턴(Pw, Pb)을 주사 노광하면, 워드선 패턴(Pw)의 노광시에는, 슬릿광(SL)은 워드선 패턴(Pw)의 장변 방향을 따라 주사되며, 비트선 패턴(Pb)의 노광시에는, 슬릿광(SL)은 비트선 패턴(Pb)의 장변 방향과 직교하는 방향을 따라 주사된다.
상기와 같이 하여 주사 노광을 행한 결과, 반도체 웨이퍼에 형성된 워드선 및 비트선의 각 패턴에 관하여 본원 발명자는 그 패턴 형태나 칫수에 관해 검사한 것으로서 다음과 같은 문제가 발생되는 것으로 밝혀졌다. 즉, 형성된 비트선 패턴에 관해서는, 특히 패턴 형태와 칫수에 문제가 발생하지 않지만, 워드선 패턴에 관해서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 칩 C의 중심부가 아닌 그 주변 영역에 설치되는 워드선 패턴(Pw1), 칩의 주변부에 설치된 워드선 패턴(Pw2)에서는, 워드선의 단변칫수, 즉 워드선 폭에 칫수차가 발생한다. 다수의 반도체 웨이퍼에 관한 검사 결과에서는, 중심 영역을 통과하는 전자의 워드선 패턴(Pw1)에 대하여, 주변부를 통과하는 후자의 워드선 패턴(Pw2)의 폭 칫수가 세밀하게 형성될 수 있다. 이로 인해, 형성된 개개의 칩의 중심 영역과 주변 영역에서는, 최종적으로 형성된 워드선의 선 폭이 달라지게 되며, 이 결과 MOS 트랜지스터를 메모리 소자로 하는 반도체 기억 장치에서는, MOS 트랜지스터의 게이트 길이가 칩의 중심 영역과 주변 영역에서 다른 칫수로 형성되어, 메모리 셀의 특성, 예를 들면, 메모리 셀의 MOS 트랜지스터의 임계치가 중심 영역과 주변부에서 상이해진다. 이로 인해, 예를 들면, 기억되어 있는 데이터를 판독할 때에 비트선에 나타나는 전류의 불균일이 발생하며, 오류의 데이터 판독이 발생된다는, 반도체 기억 장치에 치명적인 문제가 발생하게 된다.
또, 상기한 경우와는 반대로, 워드선 및 비트선의 각 연장 방향을 상호 반대로 하여 마찬가지의 패턴을 형성한 것으로서, 이번에는 슬릿광의 장변 방향과 직교하는 방향으로 연장되는 비트선에 있어서, 칩의 중심 영역과 주변 영역에서 각각의 비트선의 단변 방향의 칫수, 즉 선 폭에 칫수가 발생하는 것이 확인되었다. 이와 같은 비트선의 칫수가 칩의 중심 영역과 주변 영역에서 상이해지면, 이것에 따라서, 비트선의 저항이 상이해지며, 상기한 판독 데이터 전류가 센스 앰프에 도달될 때까지의 전압 강하는 각각의 비트선에 의해 상이하며, 각각의 비트선에서 정확한 데이터의 판독이 불가능해진다는 문제가 발생하게 된다. 또, 이와 같은 문제는 상기 워드선, 비트선의 패턴만을 형성하지 않고, 한쪽 방향으로 가늘고 긴 라인형 패턴을 슬릿광을 이용한 주사 노광에 의해 전사하는 경우에, 라인형 패턴의 장변 방향이 슬릿광의 단변 방향, 즉 슬릿광의 주사 방향으로 향하는 경우에 있어서, 광축에 가까운 영역과, 광축으로부터 떨어진 영역에서의 라인 폭이 다른 패턴이 형성되는 것이 확인된다.
본 발명의 목적은 노광된 라인 패턴의 단변 칫수를 포함한 패턴 칫수의 오차를 해소하여 패턴의 칫수 정도를 높히며, 이것에 의해 고신뢰도의 반도체 장치를 제조하는 것을 가능하게 한 주사 노광용 포토 마스크와, 이 포토 마스크를 이용한 주사 노광 방법 및 주사 노광 장치를 제공하는 것이다.
본원 발명자는 상기한 라인형 패턴에서의 폭 칫수의 불균일 발생의 요인에 대하여 연구를 거듭한 것으로서, 칩의 중심 영역과 주변 영역 간에 발생하는 칫수차, 예를 들면, 상기한 워드선 패턴의 경우의 워드선 패턴의 단변 칫수차가 축소 투영 렌즈를 포함한 투영 광학계에서 발생하는 코마 수차가 요인인 것이 확인되었다. 즉, 코마 수차는 축소 투영 렌즈의 광축을 통과한 광과, 이 광축에 대한 경사 방향으로부터 축소 투영 렌즈를 투과하는 광의 집점 위치가 어긋나는 것이 원인으로 발생되며, 예를 들면, 도 10에 도시한 특성을 갖는다. 동일 도면에서, 횡축은 광축상의 집점 위치(f), 종축은 광이 렌즈에 입사할 때의 광축 ○에 대한 각도 α이다. 이와 같이, 광축 ○에 대한 각도 α가 증대함에 따라 집점 위치의 어긋난 양이 증대되기 때문에, 결상면에서는 집점 흐려짐이 발생하게 되며, 코마 수차가 현저해진다. 그 때문에, 이 코마 수차는 슬릿광(SL)에 있어서 광축으로부터의 칫수가 작은 단편측의 양단부보다도, 광축으로부터의 칫수가 큰 장변측의 양단부에서 코마 수차의 영향이 커진다. 상기한 슬릿광(SL)의 경우에는, 장변 단부에서의 집점 어긋난 양 △f1은 단변 단부에서의 집점 어긋난 양 △f2에 비해 커진다. 따라서, 이 슬릿광(SL)을, 예를 들면, 도 8(a)에 도시한 워드선 패턴(Pw)의 장변 방향을 따라 주사했을 때에는, 슬릿광(SL)의 중심 영역에서 노광된 칩 중심 영역의 워드선 패턴(Pw1)보다도, 슬릿광(SL)의 양단 영역에서 노광된 칩 주변 영역의 워드선(Pw2)에서 코마 수차의 영향이 커진다. 이 코마 수차의 영향에 의해, 칩 주변 영역의 워드선에서는 집광성이 열화되어 선명한 패턴 노광이 행해지지 않고, 이로 인해 포토레지스트에 대한 노광이 불충분해져, 결국 도 9에 도시된 바와 같이, 소위 「얇은 노광」이 발생하며, 최종적으로 형성된 칩 주변 영역의 워드선의 선 폭 칫수가 작아지게 된다.
이 내용에서, 본 발명의 포토 마스크는, 포토 마스크로 형성된 노광용 패턴이 그 패턴 형태의 장변 방향이 노광시에 주사되는 슬릿광의 장변 방향에 일치되는 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 포토 마스크의 노광용 패턴은 포토 마스크의 한 쪽 방향을 따라 연장되며, 또한 상기 한 쪽 방향과 직교하는 방향으로 배열된 복수개의 라인형 패턴으로서 구성되는 경우에, 상기 각각의 라인형 패턴의 장변 방향이 상기 슬릿광의 장변 방향에 일치된다. 이러한 종류의 노광용 패턴으로서는, 반도체 기억 장치의 메모리 셀을 구성하는 워드선 패턴 또는 비트선 패턴이 있다.
또한, 상기한 포토 마스크에 기초하여 본 발명의 주사 노광 방법은 포토 마스크를 주사하여 피노광체에 대하여 패턴 노광을 행하기 위한 슬릿광은, 그 장변 방향이 상기 포토 마스크의 노광용 형태의 장변 방향으로 향한 상태로 주사되는 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 상기 슬릿광은 광축을 포함한 위치에 고정 상태로 되며, 상기 포토 마스크는 그 면 내에서 상기 슬릿광의 단변 방향으로 이동시켜, 상기 노광용 패턴이 상기 슬릿광에 의해 주사되며, 또한 상기 피노광체는 상기 포토 마스크와 동기하여 면 내에서 반대 방향으로 이동되어 상기 슬릿광에 의해 상기 포토 마스크의 노광 패턴이 투영되도록 한다.
더욱이, 본 발명의 주사 노광 장치는 광원으로부터 출사된 광을 광축을 포함한 구형(求刑)의 슬릿광에 한정하는 슬릿 수단과, 소정의 노광 패턴이 형성된 포토 마스크가 놓여지는 마스크 스테이지와, 상기 마스크 스테이지를 상기 슬릿광의 단변 방향을 따라 이동시켜 상기 슬릿광에 대하여 상기 포토 마스크의 노광용 패턴을 주사시키기 위한 마스크 스테이지 구동 기구와, 상기 포토 마스크를 투과한 광을 피노광체의 표면에 결상시키기 위한 투영 렌즈와, 상기 피노광체가 놓여지는 피노광체 스테이지와, 상기 피노광체 스테이지를 상기 마스크 스테이지와 동기하여 당해 마스크 스테이지의 이동 방향과 반대인 방향으로 이동시키기 위한 피노광체 스테이지 구동 기구를 구비하되, 상기 마스크 스테이지는 상기 포토 마스크를 면 내의 90도 다른 평면 방향으로 놓여질 수 있도록 구성됨과 동시에, 상기 피노광체 스테이지는 상기 피노광체를 면 내의 90도 다른 평면 방향으로 놓여질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 마스크 스테이지와 피노광체 스테이지는 상기 포토 마스크의 상기 노광 패턴의 장변 방향과, 상기 피노광체에 노광되는 패턴의 장변 방향이 각각 상기 슬릿광의 장변 방향에 일치되는 방향으로 놓여질 수 있도록 구성된다.
이와 같이, 본 발명에서는, 포토 마스크로 형성된 노광용 패턴은 그 패턴 형태의 장변 방향이 노광시에 주사되는 슬릿광의 장변 방향에 일치되도록 구성하며,슬릿광의 중심 영역과 양단 영역의 코마 수차의 영향이 억제되도록 슬릿의 장변 방향을 노광하는 패턴의 장변 방향과 일치시켜 주사 노광을 행한다. 슬릿광은 축소 투영 렌즈의 광축을 포함해서 단변 칫수(W1), 장변 칫수(L1)(W1 << L1)의 구형(求刑) 슬릿광으로서 구성되기 때문에, 상기 광축에 대하여 슬릿 단변 방향의 양단부의 칫수 W1/2는 슬릿 장변 방향의 양단부의 칫수 L1/2에 비해 작아지므로, 슬릿광의 단변 방향의 양단부에서의 코마 수차는 슬릿 장변 방향의 양단부에서의 코마 수차에 비해 작아지게 된다. 이 경우, 슬릿 장변 방향을 노광하는 패턴의 장변 방향과 일치시킴으로써, 슬릿의 장변 방향의 양단부에 있어서 코마 수차는 노광하는 패턴의 장변 방향의 양단부에서 발생하지만, 이 슬릿광의 단변 방향에 있어서는 슬릿광이 모든 단변 방향에 걸쳐 노광되기 때문에, 노광하는 패턴의 단변 방향의 양단부에서의 코마 수차의 영향은 거의 해소된다. 이것에 의해, 노광 패턴의 단변 방향에서는 포토레지스트에 대하여 충분한 광량으로의 노광이 확보되며, 노광의 부족함에 따른 패턴 단변의 저감이 발생되지 않는다. 또한, 슬릿의 장변 방향의 양단부에 있어서 코마 수차에 의해, 노광하는 패턴의 장변 방향의 양단부에서는 노광량이 부족하지만, 이 경우에는 노광하는 패턴의 장변 방향의 양단부에서 선 길이가 약간 짧아질 뿐이며, 패턴 단변 칫수에 미치는 영향은 거의 없으며, 단변 칫수의 불균일이 없는 라인 패턴의 노광, 전사를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 주사 노광 장치의 정면 구성도.
도 2는 주사 노광 장치의 요부의 개략 구성과 주사 노광 장치를 도시한 사시도.
도 3은 주사 노광에 의해 형성하도록 한 반도체 장치의 단면도.
도 4는 도 3의 반도체 장치의 AA선, BB선의 계층 단면도.
도 5는 비트선 및 워드선의 각 포토 마스크의 일부의 패턴도.
도 6은 도 5의 비트선 및 워드선의 각 포토 마스크에 있어서 주사 노광 성능을 도시한 도면.
도 7은 슬릿광에 의해 주사 노광 방법을 설명하기 위한 개념 구성도.
도 8은 종래에 있어서 비트선 및 워드선의 각 포토 마스크를 이용한 주사 노광 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9는 종래에 있어서 노광 패턴에서의 단점을 설명하기 위한 도면.
도 10은 코마 수차를 설명하기 위한 특성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 주사 노광 장치
101: 광원
104: 슬릿판
105: 마스크 스테이지
106: 마스크 스테이지 구동부
107: 축소 투영 렌즈
108: 웨이퍼 스테이지
109: 웨이퍼 스테이지 구동부
110: θ 구동 기구
111: XY 구동 기구
PM: 포토 마스크
W: 웨이퍼
WL: 워드선
BL: 비트선
PMw: 워드선용 포토 마스크
PMb: 비트선용 포토 마스크
Pw: 워드선 패턴
Pb: 비트선 패턴
SL: 슬릿광
다음에, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 주사 노광 방법을 실시하기 위한 주사 노광 장치의 구성을 도시한 정면 구성도이며, 도 2는 그 요부의 개략 구성의 사시도이다. 주사 노광 장치(100)의 상부에는, 자외광을 출사하는 광원(101)이 배치되어 있으며, 이 광원(101)으로부터 출사된 자외광을 반사경(102)에서 반사한 후에, 콘덴서 렌즈(103)에 의해 집광하여 평행 광속이 된다. 이 평행 광속의 광축 ○상에는, 상기 광축 ○을 포함한 평면 Y 방향으로 가늘고 긴 슬릿을 갖는 슬릿판(104)이 배치되며, 상기 평행 광속 동안 광축 ○을 통한 슬릿광(SL)만을 선택하여 투과되도록 구성된다. 상기 슬릿판(104)의 하측에는, 마스크 스테이지(105)가 배치되어 있으며, 마스크 스테이지 구동부(106)에 의해 평면 X 방향으로 소정의 속도로 직선 이동가능하게 구성된다. 상기 마스크 스테이지(105)에는, 노광하는 패턴에 대응한 광투과 패턴을 갖는 포토마스크(PM)가 탑재되며, 상기 마스크 스테이지(105)에 의해 평면 X 방향으로 주사가능해진다. 또한, 상기 마스크 스테이지(105) 하측의 상기 평행 광속의 광축상에는, 축소 투영 렌즈(107)가 배치되며, 상기 마스크 스테이지(105)상의 포토 마스크(PM)의 패턴을 축소하여 후술하는 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 결상하도록 구성된다. 또한, 상기 축소 투영 렌즈(107)의 하측 위치에는, 웨이퍼 스테이지(108)가 배치되어 있으며, 이 웨이퍼 스테이지(108)상에는 반도체 웨이퍼(W)가 탑재되며, 상기 축소 투영 렌즈(107)에 의해 상기 포토 마스크(PF)의 패턴이 투영 노광된다.
상기 웨이퍼 스테이지(108)는 상기 반도체 웨이퍼(W)에 형성된 오리엔테이션 플랫(OF)에 기초하여 그 평면상의 위치 결정을 행하도록 구성됨과 동시에, 웨이퍼 스테이지 구동부(109)에 의해 평면 XY 방향 및 θ 방향으로 구동 가능하게 구성되어 있다. 즉, 상기 웨이퍼 스테이지 구동부(109)는 상기 웨이퍼 스테이지(108)를 탑재한 θ 구동 기구(110)와, 이 θ 구동 기구(110)를 탑재하여 상기 웨이퍼 스테이지(108)를 일체적으로 평면 XY 방향으로 이동시키는 XY 구동 기구(111)를 구비하고 있다. 그래서, 상기 θ 구동 기구(110)에 의해 상기 웨이퍼 스테이지(108)를 그 평면상에서 90도 방향으로 회전가능하게 하며, 또한 XY 구동 기구(111)에 의해 상기 웨이퍼 스테이지(108)를 θ 구동 기구(110)와 동시에 평면 X 방향 및 Y 방향으로 직선 이동가능하게 구성되어 있다. 그래서, 상기 마스크 스테이지 구동부(106), 웨이퍼 스테이지 구동부(109)는 각각 제어기(112)에 전기 접속되어 있으며, 이 제어기(112)의 제어에 의해, 각각 상기 마스크 스테이지(105)와 웨이퍼 스테이지(108)를 구동하도록 구성되어 있다. 또, 상기 주사 노광 장치(100)에는, 상기한 구성 이외에도, 상기 축소 투영 렌즈(107)의 투영 배율을 변화시키기 위한 구성이나, 웨이퍼 스테이지(108)의 집점 위치를 조정하기 위한 구성 등이 설치되어 있지만, 여기서는 그 설명은 생략한다.
상기 구성의 주사 노광 장치(100)에서는, 도 2에서와 같이, 상기 포토 마스크(PM)는, 반도체 웨이퍼(W)에 형성한 반도체 칩 중 하나의 칩에 대응하는 패턴으로서 형성된다. 또한, 상기 축소 투영 렌즈(107)는, 상기 포토 마스크(PM)의 하나의 칩 상응 영역을 축소하여 상기 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 결상하도록 그 축소 배율이 설정되어 있다. 또, 상기 반도체 웨이퍼는 상기 각각의 도면에 도시되지 않았지만, 그 표면에 절연막이나 도전막이 형성되며, 또한 그 위에 포토레지스트가 도포된다. 그래서, 상기 광원(101)으로부터의 자외광을 슬릿판(104)에 의해 슬릿광(SL)으로 제한한 후에, 이 슬릿광(SL)에서 포토 마스크(PM)를 조사하여, 포토 마스크(PM)를 투과한 광을 축소 투영 렌즈(107)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면상의 포토레지스트에 투영한다. 또한, 이것과 동시에 제어기(112)는 마스크 스테이지 구동부(106)를 제어하여 포토 마스크(PM)를 마스크 스테이지(105)와 함께 평면 X 방향으로 소정의 속도로 이동시킴과 동시에, 이것에 동기하여 웨이퍼 구동부(109)에 의해 XY 구동 기구(111)를 제어하여 반도체 웨이퍼(W)를 상기 포토 마스크(PM)와는 반대인 평면 -X 방향으로 소정의 속도로 이동시킨다.
이로 인해, 포토 마스크(PM)는 슬릿광(SL)에 대하여 주사됨과 동시에, 슬릿광(SL)이 투과된 포토 마스크(PM)의 패턴은 반도체 웨이퍼(W)의 표면상에 주사되면서 투영되며, 포토레지스트에 대한 1개의 칩의 노광이 행해지게 된다. 1개의 칩의 노광이 완료된 후에는, 반도체 웨이퍼(W)는 XY 구동 기구(111)에 의해 평면 Y 방향으로 1개의 칩만이 이동되고, 그 다음 마스크 스테이지 구동부(106)는 반대의 -X 방향으로 이동되며, 이것과 동기하여 웨이퍼 스테이지 구동부(109)의 XY 구동 기구(111)는 X 방향으로 이동되며, 이것에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 인접 영역에 다음에 있는 1개의 칩의 노광이 행해진다. 이 노광 공정을 반복함으로써, 반도체 웨이퍼(W)에 대한 복수개의 칩의 노광이 행해진다. 또, 이 경우에, 포토 마스크(PM)의 주사 속도 vP와, 반도체 웨이퍼의 주사 속도 vW는 축소 투영 렌즈(107)의 결상 배율 m으로할 때, vP = vW x m이면, 포토 마스크(PM)의 패턴은 X 방향 및 Y 방향으로 동일한 축소 배율로 반도체 웨이퍼(W)에 노광된다.
상기한 주사 노광 장치(100)를 이용한 주사 노광 방법에 있어서, 지금부터 도 3 및 도 4에 도시한 반도체 메모리 셀의 워드선 및 비트선을 노광하는 경우를 설명한다. 상기 반도체 메모리 셀로서, 여기서는 COB 구조의 DRAM에 적용한 예를 도시하고 있다. 이 COB 구조의 DRAM은 데이터를 축적하기 위한 용량(캐패시터)이 비트선보다도 상측에 설치되어 있으며, 도 3은 단면도이고, 도 4(a) 및 도 4(b)는 그 AA 선, BB 선에 따라 취해진 단면도이다. 이들 도면에서, P형 실리콘 기판(201)에 P- 확산층(202) 및 필드 산화막(203)에 소자 분리 영역이 형성되며, 소자 분리 영역내에 게이트 산화물(204)과, 이 위에 워드선(WL)으로서의 게이트 전극(205)이 형성된다. 이 게이트 전극(205)은 상기 반도체 웨이퍼(W)의 오리엔테이션 플랫(OF)과 직교하는 평면 Y 방향으로 연장되며, 그 폭 칫수, 즉 단변 칫수는 0.2㎛ 정도로 피치 칫수는 0.2㎛ 정도의 복수의 라인형으로 형성된다. 그래서, 상기 게이트 전극(205) 간의 상기 P형 실리콘 기판(201)에는 소오스·드레인이 되는 N-형 확산층(206)과 N+형 확산층(207)이 형성된다. 상기 게이트 전극(205)의 상면과 측면은 각각 실리콘 산화막(208, 209)과 중첩되어 있으며, 그 위에 제1 층간 절연막(210)이 형성된다. 이 제1 층간 절연막(210)상에는, 상기 반도체 웨이퍼(W)의 오리엔테이션 플랫(OF)과 평행한 평면 X 방향으로 연장된 복수개의 비트선(BL)으로서의 배선(211)이 형성되어 있으며, 이들 비트선(BL)은 폭 칫수, 즉 단변 칫수는 0.2㎛로 피치 칫수는 0.15∼0.2㎛의 라인형으로 형성된다. 그래서, 상기 비트선(BL)(211)은 상기 제1 층간 절연막(210)의 두께 방향에 걸쳐 설치된 제1 도전 플러그(212)에 의해 상기 N+확산층(207)에 전기 접속된다. 또한, 상기 비트선(BL)(211)상에는 제2 층간 절연막(213)이 형성되며, 이 위에는 축적 전극(214), 용량 절연막(215), 공통 전극(216)이 순차 적층되어 캐패시터가 구성되며, 상기 축적 전극(214)은 상기 제1 및 제2 층간 절연막(210, 213)의 두께 방향에 걸쳐 설치된 제2 도전 플러그(217)에 의해 상기 N+확산층(207)에 전기 접속된다.
이와 같은 DRAM의 상기 워드선(WL)과 비트선(BL)을 패턴 형성하기 위한 포토 마스크의 일부를 도 5(a), 도 5(b)에서 도시하고 있다. 워드선용 포토 마스크(PMw)는 상기 비트선(BL)의 패턴에 대응하여 포토 마스크(PMw)의 평면 Y 방향으로 연장된 라인형의 광투과 패턴(Pw)이 형성된다. 또한, 비트선용 포토 마스크(PMb)는 상기 비트선(BL)의 패턴에 대응하여 평면 X 방향으로 연장된 라인형의광투과 패턴(Pb)이 형성된다. 또, 상기 비트선용 패턴의 일부에 형성되는 광폭부(Pb')는 상기 도전 플러그(212)에 접속되는 콘택부이다. 그래서, 이들 각각의 포토 마스크(PMw, PMb)는 도 1 및 도 2에 도시한 주사 노광 장치(100)의 마스크 스테이지(105)에 탑재된다. 워드선용 포토 마스크(PMw)를 마스크 스테이지(105)에 탑재할 때에는, 도 5(a)의 화살표 S1과 같이, 상기 포토 마스크(PMw)의 좌변측을 마스크 스테이지(105)에 그 우측으로부터 삽입하여 탑재한다. 즉, 워드선 패턴(Pw)의 장변 방향이 Y 방향으로 향해지도록 포토 마스크(PMw)를 탑재하며, 그 다음에, 도 6(b)에서와 같이, 마스크 스테이지 구동부(106)에 의해 포토 마스크(PMw)를 슬릿광(SL)에 대하여 X 방향으로 이동시켜 주사한다. 이것에 의해 포토 마스크(PMw)의 워드선 패턴(Pw)은 그 장변 방향이 슬릿광(SL)의 장변 방향과 일치한 상태로 주사되며, 포토 마스크(PMw)를 투과한 슬릿광(SL)은 축소 투영 렌즈(107)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 결상되며, 워드선 패턴(Pw)이 반도체 웨이퍼(W)에 축소되어 전사된다. 또한, 이 마스크 스테이지(105)의 X 방향 이동에 동기하여 웨이퍼 스테이지(108)를 -X 방향으로 이동시킴으로써, 상기 슬릿광(SL)에 의해 워드선 패턴(Pw)은 반도체 웨이퍼(W)의 표면상에 주사된다. 이 주사에 의해, 반도체 웨이퍼에 워드선용 포토 마스크(PMw)의 워드선 패턴(Pw)이 1개의 칩을 노광하는 것은 상기와 일맥상통한 것이다.
또한, 도 6(a)에 도시한 바와 같이, 워드선 패턴(Pw)은 그 장변 방향이 Y 방향이며, 슬릿광(SL)은 장변 방향이 Y 방향이기 때문에, 양자의 장변 방향이 일치된다. 이로 인해, 축소 투영 렌즈(107)에 코마 수차가 발생하는 경우에도, 슬릿광(SL)의 단축 방향에서는 광축으로부터의 거리가 짧아지기 때문에 코마 수차는 워드선 패턴(Pw)의 단변 칫수에 의한 영향은 거의 없고, 형성된 칩의 전영역에 걸쳐 균일한 단변 칫수의 워드선 패턴을 얻을 수 있다. 이 때, 슬릿광(SL)의 장변 방향의 양단부의 코마 수차는 칩 외주부에 있어서의 워드선 패턴(Pw)의 단부에 영향이 미치나, 슬릿광(SL)은 그 주사 방향에 있어서는 슬릿광(SL)이 주사에 따라 중첩되는 상태로 노광이 행해지기 때문에, 슬릿광(SL)의 주사 방향의 코마 수차의 영향은 적어지고, 이에 따라 워드선 패턴(Pw)의 단변 칫수에 대한 코마 수차의 영향은 거의 발생하지 않는다. 반대로 영향이 미칠지라도 워드선 패턴(Pw)의 양단부에서의 워드선 패턴(Pw)의 장변 방향에 영향이 미쳐, 워드선 패턴(Pw)의 양단부가 약간 짧아질 뿐이다. 이 워드선 패턴에 의해 형성되는 워드선(WL)의 장변 방향의 단부는 통상적으로 소자 분리 영역 위까지 연장되기 때문에, 이 영역의 워드선의 장변이 짧아지더라도 메모리 셀에 제공되는 특성상의 영향은 거의 없다.
다음에, 비트선용 포토 마스크를 마스크 스테이지에 탑재할 때에는, 도 5(b)에 화살표 S2로 도시한 바와 같이, 상기 포토 마스크(PMb)의 상변을 마스크 스테이지(105)의 좌측으로부터 삽입하여 마스크 스테이지(105)에 탑재한다. 이것에 의해, 비트선용 포토 마스크(PMb)는 상기한 워드선용 포토 마스크(PMw)의 경우는 90도 다른 방향을 향하여 마스크 스테이지(105)에 탑재되어 있으며, 그 결과로서, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 비트선 패턴(Pb)은 그 장변 방향이 주사 노광 장치의 Y 방향으로 향해진다. 그 결과, 상기 워드선의 포토 마스크(PMw)의 경우과 마찬가지로, 마스크 스테이지 구동부(106)에 의해 마스크 스테이지(105)를 X 방향으로 이동시켜서, 비트선용 포토 마스크(PMb)를 슬릿광(SL)에 대하여 주사한다. 이것에 의해, 상기 포토 마스크(PMb)의 비트선 패턴(Pb)은 그 장변 방향이 슬릿광(SL)의 장변 방향과 일치한 상태로 주사되며, 포토 마스크(PMb)를 투과한 슬릿광(SL)은 축소 투영 렌즈(107)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 결상되며, 비트선 패턴(Pb)은 반도체 웨이퍼(W)에 축소되어 전사된다.
한편, 웨이퍼 스테이지(108)에 있어서는, 웨이퍼 스테이지 구동부(109)의 θ 구동 기구(110)가 동작되며, 웨이퍼 스테이지(108)를 90도 평면 방향으로 회전시킨다. 이것에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 오리엔테이션 플랫(OF)은 도 2의 상태로부터 주사 노광 장치(100)의 정면에 대해 직교하는 Y 방향으로 향하게 된다. 그래서, 웨이퍼 스테이지(108)를 -X 방향으로 이동시킴으로써, 상기 슬릿광(SL)에 의해 비트선 패턴(Pb)은 반도체 웨이퍼(W)의 표면상에 주사된다. 이 주사에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 비트선용 패턴(Pb)은 1개의 칩을 노광시킨다. 이 비트선 패턴(Pb)은 비트선용 포토 마스크(PMb)가 평면상에서 90도 회전 배치되며, 또한 반도체 웨이퍼(W)도 이것에 대응하여 평면상에서 90도 회전 배치되기 때문에, 마스크 스테이지(105)와 웨이퍼 스테이지(108)가 각각 X 방향, -X 방향으로 주사됨에도 불구하고, 상기 워드선의 패턴과 90도 직교하는 방향으로 연장된 상태로 전사된다.
이 때, 도 6(b)에 도시한 바와 같이, 비트선 패턴(Pb)은 그 장변 방향이 워드선의 경우와 마찬가지로 Y 방향으로 되어 있으며, 또한 슬릿광(SL)은 장변 방향이 Y 방향이기 때문에, 양자의 장변 방향은 일치된다. 이로 인해, 축소 투영 렌즈(107)에 코마 수차가 발생하는 경우에도, 슬릿광(SL)의 단변 방향에서는 광축으로부터의 거리가 짧아지기 때문에 코마 수차가 비트선 패턴(Pb)의 단변 칫수에 미치는 영향은 거의 없고, 형성된 칩의 전영역에 걸쳐 균일한 단변 칫수의 비트선 패턴을 얻을 수 있다. 이 때, 워드선 패턴의 경우와 마찬가지로, 슬릿광(SL)의 장변 방향의 양단부의 코마 수차는 칩 외주부에 있어서 비트선 패턴(Pb)의 단부에 영향을 미치지만, 슬릿광(SL)의 주사 방향에 있어서는 슬릿광(SL)이 중첩하는 상태로 노광이 행해지기 때문에, 슬릿광(SL)의 주사 방향의 코마 수차의 영향은 적고, 이에 따라 비트선 패턴(Pb)의 단변 칫수에 대한 코마 수차의 영향은 거의 발생하지 않는다. 반대로, 영향이 미치더라도 비트선 패턴(Pb)의 양단부에서의 비트선의 장변 방향에 영향이 미쳐서, 비트선의 양단부가 약간의 노광 부족으로 형성되는 비트선(BL)의 장변이 약간 짧아질 뿐이다. 비트선의 장변 방향의 단부는 통상적으로 비트선에 있어서 전류의 도통에 대한 기여도가 적기 때문에, 이 영역의 비트선의 장변은 짧아져도 메모리 셀에 제공되는 특성상의 영향은 거의 발생하지 않는다.
따라서, 본 실시 형태에서 형성된 도 3 및 도 4에 도시한 워드선(WL)과 비트선(BL)은 각각의 장변 방향으로 슬릿광(SL)의 장변 방향이 향하게 되어, 주사 노광되기 때문에, 축소 투영 렌즈(107)에서 코마 수차의 영향을 거의 무시한 노광이 실현될 수 있으며, 워드선(WL)에 있어서는 칩 내의 전영역에 걸쳐 균일한 단변칫수의 워드선을 형성할 수 있으며, 워드선으로 구성되는 MOS 트랜지스터의 채널 길이를 균일화하며, 이 MOS 트랜지스터로 구성되는 메모리 셀에 대한 특성의 균일화를 실현할 수 있다. 또한, 비트선(BL)에 있어서는, 칩 내의 전영역에 걸쳐 균일한 단변칫수의 비트선을 형성할 수 있으며, 비트선의 저항을 균일화하며, 특히 메모리 셀로부터 판독한 데이터 전류의 균일화를 나타내어 데이터 판독의 신뢰성을 높힐 수 있다.
여기서, 상기 실시 형태에서는, 본 발명을 워드선, 비트선의 각 패턴을 주사 노광하는 예에 관해서 설명하였지만, 이들 패턴에 한정되지 않으며, 가늘고 긴 패턴을 전사하기 위한 마스크를 이용하여 슬릿광에 의해 주사 노광하는 경우에는 본 발명을 마찬가지로 적용할 수 있다. 예를 들면, ASIC에 있어서 X 방향 및 Y 방향에 교차하는 다수개의 배선 패턴을 노광하기 위한 포토 마스크에 적용가능한 것은 당연하다. 또한, 실제의 반도체 장치의 패턴은, 상기한 바와 같이 단순한 라인 형태로 한정되지 않고, 그 장변 방향의 일부에서 굴곡되어 있으며, 단변 칫수가 변화되는 패턴이 존재하지만, 그와 같은 패턴 형태의 경우에도, 패턴의 장변 방향으로 슬릿의 장변 방향을 일치시키도록 하면, 본 발명의 상기한 작용 효과를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 주사 노광을 실시하기 위한 주사 노광 장치로서는, 상기한 실시 형태의 구성에 한정되지 않고, 예를 들면, 노광한 패턴 형태에 대하여 슬릿판의 슬릿 방향을 90도 회전시켜 XY 방향으로 설정함과 동시에, 마스크 스테이지 구동 기구와 웨이퍼 스테이지 구동 기구를 평면 XY 방향으로 이동가능하게 구성하여, 포토 마스크와 웨이퍼의 주사 방향을 각각 Y 방향으로 주사시키도록 하여도 좋다.
상술한 본 발명은 포토 마스크로 형성된 노광용 패턴이 그 패턴 형태의 장변 방향이 노광시에 주사되는 슬릿광의 장변 방향에 일치되도록 구성하며, 슬릿광의 중심 영역과 양단 영역의 코마 수차가 억제됨으로써, 슬릿의 장변 방향을 노광한 패턴의 장변 방향과 일치시켜 주사 노광을 행하도록 구성함으로써, 노광한 패턴에 대한 슬릿의 장변 방향의 양단부에 있어서 코마 수차의 영향을 완화하며, 코마 수차의 영향에 의한 패턴 형태나 패턴 칫수의 불균일을 해소하며, 고밀도인 패턴의 노광, 전사를 실현할 수 있다.

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  4. 라인형상을 한 노광용 패턴이 형성된 포토 마스크에 대하여 슬릿광을 슬릿 단변 방향으로 상대적으로 주사하여, 상기 노광용 패턴을 피노광체 표면에 노광하는 주사 노광 방법에 있어서,
    상기 슬릿광은 그 장변 방향이 상기 포토 마스크의 상기 노광용 패턴 형상의 장변 방향과 일치한 상태에서 주사되는 것을 특징으로 하는 주사 노광 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 슬릿광은 광축을 포함하는 위치에 고정 상태로 되고,
    상기 포토 마스크는 그 면내에서 상기 슬릿광의 단변 방향으로 이동되어 상기 노광용 패턴이 상기 슬릿광에 의해 주사되고,
    상기 피노광체는 상기 포토 마스크와 동기하여 그 면내에서 반대 방향으로 이동되어 상기 슬릿광에 의해 상기 포토 마스크의 노광 패턴이 노광되는 것을 특징으로 하는 주사 노광 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 포토 마스크의 상기 노광용 패턴의 장변 방향이 각각 다른 포토 마스크를 상기 슬릿광에 대하여 주사할 때에는, 각 포토 마스크는 각각의 상기 노광용 패턴의 장변 방향이 상기 슬릿광의 장변 방향과 일치하는 방향으로 설정되고,
    상기 노광용 패턴의 단변 방향에 따라 이동되어 상기 슬릿광에 의해 주사되는 것을 특징으로 하는 주사 노광 방법.
  7. 주사 노광 장치에 있어서,
    광원으로부터 출사된 광을 광축을 포함하는 구형(矩形)의 슬릿광으로 제한하는 슬릿 수단;
    라인형상을 한 노광용 패턴이 형성된 포토 마스크를 장착하는 마스크 스테이지;
    상기 마스크 스테이지를 상기 슬릿광의 단변 방향으로 이동시켜 상기 슬릿광에 대하여 상기 포토 마스크의 노광용 패턴을 주사시키기 위한 마스크 스테이지 구동 기구;
    상기 포토 마스크를 투과한 광을 피노광체의 표면에 축소하여 결상시키기 위한 축소 투영 렌즈;
    상기 피노광체가 놓여지는 피노광체 스테이지; 및
    상기 피노광체 스테이지를 상기 마스크 스테이지와 동기하여 해당 마스크 스테이지의 이동 방향과 반대 방향으로 이동시키기 위한 피노광체 스테이지 구동 기구
    를 구비하고, 상기 마스크 스테이지는 상기 포토 마스크를 면 내의 90도 상이한 평면 방향으로 장착 가능하게 구성되고,
    상기 피노광체 스테이지는, 놓여진 피노광체를 평면 방향으로 90도 이상 회전 위치시키기 위한 θ구동부와 상기 피노광체를 상기 슬릿광의 단변 방향과 이에 직교하는 슬릿광의 장변 방향으로 각각 이동시키는 XY 구동부를 갖고,
    상기 마스크 스테이지와 상기 피노광체 스테이지는, 상기 포토 마스크의 상기 노광용 패턴의 장변 방향과 상기 피노광체에 노광되는 패턴의 장변 방향이 각각 상기 슬릿광의 장변 방향과 일치하는 방향으로 놓여질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 주사 노광 장치.
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