KR100558191B1

KR100558191B1 - 투영 노광 장치

Info

Publication number: KR100558191B1
Application number: KR1020000015017A
Authority: KR
Inventors: 손창진
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2006-03-10
Also published as: KR20010090252A

Abstract

광들 사이의 광의 세기의 차를 최소화하여 균일한 노광 패턴을 획득할 수 있는 투영 노광 장치가 개시된다. 광원에서 생성된 빛을 파리눈 렌즈를 통과하면서 평행광으로 전환하고, 고리형 구경과 콘덴서 렌즈를 통해서 마스크에 사입사 각도로 조사되고, 제1 프로젝션 렌즈를 통과한 0차 회절광은 다수의 투과율 조절막이 연속하여 형성되어 고리형으로 구성되는 투과율 조절막에 의해 노광 공정에 적절하도록 가변적으로 광의 세기가 감소되고, 광의 세기가 감소된 0차 회절광과 -1차 회절광의 세기가 대칭을 이루면서 웨이퍼 상에 간섭하면서 포토레지스트를 선택적으로 노광하게 된다. 따라서, 0차 회절광과 -1차 회절광 사이의 광원의 세기의 차에 의해 임계면적의 차가 커지는 것을 방지할 수 있어서, 반도체 장치의 제조 공정에서 생산성이 향상된다.

Description

투영 노광 장치{LIGHT ILLUMINATION SYSTEM}

도 1은 종래의 고리형 사입사 조명 장치를 나타내는 개략도이다.

도 2는 도 1에 도시된 고리형 구경(Annular Aperture)을 나타내는 평면도이다.

도 3a 내지 도 3b는 종래의 고리형 사입사 조명 방법에서 푸필 플레인(pupil plane)에 형성되는 광원의 모양을 나타내는 개략도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과율 조절막을 이용한 투영 노광 방법 및 장치를 설명하기 위한 개략도이다.

도 5는 도 4에 도시한 투과율 조절막의 상면도이다.

도 6은 도 4에 도시한 푸필 플레인에 투과율 조절막을 적용한 상태를 보이기 위한 상면도이다.

도 7a 및 도 7b는 도 4에 도시한 투과율 조절막을 투영 노광 장치에 적용하였을 때, 웨이퍼 표면에 광의 세기를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

210: 광원 212: 파리눈 렌즈

214: 고리형 구경 216: 콘덴서 렌즈

218: 마스크 220: 제1 프로젝션 렌즈

222: 푸필 플레인 223: 투과율 조절막

224: 제2 프로젝션 렌즈 226: 웨이퍼

본 발명은 변형 노광 방법을 수행하기 위한 투영 노광 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 반도체 장치의 포토리소그래피(Photolithography)공정에서 사입사(斜入射)조명 방법에서 광들 사이의 광의 세기의 차를 최소화하여 균일한 노광 패턴을 획득할 수 있는 투영 노광 장치에 관한 것이다.

64M DRAM 보다 더 높은 집적도를 갖는 ULSI를 제조하기 위해서는 0.3㎛이상의 해상도와 적당한 초점 심도(DOF; Depth-of-Focus)가 필요하고, 이에 따라 서브 하프 미크론(Sub-half micron) 패턴을 형성하기 위하여 많은 새로운 기술이 개발되고 있다. 이러한 새로운 기술의 예로서는, 광원의 파장을 줄인 엑시머 레이저를 이용하는 방법, 위상 반전 마스크(Phase Shift Mask)를 이용한 노광 방법 및 사입사 조명 방법(Tilted Illumination Method)과 같은 변형 조명 방법(Modified Illumination Method)등을 들 수 있다. 이러한 변형 조명 방법의 예가 미합중국 특허 제5,445,587호(issued to Kang et al.)에 개시되어 있다.

변형 조명 방법은 렌즈 및 조명계를 변형하지 않고, 단순하게 파리눈 렌즈 다음에 구성된 고리형 구경(annular aperture)을 변형함으로써 라인(Line)과 스페이스(Space)가 반복적으로 형성된 패턴에서의 초점 심도(DOF) 및 해상도의 향상을 기대할 수 있다는 측면에서 관심을 끌고 있다. 변형 조명 방법은 구경의 형상에 따라서 사점(Quadrupole) 조명 방법, 쉬링크(Shrink) 조명 방법, 고리형(Annular)조명 방법 등으로 구분된다. 그 중에서 고리형 조명 방법은 패턴의 정확성(Pattern Fidelity)의 측면에서 가장 우수한 사입사 조명 방법으로 평가받고 있다.

도 1은 종래의 고리형 사입사 조명 장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 고리형 구경(Annular Aperture)을 나타내는 평면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 종래의 고리형 사입사 조명 장치는 광원(110), 파리눈 렌즈(112), 고리형 구경(114), 콘덴서 렌즈(116)등을 포함한다. 광원(110)에서 생성된 빛은 파리눈 렌즈(112)의 출구 표면에서 고리형 구경(114)에 의해 부분적으로 제한된다.

일반적인 투영 노광 방법에서는, 콘덴서 렌즈를 통하여 푸리에 변환면(Fourier transform plane)과 일치하도록 마스크 상에 빛을 조사하게 된다. 푸리에 변환면상에 조사된 빛의 분포는 하나의 원내에 형성되고, 0차 회절광(zero-order diffracted light)은 광축을 따라서 진행하고(수직 입사 성분), +1차와 -1차로 회절된 빛(+1st and -1st order diffracted light)은 회절각(θ)을 갖고 진행하여(사입사 성분) 웨이퍼 상에는 0차, +1차 및 -1차로 회절된 빛이 웨이퍼상에서 서로 간섭하면서 이미지를 형성하게 된다.

마스크 패턴이 미세할수록 회절각(θ)은 증가하고, sinθ가 렌즈의 개구수(NA)보다 크다면, +1차 및 -1차로 회절된 빛은 투영 렌즈를 통과하지 않을 것이고, 0차로 회절된 빛만이 통과하여 웨이퍼의 표면에 도달하게 되고, 간섭은 일 어나지 않는다. 이때, 최소의 해상도(R)는 다음과 같다.

R = λ/ 2NA

이에 대하여, 도 1에 도시한 변형 조명 장치에 있어서는, 고리형 구경(114)을 통과한 빛은 특정한 사입사각을 갖고 마스크(118)에 조명한다. 사입사각(α)은 하기의 식과 같이 광축과 고리형 구경(114)의 투명부와의 거리(x) 및 콘덴서 렌즈의 초점거리(f)에 의해 다음과 같이 정의된다.

f * sin(α) = x

마스크(118)상에 조명된 빛은 마스크(118)상에 형성된 마스크 패턴(118a)에 의해서 회절되며, 0차 빛은 광축에 대하여 회절각(θ)의 각으로 회절되고, +1차 및 -1차로 회절된 빛의 경로와 광축과의 각은 다음과 같이 정의된다.

- 1차 빛의 각(θ1): sin(θ1) + sin (α) = λ/Pr

+ 1차 빛의 각(θ2): sin(θ2) - sin (α) = λ/Pr

상기 식에서, Pr은 마스크상의 라인 및 스페이스의 피치이다.

보다 고차로 회절된 빛은 다른 경로를 거치게 된다. 패턴의 피치가 미세하고, 마스크(118)측의 제1 프로젝션 렌즈(120)의 개구수가 sin(θ2)보다 크기 때문에, -1차 또는 고차로 회절된 빛은 투영 렌즈로 들어가지 않는다. 따라서, 0차 및 1차로 회절된 빛만이 푸필 플레인(pupil plane)(122)상에서 회절 분리되어 제2 프로젝션 렌즈(124)를 통해 웨이퍼(126)상에서 간섭할 것이고, 이미지를 형성한다.

그러나, 이러한 일반적인 고리형 개구를 이용한 사입사 조명법에 의하면, 푸필 플레인(122)상에서 프라운호퍼 회절(Fraunhoffer diffraction)에 의하여 나타나 는 0차 광과 1차 광은 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같은 광원의 모양을 갖고, 0차 광과 1차 광의 광원의 세기가 비대칭으로 나타난다. 즉, 도 3a에 도시된 바와 같이, 유효 1차 광 이상의 광들에 비해 0차 광의 세기가 지나치게 강하다. 이로 인해, 라인/스페이스 패턴 및 격리 패턴간의 임계면적(critical dimension)의 차가 크게 발생한다.

본 발명은 상술한 종래 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 0차 광의 세기를 가변적으로 조절하여 1차 이상의 광과의 광원의 세기의 차를 최소화하여 패턴의 균일성을 획득하므로써 광 효율을 향상시킬 수 있는 투영 노광 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 광원에서 생성된 광선을 평행광으로 전환시키기 위한 렌즈어레이; 상기 평행광으로 전환된 빛을 집광하고, 마스크를 통하여 사입사시키기 위한 콘덴서 렌즈; 상기 콘덴서 렌즈에 의해 상기 마스크를 통해 사입사되는 0차 및 1차 이상의 광을 회절시켜서 투영하기 위한 투영렌즈; 상기 투영렌즈를 통해 입사되는 상기 0차 회절광 및 1차 이상의 회절광 중에서 상기 0차 회절광의 투과율을 가변적으로 조절하여 상기 0차 회절광의 세기를 조절하기 위한 고리형 투과율 조절막; 및 상기 고리형 투과율 조절막에 의해 광의 세기가 조절된 0차 회절광 및 상기 1차 회절광을 웨이퍼에 조사하여 노광시키기 위한 투영 시스템을 구비하는 투영 노광 장치가 제공된다.

상기 고리형 투과율 조절막은, 서로 다른 투과율을 갖는 다수의 투과율 조절막이 연속하여 형성되는 것에 의해 고리형으로 구성된다. 상기 고리형 투과율 조절막을 구성하는 상기 다수의 투과율 조절막의 각각은 상기 0차 회절광의 입사 영역에 따라 투과율 조절막의 제조 단계에서 서로 다른 폭을 갖도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 투영 노광 장치는, 상기 고리형 투과율 조절막을 구성하는 다수의 투과율 조절막 중에서 선택적으로 어느 하나의 투과율 조절막에 설치되어서 상기 0차 회절광의 위상을 반전시키기 위한 위상 반전기를 더 갖는다.

본 발명에서는 제1 프로젝션 렌즈를 통과한 0차 회절광 및 -1차 광이 제2 프로젝션 렌즈로 입사되기 전에 투과율 조절막 및 위상 반전기에 의해 0차 회절광의 투과량이 특정 비율로 감소되거나 그 위상이 반전된다. 이와 같이 투과량의 감소에 의해 광의 세기가 감소한 0차 회절광은 -1차 회절광과 대칭을 이루면서 웨이퍼 상에 간섭하면서 포토레지스트를 선택적으로 노광하게 된다. 따라서, 0차 회절광과 -1차 회절광 사이의 광원의 세기의 차에 의해 노광되는 포토레지스트 패턴간의 임계면적의 차가 커지는 것을 방지할 수 있어서, 반도체 장치의 제조 공정에서 생산성이 향상된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면 을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 투영 노광 장치는 고리형 투과율 조절막(223)을 사용한다. 먼저, 광원(210)에서는 반도체 웨이퍼를 노광할 광선을 생성한다. 생성된 광선은 마이크로 렌즈들로 이루어진 파리눈 렌즈(212)를 통하여 평행광으로 전환된다. 파리눈 렌즈(212)를 통과한 빛은 고리형 구경(214)을 통과하므로써 광축 중심부의 빛이 차단되면서 진행하여 콘덴서 렌즈(216)상에 수렴한다. 고리형 구경(214)으로부터의 광은 콘덴서 렌즈(216)에 의해 노광 영역을 한정하기 위한 불투명한 크롬 패턴(218a)을 갖는 마스크(218)상에 사입사각을 갖고 조사된다.

사입사각(α)은 하기의 식과 같이 광축과 고리형 구경(214)의 투명부와의 거리(x) 및 콘덴서 렌즈(216)의 초점거리(f)에 의해 다음과 같이 정의된다.

f * sin(α) = x

마스크(218)상에 조명된 빛은 마스크(218)상에 형성된 마스크 패턴(218a)에 의해서 회절되며, 0차 빛은 광축에 대하여 회절각(θ)의 각으로 회절되고, +1차 및 -1차로 회절된 빛의 경로와 광축과의 각은 다음과 같이 정의된다.

- 1차 빛의 각(θ1): sin(θ1) + sin (α) = λ/Pr

+ 1차 빛의 각(θ2): sin(θ2) - sin (α) = λ/Pr

패턴의 피치가 미세하고, 마스크(218)측의 제1 프로젝션 렌즈(220)의 개구수가 sin(θ2)보다 크기 때문에, +1차 또는 고차로 회절된 빛은 제1 프로젝션 렌즈(220)로 들어가지 않는다. 따라서, 0차 및 -1차로 회절된 빛만이 제1 프로젝션 렌즈(220)로 입사되고, 1차로 회절된 광선은 프로젝션 렌즈(228)의 외부로 향하게 된다. 보다 고차로 회절된 광선들은 다른 경로를 거치게 된다.

다음, 제1 프로젝션 렌즈(220)를 통과한 0차 회절광 및 -1차 회절광 중에서 -1차 회절광은 푸필 플레인(222)에서 회절 분리되어 제2 프로젝션 렌즈(224)로 입사된다. 그리고, 0차 회절광은 푸필 플레인(222)상에 설치되는 투과율 조절막(223)에 의해 해당 노광 공정에서 적절한 광의 세기를 갖도록 그 투과량이 조절되고, 푸필 플레인(222)에서 회절 분리되어 제2 프로젝션 렌즈(224)로 입사된다. 제2 프로젝션 렌즈(224)로 입사된 0차 회절광 및 -1차 회절광은 제2 프로젝션 렌즈(224)를 통과하여 웨이퍼(226)상에서 간섭할 것이고, 웨이퍼(226)상에 포토레지스트의 소정 영역을 선택적으로 노광하여 반도체 장치의 패턴을 형성한다.

도 5a는 고리형 구경(214)을 통과한 사입사 광원이 푸필 플레인(222)상에 형성되는 모양을 나타내고, 도 5b는 도 4에 도시한 투과율 조절막(223)의 상면도이다.

도 5b를 참조하면, 투과율 조절막(223)은 상면에서 볼 때, 다수의 투과율 조절막(a#1, ..., a#8)이 연속하여 형성되는 것에 의해 고리형으로 구성된다. 상기 다수의 투과율 조절막(a#1, ..., a#8)은 서로 다른 투과율을 갖는다.

상기 다수의 투과율 조절막(a#1, ..., a#8)의 각각은 상기 0차 회절광의 입사 영역에 따라 그 폭(X)을 제조 단계에서 서로 다른 폭을 갖도록 구성하여 노광 공정에 적절한 형태로 다양하게 설치할 수 있다.

도 6은 도 4에 도시한 푸필 플레인(222)에 투과율 조절막(223)을 적용한 상태를 보이기 위한 상면도이다. 도 7a 및 도 7b는 도 4에 도시한 투과율 조절막을 투영 노광 장치에 적용하였을 때, 웨이퍼 표면에 광의 세기를 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 상기한 바와 같은 투과율 조절막(223)은 도 6에 도시된 바와 같이 고리형의 투과율 조절막(223)의 중심부(223a)가 고정되고, 상기 제1 프로젝션 렌즈(220)로부터 입사되는 0차 회절광이 상기 다수의 투과율 조절막(a#1, ..., a#8)의 어느 하나를 통과하도록 설치된다.

즉, 도 6에서는 고리형으로 연속하여 형성된 투과율 조절막(223)이 4개의 영역(b#1, b#2, b#3, b#4)으로 분할되어 있다. 그리고, 각 투과율 조절 영역(b#1, b#2, b#3, b#4)은 각각 상기 0차 회절광을 100%, 40%, 70%, 10%를 투과시키도록 투과율이 설정되어 있다.

도 6에서는, 제4 투과율 조절 영역(b#4)은 푸필 플레인(222)상에 나타나는 0차 회절광이 통과되도록 설치된다. 따라서, 이 경우에는 상기 제2 프로젝션 렌즈(224)로 입사되는 상기 0차 회절광의 광의 세기가 90% 정도 감소되어 상기 제2 프로젝션 렌즈(224)로 입사되는 것이다.

한편, 제1 투과율 조절 영역(b#1)에는 상기 제1 프로젝션 렌즈(220)로부터의 상기 0차 회절광의 위상을 180도 반전시키기 위한 위상 반전기(225)가 설치된다. 이 위상 반전기(225)는 제1 투과율 조절 영역(b#1) 뿐만 아니라 제2 내지 제4 투과율 조절 영역(b#2, b#3, b#4)에도 노광 공정에 따라 선택적으로 설치될 수 있다.

즉, 상기 고리형 투과율 조절막(223)을 구성하는 다수의 투과율 조절막(b#1, b#2, b#3, b#4)중에서 어느 하나의 투과율 조절막에 상기 위상 반전기(225)를 설치 하므로써 상기 0차 회절광의 위상을 반전시킬 수 있고, 상기 0차 회절광의 위상 반전에 의해서 노광 공정에 따라서는 더 적절한 세기를 갖는 0차 회절광을 얻을 수 있다.

이와 같은 투과율 조절막(223, 223a)은 고리형으로 연속하여 형성되어 있고, 그 중심부가 고정 설치되기 때문에 노광 공정에 따라서 투과율 조절막(223, 223a)을 조절하는 것에 의해 상기 0차 회절광의 광의 세기를 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 이미지 콘트라스트(image contrast)가 개선된다. 도 7a는 위상 반전기를 사용하여 0차 회절광의 위상을 반전시킨 경우를 나타낸다.

본 발명에 따르면, 0차 회절광 및 -1차 광이 웨이퍼 전단의 프로젝션 렌즈로 입사되기 전에 투과율 조절막 및 위상 반전기에 의해 0차 회절광의 투과량이 특정 비율로 감소되거나 그 위상이 반전된다.

이와 같이 투과량의 감소에 광의 세기가 감소한 0차 회절광은 -1차 회절광과 대칭을 이루면서 웨이퍼 상에 간섭하면서 포토레지스트의 소정 영역을 선택적으로 노광하여 반도체 장치의 패턴을 형성한다.

따라서, 0차 회절광과 -1차 회절광 사이의 광원의 세기의 차에 의해 노광되는 포토레지스트 패턴간의 임계면적의 차가 커지는 것을 방지할 수 있어서, 반도체 장치의 제조 공정에서 생산성이 향상된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 개량이나 변형이 가능하고, 이러한 개량이나 변형 또한 본 발명에 속한다는 것을 당업자라면 인지할 수 있을 것이다.

Claims

광원에서 생성된 광선을 평행광으로 전환시키기 위한 렌즈어레이;

상기 평행광으로 전환된 빛을 집광하고, 마스크를 통하여 사입사시키기 위한 콘덴서 렌즈;

상기 콘덴서 렌즈에 의해 상기 마스크를 통해 사입사되는 0차 및 1차 이상의 광을 회절시켜서 투영하기 위한 투영렌즈;

상기 투영렌즈를 통해 입사되는 상기 0차 회절광 및 1차 이상의 회절광 중에서 상기 0차 회절광의 투과율을 가변적으로 조절하여 상기 0차 회절광의 세기를 조절하기 위한 고리형 투과율 조절막; 및

상기 고리형 투과율 조절막에 의해 광의 세기가 조절된 0차 회절광 및 상기 1차 회절광을 웨이퍼에 조사하여 노광시키기 위한 투영 시스템을 구비하는 투영 노광 장치.
제1항에 있어서, 상기 고리형 투과율 조절막은, 서로 다른 투과율을 갖는 다수의 투과율 조절막이 연속하여 형성되는 것에 의해 고리형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 투영 노광 장치.
제2항에 있어서, 상기 고리형 투과율 조절막을 구성하는 다수의 투과율 조절막 중에서 어느 하나의 투과율 조절막에 설치되어서 상기 0차 회절광의 위상을 반 전시키기 위한 위상 반전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투영 노광 장치.