KR101898598B1 - 메트롤로지 방법 및 장치, 기판, 리소그래피 시스템 및 디바이스 제조 방법 - Google Patents

메트롤로지 방법 및 장치, 기판, 리소그래피 시스템 및 디바이스 제조 방법 Download PDF

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에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.
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Abstract

작은 타겟을 이용하는 다크-필드 메트롤로지 방법에서, 단일 회절 차수를 이용하여 얻어지는 타겟의 이미지의 특성은, 측정된 이미지에 조합 피트 함수를 피팅함으로써 결정된다. 조합 피트 함수는 타겟 및 물리적 센서의 측면들을 나타내도록 선택된 항들을 포함한다. 조합 피트 함수의 몇몇 계수들은 타겟 및/또는 측정 공정의 파라미터들에 기초하여 결정된다. 일 실시예에서, 조합 피트 함수는 이미징 시스템에서 퓨필 스톱의 점상 강도 분포 함수를 나타내는 jinc 함수들을 포함한다.

Description

메트롤로지 방법 및 장치, 기판, 리소그래피 시스템 및 디바이스 제조 방법{METROLOGY METHOD AND APPARATUS, SUBSTRATE, LITHOGRAPHIC SYSTEM AND DEVICE MANUFACTURING METHOD}
본 출원은 2014년 2월 3일에 출원된 유럽 출원 14153611의 이익을 주장하며, 이는 본 명세서에서 전문이 인용 참조된다.
본 발명은, 예를 들어 리소그래피 기술들에 의한 디바이스들의 제조에 사용가능한 메트롤로지 장치 및 방법들, 그리고 리소그래피 기술들을 이용하여 디바이스들을 제조하는 방법들에 관한 것이다.
리소그래피 장치는 기판 상으로, 통상적으로는 기판의 타겟부 상으로 원하는 패턴을 적용시키는 기계이다. 리소그래피 장치는, 예를 들어 집적 회로(IC)의 제조에 사용될 수 있다. 그 경우, 대안적으로 마스크 또는 레티클이라 칭하는 패터닝 디바이스가 IC의 개별 층에 형성될 회로 패턴을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이 패턴은 기판(예컨대, 실리콘 웨이퍼)의 (예를 들어, 다이의 일부분, 한 개 또는 수 개의 다이들을 포함하는) 타겟부 상으로 전사(transfer)될 수 있다. 패턴의 전사는 통상적으로 기판에 제공된 방사선-감응재(레지스트)층 상으로의 이미징(imaging)을 통해 수행된다. 일반적으로, 단일 기판은 연속하여 패터닝되는 인접한 타겟부들의 네트워크를 포함할 것이다. 공지된 리소그래피 장치는, 한번에 타겟부 상으로 전체 패턴을 노광함으로써 각각의 타겟부가 조사(irradiate)되는, 소위 스테퍼들, 및 방사선 빔을 통해 주어진 방향("스캐닝"- 방향)으로 패턴을 스캐닝하는 한편, 이 방향과 평행한 방향(같은 방향으로 평행한 방향) 또는 역-평행 방향(반대 방향으로 평행한 방향)으로 기판을 동기적으로 스캐닝함으로써 각각의 타겟부가 조사되는, 소위 스캐너들을 포함한다. 또한, 기판 상으로 패턴을 임프린트(imprint)함으로써, 패터닝 디바이스로부터 기판으로 패턴을 전사할 수도 있다.
리소그래피 공정들에서는, 예를 들어 공정 제어 및 검증을 위해, 생성된 구조체들의 측정을 자주 수행하는 것이 바람직하다. 주사 전자 현미경(scanning electron microscope) - 흔히 임계 치수(CD)를 측정하는 데 사용됨 - 을 포함하여, 이러한 측정들을 수행하기 위한 다양한 툴들이 알려져 있으며, 오버레이, 즉 디바이스에서 2 개의 층들의 정렬 정확성을 측정하기 위한 전문 툴들이 알려져 있다. 최근, 리소그래피 분야에서 사용하기 위해 다양한 형태의 스캐터로미터(scatterometer)들이 개발되었다. 이러한 디바이스들은 타겟 상으로 방사선 빔을 지향시키고, 산란된 방사선의 하나 이상의 특성들 - 예를 들어, 파장의 함수로서 단일 반사 각도에서의 세기; 반사된 각도의 함수로서 하나 이상의 파장들에서의 세기; 또는 반사된 각도의 함수로서 편광 - 을 측정하여 "스펙트럼"을 얻으며, 이 스펙트럼으로부터 타겟의 관심 특성(property of interest)이 결정될 수 있다. 관심 특성의 결정은, 다양한 기술들: 예를 들어, 주성분분석(principal component analysis); 라이브러리 검색들; 유한 요소법(finite element methods) 또는 RCWA(rigorous coupled wave analysis)와 같은 반복적 접근들에 의한 타겟 구조체의 재구성에 의해 수행될 수 있다.
종래의 스캐터로메트리들에 의해 사용되는 타겟들은 비교적 큰, 예를 들어 40 ㎛ x 40 ㎛ 격자들이며, 측정 빔은 격자보다 작은 스폿(spot)을 생성한다[즉, 격자가 언더필된다(underfilled)]. 이것이 무한한 것으로서 간주될 수 있는 타겟의 수학적 재구성을 단순화한다. 하지만, 타겟들의 크기를, 예를 들어 10 ㎛ x 10 ㎛ 이하로 감소시켜, 예를 들어 타겟들이 스크라이브 레인(scribe lane)보다는 제품 피처(product feature)들 사이에 위치될 수 있도록 하기 위해, 격자가 측정 스폿보다 작게 만들어지는 메트롤로지가 제안되었다[즉, 격자가 오버필된다(overfilled)]. 통상적으로, 이러한 타겟들은 다크 필드 스캐터로메트리(dark field scatterometry)를 이용하여 측정되고, 이때 (정반사에 대응하는) 0차 회절(zeroth order of diffraction)이 차단되며, 고차(higher orders)만이 처리된다. 다크 필드 메트롤로지의 예시들은 본 명세서에서 전문이 인용 참조되는 국제 특허 출원 WO 2009/078708 및 WO 2009/106279에서 찾을 수 있다. 기술의 추가 개발은 공개된 특허 공보 US20110027704A, US20110043791A, US20120044470, US2012/0123581, US2013/0271740 Al 및 WO2013143814 Al에 기술되었다. 또한, 이 모든 출원들의 내용이 본 명세서에서 인용 참조된다.
회절 차수의 다크-필드 검출을 이용하는 회절-기반 오버레이는 더 작은 타겟들의 오버레이 측정들을 가능하게 한다. 이러한 타겟들은 조명 스폿보다 작을 수 있으며, 웨이퍼의 제품 구조체들에 의해 둘러싸일 수 있다. 다수의 격자들이 복합 격자 타겟(composite grating target)을 이용하여 하나의 이미지로 측정될 수 있다.
알려진 메트롤로지 기술에서, 오버레이 측정 결과들은, -1 및 +1 회절 차수 세기를 별도로 얻기 위해 타겟을 회전시키거나 조명 모드 또는 이미징 모드를 변경시키면서, 특정 조건들 하에서 타겟을 두 번 측정함으로써 얻어진다. 주어진 격자에 대한 이러한 세기의 비교는 격자의 비대칭의 측정을 제공하며, 오버레이 격자의 비대칭은 오버레이 오차의 지표로서 사용될 수 있다.
복합 격자 타겟의 개별 격자들의 감소된 크기로 인해, 다크-필드 이미지에서의 에지 효과들[프린지(fringe)]이 중요해지고, 타겟 내의 상이한 격자들의 이미지들 사이에 크로스토크(cross-talk)가 존재할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 앞서 언급된 US20110027704A는 '관심 영역(region of interest: ROI)'으로서 각각의 격자의 이미지의 중심부만을 선택하도록 교시한다. 비대칭 및 오버레이를 계산하기 위해 ROI 내의 픽셀 값들만이 사용된다. 하지만, 훨씬 더 작은 타겟을 고려하면, 에지 효과들로부터 자유롭도록 정의될 수 있는 ROI의 크기는 훨씬 더 작은 수의 픽셀들로 감소한다. 결과적으로, 측정들은 주어진 획득 시간 동안 본질적으로 더 많은 잡음을 갖는다(noisy). 또한, ROI를 위치시킴에 있어서 여하한의 변동은 측정된 비대칭의 주요 오차원(source of error)이 된다.
종래의 공개된 기술들보다 정확성이 개선될 수 있고, 복합 타겟 구조체들의 작은 격자들을 이용하는 장점들을 유지하는 오버레이 메트롤로지 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 실시형태는, 기판 상에 리소그래피 공정에 의해 형성된 타겟 구조체를 이용하여, 상기 리소그래피 공정의 특성을 측정하는 방법을 제공하고, 상기 방법은: 사전설정된 조명 조건들 하에서 타겟 구조체에 의해 회절된 방사선의 사전설정된 부분을 선택하는 이미징 시스템을 이용하여 타겟 구조체의 이미지를 형성하는 단계; 타겟 구조체의 이미지를 측정하는 단계; 측정된 이미지에서 하나 이상의 관심 영역들을 식별하는 단계; 및 하나 이상의 관심 영역들의 픽셀 값들을 이용하여 조합 피트 함수(combination fit function)의 적어도 하나의 계수의 값을 결정하는 단계를 포함하고, 계수의 값은 특성을 나타낸다.
본 발명의 제 2 실시형태는, 기판 상에 리소그래피 공정에 의해 형성된 타겟 구조체를 이용하여, 상기 리소그래피 공정의 특성을 측정하는 검사 장치를 제공하고, 상기 장치는: 기판 상에 형성되는 상기 타겟 구조체를 갖는 기판을 위한 지지체; 사전설정된 조명 조건들 하에서 복합 타겟 구조체를 조명하는 조명 시스템; 상기 조명 조건들 하에서 성분 타겟 구조체(component target structure)들에 의해 회절된 방사선의 사전설정된 부분을 이용하여 복합 타겟 구조체의 이미지를 형성하는 이미징 시스템; 이미지를 측정하는 측정 시스템; 검출된 이미지에서 하나 이상의 관심 영역들을 식별하고 하나 이상의 관심 영역들의 픽셀 값들을 이용하여 조합 피트 함수의 적어도 하나의 계수의 값을 결정하도록 배치되는 프로세서를 포함하고, 계수의 값은 특성을 나타낸다.
첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예들의 구조 및 작동뿐만 아니라, 본 발명의 또 다른 특징들 및 장점들이 아래에 자세히 설명된다. 본 발명은 여기에 설명된 특정 실시예들로 제한되지 않음을 유의한다. 이러한 실시예들은 본 명세서에서 단지 예시의 목적으로만 제시된다. 관련 기술(들)의 당업자라면, 본 명세서에 담긴 교시에 기초하여 추가 실시예들을 명백히 알 것이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여, 단지 예시의 방식으로만 본 발명의 실시예들을 설명할 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 장치를 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 셀 또는 클러스터(lithographic cell or cluster)를 도시한 도면;
도 3은 (a) 제 1 쌍의 조명 어퍼처들을 이용하는 본 발명의 실시예들에 따른 타겟들을 측정하는 데 사용하기 위한 다크 필드 스캐터로미터의 개략도, (b) 주어진 조명 방향에 대한 타겟 격자의 회절 스펙트럼의 상세도, (c) 회절 기반 오버레이 측정들에 대해 스캐터로미터를 이용하는 데 있어 추가 조명 모드들을 제공하는 제 2 쌍의 조명 어퍼처들, 및 (d) 제 1 및 제 2 쌍의 어퍼처들을 조합한 제 3 쌍의 조명 어퍼처들을 포함하는 도면;
도 4는 기판 상의 측정 스폿의 윤곽(outline) 및 다중 격자 타겟을 도시한 도면;
도 5는 도 3의 스캐터로미터에서 얻어진 도 4의 타겟의 이미지를 도시한 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 스캐터로미터를 이용하는 오버레이 측정 방법의 단계들을 나타낸 흐름도;
도 7은 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 jinc 함수의 그래프;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 조합 피트 함수를 예시하는 그래프;
도 9는 측정된 다크 필드 스캐터로메트리 이미지를 도시한 도면;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 조합 피트 함수들을 이용하여 시뮬레이션된 다크 필드 이미지를 도시한 도면; 및
도 11 내지 도 14는 도 9 및 도 10의 이미지들의 특정 영역들에서 측정 및 시뮬레이션된 세기를 비교한 그래프들이다.
본 발명의 실시예들을 더 상세히 설명하기 전에, 본 발명의 실시예들이 구현될 수 있는 예시적인 환경을 제시하는 것이 유익하다.
도 1은 리소그래피 장치(LA)를 개략적으로 도시한다. 장치는 방사선 빔(B)(예를 들어, UV 방사선 또는 DUV 방사선)을 컨디셔닝하도록 구성된 조명 시스템(일루미네이터)(IL); 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 지지하도록 구성되고, 소정 파라미터들에 따라 패터닝 디바이스를 정확히 위치시키도록 구성된 제 1 위치설정기(PM)에 연결된 패터닝 디바이스 지지체 또는 지지 구조체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT); 기판(예를 들어, 레지스트-코팅된 웨이퍼)(W)을 유지하도록 구성되고, 소정 파라미터들에 따라 기판을 정확히 위치시키도록 구성된 제 2 위치설정기(PW)에 연결된 기판 테이블(예를 들어, 웨이퍼 테이블)(WT); 및 기판(W)의 타겟부(C)(예를 들어, 하나 이상의 다이를 포함함) 상으로 패터닝 디바이스(MA)에 의하여 방사선 빔(B)에 부여된 패턴을 투영하도록 구성된 투영 시스템(예를 들어, 굴절 투영 렌즈 시스템)(PS)을 포함한다.
조명 시스템은 방사선을 지향, 성형 또는 제어하기 위하여, 굴절, 반사, 자기, 전자기, 정전기 또는 여하한의 타입의 광학 구성요소들, 또는 그 조합과 같은 다양한 타입의 광학 구성요소를 포함할 수 있다.
패터닝 디바이스 지지체는 패터닝 디바이스의 방위, 리소그래피 장치의 디자인, 및 예를 들어 패터닝 디바이스가 진공 환경에서 유지되는지의 여부와 같은 다른 조건들에 의존하는 방식으로 패터닝 디바이스를 유지한다. 패터닝 디바이스 지지체는 패터닝 디바이스를 유지하기 위해 기계적, 진공, 정전기, 또는 다른 클램핑 기술들을 이용할 수 있다. 패터닝 디바이스 지지체는, 예를 들어 필요에 따라 고정되거나 이동가능할 수 있는 프레임 또는 테이블일 수 있다. 패터닝 디바이스 지지체는, 패터닝 디바이스가 예를 들어 투영 시스템에 대해 원하는 위치에 있을 것을 보장할 수 있다. 본 명세서의 "레티클" 또는 "마스크"라는 용어의 어떠한 사용도 "패터닝 디바이스"라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "패터닝 디바이스"라는 용어는, 기판의 타겟부에 패턴을 생성하기 위해서, 방사선 빔의 단면에 패턴을 부여하는 데 사용될 수 있는 여하한의 디바이스를 언급하는 것으로 폭넓게 해석되어야 한다. 방사선 빔에 부여된 패턴은, 예를 들어 패턴이 위상-시프팅 피처(phase-shifting feature) 또는 소위 어시스트 피처(assist feature)들을 포함하는 경우, 기판의 타겟부의 원하는 패턴에 정확히 대응하지 않을 수도 있다는 것을 유의하여야 한다. 일반적으로, 방사선 빔에 부여된 패턴은 집적 회로와 같이 타겟부에 생성될 디바이스 내의 특정 기능 층에 대응할 것이다.
패터닝 디바이스는 투과형 또는 반사형일 수 있다. 패터닝 디바이스의 예로는 마스크, 프로그램가능한 거울 어레이, 및 프로그램가능한 LCD 패널들을 포함한다. 마스크는 리소그래피 분야에서 잘 알려져 있으며, 바이너리(binary)형, 교번 위상-시프트형 및 감쇠 위상-시프트형과 같은 마스크 타입뿐만 아니라, 다양한 하이브리드(hybrid) 마스크 타입들을 포함한다. 프로그램가능한 거울 어레이의 일 예시는 작은 거울들의 매트릭스 구성을 채택하며, 그 각각은 입사하는 방사선 빔을 상이한 방향으로 반사시키도록 개별적으로 기울어질 수 있다. 기울어진 거울들은 거울 매트릭스에 의해 반사되는 방사선 빔에 패턴을 부여한다.
본 명세서에서 사용되는 "투영 시스템"이라는 용어는, 사용되는 노광 방사선에 대하여, 또는 침지 액체의 사용 또는 진공의 사용과 같은 다른 인자들에 대하여 적절하다면, 굴절, 반사, 카타디옵트릭(catadioptric), 자기, 전자기 및 정전기 광학 시스템, 또는 여하한의 그 조합을 포함하는 여하한의 타입의 투영 시스템을 내포하는 것으로서 폭넓게 해석되어야 한다. 본 명세서의 "투영 렌즈"라는 용어의 어떠한 사용도 "투영 시스템"이라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수 있다.
본 명세서에 도시된 바와 같이, 장치는 (예를 들어, 투과 마스크를 채택하는) 투과형으로 구성된다. 대안적으로, 장치는 (예를 들어, 앞서 언급된 것과 같은 타입의 프로그램가능한 거울 어레이를 채택하거나, 반사 마스크를 채택하는) 반사형으로 구성될 수 있다.
리소그래피 장치는 2 개(듀얼 스테이지) 이상의 기판 테이블(및/또는 2 이상의 마스크 테이블)을 갖는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 "다수 스테이지" 기계에서는 추가 테이블이 병행하여 사용될 수 있거나, 하나 이상의 테이블이 노광에 사용되고 있는 동안 하나 이상의 다른 테이블에서는 준비작업 단계가 수행될 수 있다.
또한, 리소그래피 장치는 투영 시스템과 기판 사이의 공간을 채우기 위해서, 기판의 적어도 일부분이 비교적 높은 굴절률을 갖는 액체, 예컨대 물로 덮일 수 있는 형태로도 구성될 수 있다. 또한, 침지 액체는 리소그래피 장치 내의 다른 공간들, 예를 들어 마스크와 투영 시스템 사이에도 적용될 수 있다. 침지 기술은 투영 시스템의 개구수(numerical aperture)를 증가시키기 위한 기술로 잘 알려져 있다. 본 명세서에서 사용되는 "침지"라는 용어는 기판과 같은 구조체가 액체에 잠겨야 함을 의미하는 것이라기보다는, 노광시 액체가 예를 들어 투영 시스템과 기판 사이에 놓이기만 하면 된다는 것을 의미한다.
도 1을 참조하면, 일루미네이터(IL)는 방사선 소스(SO)로부터 방사선 빔을 수용한다. 예를 들어, 소스가 엑시머 레이저인 경우, 소스 및 리소그래피 장치는 별도의 개체일 수 있다. 이러한 경우, 소스는 리소그래피 장치의 일부분을 형성하는 것으로 간주되지 않으며, 방사선 빔은 예를 들어 적절한 지향 거울 및/또는 빔 익스팬더(beam expander)를 포함하는 빔 전달 시스템(BD)의 도움으로, 소스(SO)로부터 일루미네이터(IL)로 통과된다. 다른 경우, 예를 들어 소스가 수은 램프인 경우, 소스는 리소그래피 장치의 통합부일 수 있다. 소스(SO) 및 일루미네이터(IL)는, 필요에 따라 빔 전달 시스템(BD)과 함께 방사선 시스템이라고 칭해질 수 있다.
일루미네이터(IL)는 방사선 빔의 각도 세기 분포를 조정하기 위한 조정기(AD)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 일루미네이터의 퓨필 평면의 세기 분포의 적어도 외반경 및/또는 내반경 크기(통상적으로, 각각 외측-σ 및 내측-σ라 함)가 조정될 수 있다. 또한, 일루미네이터(IL)는 인티그레이터(integrator: IN) 및 콘덴서(condenser: CO)와 같이, 다양한 다른 구성요소들을 포함할 수도 있다. 일루미네이터는 방사선 빔의 단면에 원하는 균일성(uniformity) 및 세기 분포를 갖기 위해, 방사선 빔을 컨디셔닝하는 데 사용될 수 있다.
방사선 빔(B)은 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT)에 유지되어 있는 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)에 입사되며, 패터닝 디바이스에 의해 패터닝된다. 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 가로질렀으면, 방사선 빔(B)은 투영 시스템(PS)을 통과하여 기판(W)의 타겟부(C) 상으로 빔을 포커스한다. 제 2 위치설정기(PW) 및 위치 센서(IF)[예를 들어, 간섭계 디바이스(interferometric device), 리니어 인코더(linear encoder), 2-D 인코더 또는 용량성 센서(capacitive sensor)]의 도움으로, 기판 테이블(WT)은 예를 들어 방사선 빔(B)의 경로에 상이한 타겟부(C)들을 위치시키도록 정확하게 이동될 수 있다. 이와 유사하게, 제 1 위치설정기(PM) 및 또 다른 위치 센서(도 1에 명확히 도시되지 않음)는, 예를 들어 마스크 라이브러리(mask library)로부터의 기계적인 회수 후에, 또는 스캔하는 동안, 방사선 빔(B)의 경로에 대해 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 정확히 위치시키는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT)의 이동은 장-행정 모듈(long-stroke module: 개략 위치설정) 및 단-행정 모듈(short-stroke module: 미세 위치설정)의 도움으로 실현될 수 있으며, 이는 제 1 위치설정기(PM)의 일부분을 형성한다. 이와 유사하게, 기판 테이블(WT)의 이동은 장-행정 모듈 및 단-행정 모듈을 이용하여 실현될 수 있으며, 이는 제 2 위치설정기(PW)의 일부분을 형성한다. (스캐너와는 달리) 스테퍼의 경우, 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT)는 단-행정 액추에이터에만 연결되거나 고정될 수 있다.
패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA) 및 기판(W)은 마스크 정렬 마크들(M1, M2) 및 기판 정렬 마크들(P1, P2)을 이용하여 정렬될 수 있다. 비록, 예시된 기판 정렬 마크들은 지정된(dedicated) 타겟부들을 차지하고 있지만, 그것들은 타겟부들 사이의 공간들에 위치될 수도 있다[이들은 스크라이브-레인 정렬 마크들로 알려져 있다]. 이와 유사하게, 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)에 하나 이상의 다이가 제공되는 상황들에서, 마스크 정렬 마크들은 다이들 사이에 위치될 수 있다. 또한, 디바이스 피처들 사이에서 다이들 내에 작은 정렬 마커들이 포함될 수 있으며, 이 경우 마커들이 가능한 한 작아, 인접한 피처들과 상이한 어떠한 이미징 또는 공정 조건들도 요구하지 않는 것이 바람직하다. 정렬 마커들을 검출하는 정렬 시스템은 아래에 더 자세히 설명된다.
도시된 장치는 다음 모드들 중 적어도 하나에서 사용될 수 있다:
1. 스텝 모드에서, 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT) 및 기판 테이블(WT)은 본질적으로 정지 상태로 유지되는 한편, 방사선 빔에 부여되는 전체 패턴은 한번에 타겟부(C) 상에 투영된다[즉, 단일 정적 노광(single static exposure)]. 그 후, 기판 테이블(WT)은 상이한 타겟부(C)가 노광될 수 있도록 X 및/또는 Y 방향으로 시프트된다. 스텝 모드에서, 노광 필드의 최대 크기는 단일 정적 노광시에 이미징되는 타겟부(C)의 크기를 제한한다.
2. 스캔 모드에서, 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT) 및 기판 테이블(WT)은 방사선 빔에 부여된 패턴이 타겟부(C) 상에 투영되는 동안에 동기적으로 스캐닝된다[즉, 단일 동적 노광(single dynamic exposure)]. 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT)에 대한 기판 테이블(WT)의 속도 및 방향은 투영 시스템(PS)의 확대(축소) 및 이미지 반전 특성에 의하여 결정될 수 있다. 스캔 모드에서, 노광 필드의 최대 크기는 단일 동적 노광시 타겟부의 (스캐닝 되지 않는 방향으로의) 폭을 제한하는 반면, 스캐닝 동작의 길이는 타겟부의 (스캐닝 방향으로의) 높이를 결정한다.
3. 또 다른 모드에서, 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT)는 프로그램가능한 패터닝 디바이스를 유지하여 본질적으로 정지된 상태로 유지되며, 방사선 빔에 부여된 패턴이 타겟부(C) 상에 투영되는 동안, 기판 테이블(WT)이 이동되거나 스캐닝된다. 이 모드에서는, 일반적으로 펄스화된 방사선 소스(pulsed radiation source)가 채택되며, 프로그램가능한 패터닝 디바이스는 기판 테이블(WT)의 매 이동 후, 또는 스캔 중에 계속되는 방사선 펄스 사이사이에 필요에 따라 업데이트된다. 이 작동 모드는 앞서 언급된 바와 같은 타입의 프로그램가능한 거울 어레이와 같은 프로그램가능한 패터닝 디바이스를 이용하는 마스크없는 리소그래피(maskless lithography)에 용이하게 적용될 수 있다.
또한, 상술된 사용 모드들의 조합 및/또는 변형, 또는 완전히 다른 사용 모드들이 채택될 수도 있다.
리소그래피 장치(LA)는 2 개의 기판 테이블들(WTa, WTb), 그리고 기판 테이블들이 교체될 수 있는 2 개의 스테이션들 - 노광 스테이션 및 측정 스테이션 - 을 갖는, 소위 듀얼 스테이지 타입(dual stage type)으로 구성된다. 하나의 기판 테이블의 하나의 기판이 노광 스테이션에서 노광되는 동안, 다른 기판이 측정 스테이션에서 다른 기판 테이블 상으로 로딩될 수 있고, 다양한 준비 단계들이 수행될 수 있다. 준비 단계들은 레벨 센서(LS)를 이용하여 기판의 표면 제어를 맵핑(mapping)하는 단계, 및 정렬 센서(AS)를 이용하여 기판의 정렬 마커들의 위치를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 장치의 스루풋의 실질적인 증가를 가능하게 한다. 기판 테이블이 노광 스테이션과 측정 스테이션에 있는 동안 위치 센서(IF)가 기판 테이블의 위치를 측정할 수 없는 경우, 기판 테이블의 위치들이 두 스테이션들에서 추적될(tracked) 수 있도록 제 2 위치 센서가 제공될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 리소그래피 장치(LA)는 때때로 리소셀 또는 클러스터라고도 칭하는 리소그래피 셀(LC)의 일부분을 형성하며, 이는 기판에 전- 및 후-노광 공정들(pre- and post-exposure processes)을 수행하기 위한 장치를 포함한다. 통상적으로, 이들은 레지스트 층들을 증착시키는 스핀 코터(spin coater: SC), 노광된 레지스트를 현상하는 디벨로퍼(developer: DE), 칠 플레이트(chill plate: CH) 및 베이크 플레이트(bake plate: BK)를 포함한다. 기판 핸들러 또는 로봇(RO)은 입력/출력 포트들(I/O1, I/O2)로부터 기판들을 집어올리고, 기판들을 상이한 공정 장치 사이로 이동시킨 후, 리소그래피 장치의 로딩 베이(loading bay: LB)로 전달한다. 흔히, 집합적으로 트랙이라고도 하는 이러한 디바이스들은 리소그래피 제어 유닛(LACU)을 통해 리소그래피 장치를 제어하는 감독 제어 시스템(SCS)에 의해 자체적으로 제어되는 트랙 제어 유닛(TCU)의 제어를 받는다. 따라서, 스루풋(throughput)과 처리 효율성을 최대화하기 위해 상이한 장치가 작동될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 사용하기에 적합한 다크 필드 메트롤로지 장치가 도 3a에 도시되어 있다. 타겟 격자(T) 및 회절 광선은 도 3b에 더 자세히 예시되어 있다. 다크 필드 메트롤로지 장치는 독립형 디바이스(stand-alone device)일 수 있거나, 예를 들어 측정 스테이션에서 리소그래피 장치(LA) 또는 리소그래피 셀(LC) 중 어느 하나에 통합될 수 있다. 장치 전반에 걸쳐 수 개의 브랜치들을 갖는 광축은 점선(O)으로 나타나 있다. 이 장치에서, 소스(11)(예를 들어, 크세논 램프)에 의해 방출된 광은 렌즈들(12, 14) 및 대물 렌즈(16)를 포함하는 광학 시스템에 의하여 빔 스플리터(15)를 통해 기판(W) 상으로 지향된다. 이 렌즈들은 4F 배치의 더블 시퀀스(double sequence of a 4F arrangement)로 배치된다. 검출기 상으로 기판 이미지를 여전히 제공하고, 이와 동시에 공간-주파수 필터링을 위한 중간 퓨필-평면의 접근을 허용한다면, 상이한 렌즈 배치가 사용될 수 있다. 그러므로, 기판 평면[여기서는, (켤레) 퓨필 평면이라고도 함]의 공간 스펙트럼을 나타내는 평면의 공간 세기 분포를 정의함으로써, 방사선이 기판에 입사하는 각도 범위가 선택될 수 있다. 특히, 이는 대물 렌즈 퓨필 평면의 후방-투영된 이미지(back-projected image)가 있는 평면에, 렌즈들(12 및 14) 사이에 적합한 형태의 어퍼처 플레이트(13)를 삽입함으로써 수행될 수 있다. 나타낸 예시에서, 어퍼처 플레이트(13)는 13N 및 13S로 표시된 상이한 형태들을 가지며, 상이한 조명 모드들이 선택되게 한다. 본 예시들의 조명 시스템은 오프-액시스 조명 모드(off-axis illumination mode)를 형성한다. 제 1 조명 모드에서, 어퍼처 플레이트(13N)는 단지 설명을 위해 '북쪽'으로 지정된 방향으로부터 오프-액시스를 제공한다. 제 2 조명 모드에서, 어퍼처 플레이트(13S)는 '남쪽'으로 표시된 반대 방향으로부터 유사한 조명을 제공하는 데 사용된다. 상이한 어퍼처들을 이용함에 의하여 다른 조명 모드들이 가능하다. 원하는 조명 모드 외부의 여하한의 불필요한 광이 원하는 측정 신호들을 간섭할 것임에 따라, 퓨필 평면의 나머지는 어두운 것이 바람직하다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 타겟 격자(T)는 대물 렌즈(16)의 광축(O)에 수직인(normal) 기판(W)에 대해 배치된다. 광축(O)을 벗어난(off the axis) 각도로부터 격자(T)에 입사하는 조명 광선(I)은 0차 광선(실선 0) 및 2 개의 1차 광선들[1점 쇄선(dot-chain line) +1 및 2점 쇄선(double dot-chain line) -1]을 발생시킨다. 오버필된 작은 타겟 격자로, 이 광선들은 메트롤로지 타겟(T) 및 다른 피처들을 포함한 기판의 영역을 덮는 다수의 평행한 광선들 중 하나일 뿐임을 유념하여야 한다. 복합 격자 타겟이 제공된다면, 타겟 내의 각각의 개별 격자가 그 자신의 회절 스펙트럼을 발생시킬 것이다. 플레이트(13)의 어퍼처가 (유용한 양의 광을 수용하는 데 필요한) 유한 폭을 갖기 때문에, 입사 광선(I)들은 사실상 일정 각도 범위를 점유할 것이며, 회절된 광선들 0 및 +1/-1은 다소 확산될 것이다. 작은 타겟의 점상 강도 분포 함수(point spread function)에 따라, 각각의 차수 +1 및 -1은 도시된 바와 같은 이상적인 단일 광선이 아니라, 일정 각도 범위에 걸쳐 더욱 확산될 것이다. 대물 렌즈에 들어가는 1차 광선들이 중심 광축과 근접하게 정렬되도록 격자 피치(grating pitches) 및 조명 각도가 설계 또는 조정될 수 있음을 유의한다. 도 3a 및 도 3b에 예시된 광선들은 순전히 도면에서 더 쉽게 구별될 수 있도록 하기 위하여 다소 축을 벗어난 것으로 도시되어 있다.
기판(W)의 타겟에 의해 회절된 적어도 0차 및 +1차 차수들이 대물 렌즈(16)에 의해 수집되며, 빔 스플리터(15)를 통해 다시 지향된다. 도 3a를 참조하면, 북(N) 및 남(S)으로서 표시된 정반대의 어퍼처들을 나타냄으로써, 제 1 및 제 2 조명 모드 둘 모두가 예시되어 있다. 입사 광선(I)이 광축의 북측으로부터 입사할 때, 즉 제 1 조명 모드가 어퍼처 플레이트(13N)를 이용하여 적용될 때, +1(N)으로 표시된 +1 회절 광선들이 대물 렌즈(16)에 들어간다. 반대로, 제 2 조명 모드가 어퍼처 플레이트(13S)를 이용하여 적용될 때, [-1(S)로 표시된] -1 회절 광선들이 렌즈(16)에 들어간 광선들이다.
제 2 빔 스플리터(17)는 회절된 빔들을 2 개의 측정 브랜치들로 분할한다. 제 1 측정 브랜치에서, 광학 시스템(18)은 0차 및 1차 회절 빔들을 이용하여 제 1 센서(19)(예를 들어, CCD 또는 CMOS 센서)에 타겟의 회절 스펙트럼(퓨필 평면 이미지)를 형성한다. 각각의 회절 차수가 센서의 상이한 지점에 도달하므로, 이미지 처리는 차수들을 비교하고 대조할 수 있다. 센서(19)에 의해 포착된(captured) 퓨필 평면 이미지는 메트롤로지 장치를 포커싱하고 및/또는 1차 빔의 세기 측정을 정규화하는 데 사용될 수 있다. 또한, 퓨필 평면 이미지는 재구성과 같은 다수의 측정 목적들을 위해 사용될 수 있으며, 이는 본 발명에서 다루어지지 않는다.
제 2 측정 브랜치에서, 광학 시스템(20, 22)은 센서(23)(예를 들어, CCD 또는 CMOS 센서)에 기판(W)의 타겟 이미지를 형성한다. 제 2 측정 브랜치에서는, 어퍼처 스톱(aperture stop: 21)이 퓨필-평면과 켤레인 평면에 제공된다. 어퍼처 스톱(21)은 0차 회절 빔을 차단하는 기능을 하여, 센서(23)에 형성된 타겟의 이미지가 오직 -1차 또는 +1차 빔으로부터 형성되게 한다. 센서들(19 및 23)에 의해 포착된 이미지들은 이미지 프로세서 및 제어기(PU)로 출력되며, 이의 기능은 수행되고 있는 특정 타입의 측정들에 따라 달라질 것이다. '이미지'라는 용어는 여기서 광범위한 의미로 사용됨을 유의한다. -1차 및 +1차 중 하나만이 존재하는 경우에는, 이와 같은 격자 라인들의 이미지가 형성되지 않을 것이다.
도 3에 도시된 어퍼처 플레이트(13) 및 필드 스톱(21)의 특정 형태들은 순전히 예시에 지나지 않는다. 본 발명의 다른 실시예들에서는, 타겟들의 온-액시스 조명이 사용되고, 오프-액시스 어퍼처를 갖는 어퍼처 스톱이 사용되어, 실질적으로 회절된 광의 단지 하나의 1차만을 센서로 통과시킨다. (그 경우, 13 및 21로 나타낸 어퍼처들이 효과적으로 교환(swap)된다.] 다른 실시예들에서는, 1차 빔들 대신에 또는 이에 추가하여, 2차, 3차 및 고차 빔들(도 3에는 도시되지 않음)이 측정들에 사용될 수 있다.
조명을 이러한 상이한 타입의 측정에 구성가능하게 만들기 위하여, 어퍼처 플레이트(13)는 디스크 주위에 형성된 다수의 어퍼처 패턴들을 포함할 수 있으며, 이는 원하는 패턴을 자리로 가져오기 위해 회전한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 동일한 효과를 달성하기 위해 한 세트의 플레이트들(13)이 제공되고 교환될 수 있다. 또한, 변형가능한 거울 어레이 또는 투과성 공간 광 변조기와 같은 프로그램가능한 조명 디바이스가 사용될 수도 있다. 조명 모드를 조정하기 위한 또 다른 방식으로서 이동식 거울들 및 프리즘들이 사용될 수 있다.
어퍼처 플레이트(13)와 관련하여 방금 설명된 바와 같이, 이미징을 위한 회절 차수들의 선택은, 대안적으로 퓨필-스톱(21)을 변경하거나, 상이한 패턴을 갖는 퓨필-스톱으로 대체하거나, 또는 고정된 필드 스톱을 프로그램가능한 공간 광 변조기로 교체함에 의하여 달성될 수 있다. 그 경우, 측정 광학 시스템의 조명 측은 일정하게 유지될 수 있는 한편, 제 1 및 제 2 모드들을 갖는 것은 이미징 측이다. 그러므로, 본 명세서에서는 실제적으로 세 가지 타입의 측정 방법이 존재하며, 각각은 그 자신의 장점들 및 단점들을 갖는다. 일 방법에서는, 상이한 차수들을 측정하기 위해 조명 모드가 변화된다. 또 다른 방법에서는, 이미징 모드가 변화된다. 세 번째 방법에서는, 조명 및 이미징 모드들이 변화되지 않은 채로 유지되지만, 타겟이 180°회전된다. 각각의 경우, 원하는 효과는 동일하며, 즉 타겟의 회절 스펙트럼에서 서로 대칭적으로 반대인 0이 아닌 차수의 회절 방사선의 제 1 및 제 2 부분들을 선택하는 것이다. 원칙적으로, 원하는 차수의 선택은 조명 모드 및 이미징 모드의 동시적인 변화의 조합에 의하여 얻어질 수 있지만, 이는 별다른 장점 없이 단점들을 가져오기 쉬우므로, 이는 추후에 설명되지 않을 것이다.
본 예시들에서 이미징을 위해 사용되는 광학 시스템은 필드 스톱(21)에 의해 제한되는 넓은 입사동(entrance pupil)을 갖지만, 다른 실시예들 또는 적용들에서는 이미징 시스템 자체의 입사동 크기가 원하는 차수로 제한할 만큼 충분히 작을 수 있으며, 따라서 필드 스톱으로도 기능할 수 있다. 아래에 자세히 설명되는 바와 같이, 사용될 수 있는 상이한 어퍼처 플레이트들이 도 3c 및 도 3d에 도시되어 있다.
통상적으로, 타겟 격자는 북-남 또는 동-서 중 어느 하나로 이어진(running) 격자 라인들로 정렬될 것이다. 부연하면, 기판(W)의 X 방향 또는 Y 방향으로 격자가 정렬될 것이다. 일 방향(설정에 따라 X 또는 Y)으로 방위가 잡힌 격자들을 측정하는 데에는 어퍼처 플레이트(13N 또는 13S)만이 사용될 수 있음을 유의한다. 직교 격자의 측정에 대하여, 90° 및 270°타겟 회전이 구현될 수 있다. 하지만, 더욱 편리하게는, 도 3c에 도시된 어퍼처 플레이트(13E 또는 13W)를 이용하여 동측 또는 서측으로부터의 조명이 조명 광학기에 제공된다. 어퍼처 플레이트들(13N 내지 13W)은 별도로 형성될 수 있고 상호교환될 수 있거나, 90, 180 또는 270°로 회전될 수 있는 단일 어퍼처 플레이트일 수 있다. 이미 언급된 바와 같이, 조명 어퍼처 플레이트(13) 대신 필드 스톱(21)에 도 3c에 예시된 오프-액시스 어퍼처들이 제공될 수 있다. 그 경우, 조명은 온 액시스일 것이다.
도 3d는 제 1 및 제 2 쌍의 조명 모드들을 조합하는 데 사용될 수 있는 제 3 쌍의 어퍼처 플레이트들을 도시한다. 어퍼처 플레이트(13NW)는 북쪽 및 동쪽에 어퍼처들을 갖는 한편, 어퍼처 플레이트(13SE)는 남쪽 및 서쪽에 어퍼처들을 갖는다. 이러한 상이한 회절 신호들 간의 크로스토크(cross-talk)가 너무 크지 않다면, 조명 모드를 바꾸지 않고 X 및 Y 격자 둘 모두의 측정이 수행될 수 있다.
작은 타겟들을 이용하는 오버레이 측정
도 4는 알려진 실시방식에 따라 기판에 형성된 복합 격자 타겟을 도시한다. 복합 타겟은, 메트롤로지 장치의 조명 빔에 의해 형성되는 측정 스폿(31) 내에 모두 있도록 서로 밀접하게 위치된 4 개의 개별 격자들(32 내지 35)을 포함한다. 따라서, 4 개의 타겟들은 모두 센서들(19 및 23)에 동시에 조명되고 동시에 이미징된다. 오버레이 측정에 관련된 예시들에서, 격자들(32 내지 35)은 그 자체가 기판(W)에 형성된 반도체 디바이스의 상이한 층들에 패터닝되는 오버라잉 격자(overlying grating)들에 의해 형성된 복합 격자들이다. 격자들(32 내지 35)은 상이하게 바이어스된 오버레이 오프셋들을 가져, 복합 격자들의 상이한 부분들이 형성되는 층들 간의 오버레이의 측정을 용이하게 할 수 있다. 또한, 격자들(32 내지 35)은 나타낸 바와 같이 입사 방사선을 X 및 Y 방향들로 회절시키도록 그 방위가 상이할 수 있다. 일 예시에서, 격자들 32 및 34가 X-방향 격자들이며, 각각 +d, -d의 바이어스들을 갖는다. 이는, 격자 32가 오버라잉 구성요소들을 갖고, 이들이 둘 다 이들의 공칭 위치들에 정확히 프린트되는 경우, 구성요소들 중 하나가 다른 하나에 대해 거리 d만큼 오프셋되도록 배치된다는 것을 의미한다. 격자 34는 완벽히 프린트되는 경우에 제 1 격자 등과 반대 방향으로 d의 오프셋이 존재하도록 배치되는 구성요소들을 갖는다. 격자들 33 및 35는 Y-방향 격자들이며, 각각 오프셋들 +d 및 -d를 갖는다. 4 개의 격자들이 예시되지만, 또 다른 실시예는 원하는 정확성을 얻기 위해 더 많은 매트릭스를 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 3 x 3 어레이의 9 개의 복합 격자들이 -4d, -3d, -2d, -d, 0, +d, +2d, +3d, +4d 바이어스들을 가질 수 있다. 이 격자들의 개별 이미지들이 센서(23)에 의해 포착되는 이미지에서 식별될 수 있다.
도 5는 도 3d로부터의 어퍼처 플레이트들(13NW 또는 13SE)을 이용하는 도 3의 장치에서 도 4의 타겟을 이용하여 센서(23) 상에 형성되고 센서(23)에 의해 검출될 수 있는 이미지의 일 예시를 나타낸다. 퓨필 평면 이미지 센서(19)는 상이한 개별적 격자들(32 내지 35)을 분해할 수 없지만, 이미지 센서(23)는 그렇게 할 수 있다. 어둡게 칠해진(cross-hatched) 직사각형(40)은 센서 상의 이미지의 필드를 나타내며, 이 안에서 기판 상의 조명된 스폿(31)이 대응하는 원형 영역(41)으로 이미징된다. 필드는 어두운 것이 이상적이다. 이 다크 필드 이미지 내에서, 직사각형 영역들(42 내지 45)은 개별 격자들(32 내지 35)의 이미지들을 나타낸다. 격자들이 제품 영역들에 위치되는 경우, 제품 피처들 또한 이 이미지 필드의 주변에서 보일 수 있다. 도 5의 다크 필드 이미지에는 단일 복합 격자 타겟만이 나타나 있지만, 실제로 반도체 디바이스 또는 리소그래피에 의해 만들어지는 다른 제품은 다수의 층을 가질 수 있으며, 상이한 쌍의 층들 간에 오버레이 측정들이 행해지도록 요구된다. 쌍의 층들 사이의 각각의 오버레이 측정에 대하여, 하나 이상의 복합 타겟 격자들이 요구되며, 따라서 이미지 필드 내에 다른 복합 격자 타겟들이 존재할 수 있다. 이미지 프로세서 및 제어기(PU)가 격자들(32 내지 35)의 개별 이미지들(42 내지 45)을 식별하기 위해 패턴 인식을 이용하여 이러한 이미지들을 처리한다. 이 방식에서, 이미지들은 센서 프레임 내의 특정 위치에서 매우 정밀하게 정렬될 필요가 없으며, 이는 전체적으로 측정 장치의 스루풋을 크게 개선시킨다. 하지만, 이미징 공정이 이미지 필드에 걸쳐 비-균일성을 겪게 되는 경우에 정확한 정렬의 필요성이 남는다.
일단 격자들의 개별 이미지들이 식별되었으면, 그 개별적인 이미지들의 세기들 및/또는 다른 특성들이 측정될 수 있으며, 이는 아래에 더 자세히 설명된다. 이미지들의 세기들 및/또는 다른 특성들이 서로 비교될 수 있다. 이 결과들은 리소그래피 공정의 상이한 파라미터들을 측정하도록 조합될 수 있다. 오버레이 성능은 이러한 파라미터의 중요한 예시이다. 출원 US 2011/027704는 +1차 및 -1차 다크 필드 이미지들의 관심 영역들 ROI 42 내지 45의 세기를 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 구성요소 격자들(32 내지 35)을 포함하는 2 개의 층들 사이의 오버레이 오차가 격자들의 비대칭을 통해 어떻게 측정될 수 있는지를 설명한다.
각각의 이미지에서 1차 회절 방사선 중 절반만을 포함함으로써, 본 명세서에서 언급되는 '이미지들'은 종래의 다크 필드 현미경 이미지들이 아님을 유의한다. 각각의 격자는 단순히 특정 세기 레벨의 영역에 의해 표현될 것이다. +1차 및 -1차 회절 방사선 중 하나만이 존재하기 때문에, 개별 격자 라인들이 분해되지 않을 것이다. 특히, 개별 격자 이미지들의 에지 주위에서, 세기 값들은 일반적으로 에지 효과들, 그리고 레지스트 두께, 조성, 라인 형상과 같은 공정 변수들에 강하게 의존할 수 있다.
앞서 언급된 종래 출원들에서, 앞서 언급된 기본적인 방법을 이용하여 오버레이 측정들의 질을 개선하는 다양한 기술들이 개시된다. 예를 들어, 이미지들 간의 세기 차이들은 상이한 측정들에 사용되는 광학 경로들의 차이들에 기인할 수 있으며, 순전히 타겟 내의 비대칭에만 기인하지는 않는다. 조명 소스(11)는 조명 스폿(31)의 세기 및/또는 위상이 균일하지 않도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 센서(23)의 이미지 필드에서의 타겟 이미지의 위치를 참조하여, 이러한 오차들을 최소화하도록 보정들이 결정되고 적용될 수 있다. 개별 구성요소 격자들은, 주어진 타겟 영역 내의 유용한 회절 신호들을 최대화하도록 그들의 주기 방향으로 연장될 수 있다. 이 기술들은 종래의 출원들에 설명되어 있으므로, 여기서 더 자세히 설명되지 않을 것이다. 이 기술들은 아래에 설명될 본 출원에 새롭게 개시되는 기술들과 조합하여 사용될 수 있다.
US 2013/0771740에서, 에지 효과들의 정도(extent) 및 강도(intensity)를 감소시키기 위해 개별 격자들의 에지 부분들의 또한 이 부분들 주위의 피처들이 수정된다. 이러한 수정들은 리소그래피 공정에서 미세 피처들의 프린팅을 향상시키기 위해 사용되는 광 근접성 보정(OPC) 피처들과 유사한 방식으로 이루어질 수 있다. US 2013/0258310에서, 오버레이를 측정하기 위해 3 이상의 구성요소 격자들을 사용하는 것이 제안된다. 적어도 3 개의 상이한 바이어스들로 격자들에 대한 비대칭을 측정함으로써, 실제 리소그래피 공정에서 최하부 격자 비대칭에 의해 야기되는 것과 같은 타겟 격자들의 피처 비대칭을 보정할 수 있다. 이러한 기술들은 종래의 출원들에 유사하게 설명되어 있으므로, 본 명세서에서 더 자세히 설명되지 않을 것이다. 이러한 기술들은 아래에 설명될 본 출원에 새롭게 개시되는 기술들과 조합하여 사용될 수 있다.
도 5는 균일한 세기의 4 개의 정사각형들(42 내지 45)을 갖는 이상적인 이미지를 나타내지만, 실제로 카메라 상의 각각의 격자의 이미지는 완벽하지 않다. 다크-필드 이미징의 성질로 인해, 타겟의 에지들은 중심 부분보다 더 밝게 된다. 이는 타겟의 "그" 세기를 측정하기 어렵게 한다. 또한, 주변부(surrounding) 또는 이웃하는 격자로부터의 광 기여(light contribution)가 회피되어야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 에지들을 제외하고, 4 개의 구성요소 격자들의 각각의 중심 부분으로부터만 광을 선택하도록 앞서 언급된 관심 영역(ROI)이 정의되었다. 종래의 제안에서, 세기 값은 ROI 내의 픽셀 값들을 평균냄으로써 얻어진다. 하지만, 이는 실제적으로 격자들의 전체 크기보다 작은 영역으로부터 신호가 수집됨을 의미한다. 예를 들어, 개별 격자들이 5 x 5 ㎛의 정사각형인 경우, ROI는 격자 이미지의 중간의 3 x 3 ㎛의 정사각형 영역에만 대응할 수 있다. 신호의 이러한 감소는 더 긴 획득 시간으로 보상되어야 하거나, 측정의 불확실성을 더 크게 한다. 또한, 격자의 ROI의 올바른 배치(correct placement)가 매우 중요하다. 작은 시프트도 에지 광의 일부분이 포함되게 할 것이고, 이는 검출되는 세기의 비교적 큰 변화를 야기함에 따라, 측정 정밀도 및 정확도를 더욱 저하시킬 것이다. ROI의 배치는 사전결정될 수 있거나 패턴 인식에 기초할 수 있다.
또한, 타겟 이미지는 잡음을 겪으며, 이는 무작위적인 것으로 가정되었다. ROI에 걸친 평균화(averaging)는 잡음의 효과를 억제하기 위함이다. 하지만, 본 발명자들은 공간적으로 필터링되는 다크 필드 이미지의 잡음이 모두 무작위적은 아니라고 판단하였다. 계통적 진동(systematic oscillation)이 이미지에 존재한다. 결과적으로, 단순히 ROI에 걸쳐 평균화하면, 이미지의 계통적 진동의 주기와 매칭(match)되지 않는 치수가 작은 격자의 이미지의 위치에 대하여 정확한 ROI 위치에 의존하는 값을 제공한다.
정확한 격자 위치는, 통상적으로 200-nm-범위에서, 제한된 위치설정 정확성으로만 제어되는 한편, 격자들은 5 × 5 ㎛2의 치수를 가질 수 있다. 또한, 100 내지 400 nm 이하의 범위일 수 있는 (기판 레벨에서) 유효 카메라 픽셀 크기는, 직사각형 ROI가 이미지의 진동의 정확한 주기와 매칭될 수 있는 정확성에 영향을 줄 수 있다.
추가적으로, 작은 격자들의 에지들은 흔히 큰 진동(heavy oscillation)을 제공하는데, 이는: 격자의 비대칭, 비대칭 조명, 비대칭 검출 및 광 비네팅(optical vignetting), 포커스 위치, 및 가능하게는 조명 스폿 내의 정확한 위치 중 하나 이상의 조합에 의해 야기될 수 있다.
일반적으로, ROI는 신호-대-잡음 비(signal-to-noise ratio)에 대해 최적화하기 위해 가능한 가장 큰 크기를 갖도록 선택된다. 이는 ROI가 에지 영역들에 근접하게 위치되지만 이 영역들을 제외함을 의미한다. 그러므로, ROI의 여하한의 위치 부정확성은 두드러진(pronounced) 에지 진동의 일부를 포함할 수 있으며, 이는 추산되는(estimated) 평균 1차 회절 차수 세기를 상당히 변화시킨다. 타겟 및 격자 치수들이 작을수록, 이 효과는 더 클 것이며, 이는 에지 영역에 대한 '평탄한' 격자 영역의 비가 이에 따라 감소할 것이기 때문이다.
이러한 효과들은 측정의 정확성 및/또는 재현성(reproducibility)에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
또한, 표준 패턴-인식 소프트웨어를 이용하는 타겟의 패턴-인식이 흔히 부정확한 위치설정을 유도하기도 한다. 이는 두드러진 에지 효과들에 의해, 그리고 타겟 및 격자들의 이미지의 스택 의존성(stack dependence), 포커스, 및 오버레이와 관련된 기판에 걸친 변동적 타겟 이미지에 의해 야기될 수 있다. 그 결과, 올바른 ROI-위치의 장소가 오차를 발생시키기 쉽다(error-prone). 이는, 특히 극치 레시피 설정(extreme recipe setting)에 대해, 즉 1차 회절 차수의 작은 부분만이 카메라로 투과되는 파장-피치 비(wavelength-pitch ratio)에 대해 유지되고, 결과적으로 센서 이미지를 '빌드 업(build up)하는' 제한된 공간 주파수 성분(limited spatial frequency content)을 유도하며, 그 결과 더 명백한 진동(clearer oscillation) 및 에지 효과들을 갖게 된다.
또한, 격자- 및 타겟-치수가 감소되는 경우, 진동 효과들은 다크-필드 이미지에서 더 두드러진다. 단일 차수들을 필터링하는 여하한의 실제 광학 이미징 시스템에서 발생하는 불가피한 푸리에-필터링(Fourier-filtering)과, 타겟들이 시야(field-of-view)보다 작다는 사실로 인해, 진동은 메트롤로지 이미지에서 고유한 것으로 여겨진다. 스마트한 타겟-디자인은 에지-효과들을 감소시킴으로써 이미지의 진동 진폭을 감소시킬 수 있다. 하지만, 진동은 작은 격자 및 푸리에 필터링의 조합으로 인해 계속 존재한다고 여겨진다.
본 명세서에서는, 측정된 이미지로부터 관심 특성의 측정을 도출하는 새로운 방법을 제안한다. 이 발명은, 오버레이 메트롤로지, 도즈 메트롤로지, 포커스 메트롤로지 또는 디퍼런셜(differential) CD-메트롤로지와 같은 다크-필드 메트롤로지에서 개선된 신호 추산을 위해 물리-기반의 수 개의 파라미터 피트-함수들을 이용하도록 제안한다. 본 명세서에서, "수 개의 파라미터"라는 용어는 파라미터들(또는 계수들)의 수가 데이터 지점들의 수보다 훨씬 더 적음을 의미하는 데 사용된다.
본 발명에 따르면, 조합 피트 함수가 제안되며, 이는 선택적으로 이미징 시스템의 이미징 효과들을 나타내는 항을 포함한다. 조합 피트 함수는 측정된 이미지의 전체 또는 일부분에 적용될 수 있다. 이미징 효과들은: 메트롤로지 장치의 이미징 브랜치 및 센서(23) 중 어느 하나 또는 둘 모두의 효과들일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 조합 피트 함수를 선택 또는 구성하고, 피트-파라미터들의 수를 고정하기 위해 센서 및 타겟 디자인의 정보가 사용되어, 측정된 이미지의 계통(systematics)(진동)이 잘 설명된다. 이후, 작은 수의 파라미터들은 측정된 데이터로 피팅되어야 할 필요가 있다. 이미지의 잔여 성분은 무작위-잡음으로만 구성되며, 이는 표준 잡음-필터링 기술들을 이용하여 다루어질 수 있다. 일 실시예에서, 단일 피트-파라미터는 이후 각각의 격자에 대해 원하는 회절 차수 세기를 산출한다. 일 실시예에서, ROI의 선택이 생략되며, 조합 피트 함수가 전체 측정된 이미지에 적용된다. 일 실시예에서는, ROI가 사용되지만, 격자 이미지보다 크도록 선택된다.
본 발명의 일 실시예의 장점들은 다음을 포함할 수 있다:
- 신호-추산은 정확한 ROI-위치에 독립적이며, 신호의 진동이 피팅되기 때문에, 평균화되지 않는다.
- 잡음-필터링 기술들은 무작위 잡음 성분에만 적용되고, 계통적 잡음 성분들에 적용되지 않으며, 이 성분들은 조합 피트 함수에 의해 피팅된다.
- 에지들을 나타내는 파라미터들은 디포커스(defocus)와 같은 측정의 상황들에 관한 정보를 산출하고, 획득 시 포커스의 제어를 가능하게 할 수 있다.
- 푸리에 필터링(광학 크로스-토크)으로 인한 타겟-이미지에서 이웃하는 구조체들에 대한 광의 누설은 이웃하는 ROI 내의 조합 피트-함수의 끝부분(tail)에 의해 고려될 수 있으며, 따라서 예를 들어 오버레이에 대해 더 정확한 파라미터 추산을 산출한다.
본 발명은 메트롤로지 장치의 더 많은 극치 설정들(극치 λ/피치-조합들)로 특히 유용하고, 1차 차수들이 퓨필-스톱에 의해 컷-오프(cut-off)되는데, 이는 이들이 가장 두드러진 진동 및 에지-효과들을 제공할 것으로 예상되기 때문이다.
제안된 조합 피트-함수들 및 특정 실시예들의 세부내용을 설명하기 전에, 몇 가지 물리적 고려사항들이 논의된다.
다크-필드 메트롤로지에서는, 각도-분해 스펙트럼의 공간 필터링(푸리에 필터링) 후 단일 회절 차수 이미지가 센서(23)에 투영된다. 푸리에-필터는 개구수 NA
Figure 112016085845696-pct00001
0.41(대물렌즈의 후방-초점 평면으로 투영되는 값)을 갖는 퓨필-스톱(21)으로 구현될 수 있다.
이 퓨필-스톱(21)은 후속적으로 투영되는 이미지를 빌드 업할 수 있는 공간 주파수들의 대역을 제한한다. 결과적으로, 다크-필드 이미지는, 가능하게는 가중 계수(weighing coefficient)들인 퓨필 이미지 센서(19)로부터의 입력으로, 센서(23)로 전달되는 공간 주파수들에 대응하는 사인 및 코사인의 코히런트(coherent) 및/또는 인코히런트 합(incoherent sum)을 이용하여 (재)구성될 수 있다. 이는 상당한 수의 피트-파라미터들, 즉 사인- 및 코사인-급수에 대한 모든 계수들을 유도한다.
또한, 센서(23) 상으로의 웨이퍼의 광학 이미징의 특성들은 점상 강도 분포 함수(point-spread-function: PSF)와 같은 전달 함수(transfer function)에 의해 표현될 수 있으며, 이는 근본적으로 제한적 어퍼처: 가장 단순한 경우에 퓨필-스톱(21)의 푸리에-변환이다. 원형 퓨필-스톱의 푸리에-변환은 jinc-함수이며, 이는 퓨필-스톱 직경 및 이미징 파장의 함수이다. 점상 강도 분포 함수의 대안은 변조 전달 함수(modulation transfer function: MTF) 및 광학 전달 함수(optical transfer function: OTF)를 포함한다. 또한, 직사각형 격자의 다크-필드 이미지는 시야에 걸쳐 분포되는 에어리-원반(Airy-disk)[제곱(squared) jinc-함수]들의 인코히런트 합으로 고려될 수 있다.
본 발명에서는, 격자 이미지에 걸쳐 주파수 거동(frequency behavior)을 올바르게 포착하는 수 개의-파라미터 피트-함수를 이용하는 것이 제안된다. 특징적인 주파수는 측정 설정들 및 센서의 광학 특성들에 의해 주어진다.
앞서 설명된 물리적 그림들은 이들이 다크-필드 이미지에서 통상적인 (최대) 공간 주파수를 유도한다는 공통점을 갖는다. 이 공간 주파수는 이후 다크-필드 이미지를 피팅하기에 적합한 수 개의 피트-파라미터들만으로 인위적인 피트-함수(artificial fit-function)들을 구성하는 데 사용될 것이다. 공간 주파수는 카메라 이미지 평면에서 주기 p에 의해 특성화된다:
Figure 112016085845696-pct00002
, 상수 a는 a=1 내지 1.22의 범위를 가짐 (1)
여기서 a=1.22는 광학 분해능[또는 1차 노드(1st node)에 대한 거리]에 대한 레일리 기준(Rayleigh criterion)에 기인하고, a=1은 퓨필-어퍼처의 푸리에 변환에 기인한다. 예를 들어, 통상적인 진동 주기는 a = 1.22 및 퓨필-스톱 NA
Figure 112016085845696-pct00003
0.41 및 λ = 650 nm에 대해, p
Figure 112016085845696-pct00004
950 nm를 산출한다. 격자 라인들이 분해되지 않기 때문에 다크-필드 이미지의 진동 주기가 격자 피치와 혼동되지 않아야 함을 유의한다.
제 1 실시예
본 발명의 제 1 실시예에 따른 방법은 본 방법의 선택된 단계들을 나타낸 흐름도인 도 6을 참조하여 설명된다.
단계 S1에서, 기판, 예를 들어 반도체 웨이퍼가 도 2의 리소그래피 셀을 통해 한 번 이상 처리되어, 오버레이 타겟들(32 내지 35)을 포함한 구조체를 생성한다. S2에서, 도 3의 메트롤로지 장치를 이용하여, 격자들(32 내지 35)의 이미지가 1차 회절 빔들 중 하나(이를테면 -1)만을 이용하여 얻어진다. 이후, 메트롤로지 장치의 시야에서 기판(W)을 180°만큼 회전시킴으로써, 또는 조명 모드를 변화시키거나 이미징 모드를 변화시킴으로써, 다른 1차 회절 빔(+1)을 이용하는 격자들의 제 2 이미지가 얻어질 수 있다(단계 S3). 결과적으로, +1 회절 방사선은 제 2 이미지에서 포착된다.
단계 S4에서, 적합한 조합 피트 함수가 선택되거나 구성된다. 일 실시예에서, 조합 피트 함수는 메트롤로지 장치의 특성들 또는 파라미터들, 기판 상의 타겟의 레이아웃, 그리고 타겟을 형성하는 데 사용되는 리소그래피 공정(들) 및 메트롤로지 공정에 대한 "레시피들"에 의존한다. 조합 피트 함수는 복수의 항들을 포함하고, 각각의 항은 하나 이상의 계수들을 포함한다. 적합한 조합 피트 함수의 선택은 이러한 함수들의 라이브러리로부터 이루어질 수 있다. 조합 피트 함수의 구성은 적절한 값들을 계수들로 설정함으로써 행해질 수 있다. 항은 관련 계수를 0으로 설정함으로써 조합 피트 함수로부터 제외(또는 선택해제)될 수 있다. 일부 계수들의 값들은 리소그래피 공정 레시피(들) 및/또는 메트롤로지 공정 레시피 및/또는 메트롤로지 장치의 특성들 또는 파라미터들에 기초하여 결정가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 조합 피트 함수의 항들은 측정되는 타겟 및/또는 측정 장치 및 공정의 각각의 물리적 측면(physical aspect)들을 나타낸다. 항에 대한 몇몇 계수들은 각각의 물리적 파라미터들의 관련 특성들 또는 파라미터들로부터 결정된다. 다른 계수들은 플로팅 계수(floating coefficient)들이며, 피팅 단계에 의해 찾아질 것이다. 예를 들어, 조합 피트 함수는 이미징 효과들을 나타내는 항을 포함한다. 이 항은 이미징 시스템의 개구수(NA) 및/또는 이미징에 사용되는 방사선의 파장과 관련된 계수들을 포함할 수 있다. 방사선의 파장과 관련된 계수는, 사용되는 방사선 소스가 일정한 파장 출력을 갖는 단색 소스(monochrome source)인 경우 상수이다. 반면, 장치가 조정가능한 퓨필을 갖는 경우, 개구수와 관련된 계수는 메트롤로지 공정 레시피에 의해 결정되는 변수일 수 있다. 다른 항들 및/또는 계수들은 타겟의 치수 및 위치와 관련될 수 있으며, 리소그래피 공정 레시피를 참조하여 선택되거나 결정된다. 항들 및 계수들의 추가 예시들이 아래에 더 자세히 설명될 것이다. 피트 함수의 결정은, 일 실시예에서, 단계 S1 내지 S3보다 앞서 수행될 것이다. 하나 이상의 기판 상의 복수의 유사한 또는 공칭적으로 동일한(nominally identical) 타겟들이 측정되어야 하는 경우, 조합 피트 함수의 선택 또는 구성은 한 번, 또는 처리되는 기판들의 뱃치(batch)당 한 번 수행될 수 있다.
리소그래피 공정 레시피(들) 및/또는 메트롤로지 공정 레시피 및/또는 메트롤로지 장치의 특성들 또는 파라미터들에 기초하여 미리 결정될 수 있는 계수들인 결정가능한 계수들에 추가적으로, 조합 피트 함수는 적어도 하나의 플로팅 계수를 포함한다. 플로팅 계수, 또는 복수의 플로팅 계수들이 존재하는 경우 플로팅 계수들 중 적어도 하나가, 측정될 타겟의 특성, 예를 들어 오버레이 타겟의 경우 비대칭과 관련된다. 다른 플로팅 파라미터들은 잡음 및/또는 에지 효과들과 관련될 수 있다. 플로팅 파라미터(들)에 대한 값들은 조합 피트 함수가 측정된 이미지 데이터와 매칭되도록 단계 5에서 피팅 공정에 의해 결정된다. 반복 공정을 포함하는 종래의 피팅 공정들이 사용될 수 있다. 일 실시예에서는, 비-선형 최적화 알고리즘이 사용된다. 조합 피트 함수가 측정된 데이터와 매칭되도록 하는 원하는 정확성은 특정 적용에 대해 결정될 수 있다. 충분히 정확한 매칭이 달성될 수 없는 경우, 격자가 재측정될 수 있거나, 손상된 것으로서 거부(reject)될 수 있다.
플로팅 계수(들)에 대한 값들을 찾아내었으면, 타겟에 대한 관심 특성이 결정된다. 오버레이 측정의 경우, 타겟은 복수의 격자들을 포함할 수 있고, 플로팅 계수들은 각각의 격자로부터 각각의 차수로 반사되는 방사선의 전체 세기와 관련된 플로팅 계수를 포함할 수 있다. -1차 스캐터로메트리 이미지 및 +1차 스캐터로메트리 이미지에 대해 얻어진 관련 피트 계수들을 비교함으로써, 단계 S6에서 타겟 격자의 비대칭의 측정이 얻어진다. 단계 S7에서, 오버레이를 계산하기 위해 비대칭 측정이 사용된다. 오버레이는 상이하게 방위잡힌 격자들을 이용하여 직교 방향들로 계산될 수 있다. 동일한 공정을 이용하여, 하지만 관련 파라미터에 민감하도록 설계된 상이한 타겟들로, 다른 파라미터들 - 예컨대, 포커스, CD, 도즈 또는 비대칭 - 이 결정될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에서, 직사각형 격자의 다크-필드 이미지에 대한 조합 피트 함수는 다음에 의해 제공된다:
Figure 112016085845696-pct00005
(2)
이 조합 피트 함수는 상수 항 c0로부터 빌드 업되고, 이는 격자의 4 개의 에지들에서의 jinc-함수들, jinc-함수들에 비해 상이한 위상 x0를 가질 수 있는 사인-함수, 전체 격자에 걸친 윈도우 함수(window function) w(x,y), 및 그 격자의 회절 차수의 평균 세기에 대한 척도(measure)이다.
jinc 함수는
Figure 112016085845696-pct00006
으로서 정의될 수 있고, 여기서 J1(x)는 제 1 종 베셀 함수(Bessel function of the first kind)이며,
Figure 112016085845696-pct00007
을 만족한다. 대안적으로, 0에서의 함수의 리미트(limit)가 1 이도록 2의 팩터(factor)가 포함될 수 있다. x = -15 내지 +15에 대한 jinc(x)의 형태가 도 7에 나타나 있다. jinc 함수가 원형 퓨필 스톱(21)의 푸리에 변환이기 때문에, jinc 함수들은 측정 브랜치의 이미징 효과들을 나타내는 항들의 예시들이다. 결정가능한 계수들 x1, x2, y1 및 y2는 격자의 에지들의 위치들과 관련된다. 어퍼처의 대안적인 형상들, 예를 들어 원형 형상의 어퍼처의 ¼에 대해, 상이한 에지-함수들이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 4-사분면 웨지(quadrant wedge)가 퓨필 필터로서 사용되는 경우, jinc 함수는 사등분 원(quarter circle)의 푸리에 변환에 의해 교체될 수 있다. 또한, 사인-함수(sin x/x) 또는 프라운호퍼 함수(Fraunhofer function)(직사각형 형상의 푸리에 변환)와 같은 근사화 에지-함수(approximate edge-function)들이 본 발명의 실시예들에 사용될 수 있다.
윈도우 함수는, 예를 들어 가우시안 함수인 것으로 취해질 수 있으며, 이는 격자 영역 외부로 폴-오프된다(falling off outside the grating area):
Figure 112016085845696-pct00008
(3)
이때,
Figure 112016085845696-pct00009
및
Figure 112016085845696-pct00010
를 가지며,
여기서, σ는 윈도우 함수의 폴-오프의 강도를 정의하고, 실험적으로 결정될 수 있으며, b는 격자 에지-위치들 및 jinc-함수 위치들에 대해 윈도우-함수들의 정확한 위치를 정의한다.
일 실시예에서는, x 및 y 시프트 파라미터(shift parameter)들이 조합 피트-함수에 추가될 수 있어, 예를 들어 부정확한 패턴 인식에 의해 야기되는 오정렬을 보상할 수 있다. 디포커스된 웨이퍼의 결과로, 격자 다크-필드 이미지들의 위치는 x- 및 y-격자들에 대해 상이하게 시프트될 수 있다. 이 격자-방향 의존적 시프트는 x- 및 y-방향에 대해 각각 2 개의 추가 파라미터들을 갖는 조합 피트 함수에 용이하게 포함될 수 있다.
도 8은 수학식 (2) 및 (3)을 이용하여 임의적으로 선택된 파라미터 값들에 대한 예시적인 단일-라인 피트-함수를 나타낸다. 도 8에서, 점선 I는 상수 값 c0를 나타내고, 긴 대시 선(dashed line) II는 2 개의 jinc 함수들의 합을 나타내며, 짧은 대시 선 III은 스케일드 윈도우 함수(scaled window function) w를 나타내고, 실선 IV는 조합 피트 함수를 나타낸다. 가정한(hypothetical) 5 ㎛의 넓은 격자에 대해, 피트-파라미터들은: c0 = 500, cx1 = 380, 및 cx2 = -150이며, bλ = 120 nm 및 σ = 0.45 × 진동 피치를 갖는다.
다수의 격자들(예를 들어, 2 개의 x - 격자들 및 2 개의 y - 격자들)이 동시에 이미징되는 경우, 각각의 격자에 대해 수학식 (2)의 조합 피트 함수와 같은 조합 피트 함수를 이용하여 전체-이미지 피트 함수가 구성될 수 있다. 이후, 파라미터들 x1, x2, y1 및 y2가 각각의 격자의 위치에 의해, 예를 들어 타겟의 GDS-디자인으로부터 주어지며, 진동 피치 p 및 파장 λ가 센서로부터의 광학(optics) 및 측정 파장으로부터 주어진다. 파라미터들 b 및 σ는, 수학식 (3)에서 측정들의 급수(series of measurements), 또는 측정마다 고정된 값들에 의해 할당된다.
이후, 잔여 피트-파라미터들(플로팅 계수들)은 이 경우 다음과 같다:
1. c0: 격자로부터의 회절 효율성(관심 파라미터)에 대한 척도
2. cx1, cx2, cy1, cy2: 격자의 중심에서의 진동들 및 에지 효과들을 설명
3. cx, cy, x0, y0: 상기-언급된 파라미터들로부터 결과적으로 생성된 곡선들로부터 작은 편차들에 대한 파라미터들을 조정(tuning).
일 예시에서 완전한 타겟에 대해, 이는, 격자 위치들이 결정된다고 가정하여, 각각의 타겟 측정에 대해 4 × 5 = 20 개의 피트-파라미터들을 산출할 것이다.
타겟의 측정을 비교하는 일 예시가 아래의 도 9 및 도 10에 제공되며, 이때 격자 피치는 600 nm이었고, 측정 파장은 λ = 650 nm이었다. 파라미터들의 신속한 수동 조정(quick manual tuning)만이 수행되었지만, 모든 피처들 및 진동들을 재생성(reproduce)하기에 충분함을 유의한다.
도 9는 두 편광들에 대해 λ = 650 nm에서 측정된, 피치 600 nm 및 치수 16 ㎛ × 16 ㎛를 갖고, 도 4에 도시된 타입의 정사각형 타겟의 이미지를 나타내고, 도 10은 수학식 (1)에서 a = 1.22 및 cx = cy = 0인 수학식 (2)를 이용한 대응하는 합성 이미지를 나타낸다. 따라서, 이미지는 각각의 격자의 에지들에서 1D jinc-함수들 및 격자당 상수 만으로 빌드 업된다.
도 11 내지 도 14는 도 9로부터 측정된 이미지와 합성 피트-함수 이미지를 비교한다. 도 11 및 도 12는 y-방향에 걸쳐 평균화된 x-방향으로의 단면들이고, 도 13 및 도 14는 x-방향에 걸쳐 평균화된 y-방향으로의 단면들이다. 도 11 내지 도 14에서, 실선으로 표기된 "A"는 피트 함수를 나타내고, 대시 선으로 표기된 "B"는 측정된 이미지 데이터를 나타낸다. 수 개의 파라미터들의 수동 결정이 수행되었지만, 특징적인 주요 진동들이 명백하게 재생성된다. 일 실시예에서, 예를 들어 자동으로 수행되는 피트의 추가 최적화 및 다른 플로팅 파라미터들의 이용은 측정된 이미지에 훨씬 더 근접한 피트를 제공할 수 있다.
표 1. 도 10 및 도 11에 사용된 수학식 (2)의 피트-파라미터들
Figure 112016085845696-pct00011
본 발명의 일 실시예에서, 소스 조명 비대칭(스폿 프로파일)들이 피팅 전 이미지 보정들로서 고려될 수 있거나, 사전설정되고 캘리브레이션된(predetermined calibrated) 일정한 프로파일들로서 피트-과정(fit-procedure)이 고려될 수 있다. 이는 여기서 고려되지 않았으며, 격자들에 걸쳐 몇몇 작은 기울기(slope)들이 측정에서 관찰된다. 센서 결점(sensor imperfection)들이 존재하는 경우, 조합 피트 함수의 정확성을 개선하기 위해 추가 항들이 추가될 수 있다.
제 1 실시예의 조합 피트 함수는 일 예시이다. 또한, 격자들의 중심부로 제한되는 윈도우 사인-함수(windowed sine-function)와 같은 다른 함수들이 사용될 수 있다. 이러한 윈도우 사인-함수는, 수학식 (2)에서 jinc들 이전에 상수를 0으로 설정하고 다른 파라미터들을 피팅함으로써 나타내어진다.
또한, 더 많은 복잡한 조합 피트 함수들도 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들어, 하나 이상의 에지들 부근에서 약간 시프트된 제 2 jinc-함수를 포함하거나, 큰 오버레이에 의해 유도된 또는 디자인에 의한 하부 및 상부-격자 간의 시프트로 인한 에지들에서의 이중-단차(double-step)의 효과들을 포함할 수 있다.
제 2 실시예
이제, 본 발명의 제 2 실시예가 설명될 것이다. 제 2 실시예는 조합 피트 함수에 대한 것을 제외하고 제 1 실시예와 동일하다. 간명함을 위해, 통상의 피처들의 설명이 아래에 생략된다.
제 2 실시예는 격자 영역에서 제곱(squared) jinc들의 형태로 된 조합 피트 함수의 이용에 의해 추가 피트-파라미터들(플로팅 계수들)을 허용한다:
Figure 112016085845696-pct00012
(4)
이때, 격자 간격: x i +1 - x i = Δx 및 y i +1 - y i = Δy
격자 간격은, 예를 들어 나아키스트 샘플링 기준(Nyquist sampling criterion)(광학 분해능)과 일관되게 선택될 수 있다. 대안적으로, 이는, 예를 들어 수학식 (1)로부터 이미지의 진동 주파수를 이용하여, 측정된 이미지의 디테일(detail)을 여전히 커버(cover)하도록 더 희박하게(sparsely) 샘플링될 수 있다.
제 2 실시예의 조합 피트 함수는 제곱 jinc들의 이용으로 인해 실제 측정에 더 근접한 합성 이미지를 제공할 수 있지만, 더 많은 피트-파라미터들을 포함한다. 합성 이미지는 본성적으로 격자 영역 외부의 에지들 옆에 폴-오프되는데, 이는 제곱 jinc-함수가 이러한 위치들에 위치되지 않기 때문이다. 그러므로, 윈도우-함수가 이러한 접근법에 요구되지 않는다. 격자의 회절 효율성의 추출은 제곱- 및 변위된(displaced) jinc들의 평균에 의해 제공되며, 상수 피트-파라미터 c0가 존재하지 않는다.
jinc-함수는 예시로서 제공되며, 원형 형상의 퓨필-필터의 푸리에-변환으로부터 발생함을 유의한다. 다른 퓨필-필터 형상들에 대하여, jinc-함수는 그 적절한 푸리에-변환 함수에 의해 대체될 수 있다.
제 3 실시예
이제, 본 발명의 제 3 실시예가 설명될 것이다. 제 3 실시예는 조합 피트 함수에 대한 것을 제외하고 제 1 실시예와 동일하다. 간명함을 위해, 통상의 피처들의 설명이 아래에 생략된다.
제 3 실시예에서, 타겟 이미지는 푸리에 급수를 이용하여 재구성되며, 이의 공간 주파수 성분의 가중치(weight)들은 동시 측정된 퓨필-평면 정보에 따라 결정될 수 있다. 이는 각각의 격자에 대해 구현될 수 있으며:
Figure 112016085845696-pct00013
(5a)
여기서 c0는 마찬가지로 회절 효율성이고, m 및 n은 (양 및 음의) 정수이며, x 및 y 방향들로 각각 s 및 t 주기를 갖는다. 값들 m/s 및 n/t는 퓨필-필터에 의해 투과되는 주파수들에 대응한다. 주기 s 및 t는 격자 치수에 대응하도록 선택될 수 있다. 그 경우, m 및 n 값들의 수는 퓨필-스톱에 의해 투과되는 최대 주파수와 ±1 사이로 제한되며, 이는 제 1 실시예에 대해서보다 더 큰 수의 피트-파라미터들 cmn을 유도한다. 수학식 (5a)는 시야 내의 각각의 격자에 대해 개별적으로 풀고(solve), 이의 총 기여는 측정된 이미지에 상응(correspondence)해야 한다. 대안적으로, 전체 이미지는 시야 내의 모든 구조체들에 대해 한 번 구성된다:
Figure 112016085845696-pct00014
(5b)
제 3 실시예에서는, 퓨필-필터에 의해 제약되는 것보다 높은 공간 주파수들을 유도하는 잡음이 올바르게 필터링될 것이다.
두 수학식 (5a) 및 (5b)에서, 주파수 성분 m/s 및 n/t는 마찬가지로 특정 주파수에 대하여 퓨필-필터에 의해 투과되는 주파수들로 제한된다. 이는, 사전에 알려지고 고정되는 센서 정보이다. 주기 s 및 t는 이 경우, 예를 들어 총 조명 스폿 크기 또는 총 시야이다. 이후, 계수들 cmn은 피트-파라미터들이다.
제 4 실시예
제 4 실시예에서는, 깨끗한(clean) 세기 신호를 남기도록 외란(disturbance)을 감산(subtract)으로써 이미지를 보정하기 위해 피트 함수가 사용된다. 이후, 여하한의 적합한 방법, 예를 들어 평균화에 의해 깨끗한 세기 신호로부터 세기 값이 도출된다. 제 4 실시예는 상기의 조합 피트 함수 중 어느 것을 이용할 수 있지만, 수학식 (2)의 제 1 조합 피트 함수를 참조하여 설명된다. 플로팅 계수들, co, cX1, cx2 등의 값들을 찾았으면, 외란 항들, 즉 에지 효과 항들(jinc들), 계통적 잡음 항들(사인들) 및 선택적으로 윈도우 함수로부터 합성 외란 함수(synthetic disturbance function)가 구성된다. 이후, 이 합성 외란 함수는 측정된 픽셀 이미지 데이터로부터 감산되어 깨끗한 세기 신호를 생성한다.
결론
본 명세서에 개시된 기술들은 작은 메트롤로지 타겟들의 이용이 오버레이 및 다른 측정들의 높은 정확성 및 반복성을 달성할 수 있게 한다. 특정 구현에서 실현될 수 있는 특정 장점들은 다음을 포함한다:
- 잡음-필터링을 위해 개발된 알고리즘들을 이용하여 올바르게 처리될 수 있는 주요 무작위-잡음 신호 성분들을 남기고, 신호의 계통을 제거함에 의한, 예를 들어 오버레이의 개선된 재현성.
- 위치설정 부정확성의 영향을 감소시킴에 의한, 예를 들어 오버레이의 개선된 재현성.
- ROI-기반의 신호 추산 내의 작은 수의 픽셀들에 비해, '평균' 세기의 결정을 위해 전체 격자에 걸쳐 더 많은 픽셀들을 포함함에 의한, 예를 들어 오버레이의 개선된 재현성.
- 측정된 반도체 웨이퍼들에 걸친 변동적 다크-필드 이미지의 더 안정한 인식을 허용하는, 제한된 수의 피트-파라미터들을 갖는 물리-기반의 피트-기능(physics-based fit-functionality)을 이용함에 의한, 다크-필드 격자 이미지의 개선된 패턴-인식.
- 시야에 걸친 센서-관련 조명 또는 검출 광-변동들이, 이러한 효과[예를 들어, 색 비네팅 효과(chromtic vignetting effect)]들에 대한 보정을 위해, 요구된다면 추가 파라미터(예를 들어, 이미지의 추가 기울기)로서 포함될 수 있다.
- 타겟 획득 시, 예를 들어 디포커스와 같은 에지 효과들을 나타내는 jinc들의 부호 및 크기(magnitude)를 통해, 측정의 상황들을 나타내는 추가 파라미터들. 또한, 이는 개선된 정확성 및 재현성을 유도하는 획득을 위해 올바른 포커스 레벨에 사용될 수 있다.
- 본 발명은 오버레이, 포커스, CD, 도즈, 비대칭과 같이, 작은 격자가 측정되는 다수의 상이한 다크-필드 메트롤로지 기술들에 적용가능하다.
- 이는, 예를 들어 jinc-함수와 조합되는 윈도우-함수의 끝부분이 이웃하는 구조체에 대한 크로스-토크를 고려하는, 특히 제 1 및 제 2 실시예들에 대해, 이웃하는 격자들 간의 광 누설의 크로스-토크 감소에 의하여, 더 정확한 파라미터 추산에 대한 가능성을 연다.
- ROI 또는 패턴 인식이 피트-함수들을 이용하여 개선되는 경우, 타겟 주위에 더 적은 더미 패턴 영역(dummy pattern area)이 요구되며, 메트롤로지에 대한 실제-추산을 구하거나(saving real-estate), 더미 영역의 희생으로(at the expense of the dummy area) 격자 영역을 연장함으로써 재현성을 개선한다. 피트-함수 접근법은 패턴-인식이 수행되는 매우 인식가능한 에지-효과(very recognizable edge-effect)들을 갖도록 최적화된 타겟 디자인들에 대해서도 유사하게 이용될 수 있다.
본 기술은, 앞서 언급된 최근 특허 출원들에 설명된, 작은 - 타겟 회절 - 기반의 오버레이 측정에서 다른 기술들과 호환가능하다(compatible). 예를 들어, 본 명세서에 개시된 기술들은 매우 다양한 타겟 타입들 및 특성들, 예를 들어 치수들과 함께 사용될 수 있다. 본 발명은 비-가우시안(non-Gaussian) 또는 백색-잡음 신호(white-noise signal)들로부터 파라미터 추출을 포함하는 모든 카메라 이미지-기반의 메트롤로지 기술들에 적용가능하다.
앞서 설명된 타겟 구조체들이 측정을 위해 특정적으로 설계되고 형성된 메트롤로지 타겟들이지만, 다른 실시예들에서는 특성들이 기판 상에 형성되는 디바이스들의 기능적 부분들인 타겟들 상에서 측정될 수 있다. 다수의 디바이스들은 규칙적인, 격자-형 구조체들을 갖는다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 '타겟 격자' 및 '타겟 구조체'라는 용어들은 구조체가 수행되는 측정에 대해 특정적으로 제공될 것을 요구하지 않는다.
일 실시예는 리소그래피 공정에 관한 정보를 얻기 위해 기판 상의 타겟들을 측정하고 및/또는 측정들을 분석하는 방법들을 구현하는 기계-판독가능한 명령어들의 하나 이상의 시퀀스들을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 포함할 수 있다. 이 컴퓨터 프로그램은, 예를 들어 도 2의 제어 유닛(LACU) 및/또는 도 3의 장치 내의 유닛(PU) 내에서 실행될 수 있다. 또한, 이러한 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는 데이터 저장 매체(예를 들어, 반도체 메모리, 자기 또는 광학 디스크)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 나타낸 타입의 기존 메트롤로지 장치가 이미 생산중 및/또는 사용중인 경우, 본 발명은 업데이트된 컴퓨터 프로그램 제품들의 제공에 의해 구현될 수 있으며, 이는 프로세서가 수정된 단계 S6을 수행하고, 이에 따라 개선된 정확성으로 오버레이 오차를 계산하게 한다. 선택적으로, 프로그램은 적합한 복수의 타겟 구조체들에 대한 비대칭의 측정을 위해 단계 S2 내지 S5를 수행하기 위하여, 광학 시스템, 기판 지지체 등을 제어하도록 배치될 수 있다.
이상, 광학 리소그래피와 관련하여 본 발명의 실시예들의 특정 사용예를 언급하였지만, 본 발명은 다른 적용예들, 예를 들어 임프린트 리소그래피에 사용될 수 있으며, 본 명세서가 허용한다면 광학 리소그래피로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 임프린트 리소그래피에서, 패터닝 디바이스 내의 토포그래피(topography)는 기판 상에 생성된 패턴을 정의한다. 패터닝 디바이스의 토포그래피는 전자기 방사선, 열, 압력 또는 그 조합을 인가함으로써 레지스트가 경화되는 기판에 공급된 레지스트 층으로 가압될 수 있다. 패터닝 디바이스는 레지스트가 경화된 후에 그 안에 패턴을 남기는 레지스트로부터 이동된다.
본 명세서에서 사용된 "방사선" 및 "빔"이라는 용어는 이온 빔 또는 전자 빔과 같은 입자 빔뿐만 아니라, (예를 들어, 365, 355, 248, 193, 157 또는 126 nm, 또는 그 정도의 파장을 갖는) 자외(UV) 방사선 및 (예를 들어, 5 내지 20 nm 범위의 파장을 갖는) 극자외(EUV) 방사선을 포함하는 모든 형태의 전자기 방사선을 포괄한다.
본 명세서가 허용하는 "렌즈"라는 용어는, 굴절, 반사, 자기, 전자기 및 정전기 광학 구성요소들을 포함하는 다양한 형태의 광학 구성요소들 중 어느 하나 또는 그 조합으로 언급될 수 있다.
특정 실시예들의 앞선 설명은, 당업계의 지식을 적용함으로써, 다양한 적용들에 대해 본 발명의 일반적인 개념을 벗어나지 않고 지나친 실험 없이 이러한 특정 실시예들을 쉽게 변형하고, 및/또는 응용할 수 있도록 본 발명의 일반적인 성질을 전부 드러낼 것이다. 그러므로, 이러한 응용예 및 변형예들은 본 명세서에 나타낸 교시 및 안내에 기초하여, 기재된 실시예들의 균등물의 의미 및 범위 내에 있도록 의도된다. 본 명세서에서, 어구 또는 전문 용어는 예시에 의한 설명을 위한 것이며 제한하려는 것이 아니므로, 당업자라면 본 명세서의 전문 용어 또는 어구가 교시 및 안내를 고려하여 해석되어야 한다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 범위와 폭은 상술된 예시적인 실시예들 중 어느 것에 의해서도 제한되지 않아야 하며, 다음의 청구항 및 그 균등물에 따라서만 정의되어야 한다.

Claims (40)

  1. 기판 상에 리소그래피 공정에 의해 형성된 복수의 구성요소 격자를 포함한 타겟 구조체를 이용하여, 상기 리소그래피 공정의 특성을 측정하는 방법에 있어서,
    사전설정된 조명 조건들 하에서 상기 타겟 구조체에 의해 회절된 방사선의 사전설정된 부분을 선택하는 이미징 시스템을 이용하여, 상기 타겟 구조체의 이미지를 형성하는 단계;
    상기 타겟 구조체의 상기 이미지를 측정하는 단계;
    측정된 이미지에서 하나 이상의 관심 영역(region of interest)들을 식별하는 단계 - 상기 하나 이상의 관심 영역은 상기 타겟 구조체의 상기 복수의 구성요소 격자의 에지를 제외한 부분에서 광을 선택하도록 정의됨 - ; 및
    상기 하나 이상의 관심 영역들의 픽셀 값들을 이용하여, 조합 피트 함수(combination fit function)의 적어도 하나의 계수의 값을 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 계수의 값은 상기 리소그래피 공정의 특성을 나타내는 특성 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조합 피트 함수는 상기 이미징 시스템의 이미징 효과들을 나타내는 이미징 항(imaging term)을 포함하는 특성 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조합 피트 함수는 외란(disturbance)을 나타내는 주기 함수를 포함하는 특성 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 조합 피트 함수는 상기 타겟 구조체의 이상적인 이미지를 나타내는 타겟 항을 포함하고, 상기 계수는 상기 타겟 항의 계수인 특성 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 조합 피트 함수는 윈도우 함수(window function)를 포함하는 특성 측정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 계수의 값을 결정하는 단계는 비-선형 최적화 알고리즘을 이용하여 수행되는 특성 측정 방법.
  7. 기판 상에 리소그래피 공정에 의해 형성된 복수의 구성요소 격자를 포함한 타겟 구조체를 이용하여, 상기 리소그래피 공정의 특성을 측정하는 검사 장치에 있어서,
    상기 기판 상에 형성되는 상기 타겟 구조체를 갖는 상기 기판을 위한 지지체;
    사전설정된 조명 조건들 하에서 복합 타겟 구조체를 조명하는 조명 시스템;
    상기 조명 조건들 하에서 성분 타겟 구조체(component target structure)들에 의해 회절된 방사선의 사전설정된 부분을 이용하여, 상기 복합 타겟 구조체의 이미지를 형성하는 이미징 시스템;
    상기 이미지를 측정하는 측정 시스템;
    검출된 이미지에서 하나 이상의 관심 영역들을 식별하고, 상기 하나 이상의 관심 영역들의 픽셀 값들을 이용하여 조합 피트 함수의 적어도 하나의 계수의 값을 결정하도록 배치되는 프로세서를 포함하고,
    상기 하나 이상의 관심 영역은 상기 타겟 구조체의 상기 복수의 구성요소 격자의 에지를 제외한 부분에서 광을 선택하도록 정의되며,
    상기 계수의 값은 상기 특성을 나타내는 검사 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 조합 피트 함수는 상기 이미징 시스템의 이미징 효과들을 나타내는 이미징 항을 포함하는 검사 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 조합 피트 함수는 외란을 나타내는 주기 함수를 포함하는 검사 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 조합 피트 함수는 상기 타겟 구조체의 이상적인 이미지를 나타내는 타겟 항을 포함하고, 상기 계수는 상기 타겟 항의 계수인 검사 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 조합 피트 함수는 윈도우 함수를 더 포함하는 검사 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 계수의 값을 결정하는 단계는 비-선형 최적화 알고리즘을 이용하여 수행되는 검사 장치.
  13. 프로세서가, 기판 상에 리소그래피 공정에 의해 형성된 복수의 구성요소 격자를 포함한 타겟 구조체의 측정된 이미지를 이용하여, 상기 리소그래피 공정의 특성을 측정하는 방법의 단계들을 수행하게 하도록, 기계-판독가능한 명령어들을 포함하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 있어서,
    상기 타겟 구조체의 이미지는, 사전설정된 조명 조건들 하에서 상기 타겟 구조체에 의해 회절된 방사선의 사전설정된 부분을 선택하는 이미징 시스템을 이용하여 얻어졌고; 상기 명령어들은 상기 프로세서가:
    측정된 이미지에서 하나 이상의 관심 영역들을 식별하고 - 상기 하나 이상의 관심 영역은 상기 타겟 구조체의 상기 복수의 구성요소 격자의 에지를 제외한 부분에서 광을 선택하도록 정의됨 - ;
    상기 하나 이상의 관심 영역들의 픽셀 값들을 이용하여 조합 피트 함수의 적어도 하나의 계수의 값을 결정하게 하며;
    상기 계수의 값은 상기 특성을 나타내는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
  14. 리소그래피 시스템에 있어서,
    리소그래피 장치를 포함하고, 상기 리소그래피 장치는:
    패턴을 조명하도록 배치되는 조명 광학 시스템;
    기판 상으로 상기 패턴의 이미지를 투영하도록 배치되는 투영 광학 시스템; 및
    제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 검사 장치를 포함하고,
    상기 리소그래피 장치는 상기 패턴을 또 다른 기판들에 적용 시 상기 검사 장치로부터의 측정 결과들을 이용하도록 배치되는 리소그래피 시스템.
  15. 디바이스 제조 방법에 있어서,
    디바이스 패턴이 리소그래피 공정을 이용하여 일련의 기판들에 적용되고, 상기 방법은:
    제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하여 상기 기판들 중 적어도 하나에 상기 디바이스 패턴의 일부분으로서 또는 상기 디바이스 패턴의 옆에 형성된 적어도 하나의 복합 타겟 구조체를 측정하는 단계, 및
    상기 측정의 결과에 따라 이후의 기판들에 대해 상기 리소그래피 공정을 제어하는 단계를 포함하는 디바이스 제조 방법.
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