KR102430158B1 - 오버레이 오차를 결정하는 방법, 다층 반도체 디바이스를 제조하는 방법, 원자력 현미경 디바이스, 리소그래피 시스템 및 반도체 디바이스 - Google Patents

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마르텐 후베르투스 반 에스
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네덜란제 오르가니자티에 포오르 토에게파스트-나투우르베텐샤펠리즈크 온데르조에크 테엔오
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Abstract

원자력 현미경 시스템을 사용하여 다층 반도체 디바이스의 디바이스 층 간의 오버레이 오차를 결정하는 방법으로서, 상기 반도체 디바이스는 제 1 패터닝된 층 및 제 2 패터닝된 층을 포함하는 디바이스 층의 스택을 포함하고, 상기 원자력 현미경 시스템은 스캔 헤드를 포함하고, 상기 스캔 헤드는 프로브를 포함하며, 상기 프로브는 캔틸레버 및 상기 캔틸레버 상에 배열된 프로브 팁을 포함하며, 상기 방법은: 상기 프로브 팁으로 표면을 스캐닝하기 위해 상기 프로브 팁 및 상기 반도체 디바이스를 상기 표면에 대해 평행한 하나 이상의 방향으로 서로에 대해 이동시키는 것과; 상기 스캐닝 동안 팁 포지션 검출기로 상기 스캔 헤드에 대한 상기 프로브 팁의 움직임을 모니터링하여 출력 신호를 획득하는 것을 포함하고; 상기 방법은 상기 스캐닝 동안, 상기 프로브 또는 상기 반도체 디바이스 중 적어도 하나에 제 1 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 1 음향 입력 신호를 인가하는 것과; 상기 출력 신호를 분석하여, 상기 반도체 디바이스의 표면 아래의 적어도 표면 하부 나노구조물을 매핑하는 것과; 상기 분석에 기초하여 상기 제 1 패터닝된 층과 상기 제 2 패터닝된 층 간의 오버레이 오차를 결정하는 것을 더 포함한다.

Description

오버레이 오차를 결정하는 방법, 다층 반도체 디바이스를 제조하는 방법, 원자력 현미경 디바이스, 리소그래피 시스템 및 반도체 디바이스
본 발명은 원자력 현미경 시스템을 사용하여 다층 반도체 디바이스의 디바이스 층 간의 오버레이 오차(overlay error)를 결정하는 방법에 관한 것으로, 이 다층 반도체 디바이스는 제 1 패터닝된 층 및 제 2 패터닝된 층을 포함하는 디바이스 층의 스택을 포함한다. 본 발명은 또한 다층 반도체 디바이스의 제조 방법, 원자력 현미경 디바이스, 리소그래피 시스템 및 반도체 디바이스에 관한 것이다.
반도체 산업의 발전은 일반적으로 고밀도 집적 회로의 트랜지스터 수가 2 년마다 두 배로 된다는 무어의 법칙(Moore's law)에 의해 지배된다. 이해할 수 있듯이, 이는 물리적 법칙에 의해 형성되는 기술적 한계에 부딪힐 때마다 상당한 기술적 과제를 제기하며, 더욱 더 작은 집적 회로에 대한 업계의 요구를 충족시키도록 극복될 필요가 있다.
20 세기에 이미 직면하고 있는 하나의 전형적인 과제는 다층 반도체 디바이스의 기능성 층간의 층간 오정렬을 고려할 필요가 있었다는 것이다. 반도체 디바이스의 다층 구조물에서, 기능성 디바이스 층은 전형적으로 다른 기능성 디바이스 층의 상부에 증착된다. 기능성 제품의 피처, 즉, 각 층에 형성된 패턴의 피처는 완제품, 즉, 반도체 디바이스의 정확한 작동을 가능하게 하기 위해 인접한 기능성 층의 피처와 정확히 정렬될 필요가 있다. 이는 제조 중 오버레이 오차를 모니터링하여 후속 층의 마커 요소(marker elements) 간의 상대적 포지션을 결정함으로써 달성된다. '오버레이 오차'라는 용어는 후속 층 간의 오정렬의 양과 관련되어 있으며, 따라서, 오버레이 오차는 층의 정렬 오차(즉, 층의 다른 층에 대한 부정확한 배향) 뿐만 아니라, 오프셋 오차(즉, 층의 다른 층에 대한 포지션의 오차)를 포함한다. 이러한 오버레이 오차의 결정에서의 개선 및 이 후에 달성된 발전으로 인해, 무어의 법칙에 따라 지난 10 년 동안 반도체 요소는 지속적으로 소형화될 수 있게 되었다. 오버레이 오차를 측정하는 데 적용되는 현재의 기술 상태는 마커 요소 간의 상대적 거리를 결정하기 위해 회절 광학계(diffraction optics)를 사용하는 것이다.
측정학에서의 핵심 과제 중 하나는 금속과 같은 광학적으로 불투명한 층으로 덮여 있는 타겟의 측정에 있다. 또한, 디바이스 치수가 다음 노드로 이동함에 따라, 광학계가 제공할 수 있는 것보다 높은 측방향 해상도(lateral resolution)를 필요로 하는 제품 피처에 대한 측정을 수행하는 것이 바람직하다. 최근, 금속 레지스트 층의 사용은 리소그래피에서 관심을 얻고 있다. 더욱이, 새로운 극자외선(extreme ultraviolet: EUV) 리소그래피 방법은 광에 불투명한 금속층의 증착을 가능하게 한다. 따라서, 이러한 층의 경우, 종래의 방법을 사용하여 오버레이 오차를 확인하는 것이 불가능하다. 그러나, 다른 재료에 대해서 조차도, 오버레이 오차를 결정하는 종래의 방법은 이상적이지 않아, 예를 들어, 불충분한 콘트라스트 또는 낮은 신호대 잡음비(SNR)를 제공하여 특정 피처가 부정확하게 보일 수 있다. 따라서, 본 방법은 오버레이 오차를 결정하는 계산상의 오버헤드와 결정된 오차에 대한 제한된 제어의 관점에서 이상적이지 않다.
현재의 방법의 또 다른 단점은 적용된 회절 광학 방법을 사용하여 '볼 수 있는' 마커 피처가 기능성 제품 피처, 즉, 무어의 법칙에 따라 요즘 요구되는 패턴 피처보다 훨씬 더 큰 치수를 가진다는 점이다. 따라서, 다층 반도체 디바이스의 후속 층에서 마커 요소의 정확한 정렬이 수립될 수 있다고 하더라도, 이는 후속 층에서 훨씬 더 작은 패턴 피처가 또한 정확하게 정렬된다는 것을 보장하지 못한다. 이러한 작은 패턴 피처들은, 예를 들어, 사용된 정렬 센서의 렌즈 오차에 의해 상이하게 영향을 받는다. 따라서, 디바이스가 더욱 더 작아짐에 따라, 제조 중에 바람직하지 않거나 파괴적인 오버레이 오차를 배제하는 것이 점점 더 어려워지고 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 상기 단점을 제거하고, 기존의 리소그래피 방법에 적용될 수 있는 정확한 고해상도 오버레이 오차 검출 방법을 제공하는 것이다.
전술한 바와 같이, 본원의 명세서 전반에 걸쳐, '오버레이 오차'라는 용어는 후속 층 간의 오정렬의 양과 관련되어 있으며, 따라서, 오버레이 오차는 층의 정렬 오차(즉, 층의 다른 층에 대한 부정확한 배향) 뿐만 아니라, 오프셋 오차(즉, 층의 다른 층에 대한 포지션의 오차)를 포함한다.
이를 위해, 제 1 양태에 따르면, 원자력 현미경 시스템을 사용하여 다층 반도체 디바이스의 디바이스 층 간의 오버레이 오차를 결정하는 방법이 제공되며, 상기 반도체 디바이스는 적어도 제 1 패터닝된 층 및 제 2 패터닝된 층을 포함하는 디바이스 층의 스택을 포함하고, 상기 원자력 현미경 시스템은 적어도 하나의 스캔 헤드를 포함하고, 상기 스캔 헤드는 프로브를 포함하고, 상기 프로브는 캔틸레버 및 상기 캔틸레버 상에 배열된 프로브 팁을 포함하며, 상기 방법은: 상기 프로브 팁으로 표면을 스캐닝하기 위해, 상기 표면에 대해 평행한 하나 이상의 방향으로 상기 프로브 팁 및 상기 반도체 디바이스를 서로에 대해 이동시키는 것과; 상기 스캐닝 동안 팁 포지션 검출기를 사용하여 상기 스캔 헤드에 대한 상기 프로브 팁의 움직임(motion)을 모니터링하여, 출력 신호를 획득하는 것을 포함하고; 상기 방법은: 상기 스캐닝 동안, 상기 프로브 또는 상기 반도체 디바이스 중 적어도 하나에 제 1 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 1 음향 입력 신호를 인가하는 것과; 상기 출력 신호를 분석하여, 상기 반도체 디바이스의 표면 아래의 적어도 표면 하부 나노구조물(subsurface nanostructures)을 매핑하는 것과; 상기 분석에 기초하여 상기 제 1 패터닝된 층과 상기 제 2 패터닝된 층 간의 오버레이 오차를 결정하는 것을 더 포함한다.
본 발명은 디바이스 층의 재료 조성과는 무관하게, 초고해상도의 오버레이 오차(이는 오프셋 오차 및 층 정렬 오차를 포함함)의 직접 측정을 가능하게 한다. 이를 위해, 본 발명은 리소그래피 시스템에서 초음파 원자력 현미경 검사를 적용하여, 표면 하부 나노구조물의 검출을 수행한다. 이 방법은 디바이스 층의 재료와는 독립적으로 적용될 수 있다. 또한, 이 방법은 디바이스의 표면에서 뿐만 아니라 디바이스의 표면 아래 모두에서 나노구조물의 동시 검출을 가능하게 하고, 따라서, (예를 들어, 각 층의 증착 후) 제조 공정 내내 또는 (예를 들어, 최종 검사로서) 제조 공정의 맨 마지막에 모든 것이 수행될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에 따르면, 본 발명은 팁 포지션 검출기를 사용하여 획득된 출력 신호에 기초하여, 반도체 디바이스의 표면 상의 표면 상부 나노구조물을 매핑하는 추가의 단계를 포함하는데, 이 단계는 선택 사항이다.
또 다른 장점은 음향 입력 신호의 주파수를 적절하게 선택함으로써, 종래의 광학 오버레이 오차 결정 방법을 사용하는 것에 의한 것보다 훨씬 더 높은 초고해상도를 얻을 수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명은 원하는 해상도 및 콘트라스트 메카니즘에 의존하여, 상이한 주파수 범위 내의 다양한 상이한 음향 입력 신호의 인가에 관한 다양한 실시예를 포함한다(일부 재료 조합은 산란보다 탄성으로부터 또는 그 반대로부터 더 좋은 콘트라스트를 제공할 수 있다).
아주 일반적으로, 본 방법은 하나 또는 다수의 스캔 헤드를 포함하는 원자력 현미경 시스템에 동일하게 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다수의 스캔 헤드를 사용하는 것은 더 높은 처리량을 제공하는 장점을 가지며, 따라서, 예를 들어, 산업적 응용에서 유익할 수 있다. 또한, 상기 방법은 리소그래피 시스템 및 방법에서의 적용에만 한정되는 것은 아니며, 나노임프린팅(nanoimprinting)과 같은 다른 방법에도 적용될 수 있다. 또한, 상기 방법은 리소그래피 시스템과 조합하여, 예를 들어, 극자외선(EUV) 리소그래피 및 전자 빔 리소그래피를 포함하는 많은 다른 유형의 리소그래피 방법에 일반적으로 적용될 수도 있다.
일부 실시예에 따라, 상기 방법은 상기 스캐닝 동안 제 2 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 2 음향 입력 신호를 상기 반도체 디바이스에 인가하는 것을 포함한다. 예를 들어, 약간 상이한 주파수에서 다수의 음향 입력 신호를 인가하게 되면, 예를 들어, 헤테로다인 측정 기술을 사용하여, 초고주파수의 음향 신호를, 신호의 특성이 측정 가능한 보다 낮은 주파수 범위로 하향 변환할 수 있게 된다. 이 장점은, 이러한 초고주파(예를 들어, 1GHz 초과)에서 출력 신호의 특성이 샘플 내의 (나노)구조물에서의 음향 신호의 산란 영향을 포함한다는 것이다. 이 주파수에서, 매우 작은 디바이스 피처조차 보일 수 있게 된다. 따라서, 이 방법은 디바이스 층의 패터닝된 피처 간의 오버레이 오차를 직접 측정하는 데 적용될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 호모다인 기술과 같은 다른 하향 변환 기술이 또한 적용될 수 있다.
본질적으로, 이들 실시예에서, (제 1) 음향 입력 신호의 주파수(f1)와는 약간 오프셋되는 주파수(f2)를 갖는 추가의 음향 입력 신호를 적용함으로써, 차분 주파수(|f2-f1|) 및 중첩된 주파수(f1+f2)에서의 주파수 성분들을 포함하는 혼합 신호가 획득될 수 있다. 이들 주파수 성분 중 전자, 즉, 차분 주파수(|f2-f1|)에서의 주파수 성분은 두 주파수 사이의 오프셋이 충분히 작아지면 잘 측정될 수 있다. 음향파를 유도하는 음향 입력 신호는 표면 하부 구조물과 조우하게 되면 회절할 것이다. 따라서, 두 주파수(f1 및 f2)의 정확한 동조에 의해, 음향 출력 신호에서 전달된 회절 영향 음향 신호는 1 GHz 초과 범위의 음향 신호에 대해서도 차분 주파수(|f2-f1|)에서의 신호 성분을 분석함으로써 측정 가능하게 된다. 따라서, 이는 마이크로미터 및 나노미터 스케일의 표면 하부 구조물이 보일 수 있게 하여, 본 발명의 방법을 사용한 그 이미징을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 헤테로다인 측정 기술 적용의 또 다른 중요한 장점은 이것이 위상 및 진폭의 모두의 측정을 가능하게 한다는 것이다. 이 점에서, 본 방법은 진폭만을 측정할 수 있는 진폭 변조된 입력 신호를 적용하는 호모다인 방법과 구별된다. 위상과 진폭 모두를 측정하는 조합은 상이한 재료 조성 간의 구별을 가능하게 하기 때문에 표면 하부 구조물의 검출 가능성을 개선할 수 있다.
비선형 전달 함수에 의해 제어되는 프로브 칩과 샘플 표면 간의 상호 작용의 역동성으로 인해, 하향 변환이 가능하다. 이들 실시예의 원리를 이해하기 위해, 전술한 바와 같은 모든 음향 입력 신호를 혼합하더라도 차분 주파수에서 원하는 신호 성분을 얻는 데 충분하지 않다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 원하는 주파수 성분은 샘플 표면과 프로브 팁 사이에서 비선형 특성을 가진 상호 작용에서 그 근원을 찾게 된다. 이는 이러한 상호 작용이 샘플 표면의 원자와 프로브 팁을 형성하는 원자 간의 (비선형) 반 데르 발스력 및 척력(van der Waals and repulsive forces)에 의해 지배된다는 사실에 기인하고 있다. 따라서, 프로브 팁을 사용하여 측정된 출력 신호는 차분 주파수에서의 원하는 신호 성분을 포함한다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 제 1 주파수는 1 기가 헤르츠(GHz)보다 크고 제 2 주파수는 1 기가 헤르츠(GHz)보다 크다. 예를 들어, 20 ℃에서 많은 고체 재료 내에서의 음속(speed of sound)은 전형적으로 (종파의 경우) 2500 m/s 내지 6500 m/s의 범위에 있다고 간주된다. 전형적인 값으로 5 * 103 m/s의 음속을 갖는 재료를 가정하면, 1 GHz의 음파는 5 * 10-6 미터, 즉, 5 마이크로미터의 파장을 가질 것이다. 따라서, 이 재료의 회절 한계는 1 GHz의 음향 입력 신호로 5 마이크로 미터보다 큰 표면 하부 구조물이 검출될 수 있게 한다. 이 회절 한계는 보다 높은 주파수 및 음속이 더 작아지는 재료에서 더 감소하게 된다. 10 GHz의 음향 입력 신호의 경우, 다른 모든 조건이 동일하다면, 500 나노미터 또는 그 이상의 구조물이 검출 가능하게 된다. 100 GHz의 음향 입력 신호의 경우, 다른 모든 조건이 동일하다면, 50 나노미터 또는 그 이상의 구조물이 검출 가능하게 된다.
일부 실시예에 따르면, 상기 제 1 주파수 및 상기 제 2 주파수는 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수 사이의 차이가 10 메가 헤르츠보다 작고, 바람직하게는 5 메가 헤르츠보다 작고, 보다 바람직하게는 1 메가 헤르츠보다 작도록 되어 있다. 이것은 동일한 범위 내에 있고 검출 및 분석될 수 있는 신호 성분을 출력 신호에 생성한다.
제 1 및 제 2 음향 입력 신호가 인가되는 또 다른 실시예에서, 제 1 주파수는 0.01 메가 헤르츠(MHz) 내지 100 메가 헤르츠(MHz)의 범위 내에 있고, 제 2 주파수는 0.01 메가 헤르츠(MHz) 내지 100 메가 헤르츠(MHz)의 범위 내에 있다. 이 범위에서, 내부 또는 표면 하부 구조물에서 신호의 산란은 샘플과 적용된 신호 간의 상호 작용에서 어떠한 역할도 하지 않는다. 대신, 출력 신호의 특성은 표면과 상호 작용하는 위치에서 샘플의 국부적 점탄성(local visco-elastic) 특성을 나타낸다. 이러한 점탄성 특성은, 특히, 표면 하부 구조물 및 그 재료 조성의 유무에 달려 있다. 헤테로다인 측정 기술을 다시 적용함으로써, 출력 신호의 위상과 진폭을 모두 측정할 수 있게 된다. 주파수는 위상의 경우와 마찬가지로 출력 신호의 결정된 진폭에 대해서도 출력 신호에서 최적의 콘트라스트를 제공하도록 서로에 대해 조정될 수 있다. 주목할 것은, 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 본 발명은 제 1 및 제 2 음향 입력 신호 모두를 적용하는 것으로 제한되지 않는다는 것이다. 0.01 내지 100 메가 헤르츠(MHz)의 범위 내에서 적어도 단일 주파수를 갖는 음향 입력 신호를 인가함으로써 표면 하부 구조물이 이미 검출될 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따르면, 음향 입력 신호를 인가하는 많은 적절한 방법이 존재하며, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 그러나, 일부 실시예에 따르면, 제 1 음향 입력 신호는 프로브에 인가되고, 이 음향 입력 신호는 캔틸레버 또는 프로브 팁에 연결된 음향 변환기, 상기 캔틸레버와 협동하는 정전 액추에이터, 상기 캔틸레버에 탄력적으로 부착되는 상기 프로브 팁과 협동하는 정전 액추에이터, 또는 상기 캔틸레버 또는 상기 프로브 팁 중 적어도 하나의 광열 여기자(photothermic excitation)를 포함한 그룹 중 적어도 하나의 수단에 의해 인가된다.
예를 들어, 리소그래피 공정에 적용될 오버레이 오차 결정 방법에서 사용하기 위해, 샘플 또는 반도체 디바이스와 임의 종류의 변환기 또는 액추에이터와 같은 인가 수단 간의 접촉은 바람직하지 않다는 것이 판명되었다. 따라서, 음향 입력 신호를 샘플에 인가하는 비접촉 방법 또는 음향 입력 신호가 샘플에 전혀 인가되지 않는 방법이, 음향 입력 신호가, 예를 들어, 임의의 종류의 변환기 또는 액추에이터에 의해 인가되는 직접 접촉 인가 방법보다 선호된다. 따라서, 입력 신호는 프로브 팁 또는 캔틸레버의 여기자, 예를 들어, 변환기, 정전 여기 방법 또는 광열 여기자에 의해 인가될 수 있다.
또한, 샘플이 여기되는 일부 실시예에 따르면, 제 2 또는 제 1 음향 입력 신호는 반도체 디바이스에 인가되고, 이 신호는 반도체 디바이스의 표면의 광열 여기자의 수단에 의해 인가될 수 있다. 광열 여기자는, 예를 들어, 맥동 광빔, 즉, 변동 강도를 갖는 광빔을 사용하여 제공될 수 있다. 이에 의해, 샘플과 변환기 또는 다른 수단 사이의 접촉은 필요하지 않다.
위에서 간략히 논의된 바와 같이, (예를 들어, 헤테로다인 측정 기술에 의존하는 것이 아닌) 제 2 또는 추가의 음향 입력 신호를 반드시 필요로 하는 것이 아닌 일부 실시예에 따르면, 추가의 음향 입력 신호가 없는 경우에 상기 제 1 음향 입력 신호는 상기 프로브에 인가되며, 제 1 주파수는 0.01 메가 헤르츠 내지 100 메가 헤르츠의 범위 내에 있다. 표면 하부 구조물의 검출 및 그에 따른 오버레이 오차의 결정은 이미 일부의 경우에도 주어진 범위 내의 주파수를 갖는 하나의 음향 입력 신호를 사용함으로써 가능하다. 이 범위에서, 검출은 자극된 프로브 팁을 사용한 샘플 표면의 국부적인 탄성 특성의 결정에 기반하고 있다.
제 2 양태에 따르면, 본 발명은 또한 다층 반도체 디바이스의 제조 방법에 관한 것으로, 이 방법은: 기판 상에, 적어도 2 개의 후속하는 반도체 재료의 패터닝된 층의 증착을 포함하는 재료 층의 스택을 형성하는 단계 - 상기 패터닝된 층은 제 1 패터닝된 층 및 제 2 패터닝된 층을 포함함 - 와; 상기 제 1 패터닝된 층과 상기 제 2 패터닝된 층 간의 오버레이 오차를 결정하는 단계 - 상기 오버레이 오차를 결정하는 단계는 초음파 원자력 현미경 디바이스를 사용하는 제 1 양태에 따른 방법을 포함함 - 를 포함한다. 기술된 오버레이 오차 결정 방법은, 제조 방법, 가령, 고처리량 원자력 현미경 방법이 특히(하지만 배타적이지는 않음) 적용되는 리소그래피 방법과 통합될 수 있으며, 이 고처리량 원자력 현미경 방법은 오버레이 오차 검출 방법이 반도체 디바이스 제조 동안 효율적으로 수행될 수 있게 한다.
따라서, 제 3 양태에 따르면, 본 발명은 리소그래피 시스템에 사용하기 위한 원자력 현미경 디바이스에 관한 것으로, 상기 원자력 현미경 디바이스는 적어도 하나의 스캔 헤드를 포함하고, 상기 스캔 헤드는 프로브를 포함하며, 상기 프로브는 캔틸레버 및 상기 캔틸레버 상에 배열된 프로브 팁을 포함하며, 상기 원자력 현미경 디바이스는: 상기 스캔 헤드 및 기판 홀더 중 적어도 하나와 협력하여, 상기 프로브 팁을 사용하여 상기 표면을 스캐닝하기 위해, 상기 프로브 팁 및 상기 반도체 디바이스를 표면에 대해 평행한 하나 이상의 방향으로 서로에 대해 이동시키기 위한 액추에이터와; 상기 스캐닝 동안 상기 스캔 헤드에 대한 상기 프로브 팁의 움직임을 측정하기 위한 팁 포지션 검출기 - 상기 팁 포지션 검출기는 상기 움직임을 나타내는 출력 신호를 제공하도록 배열됨 - 와; 상기 팁 포지션 검출기로부터 상기 출력 신호를 수신하고 분석하기 위한 제어기를 포함하고, 상기 원자력 현미경 디바이스는, 제 1 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 1 음향 입력 신호를 상기 프로브 또는 상기 반도체 디바이스 중 적어도 하나에 인가하는 제 1 액추에이터를 더 포함하며; 상기 제어기는 상기 출력 신호를 분석하여, 상기 반도체 디바이스의 표면 아래의 적어도 표면 하부 나노구조물을 매핑하고, 상기 분석에 기초하여 상기 제 1 패터닝된 층과 상기 제 2 패터닝된 층 간의 오버레이 오차를 결정하도록 배열된다. AFM 디바이스는 전술한 바와 같이, 하나 이상의 스캔 헤드를 포함할 수 있다. 다중 스캔 헤드는 처리량을 증가시키는 장점을 제공한다.
원자력 현미경 디바이스는 일부 실시예에 따라, 제 2 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 2 음향 입력 신호를 상기 반도체 디바이스에 인가하는 제 2 액추에이터를 포함할 수 있다. 제 1 액추에이터는 일부 실시예에 따라, 상기 프로브에 상기 제 1 음향 입력 신호를 인가하도록 배열될 수 있으며, 상기 제 1 액추에이터는 상기 캔틸레버 또는 상기 프로브 팁 중 적어도 하나에 연결된 음향 변환기, 상기 캔틸레버와 협동하는 정전 액추에이터, 상기 캔틸레버에 탄력적으로 부착된 상기 프로브 팁과 협동하는 정전 액추에이터, 또는 상기 캔틸레버에 유연하게 부착된 정전기 액추에이터, 또는 상기 캔틸레버 또는 상기 프로브 팁 중 적어도 하나의 광열 여기자를 위한 펄스형 레이저와 같은 펄스형 광원을 포함하는 그룹 중 적어도 하나의 요소를 포함한다. 제 2 또는 제 1 음향 입력 신호 중 적어도 하나가 반도체 디바이스에 인가되는 실시예에서, 제 2 액추에이터는, 일부 실시예에 따라, 반도체 디바이스의 표면의 광열 여기자에 의해 각각의 제 2 또는 제 1 음향 입력 신호를 인가하기 위한 펄스형 광원을 포함할 수 있다.
제 4 양태에 따르면, 본 발명은 다층 반도체 디바이스를 제조하기 위한 리소그래피 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은 제 3 양태에 따른 원자력 현미경 디바이스를 포함한다.
게다가, 제 5 양태에 따르면, 본 발명은 반도체 디바이스의 제조 중에 오버레이 오차를 감소시키기 위해, 원자력 현미경 시스템을 사용하여 반제품의 다층 반도체 디바이스의 패터닝된 디바이스 층의 정렬을 결정하는 방법에 관한 것으로, 상기 반제품의 다층 반도체 디바이스는 패터닝된 디바이스 층을 포함하는 하나 이상의 층을 덮는 레지스트층을 포함하고, 상기 원자력 현미경 시스템은 적어도 하나의 스캔 헤드를 포함하고, 상기 스캔 헤드는 캔틸레버 및 상기 캔틸레버 상에 배열된 프로브 팁을 포함하는 프로브를 포함하며, 상기 방법은: 상기 프로브 팁으로 표면을 스캐닝하기 위해 상기 표면에 평행한 하나 이상의 방향으로 상기 프로브 팁 및 상기 반도체 디바이스를 서로에 대해 이동시키는 것과; 상기 스캐닝 동안 팁 포지션 검출기를 사용하여 상기 스캔 헤드에 대한 상기 프로브 팁의 움직임을 모니터링하여, 출력 신호를 획득하는 것을 포함하고; 상기 방법은: 상기 스캐닝 동안, 상기 프로브 또는 상기 반도체 디바이스 중 적어도 하나에 제 1 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 1 음향 입력 신호를 인가하는 것과; 상기 반도체 디바이스의 표면 아래의 적어도 표면 하부 나노구조물을 매핑하기 위해 상기 출력 신호를 분석하는 것과; 상기 분석에 기초하여 상기 패터닝된 디바이스 층의 정렬을 결정하는 것을 더 포함하고; 상기 방법은 상기 패터닝된 디바이스 층의 결정된 정렬에 기초하여, 상기 반도체 디바이스의 정렬을 상기 반도체 디바이스 상에 형성될 추가의 패터닝된 디바이스 층의 정렬에 적응시키는 단계를 더 포함한다.
제 6 양태에 따르면, 본 발명은 제 2 양태에 따른 방법을 사용하여 제조된 다층 반도체 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조한 본 발명의 몇몇 특정 실시예의 설명을 통해 더 기술될 것이다. 상세한 설명은 본 발명의 가능한 구현예의 예를 제공하지만, 범위에 속하는 유일한 실시예를 설명하는 것으로 간주되어서는 안된다. 본 발명의 범위는 특허 청구범위에 정의되어 있으며, 본 설명은 본 발명을 제한하지 않고 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
도면에서:
도 1은 오버레이 오차 검출의 방법을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명을 위한 방법을 수행하는 데 사용될 수 있는 원자력 현미경 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 프로브 팁과 샘플 표면 간의 비선형 상호 작용을 개략적으로 도시한다.
도 4는 샘플 표면과의 비선형 상호 작용이 있는 경우와 없는 경우의 주파수 응답 특성을 도시한다.
도 5는 본 발명의 방법을 수행하는 데 사용될 수 있는 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 방법을 개략적으로 도시한다.
도 1은 제조 중에 웨이퍼 상에 반도체 디바이스(1-1)의 상황 스케치를 개략적으로 도시한다. 도 1에서, 반도체 디바이스(1-1)는 복수의 추가적인 반도체 디바이스(1-2, 1-3, 1-4)에 인접한 웨이퍼 상에 배열된다. 반도체 디바이스(1-1, 1-2, 1-3 및 1-4)가 배열된 웨이퍼(상황 스케치의 초점 스케일 상에서 보이지 않음)는 본 발명에 따른 오버레이 오차를 결정하기 위한 시스템의 측정 프레임 상에 배치될 수 있다. 웨이퍼에서의 측정 프레임이 깔끔하게 정렬되지 않아서, 각 반도체 디바이스(1-1 내지 1-4)를 분리하는 (반도체 디바이스를 분리하는 데 사용될) 스크라이빙 레인(2; scribing rane)은 측정 프레임의 측정 좌표계(13)와 완벽하게 정렬되지 않을 수 있다. 도 1에서, 이는 스크라이빙 레인(2)의 정렬 축(15)과 측정 프레임의 좌표계(13)의 정렬 방향(14) 사이의 각(α)으로 도시된다.
원칙적으로, 임의 크기의 반도체 디바이스는 이러한 방식으로 제조될 수 있다. 도 1에서, 디바이스의 길이 및 폭의 가능한 치수의 예로서 1 내지 33 mm의 크기 범위가 표시되어 있다. 그러나, 필요하다면 1mm 보다 작은 또는 33mm보다 큰 디바이스가 제조될 수도 있다.
생성될 둘 이상의 반도체 디바이스(1-1 내지 1-4) 간의 스크라이빙 레인(2)에서, 하나 이상의 마커 요소(5, 6)가 존재하여, 다층 반도체 디바이스(1-1 내지 1-4)의 후속하는 층 간의 오버레이 오차를 검출가능하게 한다. 도 1에 보여지는 바와 같이, 마커 요소(5)는 수평 스크라이빙 레인(2)에 존재하고, 마커 요소(6)는 수직 스크라이빙 레인(2)에 존재한다. 마커 요소의 수 및 방향, 및 마커 요소가 위치할 수 있는 스크라이빙 레인 또는 웨이퍼의 다른 부분은 당업자의 선택 사항일 것이다.
또한, 반도체 디바이스(1-1 내지 1-4)의 각각은 패턴 피처(9, 10)라고 지칭되기도 하는, 기능성 제품 피처를 포함하는 둘 이상의 기능성 층을 포함한다. 도 1에서, 2 개의 패턴 피처(9 및 10)가 개략적으로 도시되지만, 실제로는 제품 피처의 복합 패턴이 각각의 기능성 제품 층에 존재할 수도 있다.
통상적으로, 오버레이 오차는, 이들 마커 요소 간의 오프셋을 수립하는 것과 같이, 후속 층에서 마커 요소(5 또는 6)의 상대적 포지션을 결정함으로써 결정된다. 이 오프셋에 기초하여, 층 증착 시스템의 시스템 광학계 및 다른 시스템 파라미터는, 가령, 오프셋을 최소화하거나 완전히 제거하도록 조정된다(calibrated).
스캐닝 프로브 현미경 검사는 프로브 팁을 샘플 표면에 접촉 시키거나(접촉 모드) 또는 각각의 진동 사이클 동안 샘플 표면에 접촉된 프로브 팁을 탭핑하는 것(탭핑 모드)과 같이 프로브 팁을 진동시키면서, 샘플 표면에 걸쳐 프로브 팁을 가진 프로브를 스캐닝함으로써 샘플 표면 상의 나노구조물을 이미징하는 매우 정확한 방법이다. 당업자라면 알 수 있듯이, 스캐닝 프로브 현미경 검사를 수행하는 데 다른 감지 모드가 이용 가능하며, 여기에서는 더 이상 설명하지 않지만 당업자에게는 공지되어 있다. 원자력 현미경 검사와 같은 일정한 스캐닝 프로브 현미경 검사 방법에서는, 기판 표면의 나노구조물만이 시각화된다. 원칙적으로 스캐닝 프로브 현미경 검사는 임의의 원하는 거리를 가로 질러 스캐닝을 할 수 있으므로 임의의 원하는 치수 범위에서 정확성을 얻을 수 있다.
도 2는 샘플 표면의 표면 지형(surface topography)을 감지 및 매핑하기 위한 원자력 현미경(atomic force microscope: AFM)의 작동 원리를 개략적으로 도시한다. 도 2에서, 프로브 헤드(22)는 프로브(28)의 X, Y 및 Z 방향 움직임을 위한 피에조 유형 구동기(23)를 포함한다. 프로브(28)는 샘플(26)의 샘플 표면(25)을 스캐닝하도록 배열된 프로브 팁(30)을 갖는 캔틸레버(29)로 구성된다. 스캐닝 동안, 디더 피에조(dither piezo)(미도시) 또는 광열 액추에이션, 정전기 등의 다른 작동 수단은 캔틸레버를 진동 모드(예를 들어, 공진 주파수에 가깝게)로 구동하여 표면 상에서 프로브 팁의 탭핑(tapping)을 가능하게 한다. 프로브 팁에 진동 운동을 인가하는 방식은 당업자에게 공지되어 있다. 대안으로, AFM을 작동시키는 많은 다른 모드가 적용될 수 있다. 예를 들어, AFM은 탭핑이 수행되지 않고 프로브가 스캐닝 동안 표면(25)과 지속적인 접촉 상태로 유지되는 접촉 모드에서 작동될 수 있다.
샘플 표면(25)의 스캐닝은 프로브 팁(30)을 샘플 표면(25)에 평행한 X 및 Y 방향으로 이동시킴으로써(또는 대안으로, 프로브 팁의 포지션을 X 및 Y 방향으로 고정되게 유지시킨 채 기판 표면을 X 및 Y 방향으로 이동시킴으로써) 수행된다. 프로브 팁(30)은 z 방향 피에조 구동기에 의해 샘플 표면(25)에 근접하게 된다. 일단 제 위치에 있게 되고, AFM이 탭핑 모드에서 작동될 경우, 프로브 팁(30)은 z 방향으로 진동하여, 스캐닝(즉, 탭핑) 동안 샘플 표면(25)에 반복적으로 접촉하게 된다. 접촉 모드에서, 프로브 팁(30)과 샘플 표면(25) 간의 지속적인 접촉이 수립되어 유지된다. 대안으로, 비접촉 모드에서, 프로브 팁(30)은 z 방향 피에조 구동기에 의해 샘플 표면(25)에 근접하게 되고, 프로브 팁은 샘플 표면(25)에 접촉되지 않고 진동하게 된다. 그러나, 진동 중에, 프로브 팁(30)은, 예를 들어, 반 데르 발스력(van der Waals forces)으로 인해 샘플 표면과의 힘 상호 작용을 충분히 경험할 정도로 샘플 표면(25)에 가깝게 접근하게 된다. 대안으로, 심지어는 다양한 종류의 표면 측정을 수행하는 AFM의 다른 동작 모드도 존재한다.
샘플 표면(25)은 샘플 캐리어(24)를 사용하여 운반된다. 동시에, 레이저(36)는 레이저 빔(35)으로 프로브 팁을 조명한다. z 방향의 정확한 포지션은 반사된 레이저 빔(35)을 수신하는 포토 다이오드(38)를 사용하여 결정된다. 샘플 표면(25)상의 구조물(예를 들어, 요소(33))에 기인한 높이 차이에 의해 야기된 프로브 팁의 편향은 (예를 들어, 포토 다이오드(38)로부터의 신호를 분석함으로써) 직접적으로 측정될 수 있거나 또는 피드백 메카니즘을 통해 간접적으로 측정될 수 있다. 이러한 피드백 메카니즘에서, 포토 다이오드(38)로부터의 신호는 샘플 표면 위의 프로브의 높이를 조정함으로써 일정하게 유지될 수 있다. 이는, 예를 들어, 피드백 전자 장치(40)를 사용하여, 포토 다이오드(38)로부터의 센서 신호에 따라 프로브 헤드(22) 상에 위치된 피에조 구동기(23)를 구동함으로써 달성될 수 있다. 피드백 전자 장치(40)는 샘플 표면 지형을 결정하기 위해 높이 조정을 기록할 수 있거나, 또는 보다 정확하게는, 높이 조정은 추가적인 z 레벨 센서(도시안됨)를 사용하여 정확하게 측정될 수 있다. 이 원리는 샘플(26)의 샘플 표면(25)상의 표면 요소(33)와 같은 표면 요소의 매우 정확한 매핑을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같은 기술을 사용하여 수행된 원자력 현미경 검사는 표면 상의 매우 작은 구조물 및 피처, 가령, 전형적인 나노미터 치수(예를 들어, 심지어는 1 nm 미만의 치수, 가령, 0.4 nm 만큼 얇은 개별 폴리머 스트링과 같은 치수)를 갖는 나노구조물의 매칭을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 원자력 현미경 검사는, 예를 들어, 반도체 디바이스의 제조 중에 오버레이 오차 결정을 수행하는 데 사용된다. 본 발명은 표면 하부 측정, 즉, 샘플의 표면 아래에 위치하는 표면 하부 구조물의 매핑을 수행하기 위해 수정된 원자력 현미경 검사 기술을 적용한다. 원칙적으로, 이는 추가의 음향 입력 신호를 프로브(28)(예를 들어, 프로브 팁(30) 또는 캔틸레버(29)) 또는 샘플(26) 중 하나 또는 둘 모두에 인가함으로써 달성된다. 입력 신호의 주파수에 따라, 이것은 존재하는 임의의 표면 하부 구조물에 의존하는 (예를 들어, 1 내지 100 MHz의 입력 신호의 주파수에서) 샘플의 국부적인 탄성 특성을 결정하거나, (예를 들어, 1 GHz 초과의 입력 신호 주파수에서) 그러한 표면 하부 구조물에서의 음향 신호의 산란으로 인한 표면 하부 구조물의 검출을 가능하게 한다.
또한, 2 개 이상의 입력 신호가 약간 다른 주파수로 인가되는 경우, 헤테로다인 측정 기술의 적용은 출력 신호의 위상 및 진폭에 대한 정보를 얻을 수 있게 한다. 즉, 출력 신호로부터 얻을 수 있는 정보의 양을 증가시킴으로써 (예를 들어, 정확도, 신호대 잡음비, 콘트라스트 등의 관점에서) 측정치를 개선할 수 있다.
대안으로, 호모다인 측정 기술은, 예를 들어, 3 개의 주파수 성분, 즉, 캐리어 주파수 fc, 캐리어 주파수 fc 에서 변조 주파수 fm 만큼 낮추어 획득한 주파수 성분 fc -fm, 및 캐리어 주파수 fc 에서 변조 주파수 fm 만큼 증가시켜 획득한 주파수 성분 fc +fm를 적용함으로써 적용될 수 있다. 이러한 주파수 성분 신호를 유리한 신호 성분 비율(예를 들어, fc : (fc-fm) : (fc+fm) = 1 : 0.5 : 0.5)로 제공하게 되면, 진폭이 주파수 fm에서 변조되는 주파수 fc를 갖는 진폭 변조파를 생성하게 된다. 초음파력 현미경 검사는, 예를 들어, 초음파 신호를 샘플에 (즉, MHz 범위에서) 적용하고, 대략 캔틸레버 공진 주파수의 변조 주파수로 초음파를 (즉, kHz 범위에서) 변조하여 수행할 수 있다. 변조 주파수에서 출력 신호를 감지하고, 진폭 및/또는 위상을 분석함으로써 표면 하부 구조물을 이미지화할 수 있다. 이것은 고주파 초음파 신호가 표면 하부 구조물에 의해 교란된다는 사실 때문이다. 표면 하부 구조물에 대한 정보는 이러한 교란을 통해 전달되며, 프로브 팁의 편향에서, 즉, 캔틸레버 주파수에서의 출력 센서 신호에서 측정 가능하게 된다.
본 발명의 방법은 바람직하게는 접촉 모드 유형 AFM으로 적용된다. 그러나, 본 발명의 방법이 탭핑 모드와 같은 다른 모드로 적용될 수도 있지만, 탭핑 모드에서 주기적인 접촉 모멘트의 지속 시간은 상대적으로 짧고, 외란의 적절한 필터링이 요구된다. 원한다면, 표면 상부 구조물, 예를 들어, 도 2의 요소(33)는 2 개(또는 그 이상의) 후속 층 간의 오버레이 오차를 결정하기 위해 임의의 표면 하부 구조물과 동시에 검출되고 매핑될 수 있다. 그러나, 본 발명은 또한 표면 아래, 즉, 디바이스의 내부에 있는 하부 층의 오버레이 오차를 결정하는 것도 가능하게 한다. 따라서, 표면 상부 구조물의 매핑을 수행할 필요는 없다. 본 발명은 프로브 또는 샘플(즉, 반도체 디바이스)에 인가된 하나 이상의 음향 입력 신호의 인가와 함께 원자력 현미경 검사를 적용함으로써 표면 위 또는 아래의 임의의 2 이상의 디바이스 층의 오버레이 오차를 결정하는 데 적용될 수 있다. 이로써, 반도체 디바이스의 제조 중에 오버레이 오차를 결정하는 무수한 가능성이 열리게 된다.
도 3은 프로브 팁과 샘플 표면(25) 간의 상호 작용을 개략적으로 도시한다. 도 3에서, 캔틸레버(29)는 샘플 표면(25)과 함께 개략적으로 도시되어 있다. 프로브 팁(미도시)이 위치하는 캔틸레버(29)의 단부에서, 프로브 팁과 샘플 간의 상호 작용이 요소(72 및 73)에 의해 개략적으로 도시된다. 이러한 상호 작용은 스프링 정수(k*)를 갖는 스프링(72)에 의해 도시된 바와 같이, 한편으로는 비선형 탄성으로 특징지어진다. 다른 한편으로, 상호 작용은, c* 로 특징지어지는 댐퍼(73)에 의해, 개략적으로 도시된 상호 작용 손실로 특징지어진다. 캔틸레버가 자유롭게 진동할 수 있는 경우, 이들 상호 작용 특성 k* 및 c*은 샘플 표면(25)과의 상호 작용으로 인해 결핍된다. 도 4에서, 자유 진동에서 캔틸레버의 주파수 특성은 라인(75)으로 도시된다. 전술한 비선형 상호 작용을 특징으로 하는 표면(25)과 접촉한 상태에서, 주파수 응답 특성은 도 4의 파선(76)으로 도시된다. 도 4로부터, 도 3에 도시된 팁-샘플 상호 작용은 프로브(28)의 주파수 응답 특성에 상당한 영향을 미친다. 도 4의 파선(76)으로 표시된 정확한 특성은 팁-샘플 상호 작용의 파라미터 k* 및 c* 에 의존한다. 그러므로, 샘플의 표면(25) 아래의 표면 하부 구조물이 존재하는 경우의 표면(25)의 탄성은 표면 하부 구조물이 존재하지 않는 위치와는 상이하기 때문에, 이러한 표면 하부 구조물의 존재는 표면(25)과 접촉한 상태에서의 프로브 팁(30)에서 유도된 음향 진동에 대한 응답을 측정함으로써 검출될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 방법을 수행하는 데 적용될 수 있는 측정 시스템을 개략적으로 도시한다. 시스템(20)에서, 프로브(28)는 스캔 헤드(22)에 부착된다. 스캔 헤드(22)는 샘플(26)의 표면(25)에 대한 프로브(28)의 스캐닝을 가능하게 한다. 프로브(28)는 캔틸레버(29) 및 프로브 팁(30)으로 구성된다. 스캐닝 동안, 프로브 팁(30)은 샘플(26)의 표면(25)과 접촉하게 된다. 예를 들어, 프로브 팁(30)은 접촉 모드(프로브 팁(30)과 샘플(26)의 표면(25) 사이의 지속적인 접촉)에서 샘플(26)의 표면(25)을 가로 질러 스캐닝될 수 있다. 레이저 유닛(36)은, 캔틸레버(29) 상에 충돌하고 광 검출기(38)(예를 들어, 포토 다이오드)를 향해 반사하는 레이저 빔(35)을 제공한다. 광 검출기(38)를 사용하여, 캔틸레버(29)에서의 진동은 그러한 진동의 영향 하에서 반사된 레이저 빔(35)의 작은 편향으로 인해 감지될 수 있다. 이것은 추가 분석을 위해 출력 신호(39)를 제공한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 도 5에서 단일 스캔 헤드(22)가 도시되어 있지만, 이 방법은 다수의 스캔 헤드를 포함하는 시스템에 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 생성기(49)는 진동 입력 신호(50)를 제공한다. 적용되는 방법 및 측정을 위해 사용된 음향 입력 신호의 주파수 범위에 따라, 진동 입력 신호(50)는 다양한 신호 성분을 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 시스템에서, 신호(50)는 3 개의 상이한 주파수 성분, 즉, 캐리어 주파수 fc, 캐리어 주파수 fc 에서 변조 주파수 fm 만큼 낮추어 획득한 주파수 성분 fc -fm, 및 캐리어 주파수 fc 에서 변조 주파수 fm 만큼 증가시켜 획득한 주파수 성분 fc +fm를 포함한다. 이러한 주파수 성분 신호를 성분 비율 fc : (fc -fm) : (fc +fm) = 1 : 0.5 : 0.5로 제공하게 되면, 진폭이 주파수 fm에서 변조되는 주파수 fc를 갖는 진폭 변조파를 생성하게 된다. 이 진폭 변조 신호는 진동 입력 신호(50)이다.
도 5에서, 본 발명에 따라, 진동 입력 신호(50)는 스캐닝 중에 인가될 음향 신호(52)로 변환된다. 도 5의 실시예에서, 변환기 유닛(70)은 프로브 팁(30)과 접촉하게 되고, 전력 증폭기(69)를 사용하여 증폭되는 입력 신호(50)를 수신한다. 변환기 유닛(70)은 입력 신호(50)를 프로브 팁(30)에 인가되는 음향 신호(52)로 변환한다.
도 3 및 도 4와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 캔틸레버(29) 및 프로브 팁(30)의 진동은 주파수 응답 특성에 의해 특징지어지며, 이는 다시 표면(25)의 탄성 특성 k* 및 상호 작용 손실 c*에 의해 영향을 받게 된다. 임의의 표면 하부 구조물은 표면(25)의 국부적인 탄성 특성의 변화로 인해 분명해질 것이고, 국부적인 탄성 특성의 변화는 캔틸레버(29) 및 프로브 팁(30)의 진동 응답을 변경시킨다. 이것은 포토 다이오드(38)를 통해 측정되며, 따라서 출력 신호를 분석함으로써 출력 신호(39)로부터 도출될 수 있다. 이 출력 신호(39)는 분석 시스템(43)(예를 들어, 록인 증폭기(lockin amplifier))에 제공된다. 분석 시스템(43)에서, 출력 신호(39)는 기준 신호(48)와 비교된다. 생성기(49)로부터 얻어진 기준 신호(48) 및 상기 비교는 도 5의 요소(46)로 표시된다. 분석 시스템(43)의 출력에는 광 검출기(38)로부터의 출력 신호(39)의 진폭 A(x, y) 및 위상 φ(x, y)를 포함하는 출력 신호(45)가 제공된다. 이러한 위치 의존 진폭 및 위상 신호를 매핑함으로써, 표면 하부 구조물이 본 발명에 따라 시각화될 수 있다.
표면 하부 구조물을 매핑하는 것 이외에, 시스템(20)은 표면(25) 상의 표면 상부 구조물을 매핑하는 것과 같이 일정한 원자력 현미경 검사를 수행하도록 더 배열된다. 이를 위해, 전치 증폭기(58)에서의 전치 증폭 및 분석기(60)에서의 사전 분석 이후의 출력 신호(39)는 록인 증폭기 분석 시스템(43) 및 저역 통과 필터(61) 모두에 제공된다. 저역 통과 필터는 출력 신호로부터 표면 하부 측정에 관련된 고주파수 성분을 제거하고 그 신호를 비교기(63)에 제공한다. 비교기는 출력 신호를 (예를 들어, 제어기 시스템으로부터) 입력(62)에서 수신된 설정 포인트와 비교하고, 피드백 제어기(65)에 제공되는 차동 신호를 산출한다. 피드백 제어기는 피에조 전기 액추에이터(23)를 구동하여, 프로브(28)의 z 레벨, 즉 표면(25) 위의 프로브(28)의 높이의 거리를 조정하는 제어 신호를 제공한다. 이 제어 신호를 분석함으로써, 피드백 제어기(65)로부터 얻을 수 있는 보정치는 z 레벨 센서(53)에 의해 보다 정확하게 결정될 수 있다. 결정된 z 레벨 보정치는 표면(25)의 표면 지형 맵을 제공하도록 매핑된다.
대안의 실시예에 따라, 표면 하부 구조물을 검출하고 매핑하기 위해, GHz 입력 주파수에서의 헤테로다인 측정 기술이 적용될 수 있다. 이것은 생성된 신호 성분 중 일부를 샘플(26)에 적용함으로써 달성될 수 있지만, 이는 요구 사항은 아니다. 이러한 고주파수에서, 표면 하부 구조물은 이러한 구조물에서 음향 신호의 산란을 통해 탐지 가능하다. 다른 신호 성분은 바람직하게는 프로브에 인가되고, 이는 전력 증폭기(69) 및 변환기(70)를 통해 수행될 수 있다.
GHz 입력 주파수에서 헤테로다인 측정의 경우, 진동 입력 신호(50)는 주파수 f1로 주기적이고 캔틸레버(29) 또는 프로브 팁(30)에 인가되는 제 1 신호 성분을 포함한다. 추가적인 진동 신호(도 5에 도시되지 않음)는 생성기(49)에 의해 생성되어, 주파수 f2로 주기적인 제 2 신호 성분을 갖는다. 이 추가적인 진동 입력 신호는 그 경우 샘플 표면(25)에 인가된다. 리소그래피 시스템에서 오버레이 측정을 수행하기 위해, 이 추가적인 진동 신호는 비접촉식 여기 기술을 사용하여, 예를 들어, 펄스형 레이저 소스(도시되지 않음)를 사용하여 표면(25)의 광열 자극을 통해 인가되며, 그 소스의 강도는 추가적인 진동 신호에 의해 변조된다. 도 5의 시스템(20)에서, 펄스형 레이저 소스는 기존의 소스(36)에 부가하여 추가의 레이저 소스를 요구할 것이다. 표면(25)에 지향된 레이저 빔의 맥동 변조로 인해, 가변량의 열이 표면에 연속적으로 제공되어, 샘플에서 음향 진동을 유발한다. 주파수 f1 및 f2는 모두 1 기가 헤르츠(GHz)를 초과한다. 예를 들어, 이러한 신호는 1GHz 초과의 임의의 범위, 예를 들어, 10 GHz 또는 20 Ghz를 포괄하는 것일 수 있다. 진동 입력 신호(50)의 주파수(f1, f2)에 대한 특성은 f1과 f2 간의 차이가 1 GHz 미만이라는 것이다.
본 발명의 방법의 예가 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있다. 도 6a에서, 샘플(26)은 복수의 디바이스 층을 포함한다. 생성되는 최상부 층은 표면(25)을 포함한다. 표면 상에, 복수의 구조물(80, 81, 82, 83, 84 및 85)이 반도체 디바이스의 제조 중에 생성된다. 캔틸레버 및 프로브 팁(30)을 포함하는 프로브는 표면(25)을 가로질러 스캐닝된다. 도 6b에서, 스캔 경로(88)는 프로브 팁(30)이 스캐닝되는 경로를 도시한다. 표면(25) 아래의, 더 깊은 층에 복수의 표면 하부 구조물(90, 91, 92, 93, 94 및 95)이 생성되어 있다. 구조물(90-95)은 구조물(80-85)과 정렬되도록, 예를 들어, 이들 구조물(80-85)에 대한 내부 접촉을 제공하도록 의도되어 있다. 도 6a 및 도 6b에서 알 수 있는 바와 같이, 정렬에서의 오차는 구조물(90-95)이 완벽하게 구조물(80-85) 아래에 있지 않게 한다.
본 발명에 따른 방법을 적용하게 되면, 표면(25) 상에 표면 구조물(80-85)의 표면 지형을 동시에 매핑할 수 있게 된다. 이는 표면(25) 상에서 일정한 접촉 모드 원자력 현미경 검사를 수행함으로써 달성된다. 프로브 팁(30)은 표면(25)과 지속적으로 접촉하면서 그 표면(25)을 가로 질러 스캐닝된다. 표면 구조물, 예를 들어, 구조물(84)과 마주칠 때, 프로브 팁(30)은 시스템의 포토 다이오드(38)에 의해 검출될 수 있는 상방으로 올라가게 된다. 높이 차이를 결정하는 바람직한 방식에서, 포토 다이오드(38)로부터 얻은 신호는, 포토 다이오드(38)의 출력 신호(39)의 변화에 따라 프로브(28)를 약간 위 또는 아래로 이동시킴으로써 일정하게 유지된다. 높이 보정치는 추가적인 z 레벨 센서(53) 뿐만 아니라 피드백 시스템으로부터 직접 결정될 수 있다.
동시에, 음향 입력 신호(52)는 표면 하부 현미경 검사를 수행하기 위해 프로브 팁(30)에 인가된다. 상술한 바와 같이, 음향 입력 신호(52)는 표면 하부 구조물(90-95)을 산란 수단 또는 표면(25)의 국부적 탄성 특성을 측정하는 수단에 의해 매핑할 수 있게 한다. 요소(90-95)를 표면(25)의 지형 맵 상에 매핑함으로써, 정렬 오차가 검출될 수 있다. 정렬 오차를 검출한 후, 리소그래피 시스템은 피드백 메카니즘을 사용하여 조정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 오버레이 에러 검출 방법을 제조 공정 중에 주기적으로 수행함으로써, 반도체 디바이스의 제조 공정 전반에 걸쳐 오버레이 에러가 최소로 감소된다.
본 발명은 반제품 반도체 디바이스 상에 다른 층을 형성하기 전, 즉, 다층 반도체 디바이스의 제조 중에 디바이스 층의 정렬을 결정하기 위해 적용될 수도 있다. 예를 들어, 표면 하부 AFM은 레지스트 층 아래의 디바이스 층의 정렬을 결정하기 위해 수행될 수 있다. 이 경우에, 다음 층을 형성하기 전에, 검출된 디바이스 층 배향 및 정렬에 대한 노광의 정렬은 이들 사이의 오버레이 오차를 감소시키거나 심지어 방지하도록 수정될 수 있다. 이 방법은, 후속하는 패터닝된 층을 증착 또는 생성하기 전에 디바이스 상에서 수행되고 보정이 선행적으로(up-front) 수행된다는 것을 제외하고는, 지금까지 설명한 것과 크게 다르지 않다.
본 발명은 몇몇 특정 실시예의 관점에서 기재되었다. 도면에 도시되고 본 명세서에 기술된 실시예는 예시의 목적으로만 의도되었으며 임의의 방식 또는 수단에 의해 본 발명을 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다. 본 발명의 동작 및 구성은 전술한 설명 및 이에 첨부된 도면으로부터 명백할 것이다. 당업자에게는 본 발명이 본 명세서에 기술된 임의의 실시예에 한정되지 않고 첨부된 청구범위의 범주 내에서 고려되어야 하는 변경이 가능하다는 것이 명백할 것이다. 또한, 운동학적인 치환이 본질적으로 개시된 것으로 간주되고 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 청구범위에서, 임의의 참조 부호는 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 명세서 또는 청구범위에서 사용되는 '포함하는' 및 '구비하는'이라는 용어는 배타적인 또는 완전한 의미로 해석되어서는 안되며 오히려 포괄적인 의미로 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 "포함하는"이라는 표현은 임의의 청구항에 열거된 것 이외의 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하는 것이 아니다. 또한, 단수의 표현은 단수 만으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 대신에 '적어도 하나'를 의미하는 것으로 사용되며, 복수의 존재를 배제하는 것이 아니다. 구체적으로 또는 명시적으로 기술되지 않은 또는 청구되지 않은 특징이 본 발명의 범위 내에서 본 발명의 구조물 내에 추가로 포함될 수 있다. "...하는 수단"과 같은 표현은 "...하도록 구성된 컴포넌트" 또는 "...하도록 구성된 부재"로 판독되어야 하며, 개시된 구조물에 대한 등가물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "중요", "선호", "특히 선호되는" 등과 같은 표현의 사용은 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 당업자의 이해의 범위 내에서 추가, 삭제 및 변경은, 청구 범위에 의해 결정되는 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 행해질 수 있다. 본 발명은 본원에서 구체적으로 설명된 것과 달리 실시될 수 있으며 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (15)

  1. 원자력 현미경 시스템을 사용하여 다층 반도체 디바이스의 디바이스 층 간의 오버레이 오차를 결정하는 방법으로서,
    상기 반도체 디바이스는 적어도 제 1 패터닝된 층 및 제 2 패터닝된 층을 포함하는 디바이스 층의 스택을 포함하며, 상기 원자력 현미경 시스템은 적어도 하나의 스캔 헤드를 포함하며, 상기 스캔 헤드는 프로브를 포함하고, 상기 프로브는 캔틸레버 및 상기 캔틸레버 상에 배열된 프로브 팁을 포함하며,
    상기 방법은:
    상기 프로브 팁으로 표면을 스캐닝하기 위해 상기 표면에 대해 평행한 하나 이상의 방향으로 상기 프로브 팁 및 상기 반도체 디바이스를 서로에 대해 이동시키는 것과;
    상기 스캐닝 동안 팁 포지션 검출기로 상기 스캔 헤드에 대한 상기 프로브 팁의 움직임을 모니터링하여 출력 신호를 획득하는 것과;
    상기 스캐닝 동안, 상기 프로브 또는 상기 반도체 디바이스 중 적어도 하나에 제 1 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 1 음향 입력 신호를 인가하는 것을 포함하고;
    상기 방법은:
    상기 출력 신호를 분석 시스템 및 저역 통과 필터 모두에 제공하는 것과;
    상기 분석 시스템을 사용하여 상기 출력 신호를 분석하여, 상기 반도체 디바이스의 표면 아래의 적어도 표면 하부 나노구조물을 매핑하는 것과;
    상기 저역 통과 필터를 사용하여 상기 출력 신호를 필터링하여, 필터링된 출력 신호를 제공하고, 상기 필터링된 출력 신호를 피드백 제어기에 제공하고, 상기 피드백 제어기의 제어 신호를 분석하여, 상기 표면 상의 표면 상부 구조물을 매핑하는 것과;
    상기 매핑된 표면 하부 나노구조물 및 상기 매핑된 표면 상부 구조물에 기초하여 상기 제 1 패터닝된 층과 상기 제 2 패터닝된 층 간의 오버레이 오차를 결정하는 것을 포함하는
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 스캐닝 동안, 제 2 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 2 음향 입력 신호를 상기 반도체 디바이스에 인가하는 것을 더 포함하는
    방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수 및 상기 제 2 주파수는 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수 사이의 차이가 10 메가 헤르츠보다 작도록 되어 있는
    방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 1 기가 헤르츠보다 크고, 상기 제 2 주파수는 1 기가 헤르츠보다 큰
    방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는, 0.01 메가 헤르츠 내지 100 메가 헤르츠의 범위 내에 있고, 상기 제 2 주파수는, 0.01 메가 헤르츠 내지 100 메가 헤르츠의 범위 내에 있는
    방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 입력 신호는, 상기 프로브에 인가되고, 상기 제 1 음향 입력 신호는, 상기 캔틸레버 또는 상기 프로브 팁에 연결된 음향 변환기, 상기 캔틸레버와 협동하는 정전 액추에이터, 상기 캔틸레버에 탄력적으로 부착되는 상기 프로브 팁과 협동하는 정전 액추에이터, 또는 상기 캔틸레버 또는 상기 프로브 팁 중 적어도 하나의 광열 여기자를 포함한 그룹 중 적어도 하나의 수단에 의해 인가되는
    방법.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 또는 상기 제 1 음향 입력 신호는, 상기 반도체 디바이스에 인가되고, 상기 신호는 상기 반도체 디바이스의 표면의 광열 여기자의 수단에 의해 인가되는
    방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음향 입력 신호는, 추가의 음향 입력 신호가 없을 때 상기 프로브에 인가되고, 상기 제 1 주파수는, 0.01 메가 헤르츠 내지 100 메가 헤르츠의 범위 내에 있는
    방법.
  9. 다층 반도체 디바이스의 제조 방법으로서,
    적어도 2 개의 후속하는 반도체 재료의 패터닝된 층의 증착을 포함하는 재료 층의 스택을 기판 상에 형성하는 단계 - 상기 패터닝된 층은 제 1 패터닝된 층 및 제 2 패터닝된 층을 포함함 - 와;
    상기 제 1 패터닝된 층과 상기 제 2 패터닝된 층 간의 오버레이 오차를 결정하는 단계를 포함하고;
    상기 오버레이 오차를 결정하는 단계는, 초음파 원자력 현미경 디바이스를 사용하는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 포함하는
    다층 반도체 디바이스의 제조 방법.
  10. 다층 반도체 디바이스의 디바이스 층 간의 오버레이 오차를 결정하기 위해, 리소그래피 시스템에 사용하기 위한 원자력 현미경 디바이스로서,
    상기 반도체 디바이스는 적어도 제 1 패터닝된 층 및 제 2 패터닝된 층을 포함하는 디바이스 층의 스택을 포함하며,
    상기 원자력 현미경 디바이스는 스캔 헤드를 포함하고, 상기 스캔 헤드는 프로브를 포함하고, 상기 프로브는 캔틸레버 및 상기 캔틸레버 상에 배열된 프로브 팁을 포함하며,
    상기 원자력 현미경 디바이스는:
    상기 스캔 헤드 또는 기판 홀더 중 적어도 하나와 협동하여, 상기 프로브 팁으로 표면을 스캐닝하기 위해 상기 표면에 대해 평행한 하나 이상의 방향으로 상기 프로브 팁 및 상기 반도체 디바이스를 서로에 대해 이동시키는 액추에이터와;
    상기 스캐닝 동안 상기 스캔 헤드에 대한 상기 프로브 팁의 움직임을 측정하기 위한 팁 포지션 검출기 - 상기 검출기는 상기 움직임을 나타내는 출력 신호를 제공하도록 배열됨 - 와;
    상기 팁 포지션 검출기로부터 상기 출력 신호를 수신하고 분석하기 위한 제어기와;
    상기 프로브 또는 상기 반도체 디바이스 중 적어도 하나에 제 1 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 1 음향 입력 신호를 인가하기 위한 제 1 액추에이터를 포함하고;
    상기 원자력 현미경 디바이스는:
    저역 통과 필터를 더 포함하고, 상기 제어기 및 상기 저역 통과 필터 모두는 상기 출력 신호를 수신하도록 구성되며;
    상기 저역 통과 필터는 상기 출력 신호를 필터링하여, 필터링된 출력 신호를 제공하고, 상기 필터링된 출력 신호를 피드백 제어기에 제공하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 피드백 제어기의 제어 신호를 분석하여, 상기 표면 상의 표면 상부 구조물을 매핑하도록 구성되며;
    상기 제어기는, 상기 출력 신호를 분석하여, 상기 반도체 디바이스의 표면 아래의 적어도 표면 하부 나노구조물을 매핑하고, 상기 매핑된 표면 하부 나노구조물 및 상기 매핑된 표면 상부 구조물에 기초하여 상기 제 1 패터닝된 층과 상기 제 2 패터닝된 층 간의 상기 오버레이 오차를 결정하도록 또한 구성되는
    원자력 현미경 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    제 2 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 2 음향 입력 신호를 상기 반도체 디바이스에 인가하기 위한 제 2 액추에이터를 더 포함하는
    원자력 현미경 디바이스.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 액추에이터는, 상기 프로브에 상기 제 1 음향 입력 신호를 인가하도록 배열되며, 상기 제 1 액추에이터는, 상기 캔틸레버 또는 상기 프로브 팁 중 적어도 하나에 연결된 음향 변환기, 상기 캔틸레버와 협동하는 정전 액추에이터, 상기 캔틸레버에 탄력적으로 부착된 상기 프로브 팁과 협동하는 정전 액추에이터, 또는 상기 캔틸레버에 유연하게 부착된 정전기 액추에이터, 또는 상기 캔틸레버 또는 상기 프로브 팁 중 적어도 하나의 광열 여기자를 위한 펄스형 레이저와 같은 펄스형 광원을 포함하는 그룹 중 적어도 하나의 요소를 포함하는
    원자력 현미경 디바이스.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 또는 상기 제 1 음향 입력 신호 중 적어도 하나가 상기 반도체 디바이스에 인가되며, 제 2 액추에이터는, 상기 반도체 디바이스의 표면의 광열 여기자에 의해 각각의 제 2 또는 제 1 음향 입력 신호를 인가하기 위한 펄스형 광원을 포함하는
    원자력 현미경 디바이스.
  14. 다층 반도체 디바이스의 제조를 위한 리소그래피 시스템으로서,
    상기 시스템은 제 10 항, 제 11 항 또는 제 13 항에 따른 원자력 현미경 디바이스를 포함하는
    리소그래피 시스템.
  15. 원자력 현미경 시스템을 사용하여 반제품의 다층 반도체 디바이스의 패터닝된 디바이스 층의 정렬을 결정하여, 상기 반도체 디바이스의 제조 동안, 오버레이 오차를 감소시키는 방법으로서,
    상기 반제품의 다층 반도체 디바이스는 패터닝된 디바이스 층을 구비한 하나 이상의 층을 덮는 레지스트 층을 포함하며, 상기 원자력 현미경 시스템은 적어도 하나의 스캔 헤드를 포함하고, 상기 스캔 헤드는 프로브를 포함하고, 상기 프로브는 캔틸레버 및 상기 캔틸레버 상에 배열된 프로브 팁을 포함하며,
    상기 방법은:
    상기 프로브 팁으로 표면을 스캐닝하기 위해 상기 표면에 대해 평행한 하나 이상의 방향으로 상기 프로브 팁 및 상기 반도체 디바이스를 서로에 대해 이동시키는 것과;
    상기 스캐닝 동안 팁 포지션 검출기로 상기 스캔 헤드에 대한 상기 프로브 팁의 움직임을 모니터링하여 출력 신호를 획득하는 것을 포함하며;
    상기 방법은:
    상기 스캐닝 동안, 상기 프로브 또는 상기 반도체 디바이스 중 적어도 하나에 제 1 주파수의 신호 성분을 포함하는 제 1 음향 입력 신호를 인가하는 것과;
    상기 출력 신호를 분석하여, 상기 반도체 디바이스의 표면 아래의 적어도 표면 하부 나노구조물을 매핑하는 것과;
    상기 분석에 기초하여 상기 패터닝된 디바이스 층의 정렬을 결정하는 것을 포함하고;
    상기 방법은, 상기 패터닝된 디바이스의 결정된 정렬에 기초하여, 상기 반도체 디바이스 상에 형성될 추가의 패터닝된 디바이스 층의 정렬에 대해 상기 반도체 디바이스의 정렬을 적응시키는 것을 더 포함하는
    방법.
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