KR20020074232A - Ｘ선 투영 노광장치, ｘ선 투영 노광방법 및 반도체디바이스 - Google Patents

Abstract

소망의 미세 패턴을 웨이퍼 상의 회로 패턴에 고정밀도로 중첩하여 노광할 수 있는 X선 투영노광장치를 제공한다. 이 X선 투영노광장치는, X선 원과, X선 원으로부터 발생되는 X선을 소정의 패턴을 갖는 마스크 상에 조사하는 X선 조명광학계와, 이 마스크를 지지하는 마스크 스테이지와, 마스크로부터의 X선을 받아 이 패턴의 이미지를 레지스트를 도포한 웨이퍼 상에 투영하는 X선 투영광학계 (1) 와, 웨이퍼 (4) 를 지지하는 웨이퍼 스테이지 (5) 와, 웨이퍼 (4) 에 형성된 마크 (4a) 의 위치를 검출하는 마크위치 검출기구 (6) 를 구비한다. 또한 X선 투영광학계 (1) 의 노광시야의 중심 (36) 은 이 광학계 (1) 의 중심축 (1a) 으로부터 떨어진 위치에 있다. 또 마크위치 검출기구 (6) 의 중심축 (6a) 은 X선 투영광학계 (1) 의 중심축 (1a) 에 대하여 노광 시야측에 있다.

Description

Ｘ선 투영 노광장치, Ｘ선 투영 노광방법 및 반도체 디바이스{X-RAY PROJECTION EXPOSURE DEVICE, X-RAY PROJECTION EXPOSURE METHOD, AND SEMICONDUCTOR DEVICE}

기술분야

본 발명은 예컨대 포토마스크 (마스크 또는 레티클) 상의 회로패턴을 파장 1∼30 ㎚ 의 X선을 이용하여, 반사형 결상광학계를 통하여 웨이퍼 등의 기판 상에 전사하는 X선 투영노광장치에 관한 것이다. 또 이 X선 투영노광장치를 사용한 노광방법 및 이 X선 투영노광장치로 작성한 반도체 디바이스에 관한 것이다.

배경기술

현재 공업적으로 사용되고 있는 반도체 제조용 노광장치는 물체면으로서의 포토마스크 (이하 마스크라고 함) 면 상에 형성된 회로패턴을, 투영광학계를 통하여 웨이퍼 등의 기판 상에 투영전사하는 것이다. 마스크 및 투영광학계의 결상소자 (렌즈 등) 는 모두 투과계이다. 노광광원은 예컨대 고압수은등의 i선이나 KrF 레이저 광원 등이 사용된다.

도 5 는 광투과계의 노광장치의 개념도이다.

이 노광장치는 광원 (도시 생략) 과, 조명광학계 (50) 와, 투영광학계 (51) 와, 마스크 (52) 를 지지하는 마스크 스테이지 (53) 와, 웨이퍼 (54) 를 지지하는 웨이퍼 스테이지 (55) 와, 웨이퍼 마크위치 검출기구 (56) 와 마스크 마크위치 검출기구 (도시생략) 등으로 구성되어 있다.

그 외에, 웨이퍼의 표면위치 검출기구 등도 설치되어 있다. 상기 기구는 예컨대 웨이퍼 상에 비스듬하게 광속을 조사하여, 그 반사 광속을 광검출기로 검출한다. 본 기구에 의해, 상기 웨이퍼의 광축방향의 표면위치를 알 수 있다. 이와 같은 표면위치검출기구의 구체예는 일본 공개특허공보 평6-283403호나 8-64506호, 일본 공개특허공보 평10-214783호에 개시되어 있다.

상기 마크위치 검출기구는 웨이퍼 및 마스크 상에 형성된 마크위치를 광학적 수단으로 검출한다.

마스크 (52) 는 웨이퍼 (54) 에 전사하는 패턴의 등배 또는 확대 패턴이 형성되어 있다.

투영광학계 (51) 는 통상적으로 복수의 렌즈 등으로 구성되어, 상기 마스크 (52) 상의 패턴을 상기 웨이퍼 (54) 상에 결상하여 일괄 전사할 수 있도록 되어 있고, 약 20 ㎜ 각의 노광시야를 갖고 있기 때문에, 소망의 영역 (예컨대 반도체 2 칩분의 영역) 을 일괄하여 노광할 수 있다.

반도체 디바이스의 회로는 복수층에 걸쳐 형성되기 때문에, 투영노광장치를 사용한 리소그래피수법으로 반도체 디바이스를 작성할 때에는 이미 웨이퍼 상에 형성되어 있는 회로 상에 고정밀도의 중첩노광을 실시하게 된다. 중첩 정밀도를 확보하기 위해서는 노광중의 마스크 (52) 및 웨이퍼 (54) 의 위치를 정밀하게 검출하는 기구가 필요하다. 이와 같은 기구로서, 마스크 스테이지 (53) 나 웨이퍼 스테이지 (55) 의 위치를 리얼타임으로 측정하는 간섭계 (도시생략) 와, 상기 양스테이지의 기준위치를 구하는데에 사용하는 웨이퍼 (54) 및 마스크 (52) 상에 형성된 마크 (도시생략) 를 광학적인 수단으로 검출하는 마크위치 검출기구 (56 ; 마스크측의 마크검출기구는 도시생략) 가 사용된다.

마크위치 검출기구 (56) 는 예컨대 광학현미경과 같은 구성으로 하고, 마크의 확대 이미지를 CCD 등의 화상검출기로 검출한다. 마크위치 검출기구는 기기배치상의 제약으로부터 투영광학계 (51) 에 인접하여 배치되는 경우가 많다. 이와 같은 마크위치 검출기구의 구체예는 일본 공개특허공보 평5-21314호 등에 개시되어 있다.

도 6 은 노광면 상의 노광시야와 마크위치 검출기구의 검출중심의 관계를 나타낸 설명도이다.

도 6 의 중앙부의 해칭된 영역이 노광시야 (62) 이고, 그 중심이 노광시야중심 (61) 이다. 이 예에서는 노광시야 (62) 는 장방형이다. 노광시야중심 (61) 을 지나, 웨이퍼 스테이지의 구동축에 평행하게 그은 도면중에서 가로방향으로 연장되는 일점쇄선의 직선이 x 방향 중심선 (64) 이다. 상기 중심선 (64) 과, 노광시야중심 (61) 에서 직각으로 교차되는 것이 y 방향 중심선 (65) 이다.

종래의 일반적인 노광장치는 투영광학계의 중심축과, 정방형 또는 장방형의 노광시야 (62) 의 중심점 (61) 은 일치하고 있다. 이것은, 투과굴절계의 투영광학계의 렌즈는 축대칭 형상으로 중심부의 광학수차가 작으므로, 이 축부근의 시야를 사용하는 것이 원칙이라고 할 수 있기 때문이다.

다음으로 검출중심 (63) 에 대하여 설명한다. 마크위치 검출기구 (56 ;도 5 참조) 로서 광학검출기구를 사용할 경우, 마크위치 검출기구 (56) 와 투영광학계 (51) 가 간섭되지 않도록, 검출중심 (63) 은 상기 노광시야의 중심점 (61) 으로부터 일정거리 (도면중의 BL) 떨어진 위치에 배치된다. 또한 검출중심 (63) 은 실질적으로는 마크위치 검출기구 (56) 의 광학계의 중심축과 웨이퍼면의 교점이다. 또 거리 BL 은 투영광학계 (51) 의 경통반경과 마크위치 검출기구 (56) 의 광학경통의 반경을 더한 치수와 대략 같다. 또한 웨이퍼 스테이지의 구동축과 일치하는 방향을 도 6 에 나타내는 x 방향 중심선 (64) 으로 하고, 이것에 직각인 방향을 y 방향 중심선 (65) 으로 하면, 이들의 선상 (x 축 또는 y 축상) 에서 투영광학계 중심점 (61) 에서 BL 거리에 있는 위치 (63a, 63b, 63c, 63d) 의 4점중 어느 하나에 배치하는 경우가 많았다.

노광할 때에는 미리 노광시야의 중심 (61) 과 마크위치 검출기구의 검출중심 (63) 의 간격 BL (이 간격을 베이스라인이라고 함) 을 측정한다. 그리고 웨이퍼 상의 마크위치를 마크위치 검출기구로 검출하고, 사전에 판명되어 있는 마크위치와 노광하고자 하는 웨이퍼 상의 위치의 관계와 베이스라인으로부터, 노광하고자 하는 웨이퍼 상의 위치의 좌표를 구하고, 이 좌표 위치가 노광시야의 중심위치와 일치하도록, 웨이퍼 스테이지를 이동시킨다.

이상과 같은 방법에 의해, 웨이퍼 상의 원하는 위치에 노광시야를 위치시키고, 그 위치에 패턴을 전사형성할 수 있었다.

그러나 최근 반도체회로의 집적화, 고성능화가 더욱 진행되어, 노광장치의 해상도를 더욱 향상시키는 것이 요구되어 왔다. 일반적으로 노광장치의 해상력W 는 주로 노광파장 λ와 결상광학계의 개구수 NA 로 결정되고, 다음 수학식으로 표시된다.

W = K1 λ/NA k1:정수

따라서 해상력을 향상시키기 위해서는 노광광의 파장을 짧게 하거나, 또는 개구수를 크게 하는 것이 필요하게 된다. 현재 반도체의 제조에 사용되고 있는 노광장치의 노광광원에는 전술한 바와 같이, 주로 파장 365 ㎚ 의 i선이 사용되고 있고, 개구수 약 0.5 에서 0.5 ㎛ 의 해상력이 얻어지고 있다. 개구수를 이 이상 크게 하는 것은 광학설계상 곤란하기 때문에, 노광광의 단파장화가 추구되고 있다.

따라서 최근 i선보다 단파장의 노광광으로서, 예컨대 엑시머레이저가 사용되고 있다. 그 파장은 예컨대 KrF 에서 248 ㎚, ArF 에서 193 ㎚ 이기 때문에, KrF 에서는 0.25 ㎛, ArF 에서는 0.18 ㎛ 의 해상력이 얻어진다.

그리고 노광광으로서 더욱 파장이 짧은 X선을 사용하면, 예컨대 파장 13 ㎚ 으로 하면, 0.1 ㎛ 이하의 해상력이 얻어진다.

이와 같은 X선 투영노광장치의 경우, X선의 투과성이 좋은 렌즈재료가 공업적으로는 얻어지지 않기 때문에, 투영결상광학계를 전부 반사경으로 구성할 필요가 있다. 반사식 광학계의 경우, 광학계의 중심축 부근에 시야가 넓은 광학계를 설계하는 것은 곤란하다. 한편 투영광학계의 노광시야를 광학계의 중심축으로부터 떨어진 위치에 형성하고 (소위 축 분리 광학계), 예컨대 윤대(輪帶)형상으로 하면, 가늘고 긴 노광시야내에서 높은 해상도를 얻을 수 있다.

또한 노광시에, 마스크와 웨이퍼를 주사함으로써, 작은 시야의 결상광학계로 20 ㎜ 각 이상의 반도체 칩을 노광할 수 있다. 이와 같은 방법을 이용하는 X선 투영노광장치에 의하면 원하는 노광영역을 확보할 수 있다.

도 7 은 현재 고안되고 있는 X선 투영노광장치의 개념도이다.

X선 투영노광장치의 주된 구성요소는 주로 X선 광원 (77), X선 조명광학계 (78), X선 투영광학계 (71), 마스크 (72), 마스크 스테이지 (73), 웨이퍼 (74), 웨이퍼 스테이지 (75) 이다.

X선 광원 (77) 은, 예컨대 방전 플라스마식 X선 광원이다. 조명광학계 (78) 는 여러 단의 반사렌즈, 필터 등으로 이루어지고, 윤대 형상의 조명광을 마스크 (72) 쪽으로 조사한다.

X선 투영광학계 (71) 는 복수의 반사경 등으로 구성되고, 마스크 (72) 상의 패턴을 웨이퍼 (74) 상에 결상한다. 각 반사경의 표면에는 X선의 반사율을 높이기 위한 다층막이 형성되어 있다. X선 투영광학계 (71) 는 윤대 형상의 노광시야를 갖고, 마스크 (72) 의 일부 윤대 형상의 영역 패턴을, 웨이퍼 (74) 의 표면에 전사한다.

마스크 (72) 는 반사형이고, 그 반사면에 회로패턴이 형성되어 있다. 마스크가 반사형이기 때문에, X선 투영광학계 (71) 는 마스크측이 비텔레센트릭한 광학계로 된다.

파장 1∼30 ㎚ 의 X선은 공기에 의한 흡수가 크기 때문에, 적어도 X선 노광장치의 X선 광로는 감압분위기, He 분위기, 또는 진공환경으로 유지하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 진공환경으로 하는 것으로, 이 때문에 X선 투영노광장치의 광학계는 진공 챔버 (도시생략) 내에 배치된다.

반도체 디바이스는 회로가 복수층에 걸쳐 형성되기 때문에, X선 투영노광장치로 반도체 디바이스의 패턴을 전사노광할 때에도, 이미 웨이퍼 상에 형성되어 있는 회로 상에, 다음의 회로패턴을 중첩 노광시킨다. 이 중첩 노광을 고정밀도로 실시하기 위해, 노광중의 마스크 (72) 및 웨이퍼 (74) 의 위치를 정밀하게 검출하는 기구가 필요하다. 이와 같은 기구로서, 마스크 스테이지 (73) 나 웨이퍼 스테이지 (75) 의 위치를 리얼타임으로 측정하는 간섭계 (도시생략) 와, 상기 양 스테이지의 기준위치를 구하는데에 사용하는, 웨이퍼 (74) 및 마스크 (72) 상에 형성된 마크 (도시생략) 를 광학적인 수단으로 검출하는 마크위치 검출기구 (도시생략) 가 사용된다.

그러나 반도체 디바이스의 패턴을 전사하는 경우는 패턴의 이미지를 웨이퍼 상의 소망의 위치에 투영할 필요가 있다. 이 이미지의 위치정밀도는 적어도 형성된 패턴의 최소 선폭보다도 작게 하는 것이 필요하고, 바람직하게는 패턴의 최소 선폭의 1/4 이하가 요구된다. 따라서 노광장치의 해상력의 향상에 따라, 패턴의 위치정밀도 즉, 중첩 정밀도도 향상시켜야 된다.

X선 투영노광장치는 종래의 광투영노광장치보다도, 투영 패턴의 최소 선폭이 작기 때문에, 중첩 정밀도도 향상시킬 필요가 있다. 중첩 정밀도를 향상시키기 위해서는 얼라인먼트 마크의 검출정밀도의 향상, 웨이퍼 스테이지의 구동정밀도의 향상, 베이스라인의 안정성의 향상이 요구된다. 베이스라인의 안정성이란, 베이스라인 (노광시야중심과 마크위치 검출기구의 간격, 도 6 의 BL) 을 측정한 후, 노광할 때까지의 그 사이에 이 값이 일정하게 유지되는 정도를 말한다. 이것이 불안정하면, 웨이퍼의 소망의 위치에 노광위치를 맞출 수 없어 중첩 오차로 된다. 베이스라인이 변동되는 요인은, 투영광학계 경통의 변형이나 그 지지기구의 변형 등이다. 따라서 베이스라인의 안정성은, 경통이나 마크위치 검출기구 및 이들을 지지하는 지지기구의 안정성, 및 베이스라인의 길이에 의해 좌우된다. 마크위치를 검출하여 웨이퍼의 위치ㆍ자세를 얼라인먼트한 후에 노광으로 이행할 때에는 마크위치 검출기구의 검출위치부터 노광위치까지 웨이퍼 스테이지를 구동한다. 따라서, 마크위치 검출기구의 검출위치와 노광시야 사이의 거리인 베이스라인이 길어지면, 웨이퍼 스테이지의 구동거리가 길어져 스테이지의 위치정밀도도 떨어지므로 중첩 정밀도가 나빠진다.

현재 제안되고 있는 X선 투영노광장치는 충분한 베이스라인 안정성을 확보하는 것이 곤란하고, 그 결과, 해상력에 알맞은 중첩 정밀도를 얻을 수 없는 문제점이 예상된다. 그 결과, 제조되는 반도체 디바이스의 수율을 보증하지 못할 우려가 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 원하는 미세 패턴을 웨이퍼 상의 회로 패턴에 고정밀도로 중첩 노광할 수 있는 X선 투영노광장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 개시

본 발명은 첫째로 「X선 원과, 이 X선 원으로부터 발생되는 X선을 소정의 패턴을 갖는 마스크 상에 조사하는 X선 조명광학계와, 이 마스크를 지지하는 마스크 스테이지와, 이 마스크로부터의 X선을 받아 이 패턴의 이미지를 레지스트를 도포한 웨이퍼 상에 투영하는 X선 투영광학계와, 이 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 스테이지와, 이 웨이퍼 또는 이 웨이퍼 스테이지에 형성된 마크의 위치를 검출하는 마크위치 검출기구를 구비하고, 상기 X선 투영광학계의 노광시야가 이 광학계의 중심축으로부터 떨어진 위치에 있는 X선 투영노광장치로, 상기 마크위치 검출기구의 검출중심이, 상기 X선 투영광학계의 중심축에 대하여, 상기 노광시야의 측에 있는 것을 특징으로 하는 X선 투영노광장치 (청구항 1)」를 제공한다.

또 본 발명은 둘째로, 「X선 원과, 이 X선 원으로부터 발생되는 X선을 소정의 패턴을 갖는 마스크 상에 조사하는 X선 조명광학계와, 이 마스크를 지지하는 마스크 스테이지와, 이 마스크로부터의 X선을 받아 이 패턴의 이미지를 레지스트를 도포한 웨이퍼 상에 투영하는 X선 투영광학계와, 이 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 스테이지와, 이 웨이퍼 또는 이 웨이퍼 스테이지에 형성된 마크의 위치를 검출하는 마크위치 검출기구를 구비하고, 상기 X선 투영광학계의 노광시야가 이 광학계의 중심축으로부터 떨어진 위치에 있는 X선 투영노광장치로, 상기 X선 투영광학계의 이미지면 상에서, 이 광학계의 중심축과 이 이미지면의 교점을 원점으로 하여, 노광시야의 중심이 x축 상에서 x < 0 인 위치로 되도록 xy 좌표계를 정한 경우에, 이 마크위치 검출기구의 검출중심이 x ≤0 인 영역에 있는 것을 특징으로 하는 X선 투영노광장치 (청구항 2)」를 제공한다.

또 본 발명은 셋째로, 「상기 검출중심을 상기 x 축상에, 또는 상기 X선 투영광학계의 노광시야의 중심점을 지나 이 x 축에 직교하는 직선상에 배치한 것을 특징으로 하는 청구항 2 에 기재된 X선 투영노광장치 (청구항 3)」를 제공한다.

또 본 발명은 넷째로, 「상기 마크위치 검출기구는 상기 마크에 가시광, 적외광 또는 자외광을 조사하여, 그 반사광, 산란광 또는 회절광을 검출하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 2 에 기재된 X선 투영노광장치 (청구항 4)」를 제공한다.

또 본 발명은 다섯째로, 「상기 마크위치 검출기구는 광학계로 구성하고, 이 광학계는 광로 매체의 굴절율변화에 의한 초점위치의 변화를 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 2 에 기재된 X선 투영노광장치 (청구항 5)」를 제공한다.

또 본 발명은 여섯째로, 「X선 원으로부터 발생되는 X선을 소정의 패턴을 갖는 마스크 상에 조사하고, 이 마스크를 마스크 스테이지에 지지하고, 이 마스크의 패턴의 이미지를 레지스트를 도포한 웨이퍼 상에 투영하고, 이 웨이퍼를 웨이퍼 스테이지에 지지하고, 이 웨이퍼 또는 이 웨이퍼 스테이지에 형성된 마크의 위치를 마크위치 검출기구를 사용하여 검출하고, 상기 X선 투영광학계의 노광시야를 이 광학계의 중심축으로부터 떨어진 위치에 두고, 상기 X선 투영광학계의 이미지면 상에서, 이 광학계의 중심축과 이 이미지면의 교점을 원점으로 하여, 노광시야의 중심이 x축 상에서 x < 0 인 위치로 되도록 xy 좌표계를 정한 경우에, 이 마크위치 검출기구의 검출중심을 x ≤0 인 영역에 배치하고, 상기 마크위치 검출기구의 검출신호에 의거하여, 상기 웨이퍼 스테이지를 구동하여, 상기 웨이퍼의 원하는 위치에상기 마스크에 형성된 회로 패턴의 투영상을 형성하는 것을 특징으로 하는 X선 투영노광방법 (청구항 6)」를 제공한다.

또 본 발명은, 일곱번째로 「상기 xy좌표계의 원점과 상기 X선 투영광학계의 노광시야의 중심점과의 간격을 측정하고, 그 값에 의거하여 상기 웨이퍼 스테이지의 구동량을 결정하는 것을 특징으로 하는 청구항 6 에 기재된 X선 투영노광방법 (청구항 7)」를 제공한다.

또 본 발명은, 여덟번째로 「청구항 6 또는 7 에 기재된 X선 투영노광방법에 의해 노광을 실시하여 제작한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스 (청구항 8)」를 제공한다.

도면의 간단한 설명

도 1 은 본 발명에 의한 X선 투영노광장치의 개략도이다.

도 2 는 마크위치 검출기구의 구체적인 구성예를 나타낸 도면이다.

도 3 은 본 발명에 의한 X선 투영노광장치의 노광시야와 마크위치 검출기구의 검출중심의 위치관계를 나타낸 도면이다.

도 4 는 본 발명에 의한 X선 투영노광장치의 개략도이다.

도 5 는 광투과계의 노광장치의 개념도이다.

도 6 은 종래의 노광장치의 노광시야와 마크위치 검출기구의 검출중심의 관계를 나타낸 설명도이다.

도 7 은 현재 고안되고 있는 X선 투영노광장치의 개념도이다.

발명을 실시하기 위한 최량의 형태

도 1 은 본 발명에 의한 X선 투영노광장치의 개략도이다.

본 발명의 X선 투영노광장치의 주된 구성요소는 X선 원 (41), X선 조명광학계 (42), X선 투영광학계 (1), 마스크 (2) 를 지지하는 마스크 스테이지 (3), 웨이퍼 (4) 를 지지하는 웨이퍼 스테이지 (5), 웨이퍼 마크위치 검출기구 (6), 마스크 마크위치 검출기구 (도시생략) 이다.

X선 원 (41) 은, 예컨대 방전 플라스마식 X선 광원이다. X선 조명광학계 (42) 는 여러 단의 렌즈, 필터 등으로 이루어지고, 윤대 형상의 조명광을 마스크 (2) 쪽으로 조사한다. 마스크 (2) 는 반사형이고, 그 반사면에, 웨이퍼 (4) 상에 묘화되는 패턴의 등배 또는 확대 패턴이 형성되어 있다. X선 투영광학계 (1) 는 윤대 형상의 노광시야를 갖고, 복수의 반사경 등으로 구성되어 있다. 마스크 (2) 가 반사형이기 때문에, 상기 광학계 (1) 는 마스크측이 비텔레센트릭한 광학계로 되어 있다. 마스크 (2) 의 패턴은 X선 투영광학계 (1) 에서 웨이퍼 (4) 의 표면에 결상된다. 이 때, 마스크 (2) 와 웨이퍼 (4) 를 일정 속도로 동기주사시켜, 마스크 (2) 의 패턴영역을 선택적으로 노광하고, 웨이퍼 (4) 의 표면에 전사한다.

또한 파장이 1∼30 ㎚ 의 X선은 공기에 의한 흡수가 크기 때문에, X선 노광장치의 X선 광로는 감압분위기, He 분위기, 또는 진공분위기로 유지하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 진공분위기로 하는 것으로, X선 투영노광장치의 광학계는 진공 챔버 (도시생략) 내에 배치되어 있다.

상기 웨이퍼 마크위치 검출기구 (6) 는 예컨대 웨이퍼 상의 마크 (4a) 및 웨이퍼 스테이지 상의 마크 (도시생략) 의 위치를 광학적인 수단 등으로 검출하는 장치이다. 이 기구로부터 얻은 웨이퍼의 위치정보를 근거로 웨이퍼 좌표를 설정하여 웨이퍼 스테이지를 구동하고, 마스크 상의 패턴을 웨이퍼 상의 원하는 위치에 노광한다.

도 2 는 마크위치 검출기구의 구체적인 구성예를 나타내는 도면이다.

이 예의 웨이퍼 마크위치 검출기구 (6) 는 광학현미경과 같은 것이다. 마크위치 검출기구 (6) 의 광축 (6a ; 검출중심) 의 바로 아래에 웨이퍼 마크 (4a) 가 오도록 웨이퍼 스테이지 (5) 를 위치결정하고, 마크 (4a) 의 확대 이미지를 CCD 등의 검출기 (21) 로 검출하여, 화상처리에 의해 마크의 위치를 검출한다. 이 예의 웨이퍼 마크위치 검출기구 (6) 는 레지스트가 감광하기 어려운 광을 발하는 광원 (도시생략) 과, 광원으로부터 사출된 광을 마크에 조사하는 조명광학계 (도시생략) 와 마크의 이미지를 검출기 상에 확대투영하는 검출광학계 (22, 23) 와, CCD 등의 검출기 (21) 로 구성되어 있다. 검출광학계의 개구수를 크게 하여 높은 콘트라스트의 마크 이미지를 얻게 되어, 고정밀도의 마크위치검출을 할 수 있다. 마크위치 검출기구 (6) 에는 위치조정기구 (24) 가 설치되어 있는데, 이 기구 (24) 에 대해서는 후술한다.

다음으로 도 3 을 참조하면서, 본 발명의 X선 투영노광장치에서의 노광시야와 웨이퍼 마크위치 검출기구의 검출중심의 위치관계에 대하여 설명한다.

이 도면은, 노광시야 (31) 가 윤대 형상인 경우에 대하여 나타낸 것으로, 노광시야 (31) 를 포함하는 평면 (X선 투영광학계의 이미지면) 을 위에서 본 도면이다. 이 예에서는 노광시야 (31) 는 X선 투영광학계의 중심축과 이 이미지면의 교점 (32) 을 중심으로 한, 소정 반경과 열림각을 갖는 2개의 원호 (33, 34) 에 끼워진 영역이다. 전술한 바와 같은 반사형 광학계에서는 광학계 중심축 부근에 넓은 시야를 설정하기 어렵기 때문에, 이와 같은 원호 형상 (윤대 형상) 의 노광시야로 되어 있다.

웨이퍼 마크위치 검출기구 (6) 의 검출중심은, 도 2 에 나타낸 바와 같이 마크위치 검출기구 (6) 와 X선 투영광학계 (1) 의 기계적 간섭의 제약으로부터, X선 투영광학계 (1) 의 중심축 (1a) 으로부터 일정거리 떨어진 장소에 배치한다. 통상, 마크위치 검출기구 (6) 는 투영광학계 (1) 의 경통의 측벽에 장착되므로, 마크위치 검출기구 (6) 의 중심축 (6a ; 즉 검출중심) 과 투영광학계 (1) 의 중심축 (1a) 의 거리는 투영광학계 (1 ; 경통) 의 반경 R (예컨대 300㎜) 에 마크위치 검출기구 (6 ; 경통) 의 반경 r (예컨대 50㎜) 을 합한 정도의 값으로 된다.

본 발명에 있어서는 도 3 에 나타낸 바와 같이, 상기 이미지면 상에서, X선 투영광학계의 중심축과 이 이미지면의 교점 (32 ; 투영광학계 중심) 을 원점으로 하고, 노광시야 (31) 의 중심점 (36) 이 x 축상에서 x < 0 인 위치로 되는 xy 좌표계를 정했을 때, x ≤0 인 영역 (도면중 사선으로 나타낸 영역 (39)) 에 웨이퍼 마크위치 검출기구 (6) 의 검출중심 (35a) 을 배치한다.

즉, 투영광학계 중심축인 원점 (32) 과 노광시야 (31) 의 중심 (36) 을 연결한 선을 x 축으로 하고, 원점 (32) 에서 보아 노광시야중심 (36) 이 마이너스가 되도록 x 좌표를 취한다. 그리고 동일하게 마크검출중심 (35a) 도 마이너스측 (0포함) 에 둔다. 이것을 다른 표현으로 하면, 마크위치 검출기구의 검출중심 (35a) 이, 투영광학계 중심축 (1a) 에 대하여, 노광시야 (31) 측에 있다고 할 수 있다. 또한 이 x 축은, 통상 웨이퍼 스테이지를 스캔 이송하는 축과 일치한다.

검출중심 (35) 을 상기 영역 (39) 에 배치함으로써, 다른 장소에 배치한 경우보다도, 베이스라인 BL (검출중심 (35) 과 노광시야중심 (36) 의 거리) 을 작게 할 수 있다. 그 결과, 얼라인먼트 위치부터 노광위치까지의 웨이퍼 스테이지의 구동거리를 짧게 할 수 있어, 베이스라인의 안정성이 향상된다. 특히 검출중심을 x 축 상의 점 (35a) 에 배치하면 베이스라인의 안정성이 향상된다.

또 검출중심을 노광시야의 중심점 (36) 을 지나 x 축에 직교하는 직선 (37 ; y 축 평행선) 상의 점 (35b 및 35c) 에 배치하는 경우도, 좌표 파악이 간단해져 베이스라인의 안정성이 향상된다.

또한 상기 해칭영역 (39) 에서도 투영광학계의 광학경통과 간섭하는 위치에는 마크위치 검출기구를 둘 수 없고, 실제는 원점 (32) 으로부터 도 2 에 나타낸 거리 R + r (투영광학계 경통 반경 + 마크위치 검출기구 반경) 이상 떨어진 위치가 된다. 베이스라인 BL 이 가장 짧은 것은, 도 3 의 x축 상의 검출중심 (35a) 의 경우로, 이 경우의 베이스라인 BL 의 치수는 상기 R + r 에서 원점 (32) 과 노광시야중심 (36) 의 거리 F 를 뺀 값이 된다.

상기 마크위치 검출기구는 상기 마크에 가시광, 적외광 또는 자외광을 조사하여, 그 반사광, 산란광 또는 회절광을 검출하는 것이 바람직하다. 광학적인 검출방법을 채용함으로써, 높은 검출 정밀도를 얻을 수 있다. 특히 검출광의파장대폭을 넓게 하면, 레지스트 내부에서의 광의 간섭효과가 작아져 검출정밀도가 향상된다.

또 마크위치 검출기구를 광학장치로 구성하고, 그 광학계의 일부를 노광환경인 진공중에 배치하는 경우는 환경매체와 광학소자의 굴절율차를 진공과 유리의 굴절율차로 하여 설계하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 고분해능의 광학계를 작성할 수 있어, 마크위치검출 정밀도가 향상된다.

한편, 마크위치 검출기구를 조정할 때는 대기중에서 조정할 수 있으면, 조정이 용이해진다. 이 때, 진공중에서 수차가 최적이 되도록 설계된 광학계는 반드시 대기중에서 동일한 수차특성이 얻어진다고는 할 수 없다. 특히 초점거리가 크게 변화되는 경우가 많다. 따라서 마크위치 검출기구에 초점위치의 보정기구를 설치하는 것이 바람직하다. 본 기능을 설치함으로써, 대기중에서도 마크위치검출이 가능해져, 마크위치 검출기구의 조정을 용이하게 할 수 있다.

상기 보정기구는 예컨대 광학계를 구성하는 렌즈의 일부를 광축방향으로 이동시킬 수 있다. 마크위치 검출기구의 광학계는 그 전부를 진공 챔버내에 배치하거나 또는 일부를 진공 챔버내에 배치하고 나머지 부분을 진공 챔버 밖에 배치하는 형태를 생각할 수 있다. 전자의 경우는 렌즈 등의 위치조정을 진공중에서 실시할 필요가 있기 때문에, 도 2 에 나타낸 바와 같이 진공중에서 구동가능한 모터 등의 액츄에이터 (24) 를 배치하면, 진공중에 있는 렌즈를 원격조작할 수 있기 때문에 바람직하다. 후자에 있어서는 조정기구를 전자와 동일하게 진공중에 배치하여도 되지만, 바람직하게는 진공 챔버 밖에 배치하는 것이 바람직하다. 이것이 조정기구를 저비용으로 작성할 수 있다.

마크위치 검출기구는 광학적인 검출기구에 한정하지 않는다. 마크에 전자선, X선, 입자선을 조사하여, 그 반사, 산란, 회절, 투과 또는 여기한 전자선, X선, 입자선을 검출하는 기구이어도 된다. X선 투영노광장치는 노광환경이 진공이기 때문에, 상기 전자선, X선, 입자선 중 공기에 흡수되기 쉽고, 종래의 노광장치에서는 검출이 곤란하였던 것을 이용하여 검출할 수 있다. 이와 같은 특징을 이용하여, 종래의 노광장치와는 다른 수단으로, 높은 검출정밀도를 달성할 수 있다.

이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들 예에 한정되는 것은 아니다.

도 4 는 본 발명에 의한 제 1 실시형태인 X선 투영노광장치를 나타내고 있다.

본 장치는 주로 X선 광원 (도시생략) 과 X선 조명광학계 (도시생략), X선 투영광학계 (1), 마스크 92) 를 지지하는 마스크 스테이지 (3), 웨이퍼 (4) 를 지지하는 웨이퍼 스테이지 (5), 웨이퍼 마크위치 검출기구 (6), 마스크 마크위치 검출기구 (도시생략), 진공 챔버 (7), 경통을 지지하는 베이스 부재 (8), 베이스 부재 (8) 를 지지하는 제진대 (9) 로 구성된다.

본 장치는 X선 광원으로서 레이저 플라스마 X선 원을 사용하여, 여기에서 발한 X선이 X선 조명광학계를 통하여 마스크 (2) 에 조사된다. 이 때 노광파장은 예컨대 13.5 ㎚ 으로 하고, 마스크 (2) 는 반사형인 것을 사용한다. 마스크(2) 에서 반사된 X선 (11a) 은, X선 투영광학계 (1) 를 통과하여 웨이퍼 (4) 상에 도달하고, 마스크 패턴이 웨이퍼 (4) 상에 축소전사된다.

X선 투영광학계 (1) 는 6장의 반사경으로 구성되고, 배율은 1/4 이고, 폭 2 ㎜ 길이 30 ㎜ 의 윤대 형상의 노광시야를 갖는다. 6장의 반사경은, 경통내에 지지되어 있다. 경통을 인바제로 함으로써 열변형이 쉽게 발생하지 않게 할 수 있다.

반사경은 반사면 형상이 비구면이고, 그 표면에는 X선의 반사율을 향상시키기 위한 Mo/Si 다층막이 코팅되어 있다. Mo 층은 상세하게는 Mo 층과 Ru 층이 번갈아 적층되어 형성되고, 다층막의 내부응력 30 ㎫ 이하로 한 것을 사용한다.

노광시는 마스크 (2) 및 웨이퍼 (4) 는 각각 마스크 스테이지 (3) 및 웨이퍼 스테이지 (5) 에 의해 주사된다. 웨이퍼의 주사속도는 항상 마스크의 주사속도의 1/4 가 되도록 동기되어 있다. 그 결과, 마스크 상의 패턴을 웨이퍼 상에 1/4로 축소하여 전사할 수 있다.

웨이퍼 마크위치 검출기구 (6) 는 전술한 특수한 광학현미경을 사용할 수 있다. 웨이퍼 상의 마크의 확대 이미지를 CCD 로 촬상하고, 화상처리에 의해 웨이퍼의 위치를 검출한다.

웨이퍼 마크위치 검출기구 (6) 의 검출중심은, 도 3 에 나타낸 바와 같이 x 축 상의 점 (35a) 의 위치에 배치한다. 즉 이 위치의 마크의 이미지를 관찰할 수 있도록, 웨이퍼 마크위치 검출기구를 배치한다. 이 때, 노광시야의 중심점 (36) 과 검출중심 (35a) 의 간격인 베이스라인 (도 3 의 BL) 이 최대한으로 작아지도록, 웨이퍼 마크위치 검출기구 (6) 를 배치한다.

웨이퍼 마크위치 검출기구 (6) 는 베이스 부재 (8) 에 고정되어 있다. 베이스 부재 (8) 는 제진대 (9) 상에 배치하여, X선 투영광학계 및 웨이퍼 마크위치 검출기구에 진동이 쉽게 전달되지 않게 되어 있다. 베이스 부재에 마스크 스테이지 (3), 웨이퍼 스테이지 (5) 등으로부터의 진동이 전달되지 않도록, 진공 챔버 (7) 와 베이스 부재 (8) 사이에 벨로즈 등의 완충부재 (10) 를 끼운 구조로 되어 있다. 이상과 같은 구성으로 함으로써, X선 투영광학계 (1) 와 웨이퍼 마크위치 검출기구 (6) 의 위치관계가 대략 일정하게 유지된다.

이상의 기구에 의해, 웨이퍼의 마크의 위치를 10 ㎚ 이하의 고정밀도로 검출할 수도 있게 된다. 또 베이스라인도 10 ㎚ 이하의 안정성을 얻을 수도 있게 된다. 본 발명에 의한 노광장치는 이 검출결과에 의거하여 노광 패턴을 웨이퍼 표면에 형성된 회로패턴에 고정밀도로 중첩하여 노광하고, 최소 크기 0.07 ㎛의 레지스트 패턴을, 원하는 영역인 웨이퍼 상의 반도체 칩 1개분의 영역 전체면에, 원하는 형상으로 얻을 수 있다. 또한 높은 수율이면서 높은 스루풋으로 디바이스를 제작할 수 있다.

전술한 실시형태의 X선 투영노광장치를 사용하여, 레지스트를 도포한 웨이퍼에 노광을 실시하는 예에 대하여 설명한다.

노광할 때에는 미리 웨이퍼 표면의 복수의 마크를 마크위치 검출기구로 검출하여, 마크의 간격을 측정한다. 그리고 측정값과 설계값의 차이로부터, 노광에 최적한 배율보정량을 산출한다. 그리고 마스크 및 웨이퍼를 각각 X선 투영광학계의 광축방향으로 이동시켜 투영배율을 보정한다.

다음에 노광시야중심과 검출중심의 거리인 베이스라인을 측정한다.

또한 웨이퍼 표면 및 마스크 표면의 마크를 웨이퍼 마크위치 검출기구 및 마스크 마크위치 검출기구로 검출한다. 그리고 이미 측정한 베이스라인의 값에 의거하여, 투영 패턴이 웨이퍼 표면에 이미 형성된 회로 패턴에 원하는 중첩 정밀도 이하로 형성되도록, 웨이퍼 스테이지 및 마스크 스테이지를 구동하여 웨이퍼 위치를 조정한다.

이상의 노광방법에 의해, 최소 크기 0.07 ㎛ 의 레지스트 패턴을, 원하는 영역인 웨이퍼 상의 반도체 칩 1개분의 영역 전체면에, 원하는 형상으로 얻을 수도 있게 된다. 이 때의 중첩 정밀도는 10 ㎚ 이하를 기대할 수 있다.

전술한 X선 투영노광장치를 사용하여, 전술한 예의 노광방법에 의해 반도체 디바이스를 제작하는 방법에 대하여 설명한다.

디바이스는 예컨대 16GB (기가 바이트) 의 DRAM 으로 한다. 이 디바이스는 22층의 회로가 형성되어 있고, 그 중의 15층을 본 발명에 의한 X선 투영노광장치로 노광한다. 나머지 7층은 최소 패턴 크기가 0.15 ㎛ 이상이므로, 엑시머 레이저 노광장치로 노광한다, 각 노광 사이에는 레지스트 도포, 도핑, 어닐링, 에칭, 디포지션 등의 처리를 실시하여 디바이스 회로를 제작한다. 그리고 마지막으로 실리콘 웨이퍼를 절단하여 칩형상으로 분할하고, 각 칩을 세라믹제의 패키지에 포장한다.

이상과 같이 제작한 반도체 디바이스는 16GB 의 대용량을 가지면서, 원하는전기특성을 나타내는 것으로 할 수 있다.

산업상의 이용가능성

이상과 같이 본 발명의 X선 투영노광장치에 의하면, 베이스라인을 안정적으로 유지할 수 있다. 그 결과, 변형량이 큰 프로세스 웨이퍼에 대해서도 높은 중첩 정밀도이면서 높은 스루풋으로 노광을 실시할 수 있다.

Claims (8)

1. X선 원;

   상기 X선 원으로부터 발생되는 X선을 소정의 패턴을 갖는 마스크 상에 조사하는 X선 조명광학계;

   상기 마스크를 지지하는 마스크 스테이지;

   상기 마스크로부터의 X선을 받아 상기 패턴의 이미지를 레지스트를 도포한 웨이퍼 상에 투영하는 X선 투영광학계;

   상기 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 스테이지; 및

   상기 웨이퍼 또는 상기 웨이퍼 스테이지에 형성된 마크의 위치를 검출하는 마크위치 검출기구를 구비하고,

   상기 X선 투영광학계의 노광시야가 상기 광학계의 중심축으로부터 떨어진 위치에 있는 X선 투영노광장치이고,

   상기 마크위치 검출기구의 검출중심이, 상기 X선 투영광학계의 중심축에 대하여, 상기 노광시야의 측에 있는 것을 특징으로 하는 X선 투영노광장치.
2. X선 원;

   상기 X선 원으로부터 발생되는 X선을 소정의 패턴을 갖는 마스크 상에 조사하는 X선 조명광학계;

   상기 마스크를 지지하는 마스크 스테이지;

   상기 마스크로부터의 X선을 받아 상기 패턴의 이미지를 레지스트를 도포한 웨이퍼 상에 투영하는 X선 투영광학계;

   상기 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 스테이지; 및

   상기 웨이퍼 또는 상기 웨이퍼 스테이지에 형성된 마크의 위치를 검출하는 마크위치 검출기구를 구비하고,

   상기 X선 투영광학계의 노광시야가 상기 광학계의 중심축으로부터 떨어진 위치에 있는 X선 투영노광장치이고,

   상기 X선 투영광학계의 이미지면 상에서, 상기 광학계의 중심축과 상기 이미지면의 교점을 원점으로 하여, 노광시야의 중심이 x축 상에서 x < 0 인 위치로 되도록 xy 좌표계를 정한 경우에, 상기 마크위치 검출기구의 검출중심이 x ≤0 인 영역에 있는 것을 특징으로 하는 X선 투영노광장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 검출중심을 상기 x 축 상에, 또는 상기 X선 투영광학계의 노광시야의 중심점을 지나 상기 x 축에 직교하는 직선 상에 배치한 것을 특징으로 하는 X선 투영노광장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 마크위치 검출기구는, 상기 마크에 가시광, 적외광 또는 자외광을 조사하여, 그의 반사광, 산란광 또는 회절광을 검출하는 것을 특징으로 하는 X선 투영노광장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 마크위치 검출기구는 광학계로 구성되고, 이 광학계는 광로의 매체의 굴절율변화에 의한 초점위치의 변화를 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 X선 투영노광장치.
6. X선 원으로부터 발생되는 X선을 소정의 패턴을 갖는 마스크 상에 조사하고,

   상기 마스크를 마스크 스테이지에 지지하고,

   상기 마스크의 패턴의 이미지를 레지스트를 도포한 웨이퍼 상에 투영하고,

   상기 웨이퍼를 웨이퍼 스테이지에 지지하고,

   상기 웨이퍼 또는 상기 웨이퍼 스테이지에 형성된 마크의 위치를 마크위치 검출기구를 사용하여 검출하고,

   상기 X선 투영광학계의 노광시야를 상기 광학계의 중심축으로부터 떨어진 위치에 두고,

   상기 X선 투영광학계의 이미지면 상에서, 상기 광학계의 중심축과 상기 이미지면의 교점을 원점으로 하여, 노광시야의 중심이 x 축 상에서 x < 0 인 위치로 되도록 xy 좌표계를 정한 경우에, 상기 마크위치 검출기구의 검출중심을 x ≤0 인 영역에 배치하고,

   상기 마크위치 검출기구의 검출신호에 기초하여, 상기 웨이퍼 스테이지를 구동하여, 상기 웨이퍼의 소망의 위치로 상기 마스크에 형성된 회로 패턴의 투영 이미지를 형성하는 것을 특징으로 하는 X선 투영노광방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 xy 좌표계의 원점과 상기 X선 투영광학계의 노광시야의 중심점과의 간격을 측정하고, 그 값에 기초하여 상기 웨이퍼 스테이지의 구동량을 결정하는 것을 특징으로 하는 X선 투영노광방법.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 기재된 X선 투영노광방법에 의해 노광을 행하여 제작한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.