KR20030001202A - 포커스 모니터 방법과 포커스 모니터용 장치 및 반도체장치의 제조 방법 - Google Patents

포커스 모니터 방법과 포커스 모니터용 장치 및 반도체장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

조명 애퍼처(aperture) 개구 형상을 제어하여 얻은 비텔레센트릭한 조명을 포토 마스크(5)에 조사하고, 이 비텔레센트릭한 조명에 의해 형성된 포토 마스크(5)의 패턴 상이 결상면을 광축 방향으로 이동시킬 때에 광축과 직각인 방향으로 이동하는 특성을 이용하여 포커스 모니터가 수행된다.
따라서, 특수한 포토 마스크가 불필요하여 저가이며 또한 정밀도가 높은 포커스 모니터 방법과 포커스 모니터용 장치 및 반도체 장치의 제조 방법을 얻을 수 있다.

Description

포커스 모니터 방법과 포커스 모니터용 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 {Focus Monitoring Method, Focus Monitoring Apparatus, and Method of Manufacturing Semiconductor Device}
본 발명은 포커스 모니터 방법과 포커스 모니터용 장치 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체 장치의 패턴 형성에 이용되는 포커스 모니터 방법과 포커스 모니터용 장치 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
최근의 반도체 집적 회로에 있어서의 고집적화 및 미세화는 눈부시게 이루어졌다. 그에 따라 반도체 기판(이하, 단순히 웨이퍼라 칭함)상에 형성되는 회로 패턴의 미세화도 급속히 진행되었다.
그 중에서도 포토 리소그래피 기술이 패턴 형성의 기본 기술로 널리 인식되고 있다. 그로 인해 오늘날까지 다양한 개발과 개량이 이루어지고 있다. 그러나, 패턴의 미세화는 지속적으로 이루어지고 있으며 패턴의 해상도 향상에 대한 요구도 더욱 강해지고 있다.
포토 리소그래피 기술이란, 웨이퍼상에 도포된 포토 레지스트에 포토 마스크(원화)상의 패턴을 전사하고, 그 전사된 포토 레지스트를 이용하여 하층의 피에칭막을 패터닝하는 기술이다.
이 포토 레지스트의 전사시 포토 레지스트에 현상 처리가 실시되는데, 이 현상 처리에 의해 빛이 닿는 부분의 포토 레지스트가 제거되는 타입을 포지형, 빛이 닿지 않는 부분의 포토 레지스트가 제거되는 타입을 네거형 포토 레지스트라 한다.
일반적으로, 축소 노광 방법을 이용한 포토 리소그래피 기술에서의 해상 한계R(nm)은
R=k1·λ/(NA)
로 나타내어진다. 여기서, λ는 사용하는 빛의 파장(nm), NA는 렌즈의 투영 광학계의 개구수, k1은 레지스트 프로세스에 의존하는 정수이다.
상기 식에서 알 수 있듯이 해상 한계R의 향상을 꾀하기 위해서는, 즉 미세 패턴을 얻기 위해서는 k1과 λ의 값을 작게 하고 NA의 값을 크게 하는 방법을 생각할 수 있다. 즉, 레지스트 프로세스에 의존하는 정수를 작게 하는 동시에 단파장화나 고NA화를 진행시키면 된다.
그러나, 광원이나 렌즈의 개량은 기술적으로 어렵고 단파장화 및 NA화를 진행시키면 광의 촛점 심도δ(δ=k2·λ/(NA)2)가 얕아져 오히려 해상도의 저하를 초래하는 문제가 발생한다.
이러한 포토 리소그래피 기술에 있어서, 포토 마스크의 패턴을 높은 해상도로 포토 레지스트에 노광시키려면 포토 레지스트를 투영 광학계의 최량 결상면(베스트 포커스면)에 대하여 촛점 심도의 범위내에서 합치시킨 상태에서 노광을 수행할 필요가 있다. 이를 위해서는 임의의 방법으로 투영 광학계의 베스트 포커스면의 위치, 즉 베스트 포커스 위치를 구할 필요가 있다.
종래의 베스트 포커스 위치를 계측하기 위한 포커스 모니터로, 예를 들면 IBM사의 브러너(Brunner)에 의해 개발되고 미국 벤치마크 테크놀로지(Benchmark Technology)사에 의해 판매되는 위상 시프트 포커스 모니터가 있다.
도19는 위상 시프트 포커스 모니터 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도19를 참조하면, 이 위상 시프트 포커스 모니터 방법에서는 위상 시프트 마스크(105)가 이용된다. 이 위상 시프트 마스크(105)는 투명 기판(105a)과, 소정의 패턴을 갖는 차광막(105b)과, 이 소정의 패턴상에 형성된 위상 시프터(105c)를 갖는다.
이 위상 시프트 마스크(105)는 구체적으로 도20에 도시한 바와 같이 충분히 두꺼운 투과부(105b, 105e)의 사이에 가는 차광 패턴이 배치된 패턴을 갖는다. 또한, 투과부(105d)에는 위상 시프터(105c)가 배치되지 않고 투과부(105e)에는 위상 시프터(105c)가 배치된다.
이 위상 시프트 포커스 모니터 방법에서는 먼저 위상 시프트 마스크(105)에광을 조사한다. 이때, 위상 시프터(105c)는 투과광의 위상을 90°시프트시키도록 구성되어 있기 때문에 투과부(105e)를 투과한 광이 투과부(105d)를 투과한 광보다 광로차로 1/4λ, 5/4λ, …만큼 선행하는 경우 또는 3/4λ, 7/4λ, …만큼 후행하는 경우에 서로의 광이 상호를 강화시킨다. 따라서, 위상 시프트 마스크(105)를 투과한 후의 광은 z축(광축)에 대하여 비대칭인 강도 분포를 갖게 된다. 이 위상 시프트 마스크(105)를 투과한 광은 투영 렌즈(119a, 119b)에 의해 집광되어 반도체 기판(121a)상의 포토 레지스트(121b)에 결상된다.
이 위상 시프트 포커스 모니터에 따르면, 회절광의 강도 분포가 z축에 대하여 비대칭의 상태로 포토 레지스트(121b)에 결상된다. 따라서, 웨이퍼(121)의 z방향 이동에 의해 웨이퍼(121)에서의 패턴 상이 z축(도면중 세로 방향)과 직각인 방향(x-y방향:도면중 가로 방향)으로 이동하게 된다. 이 x-y방향으로의 패턴 상의 이동량을 측정하면 z방향의 위치 측정, 즉 포커스의 측정이 가능해진다.
또한, 상기 위상 시프트 포커스 모니터 이외의 포커스 모니터 방법으로, 예를 들면 특개평6-120116호 공보에 개시된 방법도 있다. 이 방법에서는 먼저 포토 마스크 표면의 소정 패턴을 주광선의 제1 경사각의 노광광으로 조명하면 소정의 패턴의 제1 상이 감광체 기판상에 노광된다. 그 이후, 상기 소정 패턴을 주광선의 제1 경사각과는 다른 제2 경사각의 노광광으로 조명하면 소정 패턴의 제2 상이 감광체 기판상에 노광된다. 노광된 제1 상과 제2 상의 간격을 계측하면 그 간격과 디포커스량과의 관계로부터 감광체 기판의 위치에서 최량 결상면까지의 간격이 구해진다.
이 방법에서는 포토 마스크 표면의 패턴을 제1 경사각 또는 제2 경사각으로 조명하기 위하여 도21에 도시한 바와 같은 구성의 포토 마스크(205)가 이용된다.
도21을 참조하면, 이 포토 마스크(205)는 투명 기판(205a)과, 이 투명 기판(205a)의 표면에 형성된 위치 계측용 마크(205b1, 205b2)와, 투명 기판(205a)의 이면에 형성된 회절 격자 패턴(205c)을 갖는다. 즉, 포토 마스크(205)에 입사된 노광광은 회절 격자 패턴(205c)에서 회절되어 위치 계측용 마크(205b1)를 제1 경사각에서 조명하고, 또한 위치 계측용 마크(205b2)를 제2 경사각에서 조명한다.
그러나, 상술한 위상 시프트 포커스 모니터에서는 포토 마스크(105)로 특수한 구조의 위상 시프트 마스크를 이용할 필요가 있다. 이와 같이 특수한 구조의 포토 마스크가 필요하기 때문에 포토 마스크가 고가가 된다는 문제점이 있다.
또한, 특개평6-120116호 공보에 개시된 방법에서는 포토 마스크의 이면에 섬세한 회절 격자 패턴(205c)을 형성할 필요가 있으며, 그 형성에 많은 공정이 필요하다. 따라서, 마스크의 제조 코스트가 대폭 상승된다는 문제점이 있다.
아울러, 현재 상태의 마스크 제작 기술로는 마스크 기판의 양면에 상호의 위치 관계를 정밀하게 유지하며 패턴을 형성하는 것이 극히 곤란하다. 양면의 패턴이 상호에게 바람직한 위치 관계에서 벗어나면 위치 계측용 마크(20b1, 205b2)가 원하는 각도의 회절광에 의해 조명되지 않아 포커스를 정확하게 계측하는 것이 곤란해진다는 문제가 있다.
또한, 포토 마스크(205) 이면의 회절 격자 패턴(205c)이 존재하는 부분만을노광광으로 조사할 필요가 있으며, 조명 범위를 좁은 일부분에 모아야 한다는 문제도 있다.
본 발명의 목적은 특수한 포토 마스크가 불필요함에 따라 저가이며 또한 정밀도가 높은 포커스 모니터를 가능하게 하는 포커스 모니터 방법과 포커스 모니터용 장치 및 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 포커스 모니터 방법은 반도체 장치의 패턴 형성에 이용되는 포커스 모니터 방법으로, 조명 애퍼처(illumination aperture)의 개구 형상을 제어하여 얻은 비텔레센트릭한 조명(non-telecentric illumination)을 포토 마스크에 조사하고, 조명에 의해 형성된 포토 마스크의 패턴 상이 결상면을 광축 방향으로 이동시킬 때에 광축과 직각인 방향으로 이동하는 특성을 이용하여 포커스 모니터를 수행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 포커스 모니터 방법에서는 비텔레센트릭한 조명을 포커스 모니터에 조명함으로써 결상면을 광축 방향으로 이동시켰을 때에 광축과 직각인 방향으로 포토 마스크의 패턴 상이 이동하는 특성을 발현시키는 것이다. 이 비텔레센트릭한 조명은 조명 애퍼처의 개구 형상을 제어함으로써 용이하게 얻을 수 있기 때문에 포토 마스크에 특수한 구성을 이용할 필요가 없다. 따라서, 저가이며 또한 정밀도가 높은 포커스 모니터가 가능해진다.
상기 포커스 모니터 방법에 있어서 바람직하게는 포토 레지스트에 외측 박스 패턴과 내측 박스 패턴을 갖는 2중 박스형 마크 패턴이 전사되는데, 포토 레지스트에 전사된 외측 박스 패턴과 내측 박스 패턴의 상호 위치 어긋남을 검출함으로써 포커스 모니터가 수행된다.
2중 박스형 마크 패턴을 이용함으로써 결상면내의 위치 어긋남으로부터 포커스 어긋남을 검출할 수 있다.
상기의 포커스 모니터 방법에 있어서 바람직하게는 외측 박스 패턴 및 내측 박스 패턴의 적어도 어느 하나의 노광에 비텔레센트릭한 조명이 이용된다.
따라서, 포커스가 어긋나면 결상면내에서 패턴 상의 위치 어긋남이 일어나기 때문에 포커스 어긋남을 검출할 수 있다.
상기의 포커스 모니터 방법에 있어서 바람직하게는 외측 박스 패턴 및 내측 박스 패턴의 쌍방의 노광에 비텔레센트릭한 조명이 이용되는데, 외측 박스 패턴의 노광시에는 자오(子午)면을 경계로 일방측에만 개구를 갖는 제1 조명 애퍼처가 이용되고, 내측 박스 패턴의 노광시에는 자오면을 경계로 타방측에만 개구를 갖는 제2 조명 애퍼처가 이용된다.
이에 따라, 포커스가 어긋나면 외측 박스 패턴 상과 내측 박스 패턴 상이 서로 반대 방향으로 이동하기 때문에 검출 감도가 향상된다.
상기 포커스 모니터 방법에 있어서 바람직하게는 제1 조명 애퍼처는 원형 조명 조리개, 윤대(輪臺) 조명 조리개 및 4중극(重極) 조명 조리개중 어느 하나이고, 자오면을 경계로 일방측에만 개구를 남긴 조리개가 이용된다. 제2 조명 애퍼처는 원형 조명 조리개, 윤대 조명 조리개 및 4중극 조명 조리개중 어느 하나이고, 자오면을 경계로 타방측에만 개구를 남긴 조리개가 이용된다.
따라서, 조명 애퍼처로 각종 조리개를 이용할 수 있다.
상기의 포커스 모니터 방법에 있어서 바람직하게는 외측 박스 패턴 및 내측 박스 패턴의 어느 일측을 포토 레지스트에 노광시키는 제1 노광 공정과, 외측 박스 패턴 및 내측 박스 패턴의 어느 한 타측을 포토 레지스트에 노광시키는 제2 노광 공정과, 제1 및 제2 노광 공정 후에 포토 레지스트를 현상하는 공정이 구비된다.
이와 같이 2중 노광한 이후에 현상함으로써 2중 박스형인 마크 패턴을 형성할 수 있다.
상기의 포커스 모니터 방법에 있어서 바람직하게는 외측 박스 패턴 및 내측 박스 패턴의 어느 일측을 포토 레지스트에 노광시키는 제1 노광 공정과, 제1 노광 공정 이후에 포토 레지스트를 현상하는 제1 현상 공정과, 제1 현상 공정 이후에 외측 박스 패턴 및 내측 박스 패턴의 어느 한 타측을 포토 레지스트에 노광시키는 제2 노광 공정과, 제2 노광 공정 이후에 포토 레지스트를 현상하는 제2 현상 공정이 구비된다.
이와 같이 노광과 현상을 2회 반복함으로써 2중 박스형 마크 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 포커스 모니터용 장치는 반도체 장치의 패턴 형성에 이용되는 포커스 모니터용 장치로, 패턴이 형성된 포토 마스크를 노광광으로 조명하기 위한 조명 광학계와, 포토 마스크의 패턴 상을 감광체상에 투영하는 투영 광학계를 구비하되, 조명 광학계에 포함되는 조명 애퍼처의 개구 형상을 제어하여 얻은 비텔레센트릭한 조명을 포토 마스크에 조사함으로써 형성된 포토 마스크의 패턴 상이 결상면을 광축 방향으로 이동시킬 때에 광축과 직각인 방향으로 이동하도록 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 포커스 모니터용 장치는 비텔레센트릭한 조명을 포토 마스크에 조명함으로써 결상면을 광축 방향으로 이동시킬 때에 광축과 직각인 방향으로 패턴 상이 이동하는 특성을 발현하도록 구성된다. 이 비텔레센트릭한 조명은 조명 애퍼처의 개구 형상을 제어하는 것으로 용이하게 얻을 수 있기 때문에 포토 마스크에 특수한 구성을 이용할 필요가 없다. 따라서, 저가이며 정밀도가 높은 포커스 모니터가 가능해진다.
본 발명의 반도체 장치의 제조 방법은 상기의 포커스 모니터 방법의 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 특수한 포토 마스크가 불필요함에 따라 저가이며 정밀도가 높은 포커스 모니터가 가능해지기 때문에 저가이며 또한 높은 정밀도로 패턴을 형성할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시 형태1의 포커스 모니터 방법을 설명하기 위한 모식도.
도2는 본 발명의 실시 형태1의 포커스 모니터 방법을 실시하기 위한 포커스 모니터용 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도3은 도2의 포커스 모니터용 장치에 이용되는 조명 애퍼처의 평면도.
도4는 본 발명의 실시 형태1의 포커스 모니터 방법의 1회째 노광에 이용되는 포토 마스크의 패턴 형상을 나타낸 평면도.
도5는 본 발명의 실시 형태1의 포커스 모니터 방법의 2회째 노광에 이용되는 포토 마스크의 패턴 형상을 나타낸 평면도.
도6은 본 발명의 실시 형태1의 포커스 모니터 방법의 노광 공정을 설명하기 위한 도면.
도7은 본 발명의 실시 형태1의 포커스 모니터 방법에서 얻어지는 2중 박스형 레지스트 패턴을 나타낸 단면도 및 평면도.
도8은 본 발명의 실시 형태1의 포커스 모니터 방법의 1회째 노광에서의 포커스와 가로 이동량과의 관계를 나타낸 도면.
도9는 각 필드 포인트에서의 포커스와 가로 이동량과의 관계를 나타낸 도면.
도10은 각 필드 포인트에서의 가로 이동량을 나타낸 도면.
도11은 각 필드 포인트에서의 가로 이동량에 대한 복수의 쇼트를 평균화한 도면.
도12는 위상 포커스 모니터의 암선의 포커스에 따른 이동을 나타낸 도면.
도13은 본 발명의 실시 형태2의 포커스 모니터 방법의 1회째 노광에 이용되는 조명 애퍼처의 형상을 나타낸 도면.
도14는 본 발명의 실시 형태2의 포커스 모니터 방법의 2회째 노광에 이용되는 조명 애퍼처의 형상을 나타낸 도면.
도15는 본 발명의 실시 형태2의 포커스 모니터 방법의 1회째 노광에 이용되는 다른 조명 애퍼처의 구성을 나타낸 도면.
도16은 본 발명의 실시 형태2의 포커스 모니터 방법의 2회째 노광에 이용되는 다른 조명 애퍼처의 구성을 나타낸 도면.
도17은 본 발명의 실시 형태2의 포커스 모니터 방법의 1회째 노광에 이용되는 또 다른 조명 애퍼처의 구성을 나타낸 도면.
도18은 본 발명의 실시 형태2의 포커스 모니터 방법의 2회째 노광에 이용되는 또 다른 조명 애퍼처의 형상을 나타낸 도면.
도19는 종래의 위상 시프트 포커스 모니터 방법을 설명하기 위한 도면.
도20은 위상 포커스 모니터에 이용되는 포토 마스크의 구성을 나타낸 도면.
도21은 특개평6-120116호 공보에 개시된 포커스 모니터 방법에 이용되는 포토 마스크의 구성을 나타낸 개략 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
5 : 포토 마스크
11 : 수은 램프
17 : 반사경
18 : 집광 렌즈
21 : 웨이퍼
21a : 반도체 기판
21b : 포토 레지스트
(실시 형태1)
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 의거하여 설명한다.
도1은 상황을 이해하기 쉽도록 하기 위하여 기울기가 있는 1방향에서만 조명광이 입사되는 경우를 나타낸 것이다.
도1을 참조하면 비텔레센트릭한 조명, 예를 들면 주광선인 조명 광학계의 광축에 대하여 경사진 조명광이 포토 마스크(5)에 입사된다. 이 포토 마스크(5)의패턴에 의해 회절된 조명광은 투영 렌즈(19a, 19b)에 의해 집광되어 웨이퍼(21)상에 상을 맺는다.
웨이퍼(21)상의 광선 배치에서 알 수 있듯이, 웨이퍼(21)상의 패턴 상은 조명광의 대각선 방향으로부터의 입사에 의해 형성된다. 따라서, 웨이퍼(21)를 z방향(광축 방향)으로 이동시켜 패턴 상의 촛점을 어긋나게 하는 동시에 패턴 상을 웨이퍼(21)의 면내에서 가로 방향(x-y방향)으로 이동시킨다.
또한, 통상의 반도체 장치의 패턴 전사에서 조명은 반드시 조명 광학계 및 투영 광학계의 광축 방향에 대하여 거의 축대칭이 되도록 형성되기 때문에(하나의 입사 광선을 생각했을 때에 반드시 그 축대칭인 광선도 존재하도록 형성되기 때문에) 이와 같은 포커스 이동에 동반되는 상의 가로 이동은 충분히 작아지도록 되어 있다.
상기의 비텔레센트릭한 조명에 의해 형성된 패턴 상이 웨이퍼(21)의 포토 레지스트(21b)에 레지스트 패턴으로 형성된다. 이 패턴과 다른 조명에 의해 형성된 상에 의한 다른 패턴과의 상대적인 위치 관계를 계측함으로써, 그 패턴이 전사되었을 때의 포커스 어긋남을 검출할 수 있게 된다.
본원에 있어서 "비텔레센트릭한 조명"이란, 텔레센트릭한 조명(동축 낙사(落射) 조명)이 아닌 조명을 의미하며, 구체적으로는 조명광의 강도 분포가 조명 광학계의 광축에 대하여 비대칭인 조명(조명광의 강도 분포의 중심이 광축에서 벗어난 조명)을 의미한다.
본 실시 형태에서의 포커스 모니터 방법은, 예를 들면 도2 및 도3에 나타낸장치에 의해 실현될 수 있다.
도2를 참조하면, 이 포커스 모니터용 장치는 축소 투영 노광 장치(스테퍼)와 동일한 구성을 가지며, 또한 포토 마스크(5)상의 패턴을 축소시켜 웨이퍼(21) 표면의 포토 레지스트(감광체)(21b)에 투영한다. 이 포커스 모니터용 장치는 광원(11)에서 포커스 마스크(5)의 패턴까지의 조명 광학계와, 포토 마스크(5)의 패턴에서 웨이퍼(21)까지의 투영 광학계를 갖는다.
조명 광학계는 광원인 수은 램프(11)와, 반사경(12)과, 집광 렌즈(18)와, 플라이 아이 렌즈(13)와, 조리개(14)와, 집광 렌즈(16a, 16b, 16c)와, 브라인드 조리개(15)와, 반사경(17)을 갖는다. 또한, 투영 광학계는 투영 렌즈(19a, 19b)와 동면(瞳面) 조리개(25)를 갖는다.
그 노광 동작에 있어서는, 먼저 수은 램프(11)에서 발해진 광(11a)은 반사경(12)에 의해, 예를 들면 g선(파장:436nm)만이 반사되어 단파장의 광이 된다. 다음에 광(11a)은 집광 렌즈(18)를 통과하여 플라이 아이 렌즈(13)의 각 플라이 아이 구성 렌즈(13a)의 각각에 입사되고, 그 후에 조리개(14)를 통과한다.
여기서, 광(11b)은 1개의 플라이 아이 구성 렌즈(13a)에 의해 만들어진 광로를 나타내고, 광(11c)은 플라이 아이 렌즈(13)에 의해 만들어진 광로를 나타낸다.
조리개(14)를 통과한 광(11a)은 집광 렌즈(16a), 브라인드 조리개(15) 및 집광 렌즈(16b)를 통과하며 반사경(17)에 의해 소정 각도로 반사된다.
반사경(17)에 의해 반사된 광(11a)은 집광 렌즈(16c)를 투과한 후, 소정의 패턴이 형성된 포토 마스크(5)의 전면을 균일하게 조사한다. 그 이후, 광(11a)은투영 렌즈(19a, 19b)에 의해 소정의 배율로 축소되고 반도체 기판(21a)상의 포토 레지스트(21b)를 노광시키다.
도3을 참조하면, 상기의 포커스 모니터용 장치에서 비텔레센트릭한 조명을 얻기 위하여 스테퍼의 2차 광원면상에 배치되는 조명 애퍼처(14A)의 개구(14a)의 형상이 고안되어 있다.
통상의 스테퍼와 현실적인 노광 시간으로 노광을 수행하기 위해서는 조명 애퍼처에 일정 이상의 크기의 개구를 설치할 필요가 있다. 본 실시 형태의 조명 애퍼처(14A)에는 δ(coherency) = 0.3 대응 크기의 개구(14a)가 δ = 0.55의 원상에 중심이 오도록 설치되어 있다. 조명의 입사각을 일정 범위로 한정하는 수단으로 반드시 도14에 도시된 조리개를 사용할 필요는 없으며 동등한 효과가 얻어지는 방법이면 된다.
다음에는 본 실시 형태의 구체적인 포커스 모니터 방법에 대하여 설명한다.
본 실시 형태의 포커스 모니터 방법에서는 2중 박스형인 마크 패턴을 포토 레지스트에 형성하기 위하여 2회의 노광이 수행된다. 1회째의 노광은 도4에 도시된 바와 같이 투명 기판(5a1) 표면에 거의 사각형 차광 패턴(5a2)을 갖는 포토 마스크(5A)를 도2의 포토 마스크(5)로 이용하고, 이 포토 마스크(5A)를 비텔레센트릭한 조명(편심 조명)으로 조사함으로써 수행된다. 이 1회째 노광에 의해 도6의 (a)에 도시된 바와 같이 차광 패턴(5a2)에 대응되는 영역 이외에서 포토 레지스트(21b)가 노광된다.
그 이후, 도2에서 웨이퍼(21)를 웨이퍼 척(도시 않음)에 유지한 채로 도3에 도시된 조명 애퍼처(14A)를 광축 대칭의 통상의 것과 교환하여 2회째의 노광을 수행한다. 광축 대상의 통상의 조명 애퍼처로 본 실시 형태에서는 예를 들면, 윤대 조명(δout=0.85, δin=0.57)이 이용된다.
2회째의 노광은 도5에 도시한 바와 같이 투명 기판(5b1) 표면에 거의 사각형인 틀형의 차광 패턴(5b2)을 갖는 포토 마스크(5B)를 도2의 포토 마스크(5)로 이용하고, 이 포토 마스크(5B)를 통상의 조명으로 조사하는 것으로 수행된다. 이 2회째의 노광에서는 1회째의 노광 패턴과 정확하게 겹쳐지도록 1회째의 노광 패턴과 2회째의 노광 패턴의 중심이 일치하도록 하여 적당한 노광량으로 노광을 수행한다. 이 2회째의 노광에 의해 도6의 (b)에 도시된 바와 같이 차광 패턴(5b2)에 대응하는 영역 이외에서 포토 레지스트(12b)가 노광된다.
그 이후, 포토 레지스트(21b)가 현상된다. 이 현상에서 포토 레지스트(21b)가 포지형인 경우에는 노광광이 조사된 영역만이 제거되고, 도7의 (a)와 (b)에 도시한 바와 같은 2중 박스형(box in box형)의 레지스트 패턴(21b)이 형성된다.
여기서, 1회째의 노광이 비텔레센트릭한 조명에 의해 수행되기 때문에 노광시 포커스 어긋남이 있는 경우에는 외측 박스 패턴(21b1)이 x-y의 면내에서 이동하게 된다. 한편, 2회째의 노광은 통상 조명에 의해 수행되기 때문에 노광시 포커스 어긋남이 있어도 내측 박스 패턴(21b2)은 x-y의 면내에서 이동하지 않는다. 따라서, 포커스 어긋남이 있는 경우에 외측 박스 패턴(21b1)은 내측 박스 패턴(21b2)에 대하여 위치 어긋남(가로 방향 이동)이 발생하게 된다.
도7의 (b)에는 베스트 포커스에서의 외측 박스 패턴(21b1)의 위치를 점선으로 나타내고, 포커스 어긋남이 있는 상태에서의 외측 박스 패턴(21b1)의 위치를 실선으로 나타내었다.
도8에 비텔레센트릭한 조명을 이용한 1회째의 노광에 의해 형성된 외측 박스 패턴(21b1)의 포커스 어긋남에 의한 가로 방향으로의 이동량을 광학상 계산을 통해 구한 결과를 나타내었다. 도8에서 외측 박스 패턴(21b1)의 가로 이동량은 포커스 어긋남량의 변화에 대하여 거의 직선적으로 변화하는 것을 알 수 있다.
도7의 (a), (b)를 참조하면, 다음에는 내측 박스 패턴(21b2)과 외측 박스 패턴(21b1)과의 간격(x1, x2)이 측정된다. 이들 값으로부터 베스트 포커스에서의 내측 박스 패턴과 외측 박스 패턴과의 간격(x3) {= (x1 + x2)/2}이 구해진다. 간격 x3과 x1 또는 x2와의 차이를 구함으로써 외측 박스 패턴(21b1)의 가로 이동량(위치 어긋남량)을 알 수 있다. 이 가로 이동량을 도8에 도시한 바와 같은 미리 측정된 가로 이동량과 포커스와의 관계에 대조시킴으로써, 포커스 어긋남을 검출할 수 있다. 이후에 이 포커스 어긋남에 의거해서 웨이퍼(21)의 위치를 조정하면 베스트 포커스를 얻을 수 있다.
다음에는 본 실시 형태의 포커스 모니터 방법과 종래의 위상 시프트 포커스모니터 방법의 검출 감도에 대해 조사하였다. 그 결과를 이하에 나타낸다.
또한, 박스 패턴끼리의 상대 이동의 계측은 시판되고 있는 중합(重合) 검사기를 통해 수행하였다. 이 검사기는 반복 재현성 2nm에서의 계측이 가능하다.
먼저 상술한 본 실시 형태의 포커스 모니터 방법에 있어서, 시판중인 스캔 스테퍼의 복수의 필드 포인트로 포커스를 의도적으로 어긋나게 하여 1회째의 노광을 수행하였을 때에 그 포커스에 대하여 상기의 패턴의 가로 이동량이 어떻게 변화하는지를 복수의 필드 포인트의 각각에 대하여 조사하였다. 그 결과를 도9에 나타낸다.
도9의 결과를 통해 각 필드 포인트 1 내지 7에서 거의 동등한 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다. 각 포인트의 특성이 동일하지 않는 것은 서로 다른 포커스 데이터가 서로 다른 쇼트로부터 얻어지고 있으며, 웨치퍼 척에 척된 웨이퍼 표면의 요철이 각 쇼트마다 서로 다르게 되어 있기 때문이다. 따라서, 동일한 포커스에 대하여 복수의 쇼트에서 가로 이동량을 계측하고 이를 평균하면 상기의 웨이퍼 표면의 요철의 영향이 상쇄되어 일정량의 오프 세트를 제외하고 동일한 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 방법을 통해 시판중인 스캔 스테퍼를 이용하여 베어(bare) 실리콘 웨이퍼상에 2중 박스형 마크 패턴을 2nm 간격으로 형성하고, 그 각 마크의 가로 이동량(위치 어긋남량)을 측정하였다. 그 결과를 3차원 플롯한 것을 도10에 나타낸다. 도10의 결과에서 마크의 가로 이동량은 -0.09㎛ 내지 -0.03㎛의 범위내에 있으며, 또한 노광 쇼트내에서 불규칙이기는 하나 연속적인 분포를가지고 있는 것이 관찰된다.
또한, 도10에 나타낸 계측을 복수의 쇼트에서 수행한 결과를 각 필드 포인트에 대하여 평균한 것을 도11에 나타낸다. 도11의 결과에서, 마크의 가로 이동량은 스캔 방향에서는 거의 일정하며 스캔 방향에 직교하는 방향(슬릿 방향)으로 크게 변동하는 듯한 분포가 관찰된다. 이것은 복수의 쇼트를 평균하는 것으로, 각 쇼트에 서 랜덤인 웨이퍼 표면의 요철이 평균화에 의해 소멸되고, 본 방법에서의 계측 마크 형성의 포커스 분포(=상면)가 계측되고 있다는 것이다.
도9에서 구해진 z검출 감도(△x/△z)는 ∼25nm/100nm이고 도11에서 구해진 가로 이동량의 레인지(△x)가 ∼60nm인 점에서, 이 계측 패턴 형성의 상면 레인지(△z)는 ∼240nm임을 알 수 있다.
또한, 종래의 위상 시프트 포커스 모니터 방법과 같이 위상 시프트 마스크를 이용하여 포커스를 의도적으로 어긋나게 하여 노광하였을 때에 그 포커스에 대하여 패턴의 가로 이동량이 어떻게 변화하는지를 조사하였다.
아울러, 상기의 측정에서 위상 시프트 마스크로는 크롬(Cr)막으로 이루어진 차광막을 2개의 광투과부 사이에 두는데, 일측의 광투과부에는 위상을 90° 시프트시키는 위상 시프터를 설치하고, 타측 광투과부에는 위상 시프터를 설치하지 않는 구성의 것을 이용하였다. 2개의 광투과부의 폭을 각각 5.0㎛로 하고 차광막의 폭을 0.1㎛로 하였다. 또한 상기의 측정에서는 NA를 0.68, δ를 0.3으로 하는 광학 조건에서 결상을 수행했다. 그 결과를 도12에 나타낸다.
도12의 결과를 통해 0.3㎛의 디포커스에서 가로 이동량이 ∼40nm가 되고, 이로부터 z검출 감도(△x/△z)가 ∼14nm/100nm인 것을 알 수 있다. 단, 중합 검사 마크에서는 참조 패턴이 역방향으로 이동하도록 위치 배치되어 있기 때문에 z검출 감도는 2배인 ∼30nm/100nm가 된다.
이 점으로부터 본 실시 형태에서는 종래의 위상 시프트 포커스 모니터 방법과 동등한 z검출 감도가 얻어지는 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 방법에서는 종래예와 같이 특수한 형상의 포토 마스크를 이용할 필요가 없기 때문에 저가로 포커스 모니터를 수행할 수도 있다.
이상에 의해 본 실시 형태의 포커스 모니터 방법에서는 고정밀도이며 또한 저가로 포커스 모니터를 수행할 수 있다.
(실시 형태2)
본 실시 형태에서는 실시 형태1에서 설명한 2회째 노광 가운데, 1회째 노광은 조명 애퍼처로 도13에 도시한 바와 같이 윤대 조명 조리개의 자오선을 경계로 한 일방측 절반을 가린 조리개(14B)를 이용하여 수행한다. 따라서, 1회째의 노광은 비텔레센트릭한 조명에 의해 수행된다. 또한, 2회째의 노광에서는 조명 애퍼처로 도14에 도시한 바와 같이 윤대 조명 조리개의 자오선을 경계로 한 타방측 절반을 가린 조리개(14C)를 이용하여 수행한다. 따라서, 2회째의 노광도 비텔레센트릭한 조명에 의해 수행된다.
상기 2회의 노광 이후에 포토 레지스트를 현상함으로써 2중 박스형인 레지스트 패턴이 형성된다. 이 2중 박스형인 레지스트 패턴의 외측 박스 패턴과 내측 박스 패턴과의 상대적인 이동을 계측함으로써 실시 형태1과 동일하게 베스트 포커스를 구할 수 있다.
아울러, 그 이외의 포커스 모니터 방법 및 포커스 모니터용 장치에 대해서는 상술한 실시 형태1과 거의 동일하기 때문에 그 설명은 생략하다.
본 실시 형태에서는 1회째의 노광에 이용되는 조명과 2회째의 노광에 이용되는 조명이 서로 축대칭이기 때문에 2중 박스형인 마크 패턴을 이루는 외측 박스 패턴과 내측 박스 패턴은 포커스 위치에 대하여 상호 반대 방향으로 이동하게 된다. 따라서, 본 실시 형태에서는 외측 박스 패턴과 내측 박스 패턴의 상대 어긋남량이 실시 형태1의 경우에 비해 2배의 크기가 되기 때문에 2배의 z검출 감도를 얻을 수 있다.
또한, 본 방법의 계측 패턴의 상면은 상용 조명에 의한 상면인 것이 논리적으로 명확하다. 따라서, 본 방법에 의해 구한 웨이퍼 표면의 요철(상면을 포함한)은 실전사에서 상면과 웨이퍼면의 불일치로 나타내게 되고, 실용상 유용한 데이터가 얻어지게 된다.
아울러, 상기에서는 윤대 조명 조리개의 한쪽 절반을 가린 조리개(14B, 14C)를 이용한 경우에 대하여 설명하였으나, 조명 애퍼처는 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면 도15와 같이 원형 조명 조리개의 자오면을 경계로 한 일방측 절반을 가린 조리개(14D)를 이용하여 1회째 노광을 수행하고, 그 이후에 도16에 도시한 바와 같은 원형 조명 조리개의 자오선을 경계로 한 타방측 절반을 가린 조리개(14E)를 이용하여 2회째 노광을 수행하여도 된다.
또한, 도17에 도시한 바와 같이 4중극 조명 조리개의 자오선을 경계로 한 일방측 절반을 가린 조리개(14F)를 이용하여 1회째 노광을 수행하고, 그 이후에 도18에 도시한 바와 같이 4중극 조명 조리개의 자오선을 경계로 한 타방측 절반을 가린 조리개(14G)를 이용하여 2회째 노광을 수행하여도 된다.
아울러, 상기의 실시 형태1 및 실시 형태2에서는 조명 애퍼처로 조리개를 이용한 경우를 설명하였으나, 조명 애퍼처는 조리개에 한정되는 것이 아니라 포토 마스크 이외의 렌즈나 다른 광학 부재라도 되며, 그 개구 형상(빛의 투과부 형상)을 제어함으로써 비텔레센트릭한 조명을 만들 수 있는 것이면 본 발명에 적용할 수 있다.
또한, 실시 형태1에서는 도6의 (a), (b)에 나타낸 바와 같이 포토 레지스트(21b)에 1회째의 노광을 수행한 이후에 현상하지 않고 2회째의 노광을 수행하는 경우에 대하여 설명하였으나, 도6의 (a)에 도시한 1회째의 노광을 수행한 이후에 포토 레지스트를 현상하고, 그 현상 이후에 도6의 (b)에 도시한 2회째의 노광을 수행하여도 된다. 이 경우, 2회째의 노광 이후에 재차 포토 레지스트는 현상된다.
또한, 상기의 실시 형태1 또는 2의 포커스 모니터 방법에 의해 얻어진 베스트 포커스에서 웨이퍼 표면의 포토 레지스트를 노광한 이후에 현상함으로써 패터닝하고, 그 레지스트 패턴을 이용하여 하층의 막에 에칭, 이온 주입 등의 처리를 실시함으로써 정밀도있는 원하는 반도체 장치를 제조할 수 있다.
이번에 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 특허청구범위에의해 나타내어지고, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
본 발명에 따라, 저가이며 정밀도가 높은 포커스 모니터를 가능하게 하는 포커스 모니터 방법과 포커스 모니터용 장치 및 반도체 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims (3)

  1. 반도체 장치의 패턴 형성에 이용되는 포커스 모니터 방법으로서,
    조명 애퍼처(14A)의 개구 형상을 제어하여 얻은 비텔레센트릭한 조명을 포토 마스크(15)에 조사하고, 상기 조명에 의해 형성된 상기 포토 마스크(5)의 패턴 상이 결상면을 광축 방향으로 이동할 때에 상기 광축과 직각인 방향으로 이동하는 특성을 이용하여 포커스 모니터를 수행하는 것을 특징으로 하는 포커스 모니터 방법.
  2. 반도체 장치의 패턴 형성에 이용되는 포커스 모니터용 장치로서,
    패턴이 형성된 포토 마스크(5)를 노광광으로 조사하기 위한 조명 광학계와, 상기 포토 마스크(5)의 패턴 상을 감광체상에 투영시키는 투영 광학계를 구비하되, 상기 조명 광학계에 포함되는 조명 애퍼처(14A)의 개구 형상을 제어하여 얻은 비텔레센트릭한 조명을 상기 포토 마스크(5)에 조사함으로써 형성된 상기 포토 마스크(5)의 패턴 상이 결상면을 광축 방향으로 이동할 때에 상기 광축과 직각인 방향으로 이동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 포커스 모니터용 장치.
  3. 제1항에 기재된 포커스 모니터 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
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