KR20140134339A

KR20140134339A - 근적외선 스펙트럼 범위를 이용한 오버레이 메트롤러지

Info

Publication number: KR20140134339A
Application number: KR1020147030323A
Authority: KR
Inventors: 마이클 아델; 아비브 프로머
Original assignee: 케이엘에이-텐코 코포레이션
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2014-11-21
Also published as: US7684039B2; KR20160040737A; KR20080070863A; KR20180125621A; WO2007061704A2; US20070187606A1; WO2007061704A3

Abstract

근적외선 오버레이 메트롤러지를 수행하는 방법 및 툴이 제시된다. 이러한 방법들은 근적외선 복사를 포함하는 필터링된 조명 빔을 발생시키는 단계와, 오버레이 타겟에 조명 빔을 지향시켜서 광학 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 이 광학 신호는 검출되어 오버레이 메트롤러지 측정치 발생에 사용된다. 이 방법은 근적외선 파장에 대해 투과성인 불투명 물질층을 가진 기판에 대해 특히 적합하며, 이때, 근적외선 이미징이 사용되어 오버레이 측정치를 얻는다. 관련 장치는 근적외선 파장 범위로 뻗어가는 필터링되는 조명 빔을 발생시키는 수단과, 근적외선 조명 타겟으로부터 근적외선 신호를 수신하기 위한 검출기, 그리고, 신호 데이터를 처리하여 오버레이 메트롤로지 측정치를 얻기 위한 컴퓨터를 포함한다.

Description

근적외선 스펙트럼 범위를 이용한 오버레이 메트롤러지{OVERLAY METROLOGY USING THE NEAR INFRA-RED SPECTRAL RANGE}

본 발명은 타겟 기판에 근적외선(NIR) 조명 빔을 투사하고 타겟으로부터 근적외선 광학 신호를 검출하여 타겟 성질을 정확하게 측정할 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 발명이다. 특히, 본 발명의 실시예들은 타겟 정렬 정보를 결정하기 위해 근적외선 방사를 이용하여 오버레이 타겟 및 그 위에 형성되는 비정질 카본층의 오버레이 정렬 측정을 수행하는 방법을 제시한다. 추가적으로, 본 발명의 실시예들에서는 근적외선 이미징을 이용하여 비정질 카본층(a-CL)으로 덮히는 표면 및 타겟들을 측정한다.

비정질 카본은 반도체 공정에 그 용도 및 이용빈도가 점점 높아지고 있는 물질이다. 이 물질 내에서는 거의 수직에 가까운 측벽들을 얻을 수 있기 때문에 아드마스크 타입 물질로 특히 유용하다. 추가적으로, 비정질 카본층을 이용하여 높은 애스펙트비(aspect ratio)를 얻을 수 있다. 또한, 비정질 카본 물질은 매우 다양한 에칭 정지층으로 형성될 수 있기 때문에 매력적이다. 따라서, 비정질 카본층(a-CL)은 반도체 공정 분야에서 그 활용도가 넓게 나타나고 있다. 이는 오버레이 타겟의 제작에 또한 관련된다. 오버레이 타겟들은 다양한 용도 중에서도, 반도체 기판의 다양한 층들의 정렬을 결정하는 데 사용될 수 있다. 오버레이 타겟들은 당 분야에 잘 알려진 오버레이 메트롤러지(overlay metrology) 프로세스에 사용된다. 오버레이 메트롤러지는 반도체 제작 패턴처리 프로세스에 의해 발생되는 메트롤러지 구조물의 브라잇 필드 고배율 이미징(bright field high magnification imaging)이나 브로드밴드 스펙트로스코피(broadband spectroscopy), 또는 스펙트로스코픽 엘립소메트리(spectroscopic elipsometry), 또는 스케터로메트리(scatterometry)를 이용하여 수행되는 것이 일반적이다. 의도한 용도에 물론 적합하겠지만, 이러한 접근법들은 비정질 카본층과 연계하여 사용될 때 소정의 제약사항을 나타낸다. 한가지 결점은 가시광으로 비정질 카본층을 통해 이미징할 때 감쇠가 크게 나타나 메트롤러지 성능 저하를 야기할 수 있다는 것이다. 가시광만을 이용하여 오버레이 메트롤러지를 수행함에 있어, 비정질 카본층 및 그외 다른 불투명 물질이 존재할 때, 본원에서 해결하고자하는 문제점들이 다수 야기된다. 발명자들은 비정질 카본층을 통해 메트롤러지를 수행하기 위한 새로운 접근법들을 추구하고 발견하였다.

본 발명의 실시예들은 일반적으로 본원에서 논의되는 툴 및 방법들을 가능하게 하기 위해 근적외선 복사광을 이용하는 오버레이 메트롤러지의 개선된 방법에 관한 것이다.

일실시예에 따르면, 비정질 카본층으로 덮힌 기판의 근적외선 측정을 수행하는 방법에 있어서, 상기 방법은,

- 비정질 카본층으로 덮히는 구조를 가진 기판을 제공하는 단계,

- 조명 빔을 생성하는 단계,

- 필터링되는 빔이 근적외선 복사광을 포함하도록 조명 빔을 필터링하는 단계,

- 필터링된 빔을 기판 표면 일부분으로 향하게 하여 광학 신호를 발생시키는 단계,

- 광학 신호를 검출하는 단계, 그리고,

- 기판의 메트롤러지 측정을 얻기 위해 검출되는 필터링된 광학 신호를 처리하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 측정 수행 방법이 제시된다.

관련 실시예에서, 기판은 비정질 카본층과 함께 오버레이 타겟을 포함한다. 필터링된 빔은 오버레이 타겟으로 지향되어 오버레이 신호를 발생시키고, 이 오버레이 신호가 검출되고 처리되어 오버레이 타겟에 대한 오버레이 측정치들을 연산하게 된다. 또다른 관련 실시예에서는 기판이 조명된 후 필터링을 통해, 표면에서 발생된 광학 신호가 필터링된다.

장치 실시예에 따르면,

- 근적외선 복사광을 포함하는 조명 빔을 발생시키는 조명원,

- 조명 빔을 수신하여 근적외선을 포함하도록 조명 빔을 필터링하는 필터 소자,

- 기판 위에 형성되는 오버레이 타겟에 조명 빔을 지향시켜서 오버레이 신호를 발생시키는 광학 시스템,

- 오버레이 신호를 수신하도록 구성되는 검출기 시스템,

- 검출된 오버레이 신호를 처리하여 오버레이 타겟에 대한 어레이 측정치들을 연산하는 처리 전자 장치

를 포함하는 근적외선 오버레이 메트롤러지 시스템이 제시된다.

대물 광학 시스템을 통해 빔을 지향시켜서, 조명 빔을 기판의 오버레이 타겟 상에 포커싱시키고, 오버레이 신호를 발생시키는 빔 지향 소자,

- 오버레이 신호를 수신하고, 오버레이 신호를 검출기 시스템에 지향시키는 포커싱 광학 시스템, 그리고,

- 검출되는 오버레이 신호를 처리하고 오버레이 타겟에 대한 오버레이 측정치를 연산하는 처리 전자 장치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 오버레이 메트롤러지 시스템이 제시된다.

또다른 장치 실시예에 따르면,

- 오버레이 타겟으로 덮힌 기판을 홀딩하는 이동 스테이지,

- 가시광 및 근적외선 범위의 복사광을 통과시킬 수 있도록 조명 빔을 필터링하는 필터 소자,

- 대물 광학 시스템을 통해 빔을 지향시켜서, 조명 빔을 기판의 오버레이 타겟 상에 포커싱시키고, 오버레이 신호를 발생시키는 빔 지향 소자,

도 1A는 근적외선 범위로 뻗어가는 파장 범위에 대해 비정질 카본층의 투과 거동을 그래프화한 도면.
도 1B와 1C는 근적외선 범위의 파장 범위에 대해 비정질 카본층의 콘트래스트 거동 및 툴-인듀스 시프트(TIS: Tool-Induced Shift)를 그래프화한 도면.
도 1D, 1E, 1F는 오버레이 타겟들을 포함하는 다양한 기판 구현예에서 비정질 카본층들의 도포에 관한 실시예 간략도.
도 2는 본 발명에 따라 메트롤러직 측정에 적합한 종류의 근적외선 메트롤러지 시스템의 개략도.
도 3은 본 발명에 따라 메트롤러지 측정에 적합한 종류의 근적외선 메트롤러지 시스템의 또다른 실시예의 개략도.
도 4는 본 발명에 따라 메트롤로지 측정에 적합한 종류의 근적외선 메트롤러지 시스템의 또한가지 실시예의 개략도.

일반적으로, 본 발명의 실시예들은 비정질 카본층을 통해 측정을 수행하는 메커니즘을 제시한다. 특정 실시예에서는 근적외선 스펙트럼 범위에서 이미징이나 스펙트로스코피를 이용하여 오버레이 메트롤러지를 수행한다. 근적외선 범위는 가시광선 파장 범위를 벗어나는 파장 범위로서, 약 650nm보다 긴 파장을 포함하는 것이 일반적이다. 근적외선은 650~1200nm의 파장을 포함하며, 특히, 700~1000nm의 파장 범위를 포함한다. 발명자들은 근적외선 범위에서 소정의 대역폭을 가질 때 나타나는 소정의 장점들을 발견하였다. 일부 실시예들은 750~1100nm 범위에서 유용하고, 800~1100nm 범위에서 유용하며, 또한, 850-1100nm 범위에서 유용하다. 또한 이러한 파장 범위 내 임의의 측파대에서 또한 유용하다. 또한, 본 발명의 실시예들에서는 가시광 범위로부터 근적외선 범위로 뻗어가는 신호들을 분석하는 확장 스펙트럼 범위 메트롤러지를 구상한다.

발명자들은 가시광에 대해 실질적으로 불투명한 소정의 층들에 근적외선 스펙트럼 범위의 광을 공급할 때 특별한 장점들이 나타난다는 것을 발견하였다. 한가지 예로서, 비정질 카본층이 고려될 수 있다.

도 1A는 2500 옹스트롬 두께의 비정질 카본층(103)과 8000 옹스트롬 두께의 비정질 카본층(104)에 대해 파장(축(102)을 따라 나노미터 단위)의 함수로 투과율(T)(축(101))을 나타낸 그래프다. 가시광 범위로부터 근적외선 범위로 조명 신호의 파장 범위가 바뀌어감에 따라 투과율이 급격하게 증가한다. 도 1A에서는 비정질 카본층 두께가 증가함에 따라 투과율이 감소하며, 높은 파장 쪽으로 옮겨감을 관찰할 수 있다. ZnSe와 Si같은 다른 반도체 물질들 역시 유사한 거동을 보이는 것을 알 수 있다. 불투명 물질의 두꺼운 층에서 더 높은 투과율을 가짐에 더하여, 여러개의 광원(가령, 텅스텐 할로겐 광원)에 의해 생성되는 근적외선 방사의 풍부함으로 인해 조명 빔에서 가용한 광량이 크게 증가될 수 있다.

한가지 실시예에서, 적외선 범위의 광만이 사용되어, 메트롤러지 시스템의 색수차(chromatic abberations)로 인한 메트롤러지의 복잡도를 방지할 수 있다. 특히, 일부 웨이퍼의 경우, 오버레이 타겟의 일부분이 가시광선을 더 많이 반사시키고, 또다른 부분들은 적외선을 주로 반사시킨다. 이러한 경우에, 가시광선을 완전히 제거함으로서, 색수차로 인한 해로운 효과를 크게 감소시킬 수 있다.

또다른 실시예에서, 스펙트럼 범위를 적외선 범위로 확장하는 또다른 장점을 이용할 수 있다. 가시광 범위만을 이용할 때 불투명층 아래의 구조물들이 관측되는 경우에도, 이미지는 매우 폭좁은 스펙트럼 대역에 의해 형성될 것이다. 불투명층을 투과할 수 있는 긴 파장들만이 이미지를 형성할 것이다. 그러나, 프로세스 변수들이 존재하는 경우에도, 폭좁은 스펙트럼 대역 결과에 의한 오버레이 메트롤러지가 정밀도 및 TIS 가변성의 저하로 나타난다는 것이 입증되었다.

추가적으로, 비정질 카본 물질을 포함하는 물질과 폭넓은 프로세스 변수로 인해, 신호 스펙트럼이 실질적으로 변할 수 있다. 도 1B와 1C는 비정질 카본층을 포함하는 프로세스 층에서 세가지의 프로세스 변수로부터의 결과를 제시한다. 도 1B는 비정질 카본층 두께 및 파장의 함수로 신호 콘트래스트를 제시한다. 도 1C는 비정질 카본층의 두께 및 파장의 함수로 툴 인듀스 시프트(TIS)를 제시한다. 시뮬레이션된 구조물은 SiO₂로 충진된 Si의 2um 폭 트렌치이며, 비정질 카본층을 포함하는 하드마스크층 스택으로 덮힌다. 이 구조물은 세가지의 프로세스 변형에 대해 시뮬레이션되었다. 1) 비정질 카본층 명목 두께(가령, 약 300nm 두께)(실선(110, 120)), 2) 명목 두께보다 5% 두꺼운 비정질 카본층 두께(실선(112, 122)), 3) 명목 두께보다 5% 얇은 비정질 카본층 두께(점선(111, 121)).

파장의 함수로 오버레이 타겟의 반사율 변화는 웨이퍼 상에서 TIS와 신호 콘트래스트의 스펙트럼 거동을 변화시킨다. 그 결과, 서로 다른 웨이퍼 위치에서 서로 다른 오버레이 메트롤러지 성능이 관측된다. 신호 콘트래스트는 신호들의 최대 값 및 최소값을 이용하여 아래와 같이 규정된다.

수식 1: 콘트래스트 = (Imax - Imin) / (Imax + Imin)

도 1B는 시뮬레이션되는 세가지 프로세스 변수들에 대한 콘트래스트를 도시한다. 콘트래스트(축(105))는 조명 대역(축(106) 상에서 nm 단위 파장)의 컷오프 파장에 대해 구성된다. 조명은 450nm에서 픽업되도록 시뮬레이션되었다. 그러나, 비정질 카본층이 쉽게 검출할 수 있을만큼 짧은 파장 범위의 광을 충분하게 투과하지 못하기 때문에, 웨이퍼 반사는 실제적으로 약 ~650nm 에서부터 시작된다. 도시되는 경향은 실제적인 스펙트럼 범위가 넓혀짐에 따라, 웨이퍼 사이에서의 콘트래스트 변화가 작아진다는 것이다. 스펙트럼 대역에서 콘트래스트의 변화가 강하게 나타날 경우, 이는 콘트래스트가 낮은 웨이퍼 위치에서 측정 정밀도의 저하로 나타날 것이며, 오버레이 측정의 전체 정밀도에 불량한 결과로 나타날 것이다.

도 1C는 시뮬레이션되는 세가지의 프로세스 변수에 대한 TIS의 영향을 도시한다. TIS는 비대칭 광학 수차에 의해 야기되며, 3차 코마(3rd order coma)가 가장 지배적인 것이다. 오버레이 메트롤러지 측면에서 비대칭 수차의 중요한 특징은 여러 다른 프로세스 층들과의 서로 다른 상호작용에 있다. 특정 층으로부터의 신호의 형태에 따라, 주어진 양의 수차가 서로 다른 크기로 이미지를 시프트시킬 것이다. 한개의 프로세스 층에서 작은 TIS를 얻는다고 하여도, 또다른 프로세스 층에서 작은 TIS를 얻을 수 있다는 것은 보장되지 않는다. 한 세트의 비대칭 수차들은 시계(Field of View: FOV) 사이에서 일정하다고 가정되고 모든 파장 범위에 대해 일정하다고 가정될 수 있다. 이러한 비대칭 수차와의 신호들 간의 서로 다른 상호작용으로부터 발생되는 TIS가 시뮬레이션되었다. TIS 가변성은 세가지 프로세스 변수들 간에 서로 다른 TIS 값들의 결과로 연산된다. 도 1C는 조명 대역의 컷오프 파장(축(108))에 대해 구성된 TIS(축(107))을 도시한다. 이 경향은 실제 스펙트럼 범위가 넓혀짐에 따라 웨이퍼 상에서 TIS 가변성이 작아짐을 나타낸다.

도 1B 및 도 1C에 도시되는 바와 같이, 검사 스펙트럼에 근적외선을 추가함으로서, 광학 메트롤러지에 사용되는 유효 스펙트럼 범위를 확장시킬 수 있고, 프로세스 변수들의 존재 하에서 메트롤러지의 우수한 성능을 도출할 수 있다. 이러한 검사 방식에 대한 추가적인 세부사항은 Aviv Frommer와 Joel L. Seligson이 기고한 논문, "Overlay Mask Performance: a Simulation Study", Proc. of SPIE Vol.5752 pp. 449-458(2005)에 소개되어 있으며, 그 내용은 본원 발명에 참고로 인용된다.

이러한 메트롤러지 스펙트럼 범위를 확장시킴에 있어, 요망 스펙트럼 범위의 광을 방사하는 광원을 이용하여 광이 이 시스템을 통과하게 할 수 있고, 이 스펙트럼 범위에서 광학적으로 적절하게 광을 투과시키고 기능을 수행하도록 광학 시스템의 나머지를 설계할 수 있다. 예를 들어, 광학적 컴포넌트용으로 사용되는 코팅은 이들을 투과하는 근적외선 광에 견딜 수 있도록 선택될 필요가 있을 것이다. 아래에서 추가적으로 설명될 열 관리 시스템은 이러한 광학 컴포넌트들의 설계와 연계하여 사용될 수 있다.

일반적으로, 어떤 적절한 광학 메트롤러지 툴도 파장을 요망 범위로 확장시키기 위해 한개 이상의 필터를 채택하도록 수정될 수 있다. 이러한 필터들은 조명 과정에 삽입된다. 본 발명의 실시예들이 오버레이 측정을 위한 툴을 참고하여 설명되지만, 그외 다른 종류의 메트롤러지 툴도 사용될 수 있다(가령, CD 메트롤러지 툴). 추가적으로, 오버레이 및 CD 결정 기술과 같은 임의의 적절한 메트롤러지 기술들이 사용될 수 있다. 수정가능한 여러가지 오버레이 시스템 및 오버레이 결정 기술들은

1) 미국특허 No. 6,921,916 (Atty. Docket No. KLA1P018C4), "OVERLAY MARKS, METHODS OF OVERLAY MARK DESIGN AND METHODS OF OVERLAY MEASUREMENTS", 2005년 7월 26일 등록, 발명자: Michael Adel 외,

(2) 미국특허출원 No. 10/785,396 (Atty. Docket No. KLAlPl 17X1 A), "APPARATUS AND METHODS FOR DETECTING OVERLAY ERRORS USING SCATTEROMETRY", 2004년 2월 23일 출원, 발명자: Walter D. Mieher 외,

(3) 미국특허 No. 10/950,172 (Atty Docket No. KLA1P122X1), "APPARATUS AND METHODS FOR DETERMINING OVERLAY AND USES OF SAME", 2004년 9월 23일 출원, 발명자: Mark Ghinovker 외.

에 구체적으로 제시되어 있으며, 그 내용은 본원에 참고로 인용된다.

도 1D, 1E, 1F는 근적외선 조명 및 메트롤러지로부터 유익하다고 판단되는 비정질 카본층을 가진 기판 표면의 단순화된 몇가지 예에 해당한다. 도 1D는 기판에 형성되는 복수개의 트랜지스터층(131)과 그 위에 형성되는 비정질 카본층(132)을 도시한다. 도 1E는 오버레이 타겟(141)과 그 위의 비정질 카본층(142)로 형성되는 기판을 도시하며, 도 1F는 또다른 실시예에 따른 오버레이 타겟(151)과, 그 위의 비정질 카본층(152)으로 형성되는 기판을 도시한다. 본 실시예들 및 그외 다른 실시예들은 본원에서 논의하는 적외선 메트롤러지로부터 장점을 얻을 수 있다.

여기서 소개하는 소정의 실시예들에서, 650~1200 nm 사이의 범위, 특히, 700~1000nm 사이의 범위를 가진 긴 파장들을 커버하도록 조명 빔의 파장 범위를 확장하는 데 핫 미러(hot mirror)가 사용될 수 있다. 종래의 시스템에서도 핫 미러가 사용될 수 있지만, 근적외선 범위 또는 근적외선 범위 이상(가령, 1000 이나 1200 nm 이상)으로 확장되는 컷오프 파장에만 사용될 수 있다. 이 범위는 사용되는 특정 물질 및 시스템의 구성에 따라 좌우된다. 가령, 근적외선에 의해 발생되는 열을 취급할 능력에 영향받는다. 또다른 구현예에서, 근적외선 대역 통과 구성은 조명 빔을 필터링하는 데 사용될 수 있어서, 근적외선 범위의 파장만이 선택적인 근적외선 빔을 생성하도록 할 수 있다. 후자의 경우에, 가시광선 대역 통과 필터나 저역 통과 필터가 또한 사용될 수 있고, 이 필터들이 근적외선 대역 통과 필터와 선택적으로 스위칭될 수 있어서, 여러 다른 투과 물질에 대해 가시광선과 근적외선을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 적외선 범위에서 투과율이 높은 물질에 대해 근적외선 대역 통과 필터가 사용될 수 있고, 가시광 범위에 대해 투과율이 높은 물질에 대해 가시광선 범위 통과 필터가 사용될 수 있다. 임의의 적절한 근적외선 저역 통과 또는 대역 통과 필터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 미국, 뉴햄프셔, Salem에 소재한 Andover Corp. 사의 근적외선 저역 통과 및 대역 통과 필터들이 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 메트롤러지 시스템(200)의 개략도다. 도시되는 시스템(200)은 오버레이 메트롤러지 장비에 사용될 수 있다. 도시되는 바와 같이, 시스템(200)은 전자기파인 입사 빔(203)을 생성하는 빔 발생기(202)를 포함한다. 요망 조명 빔을 생성하는 데 텅스텐 할로겐 광원이 적합하다. 다른 할로겐 광원(가령, Xenon 광원, 등등), 레이저, LED, 그리고 근적외선 복사광을 생성할 수 있는 그외 다른 광원 역시 물론 적합하다. 입사 빔(203)은 필터 시스템을 향하고, 그후 빔 스플리터(204)로 향한다. 빔 스플리터(204)는 샘플(208)을 향해 빔(205)을 지향시킨다. 일반적으로, 빔(205)은 대물 광학 시스템(206)에 의해 샘플에 포커싱된다. 출력 빔(209)은 빔(205)에 따라 샘플로부터 얻어지며, 빔 스플리터(204)를 통해 릴레이 광학 렌즈 시스템(210)을 거쳐 검출기(212)에 도달한다. 검출기(212)는 출력 빔(209)에 기초하여 샘플의 이미지나 출력 신호를 발생시킨다. 일실시예에 따르면, 검출기(212)는 샘플로부터 이미지 데이터를 캡처할 수 있는 이미징 어레이(가령, CCD 어레이, 등등)를 포함한다.

시스템(200)은 프로세서(211)와 한개 이상의 메모리 소자(214)를 추가로 포함한다. 이들은 빔 발생기(202), 대물 렌즈(206), 그리고 검출기(212), 등등과 같은 다양한 컴포넌트들을 제어하도록 구성된다. 프로세서(211)와 메모리(214)는 검출되는 출력 빔을 분석하도록 구성될 수 있다. 특히, 오버레이 장비의 경우에, 프로세서(211)와 메모리(214)는 검출되는 이미지나 출력 빔을 분석하고, 당 분야에 잘 알려진 수많은 다양한 오버레이 결정 기술 중 임의의 것을 구현하게 된다. 이러한 기술들의 전형적인 예들은 앞서 설명한 참고 문헌들에 소개된 다양한 오버레이 결정 기술에 소개되어 있다.

본 시스템(200)에서, 광원(202) 이후의 조명 경로에 필터(207)이 배치된다. 일실시예에 따르면, 입사 빔(203)을 선택적으로 필터링하기 위해 구성되는 핫 미러(207)가 이 필터에 포함된다. 조명 경로 내 컴포넌트들에 대한 핫 미러(207)의 배치는 예시적 사항에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한해서는 안될 것이다. 쉽게 말해서, 핫 미러는 조명을 필터링하고 파장 범위를 요망 근적외선 범위까지 확장할 수 있도록 하기 위해, 조명 경로를 따라 어느 위치에도 배치될 수 있다. 발명자들은 당 업자에게 잘 알려진 이러한 필터들이 사용될 수 있음을 지적하고 있다. 이러한 필터들의 예로는 다층 반사 및 흡수 필터들이 있다. 본 출원인은 조명 빔에 대한 요망 파장 범위를 수용하기 위해 임의의 그룹의 필터들이 사용될 수 있음을 또한 고려하고 있다. 특히, 근적외선 및 가시광을 포함시키도록 그러나 이보다 긴 파장(가령, 1.1 미크론 이상의 파장)은 포함시키지 않도록 조명 빔을 필터링하는 저역 통과 필터들을 포함시킬 수 있다. 특히, 근적외선 범위로 확장되는 폭넓은 대역폭을 통과시키도록 구성된 필터들이 고려된다. 일례에 따르면, 40nm~70nm 까지의 파장들을 통과시키고, 심지어 40nm~80nm의 파장까지 통과시키는 필터들을 이용할 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 제한되지는 않는다. 근적외선 범위에서 좁은 대역폭을 구현하도록 최적화된 다른 대역 통과 필터들이 또한 고려된다. 이러한 필터들의 예로는 0.75미크론~1.1 미크론의 대역통과 필터, 0.80미크론~1.1 미크론 범위의 대역통과 필터, 0.85미크론~1.1 미크론 범위의 대역통과 틸터들이 있다. 1.0 미크론까지만 확장되는 그외 다른 필터들이 또한 이용될 수 있다. 도 1A에 도시되는 바와 같이, 이 범위들은 비정질 카본층을 통한 메트롤러지에 사용될 때 특히 우수한 성능을 제공한다. 상술한 대역들의 측파대에 대해 추가적으로 구성되는 폭좁은 대역통과 필터들이 또한 채택될 수 있다.

과거에 이러한 근적외선 메트롤러지에 대한 중대한 결함 중 하나는 이러한 폭넓은 대역폭 조명 파장에 대해 측정을 시도할 때 내포하고 있는 제약사항 및 비용이었다. 특히, 검사 또는 메트롤러지 마이크로스코피 시스템이 폭넓은 대역폭의 광을 이용하여 물체를 조명할 때, 색수차 문제를 저렴한 방식으로 해결하기가 용이치않았다. 발명자들은 비교적 폭넓은 스펙트럼 범위의 광에 대해 매우 낮은 차수의 색수차들을 가진 광학 시스템(206, 210)을 이용함으로서 이 문제를 해결하고 있다. 이와 같이 색수차를 교정한 광학계들은 전체 동작 대역폭(가령, 가시광 및 근적외선 영역)에 대해 100nm 이상의 길이방향 색수차 교정을 나타내며, 전체 동작 대역폭에 대해 최소 50nm 이상의 측방향 색수차 교정을 보여주고 있다. 물론, 근적외선 영역에서의 대역통과 시스템의 경우, 이는 훨씬 용이하고 저렴하기까지 하다. 충분한 색수차 교정을 얻기 위해 이용될 수 있는 한가지 구현예는 2003년 1월 2일자 미국특허공보 No. 2003/0002147 호의 "High NA System for Mulitple Mode Imaging"(발명자: Chuang 외)에 소개되어 있으며, 그 내용은 본원에서 참고로 인용된다.

광의 적외선 범위에 의해 야기되는 열을 취급하기 위해 열 관리 시스템(216)이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 한개 이상의 광학 컴포넌트들의 열을 배출하기 위해 한개 이상의 광학 컴포넌트들의 홀더에 한개 이상의 열 싱크(heat sink)가 사용될 수 있다. 열을 배출하거나 광학 컴포넌트들을 냉각하기 위해 그외 다른 메커니즘들이 사용될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로스코픽 이미징 시스템(300)의 개략도다. 시스템(300)은 도 2의 컴포넌트들과 마찬가지로 동작하는 컴포넌트들을 가질 수 있다. 본 예에서, 조명 광원(302)에서 나온 광은 핫 미러 필터 소자(307)를 지나게 된다. 이 필터 소자(307)는 요망 조명 빔 성질을 위해 선택될 수 있는 그외 다른 다수의 필터 소자들과 교환가능하도록 구성된다. 조명 빔은 조명 광학계(311)를 통과한다. 이 조명 광학계는 포커스 및 교정 소자들을 포함하고, 링 애퍼처(직진성을 위한 구성)를 포함한다. 입사 빔(303)은 빔 스플리터(3004)에 의해 샘플(308)에 도달하며, 샘플(308)에서 출력 빔(출력 광학 신호)가 발생된다. 출력 신호(305)는 광학 시스템(306)에 의해 수거되어 빔 스플리터(304)를 통해 광학계(가령, 튜브 렌즈)(310)에 이미지 신호(309)로 도달하게 되며, 이어 검출기(312)에 도달한다. 본 설명에서, 검출기는 샘플(308)의 이미지를 생성하기 위한 카메라(312)의 형태를 취한다. 앞서 설명한 바와 같이, 핫 미러(307)는 조명 경로를 따라 임의의 위치에 배치될 수 있다. 앞서의 경우처럼, 열 관리 시스템(216)이 이용될 수도 있다.

도 4는 발명의 일실시예에 따른 스펙트로스코픽 스캐터로미터 시스템(400)의 개략도다. 시스템(400)은 스펙트로스코픽 엘립소메트리 시스템(402)과 스펙트로스코픽 리플렉토메트리 시스템(404)의 특징들을 조합하여 구성되며, 각각의 구성은 기판이나 웨이퍼(408) 상에 배치되는 격자 구조물(406)의 오버레이를 측정하는 데 사용될 수 있다. 물론, 스펙트로스코픽 엘립소미터(402)만을 가진 시스템이나 스펙트로스코픽 리플렉토미터(404)만을 가진 시스템이 이용될 수도 있다.

오버레이 타입 타겟의 한가지 예는 격자 구조(406)로서, 가령, 앞서 언급한 Walter D. Mieher 를 발명자로 하는 미국특허출원에 소개된 격자 구조를 예로 들 수 있다. 이 격자 구조(406)는 폭넓게 변화할 수 있다. 격자 구조(406)는 가령, 본원에서 설명하는 격자 구조들 중 하나일 수도 있으며, 당 업자에게 잘 알려진 여러가지 구조들 중 하나일 수도 있다. 스펙트로스코픽 엘립소미터(402)와 스펙트로스코픽 리플렉토미터(404) 모두가 이동 스테이지(410)를 이용할 수 있다. 이동 스테이지(410)는 수평의 x-y 방향은 물론 수직의 z-방향으로도 기판(408)을 움직일 수 있다. 이동 스테이지(410)는 기판을 회전시키거나 기울일 수도 있다. 동작 시에, 이동 스테이지(410)는 스펙트로스코픽 엘립소미터(402)나 스펙트로스코픽 리플렉토미터(404)에 의해 격자 구조(406)가 측정될 수 있도록 기판(408)을 이동시킨다.

스펙트로스코픽 엘립소미터(402)와 스펙트로스코픽 리플렉토미터(404)는 한개 이상의 브로드밴드 광원(412)을 또한 이용한다. 예를 들어, 광원(412)은 230~1200 nm 범위의 파장을 가진 전자기파를 공급할 수 있다. 브로드밴드 광원의 예로는 듀테륨 방전 램프, Xenon 아크 램프, 텅스텐 필라멘트 램프, 쿼츠 할로겐 램프, 발광 다이오드(LED), 그리고 그외 다른 적절한 광원들이 있다. 또는, 브로드밴드 광원과 연계하여 한개 이상의 레이저 광원이 사용될 수 있다. 광원(412) 뒤에는 엘립소미터 경로(407a)와 리플렉토미터 경로(407b) 모두에 핫 미러(407)가 배치된다. 열 관리 시스템(450)도 앞서의 경우처럼 사용될 수 있다.

스펙트로스코픽 리플렉토미터(404)에서, 광학 시스템(414)은 광원(412)으로부터 필터링된 빔을 수거하여 빔 스플리터(416)에 향하게 하고, 빔 스플리터(416)는 입사되는 빔의 일부분을 포커싱 광학 시스템(418)으로 향하게 한다. 포커싱 광학 시스템(418)은 이 빔을 격자 구조(406) 근처의 기판(408)에 포커싱시킨다. 기판(408)에 의해 생성되는 광학 신호(이 경우에 기판에서 반사된 광)는 광학 시스템(418)에 의해 수거되며, 빔 스플리터(416)를 통해 스펙트로미터(420)에 전달된다.

이러한 스펙트럼 컴포넌트들이 검출되며, 이러한 스펙트럼 컴포넌트들을 나타내는 신호들이 프로세서(422)에 공급된다. 프로세서(422)(가령, 컴퓨터)는 당 업자에게 잘 알려진 방식으로 오버레이를 연산하게 된다.

스펙트로스코픽 엘립소미터(402)에서, 광원(412)은 광섬유 케이블(424)을 통해 필터 소자(407a)에 광을 공급한다. 케이블(424)은 편광을 임의화시키고, 기판(408)을 조명하기 위한 균일한 광원을 만든다. 광섬유 케이블(424)로부터 나타난 복사광은 광학 조명기(optical illuminator)(426)를 통과한다. 광학 조명기(426)는 슬릿 애퍼처와 포커스 렌즈(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 광학 조명기(426)로부터 나온 광은 편광자(428)에 의해 편광되어, 기판(408)을 조명하는 편광 샘플링 빔(430)을 생성한다. 샘플링 빔(430)으로부터 발원한 복사광은 기판(408)에서 반사되고 분석기(432)를 통해 스펙트로미터(434)에 도달한다. 반사된 광의 스펙트럼 컴포넌트들이 검출되고, 이러한 스펙트럼 컴포넌트들을 나타내는 신호들이 컴퓨터(422)에 공급된다. 컴퓨터(422)는 앞서 언급한 방식에 따라 오버레이를 연산한다.

스펙트로스코픽 엘립소미터(402)에서, 편광자(428)나 분석기(432)는, 또는 이 둘 모두는 지연기(retarder/compensator)로 알려진 웨이브플레이트를 포함할 수 있다. 웨이브플레이트는 선형 편광 광을 타원형 편광 광으로 변화시키도록, 또는 그 역으로 변화시키도록, 두개의 편광들 간의 상대적 위상을 변화시킨다.

입사되는 편광 광(430)과 샘플 간의 상호작용에 관한 추가적인 정보를 수거하기 위해, 광의 편광 상태를 변조시키거나 분석기 또는 분석기 및 편광자의 편광 감도를 변조시키는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로 이는 편광자나 분석기 내의 광학 소자를 회전시킴으로서 이루어진다. 편광자나 분석기 내의 편광 소자가 회전할 수 있고, 또는, 이 어셈블리들 내의 한개 이상의 어셈블리가 웨이브플레이트를 지닐 경우 웨이브 플레이트가 회전할 수 있다. 이 회전은 당 분야에 잘 알려진 방식으로 컴퓨터(422)에 의해 제어될 수 있다. 회전 소자의 이용이 잘 될 수도 있지만, 시스템(402)을 제약할 수도 있다. 회전 소자의 이용은 느려질 수 있다. 그리고, 이동하는 부분들이 있기에 신뢰성이 떨어지는 경향이 있다.

따라서 발명의 일실시예에서는 편광자(428)가 편광 변조기(436)를 포함하도록 구성된다. 가령, 포토일래스틱 변조기(PEM)를 포함하도록 구성되어, 빠르면서도 신뢰도높은 스펙트로스코픽 일렙소미터를 생성할 수 있게 한다. 편광 변조기는 회전 웨이브플레이트를 대체한다. 편광 변조기(436)는 회전 웨이브플레이트와 동일한 기능을 수행하는 광학 소자지만, 속도 및 신뢰도의 문제점을 나타내지 않는다. 편광 변조기(436)는 광학 컴포넌트들을 기계적으로 회전시키지 않으면서도 광의 위상을 전기적으로 변조시킬 수 있다. 100kHz 수준의 변조 주파수들을 쉽게 얻을 수 있다.

대안의 실시예에서, 분석기(432)는 전기적 변조를 행할 수 있는 포토일래스틱 변조기같은 편광 변조기를 포함하도록 구성된다. 또다른 실시예에서, 편광자와 분석기 모두가, 서로 다른 주파수에서 변조되는 포토일래스틱 변조기같은 편광 변조기들을 포함한다.

편광 변조기(436)가 이같이 높은 주파수에서 변조를 행할 수 있기 때문에, 편광 변조기(436)는 다양한 기술을 수행하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 두개의 구조물의 편광 반사율 간의 차이를 얻을 수 있다. 이를 위해, 포토일래스틱 변조기(PEM)가 음향 광학 변조기(AOM)과 조합될 수 있다. 이 경우에, 음향 광학 변조기는 서로 다른 주파수(그러나 관련된 주파수, 가령, 복수배)에서 편광 상태를 변조시키면서 두개의 구조물 사이를 신속하게 이동한다. PEM과 OEM 변조 주파수들의 합과 차에서의 신호들은 유용한 정보를 포함하며, 이 신호들은 동기식 검출에 의해 높은 신호-잡음비로 검출될 수 있다. 대안으로, 입사 빔에 대한 AOM이 분석기에서 PEM과 조합하여 사용될 수 있다.

도시되지는 않았으나, 회전 웨이브플레이트가 편광 감지 리플렉토미터같은 다른 종류의 스캐터로메트릭 시스템들에서 편광 변조기로 대체될 수 있다.

발명의 다양한 실시예들에 따르면, 광학 장치의 조명 구성에 핫 미러가 포함될 수 있다. 핫 미러 대신에 조명 빔에 적외선 광을 포함되게 하는 파장 확장 필터가 채택될 수도 있다. 그 구성은 아래의 장치나 메트롤러지 수단 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

- 이미징 리플렉토미터, 이미징 스펙트로스코픽 리플렉토미터, 편광 스펙트로스코픽 이미징 리플렉토미터, 스캐닝 리플렉토미터 시스템, 병렬 데이터 획득이 가능한 두개 이상의 리플렉토미터를 가진 시스템, 병렬 데이터 획득이 가능한 두개 이상의 스펙트로스코픽 리플렉토미터를 구비한 시스템, 병렬 데이터 획득이 가능한 두개 이상의 편광 스펙트로스코픽 리플렉토미터를 구비한 시스템, 광학 소자나 리플렉토미터 스테이지를 이동시킴없이, 또한 웨이퍼 스테이지를 이동시킴없이 직렬 데이터 획득이 가능한 두개 이상의 편광 스펙트로스코픽 리플렉토미터를 구비한 시스템, 이미징 스펙트로미터, 간섭계 이미징 시스템(가령, Linnik 현미경, 가령, 미국 캘리포니아 San Jose에 소재한 KLA-Tencor 사의 KLA-Tencor 오버레이 측정 툴 모델 5100, 5200, 5300, Archer10, 등등에서 구현되는 Linnik 현미경), 이미징 엘립소미터, 이미징 스펙트로스코픽 엘립소미터, 스캐닝 엘립소미터 시스템, 병렬 데이터 획득이 가능한 두개 이상의 엘립소미터를 구비한 시스템, 웨이퍼 스테이지의 이동없이, 또는 광학 소자나 엘립소미터 스테이지의 이동없이 직렬 데이터 획득이 가능한 두개 이상의 엘립소미터를 구비한 시스템, Michelson 간섭계, Mach-Zehnder 간섭계, Sagnac 간섭계, 입사 스캔 각 시스템, 스캔 방위각 시스템.

추가적으로, 상술한 다중 광학 모듈 시스템들의 광학 모듈들은 공통으로 한개 이상의 광학 소자일 수 있다. 예를 들어, 한개 이상의 광학 소자를, 여러 다른 타겟들로부터 산란된 복사광에 대한 개별적인 스펙트로미터나 검출기와 공유하는 병렬 데이터 획득이 가능한 두개 이상의 편광 스펙트로스코픽 리플렉토미터를 구비한 시스템을 그 예로 들 수 있다. 마찬가지로, 여러 다른 타겟들로부터 산란되는 복사광에 대해 개별적인 스펙트로미터나 검출기를 구비한 한개 이상의 광학 소자를, 병렬 데이터 획득이 가능한 두개 이상의 스펙트로스코픽 엘립소미터를 구비한 시스템을 예로 들 수도 있다. 또한가지 예로서, 여러 다른 타겟들로부터 산란된 복사광에 대해 개별적인 스펙트로미터나 검출기를 구비한, 공통의 한개 이상의 광학 소자를, 병렬 데이터 획득이 가능한 두개 이상의 엘립소미터를 구비한 시스템을 예로 들 수도 있다.

간섭계 기반 이미징 스펙트로미터 및 그외 다른 종류의 이미징 스펙트로미터에 관한 여러가지 실시예들은 Cabib가 발명한 1998년 11월 10일자 미국특허 5,835,214호, "Method and Apparatus for Spectral Analysis of Images"에 개시되어 있다. 스펙트럼 이미징과 관련한 필름 두께 매핑을 위한 시스템 및 방법 실시예들은 Cabib가 발명한 1999년 1월 5일자 미국특허 5,856,871 호, "Flim Thickness Mapping Using Interferometric Spectral Imaging"에 개시되어 있다.

LED 조명에 기초한 스펙트럼 이미징을 위한 대안의 구조는 Adel 이 발명한 2000년 11월 7일자 미국특허 6,142,629 호, "Spectral Imaging Using Illumination of Preseleected Spectral Content"에 개시되어 있다. 이 내용들은 본원에서 참고로 인용된다.

Claims

비정질 카본층으로 덮힌 기판의 근적외선 측정을 수행하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
상기 기판 상에 형성되는 비정질 카본층을 포함하는 토포그래피를 갖는 기판의 일부분으로 형성되는 적어도 하나의 오버레이 타겟을 제공하는 단계와,
근적외선(NIR) 복사광을 갖는 조명 빔을 생성하는 단계와,
필터링되는 빔이 근적외선(NIR) 조명 빔으로 구성되도록 조명 빔을 필터링하는 단계와,
근적외선 복사광의 일부가 비정질 카본층을 통과하여 비정질 카본층 아래의 물질 상에 충돌하여 근적외선 복사광을 포함하는 출력 신호를 발생시키도록, 표면의 일부분으로 근적외선 조명 빔을 지향시키는 단계 - 상기 근적외선 복사광을 포함하는 출력 신호는 다시 비정질 카본층 아래의 물질로부터 상기 비정질 카본층을 통과함 - 와,
상기 출력 신호의 근적외선 복사광을 색수차 교정하는 단계와,
상기 출력 신호의 색수차 교정된 근적외선 복사광을 검출하는 단계 - 검출되는 색수차 교정된 근적외선 복사광은 비정질 카본층으로 덮힌 기판의 일부분으로 형성되는 적어도 하나의 오버레이 타겟의 적어도 하나의 오버레이 메트롤러지 측정치를 표시하도록 구성됨 - 와,
상기 기판의 메트롤러지 측정치를 얻도록, 검출되는 색수차 교정된 출력 신호를 처리하는 단계를 포함하는
근적외선 측정 수행 방법.
기판의 일부분으로 형성되는 오버레이 타겟과 함께 상기 기판을 홀딩하는 이동 스테이지 - 상기 오버레이 타겟의 적어도 일부분은 비정질 카본층을 통한 이미징을 요구함 - 와,
근적외선(NIR) 복사광을 포함하는 조명 빔을 발생시키는 조명원과,
0.75 미크론 내지 1.1 미크론의 대역폭을 갖는 근적외선(NIR) 복사광 범위로 국한되는 동작 대역폭을 갖도록 조명 빔을 필터링하는 필터 소자와,
상기 기판의 오버레이 타겟 상에 조명 빔을 포커싱하는 대물 광학 시스템을 통해 빔을 지향시켜서, 상기 비정질 카본층을 통해 이미징하고 오버레이 신호를 발생시키도록 배열되는 빔 지향 소자 - 상기 오버레이 신호는 상기 비정질 카본층 아래의 오버레이 타겟으로부터 다시 두번째로 상기 비정질 카본층을 통과함 - 와,
0.75 미크론 내지 1.1 미크론의 동작 대역폭으로 색수차 교정을 위한 색수차 교정 포커싱 광학 시스템과,
검출되는 오버레이 신호를 처리하도록, 그리고, 오버레이 타겟에 대한 오버레이 측정치를 연산하도록, 구성되는 처리 전자 장치 - 상기 처리 전자 장치는 기판의 일부분으로 형성되는 상기 오버레이 타겟과 함께 상기 기판의 적어도 하나의 오버레이 메트롤러지 측정치의 표시를 포함하는 색수차 교정된 출력 신호를 검출하도록 구성됨 - 을 포함하는
근적외선 오버레이 메트롤러지 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 필터 소자는, 조명 빔의 동작 대역폭이 0.80~1.1 미크론 범위 내의 적어도 하나의 파장을 갖는 근적외선 복사광으로 제한되도록, 조명 빔을 필터링하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 근적외선 오버레이 메트롤러지 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 필터 소자는, 조명 빔의 동작 대역폭이 0.85~1.1 미크론 범위 내의 적어도 하나의 파장을 갖는 근적외선 복사광으로 제한되도록, 조명 빔을 필터링하는 것을 특징으로 하는 근적외선 오버레이 메트롤러지 시스템.
제 2 항에 있어서, 동작 대역폭에서의 길이방향 색수차가 100nm 미만이도록, 그리고 동작 대역폭에서의 측방향 색수차가 50nm 미만이도록 상기 대물 광학 시스템 및 포커싱 광학 시스템들의 색수차가 교정되는 것을 특징으로 하는 근적외선 오버레이 메트롤러지 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 검출기 시스템은 이미지 캡처를 위한 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 오버레이 메트롤러지 시스템.