KR20190051041A - 마이크로리소그라피용 투영 노광 방법 및 투영 노광 장치 - Google Patents

마이크로리소그라피용 투영 노광 방법 및 투영 노광 장치 Download PDF

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Abstract

투영 렌즈의 이미지 평면의 영역에 배치되는 기판을 투영 렌즈의 오브젝트 평면의 영역에 배치되는 마스크의 패턴의 적어도 하나의 이미지로 노광하기 위한 투영 노광 방법에서, 제1 포토레지스트 소재로 구성되는 제1 포토레지스트 층(FLS1)과, 제1 포토레지스트 층과 기판 사이에서의, 제2 포토레지스트 소재로 구성되며 별도로 도포되는 제2 포토레지스트 층(FLS2)을 포함하는 방사선-민감성 다층 시스템(MS)으로 기판(SUB)이 코팅되며, 제1 포토레지스트 소재는 제1 파장 범위에서 상대적으로 높은 제1 민감도를 가지고, 제1 파장 범위로부터 분리되는 제2 파장 범위에서 제1 민감도에 대해 더 낮은 제2 민감도를 가지며, 제2 포토레지스트 소재는 제2 파장 범위에서 노광-적절 제2 민감도를 갖는다. 방사선-민감성 다층 시스템(MS)으로 코팅된 기판은, 제1 파장 범위와 제2 파장 범위를 포함하는 동작 파장 범위를 갖는 방사선 원의 방사선을 사용하여 패턴의 이미지로 노광된다. 이를 위해, 제1 파장 범위와 관련되는 제1 초점 영역(FOC1)이 제2 파장 범위와 관련되는 제2 초점 영역(FOC2)에 대해 초점 거리(ΔFOC)만큼 오프셋되는 방식으로 제1 파장 범위와 제2 파장 범위에 대해 정정되는 투영 렌즈가 사용된다. 제1 초점 영역(FOC1)은 제1 포토레지스트 층(FLS1) 내에 있으며, 제2 초점 영역(FOC2)은 제2 포토레지스트 층(FLS2) 내에 있다.

Description

마이크로리소그라피용 투영 노광 방법 및 투영 노광 장치
본 출원은 2017년 9월 20일에 출원된 독일 특허 출원 제10 2016 217 929.2호에 관한 것이다. 본 특허 출원의 내용은 여기서 본 출원의 내용에 참조로서 인용된다.
본 발명은, 투영 렌즈의 이미지 평면의 영역에 배치되는 기판을 투영 렌즈의 오브젝트 평면의 영역에 배치되는 마스크의 패턴의 적어도 하나의 이미지로 노광하기 위한 투영 노광 방법과, 그러한 방법을 실행하는데 적절한 투영 노광 장치에 관한 것이다.
마이크로리소그라피 투영 노광 방법이, 예컨대 마이크로시스템즈 엔지니어링용 구조화된 구성요소와 같이, 반도체 구성요소 및 기타 미세한 구조의 구성요소를 제조하기 위해 요즘 주로 사용된다. 고집적 반도체 구성요소는 통상 복수의 층을 포함하며, 이들 층 중 오직 일부 층이 매우 미세하게, 예컨대 수십 나노미터의 스케일로 구조화되는 반면, 다른 층은 상당히 더 굵은(coarser) 구조를 갖는다. 전자의 층은 특히 예컨대 데이터의 계산 및 저장과 같은, 반도체 구성요소의 실제 주요 기능을 실현하는 반면, 후자의 층은 예컨대 어드레싱 및 전원 공급을 담당한다. 상대적으로 굵은 통상 치수를 갖는 구조는, 예컨대 미세전자기계 시스템(MEMS: MicroElectroMechanical Systems)에서나 미세광전자기계 시스템(MOEMS: MicroOptoElectroMechanical Systems)에서와 같은 마이크로시스템즈 엔지니어링 분야에서 또한 볼 수 있다. 반도체 구성요소는 통상 반도체의 기판으로 제조하는 반면, 다른 기판 소재, 특히 금속과 유리 물질이 또한 마이크로시스템즈 엔지니어링에서 사용된다.
마이크로리소그라피 투영 노광은 이미징될 구조의 패턴, 예컨대 반도체 구성요소의 층의 라인 패턴을 갖고 있는 마스크(레티클)의 사용을 수반한다. 마스크는 조명 시스템과 투영 렌즈 사이에서 투영 렌즈의 오브젝트 평면의 영역에서 투영 노광 장치에 위치지정되며, 조명 시스템에 의해 제공되는 조명 방사선으로 조명된다. 마스크와 패턴에 의해 변경되는 방사선은 투영 방사선으로서 투영 렌즈를 통과하며, 투영 렌즈는 마스크의 패턴을 노광될 기판 상에 이미징한다. 기판은 예컨대 반도체 웨이퍼일 수 있다. 노광될 기판은 구조화될 측 상에 포토레지스트 소재로 구성되는 방사선-민감성(즉, 광민감성) 층을 갖는다. 이 층은 또한 레지스트 층으로 지칭된다.
가능한 원 패턴에 충실한 패턴의 이미지가 노광 공정 동안 기판에 전사되기 위해, 기판 표면 상의 방사선-민감성 층은 노광 시간 간격 동안 투영 렌즈의 이미지-측 초점 영역에 있어야 한다. 특히, 기판 표면 상에 배치되는 층은 투영 렌즈의 초점 깊이(DOF)의 영역에 있어야 한다.
일 공통 규정에 따라, 초점 깊이는, 점 이미지의 세기가 최상 초점 평면에서의 세기의 적어도 80%인 최상 초점의 평면에 대한 거리를 명시한다. 이것은, 점 이미지의 직경이 최대 두 배인 조건에 등가이다. 초점 깊이는 레일리 단위(Rayleigh Unit)의 절반에 이르며, 레일리 단위는 RU=λ/NA2로서 규정되며, 여기서 λ는 투영 노광 장치의 동작 파장이며, NA는 투영 렌즈의 이미지-측 개구수이며; 초점 깊이 조건이 충족되는 영역은 그에 따라 레일리 단위(RU)와 동일한 총 두께를 갖는다. 일반적으로, 투영 렌즈의 분해능 성능이 커질수록, 초점 깊이는 더 작아진다.
컴퓨터 칩 상의 특성부 크기의 추가적인 소형화는 기술적으로 및 물리적으로 더욱더 어려워지고 있다. 관련 비용은 특성부 크기의 추가적인 소형화를 일부 경우 덜 매력적이게 하고 있다. 웨이퍼 면적의 더 활용하는 것의 대안으로서, 웨이퍼의 표면 상에서나 그 표면에서뿐만 아니라 깊이 방향으로 웨이퍼 내로 구조를 제조함으로써 대신 3차원을 활용하는 것이 가능하다.
3차원은 예컨대 DRAM 구조의 제조에 이미 사용되어 왔으며, 이때 필요한 커패시터가 깊이 내로 에칭된다(예컨대, US 2012/0049262A1 참조). 다른 경향으로는 플래시 메모리 구조의 3차원 스태킹이 있다(예컨대, US 8,445,447B2 참조). 성장한 실리콘 층은 결정성이기보다는 무정형이므로, 단지 상대적으로 굵은 구조가 전자적인 이유로 기능성으로 제조될 수 있으며, 이것이 이러한 타입의 리소그라피 공정에서 193nm 또는 심지어 13nm와 같은 상대적으로 짧은 파장을 사용할 필요가 일반적으로 없는 이유이다.
깊은 구조를 제조할 수 있기 위해, 깊이와 폭 사이의 큰 종횡비를 갖는 구멍이 기판 내로 에칭되어야 한다. 이것은 예컨대 이온 에칭과 같은 건식 에칭 공정에 의해 예컨대 실행될 수 있다. 이러한 타입의 에칭 방법은 기판뿐만 아니라 현상되어 경화되는 포토레지스트를 손상시킨다. 방사선-민감성 층은 그러므로 너무 작지 않은 최소 두께를 가져야 한다.
상대적으로 두꺼운 포토레지스트 층의 노광을 위해, 193nm 액침 리소그라피의 분야에서, 소위 "초점 드릴링"을 사용하는 것이 알려져 있다. 이 경우에 사용되는 ArF 레이저 원은 협대역이어서, 대응하는 투영 렌즈가 완전히 색도 정정(chromatically corrected)될 필요는 없다. 투영 렌즈의 파장 의존도는 주로 사용되는 방사선의 파장에 의존하는 (컬러-의존) 초점 위치에 있다. ArF 레이저의 라인 축소 모듈(LNM)을 타겟 방식으로 조정함으로써, 레이저의 대역폭은 인위적으로 증가할 수 있다. 사용된 대역폭 내에서 연속인 스펙트럼의 상이한 성분은 이때 상이한 초점 위치를 동시에 발생시킨다. 포토레지스트 층 내에서 투과되는 영역의 깊이의 효과적인 증가가 그에 따라 일어난다. 그러나 초점의 효과적인 사용 가능 깊이의 이러한 증가는 흐림(blurring)을 야기하며 그에 따라 콘트래스트의 감소를 야기하며, 이것은 마무리된 구조화된 기판 상에 더 굵고 및/또는 덜 정확하게 규정 가능한 구조를 야기한다.
논문: "3개의 파장 노광 스테퍼를 사용한 두꺼운 포토레지스트 이미징"(B. Todd, W.W. Flack 및 S.White 저, SPIE MEMS 1999 #3874-40, 페이지 1 내지 15)은, 방사선 원으로서 수은 증기 램프를 갖는 웨이퍼 스테퍼를 사용한 큰 종회비를 갖는 마이크로 구조에 응용하기 위한 3개의 매우 두꺼운 포토레지스트(50㎛ 또는 100㎛의 층 두께)의 적정성을 기재한다. 이미지-측 개구수(NA= 0.16)를 갖는 1X 위니-다이슨(Wynne-Dyson) 타입의 반사굴절 투영 렌즈가 이미징에 사용된다. 위니-다이슨 타입의 투영 렌즈로 인해, 색수차를 도입하지 않고도 광대역 노광을 할 수 있다. 노광을 위해, 수은의 g-, h- 및 i-라인이 350nm 내지 450nm의 넓은 스펙트럼 범위에서 동시에 사용된다(ghi-스테퍼). 결과는 더 큰 NA의 gh-라인 스테퍼 및 i-라인 스테퍼에 의한 다른 실험의 결과와 비교된다.
큰 종횡비로 기판 내로 깊게 연장하는 구멍을 제조하기 위한 다른 기술은 소위 단단한 마스크를 사용한 다중 패터닝이다. 예가 논문:"큰 분해능 패턴 전사를 위한 개선된 이중의 단단한 마스크 스택의 평가"(J. Paul, M.Rudolph, S. Riedel, X. Thrun, S. Wege 및 C.Hohle 저, SPIE 회의록 vol. 8685 86850V-1 내지 86850V-11)에서 볼 수 있다. 공정은 상대적으로 복잡하고 고가이다. 게다가, 각각의 추가 공정 단계는 기판 상에 제조되는 구조의 추가 에지 위치지정 에러를 야기할 수 있다.
본 발명이 해결하는 하나의 문제점은, 노광될 기판 상의 상대적으로 두꺼운 방사선-민감성 층의 노광을 허용하는 투영 노광 방법을 제공하여, 정확히 위치지정된 선명한 윤곽을 갖는 노광된 볼륨이 층의 전체 두께에 걸쳐서 제조될 수 있다는 것이다. 추가 문제점은, 이 방법을 실행하기 적절한 투영 노광 장치를 제공하는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 청구항 1의 특성부를 갖는 투영 노광 방법을 제공한다. 더 나아가, 이 투영 노광 방법을 실행하기에 적절하며 청구항 12의 특성부를 갖는 투영 노광 장치와, 이 투영 노광 방법을 실행하기에 적절한 코팅된 기판을 제조하며 청구항 15의 특성부를 갖는 방법을 제공한다.
유리한 개선이 종속항에 명시되어 있다. 모든 청구범위의 문구는 상세한 설명의 내용에 참조로서 병합되어 있다.
투영 노광 방법에서, 기판은 방사선-민감성 또는 광민감성 다층 시스템으로 코팅된다. 이 다층 시스템은 제1 포토레지스트 층과 제2 포토레지스트 층을 포함하며, 제2 포토레지스트 층은 제1 포토레지스트 층과 기판 사이에 배치된다. 제1 포토레지스트 층은 그에 따라 방사선 입사 측에 더 가까이 자리하거나, 제2 포토레지스트 층보다 기판에서 더 멀리 자리한다.
제1 포토레지스트 층은 제1 포토레지스트 소재로 구성되는 반면, 제2 포토레지스트 층은 제2 포토레지스트 소재로 구성된다. 포토레지스트 층은 별도로 도포되어, 상이한 포토레지스트 소재가 제1 및 제2 포토레지스트 층에 사용될 수 있다. 결국, 다층 시스템의 층 구조의 구성에는 많은 자유도가 있다.
많은 실시예에서, 제1 및 제2 포토레지스트 소재는 상이하다. 이러한 차이는 주로 포토레지스트 소재의 스펙트럼 민감도 특징이나 그 파장-의존적 흡수 거동에 관한 것이다. 또한, 동일한 포토레지스트 소재가 제1 및 제2 포토레지스트 층에 사용될 수 있는 실시예가 있다.
본 출원의 환경에서, 용어, "민감도"는 소정 파장의 입사 광자가 포토레지스트 층의 원하는 광화학 반응을 야기할 가능성을 의미한다. 포토레지스트 층은, 특정 파장 범위로부터의 방사선이, 이것이, 특히 포토레지스트 소재의 용해성과 같이, 비-노광된 볼륨에 대한 포토레지스트 소재의 노광된 볼륨의 속성을 변경하는 광화학 반응을 야기하여, 노광된 섹션과 노광되지 않은 섹션이 후속한 공정 단계에서 상이하게 거동하는 방식으로, 포토레지스트 소재에 흡수된다면, 이러한 면에서 이 특정 파장 범위에 민감하다.
기판으로부터 더 멀리 배치되는 제1 포토레지스트 소재는 제1 파장 범위에서 상대적으로 높은 제1 민감도와, 제1 파장 범위와 분리된 제2 파장 범위에서, 제1 민감도보다 더 낮은 제2 민감도를 갖는다. 제1 포토레지스트 소재는 제1 파장 범위에서 노광-적절(즉, 선행하는 문단에 비춰볼 때, 노광에 적절한) 제1 민감도를 갖고자 한다.
제2 포토레지스트 소재는 제2 파장 범위에서 노광-적절(즉, 노광에 적절한) 제2 민감도를 갖고자 한다. "노광-적절" 제2 민감도는 특히, 제2 파장 범위의 광자 중 적어도 10%가 제2 포토레지스트 층에 흡수되어 이런 식으로 광화학 반응을 일으킬 수 있다면, 존재한다.
방사선-민감성 다층 시스템으로 코팅된 기판은 투영 렌즈의 효과적인 이미지 필드에서 오브젝트 평면에 배치되는 패턴의 이미지로 노광된다. 제1 파장 범위와 제2 파장 범위를 포함하는 동작 파장 범위를 갖는 방사선 원의 방사선은 노광에 사용된다.
이들 2개의 파장 범위 사이에 있는 파장에 있어서, 제1 포토레지스트 소재의 방사선 세기와 파장-의존 민감도의 곱이 제1 파장 범위에서보다는 여기에서 상당히 더 작은 값을 갖는다는 점이 사실이어야 한다. 더 나아가, 제2 포토레지스트 소재의 방사선 세기와 파장-의존 민감도의 곱이 제2 파장 범위에서보다는 여기에서 상당히 더 작은 값을 갖는다는 점이 사실이어야 한다. 통상적으로 사용되는 광원에 있어서, 파장에 따른 방사선 세기의 변동은 통상적인 포토레지스트 소재에서의 파장에 따른 민감도의 변동보다 크다. 따라서, 상기 조건은, 제1 파장 범위와 제2 파장 범위 사이의 범위에서의 파장에 대한 방사선 세기가 제1 및 제2 파장 범위에서보다 상당히 더 낮다면, 보통 쉽게 달성할 수 있다. 이러한 조건은 이때, 특히, 제1 파장 범위와 제2 파장 범위의 센트로이드 파장 사이의 유한 스펙트럼 분리(Δλ)가 있다는 효과를 갖는다.
이 방법에서, 제1 파장 범위와 관련되는 제1 초점 영역이 제2 파장 범위와 관련되는 제2 초점 영역에 대해 초점 거리만큼 오프셋되는 방식으로 제1 파장 범위와 제2 파장 범위에 대해 정정되는 투영 렌즈가 사용된다. 제1 및 제2 초점 영역이나 초점 거리의 위치는 방사선-민감성 다층 시스템의 층 구성으로 조정되어, 제1 초점 영역은 제1 포토레지스트 층 내에 있으며, 제2 초점 영역은 제2 포토레지스트 층 내에 있다.
기재한 타입의 광민감성 다층 시스템으로 기판을 코팅함으로 달성할 수 있는 것은, 기판 상의 방사선-민감성 코팅이 모든 지점에서 사용된 방사선의 모든 파장에 동일하게 민감성이기 보다는, 주로 대응 파장의 초점이 있는 특정 파장에 민감성이 있다는 것이다. 이 경우, 방사선 입사 측에 더 가까이에 있는 제1 포토레지스트 소재는 제1 파장 범위로부터의 방사선에 주로 반응해야 해서, 제2 파장 범위로부터의 흡수된 광자의 (광화학 반응을 일으킴에 관련되는) 개수가, 상대적으로 낮은 제2 민감도로 인해서, 제1 파장의 흡수된 광자의 개수와 관련하여 작다. 기판에 더 가까이에 있는 제2 포토레지스트 소재 또는 제2 포토레지스트 층은 제2 파장 범위로부터의 방사선에 주로 반응해야 하며, 이러한 방사선은 제2 파장에 대해 이러한 층에서 더 낮은 흡수도로 인해 위에 있는 제1 포토레지스트 층으로부터 제2 포토레지스트 층으로 상대적으로 큰 비율로 통과하게 되거나 투과된다.
이들 조건 하에서, 제1 포토레지스트 층 내의 제1 초점 영역에서와 제2 포토레지스트 층 내의 제2 초점 영역 모두에서, 선명하게 규정되는 노광 존을 발생시킬 수 있어서, 다층 시스템 내에서, 초점 깊이의 증가가 노광된 존과 노광되지 않은 존 사이의 전환 영역의 수반하는 추가 흐려짐 없이 일어난다.
결국, 더 두꺼운 포토레지스트 층이 여기서 일어나는 에어리얼 이미지의 페이딩이나 일부 다른 콘트래스트 손실 없이도 노광되게 하는 마이크로리소그라피 투영 노광 방법과 투영 노광 장치가 가능하게 된다.
포토레지스트는, 특히 폴리머-원료 또는 에폭시 수지-원료 포토레지스트일 수 있다. 포토레지스트는 포지티브 레지스트 또는 네거티브 레지스트로서 설계될 수 있다. 네거티브 레지스트인 경우에, 용해성은 노광의 결과로서 감소하며; 포지티브 레지스트의 경우, 용해성은 노광의 결과로서 증가한다.
바람직하게는, 제1 포토레지스트 층에서 제1 파장 범위의 광자 중 35%를 상당히 초과하는 광자의 흡수도는 불리할 수 있으며, 이는, 이 층 내에서, 도즈(dose)의 불리한 깊이 의존도와 흡수도로 인한 지수적인 세기 감소가 과도하게 높은 흡수도인 경우에 일어날 수 있다는 점을 고려해야 한다. 제1 포토레지스트 층을 제조하기 위해, 제1 파장 범위에서 광자의 10%와 60% 사이, 특히 20%와 40% 사이가 제1 포토레지스트 층 내에 흡수되도록 선택되는 제1 포토레지스트 소재가 사용된다면, 유리한 것으로 현재 생각된다. 하한이 상당히 못 미친다면, 노광된 레지스트의 물리-화학적 거동을 변경하기 위한 충분히 강력한 반응이 발생하지 않거나 광원의 세기는 충분한 노광에 이르도록 증가되어야 한다. 광 흡수도가 상한을 상당히 초과한다면, 제1 포토레지스트 층 내에서 노광의 상당히 주목할 만한 깊이 의존도가 일어날 수 있으며, 효과적인 노광은 방사선 입사 측에서 더 큰 거리에서보다 방사선 입사 측 인근에서 상당히 더 높을 것이다. 제1 파장 범위로부터의 방사선의 상대적으로 큰 비율이 제1 포토레지스트 층에서 흡수되기 보다는 제1 포토레지스트 층 통해 투과된다면 유리한 것으로 생각된다.
바람직하게도, 도즈의 깊이 의존도를 회피하기 위해 유사한 조건이 제2 파장 범위에서의 방사선에 관한 제2 포토레지스트 층의 경우에 존재해야 한다. 제2 포토레지스트 층을 제조하기 위해, 제2 파장 범위의 광자의 10%와 60% 사이, 특히 20%와 40% 사이가 제2 포토레지스트 층 내에 흡수되도록 선택되는 제2 포토레지스트 소재가 사용될 수 있다.
포토레지스트 소재는 노광 동안 사용되는 파장 범위에 관한 민감도 특징에 대한 특정 기준에 따라 선택될 수 있다.
특히, 제1 포토레지스트 층에서 흡수되는 제1 파장 범위의 광자의 개수가 제1 포토레지스트 층에서 흡수되는 제2 파장 범위의 광자의 개수보다 적어도 50%, 특히 적어도 100% 더 큰 경우 및/또는 제2 포토레지스트 층에서 흡수되는 제2 파장 범위의 광자의 양이 제2 포토레지스트 층에서 흡수되는 제1 파장 범위의 광자의 양보다 적어도 50%, 특히 적어도 100%더 큰 경우일 수 있다.
바람직하게도, 제2 파장 범위의 광자의 30% 미만이 제1 포토레지스트 층 내에 흡수되도록 선택되어야 한다.
코팅 공정 동안, 제1 포토레지스트 층은 제2 포토레지스트 층에 바로 도포될 수 있어서, 제1 포토레지스트 층을 통과하게 된(투과하게 된) 방사선은 바로 및 완전히 제2 포토레지스트 층에 입사하게 된다. 또한, 개재하는 중간 층을 제공할 수 있다. 일 변형 방법에서, 제1 파장 범위에서보다 제2 파장 범위에서 더 큰 투과도를 갖는 소재로 구성되는 컬러 필터 층이 기판 코팅 공정 동안 제1 포토레지스트 층과 제2 포토레지스트 층 사이에 제조된다. 컬러 필터 층의 소재는, 광자의 흡수가 광화학 반응을 일으키는 포토레지스트 소재일 수 있다. 그러나 이것은 강제적인 것은 아니며, 종종 실제 제공되지는 않는다. 흡수된 광자가 기판에 더 가까운 제2 포토레지스트 층으로 통과하지 않는다는 점에서 손실되는 것이면 충분하다.
컬러-선택 중간 층(컬러 필터 층)은 그에 따라 제2 포토레지스트 층의 방향으로 제2 파장 범위에서 더 많은 방사선을 투과하는 반면, 제1 파장 범위의 방사선의 더 많은 비율이 흡수된다. 이 변형의 한 가지 장점은, 기판에 더 가까운 제2 포토레지스트 층이 이때 제2 파장 범위에서의 방사선에 대한 흡수도에 관해 주로 선택될 수 있는 반면, 제1 파장 범위의 방사선에 관한 거동은 매우 임의적일 수 있다는 점이다. 이러한 점에서 제2 포토레지스트 소재에 대한 더 적은 요건이 있게 되므로, 제3 포토레지스트 층이 없는 변형의 경우에서보다 제2 포토레지스트 층을 형성하기 위해 더 많은 소재가 사용될 수 있다.
특히, 개재되는 컬러 필터 층을 사용하여, 제1 포토레지스트 층과 제2 포토레지스트 층에 대해 동일한 포토레지스트 소재를 또한 사용할 수 있으며, 그 결과로, 덜 복잡한 코팅 공정이 아마도 가능하게 된다.
제1 포토레지스트 층 및/또는 제2 포토레지스트 층의 층 두께는 특정 한계치 내에서 자유롭게 선택할 수 있다. 특히 우수한 공정 결과를 얻기 위해, 제1 포토레지스트 층 및/또는 제2 포토레지스트 층의 층 두께가 사용된 파장에서 투영 렌즈의 초점 깊이 특징에 맞춰지는 것이 유리한 것처럼 보인다. 알려진 바와 같이, 초점 깊이는 레일리 단위(RU)에 비례하며, 레일리 단위는 RU=λ/NA2로서 규정되며, 여기서 λ는 고려중인 파장이며, NA는 투영 렌즈의 이미지-측 개구수이다. 제1 포토레지스트 층의 층 두께는 바람직하게는 제1 파장 범위의 센트로이드 파장(λ1)에 대해 레일리 단위보다 작을 수 있다. 특히, 제1 포토레지스트 층의 층 두께가 RU1 내지 RU1/4의 범위에 있다면 - 여기서 RU1=λ1/NA2이며, λ1은 제1 파장 범위의 센트로이드 파장임 - 유리한 것으로 생각된다. 대안적으로 또는 추가로, 대응하는 조건은 제2 파장 범위의 센트로이드 파장(λ2)의 함수로서 제2 포토레지스트 층의 층 두께에 대해 사실일 수 있다. 이 층 두께가 명시된 간격보다 작다면, 투영 노광 장치에 의해 제공되는 초점 깊이는 충분히 활용되지 않는다. 즉, 포토레지스트 층은 그럴 수 있었던 것보다 더 두꺼우며, 그에 따라, 노광에 이은 에칭 공정 단계에서, 실제로 가능했던 것보다 더 짧은 시간 기간 및/또는 덜 양호하게 기저의 기판 영역을 보호할 수 있다. 층 두께가 그러한 간격보다 크다면, 이것은 결국 층의 적어도 부분 영역에서 이미지 콘트래스트의 악화를 야기한다.
대안적으로 또는 추가로, 파장 범위의 각각의 센트로이드 파장(λ)을 고려하여 최적화가 가능하다. 층 두께는 각각의 센트로이드 파장과 적어도 동일한 크기일 수 있다. 층 두께는 예컨대 각각의 센트로이드 파장의 100%와 400% 사이의 범위에 있을 수 있다. 요즘 350nm와 450nm 사이의 파장 범위에서가 관례인 최대 0.6의 값보다 상당히 더 큰 이미지-측 개구수를 갖는 투영 노광 장치의 경우, 층 두께는 또한 더 얇은 값을 가질 수 있다.
많은 적절한 포토레지스트의 사용으로, 제1 포토레지스트 층 및/또는 제2 포토레지스트 층의 층 두께는 대략 50nm 내지 대략 1500nm의 범위, 특히 100nm 내지 1000nm의 범위에 있을 수 있다.
초점 거리가 RUM 내지 RUM/4의 범위에 있도록 투영 렌즈가 설계된다면, 더 큰 깊이에 걸쳐 특히 선명한 에지를 갖는 노광을 더 나아가 얻게 되며, 여기서 RUM=λM/NA2이며, 여기서 λM은 제1 및 제2 파장 범위에서 평균을 구한 동작 파장이며, NA는 투영 렌즈의 이미지-측 개구수이다. 이들 조건이 충족된다면, 축방향 오프셋 방식으로 있는 초점 영역은 일반적으로 층 인터페이스로부터 거리를 두고 각각의 관련된 포토레지스트 층의 내부에 잘 위치지정될 수 있다.
이미 언급한 바와 같이, 제1 및 제2 파장 범위의 센트로이드 파장 사이에는 유한 스펙트럼 분리(Δλ)가 있어야 하며, 이 유한 분리(Δλ)는 예컨대 적어도 10nm일 수 있다. 결국, 다층 시스템의 상이한 층에서의 물리 화학 공정은 타겟 방식으로 제어될 수 있으며 서로 독립적으로 영향을 받을 수 있다. 예컨대 15nm와 50nm 사이의 범위에서의 더 큰 스펙트럼 분리(Δλ)가 유리할 수 있으며, 이는, 결국 원하는 상이한 민감도 속성을 갖는 스펙트럼 분리 영역이 기본적으로 이용 가능한 포토레지스트 소재의 스펙트럼 흡수도 특징에서 잘 사용될 수 있다.
개별 포토레지스트 층의 상이한 파장 범위와 층 두께에 대한 투영 노광 장치의 초점 거리는 유리하게도 서로에게 맞춰진다. 제1 파장 범위와 제2 파장 범위에 대한 초점 위치 사이의 거리는 포토레지스트 층의 층 두께의 합의 절반으로부터 바람직하게는 최대 50%, 특히 최대 20% 또는 10%만큼 상이하다. 초점 거리(초점 위치 사이의 거리)는 예컨대 통상 파장과 통상 파장의 10배 사이의 범위에 있을 수 있으며, 통상 파장은 예컨대 모든 파장 범위에 걸쳐 평균을 구한 파장으로 주어질 수 있다.
특히, 상대적으로 굵은 구조를 제조하고자 하는 응용에서, 레이저는 방사선 원으로서 필요치 않다. 오히려, 수은 증기 램프가 방사선 원으로서 사용되는 경우가 있을 수 있으며, 제1 파장 범위는 대략 365nm(i-라인), 대략 405nm(h-라인) 및 대략 436nm(g-라인)에서 센트로이드 파장을 갖는 수은 라인 중 정확히 하나를 포함하며, 제2 파장 범위는 상기 수은 라인 중 정확히 하나의 상이한 수은 라인을 포함한다. 추가 조치 없이도, 연속되는 넓은 스펙트럼 대신, 수은 증기 램프의 방출 스펙트럼은, 서로 스펙트럼이 차별되게 분리되는 구별되는 센트로이드 파장을 제공한다.
바람직한 예시적인 실시예에서, 정확히 2개의 상이한 파장 범위가 노광(2-파장 노광)에 사용된다. 이것은 특히 상대적으로 간단한 층 구조와 대응하여 간단한 코팅 공정의 장점을 제공한다. 그러나 본 발명은 예컨대 3개, 4개, 5개 이상의 파장 범위로와 같이 더 큰 수의 동작 파장 범위와 포토레지스트 층으로 확장할 수 있으며, 그에 맞춰, 상이한 포토레지스트 소재의 포토레지스트 층의 개수로 확장할 수 있다. 동작 파장 범위의 개수가 주 방사선 원의 강한 방출 라인의 개수와 같다면, 유리한 상황이 존재할 수 있어서, 예컨대 수은 증기 램프가 사용될 때, 3개의 동작 파장 범위의 사용이 유리할 수 있다. n번째 동작 파장 범위에서 n번째 - 작은 값의 n이 기판에서 더 멀리 있음 - 포토레지스트 층이 리소그라피 공정에 충분한 민감도를 갖는 반면, 제1 내지 (n-1) 번째 포토레지스트 층은 제1 내지 (n-1) 번째 동작 파장 범위에 실질적으로 단지 민감한 배치가 될 수 있다.
특정 속성을 갖는 방사선-민감성 다층 시스템을 갖는 기판 - 본 출원에서 처음에 기재함 - 으로 인해, 사용자는 청구한 투영 노광 방법의 장점을 이용할 수 있다. 본 발명은 또한, 제1 파장 범위와, 이 제1 파장 범위와 분리되는 제2 파장 범위를 포함하는 동작 파장 범위를 갖는 방사선 원의 방사선을 사용하는 투영 노광 방법에 사용하기 위한 방사선-민감성 다층 시스템을 갖는 기판을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 더 나아가, 본 발명은, 상기 방법에 의해 얻을 수 있거나 얻게 되거나 제조되며 특정 속성을 갖는 방사선-민감성 다층 시스템으로 코팅된 기판에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 기재한 투영 노광 방법이 그와 실행될 수 있게 하는 방식으로 그 방사선 원과 투영 렌즈에 관해 설계된 투영 노광 장치에 관한 것이다.
본 발명의 추가 장점과 양상은 청구범위로부터 그리고 도면을 참조하여 이하에서 설명될 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 자명하다.
도 1은, 광민감성 다층 시스템으로 코팅된 기판의 노광 동안 마이크로리소그라피 투영 노광 장치의 구성요소를 도시한다.
도 2는 수은 증기 램프의 통상 방출 스펙트럼을 개략적으로 도시한다.
도 3은, 서로에 대해 오프셋되어 있는 초점 영역에서의 2개의 분리된 파장 범위로부터의 방사선으로 노광되는 2-층의 다층 시스템으로부터의 발췌부의 개략적 디테일을 도시한다.
도 4는, 다른 하나의 위에 바로 하나가 있는 2개의 포토레지스트 층을 갖는 광민감성 다층 시스템의 층 구조를 개략적으로 도시한다.
도 5는, 또 다른 하나 위에 바로 하나가 있는 3개의 포토레지스트 층을 갖는 광민감성 다층 시스템의 층 구조를 개략적으로 도시한다.
도 6a는, 본 발명의 예시적인 실시예의 환경에서 사용하기 위한 일부 상업적으로 이용 가능한 포토레지스트 소재의 흡수도 곡선의 도표를 도시한다.
도 6b는, 여러 흡수도 계수에 대한 층 두께에 따른 흡수된 방사선 에너지의 비율의 의존도를 나타내는 도표를 도시한다.
도 7은 제1 예시적인 실시예에 따른 투영 렌즈를 도시한다.
도 8은 제2 예시적인 실시예에 따른 투영 렌즈를 도시한다.
개략적인 도 1은, 투영 렌즈(PO)의 오브젝트 평면(OS)의 영역에 배치되는 마스크(M)의 패턴(PAT)의 적어도 하나의 이미지로 투영 렌즈(PO)의 이미지 평면(IS)의 영역에 배치되는 기판을 노광하기 위한 마이크로리소그라피 투영 노광 장치(WSC)의 구성요소를 도시한다.
투영 노광 장치는 방사선 원(RS)의 방사선으로 동작한다. 조명 시스템(ILL)이 이 방사선 원의 방사선을 수신하여, 조명 필드 내에 마스크(M)의 패턴 상에 입사하는 조명 방사선을 성형하는 역할을 한다. 투영 렌즈(PO)는 패턴의 구조를 광-민감성 기판 상에 이미징하는 역할을 한다. 기판은 예컨대 반도체 웨이퍼일 수 있다. 노광될 기판은, 투영 렌즈에 면하는 구조화되는 그 측 상에 포토레지스트 소재로 구성되는 방사선-민감성 층(MS)(레지스트 층)을 갖는다.
투영 노광 장치는 스캐너 타입이다. 마스크(M)(레티클)를 홀딩하며 조작하기 위한 디바이스 - 이 디바이스는 예시하지 않으며 또한 "레티클 스테이지"로 지칭됨 - 가, 패턴(PAT)이 투영 렌즈의 오브젝트 평면(OS) - 이 오브젝트 평면은 또한 레티클 평면으로 지칭됨 - 에 있도록 설계된다. 마스크는, 스캐너 드라이브를 이용하여 투영 렌즈의 기준 축(AX)에 수직인 스캐닝 방향(y-방향)으로 스캐너 동작 동안 이 평면에서 움직일 수 있다. 노광될 기판은, "웨이퍼 스테이지"로도 지칭되며 스캐너 드라이브를 포함하여 스캐닝 방향(y-방향)으로 기준 축에 수직으로 마스크(M)와 동기적으로 기판을 움직이는 디바이스(예시 않됨)를 이용하여 운반된다.
수은 증기 램프가 방사선 원(RS)으로서 사용된다. 여기서, 용어, "방사선 원"은 광을 방출하는 주 방사선 원뿐만 아니라, 주 방사선 원에 의해 방출된 주 방사선의 스펙트럼을 이 방사선이 조명 시스템에 입사하기 전에 변경하는 역할을 하는, 필터, 스탑, 대역폭 축소 모듈 등과 같은 아마도 존재하는 디바이스를 포함하고자 한다.
도 2는 수은 증기 램프의 통상 방출 스펙트럼을 개략적으로 도시한다. 대략 350nm와 450nm의 범위에서의 방출 스펙트럼은, 상대적으로 낮은 세기를 갖는 스펙트럼 범위가 그 사이에 있는 상대적으로 높은 세기(I)를 갖는 3개의 스펙트럼 라인("수은 라인")을 특징으로 한다. 대략 365nm에서 센트로이드 파장을 갖는 수은 라인(i)이 "i-라인"으로 또한 지칭되며, 대략 405nm에서 센트로이드 파장을 갖는 수은 라인(h)이 "h-라인"으로 또한 지칭되며, 대략 436nm에서의 수은 라인(g)이 또한 "g-라인"으로 지칭된다. 수은 증기 램프는 그에 따라, 서로 스펙트럼이 차별되게 분리되는 3개의 구별되는 센트로이드 파장과, 그 사이에서, 각 경우에 20nm를 상당히 초과하며, 특히 심지어 30nm 이상인 스펙트럼 분리(Δλ)를 이 스펙트럼 범위에서 이용할 수 있다.
투영 렌즈(PO)는 수은의 g-라인, h-라인 및 i-라인 주위의 3개의 파장 범위에 대해 정정된다. 이것이 특히 의미하는 점은, 3개의 파장 각각으로, 기판 상에의 마스크의 패턴의 충분히 선명한 회절-제한 이미징이 가능하다는 점이다. 특히, 이들 3개의 라인에 대한 이미징 스케일은 동일하다. 그러나 3개의 파장의 최상의 설정 평면이나 초점 영역은 축방향에 일치(즉, 축(AX)에 평행)하지 않다. 오히려, 1차 길이 방향 색수차 및/또는 2차 길이 방향 색수차는, 이들이 사라지기 보다는 작은 유한 값을 갖도록 설정되어, 3개의 센트로이드 파장에 대한 최상의 설정 평면은 예컨대 대략 레일리 단위의 크기인 유한 절대값 만큼 각 경우에 서로에 대해 축방향으로 이격된다. 이러한 편차를 또한 "초점 거리"(ΔFOC)로 칭한다.
투영 렌즈를 이용하여 실행될 수 있는 투영 노광 방법은 특정한 방식으로 이 상황을 사용하며, 그러한 방식은 특히 도 3과 관련하여 더 상세하게 설명될 것이다.
노광을 위한 기판의 준비 동안, 기판은, 구조화될 또는 노광될 그 측 상에 방사선-민감성 다층 시스템(MS)의 형태의 방사선-민감성 층으로 코팅된다. 다층 시스템(MS)은, 제1 포토레지스트 소재로 구성되는 제1 포토레지스트 층(FLS1)과, 제1 포토레지스트 소재와 화학적으로 및 그 광화학 속성 면에서 상이한 제2 포토레지스트 소재로 구성되는 제2 포토레지스트 층(FLS2)을 포함한다. 제2 포토레지스트 층(FLS2)은 제1 포토레지스트 층(FLS1)과 기판(SUB) 사이에 배치된다. 결국, 투영 렌즈의 출구-측 단부로부터 나온 투영 방사선은 먼저 제1 포토레지스트 층(FLS1)에 도달한다. 그 후, 제1 포토레지스트 층에 흡수되지 않은 방사선의 일부분이 제2 포토레지스트 층(FLS2)에 도달한다. 2개의 포토레지스트 층 사이의 차이는 파장에 관한 포토레지스트 소재의 민감도의 의존도에 주로 있다.
제1 포토레지스트 소재는, 센트로이드 파장(λ1) 주위에 제1 파장 범위의 상대적으로 높은 민감도를 갖도록 선택되어, 제1 파장 범위로부터의 입사 광자가 상대적으로 높은 확률로 제1 포토레지스트 층에 원하는 광화학 반응을 야기할 확률이 상대적으로 높게 된다. 대조적으로, 센트로이드 파장(λ2) 주위의 제2 파장 범위에서, 제1 포토레지스트 소재의 민감도는 제1 민감도에 비해 상당히 낮아, 제2 파장 범위로부터의 광자는 제1 파장 범위에서의 광자보다 더 적은 정도로 제1 포토레지스트 층(FLS1)에 흡수되며, 제2 파장 범위로부터의 그러한 광자의 더 큰 비율이 기저의 제2 포토레지스트 층(FLS2)으로 침투한다. 그러한 제2 파장 범위에서, 제2 포토레지스트 층(FLS2)을 구성하는 제2 포토레지스트 소재는, 노광에 충분한 제2 민감도를 가져서, 제2 파장은 제2 포토레지스트 층(FLS2) 내에서 상당한 정도의 광화학 반응을 야기할 수 있으며, 그러한 반응은 제2 포토레지스트 소재의 속성, 특히 그 용해성을 변경한다.
광민감성 층의 그러한 다층 구조는 종래의 코팅 기술을 사용하여 고품질로 제조할 수 있다. 예를 들어, 상이한 포토레지스트 소재의 2개의 층이 스핀-코팅에 의해 기판 상에 연속하여 도포될 수 있다.
투영 노광 방법의 노광 단계에서, 방사선-민감성 다층 시스템(MS)으로 덮인 기판은 투영 노광 장치를 사용하여 노광된다. 이 경우, 방사선 원(RS)은, 3개의 수은 라인 중 2개, 즉 예컨대 i-라인과 h-라인의 조합, i-라인과 g-라인의 조합 또는 h-라인과 g-라인의 조합이 동시에 또는 동기적으로 사용되도록 설정된다. 2개의 선택된 라인 중 하나는 이때 제1 파장 범위에 대응하며, 제2의 선택된 라인은 제2 파장 범위에 대응한다.
도 1 내지 도 3의 개략적인 예시의 경우에, 투영 렌즈(PO)는 광학적으로 정정되어, 투영 렌즈의 이미지 평면(IS)에 대해 노광될 기판의 적절한 배치가 주어진다면, 제1 파장의 최상의 설정 평면, 즉 제1 초점 영역(FOC1)은 기판으로부터 원거리에 있는 제1 포토레지스트 층(FLS1)의 내부에 있는 반면, 제2 파장의 최상의 설정 평면, 즉 제2 초점 영역(FOC2)은 제2 포토레지스트 층(FLS2) 내에서 기판에 더 가까이에 있다.
제1 포토레지스트 층(FLS1) 내에서, 상이한 초점 위치로 인해, 그러므로, 노광으로부터 야기되는 레지스트 이미지는 λ1 주위의 제1 파장 범위의 에어리얼 이미지에 의해 주로 결정되는 반면, λ2 주위의 제2 파장 범위의 에어리얼 이미지가 제2 포토레지스트 층(FLS2)에서 기판에 더 가까운 레지스트 이미지를 결정한다.
광민감성 층의 다층 구조에 의해 달성되는 것은, 광민감성 층이 모든 지점에서, 즉 (z-방향으로) 전체 깊이에 걸쳐서 모든 파장에 대해 동일하게 민감하기 보다는 대응 파장의 초점 영역이 있는 특정 파장 범위나 특정 파장에 주로 민감하다는 점이다. 이들 조건 하에서, 서로 스펙트럼 분리되어 있는 2개의 구별되는 파장에 대해 2개의 축방향 오프셋 초점 위치를 갖는 그러한 에어리얼 이미지는 추가 흐림 없이 상대적으로 두꺼운 레지스트 내에 초점 깊이의 증가를 야기할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 환경에서 사용하기 위한 광민감성 다층 시스템(MS)의 기본적인 층 구조에 관한 2개의 대안을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명할 것이다. 도 4는, 먼저 제2 포토레지스트 층(FLS2)이 기판에 도포된 후 추가 포토레지스트 층의 개삽 없이 제1 포토레지스트 층이 제2 포토레지스트 층에 바로 도포되는 변형을 개략적으로 도시한다. 2개의 포토레지스트 층은 예컨대 스핀-코팅에 의해 연속해서 도포될 수 있다.
기판으로부터 원거리에 있으며 또한 "상부" 층으로 지칭될 수 있는 제1 포토레지스트 층(FLS1)은 이 경우, (센트로이드 파장(λ1)을 갖는) 제1 파장 범위로부터 상대적으로 큰 정도로 광을 흡수하지만, 주로 (센트로이드 파장(λ2)을 갖는) 제2 파장 범위로부터의 광을 제2 포토레지스트 층(FLS2)에 투과하는 포토레지스트 소재로 구성되어야 한다. 포토레지스트 층의 경우, 본 출원의 환경에서, 2개의 용어, "흡수하다" 및 "광화학 반응을 야기하다"가 이와 연계하여 실질적으로 유사하다. 기판에 더 가까우며 또한 "하부" 층으로 지칭되는 제2 포토레지스트 층(FLS2)은 제2 파장 범위에서 광을 상당히 큰 정도로 흡수하지만 주로 제1 파장 범위에서 광을 투과하는 포토레지스트 소재로 구성되어야 한다.
제1 파장 범위에 대해 더 큰 투과도(즉, 상대적으로 낮은 민감도)인 요건은, 제1 파장의 광의 더 많은 비율이 상부 포토레지스트(제1 포토레지스트 층(FLS1))를 통해 침투해야 하며, 이는 제1 포토레지스트 층(FLS1) 내에서 노광의 과도하게 큰 깊이 의존도가 그 밖에 얻어지기 때문이라는 사실에 기인한다. 제1 포토레지스트 층에 대해, 제1 파장 범위의 광자의 대략 10%와 대략 30% 내지 55% 사이가 제1 포토레지스트 층(FLS1) 내에 흡수되어, 제1 파장 범위의 주된 비율이 투과되도록 특정 흡수도나 민감도가 선택되는 제1 포토레지스트 소재가 사용된다면 편리함을 알게 되었다.
대안적인 변형이 도 5에 개략적으로 예시되어 있다. 이 예시적인 실시예에서, 기판에서 더 원거리에 있는 제1 포토레지스트 층(FLS1)과, 기판에 더 가까운 제2 포토레지스트 층(FLS2) 사이에는, (기판에서 더 원거리에 있는 제1 포토레지스트 층(FLS1)의 노광에 주로 사용되고자 하는) 제1 파장 범위에서보다 (제2 포토레지스트 층(FLS2)의 노광에 주로 사용되고자 하는) 제2 파장 범위에서 더 큰 투과도를 갖도록 선택되는 소재로 구성되는 컬러 필터 층(FFS)이 배치된다.
이 변형의 한 가지 장점은, 제1 파장 범위에서의 광에 대한 상류의 컬러 필터 층(FFS)에 의한 보호로 인해, 기판에 더 가까운 하부 층(제2 포토레지스트 층(FLS2))은 제2 파장 범위에서 광을 충분한 정도로, 즉 상대적으로 높은 제2 민감도로 흡수하는 속성을 오직 실행해야 한다는 점이다. 제1 파장 범위에서의 광의 민감도는 이때 임의적일 수 있으며, 이는, 컬러 필터 층(FFS)에 의한 차단으로 인해, 상기 광의 상대적으로 큰 비율이 제2 포토레지스트 층(FLS2)으로 통과할 수 없기 때문이다. 개삽되는 컬러 필터 층을 갖는 변형의 경우에, 원칙적으로 동일한 포토레지스트 소재로부터 제1 및 제2 포토레지스트 층을 제조할 수 있다.
"2-파장 노광"의 일부 구체적인 예시적 실시예를 여기 설명하는 원리를 예시하도록 이하에서 나타낸다.
도 6a의 도면은 일부 상업적으로 이용 가능한 포토레지스트 소재 또는 레지스트 소재의 흡수도 곡선을 개략적으로 도시한다. 이 도면에서, 흡수도 계수(ABS)(1㎛ 단위)는 각 경우에 파장(λ)(nm 단위)의 함수로서 나타낸다. 곡선은 소스에 대해서는 마이크로케미컬스의 포토레지스트를 나타낸다: http//www.microchemicals.com/downloads/application_notes.html. 곡선 명칭(FL1, FL2,...FL7)의 상업적 명칭(AZ®XXX )에 대한 할당은 다음과 같다: FL1=AZ® 9260; FL2=AZ® 4562; FL3®=AZ 6632; FL5=AZ® 1512HS; FL6=AZ® 701MiR and FL7=AZ® 5214E.
이용된 포토레지스트의 흡수도 계수는, 층 두께에 따라 흡수되는 대응하는 파장의 입사 광자의 비율을 계산하는데 사용될 수 있다. 흡수도 계수는 보통 단위, 1/㎛로 명시된다. 통상 값은 0.5/㎛ 내지 1/㎛의 범위에 있다. 이것은, 포토레지스트 층에 입사하는 방사선의 얼마의 비율이 여기서 흡수되는지를 드러낸다. 도 6b는, 4개의 상이한 흡수도 계수(ABS)에 대한 층 두께(DS)에 따른 흡수된 방사선 에너지의 비율의 의존도(PH-ABS)를 나타내는 도표를 도시한다. 예시한 곡선은 낮은 도즈나 낮은 세기를 갖는 노광에 적용될 수 있다. 화학적으로 증폭되지 않는 포토레지스트, 즉 특히 수은 램프의 g-, h- 및 i-라인의 영역에서 보통 사용되는 포토레지스트는 블리칭 현상을 보인다. 여기서 포토레지스트에 의한 광자의 흡수는 포토레지스트가 추가 입사 광자에 더 투명하게 하는 효과를 갖는다. 포토레지스트의 노광에 통상 사용되는 것과 같은 충분히 강력한 광 도즈에 대해, 그에 따라 효과적으로 도면에 예시한 것보다 더 낮은 에너지 비율이 흡수된다.
제1 구체적 예시적인 실시예에서, 도 4에 따른 층 구조가 선택된다. 기판에 가까운 제2 층(FLS2)은 800nm의 층 두께를 가지며 AZ® 4562(곡선(FL2))로 구성된다. 기판으로부터 원거리에 있는 제1 층(FLS1)은 800nm의 층 두께를 가지며, AZ 9260(FL1)으로 구성된다. 이 예시적인 실시예에서, h-라인은 제1 파장 범위에 대응하며, g-라인은 제2 파장 범위에 대응한다. 상부 층(FLS1)은 실제로 오직 h-라인에만 반응한다. 기판에 더 가까운 하부 층(FLS2)은 h-라인과 g-라인에 거의 동일한 정도로 반응한다. 그러나 h-라인의 방사선의 상당한 비율이 이미 상부 층(제1 포토레지스트 층(FL1))에 흡수되었으므로, 하부 층(제2 포토레지스트 층(FLS2))의 노광은 g-라인 방사선에 의해 지배된다. 이 원하는 효과는, 수은 증기 램프가 h-라인보다 더 큰 세기로 g-라인을 일반적으로 방출한다는 사실에 의해 강화된다(도 2와 비교).
제2 구체적 예시적인 실시예에서, 도 4에 따른 층 구조를 다시 한번 선택한다. 이 예시적인 실시예에서, i-라인과 g-라인이 노광에 사용된다. 기판으로부터 원거리에 있는 제1 포토레지스트 층(FLS1)(층 두께(800nm))이 (FL1에 대응하는) AZ® 9260으로 구성되는 반면, 기판에 가까운 제2 포토레지스트 층(FLS2)(층 두게(800nm))이 (FL6에 대응하는) AZ® 701MiR로 구성된다. 기판으로부터 원거리에 있는 상부 층(FLS1)은 제1 구체적 예에 대해 변화되지 않으며; 하부 층은 이제 g-라인의 광에만 가능한 많이 반응하고자 하는 소재로 구성된다. 이것은 제한된 정도로만 달성될 수 있으며, 이는 통상 i-라인의 어느 정도 더 활동적인 광자가 g-라인의 광자에 의해 또한 야기될 수 있는 반응을 또한 야기할 수 있기 때문이다. 그러므로 i-라인에 대한 민감도의 국부적 최소치를 갖는 포토레지스트 소재를 사용하는 것이 편리하다. 방사선 원은 통상 i-라인보다 어느 정도 더 큰 세기의 g-라인을 방출하며, i-라인 광자의 더 큰 부분이 이미 제1 포토레지스트 층(FLS1)에 이미 흡수되므로, 그에 따라 달성할 수 있는 점은, 제2 포토레지스트 층(FLS2)에서의 광자의 흡수도가 g-라인의 광자에 의해 지배된다는 점이다.
제3의 구체적 예시적인 실시예에서, 도 4에 따른 층 구조를 다시 한번 선택한다. 이 예시적인 실시예에서, i-라인과 g-라인은 노광에 사용된다. 제2 예시적인 실시예와 비교하여, 변화되지 않은 층 두께(800nm)의 상부 층(FLS1)은, (FL1에 대응하는) AZ® 9260과 비교하여 i-광에 대해 더 높은 흡수도를 갖는 (곡선(FL5)에 대응하는) AZ® 1512HS로 교체되었다. 제2 포토레지스트 층은 변화되지 않고 유지된다. 이 변경에 의해 달성되는 점은, 더 적은 i-라인 광자가 노광에 필요하며, 이점은 원하는 효과로서 간주될 수 있다는 점이다. 그러나 g-라인 광자는 상부 층의 노광에 더 큰 정도로 또한 기여할 것이며, 이점은 아마도 원치 않을 수 있다.
제4 구체적 예시적인 실시예에서, 도 5에 따른 층 구조, 즉 개삽된 컬러 필터 층(FFS)을 갖는 층 구조가 선택된다. (제2 파장으로서의) g-라인과 (제1 파장으로서의) i-라인에 대한 이 예시적인 실시예는 추가의 컬러-선택적 중간 층을 사용한다. (FL7에 대응하는) AZ®5214E로 구성되는 상부 층(제1 포토레지스트 층(FLS1))은 800nm의 층 두께를 가지며 실제로 g-라인 광에 민감하지 않아서, 실제로 오직 i-라인 광이 노광에 기여한다. (FL3에 대응하는) AZ® 6632로 구성되는 하부 층(제2 포토레지스트 층(FLS2))이 800nm의 층 두께를 가지며 주로 g-라인 민감도로 인해 선택된다. 즉, i-라인 방사선에 대한 그 거동은 관련없다. 이들 두 개의 레지스트 사이에는, 90nm 두께의 컬러 필터 층(FFS)이 중간 층으로서 사용되어 i-라인을 필터링하거나 차단하여, i-라인 광은 실제로 제2 포토레지스트 층(FLS2)에 침투할 수 없다.
예를 들어, i-라인에 대한 바닥의 반사 방지 코팅(BARC)이 컬러 필터 층으로서 사용될 수 있다. BARC는 대응하는 광의 후방 반사(back-reflection)를 방지하고자 하는 것이며, 그에 따라 대응하는 파장(여기서: i-라인)에 매우 흡수성을 갖는다. BARC의 작용의 추가 메커니즘은 BARC 내의 방사선의 다중 반사의 결과로서의 간섭에 있다. 컬러 필터 층(FFS)의 특정 층 두께가 주어진다면, i-라인 방사선의 상부 층(FLS1)으로의 후방 반사는 억제된다. 후방 반사된 광은, 레지스트에서 입사된 광과의 중첩의 결과로서, 스윙 곡선으로 알려진 원치 않는 중첩을 생성할 수 있다. 이러한 중첩은 특히 두꺼운 레지스트 층인 경우에 일어날 수 있다. AZ® BARLi II 90의 경우에, 후방 반사의 이러한 억제가 발생하는 두께는 90nm이다.
BARC의 두께가 50%만큼(예에서 135nm까지) 증가한다면, i-라인 방사선의 최소보다는 최대의 후방 반사가 일어난다. 이것은, 스윙 곡선이 더욱 강력하게 될 수 있다는(더 얇은 층의 경우 특정 상황 하에서 약한 효과만을 가짐) 단점을 갖지만, 그러나 그 보답으로 개선된 차단의 장점을 부여하여, 적은 i-라인 방사선이 원치 않는 방식으로 컬러 필터 층을 통해 침투할 수 있다.
여러 타입의 투영 렌즈가 이 방법을 실행하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 굴절 광학 투영 렌즈, 즉 굴절률을 보이는 모든 광학 요소(특히, 렌즈 요소)가 동작 파장 범위에서 투과성인 소재로 구성되는 투영 렌즈를 사용할 수 있다. 또한, 투영 렌즈는 반사 굴절 투영 렌즈, 즉 투과성 광학 요소(예컨대, 렌즈 요소) 외에, 적어도 하나의 만곡된 미러, 특히 오목한 미러가 투영 빔 경로에 구비되는 투영 렌즈일 수 있다.
1차 및/또는 2차 길이 방향 색수차를 변경하기 위한 변경에 의해 예컨대 US 7,760,452B2에 도시된 예로부터 적절한 반사 굴절 투영 렌즈가 개발될 수 있다. 축소 렌즈, 즉 축소 스케일(예컨대, 1:4 또는 1:5)로 패턴을 이미지 평면이나 기판 상에 이미징하는 이들 투영 렌즈가 바람직하게는 사용된다. NA=0.5 또는 NA=0.6 내지 NA=0.8 또는 NA=0.93 범위의 이미지-측 개구수(NA)가 투영 노광 장치에 대한 달성 가능한 분해능과 제조 아웃레이 사이의 우수한 절충점을 종종 제공하며, 이는 투영 광학 유닛에서의 광학 요소의 필요한 개수와 크기가 개구수에 따라 상당히 증가하기 때문이다.
도 7 및 도 8은 매우 광대역 정정을 보이는 예시적인 실시예를 도시한다. US 7,760,452B2는 설계의 일반 정정 원리에 대한 정보를 제공한다. 이 설계는 US7,760,452B2로부터의 도 3a에서의 실시예로부터 개발되었다. 이 설계는 수은의 g-라인(436nm), h-라인(405nm) 및 i-라인(365nm) 주위의 파장 범위에 대해 정정된다. 이러한 점에서, 특허 US7,760,452B2의 개시는 본 상세한 설명의 내용에 참조로서 인용된다.
US 7,760,452B2에 대한 유일한 변경은, 1차 및/또는 2차 길이 방향 색수차가 사라지기 보다는, 작은 값을 가져서, 3개의 센트로이드 파장에 대한 최상의 설정 평면은 유한 절대값(예컨대, 대략 레일리 단위(RU)의 크기)만큼 서로에 대해 축방향 변위된다. 1차 및 2차 길이 방향 색수차는 설계가 정정될 수 있으므로(그렇지 않다면 스펙트럼 광대역 특징은 보장되지 않을 것임), 초점 평면의 순서는 선험적으로 자유롭게 선택할 수 있다.
도 7 및 도 8(또는 각각 표 7, 7A, 8, 8A)의 예에서, i-라인의 설정 평면은 중심 h-라인의 뒤 대략 1.5㎛에 있으며, g-라인의 설정 평면은 중심 h-라인의 1.5㎛ 앞에 있다(즉, 초점 거리는 각 경우에 대략 1.5㎛이다). 이것은 1차 길이 방향 색수차의 약간의 디튜닝에 의해 달성할 수 있다. 디튜닝은 미미하여서, 본 설계를 US 7,760,452B2의 종래기술로부터 구별하는 구조적 조치는 거의 식별할 수 없다.
도 7의 투영 렌즈(700)의 예시적인 실시예는 US 7,760,452B2의 도 3a으로부터의 설계와 매우 유사하며, 1차 길이 방향 색수차의 약간의 디튜닝만 차이가 난다. 도 7의 설계에서, 레티클 가까이의 시스템 부분에서의 스탑 평면이 시스템에서 동공 위치를 규정한다. 그러한 스탑 평면은 전체 전방 시스템 부분에 의해 레티클 구역에 이미징된다. 그러나 이 이미징은 상당한 정도로 부족하게 색도 정정되어서, 결국, 입사 동공의 위치는 파장에 따라 변하며, 시스템은 그에 따라 상이한 파장에 대해 레티클에서 상이한 텔레센트리서티 거동을 보인다.
동공 이미징의 색도 정정은 해치부(hatch)에 가까운 렌즈 부분, 즉 레티클과 중간 이미지에 가까운 렌즈 부분을 색도 정정함으로써 달성할 수 있다. 도 8에서 투영 렌즈(800)의 예에서, 동공 이미징의 이러한 색도 정정은 레티클 평면 바로 하류의 무채색, 과정정 더블렛(achromatic, overcorrecting doublet)(DB)의 사용에 의해 달성될 수 있었다.
도면의 도면들에 도시한 투영 렌즈의 명세는 상세한 설명 말미에 편집된 표들에 나타나있으며, 그러한 표들의 번호는 각각 도면의 대응하는 도면의 번호에 대응한다.
표들은 각각의 설계의 명세를 표 형태로 요약한다. 이 경우, 열, "표면"은 어떤 식으로 구별되는 굴절 표면 또는 표면의 번호를 나타내고, 열, "반경"은 표면의 반경(r)(mm)을 나타내고, 열, "두께"는 표면과 후속한 표면 사이의 거리(d)- 두께로 표시됨 - (mm)를 나타내고, 열, "소재"는 광학 구성요소의 소재를 나타낸다. 열, "굴절률1", "굴절률2" 및 "굴절률3"은 설계 동작 파장(405.0nm)(굴절률1)에서, 365.5nm(굴절률2)에서 및 436.0nm(굴절률3)에서의 소재의 굴절률을 나타낸다. 열, "반지름"은 렌즈 요소 또는 광학 요소의 유용한 자유 반경 또는 자유 광학 반지름(mm)을 나타낸다. (열, "반경"에서) 반경(r=0)은 평면에 대응한다. 일부 광학 표면은 비구면이다. "A"가 붙여진 표들은 대응하는 비구면 데이터를 나타내며, 비구면 표면은 다음의 명세에 따라 계산된다:
p(h)=[((1/r)h2)/(1+SQRT(1-(1+K)(1/r)2h2))]+C1*h4+C2*h6+....
이 경우, 반경의 역수(1/r)는 표면 곡률을 나타내며, h는 표면 지점과 광학 축 사이의 거리(즉, 빔 높이)를 나타낸다. 결국 p(h)는 시상 높이(sagittal height), 즉 표면 지점과 표면 정점 사이의 z-방향(광학 축의 방향)으로의 거리를 나타낸다. 상수(K, C1, C2)는 "A"가 붙은 표들에 나타내져 있다. 원뿔 상수(conic constant)(K)가 0이라면, 상기 수학식은 다음과 같이 간략화할 수 있다:
p(h)=r - SQRT(r2-h2)+C1*h4+C2*h6+....
예시적인 실시예의 투영 렌즈는 이미지-측 개구수(NA=0.5)에 대해 설계된다. 오브젝트 높이는 각 경우에 62mm이다.
표 7
Figure pct00001
표 7A
Figure pct00002
표 8
Figure pct00003
표 8A
Figure pct00004

Claims (18)

  1. 투영 렌즈의 이미지 평면의 영역에 배치되는 기판을 상기 투영 렌즈의 오브젝트 평면의 영역에 배치되는 마스크의 패턴의 적어도 하나의 이미지로 노광하기 위한 투영 노광 방법으로서, 다음의 단계들:
    제1 포토레지스트 소재로 구성되는 제1 포토레지스트 층(FLS1)과, 상기 제1 포토레지스트 층과 상기 기판 사이에서의, 제2 포토레지스트 소재로 구성되며 별도로 도포되는 제2 포토레지스트 층(FLS2)을 포함하는 방사선-민감성 다층 시스템(MS)으로 상기 기판(SUB)을 코팅하는 단계로서,
    상기 제1 포토레지스트 소재는 제1 파장 범위에서 상대적으로 높은 제1 민감도를 가지고, 상기 제1 파장 범위로부터 분리되는 제2 파장 범위에서 상기 제1 민감도에 대해 더 낮은 제2 민감도를 가지며,
    상기 제2 포토레지스트 소재는 상기 제2 파장 범위에서 노광-적절 제2 민감도를 갖는, 상기 기판 코팅 단계; 및
    상기 방사선-민감성 다층 시스템(MS)으로 코팅된 상기 기판을, 상기 제1 파장 범위와 상기 제2 파장 범위를 포함하는 동작 파장 범위를 갖는 방사선 원(RS)의 방사선을 사용하여 상기 패턴의 이미지로 노광하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 파장 범위와 관련되는 제1 초점 영역(FOC1)이 상기 제2 파장 범위와 관련되는 제2 초점 영역(FOC2)에 대해 초점 거리(ΔFOC)만큼 오프셋되는 방식으로 상기 제1 파장 범위와 상기 제2 파장 범위에 대해 정정되는 투영 렌즈(PO)가 사용되며,
    상기 제1 초점 영역(FOC1)은 상기 제1 포토레지스트 층(FLS1) 내에 있으며, 상기 제2 초점 영역(FOC2)은 상기 제2 포토레지스트 층(FLS2) 내에 있는, 투영 노광 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 소재와 상기 제2 포토레지스트 소재는 상이한 스펙트럼 민감도 특징을 갖는, 투영 노광 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 층(FLS1)을 제조하는 경우, 상기 제1 파장 범위에서 광자의 10%와 60% 사이가 상기 제1 포토레지스트 층 내에서 흡수되도록 선택되는 제1 포토레지스트 소재가 사용되며 및/또는 상기 제2 포토레지스트 층(FLS2)을 제조하는 경우, 상기 제2 파장 범위에서 광자의 10%와 60% 사이가 상기 제2 포토레지스트 층 내에 흡수되도록 선택되는 제2 포토레지스트 소재가 사용되는, 투영 노광 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 층(FLS1)을 제조하는 경우, 상기 제1 포토레지스트 층에서 흡수되는 상기 제1 파장 범위에서의 광자의 수가 상기 제1 포토레지스트 층에서 흡수되는 상기 제2 파장 범위에서의 광자의 수보다 적어도 50%, 특히 적어도 100% 더 많은 방식으로 선택되는 제1 포토레지스트 소재가 사용되며 및/또는, 상기 제2 포토레지스트 층(FLS2)을 제조하는 경우, 상기 제2 포토레지스트 층에서 흡수되는 상기 제2 파장 범위에서의 광자의 수가 상기 제2 포토레지스트 층에서 흡수되는 상기 제1 파장 범위에서의 광자의 수보다 적어도 50%, 특히 적어도 100% 더 많은 방식으로 선택되는 제2 포토레지스트 소재가 사용되는, 투영 노광 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 층(FLS1)을 제조하는 경우, 상기 제2 파장 범위에서의 광자의 30% 미만이 상기 제1 포토레지스트 층(FLS1) 내에서 흡수되는 방식으로 선택되는 제1 포토레지스트 소재가 사용되는, 투영 노광 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 파장 범위에서보다 상기 제2 파장 범위에서 더 큰 투과도를 갖는 소재로 구성되는 컬러 필터 층(FFS)이, 상기 기판(SUB)을 코팅하는 공정 동안 상기 제1 포토레지스트 층(FLS1)과 상기 제2 포토레지스트 층(FLS2) 사이에 제조되는, 투영 노광 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초점 거리(ΔFOC)가 RUM 내지 RUM/4의 범위에 있도록 상기 투영 렌즈(PO)가 설계되며, 여기서 RUM=λM/NA2이며, 여기서 λM은 상기 제1 및 제2 파장 범위에서 평균을 구한 동작 파장이며, NA는 상기 투영 렌즈의 이미지-측 개구수인, 투영 노광 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 층(FLS1)의 층 두께가 RU1 내지 RU1/4의 범위에 있으며, 여기서 RU1=λ1/NA2이며, 여기서 λ1은 상기 제1 파장 범위의 센트로이드 파장이고, NA는 상기 투영 렌즈의 이미지-측 개구수인 방식으로 및/또는 상기 제2 포토레지스트 층(FLS2)의 층 두께가 RU2 내지 RU2/4의 범위에 있으며, 여기서 RU2=λ2/NA2이며, 여기서 λ2은 상기 제2 파장 범위의 센트로이드 파장이고, NA는 상기 투영 렌즈의 이미지-측 개구수인 방식으로 상기 코팅이 실행되는, 투영 노광 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 층(FLS1)의 층 두께 및/또는 상기 제2 포토레지스트 층(FLS2)의 층 두께가 50nm 내지 1500nm의 범위, 특히 100nm 내지 1000nm의 범위에 있는 방식으로 상기 코팅이 실행되는, 투영 노광 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 파장 범위와 상기 제2 파장 범위의 센트로이드 파장 사이의 스펙트럼 분리(Δλ)가 적어도 10nm인, 투영 노광 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 수은 증기 램프가 방사선 원(RS)으로서 사용되며, 상기 제1 파장 범위는 대략 365nm(i-라인), 대략 405nm(h-라인) 및 대략 436nm(g-라인)에서 센트로이드 파장을 갖는 수은 라인 중 정확히 하나를 포함하며, 상기 제2 파장 범위는 상기 수은 라인 중 정확히 하나의 상이한 수은 라인을 포함하는, 투영 노광 방법.
  12. 투영 렌즈의 이미지 평면의 영역에 배치되는 기판을 상기 투영 렌즈의 오브젝트 평면의 영역에 배치되는 마스크의 패턴의 적어도 하나의 이미지로 노광하기 위한 투영 노광 장치로서,
    제1 파장 범위와 상기 제1 파장 범위로부터 분리되는 제2 파장 범위를 포함하는 동작 파장 범위에서 방사선을 방출하기 위한 주 방사선 원(RS);
    방사선을 수신하여, 상기 마스크(M)에 보내지는 조명 방사선을 생성하기 위한 조명 시스템(ILL);
    상기 투영 렌즈의 이미지 표면(IS)의 영역에 상기 패턴의 이미지를 생성하기 위한 투영 렌즈(PO)로서, 상기 투영 렌즈는, 상기 제1 및 제2 파장 범위에서의 각각의 파장으로, 상기 기판 상의 상기 패턴의 선명한 회절-제한 이미징이 동일한 이미징 스케일로 가능한 방식으로, 적어도 상기 제1 파장 범위와 상기 제2 파장 범위에 대해 정정되는, 상기 투영 렌즈(PO)를 포함하되,
    상기 제1 파장 범위와 관련되는 제1 초점 영역(FOC1)이 상기 제2 파장 범위와 관련되는 제2 초점 영역(FOC2)에 대해 초점 거리(ΔFOC)만큼 오프셋되는 것을 특징으로 하는, 투영 노광 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 초점 거리(ΔFOC)가 RUM 내지 RUM/4의 범위에 있도록 상기 투영 렌즈(PO)가 설계되며, 여기서 RUM=λM/NA2이며, 여기서 λM은 상기 제1 및 제2 파장 범위에서 평균을 구한 동작 파장이며, NA는 상기 투영 렌즈의 이미지-측 개구수인, 투영 노광 장치.
  14. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 방사선 원(RS)은 수은 증기 램프를 포함하며, 상기 제1 파장 범위는 대략 365nm(i-라인), 대략 405nm(h-라인) 및 대략 436nm(g-라인)에서 센트로이드 파장을 갖는 수은 라인 중 정확히 하나를 포함하며, 상기 제2 파장 범위는 상기 수은 라인 중 정확히 하나의 상이한 수은 라인을 포함하는, 투영 노광 장치.
  15. 제1 파장 범위와 상기 제1 파장 범위로부터 분리되는 제2 파장 범위를 포함하는 동작 파장 범위를 갖는 방사선 원의 방사선을 사용하는 투영 노광 방법에 사용하기 위한 코팅된 기판을 제조하기 위한 방법으로서,
    제1 포토레지스트 소재로 구성되는 제1 포토레지스트 층(FLS1)과, 상기 제1 포토레지스트 층(FLS1)과 기판(SUB) 사이에서의, 제2 포토레지스트 소재로 구성되며 별도로 도포되는 제2 포토레지스트 층(FLS2)을 포함하는 방사선-민감성 다층 시스템(MS)으로 상기 기판(SUB)을 코팅하는 단계로서,
    상기 제1 포토레지스트 소재는 제1 파장 범위에서 상대적으로 높은 제1 민감도를 가지고, 상기 제1 파장 범위로부터 분리되는 제2 파장 범위에서 상기 제1 민감도에 대해 더 낮은 제2 민감도를 가지며,
    상기 제2 포토레지스트 소재는 상기 제2 파장 범위에서 제2 민감도를 갖는, 상기 기판 코팅 단계를 특징으로 하는, 코팅된 기판 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 소재와 상기 제2 포토레지스트 소재는 상이한 스펙트럼 민감도 특징을 갖는, 코팅된 기판 제조 방법.
  17. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 상기 다층 시스템(MS)은 청구항 3 내지 청구항 6 또는 청구항 9 중 적어도 어느 한 항의 특징부의 구성들에 따라 제조되는, 코팅된 기판 제조 방법.
  18. 청구항 15 내지 청구항 17 중 적어도 어느 한 항의 구성들을 갖는 방법에 의해 획득될 수 있거나 획득되는, 방사선-민감성 다층 시스템(MS)으로 코팅되는 기판.
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