KR101901770B1 - 계측에 사용하기 위한 기판 및 패터닝 디바이스, 계측 방법, 및 디바이스 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
리소그래피 장치(LA)에 의하여 패터닝 디바이스(M)로부터의 패턴이 기판(W)에 적용된다. 인가된 패턴은 제품 피쳐와 계측 타겟(600, 604)을 포함한다. 계측 타겟은 X-선 산란(계측 장치(104))을 사용하여 오버레이를 측정하기 위한 대타겟(600a)과 가시 방사선의 회절(계측 장치(102))에 의해 오버레이를 측정하기 위한 소타겟(600b, 604)을 포함한다. 더 작은 타겟(604) 중 일부는 더 큰 타겟들 사이의 위치에 분포되는 반면에, 다른 소타겟들(600b)은 대타겟과 동일한 위치에 배치된다. 동일한 위치에서 소타겟(600b)과 대타겟(600a)을 사용하여 측정된 값들을 비교함으로써, 모든 소타겟들을 사용하여 측정된 파라미터 값들(704)이 정확도가 증가하도록 정정될 수 있다. 대타겟은 주로 스크라이브 레인(SL) 내에 위치될 수 있는 반면에 소타겟은 제품 영역(602, D) 내에 분포된다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2014 년 5 월 13 일 출원된 EP 출원 번호 제 14168067 호의 우선권을 주장하며, 이것은 그 전체 내용이 참조되어 본 명세서에 원용된다.
본 발명은, 예를 들어 리소그래피 기법에 의한 디바이스의 제조에서 사용가능한 계측용 방법, 및 장치 및 리소그래피 기법을 사용하는 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다. 오버레이를 측정하는 방법이 이러한 계측의 특정 응용예로서 설명된다.
리소그래피 장치는 기판 상에 통상적으로는 기판의 타겟 영역 상에 원하는 패턴을 부여하는 장치이다. 리소그래피 장치는 예컨대 집적회로(IC)의 제조 시에 사용될 수 있다. 그 경우, 집적회로의 개개의 층 상에 형성될 회로 패턴을 생성하기 위해 마스크 또는 레티클(reticle)로도 지칭되는 패터닝 장치가 사용될 수 있다. 이러한 패턴은 기판(예를 들어, 실리콘 웨이퍼) 상의 타겟부(예를 들어, 다이의 일부, 하나 또는 몇몇 다이들을 포함) 상으로 전사될 수 있다.
리소그래피 프로세스에서, 생성된 구조를, 예를 들어 프로세스를 제어하고 검증하기 위해서 자주 측정하는 것이 바람직하다. 임계 치수(CD)를 측정하기 위하여 흔히 사용되는 스캐닝 전자 현미경, 및 디바이스에 있는 두 개의 층들의 정렬 정확도인 오버레이를 측정하는 전문 툴과 같이, 이러한 측정을 하기 위한 다양한 툴들이 알려져 있다. 최근, 다양한 형태의 산란계들이 리소그래피 분야에서 사용되도록 개발되어 왔다. 이러한 디바이스들은 방사선 빔을 타겟 위로 지향시키고 산란된 방사선의 하나 이상의 속성 - 예를 들어, 파장의 함수인 단일 반사각에서의 세기; 반사된 각도의 함수인 하나 이상의 파장에서의 세기; 또는 반사된 각도의 함수로서의 편광 -을 측정하여 스펙트럼을 획득하고, 타겟의 관심 속성은 이러한 스펙트럼으로부터 결정될 수 있다. 관심 속성은 다양한 기법: 예를 들어, 엄밀한 커플링된 파 분석(rigorous coupled wave analysis) 또는 유한 요소 방법(finite element method)과 같은 반복적 접근법에 의한 타겟 구조의 복원; 라이브러리 검색; 및 주된 컴포넌트 분석에 의하여 결정될 수 있다. SEM 기법과 비교할 때, 광학 산란계는 더 넓은 면적, 심지어 제품 유닛의 전부에서 훨씬 더 높은 쓰루풋으로 사용될 수 있다.
종래의 산란계에 의하여 사용되는 타겟은, 예를 들어 40μm 바이 40μm인 상대적으로 큰 격자들이고, 측정 빔은 격자보다 더 작은 스폿을 생성한다(즉, 격자는 언더필된다). 예를 들어 10μm 바이 10μm 이하로 타겟의 크기를 감소시켜서, 예를 들어 이들이 스크라이브 레인(scribe lane)에 있는 것이 아니라 제품 피쳐 사이에 포지셔닝될 수 있게 하기 위하여, 격자가 측정 스폿보다 더 작아지는(즉, 격자가 오버필되는) 소위 "소타겟" 계측이 제안되었다. 이러한 타겟은 조명 스폿 보다 더 작을 수 있고, 웨이퍼 상의 제품 구조에 의하여 둘러싸일 수도 있다. 통상적으로 소타겟들은, 회절의 0차(거울 반사(specular reflection)에 대응)가 차단되고 더 높은 차수들만이 처리되는 암시야 산란측정을 사용하여 측정된다. 암시야 계측의 예는 국제 특허 출원 제 WO 2009/078708 호 및 제 WO 2009/106279 호에서 찾을 수 있다. 암시야 이미징에 의한 회절 기초 오버레이 측정법이 미국 특허 출원 US 20100328655A에서 기술된다. 이러한 기술의 추가적인 개발예들은 특허 공개 번호 US20110027704A, US20110043791A, US20120044470A US20120123581A, US20130258310A, US20130271740A 및 WO2013178422 에 설명되었다. 복합 격자 타겟을 사용하여 하나의 이미지 내의 다수의 격자들이 측정될 수 있다. 이러한 출원들 모두의 내용도 참조되어 본 명세서에 원용된다. 이러한 문서들은 모두 그 전체가 참조되어 본 명세서에 원용된다. 다른 타입의 타겟과 이미지-기초 계측을 포함하는 측정법도 역시 사용될 수 있다.
타겟을 제품 피쳐 사이에 배치하면, 타겟이 작을수록 제품 피쳐와 더 유사하게 공정 변이에 의한 영향을 받을 것이고, 실제 피쳐 사이트에서의 공정 변이의 효과를 결정하기 위해서 보간이 덜 필요할 수 있을 것이기 때문에, 측정의 정확도를 증가시킬 것으로 기대된다. 회절에 기초하는지 이미지에 기초하는지와 무관하게, 오버레이 타겟의 광학적 측정은 대량 생산되는 오버레이 성능을 개선하는 데에 있어서 매우 성공적이었다.
그러나, 기술이 발전하면서 오버레이 사양은 더 엄격해지고 있다. 현재의 방법의 하나의 제한사항은, 이러한 방법이, 타겟 피쳐의 치수가 실제 제품 피쳐의 통상적 치수보다 훨씬 더 커져야만 하는 광파장으로 이루어진다는 것이다. 예를 들어, 격자 피치는 수 백 나노미터일 수 있는데, 이것은 최소 제품 피쳐보다 적어도 열 배는 더 큰 것이다. 결과적으로, 광학 타겟으로부터 얻어지는 오버레이 측정은 제품 피쳐 내의 오버레이를 직접적으로 나타내지 않는다. 제품 피쳐 피치와 파장이 유사한 더 짧은 파장의 방사선을 사용하여 분해능 및 정확도를 개선하는 것을 고려할 수 있다. 불행하게도, 약 200 nm보다 짧은 파장들의 경우, 제품 재료는 더 이상 투명하지 않고, 기기는 하단 격자를 "목격(see)"할 수가 없을 것이다. 그러므로 오버레이에 대한 민감도는 파장이 짧아질수록 떨어진다.
광학적 검사 방법에 대한 대안으로서, 반도체 디바이스 내의 오버레이를 측정하기 위하여 X-선을 사용하는 것도 역시 고려되었다. 이러한 기법 중 하나는 투과성 소각도 X-선 산란 또는 T-SAXS라고 불린다. 오버레이의 측정에 적용된 T-SAXS 장치는 US 2007224518A(Yokhin 등, Jordan Valley)에 개시되고, 해당 출원의 내용은 본 명세서에서 참조되어 원용된다. T-SAXS는 1 nm보다 작은 파장의 X-선을 사용하고, 따라서 T-SAXS에 대한 타겟은 제품-유사 피쳐로 이루어질 수 있다. 불행하게도, T-SAXS 신호는 보통 매우 약하고, 타겟 크기가 작은 경우에는 더욱 약하다. 그러므로, 대량 제조에 사용되기에는 이러한 측정은 너무 시간이 오래 걸린다. 하지만, T-SAXS 장치는 제품 피쳐 사이에 배치되도록 고려될만큼 충분히 작은 타겟을 측정하기 위하여 사용될 수 있다. 불행하게도, 타겟 크기가 작아지면 스폿 크기도 작아져야 하고, 결과적으로 측정 시간이 더 길어지게 된다.
본 발명의 목적은, 측정이 제품 피쳐의 파라미터를 표현하는 정확도를 개선하면서, 예를 들어 반도체 기판 상의 제품 영역 내의 위치에서 파라미터를 측정하기 위하여 소타겟 계측을 사용할 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 기판으로서,
상기 기판은 상기 기판 상에 형성되고 상기 기판에 걸쳐 분포된 하나 이상의 제품 피쳐와, 상기 제품 피쳐 및 계측 타겟을 상기 기판에 적용시킨 리소그래피 프로세스의 성능 파라미터를 측정하는 것에 사용되기 위한 복수 개의 상기 계측 타겟을 포함하고,
상기 계측 타겟은:
- 상기 파라미터를 측정하기 위한 타겟들의 제 1 세트;
- 동일한 파라미터를 측정하기 위한 타겟들의 제 2 세트,
타겟들의 상기 제 1 세트의 제 1 서브세트는, 상기 기판에 걸쳐 상기 제 2 세트의 타겟들도 위치되는 제 1 위치에 실질적으로 분포되고, 타겟들의 상기 제 1 세트의 제 2 서브세트는 상기 제 1 위치에 추가하여 제 2 위치에 분포되며,
타겟들의 상기 제 1 세트는, 상기 제품 피쳐의 최소 제품 피쳐보다 여러 배 더 큰 크기인 주요 피쳐를 포함하고, 타겟들의 상기 제 2 세트는 피쳐들을 포함하는, 상기 제품 피쳐의 최소 제품 피쳐와 유사한 크기인 주요 피쳐를 포함함으로써,
상기 파라미터는, 상기 제 1 세트의 타겟을 검사하도록 150 nm보다 더 긴 파장의 방사선을 사용하고, 상기 제 2 세트의 타겟을 검사하도록 X-선을 사용하여, 상기 제 1 위치 각각에서 측정될 수 있는, 기판이 제공된다.
제 1 및 제 2 세트 양자 모두의 타겟들은 각각 격자와 같은 하나 이상의 주기 구조를 포함할 수 있다. 제 1 세트의 타겟들의 격자는 예를 들어 100 nm 또는 200 nm보다 더 큰 피치(공간 주기)를 가질 수 있다. 주요 피쳐의 크기는, 그러한 피쳐가 그 안에 척도에 있어서 제품 피쳐와 같거나 더 가까울 수 있는 서브-구조를 포함하는 실시예를 배제하지 않으면서 규정될 수 있다.
타겟들의 제 1 세트의 측정용 방사선은 가시 범위에, 또는 UV 또는 DUV 범위에 있을 수 있다. UV 및 DUV 파장은 여러 층을 통과하지 않으며, 따라서 여러 층에 형성된 피쳐들 사이에서 오버레이를 측정하기에는 적합하지 않을 수 있다. 임계 치수(CD), 또는 다수의-패터닝된 층 내의 오버레이와 같은 구조의 다른 특징에 대해서는, 단일 층만을 검사하면 되고, 통과능력이 부족한 것은 문제가 되지 않을 수 있다.
X-선은 예를 들어 1 nm, 또는 0.2 nm 보다 더 작은 파장을 가질 수 있다. X-선의 특징은 흔히 파장보다 광자 에너지의 관점에서 결정된다. 이런 방식으로 표현하면, X-선은 13 keV 또는 15 keV 보다 더 높은 에너지를 가질 수 있다.
US 20130059240 호가 광학적 산란계를 사용하여 이루어진 오버레이 측정의 정확도를 개선하기 위해서 대타겟 및 소타겟의 조합을 사용하는 것을 제안한다는 것에 주의한다. 그러나, 이 경우 대타겟 및 소타겟 양자 모두는 동일한 형태와 피쳐 크기를 가지고, 동일한 광학 기기 내의 다른 브랜치에서 측정된다. 따라서, 제안된 기술은 제품-유사 피쳐에 대하여 오버레이를 정확하게 측정하는 문제점을 해결하지 않는다.
파라미터는 오버레이일 수 있고, 각각의 타겟은 둘 이상의 패터닝 단계에서 형성된 오버레이 격자일 수 있다. 본 발명의 몇 가지 실시예에서, 제품 피쳐는 스크라이브 레인(scribe-lane)에 의해서 분리된 제품 영역 내에 배치되고, 제 2 세트의 타겟들은 주로 스크라이브 레인 내에 위치되는 반면에 제 1 세트의 타겟들은 제품 영역 내에 분포된다. 제 1 세트의 타겟들은 제 2 세트의 타겟들보다 그 수가 더 많을 수 있는 반면, 제 2 세트의 타겟들은 더 큰 면적을 각각 점유한다.
본 명세서에서 "제품 피쳐(product feature)"라는 표현은 기능성을 가지는 제조된 디바이스 내에서 그들의 최종 형태로서의 제품 피쳐로 한정되도록 의도되지 않고, 이러한 피쳐의 프리커서(precursor), 예를 들어 패턴을 물리적 제품 피쳐로 바뀌게 할 현상, 에칭 등 이전에 패턴을 기록하기 위하여 노광된 감광성 레지스트 재료의 부분을 포함한다. 두 층들 사이에 오버레이를 측정할 경우, 예를 들어, 하지층 내에 에칭된 물리적 제품 피쳐는, 마감된 반도체 디바이스 또는 제작 중인 다른 제품 내에 존재하게 될 기능성 피쳐를 형성하기 이전에, 잠상으로서 존재하거나 레지스트 층 내에 현상된 형태로 존재하는 제품 피쳐와 비교될 수 있다.
또한, 본 발명은 제품 피쳐를 기판에 적용시킨 리소그래피 프로세스의 성능 파라미터를 측정하는 방법으로서,
(a) 상기 제품 피쳐를 상기 기판에 적용시키는 것과 동시에, 복수 개의 계측 타겟을 적용시키는 단계로서, 상기 계측 타겟은 동일한 파라미터를 측정하기 위한 타겟들의 제 1 세트와 타겟들의 제 2 세트를 포함하고, 타겟들의 상기 제 1 세트의 제 1 서브세트는, 상기 기판에 걸쳐 상기 제 2 세트의 타겟들도 위치되는 제 1 위치에 실질적으로 분포되고, 타겟들의 상기 제 1 세트의 제 2 서브세트는 상기 제 1 위치에 추가하여 제 2 위치에 분포되는, 단계;
(b) 타겟들의 제 1 세트의 상기 제 1 서브세트 중 적어도 하나의 타겟을 150 nm보다 더 긴 파장의 방사선으로 조명하고, 상기 타겟에 의하여 회절되거나 반사되는 방사선을 검출하며, 상기 제 1 위치들 중 대응하는 위치에서의 상기 파라미터에 대한 제 1 값을 결정하도록 상기 방사선을 나타내는 신호를 처리하는 단계;
(c) 동일한 제 1 위치에 있는 상기 제 2 세트의 타겟을 X-선으로 조사하고, 상기 제 2 세트의 상기 타겟에 의하여 산란되는 방사선을 검출하며, 상기 제 1 위치에서의 상기 파라미터에 대한 제 2 값을 결정하도록 상기 방사선을 나타내는 신호를 처리하는 단계; 및
(d) 동일한 제 1 위치에서 측정된 상기 제 1 값과 제 2 값의 비교에 기초하여, 타겟들의 상기 제 1 세트를 사용하여 측정되는 파라미터 값에 대한 정정을 결정하는 단계를 포함하는, 리소그래피 프로세스 성능 파라미터 측정 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 디바이스 제조 방법으로서,
계측 타겟들의 제 1 및 제 2 세트를 규정하는 패턴을 기판에 전사하는 것과 동시에, 리소그래피 프로세스를 사용하여 패터닝 디바이스로부터 상기 기판 상에 기능성 디바이스 패턴을 전사하는 단계;
상기 리소그래피 프로세스의 하나 이상의 파라미터에 대한 값을 결정하도록, 상기 기판에 적용된 상기 계측 타겟들을 측정하는 단계; 및
상기 측정의 결과에 따라, 상기 리소그래피 프로세스의 후속 동작에 정정을 적용하는 단계를 포함하고,
상기 계측 타겟은 동일한 파라미터를 측정하기 위한 타겟들의 제 1 세트 및 제 2 세트를 포함하며, 타겟들의 상기 제 1 세트의 제 1 서브세트는, 상기 기판에 걸쳐 상기 제 2 세트의 타겟들도 위치되는 제 1 위치에 실질적으로 분포되고, 타겟들의 상기 제 1 세트의 제 2 서브세트는 상기 제 1 위치에 추가하여 제 2 위치에 분포되고,
상기 계측 타겟들을 측정하는 단계는, 전술된 본 발명에 따른 방법에 의하여, 상기 제 2 위치들 중 하나 이상에서 상기 파라미터에 대한 값을 결정하는 단계를 더 포함하는, 디바이스 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 피쳐 및 장점 및 본 발명의 다양한 실시예의 구조 및 동작은 첨부 도면들을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다. 본 발명이 본 명세서에서 설명되는 특정 실시예로 한정되지 않는다는 것에 주의한다. 이러한 실시예는 본 명세서에서 예시를 위해 제공될 뿐이다. 본 명세서에 포함된 교시에 기초하는 추가적인 실시예들이 당업자에게 명백해질 것이다.
이제, 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 오직 예시에 의하여 설명될 것이다:
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 장치를 도시한다;
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 셀 또는 클러스터를 도시한다;
도 3 은 X-선 계측 장치와 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 상의 상이한 타겟을 측정하는 광학 계측 장치를 포함하는 계측 시스템을 도시한다;
도 4 의 (a) 및 (b)는 도 3 의 시스템에서 사용하기에 적합한 상이한 타겟들의 쌍을 각각 개략적인 단면도와 평면도로 도시한다;
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따르는, 기판 상의 타겟들의 다른 쌍을 평면도로 도시한다;
도 6 은 제품 영역, 스크라이브 레인 영역, 그리고 스크라이브 레인 및 제품 영역 양자 모두에 있는 계측 타겟을 포함하는 패터닝 디바이스의 일반적인 형태를 도시한다;
도 7 은 본 발명에 따른 도 6 의 패터닝 디바이스의 일 실시예의 상세도를 도시한다;
도 8 은 본 발명의 실시예에서 더 정확한 측정을 하기 위해 도 7 의 패터닝 디바이스를 사용하여 노광된 기판 상에 형성된 대타겟 및 소타겟으로부터 획득된 측정 결과들을 결합하는 원리를 예시한다; 그리고
도 9 는 본 발명의 실시예에 따른 계측 방법을 예시하는 흐름도이다; 그리고
도 10 은 도 9 의 방법으로 수행된 측정을 사용하는 검사 방법 및/또는 리소그래피 제조 프로세스의 성능을 제어하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 장치를 도시한다;
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 셀 또는 클러스터를 도시한다;
도 3 은 X-선 계측 장치와 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 상의 상이한 타겟을 측정하는 광학 계측 장치를 포함하는 계측 시스템을 도시한다;
도 4 의 (a) 및 (b)는 도 3 의 시스템에서 사용하기에 적합한 상이한 타겟들의 쌍을 각각 개략적인 단면도와 평면도로 도시한다;
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따르는, 기판 상의 타겟들의 다른 쌍을 평면도로 도시한다;
도 6 은 제품 영역, 스크라이브 레인 영역, 그리고 스크라이브 레인 및 제품 영역 양자 모두에 있는 계측 타겟을 포함하는 패터닝 디바이스의 일반적인 형태를 도시한다;
도 7 은 본 발명에 따른 도 6 의 패터닝 디바이스의 일 실시예의 상세도를 도시한다;
도 8 은 본 발명의 실시예에서 더 정확한 측정을 하기 위해 도 7 의 패터닝 디바이스를 사용하여 노광된 기판 상에 형성된 대타겟 및 소타겟으로부터 획득된 측정 결과들을 결합하는 원리를 예시한다; 그리고
도 9 는 본 발명의 실시예에 따른 계측 방법을 예시하는 흐름도이다; 그리고
도 10 은 도 9 의 방법으로 수행된 측정을 사용하는 검사 방법 및/또는 리소그래피 제조 프로세스의 성능을 제어하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하기 이전에, 본 발명의 실시예들이 구현될 수 있는 예시적인 환경을 제시하는 것이 유익하다.
도 1 은 리소그래피 장치(LA)를 개략적으로 묘사한다. 이러한 장치는 방사선 빔(B)(예를 들어, UV 방사선 또는 DUV 방사선)을 컨디셔닝하도록 구성되는 조명 시스템(illuminator)(IL); 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 지지하도록 구성되고 특정 파라미터에 따라서 패터닝 디바이스를 정확하게 포지셔닝하도록 구성되는 제 1 포지셔너(PM)에 연결되는 패터닝 디바이스 지지대 또는 지지 구조(예를 들어, 마스크 테이블)(MT); 기판(예를 들어, 레지스트-코팅된 웨이퍼)(W)을 홀딩하도록 각각 구성되고 특정 파라미터에 따라서 기판을 정확하게 포지셔닝하도록 구성되는 제 2 포지셔너(PW)에 각각 연결되는 두 개의 기판 테이블(예를 들어, 웨이퍼 테이블)(WTa 및 WTb); 및 패터닝 디바이스(MA)에 의하여 방사선 빔(B)에 부여된 패턴을 기판(W)의 타겟부(C)(예를 들어, 하나 이상의 다이를 포함) 상에 투영하도록 구성되는 투영 시스템(예를 들어, 굴절성 투영 렌즈 시스템)(PS)을 포함한다. 기준 프레임(RF)은 다양한 컴포넌트들을 연결하고, 패터닝 디바이스와 기판의 위치와 그들의 피쳐들의 위치를 설정하고 측정하기 위한 기준으로서의 역할을 한다.
조명 시스템은 방사선을 지향시키고, 성형(shaping)하고, 또는 제어하기 위한 다양한 유형의 광 컴포넌트, 예컨대 굴절형, 반사형, 자기적, 전자기, 정전기 또는 다른 유형의 광 컴포넌트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다.
패터닝 디바이스 지지대는 패터닝 디바이스를, 패터닝 디바이스의 지향, 리소그래피 장치의 설계, 및 예를 들어 패터닝 디바이스가 진공 환경에서 유지되는지 여부와 같은 다른 조건에 의존하는 방식으로 홀딩한다. 패터닝 디바이스 지지대는 패터닝 장치를 유지하기 위해 기계식, 진공식, 정전식, 또는 기타 클램핑 기술들을 이용할 수 있다. 패터닝 디바이스 지지대는 예컨대 필요에 따라 고정되거나 이동시킬 수 있는 프레임(frame) 또는 테이블일 수도 있다. 패터닝 디바이스 지지대는 패터닝 디바이스가 예를 들어 투영 시스템에 대하여 원하는 포지션에 있다는 것을 보장할 수도 있다. 본 명세서에서의 "레티클" 또는 "마스크"라는 용어의 어떠한 사용도 "패터닝 장치"라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "패터닝 디바이스"라는 용어는, 기판의 타겟부 내에 패턴을 생성하는 것과 같이, 자신의 단면 내에 패턴을 가지는 방사선 빔을 부여하기 위하여 사용될 수 있는 임의의 디바이스를 지칭하는 것으로 폭넓게 해석되어야 한다. 방사선 빔에 부여된 패턴은, 예컨대 그 패턴이 위상 천이 피처(phase shifting feature) 또는 소위 어시스트 피처(assist feature)를 포함하는 경우, 기판의 타겟부에서의 요구된 패턴과 정확히 일치하지 않을 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 일반적으로, 방사선 빔에 부여된 패턴은 타겟부, 예컨대 집적 회로 내에 생성되는 중인 디바이스 내의 특정한 기능성 층에 대응할 것이다.
패터닝 디바이스는 투과형 또는 반사형일 수도 있다. 패터닝 장치의 예는 마스크, 프로그램가능 미러 어레이, 및 프로그램가능 LCD 패널을 포함한다. 마스크는 리소그래피에서 주지되며, 이진, 교번 위상-천이, 감쇄 위상-천이, 및 다양한 하이브리드 마스크 타입과 같은 마스크 타입을 포함한다. 프로그램가능 미러 어레이의 일 예는 소형 미러들의 매트릭스 정렬을 채용하는데, 이들 각각은 인입하는 방사선 빔을 상이한 방향으로 반사하기 위하여 개별적으로 틸팅될 수 있다. 틸팅된 미러는 미러 매트릭스에 의하여 반사된 방사선 빔 내에 패턴을 부여한다. 그러므로, "패터닝 디바이스"라는 용어는 이러한 프로그래밍가능한 패터닝 디바이스에 의하여 구현될 패턴을 규정하는 정보를 디지털 형태로 저장하는 디바이스를 지칭하는 것으로도 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "투영 시스템"이라는 용어는, 이용되고 있는 노광 방사(exposure radiation)에 대해 적합하거나 또는 액침액(immersion liquid)의 사용 또는 진공의 사용과 같은 다른 요인들에 대해 적합한, 굴절식, 반사식, 반사 굴절식(catadioptric), 자기식, 전자기식, 및 정전식 광학 시스템, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 어떠한 타입의 투영 시스템도 포함하는 것으로 넓게 해석되어야 한다. 본 명세서에서 투영 렌즈라는 용어가 임의로 사용되면 더 일반적인 용어인 투영 시스템과 같은 의미인 것으로 간주될 수도 있다.
도시된 것처럼, 장치는 투과형이다(예를 들어, 투과형 마스크를 채용). 대안적으로, 장치는 반사형 타입(예를 들어 위에서 언급된 바와 같은 타입의 프로그램가능 미러 어레이를 채용하거나, 반사 마스크를 채용함)일 수도 있다.
예로서 도시된 리소그래피 장치는 2개(듀얼 스테이지) 이상의 기판 테이블(WTa 및 WTb)(및/또는 2개 이상의 마스크 테이블)을 갖는 유형이다. 그러한 "다중 스테이지" 기계에서, 부가적인 테이블은 평행하게 사용될 수 있으며, 또한 하나 이상의 다른 테이블들이 노광을 위해 사용되고 있는 동안 준비 단계들이 하나 이상의 테이블 상에 수행될 수 있다.
리소그래피 장치는 또한, 투영 시스템과 기판 사이의 공간을 채우기 위해 기판의 적어도 일부분이 상대적으로 높은 굴절률을 가진 액체, 예컨대 물에 의해 덮힐 수 있는 유형일 수 있다. 액침액은 또한 예컨대 마스크 및 투영 시스템 사이와 같은 리소그래피 장치 내의 다른 공간에도 가해질 수 있다. 액침 기법은 투영 시스템의 개구수(numerical aperture)를 증가시키기 위하여 당업계에 주지된다.
도 1 을 참조하면, 조명기(IL)는 방사선 빔을 방사원(SO)으로부터 수광한다. 예를 들어, 방사원이 엑시머 레이저인 경우, 소스 및 리소그래피 장치는 별도의 엔티티일 수 있다. 이러한 경우에, 소스는 리소그래피 장치의 일부를 형성하는 것으로 간주되지 않고, 방사선 빔은, 예를 들어 적합한 지향 미러 및/또는 빔 확장기를 포함하는 빔 전달 시스템(BD)의 도움으로, 소스(SO)로부터 조명기(IL)로 전달된다. 다른 경우에, 예컨대 방사원이 수은 램프인 경우에, 이러한 소스는 리소그래피 장치에 통합된 부품일 수 있다. 소스(SO) 및 조명기(IL)는 필요할 경우 빔 전달 시스템(BD)과 함께 방사선 시스템이라고 지칭될 수도 있다.
예를 들어, 조명기(IL)는 방사선 빔의 각 세기 분포(angular intensity distribution)를 조절하기 위한 조절기(AD), 집속기(IN), 및 콘덴서(CO)를 포함할 수도 있다. 조명기는 방사선 빔이 자신의 단면에서 원하는 균일성 및 세기 분포를 가지도록 조정하기 위하여 사용될 수 있다.
방사선 빔(B)은 패터닝 디바이스 지지대(예를 들어, 마스크 테이블(MT) 상에 홀딩되는 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크(MA) 상에 입사하고, 그리고 패터닝 디바이스에 의하여 패터닝된다. 패터닝 디바이스(예를 들어 마스크(MA))를 가로지르면, 방사선 빔(B)은 기판(W)의 타겟부(C) 상에 빔을 포커싱하는 투영 시스템(PS)을 통과한다. 제 2 포지셔너(PW) 및 포지션 센서(IF)(예를 들어 간섭측정 측정 디바이스, 선형 인코더, 2-D 인코더 또는 용량성 센서)의 도움을 받아, 예를 들어 방사선 빔(B)의 경로에 상이한 타겟부들(C)을 포지셔닝하기 위하여, 기판 테이블(WTa 또는 WTb)이 정확하게 이동될 수 있다. 이와 유사하게, 제 1 포지셔녀(PM) 및 다른 포지션 센서(도 1 에는 명확하게 묘사되지 않음)는, 예를 들어 마스크 라이브러리로부터의 기계적 탐색 이후에, 또는 스캔 동안에, 방사선 빔(B)의 경로에 대하여 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 정확하게 포지셔닝하기 위하여 사용될 수 있다.
패터닝 디바이스(예를 들어 마스크(MA) 및 기판(W)은 마스크 정렬 마크(M1, M2) 및 기판 정렬 마크(P1, P2)를 이용하여 정렬될 수 있다. 비록 도시된 바와 같이 기판 정렬 마크들이 전용 타겟 영역을 점유하지만, 이들은 타겟 영역 사이의 공간(이들은 스크라이브 레인(scribe-lane) 정렬 마크로 알려짐)에 위치될 수도 있다. 마찬가지로, 패터닝 디바이스(예를 들어 마스크(MA)에 두 개 이상의 다이가 제공되는 상황에서는, 마스크 정렬 마크들은 다이들 사이에 위치될 수도 있다. 작은 정렬 마커들도 역시 다이에, 그리고 디바이스 피쳐들 사이에 포함될 수 있는데, 이러한 경우 마커는 가능한 한 작고 인접한 피쳐에 비하여 임의의 다른 이미징 또는 프로세스 조건을 요구하지 않는 것이 바람직하다.
도시된 장치는 다양한 모드들에서 사용될 수 있다. 스캔 모드에서는, 패터닝 디바이스 지지대(예를 들어, 마스크 테이블(MT) 및 기판 테이블(WTa 또는 WTb)이 동기되어 스캐닝되는 동안, 방사선 빔에 부여된 패턴이 타겟부(C) 상에 투영된다(즉, 단일 동적 노광). 패터닝 디바이스 지지대(예를 들어, 마스크 테이블(MT)에 상대적인 기판 테이블(WTa)의 속도 및 방향은 투영 시스템(PS)의 확대율(축소율) 및 이미지 반전 특성에 의하여 결정될 수도 있다. 스캔 모드에서는, 노광 필드의 최대 크기가 단일 동적 노광 시의 타겟부의 폭(스캐닝되지 않는 방향에서의)을 한정하는 한편, 스캐닝 모션의 길이는 타겟부의 높이(스캐닝 방향에서의)를 결정한다. 당업계에 주지되는 다른 타입의 리소그래피 장치 및 동작 모드도 가능하다. 예를 들어, 스텝 모드가 알려진다. 소위 무마스크 리소그래피에서, 프로그래밍가능한 패터닝 디바이스는 정지되게 홀딩되지만 변화하는 패턴을 가지며, 및 기판 테이블(WTa)이 이동되거나 스캐닝된다.
또한, 전술한 사용 모드들의 조합 및/또는 변형, 또는 전혀 다른 사용 모드들이 채용될 수도 있다.
리소그래피 장치(LA)는 두 개의 기판 테이블(WTa, WTb)과 그들 사이에서 기판 테이블이 교환될 수 있는 두 개의 스테이션 - 노광 스테이션 및 측정 스테이션 - 을 가지는, 소위 듀얼 스테이지 타입이다. 하나의 기판 테이블에 있는 하나의 기판이 노광 스테이션에서 노광되는 동안, 다른 기판은 측정 스테이션에 있는 다른 기판 테이블에 로딩될 수 있고, 다양한 준비 단계들이 수행될 수 있다. 준비 단계는 레벨 센서(LS)를 사용하여 기판의 표면 제어를 매핑하는 것과 정렬 센서(AS)를 사용하여 기판 상의 정렬 마커의 포지션을 측정하는 것을 포함할 수도 있다. 그러면 리소그래피 장치의 쓰루풋이 크게 증가할 수 있다. 기판 테이블이 측정 스테이션과 노광 스테이션에 있는 동안 기판 테이블의 위치를 포지션 센서(IF)가 측정할 수 없다면, 참조 프레임(RF)에 상대적인 이러한 스테이션 양자 모두에서의 기판 테이블의 위치를 측정할 수 있도록 제 2 포지션 센서가 제공될 수 있다.
도 2 에 도시된 것처럼, 리소그래피 장치(LA)는 리소셀 또는 클러스터라고도 지칭되는 리소그래피 셀(LC)의 일부를 형성하고, 이는 또한 기판 상에서 노광 전 그리고 노광 후 프로세스를 수행하기 위한 장치를 포함한다. 통상적으로, 이러한 장치는 레지스트층을 침착시키기 위한 스핀 코터(spin coater)(SC), 노광된 레지스트를 현상하기 위한 현상기(DE), 칠 플레이트(chill plate, CH), 및 베이크 플레이트(bake plate, BK)를 포함한다. 기판 핸들러 또는 로봇(RO)이 입력/출력 포트(I/O1, I/O2)로부터 기판을 픽업하여, 이들을 상이한 공정 장치 간에 이동시키며, 그 후 리소그래피 장치의 로딩 베이(loading bay, LB)에 전달한다. 통칭하여 트랙으로도 지칭되는 이들 장치는 감독 제어 시스템(supervisory control system, SCS)에 의해 제어되는 트랙 제어 유닛(TCU)의 제어 하에 있게 되며, 감독 제어 시스템은 또한 리소그래피 제어 유닛(LACU)을 통해 리소그래피 장치를 제어한다. 그러므로, 처리량 및 처리 효율을 최대화하기 위해 상이한 장치가 작동될 수 있다.
도 3 은 리소그래피 셀(LC) 내에서 리소그래피 장치(LA)로 처리된 기판의 파라미터를 측정하는 데에 이용되기 위한 계측 시스템을 도시한다. 계측 시스템은, 도 1 및 도 2 에 예시된 것만이 아니라 다른 제조 시스템과 공동으로 사용될 수 있다. 특정한 목적은 오버레이를 측정하는 것이지만, 본 명세서에 개시된 기법을 적절하게 조절하면 다른 파라미터도 측정될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 유용한 계측 시스템이 도 3 에 도시된다. 계측 시스템(100)은 광학 타입인 제 1 계측 장치(102)와 X-선을 사용하는 제 2 계측 장치(104)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 장치(102)는 리소그래피 프로세스에 의하여 기판(W) 상에 형성된 제 1 계측 타겟(T1)의 특성을 측정한다. 실제로는 장치에 걸쳐 수 개의 브랜치를 가지는 제 1 광축은 점선 O1으로 표현된다. 광원으로부터의 조명 방사선은 장치(102) 내의 조명 광학계에 의하여 타겟(T1) 상의 한 스폿에 형성된다. 예시를 위하여, 하나의 입사 선 I1이 도면에 표현된다. 조명 방사선은 광선 0, +1 및 -1 이라고 표현되는 것과 같이 타겟(T1)에 의하여 반사되고 회절된다. 이러한 광선 중 적어도 일부는 장치(102) 내의 검출 광학계에 의하여 수집되고, 제 1 오버레이 측정(OV1)을 얻도록 처리된다.
장치(104)는 타겟(T1)과 동일한 리소그래피 프로세스에 의하여 동일한 기판 상에 형성된 제 2 계측 타겟(T2)의 특성을 측정한다. 제 2 광축은 간단히 점선 O2 로 표현된다. 조명 시스템(104a)은 선 I2 로 표현되는 X-선 방사선의 빔을 제공하여 타겟(T2) 상에 조사 스폿을 형성한다. 방사선은 타겟(T2)과 기판(W)을 통과한다. 방사선 중 일부는 다른 각도로 회절되고 장치(104)의 검출 시스템(104b)에서 검출된다. 이러한 각도들은 도면에서 과장되게 표현되고, 실무에서는 아주 작은 각도들이 발견될 수 있다. 검출 시스템(104b)에 의하여 검출된 신호는 타겟(T2) 내의 오버레이의 측정(OV2)을 얻도록 처리될 수 있다.
타겟(T1 및 T2)은 제품 피쳐(P)와 동일한 기판 상에, 동일한 프로세스에 의하여 형성된다. 그러므로 타겟(T1, T2)을 제공하고 측정함으로써, 계측 시스템(100)은 제품 피쳐(P)의 오버레이를 간접적으로 측정할 수 있다. 더 상세히 후술되는 바와 같이, 여러 타겟들(T1 및 T2)이 기판에 걸쳐 분포된 위치에 형성된다. 리소그래피에 의하여 제조된 통상적인 제품은 포개져서 형성되는 제품 피쳐의 여러 층들을 가진다는 것이 이해될 것이다. 측정될 파라미터가 오버레이인 경우, 타겟(T1, T2)의 각각은 예를 들어 포개진 층들 내에 형성된 피쳐들을 포함할 수 있다.
다른 형태의 오버레이는 단일 층 내에 형성된 피쳐들의 다른 모집단들(population) 사이에 있다. 이러한 피쳐들은 소위 이중-패터닝 프로세스(일반적으로, 다중-패터닝)에 의하여 제조되는 디바이스에서 발생할 수 있다. 이러한 범주의 기법은, 예를 들어 리소-에칭-리소-에칭(LELE)에 의한 피치-이중화(doubling) 및 BEOL(back end-of line) 층들에서의 자기-정렬된 듀얼-다마신(dual-damascene)을 포함한다. 다중-패터닝 프로세스에서, 구조들은 제품의 하나의 층에서 형성되지만, 하나의 패터닝 동작으로 형성되는 것이 아니라 두 개 이상의 패터닝 단계에서 형성된다. 따라서, 예를 들어, 구조의 제 1 모집단은 구조의 제 2 모집단과 인터리빙될 수 있고, 하나의 단계만으로 얻을 수 있는 것보다 더 높은 분해능을 얻기 위하여 이러한 모집단들은 다른 단계에서 형성된다. 비록 모집단들의 배치는 기판 상의 다른 피쳐에 대하여 동일하고 완벽해야 하지만, 실제 패턴은 당연히 어느 정도의 위치 오프셋을 나타낸다. 모집단들 사이의 임의의 의도하지 않은 위치 오프셋은 오버레이의 형태인 것으로 간주될 수 있고, 본 명세서에 개시된 깃술과 유사한 기법에 의하여 측정될 수 있다. 추가하여, 피쳐들의 다수의 모집단이 단일 층에 형성된다면, 아래 또는 위의 층에 있는 피쳐들에 대한 오버레이는 각각의 모집단별로 다를 수 있고, 이러한 모집단들 각각에 대한 오버레이는 원할 경우 개별적으로 측정될 수 있다. 이러한 타겟 및 방법은, 예를 들어 임계 치수(CD)와 같은 리소그래피 프로세스의 다른 파라미터를 측정하도록 필요에 따라 적응될 수 있다. 설명을 위하여, 두 층들에 있는 피쳐들 사이의 오버레이가 관심 파라미터라고 다음 예들에서 간주할 것이다.
도 3 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 타겟(T1)을 형성하는 개개의 피쳐는 제품 피쳐(P)와 비교할 때 크기가 상대적으로 크다. 타겟(T2)을 형성하는 개개의 피쳐들은 제품 피쳐(P)과 크기가 같거나 유사하다. 도 3 에 도시되지 않지만, 장치(104)의 광선 I2 에 의하여 형성되는 방사선 스폿은 장치(102)의 광선 I1 에 의하여 형성되는 조명 스폿 보다 직경이 더 클 수 있다. 그러므로 타겟(T2)의 면적은 타겟(T1)의 면적보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 타겟(T2)의 면적은 타겟(T1)의 면적의 두 배, 세 배, 또는 네 배일 수 있다. 이렇게 면적이 크면, 양호한 측정을 위한 충분한 방사선이 훨씬 신속하게 수집될 수 있다는 장점을 가진다. X-선 계측 장치(104)는 공정 변이에 의해 상대적으로 영향을 받지 않으면서 오버레이의 정확한 절대 측정을 제공할 수 있는데, 그러나 많은 위치에 포함되기에는 특히 제품 영역 내에 포함되기에는 대타겟(T2)이 너무 많은 공간을 차지한다. 타겟(T1)은 제품 영역 내를 포함하여 기판에 걸쳐 상대적으로 많은 위치에 제공될만큼 충분히 작지만, 이러한 타겟들의 측정은 공정 변이에 의해 영향받게 되고 제품 피쳐(P) 내에 존재하는 오버레이를 반드시 나타내는 것은 아니다. 신규한 계측 시스템에서, 처리 유닛(106)은 장치(102, 104)를 함께 사용하여 양자 모두의 타입의 타겟으로부터의 신호들을 처리하여, 기판에 걸쳐 많은 지점에서의 오버레이의 정확한 측정을 제공한다.
비록 예시를 위해서 도 3 에는 기판(W) 상의 타겟(T1 및 T2)을 동시에 측정하는 제 1 및 제 2 계측 장치(102, 104)가 도시되었지만, 실무상 측정들은 다른 시각 및 장소에서 실행될 수 있다. 실무에서 타겟(T1 및 T2)은 기판(W)의 크기에 비하여 매우 작을 것이고, 각각의 타입의 많은 타겟들이 실제 기판 상에 형성될 것이다. 각각의 계측 장치(102 및 104)는 이러한 장비의 주된 부분일 수 있다. 결과적으로, 실제 실시예에서, 모든 타겟(T1)은 기판이 장치(102) 안에 있는 동안에 측정될 가능성이 있고, 모든 타겟들(T2)은 기판이 장치(104) 내에 로딩되는 동안 다른 시간에(그 전 또는 그 이후에) 측정될 것이다. 제 1 및 제 2 계측 장치는 독립형 디바이스일 수도 있고 또는 공통 하드웨어 시스템 내에 서로 통합될 수도 있다. 제 1 및 제 2 계측 장치 중 하나 또는 양자 모두는 리소그래피 장치(LA) 자체와 통합되거나 리소그래피 셀(LC) 내에 통합될 수 있다.
각각의 계측 장치의 구현 형태를 더 상세하게 고려하면, 제 1 실시예에서 제 1 계측 장치(102)는 도입부에서 언급한 타입의 암시야 이미징 장치이다. 그러나, 본 발명이 예를 들어 이미지-기초 타겟을 사용하여 다른 타입의 소타겟 계측의 정확도를 개선시키기 위하여 적용가능하다는 것이 이해되어야 한다.
장치(102) 및 타겟(T1)의 내부 구조는 본 명세서에서는 상세히 도시되거나 설명되지 않을 것이다. 적합한 장치(102)의 구조 및 동작, 및 타겟(T1)의 적합한 디자인의 세부사항은, 그 전체가 본 명세서에서 참조되어 원용되는 국제 특허 출원 WO 2009/078708 및 WO 2009/106279 호에서 발견될 수 있다. 이러한 타겟은 조명 스폿 보다 더 작을 수 있고, 웨이퍼 상의 제품 구조에 의하여 둘러싸일 수도 있다. 복합 격자 타겟을 사용하여 하나의 이미지 내의 다수의 격자들이 측정될 수 있다. 기술의 추가적인 개발예들은 특허 공개 번호 US20110027704A, US20110043791A, US20120044470A US20120123581A, US20130258310A, US20130271740A 및 WO2013178422 에 설명되었다. 이러한 개발예 모두는 본 발명의 장치(102)의 콘텍스트에 적용될 수 있고, 이러한 응용예들 모두의 내용도 본 명세서에 참조되어 원용된다.
암시야 오버레이 계측을 위한 장치(102)의 동작을 간략히 요약하면, 축(O)에서 벗어난 각도로부터 타겟(T)에 충돌하는 조명의 광선(I1)은 0차 광선(실선 0) 및 두 개의 1차 광선(일점쇄선 +1 및 이점쇄선 -1)이 발생되게 한다. 이러한 광선들은 계측 타겟 격자(T)와 함께(오버필된 소타겟 격자가 있는) 다른 피쳐를 포함하는 기판의 영역을 커버하는 많은 평행 광선들 중 단지 하나일 뿐이라는 것을 기억해야 한다. 표시된 방향으로부터의 조명을 사용하면, +1 차만이 선택되어 격자의 암시야 이미지를 형성한다. 조명 방향을 변경하면, -1 차가 별개로 이미징될 수 있다. 이러한 두 이미지를 캡쳐하고 비교하면 격자의 대칭성이 검출되고 분석될 수 있다. 두 개 이상의 바이어스된 격자(프로세스에 의하여 발생된 알려지지 않은 오버레이 에러에 추가하여 프로그래밍된 알려진 오프셋을 가지는 격자)를 사용하면, 이러한 비대칭 측정이 오버레이 측정(OV1)으로 변환될 수 있다. 도 3 의 예시도는 X 방향에서의 회절이 있는 격자만 도시한다. 동일한 원리가 직교 격자(Y 방향에서의 회절을 야기함)의 측정에도 적용된다. 대체예로서, 조명 각도를 회전시키는 대신에 기판이 180° 회전된다. 검출이 암시야 이미지의 형태이기 때문에, 다수의 격자가 한 번의 단계에서 측정될 수 있다.
예시적인 실시예의 제 2 계측 장치(104)는 투과성 소각도 X-선 산란(T-SAXS) 장치이다. 통상적으로, 13 keV 초과 또는 15 keV w초과의 에너지를 가지는, 0.1 nm 미만의 매우 짧은 파장을 가지는 X-선이 사용될 것이다. 다양한 에너지의 콤팩트한 소스가 쉽게 구현된다. 이러한 파장에서, 실리콘 기판은 투명하다. 이러한 짧은 파장의 경우 실리콘 웨이퍼는 투명하고, 웨이퍼에 걸쳐서 타겟의 산란 패턴(예를 들어 격자의 회절 패턴)을 측정할 수 있다. T-SAXS 기법은 재료를 분석하기 위해 널리 사용되고, 예를 들어 제녹스사(Xenocs)(Grenoble, France; ) 또는 브루커사(Bruker) AXS GmbH(Karlsruhe, Germany; www.bruker.com)에서 제조하는 적합한 T-SAXS 장치가 상업적으로 입수가능하다. 오버레이의 측정에 적용된 T-SAXS 장치는 US 2007224518A(Yokhin 등, Jordan Valley)에 개시되고, 해당 출원의 내용은 본 명세서에서 참조되어 원용된다. 이러한 예에서 조명 시스템(104a)은 X-선 소스, 단색화기(monochromator) 및 시준기와 같은 광요소를 포함한다. 단색화기는 좁은 범위의 파장이 사용되도록 보장하는 반면에, 시준기는 좁은 범위의 입사각이 폼 X-선 조사 스폿을 형성하도록 보장한다. 스폿 크기는 직경이 수 십 마이크론, 예를 들어 20 내지 200) μm 사이일 수 있다. 스폿 크기는 더 작을 수도 있다. 검출 시스템(104b)은, 통상적으로 검출기 요소들의 어레이인 포지션-감응 X-선 검출기를 포함한다. 어레이는 선형 어레이일 수 있지만, 요소(픽셀)의 2-차원의 어레이를 제공하면, X 및 Y 방향 양자 모두에서의 회절 패턴이 동시에 캡쳐될 수 있다. 비산란 빔(108)이 검출기에 도달하는 것을 막아서, 타겟에 의하여 산란된(상대적으로 더 약한) 광선이 신뢰성있게 검출되게 하도록, 빔 스톱(104c)이 가끔 포함된다.
반사성 X-선 산란 장치도 역시 이용가능하다. 이것은 예를 들어, GI-SAXS(GI는 그레이징 입사(grazing incident)를 나타냄)와 고-반사성 고-분해능 X-선 결정학을 포함한다. Yuri Shvyd'ko 등의 논문이 "High-reflectivity high-resolution X-ray crystal optics with diamonds"(Nature Physics 6, 196 - 199(2010), Published online: 17 January 2010 | doi:10.1038/nphys1506)을 설명한다. Shvyd'ko 논문은, 높은 반사율이 X-선 파장에서 획득될 수 있는 반면에 보통의 재료들은 관통될 것이라는 것을 확정한다. 이러한 반사성 기법은 이론상, T-SAXS에 추가하거나 T-SAXS 대신에, 리소그래피 프로세스에 의하여 제조된 주기 구조의 특성을 측정하도록 적응되고 사용될 수 있다. GI-SAXS의 경우, 조사 스폿은 반도체 제조시의 통상적 오버레이 타겟에 대하여 바람직한 것보다 훨씬 더 커지는 경향이 있다. 그러나, 고반사 X-선 기법은 요구되는 바와 같은 작은 스폿에도 역시 작동할 수 있다.
제품-유사 피쳐의 크기와 X-선 파장으로부터 산란각이 얻어진다는 것은, 여러 차수의 회절이 검출될 수 있다는 것을 의미한다. X-선 파대역 내의 오버레이 타겟의 경우에, 양 층 모두의 기여도는 회절 진폭의 관점에서 합산되고, 상단층과 바닥층 사이에는 커플링이 없다. 그러나, 격자가 완벽하게 정렬되는 것과 다소 오정렬되는 것은 다른 회절 피크 세기를 가진다. 회절 패턴의 전체 형상을 의미하는 회절 포락선도 달라질 것이다. 회절 차수의 세기를 측정함으로써, 오버레이와 세기를 링크시키는 경험 모델(empirical model)을 만드는 것이 가능해진다. 이러한 모델은 피크 세기에만 기초할 수도 있고, 또는 피크의 또는 전체 스펙트럼의 형상을 고려할 수도 있다. 이러한 모델의 상세한 디자인은 타겟의 속성에 따라 달라질텐데, 이러한 특성이 측정되어야 하기 때문에 연산력, 측정 시간 등에서 손실이 생긴다. 예를 들어, 회절 피크의 형상은 타겟에서의 무질서(disorder)(선에지 거칠기(line edge roughness(LER))와 같은 타겟에 대한 일부 정보를 얻기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 과정은 디지털 처리 및 예를 들어 투과 전자 현미경(TEM) 또는 광학 CD 계측(OCD)에 의하여 이루어진 측정과 비교함으로써 수행된다. 회절 프로세스를 명시적으로 모델링함으로써 오버레이 타겟을 복원하는 것도 역시 가능하다. CD, 높이 및 기타 등등과 같은 파라미터들 사이의 X-선 산란 교차-상관은 무시될 수 있고, 측정은 공정 변이에 영향받지 않는다.
회절 프로세스는 다음과 같이 모델링될 수 있다. A가 x1 및 x2 위치에 있는 피쳐들 f1 및 f2를 가지는 두 개의 격자에 대한 회절된 진폭을 나타낸다고 한다. 오버레이 계측을 위해서 사용되는 것과 같은 모노주기적(monoperiodic)("1D-p") 격자에 대한 회절 차수(h,0,0)에 대하여, 진폭은 다음과 같다:
따라서, 회절 세기는 다음과 같으며:
c는 상수이다. 오버레이 ov는 x2 - x1로 정의된다. 하나의 격자를 다른 것 위로 하프-피치만큼 천이시킴으로써, 세기와 오버레이 사이에 정현파(sine)-의존성을 얻게 된다:
여기에서 h는 개개의 회절 피크의 차수이다. 각각의 회절 차수는 오버레이에 대한 정보를 포함할 수 있다.
X-선 방법은 프로세스에 대해 강건하고, 비-패터닝된 층에 영향을 받지 않는다. 이렇게 함으로써, 여러 바이어스된 타겟에 의존하지 않는 절대 오버레이 측정을 제공할 수 있다. 하지만, 다수의 바이어스된 타겟들도 필요할 경우 사용될 수 있다. 그러나, 관심 대상인 오직 두 개의 격자(레벨 1 및 레벨 2)만이 존재하는, 투과를 위한 깨끗한 영역이 있는 경우에 가장 잘 동작한다. 이것은 몇 개의 층만이 제작된 리소그래피 제조 프로세스(FEOL)의 "프론트-엔드(front-end)"에 대해서 흔히 발생되는 경우이다. 공통적으로, 이러한 프론트-엔드 층은 오버레이와 같은 파라미터에 대해서 가장 중요한 임계 사양을 가지는 것들이다. 관심 대상인 타겟과 상이한 피치를 가질 경우에, X-선 경로에 패터닝된 구조를 가지는 것이 가능하다. 이론 상, 그러한 경우 오버레이 타겟에 대한 정보와 다른 주기성을 가지는 배경으로부터 오는 정보를 구별하는 것이 가능해질 것이다. 하지만, 일반적으로는 다른 구조가 존재하면 다이내 측정 또는 제품내 측정이 더 복잡해지거나 불가능해지게 되고, 관심 대상인 두 개의 구조만이 쌓여있는 것이 바람직할 것이다.
도 4 는 기판(W) 상의 계측 타겟(T1 및 T2)의 대표적인 예들을 도시한다. 도 4 의 (a)는 하부 및 상부 제품 층(L1 및 L2)이 제조 프로세스 도중에 추가된 기판(W)을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 기판이 제품 피쳐(기능성 디바이스 구조)를 포함하며, 이들의 품질은 오버레이를 주의깊게 제어하는 데에 달려있다는 것이 이해될 것이다. 실제 제품은 실제로 많은 층을 가질 것이다. 도 4 의 (b)는 이러한 타겟들의 영역에서의 기판의 평면도를 도시한다. 단면도 (a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 이러한 타겟은 양자 모두의 층(L1 및 L2)에 있는 격자 피쳐를 가지지만, 상단 층 피쳐만이 평면ㅇ도에서는 보이게 된다.
이러한 예에서 타겟(T1)은, 암시야 오버레이 측정 기법에서 알려진 것과 같이 기판 상에 복합 타겟을 포함한다. 복합 타겟은 서로 근접하게 위치되어 제 1 계측 장치(102)의 조명 빔에 의하여 형성된 측정 스폿(408) 내에 모두 존재하게 하는 4 개의 소격자(402 내지 405)를 포함한다. 따라서 이러한 4 개의 타겟은 모두 동시에 조명되고 센서 상에 동시에 결상된다. 오버레이 측정에만 관련되는 예에서, 격자(402 내지 405)는 기판(W)에 형성된 반도체 디바이스의 다른 층들에 패터닝되는 위에 놓인 격자들에 의하여 형성된다. 격자(402 내지 405)는, 복합 격자의 다른 부분들이 형성되는 층들 사이의 오버레이의 측정을 용이하게 하기 위하여 상이하게, 바이어스된다. 이러한 예에서, 격자들은 상이한 방위를 가진다. 예를 들어, X 및 Y 격자는 도 4 에 도시되는 타겟 내에 개략적으로 표시되고, X-방향 격자(402, 404)는 각각 오프셋 +d 및 -d를 가질 수 있고 Y-방향 격자(403, 405)도 역시 +d 및 -d의 오프셋을 가진다. 다른 예에서, 4 개의 격자는 단일 방위이지만 각각 +d, -d, + 3d, -3d의 바이어스를 가질 수 있다. 이러한 "바이어스"는 격자들 중 하나가, 그들 모두가 공칭 위치에 정확하게 인쇄된다면 이러한 컴포넌트 중 하나가 다른 것에 대해서 거리 d 만큼 오프셋되도록 자신의 컴포넌트들을 정렬시킨다는 것을 의미한다. 제 2 격자는 완벽하게 인쇄된다면 d의 오프셋이지만 제 1 격자에 대해 반대 방향인 자신의 컴포넌트를 가지며, 이러한 방식으로 각자의 컴포넌트를 가진다. 4 개의 격자가 도시되지만, 실제의 실시예는 원하는 정확도를 얻기 위해 더 많은 수의 격자를 요구할 수도 있다.
타겟(T1)의 치수 L1 은 예를 들어 약 10 μm, 예를 들어 5 내지 20 μm의 범위에 있을 수 있다. 바람직하게, 각각의 타겟(T1)은 16x16㎛ 미만의 면적을 점유할 수 있다. 제 1 계측 장치(102)는 이미지 센서에 형성된 암시야 이미지 내의 다른 개개의 격자(402 내지 405)를 해상할 수 있다. 이미지 프로세서 및 제어기(PU)는 이러한 이미지를 처리해서, 예를 들어 패턴 매칭 기법을 통해 격자의 분리 이미지를 식별한다.
격자들의 개별 이미지가 식별되면, 그러한 개개의 이미지의 세기가 예를 들어 식별된 영역 내의 선택된 픽셀 세기 값을 평균화하거나 합산함으로써 측정될 수 있다. 이미지의 세기 및/또는 다른 속성이 서로 비교될 수 있다. 다른 방위 또는 조명 방향을 사용하면, 다른 측정이 이루어질 수 있다. 이러한 결과는 결합되어 리소그래피 프로세스의 파라미터로서 오버레이를 측정할 수 있다.
타겟(T2)도 층 L1 및 L2에 형성된 오버레이된 격자(420 및 422)를 포함한다. 도시된 예에서, 하나의 격자(420)는 X에 대하여 주기적이고, X 방향에서의 오버레이 측정을 제공하는 반면에, 격자(422)는 Y 방향에서 주기적이고 Y 방향에서 측정될 오버레이를 제공한다. 제 2 계측 장치(104)는 원(424)으로 표현된 조사 스폿을 사용하여, 위에서 설명된 바와 같이 그리고(예를 들어) US 2007224518A에서 개시된 바와 같이 검출 시스템(104b) 내의 회절 스펙트럼을 획득한다. 비록 척도에 맞춰서 도시되지는 않았지만, 타겟(T2) 내의 타겟 피쳐(격자선)의 피치가 타겟(T1)의 피쳐보다 훨씬 미세하다는 것을 알 수 있을 것이다. 특히, 이들은 최대 임계 제품 피쳐(P)(도 4 의 (b)에는 도시되지 않지만 도 3 에 도시된 바와 같은 기판 상에 존재함)의 치수와 동일하거나 유사한 치수를 가질 수 있다. 이에 반해, 제 1 타겟(T1)의 격자 피쳐 또는 다른 피쳐는 제품 피쳐보다 훨씬 더 크다. 일 예로서, 타겟(T2)은 일 방향 또는 양 방향 모두에서 50 nm 미만인 피치를 가지는 주기적 패턴을 포함할 수 있다. 일 예로서, 타겟(T1)은 100 nm보다 큰, 예를 들어 400 nm보다 큰 피치를 가지는 주기적 패턴을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 피치 및 피쳐 크기라는 용어는 타겟의 주요(principal) 피쳐에 관한 것이라는 것에 주의한다. 격자 또는 다른 계측 타겟의 주요 피쳐는 그 자체로서 다양한 이유 때문에 더 하부-세분화(sub-segmented)될 수 있다는 것이 알려져 있다. 이러한 서브-세그먼트화는 예를 들어 노광 및 에칭 프로세스에서 이러한 피쳐가 제품에 더 유사해지게 하도록 제공된다. 서브-세그먼트화는, 예를 들어 정현파 격자를 근사화하기 위하여, 주요 피쳐의 유효 굴절률을 조절하기 위해서도 제안되었다. 그럼에도 불구하고, 더 긴 파장에서 동작하는 광계측 장치는 서브-세그먼트화를 볼 수 없으며("blind"), 주요 피쳐만을 보게 된다.
도 5 는 타겟(T1 및 T2)의 다른 형태를 평면도로 도시한다. 이러한 예에서 타겟(T1)은 격자 대신에 "박스-인-박스" 피쳐(502, 503)를 가진다. 하나의 박스-유사 피쳐(502)가 하나의 층에 형성되는 반면에 다른 피쳐(503)는 다른 층에 형성된다. 508 은 이미지-기초 오버레이 계측 장치의 가시 범위를 나타내는데, 이것은 예를 들어 KLA-텐코사(KLA-Tencor Corporation)(www.kla-tencor.com)에 의하여 제조된 ArcherTM의 가시 범위일 수 있다. 피쳐들(502, 503)은 장치에 의하여 캡쳐된 이미지들 내에 별개로 해상되어, 내부 피쳐(503)가 외부 피쳐(502)에 대해 중심에 있는지 또는 중심에서 벗어나 있는지를 결정함으로써 오버레이를 측정할 수 있다. 이미지-기초 오버레이 계측을 위한 다양한 증강(enhanced) 타겟들이 Adel 등의 논문 "Optimized Overlay Metrology Marks: Theory and Experiment", IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, (Volume:17, Issue: 2, May 2004, pages 166 - 179, DOI 10.1109/TSM.2004.826955)에 개시된다. 도 5 에 도시된 박스-인-박스 디자인은 개략적인 것일 분이다. 위에서 언급된 바와 같이, 502, 503 이라고 명명된 박스와 같은 주요 피쳐들은 더 작은 피쳐들(서브-세그멘트화됨)로 이루어질 수 있다. 이러한 피쳐의 크기를 참조하면 도시된 주요 피쳐가 얻어진다. 광계측 장치는 서브세그멘트화는 인식할 수 없다("blind").
이러한 예의 타겟(T2)은 도 4 의 격자(420, 422) 중 하나와 크기가 유사한 2-차원의(2-D) 격자(520)를 포함한다. X-선 조사 스폿(524)의 크기는 유사하지만, 이러한 경우에 적합한 계측 장치(104)는 단일 노광을 통해서 X 및 Y 방향 모두에서 독립적으로 회절 패턴을 해상할 수 있다. 예시된 격자(520)에서 피쳐들은 제품-유사 치수, 예를 들어 각 방향에서 50 nm의 피치를 가지는 도트이다. 위에서 언급된 US 2007224518A에서 예시된 타입의 박스와 막대-유사 피쳐를 포함하여, 다른 형태의 2-D 피쳐들도 고려될 수 있다. 실시예에서 도 5 의 타겟(T1)이 도 4 의 타겟(T2)과 함께 사용될 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것에 주의한다.
도 4 및 도 5 의 모든 실시예에서, 타겟(T2)은 타겟(T1)의 치수보다 훨씬 큰 치수 L2를 가진다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 치수는 40 μm이상일 수 있다. 바람직하게, 타겟(T2)은 20x20 ㎛ 초과의 면적을 점유할 수 있다. 타겟이 조사 스폿(424)에 의해서 언더필되는 것이 바람직하다. 소스 시스템(104a) 내에 적합한 시준기가 있으면, 조사 스폿(424)의 크기를 예를 들어 10x10 μm만큼으로 감소시킴으로써 더 작은 타겟을 얻을 수 있다. 그러나, 그 경우에는 현존하는 X-선 장비로 정확한 회절 스펙트럼을 얻기 위해서는 상대적으로 긴 캡쳐 시간이 필요하다. 더 큰 타겟을 제공함으로써 스폿 크기를 증가시키는 것이 정확도 및 쓰루풋의 필요한 조합을 얻는 한 가지 방법이다. 반면에, 제품 영역 내의 오버레이를 측정하는 것(소위 "다이내(in-die)" 계측)도 중요하며, 이를 위해서는 소타겟이 중요하다(다이내 실면적(real estate)은 매우 가치가 높다).
그러므로 본 발명은 비-제품 영역에서의 큰 제품-유사 타겟의 X-선 측정과 제품 영역에서의 소타겟에 대한 광계측을 결합하는 하이브리드 솔루션을 제안한다. 큰 X-선 타겟을 소타겟 옆에 병치된 스크라이브 레인에 배치함으로써, 광학적 소타겟 측정을 캘리브레이션하기 위하여 X-선 측정이 사용될 수 있고, "당해 분해능(at resolution)" 피쳐(예를 들어 50 nm 피치)에서 측정된 오버레이와 더 성긴 타겟(예를 들어 500nm 피치)에서 측정된 오버레이를 해석하는 역할을 한다. 이를 통하여 처리 유닛(106)은, 예를 들어 비대칭 민감도에서의 차이에 의해서 발생할 수 있고, 리소그래피 장치(LA)의 투영 시스템(PS) 내의 수차(aberration)에 관련된 상이한 민감도에 의하여 발생할 수 있는, 거친 피치에서의 오버레이와 미세한 당해-분해능 피치에서의 오버레이 사이의 시스템적인 바이어스를 정정할 수 있다.
도 6 은 조금 전 언급한 하이브리드 기법을 지원하는 패터닝 디바이스(M)의 전체 레이아웃을 개략적으로 도시한다. 패터닝 디바이스(M)는 예를 들어 레티클일 수 있다. 전술된 바와 같이, 계측 타겟(600)은 기능성 디바이스 패턴 영역(602)들 사이의 인가된 패턴의 스크라이브 레인 부분 내에 포함될 수도 있다. 잘 알려진 바와 같이, 패터닝 디바이스(M)는 단일 디바이스 패턴, 또는 리소그래피 장치의 필드가 이들을 수용하기에 충분히 큰 경우에는 디바이스 패턴들의 어레이를 포함할 수도 있다. 도 6 의 예는 D1 내지 D4 로 명명되는 4 개의 디바이스 영역을 도시한다. 스크라이브 레인 타겟(Scribe lane target)(600)은 이러한 디바이스 패턴 영역에 인접하고 이들 사이에 배치된다. 마감된 기판, 예컨대 반도체 디바이스 위에서, 기판(W)은 이러한 스크라이브 레인을 따라 절삭함으로써 개개의 디바이스로 다이싱되어, 타겟이 존재해도 기능성 디바이스 패턴에 대하여 이용가능한 영역이 감소되지 않게 할 것이다. 타겟들이 종래의 계측 타겟과 비교하여 작은 경우에, 타겟들은 디바이스 영역 내에 전개되어 기판에 걸친 리소그래피 및 프로세스 성능의 더 밀접한 모니터링을 허용할 수도 있다. 이러한 타입의 몇몇 다이내(in-die) 타겟들(604)이 디바이스 영역(D1) 내에 도시된다. 도 6 이 패터닝 디바이스(M)를 도시하는 반면에, 동일한 패턴은 리소그래피 프로세스 이후에 기판(W)에 복제되고, 결과적으로 이러한 기술은 기판(W) 및 패터닝 디바이스에 적용된다.
제품-내 실 면적(real-estate)을 희생하지 않으면서 오버레이 측정의 성능 및 밀도를 개선하기 위하여, 도 8 의 스크라이브 레인 타겟(600) 및 다이내 타겟(604)은 이것은 이하 후술되는 바와 같이 작은(광학적) 타겟(T1) 및 큰(X-선) 타겟(T2)의 하이브리드에 기초한다.
도 7 은 패터닝 디바이스(M) 상의 제품 영역(602) 중 하나를 더 자세히 도시하며, 타겟(600 및 604)을 더 상세히 도시한다. 리소그래피 프로세스 중에 기판 상의 각각의 필드에서 동일한 패턴이 생성되고 반복된다. 제품 영역은 D로 명명되고, 스크라이브 레인 영역은 SL로 명명된다. 제품 영역(602)에서, 소타겟(604)은 제품 피쳐 사이의 다른 위치에서 원하는 밀도로 분포한다. 예를 들어, 이러한 타겟(604)은 도 4 또는 도 5 에 도시된 타겟(T1)의 형태를 가지며, 도 3 의 계측 시스템의 제 1 계측 장치(102)를 사용하여 측정될 수 있다. 스크라이브 레인 영역(SL)에서, 예를 들어 도 4 또는 도 5 에 도시된 타입의 타겟(T2)이고 X-선을 사용한 제 2 계측 장치(104)를 사용하여 측정될 수 있는 대타겟(600a)이 제공된다. 그러나, 대타겟(600a)의 각각 옆에, 스크라이브 레인 영역(SL) 내에 있거나 단순히 제품 영역(602) 내에 있을 수 있는 하나 이상의 소타겟(600b)이 제공된다. 각각의 타겟이 두 개 이상의 개개의 격자의 그룹을 포함하는 경우, 소타겟 및 대타겟의 개개의 격자는 전체적으로 별개가 되는 대신에 대타겟의 격자들 내에 위치될 수 있다. 소타겟(600b)은 제품 영역(602)에 걸쳐 있는 소타겟(604)과 형태가 동일하다. 타겟들의 이러한 조합을 이용하여, 큰 스크라이브 레인 타겟(600a)이 높은 정확도를 가지고 오버레이에 대한 저차수 모델을 측정하기 위하여 사용될 수 있는 반면에, 작은 제품내 타겟(604)은 높은 밀도로 측정되고 이러한 저차수 모델의 작은 변동(perturbation)으로서 모델링될 수 있다. 정규 타겟(600a)에는 인접한 더 작은 타겟(600b)이 동반되기 때문에, 예를 들어 프로세스 의존성에 의하여 야기된, 소타겟을 사용하여 측정된 오버레이에 존재하는 부정확성을 알 수 있고 보상할 수 있다.
도입부와 청구항에서 기재된 내용에서, 기판에 존재하는 타겟들이 타입 T1 인 타겟들의 제 1 세트와 타입 T2 인 타겟들의 제 2 세트를 포함한다는 것을 도 7 로부터 알 수 있다. 타겟들의 제 1 세트의 제 1 서브세트(타겟(600b))는, 기판에 걸쳐 제 2 세트의 타겟들(600a)도 위치되는 제 1 위치에 실질적으로 분포된다. 타겟들의 제 1 세트의 제 2 서브세트(604)는 제 1 위치에 추가하여 제 2 위치에 분포된다.
도 8 은 위에서 설명된 신규한, 하이브리드 측정 개념과 도 3 의 계측 시스템 내의 처리 유닛(106)에 의하여 구현된 처리를 그림으로 도시한다. 수평 축 X는 기판에 걸친 일 차원을 나타낸다. 제품 영역(D)과 스크라이브 레인 영역(SL)이 이러한 축에 규정된다. 수직 축은 측정된 오버레이 값(OVL)을 나타낸다. 700a로 도시된 두 개의 원형 점들은 대타겟(600a)으로 측정된 오버레이 값을 나타내도록 도시된다. 대타겟에 인접한 소타겟(600b)을 사용하여 측정된 오버레이 값은 700b로 명명되고, 소타겟(604)을 사용하여 제품 영역에 걸쳐 측정된 오버레이 값은 704 로 명명된다. 예시적으로 간단한 선형 모델을 이러한 제품 영역에 걸쳐 오버레이에 적용하면, 일점 쇄선의 프로파일 곡선(706)이 점들(700a) 사이에 그려질 수 있다. 이러한 곡선은 오버레이가 포인트(700a)에서 샘플링될 경우 높은 정밀도를 가지는 것으로 간주될 수 있지만, 그 사이의 제품 영역에서는 아무런 세부적인 상세 내용을 가지고 있지 않다. 다른 프로파일 곡선(708)(이점 쇄선)은 소타겟 측정(700b 및 704) 사이에 그러졌다. 이러한 고차원 프로파일은 X 방향에서는 명백하게 더 많은 세부사항을 포함하지만, 이것의 측정된 오버레이 값은 프로세스 의존성과 측정 기구의 제한사항에 기인한 오류에 노출된다는 것이 알려져 있다. 그러나, 타겟(600b 및 600a)이 실질적으로 기판 상의 동일한 지점에 위치된다는 것을 알게 되면, 그래프 상의 포인트(700b)에 의하여 표현되는 참 오버레이 값이 포인트(700a)의 값에 의하여 더 정확하게 표현된다는 가정이 성립될 수 있다. 그러므로, 오프셋(710)이 계산되고 모든 포인트(704)에 적용됨으로써, 곡선(708)의 세부사항이 직선(706)의 작은 변동으로서 적용될 수 있고, 제품 영역에 걸쳐 절대적인 정확도와 상세한 구조 모두를 가지는 곡선(712)을 얻을 수 있게 된다.
도 8 의 단순화된 예는 오직 하나의 차원만 보여주지만, 당업자는 이러한 측정 및 모델이 X 및 Y 방향 모두로 연장된다는 것을 이해할 것이다. X 및 Y 방향에서의 오버레이는 이러한 2-차원의 영역에 걸쳐서 별개로 모델링될 수도 있다. 이와 유사하게, 곡선(706)이 두 개의 샘플 포인트들 사이의 선형 모델이지만, 실제 기판은 더 고차원 모델, 다시 말하건대 2 차원으로 결합될 수 있는 여러 측정(700a)을 가질 것이다. 이러한 선형 보간은, 오버레이에 대한 이미징 효과의 영향이 조명 슬릿에 대해 선형으로 변동할 경우에는, 예를 들어 스캐닝 타입 리소그래피 장치에서도 양호하게 작동할 수 있다. 다른 대안은 추가적인 대타겟 및 소타겟 쌍을 사용하여 하단 스크라이브 레인을 따라서 변동을 측정하는 것이다. 그러면, 장치가 슬릿에 따른 더 고차원의 거동(behavior)을 캡쳐할 수 있게 된다. 어느 경우에서나, 곡선(708)으로부터의 작은 변동을 추가하면, X-선 대타겟을 위해 필요한 면적을 희생하거나 더 작은 X-선 타겟을 사용하기 위해 요구되는 쓰루풋을 희생하지 않고서, 특히 제품내 변동을 나타내는 더 높은 차원이 모델에 추가될 수 있게 된다. 또한, 오버레이 값들은 여러 방식으로 분석될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(106)는, 기판의 모든 필드에 대해 공통적인 작은 변동을, 전체로서 기판에 걸쳐 변동하는 작은 변동들로부터 분리시킬 수 있다. 따라서, 필드내 오버레이 지문(overlay fingerprint)이 필드간 오버레이 지문으로부터 분리될 수 있다.
도 9 는 도 3 의 계측 시스템에서 리소그래피 프로세스의 파라미터, 예컨대 오버레이를 측정하기 위한 전체 프로세스의 일 예를 나타내는 흐름도이다. 프로세스는 기판에 걸쳐 상대적으로 성기게 분포되는 X-선 타겟과 더 밀하게 분포되는 더 작은 광학 타겟의 조합을 사용한다. 단계 S1 에서, 패터닝 디바이스(레티클) 또는 패터닝 디바이스들의 세트에는 제품 패턴 영역(602) 주위에 그리고 그 안에 분포되는 도 4 및 도 5 에 예시되는 것과 같은 타겟 패턴이 제공된다. 예를 들어, 타겟들의 레이아웃은 도 8 에 도시되는 것과 유사할 수 있다. 타겟들이 오버레이를 측정하기 위한 것들인 경우, 타겟을 만들기 위한 패턴이 적어도 두 개의 다른 레티클에 포함될 것이고, 이들이 반도체 또는 다른 제품의 다른 층 L1, L2 내에 패턴을 규정한다. 레티클이 프로그래밍가능한 패터닝 디바이스로 대체되는 경우, 패턴은 데이터 폼으로 제공되지만 프로세스는 본질적으로 동일하다. S2 에서, 계측 타겟 및 제품 피쳐가 리소그래피 프로세스를 사용하여 기판의 필드 영역에 형성된다. 물론, 실무에서는 일련의 기판들이 단계 S2 및 후속 단계를 반복하여 패터닝될 것이다. 후속하는 단계는 특정 순서로 표시되고 설명되지만, 프로세스의 원리에서 벗어나지 않고서 다양한 순서로 수행될 수 있다.
그러면 패터닝된 기판은 도 3 의 포밍 계측 시스템(100)과 같은 계측 장치 내에 로드된다. 단계 S3 및 S5 는 제 2(X-선) 계측 장치(104) 내의 대타겟(600a) 상의 오버레이를 측정하는 것에 관한 것이다. S3 에서, 각각의 타겟(및 다수의 격자가 제공되는 경우 타겟내의 각각의 격자)의 회절 스펙트럼이 소각도 X-선 산란을 사용하여 캡쳐된다. S5 에서, 스펙트럼들은 하나 이상의 타겟(600a)에서 측정을 유도하도록 처리된다. S6 에서, 측정된 대타겟 오버레이 값이 기판에 걸친 오버레이로 결합되는데, 이것은 도 10 에서 곡선(706)으로 표시된다.
S7 및 S8 에서, 암시야 이미징 기법을 가정하면, 기판에 걸친 소타겟(600b 및 604)은 각각 -1 차 및 +1 차 회절된 방사선으로 측정된다. 단순히 일 예로서 도 3 의 산란계를 사용하면, 이러한 측정은 종래의 애플리케이션에서 설명된 것과 같은 암시야 이미징 브랜치 및 센서(23)에 의하여 수행될 것이다. 각각의 타겟 및 타겟 내의 각각의 격자에 대하여, 두 개의 측정된 세기들이 단계 S9 에서 비교되어 각각의 소타겟에 대한 오버레이 측정을 획득한다. S10 에서, 이들이 결합되어, 도 8 의 곡선(708)과 유사한, 기판에 걸친 오버레이의 고차원 프로파일을 규정할 수 있다. 제 1 계측 장치가 다른 타입, 예를 들어 이미지-기초 계측 장치인 경우, 소타겟으로부터 오버레이 측정을 획득하기 위하여 다른 단계들(S7 내지 S9)이 수행될 수 있다.
S11 에서, 단계 S6 및 S11 로부터의 저차원 및 고차원 프로파일들이, 작은 광학 타겟(600b)이 큰 제품-유사 타겟(600a)에 인접하다는 지식을 사용하여 병합되어 하이브리드 프로파일(즉 도 8 의 곡선(712))을 생성한다. 두 타입의 타겟들로부터의 데이터가 결합되는 방식을 중요한 것이 아니고, 사실상 이들은 상호참조와 조절이 이루어지면 별개로 저장되었다가 사용될 때 결합될 수 있다. 원리는, 소타겟을 사용하여 측정된 파라미터(예를 들어, 오버레이)가 서로 인접한 소타겟 및 대타겟 사이에서 관찰되는 오프셋을 참조하여 정정될 수 있다는 것이다.
위에서 언급된 바와 같이, 오버레이의 프로파일 및 다른 파라미터들은 기판 전체의 변동으로서 전체적으로 표현될 필요가 없다. 예를 들어, 이것은 모든 필드의 필드내 프로파일(기판(W) 상의 다른 위치에서의 패터닝 디바이스(M)를 사용한 패터닝의 각각의 인스턴스) 및 필드내 변동이 반복적으로 중첩되는 저차원의 필드간 변동으로서 표현될 수 있다.
사실상 오버레이 에러의 프로파일이 모든 필드에 대해서 실질적으로 동일한 강한 필드내 성분을 가진다고 가정하면, 간략화된 측정 프로세스가 파선으로 표시된 단계 S12 에 의하여 예시되는 것처럼 구현될 수 있다. 프로세스의 이러한 수정된 실시예에서, 소타겟(600b, 604)은 모두, 필드내 프로파일 및 오프셋(710)을 결정 및 기록하기에 충분한 몇 개의 대표 필드에 대해서만 측정된다. 그러면 필드내 변동은, 기판에 걸쳐 모든 소타겟을 측정하지 않고, 기판의 모든 필드에 대하여 저차원 필드간 프로파일 위에 중첩될 수 있다. 물론 이러한 실시예는 필드내 프로파일이 충분히 반복된다는 것을 가정하고 있으며, 이것은 각각의 프로세스에 대해서 실험에 의해 검증되어야 한다. 시간과 측정 쓰루풋에서의 희생이 모든 소타겟이 측정되는 프로세스에서처럼 아주 크지 않다는 것이 장점이다. 이와 유사하게, 소타겟과 대타겟 측정 사이에 적용될 정정은 기판 전체에서 일정할 수도 있고, 그러므로 몇 개만을 비교한 결과로부터 예측가능할 수 있다. 그러면, 쓰루풋을 개선하기 위해서, 제공된 타겟들의 서브세트만이 실제로 측정되면 된다. 또는, 정정이 큰 변수여서 그 스스로 필드마다의 파라미터 변수로서 모델링되어야 한다는 것이 실험을 통해 드러날 수 있다.
스크라이브 레인 내의 공간이 제품 영역 내의 공간만큼 가치가 있지는 않지만, 이것은 여전히 큰 가치를 가지며, 제품-유사 피쳐를 가지는 X-선 타겟(600a)의 크기를 감소시키는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어 10x10 μm인 더 작은 타겟이 쓰루풋을 희생하면서 제공될 수 있다. 그 경우에 각각의 타겟을 측정 하는 데에는 수 초가 걸릴 수 있다(X 및 Y 방향이 단일 노광에서 측정될 수 있다고 해도). 몇 개의 타겟만이 측정되어도 된다면, X-선 소타겟과 연관된 쓰루풋 손실은 받아들일 만할 것일 수도 있다. 대두될 더 밝은 X-선 소스의 경우, 정확도를 감소시켜도 여전히 원하는 오버레이 성능이 측정되게 하기에 충분한 정확도가 된다면, 타겟당 획득 시간이 1 초 아래로 감소될 수 있다. 그러나, 예측 가능한 미래에서는, 상대적으로 신속한 광학적 측정과 비교할 때 X-선 측정과 연관된 시간 손실이 여전히 존재할 것이다.
도 10 은, 도 3 및 도 10 의 계측 시스템과 적합한 패터닝 디바이스 및 기판이 성능을 모니터링하기 위하여 그리고 계측 및/또는 생산 프로세스를 제어하기 위한 기초로서 사용되는 제조 프로세스를 나타내는 흐름도이다. 단계 S21 에서, 웨이퍼는 전술된 것처럼 광학 소타겟 및 X-선 타겟 모두를 포함하는 제품 피쳐 및 계측 타겟을 생성하도록 처리된다. 단계 S22 에서, 오버레이 및/또는 다른 파라미터가 도 10 의 방법을 사용하여 측정되고 계산된다. 단계 S23 에서, 측정된 파라미터는(이용가능할 수 있는 다른 정보와 함께) 계측 레시피를 업데이트하기 위하여 사용된다. 계측 레시피는 예를 들어 타겟을 조명하기 위해서 광의 어떤 파장(들) 및/또는 어떤 편광이 사용되어야 하는지, 또는 입사 선(I1)의 각도가 무엇인지를 규정할 수 있다. 업데이트된 계측 레시피는 오버레이의 재측정을 위하여, 및/또는 후속 처리된 웨이퍼 상의 오버레이를 측정하기 위하여 사용된다. 이러한 방식으로, 계산된 오버레이 측정은 정확도가 개선된다. 업데이트 프로세스는 필요한 경우 자동화될 수 있다.
단계 S24 에서, 다른 웨이퍼를 처리하기 위하여, 제 1 및 제 2 계측 장치로부터의 측정들을 결합하여 얻어진 분해능 오버레이의 지식이 디바이스 제조 프로세스의 리소그래피 패터닝 단계 및/또는 프로세스 단계를 제어하는 레시피를 업데이트하기 위하여 사용된다. 다시 말하건대 이러한 업데이트는 필요한 경우 자동화될 수 있다.
비록 본 발명의 특정한 실시예가 위에서 설명되었지만, 본 발명은 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 기판 및 패터닝 디바이스에서 실현되는 바와 같은 신규한 타겟과 연관하여, 일 실시예는 기판에 타겟을 생성하고, 기판 상의 타겟을 측정하며 및/또는 측정을 처리하여 리소그래피 프로세스에 대한 정보를 획득하는 방법을 기술하는 머신-판독가능 명령의 하나 이상의 시퀀스를 포함하는 컴퓨터 프로그램을 포함할 수도 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 예를 들어 도 3 의 장치에 있는 유닛(PU) 및/또는 도 2 의 제어 유닛(LACU) 내에서 실행될 수도 있다. 그 안에 저장된 이러한 컴퓨터 프로그램을 포함하는 데이터 스토리지 매체(예를 들어, 반도체 메모리, 자기적 또는 광학적 디스크)가 역시 제공될 수 있다.
비록 물리적 레티클의 형태인 패터닝 디바이스가 설명되었지만, 본 명세서에서 "패터닝 디바이스"라는 용어는, 예를 들어 프로그래밍가능한 패터닝 디바이스와 함께 사용되도록 디지털 형태로 패턴을 포함하는 데이터 제품을 포함한다.
비록 특정한 참조가 위에서 광 리소그래피의 콘텍스트에서의 본 발명의 실시예의 사용에 대하여 이루어졌지만, 본 발명이 다른 애플리케이션, 예를 들어 임프린트(imprint) 리소그래피에서 사용될 수도 있고, 콘텍스트가 허용하는 경우 광 리소그래피로 제한되는 것이 아니라는 것이 인정될 것이다. 임프린트 리소그래피에서, 패터닝 장치의 토포그래피는 기판 상에 생성된 패턴을 정의한다. 패터닝 장치의 토포그래피는 기판에 공급된 레지스트의 층에 프레스될 수도 있고, 그 위에서 레지스트는 전자기 방사선, 열, 압력 또는 이들의 조합을 인가함으로써 경화된다. 패터닝 장치는 레지스트가 경화된 후에 레지스트 외부로 이동됨으로써 그 내부에 패턴을 잔류시킨다.
리소그래피 장치와 관련하여 사용된 "방사선" 및 "빔"이라는 용어는, 자외(UV) 방사선(예컨대, 약 365, 355, 248, 193, 157, 또는 126 nm의 파장을 가짐) 및 극자외(EUV) 방사선(예컨대, 5-20 nm 범위의 파장을 가짐), 및 이온 빔 또는 전자 빔과 같은 입자 빔을 포함하는, 모든 타입의 전자기 방사선을 망라한다.
본 명세서에 사용된 "렌즈"라는 용어는, 문맥이 허용한다면, 굴절, 회절, 반사, 자기, 전자자기, 및 정전기 광 컴포넌트를 포함하는 다양한 타입의 광 컴포넌트 중 임의의 것 또는 조합을 가리킬 수 있다.
특정 실시예에 대한 전술한 설명은 본 발명의 전반적인 특성을 완전하게 보여주어, 당해 기술 분야에 익숙한 사람이 갖고 있는 지식을 적용함으로써 본 발명의 전반적인 개념으로부터 벗어나지 않고서도 불필요한 실험 없이 이러한 구체적인 실시예에 대한 다양한 응용을 용이하게 수정 및/또는 적합화할 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 수정 및 적합화는 본 명세서에 제공된 교시 및 지침을 기반으로 하는 개시 실시예의 등가물의 범위 내에 있도록 의도된다. 본 명세서에서 구문 또는 어휘는 예에 의한 설명의 목적을 위한 것이고 한정하기 위한 것이 아니며, 따라서 본 명세서의 용어 또는 구문은 교시 및 지도를 고려하여 당업자에 의하여 해석되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 적용 범위 및 범위는 전술한 예시 실시예의 어떠한 것에 의해서도 한정되어서는 안되며, 후속하는 특허청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.
Claims (15)
- 기판으로서,
상기 기판은 상기 기판 상에 형성되고 상기 기판에 걸쳐 분포된 하나 이상의 제품 피쳐와, 상기 제품 피쳐 및 계측 타겟을 상기 기판에 적용시킨 리소그래피 프로세스의 성능의 파라미터를 측정하는 것에 사용되도록 되어 있는 복수 개의 상기 계측 타겟을 포함하고,
상기 계측 타겟은:
- 상기 파라미터를 측정하기 위한 타겟들의 제 1 세트; 및
- 동일한 파라미터를 측정하기 위한 타겟들의 제 2 세트를 포함하며,
타겟들의 상기 제 1 세트의 제 1 서브세트는, 상기 기판에 걸쳐 상기 제 2 세트의 타겟들도 위치되는 제 1 위치에 분포되고, 타겟들의 상기 제 1 세트의 제 2 서브세트는 상기 제 1 위치에 추가하여 제 2 위치에 분포되며,
타겟들의 상기 제 1 세트는, 상기 제품 피쳐의 최소 제품 피쳐보다 여러 배 더 큰 크기인 주요 피쳐(principal feature)를 포함하고, 타겟들의 상기 제 2 세트는 피쳐들을 포함하는, 상기 제품 피쳐의 최소 제품 피쳐와 유사한 크기인 주요 피쳐를 포함하고,
상기 파라미터는, 상기 제 1 세트의 타겟을 검사하도록 150 nm보다 더 긴 파장의 방사선을 사용하고, 상기 제 2 세트의 타겟을 검사하기 위해 X-선을 사용하여, 상기 제 1 위치 각각에서 측정될 수 있는, 기판. - 제 1 항에 있어서,
상기 제품 피쳐는 스크라이브 레인(scribe lane)에 의하여 분리되는 복수 개의 제품 영역에 배치되고, 상기 제 1 위치는 상기 스크라이브 레인 내에 있는 반면에 상기 제 2 위치는 상기 제품 영역 내에 분포되는, 기판. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 세트의 각각의 타겟은, 상기 제 2 세트의 각각의 타겟에 의하여 점유되는 면적의 절반 이하의 면적을 점유하는, 기판. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 세트의 각각의 타겟은 16x16 μm 미만의 면적을 점유하는 반면에, 상기 제 2 세트의 각각의 타겟은 20x20 μm 초과의 면적을 점유하는, 기판. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 파라미터는 오버레이이고, 각각의 타겟은 두 개 이상의 패터닝 단계에서 형성된 오버레이 타겟인, 기판. - 패터닝 디바이스로서,
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 기판을 제조하는데 사용되고, 제품 패턴 피쳐와 타겟 패턴 피쳐를 포함하며,
상기 타겟 패턴 피쳐는, 패턴이 상기 패터닝 디바이스로부터 상기 기판에 적용될 때 타겟들의 제 1 및 제 2 세트를 생성하도록, 상기 제 1 및 제 2 세트로 형성되는, 패터닝 디바이스. - 제 6 항의 패터닝 디바이스와 연계되어 사용되는 패터닝 디바이스로서,
제품 패턴 피쳐와 타겟 패턴 피쳐를 포함하고,
상기 타겟 패턴 피쳐는, 제 6 항의 패터닝 디바이스에 의하여 적용된 패턴 상에 패턴이 적용될 때 오버레이 격자를 생성하도록 형성되는, 패터닝 디바이스. - 제품 피쳐를 기판에 적용시킨 리소그래피 프로세스의 성능의 파라미터를 측정하는 방법으로서,
(a) 상기 제품 피쳐를 상기 기판에 적용시키는 것과 동시에, 복수 개의 계측 타겟을 적용시키는 단계로서, 상기 계측 타겟은 동일한 파라미터를 측정하기 위한 타겟들의 제 1 세트와 타겟들의 제 2 세트를 포함하고, 타겟들의 상기 제 1 세트의 제 1 서브세트는, 상기 기판에 걸쳐 상기 제 2 세트의 타겟들도 위치되는 제 1 위치에 분포되고, 타겟들의 상기 제 1 세트의 제 2 서브세트는 상기 제 1 위치에 추가하여 제 2 위치에 분포되는, 계측 타겟 적용 단계;
(b) 타겟들의 제 1 세트의 상기 제 1 서브세트 중 적어도 하나의 타겟을 150 nm보다 더 긴 파장의 방사선으로 조명하고, 상기 타겟에 의하여 회절되거나 반사되는 방사선을 검출하며, 상기 제 1 위치 중 대응하는 위치에서 상기 파라미터에 대한 제 1 값을 결정하도록 상기 방사선을 나타내는 신호를 처리하는 단계;
(c) 동일한 제 1 위치에 있는 상기 제 2 세트의 타겟을 X-선으로 조사하고, 상기 제 2 세트의 상기 타겟에 의하여 산란되는 방사선을 검출하며, 상기 제 1 위치에서 상기 파라미터에 대한 제 2 값을 결정하도록 상기 방사선을 나타내는 신호를 처리하는 단계; 및
(d) 동일한 제 1 위치에서 측정된 상기 제 1 값과 제 2 값의 비교에 기초하여, 타겟들의 상기 제 1 세트를 사용하여 측정되는 파라미터 값에 대한 정정을 결정하는 단계를 포함하는, 리소그래피 프로세스 성능의 파라미터 측정 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 방법은,
(e) 타겟들의 제 1 세트의 상기 제 2 서브세트 중 적어도 하나의 타겟을 150 nm보다 더 긴 파장의 방사선으로 조명하고, 상기 제 2 서브세트의 상기 타겟에 의하여 회절되거나 반사되는 방사선의 검출과 단계 (d)에서 결정된 정정에 기초하여 상기 파라미터에 대한 값을 계산하는 단계를 더 포함하는, 리소그래피 프로세스 성능의 파라미터 측정 방법. - 제 9 항에 있어서,
단계 (b), 단계 (c) 및 단계 (d)는 동일한 기판 상의 다수의 제 1 위치에 대하여 수행되고, 단계 (e)는 두 개 이상의 제 1 위치에 대하여 결정된 정정들 사이에서 보간된 정정을 사용하는, 리소그래피 프로세스 성능의 파라미터 측정 방법. - 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제품 피쳐는 스크라이브 레인에 의하여 분리되는 제품 영역에 배치되고, 상기 제 1 위치는 상기 스크라이브 레인 내에 있는 반면에 상기 제 2 위치는 상기 제품 영역 내에 분포되는, 리소그래피 프로세스 성능의 파라미터 측정 방법. - 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 세트의 각각의 타겟은, 상기 제 2 세트의 각각의 타겟에 의하여 점유되는 면적의 절반 이하의 면적을 점유하는, 리소그래피 프로세스 성능의 파라미터 측정 방법. - 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파라미터는 오버레이이고, 각각의 타겟은 두 개 이상의 패터닝 단계에서 형성된 오버레이 타겟인, 리소그래피 프로세스 성능의 파라미터 측정 방법. - 디바이스 제조 방법으로서,
계측 타겟들의 제 1 및 제 2 세트를 규정하는 패턴을 기판에 전사하는 것과 동시에, 리소그래피 프로세스를 사용하여 패터닝 디바이스로부터 상기 기판 상에 기능성 디바이스 패턴을 전사하는 단계;
상기 리소그래피 프로세스의 하나 이상의 파라미터에 대한 값을 결정하도록, 상기 기판에 적용되는 상기 계측 타겟들을 측정하는 단계; 및
상기 측정의 결과에 따라, 상기 리소그래피 프로세스의 후속 동작에 정정을 적용하는 단계를 포함하고,
상기 계측 타겟은 동일한 파라미터를 측정하기 위한 타겟들의 제 1 세트 및 제 2 세트를 포함하며, 타겟들의 상기 제 1 세트의 제 1 서브세트는, 상기 기판에 걸쳐 상기 제 2 세트의 타겟들도 위치되는 제 1 위치에 분포되고, 타겟들의 상기 제 1 세트의 제 2 서브세트는 상기 제 1 위치에 추가하여 제 2 위치에 분포되고,
상기 계측 타겟들을 측정하는 단계는, 제 9 항 또는 제 10 항의 방법에 의하여, 상기 제 2 위치 중 하나 이상에서 상기 파라미터에 대한 값을 결정하는 단계를 더 포함하는, 디바이스 제조 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 기능성 디바이스 패턴은 스크라이브 레인(scribe-lane)에 의하여 분리되는 복수 개의 제품 영역에 배치되는 제품 피쳐를 규정하고, 상기 제 1 위치는 상기 스크라이브 레인 내에 있는 반면에 상기 제 2 위치는 상기 제품 영역 내에 분포되는, 디바이스 제조 방법.
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