(57)【要約】【課題】半導体製造工程のアライメント測定方法を提供する。【解決手段】この方法は、基板上に第１アライメントキーを形成する段階と、前記第１アライメントキーを覆う物質膜を形成する段階と、前記物質膜上に不透明膜を形成する段階と、前記不透明膜にイオン注入工程を実施して不透明膜の吸光係数を低くする段階とを含む。前記不透明膜上にフォトレジスト膜を形成し、前記吸光係数が低くなった不透明膜を透過する光を照射して前記第１アライメントキーの位置を測定する。【選択図】図９Ａ
2006114897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に物質膜を形成する段階と、
前記物質膜上にマスク膜を形成する段階と、
前記マスク膜にイオンを注入して吸光係数を低くする段階と、
前記イオン注入されたマスク膜をパターニングしてマスクパターンを形成する段階と、
前記マスクパターンをエッチングマスクとして使って前記マスク膜をパターニングする段階と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記マスク膜は有機マスク膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記イオン注入の前に前記有機マスク膜上に無機マスク膜を形成する段階をさらに含み、前記無機マスク膜を通じて前記有機マスク膜にイオンを注入することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記マスク膜は非晶質炭素膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記イオンを注入する段階で、
前記マスク膜に窒素イオンを注入して吸光係数を低くすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記窒素イオンを注入する段階で、
前記窒素イオンの濃度は５×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記物質膜と前記基板との間に第１アライメントキーを形成する段階と、
前記イオン注入されたマスク膜を通じて前記アライメントキーの位置を光学的に測定する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記マスク膜を形成する前に前記物質膜を平坦化する段階をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記イオンを注入した後、前記イオン注入されたマスク膜をパターニングする前に、
前記第１アライメントキーを利用してフォトマスクを基板に整列する段階をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記イオンを注入した後、前記イオン注入されたマスク膜をパターニングする前に、
前記イオン注入されたマスク膜上に第２アライメントキーを形成する段階と、
前記第１アライメントキーの位置を基準に前記第２アライメントキーのアライメントを測定する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記アライメントを測定する段階は、
前記イオン注入されたマスク膜を通じて光を透過する段階と、
前記透過された光に基づいて前記第１及び第２アライメントキーの相対的な位置を測定する段階と、を含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記光は波長が約６００ｎｍ乃至７００ｎｍであり、前記イオン注入されたマスク膜の吸光係数は約０.３５乃至０.４であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記物質膜をパターニングする段階で、
アライメントが所定の許容誤差以内である時、前記マスクパターンをエッチングマスクとして使って前記物質膜をエッチングすることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記マスク膜の一部分の上にフォトレジストパターンを形成する段階をさらに含み、前記イオンを注入する段階は前記フォトレジストパターンによって露出された前記マスク膜の一部分にイオンを注入することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記マスク膜を形成する段階で、
前記マスク膜は約５００℃乃至６００℃で形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記マスク膜を形成する段階で、
前記マスク膜は約１５０Å乃至２５０Åの厚さで形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記物質膜をパターニングした後に前記マスクパターンを除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
基板上に第１アライメントキーを形成する段階と、
前記第１アライメントキーを覆う物質膜を形成する段階と、
前記物質膜上にマスク膜を形成する段階と、
前記マスク膜内にイオンを注入する段階と、
前記マスク膜上に第２アライメントキーを形成する段階と、
前記イオンを注入した後、前記マスク膜を通じて前記第１及び第２アライメントキーの相対位置を光学的に測定する段階と、を含むことを特徴とするパターンアライメント方法。
【請求項１９】
基板と、
前記基板上の第１アライメントキーと、
前記第１アライメントキー上の平坦化された物質膜と、
前記物質膜上の窒素を含む非晶質炭素マスク膜と、を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２０】
前記非晶質炭素マスク膜は窒素濃度が約５×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１９に記載の半導体装置
【請求項２１】
前記非晶質炭素マスク膜は厚さが約１５０Å乃至２５０Åであり、波長が６００ｎｍ乃至７００ｎｍである光に対する吸光係数が約０.３５乃至０.４であることを特徴とする請求項１９に記載の半導体装置。
【請求項２２】
前記非晶質炭素マスク膜上に形成され、前記第１アライメントキーに対して許容誤差以内に整列された第２アライメントキーをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体製造工程で先行パターンと後行パターンの誤整列を防止するためのアライメント測定方法に係り、さらに具体的には先行パターン上に形成された不透明膜の吸光係数を低くして先行パターンの位置を測定することができるアライメント測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は多層のパターンが集積された構造を有する。したがって、互いに異なる層に形成されたパターンは誤差範囲を逸脱しないレベルでアライメントが行われることが要求される。パターン間のアライメントを測定する方法には様々なものがあるが、一般的にパターンとともに形成されるアライメントキーの位置を光学的に測定して、上下のアライメントキーの重畳度を測定する方法が使用される。
【０００３】
デザインルールが縮まることによって、パターンの線幅が小さくなり、小さい線幅のパターンを画定するためには短波長の露光光が要求される。パターンの精密度及び正確度を高めるために厚さの薄いフォトレジスト膜は短波長の光源を使用する露光工程に使用される。しかし、エッチングしようとする対象物質の厚さが厚い工程では、薄いフォトレジスト膜は十分なエッチングマスクの機能を果たさず、対象物質上に対象物質に対するエッチング選択性が優れたハードマスク層を形成して微細なパターンを形成する技術が使われている趨勢である。
【０００４】
図１乃至図３は一般的な半導体素子のパターン形成方法を説明するための図である。
【０００５】
図１を参照すると、基板１０上に物質膜１２を形成し、前記物質膜１２上にハードマスク層及びフォトレジスト膜を形成する。前記ハードマスク層は、パターニングが容易であり、下部物質膜に対するエッチング選択性が優れた有機ハードマスク膜１４と、前記有機ハードマスク膜１４のエッチングマスクとして使われる無機ハードマスク膜１６とで構成される。前記フォトレジスト膜を露光及び現像してフォトレジストパターン１８を形成する。
【０００６】
図２を参照すると、前記フォトレジストパターン１８をエッチングマスクとして使って前記無機ハードマスク膜１６をパターニングして、無機ハードマスクパターン１６ｐを形成し、前記フォトレジストパターン１８を除去する。続いて、前記無機ハードマスクパターン１６ｐをエッチングマスクとして使って前記有機ハードマスク膜１４をパターニングして有機ハードマスクパターン１４ｐを形成する。
【０００７】
図３を参照すると、前記無機ハードマスクパターン１６ｐ及び前記有機ハードマスクパターン１４ｐをエッチングマスクとして使って前記物質膜１２をパターニングして物質膜パターン１２ｐを形成する。前記物質膜パターン１２ｐはそれ自身でパターンを形成することもでき、他のパターンを形成するための鋳型パターンになることもできる。前記無機ハードマスクパターン１６ｐは物質膜パターン形成過程でエッチングされることができ、前記無機ハードマスクパターン１４ｒの一部分もエッチングされることができる。厚い物質膜パターンが形成される工程としては、例えば、ＤＲＡＭ素子のストレージノード形成のための鋳型層形成工程がある。すなわち、前記物質膜パターン１２ｐはストレージノードが形成されるオープニングを画定することができる。
【０００８】
特定工程で形成されたパターンと、先行工程で形成されたパターンは誤差範囲内の重畳度が要求される。したがって、上下のパターンの間の重畳度を測定するためのオーバーレイマークまたはアライメントキーがパターンとともに基板の所定領域に形成される。図４に示したように、フォトマスク６０にデザインされたパターン領域６２が基板上に転写される。この際、先行工程で形成されたチップ領域５２に前記パターン領域６２が正確に整列された状態で露光されなければならない。このために、基板上のチップ領域に既に形成された先行アライメントキー５４とフォトマスク６０にデザインされた後行アライメントキー６４を整列した後、露光が実施される。また、露光及び現像が完了した後には先行アライメントキーとフォトレジストパターンに転写された後行アライメントキーの位置を測定して重畳度を確認した後、重畳度が誤差範囲を満足する時、エッチング工程を実施する。
【０００９】
図５は様々な形態のアライメントキーのうちの一つを例示した図である。露光工程でパターンの重畳度を測定するアライメントキーはその整列方法に応じて多様な形態で形成されることができる。図示したようにアライメントキーは先行パターンに対応する第１アライメントキー７０ａと後行パターンに対応する第２アライメントキー７０ｂで構成される。第２アライメントキー７０ｂは露光の前にはフォトマスクにデザインされたものでありうる。または露光の後には基板上に形成されたものでありうる。アライメント測定はキーの境界で散乱される光の信号を利用してアライメントキーの位置を測定し、第１アライメントキー７０ａと第２アライメントキー７０ｂとの間の横間隔ｄ１、ｄ２を比較して水平方向重畳度を計算し、縦間隔ｄ３、ｄ４を比較して垂直方向重畳度を測定することができる。
【００１０】
図６に示したように、先行工程で形成された第１アライメントキー２０ａを覆う物質膜１２の表面が第１アライメントキー２０ａの形態に応じて屈曲を有する場合、その屈曲の境界で散乱される光の信号を測定することで、第２アライメントキー２０ｂとの間隔ｄ、ｄ'を測定することができる。図７及び図８に示したように、第１アライメントキー２０ａを覆う物質膜１２が平坦化され、アライメント測定に使われる光に対して不透明な有機ハードマスク膜１４が形成された場合には、その下部のアライメントキーの位置を測定することができない。フォトレジスト膜１８をエッチングして第２アライメントキー２０ｂを形成した後にも測定光が前記有機ハードマスク１４を透過しなくて、第１アライメントキー２０ａの位置を測定することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、アライメント測定に使われる光に対して不透明膜の吸光係数を低くして、下部のアライメントキーの位置を測定することができるアライメント測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を達成するために本発明は、不透明膜の吸光係数を低くして、下部のアライメントキーの位置を測定することができるアライメント測定方法を提供する。この方法は、基板上に第１アライメントキーを形成する段階と、前記第１アライメントキーを覆う物質膜を形成する段階と、前記物質膜上に不透明膜を形成する段階と、前記不透明膜にイオン注入工程を実施して不透明膜の吸光係数を低くする段階とを含む。前記不透明膜上にフォトレジスト膜を形成し、前記吸光係数が低くなった不透明膜を透過する光を照射して前記第１アライメントキーの位置を測定する。
【００１３】
本発明は前記第１アライメントキー上に平坦化された物質膜が形成される場合にも適用されることができる。前記不透明膜は有機ハードマスク膜として、例えば非晶質炭素膜でありうる。前記不透明膜と前記フォトレジスト膜との間に無機ハードマスク膜がさらに形成されることができる。
【００１４】
前記アライメントキーの位置測定はフォトマスクを基板に整列する段階で実施されるか、フォトレジストパターンを形成した後に実施されることができる。例えば、前記第１アライメントキーの位置を測定してフォトマスクを基板に整列し、前記フォトマスクを使って前記フォトレジストを露光することができる。また他の例として、前記露光されたフォトレジストを現像して第２アライメントキーを含むフォトレジストパターンを形成し、前記第１アライメントキー及び前記第２アライメントキーの位置を測定して前記フォトレジストパターンのアライメントを測定することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は下部膜に対するエッチング選択性は優れているが、不透明なハードマスク膜を使う時、前記ハードマスク膜にイオン注入工程を適用してハードマスク膜の吸光係数を低くすることができ、その結果、下部膜が平坦化されても下部のアライメントキーまで光が透過されるので、キーの位置を測定することができる。
【００１６】
図１２はイオン注入による有機ハードマスク膜の吸光係数変化を示すグラフである。このグラフは５５０℃で蒸着された非晶質膜に５０ｋｅＶのエネルギーで５×１０１５ｉｏｎ／ｃｍ２の濃度で窒素イオンが注入されたマスク層と、同一の条件で形成され、窒素イオンが注入されない非晶質炭素膜で測定した結果である。
【００１７】
図１２に示したように有機ハードマスク膜の吸光係数はイオン注入が適用されない場合（線１）とイオン注入が適用された場合（線２）で波長に応じて明確に異なる様相を示す。一般的に測定装備に使われる６００ｎｍ乃至７００ｎｍ波長帯域の光でイオン注入されたマスク層は０.３５乃至０.４０の吸光係数を有し、イオン注入されないマスク層は約０.４５の吸光係数を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付の図を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明はここで説明される実施形態に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。むしろ、ここで紹介される実施形態は開示された内容が徹底して完全になるように、そして当業者に本発明の思想を十分に伝達するために提供されるものである。図において、層及び領域の厚さは明確性のために誇張されたものである。また、層が他の層または基板“上”にあると言及される場合に、それは他の層または基板上に直接形成されることができるもの、またはそれらの間に第３の層が介在されることもできるものである。明細書の全体にわたって同一の参照番号に表示された部分は同一の構成要素を示す。
【００１９】
図９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂ、及び１１は本発明の望ましい実施形態によるアライメント測定方法を説明するための図である。
【００２０】
図９Ａを参照すると、第１アライメントキー１２０ａが形成された基板１００上に物質膜１０２を形成し、前記物質膜１０２上に有機ハードマスク膜１０４を形成する。一般的にアライメント測定装備は６００ｎｍ乃至７００ｎｍ波長帯域の測定光を使う。前記有機ハードマスク膜１０４は物質膜に対するエッチング特性が優れて、蒸着が容易な非晶質炭素膜で形成されることができる。前記有機ハードマスク膜１０４は吸光係数（ｌｉｇｈｔ ａｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が高くて下部のアライメントキーの位置を測定するためにはある程度レベル以下の厚さが形成されなければならない。しかし、この場合、物質膜に対する十分なエッチングマスクを提供することができないので、厚さを低くするには限界がある。
【００２１】
有機ハードマスク膜１０４の形成温度が増加することによって吸光係数が高くなる。したがって、低い温度で有機ハードマスク膜１０４を形成することを考慮することもできるが、低い温度で形成された有機ハードマスク膜１０４は水素含有量が高くてエッチング耐性が弱い。したがって、ハードマスク膜の機能を発揮するためには５００℃以上の温度で有機ハードマスク膜を形成しなければならない形成温度の制限がある。
【００２２】
本発明では５００℃乃至６００℃の温度で有機ハードマスク膜１０４を形成して、測定光に対して吸光係数が高くて不透明層になっても、高いエッチング耐性を有する有機ハードマスク膜１０４を形成する。例えば、前記有機ハードマスク膜はハイドロ−カーボン系列ＣｘＨｙのソースガスと水素、窒素またはアンモニアなどを反応ガスとして使って形成される非晶質炭素膜でありうる。
【００２３】
続いて、前記有機ハードマスク膜１０４にイオン注入工程を実施して前記ハードマスク膜の吸光係数を低くする。例えば、１０１５レベルの濃度の窒素イオンを有機ハードマスク膜に注入して６００ｎｍ乃至７００ｎｍ波長の測定光に対する有機ハードマスク膜の吸光係数を０．３５乃至０.４に低くすることができる。
【００２４】
下部の物質膜に対する十分なエッチングマスクを提供するために前記有機ハードマスク１０４は１５０Å乃至２５０Åの厚さで形成することができる。この際、前記有機ハードマスク膜１０４を透過して前記第１アライメントキー１２０ａに測定光が到逹するためには前記有機ハードマスク膜１０４の吸光係数が０.３５乃至０.４０になることが望ましい。
【００２５】
図１０Ａを参照すると、前記イオン注入によって吸光係数が低くなった透過性有機ハードマスク膜１０４ａ上に無機ハードマスク膜１０６を形成し、前記無機ハードマスク膜１０６上にフォトレジスト膜１０８を形成する。前記フォトレジスト膜１０８はその下部に反射防止膜を含むことができる。パターン領域がデザインされたフォトマスクと前記フォトレジスト膜１０７が形成された基板を整列するために露光装備でアライメントが実行される。本発明の透過性有機ハードマスク膜１０４ａはアライメント測定光源に対する吸光係数が低くて前記第１アライメントキー１２０ａの位置を測定することができ、第１アライメントキーと、フォトマスクにデザインされた第２アライメントキーの重畳度を測定してフォトマスクを基板に整列する。しかし、フォトマスクの整列キーの位置と露光装備にあらかじめ入力された座標を比較してフォトマスクを整列する方法を採用する場合、基板上のアライメントキーとフォトマスク上のアライメントキーの重畳度の測定は省略されることができる。
【００２６】
図１１を参照すると、基板に誤差範囲内の位置に整列されたフォトマスクを使って露光工程が実施される。露光されたフォトレジスト膜を現像してフォトレジストパターンを形成する。前記フォトレジストパターンはアライメント測定領域に第２アライメントキーパターン１２０ｂを含む。前記第２アライメントキー１２０ｂと前記第１アライメントキー１２０ａの重畳度を測定して誤差範囲を脱する場合、再作業（ｒｅｗｏｒｋ）を実施する。
【００２７】
続いて、前記フォトレジストパターンの重畳度が誤差範囲に入ってきた場合、前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして使ってハードマスク層と物質膜とをエッチングするエッチング工程を実施する。
【００２８】
図９Ａ及び図９Ｂは本発明の変形例を説明するための図である。
【００２９】
図９Ｂに示したように有機ハードマスク膜１０４にイオン注入工程を実施する。図９Ａに示した実施形態とは異なって、前記有機ハードマスク膜１０４上に無機ハードマスク膜１０６を形成した後にイオン注入工程を実施する。この際、アライメントキー領域を除いた残りの領域はフォトレジストパターン１０７で覆った状態でイオン注入が実施される。
【００３０】
続いて、図１０Ｂを参照すると、アライメントキー領域に該当する無機ハードマスク膜１０６の一部分にイオン注入層１０６ａが形成されることができるが、測定光は透過されることができるので、第１アライメントキーの位置は測定されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一般的な半導体素子のパターン形成方法を説明するための図である。
【図２】一般的な半導体素子のパターン形成方法を説明するための図である。
【図３】一般的な半導体素子のパターン形成方法を説明するための図である。
【図４】通常の露光工程を説明するための図である。
【図５】さまざまな形態のアライメントキーのうちの一つを例示した図である。
【図６】従来のアライメント測定方法を説明するための図である。
【図７】従来のアライメント測定方法を説明するための図である。
【図８】従来のアライメント測定方法を説明するための図である。
【図９Ａ】本発明の望ましい実施形態によるアライメント測定方法を説明するための図である。
【図９Ｂ】本発明の望ましい実施形態によるアライメント測定方法を説明するための図である。
【図１０Ａ】本発明の望ましい実施形態によるアライメント測定方法を説明するための図である。
【図１０Ｂ】本発明の望ましい実施形態によるアライメント測定方法を説明するための図である。
【図１１】本発明の望ましい実施形態によるアライメント測定方法を説明するための図である。
【図１２】本発明の望ましい実施形態によるアライメント測定方法の効果を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００  基板
１０２  物質膜
１０４  マスク膜
【図１】
2006114897.tif 000003
【図２】
2006114897.tif 000004
【図３】
2006114897.tif 000005
【図４】
2006114897.tif 000006
【図５】
2006114897.tif 000007
【図６】
2006114897.tif 000008
【図７】
2006114897.tif 000009
【図８】
2006114897.tif 000010
【図９Ａ】
2006114897.tif 000011
【図９Ｂ】
2006114897.tif 000012
【図１０Ａ】
2006114897.tif 000013
【図１０Ｂ】
2006114897.tif 000014
【図１１】
2006114897.tif 000015
【図１２】
2006114897.tif 000016