JP2002329653A - 露光装置の照度むらの測定方法、照度むらの補正方法、半導体デバイスの製造方法及び露光装置 - Google Patents

露光装置の照度むらの測定方法、照度むらの補正方法、半導体デバイスの製造方法及び露光装置

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    • G03F7/70133Measurement of illumination distribution, in pupil plane or field plane

Abstract

(57)【要約】 【課題】投影露光装置の一括露光領域内における照度む
らを抑制すること。 【解決手段】前記照明光学系1及び投影光学系4から構
成される露光装置において、感光基板上の有限領域内の
任意の1点の結像にかかわる光線束が通過するすべての
経路の透過率の平均を、前記感光基板上の有限領域の複
数の点においてそれぞれ算出し、前記感光基板上の有限
領域内における照度むらを求める。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体デバイスの製
造工程において用いられる光リソグラフィ技術に関し、
特に露光装置の一括露光領域内の照度むらの測定方法、
照度むらの補正方法、半導体デバイスの製造方法及び露
光装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスの回路パターンの製造に
は、光リソグラフィ技術が一般に使用される。光リソグ
ラフィ工程に使用される投影露光装置では、照明光学系
から射出された光が、回路パターンが描画されたフォト
マスク(レチクル)に入射する。そして、フォトマスク
を通過した光は投影光学系により集光される。そして、
一般にはフォトレジストが塗布された感光基板、具体的
には例えばシリコンウェハ上に半導体デバイスの回路パ
ターンが結像投影される。
【0003】一般に、半導体デバイス製造工程などで用
いられる露光装置は、部分コヒーレント結像系により像
を転写する。部分コヒーレント結像系とは、フォトマス
クに対して光を照射する照明光学系の開口数が0よりも
大きく、かつフォトマスクを通過した光像を感光基板表
面に対して投影する投影光学系の開口数よりも小さい状
態をさす。すなわちこの露光装置は、ある面積を持つ二
次光源からの光をフォトマスクに照射させ、フォトマス
クを透過した光を投影光学系を介して基板上に集光さ
せ、フォトマスク面のパターンを基板表面に結像投影さ
せる。
【0004】適切な光強度で露光を行うことによって、
フォトレジストを適度に感光させ、その結果として基板
上に適切なレジストパターンが転写される。露光量が高
すぎても低すぎても適切な転写はなされない。一般に、
一括転写される像が存在する有限領域、すなわち一括露
光領域は縦横が数mmから数十mmの大きさがあり、こ
の一括露光領域において光の照度が均一である必要があ
る。パターンが微細であればあるほど、適正な像が転写
される露光量の変動に関する余裕度は狭く、従って照度
が高精度に均一である必要がある。
【0005】実際の露光装置においては、例えば特開平
9−63943で述べられているような、投影光学系を
構成するレンズの反射防止膜の不均一性などの理由によ
って、一括露光領域内の照度が変化する恐れがある。照
度むらを抑制するため、例えば特開平10−18942
7に示されている構成するレンズを光軸方向に沿って移
動させる方法、あるいは光学系内の或る面に照度分布を
補正するフィルターを設置する方法などによる方法がと
られる。このような補正を行うための前提として、実際
に発生している照度分布を正確に測定する必要がある。
【0006】従来の露光装置の露光領域内照度むらの測
定方法は、フォトマスク面にパターンがない状態で光を
照射し、基板面における照度の一括露光領域内の分布を
測定し、その結果に基づいて照度の補正を行っていた。
例えば特開平7−161615には、スキャン型露光装
置における一括露光領域内の照度むらの測定方法が示さ
れている。基板面を照射する光を受光素子にて受光して
照度を測定し、その測定を一括露光領域内の複数の点に
おいて行うことにより照度むらを測定する。
【0007】しかしながら、上記の測定方法にて測定し
た照度むらデータを用いて照度むらを補正しても、微細
なデバイスパターンを露光転写する際に、露光領域内に
照度むらが発生してしまうという問題があった。前述の
ように露光装置は部分コヒーレント結像系であるから、
フォトマスク面にパターンがない状態で露光を行うと、
露光光は投影光学系内の光軸に近い経路のみ、言い換え
ると瞳面の中央近傍のみを通過する。つまり、従来の照
度むらの測定は投影光学系の光軸から離れた領域、すな
わち瞳面の端付近を通過する光の経路の透過率は考慮さ
れていない。一方、微細な半導体デバイスパターンの投
影露光には、瞳面の端付近を通過する回折光が使用され
る。一般に、フォトマスクから射出した光は、複数のレ
ンズからなる投影光学系を、いろいろな経路を取って通
過し、感光基板上に集光される。経路によって、レンズ
材を通過する長さやレンズ面への入射角が異なる。光の
反射、散乱が起こると露光光の強度が減衰するが、反射
や散乱はレンズ材通過長さやレンズ面への入射角に依存
するため、光の経路に依存して光の減衰量が異なる。言
い換えれば、光の経路に依存して投影光学系の透過率が
異なる。特に、瞳の中心と端ではレンズ肉厚が異なり、
またレンズ表面に入射する光の入射角が異なるから、投
影光学系の瞳の中央付近を通る光経路と瞳の端付近を通
る光経路の間で透過率が大きく異なる恐れがある。従っ
てもし、感光基板上のある点に微細な半導体デバイスパ
ターンを結像投影させる場合に、瞳の端付近を通る回折
光の経路の透過率が変動していた場合、この結像点に転
写される露光光の強度が、他の結像点の露光光強度に対
して変動する。しかしながら前述の照度むら測定方法で
は瞳の端付近を通る経路の透過率は考慮されていないた
め、この微細パターン転写に対して適切である照度むら
の補正値を得ることができない。このような照度むらは
微細な半導体デバイスパターンの正常な形成を困難に
し、半導体デバイス製造の歩留まりを低下させる恐れが
ある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の照度むらの測定方法用いて測定された照度むらデータ
を用いて照度むらを補正しても、微細なデバイスパター
ンの露光転写に対しては照度むらが発生してしまうとい
う問題があった。
【0009】本発明の目的は、得られる照度むらデータ
を用いて照度むらの補正を行って微細なデバイスパター
ンの投影露光に関して照度むらを適切に抑制するため
の、露光装置の照度むらの測定方法及び照度むらの補正
方法を提供することにある。また、前記の照度むら補正
を施すことによって、高い歩留まりが得られる、半導体
デバイスの製造方法及び前記照度むらを補正する機構を
有する露光装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】[構成]本発明は、上記
目的を達成するために以下のように構成されている。
【0011】(1)本発明(請求項1)は、照明光学系
から射出された照明光をフォトマスクに照射し、該フォ
トマスクを通過した光を投影光学系を介して感光基板上
の有限領域に投影露光する露光装置に対して、前記投影
光学系に起因する、前記感光基板の有限領域内における
照度むらの測定を行う露光装置の照度むらの測定方法で
あって、前記フォトマスク上のある1点から射出してそ
の点と結像関係にある感光基板上の有限領域内に存在す
る像点に到達する光経路の関数の形で、投影光学系の透
過率分布を測定する第1のステップと、測定された光経
路依存透過率分布から、前記フォトマスク上の1点から
射出して前記像点に到達する光経路の各々の透過率の平
均値を算出することにより該像点の結像に関する投影光
学系の透過率を求める第2のステップと、前記感光基板
上の有限領域にある複数の代表点での結像の各々に関し
て、前記第1ステップ及び第2ステップを実施すること
により、前記有限領域内の像点の位置の関数の形で投影
光学系の透過率分布を求める第3のステップと、求めら
れた像点位置依存透過率分布から、前記感光基板上の有
限領域内における照度むらを算出する第4のステップ
と、から構成されることを特徴とする。
【0012】本願発明の好ましい実施態様を以下に記
す。
【0013】有限の周期で透光部と遮光部が所定の方向
に繰り返された回折格子パターンであって周囲を遮光領
域で遮られた光透過パターンを含む光学部材によりパタ
ーンが形成された検査用フォトマスクと前記感光基板と
が前記投影光学系に関して共役でない状態で、前記検査
用フォトマスクを露光し、前記検査用フォトマスクを通
過した回折光を前記投影光学系を介してウェハ上に投影
露光して前記回折光の強度を反映した測定パターンを形
成し、前記ウェハ上に転写された前記測定パターン像に
基づいて、任意の1点の結像にかかわる光線束の経路に
依存する透過率を測定すること。前記投影光学系の前記
感光基板側の開口数をNA、前記露光装置のコヒーレン
スファクタをσ、露光波長をλ、前記測定用フォトマス
クの倍率をMとしたとき、前記回折格子パターンの周期
は、p>Mλ/NA(1+σ)を満たすこと。
【0014】前記透過率は、前記任意の1点の結像にか
かわる光線束が通過する全経路の透過率から算出される
こと。前記透過率は、前記任意の1点の結像にかかわる
光線束が通過する経路のうち、ある一部分の経路の透過
率から算出されること。
【0015】前記透過率は、前記任意の1点の結像にか
かわる光線束が通過する任意の経路について、経路毎に
重みをつけて計算した加重平均透過率であること。
【0016】(2) 照明光学系から射出された照明光
を、光透過パターンが形成されたフォトマスクに照射
し、該フォトマスクを通過した光を投影光学系を介し
て、前記光パターンに相似なパターンを感光基板上の有
限領域に転写する露光装置に対して、前記投影光学系に
起因する、前記感光基板の前記有限領域内における照度
むらの測定を行う露光装置の照度むらの測定方法であっ
て、前記フォトマスクには所定の領域内で一様な周期性
をもつ回折パターンが複数配置され、前記感光基板面に
は任意の点の照度を測定する照度測定機構が備えられ、
前記回折パターンを前記照明光学系からの光で照明し、
前記感光基板面において前記回折パターンによって形成
される像の位置における照度を前記照度測定機構を用い
て測定し、前記感光基板の有限領域内における照度分布
を算出することを特徴とする。
【0017】[作用]本発明のように、感光基板上の複
数の結像点において、その点の結像にかかわる光線が通
過するあらゆる経路に対して、経路に依存した透過率を
測定し、測定された透過率から照度むらを算出し、その
照度むらの補正を行えば、微細なデバイスパターンの投
影露光に関して照度むらを適切に抑制することができ
る。またその結果、微細な半導体デバイスパターンの正
常な形成を容易にし、半導体デバイス製造の歩留まりを
向上させることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。
【0019】[第1実施形態]本発明者が特願2000
−36690にて示した、経路に依存した投影レンズ透
過率を測定する方法を用いる。特願2000−3669
0に示した経路に依存した投影レンズの透過率測定方法
について以下に説明する。
【0020】図1は本発明の第1実施形態に係る検査の
対象とする露光装置の全体構成を示す図である。本実施
形態では、KrFエキシマレーザ縮小投影露光装置(λ
=248nm、NA=0.6、σ=0.3、M=4)の
検査を行う場合を例にとって説明する。ここで、λは露
光波長、NAは投影光学系のウェハ側の開口数を、σは
露光装置のコヒーレンスファクタ、Mはフォトマスクの
倍率である。
【0021】図1に示すように、照明光学系1と、フォ
トマスク3と、投影光学系4と、ウェハ5とが、これら
の順に露光光2の光路に沿って配列されて露光装置を構
成している。
【0022】図2は上記露光装置に組み込まれる検査用
のフォトマスク3を示す図である。図2(a)の全体構
成平面図に示すように、フォトマスク3のパターン面に
は光透過パターンとしてグレーティングピンホールパタ
ーン22が配置されている。そして、このグレーティン
グピンホールパターン22の周囲は遮光領域23となっ
ている。ピンホールパターン22の直径は50μm(フ
ォトマスク上スケール)である。
【0023】図2(b)はフォトマスク3のグレーティ
ングピンホールパターン22の一部を拡大した図であ
る。図2(b)に示すように、フォトマスク3のグレー
ティングピンホールパターン22には、遮光部25と透
光部26とが周期的に形成されたライン&スペースパタ
ーンからなる回折パターン24が形成されている。
【0024】以上に示したフォトマスク3を、図1に示
すように、パターンが形成された面を照明光学系1側に
配置されるように設置してパターン露光を行う。なお,
通常のパターン露光の場合にはウェハ5側に実パターン
形成面がくるように設置される。本実施形態のように実
パターン露光とは表裏逆にしてフォトマスク3をマスク
ステージに装着することにより、ウェハ5とフォトマス
ク3のパターン面が共役でない状態にすることができ
る。なお、ウェハ5上には図示しないフォトレジストが
塗布されている。
【0025】フォトマスクパターン面とウェハ面は共役
ではないため、ウェハ面にはラインアンドスペースパタ
ーンは転写されず、代わりに、ラインアンドスペースパ
ターンで発生した回折光が別々の位置に到達して、その
レジストパターンが形成される。フォトマスク3はバイ
ナリマスク(遮光部と透光部だけからなるフォトマス
ク)である。従って、+1次回折光と−1次回折光は、
同強度で発生する。
【0026】なお、回折パターン24の周期pはp>M
λ/NA(1+σ)を満たすように設定する。これによ
り、ウェハ5において、0次回折光と1次回折光が離れ
た位置に転写される。この状態では、後述の±1次回折
光の測定において、0次回折光の像に妨害されずに測定
することができ、好都合である。
【0027】本実施形態では、ラインアンドスペースパ
ターンの周期は1.6μm(フォトマスク上スケール)
で、遮光部25の幅と透光部26の幅の比を1:1とし
た。
【0028】図3は、瞳面を通過する回折光を模式的に
示す平面図である。図3に示すように、瞳面を0次回折
光6、+1次回折光7a及び−1次回折光7bが通過す
る。なお図3において、31は瞳面の端である。
【0029】図4は、瞳面内パターン転写により得られ
るレジストパターンを模式的に示す平面図である。前述
したようにそれぞれの回折光がウェハ面のそれぞれ異な
る位置に照射されるため、図4に示すように、レジスト
には0次回折光パターン32、+1次回折光パターン3
3a、−1次回折光パターン33Bがそれぞれ形成され
る。回折光パターン32、33a及び33bは,各々が
露光装置の照明光学系1内に形成される二次光源面の輝
度分布の相似形であり、照明の大きさを表すコヒーレン
スファクタσの値を反映した大きさとなっている。
【0030】0次回折光6、+1次回折光7a及び−1
次回折光7bは、投影光学系内において、別々の経路を
通ってウェハ5上に到達し、ウェハ表面のフォトレジス
トを感光させる。従って、+1次及び−1次の各回折光
の強度が、フォトレジストの感光露光量から求められ
る。具体的には、露光量を変えて露光してフォトレジス
トにパターンを形成し、その結果から、着目する位置の
レジストが完全に無くなる最小の露光量を見つけてこれ
を感光露光量とし、それらの逆数の比をとることによ
り、+1次/−1次の回折光が通過する経路の透過率の
比が求められる。
【0031】図5(a)〜(c)に、露光量を変えてフ
ォトレジスト膜に対して露光を行って得られるフォトレ
ジスト膜のパターンの平面図を示す。±1次回折光は0
次回折光に比べて強度が小さいので、図5(a)に示す
ように、0次回折光パターン32ではフォトレジストが
完全に除去されるが、+1次回折光パターン33a、及
び−1次回折光パターン33bでは、フォトレジスト膜
が完全には除去されない。
【0032】露光量を図5(a)の場合より大きくする
と、図5(b)に示すように、+1次回折光パターン3
3aのフォトレジスト膜が完全になくなるが、−1次回
折光が照射された領域のフォトレジスト膜は完全に無く
ならない。さらに、露光量を大きくすると、図5(c)
に示すように、+1次及び−1次回折光パターン33
a、33bのフォトレジスト膜が完全になくなる。
【0033】例えば、+1次回折光パターン33aのフ
ォトレジスト膜が完全になくなる最低の露光量をMa
−1次回折光パターン33bのフォトレジスト膜が完全
になくなる最低の露光量をMbとする。そして、得られ
た露光量Ma及びMbからフォトレジスト膜が完全になく
なる光強度を見る。光強度の比は露光量の比の逆数と考
えられる。従って、+1次回折光によりフォトレジスト
が無くなる光強度をIa、−1次回折光によりフォトレ
ジストが無くなる光強度をIbとすると、Ia:Ib=1
/Ma:1/Mbとなる。例えばMa:Mb=9:10であ
った場合、回折光強度の比Ia:Ib=1/9:1/10
=10:9となる。
【0034】理想的な投影光学系であれば、+1次回折
光が通る経路と−1次回折光が通る経路は、それらの透
過率が等しいため、この回折光強度Ia及びIbは等しく
なる。一方、投影光学系を構成するレンズ材を通過する
際に光が散乱されたり、レンズ表面の反射がその光の入
射角に対して大きかったり、或いは表面に汚れがあると
いった場合、その部位における光の透過率は低くなる。
その結果、透過率が光経路に依存して変動することが起
こりうる。上記の例では、フォトマスク上の回折格子に
おける回折により同強度で発生した+1次回折光と−1
次回折光が、透過率が異なる別々の経路を通って投影光
学系を通過し、ウェハに到達したときには強度比が1
0:9になっていたという様子を表している。ここで、
物質の光透過率が入射光強度に対する射出光の強度の比
で定義されることを考えると、+1次回折光の経路の透
過率と、−1次回折光の経路の透過率の比は10:9で
あるとわかる。以上のようにして、露光量Ma及びMb
基づいて投影光学系の透過率の光経路依存性を検査する
ことが可能となる。
【0035】さらに、内部のラインアンドスペースパタ
ーンの周期・デューティ比が共通で向きの異なるグレー
ティングピンホールや、デューティ比が共通で周期が異
なるラインアンドスペースをもつグレーティングピンホ
ールでは、それらによって発生する±1次回折光の強度
は同一である。これらをマスクパターンとして近傍の位
置に配置し、露光する。周期を変えたグレーティングピ
ンホールでは、±1次回折光の経路が、瞳面上で動径方
向に移動する。一方、向きを変えたグレーティングピン
ホールでは、±1次回折光の経路が、瞳面上で角度方向
に移動する。これらの関係を考慮して、異なる種類のグ
レーティングピンホールから得られる結果を合わせる
と、ウェハ上のある1点の結像に寄与する光の経路すべ
てについての透過率の変動の様子が判明する。ウェハ上
の異なる位置の結像に関する光経路依存透過率変動を知
るには、別の位置に同じグレーティングピンホール群を
配置して露光すればよい。例えば、図1では露光領域の
端に近い位置の測定を表し、図6では露光領域の中央付
近の測定を表している。
【0036】図7には、この方法を用いて測定された瞳
面内透過率分布の一例を示す。この図で測定対象である
露光装置は、投影光学系の開口数が0.6、照明光学系
の開口数が0.18以上0.45以下であり、すなわち
部分コヒーレント結像系の構造を持つ。
【0037】一括露光領域内の複数の点に関して上記方
法にて測定した各々において、瞳内のすべての点を通過
する光線について求められた透過率の平均値を算出す
る。言い換えれば、瞳面内で分布を持つ透過率の平均値
を求める。露光基板上の有限領域(一括露光領域)の任
意の点に対してこの平均値を求めることができる。図8
は、透過率平均値の一括露光領域内変動を示す図であ
る。
【0038】この算出結果をもとに、例えば、照明光学
系内に存在し、かつフォトマスクのパターン面とほぼ共
役な位置に配置する、一括露光領域内の照度むらを補正
するためのフィルタ(補正フィルタ)を作成する。
【0039】図9は、測定された透過率に対して補正フ
ィルタを有する露光装置の概略構成を示す図である。図
9に示すように、照明光学系1が、レーザ或いは水銀ラ
ンプからなる光源900、レンズ系901、フライアイ
レンズ902、絞り903、第1のレンズ904、光学
フィルタ付き絞り905、第2のレンズ906、及び第
3のレンズ907が配列されて構成されている。光学フ
ィルタ付き絞り905は、908のパターン面と共役で
ある面に露光領域を制限する絞りが存在し、且つこの面
に一括露光領域内の照度むらを補正する補正フィルタが
設置されている。この補正フィルタは、一括露光領域内
の各点に関する投影光学系4の平均透過率の分布により
発生する照度むらを補正するような透過率分布を持って
いる。すなわち、図10に示すような、図8に示した測
定値の逆比の分布をもつフィルタとする。図10は照度
むら補正フィルタ内の透過率分布を示す図である。
【0040】照度むらを補正するための光学フィルタと
しては、透明な基板上にクロム等の不透明材料を積層し
て透過率の分布を与えたものや、光の透過率を場所毎に
変えるパターンを表示させた液晶パネルなどが用いられ
る。前者の場合、従来のフォトマスク製作の技術により
簡単に製作可能である。液晶パネルを用いた場合、フォ
トマスクを変える毎に、マスクパターンに適した照度む
ら補正分布を自在に与えることができ、従ってフィルタ
自身を入れ替える手間を省くことができるという利点が
ある。もちろん、適切に照度むらを補正できるものであ
れば、ここで示した以外のフィルタであってもよい。
【0041】この結果、微細パターンの転写において基
板に照射される光強度が均一となり、デバイスパターン
が正常に結像投影される。
【0042】本実施形態の作用・効果について以下に説
明する。フォトマスクを設置していない場合や比較的大
きなサイズのパターンを露光する場合、投影光学系を通
る光の経路は、投影光学系の瞳面の中央付近(光軸付
近)を通る光路のみである。一方、露光波長以下のサイ
ズの微細なデバイスパターンを投影露光する際の光路は
投影光学系の瞳面の端近くまで広がる傾向がある。一般
に、フォトマスクから射出した光は、複数のレンズから
なる投影光学系を、いろいろな経路を取って通過し、感
光基板上に集光される。経路によって、レンズ材を通過
する長さやレンズ面への入射角が異なる。光の反射、散
乱が起こると露光光の強度が減衰するが、反射や散乱は
レンズ材通過長さやレンズ面への入射角に依存するた
め、光の経路に依存して光の減衰量が異なる。言い換え
れば、光の経路に依存して投影光学系の透過率が異な
る。特に、瞳の中心と端ではレンズ肉厚が異なり、また
レンズ表面に入射する光の入射角が異なるから、投影光
学系の瞳の中央付近を通る光経路と瞳の端付近を通る光
経路の間で透過率が大きく異なる恐れがある。
【0043】従って、従来のように光軸付近を通過する
光を測定して照度むらを補正すると、露光波長に対して
大きなサイズパターン露光の際には照度むらが抑制され
るが、投影光学系の瞳面の端を通過する光を使って結像
投影される微細パターンに対しては適切な照度むら補正
がなされていない、といった事態に陥る。
【0044】そこで、本実施形態のように、投影光学系
の光の経路に依存した光透過率の変化を測定し、測定さ
れた光透過率から平均透過率を算出し、ウェハ上の一括
露光領域内の複数の点の平均透過率を求めて照度むらを
算出し、得られた照度むらデータから補正を行って微細
なデバイスパターンを露光転写すれば、大きなパターン
だけでなく微細なパターンの投影露光に関しても照度む
らを適切に抑制することができる。
【0045】なお、本実施形態で使用されたフォトマス
クは、グレーティングピンホールパターン以外の領域は
遮光されており、すなわち被覆率の高いフォトマスクを
用いている。この場合、迷光量は小さく、従って被覆率
の高いフォトマスクに対して正確な補正値が求められ
る。もし、被覆率の低いフォトマスクの使用に対して補
正を加えるときは、透過率測定用のフォトマスクが同様
の被覆率となるよう、測定パターンと干渉しないように
離間して透過領域を配置したフォトマスクを使用すれば
適切な照度むら補正値が得られる。
【0046】本実施形態に拠れば、従来の方法では測定
することができなかった、瞳の端領域を通過する光の影
響も加味した照度むらが測定される。これを元に照度む
ら補正を加えることで、実際のデバイスパターン転写の
際に生じる照度むらを適切に補正することができる。
【0047】この方法の変形例として、瞳全体の透過率
の平均値を求める代わりに、瞳面内の任意の一部分領域
に関する平均値を計算してもよい。計算された平均値を
元に照度むらの補正を実施すれば、特定のパターンの転
写における実質的な照度むらを精度良く抑制することが
できる。
【0048】例えば、輪帯照明を用いて微細なラインア
ンドスペースパターンを転写する場合を説明する。図1
1は輪帯照明を用いた場合の瞳面内の回折光分布を示す
平面図である。図11において、41が回折光が通過す
る回折光通過領域であり、42が回折光が通過しない回
折光非通過領域であり、43は瞳の端である。図11に
示すように、回折光は、レンズの中央付近を全く通過せ
ず、レンズの端付近のみを通過する。従って、図12に
示す、回折光の通過領域を含む、領域51の透過率の平
均値を求めて、その値を元に補正を加えてやればよく、
領域52の透過率の平均値を求めなくても良い。なお、
図12において、53は瞳の端である。
【0049】本実施例において行われる光経路依存透過
率分布の測定は特願2000−36990に示されてい
る方法に限らず、別の方法で光経路に依存する透過率分
布を測定して求められる値をもとに補正を加えてもよ
い。例えば、露光装置の感光基板面より下方の、瞳面と
共役になる面に受光素子を設置して測定してもよい。あ
るいは、投影光学系を組み立てる前に、構成するレンズ
一つ一つの透過率の分布を求め、すべてのレンズに関し
て透過率の積を取ることにより、光経路に依存する透過
率を求めてもよい。
【0050】(第2の実施形態)第1の実施形態では、
瞳全体を通る光の透過率の平均を計算することによっ
て、ウェハ面上のある1つの結像点での照度むら補正値
を算出した。この方法は、その結像点に到達する光路
(全体、または光が通過する光路のみ)の透過率が結像
に与える影響が、その光路によらず一定であることを前
提としたものである。これは、転写にかかわるすべての
光路が結像に対して均等な影響度をもつと仮定したもの
で、このような考え方で照度むら補正を行えば、あらゆ
る形状のパターンに対して、有効な照度むら補正を施す
ことができる。
【0051】一方、特定のパターンに対してより適切に
照度むらを補正することもできる。例えば、実デバイス
パターン転写用のフォトマスクの中で、最も露光量余裕
度が小さいパターン(一般には最も微細な周期をもつパ
ターン)に着目して、このパターン転写に関する照度を
均一にするよう補正することによって、そのフォトマス
クの転写を容易にすることができる。その原理は以下の
通りである。
【0052】一般に、結像に寄与する光は、経路ごとに
異なる強度を持つ光線の場合がある。言い換えると、ラ
インアンドスペースパターンの露光の際に発生する0次
回折光と1次回折光のように、ある経路を通る光の強度
は大きく、別のある経路を通る光の強度は小さいことが
ある。この場合、強度の大きい光線が通る経路の透過率
が主に照度を決め、強度の小さい光線が通る経路の透過
率は照度に対する寄与が小さいと考えられる。例えばラ
インとスペースの幅の比が1:1であるラインアンドス
ペースパターンの場合は、0次回折光が最も強度が大き
く、±1次回折光は0次回折光の約40%の強度を持
つ。ここで、例えば、ある結像点Aにおいて0次回折光
の経路の透過率がa%低下した場合と、別の結像点Bに
おいて+1次回折光の経路の透過率がa%低下した場合
を考える。投影光学系に入射する際の回折光強度の違い
を考慮すれば、結像点Aでの照度低下量が1であるとす
ると、結像点Bでの照度低下量は0.4である。
【0053】このとき、光の強度に応じて透過率に重み
をつけ、それについて平均を計算して、照度むらの補正
値を算出する。つまり、上記のラインアンドスペースパ
ターンをすべての結像点に置いて均一な照度で照明する
ための照度むら補正値の算出は、0次回折光経路の透過
率の重み係数を1とし、1次回折光経路の透過率の重み
係数を0.4として行えばよい。
【0054】上記の重み付けを取り入れた照度むら補正
値の算出法の一例を示す。瞳面上の位置(X,Y)にお
ける入射光強度がI(X,Y)であるとき、対応するウェハ
上の結像点(x,y)における有効照度D(x,y)を次式
で定義する。
【0055】
【数1】
【0056】ここでT(X,Y)は、瞳面上の点(X,Y)
を通って結像点(x,y)に到達する経路の透過率、例
えば第1の実施形態に示した方法で求めた値である。ま
た、積分領域は瞳面全体とする。また、照度むらの補正
値は有効照度の逆数(1/D(x,y))の定数倍とする。
【0057】次に具体例を用いて説明する。露光波長が
193nmの露光装置で、NA=0.6、σ=0.7
5、2/3輪帯照明の光学条件で、ラインとスペースの
幅の比が1:1である130nmのラインアンドスペー
スパターンを転写する場合を考える。使用するフォトマ
スクは、ハーフトーン位相シフトマスク(半透明部の強
度透過率が6%、位相差が180°)とする。このと
き、投影レンズに入射する回折光の強度(上記のI(X,
Y))の経路依存性を瞳面上の強度分布で表すと図13に
示すようになる。また、0次回折光の強度I0と1次回
折光の強度I1の比がほぼ7:9となることは、フラウ
ンホーファー回折の理論から導かれる。
【0058】図13に示すように、瞳面における光強度
分布は、 1)0次回折光が通過する領域1301、 2)1次回折光が通過する領域1302、 3)0次及び1次回折光が通過する領域1303、 4)回折光が通過しない領域1304 の4つの領域に分けられる。それぞれの領域1301〜
1304での強度I(X,Y)の値は、それぞれI0,I1
(I0+I1),0となる。これらの強度と、例えば第1の
実施形態に示した方法などを使って別途求めた光経路依
存の透過率変動を表す関数T(X,Y)を使って、式1に従
って計算を行うことにより、照度むら補正値が計算され
る。この補正値を用いて照度むらを補正すれば、上記の
ラインアンドスペースパターンの転写に対してウェハ面
上露光領域内の照度が均一になる。
【0059】(第3の実施形態)フォトマスク表面に、
回折パターンを配置する。回折パターンは内部に回折格
子を含み、具体的な回折格子としては、ラインアンドス
ペースパターンなどの単純な周期パターン、半導体デバ
イスパターンに実際に使用される2次元周期パターンな
ど何でもよい。ただし、半径が約10μm(ウェハ上ス
ケール)の円形領域かそれより広い領域内で一様に周期
的であるとする。この一様に周期的な領域を全体として
一つの「回折パターン」と呼ぶ。このような回折パター
ンを、一括露光領域内に、全体に散らばるように複数配
置する。ここで、各回折パターンは内部構成が同一であ
るとする。
【0060】図14(a)は、フォトマスクの概略構成
を示す平面図、図14(b)はフォトマスク表面に存在
する回折パターンの構成を示す図である。図14に示す
フォトマスクは、前述した条件を満たすフォトマスクの
例である。図14(a)に示すように、フォトマスク1
401の一括露光領域1402内に回折パターン140
3が7個形成されている。回折パターン1403は、縦
横500μmである。回折パターン1403は、図14
(b)に示すように、縦横0.15μmの正方格子パタ
ーンを回折格子としたものである。
【0061】図15は、フォトマスク1401を有する
露光装置の概略構成を示す図である。図15において、
1501が照明光学系、1503が投影光学系、150
4が開口絞り、1505が瞳面、1506が照度計であ
る。
【0062】図15に示すように、照度を測定する照度
計1506は、ウェハ面に配置する。この照度計150
6は、一括露光領域内において任意の位置に移動可能で
あり、ウェハ表面にあたる位置での照度を測定する。ま
た、照度計1506は有効測定範囲が数ミクロン程度の
円形かそれと同程度の面積をもつ任意形状であるとす
る。またこの照度計1506は、フォトマスク上の回折
パターンが解像できない程度に低空間分解能であるとす
る。言い換えると、有効測定範囲内の平均明るさを測定
する機能を持つものとする。図15に示すように、フォ
トマスク1401のパターン面と照度計1506の感光
面とが共役な状態で投影露光を行い、回折パターン(不
図示)の像が転写される位置に照度計1506を配置し
て照度の測定を行う。一括露光領域内に存在する複数の
回折パターンに対して同様の測定を行い、それらの測定
結果をまとめて、一括露光領域内の照度むら測定値とす
る。
【0063】この実施形態では、回折格子を転写する際
に、回折光が通過する光路における透過率の変動が原因
で発生する照度むらを測定できる。従って、この測定値
を元に照度むらを補正すれば、そのパターン転写に対し
て特有な照度むらを低減できる。例えば、非常に高度な
照度調整を必要とする半導体デバイスパターンの場合、
本実施形態の方法によってそのパターンの結像に使われ
る光束特有の照度むらを測定して補正すれば、そのデバ
イスパターンが良好に転写されるような照度分布特性が
実現できる。
【0064】本実施形態において使用される回折格子
は、白黒型の回折格子や位相シフト型の回折格子など何
でもよい。上記では回折パターンの大きさを半径が10
μmの円形かそれよりも広い領域であるとしたが、これ
は必ずしもこのように限定されるものではなく、照度計
の有効測定範囲よりも広ければ、いかなる大きさであっ
ても良い。
【0065】また、上記実施形態は照度計を用いてウェ
ハ面における照度を測定したが、照度を測定する機構は
必ずしもこれに限るものではなく、任意の感光性材料、
例えばフォトレジストを使用して明るさを測定しても良
い。この場合は、露光量とフォトレジスト残膜厚さの関
係から照度を求めることが可能である。
【0066】第3の実施形態の方法は、第1の実施形態
の方法に比較するとより簡便に、かつ測定パターンの結
像に直接関係する光経路のみの透過率の変動の様子を反
映した照度むらを測定できるというメリットがある。た
だし、周期的でないパターンについては第3の実施形態
の方法が適用できない。この場合は、第1の実施形態の
方法ですべての経路に関する透過率を計測し、その結果
をもとに照度むらを推定すればよい。
【0067】(第4の実施形態)半導体デバイスパター
ンの製作の際にリソグラフィ工程で使用されるフォトマ
スクには、周期的なパターンや孤立パターン、ランダム
なパターンなど、種々の形状が描かれている。各パター
ンの転写においては、パターンの周期性やサイズ、形状
に依存して露光量の余裕度が異なる。言い換えると、露
光領域内の照度むらの影響を受けやすいパターン、受け
にくいパターンが存在し、一般にパターンが微細であれ
ばあるほど照度むらの影響を受けやすい。半導体デバイ
ス製造の歩留まりを向上させるためには、露光領域内で
照度を均一にする必要があり、望ましくは、最も照度む
らの影響を受けやすいパターン露光に関して照度が均一
であればよい。
【0068】DRAMを製造する際に使用されるフォト
マスクのメモリセル領域には、例えば図16に示す素子
分離パターンのような、遮光部1601と透光部160
2とからなる微細な周期パターンが存在する。図16に
示す周期パターンは、このフォトマスクのパターンの中
で最も微細で、光学像シミュレーションから予測される
露光量余裕度が最も狭いパターンである。このパターン
転写に関する照度を均一にするよう、第3の実施形態に
示した方法を用いて補正値を算出する。求めた補正値分
の照度むら補正をするための透過率分布を持つフィルタ
を、露光装置の照明光学系内の、マスクパターン面と共
役な面、例えば露光領域を制限する絞りが存在する面近
傍に、光軸と垂直な向きに配置する。この照度むら補正
を施した状態で前述のフォトマスクを露光し、メモリセ
ル領域を含むフォトマスクを転写する。その結果このD
RAMを、ここで述べた補正をしない場合と比較して高
い歩留まりで製造することができる。 照度むらを補正
するためのフィルタは、第1実施形態に記載したよう
に、例えば透明な基板上にクロム等の不透明材料を積層
して透過率の分布を与えたものや、光の透過率を場所毎
に変えるパターンを表示させた液晶パネル、その他、適
切に照度むらを補正できるものが用いられる。
【0069】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、上記では補正フィルタは露光
領域を制限する絞りが存在する面に設置するとしたが、
これに限定されるものではなく、光路中にレンズを追加
してそれらを適切に組み合わせることによって、フォト
マスクのパターン面と共役である別の面をつくり、そこ
に設置してもよい。
【0070】その他、本発明は、その要旨を逸脱しない
範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【0071】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、感
光基板上の複数の結像点において、その点の結像にかか
わる光線が通過するあらゆる経路に対して、経路に依存
した透過率を測定し、測定された透過率から照度むらを
算出し、その照度むらの補正を行うことによって、微細
なデバイスパターンの投影露光に関して照度むらを適切
に抑制することができる。またその結果、微細な半導体
デバイスパターンの正常な形成を容易にし、半導体デバ
イス製造の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係る検査の対象とする露光装置
の全体構成を示す図。
【図2】図1に示す露光装置に組み込まれるフォトマス
クを示す図。
【図3】瞳面内を通過する回折光を模式的に示す平面
図。
【図4】瞳面内パターン転写により得られるレジストパ
ターンを模式的に示す平面図。
【図5】露光量を変えてフォトレジスト膜に対して露光
を行って得られるレジストパターンを示す平面図。
【図6】第1実施形態に係る検査の対象とする露光装置
の全体構成を示す図。
【図7】測定された瞳面内における透過率分布の一例を
示す図。
【図8】平均透過率の一括露光領域内変動を示す図。
【図9】補正フィルタを有する露光装置の概略構成を示
す図。
【図10】照度むら補正フィルタ内の透過率分布を示す
図。
【図11】輪帯照明を用いた場合の瞳面内の回折光分布
を示す平面図。
【図12】図11に示す回折光分布を示す場合に、透過
率を測定する領域を示す平面図。
【図13】回折光の強度の経路依存性を瞳面上の強度分
布で示す図。
【図14】第3の実施形態に係わるフォトマスクの概略
構成を示す図。
【図15】図14に示すフォトマスクを用いた露光装置
の概略構成を示す図。
【図16】第4の実施形態に係わる周期パターンの例を
示す平面図。
【符号の説明】
1…照明光学系 2…露光光 3…フォトマスク 4…投影光学系 5…ウェハ 6…1次回折光 7a…+1次回折光 7b…−1次回折光 22…グレーティングピンホールパターン 23…遮光領域 24…回折パターン 25…遮光部 26…透光部
フロントページの続き (72)発明者 田中 聡 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Fターム(参考) 2H095 BA01 BB02 BB05 BC09 5F046 AA25 BA03 BA08 CB05 CB08 CB17 CB23 CB25 DA01 DB01 DC12

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】照明光学系から射出された照明光をフォト
    マスクに照射し、該フォトマスクを通過した光を投影光
    学系を介して感光基板上の有限領域に投影露光する露光
    装置に対して、前記投影光学系に起因する、前記感光基
    板上の有限領域内における照度むらの測定を行う露光装
    置の照度むらの測定方法であって、 前記フォトマスク上のある1点から射出してその点と結
    像関係にある感光基板上の有限領域内に存在する像点に
    到達する光経路の関数の形で、投影光学系の透過率分布
    を測定する第1のステップと、 測定された光経路依存透過率分布から、前記フォトマス
    ク上の1点から射出して前記像点に到達する光経路の各
    々の透過率の平均値を算出することにより該像点の結像
    に関する投影光学系の平均透過率を求める第2のステッ
    プと、 前記感光基板上の有限領域にある複数の代表点での結像
    の各々に関して、前記第1ステップ及び第2ステップを
    実施することにより、前記有限領域内の像点の位置の関
    数の形で投影光学系の透過率分布を求める第3のステッ
    プと、 求められた像点位置依存透過率分布から、前記感光基板
    上の有限領域内における照度むらを算出する第4のステ
    ップと、から構成されることを特徴とする露光装置の照
    度むらの測定方法。
  2. 【請求項2】有限の周期で透光部と遮光部が所定の方向
    に繰り返された回折格子パターンであって周囲を遮光領
    域で遮られた光透過パターンを含む光学部材によりパタ
    ーンが形成された検査用フォトマスクと前記感光基板と
    が前記投影光学系に関して共役でない状態で、前記検査
    用フォトマスクを露光し、 前記検査用フォトマスクを通過した回折光を前記投影光
    学系を介してウェハ上に投影して前記回折光の強度を反
    映した測定パターンを形成し、 前記ウェハ上に転写された前記測定パターン像に基づい
    て、任意の1点の結像にかかわる光線の経路の関数の形
    で,投影光学系の透過率分布を測定することを特徴とす
    る請求項1に記載の露光装置の照度むらの測定方法。
  3. 【請求項3】前記投影光学系の前記感光基板側の開口数
    をNA、前記露光装置のコヒーレンスファクタをσ、露
    光波長をλ、前記測定用フォトマスクの倍率をMとした
    とき、前記回折格子パターンの周期は、 p>Mλ/NA(1+σ) を満たすことを特徴とする請求項2に記載の露光装置の
    照度むらの測定方法。
  4. 【請求項4】前記平均透過率は、前記任意の1点の結像
    にかかわる光線が通過する全経路の透過率から算出され
    ることを特徴とする請求項1に記載の露光装置の照度む
    らの測定方法。
  5. 【請求項5】前記平均透過率は、前記任意の1点の結像
    にかかわる光線が通過する経路のうち、ある一部分の経
    路の透過率から算出されることを特徴とする請求項1に
    記載の露光装置の照度むらの測定方法。
  6. 【請求項6】前記平均透過率は、前記任意の1点の結像
    にかかわる光線が通過する任意の経路について、経路毎
    に重みをつけて計算した加重平均透過率であることを特
    徴とする請求項1に記載の露光装置の照度むらの測定方
    法。
  7. 【請求項7】照明光学系から射出された照明光を、光透
    過パターンが形成されたフォトマスクに照射し、該フォ
    トマスクを通過した光を投影光学系を介して、前記光パ
    ターンに相似なパターンを感光基板上の有限領域に転写
    する露光装置に対して、前記投影光学系に起因する、前
    記感光基板の前記有限領域内における照度むらの測定を
    行う露光装置の照度むらの測定方法であって、 前記フォトマスクには所定の領域内で一様な周期性をも
    つ回折パターンが複数配置され、 前記感光基板面には任意の点の照度を測定する照度測定
    機構が備えられ、 前記回折パターンを前記照明光学系からの光で照明し、
    前記感光基板面において前記回折パターンによって形成
    される像の位置における照度を前記照度測定機構を用い
    て測定し、前記感光基板の有限領域内における照度分布
    を算出することを特徴とする露光装置の照度むらの測定
    方法。
  8. 【請求項8】請求項1乃至7の何れかに記載された露光
    装置の照度むらの測定方法を用いて測定された前記感光
    基板の有限領域内の照度むらに基づいて、照度むらの補
    正を行うことを特徴とする、露光装置の照度むらの補正
    方法
  9. 【請求項9】請求項8に記載された方法により照度むら
    の補正を施した露光装置を用いることを特徴とする、半
    導体デバイスの製造方法。
  10. 【請求項10】請求項7に記載された回折パターンは、
    半導体デバイスの製作過程で使用される前記フォトマス
    クに含まれる周期的パターンのいずれか一つと同一形状
    であことを特徴とする、請求項9に記載の半導体デバイ
    スの製造方法。
  11. 【請求項11】請求項1乃至7の何れかに記載された露
    光装置の照度むらの測定方法を用いて測定された照度む
    らに基づいて、前記有限領域内の照度むらの補正を行う
    補正機構が、照明光学系内に設けられていることを特徴
    とする露光装置。
  12. 【請求項12】前記補正機構は、液晶パネルを含むこと
    を特徴とする請求項11に記載の露光装置。
  13. 【請求項13】前記補正機構は、透明基板上に不透明な
    膜を積層し、面内に透過率の分布を持たせた光学部材を
    含むことを特徴とする請求項11に記載の露光装置。
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