JP2005158819A - 露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エッチングの条件が変更された場合に、マスクを作り直さずに密集パターンと孤立パターンの寸法の関係を補正することを可能にした露光方法を提供する。
【解決手段】 密集パターンと孤立パターンとを有するマスクを用いて、レジスト形状の変化が生じないフォーカス範囲で多重焦点露光を行うことにより、密集パターンと孤立パターンの寸法を調整することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体装置製造用の露光方法に係わり、特に、エッチングの条件が変更された場合に、マスクを作り直さずに密集パターンと孤立パターンの寸法の関係を補正することを可能にした露光方法に関する。

現在、寸法精度の必要な工程では、ＯＰＣおよびＰＰＣと呼ばれる手法でマスク寸法を意図的にウエハ上に欲しいデバイスパターンの寸法から補正して作製している。例えば、孤立ラインはエッチングで１０ｎｍだけレジスト寸法から太り、またリソグラフィ工程では４０ｎｍ細るとする。この条件では、２１０ｎｍの孤立ラインを形成するのに、エッチングとリソグラフィの寸法シフト−４０ｎｍとエッチングの寸法シフト＋１０ｎｍを考慮して、マスク寸法は２４０ｎｍとしている。ＯＰＣとはオプティカル・プロキシミティ・コレクション（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）の略で、周りのパターンとの関係で寸法および形状が変化することを補正することを意味しており、その補正のためには、マスク形状を意図的に変形さている。近年、波長の１／２程度のパターンを形成するようになり、輪帯照明等のいわゆる斜入射照明を用いるようになり粗密パターンでの寸法差が顕著になってきた。また、ＰＰＣ（プロセス・プロキシミティ・コレクション）とは主にエッチングの効果の補正を意味している。エッチングプロセスにおいては、レジストパターンからの加工後の寸法にシフトが生じるが、その寸法シフト量がパターンの粗密により異なっているのが一般的である。この主な原因は、狭スペース部にプラズマが入り難いことや、デポジションの付き方がパターンの粗密で異なるためである。

一般にＯＰＣの手法は主に、ルールベースとモデルベースに大別することが出来る。ルースベースは、そのパターンの寸法や周辺パターンとの間隔等のパラメータにより、その部分の寸法補正量を決めたルールを記述する。そして、そのルールに従いマスク全面の寸法を補正する。一方、モデルベースとは、シミュレーションに使用するモデルことで、光学条件の他にレジスト特性等を意味している。モデルを作成するには、各寸法でピッチを振ったパターンの寸法を測定し、その測定結果に合うようにパラメータのフィッティングを行う必要がある。そして、求めたモデルでマスク各部の寸法を計算し、その部分が所望の寸法になるようマスク寸法の補正を行う。ＰＰＣも同様にエッチングの効果を、ルールを記述してそれに従って補正するか、モデルを作成してシミュレーションを行って補正している。

ＯＰＣおよびＰＰＣの適用で、ウエハ上に所望のデバイスパターンを形成できるようになった反面、マスクの作り直しが頻発するという問題が生じてきた。特に、エッチング残渣の低減や下地のやられ防止等エッチング条件改善が行われた場合、エッチングでの寸法シフトが変化することが多かった。そのため、エッチングでの寸法シフトを考慮し直した新たな補正マスクを作製しなければ、所望のパターンが得られなくなっていた。

一方、孤立スペースパターン（特にホールパターン）の焦点深度拡大に多重焦点露光が提案されている。多重焦点露光は、ステッパー（ステップ・アンド・リピート方式露光装置）において、複数の焦点位置で露光を行う露光方法である。ホールパターンでは、デフォーカスした光強度分布は非常に小さくなり、レジストの開口形状にはほとんど影響しない。フォーカスを振ってどこか光強度分布の急峻な位置があれば開口させることができ、その結果、通常露光の２倍近いフォーカス範囲で開口させることができた。ただし、これは、ホールパターンの光強度がデフォーカス時に０に近くなるため、ぼやけた光強度分布がレジスト開口形状にあまり影響しないためであり、その他のパターンで焦点深度が拡大する訳ではないことが示されている。特に、孤立ラインパターンでは、デフォーカスした際の光強度分布の方が明るいので、フォーカス位置を振った場合、デフォーカス時のぼやけた光強度分布の影響が大きく、レジスト膜厚の減少を引き起こしてしまう。そのため、多重焦点露光により孤立ラインパターンでは反対に焦点深度が低下する。

また、多重焦点露光は、ステッパーにてフォーカス位置を段階的に変えて複数回露光を行うが、スキャナー（ステップ・アンド・スキャン方式露光装置）では連続的にフォーカス位置を変化させる露光方法が提案されている。このように連続的にフォーカス位置を変化させて露光する方法は累進焦点露光と呼ばれている。スキャン露光装置では、スキャンしない場合の一括の露光範囲をスキャンスリットと呼び、スリットはレンズセンターの長方形の領域となっている。このスリット内でマスクとウエハを同期させて移動させることで、スリット幅より広いマスク全面の露光が可能となっている。スキャン露光装置ではウエハステージを傾けると、例えばスキャンスリットの前方では“−”フォーカス、中央でベストフォーカス、後方で“＋”フォーカスの状態にすることができ、多重焦点露光と同様の効果が得られることが知られている。

なお、露光装置のフォーカスオフセット値を管理するものとしては、例えば、以下の特許文献１に示すようなものが、提案されている。
特開２００２−５０５６２号公報（第１頁）

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エッチングの条件が変更された場合に、マスクを作り直さずに密集パターンと孤立パターンの寸法の関係を補正することを可能にした新規な露光方法を提供するものである。

本発明は、上記した目的を達成するために、基本的には、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。

即ち、本発明に係わる露光方法の第１の態様は、
密集パターンと孤立パターンとを有するマスクを用いて、レジスト形状の変化が生じないフォーカス範囲で多重焦点露光を行うことにより、密集パターンと孤立パターンの寸法を調整することを特徴とするものであり、
又、第２の態様は、
孤立パターンのエッチング時の寸法が太くなった場合に、累進焦点露光のフォーカス範囲を増やすことを特徴とするものであり、
又、第３の態様は、
スキャン方式の露光装置において、ウエハステージをスキャン方向に数段階に傾けてフォーカス特性を求め、そのベストフォーカスでのライン寸法が最も太くなる傾きにウエハステージの角度を設定することを特徴とするものであり、
又、第４の態様は、
密集パターンと孤立パターンの寸法差を測定することで、露光装置のフォーカスセンサーの時間経過にともなう変動の有無を確認することを特徴とするものであり、
又、第５の態様は、
前記確認を定期的に行うことを特徴とするものである。

本発明の露光方法は、上記のように構成したので、以下のような効果を奏する。
（１）実施例１によれば、エッチングの条件が変更された場合に、マスクを作り直さずにパターンを得ることが可能になった。
（２）実施例２によれば、所望の寸法の孤立ラインを安定して形成することが可能となった。
（３）実施例３によれば、モニターパターンを用いて露光装置を確実に管理することができ、これによりの高精度の露光が可能になった。

以下に、図１〜図４を参照して、本発明の第１の実施例について説明する。

以下の説明においては、現状のエッチング条件では、リソグラフィ工程で密集パターンは０．１５μｍのライン・アンド・スペースパターンに、孤立パターンは０．２μｍラインパターンにする必要があるとして説明する。また、露光装置は縮小倍率４倍、ＮＡ＝０．６８、σ＝０．８５、２／３輪帯照明のＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）スキャン露光装置とする。また、基板上に０．１μｍの有機反射防止膜を形成して、その上に０．４５μｍ膜厚のレジストを塗布してパターニングするものとしてシミュレーションを行った結果を用いて説明する。

まず、密集パターンは、レジストパターンとして、ウエハ上０．１５μｍのＬ／Ｓパターンであり、マスク上（設計寸法）は０．１５μｍとする。そして、孤立ラインパターンはレジストパターンとしてはウエハ上０．２μｍ孤立パターンでマスク上（設計寸法）は０．２５μｍとしてマスクを作成する。このマスクを上記露光条件で通常に露光すると、密集パターンの寸法を０．１５μｍに合わせた露光量では、孤立ラインの寸法は０．２１μｍになる。エッチング条件が十分検討され変更される可能性がなければマスク寸法を完全に補正して孤立パターンが０．２μｍになるようにすることが出来るが、ここではエッチング条件に今後改善されるものとして、１０ｎｍ程度孤立パターンが太るようにマスク寸法を設定している。

次に、露光装置のステージを傾け、スキャンのスリット幅の中でフォーカス位置を変化させて露光を行う。図１に各フォーカス振り幅（Δ）での、密集パターンのフォーカス特性の変化を示す。密集パターンでは累進焦点露光のフォーカス振り幅（Δ）が０．6μｍ（＋／−０．３μｍ）までは、フォーカス特性にまったく変化が現れず、＋／−０．３５μｍ以上の累進焦点露光でフォーカス特性が上方にシフトし始める。一方、図２には孤立パターンの累進焦点露光のフォーカス振り幅に対する変化を示す。孤立パターンは振り幅０．２μｍ（＋／−０．１μｍ）までの累進焦点露光ではフォーカス特性の変化は微小であるが、それ以上では急激に下方にシフトする。図３にベストフォーカスであるフォーカスオフセット−０．２μｍ（シミュレーションではレジスト表面にフォーカスが合った位置をフォーカスオフセット＝０μｍとしており、−０．２μｍがレジスト膜の膜厚方向のほぼ中央にフォーカスが合った状態となっている）の位置での、密集パターンと孤立パターンの寸法と累進焦点露光のフォーカス振り幅の関係を示す。密集パターンは累進焦点露光のフォーカス振り幅が０．６μｍまではウエハ上に形成されるライン寸法が変化しないので、０．２μｍから０．６μｍまでの範囲で累進焦点露光を行うことで、密集パターンの寸法を変えずに孤立パターンの寸法のみを調整することが出来る。

よって、振り幅０．４６μｍ（＋／−０．２３μｍ）の累進焦点深度を行えば、密集パターンを０．１５μｍとしたとき孤立ラインを０．２μｍとすることが出来る。また、図４に累進焦点露光での孤立パターンに関して、レジスト側壁角度とフォーカス振り範囲の関係を示す。ここでは、露光量をそれそれのフォーカス振り範囲で最適化し、レジスト寸法は０．２μｍにあわせている。累進焦点深度露光のフォーカス範囲０．７μｍまではほとんど形状変化は無いが、それ以上では側壁角度が小さくなる（９０度が完全に垂直であり、角度が小さくなるほどテーパー形状になる）。レジスト形状（テーパー角度）が変わると、エッチング時の寸法シフトが変化してしまうため、再度エッチングの近接効果のデータを取り直し、ルールあるいはモデルを作り直す必要が生じてしまう。そのため、累進焦点露光のフォーカス範囲はレジスト形状の変化が生じない０．７μｍ以下としなければならない。

さて、多重焦点露光および累進焦点露光は孤立のスペースパターン（特にホールパターン）に対して、焦点深度拡大効果があることが確認されている。しかし、孤立ラインおよび密集パターンでは、デフォーカスした光がパターンにかぶるため、多重焦点露光および累進焦点露光で焦点深度が反対に低下することが指摘されている。特に孤立ラインではデフォーカスで光強度分布のなまり方が激しく、ライン部分の本来暗部であるべきところに光がもれるので、形成されるレジストパターンの膜厚が低くなり、かつ線幅が細くなる。その結果、孤立ラインパターンでは多重焦点露光および累進焦点露光を行うと焦点深度が低下してしまう。一方、密集パターンでは、デフォーカス時のなまった光強度分布が重なっても、コントラストを低下させるだけで寸法変化はあまり生じない。そこで、本発明では焦点深度の低下が顕著でない極微小範囲でフォーカスを振ることで、密集パターンと孤立パターンの寸法を調整している。

特に、ゲート等の寸法精度が極力必要なパターンでは、エッチングの粗密差も考慮して所望の出来上がり寸法になるようにように１ｎｍ単位でマスク寸法を補正している。そのため、エッチングプロセスのマージン改善等でエッチング時の寸法シフトが数ｎｍ変化する毎に、ＰＰＣのモデルを変えて、マスクを作り直す必要があった。本発明はエッチングの条件が変更された場合に、マスクを作り直さずに密集パターンと孤立パターンの寸法の関係を補正する効果を有している。

たとえば、さらに孤立パターンのエッチング時の寸法シフトが太くなった場合には、さらにステージの傾斜角度を増やし、累進焦点露光のフォーカス範囲を増やすことで対応できる。

次に、図５〜図７を参照して、本発明の第２の実施例について説明する。

本実施例では、ＯＰＣおよびＰＰＣによりマスク寸法を最適化するものとして、露光装置のウエハステージの角度を最適化する方法について説明する。これは投影レンズ系の収差の影響で、使用する光学条件（ＮＡおよび照明光源の形状）やマスクパターンの寸法および方向によりベストフォーカス位置が変化するためである。使用する条件およびパターン毎にスキャンスリット内のベストフォーカス位置の分布（像面湾曲および傾斜）が変化すると、フォーカス変化に敏感な孤立ラインでは光学条件およびマスクパターン毎にウエハステージの角度を変更しようというものである。特に、孤立パターンではウエハステージの傾斜が若干変動しただけで寸法が変化してしまうため、寸法を安定させるには可能な限りスキャンスリット内のベストフォーカス面に合わせてウエハをスキャンさせる必要が生じてきた。

図５に微細な孤立ライン有するマスクを用いて露光を行う際のスキャンスリット１０の形状を示す。Ｙ方向にスキャン露光するとし、そのスキャンスリット１０のＹ方向の幅を５ｍｍとする。まず、ウエハステージを−１．０５μラジアンから＋１．０５μラジアンまで０．３５μラジアンステップで変化させて、寸法を安定させたい孤立パターンのフォーカス特性を調べる。スリット幅５ｍｍでは０．３５μラジアンの傾きでフォーカス範囲０．１μｍの累進焦点露光を行うことになる。また、スキャンスリット内では、例えば図５に示すようなａ，ｂ，ｃのＸ方向の複数位置でフォーカス特性を求める。図５のスリットのセンター位置ｂでのフォーカス特性とステージの傾斜角度の関係を図６に示す。スキャンスリットの幅が５ｍｍであると、２０μラジアンでフォーカスは−０．０５μｍ〜＋０．０５μｍの範囲０．１μｍの累進焦点露光を行うことになる。図６のフォーカス特性より図７に示すような、ベストフォーカス（フォーカス特性を多項式近似し、その近似曲線の最大値の位置）での孤立パターンの寸法とステージ傾斜の関係を求める。図７から寸法と傾きの関係を、近似して極大値のウエハステージの傾き角度を求めると＋０．１１μラジアンとなる。同様にスキャンスリットの他の位置（ａおよびｃ）でも寸法が最大となる角度を求める。そして、Ｘ方向の各位置での最適角度になるようにフォーカスセンサーにオフセットを入れて、それぞれの位置でステージの傾きを最適値に近くすることで、孤立ラインの寸法を安定させることができる。

このようにして求めた線幅が最大となるウエハステージの角度でＯＰＣおよびＰＰＣのテストパターンの入ったマスクを露光してモデルを作成する。また、同様に、この角度で実際にＯＰＣおよびＰＰＣ処理をしたデバイスマスクを使用することで、所望の寸法の孤立ラインを安定して形成することが可能となる。

次に、図８〜図１２を参照して、本発明の第３の実施例について説明する。

ここでは、フォーカスセンサーの時間経過による変化によりウエハステージの走りがスキャン方向に傾いてきていないかを定期的にチェックする方法について説明する。図８に本実施例で用いるモニターパターンを示す。このモニターパターンはＸ／Ｙ方向２組の密集パターン１と孤立パターン２となっている。ここでは、先の実施例と同じ光学条件で使用するのもとして、密集パターン１は設計寸法０．１５μｍのライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）パターンとし、孤立パターンは設計寸法０．２１μｍ孤立ラインパターンとしている。このモニターパターンを用いて、スキャン露光装置でスタテック露光（ステージをスキャンさせずに露光した場合）とダイナミック露光（通常のスキャン露光をした場合）のフォーカス特性を測定する。図９および図１０がスタテック露光での、ＸＹ２方向の密集パターンと孤立パターンのフォーカス特性を示している。図９と図１０で密集パターンと孤立パターンの寸法差が異なるのは収差を考慮したためで、ＸＹに異なる成分の収差が存在すると寸法差Δの値は変化するし、またマスク製造誤差によっても値が変わる。そのため、ここでは寸法差Δの露光方法による変化のみに注目することにする。図１１および図１２はダイナミック露光でのＸＹ２方向の密集パターンと孤立パターンのフォーカス特性を示している。スタテック露光の場合の密集パターンと孤立パターンの寸差に比較し、ダイナミック露光の場合の密集パターンと孤立パターンの寸法差が大きい場合、露光装置のウエハステージにオフセットが乗ってきている可能性が分かる。図９から図１２に示すフォーカス特性では、多項式近似をして孤立パターン２の寸法が最大となるフォーカス位置で密集パターンの寸法と孤立パターンの寸法の差Δを求めた。特にＸＹの２方向とも同様にこの寸法差が大きくなっていれはウエハステージの傾きが原因と判断することができる。スタテック露光とダイナミック露光で転写パターンの寸法が異なる原因としては、ステージの傾き以外にはマスクステージとウエハステージの同期誤差があるが、この同期誤差の場合には密集パターンにも影響がでる他に特にＸＹ方向での影響の差が顕著であるという特徴がある。Ｘステージの同期精度が悪化すればＹ方向のパターン寸法が変化し、反対にＹステージの同期精度が悪化した場合にはＸ方向のパターン寸法に影響が強く現れる。図１１と図９を比較するとＹ方向パターンでの寸法差Δがダイナミック露光（図１１）の方が９ｎｍ大きくなっており、同様に図１２と図１０に示すＸ方向パターンの寸法差Δも９ｎｍ程度ダイナミック露光（図１２）の方が大きくなっているので、これがウエハステージの傾きが原因と判断することが出来る。

このように、本 実施例のモニターパターンを用いて露光装置の日常点検を行うことで、ウエハステージが傾いていないかをチェックすることができる。

本発明は、特に、半導体装置製造用の露光方法に好適である。

本発明の実施例１を説明するグラフであり、密集パターンでの、フォーカスオフセットに対するライン幅の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１を説明するグラフであり、孤立パターンでの、フォーカスオフセットに対するライン幅の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１を説明するグラフであり、密集パターン及び孤立パターンのフォーカスの変化範囲に対するライン寸法の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１を説明するグラフであり、累進焦点深度のフォーカス範囲に対するレジスト側壁角度の関係を示すグラフである。 本発明の実施例２を説明するグラフであり、スキャンスリットの形状を示す図である。 本発明の実施例２を説明するグラフであり、フォーカスオフセットに対するライン寸法の関係を示すグラフである。 本発明の実施例２を説明するグラフであり、ステージ角度に対するライン寸法の関係を示すグラフである。 本発明の実施例３を説明する図であり、実施例３のモニターパターンを示す図である。 本発明の実施例３を説明する図であり、スタテック露光での、ＸＹ２方向の密集パターンと孤立パターンのフォーカス特性を示している。 本発明の実施例３を説明する図であり、スタテック露光での、ＸＹ２方向の密集パターンと孤立パターンのフォーカス特性を示している。 本発明の実施例３を説明する図であり、ダイナミック露光でのＸＹ２方向の密集パターンと孤立パターンのフォーカス特性を示している。 本発明の実施例３を説明する図であり、ダイナミック露光でのＸＹ２方向の密集パターンと孤立パターンのフォーカス特性を示している。

符号の説明

１０ スキャンスリット

Claims (5)

1. 密集パターンと孤立パターンとを有するマスクを用いて、レジスト形状の変化が生じないフォーカス範囲で多重焦点露光を行うことにより、密集パターンと孤立パターンの寸法を調整することを特徴とする露光方法。
2. 孤立パターンのエッチング時の寸法が太くなった場合に、累進焦点露光のフォーカス範囲を増やすことを特徴とする請求項１記載の露光方法。
3. スキャン方式の露光装置において、ウエハステージをスキャン方向に数段階に傾けてフォーカス特性を求め、そのベストフォーカスでのライン寸法が最も太くなる傾きにウエハステージの角度を設定することを特徴とする露光方法。
4. 密集パターンと孤立パターンの寸法差を測定することで、露光装置のフォーカスセンサーの時間経過にともなう変動の有無を確認することを特徴とする露光方法。
5. 前記確認を定期的に行うことを特徴とする請求項４記載の露光方法。

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