JP2005183747A - 露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォトマスクの種類に関わらず、またそのフォトマスクを用いる露光工程の時間経過に関わらず、適切なフォーカス位置を確保することができ、安定したパターン寸法を確立できる露光方法を提供する。
【解決手段】 露光光２をフォトマスク５とレンズ３とを通過させて、レンズ３の前方に順次に設置される複数枚の半導体ウエハ９上にフォトマスク５の遮光帯７のパターンを転写する露光方法において、予め、任意のフォトマスク５の遮光帯７のパターンが半導体ウエハ９上に結像されるようにレンズ容器４内を加圧する圧力を経時的に変化させて露光して、露光光照射時間と圧力との関係を求め、そのフォトマスク５あるいはそれと同等の遮光帯面積率を有するフォトマスクを使用する露光工程で、前記露光光照射時間と圧力との関係を満足させるようにレンズ容器４内を加圧する圧力を制御する。フォトマスク５の遮光帯面積率に依存するレンズ３の熱膨張に合わせてレンズ３に圧力を加えることになるので、レンズ３の焦点位置ずれを適切に補正することができ、ロット内のパターン寸法変動を低減できる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、半導体集積回路素子の微細なレジストパターンを安定して形成する露光方法に関するものである。

半導体集積回路の素子パターン形成工程では、設計からのパターンレイアウト情報を半導体基板上での微細加工に必要なレジストパターンに変換するリソグラフィ技術を用いており、そのときに通常、ステッパーと呼ばれる露光装置を使用している。

図６にステッパー露光装置の概略構成を示す。露光装置は、移動可能なステージ１と、露光光２を照射する照射手段と（図示せず）、複数のレンズ３で構成され一定のレンズ容器４内に納められた投影光学系とを備え、フォトマスク５を装着して使用される。フォトマスク５は、ガラス基板６上に半導体集積回路のパターンを形成した遮光帯７（クロムなどの膜）を設けたものである。このような露光装置において、レジスト８を塗布した半導体ウェハ９がステージ１上に設置され、ｉ線やＫｒＦ、ＡｒＦ等のエキシマレーザー波長の露光光２がフォトマスク５に入射されることで、遮光帯７のパターンがレンズ３を通してレジスト８に投影され、レジストが前記遮光帯７のパターンにて露光される（例えば特許文献1参照）。

ところが実際に半導体集積回路を量産する時には、製造ロット中の多数枚の半導体ウエハが露光装置で連続的に露光されるため、処理枚数が増加するに従って露光光２の入射エネルギーでレンズ３が熱膨張し、特に最近のような１／４ミクロンを下回る素子寸法のパターンの露光時に、パターン精度に大きな影響を与えるようになる。

図７は露光工程における諸特性の経時変化を示すグラフである。
図７（ａ）に示すように、ロット内の半導体ウエハの露光処理枚数（ロット内処理スライス数と記す）が増大するにしたがって、つまりレンズ３を露光光２が通過する総時間が増加するにしたがって、レンズの熱膨張量が増加する。ここで熱膨張量はレンズ３の厚さ方向の膨張量をいう。それに伴って、フォトマスク５の遮光帯７のパターンが結像するフォーカス位置が半導体ウエハ９の表面からずれ（このずれを便宜的にフォーカス値とする）（図７（ｂ））、またそれに伴って、レジスト現像後のパターン寸法もシフトする。その結果、ロット内で半導体ウエハごとにレジストパターンの寸法が異なってしまう（図７（ｃ））。

このような現象を回避するために、図６に示したように、レンズ３を収納したレンズ容器４内の圧力を調節するレンズ圧力コントローラ１０が設けられていて、レンズ３の熱膨張を来たすロット内処理スライス数の増大に合わせてレンズ容器４内を加圧する圧力を制御する、投影光学系の光学特性の微調整が行われている。

図８は上記対策を施した露光工程における諸特性の経時変化を示すグラフである。
図８（ａ）は、ロット内処理スライス数が増大するにしたがってレンズ３の熱膨張量が非常にわずかではあるが増加してゆく状態を示す。そこで、レンズ３の熱膨張を抑制すべく、レンズ圧力コントローラ１０が予め格納されたプロガラムに従ってレンズ容器４内の圧力を自動的に高めていく。図８（ｂ）はその際の加圧特性を示し、一般に、露光装置メーカーから提供された１種類の圧力調整決定用マスクを使用して予め決定される。この圧力調整によってレンズ３が補正される結果、半導体ウエハ９上に投影される遮光帯７のパターンのフォーカス値は露光そりが進んでもほぼ一定に保たれ（図８（ｃ））、半導体ウエハ９ごとのレジストパターンの寸法も一定値に抑えられる（図８（ｄ））。
特開昭６０−７８４１６号公報

しかしながら、上記したようなレンズ補正方法では、特定の集積回路のフォトマスクを使用する時にレジストパターンの寸法を十分に安定させることができても、他のフォトマスクを用いた時には必ずしも寸法変動を抑制できない。特に、システムＬＳＩ、ロジックＬＳＩなどのような不規則なパターン配列が要求されるフォトマスク、あるいはＭＯＳデバイスのゲート電極レイヤーマスク、アルミニウムなどの金属配線レイヤーを構成するマスクなどで、フォトマスク依存性が著しい結果となっている。

本発明は上記問題を解決するもので、フォトマスクの種類に関わらず、またそのフォトマスクを用いる露光工程の時間経過に関わらず、適切なフォーカス位置を確保することができ、安定したパターン寸法を確立できる露光方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、露光装置のレンズ系を補正してもフォトマスクによってはレジストパターン寸法の変動を抑制できない理由について検討した結果、フォトマスク上で露光光が照射される全面積に対して遮光帯が占める面積の比率に依存してレジストパターン寸法の変動率が異なることを見出した。フォトマスク上での遮光帯の面積率が異なると、フォトマスクを通じてレンズに照射される露光光の光量あるいはエネルギー量が異なり、レンズの加熱・膨張の程度が異なるため、上述した１種類の加圧特性でレンズ補正を行っても十分でないものと考えられる。

上記知見に基づいて本発明は、露光光をフォトマスクとレンズとを通過させて、前記レンズの前方に順次に設置される複数枚の基板上に前記フォトマスクの遮光帯のパターンを転写する露光方法において、予め、任意のフォトマスクの遮光帯のパターンが基板上に結像されるように、前記レンズを収納したレンズ容器内を加圧する圧力を経時的に変化させて露光して、露光光照射時間と圧力との関係を求め、前記フォトマスクあるいはそれと同等の遮光帯面積率を有するフォトマスクを使用する露光工程で、前記露光光照射時間と圧力との関係を満足させるように前記レンズ容器内を加圧する圧力を制御する構成としたものである。

また、露光光をフォトマスクとレンズとを通過させて、前記レンズの前方に順次に設置される複数枚の基板上に前記フォトマスクの遮光帯のパターンを転写する露光方法において、予め、任意のフォトマスクを用いて遮光帯のパターンが基板上に結像されるように、複数枚配置した前記レンズ間の間隔を経時的に変化させて露光して、露光光照射時間とレンズ間隔との関係を求め、前記フォトマスクあるいはそれと同等の遮光帯面積率を有するフォトマスクを使用する露光工程で、前記露光光照射時間とレンズ間隔との関係を満足させるように前記レンズ容器内を加圧する圧力を制御する構成としたものである。

また、露光光をフォトマスクとレンズとを通過させて、前記レンズの前方に順次に設置される複数枚の基板上に前記フォトマスクの遮光帯のパターンを転写する露光方法において、予め、任意のフォトマスクを用いて遮光帯のパターンが基板上に結像されるように、前記レンズの光軸角度を経時的に変化させて露光して、露光光照射時間とレンズ光軸角度との関係を求め、前記フォトマスクあるいはそれと同等の遮光帯面積率を有するフォトマスクを使用する露光工程で、前記露光光照射時間とレンズ光軸角度との関係を満足させるように前記レンズの光軸角度を制御する構成としたものである。

ここで、フォトマスクの遮光帯面積率は、フォトマスクの露光光照射面積に対する遮光帯の面積の比で定義される。こうしたフォトマスクの遮光帯面積率は、前記フォトマスクを通さない露光光の光量と前記フォトマスクを通した露光光の光量とを測定し、両測定値の比として算出することができる。より具体的には、露光工程の前工程で、前記フォトマスクを通さない露光光の光量と前記フォトマスクを通した露光光の光量とを測定し、両測定値の比として算出することができる。

本発明の露光方法は、フォトマスクの遮光帯のパターンを基板上に結像させるために必要なレンズ印加圧力またはレンズ間隔またはレンズ光軸角度と露光光照射時間との関係を予め求め、前記関係を求めたフォトマスクあるいはそれと同等の遮光帯面積率を有するフォトマスクを使用する露光工程で前記関係に基づいてレンズ印加圧力またはレンズ間隔またはレンズ光軸角度を制御するようにしたため、フォトマスクの種類に関わらず、またそのフォトマスクを用いるロット内の露光処理数（露光光照射時間に対応する）に関わらず、適切なフォーカス位置を確保することができ、パターン寸法の変動を低減できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における露光方法について説明する。この露光方法に用いる露光装置は先に図６を用いて説明した従来のものと同様の構成を有しているので、図６を援用して説明する。

露光装置は、移動可能なステージ１と、露光光２を照射する照射手段と（図示せず）、複数のレンズ３で構成され一定のレンズ容器４内に納められた投影光学系と、レンズ容器４内を加圧する圧力を調節することで投影光学系の光学特性を微調整するレンズ圧力コントローラ１０とを備え、フォトマスク５を装着して使用される。フォトマスク５は、ガラス基板６上に半導体集積回路のパターンを形成した遮光帯７（クロムなどの膜）を設けたものである。

このような露光装置において、レジスト８を塗布した半導体ウェハ９がステージ１上に順次に設置され、ｉ線やＫｒＦ、ＡｒＦ等のエキシマレーザー波長の露光光２がフォトマスク５に入射されることで、設置された半導体ウェハ９のレジスト８にフォトマスク５の遮光帯７のパターンがレンズ３を通して投影され、レジスト３が遮光帯７のパターン、すなわち半導体集積回路のパターンにて露光される。

その際に、上述したように、ロット内の半導体ウエハ９の露光処理枚数（ロット内処理スライス数と記す）が増大するにしたがって、つまり露光光がレンズ３を通過する総時間が増加するにしたがって、レンズ３の熱膨張量が増加するので、それを抑制すべく、レンズ圧力コントローラ１０によってレンズ容器４内を加圧する圧力が経時的に増大されることで、レンズ補正が行われる。この実施の形態１はこのレンズ補正のための経時的加圧特性に特徴を有するものである。

図１は上記露光装置による露光工程における諸特性の経時的変化を示すグラフである。
図１（ａ）は、マスクパターン率７０％、８０％、９０％のフォトマスク５を用いた場合のロット内処理スライス数とレンズ３の熱膨張量との関係を示す。ここでマスクパターン率は、フォトマスク５上で露光光が照射される全面積に対して遮光帯７が占める面積の比率を言い、上記請求項に記載した遮光帯面積率と同意義である。いずれのマスクパターン率のフォトマスク５を用いる場合も、ロット内処理スライス数が増加するにしたがって、つまり露光光がレンズ３を通過する合計時間が増加するにしたがって、レンズ３の熱膨張量が増加している。

そこで、各マスクパターン率のフォトマスク５について、実際の露光工程と同様にして、遮光帯７のパターンが半導体ウエハ９上に結像されるようにレンズ容器４内を加圧する圧力を経時的に変化させて露光することにより、ロット内処理スライス数（露光光照射時間に対応する）と圧力との関係を求める（加圧曲線）（図１（ｂ））。

そして露光時に、使用するフォトマスク５のマスクパターン率に応じた加圧曲線を採用して、その時のロット内処理スライス数に対応する圧力に近づけるように、レンズ圧力コントローラ１０によってレンズ容器４内の圧力を経時的に増加させる制御を行う。

このことにより、ロット内処理スライス数に関わらず、レジスト８上に投影されるパターンのフォーカス値が安定し（図１（ｃ））、ロット内の各半導体ウエハ９のレジストパターン寸法が安定する（図１（ｄ））。

なお、この実施の形態１では、マスクパターン率７０％、８０％、９０％に対応した加圧曲線を求め、それに基づく圧力制御を行うことを説明したが、必ずしもこのようにする必要はなく、１つの加圧曲線、例えばマスクパターン率８０％に対応する加圧曲線を求め、８０％を中心にした７５％〜８５％という所定の範囲のマスクパターン率を持ったフォトマスクによる露光工程に適用してもよい。このようにしても、変動が許容範囲内にある、安定したフォーカス値およびパターン寸法が実現できる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における露光方法について説明する。この露光方法が上記した実施の形態１と相違するのは、露光装置に複数のレンズ３の間隔を微調整するレンズ間隔調整機構１１を付加し（図６参照）、前記間隔を調整する点である。

図２は上述した露光装置による露光工程における諸特性の時間的変化を示すグラフである。
図２（ａ）は、マスクパターン率７０％、８０％、９０％のフォトマスク５を用いた場合のロット内処理スライス数とレンズ３の熱膨張量との関係を示す。いずれのマスクパターン率のフォトマスク５を用いる場合も、ロット内処理スライス数が増加するにしたがってレンズ３の熱膨張量が増加しており、その熱膨張量の時間依存性はマスクパターン率ごとに異なっている。

そこでこの実施の形態２では、各マスクパターン率のフォトマスク５について、実際の露光工程と同様にして、遮光帯７のパターンが半導体ウエハ９上に結像されるようにレンズ間隔を経時的に変化させて露光することにより、ロット内処理スライス数（露光光照射時間に対応する）とレンズ間隔との関係を求める（レンズ間隔変化曲線）（図２（ｂ））。

そして露光時に、使用するフォトマスク５のマスクパターン率に応じたレンズ間隔変化曲線を採用して、その時のロット内処理スライス数に対応するレンズ間隔に近づけるように、レンズ間隔調整機構１１によってレンズ間隔を経時的に増加させる制御を行う。

このことにより、ロット内処理スライス数に関わらず、レジスト８上に投影されるパターンのフォーカス値が安定し（図２（ｃ））、ロット内の各半導体ウエハ９のレジストパターン寸法が安定する（図２（ｄ））。

なお、この実施の形態２では、マスクパターン率７０％、８０％、９０％に対応したレンズ間隔変化曲線を求め、それに基づくレンズ間隔制御を行うことを説明したが、必ずしもこのようにする必要はなく、１つのレンズ間隔変化曲線、例えばマスクパターン率８０％に対応するレンズ間隔変化曲線を求め、８０％を中心にした７５％〜８５％という所定の範囲のマスクパターン率を持ったフォトマスクによる露光工程に適用してもよい。このようにすると、求めたレンズ間隔変化曲線に対応しないマスクパターン率のフォトマスクを使用する場合に、半導体ウエハの露光処理回数を重ねるにしたがって、フォーカス値、レジストパターン寸法に若干のズレが生じるものの、各値を許容範囲内に納めることができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における露光方法について説明する。

この実施の形態３の露光方法に用いる露光装置は先に実施の形態２で説明したものとほぼ同様の構成を有しているが、図３に示すように、フォトマスク５および半導体ウエハ９の軸に対するレンズ８の面の角度（したがってレンズ８の光軸の角度）を微調整するレンズ角度微調整機構（図示せず）をさらに備えている。

図４は上記露光装置による露光工程における諸特性の時間的変化を示すグラフである。
図４（ａ）は、マスクパターン率７０％、８０％、９０％のフォトマスク５を用いた場合のロット内処理スライス数とレンズ３の熱膨張量との関係を示す。いずれのマスクパターン率のフォトマスク５を用いる場合も、ロット内処理スライス数が増加するにしたがってレンズ３の熱膨張量が増加しており、その熱膨張量の時間依存性はマスクパターン率ごとに異なっている。

そこでこの実施の形態３では、各マスクパターン率のフォトマスク５について、実際の露光工程と同様にして、遮光帯７によるパターンが結像されるようにレンズ角度を経時的に変化させて露光することにより、ロット内処理スライス数（またはそれに対応する露光光照射時間）とレンズ角度との関係を求める（レンズ角度変化曲線）（図４（ｂ））。

そして露光時に、使用するフォトマスク５のマスクパターン率に応じたレンズ角度変化曲線を採用して、その時のロット内処理スライス数に対応するレンズ角度に近づけるように、レンズ角度調整機構によってレンズ間隔を経時的に増加させる制御を行う。

このことにより、ロット内処理スライス数に関わらず、レジスト８上に投影されるパターンのフォーカス値が安定し（図４（ｃ））、ロット内の各半導体ウエハ９のレジストパターン寸法が安定する（図４（ｄ））。

この実施の形態３では、マスクパターン率７０％、８０％、９０％に対応したレンズ角度変化曲線を求め、それに基づくレンズ角度制御を行うことを説明したが、必ずしもこのようにする必要はなく、１つのレンズ角度変化曲線、例えばマスクパターン率８０％に対応するレンズ角度変化曲線を求め、８０％を中心にした７５％〜８５％という所定の範囲のマスクパターン率を持ったフォトマスクによる露光工程に適用してもよい。このようにすると、求めたレンズ角度変化曲線に対応しないマスクパターン率のフォトマスクを使用する場合に、半導体ウエハの露光処理回数を重ねるにしたがって、フォーカス値、レジストパターン寸法に若干のズレが生じるが、マスクパターン率の範囲を適切に設定することで、各値を許容範囲内に納めることができる。

また、以上の実施の形態１，２，３ではそれぞれ、レンズ印加圧力、レンズ間隔、レンズ角度のいずれかを調整することでフォーカス値、パターン寸法の変動を抑制することを説明したが、これらの調整方法を組み合わせてもよいことはいうまでもない。複数の調整方法を組み合わせることによって、レンズ３の熱膨張が大きい場合により広範囲に起こる変動を抑制することが可能となる。

なお、以上の実施の形態１，２，３で述べた露光方法では、個々のフォトマスク５のマスクパターン率ごとにレンズ３を調整するので、マスクパターン率の算出が重要な手続きの一つである。こうしたマスクパターン率、すなわちフォトマスク５に占める遮光帯７の面積率は、ＣＡＤ上のパターンデータに基づいて算出してもよいが、最近のシステムＬＳＩ集積回路のように一千万個を越える半導体素子を搭載したデバイスになると、パターンデータだけでも膨大な量となり、算出に時間がかかり効率的ではない。

そこで、図５に概略構成を示すような、積算露光量測定装置１２を用いたマスクパターン率測定装置を露光装置に取り付け、露光工程前に自動でマスクパターン率を測定するのが都合よい。積算露光量測定装置１２は、通常の露光工程で用いるような、アルミ材表面にアルマイトコートした容器にフォトセンサーとしてシリコンフォトダイオードを装着したものでよい。

マスクパターン率の測定方法としては、積算露光量測定装置１２を半導体ウエハの設置位置に設置して、マスク装着なしの状態で露光光２の積算光量を測定した後、フォトマスク６を装着した状態で露光光７の積算光量を測定し、両測定値の比を算出する。つまり、フォトマスク５を通さない露光光２の光量とフォトマスク５を通した露光光２の光量とを求め、その比をマスクパターン率とするのである。

このようにすることにより、ＬＳＩの品種ごとパターンレイヤごとのマスクパターン率を複雑な計算によって予め算出するという作業を要さず、短時間のうちに簡単に求めることができる。ただしこのときの積算光量は、通常の露光工程で積算露光量を求める時のように積算露光量測定装置１２における直径数ｍｍの限られた領域で受光するのではなく、集積回路のダイの面積、または使用するステッパー露光装置の１ショットの領域全体で受光しての積算光量としなければならない。

このような露光方法は、任意の集積回路のパターンの露光に適用できるが、システムＬＳＩやロジックＬＳＩのような、回路パターンが不規則で品種ごとにマスクパターン率が大幅に異なる集積回路を、複数品種、それぞれのためのフォトマスクを用いて露光する場合に特に有効である。さらに、各フォトマスクを構成するマスクレイヤの中でもゲート電極パターンを含むマスクレイヤや金属配線パターンを含むマスクレイヤは品種によってマスクパターン率の差が大きいので、これらのマスクレイヤをそれぞれ用いる露光にも有効である。

本発明の露光方法は、半導体装置の微細パターン形成工程に主として適用されるものであるが、それに限らずリソグラフィ技術を用いる他の製品の露光工程にも有用である。

本発明の実施の形態１における露光方法によるレンズ補正に関する諸特性を示すグラフ 本発明の実施の形態２における露光方法によるレンズ補正に関する諸特性を示すグラフ 本発明の実施の形態３における露光方法で使用する露光装置の概略構成図 本発明の実施の形態３における露光方法によるレンズ補正に関する諸特性を示すグラフ マスクパターン率を測定するマスクパターン率測定装置を説明する概略構成図 従来および本発明で使用される露光装置の概略構成図 従来の露光方法で、レンズ補正しない場合の諸特性を示すグラフ 従来の露光方法で、レンズ補正する場合の諸特性を示すグラフ

符号の説明

１ ステージ
２ 露光光
３ レンズ
５ フォトマスク
６ ガラス基板
７ 遮光帯
８ レジスト
９ 半導体ウエハ
10 レンズ圧力コントローラ
12 積算露光量測定装置

Claims (5)

1. 露光光をフォトマスクとレンズとを通過させて、前記レンズの前方に順次に設置される複数枚の基板上に前記フォトマスクの遮光帯のパターンを転写する露光方法において、
   予め、任意のフォトマスクを用いて遮光帯のパターンが基板上に結像されるように、前記レンズを収納したレンズ容器内を加圧する圧力を経時的に変化させて露光し、露光光照射時間と圧力との関係を求め、
   前記フォトマスクあるいはそれと同等の遮光帯面積率を有するフォトマスクを使用する露光工程で、前記露光光照射時間と圧力との関係を満足させるように前記レンズ容器内を加圧する圧力を制御する
   露光方法。
2. 露光光をフォトマスクとレンズとを通過させて、前記レンズの前方に順次に設置される複数枚の基板上に前記フォトマスクの遮光帯のパターンを転写する露光方法において、
   予め、任意のフォトマスクを用いて遮光帯のパターンが基板上に結像されるように、複数枚配置した前記レンズ間の間隔を経時的に変化させて露光し、露光光照射時間とレンズ間隔との関係を求め、
   前記フォトマスクあるいはそれと同等の遮光帯面積率を有するフォトマスクを使用する露光工程で、前記露光光照射時間とレンズ間隔との関係を満足させるように前記レンズ容器内を加圧する圧力を制御する
   露光方法。
3. 露光光をフォトマスクとレンズとを通過させて、前記レンズの前方に順次に設置される複数枚の基板上に前記フォトマスクの遮光帯のパターンを転写する露光方法において、
   予め、任意のフォトマスクを用いて遮光帯のパターンが基板上に結像されるように、前記レンズの光軸角度を経時的に変化させて露光し、露光光照射時間とレンズ光軸角度との関係を求め、
   前記フォトマスクあるいはそれと同等の遮光帯面積率を有するフォトマスクを使用する露光工程で、前記露光光照射時間とレンズ光軸角度との関係を満足させるように前記レンズの光軸角度を制御する
   露光方法。
4. フォトマスクの遮光帯面積率は、前記フォトマスクを通さない露光光の光量と前記フォトマスクを通した露光光の光量とを測定し、両測定値の比として算出する請求項１〜３のいずれかに記載の露光方法。
5. フォトマスクの遮光帯面積率は、露光工程の前工程で、前記フォトマスクを通さない露光光の光量と前記フォトマスクを通した露光光の光量とを測定し、両測定値の比として算出する請求項１〜３のいずれかに記載の露光方法。

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