JP2007103841A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液浸露光を用いた半導体装置の製造方法において、所望の寸法を有するパターンを高精度で得ることが可能な方法を提供する。
【解決手段】投影レンズと基板との間に液浸露光用液体を介在させた状態で露光を行う液浸露光を用いた半導体装置の製造方法であって、複数のパターンが形成されたフォトマスクを用意する工程（Ｓ１）と、投影レンズ及び液浸露光用液体を介してフォトマスクに形成された複数のパターンを所定面上に投影する工程（Ｓ２）と、所定面上に投影された複数のパターンに基づく複数の寸法取得用パターンの寸法に関する寸法情報を取得する工程（Ｓ３）と、寸法情報に基づいて液浸露光用液体の屈折率を調整する工程（Ｓ５）と、フォトマスクに形成されたパターンを投影レンズ及び屈折率が調整された液浸露光用液体を介して基板上に投影する工程（Ｓ６）と、を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の微細化及び高集積化に伴い、所望の寸法を有するパターンを高精度で形成することが、ますます重要となってきている。

しかしながら、パターンが微細化されると、光近接効果（Optical Proximity Effect: OPE）により、所望の寸法を有するフォトレジストパターンを忠実に形成できなくなってくる。例えば、孤立ラインと密集ライン（或いは孤立ラインと孤立スペース）とでは、フォトマスク上では同一のライン幅であっても、互いに異なったライン幅でフォトレジストパターンが形成されてしまう。そこで、実際のフォトマスクでは、マスクパターンに光近接効果補正（Optical Proximity Correction: OPC）を施し、所望の寸法を有するフォトレジストパターンが得られるようにしている。

しかしながら、光近接効果補正が施されたフォトマスクを使用しても、フォトレジストパターンの寸法が所望の寸法からずれる場合がある。その原因の一つとして、光近接効果に影響を与える要因の経時変化があげられる。他の原因として、光近接効果に影響を与える要因が、露光装置毎に異なることがあげられる。

ところで、フォトリソグラフィにおける解像度を向上させる手法として、液浸露光の開発が盛んに進められている。この液浸露光は、投影レンズと基板との間に水等の液体を介在させた状態で露光を行うものである（例えば、特許文献１参照）。この液浸露光においても、上述したような問題は生じ得るものであり、効果的な解決策が求められている。
特開平６−１２４８７３号公報

本発明は、液浸露光を用いた半導体装置の製造方法において、所望の寸法を有するパターンを高精度で得ることが可能な方法を提供することを目的としている。

本発明の一視点に係る半導体装置の製造方法は、投影レンズと基板との間に液浸露光用液体を介在させた状態で露光を行う液浸露光を用いた半導体装置の製造方法であって、複数のパターンが形成されたフォトマスクを用意する工程と、投影レンズ及び液浸露光用液体を介して前記フォトマスクに形成された複数のパターンを所定面上に投影する工程と、前記所定面上に投影された複数のパターンに基づく複数の寸法取得用パターンの寸法に関する寸法情報を取得する工程と、前記寸法情報に基づいて液浸露光用液体の屈折率を調整する工程と、前記フォトマスクに形成されたパターンを前記投影レンズ及び前記屈折率が調整された液浸露光用液体を介して基板上に投影する工程と、を備える。

本発明によれば、液浸露光用液体の屈折率を調整することにより、所望の寸法を有するパターンを高精度で得ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る露光システムの概略を示したブロック図である。

液浸露光装置１０は、投影レンズと基板との間に液浸露光用液体を介在させた状態で露光を行うものである。図２は、液浸露光装置１０の構成の一部を模式的に示した図である。図２に示すように、基板保持ステージ１１上に配置された基板１２と投影レンズ１３との間に液浸露光用液体１４が介在しており、フォトマスク（図示せず）に形成されたマスクパターンが、投影レンズ１３及び液浸露光用液体１４を介して基板１２上に投影される。基板１２には、フォトレジスト膜が形成された半導体ウェハが用いられる。液浸露光用液体１４には例えば水が用いられ、液浸露光用液体１４は基板１２と投影レンズ１３との間を流れるようになっている。基板１２と投影レンズ１３との間に介在する液浸露光用液体１４の層厚は例えば１ｍｍ程度である。

液浸露光装置１０には、液体供給部２０から液温調整部３０を介して液浸露光用液体が供給される。液浸露光装置１０に供給された液体は、液体排出部４０に排出される。液体供給部２０では、液浸露光装置１０に流れる液体の流速（図２に示した基板１２と投影レンズ１３との間を流れる液体の流速）を制御することが可能である。液温調整部３０では、液浸露光装置１０に供給される液体の液温を制御することが可能である。

寸法情報取得部５０は、フォトマスクから基板表面に投影された複数のパターンに基づく複数の寸法取得用パターンの寸法に関する寸法情報を取得するものである。寸法情報には、寸法取得用パターン間の寸法差が含まれる。また、本実施形態では、寸法取得用パターンとして、液浸露光によって半導体ウェハ上に実際に形成されたフォトレジストパターンを用いる。寸法情報取得部５０には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や光学顕微鏡が含まれており、フォトレジストパターンの像を走査型電子顕微鏡や光学顕微鏡で取得することで、フォトレジストパターンの寸法を測定することができる。

上述した液浸露光装置１０、液体供給部２０、液温調整部３０、液体排出部４０及び寸法情報取得部５０は、ＬＡＮ（Local Area Network）によって制御部６０に接続されており、制御部６０によってシステム全体の動作が制御される。また、制御部６０では、寸法情報取得部５０によって取得された寸法情報（寸法取得用パターン間の寸法差）に基づいて、液浸露光用液体の屈折率を調整するための制御情報が生成される。この制御情報に基づき、寸法差が小さくなるように液浸露光用液体の屈折率が調整される。本実施形態では、制御情報が制御部６０から液温調整部３０に送られ、液温調整部３０で液浸露光用液体の温度を調整することで、液浸露光用液体の屈折率が調整される。

以下、本実施形態の動作を、図３に示したフローチャートを参照して説明する。

まず、複数のパターンが形成されたフォトマスクを用意する（Ｓ１）。図４はフォトマスク上に形成されたパターンの一例を、図５はフォトマスク上に形成されたパターンの他の例を示した図である。なお、実際には、フォトマスク上には光近接効果補正が施された複雑な形状のパターンが形成されているが、ここでは説明の簡単化のため単純なパターンを示している。図４に示した例では、同一フォトマスク上に孤立ラインパターン１０１及び孤立スペースパターン１０２が形成されている。図５に示した例では、同一フォトマスク上に孤立ラインパターン１０１及び密集ラインパターン１０３が形成されている。なお、同一フォトマスク上に、孤立ラインパターン１０１、孤立スペースパターン１０２及び密集ラインパターン１０３が全て形成されていてもよい。

次に、液浸露光装置１０にフォトマスク及び寸法測定用の基板をセットし、投影レンズ及び液浸露光用液体を介して、フォトマスク上に形成されたパターンを寸法測定用の基板の表面（所定面）に投影する（Ｓ２）。これにより、基板の表面に形成されたフォトレジスト膜に潜像が形成される。さらに、フォトレジスト膜を現像することにより、フォトレジストパターンを形成する。

次に、寸法情報取得部５０により、フォトレジストパターンに含まれる孤立ラインパターンと孤立スペースパターンとの間の寸法差（或いは孤立ラインパターンと密集ラインパターンとの間の寸法差）を取得する（Ｓ３）。理想的には、孤立ラインパターンの幅と孤立スペースパターンの幅（或いは孤立ラインパターンの幅と密集ラインパターンの幅）とは等しく、両者の寸法差はゼロとなる。ところが、光近接効果に影響を与える各種要因（例えば、露光装置の各種構成要素）の経時変化により、寸法差がゼロにならない場合がある。寸法差が大きいと、所定のスペックを満たしたパターンが得られず、信頼性や歩留まり低下の原因となる。

そこで、寸法差が所定の条件を満たすか否かを判断する。具体的には、寸法差が所定の範囲内であるか否かを判断する（Ｓ４）。

寸法差が所定の範囲内にないと判断された場合には、寸法差が小さくなるように液浸露光用液体の屈折率を調整する（Ｓ５）。本実施形態では、液温調整部３０により、寸法差が所定の範囲内に入るように液浸露光用液体の温度を調整する。例えば、以下のような方法によって液浸露光用液体の温度を調整する。まず、液浸露光用液体の温度と寸法差との相関関係（或いは、液浸露光用液体の温度変化量と寸法差の変化量との相関関係）を予め求めておき、その相関関係を制御部６０に記憶しておく。寸法差が所定の範囲内にない場合には、上記相関関係に基づいて、制御部６０から液温調整部３０に液温調整用の制御情報を送出する。液温調整部３０では、液温調整用の制御情報に基づいて、液浸露光用液体の温度を調整する。このようにして、寸法差が小さくなるように液浸露光用液体の温度が調整される。

以下、液浸露光用液体の温度と寸法差との関係について、液浸露光用液体として水を用いた場合について説明する。真空中の波長が１９３ｎｍの光に対して、水の屈折率は室温では１．４４である。水温が１℃変化すると、屈折率は０．０００１程度変化する。したがって、水層の厚さを１ｍｍとし、水温が０．５℃変化したとすると、水層における光路長の変化は５０ｎｍ（＝０．５×０．０００１×１ｍｍ）となる。水中の波長は１３４ｎｍ（＝１９３ｎｍ／１．４４）であるため、光路長の変化を波長に換算すると、３７０ミリ波長（５０ｎｍ／１３４ｎｍ＝０．３７）となる。また、基板に対して垂直に入射する光と斜めに入射する光との間には、数ミリ〜数十ミリ波長程度の位相差が生じる。例えば、投影レンズのＮＡが１．３の露光装置の場合、最も入射角の大きい光（基板への入射角＝６４度）と垂直光との間の位相差は約４８ｍλとなる。位相差の入射角依存性のうち、入射角の４次以上に依存する項は一般に収差と呼ばれ、孤立ラインと密集ラインとの間の寸法差を生じさせる要因の一つとなっている。つまり、水温（液温）が変化すると、屈折率が変化し、寸法差が変化することになる。上記のＮＡ＝１．３のレンズの例では、入射角の４次依存成分を表す球面収差をゼルニケ多項式の係数で表した場合、約４ｍλとなる。この収差により、４５ｎｍラインアンドスペースパターンと、２００ｎｍ孤立ラインの間には、照明条件やレジスト種類にも依存するが、約３ｎｍの寸法差（ＯＰＥ差）が生じると予想される。

次に、液浸露光装置１０にデバイス形成用の基板（フォトレジスト膜が形成された半導体ウェハ）をセットし、投影レンズ及び屈折率が調整された（温度が調整された）液浸露光用液体を介して、フォトマスク上に形成されたパターンをデバイス形成用の基板上に投影する（Ｓ６）。これにより、基板の表面に形成されたフォトレジスト膜に潜像が形成される。

次に、フォトレジスト膜を現像することにより、フォトレジストパターンを形成する。本実施形態では、屈折率が調整された（温度が調整された）液浸露光用液体を介してフォトレジスト膜を露光している。したがって、孤立ラインパターンと孤立スペースパターンとの寸法差（或いは孤立ラインパターンと密集ラインパターンとの寸法差）が所定の範囲内に入るように、フォトレジストパターンが形成される。さらに、フォトレジストパターンをマスクとして半導体ウェハ上のエッチング対象膜（導電膜、絶縁膜、半導体膜等）をエッチングして、所望のパターンを形成する（Ｓ７）。

以上のように、本実施形態では、複数の寸法取得用パターン（孤立ラインパターンと孤立スペースパターン、或いは孤立ラインパターンと密集ラインパターン）の寸法に関する寸法情報（寸法差）を取得し、寸法情報に基づいて液浸露光用液体の屈折率を調整する。このようにして屈折率が調整された液浸露光用液体を介して、フォトマスクに形成されたパターンを基板上に投影することにより、寸法差を小さくすることができ、所望の寸法を有するパターンを高精度で形成することが可能となる。したがって、各種要因による経時変化等によって露光特性が変動した場合であっても、高精度のパターンを形成することが可能となる。

また、本実施形態では、液浸露光用液体の温度を調整することによって、液浸露光用液体の屈折率を調整する。したがって、例えば液浸露光用液体の種類を変えることによって屈折率を調整するような場合に比べて、簡便かつ容易に液浸露光用液体の屈折率を調整することが可能である。

（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、基本的な装置構成（図１及び図２）及び基本的な動作（図３）は第１の実施形態と同様であるため、それらの詳細な説明は省略する。以下、主として第１の実施形態と異なる点について説明する。

上述した第１の実施形態では、図３のＳ５のステップにおいて、液浸露光用液体の温度を調整することによって液浸露光用液体の屈折率を調整するようにしたが、本実施形態では、Ｓ５のステップにおいて、液浸露光用液体の移動速度を調整することによって液浸露光用液体の屈折率を調整するようにしている。すなわち、Ｓ４のステップにおいて、寸法差が所定の範囲内にないと判断された場合には、Ｓ５のステップにおいて、寸法差が小さくなるように液浸露光用液体の移動速度を調整する。具体的には、液体供給部２０により、寸法差が所定の範囲内に入るように液浸露光用液体の移動速度を調整する。例えば、以下のような方法によって液浸露光用液体の移動速度が調整される。

まず、液浸露光用液体の移動速度と寸法差との相関関係（或いは、液浸露光用液体の移動速度の変化量と寸法差の変化量との相関関係）を予め求めておき、その相関関係を制御部６０に記憶しておく。寸法差が所定の範囲内にない場合には、上記相関関係に基づいて、制御部６０から液体供給部２０に移動速度調整用の制御情報を送出する。液体供給部２０では、移動速度調整用の制御情報に基づいて、液浸露光用液体の移動速度を調整する。具体的には、液体供給部２０の単位時間当たりの液体供給量を調整する。このようにして、寸法差が小さくなるように液浸露光用液体の移動速度が調整される。

以下、液浸露光用液体の移動速度と寸法差との関係について説明する。液浸露光では、図２に示したように、投影レンズ１３と基板１２との間に液浸露光用液体１４を介在させた状態で露光が行われる。そのため、露光光のエネルギーによって、投影レンズ１３と基板１２との間に介在した液浸露光用液体１４の温度が上昇する。したがって、投影レンズ１３と基板１２との間を流れる液浸露光用液体１４の移動速度（流速）が速い場合には、液浸露光用液体１４の温度上昇は小さいが、投影レンズ１３と基板１２との間を流れる液浸露光用液体１４の移動速度（流速）が遅い場合には、液浸露光用液体１４の温度上昇は大きくなる。すでに第１の実施形態で説明したように、液浸露光用液体の温度が変化すると、液浸露光用液体の屈折率が変化し、その結果として寸法差が変化する。したがって、液浸露光用液体１４の移動速度を調整することにより、投影レンズ１３と基板１２との間を流れる液浸露光用液体１４の屈折率が変化し、寸法差を調整することができる。

以後の基本的な工程は、第１の実施形態と同様である。すなわち、Ｓ６のステップにおいて、投影レンズ及び屈折率が調整された（移動速度が調整された）液浸露光用液体を介して、フォトマスク上に形成されたパターンをデバイス形成用の基板上に投影する。さらに、Ｓ７のステップにおいて、フォトレジスト膜の現像及びエッチング対象膜のエッチングを行うことで、所望のパターンが形成される。

以上のように、本実施形態においても第１の実施形態と同様、液浸露光用液体の屈折率を調整することにより、寸法差が低減された所望の寸法を有するパターンを高精度で形成することが可能となる。

また、本実施形態では、液浸露光用液体の移動速度を調整することで、液浸露光用液体の温度を変化させ、液浸露光用液体の屈折率を調整している。したがって、液浸露光用液体を加熱及び冷却するための機構を特に設けなくてもよく、簡便かつ容易に液浸露光用液体の屈折率を調整することが可能である。

（実施形態３）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、基本的な装置構成（図１及び図２）及び基本的な動作（図３）は第１の実施形態と同様であるため、それらの詳細な説明は省略する。以下、主として第１の実施形態と異なる点について説明する。

上述した第１の実施形態では、Ｓ３のステップで寸法差（孤立ラインパターンと孤立スペースパターンとの間の寸法差、或いは孤立ラインパターンと密集ラインパターンとの間の寸法差）を取得する際に、寸法取得用パターンとして、半導体ウェハ上に実際に形成されたフォトレジストパターンを用いたが、本実施形態では、寸法取得用パターンとして、基板保持ステージの表面（所定面）に投影されたパターンの光学像に基づいて予測されたパターンを用いる。

図６は、本実施形態に係る液浸露光装置の構成の一部を模式的に示した図である。図６に示すように、基板保持ステージ１１の一部に光学像取得部１６が設けてある。光学像取得部１６には例えばＣＣＤが含まれている。Ｓ３のステップで寸法差を取得する際には、フォトマスクに形成されたパターンを、投影レンズ１３及び液浸露光用液体１４を介して、基板保持ステージ１１の表面（所定面）に投影する。投影されたパターンの光学像は光学像取得部１６によって取得され、光学像解析部１７に送られる。光学像解析部１７では、光学像に基づいて、フォトレジストパターンの寸法を予測し、予測したフォトレジストパターンの寸法に基づいて寸法差（孤立ラインパターンと孤立スペースパターンとの間の寸法差、或いは孤立ラインパターンと密集ラインパターンとの間の寸法差）を算出する。

以上のように、本実施形態においても第１の実施形態と同様、液浸露光用液体の屈折率を調整することにより、寸法差が低減された所望の寸法を有するパターンを高精度で形成することが可能となる。

また、本実施形態では、寸法取得用パターンとして、投影パターンの光学像に基づいて予測されたパターンを用いる。そのため、寸法取得用パターンとして、実際にフォトレジストパターンを形成する必要がない。したがって、寸法取得用パターンを迅速に取得することが可能である。

（実施形態４）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、基本的な装置構成（図１及び図２）及び基本的な動作（図３）は第１の実施形態と同様であるため、それらの詳細な説明は省略する。以下、主として第１の実施形態と異なる点について説明する。

一般に、光近接効果（ＯＰＥ）は露光装置に依存する。そのため、ある露光装置に対して適切な光近接効果補正（ＯＰＣ）が施されたフォトマスクを、他の露光装置に適用した場合には、所望の寸法を有するパターン形成することができない。したがって、そのような場合には、他の露光装置に適した光近接効果補正が施されたフォトマスクを新たに作成することになる。しかしながら、新たなフォトマスクを作成することは、製造期間の増大や製造コストの増大を招く。

第１の実施形態では、主として露光装置の経時変化によって露光特性が変動した場合に、液浸露光用液体の屈折率を調整することによって所望の寸法を有するパターンを形成するようにした。露光装置を変更した場合にも露光特性が変わるため、第１の実施形態の方法と同様の方法を適用することが可能である。

そこで、本実施形態では、ある露光装置用に作成されたフォトマスクを他の露光装置に適用する際に、図３のフローチャートで示した方法と同様の方法を用いて、液浸露光用液体の屈折率を調整する。屈折率を調整することにより、第１の実施形態と同様、寸法差を所定範囲内に収めることが可能である。その結果、複数の異なる露光装置に対して同一のフォトマスクを用いることが可能となる。

このように、本実施形態によれば、複数の異なる露光装置に対して同一のフォトマスクを用いることができるため、製造期間の増大や製造コストの増大を抑えることが可能となる。また、各露光装置において、第１の実施形態と同様に、寸法差が低減された所望の寸法を有するパターンを高精度で形成することが可能となる。

なお、上述した第１〜第４の各実施形態の述べた構成及び方法は、適宜組み合わせて実施することが可能である。

また、第１〜第４の実施形態では、液浸露光用液体として水を用いたが、水以外の液体を用いてもよい。例えば、ベースとなる液体（例えば、水）に添加剤（例えば、エタノール）を加えたものを液浸露光用液体として用いてもよい。この場合、液浸露光用液体の屈折率を調整する方法として、添加剤の濃度を調整するようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。

本発明の第１〜第４の実施形態に係る露光システムの概略を示したブロック図である。 本発明の第１〜第４の実施形態に係り、液浸露光装置の構成の一部を模式的に示した図である。 本発明の第１〜第４の実施形態の方法を示したフローチャートである。 本発明の第１〜第４の実施形態に係り、フォトマスク上に形成されたパターンの一例を示した図である。 本発明の第１〜第４の実施形態に係り、フォトマスク上に形成されたパターンの他の例を示した図である。 本発明の第３の実施形態に係り、液浸露光装置の構成の一部を模式的に示した図である。

符号の説明

１０…液浸露光装置
１１…基板保持ステージ １２…基板
１３…投影レンズ １４…液浸露光用液体
１６…光学像取得部 １７…光学像解析部
２０…液体供給部 ３０…液温調整部
４０…液体排出部 ５０…寸法情報取得部
６０…制御部
１０１…孤立ラインパターン １０２…孤立スペースパターン
１０３…密集ラインパターン

Claims (5)

1. 投影レンズと基板との間に液浸露光用液体を介在させた状態で露光を行う液浸露光を用いた半導体装置の製造方法であって、
   複数のパターンが形成されたフォトマスクを用意する工程と、
   投影レンズ及び液浸露光用液体を介して前記フォトマスクに形成された複数のパターンを所定面上に投影する工程と、
   前記所定面上に投影された複数のパターンに基づく複数の寸法取得用パターンの寸法に関する寸法情報を取得する工程と、
   前記寸法情報に基づいて液浸露光用液体の屈折率を調整する工程と、
   前記フォトマスクに形成されたパターンを前記投影レンズ及び前記屈折率が調整された液浸露光用液体を介して基板上に投影する工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記寸法情報は、前記複数の寸法取得用パターン間の寸法差を含み、
   前記液浸露光用液体の屈折率は、前記寸法差が小さくなるように調整される
   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。
3. 前記液浸露光用液体の屈折率は、前記液浸露光用液体の温度又は前記液浸露光用液体の移動速度を調整することによって調整される
   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。
4. 前記所定面は、フォトレジスト膜を有する基板の表面であり、
   前記寸法取得用パターンは、前記基板の表面に投影されたパターンに基づいて実際に形成されたフォトレジストパターンである
   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。
5. 前記所定面は、基板保持ステージの表面であり、
   前記寸法取得用パターンは、前記基板保持ステージの表面に投影されたパターンの光学像に基づいて予測されたパターンである
   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。

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