JP3880165B2

JP3880165B2 - 走査型露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法

Info

Publication number: JP3880165B2
Application number: JP31272997A
Authority: JP
Inventors: 光弥佐藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2017-10-29
Also published as: JPH11135410A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は走査型露光装置及びそれを用いたデバイス製造方法に関し、ＩＣ、ＬＳＩ、ＣＣＤ、磁気ヘッド、液晶パネルなどのデバイスを製造する為のリソグラフィー工程において、第１物体としてのレチクル（マスク）と第２物体としてのウエハとの双方を同期して走査（スキャン）することによってレチクル面上のパターンをウエハ面上に順次走査投影露光して高集積度のデバイスを製造する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体ウエハの微細加工技術の中心をなす投影露光装置としてマスクのパターン像を屈折光学系により感光基板上に形成し、感光基板をステップアンドリピート方式で露光する縮小投影露光装置（ステッパー）や高解像力が容易に得られ、且つ画面サイズを拡大できるステップアンドスキャン方式の走査型露光装置（露光装置）等が種々と提案されている。
【０００３】
この走査型露光装置では、レチクル面上のパターンをスリット状光束により照明し、該スリット状光束により照明されたパターンを投影系（投影光学系）を介し、スキャン動作によりウエハ上に露光転写している。
【０００４】
従来のスキャン方式の半導体素子製造用の露光装置におけるレチクル像面とウエハ面とのフォーカス方向の位置合わせは、スキャン露光（走査露光）中に、露光領域のスリット位置において、レチクル像面の平均的位置を検出し、この平均的位置とこれに対応するウエハ上面の露光領域の平均的位置を一致させる様に、ウエハを保持しているウエハチャックの高さと傾きを変えて行っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体素子の製造工程においては、半導体素子のより一層の微細化が進んでおり、これに伴い、レチクル像面とウエハ面とのフォーカス方向の位置合わせもより一層厳しい性能を要求される様になってきている。
【０００６】
スキャン方式の露光装置は従来の１ショット領域を露光するのに、より小さなスリット領域のみを使用する為、従来の一括露光方式の半導体露光装置よりも、より正確なフォーカス合わせできる。
【０００７】
しかしながら、スキャン方式の半導体露光装置においても、高ＮＡ化等により、近年より一層正確な、フォーカス合わせが要求される様になってきており、従来の方法では十分なフォーカス合わせ性能を達成することが困難になってきている。
【０００８】
図５は、従来の走査型露光装置におけるフォーカス合わせ方法の説明図である。このうち図５（Ｂ）はウエハ表面の高さを表現したものである。図中３１、３２、３３はそれぞれ移動するウエハ上面の露光領域を表わしている。また、４１、４２、４３はそれぞれ、上記露光領域３１、３２、３３に対応するレチクル像面を表している。また、平面ＧＦはウエハのグローバルフォーカス面（後述）である。
【０００９】
スキャン方式の露光装置におけるフォーカス合わせは、スキャン動作中に上記、レチクル像面４１、４２、４３と、ウエハ上の露光領域３１、３２、３３とが一致する様にウエハの高さと傾きを変えて行っている。
【００１０】
ところが、図５（Ｂ）に示す様に、ウエハ上面の露光領域、３１、３２、３３もしくは、レチクル像面４１、４２、４３が単純平面でない場合には、従来の方法では正確なフォーカス合わせができなかった。
【００１１】
本発明は、精度良くフォーカス合わせができ、高集積度の半導体デバイスを容易に製造することができる走査型露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の走査型露光装置は、スリット形状の照明領域で第１物体面上のパターンを照明し、該第１物体面上のパターンを投影光学系により、レジストが塗布された第２物体面上に投影し、該第１物体と該第２物体とを該投影光学系の投影倍率に対応した速度比で同期させて該スリットの幅方向に走査させながら前記第２物体を露光する走査型露光装置において、該露光中に、走査される前記第２物体を照明するスリット光領域のうち、該第２物体の走査の方向における後半部内に制限された領域において、前記第１物体の像面と前記第２物体との光軸方向の位置合わせを行うことを特徴としている。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記スリット光領域のうち、さらに、前記第２物体の走査の方向に対し直交する方向において制限された領域内において、前記第１物体の像面と前記第２物体との光軸方向の位置合わせを行うことを特徴としている。
【００１４】
請求項３の発明のデバイスの製造方法は、請求項１または２記載の走査型露光装置を用いてレチクル面上のパターンをレジストが塗布されたウエハ面上に投影する工程を含むことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の走査型露光装置（ステッパー）の実施形態１の要部概略図である。本実施形態では、第１物体としてのレチクル２と第２物体としてのウエハ６とを投影光学系５の結像倍率に応じて同期をとりながら所定の速度比でＹ方向（スリットの幅方向）に走査（スキャン）させながら投影露光を行っている。
【００１８】
図１において、露光パターンの形成されたレチクル２はレーザー干渉計（不図示）と駆動制御手段（不図示）によってＸ方向、Ｙ方向に駆動制御されるレチクルステージ（第１可動ステージ）３に載置されている。レチクルステージ３はＺ方向の位置を投影光学系５に対して一定に保った状態でＸ方向、Ｙ方向に駆動する。４はレチクルステージガイドであり、レチクルステージ３を駆動させるときのガイドをしている。感光基板であるウエハ６はウエハチャック７に吸着保持されている。
【００１９】
ウエハチャック７はＺ方向の位置及び傾きが投影光学系５に対して駆動制御可能なZ・Tiltステージ８に保持されている。Z・Tiltステージ８はレーザー干渉計と駆動制御手段によってＸＹ方向に駆動制御されるＸＹステージ（第２可動ステージ）９に載置されている。
【００２０】
１０はフォーカス検出系でありウエハ６の面位置情報を検出している。１１−１〜１１−３はフォーカス検出系１０により検出されるウエハ６面上の検出対象点、１２はウエハ６上の露光領域（スリット状の露光光束に相当）である。１３はレチクルステージ３をスキャン方向（Ｙ方向）に駆動制御するReticle Drive Moduleである。１４はフォーカス検出系１０からの信号を取り込み、Z・Tilt駆動量演算を行う Focus Detect Moduleである。１５はウエハチャック７をZ・Tilt方向に駆動制御するZ・Tilt Drive Moduleである。１６はZ・Tiltステージ８をＸＹ方向に駆動制御するWafer Drive Moduleであり、スキャン動作にはＹ軸駆動を使用している。１７は走査型の投影露光装置の全体制御を実施するMain CPUである。１８は各種制御パラメータを記憶するMemoryもしくはFileである。１９は各種制御パラメータを入力する為のInput Moduleである。
【００２１】
このレチクル２とウエハ６は投影光学系５を介して光学的に共役な位置に置かれており、不図示の照明形からＸ方向に長いスリット状の露光光束（照明光束）１がレチクル２上に形成されている。このレチクル２上の露光光束１は投影光学系５の投影倍率に比した大きさのスリット状の露光光束（露光領域）１２をウエハ６上に形成するものである。
【００２２】
走査型露光装置は、このスリット状の露光光束１及び１２に対してレチクルステージ３とＸＹステージ９の双方を光学倍率に応じた速度比でＹ方向に動かし、スリット状の露光光束１及び１２がレチクル２上のパターンで転写領域１ａとウエハ６上のパターン転写領域６ａを走査することによって投影露光を行っている。
【００２３】
図２は本発明に係る走査露光におけるスキャン方向（Ｙ方向）部分フォーカス、スリット方向（Ｘ方向）部分フォーカスの原理の説明図である。
【００２４】
点Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４で囲まれる斜線で示す領域Ｗは露光領域１２に位置するウエハ上面、点Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４で囲まれる領域Ｒは上記領域Ｗに対応すべきレチクル像面である。
【００２５】
点Ｗ１２、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ３４で囲まれる領域Ｗａは本発明で提案しているスキャン方向部分フォーカスを実施するウエハ上面の領域の一例である。点Ｒ１２、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ３４で囲まれる領域Ｒａは本発明で提案しているスキャン方向部分フォーカスを実施するレチクル像面の領域の一例である。
【００２６】
点Ｗ１２ａ、Ｗ２ａ、Ｗ３ｒ、Ｗ３４ｒで囲まれる領域Ｗｂは本発明で提案しているスキャン方向部分フォーカスと、スリット方向部分フォーカスを実施するウエハ上面の領域の一例である。点Ｒ１２ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ｒ、Ｒ３４ｒで囲まれる領域Ｒｂは本発明で提案している、スキャン方向部分フォーカスと、スリット方向部分フォーカスを実施するレチクル像面の領域の一例である。
【００２７】
平面ＧＦはウエハ６のグローバルフォーカス面（後述）である。
【００２８】
図３はウエハ６面に塗布したレジストへの感光現象の説明図である。同図において、２０は空間的な光エネルギー強度、２１はレジスト、波形２２−１、２２−２、２２−３、２２−４は各々レジスト２１内での感光現象が進行する様子を示している。
【００２９】
図４（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係るスリット方向部分フォーカスの説明図である。２３は１スキャン動作で露光されるウエハ上面の領域２４は上記領域内のスリット方向部分フォーカス実施領域、２５は上記領域内２３のスリット方向部分フォーカス実施領域であるが、スキャン動作途中にスリット方向部分フォーカスの実施領域を変更した一例である。
【００３０】
次に本実施形態の各要素について説明する。
【００３１】
（ア）まずレチクル像面の変化について説明する。
【００３２】
スキャン方式の投影露光装置は、図１に示す様に、レチクル２はレチクルステージ３上に保持され、投影レンズ５により、露光領域１に位置するレチクルパターンの一部分をウエハ６上に投影しており、レチクル２とウエハ６を同期して、スキャン動作させることにより、レチクルパターン全体をウエハ上面の１チップ領域に縮小して転写する様になっている。ここで、レチクル２は一般に、非常に高精度に研磨された表面を持っているが、完全な平面ではない。
【００３３】
また、レチクル２はレチクステージ３に保持されているが、レチクル保持機構はレチクル２の周辺部を保持する為、レチクル２は一般に自重により、中央部がたわむ様な変形をする。また、レチクル２をスキャンさせるレチクルステージガイド４は、ウエハ６をスキャンさせるＸＹステージ９と完全に平行ではなく、微小な傾きを持っている。
【００３４】
また、レチクルステージ３はそれ自体で完全な直線運動をできる訳ではなくレチクルステージガイド４のたわみ、２本のガイド間のねじれ等により複雑な動きをする。
【００３５】
以上の各種要因から、図５で既に説明した様に、レチクル２の像面は、スキャン位置によりその高さ、傾きを変化させるレチクル像面となっている。このレチクル像面の変化を正確に計測し、実際の露光動作時に補正を行い、スキャン方式の投影露光装置を構成している。
【００３６】
（イ）次に本実施形態において適用可能な上記レチクル像面の計測方法について説明する。
【００３７】
本実施形態では次の２つの方法が適用できる。
【００３８】
（イ−１）テストレチクル法
レチクルステージ３上にフォーカス計測マークを有するテストレチクルを位置させ、投影レンズ５の下に、超平面ウエハを位置させる。そしてテストレチクルの位置を、レチクルステージ３により、スキャン方向に５〜１０ｍｍ間隔づつ移動させながら静止露光を行う。なお、各位置ごとに、微小にフォーカス位置を変えながら、スキャン方向に１０μｍ程度づつ移動させて、複数回の露光を行う。
このとき得られたウエハの現像結果より、レチクルステージ３の各位置に対するレチクル像面の位置を求めている。なお、静止露光を実施するスリット位置に、超平面ウエハを送り込む前に、スリット位置近傍に配置してあるフォーカス検出機能により、ウエハ上面の高さ、傾きを予め計測しておき、上記計測結果から、フォーカス検出系１０の原点に対するレチクル像面位置が明確に解る様にしている。
【００３９】
（イ−２）ユーザレチクル法
内容的にはテストレチクル法と同等であるが、実際のレチクルを用いた測定である。テストレチクル法の精度を上げる為に使用する。計測結果は、計測に用いたレチクル固有のものとなるため、レチクル毎の固有なデータとして使用する。
（ウ）次に露光対象面であるウエハ上面の変化について説明する。
【００４０】
ウエハ６は搬送機構（不図示）により、ウエハチャック７上に置かれると、その中心付近と周囲数点の高さをフォーカス検出系１０により計測し、その平均的平面を求める。
【００４１】
この求めた平均的平面をグローバルフォーカス面（略称ＧＦ）という。
【００４２】
このグローバルフォーカス面ＧＦを求めた後、このグローバルフォーカス面ＧＦを、平均的レチクルフォーカス面に一致する様にZ・Tiltステージ８により送り込む。その後、レチクルとウエハとの光軸と直交する平面内でのアライメント計測を経て、露光対象面であるウエハ上面の最初の１チップ領域がスキャン露光が実施されるスリット位置に移動し、スキャン露光に入る。但し、スキャン露光に入る直前に、スリット位置近傍に配置してある、フォーカス検出系１０により、その高さと傾きが計測させる様になっている。ここで計測された各ウエハ上面のフォーカス位置は、グローバルフォーカス面ＧＦを基準とした、より小さな領域のフォーカス面であり、ローカルフォーカス面という。
【００４３】
このローカルフォーカス面は、一般にスキャン方向とスリット方向に独立な変化を示す為、単純平面とはならない。
【００４４】
（エ）次にレチクル像面とウエハ上面のフォーカス合わせについて説明する。
【００４５】
スキャン方式の投影露光装置におけるフォーカス合わせは、上記、スキャン動作によりその位置をかえるレチクルフォーカス面と、上記、グローバルフォーカス面ＧＦ基準で計測した、ローカルフォーカス面をスキャン露光動作中、一致する様にウエハ６を保持しているウエハチャック７をZ・Tiltステージ８により駆動することにより行っている。
【００４６】
（オ）次に本発明に係るフォーカス合わせについて説明する。
【００４７】
項目（ウ）で述べた様に、上記ローカルフォーカス面は一般に単純平面とはならない。図２は、図５の一部を拡大したものであり、従来の方法では、レチクルフォーカス面（領域Ｒ）とローカルフォーカス面（領域Ｗ）の全面でのフォーカス合わせを実行していた。
【００４８】
この場合には、図２からも明らかな様に、スキャン方向（Ｙ方向）、スリット方向（Ｘ方向）に大きなフォーカス合わせ誤差が発生していることが解る。
【００４９】
そこで、本発明では、下記の２通りのフォーカス合わせ方法を実行している。
【００５０】
（オ−１）スキャン方向部分フォーカス方法
ウエハ６上面のレジスト２１は、スリット露光領域を通過する間に、パターン露光を、連続的、もしくは断続的に受けて、パターン転写が進行していく。ここで、パターン転写は、図３の波形２２−１、２２−２、２２−３、２２−４で示す様に、レジスト２１の表面からレジスト２１の下面に向かって進行していく。
【００５１】
レジスト２１内部の感光剤の分解と、それによる透過率の増加の繰り返しによるコントラスト強化現象と考えられる。ここで、レジスト２１の厚みは、ほぼ１μｍ程度であり、また、投影レンズ５の焦点深度も、ほぼ１μｍ程度である。
【００５２】
この様なパターン転写においては、レジスト２１の表面部においてフォーカスが合っていることも重要であるが、レジスト２１下面近傍において、より正確に、フォーカスが合っていることがより重要となる。
【００５３】
そこで、本発明においては、スリットのスキャン方向（幅方向、Ｙ方向）の後半部の所定のスリット幅で制限される走査領域においてフォーカス合わせを実行している。この様子を図２において説明する。
【００５４】
本発明に係るスキャン方向部分フォーカスでは、ウエハ上面の領域Ｗａと、レチクル像面の領域Ｒａとのフォーカス方向の位置合わせをスキャン動作中に実行している。この場合、図２からも明らか様に、フォーカス方向の位置合わせ誤差を従来方法に比較して十分小さくすることが可能となる。
【００５５】
なお、本発明の投影露光装置は上記、フォーカス合わせを実行する後半部の位置と幅は任意に設定可能となっており、露光工程の各種パラメータの指定を行う、ジョブファイルからも指定可能な様になっている。
【００５６】
（オ−２）スリット方向部分フォーカス方法
ウエハ６上面の１チップ領域は、常にスリット方向（Ｘ方向）に対して一様なフォーカス合わせ精度を要求している訳ではない。１チップ領域周辺には、ボンディングパッド等、中心部に比較して、フォーカス合わせ精度要求があまり高くない場合がある。また、半導体素子によっては、１チップ領域内においても、フォーカス合わせ精度要求に差がある場合がある。
【００５７】
そこで、本発明においては、スリット方向（Ｘ方向）の任意の位置と幅で制限される走査領域（スリットの長さで規制される走査方向と直交する走査領域）において、フォーカス合わせを実行している。又、図４（Ｂ）に示すようにスリット方向のフォーカス検出領域を走査露光中に変更可能としている。この様子を図２において説明する。なお、ここでは、上記、スキャン方向部分フォーカスと併用した場合の説明を行う。
【００５８】
本発明のスキャン方向部分フォーカスでは、ウエハ６上面の領域Ｗｂと、レチクル像面の領域Ｒｂとのフォーカス方向の位置合わせをスキャン動作中に実行している。この場合、図２からも明らかな様に、フォーカス方向の位置合わせ誤差を従来方法に比較して十分小さくすることが可能となる。
【００５９】
なお、本発明の投影露光装置は上記、フォーカス合わせを実行するスリット方向の位置と幅は任意に設定可能となっており、露光工程の各種パラメータの指定を行う、ジョブファイルからも指定可能な様になっている。
【００６０】
次に上記説明した走査型露光装置を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。
【００６１】
図６は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或は液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。
【００６２】
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。
【００６３】
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前行程と呼ばれ、前記用意したマスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
【００６４】
次のステップ５（組立）は後行程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。
【００６５】
ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００６６】
図７は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。
【００６７】
ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。
【００６８】
ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００６９】
本実施例の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを製造することができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、精度良くフォーカス合わせができ、高集積度の半導体デバイスを容易に製造することができる走査型露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法を達成することができる。
【００７２】
特に、レチクル像面、及びウエハ上面の１チップ露光領域が単純平面でない場合でも、レジスト下面近傍において、従来の方法に比較して、より正確なフォーカス合わせができる（スキャン方向部分フォーカス）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】図１の一部分の拡大説明図
【図３】図１の一部分の拡大説明図
【図４】実施形態１の別形態例を示す説明図
【図５】図１のレチクル像面とウエハ面との関係を示す説明図
【図６】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【図７】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【符号の説明】
１スリット光束
２第１物体（レチクル）
３レチクルステージ
５投影レンズ
６ウエハ
７ウエハチャック
１０フォーカス検出系
１２露光領域

Claims

スリット形状の照明領域で第１物体面上のパターンを照明し、該第１物体面上のパターンを投影光学系により、レジストが塗布された第２物体面上に投影し、該第１物体と該第２物体とを該投影光学系の投影倍率に対応した速度比で同期させて該スリットの幅方向に走査させながら前記第２物体を露光する走査型露光装置において、該露光中に、走査される前記第２物体を照明するスリット光領域のうち、該第２物体の走査の方向における後半部内に制限された領域において、前記第１物体の像面と前記第２物体との光軸方向の位置合わせを行うことを特徴とする走査型露光装置。
前記スリット光領域のうち、さらに、前記第２物体の走査の方向に対し直交する方向において制限された領域内において、前記第１物体の像面と前記第２物体との光軸方向の位置合わせを行うことを特徴とする請求項１の走査型露光装置。
請求項１または２記載の走査型露光装置を用いてレチクル面上のパターンをレジストが塗布されたウエハ面上に投影する工程を含むことを特徴とするデバイスの製造方法。