JP4230676B2 - 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

Description

【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１０−１８９４２７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２０００−３６６９０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＞Ｍλ／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３３ａ、−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３３ａ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３３ａ、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Ｍ_a、−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Ｍ_bとする。そして、得られた露光量Ｍ_a及びＭ_b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Ｉ_bとすると、Ｉ_a：Ｉ_b＝１／Ｍ_a：１／Ｍ_bとなる。例えばＭ_a：Ｍ_b＝９：１０であった場合、回折光強度の比Ｉ_a：Ｉ_b＝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Ｉ_a及びＩ_b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１０：９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Ｍ_a及びＭ_bに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１１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＝０．７５、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１４０１の一括露光領域１４０２内に回折パターン１４０３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、１５０４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１５０６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１０μｍ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１６０２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ＤＲＡＭ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

Claims (11)

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. 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. 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. 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. 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. 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１乃至６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。
8. 請求項７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。
9. 請求項１乃至６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。
10. 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９に記載の露光装置。
11. 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９に記載の露光装置。

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