WO2004044968A1 - 露光装置、露光方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、マスクパターンの電子線描画データの補正だけでは低減できないパターン位置誤差を露光時において補正することができる露光装置、露光方法および半導体装置の製造方法を提供するものである。本発明では、露光時に対し反転した姿勢でマスクのパターン位置Ｒ２を測定し（ステップＳＴ７）、測定されたパターン位置Ｒ２に対し露光時の姿勢における重力によるパターン変位を考慮した補正を行い、補正された補正パターン位置の設計データからの差に基づいて第１の補正データΔ１を作成し（ステップＳＴ１０）、第１の補正データΔ１に基づいて、荷電粒子ビームを偏向させて被露光体に露光されるパターンの位置を補正して露光を行う（ステップＳＴ１３）。

Description

明 糸田 書 露光装置、 露光方法および半導体装置の製造方法 技術分野

本発明は、 例えば、 半導体装置の製造において使用される露光装置、 露光方法 および当該露光方法を用 、た半導体装置の製造方法に関する。 背景技術

電子線ゃィォンピーム等の荷電粒子を用いたリソグラフィ技術が次世代リソグ ラフィとして開発が進められている。 このリソグラフィ技術に用いられるマスク では、 マスクブランクス （マスクのもとになる基板） を裏面側から深くエツチン グすることにより、 厚さおよそ 1 O n mから 1 0 の薄膜領域 （メンプレン） が形成され、 そのメンプレンに転写すぺきパターンが配置される。

これらのマスクは機械的剛性の低 、メンプレン領域を有するため、 位置精度の 高いパターンを形成する方法だけでなく、 マスクの歪を計測し、 その情報を利用 して位置誤差を補正する技術が重要である。

例えば、 電子線転写リソグラフィ （E P L ) においては、 梁構造を有するステ ンシルマスクが用いられるが、 梁上に形成されたマークをレーザー干渉式座標測 定器で測定し、 計測されたマスク歪を電子光学系で補正する方法が提案されてい る ο

し力、し、 後述の通り、 重力によるマスク変形の影響は考慮されていない。 さら に、 仮に計測されたマスク歪データに対して、 重力の影響を数値処理で算出する としても、 マスク形状の個体差、 固定方法の再現性、 あるいは座標測定器と露光 装置によるマスクの固定方法の差異が考慮されていない。

一方、 近接 X線リソグラフィー （P X L ) においては、 マスクの変形をあらか じめ E B描画の時点で補正する方法が握案されている （特闢平 8— 2 0 3 8 1 7 号公報参照） 。

しかしながら、 この方法では不可避的にマスクを 2枚製作しなくてはならず、 製造時間、 手間、 およびコストの観点から望ましくない。 P X Lマスクの歩留を 考慮すれば、 一つのマスクを完成させるために、 複数枚以上の試作を繰り返す必 要もある。 実際、 この方法による P X Lマスクの製造は広く普及するに至ってい ない。

フォトリソグラフィにおいてもマスクの重力変形は認識されているが （特開平 6 -〗 8 2 2 0号公報参照）、 マスク固定方法の改善などハードウエア的な対策 が提案されているのみである。 発明の開示

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、 その目的は、 マスクパター ンの電子線描画データの補正だけでは低減できないパ夕ーン位置誤差を露光時に おいて補正することができる露光装 fiおよび露光方法を提供することにある。 また、 本発明の他の目的は、 上記の露光方法を用いた半導体装置の製造方法を 提供することにある。

上記の目的を達成するため、 本発明の露光装置は、 露光時に対し反転した姿勢 でのマスクのパターン位置に対し、 前記露光時の姿勢における重力によるパター ン変位を考慮した補正を行 、、 補正された補正パタ ^ン位置の設計デー夕からの 差に基づいて第〗の補正データを作成する補正データ作成手段と、 前記第〗の補 正データに基づいて、 荷電粒子ビームを偏向させて被露光体に露光されるパター ンの位置を補正して露光を行う荷電粒子ビーム照射手段とを有する。

上記の目的を達成するため、 本発明の露光方法は、 露光時に対し反転した姿勢 でマスクのパタ一ン位置を測定する工程と、 前記測定された前記パ夕一ン位置に 対し前記露光時の姿勢における重力によるパターン変位を考慮した補正を行 \ 捕正された補正パターン位置の設計デー夕からの差に基づ t、て第 1の補正データ を作成する工程と、 前記第 1の補正データに基づいて、 荷電粒子ビームを偏向さ せて被露光体に露光されるパターンの位置を補正して露光を行う工程とを有する o

上記の目的を達成するため、 本発明の半導体装置の製造方法は、 マスクを介し て荷電粒子線を照射することにより、 半導体装置にパターンを転写する露光工程 を有する半導体装置の製造方法であって、 前記露光工程において、 露光時に対し 反転した姿勢でマスクのパターン位置を測定する工程と、 前記測定された前記パ ターン位置に対し前記露光時の姿勢における重力によるパターン変位を考慮した 補正を行 t、、 補正された補正パターン位置の設計データからの差に基づ t、て第 1 の補正データを作成する工程と、 前記第 1の補正データに基づいて、 荷電粒子ビ ームを偏向させて被露光体に露光されるパターンの位置を補正して露光を行うェ 程とを有する。 図面の簡単な説明

図 1 Aおよび図 1 Bは、 本実施形態に係る露光方法の適用対象となるマスクの 断面図であり、 図 1 Aはステンシルマスクの断面図、 図 1 Bは散乱メンプレンマ スクの断面図である。

図 2 Aおよび図 2 Bは、 本実施形態に係る露光方法の適用対象となるマスクの 詳細な構造の一例を示す図であり、 図 2 Aは平面図、 図 2 Bは斜視図である。 図 3 A〜図 3 Cは、 E B描画機によるパターン位置精度評価結果を示す図であ り、 図 3 Aは理想的なパターン、 図 3 Bは実際に描画されたパターン、 図 3 Cは 座標測定器による測定デー夕を示す図である。

図 4 Aはマスク製造プロセスにおけるマスクの姿勢を示す図であり、 図 4 Bは 露光時のマスクの姿勢を示す図であり、 図 4 Cはマスクのたわみによりパターン が変位するメカ二ズムを説明するための図である。 図 5は、 本実施形態に係る露光装置および露光方法を説明するための図である 図 6 A〜図 6 Cは、 テスト用マスクによりパターン伝達関数を求める工程を説 明するための図である。

図 7は、 露光装置により荷電粒子ビームを偏向させる様子を示す図である。 図 8は、 本実施形態に係る露光方法を実施する露光装置の一例を示す構成図で のる o

図 9 Aは図 8の露光装置に使用されるマスクの詳細な一例を示す平面図であり 、 図 9 Bは露光領域の拡大図である。

図】 O Aはステンシルマスクの重力による変形を示す図であり、 図 1 0 Bは変 形によるパターン変位量を示す図である。

図 1 1 Aおよび図】 I Bは、 ステンシルマスクの測定用パターンの配置可能領 域を説明するための図である。

図 1 2 Aおよび図 1 2 Bは、 露光時偏向補正データを示す図であり、 図 1 2 A は理想的な偏向データを示し、 図 1 2 Bは実際の偏向データを示す図である。 図 1 3 Aおよび図 1 3 Bは、 本実施形態に係る露光方法の効果を説明するため の図である。 発明を実施するための最良の形態

以下に、 本発明の実施の形態について、 図面を参照して説明する。

本実施形態では、 次世代リソグラフィとして開発が進められている電子線ゃィ ォンビーム等の荷電粒子を用いたリソグラフィに本発明を適用した例につ L、て説 明する。

まず、 本実施形態において適用対象となるマスクについて説明する。

上記のリソグラフィには、 マスクを透過した荷電粒子線を電子 イオン光学系 によりウェハに対し縮小投影するタイプのもの （E P L ： Electron Projection Lithography 、 I P L : Ion Projection Lithographyなど） 、 および、 マスク直 下に近接させたゥ ハに対し結像光学系を介さずにマスクパターンを転写するタ イブのもの （P E L ： Proximity Electron Li thography) がある。

上記の技術に共通なのは、 マスクプランクス （マスクのもとになる基板） を裏 面側から深くエッチングすることにより、 厚さおよそ 1 O n mから 1 0 の薄 膜領域 （メンプレン） を形成し、 そのメンプレンに転写すべきパタ ンを配置す ることである。 転写パタ^"ンがメンプレンの開口により形成されるものはステン シルマスク （例えば、 H, C, Pfeiffer, Jpn, J, Appl, Phys. 34, 6658 (1995) 。 ） 、 金属薄膜など荷電粒子線の散乱体で形成されるものは散乱メンブレンマス ク （例えば、 L. R. Harriott, J, Vac. Sci. Technol. B 15, 2130 (1997) 。 ) と呼ばれる。 ステンシルマスクと散乱メンブレンマスクの断面構造の例を図 1に 示す。

図 1 Aは、 S O I基板を用いて形成されたステンシルマスクの断面図である。 図： I Aに示すステンシルマスクでは、 シリコン基板 1 0上にエッチングストツパ 膜 1 1を介して S O I層からなるメンプレン （薄膜） 1 2が形成されている。 シ リコン基板 1 0およびエッチングストッパ膜 1 1が加工されて梁 1 3が形成され ている。 梁 1 3により区画されたメンプレン 1 2には、 孔によりパターン 1 2 a が形成されている。 エッチングストツパ膜 1 1の膜厚は、 例えば であり、 メンプレン 1 2の膜厚は例えば 2 mである。

図 1 Bは、 散乱メンプレンマスクの断面図である。 散乱メンプレンマスクでは 、 シリコン基板 2 0上に例えば窒化シリコンからなるメンプレン 2 1が形成され ており、 シリコン基板 2 0が加工されて梁 2 2が形成されている。 梁 2 2により 囲まれたメンプレン 2 1上には、 クロム膜 2 3 aおよびタングステン膜 2 3 bか らなる散乱体パターン 2 3が形成されている。 メンプレン 2 〗の膜厚は、 例えば 1 5 0 n mであり、 クロム膜 2 3 aの膜厚は例えば 1 0 n mであり、 タングステ ン膜 2 3 bの膜厚は例えば 5 0 n mである。 図 2 Aは、 図 1 Aあるいは図 1 Bに示すマスクの平面図である。 図 2 Aに示す ように、 マスクの中心に、 孔によるパターン 1 2 aや散乱体パターン 23が形成 された露光領域 Aが設けられる。

図 2Bは、 図 2 Aの露光領域 Aを拡大して示す斜視図である。 上記のマスクは 、 機械的剛性の低いメンプレンを有するため、 マスク領域全面を単一のメンブレ ンで構成するのではなく、 格子状の梁で分割された多数の小画メンプレンから構 成される。 このような梁構造を有するマスクの製造方法として、 KOHなどのァ ルカリ溶液によるゥエツ トエッチングをもちいる方法や反応性イオンエッチング をもちいる方法がある。

次に、 上記のマスクのパターン位置誤差に影響する要因について説明する。 上記のマスクのパターン位置 （I P： Image Placement)の誤差は、 （1) マス ク製造プロセスにおいて生じる誤差、 （2)露光装置にマスクを装着した時に、 マスクが変形することにより生じる誤差、 （3) マスクパターンの粗密により生 じる誤差、 および （4)荷電粒子照射によるマスク加熱やマスクの移動による振 動など、 露光中に生じる誤差の 4つに大別することができる。

上記のうち、 （3) の補正方法として未公開の先行出願がある （特願 2002 - 1 1 9845号参照） 。 （4) に関しては、 数 k eV程度の低速電子線をもち い、 かつ露光中マスクが移動しない PELでは問題にならないと考えられる。 し かし、 1 00 k eVの高速電子線をもちい、 かつ露光中マスクが最大で 0. 2m 程度の加速度を受ける EPLでは問題となり得る。 そのため、 EPLでは、 マスクの冷却機構およびマスクステージ移動シーケンスの最適化など、 装置的 （ ハードウエア的） 対策が必要とされる。

本実施形態では、 上記の （1) と （2) を露光装置の荷電粒子光学系で補正す る方法を述べる。 （1) は更に細かい要因に分類されるが、 主要因はマスクパ夕 ^"ンの EB描画で生じる誤差である。 図 1 Aに示した構造を有するマスク上に格 子状に描画したパターンの位置精度を、 レーザー干渉式座標測定器で測定したデ 一夕例を図 3 A〜図 3 Cに示す。

図 3 Aは、 理想的なパターン配置を示し、 図 3 Bは実際に描画されたパターン 配置を示し、 図 3 Cは座標測定器による測定データを示す。 なお、 図 3 Bのパ夕 ーンの変位は誇張して表示している。

図 3 A〜図 3 Cに示すように、 E B描画機用ゥェハステージの機械的特性など により、 パターン位置 （I P )精度に系統的な誤差が生じていることが分かる。 このような系統誤差は、 図 3 Cのデータを E B描画機の電子光学系にフィードパ ックすることにより低減することができるが、 完全になくすことは難しい。

( 2 ) の主要因は 2つある。 図 4 A〜図 4 Cは、 第 1の要因を説明するための 図である。 なお、 図 4 A〜図 4 Cでは一例としてステンシルマスクを挙げている 図 4 Aに示すように、 ステンシルマスクの製造では、 メンプレン】 2が上向き の状態でメンブレン 1 2上にレジスト Rを塗布し、 当該レジスト Rを電子線によ り直接描画してパターンを形成している。 その後、 当該レジスト Rをマスクとし てメンプレン】 2をエッチングすることにより、 メンプレン 1 2に孔からなるパ ターン 1 2 aを形成している。 そして、 製造されたマスクのパターンの位置精度 の評価は、 図 4 Aと同様に、 マスクはメンブレン側の面を上向きにした状態で行 われる。

一方で、 図 4 Bに示すように、 ゥエーハの露光の際には、 マスクはメンプレン 1 2を下向きにした状態で、 すなわちゥ ーハに対しメンプレン 1 2側が近接し た状態で設置され、 梁〗 3の形成側から電子線が照射される。

このように、 製造およびパタ ン位置測定時に対して露光時のマスクの姿勢が 反転する。 従って、 図 4 Cに示すように、 メンプレン】 2は重力によって撓むた め、 上面側は収縮し、 下面側は伸長する。 図 4 Cの z軸は鉛直方向を示している 。 このような重力変形があることから、 メンプレン〗 2が上向きの状態で正確な 位置にパターンを形成したとしても、 マスクを反転させて露光を行うと、 パター ンの位置がずれてしまう。

ステンシルマスクの重力による変形は有限要素シミユレーシヨンなどによって 定量的に論じられている （E P Lマスクに関しては、 -f. Chen et al，， J. V ac, Sci, Technol, B 19, 2646 (2001)。 P E Lマスクに関しては、 S, Omori e t al，， presented at the forty-sixth International Conference on Electron ， Ion, Photon Beam Technology and Nanofabrication, Anaheim Hi lton, Anahe im, CA, 2002)。

第 2の要因は、 E B描画機と露光装置のマスク固定方法の相違である。 半導体 あるいはマスク製造装置において、 処理される試料 （ウェハやマスクプランクス ) は真空チャック、 静電チャック、 あるいは機械的なクランプなどにより装置内 にしつかりと固定されるが、 その固定方式は装置によってまちまちである。 E B 描画機と露光装置のマスク固定方法が異なる場合、 両者内でのマスクの平面度も 異なるので、 図 4 ( c ) と同じメカニズムでパターンの変位が生じてしまう。 次に、 本実施形態における露光までのフローについて、 図 5を参照して説明す る。 本実施形態のフローでは、 データ処理工程と、 マスク製造プロセスと露光ェ 程とに大別される。

まず、 オリジナルのマスク設計データ （パタ ンの位置を R 0で表す） に、 上 述した重力によるパターン変位を考慮した補正を加えて、 E B描画用データ （パ ターン位置 R 1 ) を作成するデータ処理工程について説明する。 なお、 当該デ 夕処理工程に関しては、 未公開の先行出願特願 2 0 0 2— 0 9 2 6 1 2号に記載 されているのと同様の処理を行うため、 以下に簡単に述べるにとどめる。 本実施 形態では、 これに続くフローにより、 データ処理工程のみでは排除できない誤差 要因を低減させるものである。

まず、 あらかじめ E B描画補正用データを取得するためのテスト用マスクを作 製しておく （ステップ S T 1 ) 。 このマスクは実際のデバイスパターンを含んで いる必要はなく、 図 1 A， 1 Bおよび図 2 A， 2 Bに示したマスク構造が同じで ある限り、 基本的には〗個もしくは再現性を確認するために数個作製するのみで よい。

テスト用マスクは、 図 3 Aに示したように、 レーザー干渉式座標測定器による パターン位置 （I P)精度測定用のパターンをマスク領域全面に含んでいるが、 このパターンは一般に大きさが数は _mから十数 mの単純な形状 （正方形や井桁 形状など） をしており、 その描画、 加工は極めて容易である。 つまり、 テスト用 マスクの製作は、 その数量からも技術的な難易度からも、 生産用マスクの製造を 妨げるものではない。

次に、 図 6 Aに示すように保持手段 30によりメンプレン 12が上向きの姿勢 でテスト用マスク TMを保持して、 このテスト用マスクのパタ ^ン位置 （IP) 精度測定用のパ夕 ンのバタ ン位置 RMを測定する （ステップ ST2)。 露光 時と同じ姿勢、 すなわちメンプレンが下向きの姿勢でパターン位置 （I P)測定 ができれば便利であり、 かつそれは原理的には不可能ではないが、 現在入手可能 な標準的な座標測定器は、 パタ一ン面を上側にして測定するように設計されてい る。 装置の改造は、 コスト増加を招き、 かつ他目的の測長を妨げるので望ましく ない。

次に、 図 6Bに示すように、 露光装置のマスク保持手段 31によりメンプレン 12が下向きとなるようにテスト用マスク TMを保持して、 荷電粒子線を走査す ることにより、 テスト用マスク TM上のパターン位置 （I P)精度測定用のパ夕 ーンをレジスト Rが塗布されたウェハ 40に転写する。 続いて、 図 6 Cに示すよ うに、 現像後に形成されたレジストパターンをマスクとしてェツチング加工を施 し、 ウェハ上にも同じパターンを形成する （ステップ ST3) 。 このウェハ上の パターン位置 RWも座標測定器で測定する （ステップ ST4)。

そして、 マスクパターン描画時の姿勢と露光時の姿勢での重力変形によるパ夕 ーン位置の変化をパターン位置伝達関数 F' として求める。 このパターン位匱伝 達鬨数 F' は、 RW=F' 〔RM〕 となる。 従って、 露光時の姿勢で設計データ 通りの位置にマスクパターンが配置されるように伝達関数 F ' の逆関数であるパ 夕 ン位置伝達関数 Fを使用する。

テスト用マスクのパターン位置 R Mとウェハ上の転写パターン位置 RWが異な る主な原因は、 上述した逋り、 マスクの重力によるグロ一パルな変形なので、 パ ターン伝達関数 Fによる補正は個々のマスクパターンに依存せず、 したがって、 あらゆる生産用マスクに普遍的に適用できる。 このようにしてテスト用マスクを 用いて求められた伝達関数 Fにより、 オリジナルのマスク設計データ R 0は補正 マスクデータ R】に変換される （ステップ S T 5 )。

次に、 マスク製造プロセスについて説明する。

マスク製造プロセスにおいては、 マスクプランクス上に E B描画機によって捕 正マスクデ 夕 R 1が描画され、 続くエッチング工程により、 図 1に示すような ステンシルパターンあるいは散乱体パターンが形成され、 洗诤ゃ検査の工程を経 てマスクが完成する （ステップ S T 6 ) 。

完成したマスクに対して、 テスト用マスクのパターン位置 R Mを測定した時と 同じ姿勢かつ同じ固定方法で、 マスクのパターン位置 R 2を測定する （ステップ S T 7 ) 。 ここで、 生産用マスクの場合、 パターン伝達関数 Fを得るためのテス ト用マスクのように、 マスク領域全面にパターン位置 （ I P ) 精度測定用のパ夕 ーン （以下、 単に測定用パターンと称する） を配置することはできない。

生産用マスクに対する測定用パターンの配置例は後述するが、 次の 4つの方法 あるいはそれらの組み合わせが可能である。 一つは、 図 2のような梁構造を有す るマスクの場合、 梁上に測定用パタ ンを形成することにより、 マスク領域全面 にわたり、 充分な数の測定用パ夕ーンを配置する方法がある。

2つめは、 フォ トマスクの長寸法精度保証方法と同様に、 いわゆるスクライブ ラインと呼ばれている、 実際に動作するデバイス領域の周囲にあり、 ァライメン トマーク、 製造プロセスモニター用パターン、 デバイス特性測定用パタ^"ンなど を配置する領域内に測定用パターンを配匱する方法がある。 この方法では、 マス ク領域全面に測定用パターンを配置することができない。 しかし、 マスクのグロ 一バルな変形は位置に対して緩やかに変化する関数である。 そのため、 スクライ プライン上の測定用パターンの位置を低次の関数で補間することで、 精度を損な うことなくマスクのパターン位置 （I P)精度が分かる。

3つめは、 デバイス領域中の支障のない位置に測定用パターンを配置する。 デ バイスの積層構造の中で、 当該マスクに対応する層 （レイヤー） の前後のレイヤ 一にもパターンが存在しない領域であれば、 原理的には測定用パタ ンを配置す ることができる。 このような領域は、 当該レイヤーおよびその前後のレイヤーに 相当する 3つのマスクデータに対して、 OR演算を施すことによって見出すこと ができる。 '

4つめは、 マスク領域の周囲にマークを配置する。 図 2Aに示すように、 荷電 粒子線により露光される露光領域 Aの周辺はメンプレンを支持する基板領域なの で、 自由に測定用パターンを配置することができる。

マスクのパターン位匱 （ I P)の誤差 5Rは、 実測値 R 2と補正マスクデ一夕 R 1との差分により求められ評価される （ステップ ST8， ST 9) 。 この誤差 6 Rがマスク製造プロセスに起因する誤差であり、 許容値を超えている場合は、 マスクを再作製する必要がある。

しかしながら、 荷電粒子線をもちいたリソグラフィ （EPL、 I PL、 PEL など） が適用される世代の半導体デバイスは、 回路最小線幅が 9 Onm以下の極 めて微細なものになると考えられ、 したがって、 マスクに要求されるパターン位 置 （I P)精度も非常に厳しくなる。

とりわけ PELでは、 実際のデバイスと同じサイズのパターンをマスク上に形 成しなくてはならない。 現在の EB描画機の性能を考慮すると、 I TRSロード マップなどに提示されている δ Rの許容値をそのまま適用すると、 マスクの歩留 は極端に低くなってしまう恐れがある。

本実施形態では、 荷電粒子線が電磁場レンズにより極めて高精度に偏向可能で あるという、 光子をもちいたフオトリソグラフィにはない優れた特徵に注目し、 マスク歪 （パターン位置誤差 5R) の一部を露光装置の副偏向機能によってその 場で補正する。 従って、 マスク製造における I P誤差 5 Rの許容値を緩和し、 マ スクの歩留を大幅に向上させることができる。 これによりマスクの価格が低くな り、 半導体製造コスト全体の低減につながる。

ステップ ST 9において、 緩和されたある許容値をクリアしたマスクに対して は、 露光時の補正用のデータ Δ〗が作成される。 メンプレンが上向きの状態で R 2の位置にあるパターンは、 露光姿勢においては位置 F 〔R2〕 に変位すると考 えられるので、 A1 =F 〔R2〕 一 R0が第 1の補正データとなる （ステップ S T 1 0)

上記の第 1の補正データは、 本発明の補正データ作成手段により作成される。 補正データ作成手段は、 上記の演算処理のためのプログラムがデータ処理装置に 読み込まれることにより実現される。

製造されたマスクのパターンの位置精度を測定し、 そのデータを電子光学系に フィードバックすることにより、 マスク歪を補正して露光を行う方法は、 例えば EPLに限定された形で提案されている （L, E. Ocola et al，， J. Vac, Sci, T echnoL B19, 2659 (2001) ) 。 しかし、 従来の方法においては、 パターン位置 (I P)測定時と露光時におけるマスク姿勢の反転がパターン位置 （I P) にお よぼす影響 （図 4C参照） が全く考慮されておらず、 いわば R 2— R0を補正デ 一夕としてもちいている。

姿勢の反転は数十 n m以上のパタ一ン変位を生じることが指摘されていること からも （前出： - f, Chen et al., J, Vac, Sci. Technol, B 19, 2646 (2001 ) ) 、 従来技術が正しく機能しないことは明らかである。 本実施形態では、 パ夕 ーン位置伝達関数をあらかじめ算出し、 EB描画捕正 （図 5の R0から R1) だ けでなく、 マスク製造プロセスにより生じる誤差の補正にも有効に活用している 点に特徴がある。 また、 次に述べるように、 マスク形伏の個体差に起因するパ夕 —ン位置伝達関数の誤差をも補正することができる。 これは、 これまで全く着目 されたことのない点である。

パターン位置 （I P)精度測定の終了したマスクは露光装置に装着される。 露 光開始前に、 マスクの高さ W (x, y)が位置の関数として測定される （ステツ プ ST 1 1)。 ここで （x， y) はマスク平面の座標である。 高さ測定は、 レー ザ 干渉計 （A, Ehrmann et al.₍ SPIE 8997, 385 (2000)) や静電容量センサー (M, Oda et al，， Jpn. J, Appl. P ys. 34, 6729 (1995) ) 等のマスク形状測定 手段により行われる。 後述する露光装置のマスクステージは極めて高精度なので 、 例えば、 マスクステージを移動させながら、 マスクに近接させた静電容量セン サ一によりセンサーとマスク間の距離を測定すれば、 W Cx, y)を正確に得る ことができる。

なお、 上記の測定は必ずしも露光装置内において行う必要はなく、 上記の測定 手段を有する独立した装置を製作して使用することも可能ではあるが、 先に述ぺ た通り、 露光装置と可能な限り同じマスク固定方法、 もしくは、 少なく とも同等 の平面度を保証する方法を採用しなければならない。

マスク表面の形状 Wが、 伝達関数 Fを求めるために利用したテスト用マスクの 形状 Wr e f (これもあらかじめ測定しておく） と同一ならば、 第 1の補正デー 夕 Δ1以外は必要ない。 しかし、 マスクの形状には一般に個体差が存在する。 例 えば、 図 1 Aのステンシルマスクは SO Iウェハから作製されている。 SO Iゥ ェハは、 埋め込み酸化膜であるエッチングストツパ膜の数百 MP aもの強い圧縮 応力により、 数十 mも反っている場合があり、 しかもその反り量は SO Iゥェ ハごとに異なっている。

従って、 図 5に示すように、 マスク形状の個体差に起因するパターン位置 （I P)誤差を第 2の補正デ 夕 Δ2として算出する （ステップ ST 12)。 第 2の 補正データは、 本発明の補正データ作成手段により作成される。 補正データ作成 手段は、 下記に示す処理を行うプログラムがデータ処理装置に読み込まれること によ U Vり一-一-実現される。 高さの変動から第 2の捕正データ Δ 2を作成する方法は 2つ ある。 以下 - - h 2 h 2に、 捕正データ作成手段による第 2の補正データ Δ 2を作成する方法 について説明する。

一つめは、 図 4 Cからも示唆されるように、 パターンの変位はマスク面の局所 的な勾配と鬨連付けられる。 材料力学の文献 （例えば、 S. P. Tiraoshenko and S . Woinowsky-Krieger, "Theory of Plates and Shel ls. " ) によると、 平板の微 小たわみに対しては次の関係が成立する

上記式 （1 ) において、 uと Vはそれぞれ X方向と y方向の変位であり、 hは 平板の厚みである。 図 2 Aおよび図 2 Bのような梁構造を有するマスクは、 厳密 な平板とは言えないが、 上記の関係は近似的に成り立っていると考えられる。 し たがって、 上記式 （1 ) の Wを （W— W r e f ) に置き換えることにより、 個々 のマスクの露光時における曲面形状に起因するパターン位匱 （ I P ) 誤差の第 2 の補正データ Δ 2が得られる。 このような演算が、 補正データ作成手段により行 われることにより、 第 2の補正データが作成される。

二つめの第 2の捕正デー夕 Δ 2の作成方法について説明する。

すなわち、 図 6 A〜図 6 Cに示す工程を複数のテス ,ト用マスクに行い、 テスト 用マスクの設計データに対するゥェハに転写されたパ夕一ン R Wの変位 （第 2の 補正データ Δ 2に相当） と、 図 6 Bに示す工程において測定されたテスト用マス クの曲面形状 W r e f との関係を求めておく。

そして、 複数の曲面形状 W r e f に対してそれぞれ複数の第 2の補正データを 用意しておき、 データベース化しておく。 このデータベースは、 本発明の記憶手 段に相当する。

これにより、 生産用マスクの曲面形状 Wを測定した後に、 作成されたデ一夕べ ースから、 最も曲面形状の近いテスト用マスクについて求められた第 2の補正デ 一夕 Δ 2を読み出して利用する。

以上のようにして、 露光時偏向補正用のデータを作成することができる。 ここで、 このような露光時偏向補正用のデータは、 フォ トリソグラフィにおけ るいわゆる 「条件出し露光」 のように、 合わせ精度測定用副尺マークを配置した ウェハにテスト露光を行い、 マスクからレジストに転写された合わせ精度測定用 主尺マークとウェハ上の副尺マークとの相対位置測定 （合わせ精度測定） の結果 からも間接的に知ることができる （ゥェハ上の副尺マークを基準とした相対的な マスク歪しか分からないが） 。 しかし、 このような条件出し作業は、 露光工程の スループッ トを低下させ、 デバイス製造工程全体のコストを増加させてしまうの で、 一般的に好ましくない。

本実施形態では、 マスク製造プロセスで長寸法精度保証のために通常行われて いるパターン位置 （ I P ) 精度測定データ、 および露光装置内で行われるマスク 高さ測定データから、 テスト露光を行うことなく迅速に捕正データを作成するこ とができる。

以上のようにして作成した第〗および第 2の補正データ Δ 1， Δ 2 (露光時偏 向補正データ） は、 荷電粒子露光装置の記憶部に保存される。

そして、 図 7に示すように、 荷電粒子光学系 （荷電粒子ビーム照射手段） の主 偏向レンズにより、 荷電粒子線 Βをマスク Μ上で走査させる時に、 露光時偏向捕 正データに従って副偏向レンズにより荷電粒子線 Βの進行方向を僅かに変化させ ることにより、 マスク歪により正確な位置から変位しているパ夕 ンを、 ウェハ 4 0上の正しい位置に転写する （ステップ S T 1 3 ) 。 なお、 露光時偏向補正デ 一タを別の記憶装置に保存しておき、 露光時に当該記憶装置からオンラインでダ ゥンロードして使用してもよい。 これにより、 マスクに要求されるパターン位置 （ I P ) 精度をある程度緩和で き、 マスクコストの削減と製造時間短縮が実現される。

次に、 上記の露光時偏向補正用データに基づいて、 ウェハに対し露光を行う露 光装置の構成の一例について説明する。 等倍ステンシルマスクをもちいるという 点で、 P E Lマスクに求められるパターン位置 （I P ) 精度は、 E P Lマスクや I P Lマスクのそれよりも厳しいと言える。 そこで、 ここでは本発明の P E Lへ の適用例を説明する。

図 8は、 低加速電圧電子ビーム等倍近接露光装置の電子光学系の概要を示す図 である。 上記の露光装置は、 文献 （T， Utsunii , U. S. Patent No. 5831272 (3 N ovember 1998) ) に記載されている。

図 8に示す露光装置 1 0 0は、 電子光学系として、 電子ビーム 1 0 2を出射す る電子銃 1 0 3と、 電子ビーム 1 0 2を平行化するコンデンサレンズ 1 0 4と、 電子ビーム 1 0 2を制限するアパーチャ 1 0 5と、 電子ビーム 1 0 2が平行なま までラスターまたはべクトル走査モードの何れかで且つステンシルマスク S Mに 垂直に入射するように偏向させる目的を持つ一対の主偏向器 1 0 6， 1 0 7と、 微調を行う目的を持つ一対の微調整用偏向器 1 0 8， 1 0 9と、 装置全体の動作 を制御する制御部 1 1 0とを有する。 制御部も含めた電子光学系 1 0 3〜1 1 0 が、 補正データ作成手段により作成された捕正データに基づいて、 電子ビーム （ 荷電粒子ビーム） を偏向させて露光する荷電粒子ビーム照射手段に相当する。 図 8に示す露光装置においては、 低加速電子が用いられるため、 図 1 Aに示す スチンシルマスク S Mが用いられる。 図 8において、 ステンシルマスク S Tの孔 を透過した電子ビーム 1 0 2により、 ウェハ 4 0上のレジストが露光される。 図 8に示す露光装置では、 等倍露光を採用しており、 ステンシルマスク S S Mとゥ ェハ 4 0は近接して配置される。 ステンシルマスク S Mとウェハ 4 0の間に縮小 投影光学系が存在しないので、 比較的シンプルな構造をしている。

制御部 1 1 0は、 主偏向器 1 0 6， 1 0 7を制御して電子ビーム 1 0 2をステ ンシルマスク SM上で走査させ、 マスクパターンをウェハ 4 0に転写する。 この 露光時において、 露光時偏向捕正用データを読み込み、 微調整用偏向器 1 0 8， 1 0 9を制御して電子ビーム 1 02の方向を僅かに変化させることにより、 マス ク歪により正確な位置から変位しているパターンを、 ウェハ 4 0上の正しい位置 に転写する。 上記の制御は、 予めパターン位置の誤差を示す種々の露光時偏向補 正用データと、 ウェハ 4 0上の正しい位置に転写するための微調整用偏向器 1 0 8, 1 09への印加電圧等の条件との相関関係を求めておけばよい。

なお、 図示はしないが、 ウェハステージとマスクステージとが近接しているの で、 マスクステージの駆動機構を利用して、 ウェハステージ上に設置した静電容 量センサー上でマスクを走査することによって、 マスクの形状を計測することが 可能である。

図 9 Aは、 図 8に示す露光装置に使用されるステンシルマスクの平面図である 図 9 Aに示すステンシルマスクは、 外径 4インチの SO Iウェハから製作され 、 その中心 4 0 mm角に露光領域 A (L = 2 0 mm) が形成されている。 S0 I 層を利用したメンプレンの厚さは 60 O nm、 裏面エッチングの阻止層であるェ ツチングストツパ膜の厚さは 40 0 nmである。

図 9 Bに、 図 9 Aの露光領域 Aの拡大図の一例を示す。

図 9 Bにおいて、 メンプレンサイズ d 1 = 1 05 0 im、 梁の幅 d 2 = 2 00 /Limである。 図 9A， 9 Bに示すように、 露光領域 Aが A 1から A 4の 4つの領 域に分割され、 相補分割されたマスクパタ ンがこれら 4つの領域に適切に分配 、 配置される （I, Ashida, S. Omori and H, Ohnuraa, Proc. SPIB 4754, 847 (2 002)) 。

図 1 OAに、 上記のステンシルマスクの中心 4 Omm角の重力による変形を示 す。 図 1 OAに示すように、 ステンシルマスク中において約 1. 5 /mの高低差 が存在し、 それによつて引き起こされるパターン変位は最大で 44 nmであった 。 ただし、 図 1 O Bに示すように、 マスクのグロ一パルな変形で引き起こされる 変位は位置の緩やかな関数であり、 上述したように伝達関数 Fによつて補正する ことが可能である。

図 1 1 Aに示すようにチップ C hの周囲にスクライブライン SLが配匱され、 図 1 1 Bに示すようにマスクに対してチップ Chが相当するとする。

この場合に、 図 9 Aおよび図 9 Bに示したマスクの一つの領域 A 1〜A4にお いて梁が形成された箇所には他の領域 A 1〜 A 4のパターン形成領域が位置する ことから、 チップ周辺に設定されるスクライプライン SLに、 パターン位置 （I P)精度測定用パターンを形成することができる。 これは補正精度の向上に寄与 する。 なお、 パターン形成領域とは、 メンプレンの領域のうち、 梁が形成されて いない領域と定義する。

補正マスクデ ^タ R 1により製造されたマスクは、 図 5に示したように、 パ夕 ーン位置 （I P)精度測定が行われ （ステップ ST 7)、 位置精度の合否判定が 成される （ステップ ST 8, ST 9)。 合格したマスクに対しては、 第 1の補正 データ Δ 1が算出される （ステップ ST 1 0)。 次にマスクが図 8に示す露光装 置に装着され、 テスト用マスクと同様に静電容量センサーによる高さ測定が行わ れる。 上述したように、 テスト用マスクと当該マスクの形状の差異を第 2の補正 データ Δ 2に変換してもよいし、 パターン位置 （I P)誤差とマスク形状の関係 を記録したデータベースをもちいてもよい。 最終的には、 2つの捕正データの和 をもちいて、 図 8に示す露光装置により露光を行う （ステップ ST 13) 。

以上の本実施形態の効果を図 1 2 A， 1 2Bおよび図 13A， 13Bを参照し て説明する。

図 1 2 Aに示すような補正が必要ない理想的なデ タの場合には、 主偏向器 1 06 , 1 07により電子ビーム 1 02がウェハに対して垂直に走査される。 これ に対し、 図 5のフローで得られた露光時偏向捕正データが図 1 2 Bに示すような データの場合に、 本実施形態では、 さらに微調整用偏向器 1 08， 〗 09により ゥェハに対して当該補正データに基づ 、て角度がつけられて、 ゥェハに対して電 子ビ" "ム 1 0 2が照射される。

上記の露光時偏向補正データをもちいた露光の効果を図 1 3 A， 1 3 Bに示す 図 1 3 Aに示すように、 マスクパターン MPが理想的な格子 Eから歪んでいて も、 図 1 3 Bに示すように露光時の偏向によって、 ウェハ上では精度の高い格子 に修正されて転写される。

以上説明した本実施形態に係る露光装置、 露光方法および半導体装置の製造方 法の効果を以下にまとめる。

まず、 伝達関数によるパターン位置補正により、 マスクのパターン位置精度が 向上し、 デバイスの歩留が増加する。

そして、 マスクに要求されるパターン位置精度を緩和することができ、 マスク 歩留が向上する。 これにより、 マスク価格を下げることができる。

露光装置におけるマスクの高さ測定により、 マスク基板の個体差に起因する誤 差を補正できるので、 基板の平面度に対する仕様を緩和でき、 マスク価格を下げ ることができる。

露光時において荷電粒子ビームの照射角度を露光時偏向補正データに基づいて 変化させてゥェハに荷電粒子ビームを照射することにより、 ウェハ上に転写され たパターンの位置精度が向上し、 デバイスの歩留が増加する。

本発明は、 上記の実施形態の説明に限定されない。

例えば、 図 5のフローは E P Lや I P Lマスクに対してもそのまま適用可能で ある。 E P Lや I P Lにおいては、 マスクとウェハ間は近接していないので、 マ スクの高さ測定には、 図 8に示す露光装匱とは異なる機構が必要である。 また、 パターン位置 （ I P ) 誤差の補正データが同じでも、 電子/イオン光学系がこと なるので、 露光時偏向補正のための装置制御方法は異なる。

その他、 本発明の要旨を逸脱しない範囲で、 種々の変更が可能である。 産業上の利用可能性

本発明の露光装置および露光方法は、 例えば、 半導体装置の製造における荷電 粒子線を用いた露光工程に利用することができる。 また、 本発明の半導体装置の 製造方法は、 掎電粒子線を用いた露光工程を採用する半導体装置の製造に利用す ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 露光時に対し反転した姿勢でマスクのパターン位置を測定する工程と、 前記測定された前記パタ ン位置に対し前記露光時の姿勢における重力に よるパターン変位を考慮した補正を行い、 補正された補正パタ ン位置の設計デ 一夕からの差に基づいて第 1の補正データを作成する工程と、

前記第〗の補正データに基づいて、 荷電粒子ビームを偏向させて被露光体 に露光されるパターンの位置を補正して露光を行う工程と

を有する露光方法。

2 . 予めテスト用マスクを用いて姿勢の反転前後の重力によるパターン変位の 相関を示す伝達関数を求めておき、

前記測定された前記パターン位置に対し前記伝達関数を用いて補正を行う 請求項 1記載の露光方法。

3 . 前記マスクには、 前記披露光体に転写するパターンとは異なる位置精度测 定用パターンが設けられており、

前記マスクのパターン位置を測定する工程において、 前記マスクの前記位 置精度測定用パターンの位置を測定する

請求項 1記載の露光方法。

4 . 前記露光を行う工程の前に、

前記露光時の姿勢における前記マスクの曲面形状を測定する工程と、 前記測定された曲面形状に基づ 、て、 個々のマスクの前記露光時の姿勢で の曲面形状に起因するパターン位匱の変動を示す第 2の補正データを求める工程 とをさらに有し、

前記露光工程において、 前記第 1の補正データと前記第 2の補正データに 基づ t、て、 荷電粒子ビームを偏向させて被露光体に露光されるパターンの位置を 補正して露光を行う

請求項 1記載の露光方法。

5 . 前記第 2の補正データを求める工程は、

予め測定された前記露光時の姿勢におけるテスト用マスクの曲面形状と前 記測定された前記マスクの曲面形状の差に基づ t、て、 前記パタ一ン位置の変動を 示す前記第 2の補正データを求める

請求項 4記載の露光方法。

6 . 前記第 2の補正データを求める工程は、

それぞれ異なる曲面形状をもつ複数のテストマスクを用いて、 露光時の姿 勢におけるバターン位置の変動を示す第 2の補正デー夕を複数作成し、 複数の当 該第 2の補正データをデータベースに蓄積しておき、

測定された前記マスクの前記曲面形状に対し、 最も曲面形状の近 、前記テ スト用マスクについての前記第 2の補正データを前記データベースから読み出し て利用する

請求項 4記載の露光方法。

7 . 前記マスクとして、 ステンシルマスクを用いる

請求項 1記載の露光方法。

8 . 前記荷電粒子ビームとして、 電子線を用いる

請求項 1記載の露光方法。

9 . マスクを介して荷電粒子線を照射することにより、 半導体装置にパターン を転写する露光工程を有する半導体装置の製造方法であって、

前記露光工程において、

露光時に対し反転した姿勢でマスクのパターン位置を測定する工程と、 前記測定された前記パタ一ン位置に対し前記露光時の姿勢における重力に よるパターン変位を考慮した補正を行い、 捕正された補正パターン位置の設計デ 一夕からの差に基づ 、て第 1の補正データを作成する工程と、 前記第〗の補正データに基づいて、 荷電粒子ビームを偏向させて被露光体 に露光されるパターンの位置を補正して露光を行う工程と

を有する半導体装置の製造方法。

1 0 . 予めテスト用マスクを用いて姿勢の反転前後の重力によるパタ ン変位の 相関を示す伝達関数を求めておき、

前記測定された前記パターン位置に対し前記伝達関数を用いて補正を行う

請求項 9記載の半導体装置の製造方法。

1 1 . 前記マスクには、 前記被露光体に転写するパターンとは異なる位置精度測 定用パターンが設けられており、

前記マスクのパターン位置を測定する工程において、 前記マスグの前記位 置精度測定用パタ ンの位置を測定する

請求項 9記載の半導体装置の製造方法。

1 2 . 前記露光を行う工程の前に、

前記露光時の姿勢における前記マスクの曲面形状を測定する工程と、 前記測定された曲面形状に基づいて、 個々のマスクの前記露光時の姿勢で の曲面形状に起因するパターン位置の変動を示す第 2の補正デ タを求める工程 とをさらに有し、

前記露光工程において、 前記第〗の補正データと前記第 2の補正データに 基づ 、て、 荷電粒子ビームを偏向させて被露光体に露光されるパターンの位置を 補正して露光を行う

請求項 9記載の半導体装置の製造方法。

1 3 . 前記第 2の補正データを求める工程は、

予め測定された前記露光時の姿勢におけるテスト用マスクの曲面形状と前 記測定された前記マスクの曲面形状の差に基づ 、て、 前記パ夕ーン位置の変動を 示す前記第 2の補正データを求める 請求項 1 2記載の半導体装置の製造方法。

1 4 . 前記第 2の補正データを求める工程ほ、

それぞれ異なる曲面形状をもつ複数のテストマスクを用いて、 露光時の姿 勢におけるパタ ン位置の変動を示す第 2の補正デ タを複数作成し、 複数の当 該第 2の補正デー夕をデー夕ベースに蓄積しておき、

測定された前記マスクの前記曲面形状に対し、 最も曲面形状の近 、前記テ スト用マスクについての前記第 2の補正データを前記データベースから読み出し て利用する

請求項 1 2記載の半導体装置の製造方法。

1 5 . 露光時に対し反転した姿勢でのマスクのパターン位置に対し、 前記露光時 の姿勢における重力によるパターン変位を考慮した補正を行い、 補正された補正 パ夕ーン位置の設計デ ^タからの差に基づ 、て第 1の補正データを作成する補正 データ作成手段と、

前記第 1の捕正データに基づいて、 荷電粒子ビームを偏向させて被露光体 に露光されるパタ ンの位置を補正して露光を行う荷電粒子ビーム照射手段と を有する露光装置。

1 6 . 前記補正データ作成手段は、 姿勢の反転前後の重力によるパターン変位の 相関を示す伝達関数を用いて、 パタ一ン位置に対し補正を行う

請求項 1 5記載の露光装置。

1 7 . 前記マスクには、 前記被露光体に転写するパタ ンとは冀なる位置精度測 定用パターンが設けられており、

前記捕正デ タ作成手段は、 前記マスクの前記位置精度測定用パターンの 位置に基づいて、 前記第 1の補正データを作成する

請求項 1 5記載の露光装置。

1 8 . 前記露光時の姿勢における前記マスクの曲面形状を測定するマスク形状測 定手段をさらに有し、 前記補正データ作成手段は、 前記測定された曲面形状に基づいて、 個々の マスクの前記露光時の姿勢での曲面形状に起因するパターン位置の変動を示す第

2の補正データをさらに求め、 前記第 1の補芷データと前記第 2の補正デー夕と に基づ ^、て補正データを作成し、

前記荷電粒子ビーム偏向手段は、 前記補正データに基づいて、 前記荷電粒 子ビームを偏向させる

請求項 1 5記載の露光装置。

1 9 . 前記補正データ作成手段は、 予め測定された露光時の姿勢におけるテスト 用マスクの曲面形状と前記測定された前記マスクの曲面形状の差に基づいて、 前 記パタ一ン位置の変動を示す前記第 2の補正データを求める

請求項〗 8記載の露光装置。

2 0 . それぞれ異なる曲面形状をもつ複数のテスト用マスクについて、 露光時の 姿勢でのパタ一ン位置の変動を示す第 2の補正データを複数蓄積する記憶手段を さらに有し、

前記補正データ作成手段は、 測定された前記マスクの前記曲面形状に対し 、 最も曲面形状の近い前記テスト用マスクについての前記第 2の補正デ タを前 記記憶手段から読み出して利用する

請求項〗 8記載の露光装置。