JP5204127B2 - スキャン露光装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ＥＵＶ（極端紫外: Extreme Ultra Violet）リソグラフィなどに好適であり、マスクを用いてスキャン露光を実施するためのスキャン露光装置および半導体装置の製造方法に関する。

半導体集積回路等の半導体装置の製造過程において、微細パターンを基板上に転写する方法としてリソグラフィ技術が用いられている。このリソグラフィ技術には、主に投影露光装置が用いられ、該投影露光装置に装着したフォトマスクを透過した露光光を、基板上のレジストに照射することによりパターン転写が行われる。

近年、デバイスの高集積化やデバイス動作速度の高速化が要求されており、これらの要求に応えるためにパターンの微細化が進められている。この微細化要求に答えるため、露光波長の短波長化などにより、投影像の解像度を向上する努力がなされており、最近では従来の紫外線より１桁以上波長の短い波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光を用いた露光法も検討されている。

また、投影光学系の収差や画角などの観点から、ＥＵＶ露光法を含めた最先端の露光方式としては、ステッパ方式に代わって円弧状の露光領域を走査して露光を行うスキャナ方式が主流として用いられている。

特開２００５−８６１４８号公報

露光光の短波長化に伴って、投影像の分解能は向上するものの、フレアという問題が浮上してきている。このフレアは、多層膜による反射マスクおよび多層膜による反射投影光学系が必須のＥＵＶ露光法において、露光波長の短さも手伝って大きな問題となる。

フレアはいくつかの種類に分類されるが、ＥＵＶリソグラフィを中心に特に大きな問題となっているのがローカルフレアと呼ばれるものである。ローカルフレアは、反射ミラーの表面にごく僅かなラフネスが存在することによって、反射面で露光光が乱反射されるもので、正反射方向以外に迷光を生じさせる原因となる。

なお、上記特許文献１には、反射投影光学系の内部に多数の迷光絞りを組み込むことによって、迷光による像質劣化や解像度の低下を防止することを目的とした極端紫外光学系が提案されている。

図６は、反射マスクに露光光が照射されている様子を示す平面図である。反射マスクを用いたスキャナ装置では、１ショットの露光領域１１は、露光境界１０で区切られた円弧状になる。露光領域１１内での露光点１２ａに着目すると、その露光点１２ａで乱反射によるフレアが生ずると、露光点１２ａを中心として略円形状の光の拡がり１３ａが発生する。別の露光点１２ｂ，１２ｃなどで乱反射が生ずると、同様に、各露光点１２ｂ，１２ｃを中心として略円形状の光の拡がり１３ｂ，１３ｃが発生する。こうした光の拡がりは、散乱光の角度分布として定義できる。

図７は、フレアによるウエハ上での光の拡がりの様子を示すグラフである。横軸は露光点を原点０として面内方向の位置を示し、縦軸は光量を示す。このグラフから、露光点に光量のピークが位置し、露光点からの距離の増加とともに光量が減少することが判る。

マスクの多層膜のラフネス特性や基板のラフネス特性に依存するが、光量分布は１次近似的には軸対象の特性となる。先にも示したが、この乱反射特性は反射面のラフネスに起因するものであり、特に露光波長が１３．５ｎｍというナノメータレベルの短いＥＵＶリソグラフィでは、空間周期０．１ｎｍレベルのラフネスが存在していても、その散乱光は光学系に取り込まれて解像不良の原因になる。

このフレアに起因して、図８に示すように、円弧状の露光領域１１および露光境界１０の外側にも光のフレア１５が生じている。このフレアにより、露光対象であるチップ領域に隣接するチップ領域に露光被りが生じ、隣接領域においてパターン寸法異常や解像度低下が起こる。

ＥＵＶリソグラフィの場合、解像度には余裕があるため、解像するか否かの問題は比較的少ないが、パターン寸法異常は大きな問題となる。

この問題を解決するため、従来は、露光被りが生じる場所のマスクパターンに寸法バイアスをかけて補正を行っていた。パターン毎にビーム径やドーズ量を補正可能な電子線描画法（ＥＢリソグラフィ）とは異なり、マスクパターン上での寸法補正であるため、隣接ショットの状況が左右上下同じでないと同じような補正ができない。

図９は、ウエハでの露光ショットマップを示す平面図である。ウエハ内部に位置する有効チップ領域２０は、その周囲に隣接する有効チップ領域へのショットによる影響を受けて、均等な露光環境が維持される。

一方、ウエハ周辺に位置する有効チップ領域についても、内部と同じ露光環境を維持するためには、有効チップショットエリア２２の外側に位置し、ウエハ外周２１と交差する無効チップ領域あるいはさらに外側の領域についてダミーショット２４，２５を照射する必要がある。

ここで、露光スキャン方向２３に沿ったダミーショット２４は、フルチップサイズのダミーショットが必要である。これに対して、垂直な方向のダミーショット２５は、円弧状の露光領域をスキャンすることから、フルチップサイズではなく、露光被りが生じるサイズまでのショットサイズで済む。この大きさは、円弧状の露光領域長さや被り領域の拡がりに依存するが、多くの場合、フルチップサイズの約１／４である。

こうしたダミーショットにより、１ウエハ当たりのショット数が増え、露光スループットが低下するという問題がある。通常、フルフィールドスキャナの露光フィールドサイズは、ウエハ上で２６ｍｍ×３３ｍｍ前後である。このときチップサイズを２４．９ｍｍ×３２．９ｍｍ、ショットピッチを２５ｍｍ×３３ｍｍとした場合、有効取得チップ数は７４チップ、スキャン方向に平行なフルチップサイズのダミーショット２４の無効チップ数は１８、垂直な方向の部分チップサイズのダミーショット２５の無効チップ数は２４になる。

露光時間に換算すると、１個のフルチップサイズの露光に必要な時間をＴとして、有効チップの取得に必要な露光時間は７４Ｔ、ダミーショット２４に必要な露光時間は１８Ｔ、ダミーショット２５に必要な露光時間は２４／４＝６Ｔと計算される。従って、ウエハ全体の露光時間は計９８Ｔとなり、露光環境を維持するためのダミーショットにより、実効露光時間の３２％（＝（９８−７４）／７４）が冗長であることになる。

特に、ＥＵＶリソグラフィでは、ＥＵＶ光源の光量が低いため、露光時間が長くなり、スループットが低くなる傾向があるが、上述のようなダミーショットはスループットの低下を助長することになる。

本発明の目的は、露光環境を維持するためのダミーショットを削減し、露光時間の短縮化、スループットの向上を図ることができるスキャン露光装置および半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明の一実施例によれば、露光マスクからの露光光を投影して、ウエハへのスキャン露光を行う際、スキャン方向に対して垂直な方向に沿った露光幅を規定するための遮光部材をウエハ表面に近接配置して、露光対象であるチップ領域に隣接したチップ領域へ向かうフレアを遮断している。ウエハへのスキャン露光は、スキャン方向に対して垂直な方向に細長い露光領域を用いて行われる。遮光部材は、露光幅が露光領域の長さより小さくなるように設定することによって、投影光学系内部で発生するフレアを制限する。

このとき、遮光部材が規定する露光幅は、露光対象であるチップ領域のサイズ、及び／又は露光対象であるチップ領域と隣接したチップ領域との間の間隔に応じて、変化させることが好ましい。

また、遮光部材とウエハ表面との間隙は、５００μｍ以下に設定することが好ましい。

この実施例によれば、遮光部材をウエハ表面に近接配置して、露光対象であるチップ領域に隣接したチップ領域へ向かうフレアを遮断しているため、露光環境を維持するためのダミーショットを削減することができる。その結果、露光時間の短縮化、スループットの向上を図ることができる。

本発明に係るスキャン露光装置の一例を示す構成図である。 ハウジングの開口部付近の様子を示す平面図である。 Ｘ方向の露光幅を遮光ブレードで制限する様子を示す説明図である。 図１に示すスキャン露光装置を用いた場合のウエハでの露光ショットマップを示す平面図である。 図５Ａ〜図５Ｄは、種々のチップ間隔を有するチップショットマップの各種例を示す平面図である。 反射マスクに露光光が照射されている様子を示す平面図である。 フレアによるウエハ上での光の拡がりの様子を示すグラフである。 露光領域の周囲に現れる光のフレアの様子を示す平面図である。 ウエハでの露光ショットマップを示す平面図である。

符号の説明

１００ 光源、 １０１ 露光光、 １０２ 反射光学系、 １０３ 露光マスク、
１０３ａ マスクステージ、 １０４ ハウジング、 １０５ 反射投影光学系、
１０６ ウエハ、 １０６ａ ウエハステージ、 １１０ 遮光ブレード、
１１１ 駆動機構、 １１２ 開口部。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。

実施の形態１．
図１は、本発明に係るスキャン露光装置の一例を示す構成図である。スキャン露光装置は、露光光１０１を供給する光源１００と、反射光学系１０２と、露光マスク１０３を搭載するためのマスクステージ１０３ａと、反射投影光学系１０５と、光学系を収納するハウジング１０４と、ウエハ１０６を搭載するためのウエハステージ１０６ａと、一対の遮光ブレード１１０と、遮光ブレード１１０の露光幅を可変に設定するための駆動機構１１１などで構成される。以下、理解容易のため、露光マスク１０３およびウエハ１０６をＸＹ面と平行に設定し、ＸＹ面に垂直な方向をＺ方向とする。

光源１００は、例えば、１０ｎｍ〜１５ｎｍの波長範囲、特に、波長１３．５ｎｍを有するＥＵＶ光を露光光１０１として供給する。なお、本実施形態では、ＥＵＶ露光光を使用する場合を例示するが、本発明は、その他の波長、例えば、軟Ｘ線、ＤＵＶ（深紫外）、紫外、可視光等の波長領域を使用する場合にも適用可能である。

光源１００からウエハ１０６に至る光路は、露光光の吸収が可能な限り低くなるように、使用波長に応じて適切な雰囲気中に維持されており、ＥＵＶ光の場合、一般に、真空に維持されている。特に、反射光学系１０２、露光マスク１０３および反射投影光学系１０５を収容するハウジング１０４の内部は、その周囲に比べて特に高い真空度となるように真空排気されており、これにより光学系を汚染から保護している。

マスクステージ１０３ａは、ＸＹ面内で変位可能なように支持され、ステージ駆動機構（不図示）と連結されている。ウエハステージ１０６ａも、ＸＹ面内で変位可能なように支持され、別のステージ駆動機構（不図示）と連結されている。特に、スキャン露光を行う際、マスクステージ１０３ａおよびウエハステージ１０６ａは、互いに同期して、露光マスク１０３およびウエハ１０６をＹ方向に一定速度でそれぞれ移動させる。

マスクステージ１０３ａのスキャン速度Ｖｍおよびウエハステージ１０６ａのスキャン速度Ｖｗは、反射投影光学系１０５の結像倍率Ｍに応じて決定され、例えば、Ｍ＝１／４のとき、ＶｗはＶｍの４倍に設定され、一般に、Ｖｍ＝Ｍ×Ｖｗに設定される。

反射光学系１０２は、ＥＵＶ光の場合、低熱膨張ガラス等の基板の表面に、例えば、Ｍｏ／Ｓｉを交互に積層した多層膜がコーティングされた多層膜ミラーで構成される。反射投影光学系１０５も、こうした構成を有する複数の多層膜ミラーで構成される。多層膜ミラーの反射面を凹面に形成することにより正の光学パワーを付与でき、逆に、凸面に形成すれば負の光学パワーを付与できる。光学パワーの大きさは、反射面の曲率半径に応じて決定できる。

露光マスク１０３は、マスク基体と、基体上に全面形成された多層反射膜と、露光パターン形状を有する吸収体膜などで構成される。マスク基体は、石英ガラス、低熱膨張ガラスＬＴＥＭなどで形成される。多層反射膜は、ＥＵＶ光に対して充分な反射率を有するＭｏＳｉ多層膜などで形成される。吸収体膜は、ＥＵＶ光を吸収または遮光できる材料、例えば、Ｔａ，ＴａＢＮなどで形成される。

次に、露光動作について説明する。光源１００から供給された露光光１０１は反射光学系１０２で反射して、露光マスク１０３に対して斜めに入射する。露光マスク１０３を反射した露光光は、吸収体膜のパターン形状に応じて空間変調され、続いて反射投影光学系１０５を経由してウエハ１０６に結像される。この状態で、マスクステージ１０３ａおよびウエハステージ１０６ａの同期スキャンを行うことにより、露光マスク１０３の露光パターンをウエハ１０６に投影することができる。

本実施形態では、ハウジング１０４の下面には、反射投影光学系１０５から出射した光が通過するための開口部１１２が設けられる。さらに、その開口部１１２とウエハ１０６との間には、ウエハ表面に近接するように、一対の遮光ブレード１１０が配置される。ブレード先端同士の間隙は、スキャン方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）に沿った露光幅を規定する。各遮光ブレード１１０は、ウエハ１０６への露光幅を可変に設定するための一対のブレード駆動装置１１１にそれぞれ連結されている。

図２は、ハウジング１０４の開口部１１２付近の様子を示す平面図である。１ショットの露光領域１１は、図６で説明したように、Ｙ方向に関して対称な細長い円弧状になり、この露光領域１１に相当する場所に開口部１１２を形成している。但し、これはフルショットに相当する開口であって、実際のチップ露光では、形成すべきチップのサイズに応じて露光領域が制限される。この制限は、露光マスク１０３上に遮光体（吸収体）を形成したり、露光マスク１０３近傍にマスキングブレードを形成することによって、実施できる。

本実施形態では、この露光領域１１の両側をさらに制限するように、一対の遮光ブレード１１０を配置している。各ブレード先端の位置および間隔は、ブレード駆動装置１１１によって可変に調整できる。

こうした構成により、図３に示すように、露光光１０１のＸ方向の露光幅を遮光ブレード１１０で制限することにより、開口部１１２のエッジ部近傍を通過してウエハ１０６に向かう光、すなわち、フレアによる迷光を、遮光ブレード１１０により遮断することが可能になる。

このとき遮光ブレード１１０とウエハ表面との間隙ｓは、５００μｍ以下に設定することが好ましく、これによりエッジ部での光の拡がり距離ｄが５０μｍ以下に収まるようになる。その結果、光の拡がりが取得チップ間の間隙やチップスクライブ領域に収まって、隣接チップへの光の被りを防止することができる。

図４は、図１に示すスキャン露光装置を用いた場合のウエハでの露光ショットマップを示す平面図である。本実施形態では、特に、Ｘ方向へのフレア光の拡がりを制限することによって、露光環境を維持するためのダミーショットに関して、フルチップサイズのＸ方向のダミーショットを省くことができ、スキャン方向のＹ方向の露光領域の狭い部分のダミーショット２５だけで済むようになる。

ここで、図９での説明と同様に、露光スループットを見積もると、チップサイズを２４．９ｍｍ×３２．９ｍｍ、ショットピッチを２５ｍｍ×３３ｍｍとした場合、有効取得チップ数は７４チップ、スキャン方向に平行なフルチップサイズのダミーショットの無効チップ数はゼロ、垂直な方向の部分チップサイズのダミーショット２５の無効チップ数は２０になる。

露光時間に換算すると、１個のフルチップサイズの露光に必要な時間をＴとして、有効チップの取得に必要な露光時間は７４Ｔ、ダミーショット２５に必要な露光時間は２０／４＝５Ｔと計算される。従って、ウエハ全体の露光時間は計７９Ｔとなり、図９で説明した従来の露光時間９８Ｔと比べて、露光時間を２０％も削減できることが判る。

特に、ＥＵＶリソグラフィでは、ＥＵＶ光源の光量が低いため、露光時間が長くなり、スループットが低くなる傾向があるが、上述のようなフレア光の遮光ブレード１１０を配置することによって、露光スループットを大幅に改善できる。

なお、ここでは、スキャン方向に垂直なＸ方向のみに可動式の遮光ブレード１１０をウエハ直上に配置しているが、一方、スキャン方向であるＹ方向に関して、ウエハ直上は、一定幅の開口が存在するのみである。

これは、ＥＵＶリソグラフィでは、ウエハに近いところに反射光学系を設置する必要があって、Ｘ方向、Ｙ方向の両方向の２枚の可動遮光ブレード１１０を駆動装置１１１まで含めて設置するための間隙、すなわちクリアランスを確保する余裕がないからである。Ｙ方向に関してはダミーショットが必要であっても、フルチップサイズのダミーショットである必要がないため、Ｘ方向のフレア光を制限した本方法の方がスループット向上の効果が高い。

このように本実施形態では、露光環境を維持するためのダミーショットに関して、フルチップサイズのＸ方向のダミーショットを省くことができ、スキャン方向のＹ方向の露光領域の狭い部分ダミーショットだけで済むようになる。その結果、露光時間を２０％も削減できることになり、露光スループットを大幅に改善できる。

実施の形態２．
本実施形態では、前述したスキャン露光装置を用いて様々なショット間隔のチップ露光を行った場合について説明する。

図５Ａ〜図５Ｄは、種々のチップ間隔を有するチップショットマップの各種例を示す平面図である。スキャン方向（Ｙ方向）に垂直なＸ方向に関し、ショット間隙をｓ１からｓ４まで変えて露光を行っている。ショット間隔は、任意に変更可能であるが、ここではｓ１＝５０μｍ、ｓ２＝１００μｍ、ｓ３＝１５０μｍ、ｓ４＝２００μｍの場合を例示している。使用した露光マスクは何れも同じある。

さらに、こうしたショット間隔（チップ間隔）に応じて遮光ブレード１１０が規定する露光幅を変化させることによって、Ｘ方向に隣接するチップ領域へ向かうフレア光を制限している。

露光実験の結果、ｓ１からｓ４までショット間隔を変えて露光を行っても、図５Ａに示すＸ方向の隣接チップ３０ａ，３１ａ、図５Ｂに示すＸ方向の隣接チップ３０ｂ，３１ｂ、図５Ｃに示すＸ方向の隣接チップ３０ｃ，３１ｃ、図５Ｄに示すＸ方向の隣接チップ３０ｄ，３１ｄにおいて、チップ面内寸法分布、特にチップエリア外周近傍の寸法分布に変化はなく、寸法的に安定したチップが得られた。一方、ウエハ直上に遮光ブレードが存在してない従来法では、隣接チップ間で寸法分布が生じたため、１枚のウエハ内でのチップ間隔は固定にする必要があった。

ここでは、露光対象であるチップ領域のサイズが一定である場合を説明したが、チップ領域のサイズが変化する場合には、そのサイズ及び／又はチップ間隔に応じて遮光ブレード１１０が規定する露光幅を変化させることが好ましい。

このように本実施形態では、可変遮光ブレードを採用することにより、チップショットマップの設計自由度が高くなる。例えば、複数のマスクを使用して、複数の異なったチップを１枚のウエハに焼き付けるマルチチップ露光の際に、特に、フレキシビリティが高くなり、設備利用効率を向上させることができる。また、ウエハの一部に欠陥があり、その場所をチップ間エリアに回避して露光する場合など、ウエハの歩留まり改善にも効果がある。

本発明は、微細かつ高精度なパターンを含む半導体装置を高い生産効率で製造できる点で、産業上極めて有用である。

Claims (7)

1. 露光マスクを搭載するためのマスクステージと、
   ウエハを搭載するためのウエハステージと、
   露光マスクからの露光光をウエハに投影するための投影光学系とを備え、
   マスクステージおよびウエハステージが互いに同期して移動することにより、ウエハへのスキャン露光を行うスキャン露光装置であって、
   ウエハ表面に近接して設けられ、スキャン方向に対して垂直な方向に沿った露光幅を規定するための遮光部材と、
   該遮光部材の露光幅を可変に設定するための駆動機構とを備え、
   ウエハへのスキャン露光は、スキャン方向に対して垂直な方向に細長い露光領域を用いて行われ、
   前記遮光部材は、前記露光幅が前記露光領域の長さより小さくなるように設定することによって、前記投影光学系内部で発生するフレアを制限することを特徴とするスキャン露光装置。
2. 遮光部材とウエハ表面との間隙が、５００μｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１記載のスキャン露光装置。
3. 露光マスクは、露光光を反射する反射型マスクであり、
   投影光学系は、露光光を反射する反射型光学系であることを特徴とする請求項１記載のスキャン露光装置。
4. 露光光は、ＥＵＶ光を含むことを特徴とする請求項１記載のスキャン露光装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のスキャン露光装置を用いて、ウエハ上に複数のチップ領域が２次元状に配置された半導体装置を製造する方法であって、
   単一チップ領域の露光パターンを有する露光マスクからの露光光を投影して、ウエハへのスキャン露光を行うステップを含み、
   露光の際、スキャン方向に対して垂直な方向に沿った露光幅を規定するための遮光部材をウエハ表面に近接配置して、露光対象であるチップ領域に隣接したチップ領域へ向かうフレアを遮断することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 遮光部材が規定する露光幅は、露光対象であるチップ領域のサイズ、及び／又は露光対象であるチップ領域と隣接したチップ領域との間の間隔に応じて、変化させることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
7. ウエハ外周部の露光ショットにおいては、スキャン方向に対して垂直な方向のダミーショットを伴わないことを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。

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