JPH1032160A - パターン露光方法及び露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マスクの面内のパターンサイズの不均一性に
伴う露光マージンの低下及び露光精度の低下を防止す
る。 【解決手段】 マスク４に形成されたパターンを投影光
学系５を介してレジストが塗布してあるウェハ６上に投
影露光してレジストパターンを得る投影露光装置におい
て、マスク４の任意位置のパターンに対応したレジスト
パターンを所望寸法に仕上げるための適正露光量を求
め、この適正露光量のマスク面内データを入力するため
の露光量制御部８と、制御部８により入力されたマスク
の面内における適正露光量分布データに従って、マスク
４上に照射される露光量に変調を付加するための露光量
調節部３とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造技術に
係わり、特にマスクに形成されたパターンをウェハ上に
投影露光してレジストパターンを形成するためのパター
ン露光方法及び露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マスク上のＬＳＩパターンをウェハ上に
転写するパターン露光技術では、転写できるパターンの
微細化が要求されている。この要求を満足するため、露
光手段については、近年様々な種類の位相シフトマス
ク、及び超解像露光技術が提案され、高解像度化がはか
られている。これに対しマスクについては、必要とされ
るマスク上の描画パターンの微細化により、必要な線幅
精度の要求は益々厳しくなっている。

【０００３】マスクの線幅精度の値（以下マスクトレン
ドと記す）としては、ＣＤ（３σ）＝Ｘ／３０（Ｘ：パ
ターンサイズ）、ＣＤ（レンジ）=:ＣＤ（３σ）×１．
５（但し、記号［=:］はニアリイコールを示す）が一般
的に良く知られている。上記式によると、４倍体マスク
を想定した場合、ＣＤ（レンジ）は０．２５μｍルール
で５０ｎｍ（±２５ｎｍ）、１ＧビットＤＲＡＭ世代の
０．１８μｍでは３６ｎｍ（±１８ｎｍ）、０．１５μ
ｍルールでは３０ｎｍ（±１５ｎｍ）と非常に厳しい線
幅精度が要求されている。但し、これら上記マスクトレ
ンドによる値は、あくまで参考値であり、露光条件によ
っては必要線幅精度の値と異なることもある。

【０００４】図１には、輪帯照明＋ハーフトーンマスク
露光における０．１８μｍライン＆スペースパターンで
のレジスト線幅の露光量とデフォーカス依存性（ＥＤ−
ｔｒｅｅ）を示した。また、図１の四角はＥＤ−Ｗｉｎ
ｄｏｗと呼ばれており、レジスト線幅許容変動が目標寸
法の±１０％とした場合の露光量裕度１０％でのＤＯＦ
を示している。

【０００５】なお、露光条件は、露光波長２４８ｎｍ
（ＫｒＦ）、ＮＡ＝０．６、コヒーレンスファクタσ＝
０．７５、遮蔽率０．６７、ハーフトーンマスクの透過
率９．６％である。さらに、膜厚０．８５μｍのＤＵＶ
化学増幅型レジストを現像時間６０ｓｅｃで現像した場
合である。また、上記プロセスによるレジスト線幅は、
第４２回応用物理学関係連合講演会２９ａ−ｓ−８によ
る「溶解方向を簡易的にモデル化した高速現像シミュレ
ータの開発（１）」に示されている手法から求めてい
る。

【０００６】これに対して、図２（ａ）〜（ｄ）には、
図１と同じ露光条件において、ライン＆スペースパター
ンのマスクの線幅寸法がウェハ上で、±０．００２８μ
ｍ（４倍体マスク上で±１１ｎｍ）〜±０．０１１２５
μｍ（４倍体マスク上で±４５ｎｍ）変動した場合のＥ
Ｄ−ｔｒｅｅを示した。

【０００７】寸法変動が大きくなるほどＥＤ−Ｗｉｎｄ
ｏｗは左右にシフトするため、寸法変動０と重ねたＥＤ
−Ｗｉｎｄｏｗは、マスクの寸法変動が大きくなるほど
小さくなっている。また図３は、マスク面内で上記マス
ク線幅の変動があった場合の共通焦点深度（ＤＯＦ）の
マスク線幅誤差依存性を示している。

【０００８】図１〜図３より、上記露光条件（輪帯照明
＋ハーフトーンマスク）において、マスク面内全体にお
けるＤＯＦは、マスクの線幅変動値が０であれば、必要
なＤＯＦ（０．９μｍ）が得られるものの、マスクトレ
ンドでの線幅変動（±１８ｎｍ）がある場合には、図３
からも分かるようにＥＤ−ｔｒｅｅのシフトによってＤ
ＯＦが全く得られない。

【０００９】つまり、マスク面内のパターンサイズの設
計寸法に対する不良によるマスク面内での適正露光量の
差異により、ＤＯＦの減少が引き起こされていた。ま
た、上記の他にも、ハーフトーンマスクにおける透過率
の不均一性によっても、マスク面内の適正露光量の変動
が生じ、ＤＯＦの減少を引き起こしていた。そして、こ
のＤＯＦの減少は露光マージンの低下につながり、露光
精度の低下や製造歩留まりの低下を招く大きな要因とな
っていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、露光
すべきパターンサイズの微細化に伴い、必要とされるマ
スクの面内の線幅精度が厳しくなっていることから（マ
スクトレンドでのマスクの面内の線幅精度が満足されて
いたとしても）、マスクの面内のパターンサイズの不均
一性により適正露光量の差異が生じ、十分なＤＯＦ，露
光量裕度が得られないという問題があった。また、位相
シフトマスクのマスク面内における精度不良（とりわ
け、ハーフトーンマスクにおける透過率の不均一性）に
よっても、適正露光量の差異により十分な露光マージン
が得られないという問題があった。

【００１１】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、マスク面内の線幅寸法
の不均一性により生じる露光マージンの低下を解消する
ことができ、露光精度の向上や製造歩留まりの向上等を
はかり得るパターン露光方法及び露光装置を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

（構成）上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち、本発明（請求項１）は、
マスクに形成されたパターンをウェハ上のレジストに投
影露光してレジストパターンを形成するパターン露光方
法において、前記マスクの複数の位置毎に各位置のパタ
ーンに対応したレジストパターンを所望寸法に仕上げる
ための適正露光量を予め求めておき、該求められたマス
クの各位置毎の適正露光量に応じて前記ウェハ上に照射
される露光量を調節することを特徴とする。

【００１３】また、本発明（請求項２）は、マスクに形
成されたパターンを投影光学系を介してウェハ上のレジ
ストに投影露光し、該レジストにマスクのパターンを転
写する露光装置において、前記マスクの任意の位置に対
する適正露光量のマスク面内データを入力するための入
力手段と、該手段により入力された適正露光量のマスク
面内データに従って、前記マスク上に照射される露光量
に変調を付加するための露光量調節手段とを具備してな
ることを特徴とする。

【００１４】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) マスクは複数の領域に仮想的に分割され、各々の領
域毎に適正露光量が求められる。 (2) 露光量調節手段は、マスクを照明するための照明光
学系内に設置され、液晶又は電気光学効果の作用を有す
る物質をアレイ状に配置して構成されている。 (3) 露光量調節手段は、マスクのパターンと光学的に共
役な位置、又はその近傍に設置され、機械的な遮蔽物の
駆動操作によるシャッターの組み合わせ、又は液晶若し
くは電気光学効果の作用を有する物質をアレイ状に配置
して構成されている。 （作用）本発明（請求項１）では、マスクの面内で発生
する線幅寸法の不均一性（設計寸法に対して）によって
生じる適正露光量の変動による露光マージンの減少を抑
えるため、予めマスクの各位置における適正露光量を求
めておき、ウェハ上に照射される露光量を調節すること
により露光マージンの向上をはかっている。従って、マ
スクのパターンに線幅変動があったとしても、それに応
じて露光量を可変することにより、マスク面内の線幅寸
法の不均一性により生じる露光マージンの低下を解消す
ることが可能となる。

【００１５】また、本発明（請求項２〜４）において
は、投影露光装置に適正露光量の変動を考慮した適正露
光量のマスクの面内データが入力できる構成と、適正露
光量分布での照射を可能とする機構を設けることによ
り、露光マージンの向上をはかっている。

【００１６】本発明における、マスクの面内における適
正露光量分布での露光を可能とする機構とは、液晶板又
は電気光学効果を有する結晶素子をアレイ状に形成し、
その素子の各々に付加する電圧による制御等を想定して
いる。マスク面内の線幅のばらつきの度合いにより、上
記アレイによる露光量制御領域の細かさを決定すれば良
い。

【００１７】また、もう１つのマスクの面内における適
正露光量分布での露光を可能とする機構としては、スキ
ャン露光方式による投影露光装置において、露光量調節
部を照明光学系内のマスクパターンと光学的に共役な位
置に配置し、スキャン露光中にマスクの線幅エラー部分
を通過する際に、予め入力されているマスク面内の最適
露光量分布に従って、マスク面内に照射される露光量を
コントロールする。これにより、線幅寸法エラーが生じ
た部分についても適正露光量での露光が可能となり、露
光マージンの向上がはかられる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を、図示の実
施形態によって説明する。 （第１の実施形態）ＫｒＦエキシマレーザ露光装置によ
り、前記図１〜図３で示したものと同様な露光条件によ
り露光を行ったところ、マスク作成プロセス等に起因す
る誤差によって、マスク面内の線幅寸法の不均一性が発
生した。

【００１９】図４には、上記マスクの線幅寸法の面内分
布を単純化したものを示した。図４のａ_mn（ｍ＝１〜
３，ｎ＝１〜３）は、マスクを仮想的に３×３に分割し
た各領域にの代表点（ライン＆スペース０．１８μｍ部
分）における線幅寸法（ハーフトーンシフタ部の寸法）
を示している。作成したマスクは、マスクの中心部分の
線幅寸法がマスク上で＋３４ｎｍだけ太めに形成されて
しまったが、それ以外の部分はほぼ設計通りであった。

【００２０】そこで本実施形態では、マスクの面内の最
適露光量分布のデータが入力可能な投影露光装置を使用
し、さらに該データをもとに、マスク面内の各々の位置
において露光量に変調を加え適正な露光量とすること
で、マスク面内の線幅寸法の不均一性により生じる露光
マージンの低下を解消している。以下に、図を使って詳
細に説明する。

【００２１】図５には、本実施形態における投影露光装
置の概略構成を示した。１は光源（二次光源）で、例え
ばＫｒＦエキシマレーザを１次光源として作成されるも
のである。２はコンデンサレンズ、３は露光量調節部、
４はマスク、５は投影光学系、６は表面にレジストが塗
布されたウェハ、７はウェハ６が装着されたウェハステ
ージ、８はマスク面内の線幅分布データ（本実施形態で
は、図４の分布）に従って露光量調節部３を制御する制
御部である。本実施形態の特徴は、露光量調節部３とこ
れを制御する制御部８にある。

【００２２】露光量調節部３は、透過型の液晶パネルと
同様にセルを２次元配列したものである。セルの配列
は、マスク４の９つの領域に相当する３×３に配列され
たもの（Ａ11〜Ａ33）でもよいし、通常のディスプレイ
と同様に数十万個の配列であってもよい。この液晶パネ
ルは、光のＯＮ・ＯＦＦ（透過・遮断）として機能させ
るだけではなく、印加電圧に応じて光透過率を増減でき
るものであればよい。さらに、液晶の代わりに電気光学
効果の作用を有する物質、例えばＢａＴｉＯ₃ ，ＫＨ₂
ＰＯ₄ （ＫＨＰ），ＫＤ₂ ＰＯ₄ （ＫＤＰ），ＬｉＮｂ
Ｏ₃ ，ＺｎＯなどをアレイ状に配置して構成してもよ
い。

【００２３】従来の投影露光装置では、マスク面内の線
幅寸法の不均一性を補正するための機構として、図５に
示した露光量調節部３、並びにこれを制御する制御部８
は存在しない。そのため、露光マージンは、マスクの中
心部（線幅ａ22）では設計露光量に対しては、前記図２
（ｃ）のＰに相当する１０％程度の露光量不足が起こ
る。その一方、ショットの周辺部分ではマスクの設計値
通りに線幅が形成されているため、ショット内における
露光マージンは、図２（ｃ）で示される斜線部Ｑにな
り、大きく制限される。

【００２４】これに対して本実施形態の投影露光装置
は、マスク面内の線幅寸法の不均一性を補正するため
に、マスクに照射する露光量を露光量調節部３で調整し
ている。ここで、露光量とは露光光の照射量と照射時間
の積であり、本実施形態では露光量の制御のために照射
量を制御している。露光量調整過程を以下に示す。

【００２５】制御部８は、実際に形成されたマスク４の
面内寸法データと設計データとの比較より得られたマス
ク４の線幅のエラーデータをもとに、露光量調節部３を
制御する。そして、マスク４の実際の線幅寸法値と設計
値との間に差異を生じている領域ａ22を選択し、この領
域に対応する露光量調節部のＡ22部分の露光量を設計値
に対して約１０％増加させ、露光を行う。

【００２６】ここで、適正露光量を検出するために本実
施形態では、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて
マスク４の線幅を測定し、これと設計データとを比較し
ている。これ以外にも次の２つの方法が考えられる。一
つは、同一の露光条件でマスク４の全面を露光し、現像
してレジストパターンを作成し、このレジストパターン
をＳＥＭで観察することである。もう一つは、図５と同
様の構成で投影光学系５の代わりに拡大光学系を用意
し、ウェハ側に配置されたＣＣＤで各領域における露光
量を測定することである。

【００２７】本実施形態では、マスク上の各領域（ａ11
〜ａ33）における適正露光量を予め求めておき、レジス
トパターンの露光に際して、上記データを用いてマスク
上に照射される光の照明量を制御する。これによって、
マスクの線幅寸法の不均一性による適正露光量の変動は
解決され、図１に示した露光マージン（ＤＯＦ＝０．９
μｍ）を確保することが可能となる。

【００２８】このように本実施形態によれば、マスク４
よりも光源側にマスク面内の露光量を部分的に調節する
露光量調節部３を設けると共に、マスク面内の線幅分布
データを入力して露光量調節部３を制御する制御部８を
設けたことにより、マスク４の製作精度不良に起因する
マスク面内の線幅寸法の不均一性によって生じる露光マ
ージンの低下を解消することができる。このため、露光
精度の向上や歩留まりの向上等をはかることができる。
また本実施形態では、マスク４の製作精度についても緩
和できることから、露光マージンの向上の他、マスク４
の製造歩留まりの向上をはかることも可能となる。 （第２の実施形態）次に、本発明の第２の実施形態に係
わる投影露光装置を説明する。

【００２９】図６には、スキャンタイプの投影露光装置
に対して本発明を適用した場合の装置の概略構成を示し
た。図５に示した実施形態との違いは、スキャンタイプ
の投影露光装置であることから、露光量調節部３とその
制御部８において、マスク４のスキャン中に露光量調整
を行うことである。

【００３０】即ち本実施形態では、マスク４とウェハス
テージ７を同期してスキャンさせ、マスク４におけるス
キャン中の露光領域に相当する部分の適正露光量に応じ
て露光量調節部３及びその制御部８により露光量調整を
行うことにより、第１の実施形態と同様に、マスク４の
パターンの線幅変動に応じて露光量を可変設定すること
ができる。従って、本実施形態においても露光マージン
の低下を解消することができ、第１の実施形態と同様の
効果が得られる。

【００３１】なお、スキャンタイプでは、露光量の調節
の手段として制御部８において、マスク４のスキャンス
ピードに変調を付加することによっても、実効的に露光
量補正を行うことが可能となる。スキャンスピードを変
えることは照射時間を変えることになるため、露光量を
変えることができるのである。

【００３２】また、本実施形態における露光量調節部３
は、第１の実施形態と同様に、液晶又は電気光学効果を
有する結晶素子をアレイ状に形成し、その素子の各々に
付加する電圧を制御部８により制御している。マスク面
内の線幅のばらつきが小さい領域単位で生じる場合に
は、図５及び図６に示した露光制御領域を細かく設定し
（ｍ，ｎが大）、ばらつきが大きい領域単位で生じる場
合には露光量制御領域を粗に設定すれば良い（ｍ，ｎが
小）。また、露光量調節部３が配置される場所は、マス
ク４と照明光学系との間に配置され、マスク４との距離
ｄは、少なくとも露光量調節部３自体が転写されない程
度離した位置に置くことが望ましい。 （第３の実施形態）次に、本発明の第３の実施形態とし
て、スキャンタイプの投影露光装置において、液晶や電
気光学効果を用いる以外の方法によって、マスク面内の
線幅寸法の不均一性による適正露光量の変動を補正する
手法について示す。図７及び図８には、本実施形態に用
いた露光量調節部９，１０の概略構成を示した。

【００３３】露光量調節部９，１０は、照明光学系のマ
スクパターンと光学的に共役な位置に配置されている。
図７の例では、２枚の遮蔽板１１がガイド１３に取り付
けられスキャン方向に移動可能に設置されており、これ
らを制御部１２からの信号に応じて駆動することによ
り、開口幅を可変するものとなっている。

【００３４】これは、スキャン方向に対して垂直方向で
は、マスク４の線幅精度がよく形成されており、上記補
正がスキャンに対して平行方向で必要な場合に適用が可
能な例である。

【００３５】これに対して、図８の構成では、垂直及び
平行な方向両者について、マスク４の線幅エラーによる
露光量変動の補正が適用できる例を示した。具体的に
は、スキャン方向に移動可能な遮蔽板１１が多数（例え
ば、左右共に７個）に分割して形成され、これらを制御
部１２からの信号に応じて駆動することにより、開口幅
を可変するものとなっている。

【００３６】即ち、スキャン露光中にマスク４の線幅寸
法の不均一な部分を通過する際に、予め入力されている
マスク面内の最適露光量分布に従って遮蔽板１１を駆動
し、スキャン方向の開口幅を変化させ、マスク面内に照
射される露光量を最適露光量が平均より大きい場合には
開口幅を狭くし、平均よりも小さい場合には開口幅を広
くする。

【００３７】このような動作をスキャン中にダイナミッ
クに行うことによって、マスク面内の線幅の不均一が生
じた部分についても適正露光量での露光が可能となり、
マスク４の線幅変動に伴う露光マージンの減少を軽減す
ることができた。また、上記にも示したが、スキャンス
ピードに変調を加えることも、有効な手段である。

【００３８】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。実施形態では、マスクの線幅寸法
の不均一性により生じる露光マージンの低下を解消する
手法について示したが、本発明は上記実施形態の他に
も、露光マージンの低下が適正露光量の変動に起因して
いる全ての精度エラー要因、例えばショット面内の照度
むらや、位相シフトマスクの精度エラー（ハーフトーン
マスクにおける透過率むら等）についても、投影露光装
置に予め入力されるマスク面内の最適露光量分布のデー
タに含めておくことで、これらの精度エラーによる露光
マージンの低下についても大幅に改善できる。これによ
り、マスクの製造精度についても緩和でき、歩留まりの
向上も可能となった。

【００３９】また、露光量調整手段は実施形態で説明し
たもの以外に、適正露光量のマスク面内データに応じ
て、マスク前方における露光光に対する透過率、又はマ
スクに対する光源の開口面積を可変し得るものであれば
よい。さらに、露光装置の光学系構成は図５や図６に何
等限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能
である。その他、本発明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できる。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、マ
スクの複数の位置毎に適正露光量を求めておき、マスク
の各位置毎の適正露光量に応じてウェハ上に照射される
露光量を調節することにより、マスク面内の線幅寸法の
不均一性により生じる露光マージンの低下を解消するこ
とができ、露光精度の向上や製造歩留まりの向上等をは
かり得るパターン露光方法及び露光装置を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】輪帯照明＋ハーフトーンマスク露光における
０．１８μｍラインアンドスペースパターンでのレジス
ト線幅の露光量とデフォーカス依存性を示す図。

【図２】図１の露光条件において、ラインアンドスペー
スパターンのマスクの線幅寸法が変動した場合のＥＤ−
ｔｒｅｅを示す図。

【図３】マスクの線幅変動に対する焦点深度（ＤＯＦ）
の影響を示す図。

【図４】実施形態で用いられたマスクの線幅寸法の面内
分布を単純化して示す図。

【図５】第１の実施形態に係わる投影露光装置の概略構
成を示す図。

【図６】第２の実施形態に係わるスキャンタイプ投影露
光装置の概略構成を示す図。

【図７】第３の実施形態における露光量調節部の具体的
構成を示す図。

【図８】第３の実施形態における露光量調節部の具体的
構成を示す図。

【符号の説明】 １…光源（二次光源） ２…コンデンサレンズ ３，９，１０…露光量調節部 ４…マスク ５…投影光学系 ６…ウェハ ７…ウェハステージ ８，１２…露光量調節部の制御部 １１…遮蔽板 １３…ガイド

フロントページの続き (72)発明者 井上 壮一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスクに形成されたパターンをウェハ上の
   レジストに投影露光してレジストパターンを形成するパ
   ターン露光方法において、 前記マスクの複数の位置毎に各位置のパターンに対応し
   たレジストパターンを所望寸法に仕上げるための適正露
   光量を予め求めておき、該求められたマスクの各位置毎
   の適正露光量に応じて前記ウェハ上に照射される露光量
   を調節することを特徴とするパターン露光方法。
2. 【請求項２】マスクに形成されたパターンを投影光学系
   を介してウェハ上のレジストに投影露光し、該レジスト
   にマスクのパターンを転写する露光装置において、 前記マスクの任意の位置に対する適正露光量のマスク面
   内データを入力するための入力手段と、該手段により入
   力された適正露光量のマスク面内データに従って、前記
   マスク上に照射される露光量に変調を付加するための露
   光量調節手段とを具備してなることを特徴とするパター
   ン露光装置。
3. 【請求項３】前記露光量調節手段は、前記マスクを照明
   するための照明光学系内に設置され、液晶又は電気光学
   効果の作用を有する物質をアレイ状に配置して構成され
   ていることを特徴とする請求項２記載のパターン露光装
   置。
4. 【請求項４】前記露光量調節手段は、前記マスクのパタ
   ーンと光学的に共役な位置又はその近傍に設置され、機
   械的な遮蔽物の駆動操作によるシャッターの組み合わ
   せ、又は液晶若しくは電気光学効果の作用を有する物質
   をアレイ状に配置して構成されていることを特徴とする
   請求項２記載のパターン露光装置。