JPWO2007058240A1 - 基板処理方法、フォトマスクの製造方法及びフォトマスク、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

基板処理方法、フォトマスクの製造方法及びフォトマスク、並びにデバイス製造方法 Download PDF

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Abstract

所定のパターンの投影像の先鋭特性に基づいてデバイス線幅特性を予測し（ステップ１０４〜１１０）、この予測されたデバイス線幅特性に基づいてそのパターンの露光条件を調整する（ステップ１１２）。そして、この調整された露光条件で露光を行う、すなわちそのパターンの投影像により基板上のレジストのパターニングを行う（ステップ１１４）。そのパターニング後の基板を現像することで、所望のデバイス線幅特性を満足するレジストパターンが基板上に形成される。従って、このレジストパターンをマスクとして基板のエッチングを行うことで、所望の線幅でエッチング後のパターンを形成することができる。

Description

本発明は、基板処理方法、フォトマスクの製造方法及びフォトマスク、並びにデバイス製造方法に係り、さらに詳しくは、半導体素子などの電子デバイス（マイクロデバイス）を製造するために露光により基板上のレジストのパターニングを行うパターニング工程を含む基板処理方法、そのパターニング工程で用いられるフォトマスクの製造方法及び該製造方法によって製造されたフォトマスク、並びに前記基板処理方法又は前記フォトマスクを用いるデバイス製造方法に関する。
電子デバイスの製造に際しては、ウエハ処理工程（前工程）の基板処理工程や配線工程において、露光によりウエハ上に形成されたレジスト層のパターニングを行うパターニング工程（すなわち露光工程）、そのパターニング後のウエハを現像する現像工程、現像後のレジストパターン（レジスト像）をマスクとしてそのウエハ（又はウエハ上の膜）をエッチング（主としてドライエッチング）するエッチング工程などの一連の処理が、繰り返し行われる。
ところで、最近になって、目標サイズと同一サイズのレジスト像をパターニングにより形成しても、エッチング後に形成されるパターンのサイズが目的とするエッチング後のパターンサイズと異なることがあることが判った。特に、同一のフォトマスク上に、レジスト像の線幅を同一とすべき孤立パターンと密集パターンとが形成されている場合に、パターン毎にエッチング後の線幅がばらつく傾向が高いことが判った。ここで、孤立パターンと密集パターンとを同一のフォトマスク上に形成する場合には、光近接効果を考慮して、フォトマスク上での各パターンの線幅を設定するのが通常である。
ここで、スペースパターンを用いる場合の一例として、配線工程について説明する。この配線工程では、従来、配線材料としてアルミニウム（Ａｌ）が用いられてきたが、近年では、アルミニウムよりも電気抵抗が低く、微細化及び高速動作に適した銅（Ｃｕ）が用いられるようになってきた。但し、銅は、アルミニウムに比較してエッチングレートの制御が困難であることに鑑み、銅をエッチングせずに配線を形成する技術としてダマシン法と呼ばれる技術が採用されている（例えば、特許文献１参照）。このダマシン法による銅配線では、層間絶縁膜に溝を形成した後に、メッキなどにより銅（Ｃｕ）を堆積させ、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により表面の銅を削り取ることで、配線を形成する。
このダマシン法を採用する場合のように、フォトマスクのパターンとしてスペースパターンを用いる場合に、目標サイズと同一サイズのレジスト像をパターニングにより形成しても、エッチング後に形成されるパターンのサイズが目的とするエッチング後のパターンサイズと異なる傾向が高くなることが、最近になって判明した。
一方、半導体素子などの電子デバイスでは、微細化の進展により、加工寸法のｎｍレベルでの高精度化が要求されている。特に、デバイスの仕上り寸法の不均一やばらつきは、歩留りやデバイスの動作速度に影響するため、均一化とばらつき低減が強く求められている。
このような背景により、エッチング後のパターンサイズを所望の値に確実に設定することができる技術の出現が待望されていた。
特開２００２−２７０５８６号公報
発明者は、エッチング後のパターン線幅が目標とするパターン線幅と異なる現象の要因を究明するため、種々の実験（シミュレーションを含む）等を行った。その結果、現像後のレジスト像の線幅とエッチング後のパターンの線幅との関係が、まちまちになる主たる要因は、レジスト像のプロファイルが、例えばパターンの露光条件などによって相違することであると推定するに至った。
ここで、一例として、スペースパターンを採り上げて、この点についてさらに詳述する。図６（Ａ）、図６（Ｂ）それぞれの上段に示される現像後のスペースパターンのレジスト像の線幅（レジスト像のボトムの線幅）はともにＷＤｂで同一であるが、それぞれのレジスト像のトップ近傍の線幅ＷＤt1、ＷＤt2の間には、ＷＤt1＜ＷＤt2の関係があり、両者のプロファイルには明らかな相違がある。このプロファイルの相違のため、図６（Ａ）、図６（Ｂ）それぞれの中段に示されるキュア（加熱処理）後のレジスト像プロファイルの変形（点線で示される形状から実線の形状への変形）の様子が大きく相違する。すなわち、良好なプロファイルを有する図６（Ａ）のレジスト像の方が、キュア処理における加熱（ヒータ等を用いる加熱処理の他、紫外線照射などによる加熱処理をも含む）によって、図６（Ｂ）の悪いプロファイルのレジスト像に比べて大きく崩れる（変形する）。この結果、キュア後のレジスト像では、図６（Ａ）の方が図６（Ｂ）に比べて、レジスト像の線幅が狭くなっている（ＷＤb1＜ＷＤb2）。従って、図６（Ａ）、図６（Ｂ）それぞれの下段に示されるエッチング後のスペースパターンの線幅は、図６（Ａ）の方が図６（Ｂ）に比べて狭くなる。
孤立スペースパターンと密集スペースパターンとで、同一線幅のレジスト像を得るためには、光近接効果を考慮して、フォトマスク上の孤立スペースパターンの線幅が密集スペースパターンの線幅より広く設定される。従って、同一露光条件下で露光を行った場合、孤立スペースパターンのレジスト像と密集スペースパターンのレジスト像とでその線幅はほぼ同じになるが、両者のプロファイルは相違するのが通常であり、結果的にスペースパターン毎にエッチング後の線幅がばらつくことになる。
発明者は、さらに研究を重ねた結果、レジスト像プロファイルは、パターンの投影像（空間像）と密接な関係があることを見出した。すなわち、図７（Ａ）、図７（Ｂ）の上段には、良好なプロファイルを有するスペースパターンのレジスト像、悪いプロファイルを有するスペースパターンのレジスト像がそれぞれ示されている。また、図７（Ａ）、図７（Ｂ）の下段には、それぞれ上段のレジスト像に対応するパターンの空間像（投影像）が示されている。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）からわかるように、レジスト像のプロファイルが良い場合も悪い場合も、スペースパターンのレジスト像の目標線幅（TargetＣＤ）は、レジスト像のボトムの線幅ＷＤbで規定され、このボトムの線幅ＷＤbは、対応するパターンの投影像と所定のスライスレベルＳＬとの２つの交点間の距離（以下、「投影像線幅」と呼ぶ）ＷＤbと一致する。また、それぞれのレジスト像のトップ近傍の線幅ＷＤt1、ＷＤt2（＞ＷＤt1）は、対応するパターンの投影像の上記所定のスライスレベルＳＬより所定値だけ低い別のスライスレベルＳＬ’における投影像線幅に一致している。
また、図７（Ａ）と図７（Ｂ）とを比較すると明らかなように、スライスレベルの変化に対する投影像線幅の変化は、図７（Ａ）に示される先鋭な投影像（良好なプロファイルのレジスト像に対応）の方が、図７（Ｂ）に示される先鋭でない投影像（悪いプロファイルのレジスト像に対応）に比べて小さい。
以上より、発明者は、パターンの投影像の先鋭特性と、レジスト像のプロファイル、ひいては該プロファイルと密接な関係を有するデバイス線幅特性（キュア後（又はエッチング後）のパターンの線幅に関連）との間には、密接な関係があるとの、結論を得るに至った。
本発明は、上述した発明者が得た新規知見に基づいてなされたもので、第１の観点からすると、露光による基板上のレジストのパターニング工程を含む基板処理方法であって、所定のパターンの投影像の先鋭特性に基づいてデバイス線幅特性を予測する工程と；前記予測されたデバイス線幅特性に基づいて、前記パターンの露光条件を調整する工程と；を含む基板処理方法である。
これによれば、所定のパターンの投影像の先鋭特性に基づいてデバイス線幅特性を予測し、この予測されたデバイス線幅特性に基づいてそのパターンの露光条件を調整する。従って、この調整された露光条件で露光を行う、すなわちそのパターンの投影像により基板（又はその上の薄膜）上に塗布されたレジストのパターニングを行い、パターニング後の基板を現像することで、所望のデバイス線幅特性を満足するレジストパターンが基板（又はその上の薄膜）上に形成される。これにより、所望の線幅のパターンを基板上に形成することが可能になる。
本発明の基板処理方法では、前記パターニング工程で１回の露光により孤立パターンと密集パターンとをレジストに転写するに際し、該両パターンのそれぞれで、レジストパターンの線幅とエッチング後のパターンの線幅とが所望の関係になるように、前記露光条件を調整することとすることができる。ここで、特に、パターンが孤立スペースパターン、密集スペースパターンである場合、露光条件としては、それらのパターンの照明条件であることとすることができる。
本発明は、第２の観点からすると、本発明の基板処理方法を用いて、基板上にパターンを形成するリソグラフィ工程を含む第１のデバイス製造方法である。
これによれば、基板処理工程において、本発明の基板処理方法を用いて、基板上にパターンが形成されるので、所望の線幅のパターンを基板上に形成することができ、これにより、デバイスの仕上り寸法の不均一やばらつきの発生を抑制でき、動作速度の良好なデバイスを歩留り良く製造することができる。
この場合において、前記リソグラフィ工程は、配線パターン及びトランジスタのゲートパターンの少なくとも一方を形成する基板処理工程を含むこととすることができる。
この場合において、配線パターン及びトランジスタのゲートパターンは、溝パターンであることとすることができる。かかる場合には、同一線幅のレジストパターンに対応するエッチング後の溝は、同一線幅の溝となる。
本発明は、第３の観点からすると、露光による基板上のレジストのパターニング工程で用いられるフォトマスクの製造方法であって、前記フォトマスクに形成すべきパターンの投影像の先鋭特性に基づいてデバイス線幅特性を予測する工程と；予測された前記デバイス線幅特性に基づいて前記パターンの少なくとも一部でその線幅を変更し、その少なくとも一部で線幅が変更されたパターンをマスク基板に形成する工程とを含むフォトマスクの製造方法である。
これによれば、フォトマスクに形成すべきパターンの投影像の先鋭特性に基づいてデバイス線幅特性を予測し、この予測されたデバイス線幅特性に基づいて、前記パターンの少なくとも一部でその線幅を変更し、その少なくとも一部で線幅が変更されたパターンをマスク基板に形成する。従って、このようにして製造されたフォトマスクを用いて露光を行う、すなわちパターンの投影像により基板（又はその上の薄膜）上に塗布されたレジストのパターニングを行い、パターニング後の基板を現像することで、所望のデバイス線幅特性を満足するレジストパターンが基板（又はその上の薄膜）上に形成される。これにより、所望の線幅のパターンを基板上に形成することが可能になる。
本発明は、第４の観点からすると、露光による基板上のレジストのパターニング工程で用いられるフォトマスクであって、本発明のフォトマスクの製造方法を用いてパターンが形成されるフォトマスクである。
これによれば、該フォトマスクを用いて露光を行う、すなわちパターンの投影像により基板（又はその上の薄膜）上に塗布されたレジストのパターニングを行い、パターニング後の基板を現像することで、所望のデバイス線幅特性を満足するレジストパターンが基板（又はその上の薄膜）上に形成される。これにより、所望の線幅のパターンを基板上に形成することが可能になる。
本発明は、第５の観点からすると、本発明のフォトマスクを用いて、基板上にパターンを形成するリソグラフィ工程を含む第２のデバイス製造方法である。
第１の実施形態に係る露光装置の構成を概略的に示す図である。 第１の実施形態の露光装置で配線溝パターンを形成するために用いられるレチクルの一例を示す平面図である。 図３（Ａ）〜図３（Ｆ）は、照明条件の調整データを得るためのシミュレーション結果の一例を示す図であって、それぞれ、密集スペースパターンの線幅１１０ｎｍ、１１５ｎｍ、１２０ｎｍ、１２５ｎｍ、１３０ｎｍ、１３５ｎｍの場合の照明条件の変化に応じた相対線幅バイアスの変化を示す図である。 第１の実施形態の露光装置でレチクルを用いてウエハの露光を行う際の制御系の処理アルゴリズムを示すフローチャートである。 図５（Ａ）〜図５（Ｅ）は、第１の実施形態における半導体デバイスの製造方法について説明するための図である。 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、それぞれレジスト像のプロファイルが良好な場合、悪い場合について、レジスト像の線幅、キュア後のレジスト像の線幅及びエッチング後のスペースパターンの線幅の変化の様子を示す図である。 図７（Ａ）、図７（Ｂ）は、それぞれ良好なプロファイルを有するスペースパターンのレジスト像、悪いプロファイルを有するスペースパターンのレジスト像と対応するパターンの空間像（投影像）とを示す図である。
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図７（Ｂ）に基づいて説明する。図１には、第１の実施形態に係る露光装置１００の構成が概略的に示されている。この露光装置１００は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置、いわゆるスキャニング・ステッパ（スキャナとも呼ばれる）である。図１において、投影光学系ＰＬの単一の光軸ＡＸと平行にＺ軸を、Ｚ軸と直交する平面内において図１の紙面に平行な方向にＹ軸を、図１の紙面に垂直な方向にＸ軸をそれぞれ設定している。なお、図１では、後述する照明光学系１２が輪帯照明を行うように設定されている。
図１の露光装置は、光源１０及び照明光学系１２を含む照明系、レチクル（フォトマスク）Ｒが載置されるレチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、ウエハＷが載置されるウエハステージＷＳＴ及び装置全体を統括的に制御する制御系５０等を備えている。
光源１０としては、例えば波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光又は波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光を発振するエキシマレーザ光源が用いられている。
照明光学系１２は、ビームエキスパンダ１４、折り曲げミラー１６、回折光学素子（ＤＯＥ）１８（１８Ａ〜１８Ｃ）、アフォーカルレンズ（リレー光学系）２０、ズームレンズ（変倍光学系）２２、オプティカルインテグレータ（本実施形態ではマイクロフライアイレンズ（マイクロレンズアレイ）を用いるものとし、以下ではマイクロフライアイとも呼ぶ）２４、コンデンサ光学系２６、照明視野絞りとしてのレチクルブラインド２８、結像光学系３０及び折り曲げミラー３２等を含んでいる。
光源１０から射出されたほぼ平行光束（露光光（照明光））は、Ｘ軸方向に沿って細長く延びる矩形状の断面を有し、一対のレンズ１４ａ、１４ｂからなる、整形光学系としてのビームエキスパンダ１４に入射する。レンズ１４ａ、１４ｂは、図１の紙面内（ＹＺ平面内）において負の屈折力、正の屈折力をそれぞれ有する。従って、ビームエキスパンダ１４に入射した光束は、図１の紙面内において拡大され、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。
ビームエキスパンダ１４を射出した光束は、折り曲げミラー１６を介して輪帯照明用の回折光学素子（ＤＯＥ）１８Ａに入射する。この回折光学素子１８Ａは、矩形状の断面を有する平行光束が入射した場合、そのファーフィールド（フラウンホーファー回折領域）において輪帯状の光強度分布を形成する機能を有する。すなわち、回折光学素子１８Ａに入射した光束は、光軸ＡＸを中心として円周方向の全体で等角度で回折され、輪帯状の光束となる。
なお、回折光学素子１８Ａは、照明光路に対して挿脱自在に設けられ、４極照明用の回折光学素子１８Ｂ、又は通常照明用の回折光学素子１８Ｃと交換可能となっている。具体的には、回折光学素子１８Ａは、光軸ＡＸに平行な所定の軸線回りに回転可能なターレット基板（回転板：不図示）上に支持されている。ターレット基板には、特性の異なる複数の輪帯照明用の回折光学素子１８Ａ、特性の異なる複数の４極照明用の回折光学素子１８Ｂ及び特性の異なる複数の通常照明用の回折光学素子１８Ｃが円周方向に沿って設けられている。従って、ターレット基板を回転させることにより、多数の回折光学素子１８Ａ〜１８Ｃから選択された所望の回折光学素子を照明光路中に位置決めすることができる。なお、ターレット基板の回転（ひいては回折光学素子の交換（切替））は、制御系５０からの指令に基づいて動作する第１駆動系３４により行われる。なお、回折光学素子の交換機構はターレット方式に限定されることなく、例えばスライド方式などでも良い。また、上記回折光学素子１８Ａ〜１８Ｃと異なる回折光学素子、例えば２極又は３極など、４極以外の多極照明用の回折光学素子などを用いるようにしても良い。なお、４極照明用の回折光学素子１８Ｂや通常照明用の回折光学素子１８Ｃの構成及び作用については後述する。
回折光学素子１８Ａから射出される光束は、アフォーカルレンズ（リレー光学系）２０に入射する。アフォーカルレンズ２０は、その前側焦点位置と回折光学素子１８Ａの位置とがほぼ一致し且つその後側焦点位置と図中破線で示す所定面Ｓの位置とがほぼ一致するように設定されたアフォーカル系（無焦点光学系）である。
従って、回折光学素子１８Ａから射出される光束は、アフォーカルレンズ２０の瞳面に輪帯状の光強度分布を形成した後、ほぼ平行光束となってアフォーカルレンズ２０から射出される。なお、アフォーカルレンズ２０の前側レンズ群２０ａと後側レンズ群２０ｂとの間の光路中には、円錐アキシコン２１が配置されているが、その詳細な構成及び作用については後述する。アフォーカルレンズ２０を射出した光束は、ズームレンズ（変倍光学系）２２を介して、マイクロフライアイ２４に入射する。
なお、本実施形態では、回折光学素子１８、円錐アキシコン２１、及びズームレンズ２２により、照明光学系１２の瞳面上での照明光の強度分布（即ち、２次光源の形状や大きさなど）を変更してレチクルＲの照明条件を任意に設定可能な成形光学系が構成されている。また、図１では図示が省略されているが、位相子(例えばλ／４板、λ／２板、又はオプティカルローテータ（旋光子）など)、あるいは国際公開第２００５／０３６６１９号パンフレットなどに開示される複数の楔状のプリズムを含み、照明条件の１つである照明光の偏光状態を任意に設定可能な光学ユニットも、前述の成形光学系の一部として、あるいはそれとは別に設けられている。
マイクロフライアイ２４は、稠密に且つ縦横に配列された多数の所定形状の正屈折力を有する微小レンズからなる光学素子である。一般に、マイクロフライアイは、例えば平行平面ガラス板にエッチング処理を施して微小レンズ群を形成することによって作製される。
ここで、マイクロフライアイの各微小レンズは、通常のフライアイレンズの各レンズエレメントよりも微小である。また、マイクロフライアイは、互いに隔絶されたレンズエレメントからなるフライアイレンズとは異なり、多数の微小レンズが互いに隔絶されることなく一体的に形成されている。しかしながら、正屈折力を有するレンズ要素が縦横に配置されている点でマイクロフライアイはフライアイレンズと同じである。なお、図１では、図面の明瞭化のために、マイクロフライアイ２４の微小レンズの数が実際よりも非常に少なく示されている。
従って、マイクロフライアイ２４に入射した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割され、各微小レンズの後側焦点面（照明光学系の瞳面とほぼ一致）には輪帯状の光源（すなわち、多数の光源像から成る面光源（２次光源））が形成される。
なお、所定面Ｓの位置はズームレンズ２２の前側焦点位置とほぼ一致し、マイクロフライアイ２４の入射面はズームレンズ２２の後側焦点位置の近傍に配置されている。換言すると、ズームレンズ２２は、所定面Ｓとマイクロフライアイ２４の入射面とを実質的にフーリエ変換の関係とし、ひいてはアフォーカルレンズ２０の瞳面とマイクロフライアイ２４の入射面とを光学的にほぼ共役な関係にしている。従って、マイクロフライアイ２４の入射面上には、アフォーカルレンズ２０の瞳面と同様に、例えば光軸ＡＸを中心とした輪帯状の照野が形成される。ここで、輪帯状の照野の全体形状は、ズームレンズ２２の焦点距離に依存して相似的に変化する。なお、ズームレンズ２２の焦点距離の変化は、制御系５０からの指令に基づいて動作する第２駆動系３６により行われる。また、本実施形態では、マイクロフライアイ２４の各微小レンズが、レチクルＲ上において形成すべき照野（照明領域）の形状（ひいてはウエハＷ上において形成すべき露光領域の形状）と相似な矩形状の断面を有する。
マイクロフライアイ２４の後側焦点面に形成された輪帯状の２次光源からの光束は、コンデンサ光学系２６を介してレチクルブラインド２８に入射する。ここで、本実施形態のレチクルブラインド２８は、レチクルＲ上で照明光が照射される照明領域をＸ軸方向に細長く延びるスリット状に規定するものであり、照明領域の少なくともＹ軸方向の幅を規定する固定レチクルブラインド２８Ａと、レチクルＲのパターン面に対する共役面に配置される可動レチクルブラインド２８Ｂとを含む。この可動レチクルブラインド２８Ｂは、照明領域のＸ軸及びＹ軸方向の幅をそれぞれ変更可能である。この可動レチクルブラインド２８Ｂの駆動は、制御系５０からの指示に基づいて動作するブラインド駆動系４２によって行われる。走査露光の開始時及び終了時にその可動レチクルブラインド２８Ｂを駆動して照明領域を更に制限することで、不要な露光が防止される。
前記レチクルブラインド２８を介した光束は、結像光学系３０、及び折り曲げミラー３２を介してレチクルＲに照射される。レチクルＲを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、ウエハＷ上にレチクルパターンの像を形成する。そして、ウエハＷ上のショット領域毎に、Ｙ軸方向に関して照明領域に対するレチクルＲの移動と、露光領域（投影光学系ＰＬに関して照明領域と実質的に共役なパターン像の投影領域）に対するウエハＷの移動とを同期制御して走査露光を行うことにより、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の各ショット領域にレチクルＲのパターンが転写される。
前記投影光学系ＰＬとしては、例えば両側テレセントリックな屈折系であって、投影倍率が一例として１／４倍の縮小光学系が用いられている。この投影光学系ＰＬの入射瞳面には投影光学系ＰＬの開口数を規定するための可変開口絞りが設けられている。この可変開口絞りの駆動は制御系５０からの指令に基づいて動作する第３駆動系３８により行われる。
本実施形態の露光装置１００は、さらに、少なくとも一部がウエハステージＷＳＴの内部に配置されたスリットスキャン方式の空間像計測器（図示省略）を備えている。この空間像計測器としては、例えば特開２００２−１９８３０３号公報及びこれに対応する米国特許出願公開第２００２／００４１３７７号明細書に開示されるものと同様の構成のものが用いられる。
ここで、円錐アキシコン２１について説明する。この円錐アキシコン２１は、入射面が平面、且つ射出面が凹円錐状の屈折面である第１プリズム部材２１ａと、入射面が凸円錐状の屈折面、かつ射出面が平面である第２プリズム部材２１ｂとを含む。そして、第１プリズム部材２１ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材２１ｂの凸円錐状の屈折面とは、互いに当接可能なように相補的に形成されている。
また、第１プリズム部材２１ａ及び第２プリズム部材２１ｂのうち少なくとも一方が光軸ＡＸに沿って移動可能に構成され、第１プリズム部材２１ａの凹円錐状の屈折面と第２プリズム部材２１ｂの凸円錐状の屈折面との間隔が可変となっている。円錐アキシコン２１の間隔の変化は、制御系５０からの指令に基づいて動作する第４駆動系４０により行われる。
すなわち、本実施形態では、回折光学素子１８Ａによって設定される輪帯状の２次光源が、円錐アキシコン２１の間隔を例えば零から所定の値まで拡大させることにより、その幅（例えば、外径と内径との差の１／２）が実質的に変化することなく、その外径及び内径がともに拡大された輪帯状の２次光源に変化する。換言すると、輪帯状の２次光源は、円錐アキシコン２１の作用により、その幅が変化することなく、その輪帯比（外径と内径との比）及び大きさ（外径）がともに変化する。
また、本実施形態では、その輪帯状の２次光源が、ズームレンズ２２の焦点距離を例えば最小値から所定の値へ拡大させることにより、その全体形状が相似的に拡大された輪帯状の２次光源に変化する。換言すると、輪帯状の２次光源は、ズームレンズ２２の作用により、その輪帯比が実質的に変化することなく、その幅及び大きさ（外径）がともに変化する。
なお、以上のように本実施形態では、前述の円錐アキシコン２１、ズームレンズ２２、及び投影光学系ＰＬの可変開口絞りの少なくとも１つによって、照明条件の１つであるコヒーレンスファクタ（σ値：投影光学系ＰＬのレチクル側開口数に対する２次光源からの光束の開口数の比であり、以下では照明σとも呼ぶ）を連続的に可変とすることができる。
ここで、実際には、光学設計上の制約により、円錐アキシコン２１による輪帯比の変更範囲には制限がある。そこで、本実施形態では、輪帯照明用の回折光学素子１８Ａとして、特性の異なる複数、例えば２つの回折光学素子を備えている。すなわち、一方の輪帯照明用回折光学素子は、例えば０．４〜０．６の範囲で輪帯比を変更するのに適した輪帯状の２次光源を形成する。また、他方の輪帯照明用回折光学素子は、例えば０．６〜０．８の範囲で輪帯比を変更するのに適した輪帯状の２次光源を形成する。その結果、円錐アキシコン２１、及び２つの輪帯照明用回折光学素子により、０．４〜０．８の範囲で輪帯比を変更することが可能になる。
ところで、前述したように、回折光学素子１８Ａは、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ他の回折光学素子、例えば４極照明用の回折光学素子１８Ｂ、又は通常照明用の回折光学素子１８Ｃと切り換え可能に構成されている。従って、回折光学素子１８Ｂ、１８Ｃそれぞれを照明光路上に設定することで、４極照明、通常照明などの照明条件の設定が可能である。例えば、４極照明の場合、上述の輪帯照明の場合と同様に、円錐アキシコン２１により、照明光学系の瞳面での照明光の輪帯比（４つの光源が外接する円の直径と内接する円の直径との比）を変更可能であり、ズームレンズ２２によって、照明光学系の瞳面での照明光（各光源）の大きさを変更可能である。また、円錐アキシコン２１、ズームレンズ２２、又は投影光学系ＰＬの可変開口絞りによってσ値を変更可能である。この場合も、円錐アキシコン２１による輪帯比の変更範囲には制限があるので、特性の異なる複数の回折光学素子を必要に応じて切り換えて用いるようになっている。
また、通常照明の場合、円錐アキシコン２１は、第１及び第２プリズム部材２１ａ、２１ｂの間隔が実質的に零となっているので、平行平面板として機能するのみであるが、ズームレンズ２２によって、照明光学系の瞳面での照明光の大きさを変更可能である。このズームレンズ２２及び／又は投影光学系ＰＬの可変開口絞りによってσ値を変更可能である。但し、実際には、光学設計上の制約により、ズームレンズ２２による外径の変倍範囲には制限がある。そこで、本実施形態では、通常照明用の回折光学素子１８Ｃとして、特性の異なる複数、例えば２つの回折光学素子を備えている。すなわち、一方の通常照明用回折光学素子は、比較的小さいσ値（小σ）から中間的なσ値（中σ）までの範囲でσ値を変更するのに適した円形状の２次光源を形成する。また、他方の通常照明用回折光学素子は、中σから比較的大きいσ値（大σ）までの範囲でσ値を変更するのに適した円形状の２次光源を形成する。その結果、ズームレンズ２２、及び２つの通常照明用回折光学素子により、小σから大σまでの範囲（例えば０．１≦σ≦０．９５）でσ値を変更することができるようになっている。
次に、露光装置１００で銅配線用の配線溝パターンを形成するために用いられるレチクルＲTの一例について説明する。
図２には、レチクルＲTの一例が示されている。この図２は、レチクルＲTをパターン面側（図１における下面側）から見た平面図である。この図２に示されるように、レチクルＲTは、ガラス基板５２（例えば、合成石英など）から成り、その一方の面には不図示の遮光帯によって規定されるほぼ長方形のパターン領域ＰＡが形成される。本例では、クロム等の遮光部材によってそのパターン領域ＰＡのほぼ全面が遮光部となっている。パターン領域ＰＡ内には、所定の位置関係で、孤立パターンＩＳＰと、密集パターンＤＳＰとが、それぞれ複数形成されている。本例では、パターンＩＳＰ、ＤＳＰはいずれも、遮光部内に光透過部で形成されるスペースパターン（開口パターン）である。なお、図２のレチクルＲTではパターン領域ＰＡのほぼ全面を遮光部としたが、例えばパターンＩＳＰ、ＤＳＰの形成領域を遮光部とするだけでも良い。
ここで、孤立パターンＩＳＰは、Ｙ軸方向に伸びかつ線幅が例えば５４０ｎｍのライン状のスペースパターンである。密集パターンＤＳＰは、それぞれＹ軸方向に伸びかつ線幅が例えば４００ｎｍである５本のライン状のスペースパターンがピッチ８００ｎｍでＸ軸方向に並んだ周期パターンである。なお、パターンＩＳＰ，ＤＳＰは、図２では図示の便宜上から実際よりも格段大きく図示されている。
レチクルＲTの中心（パターン領域ＰＡの中心にほぼ一致）に対してパターン領域ＰＡのＸ軸方向の両側には、一対のレチクルアライメントマークＲＭ１，ＲＭ２が形成されている。
本実施形態の露光装置１００では、所望のデバイス線幅特性を有するスペースパターンのレジスト像及びエッチング後の像を得るための、照明条件の調整データが予め求められ、制御系５０内のメモリに記憶されている。以下、この照明条件の調整データを得るためのシミュレーションの一例について説明する。
まず、このシミュレーションにおける露光条件について説明する。この露光条件（以下、基準露光条件）では、露光光は波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光、投影光学系の開口数は０．７８、照明条件はσ値＝０．８かつ輪帯比＝０．５の輪帯照明（以下、基準照明条件）であり、線幅１３５ｎｍの孤立スペースパターン、及び線幅１００ｎｍかつピッチ２００ｎｍの密集スペースパターンが形成されたレチクルを用いる。そして、この基準照明条件及びレチクルによる露光により、ウエハ上に線幅１５０ｎｍの孤立スペースパターンのレジスト像、及び線幅１２０ｎｍの密集スペースパターンのレジスト像が形成される。このシミュレーションでは、投影光学系の投影倍率は等倍としている。
この露光条件の下、照明条件、例えばσ値を０．７〜０．９の範囲で変更し、かつ輪帯比を０．４〜０．６の範囲で変更した際の、孤立スペースパターンのレジスト像の線幅と、密集スペースパターンのレジスト像の線幅との差（以下、「孤立密集差」又は「線幅バイアス」と呼ぶ）の、上記基準露光条件における孤立密集差（線幅バイアス）との差、すなわち、相対線幅バイアスの変化が、図３（Ｃ）に示されている。上記範囲におけるσ値（照明σ）、輪帯比の変更では、密集スペースパターンのレジスト像の線幅は１２０ｎｍに維持される。従って、図３（Ｃ）における相対線幅バイアスの変化は、孤立スペースパターンのレジスト像の線幅変化を反映したものである。また、この図３（Ｃ）中の白色の等高線は、上記の相対線幅バイアスが零の等高線（すなわち、基準露光条件（基準照明条件）における孤立密集差（線幅バイアス）と同一の孤立密集差（線幅バイアス）となる露光条件（照明条件）を結んだ等高線）を示す。
また、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｄ）、図３（Ｅ）及び図３（Ｆ）には、密集スペースパターンのレジスト像の線幅が、それぞれ１１０ｎｍ、１１５ｎｍ、１２５ｎｍ、１３０ｎｍ及び１３５ｎｍになるときの、図３（Ｃ）と同様の相対線幅バイアスの変化が示されている。また、これら図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｄ）、図３（Ｅ）及び図３（Ｆ）中には、図３（Ｃ）中の白色の等高線が、破線にて示されている。
例えば、図３（Ｆ）中に白色矢印で示されるように、破線上でσ値が大きくなり、かつ輪帯比が大きくなるような照明条件に変更すると、スペースパターンのレジスト像の線幅バイアス（ボトムの線幅の孤立密集差）を変えずに、スペースパターンのレジスト像のトップの線幅（線幅が１３５ｎｍとなる高さ位置の線幅）の孤立密集差を、孤立スペースパターンのレジスト像の線幅が広くなる（プロファイルが悪くなる）方向に変化させることができることがわかる。
本実施形態では、図３（Ａ）〜図３（Ｆ）に示されるものと同様の、照明条件と相対線幅バイアスとの関係を示す情報が、種々の目標線幅について予めシミュレーション（又は実験）により求められ、制御系５０のメモリに記憶されている。
次に、本実施形態の露光装置１００で、前述のレチクルＲTを用いてウエハＷの露光を行う際の処理の流れについて、制御系の処理アルゴリズムを示す図４のフローチャートに沿って説明する。
まず、ステップ１０２において、不図示のレチクル搬送系を介してレチクルＲTをレチクルステージＲＳＴ上に搭載して、前述の空間像計測器を用いて、前述の特開２００２−１９８３０３号公報及びこれに対応する米国特許出願公開第２００２／００４１３７７号明細書などに開示される手順で、スリットスキャン方式による空間像計測を行って、レチクルＲT上のパターンＩＳＰ，ＤＳＰの空間像強度分布（投影像強度分布）の情報を取得する。
次のステップ１０４において、その得られた投影像強度分布を用いて投影像の先鋭特性を算出する。具体的には、例えば、レジスト感度に応じたスライスレベルとの交点位置における投影像強度分布の微分値（すなわち、その交点位置での接線の傾き）、あるいは前記交点位置における投影像強度分布のログスロープを、投影像の先鋭特性として算出する。ここで、前者の微分値では、像の明暗の影響を受けるおそれがある。この場合には、その明暗の影響を除去できる後者のログスローブを採用することが望ましい。この他、投影像のコントラストを先鋭特性として算出することとしても良い。
次のステップ１０６〜１１０では、算出した投影像の先鋭特性に基づいて、デバイス線幅特性を予測する。
具体的には、まず、ステップ１０６において、投影像の先鋭特性に基づいてレジストパターン（レジスト像）のプロファイルを予測する。例えば孤立パターンＩＳＰの投影像について考えると、パターンＩＳＰの投影像として、例えば図７（Ａ）又は図７（Ｂ）の下段に示される像が得られる。この投影像とレジスト感度に応じたスライスレベルＳＬとの交点Ｐ1、Ｐ2における微分値（接線の傾き）（又はログスロープ）が分かれば、この微分値（又はログスロープ）と線分Ｐ1−Ｐ2の長さである投影像線幅ＷＤbとに基づいて、レジスト像のプロファイルを概略的に予測できる。これにより、例えば図７（Ａ）及び図６（Ａ）、又は図７（Ｂ）及び図６（Ｂ）の上段に示されるレジスト像のプロファイルが予測される。ここで、レジスト像の高さ（レジスト層の厚さ）は既知である。
次のステップ１０８では、さらに、キュア処理による変形を考慮して、キュア後のレジスト像のプロファイルを予測する。これにより、例えば図６（Ａ）の中段に示される、キュア処理（レジスト硬化のための加熱又は紫外線照射（ＵＶキュア））によって変形したレジスト像のプロファイルが予測される。但し、キュア処理によるレジスト像の変形が小さい場合もあるので、キュアによる変形は必ずしも考慮しなくても良い（ステップ１０８の処理は必須ではない）。
次のステップ１１０では、予測したレジスト像のプロファイルに基づいて、デバイス線幅特性を予測する。ここで、上記のレジスト像のプロファイルに基づいて、そのレジスト像をマスクとする所定の膜（例えば層間絶縁膜）のエッチング処理を経てウエハ上に形成されるエッチング後のパターンの線幅を算出することでデバイス線幅特性を予測しても良い。あるいは、上記のレジスト像のプロファイルに加えて、現像後又はキュア後に行われるエッチング工程におけるエッチング特性をも考慮して、エッチング後のパターンの線幅を算出することでデバイス線幅特性を予測しても良い。
本明細書において、エッチング特性とは、主としてレジストと、レジストの下にある加工（エッチング）対象である膜とのエッチング速度の比である選択比を意味するが、この他に粗密差、及び／又はＰＮ差などを含んでも良い。粗密差とは、パターンの粗な部分と密な部分とでのエッチング速度、形状などの特性の違いを意味する。ＰＮ差とは、半導体のＰ型構造とＮ型構造の差によるエッチング特性の違いを意味する。場合によっては、エッチング特性として、エッチングの等方性、異方性を含めても良い。
次のステップ１１２では、予測されたデバイス線幅特性に基づいて、所望の線幅を有するエッチング像（エッチング後のパターン）が得られるように、露光条件を調整する。
例えば、推定されたエッチング像の線幅と所望の線幅との差に基づいて、前述の基準露光条件で露光を行った場合に、パターンＤＳＰの各スペースのレジスト像の線幅が所望の線幅となる露光量（パターンを介してウエハに照射される照明光の積算エネルギ量）を算出する（すなわち、予測されたデバイス線幅特性（上記線幅差）に基づいて露光量を補正する）。
次に、前述の基準照明条件と相対線幅バイアスとの関係を示す情報に基づいて、パターンＩＳＰとパターンＤＳＰとのレジスト像のボトム幅、トップ幅がそれぞれ所望の値となるように、前述の駆動系３６（及び３８）、４０を介して照明σ及び／又は輪帯比を調整する。
次のステップ１１４では、調整後の露光条件（算出された露光量、及び調整された照明条件を含む）で、ステップ・アンド・スキャン方式の露光を行って、その表面にレジストが塗布されたウエハＷ上の各ショット領域に、レチクルＲTのパターンを転写した後、本ルーチンの処理を終了する。
その後、レチクルＲTのパターンが転写されたウエハＷがウエハステージＷＳＴからアンロードされ、不図示のコータ・デベロッパに搬送されて現像される。これにより、ウエハＷ上には、所望の線幅及びプロファイルを有する、パターンＩＳＰとパターンＤＳＰのレジスト像が形成される。
次に、本実施形態における半導体デバイスの製造方法について、図５（Ａ）〜図５（Ｅ）に基づいて説明する。
まず、半導体基材を準備する。例えば、素子分離領域形成工程、ウエル形成工程、及びトランジスタ形成工程を経た後、層間絶縁膜の成膜、レジストのパターニングを経て下層配線８１（第１の銅配線層）が形成された半導体基板（ウエハ）Ｗを準備する。そして、そのウエハ上に拡散防止膜８２を形成する（図５（Ａ））。下層配線８１としては、例えば、ＭＯＳトランジスタの拡散層に至るタングステンプラグを用いることができる。なお、説明の簡略化のために、図５（Ａ）〜図５（Ｅ）では下層配線８１の構造の図示は省略されている。
拡散防止膜８２としては、例えば、ＳｉＮ（窒化シリコン）膜、ＳｉＣ（炭化シリコン）膜、又はＳｉＣＮ（炭窒化シリコン）膜などを用いることができる。なお、拡散防止膜８２として、この上に形成する層間絶縁膜とのエッチング選択比の大きい材料を用いた場合には、拡散防止膜８２はエッチングストッパ膜としても機能する。
次に、拡散防止膜８２の上に、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより層間絶縁膜８３を形成する（図５（Ａ））。層間絶縁膜８３としては、ここでは低誘電率絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）が用いられている。層間絶縁膜８３の膜厚は、一例として２００ｎｍ〜６００ｎｍ程度である。層間絶縁膜の比誘電率は、２．０〜２．５程度であることが好ましい。
本実施形態において、層間絶縁膜８３を構成する絶縁膜としては、ＳｉＯ2膜よりも低い比誘電率を有する絶縁膜を用いる。具体的には、水素原子、メチル基（−ＣＨ3）などのアルキル基又はアリル基（ＣＨ2＝ＣＨＣＨ2−）と結合したシリコン原子を有するＳｉＯ2膜が挙げられる。例えば、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）膜、又はＨＳＱ（水素化シルセスキオキサン）膜などが好適である。
層間絶縁膜８３を形成した後は、層間絶縁膜８３の上にキャップ膜８５を形成する（図５（Ｂ））。キャップ膜８５は、ダマシン法によるＣＭＰ工程で層間絶縁膜８３の保護膜として働く。キャップ膜８５としては、例えば、ＳｉＯ2（二酸化シリコン）膜、ＳｉＣ（炭化シリコン）膜、又はＳｉＮ（窒化シリコン）膜などを用いることができる。これらの膜は、例えば、ＣＶＤ法によって形成することができる。
キャップ膜８５を形成した後は、所定のレジストパターン、すなわち所定のパターンプロファイルを有するレジスト膜８６を形成する（図５（Ｃ））。
具体的には、下層配線８１，拡散防止膜８２、層間絶縁膜８３及びキャップ膜８５が積層されたウエハＷをコータ・デベロッパに搬送し、感光剤（レジスト）を塗布する。引き続き、そのレジストが塗布されたウエハをそのコータ・デベロッパにインラインで接続された本実施形態の露光装置１００のウエハステージＷＳＴ上に搬入する。そして、所定の準備作業を行った後、前述した手順で調整された露光条件により露光を行い、前述のレチクルＲTのパターンをウエハＷ上に転写する。
次に、その露光されたウエハＷを、コータ・デベロッパに搬送して現像する。これにより、所望の線幅及びプロファイルのパターンＩＳＰ、ＤＳＰのレジスト像が形成される。図５（Ｃ）では、このようにして形成されたパターンＩＳＰのレジスト像が代表的にレジスト膜８６として示されている。そして、必要に応じて、そのウエハＷに対してキュア処理、例えば加熱処理（ポストベーク処理）又は紫外線照射処理を施す。
次に、レジスト膜８６をマスクとして、キャップ膜８５、層間絶縁膜８３及び拡散防止膜８２にドライエッチングを施して、下層配線８１に至る配線溝（凹部）を形成する。ドライエッチング終了後に、不要となったレジスト膜８６をアッシングにより除去することによって、図５（Ｄ）に示される下層配線８１に至る配線溝８８が形成される。
なお、例えば、拡散防止膜８２がエッチングストッパ膜としても働く場合には、レジスト膜８６をマスクとし、キャップ膜８５及び層間絶縁膜８３に対して第１のドライエッチングを行い、その後に不要となったレジスト膜８６を除去するためにアッシング、洗浄処理を行い、その後、キャップ膜８５をハードマスクとして、拡散防止膜８２に対して第２のドライエッチングを行うようにしても良い。このようにしても、下層配線８１に至る配線溝８８を形成することができる。
配線溝８８を形成した後は、洗浄処理によってエッチング残渣を除去する。その後、公知のメッキ法及び／又はスパッタリング法などを用いて配線溝８８の内部に銅配線層を埋め込み、下層配線８１に電気的に接続する溝配線９２を形成する。そして、ＣＭＰにより、溝配線９２の表面を平坦化する。
以上の工程によって、下層配線８１に電気的に接続する溝配線９２を形成することができる（図５（Ｅ））。図５（Ｅ）において、符号８９は、例えば、Ｔａ（タンタル）膜、ＴａＮ（窒化タンタル）膜、Ｗ（タングステン）膜、ＷＮ（窒化タングステン）膜、Ｔｉ（チタン）膜、又はＴｉＮ（窒化チタン）膜などから成るバリアメタル膜を示す。また、符号９０は、シードＣｕ（銅）膜、符号９１はＣｕ層をそれぞれ示す。バリアメタル膜８９、シードＣｕ（銅）膜９０は、スパッタリング法によって形成することができる。また、Ｃｕ層９１は、メッキ法によって形成することができる。
その後、溝配線９２に電気的に接続するビアプラグを形成した後、同様の工程を繰り返すことによって多層配線構造を形成することができる。
次いで、その多層配線構造が形成されたウエハを用いてデバイス組立てを行う。この組み立て工程には、ダイシング工程、ボンディング工程、及びパッケージング工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれる。
最後に、作成されたデバイスの動作確認テスト、耐久テスト等の検査を行う。
以上説明したように、本実施形態に係るウエハ処理方法によると、所定のパターン、例えばレチクルＲT上のパターンＩＳＰ、ＤＳＰの投影像の先鋭特性に基づいてレジストパターンのプロファイルを予測し（ステップ１０６、１０８）、この予測したプロファイルに基づいてデバイス線幅特性を予測し（ステップ１１０）、この予測したデバイス線幅特性に基づいてパターンＩＳＰ、ＤＳＰの露光条件を調整する（ステップ１１２）。従って、この調整された露光条件で露光を行う、すなわちパターンの投影像によりウエハＷ上のレジストのパターニングを行い（ステップ１１４）、パターニング後のウエハを現像することで、所望のデバイス線幅特性を満足するレジストパターンがウエハ上に形成される。さらに、このレジストパターンをマスクとしてウエハのエッチングを行うことで、そのエッチング後に所望の線幅のパターン（溝）を形成することができる。
また、本実施形態のデバイス製造方法によると、ウエハ処理工程において、上記のウエハ処理方法を用いて、配線用の溝が形成されるので、各配線溝の幅は、所望の値となる。例えば同一の線幅のレジストパターンに対応するエッチング後の溝は、同一線幅の溝となる。従って、デバイスの仕上り寸法の不均一やばらつきの発生を抑制でき、動作速度の良好な（信号遅延が小さな）デバイスを歩留り良く製造することができる。
なお、本実施形態では、予測されたデバイス線幅特性（例えば、推定されたエッチング像の線幅と所望の線幅との差）に基づいて露光条件、すなわち露光量、及び照明条件（照明σ及び輪帯比）を調整するものとしたが、これに限らず、露光量及び／又は照明条件の代わりに、あるいはそれと組み合わせて、他の露光条件を調整しても良い。他の露光条件は、例えば投影光学系ＰＬの光学特性（収差、開口数など）、あるいは、例えば米国特許第５,７４２,３７６号、ＲＥ３７,３９１号明細書などに開示されるように、走査露光中にウエハ上の所定点を連続的に異なるＺ位置に設定して実質的に焦点深度を拡大する超解像技術の実施の有無、及びＺ軸方向の振り幅（移動範囲）などを含む。また、照明条件の調整では、照明光学系１２の瞳面における照明光の強度（エネルギ）分布、すなわち２次光源の形状は実質的に同一に維持しつつその大きさ（照明σ、輪帯比）を調整するものとしたが、これに限らず、例えば２次光源の形状の変更（輪帯照明から４極照明などへの変更）、照明光の偏光状態及び／又はスペクトル特性（例えば中心波長、波長幅）の調整などを行うこととしても良い。スペクトル特性の調整では、例えば照明光のスペクトル強度分布の積分値に基づいて定まる第１スペクトル幅（例えば、９５％エネルギ純度幅（Ｅ９５））、スペクトル強度分布のピーク値に対して強度が所定割合まで低下するときの幅である第２スペクトル幅（例えば、半値全幅（ＦＷＨＭ））、及び第１スペクトル幅と第２スペクトル幅との比の少なくとも１つが調整される。さらに、露光条件の調整は、例えば米国特許第５,５４６,２２５号明細書などに開示される、ＯＰＣ（Optical Proximity Correction）と呼ばれるレチクルパターンの修正（後述する第２の実施形態での線幅調整、及び／又は補助パターンの追加など）を含んでも良い。
次に、第２の実施形態を説明する。本第２の実施形態は、レチクル、例えば前述したレチクルＲTを製造する方法についての実施形態である。
この第２の実施形態では、前述の第１の実施形態におけるステップ１０２〜ステップ１１０の処理と同じ処理を行って、デバイス線幅特性を予測した後、所望の線幅を有するエッチング像が得られるように、その予測結果に基づいて、露光条件としてレチクルＲTに形成するパターンＩＳＰ、ＤＳＰに対応するパターンデータのうちの少なくとも一部のスペースパターンデータの線幅値を調整する。
そして、その線幅値が調整されたパターンデータを用いて、図２に示されるように、ガラス基板５２の一方の面に形成されたパターン領域ＰＡ内に、所望の線幅を有するパターンＩＳＰ、ＤＳＰを、所定の位置関係で、それぞれ複数形成する。このパターンＩＳＰ、ＤＳＰの形成は、一例として、パターン領域ＰＡを形成するクロムなどの遮光部材の表面に電子線レジストを塗布し、そのレジストを電子線露光装置を用いて露光し、現像後にレジストパターンをマスクとしてその遮光部材をエッチングするなどの手順で行うことができる。
このようにして製造されたレチクルＲTを、例えば露光装置１００にローディングし、前述の基準露光条件、及びその製造されたレチクルＲTによりステップ・アンド・スキャン方式の露光を行って、ウエハ上の各ショット領域にレチクルＲTのパターンを転写する。そして、そのウエハを現像することで、ウエハ上には、所望の線幅及びプロファイルを有する、パターンＩＳＰ、ＤＳＰのレジスト像が形成される。
なお、本第２の実施形態では、前述したレチクル製造時のパターンの修正（線幅調整）に加えて、その製造されたレチクルを用いる露光の際に、前述の第１の実施形態と同様に、露光条件（例えば、照明条件及び露光量の少なくとも一方）を調整しても良い。また、本第２の実施形態において、レチクル製造時におけるパターンの修正は線幅調整に限られるものでなく、線幅調整の代わりに、あるいはそれと組み合わせて、例えば補助パターンの追加などを行っても良い。
なお、上記各実施形態では、パターンＩＳＰ、ＤＳＰの投影像の先鋭特性に基づいてレジストパターンのプロファイルを予測し、この予測したプロファイルに基づいて、デバイス線幅特性を予測するものとしたが、これに限らず、パターンの投影像の先鋭特性に基づいて、デバイス線幅特性を予測することとしても良い。
また、上記各実施形態では、孤立パターンＩＳＰと密集パターンＤＳＰとが形成されたレチクルＲTを用いて露光を行う場合について説明したが、これに限らず、孤立パターンのみ、あるいは密集パターンのみが形成されたレチクルを用いて露光を行っても良い。この場合、上記各実施形態のように、レジスト像等の線幅の孤立密集差（線幅バイアス）を調整するために露光条件を調整する必要がなくなる。この場合、例えば、予め実験又はシミュレーションにより、パターンの投影像の先鋭特性と、デバイス線幅特性（及びレジストパターンのプロファイル）との関係、デバイス線幅特性と露光条件（例えば、露光量及び照明条件の少なくとも一方を含む）との関係を求めておく。そして、実際の露光に際しては、前述の空間像計測器を用いてパターンの空間像（投影像）の強度分布を計測し、この計測結果（投影像の先鋭特性）に基づいて、デバイス線幅特性を予測し、この予測した線幅特性に基づいて露光条件を調整してそのパターンを転写することで、所望の線幅のパターンのレジスト像、ひいては所望の線幅のエッチング後のパターン像を得ることができる。
また、前述の２次光源の強度分布（輝度分布）の影響によるプロファイルの違いを、照明条件の変更、例えば２次光源の形状又は大きさ、すなわちσ値、輪帯比などの変更により補正することもできる。上記各実施形態では溝パターン、配線層について説明したが、これらに限らず、他のパターン、レイヤでも良い。さらに、レチクルパターンは光透過部内に遮光部で形成されるパターンでも良い。また、輪帯照明又は多極照明では、照明光学系の瞳面における照明光の強度分布で、輪帯領域又は光軸ＡＸから偏心した複数の領域以外での強度を零としなくても良い。すなわち、輪帯領域又はその偏心した複数の領域が、それ以外の領域に比べて照明光の強度が大きくなっていれば良い。
なお、上記各実施形態におけるアキシコン２１では、光源側から順に、凹状の屈折面を有する第１プリズム部材と凸状の屈折面を有する第２プリズムとを配置しているが、この配置順序を逆にしても良い。また、上記各実施形態の照明光学系の構成は一例に過ぎず、輪帯比及び照明σなどを含む照明条件を調整できるものであれば、その構成は問わず、例えば特開２００２−２３１６１９号公報及びこれに対応する米国特許出願公開第２００４／０２６３８１７号明細書などに開示される照明光学系など、種々の構成を採用できる。例えば、オプティカルインテグレータ２４として、フライアイレンズの代わりに、内面反射型インテグレータ（ロッドなど）あるいは回折光学素子などを用いても良い。
また、上記各実施形態において、照明光として、例えば国際公開第１９９９／４６８３５号パンフレット及び対応する米国特許第７,０２３,６１０号明細書などに開示されているように、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム（又はエルビウムとイッテルビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いても良い。
また、光源としては、波長１５７ｎｍのＦ2レーザ光、波長１４６ｎｍのＫｒ2レーザ光、波長１２６ｎｍのＡｒ2レーザ光などの真空紫外光を発生する光源、あるいはｇ線、ｉ線などの輝線を発生する水銀ランプなどを使用しても良い。
また、投影光学系の倍率は縮小系のみならず等倍及び拡大系のいずれでも良い。投影光学系は屈折系のみならず、反射系、及び反射屈折系（例えば、国際公開第２００４／１０７０１１号パンフレット及びこれに対応する米国特許出願公開第２００６／０１２１３６４号明細書などに開示されるインライン型の反射屈折系など）のいずれでも良いし、その投影像は倒立像及び正立像のいずれでも良い。
なお、上記各実施形態では、本発明がステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置に適用された場合について説明したが、これに限らず、本発明は、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（いわゆるステッパ）あるいはステップ・アンド・スティッチ方式の露光装置にも好適に適用することができる。
この他、例えば国際公開第２００４／０５３９５５号パンフレット及びこれに対応する米国特許出願公開第２００５／０２５２５０６号明細書、欧州特許出願公開第１,４２０,２９８号明細書、国際公開第２００４／０５５８０３号パンフレット、米国特許第６,９５２,２５３号明細書などに開示される、投影光学系ＰＬとウエハとの間に液体が満たされる液浸型露光装置などにも本発明を適用しても良い。また、例えば特開平１０−１６３０９９号公報（及び対応する米国特許第６,５９０,６３４号明細書）、特表２０００−５０５９５８号公報（及び対応する米国特許第５,９６９,４４１号明細書）、米国特許第６,２０８,４０７号明細書などに開示されるように、複数のステージを備えるマルチステージ型の露光装置、あるいは、例えば特開平１１−１３５４００号公報（及び対応する国際公開第１９９９／２３６９２号パンフレット）、特開２０００−１６４５０４号公報（及び対応する米国特許第６,８９７,９６３号明細書）などに開示されるように、計測部材（基準マーク、センサなど）を有する計測ステージを備える露光装置などにも本発明を適用することができる。
さらに、照明光として紫外光などだけでなく、電子線やイオンビームなどの荷電粒子線を用いる露光装置、Ｘ線露光装置などにも本発明を好適に適用できる。なお、電子線露光装置はペンシルビーム方式、可変成形ビーム方式、セルプロジェクション方式、ブランキング・アパーチャ・アレイ方式、及びマスク投影方式のいずれであっても良い。例えば、ペンシルビーム方式の場合、予め計測したレジスト像プロファイルに基づいて、デバイス線幅特性を予測し、このデバイス線幅特性に基づいて、露光エネルギを増減することで、パターンの露光条件としての露光量を調整しても良い。また、デバイス線幅特性に基づいて、露光条件として線幅を調整しても良い。
なお、上記各実施形態においては、光透過性の基板上に所定の遮光パターン（又は位相パターン・減光パターン）を形成した光透過型マスク（レチクル）を用いたが、このマスクに代えて、例えば米国特許第６，７７８，２５７号明細書に開示されているように、露光すべきパターンの電子データに基づいて、透過パターン又は反射パターン、あるいは発光パターンを形成する電子マスク（可変成形マスク）を用いても良い。なお、非発光型画像表示素子（空間光変調器とも呼ばれる）の一種であるＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を用いる可変成形マスクでは、前述した第２の実施形態と同様に、デバイス線幅特性を予測した後、所望の線幅を有するエッチング像が得られるように、その予測結果に基づいて、電子マスクで発生すべきパターンの設計データを補正してパターンの露光条件として線幅調整を行うようにしても良い。
また、国際公開第２００１／０３５１６８号パンフレットに開示されているように、干渉縞をウエハＷ上に形成することによって、ウエハＷ上にデバイスパターンを形成する露光装置（リソグラフィシステム）にも本発明を適用することができる。さらに、例えば特表２００４−５１９８５０号公報（及び対応する米国特許第６,６１１,３１６号明細書）などに開示されているように、複数のレチクル（又は可変成形マスク）のパターンを、投影光学系を介してウエハ上で合成し、１回の走査露光によってウエハ上の１つの領域をほぼ同時に二重露光する露光装置にも本発明を適用することができる。
また、露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレート等に形成される液晶表示素子などのディスプレイを製造するための露光装置、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン及びＤＮＡチップなどを製造するための露光装置にも広く適用できる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又はマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。なお、露光対象となる物体はウエハに限られるものでなく、例えばガラスプレート、セラミック基板、フィルム部材、あるいはマスクブランクスなどでも良いし、その形状も円形に限らず矩形などでも良い。
なお、本国際出願で指定した指定国（又は選択した選択国）の国内法令が許す限りにおいて、上記各公報、各国際公開パンフレット、米国特許及び米国特許出願公開明細書における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
また、上記各実施形態においては、シングルダマシンプロセスにより銅配線を形成する配線工程を含むデバイス製造方法について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。本発明は、デュアルダマシンプロセスにより金属配線を形成する配線工程を含むデバイス製造方法にも同様に適用することが可能である。また、この他、トランジスタのゲートを、前述したシングルダマシンプロセスと同様の埋め込み手法により形成する場合には、本発明の基板処理方法を用いて、ゲート用の溝をウエハ上に形成しても良い。
本発明の基板処理方法は、配線溝などの形成に適している。また、本発明のデバイス製造方法は、マイクロデバイスの製造に適している。また、本発明のフォトマスクの製造方法は、マイクロデバイスの製造に用いられるフォトマスクの製造に適している。

Claims (29)

  1. 露光による基板上のレジストのパターニング工程を含む基板処理方法であって、
    所定のパターンの投影像の先鋭特性に基づいてデバイス線幅特性を予測する工程と；
    予測されたデバイス線幅特性に基づいて、前記パターンの露光条件を調整する工程と；を含む基板処理方法。
  2. 請求項１に記載の基板処理方法において、
    前記先鋭特性は、前記投影像の像強度分布における所定位置での微分値である基板処理方法。
  3. 請求項１に記載の基板処理方法において、
    前記先鋭特性は、前記投影像の像強度分布における所定位置でのログスロープである基板処理方法。
  4. 請求項１に記載の基板処理方法において、
    前記先鋭特性は、前記投影像のコントラストである基板処理方法。
  5. 請求項１に記載の基板処理方法において、
    前記デバイス線幅特性を予測する工程では、前記パターニング工程及び現像工程を経て得られるレジストパターンのプロファイルが用いられる基板処理方法。
  6. 請求項１に記載の基板処理方法において、
    前記デバイス線幅特性を予測する工程では、
    前記投影像の先鋭特性に基づいてレジストパターンのプロファイルを予測し、
    その予測したレジストパターンのプロファイルに基づいて、前記デバイス線幅特性を予測する基板処理方法。
  7. 請求項６に記載の基板処理方法において、
    前記レジストパターンの加熱処理による変形を考慮して、レジストパターンのプロファイルを予測する基板処理方法。
  8. 請求項１に記載の基板処理方法において、
    前記レジストのパターニング工程の後に、現像工程及びエッチング工程を含み、
    前記デバイス線幅特性を予測する工程では、所定のパターンの投影像の先鋭特性及び前記エッチング工程におけるエッチング特性に基づいてデバイス線幅特性を予測する基板処理方法。
  9. 請求項８に記載の基板処理方法において、
    前記露光条件を調整する工程では、予測されたデバイス線幅特性に基づいて、エッチング後のパターンの線幅が所望の値となるように、露光条件を調整する基板処理方法。
  10. 請求項１に記載の基板処理方法において、
    前記露光条件は、前記パターンの露光量、線幅、及び照明条件の少なくとも１つを含む基板処理方法。
  11. 請求項１０に記載の基板処理方法において、
    前記露光条件は少なくとも前記パターンの線幅を含み、フォトマスク上のパターンの線幅を変更することで前記露光条件を調整する基板処理方法。
  12. 請求項１０に記載の基板処理方法において、
    前記露光条件は少なくとも前記露光量を含み、前記露光時にレジストに照射されるエネルギビームのエネルギ量を少なくとも変更することで前記露光条件を調整する基板処理方法。
  13. 請求項１０に記載の基板処理方法において、
    前記露光条件は少なくとも前記照明条件を含み、前記パターンにエネルギビームを照射する照明系の瞳面上でのエネルギ分布を変更することで前記露光条件を調整する基板処理方法。
  14. 請求項１に記載の基板処理方法において、
    前記露光条件は少なくとも前記露光時にレジストに照射されるエネルギビームのスペクトル特性を含む基板処理方法。
  15. 請求項１４に記載の基板処理方法において、
    前記スペクトル特性は、前記エネルギビームのスペクトルの強度分布の積分値に基づいて定まる第１スペクトル幅と、前記スペクトルの強度のピーク値に対して強度が所定割合まで低下するときの幅である第２スペクトル幅との少なくとも一方を含む基板処理方法。
  16. 請求項１に記載の基板処理方法において、
    前記パターニング工程で１回の露光により孤立パターンと密集パターンとをレジストに転写するに際し、
    該両パターンのそれぞれで、レジストパターンの線幅とエッチング後のパターンの線幅とが所望の関係になるように、前記露光条件を調整する基板処理方法。
  17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の基板処理方法を用いて、基板上にパターンを形成するリソグラフィ工程を含むデバイス製造方法。
  18. 請求項１７に記載のデバイス製造方法において、
    前記リソグラフィ工程は、配線パターン及びトランジスタのゲートパターンの少なくとも一方を形成する基板処理工程を含むデバイス製造方法。
  19. 露光による基板上のレジストのパターニング工程で用いられるフォトマスクの製造方法であって、
    前記フォトマスクに形成すべきパターンの投影像の先鋭特性に基づいてデバイス線幅特性を予測する工程と；
    予測された前記デバイス線幅特性に基づいて前記パターンの少なくとも一部でその線幅を変更し、その少なくとも一部で線幅が変更されたパターンをマスク基板に形成する工程と；を含むフォトマスクの製造方法。
  20. 請求項１９に記載のフォトマスクの製造方法において、
    前記先鋭特性は、前記投影像の像強度分布における所定位置での微分値であるフォトマスクの製造方法。
  21. 請求項１９に記載のフォトマスクの製造方法において、
    前記先鋭特性は、前記投影像の像強度分布における所定位置でのログスロープであるフォトマスクの製造方法。
  22. 請求項１９に記載のフォトマスクの製造方法において、
    前記先鋭特性は、前記投影像のコントラストであるフォトマスクの製造方法。
  23. 請求項１９に記載のフォトマスクの製造方法において、
    前記デバイス線幅特性を予測する工程では、前記パターニング工程及び現像工程を経て得られるレジストパターンのプロファイルが用いられるフォトマスクの製造方法。
  24. 請求項１９に記載のフォトマスクの製造方法において、
    前記デバイス線幅特性を予測する工程では、
    前記投影像の先鋭特性に基づいてレジストパターンのプロファイルを予測し、
    その予測したレジストパターンのプロファイルに基づいて、前記デバイス線幅特性を予測するフォトマスクの製造方法。
  25. 請求項２４に記載のフォトマスクの製造方法において、
    前記レジストパターンの加熱処理による変形を考慮して、レジストパターンのプロファイルを予測するフォトマスクの製造方法。
  26. 請求項１９に記載のフォトマスクの製造方法において、
    前記レジストのパターニング工程の後に、現像工程及びエッチング工程を含み、
    前記デバイス線幅特性を予測する工程では、所定のパターンの投影像の先鋭特性及び前記エッチング工程におけるエッチング特性に基づいてデバイス線幅特性を予測するフォトマスクの製造方法。
  27. 露光による基板上のレジストのパターニング工程で用いられるフォトマスクであって、
    請求項１９〜２６のいずれか一項に記載の製造方法を用いてパターンが形成されるフォトマスク。
  28. 請求項２７に記載のフォトマスクを用いて、基板上にパターンを形成するリソグラフィ工程を含むデバイス製造方法。
  29. 請求項２８に記載のデバイス製造方法において、
    前記リソグラフィ工程は、配線パターン及びトランジスタのゲートパターンの少なくとも一方を形成する基板処理工程を含むデバイス製造方法。
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