(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光でマスクを照明する照明光学系と、該照明されたマスクのパターンを感光基板上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置において、
前記マスク上のパターンが前記投影光学系によって前記感光基板上に投影された像の線幅情報を前記光の波長スペクトルの半値幅に基づいて予測する線幅予測手段と、
前記予測結果に基づいて、前記投影光学系の開口径と前記照明光学系の有効光源の大きさのうちの少なくとも一方を変更する制御手段とを備えることを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】
露光光の波長スペクトルの半値幅と、マスクの繰り返しパターンと孤立パターンの線幅の情報とに基づいて前記マスクに関するバイアスＣＤ値を求め、該求めたバイアスＣＤ値が許容範囲内であるか否か判別し、否の場合には照明光学系の開口数ＮＡ、投影光学系の開口数ＮＡ、投影光学系の波面収差、コヒーレンスファクタσ、前記露光波長、前記露光光の波長スペクトルの半値幅、露光量の複数のパラメータのうちの少なくとも一つを変更することにより前記許容範囲内のバイアスＣＤ値を得る制御手段を有することを特徴とする露光装置。
【請求項３】
繰り返しパターンと孤立パターンを有するマスクを用いて露光を行う際に露光光の波長スペクトルの半値幅の変化に基づく前記マスクに関するバイアスＣＤ値の変化を補正する手段を有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項４】
露光光の波長スペクトルの半値幅の変化に応じて照明光学系の開口数と投影光学系の開口数の少なくとも一方を変える手段を有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つに記載された露光装置によりデバイスパターンでウエハを露光する段階と、該露光したウエハを現像する段階とを含む事を特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影露光装置及びデバイス製造方法に関し、特に、一つのマスク内の孤立パターンの線幅と繰り返しパターンの線幅とを同時に正確に制御することができる投影露光装置及びデバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
線幅の微細化に伴って、リソグラフィー工程で基板上に形成される線幅の均一性にも高い精度が要求されてきているが、線幅が一定のパターンの線幅制御であれば、露光量を調整することで容易に制御することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マスク上に繰り返し線のパターンと孤立線のパターンとがある場合には、両方のパターンの線幅を同時に制御しようとしても、両方のパターンの線幅を同時にある所望の許容範囲内に入れることが難しくなってくる。
【０００４】
図９は、繰り返し線（ＤＥＮＳＥ部）と孤立線（ＩＳＯ部）を含むマスクパターンを例示したものである。Ｄｅｎｓｅ部の線幅もＩＳＯ部の線幅もマスク上では等しいが、投影露光の結果として半導体ウエハ等の基板上で得られる線幅は異なる。すなわち、露光装置の投影光学系のベストフォーカス位置に基板表面（レジスト面）がある状態においても、基板のレジストを現像後のＤＥＮＳＥ部の線幅ＬｄとＩＳＯ部の線幅Ｌｉは異なるため、本願でＢ＝（Ｌｄ−Ｌｉ）で定義するバイアスＣＤ”Ｂ”の値を制御することが必要である。
【０００５】
又、同一の設計値に基づく複数の投影レンズであっても各レンズ固有の波面収差に依存するバイアスＣＤ”Ｂ”の値の変化の他に、色収差に影響する露光用のレーザ光の半値幅の変化や、同露光装置の履歴に依存するレンズの温度変化に伴うその波面収差の変化もバイアスＣＤ”Ｂ”が変化する要因となることがわかった。
【０００６】
又、ステージ振動の影響によってもバイアスＣＤ”Ｂ”の値の変化は生じることもわかった。
【０００７】
又、このバイアスＣＤ値は、着目する線幅、パターンの種類によっても異なり、マスクの種類（バイナリーマスク、ハーフトーンマスク等）、照明条件（輪帯照明、４重極照明、通常（円）照明）によっても異なる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、バイアスＣＤ”Ｂ”の値を制御することが可能な投影露光装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、光源からの光でマスクを照明する照明光学系と、該照明されたマスクのパターンを感光基板上に投影する投影光学系とを有する投影露光装置において、前記マスク上のパターンが前記投影光学系によって前記感光基板上に投影された像の線幅情報を前記光の波長スペクトルの半値幅に基づいて予測する線幅予測手段と、前記予測結果に基づいて、前記投影光学系の開口径と前記照明光学系の有効光源の大きさのうちの少なくとも一方を変更する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明は、露光光の波長スペクトルの半値幅と、マスクの繰り返しパターンと孤立パターンの線幅の情報とに基づいて前記マスクに関するバイアスＣＤ値を求め、該求めたバイアスＣＤ値が許容範囲内であるか否か判別し、否の場合には照明光学系の開口数ＮＡ、投影光学系の開口数ＮＡ、投影光学系の波面収差、コヒーレンスファクタσ、前記露光波長、前記露光光の波長スペクトルの半値幅、露光量の複数のパラメータのうちの少なくとも一つを変更することにより前記許容範囲内のバイアスＣＤ値を得る制御手段を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、繰り返しパターンと孤立パターンを有するマスクを用いて露光を行う際に露光光の波長スペクトルの半値幅の変化に基づく前記マスクに関するバイアスＣＤ値の変化を補正する手段を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、露光光の波長スペクトルの半値幅の変化に応じて照明光学系の開口数と投影光学系の開口数の少なくとも一方を変える手段を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか一つに記載された露光装置によりデバイスパターンでウエハを露光する段階と、該露光したウエハを現像する段階とを含む事を特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して種々の本発明の実施の形態について説明する。
【００３２】
本実施形態の投影露光装置においては、予め投影光学系の種々の開口数や照明光学系の二次光源（有効光源）の大きさや形状に対するバイアスＣＤ”Ｂ”を収集して記憶しておく。
【００３３】
一方、線幅情報予測手段は、投影光学系の波面収差の情報とマスク（レチクル）の繰り返しパターンと孤立パターンについての情報と、これらのパターンをウエハ上に露光する照明系の有効光源（二次光源）の情報等のパラメータに基づいて、投影光学系の有効画面内の複数の位置における現状のバイアスＣＤ”Ｂ”の値を計算する。
【００３４】
そして、計算したバイアスＣＤ”Ｂ”の値が許容範囲から外れているときは、許容範囲内の所望の値のバイアスＣＤ”Ｂ”が得られるように、投影光学系の開口数（ＮＡ）を変えたり、照明条件σ（シグマ）の値を変えるように開口絞りや照明絞りを制御する手段を制御する。
【００３５】
上述した計算に替えて、線幅情報予測手段に実際に露光して得られた複数種類のパターンの線幅を入力し、その入力結果が所望の値からはずれている場合には、修正すべきバイアスＣＤを計算し、その結果に基づいて前記投影光学系の開口絞りと、前記照明光学系の絞りとの少なくとも一方を制御することにより投影光学系の開口数（ＮＡ）と照明条件σ（シグマ）の値の少なくとも一方を変え、所望のバイアスＣＤ値を得る。
【００３６】
また、これに加えて、光源の半値幅や露光光の波長スペクトルの半値幅の変化や投影光学系に与えられた露光エネルギーの履歴から、投影光学系の収差の変化を予測し、変化後の収差に対応する露光工程中の線幅差を求めてもよい。この結果が、許容値を超えた場合には、投影光学系の開口数（ＮＡ）か照明光学系の有効光源の大きさつまりはσ（シグマ）の値を変更することでバイアスＣＤを修正する。
【００３７】
なお、σは投影光学系の開口絞りの開口径で、この開口に投影される有効光源像の径を割った値である。
【００３８】
図１は、本発明の投影露光装置の概略図で、この露光装置はステップ＆リピート方式、又はステップ＆スキャン方式でウエハ上の複数個の領域にデバイスパターンを露光する。図１において、ＫｒＦエキシマレーザーやＡｒＦエキシマレーザーからなる光源１から放射された波長２４８ｎｍや波長１９３ｎｍの光束はレンズにより一旦集光し、光パイプとかロッド型インテグレータとか、内面反射型インテグレータと呼ばれる内面反射部材２に入射させる。
【００３９】
内面反射部材２は、入射した光線が内面反射部材２の側面で複数回反射することによって、内面反射部材の一方の端面の光入射面で不均一であった光強度分布を内面反射部材の他方の端面の光出射面で均一化する働きがある。内面反射部材２としては、例えば、複数の長い鏡を向かい合せて配置したカレイドスコープであっても良いし、単に光軸に直交する断面が多角形であるロッド状のガラス（ここでは石英）であっても良い。ロッド状のガラスの場合には、光線がロッドの側面に当った際に、硝材と空気の屈折率の違いにより全反射するように設計する。
【００４０】
内面反射部材２の光出射面に形成された均一な光強度分布の光束を、レンズ系３によってハエノ目レンズ４の光入射面に投影する。ハエノ目レンズ４は光入射面と光出射面が互いの面のパワーの焦点となっているロッドレンズを束ねたものであり、ハエノ目レンズ４の各ロッドレンズに入射した光束はロッドレンズ毎にそれらの光に集光されて、全体としてハエノ目レンズ４の光出射面に多数の集光点を形成する。
【００４１】
光学系５は、ハエノ目レンズ４の光出射面に形成された集光点群を２次光源として利用することによって照明領域を均一に照明するための光学系である。投影露光装置の場合にはマスク７上の照明領域を制御する必要があるので、一度マスクと共役な位置で均一な光強度分布を作る。すなわち、絞り６の位置がマスク７と共役な位置であるので、この絞り６の位置に前述の集光点群からの多数の光束を重ねて、この位置に均一な光強度分布を形成し、絞り６の位置での均一な光強度分布をリレー光学系によりマスク７の大きさと形状に投影し、マスク７を照明する。絞り６を構成する４枚の遮光板が光軸と直交する方向に可動であり、マスク７の照明領域にあわせて絞り６の各遮光板を移動させる。
【００４２】
マスク７上のパターンは、投影光学系８によって半導体ウエハ等のレジストが塗布された基板１０上に結像される。投影光学系８はマスク７の位置や基板１０の位置が光軸方向にずれても、投影倍率が変化しないマスク７側と基板１０側の双方がテレセントリックな系である。
【００４３】
走査型投影露光装置の場合には、マスク７と半導体ウエハ等の基板１０は同期して走査される。
【００４４】
投影光学系８には開口径が可変な開口絞り９が設けられ、絞りの開口径を調整することで開口数（ＮＡ）を調整して、明るさ、解像度、焦点深度を制御する。投影光学系８は、公知のものであり、その系としては、基本的に多数枚のレンズのみからより成る系や、レンズと凹面鏡より成るカタジオプトリック系や、多数のミラーよりなる系がある。
【００４５】
更に、円形、四重極、輪帯形状など複数種の開口を円周方向並べて成るターレット式の絞り１３は、照明光学系の開口数を制御するもので、ハエノ目レンズ４の光出射面の近傍における照明光束の大きさと形、つまり２次光源の形と大きさを制御する。絞り１３の開口の一つは径が可変な円形開口である。リレーレンズ系３は、変倍機能（ズーム）を有しており、ハエの目レンズ４の光入射側である像面において照明光束を制御することにより、照明光学系の開口数が制御可能である。
【００４６】
絞り制御装置１１は、投影光学系８のＮＡを決める可変開口絞り９、又は照明系の２次光源の大きさと形状を決める可変絞り１３と、ズームレンズであるリレーレンズ系３を制御するものであり、必要に応じてこれらの一つ又は複数を制御する。本装置の有効光源の大きさや形は、虹彩絞り１３と、リレーレンズ系３の内少なくとも一つによって制御することができる。
【００４７】
線幅予測手段１２は、マスク７のパターンの情報、投影光学系８の波面収差の情報と照明系の２次光源の形や大きさの情報、そして必要に応じてレーザ１の半値幅や露光による投影光学系８の温度変化などの情報に基づいて、マスク７における繰り返しパターンと孤立パターンの着目するパターン間のバイアスＣＤ”Ｂ”の値を計算する。なお、マスク７のパターン情報は予測手段１２にマニュアルで入力してもいいし、読取装置７０により、マスク７のバーコードなどを読み取って予測手段１２に入力してもよい。
【００４８】
そして、バイアスＣＤ”Ｂ”の値が許容値をはずれた場合には、補正すべきバイアスに相当する投影光学系８の開口絞り９の補正量か、照明光学系の二次光源（有効光源）の補正量を計算し、この計算結果に基づいて、絞り制御装置１１を駆動する。
【００４９】
線幅予測手段１２は、予め対象となる繰り返しパターンと孤立パターンの組一種又は複数種に関して当該号機で露光を行い、各組に対して実験的にある条件下でのバイアスＣＤ”Ｂ”の値を測定し、その測定結果が入力されており、測定結果を基準として別の条件下でのＣＤ”Ｂ”の最適値や基準値に対する補正量を計算しても良い。
【００５０】
以下、線幅予測手段による計算結果の一例を示す。
【００５１】
図２は、図９のレチクルパターン像のＤｅｎｓｅ部の線幅のノミナル値を２００ｎｍとし、投影レンズ８のＮＡ０．６５、露光光の波長２４８ｎｍ、照明条件は、２／３輪帯（外σ＝０．８０）として、バイアスＣＤ”Ｂ”の値をデフォーカス量（ウエハ面位置）に対して示したグラフである。このグラフから、バイアスＣＤ”Ｂ”の値は、ベストフォーカスの時に最小値Ｂｍｉｎとなり、デフォーカス量が大きくなるのに伴ってバイアスＣＤ”Ｂ”が増大していることがわかる。すなわち、投影レンズ８の収差の影響により、Ｄｅｎｓｅ部の線幅をノミナル線幅すなわちマスク上の線幅に投影レンズ８の投影倍率（１／４とか１／５）を掛けた値になるように露光量を調整すると、孤立線が目標の線幅（たとえばノミナル線幅の２００ｎｍ）からずれる。
【００５２】
図３は、図９のレチクルパターン像のＤｅｎｓｅ部の線幅のノミナル値を２００ｎｍとし、投影レンズ８のＮＡ０．６５、露光光の波長２４８ｎｍ、照明条件は内σ＝０．５３３の輪帯照明として、外径（外σ）を変化させたときのバイアスＣＤ”Ｂ”の変化を示したグラフである。このグラフでは、バイアスＣＤ”Ｂ”の値は、外σが０．７５でバイアスがほぼゼロとなっている。伴って、線幅予測手段１２によれば、図２の状態から露光量は変えずに、外σが０．７５となるように、絞り制御装置１１によって絞り１３やリレーレンズ系３を制御する。
【００５３】
図４に、輪帯照明の差異の内σ、外σを表す説明図を示しておく。
【００５４】
図５は、図９のレチクルパターンのＤｅｎｓｅ部の線幅のノミナル値を２００ｎｍとし、露光光の波長２４８ｎｍとし、照明条件を外σ＝０．８の輪帯照明として、投影レンズＮＡを０．６５近傍で変化させたときの、バイアスＣＤ”Ｂ”の値の変化を示したグラフである。このグラフによって、与えられたバイアス許容範囲に対して投影レンズ８の開口数ＮＡが決まる。そこで、本発明によれば、図２の状態から露光量は変えずに、絞り制御装置１１により開口絞り９を制御して投影レンズ８のＮＡをこうして決まった大きさのＮＡにする。
【００５５】
図６は、図９のレチクルパターン像のＤｅｎｓｅ部の線幅のノミナル値を２００ｎｍとし、投影レンズ８の開口数ＮＡ０．６５、露光波長２４８ｎｍ、照明条件を外σ０．８の２／３輪帯照明としたときの、露光光源であるエキシマレーザ光の半値幅変化に対するバイアスＣＤ”Ｂ”の変化を示したグラフである。このグラフから、図示しない公知手段、たとえばレーザー１に内蔵された波長計で、レーザー１の波長の半値幅を検出し、検出した半値幅のときのバイアス値ＣＤ”Ｂ”の値が許容範囲にあるか否かを判別し、否のときには、たとえば、図３にあるように、照明光学系の外σ又は図５に示した投影光学系の開口数に対するバイアスＣＤの関係から半値幅変動によるバイアスＣＤの変化を修正する為のσ又は投影光学系の開口数値を計算し、その結果に基づいて、絞り制御装置１１を作動させる。
【００５６】
次に、上記説明した露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法の実施例を説明する。
【００５７】
図７は、半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、あるいは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ステップ１（回路設計）では、半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）では、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は、前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００５８】
図８は、ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着等によって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光材を塗布する。ステップ１６（露光）では、上記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部部を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによって、上はに多重に回路パターンが形成される。
【００５９】
本実施例の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高精度の半導体デバイスを製造することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、繰り返し部の線幅と孤立部の線幅との差を、投影露光装置の個々のばらつきに関係なく所望の範囲内に押さえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の投影露光装置の概略図
【図２】バイアスＣＤ”Ｂ”の値をデフォーカス量に対して示したグラフ
【図３】外σの大きさを変化させたときのバイアスＣＤ”Ｂ”の値の変化を示したグラフ
【図４】輪帯照明の内σ、外σを説明する図
【図５】Ｄｅｎｓｅ部線幅のノミナル値を２００ｎｍとし、露光波長２４８ｎｍとし、外σが０．８の２／３輪帯照明として、投影レンズのＮＡを０．６５近傍で変化させたときの、バイアスＣＤの値の変化を示したグラフ
【図６】Ｄｅｎｓｅ部線幅のノミナル値を２００ｎｍとし、投影レンズのＮＡ０．６５、露光波長２４８ｎｍで外σが０．８の２／３輪帯照明に対して、露光に用いるレーザ光の波長の半値幅変化に対するバイアスＣＤの値の変化を示したグラフ
【図７】デバイス製造工程のフローチャート
【図８】ウエハプロセスのフローチャート
【図９】繰り返しパターンと孤立パターンを含むマスクパターンの一例を示す図
【符号の説明】
１  光源
２  内面反射部材
３  リレー光学系
４  ハエノ目レンズ
５  ２次光源を用いて均一照明を実現する光学系
６  遮光板を持つ可動絞り
７  マスク
８  投影光学系
９  可変開口絞り
１０  ウエハ
１１  絞り制御装置
１２  線幅予測手段
１３  ターレット型可変絞り
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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