(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体領域を含む上面を有する基板の上にレジスト膜を塗布し、該上面内の領域を複数の単位露光領域に分割し、該単位露光領域ごとに該レジスト膜を選択的に露光し、全単位露光領域を露光した後に現像してレジストパターンを形成する半導体装置の製造方法において、
上面を有する第１の基板の上に、露光光に対して透明あるいは半透明の少なくとも１層の薄膜を形成する薄膜形成工程と、
前記薄膜の膜厚分布を求める膜厚分布測定工程と、
前記薄膜の上に、レジスト膜を塗布するレジスト膜塗布工程と、
前記薄膜の膜厚分布と該薄膜の屈折率とを基にして、前記単位露光領域ごとの適正露光エネルギを算出する露光エネルギ算出工程と、
前記単位露光領域を前記適正露光エネルギで露光する露光工程と、
前記露光工程を、前記第１の基板の上面の全単位露光領域分繰り返す繰り返し工程と
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記露光エネルギ算出工程は、予め実験的に得られた較正曲線を用いて単位露光領域ごとの適正露光エネルギを求める請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記薄膜形成工程は、前記第１の基板と共に複数の他の基板を処理容器内の同等条件の位置に配置して、前記第１の基板及び前記他の基板の上面上に同時に前記薄膜を形成し、
前記膜厚分布測定工程は、前記他の基板の中から選ばれた１枚の第２の基板の上面内の前記薄膜の膜厚分布を測定することによって前記第１の基板内の膜厚分布を推定する工程を含む
請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記膜厚分布測定工程で、膜厚分布と共に前記薄膜の前記屈折率を測定し、
前記露光エネルギ算出工程は、前記薄膜の膜厚分布と共に前記膜厚分布測定工程で測定した前記屈折率を基にして単位露光領域ごとの適正露光エネルギを求める
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１または第２の基板の上面には、単位露光領域ごとに前記薄膜の下地表面がほぼ平坦なモニタ領域が形成されており、
前記膜厚分布測定工程は、前記モニタ領域の膜厚を測定して膜厚分布を求める
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記レジスト膜塗布工程の後、さらに、前記モニタ領域の前記レジスト膜の膜厚を測定するレジスト膜厚測定工程を含み、
前記露光エネルギ算出工程で、前記薄膜の膜厚分布と共に前記レジスト膜厚測定工程で測定した前記レジスト膜の膜厚を基にして単位露光領域ごとの適正露光エネルギを求める
請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体基板上に形成したレジスト膜を選択的に露光してレジストパターンを形成する方法に関する。
【０００２】
近年、半導体集積回路の微細化が進み、高精度にレジストパターンを形成することが要求されている。
【０００３】
【従来の技術】
従来、レジスト膜の露光時には、基板全面に均一な露光エネルギで露光光を照射していた。
【０００４】
また、転写領域ごとにレジスト膜の膜厚を測定し（特開昭５８−０５１５１４）、あるいはレジスト膜の膜厚と屈折率を測定し（特開昭６２−１３２３１８）、転写領域ごとの最適露光エネルギを算出し、最適露光エネルギで露光する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
基板上に透明膜が形成されていると、透明膜の上面で反射した光と、透明膜中を透過し下面で反射した光とが干渉するため、透明膜の膜厚、屈折率によって透明膜表面からの光の反射率が変化する。この透明膜の上にレジスト膜を形成して露光する場合、実質的な露光量は、入射光と反射光の振幅の和の２乗（＝エネルギ）になる。
【０００６】
反射光の強さが透明膜の膜厚に依存するため、基板面内で入射波が一様でも透明膜の膜厚が一様でなければ反射波の違いによる実質的な露光量は一様ではなくなる。露光量が変動するとパターン寸法が変動する。このため、基板面内でパターン寸法が不均一になる。
【０００７】
本発明の目的は、レジスト膜の下の透明膜の膜厚にばらつきがあっても、パターン寸法が均一なレジストパターンを形成することができる露光技術を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体領域を含む上面を有する基板の上にレジスト膜を塗布し、該上面内の領域を複数の単位露光領域に分割し、該単位露光領域ごとに該レジスト膜を選択的に露光し、全単位露光領域を露光した後に現像してレジストパターンを形成する半導体装置の製造方法において、上面を有する第１の基板の上に、露光光に対して透明あるいは半透明の少なくとも１層の薄膜を形成する薄膜形成工程と、前記薄膜の膜厚分布を求める膜厚分布測定工程と、前記薄膜の上に、レジスト膜を塗布するレジスト膜塗布工程と、前記薄膜の膜厚分布と該薄膜の屈折率とを基にして、前記単位露光領域ごとの適正露光エネルギを算出する露光エネルギ算出工程と、前記単位露光領域を前記適正露光エネルギで露光する露光工程と、前記露光工程を、前記第１の基板の上面の全単位露光領域分繰り返す繰り返し工程とを含む。
【０００９】
前記露光エネルギ算出工程で、予め実験的に得られた較正曲線を用いて単位露光領域ごとの適正露光エネルギを求めてもよい。
前記薄膜形成工程で、前記第１の基板と共に複数の他の基板を処理容器内の同等条件の位置に配置して、前記第１の基板及び前記他の基板の上面上に同時に前記薄膜を形成し、前記膜厚分布測定工程で、前記他の基板の中から選ばれた１枚の第２の基板の上面内の前記薄膜の膜厚分布を測定することによって前記第１の基板内の膜厚分布を推定してもよい。
【００１０】
前記膜厚分布測定工程で、膜厚分布と共に前記薄膜の屈折率を測定し、前記露光エネルギ算出工程で、前記薄膜の膜厚分布と共に前記膜厚分布測定工程で測定した屈折率を基にして単位露光領域ごとの適正露光エネルギを求めてもよい。
【００１１】
前記第１または第２の基板の上面に、単位露光領域ごとに前記薄膜の下地表面がほぼ平坦なモニタ領域を形成し、前記膜厚分布測定工程で、前記モニタ領域の膜厚を測定して膜厚分布を求めてもよい。
【００１２】
前記レジスト膜塗布工程の後、さらに、前記モニタ領域の前記レジスト膜の膜厚を測定するレジスト膜厚測定工程を実施し、前記露光エネルギ算出工程で、前記薄膜の膜厚分布と共に前記レジスト膜厚測定工程で測定した前記レジスト膜の膜厚を基にして単位露光領域ごとの適正露光エネルギを求めてもよい。
【００１３】
【作用】
レジスト膜の下層に形成された透明膜あるいは半透明膜の膜厚が基板面内で一様でない場合には、透明膜表面からの露光光の反射光強度が一様でなくなる。このため、基板面内の各領域ごとに適正露光エネルギが異なる。単位露光領域ごとに適正露光エネルギを算出し、単位露光領域ごとにこの適正露光エネルギで露光することにより、レジスト膜全面を適正露光エネルギで露光することができる。
【００１４】
適正露光エネルギで露光すれば、所望の寸法のレジストパターンを形成することが可能になる。
適正露光エネルギは、レジスト膜の下の透明膜あるいは半透明膜の膜厚分布から求めることができる。また、透明膜あるいは半透明膜の屈折率が基板面内で一様でない場合には、屈折率分布を考慮することにより、より高精度に適正露光エネルギを算出することができる。
【００１５】
バッチ処理により成膜する場合には、同時に処理される基板上の膜厚分布はほぼ同等と考えることができる。この場合には、複数の基板のうちいずれか１枚の基板に形成された膜厚を測定することにより、同時に処理された他の基板の膜厚を推定することができる。
【００１６】
レジスト膜の下層の透明膜あるいは半透明膜の下地表面に凹凸があると、膜厚の測定が困難となり誤差が大きくなる。単位露光領域ごとに透明膜あるいは半透明膜の下地表面が平坦なモニタ領域を形成しておき、このモニタ領域に形成された膜厚を測定することにより、高精度に膜厚を測定することができる。
【００１７】
レジスト膜の膜厚が変われば、適正露光エネルギも変動する。レジスト膜の膜厚が基板面内で一様でない場合には、レジスト膜の膜厚の分布も考慮して適正露光エネルギを算出することにより、より高精度なパターンを得ることができる。
【００１８】
なお、レジストは、通常品質管理されているので、レジストの屈折率は一様として取り扱っても問題は少ない。
【００１９】
【実施例】
本発明の実施例による露光方法について、フィールド酸化膜形成のための選択酸化のマスクとして使用するＳｉＮ膜をパターニングする場合を例にとって説明する。
【００２０】
図１（Ａ）に示すように、シリコン基板１の表面上に厚さ４ｎｍのＳｉＯ２  膜２を熱酸化により形成する。ＳｉＯ２  膜２の表面上に、厚さ１１０ｎｍのＳｉＮ膜３をＣＶＤにより堆積する。ＳｉＮ膜３の厚さは１１０ｎｍになるように条件設定されているが、成膜装置の特性により基板面内の膜厚にはばらつきが生ずる。ＳｉＯ２  膜２の膜厚にもばらつきがあるが、その膜厚自体が露光波長及びＳｉＮ膜３の厚さに比べて薄いため、このばらつきは無視することができる。
【００２１】
図２は、図１（Ａ）に示すシリコン基板の平面図である。図２に示すように、シリコン基板１の上面は１ショットで露光される単位である２１個の単位露光領域Ｃ１〜Ｃ２１に分割されている。１つの単位露光領域は１つのチップから構成してもよいし、複数のチップから構成してもよい。また、単位露光領域の数は２１個に限らず、基板のサイズ、ステッパの性能等によって適当に選択することが好ましい。
【００２２】
単位露光領域ごとに、ＳｉＮ膜３の膜厚と屈折率を測定する。例えば偏光エリプソメトリにより、膜厚と屈折率を同時に測定することができる。また、各単位露光領域内に、ＳｉＮ膜３の下地表面を平坦にしたモニタ領域５を設けておき、モニタ領域５の膜厚と屈折率を測定してもよい。
【００２３】
本実施例の場合には基板面内はほぼ平坦であるが、基板表面に半導体装置を形成し、それを覆うように層間絶縁膜を形成した場合には、層間絶縁膜の下地表面は平坦ではない。このような場合に、下地表面が平坦なモニタ領域を形成しておき、モニタ領域の膜厚と屈折率を測定すれば、より正確な膜厚と屈折率を測定することができる。測定光ビームを小さなスポット状に絞り、顕微測光を行えば、かなり狭い面積でも十分な精度の測定が行える。なお、モニタ領域５は、ダイシング領域に配置してもよい。
【００２４】
図１（Ｂ）に示すようにＳｉＮ膜３の表面上に厚さ７１５ｎｍのレジスト膜４を塗布する。
次に、図３を参照して適正露光エネルギを算出する方法について説明する。
【００２５】
図３（Ａ）は、ＳｉＮ膜の膜厚を変化させたときの限界露光エネルギＥｔｈの一例を示す。横軸はＳｉＮ膜の膜厚を単位ｎｍで表し、縦軸は限界露光エネルギを単位ｍｓｅｃで表す。ここで、限界露光エネルギとは、現像時間は一定で、ポジ型レジストの場合レジスト膜の全厚さを現像して溶かすことのできる最低のエネルギ、ネガ型レジストの場合現像時にレジスト膜を残すことのできる最低のエネルギをいう。
【００２６】
図３（Ａ）に示す曲線は、図１（Ａ）のＳｉＯ２  膜２の厚さ４ｎｍ、屈折率１．４８、レジスト膜４の厚さ７１５ｎｍ、屈折率１．８４、ＳｉＮ膜３の厚さ１００ｎｍ〜１５０ｎｍ、屈折率２．０６の条件でシミュレーションにより求めた限界露光エネルギを示す。露光光の強さを一定とすると露光エネルギは露光光を照射する時間で表されるため、限界露光エネルギを単位ｍｓｅｃで表している。ここでの露光光の強さは３００ｍＪ／ｃｍ２  である。
【００２７】
なお、限界露光エネルギの計算方法は、「Ｆ．  Ｈ．  Ｄｉｌｌ，  Ａ．  Ｒ．  Ｎｅｕｒｅｕｔｈｅｒ，  Ｊ．  Ａ．  Ｔｕｔｔｌｅ，  “Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ”，  Ｐｒｏｃ．  Ｋｏｄａｋ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｅｍｉｎａｒ，  Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，  Ｃａｌｉｆ．，  Ｏｃｔ．  １９７４」の第２４〜２７ページに詳説されている。
【００２８】
図３（Ａ）に示すように、ＳｉＮ膜の厚さが約１１３ｎｍのとき限界露光エネルギＥｔｈが最大になる。これは、露光光のＳｉＮ膜下面、上面からの多重反射光成分が干渉の結果最も小さくなり、大きな露光エネルギを必要とするためである。ＳｉＮ膜を１１３ｎｍから増加あるいは減少すると、限界露光エネルギＥｔｈは徐々に減少する。これは、ＳｉＮ膜表面からの反射光成分が徐々に大きくなるためである。
【００２９】
限界露光エネルギＥｔｈは、ＳｉＮ膜厚が１５０ｎｍよりも少し上で最小値となる。これは、ＳｉＮ膜からの反射光成分が最大となることを示している。限界露光エネルギＥｔｈが最大になるＳｉＮの膜厚と最小になるＳｉＮの膜厚の差はλ／（４ｎ）になる。ここで、λは露光波長、ｎはＳｉＮの屈折率を表す。透明膜の屈折率が高くなると横軸が圧縮される方向に変化し、屈折率が低くなると伸長される方向に変化する。
【００３０】
なお、図３（Ａ）は露光波長が３６５ｎｍ、ＳｉＮ膜の屈折率が２．０６、レジスト膜の屈折率が１．８４、ＳｉＯ２  膜の屈折率が１．４８、シリコン基板の屈折率が６．５２−２．７１ｉの場合を示しているが、屈折率が変化すれば限界露光エネルギＥｔｈも変化する。同様に、レジスト膜の膜厚によっても限界露光エネルギＥｔｈが変化する。
【００３１】
図３（Ｂ）は、露光エネルギとパターン幅との関係を示す。横軸は露光エネルギ、縦軸はパターン幅を任意目盛りで表す。曲線ｐは、限界露光エネルギＥｔｈが一定の場合の露光エネルギとパターン幅との関係を示す。図３（Ｂ）のグラフは実験により求めることができる。
【００３２】
最適な露光エネルギで露光すると所望のパターン幅を得ることができるが、露光エネルギが最適値から変動すると、形成されるパターン幅も変動する。図３（Ｂ）は、ポジ型のレジストの場合を示している。露光エネルギを増加すると、より多くのレジスト膜が現像されて溶けるため、残されたレジストパターンのパターン幅は減少する。例えば、所望のパターン幅Ｌ０  を得るためには露光エネルギをＱ０  とすればよい。
【００３３】
ＳｉＮ膜の膜厚が変化して限界露光エネルギＥｔｈが変動したときの適正露光エネルギＱｐは、
Ｑｐ＝Ａ×Ｅｔｈ            ・・・（１）
と表されることが知られている。ここで、Ａは、ＳｉＮ膜の膜厚に依存しない定数である。従って、あるＳｉＮ膜の膜厚で所望のパターン幅Ｌ０  を得る露光エネルギＱ０  を実験で求めることにより、定数Ａを特定することができる。
【００３４】
前述のように、図１（Ａ）に示すＳｉＮ膜３を形成した後、図２に示す各単位露光領域ごとのＳｉＮ膜の膜厚と屈折率を測定する。このＳｉＮ膜の膜厚と屈折率及び図３（Ａ）に示すグラフから単位露光領域ごとの限界露光エネルギＥｔｈを求めることができる。
【００３５】
限界露光エネルギＥｔｈが求まれば、式（１）から適正露光エネルギＱｐを算出することができる。
このようにして単位露光領域ごとの適正露光エネルギＱｐが算出されると、図１（Ｂ）に示すレジスト膜４を単位露光領域ごとに適正露光エネルギＱｐで露光する。
【００３６】
このように、単位露光領域ごとに適正露光エネルギで露光することにより、レジスト膜の下のＳｉＮ膜の膜厚にばらつきがある場合でも、所望のパターン幅を有するレジストパターンを形成することができる。
【００３７】
上記実施例では、ＳｉＮ膜の膜厚と屈折率を単位露光領域ごとに測定する場合について説明したが、膜厚のみを測定し屈折率は既知の値を使用してもよい。同一基板内のＳｉＮ膜の屈折率のばらつきはほとんどないと考えられるため、屈折率に既知の値またはロットあたり１つの値を使用してもほぼ同様の効果が得られるであろう。
【００３８】
また、上記実施例では、実際に半導体装置を形成する基板を用いてＳｉＮ膜の膜厚を測定する場合について説明したが、複数枚の基板をバッチ処理する場合には、各基板はほぼ同等の条件で処理を受けるのでそのうちの１枚をモニタ用としてもよい。モニタ用基板表面に形成された単位露光領域ごとのＳｉＮ膜の膜厚のみ測定し、この膜厚を他の基板の対応する単位露光領域の膜厚としてもよい。
【００３９】
複数枚の基板を相互に平行に中心軸を揃えて処理容器内に配置し、同時に成膜する場合には、各基板の膜厚分布は同様の傾向を示すと考えられる。このような場合には、１枚の基板の膜厚で全基板の膜厚を代表させても各基板ごとに膜厚を測定する場合と同様の効果を得ることができるであろう。
【００４０】
また、上記実施例では、レジスト膜の膜厚は基板面内で一様であるとして適正露光エネルギを算出したが、より高精度に適正露光エネルギを求めるためには、単位露光領域ごとのレジスト膜の膜厚を測定し、レジスト膜の膜厚に対応する最適な露光エネルギを算出してもよい。このためには、図３（Ａ）に示す限界露光エネルギＥｔｈのグラフをレジスト膜の膜厚に対応して作成しておけばよい。
【００４１】
また、上記実施例では、図３（Ｂ）に示す露光エネルギとパターン幅の関係を実験により求める場合を説明したが、計算により求めてもよい。計算により求める場合には、ＳｉＮ膜、レジスト膜及びＳｉＯ２  膜の膜厚と屈折率、及びシリコン基板の屈折率をもとにレジスト膜内の光強度分布を計算し、レジスト膜の感光計算を行い、インヒビター濃度分布、現像速度を計算して求めることができる。なお、計算方法は、「Ｆ．  Ｈ．  Ｄｉｌｌ，  Ａ．  Ｒ．  Ｎｅｕｒｅｕｔｈｅｒ，  Ｊ．  Ａ．  Ｔｕｔｔｌｅ，  “Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ”，  Ｐｒｏｃ．  Ｋｏｄａｋ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｅｍｉｎａｒ，  Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，  Ｃａｌｉｆ．，  Ｏｃｔ．  １９７４」の第２４〜３０ページに詳しく説明されている。
【００４２】
上記実施例では、フィールド酸化膜形成のための選択酸化のマスクとして使用されるＳｉＮ膜のパターニングを例に説明したが、その他の透明膜あるいは半透明膜をパターニングする場合にも適用できる。例えば、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極のパターニングに適用してもよい。
【００４３】
以下、図４を参照して、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極をパターニングする場合を例にとって説明する。
図４は、ゲート電極をパターニングする前の基板断面を示す。シリコン基板１０の表面にフィールド酸化膜１１を形成し、活性領域を画定する。活性領域の表面に熱酸化によりゲート酸化膜１２を形成する。
【００４４】
ゲート酸化膜１２及びフィールド酸化膜１１の上に、ポリシリコン膜１３を堆積する。ポリシリコン膜１３の表面にＷＳｉ層を堆積する。ＷＳｉ層１４の表面上にＳｉＯ２  膜１５を堆積する。ＳｉＯ２  膜１５の表面上に反射防止膜１６を形成し、反射防止膜１６の表面上にレジスト膜１７を塗布する。
【００４５】
図４に示す場合には、レジスト膜１７の下層にＳｉＯ２  膜１５及び反射防止膜１６の２層の透明膜あるいは半透明膜が形成されている。図１の実施例では、ＳｉＯ２  膜２の膜厚がＳｉＮ膜３の膜厚に比べて無視できる程度に薄かったが、図４の場合には、ＳｉＯ２  膜１５と反射防止膜１６の両方の膜厚のばらつきを考慮することが好ましい。
【００４６】
このためには、図３（Ａ）の限界露光エネルギＥｔｈのグラフをＳｉＯ２  膜１５及び反射防止膜１６の種々の膜厚の組合せについて作成しておけばよい。なお、膜厚は、それぞれの膜の成膜後に測定してもよいし、各膜を積層した後に測定してもよい。
【００４７】
ＳｉＯ２  膜１５と反射防止膜１６の膜厚のばらつきを測定した後、前述の実施例と同様の工程により、単位露光領域ごとに適正露光エネルギで露光してレジスト膜１７をパターニングする。
【００４８】
このように、レジスト膜の下層に複数の透明膜あるいは半透明膜が形成されている場合には、各透明膜あるいは半透明膜の膜厚の分布を考慮して適正エネルギを求めることが好ましい。
【００４９】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、膜厚のばらつきのある透明膜あるいは半透明膜上のレジスト膜を高精度にパターニングすることができる。このため、半導体装置の微細化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による露光方法を説明するための基板の断面図である。
【図２】本発明の実施例による露光方法を説明するための基板の平面図である。
【図３】図１に示すＳｉＮ膜の膜厚と限界露光エネルギとの関係を示すグラフ、及び露光エネルギとパターン幅との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の他の実施例による露光方法を説明するための基板の断面図である。
【符号の説明】
１、１０    シリコン基板
２、１５    ＳｉＯ２  膜
３    ＳｉＮ膜
４、１７    レジスト膜
５    モニタ領域
１１    フィールド酸化膜
１２    ゲート酸化膜
１３    ポリシリコン膜
１４    ＷＳｉ膜
１６    反射防止膜
【図１】
0003607732.tif 000002
【図２】
0003607732.tif 000003
【図３】
0003607732.tif 000004
【図４】
0003607732.tif 000005