(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光光に対して半透明な領域及び前記半透明な領域内に設けられ、所定のピッチで２次元的に配置された円形の開口部を有し、前記半透明な領域を透過する光と前記開口部を透過する光とは位相が互いに反転するホトマスクを準備する工程と、
レジスト膜が形成された基板を準備する工程と、
投影露光装置を用いて、前記開口部の近傍に生じる第２の光強度ピークが前記レジスト膜に転写するように前記ホトマスクのパタンを前記レジスト膜に転写する工程と、
前記第２の光強度ピークに基づく前記レジスト膜への転写情報を用いて前記投影露光装置のレンズ収差を測定することを特徴とするレンズ収差測定方法。
【請求項２】
露光光に対して半透明な領域及び前記半透明な領域内に設けられ、所定のピッチで２次元的に配置された多角形の開口部を有し、前記半透明な領域を透過する光と前記開口部を透過する光とは位相が互いに反転するホトマスクを準備する工程と、
レジスト膜が形成された基板を準備する工程と、
投影露光装置を用いて、前記開口部の近傍に生じる第２の光強度ピークが前記レジスト膜に転写するように前記ホトマスクのパタンを前記レジスト膜に転写する工程と、
前記第２の光強度ピークに基づく前記レジスト膜への転写情報を用いて前記投影露光装置のレンズ収差を測定することを特徴とするレンズ収差測定方法。
【請求項３】
露光光に対して半透明な領域、前記半透明な領域内に設けられた複数の開口部及び前記複数の開口部の間に前記開口部から所定の距離をおいて設けられた遮光領域を有し、前記半透明な領域を透過する光と前記開口部を透過する光とは位相が互いに反転するホトマスクを準備する工程と、
レジスト膜が形成された基板を準備する工程と、
投影露光装置を用いて、前記開口部の近傍に生じる第２の光強度ピークが前記レジスト膜に転写されるように前記ホトマスクのパタンを前記レジスト膜に転写する工程と、
前記第２の光強度ピークに基づく前記レジスト膜への転写情報を用いて前記投影露光装置のレンズ収差を測定することを特徴とするレンズ収差測定方法。
【請求項４】
前記所定の距離Ｗは、Ｗ＝ｃ・λ／ＮＡ（ただし、前記投影露光装置の投影光学系の開口数をＮＡ、露光波長をλ、ｃ≧０．８９）以上であることを特徴とする請求項３記載のレンズ収差測定方法。
【請求項５】
前記所定の距離Ｗは、Ｗ＝ｄ・λ／ＮＡ（ただし、前記投影露光装置の投影光学系の開口数をＮＡ、露光波長をλ、ｄ≧２．６６）以上であることを特徴とする請求項３記載のレンズ収差測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置などの製造に用いる投影露光装置のレンズ収差測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置などの製造におけるリソグラフィ工程では縮小投影露光装置が主に用いられている、半導体装置の微細化は縮小投影露光装置の高性能化に依って達成されてきた。しかし、さらにパタンの微細化を進めるには縮小投影レンズの収差を低減することが必要である。従来、縮小投影露光装置に搭載されたレンズの収差の評価は形成したレジストパタンの形状から得られる情報を用い行っていた。図９にレンズのコマ収差の有無でのレジスト断面形状の変化の例をしめす。収差がない場合は、図９（ａ）に示すように、レジストパタン９１の両側の側面の傾斜角はほぼ等しいのに対して、収差がある場合は、図９（ｂ）に示すように、レジストパタン９２の両側の側面の傾斜角は異なり、この場合は、右側の側面の傾斜角がなだらかになっている。通常は、この、両側の傾斜角の差、あるいは、傾斜幅９３，９４の差等を用いて、経験的に評価を行っていた。しかし、この評価法では基板の反射率、レジスト膜厚、レジストの特性によって、得られる値が異なり、正確に収差量を測定することができなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レンズの収差を低減するには、レンズの種々の収差を高精度に測定し、修正、選定する必要がある。本発明は、上記問題を解決し、縮小投影露光装置に搭載されたレンズの収差量を正確に測定する手段を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、半透明位相シフトマスクを用いてパタンを形成する際に発生する第２の光強度ピークいわゆるサブピークの光強度がレンズの収差量によって主パタンを中心として対向する領域で異なる事を利用して、レンズ収差を定量的に求める。
【０００５】
また、マスク全面に測定パタンを配置することにより、１ショットの露光によって露光領域のレンズ収差を評価できる。
【０００６】
さらに、遮光パタンを配置することにより、微小ピッチで露光することができ、ウエハ内のレジスト塗布バラツキや基板等の影響を小さくして評価する事ができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の原理を図１で説明する。図１（ａ）は半透明位相シフトマスクの平面図であり、図１（ｂ）は半透明位相シフトマスクの断面図である。１はガラス基板、２は半透明位相シフト膜、３は透明領域で形成される主パタンである。半透明位相シフト膜２は、ＣｒＯＮ膜を用いた。また、半透明位相シフト膜２の露光光に対する透過率は６％とした。なおここでは半透明膜にＣｒＯＮ膜使用したがこれに限らない。ＣｒＯ，ＣｒＮ，ＭｏＳｉＯ，ＭｏＳｉＯＮなど、あるいは、ＳｉＯ２等の透明膜との多層膜など、半透明部と透明部と通過する光の位相がほぼ反転していればよく、通常の半透明位相シフトマスク構造で良い。図１（ｃ）に示すように、このマスクを通過した光の振幅分布は、光透過部である主パタン３を通過した光が正の符号であるのに対し、半透明位相シフト膜２を通過した光の位相は反転し、負の符号となる。この光をレンズを通しウエハ上に投影すると、図１（ｄ）に示すように光透過部である主パタン３と半透明位相シフト膜２の境界で位相が反転しているため、その直下で光強度はほぼ０となる。そのため光強度の広がりが抑えられ、コントラストの高い微細なパタンが形成できる。しかし、主パタン３を通過した光強度４の他に、第２の光強度ピーク５いわゆるサブピークが発生する。通常このマスクを用いる場合、この第２の光強度ピークが転写しないようにレジストの露光量を設定する。本発明では、前記通常はウエハに転写させないサブピークをウエハ上のレジストに転写させ、レンズの収差を評価する。
【０００８】
パタンをレジスト上に投影する縮小投影露光装置の主要構成例を図１０に示す。光源１０１から発する光はフライアイレンズ１０２，コンデンサレンズ１０３，１０５及びミラー１０４を介してマスク１０６を照射する。マスク１０６には場合によっては異物付着によるパタン転写不良を防止するためのペリクル１０７が設けられている。マスク１０６上に描かれたマスクパタンは，投影レンズ１０８を介して試料基板であるウエハ１０９上に投影される。なお，マスク１０６はマスク位置制御手段１１７で制御されたマスクステージ１１８上に載置され，その中心と投影レンズ１０８の光軸とは正確に位置合わせがなされている。ウエハ１０９は，試料台１１０上に真空吸着されている。試料台１１０は，投影レンズ１０８の光軸方向すなわちＺ方向に移動可能なＺステージ１１１上に載置され，さらにＸＹステージ１１２上に搭載されている。Ｚステージ１１１及びＸＹステージ１１２は，主制御系１１９からの制御命令に応じてそれぞれの駆動手段１１３，１１４によって駆動されるので，所望の露光位置に移動可能である。その位置はＺステージ１１１に固定されたミラー１１６の位置として，レーザ測長機１１５で正確にモニタされている。投影レンズ１０８には、種々の収差が存在する。しかし現在、この縮小投影露光装置に搭載された投影レンズの収差を精度良く測定する方法が無く問題である。マスク１０６として半透明位相シフトマスクを用い、ウエハ１０９上のレジストにパタンを転写すると、このレンズ１０８の収差によって、前述した第２の光強度ピーク５が変化する。図１（ｄ）及び（ｅ）はその一例である。図１（ｄ）はレンズの収差がない場合の光強度分布である。第２の光強度ピーク５は、主パタン周辺に同じ光強度で発生している。図１（ｅ）はレンズにコマ収差がある場合の光強度分布である。主パタンを中心として対向するサブピーク７と８の光強度に差が生じている。本発明では、この現象を利用して、レンズ収差の定量化を行ない、高精度な収差の評価を行なう。
【０００９】
本発明の第１の実施例を図２〜図５及び図１１〜図１２で説明する。図２はレンズ収差の１つであるコマ収差と図１（ｅ）に示す光強度分布の第２の光強度ピーク７及び８の光強度の関係を示している。ここでパタン転写には、露光波長λ＝０．２４８μｍ、レンズの開口数ＮＡ＝０．５５のステッパを用いた。また半透明膜の透過率は透明部の透過率を１００％とした時６％，透明部と半透明部の位相差が１８０°、転写する主パタン３に該る光透過部の設計寸法Ｗを０．４０μｍ角（投影露光光学系の倍率が１／５なので、マスク上では２μｍ角）のマスクを用いた。第２の光強度ピーク７の光強度は、コマ収差量の増加にほぼ比例して大きくなる。これに対し、主パタンを中心として対向の位置に有る第２の光強度ピーク８の光強度は、コマ収差量の増加にしたがって小さくなる。
【００１０】
この第２の光強度ピーク８と第２の光強度ピーク７の光強度の比を、図３に示す。コマ収差に比例して光強度比が大きくなっていることが判る。従って、第２の光強度ピーク７及び８がそれぞれ転写される露光量比を求めることにより、図３を用いてコマ収差を求めることができる。
【００１１】
実際に実験したレジストパタンの断面形状及び平面形状を図４及び図１２に示す。図４（ａ）に示すような基板９の上にレジスト１０を塗布し、通常の工程で露光現像して、マスクのパタンをレジストに形成する。ここで従来と異なることは、パタンを形成する際に第２の光強度ピーク７及び８がレジストに転写するように露光量を調整することである。図４（ｂ）に示すように、主パタンを通過した光によって形成したパタン１１の他に、第２の光強度ピーク７によってレジストが膜減りをはじめる露光量Ｅ１を求める。この条件では、パタン１１を中心として対向した位置である１２には第２の光強度ピーク８は転写していない。次に図４（ｃ）に示すように、レジスト膜減り部１４とパタン１１を中心として対向する位置１２に第２の光強度ピーク８によってレジストが膜減りをはじめる露光量Ｅ２を求める。この露光量Ｅ２と露光量Ｅ１の露光量比を、サブピークの光強度比に換算し、図３に当てはめることによりコマ収差量を求めることができる。実際の測定結果は、Ｅ１＝７６．８ｍＪ／平方ｃｍであり、Ｅ２＝４８．０ｍＪ／平方ｃｍであった。この場合の光強度比は、Ｅ２／Ｅ１＝７６．８／４８．０＝１．６となり、コマ収差量は約０．１１×λであった。この他に、第２の光強度ピーク７および８を同時にレジストに転写し、各々のレジスト膜の減少量を、レジストの感度特性曲線を用い光強度に換算する方法を用いても良い。
【００１２】
なお、主パタンは四角形に限らず、六角形や八角形など多角形でも良い。多角形パタンを用いることにより、コマ収差量と同時にコマ収差の向きを測定することができる。図１１は八角形のパタンを用いた場合のマスクの平面図であり、１２２は半透明位相シフト領域、１２３は透明領域で形成される主パタンを示している。ここで主パタン１２３の一辺の設計寸法Ｗは特に制限は無いが、Ｗ＝ａ・λ／ＮＡ（ただし、投影露光光学系の開口数をＮＡ、露光波長をλ、ａ≧０．４）の条件にすることが望ましい。ここでパタン転写には、露光波長λ＝０．２４８μｍ、レンズの開口数ＮＡ＝０．５５のステッパを用いた。また半透明膜の透過率は透明部の透過率を１００％とした時６％，透明部と半透明部の位相差が１８０°、転写する主パタン１２３に該る光透過部の一辺設計寸法Ｗを０．５０μｍ（投影露光光学系の倍率が１／５なので、マスク上では２．５μｍ角）のマスクを用いた。実際に実験したレジストパタンの平面形状を図１２に示す。図に示すように通常の工程で露光現像し、マスクのパタンをレジストに形成する。ここで従来と異なることは、パタンを形成する際に第２の光強度ピークがレジストに転写するように露光量を調整することである。図１２（ａ）に示すように、主パタンを通過した光によって形成したパタン１３１の他に、第２の光強度ピークによってレジストが膜減りをはじめる露光量Ｅ１を求める。この条件では、パタン１３１を中心として対向した位置である１３２には第２の光強度ピークは転写していない。次に図１２（ｂ）に示すように、パタン１３１を中心としてレジスト膜減り部１３４と対向する位置１３２に第２の光強度ピークによってレジストが膜減りをはじめる露光量Ｅ２を求める。この露光量Ｅ２と露光量Ｅ１の露光量比を、サブピークの光強度比に換算し、計算値と比較することによりコマ収差量を求めることができる。実際の測定結果は、Ｅ１＝７６．８ｍＪ／平方ｃｍであり、Ｅ２＝４８．０ｍＪ／平方ｃｍであった。この場合の光強度比は、Ｅ２／Ｅ１＝７６．８／４８．０＝１．６となり、コマ収差量は約０．１１×λであった。また、正八角形としたことによりコマ収差の向きを精度良く判別することができた。
【００１３】
コマ収差は、縮小投影露光装置の１ショットの面内で分布している。したがって、ショット内の全面を一度に計測できることが望ましい。図５は、レンズのコマ収差量を測定するためにマスクの有効露光領域に測定用パタンを配置したものである。図５（ａ）はマスクの平面図であり、図５（ｂ）は評価用パタンの１つを拡大したものである。５２は半透明位相シフト領域であり、マスクの有効露光領域に配置してある。５３は透明領域で形成される主パタン、５６はマスクの有効露光領域外を示している。ここで主パタン３の設計寸法Ｗは特に制限は無いが、Ｗ＝ａ・λ／ＮＡ（ただし、投影露光光学系の開口数をＮＡ、露光波長をλ、ａ≧０．４）の条件にすることが望ましい。ここでは０．４０μｍ角のパタンとした。また露光波長λ＝０．２４８μｍ、レンズの開口数ＮＡ＝０．５５のステッパを用いた。マスクの半透明部の透過率は６％，透明部と半透明部の位相差が１８０°のホトマスクを用いた。主パタンの配置ピッチＰが０．７８μｍ未満では、隣のパタンの影響を受けて測定精度が低下してしまうため、主パタンの配置ピッチは０．７８μｍ以上とした。主パタンの配置ピッチＰはＰ＝ｂ・λ／ＮＡで表わされる。ただし、投影露光光学系の開口数をＮＡ、露光波長をλ、ｂ≧１．７２である。このマスクを用い、レンズ全面のコマ収差量を測定することができた。また、ウエハ内に、露光時間を変えてステップアンドリピートでパタンを転写し、サブピークパタンの転写の有無を通常のパタン欠陥検査装置を用いパタンの欠陥と認識させることにより、サブピーク転写の露光量を求めた結果、効率良くサブピーク光強度比を求めることができた。なお、上記パタン欠陥検査装置は、基準パタンと検査パタンの転写形状を比較し、基準パタンと異なる部分を欠陥と認識するもので有る。
【００１４】
第２の実施例を図６を用い説明する。第１の実施例では１ショットの露光領域とほぼ同じステップで基板を移動し、露光量を変化させながら露光を繰り返し、第２の光強度の対称性を評価した。この場合、被加工材料である基板やレジストの膜厚誤差、装置起因の焦点位置誤差などが測定精度の低下の原因となる。しかし、基板移動ステップを露光ショットサイズより小さくした場合、半透明部が２重に露光される為、正確に光強度ピークの強度比を求めることができない。
【００１５】
第２の実施例は２重露光を回避するマスク構造および露光方法に関する。マスクのパタン配置を図６に示す。露光ショットサイズより究めて小さいピッチで基板を移動し、露光できるように、遮光膜ここではＣｒ膜を配置した。図６（ａ）はパタンの平面図であり、図６（ｂ）はパタンの拡大図である。６２は半透明位相シフト部、６３は透明部、６４は遮光部である。露光条件、半透明部の透過率、位相差等は第１の実施例と同じである。このマスク構造は半透明部の周りを遮光部にしたことであり、究めて小さいステップでステップアンドリピートでパタンを転写しても、２重露光にならない構造である。但し、望ましくは透明部６３と遮光部６４の間の半透明部の幅は≧０．４μｍ必要である。半透明部の幅が＜０．４μｍの場合、遮光パタンの影響を受けてサブピークが転写されなくなる場合が発生し、測定の精度が低下する。転写光学系が異なる場合は、遮光パタンの配置位置Ｗ１はＷ１＝ｃ・λ／ＮＡで表わされる。ただし、投影露光光学系の開口数をＮＡ、露光波長をλ、ｃ≧０．８９である。また、ステップアンドリピートのピッチは半透明部が多重露光されないように、半透明部の大きさよりも大きいステップにする必要がある。また、マスクパタン配置は図６以外の配置でも多重露光を防止できる構造であれば、適用可能で有る。たとえば、図７に示すように、ステップアンドリピート方向に遮光部を配置する構造にしても良い。７２は半透明位相シフト部、７３は透明部、７４は遮光部である。半透明部の幅Ｗ１を０．４μｍ以上にすることにより、遮光部７４の影響を受けることなく第２の光強度ピーク値が得られ、本発明の適用が可能である。半透明部の幅Ｗ１はＷ１＝ｃ・λ／ＮＡで表わされる。ただし、投影露光光学系の開口数をＮＡ、露光波長をλ、ｃ≧０．８９である。また遮光パタン７４は、少なくとも露光するステップの方向と主パタン７３を中心として対向する位置に配置する。遮光パタン７４の一辺の寸法Ｗ２はステップアンドリピートの回数やピッチに合わせて設定する必要がある。遮光パタン７４の一辺の寸法Ｗ２はＷ２＝ｄ・λ／ＮＡで表わされる。ただし、投影露光光学系の開口数をＮＡ、露光波長をλ、ｄ≧２．６６である。
【００１６】
このマスクを用い投影レンズの収差測定を行なった。露光ステップは半透明部が２回重ならないように決定した。レジスト上に形成したパタンの断面図及び平面図を図８に示す。ここで８５は基板、８６はレジスト、８１、８２、８３、８４は透明パタン３が転写したパタンであり、８１、８２、８３、８４は第２の光強度７によってレジストが膜減りをする部分、８１、８２、８３、８４は第２の光強度８によってレジストが膜減りをする部分を示している。露光は露光ステップ１、２、３、４の順で露光量を増加させながらステップ露光を行なった。露光ステップ２で主パタン８２の左にサブピーク８２が転写され始め、露光ステップ４で主パタン８４の右に８４にサブピークが転写された。露光ステップ２と露光量ステップ４の露光量は、実際に実験を行なった結果、露光ステップ２の露光量Ｅ１＝４８．０ｍＪ／平方ｃｍであり、露光量ステップ４の露光量Ｅ２＝７６．８ｍＪ／平方ｃｍであった。したがって光強度比は、Ｅ１／Ｅ２＝７６．８／４８．０＝１．６となる。図３を用いてこの値からコマ収差量を求めると、コマ収差量は約０．１１×λであることが簡単に判る。また、露光ステップが遮光パタンを配置することによって小さくなっていることにより、レジスト膜厚バラツキや基板影響等が小さくなることから、精度良く定量的なコマ収差が評価できた。また、主パタンを多角形及び円形に変更した場合にも、第１の実施例同様の効果が得られた。
【００１７】
なお、主パタンや遮光パタンの寸法及び係数を上記のように限定したが、主パタン及び遮光パタンの大きさや形状は半透明領域の透過率によって最適値は異なる。例えば透過率が変わることによって、半透明領域を通過する光強度が変化する。例えば透過率を４％に変更する場合、半透明領域を通過する光強度は小さくなる。これによって、主パタン寸法及び遮光パタン配置位置等変更するが、各々最適化すればほぼ問題なくレンズ収差測定ができる。したがって、半透明領域の透過率及び主パタンに合わせて遮光パタン位置等の最適化が必要である。主パタン及び遮光パタンの形状は長方形及びホールパタンに限らない。線パタン、十字形状パタン、六角形、八角形などの多角形パタン、円形パタン等サブピークが主パタンの周辺に発生する場合は適用可能で有る。但し、本実施例に示したホールパタンが、レンズの収差の方向によらず評価でき、実用的である。また半透明領域の透過率も本実施例に限らず、透過率に適した係数を使用する事によって適用できる。遮光領域は遮光膜を配置したが、これに限らない。ウエハ上で光強度が０になるように、解像限界以下の透明パタンを所定のピッチで配置する方法など手段は選ばない。但し、マスクの作成が簡便である事から、本実施例に示す様に遮光膜を配置する事が実用的である。また、マスクの構造及び材料は本実施例で用いた材料に限らない。すなわち、本発明では使用するマスクの構造が透明領域と半透明領域と遮光領域を含み、かつ透明領域と半透明領域を通過する光の位相差が１８０°であって、投影する主パタンの周辺に第２の光強度が転写するようパタンが配置されていれば目的を達成できる。また、本測定法を用いて縮小投影露光装置のレンズ選別及び修正を行なった所、レンズの個体差を従来の１／２に小さくすることができた。さらに本測定法を用いてレンズ選別を行なった縮小投影露光装置を用いて超ＬＳＩのパタン形成を行なった結果、レンズのコマ収差によるパタンの位置ずれを従来の１／３に低減でき、その結果より高密度なパタンの配置が実現できた。また、超ＬＳＩ製品の不良率を２／３に低減が実現できた。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の適用により、縮小投影露光装置に搭載されたレンズの種々の収差を高精度に測定できる。これによりレンズの修正、選定が可能であり、レンズの個体差を従来より小さくすることができる。特にレンズのコマ収差によるパタンの位置ずれを従来よりも低減でき、その結果、より高密度なパタンの配置が実現でき、超ＬＳＩの製造を光リソグラフィを用いて実現する事が可能となる。また、超ＬＳＩ製品の不良率の低減が可能となり、工業上有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理の説明図。
【図２】本発明の原理の説明図。
【図３】本発明の原理の説明図。
【図４】本発明の主たる実施例の説明図。
【図５】本発明の主たる実施例の平面図。
【図６】本発明の第２の実施例の平面図。
【図７】本発明の第２の実施例の説明図。
【図８】本発明の第２の実施例の説明図。
【図９】従来技術の説明図。
【図１０】本発明の原理の説明図。
【図１１】本発明の主たる実施例の説明図。
【図１２】本発明の主たる実施例の説明図。
【符号の説明】
１…ガラス基板、２，５２，６２，７２，１２２…半透明位相シフト膜、３，５３，６３，７３，１２３…透明主パタン、４…透明主パタンの光強度ピーク、５…透明主パタンのサブピーク、６…レンズのコマ収差がある場合の透明主パタンの光強度ピーク、７…レンズのコマ収差がある場合の第１のサブピーク、８…レンズのコマ収差がある場合の第２のサブピーク、９，８５，９０…基板、１０，８６，１３……レジスト、１１，８１，８２，８３，８４，１３１…透明主パタンの転写したパタン、１２，８１，８２，８３，８４，１３２…第２の光強度ピーク所謂サブピーク８によるレジスト膜減り部、１４，８１，８２，８３，８４，１３４…第２の光強度ピーク所謂サブピーク７によるレジスト膜減り部、５６，７６…有効露光領域外、６４，７４…遮光パタン、１０６…マスク、１０８…投影レンズ、１０９…ウエハ。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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