(57)【要約】半導体ウエハの全領域にわたり高精度で相補分割マスクのアライメントができるようにした相補分割マスクによる露光方法および露光装置を提供する。また、当該露光方法により作製された半導体装置および当該露光方法を用いた半導体装置の製造方法を提供する。半導体ウエハ中央部の第１領域において、各チップに設けられたアライメントマークの位置検出結果に基づいてダイバイダイアライメント方式により相補分割マスクのアライメントを行って露光し、ダイバイダイアライメント方式による相補分割マスクのアライメントが適用できない第１領域の外側の第２領域において、第１の工程において検出されたアライメントマークの位置検出結果を元に、グローバルアライメント方式により第２領域における各チップの座標を決定して相補分割マスクのアライメントを行って露光する。
2003046963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハ中央部における複数の露光対象単位領域を含む第１領域において、各露光対象単位領域に設けられたアライメントマークの位置を検出し、検出された前記アライメントマークの位置に基づいて相補分割マスクのアライメントを行って各露光対象単位領域に露光する第１の工程と、
前記アライメントマークの検出による前記相補分割マスクのアライメントが適用できない前記第１領域の外側の第２領域において、前記第１の工程において検出された前記アライメントマークの位置を元に、前記第２領域における各露光対象領域の座標を決定して前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する第２の工程と
を有する相補分割マスクによる露光方法。
【請求項２】
前記相補分割マスクとして、ステンシルマスクを用いる
請求項１記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項３】
前記第１の工程は、
前記アライメントマークの位置検出結果に基づいてアライメント係数を求め、前記アライメント係数を係数とする前記相補分割マスクのアライメント補正値を求めるための第１の関数式を作成する工程と、
前記第１の関数式に従ってアライメント補正値を求める工程と、
前記アライメント補正値に基づいて前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する工程とを有し、
前記第２の工程は、
前記第１の工程において作成した前記関数式の前記アライメント係数を使って、前記半導体ウエハのアライメント補正値及び前記第２領域の各露光対象単位領域のアライメント補正値を求めるための第２の関数式を作成する工程と、
前記第２の関数式を使って前記半導体ウエハの基準座標及び前記第２領域の各露光対象単位領域の座標を求める工程と、
前記半導体ウエハの基準座標及び前記第２領域の各露光対象単位領域の座標に基づいて前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する工程と
を有する請求項１に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項４】
前記相補分割マスクとして、ステンシルマスクを用いる
請求項３に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項５】
前記第１の工程および前記第２の工程において、前記第１領域および前記第２の領域に対しスパイラル状に露光位置を移動させてそれぞれ露光を行う
請求項１に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項６】
前記相補分割マスクとして、ステンシルマスクを用いる
請求項５に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項７】
前記第１の工程および前記第２の工程において、前記第１領域および前記第２の領域に対しスパイラル状に露光位置を移動させてそれぞれ露光を行う
請求項３に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項８】
前記相補分割マスクとして、ステンシルマスクを用いる
請求項７に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項９】
前記第１の工程は、
前記ダイバイダイアライメント方式により前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する工程と、
前記ダイバイダイアライメント方式による露光により検出された前記アライメントマークの位置検出結果を元に、グローバルアライメント方式により各露光対象単位領域の座標を決定して前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する工程とを有する
請求項１に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項１０】
前記相補分割マスクとして、ステンシルマスクを用いる
請求項９に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項１１】
前記第１の工程において、前記第１領域に対しスパイラル状に露光位置を移動させてそれぞれ露光を行う
請求項９に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項１２】
前記第１の工程は、
前記ダイバイダイアライメント方式により前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する工程と、
前記ダイバイダイアライメント方式による露光により検出された前記アライメントマークの位置検出結果を元に、グローバルアライメント方式により各露光対象単位領域の座標を決定して前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する工程とを有する
請求項３に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項１３】
前記相補分割マスクとして、ステンシルマスクを用いる
請求項１２に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項１４】
前記第１の工程において、前記第１領域に対しスパイラル状に露光位置を移動させてそれぞれ露光を行う
請求項１２に記載の相補分割マスクによる露光方法。
【請求項１５】
相補分割マスクと半導体ウエハとの相対位置を制御する位置制御部と、
前記半導体ウエハの各露光対象単位領域に設けられたアライメントマークの位置を検出するアライメントマーク検出手段と、
前記相補分割マスクを介して前記半導体ウエハに露光用ビームを照射する照射光学系とを有し、
前記位置制御部は、
半導体ウエハ中央部における複数の前記露光対象単位領域を含む第１領域の露光において、前記アライメントマーク検出手段により検出された各露光対象単位領域の前記アライメントマークの位置に基づいて前記相対位置を制御し、
前記アライメントマークの検出による前記相補分割マスクのアライメントが適用できない前記第１領域の外側の第２領域の露光において、前記検出された前記アライメントマークの位置を元に、前記第２領域における各露光対象領域の座標を決定して前記相対位置を制御する
露光装置。
【請求項１６】
半導体ウエハ中央部における複数の露光対象単位領域を含む第１領域において、各露光対象単位領域に設けられたアライメントマークの位置を検出し、検出された前記アライメントマークの位置に基づいて相補分割マスクのアライメントを行って各露光対象単位領域に露光する第１の工程と、
前記アライメントマークの検出による前記相補分割マスクのアライメントが適用できない前記第１領域の外側の第２領域において、前記第１の工程において検出された前記アライメントマークの位置を元に、前記第２領域における各露光対象領域の座標を決定して前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する第２の工程と、を有する露光工程により形成された
半導体装置。
【請求項１７】
半導体ウエハ中央部における複数の露光対象単位領域を含む第１領域において、各露光対象単位領域に設けられたアライメントマークの位置を検出し、検出された前記アライメントマークの位置に基づいて相補分割マスクのアライメントを行って各露光対象単位領域に露光する第１の工程と、
前記アライメントマークの検出による前記相補分割マスクのアライメントが適用できない前記第１領域の外側の第２領域において、前記第１の工程において検出された前記アライメントマークの位置を元に、前記第２領域における各露光対象領域の座標を決定して前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する第２の工程と、を有する相補分割マスクによる露光工程を有する
半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記相補分割マスクとして、ステンシルマスクを用いる
請求項１７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記第１の工程は、
前記アライメントマークの位置検出結果に基づいてアライメント係数を求め、前記アライメント係数を係数とする前記相補分割マスクのアライメント補正値を求めるための第１の関数式を作成する工程と、
前記第１の関数式に従ってアライメント補正値を求める工程と、
前記アライメント補正値に基づいて前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する工程とを有し、
前記第２の工程は、
前記第１の工程において作成した前記関数式の前記アライメント係数を使って、前記半導体ウエハのアライメント補正値及び前記第２領域の各露光対象単位領域のアライメント補正値を求めるための第２の関数式を作成する工程と、
前記第２の関数式を使って前記半導体ウエハの基準座標及び前記第２領域の各露光対象単位領域の座標を求める工程と、
前記半導体ウエハの基準座標及び前記第２領域の各露光対象単位領域の座標に基づいて前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する工程と
を有する請求項１７に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体装置の製造に使用する相補分割マスクによる露光方法、露光装置、並びに半導体装置およびその製造方法に関する。
背景技術
半導体装置の製造過程では、パターニングに際し、フォトリソグラフィ処理が多用されている。従来のパターニングでは、転写マスク（レチクル）を使って、半導体ウエハ上にフォトリソグラフィ処理を行っている。
フォトリソグラフィ処理で使用する転写マスク（レチクル）の作製において、まず、石英基板上に成膜されたクロム膜上にレジスト膜を成膜する。次に、設計データに基づいて光や電子線で露光した後、現像して所定のパターンを有するレジストマスクを形成する。続いてレジストマスクをエッチングマスクとしてクロム膜をエッチングしてパターン孔を開口し、所望の転写マスクを作製する。
しかし、転写マスクを使ったフォトリソグラフィ処理によるパターニングでは、半導体装置の微細化に伴う微細なパターン形成に対応できなくなっている。
つまり、ＬＳＩの集積度の向上につれて、より微細な加工が可能なリソグラフィ技術が要求されるようになっている。それに応えるために、ＬＥＥＰＬ（Ｌｏｗ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅ−ｂｅａｍ  Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、ＥＰＬのような次世代電子線リソグラフィ技術が開発されつつある。
次世代電子線リソグラフィ技術において、上述の石英基板からなる転写マスクに代わって、Ｓｉやダイヤモンドなどからなるメンブレンに設計データに基づいてパターン孔を直接開孔して作製したステンシルマスクが、用いられている。
ところで、ステンシルマスクでは、メンブレン領域にパターン孔を直接開口してパターンを形成しているので、例えばドーナツ状（円環状）のパターンを作製することは、物理的にできない。つまり、内側のメンブレンを支持できないからである。
そこで、１つのパターンを２ブロック以上に分割した相補ステンシルマスクを用い、半導体ウエハ上で重ね露光する相補分割技術が開発されている。例えば、ドーナツ状パターンを形成する際には、ドーナツ状パターンの設計データに基づいて、ドーナツ状パターンをそれぞれ半分に分割したパターン開口をもつ二つのマスク領域を形成する。そして、それぞれのマスク領域のパターンを二重露光することにより、一つのドーナツ状パターンを半導体ウエハ上に転写する。
ここで、本願明細書において、ステンシルマスクとは、空間に物質が存在しない開口領域を有するマスクと定義する。
相補分割マスクとは、ある区画のパターンを分割して各マスク領域に載せ、各マスク領域同士を重ね合わせて分割したパターン同士を重ね合わせることにより、当該区画の分割前のパターンを形成できるマスクと定義する。
相補分割ステンシルマスクとは、ある区画のパターンを分割して各マスク領域に載せ、各マスク領域同士を重ね合わせて分割したパターン同士を重ね合わせることにより、当該区画の分割前のパターンを形成できるステンシルマスクと定義する。
上記のＬＥＥＰＬのような近接露光を用いるリソグラフィ技術において、マスクと半導体ウエハとの間のギャップのコントロールが重要となる。
ＬＥＥＰＬにおいて、ギャップをコントロールするために、例えば、住友重機械工業（株）により開発され、等倍Ｘ線リソグラフィで実績のあるＳＬＡアライメント方式が採用されている。
ＳＬＡアライメント方式は、ダイバイダイアライメント方式であって、描画領域毎に相補分割ステンシルマスク上のマークとシグナルを同時に検出する。これにより、半導体ウエハと相補分割ステンシルマスクとの相対位置、及び相補分割ステンシルマスクと半導体ウエハ間のギャップを計測し、制御している。
マスクのアライメントには、ダイバイダイアライメント方式とグローバルアライメント方式とがある。
ダイバイダイアライメント方式は、各ショットごとに前工程で形成された半導体ウエハ上のアライメントマークの位置を計測し、それによってマスクをアライメントし、露光位置を決定する方法である。この方式は、半導体ウエハ内の場所によって異なる延び縮みにも対応でき、高いアライメント精度が期待できる。
一方、グローバルアライメント方式は、始めに半導体ウエハ内数点のアライメントマークの位置を計測して半導体ウエハ内の各ショットの座標を決めてしまい、その座標に従って半導体ウエハを移動し、露光を行う。この方式を使うには、半導体ウエハの座標位置を正確に計測する手段が必要である。
しかし、ダイバイダイアライメント方式では、以下に説明するように、相補分割ステンシルマスクと半導体ウエハとの相対位置の制御が難しいという問題があった。相補分割ステンシルマスクと半導体ウエハとの相対位置の制御をアライメントと称する。
例えば図１に示すような等倍転写型の相補４分割ステンシルマスクを使って露光する場合を考える。図１に示すように、等倍転写型の相補４分割ステンシルマスク１０は、一つのパターンを４個の相互に異なるパターンに分割し、４個の異なるパターンのいずれかを有する第１から第４のマスク領域１０Ａ〜１０Ｄを繋いで一枚のマスクにしたものである。
相補４分割ステンシルマスク１０を使って半導体ウエハ上に露光する際には、第１から第４のマスク１０Ａ〜１０Ｄをそれぞれ一つのチップ領域に交互に露光することにより、一つのパターンをチップ領域に転写することができる。
相補４分割ステンシルマスクをダイバイダイアライメント方式でアライメントする方法について説明する。通常、図２に示すように、相補分割ステンシルマスクの大きさに相当する半導体ウエハ１２の４個のチップの集合である４チップ領域１４の４隅にそれぞれ設けてあるアライメントマーク１６を使ってアライメントを行う。なお、チップ領域とは１つの半導体チップに該当する領域を示す。また、図示の例では、４チップ領域が一回の露光における電子線の走査範囲、すなわち、一つの露光領域又は露光フィールドに相当する。
その際、図２に示すように、半導体ウエハ外周部のチップ領域（図２で×印のチップ領域）１８を含む露光領域では、必要なアライメントマークのいずれかが存在せず、相補分割ステンシルマスクのアライメントを行うことができない。
また、グローバルアライメント方式によるアライメントは可能であるものの、半導体ウエハ全体を平均化してアライメント係数を算出するため、下地半導体ウエハの高次の歪みを補正できないという問題があった。
このように、相補分割ステンシルマスクのアライメントに問題があっては、相補分割ステンシルマスクを使って所望のパターンを半導体ウエハ上に正確に転写することが難しい。
発明の開示
本発明の目的は、半導体ウエハの全領域にわたり高精度で相補分割マスクのアライメントができるようにした相補分割マスクによる露光方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、半導体ウエハの全領域にわたり高精度で相補分割マスクのアライメントができるようにした露光装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記の露光方法を用いて作製され、正確にパターンが転写された半導体装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記の露光方法を用いる半導体装置の製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明の露光方法は、半導体ウエハ中央部における複数の露光対象単位領域を含む第１領域において、各露光対象単位領域に設けられたアライメントマークの位置を検出し、検出された前記アライメントマークの位置に基づいて相補分割マスクのアライメントを行って各露光対象単位領域に露光する第１の工程と、前記アライメントマークの検出による前記相補分割マスクのアライメントが適用できない前記第１領域の外側の第２領域において、前記第１の工程において検出された前記アライメントマークの位置を元に、前記第２領域における各露光対象領域の座標を決定して前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する第２の工程とを有する。
また、上記の目的を達成するため、本発明の露光装置は、相補分割マスクと半導体ウエハとの相対位置を制御する位置制御部と、前記半導体ウエハの各露光対象単位領域に設けられたアライメントマークの位置を検出するアライメントマーク検出手段と、前記相補分割マスクを介して前記半導体ウエハに露光用ビームを照射する照射光学系とを有し、前記位置制御部は、半導体ウエハ中央部における複数の前記露光対象単位領域を含む第１領域の露光において、前記アライメントマーク検出手段により検出された各露光対象単位領域の前記アライメントマークの位置に基づいて前記相対位置を制御し、前記アライメントマークの検出による前記相補分割マスクのアライメントが適用できない前記第１領域の外側の第２領域の露光において、前記検出された前記アライメントマークの位置を元に、前記第２領域における各露光対象領域の座標を決定して前記相対位置を制御する。
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、半導体ウエハ中央部における複数の露光対象単位領域を含む第１領域において、各露光対象単位領域に設けられたアライメントマークの位置を検出し、検出された前記アライメントマークの位置に基づいて相補分割マスクのアライメントを行って各露光対象単位領域に露光する第１の工程と、前記アライメントマークの検出による前記相補分割マスクのアライメントが適用できない前記第１領域の外側の第２領域において、前記第１の工程において検出された前記アライメントマークの位置を元に、前記第２領域における各露光対象領域の座標を決定して前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する第２の工程と、を有する露光工程により形成された。
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体ウエハ中央部における複数の露光対象単位領域を含む第１領域において、各露光対象単位領域に設けられたアライメントマークの位置を検出し、検出された前記アライメントマークの位置に基づいて相補分割マスクのアライメントを行って各露光対象単位領域に露光する第１の工程と、前記アライメントマークの検出による前記相補分割マスクのアライメントが適用できない前記第１領域の外側の第２領域において、前記第１の工程において検出された前記アライメントマークの位置を元に、前記第２領域における各露光対象領域の座標を決定して前記相補分割マスクのアライメントを行って露光する第２の工程と、を有する相補分割マスクによる露光工程を有する。
発明を実施するための最良の形態
本発明の好適実施の形態を添付図面を参照して述べる。
第１の実施の形態
本実施形態は、本発明に係る相補分割マスクによる露光方法を、電子線転写型リソグラフィのＬＥＥＰＬ用の等倍転写型相補４分割ステンシルマスクによる露光に適用した一例である。図３Ａ〜図３Ｅは、本実施形態の相補４分割ステンシルマスクのアライメントおよび露光の手順を説明する半導体ウエハ平面図である。
ここで、本願明細書において、ステンシルマスクとは、空間に物質が存在しない開口領域を有するマスクと定義する。
相補分割マスクとは、ある区画のパターンを分割して各マスク領域に載せ、各マスク領域同士を重ね合わせて分割したパターン同士を重ね合わせることにより、当該区画の分割前のパターンを形成できるマスクと定義する。
相補分割ステンシルマスクとは、ある区画のパターンを分割して各マスク領域に載せ、各マスク領域同士を重ね合わせて分割したパターン同士を重ね合わせることにより、当該区画の分割前のパターンを形成できるステンシルマスクと定義する。
本実施形態は、前述した図１に示す等倍転写型の相補４分割ステンシルマスク１０を使って、図２に示す半導体ウエハ１２上に露光する方法であって、以下の手順で、露光する。
まず、露光装置のウエハステージの位置、及びマスクの位置を調整して、ウエハステージ上に載置された半導体ウエハのアライメントを行う。
次に、図３Ａのシャドー領域の左下部分の第１チップ領域２０を含む露光領域（露光エリア）内の複数のアライメントマークを検出してアライメントマークの座標を求め、次いでアライメントマークの検出座標とアライメントマークの設計データに基づく座標との誤差を求める。続いて、その検出結果に基づいて、次のアライメント係数式を作成する。なお、チップ領域とは半導体１チップに該当する領域を意味する。本実施形態においては、露光対象単位領域を半導体１チップとして例示している。
Δｘ１＝ａ１ｘ１＋ｂ１ｙ１＋ｃ１                    （１）
Δｙ１＝ｄ１ｘ１＋ｅ１ｙ１＋ｆ１                    （２）
式（１）及び（２）において、ｘ１、ｙ１は、第１チップ領域２０のチップ中心の設計データに基づくＸ座標及びＹ座標（中心座標）であり、Δｘ１、及びΔｙ１は、半導体ウエハのアライメント誤差による第１チップ領域２０の中心座標ｘ１、ｙ１の設計データに対する誤差であり、ａ１〜ｆ１はアライメント係数である。
アライメント係数ａ１〜ｆ１を求めるためには、６個の連立方程式が解けるだけのマーク数のアライメントマークの座標を測定する。本実施形態では、３個のアライメントマークの設計上の座標（ｘＭ１、ｙＭ１）、（ｘＭ２、ｙＭ２）、（ｘＭ３、ｙＭ３）と、アライメントマークの設計上の座標に対する半導体ウエハのアライメント誤差による座標誤差（ΔｘＭ１、ΔｙＭ１）、（ΔｘＭ２、ΔｙＭ２）、（ΔｘＭ３、ΔｙＭ３）とを求め、次の連立方程式を作り、続いて連立方程式を解いてａ１〜ｆ１を求める。
ΔｘＭ１＝ａ１ｘＭ１＋ｂ１ｙＭ１＋ｃ１
ΔｙＭ１＝ｄ１ｘＭ１＋ｅ１ｙＭ１＋ｆ１
ΔｘＭ２＝ａ１ｘＭ２＋ｂ１ｙＭ２＋ｃ１
ΔｙＭ２＝ｄ１ｘＭ２＋ｅ１ｙＭ２＋ｆ１
ΔｘＭ３＝ａ１ｘＭ３＋ｂ１ｙＭ３＋ｃ１
ΔｙＭ３＝ｄ１ｘＭ３＋ｅ１ｙＭ３＋ｆ１
第１チップ領域２０のチップ座標（チップ領域の中心座標）が（ｘ１＋Δｘ１、ｙ１＋Δｙ１）であるとして、相補分割ステンシルマスクを移動してアライメントを行い、図３Ａのシャドー領域中央の菱形マークで示す露光位置で露光する。つまり、いわゆるダイバイダイアライメント方式により相補４分割ステンシルマスク１０をアライメントし、相補４分割ステンシルマスク１０の第３のマスク領域１０Ｃを第１チップ領域２０に露光する。
ここで、本願明細書において、ダイバイダイアライメント方式は、各ショットごとに前工程で形成された半導体ウエハ上のアライメントマークの位置を計測し、それによってマスクをアライメントし、露光位置を決定する方式をいう。
図３Ａで、破線矢印は、ダイバイダイアライメント方式によりアライメントし露光する際の露光ショットの移動方向を示す。
この露光により、第１チップ領域２０に相補４分割ステンシルマスク１０の第３のマスク領域１０Ｃのパターンが転写され、第１チップ領域２０の一つ上の第２チップ領域２２には、相補４分割ステンシルマスク１０の第４のマスク領域１０Ｄのパターンが転写される。
また、第１チップ領域２０の一つ右のチップ領域２４には、相補４分割ステンシルマスク１０の第２のマスク領域１０Ｂのパターンが転写され、第２チップ領域２２の一つ右のチップ領域２６には、相補４分割ステンシルマスク１０の第１のマスク領域１０Ａのパターンが転写される。
次に、図３Ｂに示すように、第１チップ領域２０からチップ領域一つ分上の第２チップ領域（図３Ｂのシャドー領域の左下部分）２２について、第１チップ領域２０の露光手順と同様にして露光し、相補４分割ステンシルマスク１０の第３のマスク領域１０Ｃのパターンを転写する。
第２チップ領域２２の周りのチップ領域についても、上述のように、相補４分割ステンシルマスク１０の第１のマスク領域１０Ａ、第２のマスク領域１０Ｂ、及び第４のマスク領域１０Ｄのパターンが転写される。
続いて、図３Ｃに示すように、第２チップ領域からチップ一つ分上の第３チップ領域（図３Ｃのシャドー領域の左下部分）２８について、第１チップ領域の露光手順と同様にして露光する。
以下、ダイバイダイアライメント方式でアライメントおよび露光できる半導体ウエハ中央部の全てのチップ領域、即ち第４・・・ｎチップ領域について、同様にして、ダイバイダイアライメント方式でアライメントを行い、各露光位置毎に露光する。つまり、ダイバイダイアライメントと１ショットの露光とを一組とする露光操作を、順次、行う。
ここで、ダイバイダイアライメントで露光できる範囲の半導体ウエハ中央部の全てのチップ領域（第１領域）とは、露光エリアの４隅にアライメントマークが設けてあるチップ領域を言う。
次に、上記の露光手順で半導体ウエハ中央部のチップ領域についてダイバイダイアライメント方式によるアライメントのために求めたアライメント係数を使用して、半導体ウエハ中心又は近傍におけるいわゆるグローバルアライメント方式のアライメント係数式（３）及び（４）を上述の式（１）及び（２）と同様にして作成する。
ΔＸ＝ａＸ＋ｂＹ＋ｃ                                （３）
ΔＹ＝ｄＸ＋ｅＹ＋ｆ                                （４）
式（３）及び（４）において、Ｘ、Ｙは、半導体ウエハ中心又はその近傍のアライメントマークの設計データ上のＸ座標及びＹ座標であって、グローバルアライメント方式のアライメントでの半導体ウエハ基準座標である。ΔＸ、及びΔＹは、半導体ウエハのアライメント誤差による設計データ上の半導体ウエハ基準座標Ｘ、Ｙに対する誤差であり、ａ〜ｆはアライメント係数である。
ここで、本願明細書において、グローバルアライメント方式とは、始めに半導体ウエハ内数点のアライメントマークの位置を計測して半導体ウエハ内の各ショットの座標を決めてしまい、その座標に従って半導体ウエハを移動し、露光を行う方式をいう。
なお、グローバルアライメント方式のアライメント係数式を求める際、必ずしも、半導体ウエハ中心又はその近傍領域である必要はなく、ダイバイダイアライメント方式でアライメントしたいずれのチップ領域のアライメント係数を使用することもできる。
また、上記の露光手順で半導体ウエハ中央部のチップ領域にダイバイダイアライメント方式によるアライメントを行うために求めたアライメント係数を使用して、半導体ウエハ外周部の露光したいチップ領域のチップ中心座標、つまりチップ座標（ｘ、ｙ）に対するアライメント係数式（５）及び（６）を作成する。
Δｘ＝ａ’ｘ＋ｂ’ｙ＋ｃ’                          （５）
Δｙ＝ｄ’ｘ＋ｅ’ｙ＋ｆ’                          （６）
式（５）及び（６）において、ｘ、ｙは、アライメント係数式（３）及び（４）を作製した際のアライメントマーク近傍のチップ領域のチップ中心の設計データ上のＸ座標及びＹ座標であり、Δｘ、及びΔｙは、半導体ウエハのアライメント誤差による設計データ上のチップ中心座標ｘ、ｙに対する誤差であり、ａ’〜ｆ’はアライメント係数である。
なお、係数ａ’〜ｆ’は、上記の露光手順で半導体ウエハ中央部のチップ領域にダイバイダイアライメント方式によるアライメントを行うために求めたアライメント係数を使用する。
次に、作成したアライメント係数式（３）及び（４）を使って、以下のように、半導体ウエハの半導体ウエハ基準座標（Ｘ０、Ｙ０）のアライメント補正値（ΔＸ０、ΔＹ０）を求める。
ΔＸ０＝ａＸ０＋ｂＹ０＋ｃ                          （３′）
ΔＹ０＝ｄＸ０＋ｅＹ０＋ｆ                          （４′）
また、作成したアライメント係数式（５）及び（６）を使って、半導体ウエハ外周部の露光したいチップ領域のチップ座標（ｘ０、ｙ０）、例えば図３Ｄに示すチップ領域３０のチップ座標（ｘ０、ｙ０）のアライメント補正値（Δｘ０、Δｙ０）を求める。
Δｘ０＝ａ’ｘ０＋ｂ’ｙ０＋ｃ                      （５′）
Δｙ０＝ｄ’ｘ０＋ｅ’ｙ０＋ｆ                      （６′）
次に、半導体ウエハ基準座標（Ｘ０＋ΔＸ０、Ｙ０＋ΔＹ０）とチップ領域３０のチップ座標（ｘ０＋Δｘ０、ｙ０＋Δｙ０）に基づいて、相補４分割ステンシルマスク１０のグローバルアライメント方式によるアライメントを行い、次いでチップ領域３０の露光を行う。このように、２つの座標を用いることにより、平面的な半導体ウエハの位置が一つに固定される。
そして、半導体ウエハ外周部では、グローバルアライメント方式により相補４分割ステンシルマスクのアライメントを行い、グローバルアライメント終了後、露光を行う。図３Ｄで、破線矢印は、グローバルアライメント方式によりアライメントし露光を行う際の露光ショットの移動方向を示す。
次に、図３Ｅに示すように、同様にして半導体ウエハ外周部の次のチップ領域についてグローバルアライメント方式によるアライメントを行い、露光する。
半導体ウエハ外周部の全てのチップ領域の露光が終了するまで、上記の手順に従って露光を繰り返す。
上記の本実施形態に係る露光方法により半導体装置にパターンを転写する工程において、図４に示すように、まず、半導体ウエハにレジストを塗布する（ステップＳＴ１）。そして、上記したように、半導体ウエハ中央部の領域（第１領域）では、ダイバイダイアライメント方式により相補分割ステンシルマスクのアライメントを行って露光を行う（ステップＳＴ２）。続いて、上記したように、半導体ウエハ中央部の外側（第２領域）の領域では、グローバルアライメント方式により相補分割ステンシルマスクのアライメントを行って露光する（ステップＳＴ３）。その後、レジストを現像し（ステップＳＴ４）、レジストをエッチングマスクとして半導体ウエハのパターニングを行い（ステップＳＴ５）、最後にレジストを除去することにより（ステップＳＴ６）、半導体装置に所望のパターンが転写される。
本実施形態では、半導体ウエハ中央部の各チップ領域では、ダイバイダイアライメント方式により相補分割ステンシルマスクのアライメントを行って露光することにより、露光ショットの位置精度を高めている。また、ダイバイダイアライメント方式を適用できない半導体ウエハ外周部ではグローバルアライメント方式を適用することにより、ダイバイダイアライメント方式を半導体ウエハの全チップ領域に適用できないという問題を回避している。
さらに、外周チップ領域に対してグローバルアライメント方式でアライメントする際に、半導体ウエハ中央部のチップ領域にダイバイダイアライメント方式でアライメントした際に求めたアライメント係数を使うことにより、グローバルアライメント方式を適用する際に必要なアライメント係数の算出に伴う時間と費用を軽減することができる。
ところで、グローバルアライメント方式では、マーク検出を行った時から時間が経過すると、マーク検出を行った時の半導体ウエハの初期温度と露光時のステージ温度に依存する半導体ウエハ温度の違いに起因して、半導体ウエハの熱膨張、または熱収縮が露光時におこり、相補分割ステンシルマスクの位置ずれの原因になる。
一方、半導体ウエハは、半導体ウエハ中心で半導体ウエハの半径方向に等方的に半導体ウエハを押さえて固定する方式が一般的であるから、熱膨張による半導体ウエハの形状変化は、半導体ウエハ中心が起点となり、半導体ウエハ外周部に行くに従って変化量が大きくなる。
熱膨張は、緩和現象であって、図５Ａに示すようにある一定時間を経過すると安定する。従って、本実施形態のように、先ず、半導体ウエハ中央部をダイバイダイアライメント方式によりアライメントして露光し、熱膨張が安定した後、熱膨張によるアライメント変動の影響が大きい半導体ウエハ外周部のチップ領域をグローバルアライメント方式によりアライメントすることにより、全露光ショット領域について、安定的にアライメントを行うことができる。
例えば、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、半導体ウエハの熱膨張と経過時間とによって、或いは半導体ウエハ中心からの距離と経過時間とによって、ダイバイダイアライメント方式とグローバルアライメント方式とを使い分けてもよい。
以上のような露光方法を用いることにより、半導体装置に形成される転写パターンの位置精度が向上することから、半導体装置の信頼性の向上や歩留りの向上に寄与することができる。また、グローバルアライメント方式を適用する際に必要なアライメント係数の算出に伴う時間と費用を軽減できることから、半導体装置の製造コストの低下に寄与することができる。
第２の実施の形態
本実施形態は、本発明に係る相補分割マスクによる露光方法を、電子線転写型リソグラフィのＬＥＥＰＬ用の等倍転写型相補４分割ステンシルマスクによる露光方法に適用した実施形態の別の例である。図６Ａ〜図６Ｅは、本実施形態の相補４分割ステンシルマスクのアライメントおよび露光の手順を説明する半導体ウエハ平面図である。
本実施形態は、前述した等倍転写型の相補４分割ステンシルマスク１０を使って、半導体ウエハ１２上に露光する方法であって、以下の手順で、露光する。
まず、第１実施形態と同様に、露光装置のウエハステージの位置、及びマスクの位置を調整して、ウエハステージ上に載置された半導体ウエハのアライメントを行う。
次に、図６Ａに示すように、半導体ウエハ中央部の第１チップ領域（図６Ａのシャドー領域の左上部分）３２について、第１実施形態と同様にして、ダイバイダイアライメント方式でアライメントを行い、露光する。
続いて、図６Ｂに示すように、半導体ウエハ中央部の第２チップ領域（図６Ｂのシャドー領域の左上部分）３４について、第１実施形態と同様にして、ダイバイダイアライメント方式でアライメントを行い、露光する。
続いて、図６Ｃに示すように、半導体ウエハ中央部の第３チップ領域（図６Ｃのシャドー領域の左上部分）３６について、第１実施形態と同様にして、ダイバイダイアライメント方式でアライメントを行い、露光する。
以下、スパイラル状に露光ショットを移動させつつ、ダイバイダイアライメント方式でアライメントを行い、露光を行う。
図６Ａで、破線矢印は、ダイバイダイアライメント方式でアライメントし露光を行う際の露光ショットの移動方向を示している。
次に、図６Ｄに示すように、半導体ウエハ外周部のチップ領域（図６Ｄのシャドー領域の左下部分）３８について、第１実施形態と同様にして、グローバルアライメント方式でアライメントを行い、露光する。
図６Ｄで、破線矢印は、グローバルアライメント方式でアライメントし露光する際の露光ショットの移動方向を示している。
以下、半導体ウエハ外周に沿って半導体ウエハ外周部のチップ領域（図６Ｅのシャドー領域）に、グローバルアライメント方式でアライメントを行い、露光する。
本実施形態では、熱膨張による変動の影響が少ない半導体ウエハ中心部（第１領域）のチップ領域から先にアライメントして露光を行い、続いてスパイラル状に露光ショットを移動させ、半導体ウエハ中心部外側の外周チップ領域（第２領域）についてグローバルアライメント方式によるアライメント及び露光を実施する。
これにより、外周チップ領域のグローバルアライメントに必要なアライメントマークの検出データに対する熱膨張の影響が少なくなり、重ね合わせ精度を向上させることが可能となる。
第３の実施の形態
本実施形態は、本発明に係る相補分割マスクによる露光方法を、電子線転写型リソグラフィのＬＥＥＰＬ用の等倍転写型相補４分割ステンシルマスクによる露光方法に適用した更に別の例である。図７Ａ〜図７Ｃは、それぞれ、本実施形態の相補４分割ステンシルマスクのアライメントおよび露光の手順を説明する半導体ウエハ平面図である。
本実施形態は、前述した等倍転写型の相補４分割ステンシルマスク１０を使って、半導体ウエハ１２上に露光する方法であって、以下の手順で、露光する。
まず、第１実施形態と同様に、露光装置のウエハステージの位置、及びマスクの位置を調整して、ウエハステージ上に載置された半導体ウエハのアライメントを行う。
ところで、グローバルアライメントに必要なパラメーターは、アライメントの式が線形と仮定すれば、オフセットＸ、オフセットＹ、ウエハ倍率Ｘ、ウエハ倍率Ｙ、ウエハ回転Ｘ、ウエハ回転Ｙ、の６種類で、これらのパラメーターを求めるには最低３チップのマーク検出が必要となる。
そこで、まず、図７Ａに示すように、最中央部の第１から第３のチップ領域について、第１実施形態と同様にして、ダイバイダイアライメント方式でアライメントを行い、露光する。図７Ａで、破線矢印は、ダイバイダイアライメント方式でアライメントし露光を行う際の露光ショットの移動方向を示す。
次に、図７Ｂに示すように、第１から第３チップ領域の外側のチップ領域について、グローバルアライメント方式でアライメントを行い、露光する。この時、数点おき、例えば本実施形態では、２点おきにダイバイダイアライメント方式によるアライメントを実行し露光を行うと共に、その時のマーク検出値を踏まえて、随時グローバルアライメント係数に修正を加える。
同様にして、図７Ｃに示すように、更に外側のチップ領域について、グローバルアライメント方式でアライメントを行い、露光する。この際、数点おき、例えば４点おきに、ダイバイダイアライメント方式でアライメントし、露光する。
最後に、半導体ウエハ最外周部（第２領域）のチップ領域について、第１実施形態と同様にして、グローバルアライメント方式でアライメントを行い、露光する。
本実施形態では、半導体ウエハ最中心部の複数個の露光ショットを行う際、ダイバイダイアライメント方式によりアライメントしている。そして、半導体ウエハ最中心部外側のチップ領域ではグローバルアライメント方式によりアライメントを行う。その際、半導体ウエハ最中心部にダイバイダイアライメント方式のアライメントを適用したときのアライメント係数を用いてグローバルアライメント方式によるアライメントを行う。
半導体ウエハ最中心部外側のチップ領域のグローバルアライメントでは、所定露光ショット毎にダイバイダイアライメント方式によるアライメントを行い、グローバルアライメント方式によるアライメント誤差の発生を抑制する。
また、配線形成工程の後工程等において、条件変化による半導体ウエハ変形の可能性が大きいので、２露光ショット、又は３露光ショットごとに、ダイバイダイアライメント方式によるアライメントを行って、アライメント誤差の発生を抑制する。
このように、外周チップ領域の露光でスパイラル状に露光ショットを移動させる際、所定数の露光ショット毎にダイバイダイアライメント方式で相補分割ステンシルマスクのアライメントを行って、アライメントずれの補正を行う。
本実施形態では、ダイバイダイアライメント方式によるアライメントの回数を合理的に少なくすることにより、高スループットで、かつ高精度なアライメントを実施することができる。
第４の実施の形態
図８は、上述した第１〜第３の実施形態に係る露光方法を適用できる露光装置の概略構成を示す図である。図８に示す露光装置は、ＬＥＥＰＬに用いられる露光装置である。
図８に示す露光装置１１１は、照射光学系として、電子線１１２を生成する電子銃１１３の他、アパーチャ１１４、コンデンサレンズ１１５、一対のメインデフレクター１１６，１１７および一対の微調整用デフレクター１１８，１１９を有する。また、装置全体の動作を制御する制御部１２０と、半導体ウエハ１２および相補分割ステンシルマスク１０にそれぞれ設けられたアライメントマークを検出するアライメントマーク検出部１２０を有する。
アパーチャ１１４は、電子線１１２を制限する。コンデンサレンズ１１５は電子線１１２を平行なビームにする。コンデンサレンズ１１５により集光される電子線１１２の断面形状は通常、円形であるが、他の断面形状であってもよい。メインデフレクター１１６，１１７および微調整用デフレクター１１８，１１９は偏向コイルであり、メインデフレクター１１６，１１７は電子線１１２が相補分割ステンシルマスク１０の表面に対して基本的に垂直に入射するように、電子線１１２を偏向させる。
微調整用デフレクター１１８，１１９は、電子線１１２が相補分割ステンシルマスク１０の表面に対して垂直にまたは垂直方向からわずかに傾いて入射するように、電子線１１２を偏向させる。電子線１１２の入射角は、相補分割ステンシルマスク１０上のパターン位置等に応じて最適化するが、電子線１１２の入射角は最大でも１０ｍｒａｄ程度であり、電子線１１２は相補分割ステンシルマスク１０にほぼ垂直に入射する。
制御部１２０は、相補分割ステンシルマスク１０および半導体ウエハ１２を保持する図示しない保持手段の動作を制御して、相補分割ステンシルマスク１０と半導体ウエハ１２との相対位置を制御する。
制御部１２０は、アライメントマーク検出部１２１により検出されたアライメントマークの位置に基づいて第１実施形態で説明したようなダイバイダイアライメント方式によるアライメントを行う。
また、アライメントマークの検出による相補分割ステンシルマスクのアライメントが適用できない最外周領域において、上記のダイバイダイアライメント方式の最に求められたアライメント係数を用いて、上述したように最外周領域における各チップの座標を決定して、アライメントを行う。
図８に示す電子線１１２ａ〜１１２ｃは、相補分割ステンシルマスク１０を走査する電子線１１２が相補分割ステンシルマスク１０上の各位置にほぼ垂直に入射する様子を示し、電子線１１２ａ〜１１２ｃが相補分割ステンシルマスク１０に同時に入射することを示すものではない。電子線１１２の走査はラスタ走査とベクタ走査のいずれも可能である。
図８において、相補分割ステンシルマスク１０の孔１０ａ部分を通過した電子線により半導体ウエハ１２上のレジストＲが露光される。ＬＥＥＰＬには等倍マスクが用いられ、相補分割ステンシルマスク１０と半導体ウエハ１２は近接して配置される。
上記の露光装置１１１で電子線露光を行う際に、相補分割ステンスルマスク１０として、例えば、図１に示した４分割の相補分割ステンシルマスク１０を用いる。
第５の実施の形態
図９は、上述した第１〜第３の実施形態に係る露光方法を適用できる露光装置の概略構成を示す図である。
図９に示す電子線露光装置では、相補分割マスク（レチクル）１０のパターンが電子線を用いてウェハ１２に所定の倍率で縮小転写されるものである。
当該電子線露光装置は、照射光学系として、コンデンサレンズ２０３、第１投影レンズ２０４、第２投影レンズ２０５、クロスオーバアパーチャ２０６、試料下レンズ２０７および複数の偏向器２０８ａ〜２０８ｉを有する。また、装置全体の動作を制御する制御部２１０と、半導体ウエハ１２および相補分割マスク１０にそれぞれ設けられたアライメントマークを検出するアライメントマーク検出部２１１を有する。相補分割マスク１０の直前のコンデンサレンズ２０３と第１投影レンズ２０４は、図中破線で示す相補分割マスク１０から半導体ウエハ１２への方向に磁場分布を発生させる。
制御部２１０は、相補分割マスク１０および半導体ウエハ１２を保持する図示しない保持手段の動作を制御して、相補分割マスク１０と半導体ウエハ１２との相対位置を制御する。
制御部２１０は、アライメントマーク検出部２１１により検出されたアライメントマークの位置に基づいて第１実施形態で説明したようなダイバイダイアライメント方式によるアライメントを行う。
また、アライメントマークの検出による相補分割ステンシルマスクのアライメントが適用できない最外周領域において、上記のダイバイダイアライメント方式の最に求められたアライメント係数を用いて、上述したように最外周領域における各チップの座標を決定して、アライメントを行う。
図９に示す投影光学系では、マスク１０を通過した電子線が、クロスオーバーアパーチャ２０６を通過して半導体ウエハ１２に垂直に入射するように、複数の偏向器２０８ａ〜２０８ｉから偏向磁界が発生される。
本発明の露光方法、露光装置、並びに半導体装置およびその製造方法は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、相補分割技術が必要な全てのリソグラフィ技術で適用可能であり、分割数も限定するものではなく、またステンシル以外にもパターンをクロム膜等で形成したメンブレンマスクを用いた露光にも適用可能である。
また、ＬＥＥＰＬ等の等倍近接型露光装置を使った露光方法に加えて、ＰＲＥＶＡＩＬなどの電子線転写装置や可変成形型電子線直描装置を使った露光方法、更には、Ｘ線リソグラフィ、光リソグラフィ、イオン収束ビームリソグラフィなどを適用した際の相補分割ステンシルマスクのアライメントおよび露光にも適用することができる。
産業上の利用可能性
本発明の露光方法、露光装置および半導体装置の製造方法は、半導体装置に転写パターンを形成する際に相補分割技術を用いる露光方法に適用することができる。また、本発明の半導体装置は、相補分割技術を用いた露光方法により転写パターンが形成される必要のある半導体装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、相補４分割ステンシルマスクの構成を示す平面図である。
図２は、露光する半導体ウエハのチップ領域を示す平面図である。
図３Ａ〜図３Ｅは、第１実施形態に係る相補４分割ステンシルマスクのアライメントおよび露光の手順を説明する半導体ウエハ平面図である。
図４は、本実施形態に係る半導体装置の製造における露光工程のフローチャートである。
図５Ａは、半導体ウエハの熱膨張と経過時間とによって、ダイバイダイアライメント方式とグローバルアライメント方式とを使い分けることを示した図であり、図５Ｂは、半導体ウエハ中心からの距離と経過時間とによって、ダイバイダイアライメント方式とグローバルアライメント方式とを使い分けることを示した図である。
図６Ａ〜図６Ｅは、第２実施形態に係る相補４分割ステンシルマスクのアライメントおよび露光の手順を説明する半導体ウエハ平面図である。
図７Ａ〜図７Ｃは、第３実施形態に係る相補４分割ステンシルマスクのアライメントおよび露光の手順を説明する半導体ウエハ平面図である。
図８は、本実施形態に係る露光装置の一例を示す概略構成図である。
図９は、本実施形態に係る露光装置の一例を示す概略構成図である。
符号の説明
１０…相補４分割ステンシルマスク
１０Ａ〜Ｄ……第１から第４のマスク
１２……ウエハ
１４……露光領域又は露光フィールド
１６……アライメントマーク
１８……グローバルアライメント方式によるアライメントが適用できないウエハ外周部のチップ領域
２０〜３８……チップ領域
１１１…露光装置
１１２，１１２ａ〜１１２ｃ…電子線
１１３…電子銃
１１４…アパーチャ
１１５…コンデンサレンズ
１１６,１１７…メインデフレクター
１１８，１１９…微調整用デフレクター
２０３…コンデンサレンズ
２０４…第１投影レンズ
２０５…第２投影レンズ
２０６…クロスオーバアパーチャ
２０７…試料下レンズ
２０８ａ〜２０８ｉ…偏向器
【図１】
2003046963.tif 000003
【図２】
2003046963.tif 000004
【図３Ａ】
2003046963.tif 000005
【図３Ｂ】
2003046963.tif 000006
【図３Ｃ】
2003046963.tif 000007
【図３Ｄ】
2003046963.tif 000008
【図３Ｅ】
2003046963.tif 000009
【図４】
2003046963.tif 000010
【図５Ａ】
2003046963.tif 000011
【図５Ｂ】
2003046963.tif 000012
【図６Ａ】
2003046963.tif 000013
【図６Ｂ】
2003046963.tif 000014
【図６Ｃ】
2003046963.tif 000015
【図６Ｄ】
2003046963.tif 000016
【図６Ｅ】
2003046963.tif 000017
【図７Ａ】
2003046963.tif 000018
【図７Ｂ】
2003046963.tif 000019
【図７Ｃ】
2003046963.tif 000020
【図８】
2003046963.tif 000021
【図９】
2003046963.tif 000022
【国際調査報告】
2003046963.tif 000023
2003046963.tif 000024
2003046963.tif 000025
2003046963.tif 000026