(57)【要約】【課題】有機物を遮光膜に用いた露光用マスクにおいて、遮光膜の特性変化を容易に管理する。【解決手段】ウェハプロセスで用いる寸法検査パタンとして、ラインパタンとこれをネガポジ反転したスペースパタンの２種類を用いるようにする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスク基板上に形成されたマスクパタンを結像光学系を介して基板上に結像させることによりマスクパタンを転写するパタン形成方法において、前記マスクパタンが露光光の照射によりその性質が変化する材料から構成されており、上記マスクパタンがラインパタンとスペースパタンとを含む寸法検査用パタンを有することを特徴とするパタン形成方法。
【請求項２】
マスク基板上に形成されたマスクパタンを結像光学系を介して基板上に結像させることによりマスクパタンを転写するパタン形成方法において、前記マスクパタンが有機物から構成されており、上記マスクパタンがラインパタンとスペースパタンとを含む寸法検査用パタンを有することを特徴とするパタン形成方法。
【請求項３】
マスク基板上に形成されたマスクパタンを結像光学系を介して基板上に結像させることによりマスクパタンを転写するパタン形成方法において、前記マスクパタンが露光光の照射によりその性質が変化する材料から構成されており、上記マスクパタンがラインパタンとスペースパタンとを含む寸法検査用パタンを有し、上記マスクパタンを基板上に転写してレジストパタンを形成する工程と、ラインパタンとスペースパタンの寸法を測定する工程と、ラインパタンが所定の規格値内であるかどうか判定し、規格内であった場合はマスクの使用を継続するが規格外であった場合にはマスクの使用を停止する工程と、スペースパタンが所定の規格値内であるかどうか判定し、規格内であった場合はマスクの使用を継続するが規格外であった場合にはマスクの使用を停止する工程とを含むことを特徴とするパタン形成方法。
【請求項４】
マスク基板上に形成されたマスクパタンを結像光学系を介して基板上に結像させることによりマスクパタンを転写するパタン形成方法において、前記マスクパタンが露光光の照射によりその性質が変化する材料から構成されており、上記マスクパタンがラインパタンとスペースパタンとを含む寸法検査用パタンを有し、上記マスクパタンを基板上に転写してレジストパタンを形成する工程と、ラインパタンとスペースパタンの寸法を測定する工程と、ラインパタンとスペースパタンとの寸法差を計算する工程と、前記寸法差が所定の規格値内であるかどうか判定し、規格内であった場合はマスクの使用を継続するが規格外であった場合にはマスクの使用を停止する工程を含むことを特徴とするパタン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大規模半導体集積回路の製造等に好適なパタン形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、大規模半導体集積回路等の固体素子における極微細パタンの形成には、主に光リソグラフィ法の一つである縮小投影露光法が用いられてきた。本方法は、マスクあるいはレチクル（以下、マスクと総称する）上に形成されたマスクパタンを結像光学系を用いて基板上に縮小転写する方法である。
【０００３】
本方法で用いるマスクでは、マスク基板上にマスクパタンが形成されており、透過照明もしくは反射照明によりマスクパタンに露光光を照射する。マスクからの透過光もしくは反射光を結像光学系を介して基板上に結像させることで基板上にマスクパタンを転写する。
【０００４】
高圧水銀ランプの輝線のひとつである波長３６５ｎｍのｉ線や波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光を露光波長に用いる場合、合成石英基板上に金属クロム膜あるいは金属クロム膜と酸化クロム膜の積層膜からなる遮光膜パタンが形成された透過照明用のマスクが広く一般的に用いられている。
【０００５】
また、最近では解像特性向上のために、遮光膜ではなく露光光をわずかに透過させるハーフトーン膜を用いてマスクパタンを形成したハーフトーン位相シフトマスクを用いる露光法等が用いられることもある。ハーフトーン位相シフトマスクではクロムの酸化窒化膜やモリブデンシリサイド膜等がハーフトーン位相シフト膜として用いられている。
【０００６】
マスク上に形成される遮光膜やハーフトーン膜等のマスクパタンの材料には、上述の材料の他にも、例えばホトレジストや電子線露光用レジストのような有機物等を用いることも可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の項で述べたように、レジスト材料のような有機物を遮光膜等で露光用マスクに用いる場合がある。このような場合、無機系材料、例えば金属クロム膜のような通常の露光用マスクで用いられている遮光膜材料に比べて特に露光光照射に対する化学的な安定性や風化のような長期安定性等が劣るという問題があった。このため、従来の無機系材料をマスクに用いた場合よりもマスクの管理がより複雑になるという問題もあった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題はマスク基板上に形成されたマスクパタンを結像光学系を介して基板上に結像させることによりマスクパタンを転写するパタン形成方法において、前記マスクパタンが露光光の照射によりその性質が変化する材料から構成されており、上記マスクパタンがラインパタンとスペースパタンとを含む寸法検査用パタンを有するパタン形成方法により解決される。
【０００９】
また、マスク基板上に形成されたマスクパタンを結像光学系を介して基板上に結像させることによりマスクパタンを転写するパタン形成方法において、前記マスクパタンが有機物から構成されており、上記マスクパタンがラインパタンとスペースパタンとを含む寸法検査用パタンを有するパタン形成方法により解決される。
【００１０】
さらにまた、上記問題はマスク基板上に形成されたマスクパタンを結像光学系を介して基板上に結像させることによりマスクパタンを転写するパタン形成方法において、前記マスクパタンが露光光の照射によりその性質が変化する材料から構成されており、上記マスクパタンがラインパタンとスペースパタンとを含む寸法検査用パタンを有し、上記マスクパタンを基板上に転写してレジストパタンを形成する工程と、ラインパタンとスペースパタンの寸法を測定する工程と、ラインパタンが所定の規格値内であるかどうか判定し、規格内であった場合はマスクの使用を継続するが規格外であった場合にはマスクの使用を停止する工程と、スペースパタンが所定の規格値内であるかどうか判定し、規格内であった場合はマスクの使用を継続するが規格外であった場合にはマスクの使用を停止する工程とを含むパタン形成方法により解決される。
【００１１】
さらにまた、マスク基板上に形成されたマスクパタンを結像光学系を介して基板上に結像させることによりマスクパタンを転写するパタン形成方法において、前記マスクパタンが露光光の照射によりその性質が変化する材料から構成されており、上記マスクパタンがラインパタンとスペースパタンとを含む寸法検査用パタンを有し、上記マスクパタンを基板上に転写してレジストパタンを形成する工程と、ラインパタンとスペースパタンの寸法を測定する工程と、ラインパタンとスペースパタンとの寸法差を計算する工程と、前記寸法差が所定の規格値内であるかどうか判定し、規格内であった場合はマスクの使用を継続するが規格外であった場合にはマスクの使用を停止する工程を含むパタン形成方法により解決される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を最小設計寸法２５０ｎｍの論理素子の配線回路製造工程に関する実施例として説明する。本実施例では縮小比４：１の走査型ＫｒＦエキシマレーザ（露光波長２４８ｎｍ）縮小投影露光装置を用いて最小設計寸法２５０ｎｍのＣｕ配線パタンをシングルダマシンプロセスを用いて加工するためのレジストパタンを基板上に転写した。露光装置の照明条件として開口数ＮＡ＝０．６０、コヒーレンシ（ｓｉｇｍａ）値０．６５の光学条件を用いた。
【００１３】
図１は本実施例で用いたマスクを模式的に表した図である。マスク基板１上に回路パタン部２が形成され、回路パタン部２の周囲に重ね合わせ露光で用いるマークパタンや各種検査パタンを配置したスクライブライン領域３が配置されている。回路パタン部２とスクライブライン領域３に配置されたマスクパタンを、露光波長２４８ｎｍに対して遮光性を有する有機物からなる電子線露光用レジストを用いて形成している。ここで、上記のマスク作成方法は公知の方法を用いた。
【００１４】
図２はウェハプロセスで用いられる各種検査パタンのひとつである寸法検査パタンを基板上に転写するために用いたマスクパタンを示した模式図である。本実施例において寸法検査パタンはスクライブライン領域３内に配置したが、基板上に転写される領域内に配置されていればよい。マスクパタンは、露光波長において遮光性を有する有機物からなる遮光膜５に囲まれて開口部４が設けられたものである。開口部寸法は回路パタン部での最小パタン寸法２５０ｎｍラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）と同じ２５０ｎｍＬ／Ｓパタンとした。
【００１５】
図３に、上記図２のマスクパタンを透過照明により基板上に結像光学系を介して結像させたときの光強度分布を模式的に示す。ある光強度値Ｉｔｈよりも強い光が開口部４を通過してポジ型レジスト上に照射されると、その部分のレジストパタンが現像液に溶解性を生ずることで溝状パタンが形成される。図３の例では、光強度がＩｔｈ以上となる部分に対して寸法ａのレジストパタン開口部が形成されることに相当する。ここでは、回路パタン部と寸法を合わせて、ａ＝２５０ｎｍとなるように開口部４のマスク寸法を調整した。
【００１６】
前述のように、遮光膜に有機物を用いた場合、露光光の照射によって遮光膜５の光学的特性が変化したり、その体積が収縮する場合がある。この場合に実効的な遮光特性の劣化が生じ、レジストパタン寸法の変化等が発生することになる。
【００１７】
図２に示したマスクパタンにおいて、遮光膜５の体積が収縮した場合、開口部４の寸法が実効的に大きくなる。すなわち、図４に模式的に示したように全体の光強度分布が増加する方向に変化するので、図３と同じ光強度Ｉｔｈ以上となる部分の寸法ｂは前述の寸法ａよりも大きくなる。すなわち、基板上により大きな寸法のレジスト開口部が形成されるようになる。
【００１８】
ここで、図２に示したパタンを配線回路製造工程での寸法検査に用いた場合、上述のように開口部４の寸法が実効的に変化しても、マスクパタン転写時の露光量を調整（減少）することで基板上のレジストパタン寸法が所定の規格値内になるように調整することができる。これは図４で光強度ＩｔｈをＩｔｈ’と大きくすることに相当する。このように、遮光膜の特性が変化しても露光量調整することにより基板上のレジストパタン寸法を一定に合わせ込むことができるので、遮光膜質等が変化している様子を露光量の変化でしか確認することができない。
【００１９】
ところが、通常においてマスクパタン転写に用いるレジスト材料の感度（所定の寸法のレジストパタンを形成するために必要な露光量）は、レジスト製造ロット毎にある決められた規格値内で変動する場合がある。また、基板上の積層膜特性のバラツキ等によるプロセスバラツキもある。このため、上述の場合にはレジストパタン寸法変化が、レジスト材料の感度変化やプロセスバラツキ起因なのか、マスクパタン遮光膜材料の特性変化に起因するものかを明確に分離することができない。
【００２０】
そこで、本発明においては図５に模式的に示したように、寸法検査でラインパタンとスペースパタンのネガポジ反転した２種類のパタンを用いるようにした。図５の例ではラインパタンとスペースパタンを隣接して配置した例を示したが、これに限るものではない。例えば、図６のように開口部６と遮光部８を長さ方向に接続して配置してもかまわない。
【００２１】
ラインパタンおよびスペースパタンのマスク作成初期に対応する光強度分布をそれぞれ図７（ａ）および（ｂ）に模式的に示す。ラインパタンの開口部６に対応して光強度値Ｉｔｈ以上となる部分で寸法ｃのレジスト開口部が形成される。一方、スペースパタンの遮光部８に対応して寸法ｄのスペースパタンが形成される。
【００２２】
露光光の照射により遮光膜材料の収縮が生じて実効的な遮光特性が低下した場合を考える。すると、ラインパタンでは図７（ｃ）に模式的に示したように基板上の線幅がｃからｅへ細くなる方向へ、スペースパタンでは図７（ｄ）に模式的に示したように基板上のスペース幅がｄからｆへ広くなる方向へ光強度分布が変化する。一般的に露光光照射による総露光量の増大とともに遮光膜材料特性変化も大きくなるので、ラインパタンは線幅がさらに細くなる方向へ、スペースパタンはスペース寸法がさらに広くなる方向へ変化していく。
【００２３】
図１１は総露光エネルギ量に対するラインパタンの線幅寸法とスペースパタンのスペース幅寸法の変化を模式的に示した図である。本実施例ではラインパタン寸法とスペースパタン寸法の初期値が同じになるように設定したが、それぞれの寸法は寸法管理方法等によって様々の値とすることができる。
【００２４】
ここで、ラインパタンとスペースパタンのそれぞれに対して所定の寸法規格値を設定しておく。図１１に示した例では寸法の初期値が同じであり、また寸法規格値はラインパタンとスペースパタンともに同じ値とした。
【００２５】
総露光エネルギ量に対する変化は各々反対方向になり、ラインパタンは寸法が小さく、スペースパタンは寸法が大きくなる方向に変化する。このため、基板に転写する際の露光量を調整してもそれぞれの規格中心値へ同時には補正することができない。すなわち、遮光特性変化等が生じれば、基板上の寸法変化として容易に捉えることができる。
【００２６】
図１１に示した例ではライン寸法が所定の規格下限値以下となる総露光エネルギ量Ｅ１の方がスペース寸法が規格値上限以上となるＥ２よりも小さいため、総露光エネルギ量Ｅ１に達した時点でマスクの使用を停止するようにすればよい。
【００２７】
実際にはレジストの製造ロット間の実効感度変化やプロセスバラツキ等があるため、いずれかのパタンに対して所定の寸法となるように露光量を調節する場合もある。このような場合には、図１２に模式的に示したようにスペースパタン寸法とラインパタン寸法との差を管理するようにしてもよい。ここの例では上記寸法差が所定の規格値以下となる総露光エネルギ量Ｅ１でマスクの使用を停止すればよい。
【００２８】
図９に本実施例で用いたマスクパタンを使用して図１２の方法を用いた場合の工程フロー例を示す。マスクパタンを基板上に積層したレジスト膜に露光し、現像して形成したレジストパタンの寸法を測定する。このときライン線幅寸法（ＣＤ＿Ｌｎ）とスペース幅寸法（ＣＤ＿Ｓｐ）を測定するが、いずれを先に測定してもかまわない。測定した寸法から、ライン寸法とスペース寸法の差（ΔＣＤ＝｜ＣＤ＿Ｌｎ−ＣＤ＿Ｓｐ｜）を計算する。この寸法差があらかじめ決めておいた規格値未満であるかどうかを判定し、規格値未満であればマスクの継続使用を可能のままとする。規格値以上になった場合には、マスクの使用を停止する。これにより、転写パタン寸法が所定の規格値を外れてパタン転写不良となることを防止できる。
【００２９】
同様に、図１１に示した方法を用いた場合の工程フロー例を図１０に示す。マスクパタンを基板上に積層したレジスト膜に露光し、現像して形成したレジストパタンのライン線幅寸法（ＣＤ＿Ｌｎ）とスペース幅寸法（ＣＤ＿Ｓｐ）を測定する。各寸法値がそれぞれあらかじめ決めておいた規格値内であるかどうかを判定し、規格値内であればマスクの継続使用を可能のままとする。一方、規格値内でなくなった場合には、マスクの使用を停止する。これにより、転写パタン寸法が所定の規格値を外れてパタン転写不良となることを防止できる。
【００３０】
図８は本発明のマスクを用いてマスクパタンを基板上に露光する際に用いた露光装置の構成例である。光源７１から発する光は、フライアイレンズ７２、アパーチャ７０、コンデンサレンズ７３、７５およびミラー７４を介してマスク７７を照明する。光学条件のうち、コヒーレンシはアパーチャ７０の開口部の大きさを変化させることにより調整した。
【００３１】
マスク７７上に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７８が設けられている。マスク７７上に描かれたマスクパタンは、投影レンズ８０を介して試料基板であるウェハ８１上に投影される。なお、マスク７７はマスク位置制御手段９１で制御されたマスクステージ７９上に載置され、その中心と投影レンズ８０の光軸とは正確に位置合わせがなされている。
【００３２】
ウェハ８１は、試料台８２上に真空吸着されている。試料台８２は、投影レンズ８０の光軸方向すなわちＺ方向に移動可能なＺステージ８３上に載置され、さらにＸＹステージ８４，８５上に搭載されている。Ｚステージ８３およびＸＹステージ８４，８５は、主制御系９１からの制御命令に応じてそれぞれの駆動手段８８，８８，９０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８３に固定されたミラー８７の位置として、レーザ測長機８６で正確にモニタされている。また、ウェハ８１の表面位置は、通常の露光装置が有する焦点位置検出手段で計測される。計測結果に応じてＺステージ８３を駆動させることにより、ウェハ８１の表面は常に投影レンズ８０の結像面と一致させることができる。
【００３３】
ウェハ８１上に形成された回路パタンに対してマスク７７上の回路パタンを重ね合わせ露光する場合、ウェハ８１上に形成されたマークパタンの位置をアライメント検出光学系９３を用いて検出し、検出結果からウェハ８１を位置決めして重ね合わせ転写する。主制御系９１はネットワーク装置９６と接続されており、露光装置状態の遠隔監視等が可能である。
【００３４】
図１３は、本実施例で製造した半導体集積回路素子の製造工程途中での断面の一部分を示した断面模式図である。半導体基板６０上に活性領域６１、ゲート電極６３が形成され、ＭＯＳトランジスタを構成している。このＭＯＳトランジスタを第１のコンタクトパタン４１、第１の配線パタン５１、第２のコンタクトパタン４２、第２の配線パタン５２、第３のコンタクトパタン４３、第３の配線パタン５３、第４のコンタクトパタン４４、第４の配線パタン５４、第５のコンタクトパタン４５、第５の配線パタン５５、第６のコンタクトパタン４６、第６の配線パタン５６で相互に接続して論理素子を形成している。
【００３５】
本実施例では第２の配線パタン５２、第３の配線パタン５３、第４の配線パタン５４が最小設計寸法２５０ｎｍのＣｕ配線パタンであり、本パタンの加工において有機物を遮光膜として用いたマスクと上述のマスク検査パタンおよび測定方法を適用した。
【００３６】
図１４は、本実施例で製造した半導体集積回路素子のＣｕ配線パタンの一例を示した断面模式図である。最小設計ルール２５０ｎｍでレイアウトされており、最小配線幅は２５０ｎｍ、最小配線間スペースは２５０ｎｍで設計されている。
【００３７】
以上で述べたように、寸法検査パタンとしてラインパタンとスペースパタンというようにネガポジ反転した２種類のパタンを用いることにより、遮光膜特性の劣化を検出し、パタン転写不良発生を防止し、高歩留りでの固体素子の製造を可能とする。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、マスクの劣化によるパタン転写不良を防止し、高歩留りで固体素子の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例におけるマスクパタン配置例を示した模式図。
【図２】マスクパタンを示した模式図。
【図３】基板上の光強度分布を示した模式図。
【図４】基板上の光強度分布を示した模式図。
【図５】本発明の一実施例によるマスクパタン例を示した模式図。
【図６】本発明の一実施例によるマスクパタン例を示した模式図。
【図７】基板上の光強度分布を示した模式図。
【図８】露光装置の構成を示した模式図。
【図９】本発明の一実施例による工程フロー例を示した図。
【図１０】本発明の一実施例による工程フロー例を示した図。
【図１１】パタン寸法の総露光量値依存性を示した模式図。
【図１２】ラインパタンとスペースパタンの寸法差の総露光量値依存性を示した模式図。
【図１３】実施例において製造した固体素子の製造工程途中での一部分の断面模式図。
【図１４】配線パタン例を示した模式図。
【符号の説明】
１…マスク基板、２…回路パタン部、３…スクライブライン領域、４…開口部、５…遮光膜、６…開口部、７…開口部、８遮光部、９…開口部、４１…第１のコンタクトパタン、４２…第２のコンタクトパタン、４３…第３のコンタクトパタン、４４…第４のコンタクトパタン、４５…第５のコンタクトパタン、４６…第６のコンタクトパタン、５１…第１の配線パタン、５２…第２の配線パタン、５３…第３の配線パタン、５４…第４の配線パタン、５５…第５の配線パタン、５６…第６の配線パタン、６０…半導体基板、６１…活性領域、６２…シリコン酸化膜、６３…ゲート電極、６４…シリコン酸化膜、６５…シリコン窒化膜、７０…アパーチャ、７１…光源、７２…フライアイレンズ、７３、７５…コンデンサレンズ、７４…ミラー、７７…マスク、７６…アパーチャ、７８…ペリクル、７９…マスクステージ、８０…投影レンズ、８１…ウェハ、８２…試料台、８３…Ｚステージ、８４…Ｘステージ、８５…Ｙステージ、８６…レーザ測長機、８７…ミラー、８８，８９，９０…駆動手段、９１…主制御系、９２…マスク位置制御手段、９３…アライメント検出光学系、９４…ミラー、９６…ネットワーク装置。
【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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【図１３】
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【図１４】
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