JP2009038271A - 露光装置及び方法、並びにデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 露光量精度を劣化させることなく、露光量レンジを拡張する。ショット内のパターン線幅精度を向上させる。
【解決手段】 マスクと感光基板とを走査させながら該マスクを介して該感光基板のショット領域を露光する際、該走査の方向におけるショット内の目標露光量分布から複数の目標露光量プロファイルを算出し、該目標露光量プロファイルごとに、該目標露光量プロファイルにしたがって露光量を制御しながら、該マスクを介して該ショット領域を露光する。
【選択図】図９

Description

本発明は、ＩＣやＬＳＩなどの半導体素子、液晶基板、薄膜磁気ヘッド等のデバイスを、フォトリソグラフィ技術を用いて製造するための露光装置及び方法に関する。

従来、ＬＳＩあるいは超ＬＳＩなどの極微細パターンから形成される半導体素子の製造工程において、マスクに描かれた回路パターンを感光剤が塗布された基板上（ウエハ）に縮小露光して焼付け形成する縮小投影露光装置が使用されている。半導体素子の実装密度の向上に伴い、回路パターンのより一層の微細化が要求されるとともに、パターンの仕上がり寸法（パターン線幅）を均一化し得る露光方法や露光装置の対応がなされてきた。

従来の露光装置あるいは露光方法においては、基板上に塗布された感光剤に応じた露光量にて感光剤を露光する。ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置においては、基板面の露光ショット領域（位置）を移動しながら一定露光量で露光を繰り返す。但し、ウエハ面内で各露光ショットにおいて一定露光量にて感光剤を繰り返し露光した場合でも、得られたパタン−ン線幅と設計パターン線幅との間に差異（パターン線幅誤差）が生じる。パターン線幅の均一性を保つため、露光ショットに応じて露光量を補正する様々な露光方法が開示されている。例えば、ショット内の基準位置からの走査距離のｎ次多項式関数にしたがって露光量を制御する方法が特許文献１に開示されている。
特開平０７−０２９８１０号公報

しかしながら、露光ショット内の露光量をショット内の位置関数として表し、１回の走査露光で所望の露光量を実現する方法では、要求される露光量レンジがレーザ出力レンジに比べ大きな場合、レーザの精度が確保できない。そのため、ショット内のパターン線幅精度を確保できない、という問題が生じうる。
本発明は前記の従来技術における問題点に鑑み、ショット内のパターン線幅精度を向上させることを例示的目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の露光装置は、マスクと感光基板とを走査させながら該マスクを介して該感光基板のショット領域を露光する露光装置であって、該走査の方向におけるショット内の目標露光量分布から複数の目標露光量プロファイルを算出し、該目標露光量プロファイルごとに、該目標露光量プロファイルにしたがって露光量を制御しながら、該マスクを介して該ショット領域を露光する、ことを特徴とする。

また、本発明の露光方法は、マスクと感光基板とを走査させながら該マスクを介して該感光基板のショット領域を露光する露光方法であって、該走査の方向におけるショット内の目標露光量分布を計測し、該目標露光量分布から複数の目標露光量プロファイルを算出し、該目標露光量プロファイルごとに、該目標露光量プロファイルにしたがって露光量を制御しながら、該マスクを介して該ショット領域を露光する、ことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、ショット内のパターン線幅精度を向上させることができる。

本発明の好ましい形態では、スリット状光束（スリット状露光光）で感光基板のショット領域を走査露光する際、１回の露光制御をレーザ出力レンジ内に収めることでレーザの精度を確保する。また、複数の目標レーザ出力プロファイル（目標露光量プロファイル）に基づいた多重露光により、最終的な感光基板走査方向のショット内露光量分布形状を調整し、パターン線幅精度を確保すること特徴としている。
より具体的には、スリット状光束でショット領域を走査露光する際、レーザの出力を制御することで走査方向の露光量分布の形状を精密に調整する。露光量分布の形状を調整する際、レーザ出力精度を保証可能なレーザ出力レンジを超過する場合に対し、分割した目標レーザ出力プロファイル群に基づき露光量分布を分割し多重露光を行うことで、これを正確に実現する。

また、感光基板面上に走査方向に沿って動く露光量検出器を具備し、上記目標レーザ出力プロファイルの形状と感光基板上の露光量分布形状の関係を検出する露光量検出手段を用いることにより、レーザ出力を調整する。
また、感光基板面の露光量分布は、基板の所定位置から各露光ショットの位置までの距離の関数として露光量分布を指定する。
本実施形態は、以下の２工程で求めた前記各露光ショットの目標レーザ出力プロファイル群に基づきレーザ出力を制御する、ステップ・アンド・スキャン型の露光方式に係る。第１工程は、各露光ショットの露光領域と目標露光量に応じて各露光ショットの露光量分布を計算する工程である。第２工程は、第１工程で求めた各露光ショットの露光量分布に応じて目標レーザ出力プロファイル群を計算する工程である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
［第１の実施例］
図１は本発明の実施例に係るステップ・アンド・スキャン型露光装置の概略構成を示す。同図において、１０１は例えば、ＡｒＦ等のガスが封入され、レーザ光を発光させるパルスレーザ光源である。この光源は遠紫外領域の波長１９３ｎｍの光を発光する。また、レーザ光源には、共振器を構成するフロントミラー、露光波長を狭帯化するための狭帯化モジュール、波長の安定性やスペクトル幅をモニタするためのモニタモジュール、及びシャッタ等が設けられている。狭帯化モジュールは、回折格子、プリズム等からなる。モニタモジュールは、分光器やディテクタ等からなる。

レーザ光源のガス交換動作、あるいは波長安定化のための制御、放電印加電圧の制御等は、レーザ制御装置１０２により制御される。本実施例では、レーザ制御装置１０２のみによる単独制御は行わず、インタフェースケーブルで接続した露光装置全体の制御を司る主制御装置１０３からの命令で制御できるようにしてある。

パルスレーザ光源１０１より射出したビームは、照明光学系１０４のビーム整形光学系（不図示）を介して所定のビーム形状に整形された後、オプティカルインテグレータレンズ１０５に入射され２次光源を形成する。１０７はマスク（またはレチクル）１１３の照度分布を変える機能を備えたコンデンサレンズである。コンデンサレンズ１０７はオプティカルインテグレータレンズ１０５で形成された２次光源からの光束を、開口幅を変え得る可変スリット１１０に指向し、可変スリット１１０をケーラ照明する。可変スリット１１０は後述する開口幅を変え得る機構である。

照明光学系１０４の開口絞り１０６の開口部はほぼ円形であり、照明系制御装置１０８によってその開口部の直径、ひいては照明光学系の開口数（ＮＡ）を所望の値に設定できるようになっている。この場合、後述する投影レンズ１１４の開口数に対する照明光学系の開口数の比の値がコヒーレンスファクタ（σ値）である。したがって、照明系制御装置１０８は照明系の開口絞り１０６を制御することで、σ値を設定できることになる。

照明光学系１０４の光路上にはハーフミラー１１１が配置され、マスク１１３を照明する露光光の一部がこのハーフミラーにより反射され取り出される。ハーフミラー１１１の反射光の光路上にはフォトセンサ１０９が配置され、前記露光光の強度（露光エネルギー）に対応した出力を発生する。フォトセンサ１０９の出力は、パルスレーザ光源１０１のパルス発光毎に積分を行う積分回路（不図示）によって１パルスあたりの露光エネルギーに変換され、照明系制御装置１０８を介して主制御装置１０３に入力されている。

投影レンズ１１４の瞳面（マスクに対するフーリエ変換面）上には、開口部がほぼ円形である投影レンズの開口絞り（不図示）が配置され、モータ等の駆動手段によって開口部の直径を制御することで、所望の値に設定できる。

マスク１１３には焼き付けを行う半導体素子の回路パターンが形成されており、照明光学系１０４より照射される。２次元方向の可変ブレード１１２は、光軸に直交方向の面に遮光板を配置し、マスク１１３の回路パターン面の照射領域を任意に設定可能にしている。図２にマスク１１３を照明している状態を示す。可変ブレード１１２によって遮光されたスリット状の光束２０３が、斜線で示すマスクの回路パターン２０２の一部を照明する。

図１の投影レンズ１１４によって、フォトレジストが塗布されたウエハ１１５上に回路パターン２０２の一部を縮小倍率β（βは例えば１／４）で縮小投影する。この時、マスク１１３及びウエハ１１５をスリット状光束２０３に対し、投影レンズ１１４の縮小比率βと同じ速度比率で互いに逆方向にスキャン（走査）させながら、パルスレーザ光源１０１のパルス発光による多パルス露光を繰り返す。走査方向は、スリット状光束２０３の短手方向である。これにより、マスク全面の回路パターン２０２をウエハ上の１チップ領域または複数チップ領域に転写する。

ウエハステージ１１６は３次元方向に移動可能であり、投影レンズ１１４の光軸方向（Ｚ方向）及び、この方向に直交する面内（Ｘ−Ｙ面）を移動できる。ウエハステージに固定された移動鏡１１７との間の距離をレーザ干渉計１１８で計測することでウエハステージ１１６のＸ−Ｙ面位置が検出される。主制御装置１０３の制御下にあるステージ制御装置１２０は、レーザ干渉計１１８によりウエハステージ１１６の位置を検出し、モータ等の駆動手段１１９を制御することで、ウエハステージを所定のＸ−Ｙ面位置へ移動させる。

１２１及び１２２はシングルステージ構成におけるフォーカス面検出手段を構成する投光光学系及び検出光学系である。投光光学系１２１はウエハ上のフォトレジストを感光させない非露光光から成る複数個の光束を投光する。これら複数個の光束は、ウエハ１１５上に各々集光されて反射される。ウエハ１１５で反射された光束は、検出光学系１２２に入射される。図示は略したが、検出光学系１２２内には各反射光束に対応させて複数個の位置検出用の受光素子が配置されている。各位置検出用受光素子の受光面とウエハ上での各光束の反射点は結像光学系によりほぼ共役となるように構成されている。投影レンズ１１４の光軸方向におけるウエハ面の位置ずれは、検出光学系１２２内の位置検出用受光素子上の入射光束位置ずれとして計測される。フォーカス面情報は多重露光過程において再計測されることなく同一のフォーカス面情報が使用される。

図示は略したが、ツインステージ構成の場合、フォーカス面検出手段は投影レンズ１１４とは異なる計測用ステーションに構成される。計測用ステーションで計測されたフォーカス面情報は、シングルステージ構成の場合と同様に多重露光過程において再計測されることなく同一のフォーカス面情報が使用される。

本実施例ではマスクとウエハを所定の関係となるように位置決めした後、マスク全面の回路パターンをウエハのチップ領域へ転写するスキャン露光を行う。スキャン露光の制御は、主制御装置１０３からの同期信号に基づいてレーザ制御装置１０２、ウエハステージ制御装置１２０、及びマスクステージ制御装置１２６が行う。その後、ウエハをウエハステージ１１６により所定量Ｘ−Ｙ平面内に駆動（ステップ）させ、ウエハの他の領域を順次同じように投影露光する、所謂ステップ・アンド・スキャン方式を採用している。

図３（ａ）はウエハ１１５内の複数のチップ領域を、破線の矢印で示す順番にステップ・アンド・スキャン方式に繰り返しながら走査露光してゆく様子を示している。３０２はある時点での露光ショット（スキャンによりマスク回路パターンを露光する範囲）、３０３はスリット状光束であり、走査露光する方向をＹ、走査方向と直交する方向（非走査方向）をＸで示している。図３（ｂ）に露光ショットを拡大したものを示す。スリット状光束３０３は、図２のマスク回路パターンの一部を照射するスリット状光束２０３が、投影レンズを通過して結像する露光光である。スリット状光束３０３のＸ方向（非走査方向）の光強度分布を制御することによって、露光ショット３０２のＸ方向（非走査方向）の露光量分布を調整する。また、露光ショット３０２におけるＹ方向（走査方向）の位置に応じてレーザ出力を制御することより、露光ショット３０２のＹ方向（走査方向）の露光量分布を調整する。

次に、図１の露光装置における露光量の調整方法について説明する。マスクに描画された回路パターンをウエハのチップ領域へ走査露光（転写）する際、回路パターンの仕上がり寸法を決める重要な条件の１つが露光量である。
本実施例の露光量の調整方法は、図３（ｂ）に３０４で示す走査方向の露光量分布に関する調整方法である。要求される露光量分布とレーザ出力レンジに基づき複数個の目標レーザ出力プロファイルからなる目標レーザ出力プロファイル群を生成し、複数回の露光により所望の露光量分布を達成することを特徴としている。

本実施例の露光量の調整方法の詳細な手順について図４〜図８を参照しながら説明する。図４は可変スリット１１０によるスリット内露光量分布を示す図、図５は露光量分布算出フローチャート、図６は目標レーザ出力プロファイル群算出フローチャート、図７は走査多重露光フローチャートである。また、図８（ａ）は目標レーザ出力プロファイル、図８（ｂ）は目標レーザ出力プロファイル群を示す図である。

最初に、露光量分布から目標レーザ出力プロファイルを算出する方法を述べる。感光基板内の各露光ショットの基準位置からの距離の関数として各露光ショットにおける目標露光量分布が与えられる（ステップ５０２）。レーザの発振周波数、ウエハステージ１１６の走査速度、スリット内露光量分布４０１より、１回の走査で露光を行うための目標レーザ出力プロファイル８０４を生成する（ステップ６０２）。目標レーザ出力プロファイル８０４は各露光ショットの基準位置からの距離の関数として、所定距離毎の離散的なレーザ出力で与えられる。レーザ出力調整による露光量制御方法は、特開平０７−０２９８１０号公報（特許文献１）に開示されている。

次に、目標レーザ出力プロファイルから目標レーザ出力プロファイル群へと変換する方法を述べる。目標レーザ出力プロファイル８０４において要求されるレーザ出力レンジ（目標レーザ出力プロファイルレンジ８０１）がレーザの達成しうるレンジ（レーザ出力レンジ８０２）内にあるかを判定する（ステップ６０３）。目標レーザ出力プロファイルレンジ８０１がレーザ出力レンジ８０２内にある場合は、目標レーザ出力プロファイル８０４に基づきレーザ出力を制御し露光を行う。目標レーザ出力プロファイルレンジ８０１がレーザ出力レンジ８０２内にない場合は、目標レーザ出力プロファイル群８０７（８０７ａ、８０７ｂ）を生成するステップへと進む（ステップ６０４、６０５）。

目標レーザ出力プロファイル群８０７を生成するステップでは、多重露光する際の露光の回数（多重露光回数）と、基準となる各露光での基準露光量を計算する。多重露光回数は目標レーザ出力プロファイルレンジ８０１とレーザ出力レンジ８０２の比率により決定される（ステップ６０４）。ここでは、先ず、目標レーザ出力プロファイル８０４中の最大レーザ出力８０５ａを最大値とするレーザ出力レンジ８０２を第１基準とする。そして、第１基準でのレーザ出力レンジ８０２に収まらなかったプロファイル８０４中の最大レーザ出力８０５ｂを次の第２基準でのレーザ出力レンジの最大値として選択する。この過程を次の（式１）を満たすまで繰り返す。
各基準でのレーザ出力レンジ×多重露光回数≧目標レーザ出力プロファイルレンジ……（式１）
この場合、選択された基準の数だけ露光を繰り返す（多重露光を行う）必要がある。

上述において、目標レーザ出力プロファイル群８０７を生成するステップでは、最大レーザ出力８０５ａの側から計算したが、最小レーザ出力側から計算を始めてもかまわない。
また、多重露光回数は（式１）を満たす回数ならば任意で良い。但し、１走査あたりの目標レーザ出力プロファイルレンジはレーザ出力レンジより小さくする必要がある。本実施例では、目標レーザ出力プロファイル８０７ａと８０７ｂでの２回の多重走査露光で露光量を満足できるとする。

次に、各基準に対する目標レーザ出力プロファイルを決定する。目標レーザ出力プロファイル８０４の、各基準に対しレーザ出力レンジ外にある部分８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃの目標レーザ出力をゼロ出力としたプロファイルを各基準に対する目標レーザ出力プロファイル８０７ａ、８０７ｂとする。各基準に対する目標レーザ出力プロファイル８０７ａ、８０７ｂ中において、基準に対しレーザ出力レンジ外に存在するプロファイルは目標値ゼロとして取り扱われる。

生成された目標レーザ出力プロファイル群８０７に基づき多重露光を行う方法について述べる。前述したようにフォーカス位置情報は多重露光の先頭において計測、保存され、ウエハステージ１１６はウエハステージ制御装置１２０により適切に制御される。目標レーザ出力プロファイル群８０７のうち、目標レーザ出力プロファイル８０７ａに沿って露光を行う。目標レーザ出力プロファイル８０７ａのうち、ゼロ出力の部分８０８ａはレーザ印加電圧ゼロとして空発振を行う。次に、目標レーザ出力プロファイル群８０７のうち、他方の目標レーザ出力プロファイル８０７ｂに沿って露光を行う。目標レーザ出力プロファイル８０７ｂのうち、ゼロ出力の部分８０８ｂ、８０８ｃはレーザ印加電圧ゼロとして空発振を行う。この処理を規定の多重露光回数を満たすまで繰り返し行い、所望の露光量分布を達成する（ステップ７０２、７０３）。
なお、レーザ出力レンジの切換えは、例えば開口絞り１０６を制御して行う。但し、レーザの発振周波数、ウエハステージ１１６の走査速度、スリット内露光量分布４０１などを制御して行っても良い。

目標レーザ出力プロファイル群のうち、目標レーザ出力プロファイル８０７ａ、８０７ｂの露光順番については任意である。このとき、各目標レーザ出力プロファイルに基づき感光基板に露光される露光量分布はレーザ出力にスリット内露光量分布４０１を重み付けしたもの（９０１ａ、９０１ｂ）となる。最終的に感光基板（ウエハ）に露光される露光量分布９０２は各目標レーザ出力プロファイルに基づき感光基板に露光されたレーザ出力を積算した値となる。

図１を参照して、ウエハ１１５上の露光量分布を計測する検出計は、ウエハステージ１１６に置いた露光量検出器１２７を用いる。露光量検出器１２７はウエハステージ１１６を移動させることにより、スリット状光束が照射される全域を計測することができる。本実施例の露光量検出器はフォトセンサセルを走査方向Ｙに均等配置したライン型センサあるいはピンホール型センサである。
各ショットにおいて前述した手法により生成された目標レーザ出力プロファイル群に基づき感光基板に露光を行う。この時、１ショット内を規定の多重露光回数分繰り返し露光してから異なるショットを多重露光するか、ウエハ面内を１ショット１回ずつ露光することを規定の多重露光回数分繰り返すことで多重露光を実現するかは任意である。
本実施例により、ウエハ面内の各露光ショットにおいて多重露光を行うことにより、露光量精度を劣化させることなく、露光量レンジを拡張できる。

［デバイス製造方法の実施例］
次に、図１０および図１１を参照して、上述の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図１０は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造方法を例に説明する。
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に基づいてマスク（原版またはレチクルともいう）を製作する。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（基板ともいう）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、マスクとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組立）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）等の組立工程を含む。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、それが出荷（ステップ７）される。

図１１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、ウエハの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によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）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、ウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、上述した露光装置を用い、マスクの回路パターンを介しウエハを露光する。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分を削り取る。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ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

本発明の第１の実施例に係る露光装置の概略構成を示す図である。 図１におけるマスク部分の説明図である。 図１の装置においてウエハを走査露光する様子を示す図である。 図１の装置における可変スリットによる露光プロファイルの変化を示す図である。 図１の装置における露光量分布算出のフローチャートである。 図１の装置における目標レーザ出力プロファイル群算出のフローチャートである。 図１の装置における走査多重露光のフローチャートである。 図１の装置において算出される目標レーザ出力プロファイルと目標レーザ出力プロファイル群を示す図である。 図８の目標レーザ出力プロファイル群の各目標レーザ出力プロファイルに基づき感光基板に露光される露光量分布と最終的に感光基板に露光される露光量分布を示す図である。 露光装置を使用したデバイスの製造を説明するためのフローチャートである。 図１０に示すフローチャートにおけるステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

１０１…パルスレーザ光源
１０２…レーザ制御装置
１０３…露光装置の主制御装置
１０４…照明光学系
１０５…インテグレータレンズ
１０６…照明系開口絞り
１０７…コンデンサレンズ
１０８…照明系制御装置
１０９…フォトセンサ
１１０…可変スリット
１１１…ハーフミラー
１１２…可変ブレード
１１３…マスク（レチクル）
１１４…投影レンズ
１１５…ウエハ
１１６…ウエハステージ
１１７…移動鏡
１１８…レーザ干渉計
１１９…ウエハステージ制御手段
１２０…ウエハステージ制御装置
１２１、１２２…フォーカス面検出手段
１２３…マスクステージ
１２４…移動鏡
１２５…レーザ干渉計
１２６…マスクステージ制御装置
１２７…露光量検出器
２０２…回路パターン
２０３…スリット状光束

Claims (7)

1. マスクと感光基板とを走査させながら該マスクを介して該感光基板のショット領域を露光する露光装置であって、
   該走査の方向におけるショット内の目標露光量分布から複数の目標露光量プロファイルを算出し、
   該目標露光量プロファイルごとに、該目標露光量プロファイルにしたがって露光量を制御しながら、該マスクを介して該ショット領域を露光する、
   ことを特徴とする露光装置。
2. 該目標露光量分布を複数のレンジに分割することにより、該複数の目標露光量プロファイルを算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 該レンジは、パルスレーザ光源の光量レンジに基づいて決定する、ことを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
4. マスクと感光基板とを走査させながら該マスクを介して該感光基板のショット領域を露光する露光方法であって、
   該走査の方向におけるショット内の目標露光量分布を計測し、
   該目標露光量分布から複数の目標露光量プロファイルを算出し、
   該目標露光量プロファイルごとに、該目標露光量プロファイルにしたがって露光量を制御しながら、該マスクを介して該ショット領域を露光する、
   ことを特徴とする露光方法。
5. 該目標露光量分布を複数のレンジに分割することにより、該複数の目標露光量プロファイルを算出する、ことを特徴とする請求項４に記載の露光方法。
6. 該レンジは、パルスレーザ光源の光量レンジに基づいて決定する、ことを特徴とする請求項５に記載の露光方法。
7. 請求項１乃至３のいずれかに記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
   前記ステップにおいて露光された基板を現像するステップと、
   を有することを特徴とするデバイス製造方法。

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