JP2007305972A - 露光条件設定方法及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトマスクのパターンや光源等のパラメータの最適設定により、露光精度の向上をはかる。
【解決手段】有効光源から発した光を露光用マスクに形成されたマスクパターンに照射し、マスクから発した回折光を投影レンズを介して基板上に投影露光する際に、露光条件を最適設定するための露光条件設定方法であって、光学像又はレジストパターンの特性を代表し、マスクパターン寸法誤差の像特性への影響を表す因子を含ませた像評価量を定義する第１のステップＳ１と、有効光源及びマスクパターンの初期条件を定める第２のステップＳ２と、有効光源のパラメータ及びマスクパターンのパラメータの少なくとも一つを定義する第３のステップＳ３と、パラメータの少なくとも一つを変化させて像評価量を計算し、該計算結果に基づいて最適なパラメータを決定する第４のステップＳ４を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光リソグラフィ技術に係わり、特にマスクパターンや光源のパラメータを最適化するための露光条件の設定方法、及びこれを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。

近年、照明条件とマスク寸法条件の両方を同時に最適化することにより、微細パターンを高い寸法精度で形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、液浸露光技術を用いた微細なパターンの形成技術が開発されている。この液浸技術を用いれば、投影レンズのＮＡを１以上にできることから、例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光を露光光とする露光装置を用いてハーフピッチが５０ｎｍ以下の周期パターンを形成することが可能である（例えば、特許文献２参照）。

ところが、パターンが微細化するに伴いマスク寸法誤差、特に１枚のマスク内の寸法ばらつきの影響が大きくなる傾向にある。マスク寸法誤差当たりの基板上のレジスト寸法のばらつき、つまり一般にはマスク誤差感度因子（ＭＥＦ）と呼ばれる値が大きくなると、半導体１チップ内の寸法ばらつきが増大してしまう。そして、この誤差は露光量の調節では低減できないため、半導体デバイスの歩留まりの低下を招くことになる（例えば、特許文献３参照）。
特開２００４−３１２０２７号公報 特開平１０−３０３１１４号公報 特開２０００−８１６９７号公報

このように、パターンの微細化に伴い、１枚のマスク内の寸法ばらつきの影響が大きくなる傾向にあり、この誤差は露光量の調節では低減できないために、半導体デバイスの歩留まり低下を避けられない。これを防止するにはマスクの寸法精度を十分に高くすればよいが、マスク製造過程の寸法精度向上にも限度がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、フォトマスクのパターンや光源等のパラメータの最適設定により、照明とマスクパターンを調節してマスク寸法誤差の影響が出にくい露光条件で露光することができ、これによって露光精度の向上に寄与し得る露光条件設定方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上記の方法により設定されたマスクパターン及び照明を用いて露光を行うことにより、半導体デバイスの製造歩留まり向上をはかり得る半導体デバイスの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち、本発明の一態様は、有効光源から発した光を露光用マスクに形成されたマスクパターンに照射し、マスクから発した回折光を投影レンズを介して基板上に投影露光する際に、露光条件を最適設定するための露光条件設定方法であって、前記基板上に形成しようとする光学像又はレジストパターンの特性を代表する像評価量であって、マスクパターン寸法誤差の像特性への影響を表す因子を含ませた像評価量を定義する第１のステップと、前記有効光源の初期条件と前記マスクパターンの初期条件を定める第２のステップと、前記有効光源の形状特徴を表現するパラメータ及び前記マスクパターンの形状特徴を表現するパラメータの少なくとも一つを定義する第３のステップと、前記パラメータの少なくとも一つを変化させて前記像評価量を計算し、該計算結果に基づいて最適なパラメータを決定する第４のステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明の別の態様は、半導体デバイスの製造方法であって、上記の露光条件設定方法によって設定されたマスクパターン及び照明を用いて露光を行う工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、マスクパターンにおける光の回折を数値計算に基づいて求める際に、基板上に形成しようとする光学像又はレジストパターンの特性を代表する像評価量に、マスクパターン寸法誤差の像特性への影響を表す因子を含ませることにより、フォトマスクのパターンや光源等のパラメータを最適に設定することができる。このため、照明とマスクパターンを調節してマスク寸法誤差の影響が出にくい露光条件で露光することができ、露光精度の向上をはかることが可能となる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる露光条件設定方法を説明するためのフローチャートである。

本実施形態では、露光条件として、マスクパターン及び照明の各パラメータを最適に設定する。なお、以下では、フォトマスクにＡｒＦエキシマレーザ等の光源からの光を照射し、フォトマスクのパターンを投影レンズによりウェハ等の基板上に転写する一般的な光露光方法に適用した例で説明するが、液浸露光法にも同様に適用することができる。

まず、第１のステップＳ１として、形成したい像形状（光学像）の特性を代表する像特性評価量及び光学像が満足すべき制限条件を設定する。

最適化の指標である像特性評価量として必要な露光量余裕度ＥＬと、マスクの寸法ばらつき範囲±ΔＣＤ、最小マスク寸法ＣＤ_limit ，像寸法誤差の許容誤差（レンジの１／２）のハーフピッチに対する比率ｃｄ_tol を定義する。例えば、ＥＬ＝３％、ΔＣＤ＝０．７５ｎｍ（基板上スケール）、最小マスク寸法＝２５ｎｍ（基板上スケール）、ｃｄ_tol ＝１０％とする。必要な露光量余裕度ＥＬは１枚のマスクのパターン領域内の露光量誤差の許容範囲を表し、数値が大きいほど露光量誤差の規格を緩くできる。

ここで、マスクの寸法ばらつき範囲の１／２であるΔＣＤは、使用するマスクの性能や寸法誤差を意味し、定数である。より具体的には、１枚のマスクのパターン領域内に同じ寸法のパターンを複数配置しようとした場合の製造誤差によるマスク寸法ばらつきを表し、この数値が小さいほど優れたマスク、或いは優れたマスク製造プロセスであるといえる。最小マスク寸法ＣＤ_limit はマスク製造プロセスで寸法保証できる最小のライン若しくはスペースの寸法を表す制限条件である。最小マスク寸法ＣＤ_limit は、ライン（遮光）パターンとスペース（透過）パターンとで異なる値としてもよい。ｃｄ_tol は、でき上がった寸法の許容範囲で、定数である。より具体的には、像寸法若しくはレジスト寸法に要求される寸法精度を表し、例えばハーフピッチ４５ｎｍに対してｃｄ_tol ＝１０％とした場合、レジスト寸法誤差許容は４５ｎｍ±１０％、即ち（４５±４．５）ｎｍを意味する。

第２のステップＳ２（Ｓ２−１，Ｓ２−２）として、形成したいマスクパターン（即ち、マスクパターンの初期条件）と、露光装置の照明の形状（即ち、照明初期条件）を定義する。即ち、Ｓ２−１でマスクパターンの初期条件を定義し、Ｓ２−２で照明初期条件を定義する。

第３のステップＳ３として、形成したいマスクパターンの形状特徴を表すパラメータ（以下、マスクパラメータ）を一つないし複数定義し、更に露光装置の照明形状の形状特徴を表すパラメータ（以下、照明パラメータ）を一つないし複数定義する。

マスクパターンのパラメータは、例えば図２に示すような１次元のラインアンドスペースパターンの場合は、遮光体幅を表すマスク寸法のピッチに対する比率（デューティ比＝遮光領域幅／ピッチ）と、遮光体の厚さ、屈折率及び消衰係数のいずれか一つないし複数を使用する。なお、図２（ａ）は平面図で、図２（ｂ）は断面図であり、図中の２１は透明基板、２２は遮光体を示している。

このような微細パターン形成の場合、波長に対してマスクパターンのピッチが小さくなることから、従来使われていた薄膜マスク近似モデルでは、マスクにおける光の回折の予測が正確にできず、マックスウェル方程式に基づく数値計算により光の回折を計算し、その結果に基づいて基板上での干渉像形成を予測する必要がある。数値計算の方法としては、例えば厳密結合波解析法（Rigorous Coupled Wave Analysis：ＲＣＷＡ）や有限差分時間領域法（Finite Difference Time Domain：ＦＤＴＤ）を用いればよい。

また、別の例として、例えば図３に示すような２次元に配置されたホールパターンについては、縦方向のデューティ比（＝遮光幅ｘ１／ピッチｘ２）、横方向のデューティ比（＝遮光幅ｙ１／ピッチｙ２）、遮光体の屈折率及び消衰係数のいずれか一つないし複数を使用する。

照明形状のパラメータは、例えば二重極照明を用いることにすると、図４に示すように、照明σ座標系における極の中心位置及び極の半径の２パラメータのいずれか、若しくは両方が定義される。別の例として四重極照明を用いることにすると、図５に示すように、照明σ座標系におけるｘ軸方向の極の中心位置及び半径、ｙ軸方向の極の中心位置及び半径の４パラメータのうちいずれか、若しくはその中の複数が定義される。なお、図４及び図５において、照明形状は１８０度回転対称であるとしている。

ここで、Ｓ３でマスクパラメータ及び照明パラメータの定義を行う代わりに、Ｓ２−１において、マスクパターンの初期条件の定義と共にマスクパラメータの定義を行うようにし、Ｓ２−２において、照明初期条件の定義と共に照明パラメータの定義を行うようにしても良い。また、Ｓ３では一つないし複数のマスクパラメータ、一つないし複数の照明パラメータを定義したが、マスクパラメータのみの定義、或いは照明パラメータのみの定義の何れか一方だけでもよい。即ち、マスクパラメータと照明パラメータの一方のみの最適設定で十分な精度が得られる場合は、マスクパラメータと照明パラメータの定義は一方のみ行えばよい。

第４のステップＳ４として、Ｓ２−１で定義したマスクパラメータの初期値と、Ｓ２−２で定義した照明パラメータの初期値を定め、そのパラメータで表される露光条件の像を計算し、像特性評価量、即ち像のＥＬを計算する。ＥＬは、例えば次式に従って近似的に算出できる。

ＥＬ＝ ＮＩＬＳ×ｃｄ_tol −ａ× DoseＭＥＦ×ΔＣＤ …（１）
ここで、ＮＩＬＳは規格化像ログスロープ（Normalized image log slope）と呼ばれる量であり、パターンエッジ位置における像強度の対数傾きに、パターン幅をかけた量で定義される。一般に、ＮＩＬＳが大きいほど像のコントラストが高い。また、ａは正の定数であり、好ましくは２であり、３，４であっても構わない。さらに、ΔＣＤは、基板上スケールで表されている。

DoseＭＥＦ（露光量・マスク誤差感度因子）はマスク寸法の単位変化当たりの適正露光量変化量を表し、次式で定義される。Ｅは注目条件での適正露光量、ΔＣＤ_maskは微小なマスク寸法誤差（基板上スケール）、ΔＥは、マスク誤差ΔＣＤ_maskに対する適正露光量変化量である。

DoseＭＥＦ＝｛（ΔＥ／Ｅ）／ΔＣＤ_mask｝×１００ …（２）
式（１）の右辺の第１項はマスク誤差が無い場合のＥＬの近似的な値であり、右辺の第２項はマスク寸法誤差に起因するＥＬ縮小の近似的な値である。本実施形態では、右辺の第２項のマスクパターン寸法誤差の像特性への影響を表す因子を含ませたことを特徴としている。

第５のステップＳ５として、マスクパラメータと照明パラメータを変化させて基板上の像を計算すると共に式（１）に従ってＥＬを計算する。さらに、既知の最適化手法に従ってＥＬが最大、若しくは所定値以上になるようなマスクパラメータと照明パラメータの最適条件を算出する。最適化手法は例えば、総当り法、シミュレーテッドアニーリング法、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）などが使用できる。ここで、Ｓ１で定義された最小マスク寸法ＣＤ_limit の条件が維持される範囲内で解を求める。

このように本実施形態によれば、基板上に形成しようとする光学像又はレジストパターンの特性を代表する像評価量ＥＬに、マスク寸法誤差に起因するＥＬ縮小の近似的な値（式（１）の右辺第２項）を含ませることにより、規格内のマスク寸法誤差が存在しても必要な露光量余裕度が得られるマスクパターンと照明の最適な組み合わせ条件を得ることができる。このため、パターン露光精度の向上をはかることができ、半導体デバイスの製造歩留まりの向上に寄与することができる。

なお、本実施形態では光学像が満足すべき制限条件として最小マスク寸法ＣＤ_limit を定義したが、このような制限条件無しでも各パラメータの最適設定は可能である。この場合のフローチャートは、図６のようになる。即ち、第１のステップＳ１’で制限条件の設定が不要となり、第５のステップＳ５’で制限条件を満たす範囲という条件が不要となる。従ってこの場合は、図１の場合よりも計算処理が簡略化される。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態として、第１の実施形態に更に別の制限条件を設定した例を説明する。

図７（ａ）は、５本の密集ラインパターンと、その左右に非転写パターン（一般にはＳＲＡＦとも呼ばれる）を配置した例である。図中の７１は遮光体、７２は転写パターン、７３は非転写パターンを示している。非転写パターン７３は周期性を維持することによって周期端パターンの焦点深度を向上させる機能があり、さらにそれ自身は転写されないことが必要である。

図７（ｂ）は、図７（ａ）のパターンを露光した際の基板上での光強度を示している。転写パターン部分の光強度は弱く、非転写パターン部分の光強度はそれよりも大きい。従って、しきい値光強度の選択により、転写パターンのみ解像し、非転写パターンを解像させなくすることができる。

このようなパターンに対して、第１の実施形態に記載された最適化手法を適用する場合において、評価量を５本バーの中央のラインのＥＬとし、制限条件として最小マスク寸法＝１００ｎｍ（マスクスケール）に加えて、５本バーの中央のラインの像寸法が所望値になる露光量条件でのＳＲＡＦの像寸法が０であることとする。

このような条件の下で第１の実施形態のＳ１〜Ｓ４の手順に従って最適マスク・照明条件を求める。

即ち、第１のステップＳ１として、形成したい像形状（光学像）の特性を代表する像特性評価量及び制限条件を設定する。

次に、第２のステップＳ２として、マスクパターンの初期条件と照明初期条件を定義する。さらに、第３のステップＳ３として、マスクパラメータを一つないし複数定義し、更に照明パラメータを一つないし複数定義する。

次に、第４のステップＳ４として、Ｓ２で定義したマスクパラメータの初期値と照明パラメータの初期値を定め、そのパラメータで表される露光条件の像を計算し、像特性評価量ＥＬを前記（１）式に従って計算する。

次に、第５のステップＳ５として、既知の最適化手法に従ってＥＬが最大、若しくは所定値以上になるようなマスクパラメータと照明パラメータの最適条件を算出する。そして、Ｓ１で定義された最小マスク寸法ＣＤ_limit の条件が維持される範囲内で、且つ非転写パターンが解像されない範囲内で解を求める。

このように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、非転写パターンの解像を抑制した条件で、必要な露光量余裕度が得られるマスクパターンと照明の最適な組み合わせ条件を得ることができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、光学像の代わりにレジストパターンの特性を代表する像特性評価量を基に各パラメータを最適設定する方法である。

光学像でなくレジストパターン寸法を使った最適化では、ＥＬは例えば次式に従って近似的に算出できる。

ＥＬ＝ＥＬ_max −ａ×DoseＭＥＦ×ΔＣＤ …（３）
ここで、ａは正の定数であり、好ましくは２であり、３，４であっても構わない。ＥＬ_max はマスク誤差がない場合の露光量余裕度であり、例えばベストフォーカス条件におけるレジスト寸法が所望値、所望値＋ｃｄ_tol（％）、所望値−ｃｄ_tol（％）になる露光量をそれぞれＥ０，Ｅ１，Ｅ２（ｍＪ／ｃｍ² ）とすると、次式で表される。

（｜Ｅ２−Ｅ１｜／Ｅ０）×１００［％］
DoseＭＥＦ（露光量・マスク誤差感度因子）はマスク寸法の単位変化当たりの適正露光量変化量を表し、定義は光学像における定義式（２）と共通である。さらに、ΔＣＤは、基板上スケールで表されている。

本実施形態のように、レジストパターン寸法を使った評価では、光学像による最適化に比べれば多少時間がかかるものの、光学的な効果に加えて基板のベーク及び現像の効果も含めて、最適な露光条件を求めることができる。従って、第１の実施形態以上に高い精度でパターン形成を行うことができる。

（第４の実施形態）
本実施形態は、露光装置の光源としてレーザに代わりＥＵＶ光を用いた場合の露光条件設定方法である。

第１〜第３の実施形態では、露光装置の光源として、ＡｒＦエキシマレーザを用いているが、波長が１５７ｎｍのフッ素（Ｆ２）エキシマレーザ、や波長が２４８ｎｍのクリプトンフロライド（ＫｒＦ）エキシマレーザ等でもよいことは勿論である。さらに、これらの液浸露光装置にも適用可能である。

また、光源としてエキシマレーザに限らず、波長が３６５ｎｍの紫外線（ｉ線）、波長が１０〜２０ｎｍの極端紫外光（ＥＵＶ）、を用いてもよいことは勿論である。

波長が１０〜２０ｎｍのＥＵＶ光を用いて露光を行う場合、ＥＵＶ光に対して透明な固体の材料がないため、マスクやレンズ等は反射型となる。

図８は、反射型露光装置で使用されるマスクの例であり、パターンの原盤が吸収体と反射面によって形成されている。なお、図中の図中８１は透明基板，８２はＭｏ／Ｓｉの多層反射膜、８３はＣｒやＴａＮ等からなる吸収体を示している。

図９は、反射光学系からなる投影光学系を持つ露光装置の例である。光路は真空であり、照明光学系からのＥＵＶ光がマスク９１に照射され、マスク９１で反射されたＥＵＶ光が投影光学系９２の反射型のレンズ、ミラーを介して基板９３上に投影されるようになっている。

このようなＥＵＶ露光にあっても、第１の実施形態と同様に、像特性評価量及び制限条件の設定（Ｓ１）、マスクパターンの初期条件と照明初期条件の定義（Ｓ２）、マスクパラメータ及び照明パラメータの定義（Ｓ３）、像特性評価量ＥＬの計算（Ｓ４）、マスクパラメータと照明パラメータの最適条件の算出（Ｓ５）を順に行うことにより、第１の実施形態と同様に、規格内のマスク寸法誤差が存在しても必要な露光量余裕度が得られるマスクパターンと照明の最適な組み合わせ条件を得ることができる。このため、パターン露光精度の向上をはかることができ、半導体デバイスの製造歩留まりの向上に寄与することができる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、マスクパターンのパラメータは、マスク寸法のピッチに対する比率（デューティ比＝遮光領域幅／ピッチ）、遮光体の厚さ、屈折率及び消衰係数などに限るものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。同様に照明形状のパラメータも、二重極照明の２パラメータ或いは四重極照明の４パラメータなどに限るものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。さらに、マスクパラメータ及び照明パラメータは必ずしも両方を定義する必要はなく、一方のみを定義するようにしても良い。

また、実施形態では、露光条件の設定方法について説明したが、本発明はこのような設定方法を記録媒体に記憶させたプログラムに適用することも可能である。例えば、入力された像評価量、制限条件、マスクパターン初期値、照明条件初期値、有効光源の形状特徴を表現するパラメータ若しくはマスクパターンの形状特徴を表現するパラメータの情報を基に、第１〜第４の実施形態ののうちの何れかを実行してマスクパターンと照明を設計し、その結果を出力するようなプログラムを作成しても良い。これにより、短時間で最適なマスクパターンと照明を求めることができる。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態に係わる露光条件設定方法を説明するためのフローチャート。 第１の実施形態に用いたマスクパターン（ライン＆スペース）の例を示す図。 第１の実施形態に用いたマスクパターン（格子パターン）の例を示す図。 第１の実施形態に用いた照明形状（二重極照明）の例を示す図。 第１の実施形態に用いた照明形状（四重極照明）の例を示す図。 第１の実施形態の変形例に係わる露光条件設定方法を説明するためのフローチャート。 第２の実施形態を説明するためのもので、マスクパターンと光強度との関係を示す図。 第４の実施形態を説明するためのもので、反射型マスクの例を示す図。 第４の実施形態を説明するためのもので、反射光学系からなる投影光学系を持つ露光装置の例を示す図。

符号の説明

２１…透明基板
２２…遮光体
７１…遮光体
７２…転写パターン
７３…非転写パターン
８１…透明基板
８２…多層反射膜
８３…遮光体
９１…マスク
９２…投影光学系
９３…基板

Claims (5)

1. 有効光源から発した光を露光用マスクに形成されたマスクパターンに照射し、マスクから発した回折光を投影レンズを介して基板上に投影露光する際に、露光条件を最適設定するための露光条件設定方法であって、
   前記基板上に形成しようとする光学像又はレジストパターンの特性を代表する像評価量であって、マスクパターン寸法誤差の像特性への影響を表す因子を含ませた像評価量を定義する第１のステップと、
   前記有効光源の初期条件と前記マスクパターンの初期条件を定める第２のステップと、
   前記有効光源の形状特徴を表現するパラメータ及び前記マスクパターンの形状特徴を表現するパラメータの少なくとも一つを定義する第３のステップと、
   前記パラメータの少なくとも一つを変化させて前記像評価量を計算し、該計算結果に基づいて最適なパラメータを決定する第４のステップと、
   を含むことを特徴とする露光条件設定方法。
2. 前記マスクパターン寸法誤差の像特性への影響を表す因子Ｍは、マスクパターンの寸法ばらつきを表すマスク寸法誤差の基板上における値ΔＣＤ_ｍａｓｋ当たりの適正露光量の変化率がΔＥである場合に、
   Ｍ＝ΔＥ／ΔＣＤ_ｍａｓｋ
   にて決定される数値であることを特徴とする請求項１記載の露光条件設定方法。
3. 前記像評価量ＥＬは、像寸法の許容誤差（レンジの１／２）のハーフピッチに対する比率をｃｄ_tol 、規格化像ログスロープをＮＩＬＳ、前記マスク上の前記マスクパターンの寸法ばらつき範囲の基板上における値を±ΔＣＤとして用いて、
   ＥＬ＝ＮＩＬＳ×ｃｄ_tol −ａ×Ｍ×ΔＣＤ
   （ａは正の定数）
   で表されることを特徴とする請求項２記載の露光条件設定方法。
4. 前記第１のステップにおいて、前記像評価量を定義すると共に、光学像又はレジストパターンが満足すべき制限条件を設定することを特徴とする請求項１記載の露光条件設定方法。
5. 請求項１〜４の何れかの方法によって設定されたマスクパターン及び照明を用いて露光を行う工程を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。

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