JP4497569B2 - 投影光学系のコマ収差の評価方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投影光学系のコマ収差の評価方法に関するもので、特にパターンを光学的に転写する半導体製造用の露光装置において、第１物体であるレチクルやマスク等の原版面上に形成されているIC、LSI 、VLSI等の微細な電子回路パターンを、第２物体であるウエハー上に転写する時に使用する露光装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造用の投影露光装置では、集積回路の高密度化に伴いレチクルやマスク面上の回路パターンをウエハー面上に高い解像力で投影露光することを要求されている。回路パターンの投影解像力を向上させる方法としては、例えば露光光の波長を固定して投影光学系のNAを大きくする方法や、露光光をより短波長化する、例えばg 線からi 線、i 線からエキシマレーザー発振波長、更にはエキシマレーザー発振波長から更に短いEUV を用いる方法が追及されている。
【０００３】
なお、本明細書では、以降、レチクル及びマスクは同義とし、レチクルと統一して説明を行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
最近ではウエハー面上に高い解像力で投影露光する際、レチクルのパターンをウエハー上に投影する投影光学系の収差の量をより少なくすることが要求されるようになってきた。特に問題となる収差の一つがコマ収差で、高NA化においては、設計、製造両方の面からコマ収差の残存量をより少なくする必要がある。
【０００５】
しかしながら、上記要求を達成する過程で、投影光学系と照明系においては、１）光学系の枚構成数が多くなることによる複雑化、大型化
２）製造誤差を少なくする為の製造の長期化
３）上記１、２による高コスト化
という問題が発生している。
【０００６】
また、露光装置の製造時においては、微小なコマ収差をも確実に評価する方法が望まれている。本発明は上記の問題点を顧みてなされたもので、露光装置において投影光学系に残存するコマ収差の評価方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の投影光学系のコマ収差の評価方法は、
投影光学系のコマ収差の評価方法において、
透過型のバイナリレチクルを用意するステップと、
中心波長λの光束を用いて、σが０．５より小さい照明条件で前記バイナリレチクルを照明するステップと、
前記投影光学系で前記バイナリレチクルのパターンの像を投影するステップと、
前記像の光量分布のエッジ部の外側のサイドローブによるサブピークの非対称性に基づいて、前記投影光学系のコマ収差の評価を行うステップと、を有し、
前記パターンの高さが、
（２Ｎ−１）・λ／２（Ｎは正の整数）
であることを特徴としている。
請求項２の発明の投影光学系のコマ収差の評価方法は、
投影光学系のコマ収差の評価方法において、
反射型のバイナリレチクルを用意するステップと、
中心波長λの光束を用いて、σが０．５より小さい照明条件で前記バイナリレチクルを照明するステップと、
前記投影光学系で前記バイナリレチクルのパターンの像を投影するステップと、
前記像の光量分布のエッジ部の外側のサイドローブによるサブピークの非対称性に基づいて、前記投影光学系のコマ収差の評価を行うステップと、を有し、
前記パターンの高さが、
（２Ｎ−１）・λ／４（Ｎは正の整数）
であることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に従う投影光学系のコマ収差の評価方法は、露光中心波長λに対し所定の高さ（厚さ）H を持つパターンで構成したレチクルを使用することにより可能となる。
【０００９】
所定の高さの量H とは、
透過型レチクルで、照明系のコヒーレンシーであるσが大きい場合
H ＝(2N −1)・λ/4 （N は正の整数）
透過型レチクルで、σが小さい場合
H ＝(2N −1)・λ/2 （N は正の整数）
反射型レチクルで、σが大きい場合
H ＝(2N −1)・λ/8 （N は正の整数）
反射型レチクルで、σが小さい場合
H ＝(2N −1)・λ/4 （N は正の整数）
の条件を満たす、あるいはその近傍の条件である。
【００１０】
コヒーレンシーを表わすσの大小の目安は後述する像の光量分布のサイドローブの出方によって異なるが、大雑把にいえば0.5 近傍の値が境界となる。より細かく定義すれば像の光量分布に細かいサイドローブが出ればσが小さい条件、サイドローブが観察できなければσが大きい条件としてよい。
【００１１】
図１は本発明の実施形態1 のレチクルの構造、及び本発明の原理を説明するためレチクルのクロム部での散乱光を説明したものである。図１のレチクルは露光光が透過の有無の２値のみから成る所謂バイナリレチクルである。
【００１２】
同図において1 は石英ガラス基板、2 はクロム、H はクロムの高さ（厚さ）を示している。また矢印はレチクルで発生する散乱光で、SL1 がクロム左側上部での散乱光、SL2 がクロム左側下部での左方向への散乱光、SL3 がクロム左側下部での右方向への散乱光、SL4 がクロム右側下部での左方向への散乱光、SL5 がクロム右側下部での右方向への散乱光、SL6 がクロム右側上部での散乱光を示している。
【００１３】
図２は本発明のクロムの高さH の透過型レチクルR を半導体露光装置に配置してウエハー上にICパターンを転写する実施形態の模式図である。図中、R はレチクル、3 は投影光学系、4 はウエハー、21はウエハーチャック、22はZ 駆動ステージ、23はX 駆動ステージ、24はY 駆動テージで、レチクルR の下部に形成されているパターンが投影光学系３によりウエハー４上に露光される。
【００１４】
ここで図１のクロム２のエッジ部での散乱光SL1 、SL2 、SL3 、SL4 、SL5 、SL6 が、投影光学系３を通過してウエハー４上に結像した時の光強度を求める。
【００１５】
結像における位相をSL1 基準とすると、クロム２の下部での散乱光（SL2 、SL3 、SL4 、SL5 ）は、クロム２の高さH 分だけ位相が遅れる。投影光学系３に残存するコマ収差をCMとし図１の右方向に向いた散乱光（SL3 、SL5 、SL6 ）はコマ収差CM分位相が遅れるとすると、散乱光SL1 、SL2 、SL3 、SL4 、SL5 、SL6 の位相は下記の様に表現できる。
【００１６】
SL1 の位相P1 EXP （j ωt ）
SL2 の位相P2 EXP ｛j ( ωt ＋H)｝
SL3 の位相P3 EXP （j(ωt ＋H ＋CM) ）
SL4 の位相P4 EXP ｛j(ωt ＋H)｝
SL5 の位相P5 EXP ｛j(ωt ＋H ＋CM) ｝
SL6 の位相P6 EXP ｛j(ωt ＋CM) ｝
次に投影光学系３のコマ収差がどのように結像性能に影響を与えるかを、上記位相P1〜P6を使用して考察する。
【００１７】
投影光学系３のウエハー４上におけるコマ収差の影響を、図１のクロム２での左側で散乱する散乱光SL1 、SL2 、SL3 での強度ILと、右側で散乱する散乱光SL4 、SL5 、SL6 での強度IRとの差 I def を用いて表わすこととする。強度IL、IRは各位相PL、PRの自乗を時間積分した式で表わすことができる。
【００１８】
【数１】

ここで
PL＝P1＋P2＋P3
PR＝P4＋P5＋P6
とする。強度差I def は、上記 強度IL, IRの差分なので
I def ＝IL −IR
と定義できる。
【００１９】
次に強度差I def の実部のみの数値積分を求めると位相PL、PRの実部Re(PL)、 Re(PR) は以下の様になる。なお、虚部の数値積分の結果も同じとなるので、以下説明は実部のみで行う。
【００２０】
Re(PL)＝cos(ωt) +cos(ωt ＋H) +cos(ωt ＋H ＋CM )
Re(PR)＝cos(ωt ＋H)+ cos(ωt ＋H ＋CM ) + cos( ωt ＋CM )
以上の式を用いて数値積分を行い、強度差I def とクロムの高さH との関係を解析する。
【００２１】
図３は縦軸に強度差I def 、横軸にクロムの高さH を取り、投影光学系３のコマ収差CMの量をλ/10 とλ/20 の二条件とした時の計算結果である。計算ではSL1 〜SL6 の散乱光の強度は全て等しいとした。また、横軸のクロムの高さH は中心露光波長λで正規化して表現してある。
【００２２】
図３のグラフよりコマ収差CMの量をλ/10 とλ/20 とした両方の曲線から、
１）I def はサイン関数的な変化を行う。
２）Idefの変化の周期はλである。
３）I def の振幅はコマ収差CMの発生量に比例する。等のことがわかる。
【００２３】
また同じく図３のグラフより、強度差I def が最大となるクロムの高さH はコマ収差CMの発生量によらず
H ＝ (2m−1)・λ/4 （m は正の整数） …(A)
の関係を満足する、λ/4、3 λ/4、、、、であることが分かる。
【００２４】
しかしながら(A) 式の条件は、照明σが大きい場合についてであり、照明σが小さくなった場合には更に限定が必要となる。
【００２５】
コヒーレンシーを表わすσの大小の目安は、図4 、図5 に示す様な光学像の光量分布のサイドローブの出方によって異なるが、大雑把には0.5 近傍の値が境界となる。より細かく定義すれば光学像の光量分布に細かいサイドローブが出ればσが小さい条件、サイドローブが観察できなければσが大きいとしてよい。
【００２６】
照明系のコヒーレンシーによる結像状態の違いを示したのが図4 及び図5 で、図４はσが大きい場合、図5 はσが小さい場合の光学像強度を示す。図４の左右の出力差は、前述の様にCr厚が波長の半分の整数倍の時、対称性を持つ様になる。図５の差分a −b についてもCr厚が波長の半分の整数倍の時、対称性を持つ様になるのは同様である。
【００２７】
一方、照明のσが小さくなると図5 に示す様にエッジ部の外側にもc 、d で示したサイドローブによるサブピークが発生する。コマ収差による非対称性に関連した差分c −d の挙動 は前述の差分a −b の挙動と異なる事が実験、シミュレーション双方から判明した。
【００２８】
Cr厚H に対する像の非対称性パラメータである差分a −b 、c −d の関係を示したのが図6 である。図6 では縦軸に任意ユニットで光の強度分布の非対称性SOI を、横軸にCr厚H を取ってある。 差分a −b は周期がλとなるサイン波であるが、差分c −d は周期λは持っているもののsin ( πH/λ) の自乗の関数であることが判る。
【００２９】
また内側に発生するサブピークの差分e −f も非対称性を表わすパラメータとなるが、差分c −d と正負が反対で、周期λではあるが、 sin (πH/λ) の自乗の関数となる。
【００３０】
図6 より差分a −b で示される像の非対称性はCr厚H が波長の4 分1 の奇数倍の時に最悪となるが、 差分c −d で表わされるの像の非対称性は、H が波長の半分の奇数倍でしか最悪とならない。従って、 照明σが小さい場合にコマ収差を評価するには、Cr厚H を波長の半分の奇数倍とする必要があることが判る。
【００３１】
次いで本発明に係るレチクルを使用して投影光学系の収差の評価を行う手順について説明する。高解像力を達成するためには、投影光学系の収差を正確に評価することが必須要件である。従って、投影光学系の評価では条件に応じてレチクルを使い分ける必要がある。
【００３２】
例えば現行で照明σを小さくして使用する条件としては、ハーフトーンレチクルを使用してコンタクトホールを形成する露光するケースが挙げられる。ハーフトーンの材質の屈折率をNd 、厚さをT とすると、ハーフトーンレチクルでは膜透過部と非透過部の位相を180 度ずらすため、T は
(Nd−1)T ＝n λ/2 ： nは整数
という条件を満足する必要がある。
【００３３】
現在ハーフトーンレチクルに使用されている多くの材質の屈折率はほぼ2 に近いものがほとんどなので、一番厚みが薄い条件を考えると、上記式の整数n ＝１である。従って
(2−1)T ＝１＊λ/2
より
T ＝λ/2
という厚さに対する条件を求めることができる。しかしながらT ＝λ/2という条件は波長の半分の整数倍なので、 差分c −d という像の非対称性パラメータが最大となる条件になる。言い換えれば現行のハーフトーンレチクルの条件は、照明σを小さくした時に像の対称性が最悪になる条件であり、コマ収差の評価には最も好ましい条件と言える。
【００３４】
なお、ここまではコマ収差の評価について述べてきたが、投影光学系のコマ収差は設計値と製造誤差の両者から発生する。本提案は両者を精度よく評価できるが、現状のリソグラフィーに使用される投影光学系においては後者の製造誤差分が殆どで、レンズ単体の誤差、偏心誤差等でコマ収差を発生させている。従って、上記レチクルを用いて評価を行った後に、コマ収差が大きく更に調整が必要であると判断された場合には、投影光学系は調整工程に入る。
【００３５】
差分a −b で表わされる像の非対称性は、照明系の非対称性によっても同様にサイン関数的に変化する。照明系の対称性とは、例えばtelecentricityと呼ばれてるフォーカス変化に伴う倍率変化等を意味する。従って、投影光学系のコマ収差を正確に評価するには照明系の対称性が必要である。
【００３６】
照明系の対称性が保証されていないと、差分a −b で表わされる非対称性は投影光学系のコマ収差と照明系の非対称性のミックスした評価量となる。例えば光量分布に発生する非対称性がコマ収差と照明系で同じ大きさであるが逆向きの貢献度を持つ場合は、差分a −b で表わされる非対称性はキャンセルして観測できない。
【００３７】
一方、差分c −d で表わされる像の非対称性はコマ収差のみで発生し、照明系の状態にはよらないことが分かっている。
【００３８】
なお、前述の様にコヒーレンシーを表わすσの大小の決定は光学像の光量分布に図5 に示したようなサイドローブが出るか否かによって判断される。σの値としては、大雑把にいって0.5 近傍の値が一つの指標である。光学像の光量分布に細かいサイドローブが出て差分c −d で表わされる像の非対称性を定義できる場合はσが小さい条件、図4 の様にサイドローブが観察できず差分c −d で表わされる像の非対称性が定義できなければσが大と考える。
【００３９】
図7，図8本発明に係るバイナリレチクルの適用形態を示したものである。図7は本発明を二層クロムレチクルに適用した実施形態、図8は本発明を三層クロムレチクルに適用した実施形態である。図9は本発明の参考例のレチクルであり、ハーフトーンレチクルに適用した例である。図7〜図9において、1が石英ガラス基板、2がクロム、10、11が酸化クロム、12がハーフトーン遮光部材、Hがクロムまたは遮光部材の高さを示している。
【００４０】
次に、本発明の別の実施形態として露光光にEUV を用いた投影光学系と、該投影光学系に使用する反射型レチクルについて説明する。EUV を用いた投影光学系としては例えばTakeo Watanabe,Kiyoto Mashima,Masahito Niibe and Hiroo Kinoshita：Microprocesses and Nanotechnology ‘97：Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) pp. 7597-7600をあげることができる。該文献に示されるように、EUV 露光系では反射型レチクル面上のパターンが投影光学系によりウエハー上に投影露光される。
【００４１】
図10は吸収体の高さH の反射型レチクル（反射型のバイナリレチクル）MSを使用した本発明の露光装置の模式図で、M0 、M1、M2、M3は反射型投影光学系を構成するミラー、WFはウエハーである。また、図11は石英ガラス基板１を用いた露光光が反射の有無の２値のみから成るバイナリレチクルMSの拡大図で、反射層6を介して高さH の吸収体13を構成したバイナリレチクルMS上のパターンが投影光学系３により、ウエハーＷＦの上に露光される。
反射型レチクルMSにおける吸収体の高さＨは、反射効果で光路長差が透過型より2 倍大きくなるため、中心露光波長に対する吸収体の高さＨの基本量は透過型の場合の1/２倍となる。よって、中心露光波長λに対する吸収体の高さＨは、
反射型のレチクルを用い、σが大きい場合
H ＝ (2N−1)・λ/8 （N は正の整数）
反射型のレチクルを用い、σが小さい場合
H ＝ (2N−1)・λ/4 （N は正の整数）
となる。反射型レチクルの場合は右辺の基本量が透過型レチクルの1/2 、即ち透過型のλ/4に対応する量がλ/8、透過型のλ/2に対応する量がλ/4となっていることが特徴である。
【００４２】
EUV の露光波長を13nmとすると、σが大きい場合のＨは1.625nm の奇数倍、また、σが小さい場合はＨを3.25nmの奇数倍とすれば、投影光学系のコマ収差による非対称性が最も大きく現われ、光学系の収差状態を正確に把握することができる。
【００４３】
なお、反射系においてもコヒーレンシーを表わすσの大小の決定が像の光量分布に図5 に示したようなサイドローブが出るか否かによって判断されることは同様である。σの値は大雑把にいうと0.5 近傍の値が一つの指標である。像の光量分布に細かいサイドローブが出て差分c −d で表わされる像の非対称性を定義できる場合はσは小さい条件であり、図4 の様にサイドローブが観察できず差分c −d で表わされる像の非対称性が定義できなければσは大として考える。
【００４４】
また、表１は以上の結果を、各種露光波長に対して表にしたものである。
【００４５】
【表１】

【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の投影光学系のコマ収差の評価方法においては、中心露光波長λに従って決定されるレチクルパターンの高さＨを投影光学系に残存するコマ収差の影響が最大となる条件とすることで、投影光学系に残存する微小なコマ収差を評価することを可能とした。該評価結果に基づいて投影光学系を調整すれば、投影光学系の完成度を上げることができ、グレードの高い高解像力光学系を実現できる。
【００４７】
また特にコマ収差が最大となる条件で評価すれば、実際のレチクルパターンの高さ（厚さ）Ｈが変化しても、コマ収差の影響がそれ以上に大きくなることが無く、像の最悪の状態を評価してあるため所望の解像性能を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のレチクルのクロム部での散乱光の説明図、
【図２】 半導体露光装置の構成図、
【図３】 信号の強度差とクロム高さの関係を数値積分で求めたグラフ
【図４】 照明σが大きい場合の像のグラフ、
【図５】 照明σが小さい場合の像のグラフ、
【図６】 信号の強度差とクロム高さの関係を、数値積分で求めたグラフ
【図７】 本発明を二層クロムレチクルに適用した実施形態、
【図８】 本発明を三層クロムレチクルに適用した実施形態、
【図９】 本発明の参考例のハーフトーンレチクルに適用した例、
【図１０】 本発明の反射型レチクルを、露光光にＥＵＶを用いた半導体露光装置に配置してウエハー上にICパターンを転写する実施例を説明する図
【図１１】 レチクルＭＳの拡大図
【符号の説明】
1 石英ガラス基板
2 クロム
3 投影光学系
4 ウエハー、
6 反射層、
10 酸化クロム、
11 酸化クロム、
12 ハーフトーン遮光部材、
13 吸収体、
21 ウエハーチャック、
22 Z 駆動ステージ、
23 X 駆動ステージ、
24 Y 駆動テージ、
SL1 〜SL6 レチクルのクロムパターン部からの散乱光、
H クロムまたは遮光部材の高さ

Claims (2)

1. 投影光学系のコマ収差の評価方法において、
   透過型のバイナリレチクルを用意するステップと、
   中心波長λの光束を用いて、σが０．５より小さい照明条件で前記バイナリレチクルを照明するステップと、
   前記投影光学系で前記バイナリレチクルのパターンの像を投影するステップと、
   前記像の光量分布のエッジ部の外側のサイドローブによるサブピークの非対称性に基づいて、前記投影光学系のコマ収差の評価を行うステップと、を有し、
   前記パターンの高さが、
   （２Ｎ−１）・λ／２（Ｎは正の整数）
   であることを特徴とする投影光学系のコマ収差の評価方法。
2. 投影光学系のコマ収差の評価方法において、
   反射型のバイナリレチクルを用意するステップと、
   中心波長λの光束を用いて、σが０．５より小さい照明条件で前記バイナリレチクルを照明するステップと、
   前記投影光学系で前記バイナリレチクルのパターンの像を投影するステップと、
   前記像の光量分布のエッジ部の外側のサイドローブによるサブピークの非対称性に基づいて、前記投影光学系のコマ収差の評価を行うステップと、を有し、
   前記パターンの高さが、
   （２Ｎ−１）・λ／４（Ｎは正の整数）
   であることを特徴とする投影光学系のコマ収差の評価方法。

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