[发明专利]聚焦测定方法和半导体装置的制造方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及在光刻工序中测定并调整曝光聚焦的方法以及使用该方法的半导体装置的制造方法。

背景技术

历来，为了形成半导体集成电路的微细元件图形，使用曝光装置(步进式曝光装置等)。曝光装置对形成在半导体基板上的具有感光性的光致抗蚀剂膜进行形成标线(レチクル：reticle)上的掩模图形的像的投影曝光。通过对曝光后的抗蚀剂(resist)膜进行显影，将被投影的掩模图形在抗蚀剂膜上图形化。为了获得具有设计的预定的剖面形状和尺寸的抗蚀剂图形，必需在抗蚀剂上没有聚焦偏移地将标线上的掩模图形投影到光致抗蚀剂膜上。作为在半导体集成电路的光刻工序中确认有无聚焦偏移的方法，在专利文献1中记载了一种聚焦偏移的测定方法。

以下对在专利文献1中记载的聚焦偏移的测定方法和最佳聚焦的确定方法的概要进行说明。在这种方法中，在抗蚀剂膜上形成孤立线(line)图形和孤立区域(space)图形，利用这些图形尺寸的聚焦依赖性检测聚焦偏移量。图9是表示上述孤立线图形和孤立区域图形的剖面图。在该方法中，测定孤立线图形200的顶部尺寸201、孤立线图形200的底部尺寸202、孤立区域(space)图形210的顶部尺寸203、和孤立区域图形210的底部尺寸204。在孤立线图形200中测定的尺寸是线宽，在孤立区域图形210中测定的尺寸是区域宽度。

图10是表示各尺寸201～204的聚焦依赖性的示意图。图10(a)是孤立线图形200的聚焦依赖性，图10(b)是孤立区域图形210的聚焦依赖性。图10(a)的横轴表示聚焦值，纵轴表示孤立线图形200的标准化倾斜量ΔLn。标准化倾斜量ΔLn是作为从顶部尺寸201减去底部尺寸202的所得的值的倾斜量ΔL、与最佳聚焦时的倾斜量ΔLo的差ΔLn＝ΔL—ΔLo。此外，图10(b)的横轴表示聚焦值，纵轴表示孤立区域图形210的标准化倾斜量ΔSn。标准化倾斜量ΔSn是作为从顶部尺寸203减去底部尺寸204的所得的值的倾斜量ΔS、与最佳聚焦时的倾斜量ΔSo的差ΔSn＝ΔS—ΔSo。在图10(a)和图10(b)所示的图表中，可以将纵轴的值为零的聚焦值作为各个图形200、210中的最佳聚焦值。

图11是表示图10所示的标准化倾斜量ΔLn和ΔSn的和(以下称为偏移指数)的聚焦依赖性的图。这里，图11的横轴表示聚焦值，纵轴表示偏移指数。如图11所示，通常，偏移指数表示相对于聚焦值具有一定倾斜的变化。在图11所示的关系中，偏移指数为零的聚焦值能够认为是满足孤立线图形200和孤立区域图形210双方的最佳聚焦值。

因而，在半导体装置的曝光工序中，在半导体基板上对图形进行曝光之前，首先，测定孤立线图形200和孤立区域图形210的顶部尺寸201、203、以及底部尺寸202、204，计算其结果并预先取得图11所示的偏移指数的聚焦依赖性。然后，对在实际的图形曝光时形成的孤立线图形200和孤立区域图形210的顶部尺寸201、203以及底部尺寸202、204进行测定并计算其偏移指数，与该图表进行比较。由此，能够容易地计算出曝光时的实际聚焦值相对于最佳聚焦指的偏移程度。此方法能够容易并正确地检测聚焦偏移的有无和聚焦偏移量，是一种非常有用的聚焦测定方法。

但是，近年来，随着半导体集成电路元件图形的尺寸的不断微细化，其最小尺寸已经达到65nm或65nm以下。为了形成具有这种微细尺寸的半导体元件，例如，采用使用短波长的ArF激光(波长193nm)的受激准分子激光光刻法。与此前的以酚醛(novolak)树脂为主体的i线等的抗蚀剂材料不同，与受激准分子激光光刻对应的化学增强型抗蚀剂(chemically amplified resist)因其化学特性在照射用于测定抗蚀剂尺寸的电子束时发生收缩(shrink)。尽管在以前使用的抗蚀剂中也存在因电子束照射而发生收缩的现象，但是ArF用抗蚀剂因具有丙烯类聚合物的化学特性而使得收缩量变得特别大。上述那样因电子束而发生的收缩认为是因为抗蚀剂中的残存溶剂的蒸发和电子束照射引起的聚合物(Polymer)键的切断而发生的。因这种收缩而导致测定值产生误差，相应地使得聚焦测定的精度恶化。

此外，在使用ArF激光光刻的制造工艺世代中，因为抗蚀剂图形宽度本身小，所以相对于抗蚀剂图形的尺寸而言收缩为为不能忽视的大小。例如，针对大约100nm宽的ArF线图形，在同一位置测定10次时，由于测定时的电子束照射而发生收缩，使得在从第1次到第10次的测定值之间产生1.9nm的偏差。