JP2001284221A - 投影光学系及び投影露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンタクトホールのような孤立的なパターン
を、良好な解像度で且つ十分な焦点深度で形成する。 【解決手段】 本発明の位相分布発生部材３、中央部分
を遮光してもよく、斜線部１０の円の半径は、この例で
は光透過領域全体の半径の半分としている。この位相分
布発生部材３によって得られる点像分布関数Ｉ（ｒ、
ｚ）によれば、中央部分を遮光しない場合よりも更に、
中心暗部周りの像のデフォーカス特性が向上しているこ
とが分かる。位相分布発生部材３を作製するには、円周
方向に複数の領域に分割して、部材の厚さ分布を螺旋階
段状に変化させればよい。これによって、バイナリ光学
素子の作製に広く用いられているリソグラフィ技術を応
用した作製手法の適用が可能となり、高精度な素子形状
の作製ができるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、半導体素子又は液
晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に
使用されるマスクパターンを投影光学系を介して感光性
の基板上に投影露光するための投影光学系、及びこの光
学系を用いた投影露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気
ヘッド等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、フ
ォトマスクのパターン像を投影光学系を介してフォトレ
ジストが塗布されたウェハ上に露光する投影露光装置が
使用されている。

【０００３】露光光の波長をλ、投影光学系の開口数を
ＮＡ、プロセス定数をｋ₁ とすると、投影光学系の解像
限界は、一般にｋ₁ λ／ＮＡで表され、露光波長λが短
く、開口数ＮＡが大きい程解像度が高い。一方、所定の
係数をｋ₂ として、投影光学系の焦点深度はｋ₂ λ／Ｎ
Ａ² で表され、露光波長λが短くなっても、開口数ＮＡ
が大きくなっても、共に焦点深度が減少する。

【０００４】半導体素子を例に取ると、最近のＬＳＩの
一層の微細化及び多層化に伴って、高段差を有するパタ
ーンが多くなっている。このような高段差のパターンを
高精度に形成するために、投影露光装置には大きな焦点
深度が要求される。これに関して、メモリの回路パター
ンのような周期的なパターンを露光する際には、位相シ
フト法や所謂変形照明法により解像度を向上できると同
時に焦点深度を深くできることが分かっている。

【０００５】しかしながら、特に所謂コンタクトホール
のような孤立的なパターンに関しては、位相シフト法や
変形照明法では、焦点深度の改善効果が少ない。

【０００６】そこで、特にコンタクトホールのパターン
像をウェハ上に投影露光する際の焦点深度を増大する方
法として、ウェハのフォーカス位置を変えて２重露光を
行う所謂フレックス法が知られている。更に、投影光学
系の瞳面に吸光部材を配置する所謂スーパーフレックス
法も知られている。これらの方法により、コンタクトホ
ールのパターン像を露光する際の焦点深度が或る程度深
くなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たフレックス法は、どちらも、焦点深度の増大と引き換
えに解像度が多少犠牲になる不都合がある。

【０００８】そこで、本発明は、コンタクトホールのよ
うな孤立的なパターンを、良好な解像度で且つ十分な焦
点深度で感光性の基板上に投影露光することができる投
影露光装置、および投影露光方法を提供することを課題
としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の投影光学系は、結像光束に、光軸を中心と
して一周当たり２ｍπ（ｍは自然数）のらせん状位相分
布を与える部材を有する。

【００１０】本発明においては、位相分布発生部材は、
透過する光束に対して所定の位相分布を与えるように厚
さ分布を制御した位相板である、又、位相板の厚さ分布
は、階段状の不連続分布で近似されている、又、上述し
た部材は光学系の瞳面近傍に配置される。

【００１１】又、上述した部材が部分的に遮光される。

【００１２】更に上述した投影光学系を使用する本発明
の投影露光方法は、第１のパターンの像を、前記位相分
布発生部材を備えた投影光学系を介して基板上に形成す
る第１の工程と、前記第１のパターンをほぼ反転した第
２のパターンの像を、前記位相分布発生部材を備えない
従来の投影光学系を介して前記基板上に投影露光する第
２の工程とを含んでいる。

【００１３】又、本発明のデバイス製造方法において
は、上述した投影光学系及び投影露光方法によって、デ
バイスを製造する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図１は本発明の投影光学系の概念図で
ある。１、２、４、５は光学レンズであり、３は、所定
の位相分布を発生される位相分布発生部材である。物体
面６と像面７は光学的に共役な関係となっており、照明
光８により、物体面６上のパターンが像面７上に転写さ
れる。９は光学系の絞りであるが、この位置は物体面
６、或いは像面７とは光学的にフーリエ変換の関係にあ
り、一般に瞳面と呼ばれる。本実施形態では、位相分布
発生部材３は瞳面９に近接している。

【００１５】図２は、位相分布発生部材３の平面図であ
る。位相分布発生部材３は、透過光束に所定の位相分布
を与えるように厚さ分布が制御された透明基板である。
半径方向には板厚が一定であり、円周方向には矢印の方
向に板厚が一様に減少する構成となっている。厚さが最
も薄い部分を基準に表すと、最大厚さはｍλ／（ｎ−
１）となる。ここでｍは１以上の整数、ｎは基板の屈折
率である。

【００１６】図３は、位相分布発生部材３に入射した平
面波の位相変化を示す図である。図３（ａ）が入射波
面、（ｂ）が透過波面を表す。図中下向きに波面は進行
しており、透過波面では、位相分布発生部材３で厚さが
不連続となる部分に対応して、２ｍπの不連続な位相飛
びが発生する。

【００１７】この位相飛びの量は２πの整数倍であり、
光学的には波面が連続な状態と同一である。しかしなが
ら、その位相飛びが消滅するように波面全体を接続する
ことはできない。波面の中心位置は位相の値が不定な特
異点となっている。

【００１８】以上説明したような特殊な波面を発生する
位相分布発生部材３を光学系中に設けることにより、従
来不可能であった結像特性を実現することが可能とな
る。

【００１９】そこで、半導体プロセスにおいてコンタク
トホールパターンを形成する際に用いられるような、微
小な開口が物体面６上に存在する場合を例に説明を行
う。簡単のため、開口をピンホールで近似して点像強度
分布関数の計算を行う。

【００２０】光学系全体は光軸に関して回転対称であ
り、瞳面上の点を極座標（ρ、α）、物体面上の点を極
座標（ｒ、θ）で表すこととする。但しρ、ｒが半径座
標、α、θがｘ軸から計った角度を表す。

【００２１】形成される像は角度θには依存しないた
め、像面７から計ったデフォーカス量ｚを含めて振幅分
布をＵ（ｒ、ｚ）と表す。Ｐ（ρ、α）を瞳関数とすれ
ば、振幅分布Ｕ（ｒ、ｚ）は式（１）で表される。

【００２２】

【数１】 従って、強度分布即ち点像強度分布関数Ｉ（ｒ、ｚ）は
｜ Ｕ（ｒ、ｚ）｜²となる。

【００２３】ここに、瞳半径は０＜ρ＜１の範囲に規格
化されて表されており、その結果、像面上の半径座標ｒ
はλ／ＮＡによって、またデフォーカス量ｚはλ／ＮＡ
² によって規格化された値として与えられる。ここで、
λは光の波長、ＮＡは開口数である。

【００２４】従来の光学系においては瞳関数Ｐ（ρ、
α）は一定であるからＰ（ρ、α）＝１であるが、本発
明の光学系においてはＰ（ρ、α）＝ｅｘｐ（ｉｍα）
である。ただし、“ｉ”は虚数単位である。図４は、点
像強度分布関数Ｉ（ｒ、ｚ）の計算結果を示すグラフで
ある。図４左側が従来の光学系によって得られる点像分
布関数であり、右側が本発明の光学系でｍ＝１とした場
合に得られる点像強度分布関数である。

【００２５】半導体プロセスにおいて良好なコンタクト
ホールを形成するには光学的な像として焦点深度の大き
なものが要請されるが、従来例においてはデフォーカス
の増加とともに像全体が広がり、ｚ＝０．８程度で、微
細なパターンの形成が不可能になることが分かる。

【００２６】一方、本発明を用いると、強度分布中心部
において光強度がゼロのリング状分布が形成されるとい
う特徴がある。光強度分布中心の暗部を像と見なせば、
ｚ＝１．２程度のデフォーカスにおいても良好な像が形
成される。

【００２７】投影光学系の像面７の位置に、レジストを
塗布したウェハを配置して、光強度分布によってレジス
トを感光させることによってパターンを転写する方法で
は、従来例の光強度分布ではデフォーカス時に光エネル
ギーを強くしていくとレジスト中に形成されるパターン
は次第に大きくなっていく。一方本発明による方法で
は、デフォーカス時に光エネルギーを大きくしていって
も、中心部に暗部が形成されるという状況は普遍であ
り、微細な径のパターン形成が可能となる。

【００２８】図５は、ｚ＝１．２での本発明による点像
強度分布関数Ｉ（ｒ、ｚ）のグラフである。図５（ｂ）
は（ａ）の分布を縦方向に拡大したものであり、光エネ
ルギー、即ち露光量を増大させた場合に対応する。
（ａ）の状態では、ｚ＝０の場合に比較して中心暗部の
周りの光分布が鈍ってしまっているように見えるが、露
光量を増やしていき、レジストの反応閾値が、たとえば
ｗ＝０．４３を与えるようにすれば、ｚ＝１．２（λ／
ＮＡ² ）という大きなデフォーカス位置においてさえｗ
＝０．４３（λ／ＮＡ）の微細パターンが形成されるこ
とが分かる。

【００２９】ここまでの計算はｍ＝１の場合について行
ったものであるが、ｍ＞２の場合でも実質的に同様の結
果が得られることが確かめられる。

【００３０】図６は、中央部分を遮光した位相分布発生
部材３の平面図である。斜線部１０の円の半径は、この
例では光透過領域全体の半径の半分としている。

【００３１】図７は、図６の状態の中央部分を遮光した
位相分布発生部材３によって得られる点像分布関数Ｉ
（ｒ、ｚ）の計算結果を示すグラフである。計算として
は、上記式（１）において、瞳関数Ｐ（ρ、α）＝ｅｘ
ｐ（ｉｍα）のｍを１とし、変数ρに関する積分範囲を
０．５＜ρ＜１に変更すればよい。

【００３２】図７を図４と比較すれば、中心暗部周りの
像のデフォーカス特性が更に向上していることが分か
る。図７の状態では、ｚ＝１．６のデフォーカスにおい
ても、十分に実用的な解像特性が得られている。

【００３３】図８は、位相分布発生部材の平面図及び断
面図である。ここでは全体の領域を円周方向（角度αの
方向）に２１から３６の１６の領域に分割して、部材の
厚さ分布を螺旋階段状に近似している。すなわち、図８
（ｂ）に示すように、角度αに応じて１６段階に高さが
変化する構造となる。連続な表面形状を階段形状で近似
することにより、バイナリ光学素子の作製に広く用いら
れているリソグラフィ技術を応用した作製手法の適用が
可能となり、高精度な素子形状の作製できるようにな
る。

【００３４】光学系の構成としては、物体面６上のパタ
ーンを考える代わりに、半導体レーザーから射出される
光束を直接用いて、上記説明したような微細な暗点を形
成することも可能である。

【００３５】［他の実施形態］次に、本発明を適用し
て、半導体ウェハ上に微細な孤立パターンを形成する方
法について説明する。

【００３６】図９（ａ）は本発明の投影光学系を用いた
ステップ＆リピート型又はステップ＆スキャン型の露光
装置の模式図である。マスク４０上の微細パターン４１
の像を投影レンズ４２を介してウェハ４３上に転写す
る。４４が照明光である。照明光４４は、図示しないＫ
ｒＦエキシマレーザーやＡｒＦエキシマレーザー、又は
超高圧水銀ランプから供給される。なお、投影光学系と
しては、屈折系、反射屈折系、反射系のいずれかのタイ
プが使用される。

【００３７】投影レンズ４２には、上で説明した位相分
布制御部材４５が、図示しない機構で着脱可能に組み込
まれている。ここでウェハ４３上には、図４（ｂ）で説
明した通り中心部の強度がゼロの像が形成される。ウェ
ハ４３上には不図示のレジストが塗布されており、図８
（ａ）の配置によってまず第１の露光が行われる。露光
の結果、像の中心及び外側の部分においてはレジストが
感光されていない状態となる。デフォーカスが大きい場
合でも、像の中心部が強度ゼロとなる状態は保たれ、露
光量を増大させることにより、像中心には微細な暗部が
形成されることは前に説明した通りである。

【００３８】引き続いて、第１の露光に用いたウェハ４
３を、図９（ｂ）の露光装置に装着して第２の露光を行
う。マスク５０には、第１の露光で像が形成された位置
を覆い隠すような配置で遮光部５１が設けられており、
通常の投影光学系５２を介して、照明光５３によりウェ
ハ４３上には像５４が形成される。

【００３９】遮光部５１は、光学系の解像限界よりも大
きなパターンとして設定することが可能であるため、第
２の露光において、特別の工夫を施すことなく大きな焦
点深度が確保できる。

【００４０】前記第１の露光、第２の露光の結果、レジ
スト内で合成された光強度分布は図１０（ａ）の６０に
示す通りとなる。光強度分布とレジスト反応閾値の関係
を図のように設定することにより、第１の露光で形成し
たリング状光強度分布の中心部分のみを未露光の状態で
残すことが可能となる。

【００４１】ウェハ４３上に塗布されるレジストがネガ
型の場合には、現像の結果、図１０（ｂ）に示す微細な
ホールパターンが形成される。６１は現像されずに残っ
たレジストを表す。

【００４２】一方、ウェハ４３上のレジストがポジ型の
場合には、現像の結果、図１０（ｃ）に示す微細な柱状
パターンが形成される。図中６２が、現像されずに残っ
たレジストを表す。

【００４３】尚、位相分布制御部材は、投影光学系の構
成によっては、反射型の部材であってもよい。

【００４４】次に、上記説明した露光装置を利用した半
導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。

【００４５】図１０は、半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ
等の半導体チップ、あるいは液晶パネルやＣＣＤ等）の
製造を説明するためのフローチャートである。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
ーンを形成したマスクを製作する。一方、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
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、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソ
グラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成す
る。次のステップ５（組み立て）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、これが出荷（ステップ７）される。

【００４６】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（ＣＶ
Ｄ）では、ウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１
３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着等によって
形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）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
はウエハに感光材を塗布する。ステップ１６（露光）で
は、上記説明した露光装置によってマスクの回路パター
ンをウエハに露光する。

【００４７】ここで、露光工程においては、２つのパタ
ーンを使用してもよい。その場合には、第１パターンの
像を、位相分布発生部材を備えた投影光学系を介して感
光材上に形成する第１工程と、第１パターンをほぼ反転
した第２パターンの像を、位相分布発生部材を備えない
投影光学系を介して感光材上に投影露光する第２工程と
を含んでもよい。

【００４８】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、ウエハに多重に回路パターンが形成され
る。

【００４９】本実施形態の製造方法を用いれば、従来は
製造が難しかった高精度の半導体デバイスを製造するこ
とができる。

【００５０】

【発明の効果】本発明の投影光学系及び投影露光方法に
よれば、コンタクトホールのような孤立的なパターンで
あっても高い解像度で且つ深い焦点深度で露光を行うこ
とができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１実施形態の投影光学系を示す概略構
成図。

【図２】所定の位相を発生させる光学部材の厚さ分布
図。

【図３】光学部材３透過前後の波面の変化。

【図４】従来技術及び本発明によって形成可能な点像強
度分布関数の比較。

【図５】デフォーカス像の露光量を増大させることの効
果を表す図。

【図６】光学部材３の中央に斜光部を設けた状態を示す
図。

【図７】光学部材３の中央に斜光部を設けることによっ
て形成される点像分布関数。

【図８】光学部材３の厚さ分布を螺旋階段形状で近似し
た図。

【図９】２回の露光により微細パターンを形成する方法
の説明。

【図１０】２回の露光により形成されるホールパター
ン、或いは柱状パターンの図。

【図１１】デバイス製造工程を示すフローチャート。

【図１２】ウエハプロセスを示すフローチャート。

【符号の説明】

１、２、４、５ レンズエレメント ３ 位相分布発生部材 ６ 物体面 ７ 像面 ８ 照明光 ９ 瞳面

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結像光束に、光軸を中心として一周当た
   り２ｍπ（ｍは１以上の整数）のらせん状位相分布を与
   える部材を有することを特徴とする投影光学系。
2. 【請求項２】 前記部材は、透過する光束に対して前記
   位相分布を与えるように厚さ分布を備えた位相板を有す
   ることを特徴とする請求項１記載の投影光学系。
3. 【請求項３】 前記位相板の厚さ分布を、階段状の不連
   続分布で近似することを特徴とする請求項２記載の投影
   光学系。
4. 【請求項４】 前記部材は光学系の瞳面近傍に配置され
   ることを特徴とする請求項１、２、３のいずれか一つに
   記載された投影光学系。
5. 【請求項５】 前記部材が部分的に遮光されることを特
   徴とする請求項４記載の投影光学系。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５記載の投影光学系を使用
   する投影露光方法であって、 第１パターンの像を、前記部材を備えた投影光学系を介
   して基板上に形成する第１工程と、 前記第１パターンをほぼ反転した第２パターンの像を、
   前記位相分布発生部材を備えない投影光学系を介して前
   記基板上に投影露光する第２工程とを含むことを特徴と
   する投影露光方法。
7. 【請求項７】 請求項１乃至５のいずれか一つに記載さ
   れた投影光学系を使用するデバイス製造方法であって、 マスク上のパターンを感光基板上に投影露光するステッ
   プと、 露光された前記感光基板を現像するステップとを含むこ
   とを特徴とするデバイス製造方法。