JP2005310909A - 投影露光装置及び投影露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 縦横方向に配列されたパターンを有するマスクをフォトリソグラフィにより転写する工程において、マスク上における縦横パターンに線幅差があっても、転写パターンの線幅差として具現化しない光学絞りを有する投影露光装置及び投影露光方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 光源と、前記光源から放出された光を集束し光学マスクに照射する第１の光学系と、前記光学マスクを透過した光を被照射体に投影する第２の光学系と、を備え、前記第１の光学系及び前記第２の光学系の少なくともいずれかに、瞳面上の光透過率分布が異方性を有する光学絞りを設けることにより、前記被照射体に転写されるパターンにおける縦横線幅の比率を調整可能としたことを特徴とする投影露光装置を提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、投影露光装置及び投影露光方法に関し、特に、マスクパターンをフォトリソグラフィによって転写するための投影露光装置及び投影露光方法に関する。

半導体装置の製造に際して、パターン線幅の誤差は、得られる半導体装置の特性に非常に大きな影響を及ぼす。従って、パターン線幅の制御性を向上することは、重要な課題である。

例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）のゲート電極の加工に際しては、パターン線幅の制御性を向上することは特に重要であり、消費電力や動作速度はゲート加工線幅に大きく依存する。また、メタル配線やコンタクト／ビアにおいても、信頼性に影響をもたらす。これらにおいて、線幅の誤差が生じる要因はさまざまであり、例えば、プロセス／装置要因と、材料／マスク要因とに大別できる。

これまで、後者は前者と比較して小さな要因と受けとめられ、プロセス／装置要因に対する対策が検討されてきた。装置要因に対処するためには、例えば、投影系の残存収差を補正する光学補正板の付設による光学特性の劣化を補正した露光装置が開示されている（特許文献１）。
特開２００１−１６８０００号公報

しかし、パターンの微細化が進展するに従って、材料／マスク要因が無視できなくなりつつある。以下、マスクの作製精度に起因する線幅バラツキが与える影響について説明する。

光学マスクを製造する電子ビーム直描装置のＸ−Ｙステージの精度などにより、マスク上に縦横の線幅誤差が発生する場合がある。この縦横の線幅誤差は、半導体装置製造工程のうち、そのマスクを使用するフォトリソグラフィ工程において、線幅バラツキに直結する。

図１５は、マスク上において縦横の線幅誤差が生じている場合を例示する模式図である。すなわち、同図に例示した如く、マスク上において、縦方向と横方向に線幅誤差（縦線幅Ｌａ＜横線幅Ｌｂ）が発生している場合、投影倍率が１／４とすると、転写パターンの縦横の線幅差は、（Ｌａ−Ｌｂ）／４×ＭＥＦとなる。ＭＥＦ（Mask Error Factor）は、マスク線幅が微小に変化した場合の、ウェーハ上で線幅が変動する増加率を指す。なおこのとき、ライン幅およびスペース幅との比、ライン長さ、ライン本数など、パターンレイアウトに起因する線幅変動は含んでいないと同時に、非点の影響もないものとする。

このように、マスクの縦横の線幅に誤差が生ずると、ＭＥＦを乗じた線幅の誤差がウェーハ上で発生してしまう。その結果として、形成される半導体装置の特性の変動やバラツキが生じてしまう。

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、縦横方向に配列されたパターンを有するマスクをフォトリソグラフィにより転写するに際して、マスク上における縦横パターンに線幅差があっても、転写パターンの線幅差として具現化しない瞳面を有する投影露光装置及び投影露光方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、
光源と、
前記光源から放出された光を集束し光学マスクに照射する第１の光学系と、
前記光学マスクを透過した光を被照射体に投影する第２の光学系と、
を備え、
前記第１の光学系及び前記第２の光学系の少なくともいずれかに、瞳面上の光透過率分布が異方性を有する光学絞りを設けることにより、前記被照射体に転写されるパターンにおける縦横線幅の比率を調整可能としたことを特徴とする投影露光装置が提供される。

ここで、前記光学絞りは、その瞳面上において、前記光源から放出される光に対する透過率が低い第１の領域と、前記光に対する透過率が高い第２の領域と、を有するものとすることができる。
また、前記瞳面上において、前記第１の領域及び前記第２の領域のいずれかが第１の方向に延在して設けられたものとすることができる。
また、前記第１の領域は、半透明膜を有することを特徴とする請求項２または３に記載の投影露光装置。

一方、本発明によれば、光源から放出された光を光学マスクを介して被照射体に照射することにより、前記光学マスクのパターンを前記被照射体に転写する投影露光方法であって、
前記光源と前記光学マスクとの間、及び前記光学マスクと前記被照射体との間の少なくともいずれかに、瞳面上の光透過率分布が異方性を有する光学絞りを設けることにより、前記被照射体に転写されるパターンにおける縦横線幅の比率を調整可能としたことを特徴とする投影露光方法が提供される。

本発明によれば、マスクメーカーにマスク作製精度向上の負荷をかけることなく、またマスクを作り変えることなく、転写するパターンにおける縦横の線幅誤差を抑制することが可能となる。つまり、マスク作成工程において生じたマスクパターンの縦横線幅の誤差を、光学絞りによって補正することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかる投影露光装置を表す模式図である。すなわち、本実施形態の投影露光装置１０は、露光用光源１と、コンデンサレンズ２と、投影レンズ３と、光学絞り１２と、ウェーハステージ４とを備える。コンデンサレンズ２と投影レンズ３との間には、所望のパターンが形成されたレチクル１１が配置される。また、ウェーハステージ４の上には、半導体ウェーハ５が載置される。

露光用光源１を出た光は、コンデンサレンズ２を通り、レチクル１１上のマスクパターンを、光学絞り１２を介してウェーハ５に投影露光される。なお、本発明においては、光学絞り１２を光源１とレチクル１１との間に設けてもよい。また、本発明においては、光源１とレチクル１１との間、及びレチクル１１とウェーハステージ４との間にそれぞれ光学絞り１２を設けてもよい。

図２は、本発明の実施の形態にかかる投影露光装置に用いられるレチクル１１の平面構造を表す模式図である。本具体例のレチクル１１の表面には、第１の方向に延在するマスクパターン１３と、第１の方向に対して垂直な第２の方向に延在するマスクパターン１４とが、複数形成されている。ここで、第１の方向に延在するマスクパターン１３を「縦方向のマスクパターン１３」とし、第２の方向に延在するマスクパターン１４を「横方向のマスクパターン１４」と呼ぶこととする。すなわち、マスクパターン１３の長手方向を縦方向とし、マスクパターン１４の長手方向を横方向とする。

本具体例のレチクル１１においては、縦方向のマスクパターン１３の幅Ｌａが、横方向のマスクパターン１４の幅Ｌｂよりも狭い。これは誤差により生じたものであり、本来これらマスクパターン１３、１４の幅Ｌａ、Ｌｂは同一となるべきものである。このような、マスクパターンの縦幅Ｌａと横幅Ｌｂの誤差は、マスクパターンを形成する過程において、しばしば発生する。

図３は、本発明の実施の形態にかかる投影露光装置の光学絞り１２の瞳面の平面構造を例示する模式図である。レチクル１１上のマスクパターン１３及び１４は、光学絞り１２を介してウェーハ６に投影露光される。

図３に表したように、光学絞り１２の瞳面上には、光源波長に対して透過率の低い領域１５と、光源波長に対する透過率の高い領域１６とが存在する。透過率の高い領域１６の透過率は、１００パーセントに近いものとすることが望ましい。光学絞り１２の円形の瞳面において、中心角θの扇形状をなす透過率の低い領域１５が二つ左右対称に設けられ、残りの領域には透過率の高い領域１６が二つ上下対称に設けられている。透過率の低い領域１５は、光源波長が２４８ｎｍや１９３ｎｍの場合にはＭｏＳｉなどの半透明膜によって形成することができ、光源波長が１５７ｎｍの場合にはＳｉＯＮなどの半透明膜によって形成することができる。

図４は、このような光学絞り１２を介してウェーハ５上に転写されたパターンの平面構造を表す模式図である。図４に表したように、幅Ｌｖを有する縦方向の転写パターン１５と、幅Ｌｈを有する横方向の転写パターン１６とが得られる。ここで、幅Ｌｖと幅Ｌｈとは等しい。
レチクル１１においては、図２に表したように、縦方向のマスクパターン１２の幅Ｌａは、横方向のマスクパターン１４の幅Ｌｂよりも狭い。つまり、マスクパターンの縦幅Ｌａと横幅Ｌｂとの間に誤差が生じている。これに対して、光学絞り１２の瞳面において、透過率の低い領域１５を左右方向に設けることにより、線幅の誤差を補正できる。換言すると、縦方向のマスクパターンを投影する領域の透過率を横方向のマスクパターンを投影する領域の透過率よりも低くすることによって、転写パターンの縦幅Ｌｖと横幅Ｌｈとを等しくできる。

すなわち、本発明の実施形態にかかる光学絞り１２を介して、縦幅と横幅とが異なるマスクパターンを持つレチクルを転写した場合、縦幅と横幅とが等しい転写パターンを得ることができる。つまり、マスクパターン作成時に発生する縦横線幅の誤差を、本発明の実施形態にかかる光学絞り１２によって補正できる。

本発明者は、光学絞り１２の瞳面における透過率の低い領域１５の透過率と、光学絞り１２を介して得られる転写パターンの縦幅と横幅との差との関係を、実験により求めた。

図５は、実験に用いたレチクル１１の平面構造を表す模式図である。このレチクル１１の表面には、縦方向のマスクパターン１３と、横方向のマスクパターン１４とが、複数形成されている。縦方向のマスクパターン１３の幅Ｌａは、レチクル上で３８０ｎｍであった。このマスクパターン１３を、投影倍率が１／４である露光装置を用いて、すべての領域において透過率が均一な光学絞り１２を介して投影露光すると、９５ｎｍの幅を持つ転写パターンが得られる。一方、横方向のマスクパターン１４の幅Ｌｂは、レチクル上で４００ｎｍであった。このマスクパターン１４を、投影倍率が１／４である露光装置を用いて、すべての領域において透過率が均一な光学絞り１２を介して投影露光すると、１００ｎｍの幅を持つ転写パターンが得られる。

なお、マスクパターンの縦横線幅の誤差は、マスク作成精度のみが要因であるとし、ライン幅及びスペース幅との比、ライン長さ、ライン本数など、パターンレイアウトに起因する線幅変動は含んでいないと同時に、非点の影響もないものとする。

図６〜図８は、本発明者が用いた光学絞り１２の平面構造を表す模式図である。これらの図に表したように、本具体例の光学絞り１２には、光源波長に対して透過率の低い領域１５と、光源波長に対する透過率が約１００％の領域１６とが存在する。光学絞り１２の円形の瞳面において、中心角θの扇形状をなす透過率の低い領域１５が二つ左右対称に存在し、残りの領域には透過率が約１００％の領域１６が二つ上下対称に存在する。

図６に表した光学絞り１２の瞳面は、透過率の低い領域１５の中心角θが９０゜とされている。また、図７に表した光学絞り１２の瞳面は、透過率の低い領域１５の中心角θが１２０゜とされ、図８に表した光学絞り１２の瞳面は、透過率の低い領域１５の中心角θが６０゜とされている。

図９は、図６〜図８に表した光学絞り１２を介して転写されたパターンの平面構造を例示する模式図である。図９に表したように、幅Ｌｖを有する縦方向の転写パターン１５と、幅Ｌｈを有する横方向の転写パターン１６とが得られた。
図６〜図８に表した光学絞り１２を介して転写されたパターンの、縦方向の転写パターンの幅Ｌｖ及び横方向の転写パターンの幅Ｌｈについては、表１〜表３に表す結果になった。

表１は、図６に表した光学絞り１２を介して転写されたパターンの縦方向の転写パターンの幅Ｌｖ及び横方向の転写パターンの幅Ｌｈを表す。またここでは、領域１５の透過率（Transmittance）を５０〜１００パーセントの間で順次変えて実験を実施した。

領域１５の透過率が１００パーセントの場合は、均一な瞳面が形成される。この時、縦横線幅の差（Ｌｈ−Ｌｖ）は、１３．７ナノメータであった。これに対して、領域１５の透過率を下げるに従って、縦横線幅（Ｌｈ−Ｌｖ）が小さくなり、透過率を５３パーセントとしたときに、縦横線幅（Ｌｈ−Ｌｖ）がゼロとなった。つまり、マスクにおける縦横線幅の誤差が補正された。
表２は、図７に表した光学絞り１２を介して転写されたパターンの縦方向の転写パターンの幅Ｌｖ及び横方向の転写パターンの幅Ｌｈを表す。またここでは、領域１５の透過率（Transmittance）を４０〜１００パーセントの間で順次変えて実験を実施した。

この場合には、領域１５の透過率を５０パーセントとしたときに縦横線幅（Ｌｈ−Ｌｖ）は１．５ナノメータであり、の透過率を４６パーセントとしたときに縦横線幅（Ｌｈ−Ｌｖ）はマイナス０．７ナノメータとなった。つまり、マスクにおける縦横線幅の誤差がほぼ補正された。

表３は、図８に表した光学絞りを介して転写されたパターンの縦方向の転写パターンの幅Ｌｖ及び横方向の転写パターンの幅Ｌｈを表す。またここでは、領域１５の透過率（Transmittance）を３０〜１００パーセントの間で順次変えて実験を実施した。

この場合には、領域１５の透過率を４０パーセントとしたときに縦横線幅（Ｌｈ−Ｌｖ）は１．０ナノメータであり、の透過率を３５パーセントとしたときに縦横線幅（Ｌｈ−Ｌｖ）はマイナス０．８ナノメータとなった。つまり、マスクにおける縦横線幅の誤差がほぼ補正された。

図１０は、図６〜図８に表した光学絞り１２を介して転写されたパターンの縦幅Ｌｖと横幅Ｌｈとの差と、透過率の低い領域１５の透過率（Transmittance）との関係を表すグラフ図である。

同図から、中心角θが９０゜の瞳面を有する光学絞りにおいては、透過率の低い領域１５の透過率が５３％のとき、縦横線幅の誤差を補正できることがわかる。同様に、中心角θが１２０゜の光学絞りにおいては、透過率の低い領域１５の透過率が約４５％のとき、縦横線幅の誤差を補正できることがわかる。中心角θが６０゜の光学絞りにおいては、透過率の低い領域１５の透過率が約３８％のとき、縦横線幅の誤差を補正できることがわかる。

ここで、本発明の投影露光装置の光学絞り１２において、透過率の低い領域と透過率が１００％の領域との配置関係は、図３あるいは図６乃至図８に表した関係には限定されない。すなわち、本発明においては、光学絞り１２の瞳面を縦方向に見た場合の配置と、横方向に見た場合の配置とが異なっていればよい。

以下に、光学絞り１２の、その他の具体例について説明する。

図１１は、本実施形態の投影露光装置において用いることができる光学絞り１２の瞳面の平面構造を表す模式図である。この光学絞り１２上にも、光源波長に対して透過率の低い領域１５と、光源波長に対して透過率の高い領域１６とが設けられている。光学絞り１２の瞳面の中心から半径ｒは透過率の高い領域１６である。そしてさらに、透過率の高い領域１６は、上下方向に延在して設けられている。なお、ｒは図２におけるマスクパターン１３及び１４のピッチサイズ、すなわち回折角によって決定され、ピッチが微細になるほどｒは大きな値が必要となる。瞳面１２の上下方向と左右方向とで、透過率の分布が異なるから、この瞳面１２を用いても、マスクパターンの縦横幅の誤差を補正することができる。

図１２は、本実施形態の投影露光装置において用いることができる光学絞り１２の瞳面の平面構造を表す模式図である。本具体例の瞳面１２においては、光源波長に対して透過率の低い領域１５が、上下方向にそれぞれ円形のパターンとして孤立して設けられている。この瞳面１２においても、上下方向と左右方向とで透過率の分布が異なるから、マスクパターンの縦横幅の誤差を補正することができる。
図１３は、本実施形態の投影露光装置において用いることができる光学絞り１２の瞳面の平面構造を表す模式図である。本具体例の瞳面１２においては、光源波長に対して透過率の低い領域１５が、上下に延伸した楕円形状に設けられている。この瞳面１２においても、上下方向と左右方向とで透過率の分布が異なるから、マスクパターンの縦横幅の誤差を補正することができる。
図１４は、本実施形態の投影露光装置において用いることができる光学絞り１２の瞳面の平面構造を表す模式図である。本具体例の光学絞り１２においては、光源波長に対して透過率の低い領域１５が、瞳面の左右にそれぞれ弓形状に設けられている。この光学絞り１２においても、上下方向と左右方向とで透過率の分布が異なるから、マスクパターンの縦横幅の誤差を補正することができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

例えば、投影露光装置を構成する露光用光源、コンデンサレンズ、投影レンズ、光学絞り、ウェーハステージなどの各要素の具体的な構造やサイズなどについては、前述したもの以外にも当業者が適宜設計したものも、本発明の要旨を含む限り、本発明の範囲に包含される。

また、具体例として図示した瞳面の形状も一例に過ぎず、例えば、上下方向に延伸する領域１５の代わりに左右方向に延伸する領域１５を設けてもよい。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての投影露光装置及び投影露光方法は、本発明の範囲に包含される。

本発明の実施の形態にかかる投影露光装置を表す模式図である。 本発明の実施の形態にかかる投影露光装置の要部の平面構造を表す模式図である。 本発明の実施の形態にかかる投影露光装置の要部の平面構造を表す模式図である。 本発明の実施の形態にかかる投影露光装置によって転写されたパターンの平面構造を表す模式図である。 本実施例の投影露光装置の要部の平面構造を表す模式図である。 本実施例の投影露光装置の要部の平面構造を表す模式図である。 本実施例の投影露光装置の要部の平面構造を表す模式図である。 本実施例の投影露光装置の要部の平面構造を表す模式図である。 図６〜図８に表した光学絞りを介して転写されたパターンの平面構造を表す模式図である。 図６〜図８に表した光学絞りを介して転写されたパターンの縦幅Ｌａと横幅Ｌｂとの差と、光源波長に対して透過率の低い領域１５の透過率との関係を表すグラフ図である。 本発明の実施例にかかる投影露光装置の要部の平面構造を表す模式図である。 本発明の実施例にかかる投影露光装置の要部の平面構造を表す模式図である。 本発明の実施例にかかる投影露光装置の要部の平面構造を表す模式図である。 本発明の実施例にかかる投影露光装置の要部の平面構造を表す模式図である。 マスク上において縦横の線幅誤差が生じている場合を例示する模式図である。

符号の説明

１ 露光用光源
２ コンデンサレンズ
３ 投影レンズ
４ ウェーハステージ
５ 半導体ウェーハ
１０ 投影露光装置
１１ レチクル
１２ 光学絞り
１３ 縦方向のマスクパターン
１４ 横方向のマスクパターン
１５ 透過率の低い領域
１６ 透過率の高い領域

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源から放出された光を集束し光学マスクに照射する第１の光学系と、
   前記光学マスクを透過した光を被照射体に投影する第２の光学系と、
   を備え、
   前記第１の光学系及び前記第２の光学系の少なくともいずれかに、瞳面上の光透過率分布が異方性を有する光学絞りを設けることにより、前記被照射体に転写されるパターンにおける縦横線幅の比率を調整可能としたことを特徴とする投影露光装置。
2. 前記光学絞りは、その瞳面上において、前記光源から放出される光に対する透過率が低い第１の領域と、前記光に対する透過率が高い第２の領域と、を有することを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
3. 前記瞳面上において、前記第１の領域及び前記第２の領域のいずれかが第１の方向に延在して設けられたことを特徴とする請求項２記載の投影露光装置。
4. 前記第１の領域は、半透明膜を有することを特徴とする請求項２または３に記載の投影露光装置。
5. 光源から放出された光を光学マスクを介して被照射体に照射することにより、前記光学マスクのパターンを前記被照射体に転写する投影露光方法であって、
   前記光源と前記光学マスクとの間、及び前記光学マスクと前記被照射体との間の少なくともいずれかに、瞳面上の光透過率分布が異方性を有する光学絞りを設けることにより、前記被照射体に転写されるパターンにおける縦横線幅の比率を調整可能としたことを特徴とする投影露光方法。
   
   
   

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