JP2007019098A - 露光装置及び露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フレア光に起因するレジストパターンの寸法のばらつきを抑制し、これによって半導体装置の配線幅のばらつきを抑制できる露光装置を提供する。
【解決手段】 露光装置１００は、露光光源３１と、露光光源３１で発生した露光光５２を、遮光領域１６と透光領域１５とから構成されるレチクル１１上に照射する光照射部３０と、レチクル１１の透光領域１５を透過した露光光５２をウエハ２１上に投影する投影部４０とを備える露光光学系、及び、ウエハ２１上に補償光６３を投影する補償光学系（６０）を備える。補償光６３は、ウエハ２１上でフレア光の光強度分布とは強弱関係が異なる光強度分布を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、露光装置及び露光方法に関し、特に、半導体製造のフォトリソグラフィ工程に好適に適用される技術に関する。

半導体製造のフォトリソグラフィ工程では、ウエハ表面にフォトレジストを塗布した後、露光、現像、及びエッチングを経て、使用済みのフォトレジストを除去する一連のプロセスが行われる。近年のフォトリソグラフィ工程では、半導体装置の配線幅の微小化に伴い、微細な回路パターンを形成する必要があり、高い位置精度による露光が要請されている。図１６に従来の露光装置の概要を示す。露光装置２００は、レチクル１１の透光領域として構成される回路パターンを、露光光学系によってウエハステージ２２上に載置されたウエハ２１の表面に投影する装置であって、ウエハ２１の表面には光感光性を有するフォトレジストが塗布されている。

露光光学系は、露光光源３１から出射された露光光５２をレチクル１１に照射する光照射部３０と、レチクル１１の透光領域を透過した露光光５２をウエハ２１の表面に投影する投影部４０とから構成されている。光照射部３０及び投影部４０は、レンズ等の各種の光学機器から構成されている。図中の符号３２〜３４，３６は光照射部３０の各種のレンズを、符号３５は光照射部３０の可変視野絞りをそれぞれ示している。

ところで、従来の露光装置では、露光光に起因してフレア（flare）光が発生し、ノイズ光としてウエハ上に投影される問題があった。フレア光は、レチクルの回路パターンの各部分の開口率によって、ウエハ上に投影される光強度が異なる。このため、現像後にウエハ上に形成されるフォトレジストのパターン（レジストパターン）では、フレア光の光強度のばらつきを反映し、レジストパターンの各部分の間で寸法にばらつきが生じる。近年の半導体装置の配線幅の微小化に伴って、フレア光がレジストパターンの寸法に与える影響が益々大きくなっている。

フレア光は、レンズ内の屈折率の不均一性、レンズ表面の形状誤差、ウエハ表面やレンズ表面での反射、レンズ表面に付着する不純物質などの様々な要因に起因して生じる。このため、従来より、収差の改善、レンズ表面のコーティング、又は、レンズ表面の加工精度の向上などの様々な対策によってフレア光を低減させている。

ところが、近年、露光光源の短波長化に伴って、露光光に対するフレア光の光強度が益々増大し、上記対策だけではフレア光の影響を充分に抑制できなくなっている。例えば露光光源に発光波長が193nmのＡｒＦエキシマレーザを用いると、レンズ表面に付着した不純物質が多い際には、フレア光の光強度が露光光の１／２から同程度までと極めて大きくなる。フレア光に起因するレジストパターン寸法のばらつきによって、半導体装置の配線幅がばらつき、歩留りが大幅に低下する事例も報告されている。

特許文献１は、ある回路パターンから５０μｍ以内といった比較的近距離で発生するフレア光（ローカルフレア光）の影響を抑制するために、レチクルにダミーパターンを形成することを提案している。
特開２００４−６２０８８号公報

特許文献１によれば、回路パターンの各部分の間で、開口率のばらつきを低減できるようにダミーパターンを形成することによって、フォトレジストに投影されるローカルフレア光の光強度のばらつきを抑制できるものとしている。しかし、この技術では、ダミーパターンの大きさや形状が制約を受けるため、光強度のばらつきが比較的小さいローカルフレア光の抑制に対しては有効であるものの、レチクルの全範囲でフレア光の影響を抑制するには限界があった。

本発明は、上記に鑑み、フレア光に起因するレジストパターンの寸法のばらつきを抑制し、これによって半導体装置の配線幅のばらつきを抑制できる露光装置及び露光方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る露光装置は、光源と、該光源で発生した露光光を、遮光領域と透光領域とから構成されるマスク上に照射する光照射部と、該マスクの透光領域を透過した露光光を感光体上に投影する投影部とを備える露光光学系を有する露光装置であって、
前記感光体上に補償光を投影する補償光学系を備え、
前記補償光は、前記感光体上でフレア光の光強度分布とは強弱関係が異なる光強度分布を有することを特徴とする。

また、本発明に係る露光方法は、露光光を用いて遮光領域及び透光領域を有するマスクの画像を感光体上に投影する露光方法において、
露光光に加えて、露光光のフレア光を補償する補償光を前記感光体上に投影することを特徴とする。

本発明の露光装置及び露光方法によれば、フレア光の光強度分布とは強弱関係が異なる光強度分布を有する補償光が感光体上に投影されることによって、フレア光の光強度分布のばらつきを抑制できる。半導体製造のフォトリソグラフィ工程では、これによって、フレア光に起因するレジストパターン寸法のばらつきを抑制し、半導体装置の配線幅のばらつきを抑制することが出来る。ここで、本発明で使用する用語「マスク」には、露光装置で一般的に使用される基準パターンを形成した基板、例えばレチクルやマスクなどが含まれる。

本発明の露光装置の好適な実施態様では、前記補償光は前記マスクの遮光領域で反射された後に、前記感光体上に投影される。この場合、感光体上に投影される補償光は、感光体上に投影されるフレア光とは強弱関係がほぼ正反対の光強度分布を生じる。感光体上に投影される補償光の光強度をフレア光の光強度と同程度になるように調節することによって、感光体上に投影されるノイズ光全体の光強度分布を均一化することが出来る。

上記実施態様では、前記補償光は、前記露光光学系の投影部を経由してもよく、補償光学系を低コストに構成することが出来る。或いは、前記補償光は、前記露光光学系の投影部とは別の投影部を経由してもよく、この場合、補償光学系の投影部を独立に構成することによって、補償光の波長の選択範囲を広げることが出来る。

上記実施態様では、前記補償光は、ミラーによって、前記マスクに向けて反射されてもよく、マスクの遮光領域に向けて照射される補償光の指向性を高めることが出来る。

以下に、図面を参照し、本発明の実施形態に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る露光装置の構成を示す断面図である。露光装置１００は、レチクル１１の透光領域として構成される回路パターンを、露光光学系によってウエハ２１の表面に投影する装置であって、ウエハ２１の表面には、例えばポジ型のフォトレジストが塗布されている。

レチクル１１は、透明基板１２と、透明基板１２の表面に形成された、光透過率が０％のクロムから成る遮光膜１３とから成る。レチクル１１の中央のパターン形成領域１４では、一部の遮光膜１３が形成されず、光を透過させる透光領域１５を構成している。遮光膜１３が形成された領域は、遮光領域１６を構成する。

レチクル１１は、遮光膜１３を下に向けた状態で、パターン形成領域１４を露出する枠形状のレチクルステージ１７上に載置される。レチクルステージ１７は、レチクルステージ１７を移動可能に保持するステージ駆動部１８に接続されている。

ウエハ２１は、ウエハステージ２２上に配設されたウエハホルダ２３上に載置され、ウエハステージ２２は、ウエハステージ２２を駆動するステージ駆動部２４に接続されている。

露光光学系は、露光光源３１から出射された露光光５２をレチクル１１に照射する光照射部３０と、レチクルの透光領域１５を透過した露光光５２をウエハ２１の表面に投影することによって、レチクル１１の回路パターンをウエハ２１の表面に結像する投影部４０とから構成されている。同図中、符号５１は、ウエハ２１の表面に垂直な露光光学系の光軸を示している。

光照射部３０は、露光光源３１側から順次に配設された、コリメータレンズ３２、フライアイレンズ３３、リレーレンズ３４、可変視野絞り３５、及びリレーレンズ３６を備える。露光光源３１は、出射光の波長が193nmのＡｒＦエキシマレーザである。

露光光源３１から出射された露光光５２は、コリメータレンズ３２によって光軸５１と平行方向に視準され、フライアイレンズ３３によって光軸５１に垂直な面内での光強度が均一化される。フライアイレンズ３３を通過した露光光５２は、リレーレンズ３４によって集光され、可変視野絞り３５によってその視野が規定された後、再び拡散して次のリレーレンズ３６に入射する。リレーレンズ３６に入射した露光光５２は、リレーレンズ３６によってレチクル１１の回路パターン上に集光される。

レチクルの透光領域１５を透過した露光光５２は拡散し、投影部４０に入射する。投影部４０に入射した露光光５２は、光軸５１に平行に進行した後に集光され、ウエハ２１の表面にレチクル１１の回路パターンを結像するように投影される。

本実施形態の露光装置１００では、露光光学系とは別に、フレア光の光強度分布と強弱関係が正反対の光強度分布を有する補償光をウエハ２１上に投影する、補償光学系が配設される。補償光学系は、露光光学系の投影部４０の近傍に光照射部６０を備える。補償光学系の光照射部６０は、補償光源６１と、補償光源６１から出射された補償光６３を、レチクル１１に向けて反射するミラー６２とを備える。補償光源６１は、補償光６３として波長が172ｎｍの光を出射するＸｅ₂誘電体バリア放電ランプである。補償光学系の投影部は、本実施形態では、露光光学系の投影部４０と一体的に構成される。

補償光源６１から出射された補償光６３は、ミラー６２によってレチクル１１に向けて反射される。レチクル１１に入射した補償光６３のうち遮光領域１６に入射した光は、遮光膜１３の反射率に応じて、その一部が光軸５１を挟んでミラー６２の反対側へ反射される。透光領域１５に入射した光は、透明基板１２を透過して外部に発散される。レチクル１１で反射された光は、投影部４０の周辺部に入射し、光軸５１と平行に進行した後に集光され、ウエハ２１の表面に投影される。

なお、本実施形態では、補償光学系の投影部が、露光光学系の投影部４０と一体的に構成されるため、補償光６３をウエハ２１上に結像するためには、補償光源６１に、露光光源３１と波長が同じか又は近いものを用いることが望ましい。しかし、フレア光は比較的広い波長分布を有しているため、ウエハ２１上に厳密な正確さで結像させる必要はなく、波長が露光光源３１と若干異なっていても構わない。

例えば、本実施形態では、Ｘｅ₂誘電体バリア放電ランプ以外に、ＡｒＦエキシマレーザ（193nm）、ＫｒＣｌ誘電体バリア放電ランプ（222nm）を用いることも出来る。しかし、Ｘｅ₂誘電体バリア放電ランプは比較的安価であるため、これを補償光源６１として用いることによって、低コストな補償光学系を実現することが出来る。

本実施形態の露光装置１００では、ウエハ２１上には、露光光５２以外に、ノイズ光としてフレア光及び補償光６３が投影される。レチクルの透光領域１５を透過してウエハ２１上に投影されるフレア光の光強度は、レチクル１１の回路パターンの開口率が高い部分では大きく、低い部分で小さくなる。これに対して、レチクルの遮光領域１６で反射されウエハ２１上に投影される補償光の光強度は、レチクル１１の回路パターンの開口率が高い部分では小さく、低い部分で大きくなる性質がある。なお、本発明で開口率とは、透光領域と遮光領域とを合わせた面積に対する、透光領域の面積の比率を言う。

つまり、ウエハ２１上に投影される補償光６３は、ウエハ２１上に投影されるフレア光とは強弱関係が正反対の光強度分布を生じる。この関係は、レチクル１１の回路パターンの形状に依存しない。従って、補償光源６１の発光強度を調節することによって、ウエハ２１上に投影される補償光６３の光強度をフレア光の光強度と同程度になるように調節して、ウエハ２１上に投影されるノイズ光全体の光強度分布を均一化することが出来る。これによって、レジストパターンの寸法のばらつきを抑制し、半導体装置の配線幅のばらつきを抑制することが出来る。

上記実施形態の作用を検討する第１の検討として、図４に示したレチクルの回路パターンをウエハ上に投影する場合を検討する。レチクル７０では、その略全面が遮光領域１６であり、中央のパターン形成領域１４に、複数のストライプ状透光領域７１が相互に平行に一定の間隔をおいて配設されている。ストライプ状透光領域７１の幅と、隣接するストライプ状透光領域７１の間隔とは、同じであり、従ってパターン形成領域１４の平均の開口率は５０％である。

ウエハ上に投影される露光光の光強度分布は、各ストライプ状透光領域７１の形状及び間隔が同じであるため、図５（ａ）に示すように、各ストライプ状透光領域７１に対応するウエハ上の部分の光強度が同じになる。レチクルの遮光膜が、光透過率が０％のクロムから構成されているため、遮光領域１６に相当するウエハ上の部分の光強度は０になる。

仮に、ウエハ上に露光光のみが投影されるとすると、現像後に形成されるフォトレジスト２５の各ストライプ状パターン７２の線幅は、上記光強度分布を反映し、図５（ｂ）に示すように、ほぼ同じになる。なお、図５（ａ）で、各ストライプ状透光領域７１に対応するウエハ上の部分の光強度が矩形にならないのは、投影部が高次回折光を透過しないことに起因しており、フレア光によるものではない。

次に、フレア光の影響を考える。ウエハ上に投影されるフレア光の光強度分布は、図６に示すように、レチクル１１の開口率が高いパターン形成領域１４の中央部で大きく、開口率が低いパターン形成領域１４の周辺部に向かって徐々に小さくなる。フレア光の光強度は、レチクル１１の遮光領域と透光領域の境界で急激には変化せず、この境界付近で徐々に変化する性質がある。

図１６に示した従来の露光装置では、ウエハ上に投影される光は、露光光とフレア光との重ね合わせとなり、各ストライプ状透光領域７１に対応したウエハ２１上の光強度は、図７（ａ）に示すように、パターン形成領域１４の中央部に比して周辺部で小さくなる。従って、現像後に形成されるフォトレジスト２５の各ストライプ状パターン７２の線幅は、上記光強度分布を反映して、図７（ｂ）に示すように、フォトレジスト２５のパターン形成領域７３の中央部に比して周辺部で太くなる。

上記従来の露光装置に対して、本実施形態の露光装置では、補償光学系が配設され、図８に示すように、フレア光の光強度分布と強弱関係が正反対の光強度分布を有する補償光がウエハ上に投影される。このため、ウエハ上に投影される光は、図７（ａ）に示した光と図８に示した光と重ね合わせになり、図９に示すように、ノイズ光全体の光強度分布が均一化され、各ストライプ状透光領域７１に対応したウエハ２１上の光強度は、ほぼ同じになる。

従って、現像後に形成されるフォトレジスト２５の各ストライプ状パターン７２の線幅は、上記光強度分布を反映して、図５（ｂ）と同様に、ほぼ同じになる。なお、図５〜９は何れも、図４のＶ−Ｖ線に対応するウエハの部分のグラフ又は断面を示している。

上記実施形態の作用を検討する第２の検討として、図１０に示したレチクルの回路パターンをウエハ上に投影する場合を検討する。レチクル８０では、その略全面が透光領域１５であり、中央のパターン形成領域１４に、複数のストライプ状遮光領域８１が相互に平行に一定の間隔をおいて配設されている。ストライプ状遮光領域８１の幅と、隣接するストライプ状遮光領域８１の間隔とは、同じであり、従ってパターン形成領域１４の平均の開口率は５０％である。

ウエハ上に投影される露光光の光強度分布は、各ストライプ状遮光領域８１の形状及び間隔が同じであるため、図１１（ａ）に示すように、各ストライプ状遮光領域８１に挟まれる各ストライプ状透光領域８２に対応するウエハ上の部分の光強度が同じになる。レチクルの遮光膜が、光透過率が０％のクロムから構成されているため、遮光領域１６に相当するウエハ上の部分の光強度は０になる。仮に、ウエハ上に露光光のみが投影されるとすると、現像後に形成されるフォトレジスト２５の各ストライプ状パターン８３の線幅は、上記光強度分布を反映し、図１１（ｂ）に示すように、ほぼ同じになる。

フレア光の影響を考えると、ウエハ上に投影されるフレア光の光強度分布は、図１２に示すように、レチクル１１の開口率が低いパターン形成領域１４の中央部で小さく、開口率が高いパターン形成領域１４の周辺部に向かって徐々に大きくなる。

図１６に示した従来の露光装置では、ウエハ上に投影される光は、露光光とフレア光との重ね合わせとなり、各ストライプ状透光領域８２に対応したウエハ２１上の光強度は、図１３（ａ）に示すように、パターン形成領域１４の中央部に比して周辺部で大きくなる。従って、現像後に形成されるフォトレジスト２５の各ストライプ状パターン８３の線幅は、上記光強度分布を反映して、図１３（ｂ）に示すように、フォトレジスト２５のパターン形成領域８４の中央部に比して周辺部で細くなる。

上記従来の露光装置に対して、本実施形態の露光装置では、補償光学系が配設され、図１４に示すように、フレア光の光強度分布と強弱関係が正反対の光強度分布を有する補償光がウエハ上に投影される。このため、ウエハ上に投影される光は、図１３（ａ）に示した光と図１４に示した光と重ね合わせになり、図１５に示すように、ノイズ光全体の光強度分布が均一化され、各ストライプ状透光領域８２に対応したウエハ２１上の光強度は、ほぼ同じになる。

従って、現像後に形成されるフォトレジスト２５の各ストライプ状パターン８３の線幅は、上記光強度分布を反映して、図１１（ｂ）と同様に、ほぼ同じになる。なお、図１１〜１５は何れも、図１０のXI−XI線に対応するウエハの部分のグラフ又は断面を示している。なお、上記実施形態で、補償光の光強度はフレア光の光強度とほぼ同じとしたが、必ずしも同じでなくてもよい。また、補償光は、フレア光の光強度分布を補償すればよく、必ずしも光強度の強弱関係が正反対でなくてもよい。

図２は、上記実施形態の第１変形例に係る露光装置の構成を示す断面図である。露光装置１０１では、補償光学系の投影部６４が、露光光学系の投影部４０とは独立に構成されている。補償光学系の投影部６４は、露光光学系の投影部４０を挟んで、補償光学系の光照射部６０の反対側に配設されている。

本変形例によれば、補償光学系の投影部６４を、露光光学系の投影部４０とは独立に設計できる。従って、補償光源６１に、フォトレジストが感光する波長の範囲内で、様々な波長の補償光を出射する光源を用いることが出来る。例えば、ｉ線水銀ランプ（365nm）、ｇ線水銀ランプ（438nm）、ＫｒＦエキシマレーザ（248nm）、ＡｒＦエキシマレーザ（193nm）、Ｆ₂エキシマレーザ（157nm）、Ｋｒ₂エキシマレーザ（146nm）、Ａｒ₂エキシマレーザ（126nm）、ＸｅＣｌ誘電体バリア放電ランプ（308nm）、ＫｒＣｌ誘電体バリア放電ランプ（222nm）、又は、Ｘｅ₂誘電体バリア放電ランプ（172nm）などを用いることが出来る。本変形例では、補償光源６１として、ｉ線水銀ランプを用いる。

図３は、上記実施形態の第２変形例に係る露光装置の構成を示す断面図である。露光装置１０２では、補償光源６１から出射された補償光６３が、レチクル１１に向けて直接に出射されるように配置されている。露光装置１０２では、ミラー６２は配設されない。本変形例の露光装置１０２は、上記を除いては、図２に示した露光装置と同様の構成を有している。ミラーを省略することによって、補償光学系に必要なコストを低減することが出来る。

なお、上記実施形態では、レチクルの遮光膜が、光透過率が０％のクロムから成るものとしたが、遮光膜が、金属酸化物、金属窒化物、又は金属フッ化物のように数％程度の光透過率を有する材料であっても、上記実施形態と同様な効果が得られる。また、ウエハ上に塗布されるフォトレジストは、ポジ型でなくネガ型であっても同様な効果が得られる。露光光源には、ＡｒＦエキシマレーザ以外の光源を用いても構わない。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明に係る露光装置及び露光方法は、上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施した露光装置及び露光方法も、本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態に係る露光装置の構成を示す断面図である。 実施形態の第１変形例に係る露光装置の構成を示す断面図である。 実施形態の第２変形例に係る露光装置の構成を示す断面図である。 レチクルパターンの一例を示す平面図である。 図５（ａ）は、ウエハ上に投影された露光光の光強度分布を示すグラフであり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の光強度分布によってウエハ上に形成されるレジストパターンを示す断面図である。 ウエハ上に投影されるフレア光の光強度分布を示すグラフである。 図７（ａ）は、露光光とフレア光とを重ね合わせた光強度分布を示すグラフであり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の光強度分布によってウエハ上に形成されるレジストパターンを示す断面図である。 ウエハ上に投影される補償光の光強度分布を示すグラフである。 露光光、フレア光、及び補償光を重ね合わせた光強度分布を示すグラフである。 レチクルパターンの一例を示す平面図である。 図１１（ａ）は、ウエハ上に投影された露光光の光強度分布を示すグラフであり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の光強度分布によってウエハ上に形成されるレジストパターンを示す断面図である。 ウエハ上に投影されるフレア光の光強度分布を示すグラフである。 図１３（ａ）は、露光光とフレア光とを重ね合わせた光強度分布を示すグラフであり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の光強度分布によってウエハ上に形成されるレジストパターンを示す断面図である。 ウエハ上に投影される補償光の光強度分布を示すグラフである。 露光光、フレア光、及び補償光を重ね合わせた光強度分布を示すグラフである。 従来の露光装置の構成の一例を示す断面図である。

符号の説明

１００，１０１，１０２：露光装置
１１：レチクル
１２：透明基板
１３：遮光膜
１４：パターン形成領域
１５：透光領域
１６：遮光領域
１７：レチクルステージ
１８：ステージ駆動部
２１：ウエハ
２２：ウエハステージ
２３：ウエハホルダ
２４：ステージ駆動部
２５：フォトレジスト
３０：露光光学系の光照射部
３１：露光光源
３２：コリメータレンズ
３３：フライアイレンズ
３４：リレーレンズ
３５：可変視野絞り
３６：リレーレンズ
４０：露光光学系の投影部
５１：光軸
５２：露光光
６０：補償光学系の光照射部
６１：補償光源
６２：ミラー
６３：補償光
６４：補償光学系の投影部
７０：レチクル
７１：ストライプ状透光領域
７２：フォトレジストのストライプ状パターン
７３：フォトレジストのパターン形成領域
８０：レチクル
８１：ストライプ状遮光領域
８２：ストライプ状透光領域
８３：フォトレジストのストライプ状パターン
８４：フォトレジストのパターン形成領域

Claims (7)

1. 光源と、該光源で発生した露光光を、遮光領域と透光領域とから構成されるマスク上に照射する光照射部と、該マスクの透光領域を透過した露光光を感光体上に投影する投影部とを備える露光光学系を有する露光装置であって、
   前記感光体上に補償光を投影する補償光学系を備え、
   前記補償光は、前記感光体上でフレア光の光強度分布とは強弱関係が異なる光強度分布を有することを特徴とする露光装置。
2. 前記補償光は前記マスクの遮光領域で反射された後に、前記感光体上に投影される、請求項１に記載の露光装置。
3. 前記補償光は、前記露光光学系の投影部を経由する、請求項２に記載の露光装置。
4. 前記補償光は、前記露光光学系の投影部とは別の投影部を経由する、請求項２に記載の露光装置。
5. 前記補償光は、ミラーによって、前記マスクに向けて反射される、請求項２〜４の何れか一に記載の露光装置。
6. 露光光を用いて遮光領域及び透光領域を有するマスクの画像を感光体上に投影する露光方法において、
   露光光に加えて、露光光のフレア光を補償する補償光を前記感光体上に投影することを特徴とする露光方法。
7. 補償光源からの光を、前記遮光領域で反射させて前記補償光とする、請求項６に記載の露光方法。

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