JP2009141154A - 走査露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い解像度と十分な焦点深度とを両立させる走査露光装置を提供する。
【解決手段】本発明の走査露光装置は、パルス発振される露光光の中心波長を変更可能な光源を有し、前記露光光のパルス発振と同期させて前記中心波長を周期的に変化させつつ帯状の露光光で基板を走査露光する。走査露光装置は、目標中心波長を基準として短波長側の波長帯域、長波長側の波長帯域において露光光の波長ごとの光強度を走査方向で積分した積分値をそれぞれSws、Swlとしたとき、Sws及びSwlが、０＜｜（Sws−Swl）／（Sws＋Swl）｜≦０．１を満たすように、光源を制御する制御器を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、走査露光装置及びデバイス製造方法に関するものである。

従来、ＬＳＩ又は超ＬＳＩ等の極微細パターンから形成される半導体素子の製造工程において、マスク（レチクル）に描かれた回路パターンを感光剤が塗布された基板（ウエハ）上に縮小露光して焼付け、パターンを形成する縮小投影露光装置が使用されている。

半導体素子の実装密度の向上に伴い、より一層のパターンの微細化が要求されており、レジストプロセスの発展と同時に露光装置に対しても微細化への要求が増大しつつある。

露光装置の解像度を向上させる手法として、露光波長をより短波長に変える手法と、縮小投影光学系の開口数（ＮＡ）を大きくする手法とがある。解像度を向上させると、縮小投影光学系の焦点深度が浅くなるため、解像度とプロセスに必要とされる焦点深度の確保との両立が重要な課題となっている。

特許文献１には、投影光学系の色収差を利用して、露光光の中心波長の変化と露光光のパルス発振とを同期させ、結像位置の異なる像を積算することで解像度と焦点深度とを両立させる技術が開示されている。
特許第２５７６７９８号公報

しかしながら、走査型露光装置では、照明光のばらつきに対して走査時間内に積算される露光量を一定とするために、走査露光方向に直交する開口方向の光強度や開口の幅を変えることで調整している。そのような場合には、走査方向に直交する開口の光強度分布が一様ではないことがある。

走査露光方向と直交する方向におけるスリット開口内の光分布が一様ではない走査露光装置に特許文献１記載の技術を適用しても、露光光の中心波長を変化させて積算された波長強度分布が開口の位置により異なってしまう。積算された波長強度分布のばらつきは、すなわち積算されるフォーカス分布の差異であり、開口の位置、走査露光の積算位置により最良結像位置にばらつきを生じさせる。その結果、走査露光画面全体の共通の焦点深度を減少させてしまうことがある。

本発明の目的は、高い解像度と十分な焦点深度とを両立させる走査露光装置を提供することにある。

本発明は、パルス発振される露光光の中心波長を変更可能な光源を有し、露光光のパルス発振と同期させて中心波長を周期的に変化させつつ帯状の露光光で基板を走査露光する走査露光装置であって、目標中心波長を基準として短波長側の波長帯域、長波長側の波長帯域において露光光の波長ごとの光強度を走査方向で積分した積分値をそれぞれSws、Swlとしたとき、Sws及びSwlが、
０＜｜（Sws−Swl）／（Sws＋Swl）｜≦０．１
を満たすように、光源を制御する制御器を備えることを特徴とする。

本発明によれば、高い解像度と十分な焦点深度とを両立させる走査露光装置を提供することができる。

［露光装置の実施例］
図１は本発明の一実施例に係わる走査露光装置の概略構成を示す。光源１０１は、例えばＡｒＦ又はＫｒＦエキシマレーザ光源である。光源１０１は、波長が１９３ｎｍ又は２４８ｎｍの遠紫外領域の光をパルス発振する。また、光源１０１には、共振器を構成するフロントミラー、回折格子、プリズム等からなる狭帯化モジュール、モニタモジュール及びシャッタ等が設けられる。回折格子は露光波長を狭帯化する。モニタモジュールは、波長の安定性、スペクトル幅をモニタするための分光器やディテクタ等からなる。光源１０１より射出される露光光の中心波長は変更可能に構成されている。光源１０１は、回折格子への入射角を変更させて、エキシマレーザのパルス発振と同期させて露光光の中心波長を変更するための高応答性を有するアクチュエータも備えている。

光源１０１のガス交換動作制御、波長安定化のための制御、放電印加電圧の制御等は、光源制御器１０２により行われる。本実施例では、前記制御は、光源制御器１０２のみでは行われず、インタフェースケーブルで接続した露光装置全体の主制御器１０３からの命令で行われるように構成されている。

光源１０１より射出したビームは、照明光学系１０４のビーム整形光学系（不図示）を介して所定のビーム形状に整形された後、オプティカルインテグレータ（不図示）に入射され、レチクル１０９を均一な照度分布で照明するために多数の２次光源を形成する。

照明光学系１０４の開口絞り１０５の開口部の形状はほぼ円形であり、照明系制御器１０８によってその開口部の直径、ひいては照明光学系１０４の開口数（ＮＡ）を所望の値に設定される。縮小投影光学系１１０の開口数に対する照明光学系１０４の開口数の比の値がコヒーレンスファクタ（σ値）であるため、照明系制御器１０８は照明光学系の開口絞り１０５を制御することで、σ値を設定できることになる。

照明光学系１０４の光路上にはハーフミラー１０６が配置され、レチクル１０９を照明する露光光の一部がこのハーフミラー１０６により反射され取り出される。ハーフミラー１０６の反射光の光路上には紫外光用のフォトセンサ１０７が配置され、フォトセンサ１０７は、露光光の強度（露光エネルギ）に対応した出力を発生する。

フォトセンサ１０７の出力は、光源１０１のパルス発光毎に積分を行う積分回路（不図示）によって１パルスあたりの露光エネルギに変換され、照明系制御器１０８を介して露光装置本体を制御する主制御器１０３に入力される。

原版としてのレチクル（マスク）１０９には、焼き付けを行う半導体素子の回路パターンが形成されており、照明光学系１０４より露光光が照射される。縮小投影光学系１１０は、レチクル１０９の回路パターン像を縮小倍率β（βは例えば１／４）で縮小し、フォトレジストが塗布された感光基板であるウエハ１１５上の１つのショット領域に結像投影するように配置されている。

縮小投影光学系１１０の瞳面（レチクルに対するフーリエ変換面）上には、開口部がほぼ円形である縮小投影光学系１１０の開口絞り１１１が配置され、モータ等の駆動機構１１２によって開口部の直径が制御され、所望の値に設定される。

フィールドレンズ駆動機構１１３は、縮小投影光学系１１０中のレンズ系の一部を構成しているフィールドレンズを、空気圧や圧電素子などを利用して縮小投影光学系１１０の光軸上に移動させるものである。フィールドレンズ駆動機構１１３は、縮小投影光学系１１０の諸収差の悪化を防止しつつ、投影倍率を良好にさせ歪曲誤差を減らしている。

ウエハステージ１１６は３次元方向に移動可能であり、縮小投影光学系１１０の光軸方向（Ｚ方向）、及びこの方向に直交する面内（Ｘ−Ｙ面）を移動できる。そして、ウエハステージ１１６に固定された移動鏡１１７との間の距離をレーザ干渉計１１８で計測することでウエハステージ１１６のＸ−Ｙ面位置が検出される。

露光装置の主制御器１０３の制御下にあるステージ制御器１２０は、レーザ干渉計１１８によりウエハステージ１１６の位置を検出し、モータ等の駆動機構１１９を制御することで、ウエハステージ１１６を所定のＸ−Ｙ面位置へ移動させる。

投光光学系１２１及び検出光学系１２２は、フォーカス面検出器を構成しており、投光光学系１２１はウエハ１１５上のフォトレジストを感光させない非露光光から成る複数個の光束を投光し、該光束はウエハ１１５上に各々集光されて反射される。ウエハ１１５で反射された光束は、検出光学系１２２に入射される。

図示は略したが、検出光学系１２２内には各反射光束に対応させて複数個の位置検出用の受光素子が配置されており、各位置検出用受光素子の受光面とウエハ１１５上での各光束の反射点が結像光学系によりほぼ共役となるように構成されている。縮小投影光学系１１０の光軸方向におけるウエハ１１５面の位置ずれは、検出光学系１２２内の位置検出用受光素子上における入射光束の位置ずれとして計測される。

図２は走査露光時に中心波長を変化させることで、色収差によりフォーカス位置が変化し、光学像が光軸上に積算されることを模式的に示したものである。図７はこのような手法により、焦点深度が拡大することを示したものである。図７では、許容される像変化に対して、デフォーカス（焦点位置）と露光量変化許容量の関係が図示されている。図７において、上下２本の曲線とある許容露光量との交点とで囲まれる矩形領域が大きいほど露光の余裕度があることになる。本手法における焦点深度とは、矩形領域における横軸側（デフォーカス）の幅の大きさを指す。矩形領域の横軸の許容幅は、図からわかるように、中心波長を変化させない場合（実線）に比べ、中心波長を変化させてフォーカス方向に像を積算した場合(破線)の方が広い。この幅が相対的に広がっていることは、すなわち焦点深度が拡大していることを示している。

走査露光による積算波長帯域を広くすることにより、とりわけ透過部の割合の小さい孤立パターンにおいて、光軸方向に連続的に結像させることで実効的な焦点深度を深くすることができることは、特許文献１に記されている通りである。

次に本発明で規定する露光光の波長ごとの光強度を走査方向に積分した積分値である波長強度分布の対称性について説明する。図３のように狭帯域化された露光光（レーザ）の中心波長を周期的に変化させた場合の波長強度分布を示したものが、図４である。ここで周期パターンにおける振幅の中心を目標とする基準波長、すなわち目標中心波長とする。目標中心波長より短波長側の波長帯域における露光光の波長ごとの光強度を走査方向で積分した積分値をSwsとする。また、目標中心波長より長波長側の波長帯域における波長ごとの露光光の波長ごとの光強度を積分した積分値をSwlとする。そうしたとき、発明者は、従来技術における課題であった共通深度を減少させる波長強度分布の要因が、波長強度分布の短波長帯域の積分値（Sws）と長波長帯域の積分値（Swl）の非対称性であることを見出した。

走査露光装置では照明光のばらつきに対して、走査時間内に積算される露光量を一定にするために、走査露光方向に直行する開口方向の光強度や開口の幅を変えることで調整しており、走査方向に直交する開口の光強度分布が同一にならないことがある。

走査方向に直交する開口の光強度分布が同一でない走査露光装置における開口内の光強度分布の違いは、本来必要な一周期の中心波長駆動を行った場合でも、開口や走査露光方向における各々で積算される波長強度分布は一様にならない。また、走査方向に直交する開口の幅が異なる場合、開口の場所により積算される周期数が異なることから、走査による中心波長駆動の積算される周期の位相が変化し、対称性が変化してしまう。このような場合の波長強度分布を示したのが図５である。

走査方向に直交する開口の光強度分布が同一でない走査露光装置において積算される波長強度分布に非対称性が生じる場合、周期内に露光を行うパルス数を増加させてもこの現象を抑制することはできない。

図６は走査方向に直行する開口の大きさが異なる走査露光装置において、開口の最も狭い部分にほぼ１周期を入れた場合において、開口幅がこれより大きな場所において、１．７５周期で積算された際の積算波長強度分布を示した一例である。積算周期が整数倍にならず、光強度分布の影響から光強度分布の対称性が悪化していることがわかる。

この場合の焦点深度の拡大効果を図７と同じ形式で示したものが図９である。積算された波長強度分布が偏っていることで、許容値を示すカーブの頂点が（−）側に大きくシフトしており、（＋）側の許容深度が小さくなっている。この図において（−）側の焦点深度は著しく増大していることが読み取れる。この波長強度分布の非対称性は走査露光方向に対する積算時に中心波長に対して波長強度分布が対称的に変化することから、実際にはこの許容カーブもベストフォーカスに対して対称な場合（一点鎖線）との共通領域しかない。したがって、（＋）側の許容値と同じ領域を（−）側に示した領域（ハッチ領域）が許容領域になる。この場合、波長を変化させない場合（実線）に比べて焦点深度が減少しており、焦点深度を拡大する効果が無いことがわかる。

中心波長を周期的に変化させ波長強度分布を変化させて焦点深度を向上させるために、SwsとSwlを用いて表現した波長強度分布の非対称性が次の式１を少なくとも満たすように、光源を制御することが有効であることを見出した。
０＜｜（Sws−Swl）／（Sws＋Swl）｜≦０．１ （式１）
図６の波長強度分布を示す例では、｜（Sws−Swl）／（Sws＋Swl）｜の値は０．１２であり、式１の条件を満たしていない。

図８は、積算される周期が最も少ない場所に２周期を入れる、すなわち基板の上の各点を露光する露光光の中心波長が２周期変化させた場合の波長強度分布を示したものである。この場合も図９と同様に、波長強度分布の非対称性からカーブの頂点が（−）側にシフトしている。しかし、走査露光中の対称的な波長強度分布の変化を考慮した許容領域（破線）における焦点深度は、波長を変化させない場合（実線）に比べ増加していることがわかる。図８の波長強度分布を示す例における｜（Sws−Swl）／（Sws＋Swl）｜の値は０．０７であり、式１の条件を満足している。

式１に示したように、波長に対して光強度を一様に分布させるために、中心波長が時間に対して直線的（一次的）に変化し、かつ周期パターンとなるように光源１０１を制御する。図１０は、直線的な変化で構成される波形の例である。

また、非対称性が生じる光強度分布を有する場合、走査露光時に基板の上の各点に入射する露光光の中心波長が２周期以上変化するように光源１０１を制御するのが有効であることが判明した。

本実施例において、光源制御器１０２が、波長強度分布の非対称性が式１を満たし、露光開口領域内で中心波長が２周期以上積算されるように光源１０１を制御する制御器として機能する。

［デバイス製造の実施例］
次に上記の走査露光装置を利用したデバイスの製造プロセスを説明する。図１１は、半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。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（レチクル製作）では設計した回路パターンに基づいてレチクルを製作する。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、上記のレチクルとウエハを用いて、リソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４で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）等の組み立て工程を含む。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、これを出荷（ステップ７）する。

図１２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（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着などによって形成する。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、ウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、走査露光装置によって露光光の中心波長を周期的に変化させつつ帯状の露光光でマスクの回路パターンをウエハに走査露光する。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上に多重に回路パターンが形成される。

かかるデバイスは、例えば、ＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体チップ、ＣＣＤ、ＬＣＤ、磁気センサ、薄膜磁気ヘッドなどを含む。

以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変形及び変更が可能である。

本発明に係る走査露光装置の一例を示す概略図 露光光の中心波長を変化させて光学像が積算される様子を示す模式図 中心波長の駆動状態を示す図 対称な積算波長強度分布を示す図 非対称な積算波長強度分布を示す図 非対称な積算波長強度分布を示す図 対称な積算波長強度分布によって焦点深度が拡大する様子を示す図 非対称な積算波長強度分布によって焦点深度が拡大する様子を示す図 非対称な積算波長強度分布によって焦点深度が拡大しない様子を示す図 本発明で用いる周期波形の形状の例を示す図 半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図 ウエハプロセスの詳細なフローを示す図

符号の説明

１０１：光源、１０２：光源制御器、１０３：露光装置の主制御器、１０４：照明光学系、１０５：開口絞り、１０６：ハーフミラー、１０７：フォトセンサ、１０８：照明系制御器、１０９：レチクル、１１０：縮小投影光学系、１１１：縮小投影光学系の開口絞り、１１２：縮小投影光学系の開口絞り駆動機構、１１３：フィールドレンズ駆動機構、１１４：投影光学系制御器、１１５：ウエハ、１１６：ウエハステージ、１１７：移動鏡、１１８：レーザ干渉計、１１９：ウエハステージ駆動機構、１２０：ステージ制御器、１２１，１２２：フォーカス面検出器

Claims (5)

1. パルス発振される露光光の中心波長を変更可能な光源を有し、前記露光光のパルス発振と同期させて前記中心波長を周期的に変化させつつ帯状の露光光で基板を走査露光する走査露光装置であって、
   目標中心波長を基準として短波長側の波長帯域、長波長側の波長帯域において露光光の波長ごとの光強度を走査方向で積分した積分値をそれぞれSws、Swlとしたとき、Sws及びSwlが、
   ０＜｜（Sws−Swl）／（Sws＋Swl）｜≦０．１
   を満たすように、前記光源を制御する制御器を備えることを特徴とする走査露光装置。
2. 前記制御器は、走査露光時に前記基板の上の各点に入射する露光光の中心波長が２周期以上変化するように前記光源を制御することを特徴とする請求項１に記載の走査露光装置。
3. 前記制御器は、前記中心波長が時間に対して直線的に変化し、かつ周期パターンとなるように前記光源を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の走査露光装置。
4. 前記光源は、ＡｒＦ又はＫｒＦエキシマレーザ光源であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査露光装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の走査露光装置を用いて基板を走査露光する工程と、
   前記走査露光された基板を現像する工程と、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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