JP2013179357A - 回折光学素子及びそれを備えた露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した高解像の光学像が得られる回折格子を提供するものである。
【解決手段】 回折光学素子は、光源より発した光を、照明光学系を介してマスクに照射し、前記マスク上のパターンを、投影光学系を介して被露光基板上へ投影露光する露光装置の照明光学系で用いられる回折光学素子において、回折光学素子により回折された照明パターンの強度分布は、中心部に強度分布の強度が低い低回折効率領域が存在し、低回折効率部領域の外周に、同心に円環状の高回折効率領域が配置されることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、半導体素子等のパターン形成で使用される投影露光装置に用いられる瞳フィルタ、回折光学素子及びそれを備えた露光装置に関するものである。

半導体素子等の回路パターン形成には、一般にフォトリソグラフィ技術と呼ばれる工程が必要である。この工程には通常、フォトマスク（レチクルとも称する。以後、単にマスクと記す。）パターンを半導体ウェーハ等の被露光基板上に転写する方法が採用される。被露光基板上には感光性のフォトレジストが塗布されており、マスクパターンのパターン形状に応じて、フォトレジストに回路パターンが転写される。そして、投影露光装置では、マスク上に描画された転写すべき回路パターンの像が、投影光学系を介して被露光基板（ウェーハ）上に投影、露光される。

フォトリソグラフィ技術においては、投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例するため、近年の半導体素子の微細化への要求に伴い、露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進んでいるが、短波長化及び高ＮＡ化だけでこの要求を満足するには限界となっている。

そこで解像度を上げるために、プロセス定数ｋ１（ｋ１＝解像線幅×投影光学系の開口数／露光光の波長）の値を小さくすることによって微細化を図る超解像技術が近年提案されている。このような超解像技術として、露光光学系の特性に応じてマスクパターンに補助パターンや線幅オフセットを与えてマスクパターンを最適化する方法、あるいは変形照明法（斜入射照明法、多重極照明法とも称する。）と呼ばれる方法等がある。変形照明法には、通常、瞳フィルタを用いた輪帯照明、二重極（二極、またはダイポールとも称する。）照明及び四重極（四極、またはクォードラポールとも称する。）照明等が用いられている。

図９は、半導体用投影露光装置の露光系の概略構成模式図であり、ＡｒＦエキシマレーザ等の光源９１と、変形照明手段として瞳フィルタ９２を配置し、照明光９３は投影光学系のレンズ９７を介して被露光基板のウェーハ９８上に結像される。ここでいう「瞳フィルタ」は照明光学系の瞳フィルタであり、マスク９５上のコンデンサレンズ９４上に配置されている。

図１０は、従来の瞳フィルタの形状例を示す上面模式図であり、斜線を引いた部分が光透過部に対し、光の透過率が１％以下の遮光部、斜線を引かない部分が光透過部を示す。図１０（ａ）は、通常の瞳フィルタで円形の瞳の大部分が光源より発した光を透過する光透過部１０１からなり、周辺部が遮光部１０２である。図１０（ｂ）は、変形照明用の瞳フィルタの形状例で、中央部が遮光部１０４として遮光され、瞳フィルタの中心に対称の位置に２つの扇状の光透過部１０３を有する。

図１０（ａ）に示したような一般的な円形の瞳フィルタの場合、マスクからの回折光の回折角（ｔ）は、マスクのパターンピッチ（ｄ）と光の波長（Ｌ）で決まり、次式で示される（ここで、ｎは回折次数）。したがって、特定の光源を用いる場合には、マスクパターンのピッチにより、回折光の回折角（ｔ）が異なることになる。

ｓｉｎ（ｔ）＝ｎ×Ｌ／ｄ
図１１は、マスクパターンのピッチと瞳フィルタを通過した後の照明光の回折光との関係を示す説明図である。

図１１（ａ）は、露光波長に対してマスク１１５ａのパターンのピッチが大きい場合を示しており、照明光１１３ａはウェーハ面で結像し良好な画像が得られる。しかしながら、半導体素子の微細化に伴い、マスクパターンのピッチもますます小さくなってきている。図１１（ｂ）は、露光波長に対してマスク１１５ｂのパターンのピッチが小さい場合であり、照明光１１３ｂはウェーハ面では結像しなくなってしまい、良好な画像が得られなくなる。図１０（ｃ）は、図１１（ｂ）と同条件で光を斜めから入射した場合（斜入射照明法）であり、照明光１１３ｃはウェーハ上で結像することができる。このように、半導体素子の微細化によりマスクパターンのピッチも小さくなり、斜め入射の露光方法が用いられるようになってきた。

上記の図１１（ｃ）に示す斜入射照明法を実現するため、瞳フィルタの瞳形状を、例えば、従来型の図１０（ａ）に示す円形瞳から、図１０（ｂ）の二重極の扇状瞳にすると、瞳フィルタの中央部を遮光することにより、斜め成分の光を入射させることができ、解像力を向上させることができる。

しかしながら、照明用の瞳フィルタを図１０（ａ）から図１０（ｂ）にすることにより、新たに以下の課題が生じてきた。

まず、第１の課題として、図１０（ｂ）に示す瞳フィルタをアパーチャ（一般的には金属板加工）で実現すると、図１０（ｂ）の瞳フィルタを透過する照明光の光量が減少してしまい、露光時間が長くなり、半導体露光の効率が非常に悪くなり、半導体製造コストが増大するという問題があった。このため、上記の光量の損失を低減するために、回折光学素子の使用が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

次に、図１０（ａ）の瞳フィルタに対し図１０（ｂ）の瞳フィルタは照明光の透過する面積が小さいため、瞳フィルタを出射する光は非常に干渉性の高い光となることにより、以下の第２の課題が生じていた。

図１２は、マスクパターンのピッチを示すパターンの上面模式図で、黒部が光透過部に対し、光の透過率が０．１％以下の遮光部であり、図１２（ａ）はピッチが小さく、図１２（ｂ）はピッチが大きい場合を示す。図１３は、横軸にマスクパターンピッチ、縦軸に光学像の最大光強度をＩｍａｘ、最小光強度をＩｍｉｎとしたときに、（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）をコントラストとしたときのコントラストを示し、マスクパターンのピッチと瞳フィルタを出射する照明光の干渉性との関係を説明する図である。図１３の曲線（ａ）は円形瞳、図１３の曲線（ｂ）は扇状瞳の場合である。

マスク上において、マスクパターンピッチが小さくなり、ウェーハ面で２００ｎｍ以下になると、図１３の曲線（ａ）に示すように、円形瞳を用いた通常照明では、コントラストは急激に低下し解像力は低下する。しかし、ピッチが大きくウェーハ面で３００ｎｍ以上のところでは、コントラストは安定している。

一方、図１３の曲線（ｂ）に示すように、扇状瞳を用いた変形照明では、マスクパターンピッチの小さくなり、ウェーハ面で１２０ｎｍ程度のところまでコントラストは高く維持される。しかし、パターンピッチが変わると、コントラストが規則的に変化し、コントラストが安定しない。これは、マスクパターンピッチによりウェーハ上に結像するパタ−ン寸法が変動することを意味し、この変動を修正するためには光近接効果補正（ＯＰＣ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｃｏｒｒｅｃｔ）等の強力な補正技術が必要となる。しかし、瞳フィルタを出射した照明光の干渉性が高いことから、このＯＰＣを適用しなければならない範囲が広がってしまい、データ処理が大きな負担となり、ＯＰＣ補正が困難になるという問題が生じていた。

特開２００１−１７４６１５号公報 特開２００５−２４３９５３号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、半導体用露光装置等の照明光学系で用いられる瞳フィルタを透過する照明光の光量の減少を防ぎ、さらに光近接効果による補正を施す際の負荷を低減でき、マスクパターンピッチによりウェーハ上に結像するパタ−ン寸法が変動することがなく、安定した高解像の光学像が得られる瞳フィルタ、回折光学素子及びそれを備えた露光装置を提供するものである。

本発明の回折光学素子は、上記課題を解決するものであって、
光源より発した光を、照明光学系を介してマスクに照射し、
前記マスク上のパターンを、投影光学系を介して被露光基板上へ投影露光する露光装置の前記照明光学系で用いられる回折光学素子において、
前記回折光学素子により回折された照明パターンの強度分布は、
中心部に強度分布の強度が低い低回折効率領域が存在し、
前記低回折効率部領域の外周に、同心に円環状の高回折効率領域が配置される
ことを特徴とする。

また、前記低回折効率部領域により回折された照明パターンの強度分布は、５〜３０％の範囲内であることを特徴とする。

また、前記回折光学素子を通過した照明パターンの径を１とした場合、前記低回折効率部領域により回折された照明パターンの径方向の寸法割合は０．８であり、前記高回折効率領域により回折された照明パターンの径方向の寸法割合は０．１であり、非回折部の径方向の寸法割合は０．１であることを特徴とする。

本発明によれば、総合的に安定した高解像の光学像を得ることができる。

本発明に係る瞳フィルタを示す図である。 従来から使用されている一般的な瞳フィルタを示す図である。 マスク上のピッチとウェーハ上のコントラストの関係を示す図である。 図３の一部を拡大した図である。 ピッチと最小分解寸法（ＣＤ）との関係を示す図である。 ピッチとＯＰＣバイアスとの関係を示す図である。 本発明の計算機ホログラム素子の例を示す拡大正面写真図である。 本発明の計算機ホログラム素子に照明光を入射し、二重極の扇状瞳フィルタを形成する例を示すものである。 半導体用投影露光装置の露光系の概略構成模式図である。 従来の瞳フィルタの形状例を示す上面模式図である。 マスクパターンのピッチと瞳フィルタを通過した後の照明光の回折光との関係を示す説明図である。 マスクパターンのピッチを示すパターンの上面模式図である。 横軸にマスクパターンピッチ、縦軸に光学像のコントラストを示し、マスクパターンのピッチと瞳フィルタを出射する照明光の干渉性との関係を説明する図である。

以下、図面を参照にして本発明の瞳フィルタの実施形態を説明する。図１は本発明の瞳フィルタの実施形態を示す図である。

本実施形態の瞳フィルタ１は、図１に示すように、光透過部１１と光低透過率領域１２とを備えたものである。光低透過率領域１２は、瞳フィルタの中心部に配置される円形状からなり、透過率が外周に配置された光透過部より低く設定されている。光透過部１１は、光低透過率領域１２の外周に配置される同心の円環状からなり、１００％の透過率を有することが好ましい。また、光透過部１１及び光低透過率領域１２の外側は、光透過部１１及び光低透過率領域１２と同心の遮光部１３からなる。

また、１２１は光低透過率領域の径方向の寸法、１２２は光低透部の径方向の寸法、１２３は遮光部の径方向の寸法である。

図１（ａ）は、光低透過率領域１２の透過率を５％としたものであり、図１（ｂ）は、光低透過率領域１２の透過率を１０％としたものであり、図１（ｃ）は、光低透過率領域１２の透過率を２０％としたものであり、図１（ｄ）は、光低透過率領域１２の透過率を３０％としたものである。

次に、従来から使用されている一般的な瞳フィルタＡ，Ｃ５，Ｃ９と本発明の瞳フィルタ１との比較評価について説明する。評価基準は、コントラストの安定性及び解像力を用いている。

比較対象として用いられる一般的な瞳フィルタとしては、図２に示すような構造のものを使用する。

図２（ａ）は中心部分に光透過部１１を有し、その外側に遮光部１３を有する第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５である。本実施形態で使用する第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５は、光透過部１１の径方向の寸法の割合が、全体を１とした場合の０．５である。

図２（ｂ）は中心部分に光透過部１１を有し、その外側に遮光部１３を有する第２コンベンショナル瞳フィルタＣ９である。本実施形態で使用する第２コンベンショナル瞳フィルタＣ９は、光透過部１１の径方向の寸法の割合が、全体を１とした場合の０．９である。

図２（ｃ）は中心部分に遮光部１３を有し、その外周に光透過部１１を有し、その外側に遮光部１３を有するアニュラ瞳フィルタＡである。本実施形態で使用するアニュラ瞳フィルタＡは、中心の遮光部１３の径方向の寸法の割合が、全体を１とした場合の０．８であり、その外周の光透過部１１は、径方向の０．８から０．９の間に配置される。

まず、本発明に係る中心に光低透過率領域１２を有する瞳フィルタ１と一般的な瞳フィルタＡ，Ｃ５，Ｃ９のコントラストについて比較した。

図３及び図４は、マスク上のピッチとウェーハ上のコントラストの関係を示す図である。図３は、ピッチが８００ｎｍまでのコントラストを示す。また、図４は、ピッチが３００ｎｍまでのコントラストを示し、図３の一部を拡大した図である。

図３及び図４に示すように、第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５は、ピッチが大きくなると、コントラストが０．９以上となり、高い状態で安定しているが、ピッチが約２００ｎｍ以下の領域では、急激にコントラストが低下する。

また、第２コンベンショナル瞳フィルタＣ９は、ピッチが約２００ｎｍ以上の領域で、第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５よりコントラストが劣るが、０．７から０．８で安定している。

アニュラ瞳フィルタＡは、ピッチがウェーハ面で約２００ｎｍ以上の場合、コントラストが約０．６となり、第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５及び第２コンベンショナル瞳フィルタＣ９と比較して低い。しかし、ピッチが約２００ｎｍ以下の場合、変化が小さく、第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５及び第２コンベンショナル瞳フィルタＣ９と比較してコントラストが高く、良好な特性を示している。

本発明に係る中心に光低透過率領域１２を有する瞳フィルタ１は、ウェーハ面で２５０ｎｍと大きいピッチでは、アニュラ瞳フィルタＡより３％から１０％コントラストが高く、ウェーハ面で１５０ｎｍと小さいピッチでは、第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５及び第２コンベンショナル瞳フィルタＣ９と比較してコントラストが１０％から１００％高い。すなわち、全てのピッチに対して安定したコントラストを有することができる。

次に、本発明に係る中心に光低透過率領域１２を有する瞳フィルタ１と一般的な瞳フィルタＡ，Ｃ５，Ｃ９の解像度について比較した。

図５は、ピッチと最小分解寸法（ＣＤ）との関係を示す図である。図５に示すように、第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５及び第２コンベンショナル瞳フィルタＣ９は、最小分解寸法（ＣＤ）が、瞳フィルタ１及びアニュラ瞳フィルタＡより大きく、ピッチが変化してもあまり良くならない。

アニュラ瞳フィルタＡは、最小分解寸法（ＣＤ）が、第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５及び第２コンベンショナル瞳フィルタＣ９より小さく、ピッチが大きくなるとさらに良好となる。

本発明に係る中心部に光低透過率領域１２を有する瞳フィルタ１は、最小分解寸法（ＣＤ）が、第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５及び第２コンベンショナル瞳フィルタＣ９より小さく、ピッチが大きくなるとさらに良好となる。また、中心部の光低透過率領域１２の透過率を上げると、良好となる。

図６は、ピッチとＯＰＣバイアスとの関係を示す図である。図６に示すように、第１コンベンショナル瞳フィルタＣ５は、バイアス０付近で安定している。また、第２コンベンショナル瞳フィルタＣ９は、負のバイアスが大きく、不規則な上下変動があり、不安定である。

アニュラ瞳フィルタＡは、上下変動が見られ、ＯＰＣバイアスが安定していない。

本発明に係る中心部に光低透過率領域１２を有する瞳フィルタ１は、ＯＰＣバイアスが安定し、補正負荷を小さくすることができる。また、中心部の光低透過率領域１２の透過率を上げると、さらに安定し、良好となる

このように、本発明に係る中心部に光低透過率領域１２を有する瞳フィルタ１は、透過する光量の減少を防ぎ、マスクパターンのデータ生成時の光近接効果による補正負荷を低減でき、マスクパターンピッチによりウェーハ上に結蔵するパターン寸法が変動することなく、総合的に安定した光学像を得ることができる。

なお、光源より発した光を、照明光学系を介してマスクに照射し、マスク上のパターンを、投影光学系を介して被露光基板上へ投影露光する露光装置の照明光学系で用いられる他の実施形態のものとして、回折された照明パターンの強度分布を、中心部に強度分布の強度が低い低回折効率領域が存在するようにし、前記低回折効率部領域の外周に、同心に円環状の高回折効率領域が配置されるようにする回折光学素子を用いてもよい。

その際、低回折効率部領域により回折された照明パターンの強度分布は、５〜３０％の範囲内であることが好ましい。

また、回折光学素子を通過した照明パターンの径を１とした場合、低回折効率部領域により回折された照明パターンの径方向の寸法割合は０．８であり、高回折効率領域により回折された照明パターンの径方向の寸法割合は０．１であり、非回折部の径方向の寸法割合は０．１であることが好ましい。

図７は、合成石英を加工して作製した計算機ホログラム素子の一例を示す拡大上面写真図である。図７に示す計算機ホログラム素子のパターン形状は、コンピュータによる反復計算を用いて最適化することで求めることができる。図７においては、計算機ホログラム素子としての出射角度（α）およびピッチを変えた場合、およびエッチング段数を変えて、２段、４段、８値の場合の計算機ホログラム素子を作成した場合を示している。図７において、２段、４段、８段の場合の照明光の集光効率は、それぞれ順に４５％、８０％、９０％である。

したがって、露光装置の照明光学系に、瞳フィルタ形成用の回折光学素子として、本発明の４段あるいは８段のホログラム素子を回折光学素子として用いれば、集光効率が８０％以上と高く、安定した高解像の光学像が得られる瞳フィルタを得ることができる。

図８は、図７に示したホログラム素子を用い、照明光に波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いて照射した場合の説明図である。計算機ホログラム素子８１に入射した光束は、計算機ホログラム素子８１で振幅変調ないしは位相変調を受けて回折し、計算機ホログラム素子８１を一定の出射角度α（例えば、α＝３．５°、４．０°、５．０°）で出射し、一定の距離（図８の例ではα＝３．５°のとき、２２０ｍｍ）に所望の照度分布を有する二重極の扇状の光透過部を有する瞳フィルタ８２（瞳外径σｏ＝２７／２ｍｍ）を形成する例を示すものである（図８では、瞳フィルタ８２の光透過部のみを図示し、他の部位は省略してある。）。ここで計算機ホログラム素子８１と瞳フィルタ８２を形成する位置は、互いにフーリエ変換面の関係になるように配置している。

（露光装置）
本発明の露光装置は、光源より発した光を照明光学系を介してマスクに照射し、マスク上のパターンを投影光学系を介して被露光基板上へ投影露光する露光装置であって、上記の本発明の瞳フィルタ形成用の回折光学素子を備えたものである。

本発明の瞳フィルタ形成用の回折光学素子を用いることができるならば、各種の露光装置を使用することが可能である。例えば、露光光源として波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ等が用いられる。

以上、本発明の瞳フィルタ、回折光学素子及びそれを備えた露光装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

１…瞳フィルタ
１１…光透過部
１２…光低透過率領域
１３…遮光部
Ａ…アニュラ瞳フィルタ
Ｃ５…第１コンベンショナル瞳フィルタ
Ｃ９…第２コンベンショナル瞳フィルタ
８１…計算機ホログラム素子
８２…瞳フィルタ
９１…光源
９２…瞳フィルタ
９３…照明光
９４…コンデンサレンズ
９５…マスク
９７…投影光学系のレンズ
９８…ウェーハ
１０１…光透過部
１０２…遮光部
１０３…光透過部
１０４…遮光部
１１３…照明光
１１５…マスク
１２１…光低透過率領域の径方向の寸法
１２２…光低透部の径方向の寸法
１２３…遮光部の径方向

Claims (4)

1. 光源より発した光を、照明光学系を介してマスクに照射し、
   前記マスク上のパターンを、投影光学系を介して被露光基板上へ投影露光する露光装置の前記照明光学系で用いられる回折光学素子において、
   前記回折光学素子により回折された照明パターンの強度分布は、
   中心部に強度分布の強度が低い低回折効率領域が存在し、
   前記低回折効率部領域の外周に、同心に円環状の高回折効率領域が配置される
   ことを特徴とする回折光学素子。
2. 前記低回折効率部領域により回折された照明パターンの強度分布は、５〜３０％の範囲内である
   ことを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記回折光学素子を通過した照明パターンの径を１とした場合、
   前記低回折効率部領域により回折された照明パターンの径方向の寸法割合は０．８であり、
   前記高回折効率領域により回折された照明パターンの径方向の寸法割合は０．１であり、非回折部の径方向の寸法割合は０．１である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子。
4. 光源より発した光を、照明光学系を介してマスクに照射し、
   前記マスク上のパターンを、投影光学系を介して被露光基板上へ投影露光する露光装置であって、
   前記請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された回折光学素子を備えたことを特徴とする露光装置。

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