JP2576798B2 - 投影露光方法及び投影露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子、磁気バブ
ル素子、超電導素子等の固体素子における微細加工に用
いられる投影露光方法及び投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＬＳＩ等の固体素子における微細
パターンは主に微小投影露光法を用いた形成されてき
た。上記方法は、マスクパターンを投影レンズを用い
て、レジストを塗布した基板上に結像させることにより
転写するものである。縮小投影露光法における限界解像
度は露光波長に比例し、又投影レンズの開口数に反比例
するので、露光光の短波長化と投影レンズの高開口数化
により、その解像度の向上が推進されてきた。一方、投
影レンズの焦点深度は露光波長に比例し、投影レンズの
開口数に反比例する。このため上記解像度の向上を計る
ことにより焦点深度は急激に減少してきている。即ち、
上記従来法では、パターンの微細化と十分な焦点深度の
確保を両立させるのは困難で、特に高解像度をねらった
場合、焦点深度は非常に浅くなる。なお、投影露光法に
関しては、例えば、半導体リソグラフィ技術、風絋一
郎，産業図界 第４章 第８７頁より第９３頁に論じら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＬＳＩの高集積化とと
もに、素子の微細化と立体化が同時に進み、表面に大き
な凹凸段差構造を有する基板上に微細なパターンを形成
する必要が益々強くなってきた。しかし、前述のごとく
現状の縮小投影露光法では解像限界を上げると焦点深度
が浅くなってしまう。このため、基板表面を全露光領域
にわたり上記焦点深度内に納め、微細パターンを解像さ
せるのが困難となってきた。特にコンタクトホールの形
成においては、その焦点深度がもともと小さいことに加
えて、一般にかなりの表面段差が素子上に生じた後に行
なわれることが多いので、焦点深度の不足は深刻であ
る。

【０００４】本発明の目的は、短い露光波長と大きな開
口数を有する光学系を用いて、平坦面上の一般的な微細
パターンに対して高い解像度を確保する一方で、特に上
記のコンタクトホール等のパターンに対して高い解像度
と十分な焦点深度の両方を確保することのできる投影露
光方法及び投影露光装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、露光光の波
長に対し、所望の光強度を有するように感光性膜を露光
する投影露光方法であって、前記露光光となるパルス発
振したエキシマレーザ光の波長を狭帯域化するステップ
と、前記狭帯域化された露光光の中心波長の変化と前記
露光光のパルス発振とを同期させ、所望の数だけ前記露
光光のパルスを感光性膜に照射するステップとを有する
ことを特徴とする投影露光方法により、また、エキシマ
レーザからなる光源と、前記光源からのパルス発振した
レーザ光の波長を狭帯域化する手段と、前記狭帯域化さ
れた露光光の中心波長の変化と前記露光光のパルス発振
とを同期させる手段と、前記中心波長に応じた所定の数
のパルスを被露光膜に照射する手段とを有することを特
徴とする投影露光装置により達成される。

【０００６】

【作用】本発明者の検討によれば、穴パターンの様な透
光部の割合の小さな孤立パターンの焦点深度は、上記パ
ターンを光軸方向に連続的に結像させることにより実効
的に増大する。一方、異なる波長の光を用いて露光を行
なうと、投影レンズの色収差によりマスクパターンは波
長に応じて異なる位置に結像する。このため、比較的広
い波長帯域の光を用いて露光することにより、マスクパ
ターンを光軸方向に連続的に結像させることができる。
従って、露光々の波長帯域を広くすることにより、穴パ
ターンの様な透光部の割合の小さな孤立パターンの焦点
深度を実効的に深くすることができるのである。

【０００７】しかしながら、ライン・アンド・スペース
パターンの様な透光部の割合の比較的大きなパターンで
は波長帯域を広くすると、周知の様に色収差による光強
度コントラストの低下が生じる。このため、これら透光
部の割合の大きなパターンに対しては波長帯域巾を狭く
して、色収差を十分に低減しなければならない。

【０００８】本発明による露光装置は、その露光に関与
する光の光強度の波長依存性を可変とする手段により露
光々の波長帯域巾を変更できるため、穴パターン等透光
部の割合の小さな孤立パターンに対しては、比較的広い
波長帯域巾を設定して露光を行ない、一方、ラインアン
ドスペースパターン等の透光部の割合が比較的大きなパ
ターンに対しては、十分に狭い帯域の光を用いて露光を
行なうことができる。これにより、大きな開口数と短波
長露光光を用いて、平坦面における微細パターンの形成
ができる一方で、表面に大きな段差を有する基板上にも
十分な焦点深度をもって穴パターンを形成することが可
能となる。

【０００９】次に、穴パターンの焦点深度が、上記パタ
ーンを光軸方向に連続的に結像させることにより増大す
ることを示す。

【００１０】Ｚ軸を光軸とする直交座標系において、Ｚ
＝０に結像する穴パターンの光強度分関数をｉ（ｘ，
ｙ，ｚ）とする。図３（ａ）にｉ（ｘ，ｙ，ｚ）の計算
例を示す。但し、計算例は、ｋｒＦ エキシマレーザ光
により開口数０.４の投影レンズを用いて露光した０.３
μｍ角のコンタクトホールに対するものである。いま、
上記パターンが同一光軸上のＺ＝−∞より＋∞に一様に
結像したとすると、このときの光強度分布関数Ｉ（ｘ，
ｙ，ｚ）は

【００１１】

【数１】

【００１２】となり、光軸方向位置ｚによらない。とこ
ろで、図３（ａ）よりわかる様に、ｚ＜−３μｍ，３μ
ｍ＜ｚに対してｉ（ｘｙｚ）〜とみなせる。従って、

【００１３】

【数２】

【００１４】数値計算のために離散化して、

【００１５】

【数３】

【００１６】但し、ΔＺ＝０.２５μｍ 図３（ｂ）に上式により求めたＩ（ｘ，ｙ，ｚ）を示
す。但し光強度（縦方向）の縮尺は、図３（ａ）のもの
より変更してある。図３（ａ）と図３（ｂ）を比較して
わかる様に、連続的に結像しても像質は変化なく、しか
も原理的には焦点深度を限りなく大きくすることができ
る。

【００１７】

【実施例】（参考例１） 以下、本発明の一参考例を図面とともに説明する。

【００１８】図１は、本発明の一参考例による縮小投影
露光装置の構成図である。本装置は、反射鏡１、波長帯
域設定装置２、エキシマレーザ共振器３、ミラー５、照
明光学系６、レチクル７、投影レンズ８、基板ステージ
９、制御コンピュータ１０その他縮小投影装置に必要な
各種要素より構成されている。

【００１９】波長帯域設定装置２はＱ値の異なる複数の
エタロンを有し、その内の任意の１コをレーザ光路へ挿
入できる様になっている。従って、許容の範囲内で所望
の波長帯域に対応するＱ値を有するエタロンを選び、こ
れをレーザ光路中へ挿入することにより露光波長帯域を
任意に設定することができる。この露光波長帯域の指定
は、露光装置の制御コンピュータ１０への入力によりな
され、このデータに基づき、波長帯域設定装置２はエタ
ロンの選択及び挿入を自動的に行なう。

【００２０】なお、図１では、波長帯域設定装置２はレ
ーザ共振器３の外に設置されているが、実際にはこの方
法に限らない。即ち、波長帯域設定装置２をレーザ共振
器３の中へ挿入したり、又は両者を一体化する等の方法
をもとることできる。又、Ｑ値の異なるエタロンの代り
に、例えばグレーティングを用いてもよい。この場合、
比較的狭い帯域巾は高いＱ値を有するエタロンにより、
又比較的広い帯域巾はグレーティングにより設定するの
が好ましい。

【００２１】次に、本装置を用いて、レチクル７上のパ
ターンを基板スタージ９上に固定されたレジストを塗布
した基板へ投影露光した後、現像してレジストパターン
を形成した。エキシマレーザ共振器３の励起ガスにはＫ
ｒＦを用いた。波長帯域設定装置２による帯域の制御を
行なわない場合のレーザの波長帯域巾は約０.５ｎｍで
あった。

【００２２】まず、波長帯域設定装置２により露光波長
帯域巾を約０.００３ｎｍに設定した。用いた投影レン
ズに対して、この帯域巾による色収差は非常に小さく、
実用上無視できるレベルにある。基板の表面配置を光軸
方向にいろいろに設定して露光を行ない、様々な微細パ
ターンの解像する光軸方向の範囲、独ち該パターンに対
する焦点深度をしらべた。又、同時に表面が平坦な基板
と、表面に様々な凹凸段差を有する基板を用いて、被露
光領域全面でのパターン解像の均一性をしらべた。その
結果、直径０.３μｍ及び０.５μｍの穴パターンが、各
々焦点深度１μｍ及び２μｍで解像した。又、０.３μ
ｍ及び０.５μｍのライン・アンド・スペースパタン
が、各々焦点深度約１.５μｍ及び２.５μｍで解像し
た。又、基板表面が極めて平坦な場合でも、投影レンズ
の像面歪曲の影響で直径０.３μｍの穴パターンを被露
光領域の全面に解像させるのは困難だった。又、その他
の上記パターンも基板表面の凹凸が増大するにつれ、全
面に解像するのが困難となった。

【００２３】次に、波長帯域設定装置２により露光波長
帯域巾を約０.１μｍに変更して、同様のパタン形成を
試みた。用いた投影レンズの設定データによれば上記の
帯城巾に対して、上記パターンはレンズの色収差により
光軸方向の約１０μｍにわたり連続的に結像する。その
結果、ライン・アンド・スペースパターンに関しては、
全く解像させることができなくなったが、一方、直径
０.３μｍ及び０.５μｍの穴パターンの焦点深度は各々
約８μｍに増大した。これにより、基板表面が大きく凹
凸状を呈している場合にも、被露光領域の全面に上記穴
パターンを形成することができる様になった。

【００２４】（参考例２） 図２は、本発明の別の参考例の構成図である。本装置で
は、第１参考例における波長帯域設定装置に代えて、波
長スキャン装置１２が設けられている。

【００２５】波長スキャン装置１２は、エタロンとその
レーザ光束に対する角度を制御する機構より構成され、
レーザ光の波長帯域を約０.００３ｎｍ程度に狭帯域化
するとともに、上記角度を変えることで上記帯域の中心
波長を変化させる。従って、露光中にエタロンの角度を
変化させ、露光波長をスキャンすることにより、マスク
パターンの結像位置を光軸方向へ移動させることができ
る。又、制御コンピュータによりエキシマレーザのパル
ス発振とエタロンの角度設定のタイミングを、あらかじ
め指定した様に同期させることができるので、上記スキ
ャン範囲内の各波長に対して任意の露光量を用いて露光
を行なうことができる。

【００２６】なお、上記中心波長を変化させる手段とし
てはエタロンのレーザ光束に対する角度を変化させる他
に、エタロンを構成する２枚の平面板の間隔を変化させ
る、又は２枚の平面板の間に密閉した気体の圧力や種類
を変える等の公知の手段を用いてもよい。

【００２７】本装置を用いて実際にパターンを形成し、
第１参考例同様の効果を確認した。

【００２８】次に、本発明のさらに他の参考例について
説明する。

【００２９】本発明者の検討によれば、微細パターンの
焦点深度は、同一光軸上で光軸方向に結像位置が連続的
に変化する像を重ね合せることで実効的に増大する。

【００３０】上記方法は、比較的広い帯域の光を用いて
マスクパターンを基板上へ投影露光し、上記マスクパタ
ーンを、上記波長帯域に対応する色収差の範囲内で光軸
方向に連続的に結像させることにより、実現される。

【００３１】本方法は、光透過部の割合の大きな密集パ
ターンでは像コントラストの低下を招き好ましくない
が、光透過部の割合の小さな孤立穴パターン等において
は著しい効果を有する。

【００３２】本発明の効果を示すために、まず結像位置
が光軸方向上連続的に変化する像を重ね合せたときの像
の光強度分布について論じる。

【００３３】Ｚ軸を光軸方向とする直交座標系におい
て、平面Ｚ＝０を結像面とする像の３次元的光強度分布
面数を、ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）とする。この像を同一光軸上
の位置Ｚ＝−ＬからＺ＝Ｌまで連続的に結像させたとき
の合成像の光強度分布関数Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）は

【００３４】

【数４】

【００３５】と表される。但し、ここにｗ（１）はＺ＝
１に結像する像のＺ＝０に結像する像に対する相対強度
比である。簡単のため、この相対強度比を全て１と仮定
し、積分を離散化すると、

【００３６】

【数５】

【００３７】但し

【００３８】

【数６】

【００３９】を得る。図４に、Ｎ＝８，Δｌ＝０.２５
μｍとしたときの式の右辺各項、及び左辺の計算結果
を示す。但し、光強度の縮尺は適当に調整してある。な
お、計算はｋｒＦ エキシマレーザ光により開口数０.
４の投影レンズを用いて露光した０.３μｍ角のコンタ
クトホールに対するものである。Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）とｉ
（ｘ，ｙ，ｚ）の比較から、上記の重ね合せにより良好
な光強度分布の得られる光軸方向の範囲、即ち、焦点深
度は約７０％増大していることがわかる。

【００４０】焦点深度は、一般にＮの種をより大きくす
るとさらに増大するが、これに伴なう像の劣化が懸念さ
れる。そこで、Ｎの値を増大したときのＺ＝０における
光強度分布に注目する。ところで、Ｚ＜−８・Δｌ，８
・Δｌ＜ｚに対して、ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）〜０、とみなせ
ることから、上記光強度分布は、

【００４１】

【数７】

【００４２】即ち、８以上のＮの値を用いても、得られ
る光強度分布はＮが８の場合のものとはほとんど変わら
ない。これは、デフォーカスが増大するにつれ光強度分
布が０に近づくコンタクトホール等で代表される光透過
部の割合の小さな孤立パターンに特有の現象である。従
って上記パターンに対しては、Ｎを増大し、連続的に結
像させる範囲を大きくすることにより、像質を劣化させ
ることなく、焦点深度だけを原理的にはいくらでも増大
させることができる。

【００４３】有限の波長帯域を有する露光々と上記波長
帯域に対して像点色消しを成されていない投影レンズと
を用いて投影露光を行なうことにより、同一マスクパタ
ーンを光軸方向に連続的に結像させることができる。即
ち、色収差により上記帯域内の各波長による結像位置が
異なるため、結像面を光軸方向に連続的に分布させるこ
とができるのである。この際、上記帯域内における波長
の変化により結像面が光軸方向にシフトしたとき、結像
倍率，像面湾曲，像歪の変動は一定の許容範囲内に保た
れていなければならない。

【００４４】又、一般に光強度は帯域内で波長に依存し
て変化するため、結像位置により像の光強度は異なる。
ところで、狭い波長範囲を考えると、波長と結像位置の
関係は一般に一次式で表わすことができるので、式の
ｗ（ｌ）を露光に関与する光の光強度波長依存性（波長
スペクトル）と同等のものと考えることができる。光軸
方向の像の一様性を得るためには、ｗ（ｌ）を１とみな
せるのが望ましいことはいうまでもない。従って、露光
に関与する光の波長スペクトルは、前記帯域内でのみ一
定の光強度を有する矩形型又は台形型であることが好ま
しい。

【００４５】（参考例３） 波長帯域巾０．１ｎｍに狭帯域化されたｋｒＦエキシマ
レーザ光を用いてマスクパターンを基板上に塗布したレ
ジス膜へ転写した後、現像を行ないレジストパターンを
形成した。投影レンズの設計データによれば、図５に示
したごとく、上記波長帯域に対応してマスクパターンは
光軸方向に約１０μｍにわたり連続的に結像する。

【００４６】上記結像位置に含む範囲内で、レジストを
塗布した基板の表面位置を光軸方向にいろいろに設定し
て露光を行ない、パターンが解像する範囲をしらべた。
評価に用いたパターンは０.３μｍ角の穴パターンであ
る。その結像、上記パターンの解像する基板表面位置の
光軸方向範囲、すなわち実効的な焦点深度は約８μｍで
あることがわかった。一方、色収差が無視できるだけ十
分に狭帯域化された光を用いて露光する従来法では、上
記パターンの焦点深度は約１μｍにすぎなかった。実際
のＬＳＩでは表面に凹凸段差がある。凹凸段差にかかわ
らず、露光領域の全面に上記パターンを解像させるため
には、最低２μｍの焦点深度が必要である。従って、従
来法では、上記パターンを実際のＬＳＩに適用するのは
困難であったが、本方法を用いることにより、これが可
能となった。

【００４７】なお、本参考例で用いた投影露光装置の投
影レンズは、合成石英の単一材料よりなる単色レンズで
あった。このため、露光波長、即ち結像位置により、若
干の結像倍率の変化がみられ、光軸方向に基板表面位置
が異なると、露光領域の周辺部でパターンの位置ずれが
発生した。これは、本発明の意図するところの効果では
なく、本来は極力抑制されなければならない。従って、
投影レンズには、露光波長を変化させたとき倍率、像面
歪、像面歪曲等の変動を一定の許容範囲内に保ったまま
で、結像面を光軸方向にシフトすることができる様に設
定されたものを用いるべきである。又、露光に用いる光
源、露光々の波長帯域巾は本参考例に示したものに限ら
ず用いることができる。但し上記波長帯域巾は、該帯域
巾に対応してマスクパターンが連続的に結像する光軸上
の距離が０．５×（λ／ＮＡ²）（但し、λは露光に寄
与する光の中心波長、ＮＡは露光に用いる投影レンズの
開口数）以上である様に設定されることが望ましい。な
ぜならば、上記距離が、０．５×（λ／ＮＡ²）未満の
場合、焦点深度増大の効果が殆ど望めないからである。

【００４８】（実施例１） 次に本発明の実施例を示す。

【００４９】ＫｒＦエキシマレーザ光を、エタロンを用
いて波長帯域巾０．００２５ｎｍに狭帯域化し、かつエ
タロン角度を変化させることにより、その中心波長を２
４８．３ｎｍより２４８．３５ｎｍまで０．００２５ｎ
ｍずつシフトさせ９４パルス分露光した。この際、露光
に寄与する光の光強度の波長依存性を図６に示すごとく
設定すべく、上記シフトされた各波長毎のパスル数を図
７の様に変化させた。用いた投影レンズと評価したパタ
ーン及び評価方法は参考例１と共通である。

【００５０】本実施例により０.３μｍ角の穴パターン
を、約４μｍの焦点深度をもって解像することができ
た。従って下記パターン形成方法が可能である。

【００５１】（１）所望の形状を有するマスクパターン
を介してレジスト膜へ縮小投影露光する工程と、上記レ
ジスト膜を現像する工程を含み、上記縮小投影露光が、
開口数ＮＡの投影レンズを用いて中心波長λの光により
行なわれるパターン形成方法において、前記マスクパタ
ーンの光軸上の結像位置が、中心波長λに対する結像位
置を中心に少なくとも−０.５（λ／ＮＡ²）から０.５
（λ／ＮＡ²）の範囲にわたって連続的に分布すること
を特徴とするパターン形成方法。

【００５２】（２）上記縮小投影露光に関与する光の波
長帯域巾を、該帯域巾に対応する上記投影レンズの色収
差により、前記マスクパターンの光軸上の結像位置が、
前記範囲内に連続的に分布する様に定めたことを特徴と
する前記（１）記載のパターン形成方法。

【００５３】（３）上記縮小投影露光に関与する光の波
長を、上記露光中にスキャンすることにより、上記投影
レンズの色収差により、前記マスクパターンの光軸上の
結像位置を、前記範囲にわたり移動させると同時に、前
記波長のスキャン速度を調整することにより、上記結像
位置の移動速度をあらかじめ指定したごとく制御する
か、又は前記波長のスキャンに同期してあらかじめ指定
されたごとく露光量を変化させて露光を行なうことを特
徴とするパターン形成方法。

【００５４】（４）上記縮小投影露光に関与する光の光
強度の波長依存性が、台形状、又は２山状であることを
特徴とする前記（２）もしくは（３）記載のパターン形
成方法。

【００５５】（５）上記縮小投影露光に用いる光が、エ
キシマレーザ光であることを特徴とする前記（１）記載
のパターン形成方法。

【００５６】（６）前記投影レンズにおいて、前記波長
帯域巾、又は前記波長スキャンの範囲内の各波長に対し
て、前記マスクパターンの結像倍率の変動、前記マスク
パターンの結像面の像面湾曲及び像面歪は所定の許容範
囲内であり、かつ、上記結像面が光軸方向に異なること
を特徴とする前記（２）もしくは（３）記載のパターン
形成方法。

【００５７】

【発明の効果】上記の様に、本発明による縮小投影露光
装置は、マスクパターンを基板上へ縮小投影露光する縮
小投影露光装置において、上記露光に関与する光の光強
度の波長依存性を可変とする手段を設けることにより、
マスク上のパターンの投影レンズによる結像位置を上記
レンズの色収差を用いて任意に分布させることができる
ので露光パターンに応じて、その焦点深度を増大させる
ことができる。従って、露光々の短波長化、投影レンズ
の高開口数化、及び素子構造の立体化に伴なう基板表面
の凹凸段差の増大等の起因する焦点深度の不足に対処す
ることが可能である。このため、本発明による縮小投影
露光装置を用いることにより、縮小投影露光法をＬＳＩ
等の固体素子における微細パターン形成に適用する際の
大きな障害をとり除くことができ、縮小投影露光法の適
用範囲をさらに微細な固体素子の製造へと拡大すること
ができる。

【００５８】また、本発明によるパターン形成方法を用
いれば、縮小投影露光法におけるコンタクトホール等に
代表される孤立透光部を有するパターンの焦点深度を増
大させることができるので、露光々の短波長化、投影レ
ンズ高開口数化、及び素子構造の立体化に伴なう基板表
面の凹凸段差の増大、基板の傾斜、および投影レンズの
像面湾曲等による焦点深度の不足に対処することが可能
である。

【００５９】従って、ＬＳＩ等の固体素子の製造に際し
て本発明によるパターン形成方法を適宜用いることによ
り、縮小投影露光法を前記パターンに適用する際の大き
な障害を取り除くことができ、縮小投影露光法の適用範
囲をさらに微細な固体素子の製造へ拡張することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一参考例を示す構成図。

【図２】本発明の他の参考例を示す構成図。

【図３】本発明に関連する効果を示す特性図。

【図４】本発明に関連する作用を示す原理図。

【図５】本発明の一参考例における原理を示す特性図。

【図６】本発明の一実施例の条件を表わす特性図。

【図７】本発明の一実施例の条件を設定するための図。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 露光光の波長に対し、所望の光強度を有す
   るように感光性膜を露光する投影露光方法であって、 前記露光光となるパルス発振したエキシマレーザ光の波
   長を狭帯域化するステップと、 前記狭帯域化された露光光の中心波長の変化と前記露光
   光のパルス発振とを同期させ、所望の数だけ前記露光光
   のパルスを感光性膜に照射するステップとを有すること
   を特徴とする投影露光方法。
2. 【請求項２】 エキシマレーザからなる光源と、 前記光源からのパルス発振したレーザ光の波長を狭帯域
   化する手段と、 前記狭帯域化された露光光の中心波長の変化と前記露光
   光のパルス発振とを同期させる手段と、 前記中心波長に応じた所定の数のパルスを被露光膜に照
   射する手段とを有することを特徴とする投影露光装置。