JP2619419B2 - 縮小投影露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体素子，磁気バルブ素子，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縮小投影露
光装置に関するものである。

〔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
微笑投影露光法を用いて形成されてきた。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つた場合、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、半導体リソグラフイ技術、鳳紘一郎，産業図書 第
４章 第87頁より第93頁に論じられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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つてきた。
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つてしまう。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つてきた。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。

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装置を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、縮小投影露光装置において、その露光に
関与する光の光強度の波長依存性、特にその波長帯域巾
をマスクの透光部の割合に応じて可変とする手段と、上
記波長帯域巾に応じた光軸方向の一定距離内にマスクパ
ターンを連続的に結像させることのできる投影露光手段
を設けることにより達成される。

〔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。従つ
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。

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。

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
深度をもつて穴パターンを形成することが可能となる。

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。

Ｚ軸を光軸とする直行座標系において、Ｚ＝０に結像
する穴パターンの光強度分布関数をｉ（x,y,z）とす
る。第３図（ａ）にｉ（x,y,z）の計算例を示す。但
し、計算例は、kvF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。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 となり、光軸方向位置ｚによらない。ところで、第３図
（ａ）よりわかる様に、ｚ＜−３μm,3μｍ＜ｚに対し
てｉ（xyz）０とみなせる。従つて、 数値計算のために離散化して、 但し、ΔＺ＝0.25μｍ 第３図（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、第３図（ａ）のも
のより変更してある。第３図（ａ）と第３図（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。

〔実施例〕

実施例１ 以下、本発明の一実施例を図面ととともに説明する。

第１図は、本発明の一実施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,制御コンピユータ10そ
の他縮小投影露光装置に必要な各種要素より構成されて
いる。

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
になつている。従つて、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設定は、露光装
置の制御コンピユータ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。

なお、第１図では、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
ばグレーテイ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イングにより設定するのが好まし
い。

次に、本装置を用いて、レチクル７上のパターンを基
板ステージ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KrF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であつた。

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、即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0.3μ
ｍ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、0.3μｍ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
だつた。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つた。

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
た投影レンズの設計データによれば上記の帯域巾に対し
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・スペースパタンに関しては、全く解像させるこ
とができなくなつたが、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
ができる様になつた。

実施例２ 第２図は、本発明の別の実施例の構成図である。本装
置では、第１実施例における波長帯域設定装置に代え
て、波長スキヤン装置12が設けられている。

波長スキヤン装置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。
従つて、露光中にエタロンの角度を変化させ、露光波長
をスキヤンすることにより、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
ユ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、上記スキヤン範囲内の各波長
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。

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。

本装置を用いて実際にパターンを形成し、第１実施例
同様の効果を確認した。

次に、本発明のさらに他の実施例について説明する。

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。

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。

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。

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。

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次元的光強度分布関数を、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 と表わされる。但し、ここにｗ（ｌ）はＺ＝ｌ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、 を得る。第４図に、Ｎ＝8,Δｌ＝0.25μｍ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k_rF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。

焦点深度は、一般にＮの値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、 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の場合のものとほとんど変わらない。これ
は、デフオ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。従つて上記パ
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。

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。

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。従つて、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。

実施例３ 波長帯域巾0.1nmに狭帯域化されたk_rF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ト
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、第５図に示し
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。

上記結像位置を含む範囲内で、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
果、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
わかつた。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にすぎなかつた。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２
μｍの焦点深度が必要である。従つて、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つた
が、本方法を用いることにより、これが可能となつた。

なお、本実施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つた。
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、本発明の意と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。従つて、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
面湾曲等の変動を一定の許容範囲内に保つたままで、結
像面を光軸方向にシフトすることができる様に設計され
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実施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 （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、 未満の場合、焦点深度増大の効果が殆んど望めないから
である。

実施例４ 次に本発明の別の実施例を示す。

k_rF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248.3nmより248.35nmま
で0.0025nm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第６図に
示すごとく設定すべく、上記シフトされた各波長毎のパ
ルス数を第７図の様に変化させた。Ｘを用いた投影レン
ズと評価したパターン及び評価方法は第１実施例と共通
である。

本実施例により0.3μｍ角の穴パターンを、約４μｍ
の焦点深度をもつて解像することができた。従つて下記
パターン形成方法が可能である。

（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 の範囲にわたつ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。

（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。

（３）上記縮小投影露光に関与する光の波長を、上記露
光中にスキヤンすることにより、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
ヤ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
長のスキヤ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。

（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。

（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。

（６）前記投影レンズにおいて、前記波長帯域巾、又は
前記波長スキヤ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。

〔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。従つて、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
の増大等に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。

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、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。

従つて、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】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は、本
発明の他の実施例を示す構成図、第３図は、本発明の効
果を示す特性図、第４図は、本発明の作用を示す原理
図、第５図は、本発明の一実施例における原理を示す特
性図、第６図は、本発明の一実施例の条件を表わす特性
図、第７図は、本発明の一実施例の条件を設定するため
の図である。 １……反射鏡、２……波長帯域設定装置、３……エキシ
マレーザ共振器、４……出力鏡、５……ミラー、６……
照明光学系、７……レチクル、８……投影レンズ、９…
…基板ステージ、10……制御コンピユータ、12……波長
スキヤン装置。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスク上のパターンを基板上へ投影露光す
   る装置において、 上記投影露光に関与するエキシマレーザ光の光強度の波
   長依存性を上記マスクの透光部の割合に応じて可変とす
   る手段を有することを特徴とする縮小投影露光装置。
2. 【請求項２】上記光強度の波長依存性を可変とする手段
   が、上記エキシマレーザ光の波長帯域幅を可変とする手
   段であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   縮小投影露光装置。
3. 【請求項３】上記光強度の波長依存性を可変とする手段
   が、上記エキシマレーザ光の波長を、上記露光中に変更
   する手段であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の縮小投影露光装置。
4. 【請求項４】前記投影露光を行う投影レンズにおいて、
   前記エキシマレーザ光の各波長に対して、前記マスクパ
   ターンの結像面が光軸方向に異なり、かつ、前記マスク
   パターンの結像倍率の変動、上記結像面の像面湾曲及び
   像面歪は所定の許容範囲内であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項乃至第３項の何れかに記載の縮小投影
   露光装置。