JP2705312B2 - 投影露光方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
においてフォトリソグラフィーに適用される投影露光方
法に関し、特にウェハの全面にわたって均一な解像を可
能とする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の分野においてはサブミ
クロン・レベルの加工が量産工場において既に実現さ
れ、今後のハーフミクロン・レベル、さらには６４Ｍビ
ットＤＲＡＭクラスで必須となるクォーターミクロン・
レベルの加工に関する研究が進められている。このよう
な微細加工の進歩の鍵となった技術はフォトリソグラフ
ィであり、従来の進歩は露光波長の短波長化、および縮
小投影露光装置（ステッパ）の縮小光学レンズの高開口
数（ＮＡ）化によるところが大きい。しかし、これらの
短波長化と高ＮＡ化とはいずれも焦点深度を増大させる
観点からは不利な条件である。それは、焦点深度が露光
波長に比例し、開口数の二乗に反比例するからである。

【０００３】その一方で、被露光体である半導体ウェハ
の表面段差は、半導体集積回路の高密度化に伴って年々
増大している。これは、デバイスの構成が三次元化して
いる状況下で回路の性能や信頼性を維持する観点から、
二次元方向のデザイン・ルールの縮小に比べて三次元方
向の縮小が進まないためである。このように大きな段差
を有する半導体ウェハの表面にフォトレジスト材料を塗
布すると、形成されたフォトレジスト層にも大きな表面
段差や膜厚ムラが生ずる。これまで、比較的微細なパタ
ーンにより発生する段差については、多層レジスト法に
より基体表面の平滑化が行われてきた。しかし、この方
法を用いても、たとえばメモリ・セル部と周辺回路との
間の段差ように大面積で発生する段差を吸収することは
できない。かかる基体に対して露光を行おうとすれば、
その結像面の位置は段差上下の平均的な位置に設定せざ
るを得ない。さらに、投影レンズの像面歪みの存在によ
り結像面は完全平面とはなり得ず、また基体表面も投影
光学系の光軸に対して完全に垂直ではない。これらの事
情が、焦点深度が浅くなる傾向や短波長化によるフォト
レジスト材料の光吸収の増大等とあいまって、ウェハ全
面にわたる均一な解像を困難としている。

【０００４】このように、解像度と焦点深度に対する要
求とは、本質的に相反するものである。そこで、かかる
問題を解決するために、開口数を一定レベルに抑えかつ
実用レベルの焦点深度を確保した上で、露光装置の使用
法やプロセスの工夫により高コントラスト化を通じて高
解像度を達成しようとする技術が幾つか検討されてい
る。そのひとつに、いわゆるＦＬＥＸ法がある。これ
は、特開昭５８−１７４４６号公報に開示されるよう
に、同一のフォトマスクを介して結像面をシフトさせな
がら複数回の露光を行うことにより、実効的に光軸方向
に長く光学像コントラストを維持しようとする方法であ
る。結像面をシフトさせるには、上記公報に記載される
ようにフォトマスク，半導体ウェハ，投影光学系の少な
くともひとつを光軸方向に微小振動させる方法、あるい
は特開昭６３−６４０３７号公報に記載されるようにこ
れらの部材の位置を露光の度に段階的もしくは連続的に
シフトさせながら露光を行う方法等が採られる。

【０００５】最も単純なＦＬＥＸ法は、光軸上の異なる
２点を結像面として行われる２段階法である。ここで
は、ウェハを載置するＺステージを上下に駆動すること
により結像面を光軸（Ｚ軸）方向に移動させた例につい
て、図５を参照しながら説明する。図中、横軸はＺ軸方
向のステージ位置（μｍ）を表す。これは、ウェハの段
差上下の平均的な位置に設定される結像面の位置（セン
ター・フォーカス）を原点Ｏと定め、ここを基準とする
フォーカス・オフセットとして定義される量である。こ
こで、露光光源へ近づく方向を−側、露光光源から遠ざ
かる方向を＋側とし、ウェハが−側へシフトされる場合
をマイナス・フォーカス、＋側へシフトされる場合をプ
ラス・フォーカスと称することにする。縦軸は光強度コ
ントラストを表す。２本の実線ｅ，ｆは原点Ｏより−
１．０μｍ，＋１．０μｍだけ結像面をそれぞれシフト
させて同一露光量にて投影露光を行った際の光強度コン
トラスト曲線である。また破線ｇは両曲線ｅ，ｆの合成
により得られる合成光強度コントラスト曲線である。な
お、光強度コントラストは厳密には露光量と直線的に対
応する量ではないが、本明細書中では便宜上、おおよそ
露光量と対応する量として考えることにする。

【０００６】基体の全面にわたりパターンが良好に解像
するためには、基体の表面段差，投影レンズの像面歪
み，基板の傾斜等によって決まる光軸方向のある一定範
囲内において、一定水準以上の光強度コントラストが維
持されていなければならない。ここで、実用上十分な解
像度が達成される光強度コントラストの適正範囲を０．
５〜０．８と仮定し、この範囲の値が達成されるＺ軸方
向の範囲をフォーカス・マージンと定義すると、合成光
強度コントラスト曲線（破線ｇ）上でみたフォーカス・
マージンは図中範囲Ｂ_１，Ｂ_２で示されるごとく、−側
および＋側においてそれぞれ約１．２μｍであり、合計
２．４μｍである。しかし、センター・フォーカス付近
では合成光強度コントラスト曲線が０．５を下回ってし
まい、安定な解像度が達成できないことがわかる。これ
により、たとえばコンタクト・ホール径の変動が生ずる
等の不都合が発生する。

【０００７】さらに、理論上は上述のような合成光強度
コントラスト曲線が得られても、２段階法を実際に適用
するとマイナス・フォーカス時にコンタクト・ホール径
が小さくなる傾向がみられる等の事実に即し、本発明者
は先に特願平２−１３１７１２号明細書において、マイ
ナス・フォーカス時の露光量をプラス・フォーカス時の
露光量より大とする技術も提案している。これにより、
フォーカス・マージンが一層拡大される。

【０００８】一方、上述の２段階法にセンター・フォー
カス露光を加えた３段階法も提案されている。これを、
図６を参照しながら説明する。この図に示される例で
は、±１．０μｍのフォーカス・オフセット時に加え、
センター・フォーカス時にも露光を行っている。すなわ
ち、３本の実線ｈ，ｉ，ｊはフォーカス・オフセットを
それぞれ−１．０μｍ，０μｍ，＋１．０μｍとしてそ
れぞれ同一露光量にて投影露光を行った際の光強度コン
トラスト曲線である。また破線ｋは３曲線ｈ，ｉ，ｊの
合成により得られる合成光強度コントラスト曲線であ
る。ここで、総露光量は前述の２段階法と同じであるた
め、１回の露光量は２段階法の場合よりも小さくなって
いる。この技術によれば、合成光強度コントラスト曲線
（破線ｋ）上でみたフォーカス・マージンは、前述の２
段階法とは異なり図中範囲Ｃで示されるごとく連続範囲
として得られており、センター・フォーカス付近におけ
る解像の不安定性も解消されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
３段階法によるフォーカス・マージンは、図６に示され
る例では約２．２μｍであり、図５に示される２段階法
よりも却って低下していることがわかる。したがって、
３段階法のメリットが十分に活かされているとは言えな
い。そこで本発明は、３段階法、さらにはそれ以上の数
の結像面を設定して行われる投影露光方法において、フ
ォーカス・マージンを拡大すると共に、スループットの
向上も実現させることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる投影露光
方法は、上述の目的を達成するために提案されるもので
ある。すなわち、本発明の第１の発明は基体上にフォト
マスクのパターンを投影する方法であって、前記基体に
対して結像面を光軸方向に沿って所定の範囲内で移動さ
せると共に、該範囲内の中央近傍における露光量を相対
的に小とする制御露光を行うことを特徴とするものであ
る。本発明の第２の発明にかかる投影露光方法は、前記
結像面の光軸方向に沿う移動を投影光学系、フォトマス
ク、基体のうち少なくともひとつの部材を移動させるこ
とにより行い、前記光軸方向の位置に応じて前記部材の
移動速度を制御しながら前記制御露光を行うことを特徴
とするものである。

【００１１】

【作用】従来の３段階法において２段階法よりもフォー
カス・マージンが減少してしまうのは、総露光量を３等
分した結果、全体に光強度コントラストが低下し、特に
結像面の移動範囲の両端部において顕著に低下したから
である。本発明者は、図４に示される合成光強度コント
ラスト曲線（破線ｋ）においてセンター・フォーカス付
近が増強されていることに着目し、この部分の露光量を
マイナス・フォーカス側とプラス・フォーカス側へ一部
振り分ければ、センター・フォーカス付近にて曲線のプ
ロファイルが極小となったとしても、全体的にはフォー
カス・マージンを拡大できるものと考えた。本発明にお
いて、結像面の移動範囲の中央近傍において露光量を相
対的に小とするのは、このような考えにもとづいてい
る。

【００１２】しかし、かかる制御露光をステージの動停
止、シャッターの開閉、露光パワーの増減等と組み合わ
せて行うのでは、スループットの向上にも限度がある。
そこで本発明の第２の発明では、光軸方向の位置に応じ
て投影光学系、フォトマスク、基体のうち少なくともひ
とつの部材を光軸方向に速度分布をもたせながら移動さ
せる。この方法によれば、露光パワーが一定で、かつシ
ャッターが常時開放された状態であっても、移動速度が
速い領域では露光量が減少し、遅い領域では露光量が増
大する。センター・フォーカス付近の露光量を減少させ
たい場合には、この付近における部材の移動速度を増大
させれば良いのである。したがって、従来の多段階露光
に比べて制御すべきパラメータが減少し、スループット
が大幅に向上する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について、図
面を参照しながら説明する。

【００１４】実施例１ 本実施例は、本発明の第１の発明を３段階法に適用し、
基体（ウェハ）の昇降により結像面を移動させた例であ
る。

【００１５】まず、本実施例で使用した投影露光装置の
投影光学系および制御系の概略的な構成を図２に示す。
上記投影光学系は、光源１から発した光を反射鏡２によ
り反射収束させた後、絞り３を介してコリメータ・レン
ズ４に入射させてこれを平行光に変換し、さらにフォト
マスク５を透過させ、結像レンズ６によりウェハ・ステ
ージ７上のウェハ１０上に投影させるものである。上記
ウェハ・ステージ７は、ウェハ１０をその面内方向（Ｘ
Ｙ方向）に移動させるためのＸＹステージ８と、光軸
（Ｚ軸）方向に移動させるためのＺステージ９から構成
され、両ステージ８，９の動作の組み合わせにより該ウ
ェハ１０を指定された位置へ３次元的に移動させること
を可能としている。

【００１６】一方、上記制御系は、露光のタイミングを
制御するシャッター制御系１７、上記ＸＹステージ８を
指定された位置へ駆動するＸＹ制御系１４、ＸＹ面内に
おけるウェハ１０の相対位置を検出するＸＹセンサ１
１、上記Ｚステージ９を指定された位置へ駆動するＺ制
御系１３、Ｚ軸方向におけるウェハ１０の相対位置を検
出するＺセンサ１２、装置全体を一括制御するコンピュ
ータ１６、および上記各制御系１３，１４，１７と上記
コンピュータ１６とを相互に接続するバスライン１５等
から構成される。上記コンピュータ１６には、ウェハ１
０上におけるＸＹ面内の露光位置、各露光位置に対して
設定される結像面の数およびＺステージ９の移動量、各
結像面における露光量等が予め記憶されている。上記各
制御系１３，１４，１７は、コンピュータ１６に記憶さ
れた情報にもとづいて生成される各種の信号をバスライ
ン１５を介して受け取り、所定の動作を行うわけであ
る。

【００１７】図３（ａ）〜（ｃ）には、３段階法による
露光を行った場合の結像面の移動の様子を模式的に示
す。これらの図は、所定の材料層からなる基板２０上に
フォトレジスト層２１が形成されてなるウェハ１０に対
し、±１μｍの範囲で結像面を移動させて露光を行う場
合を示すものである。この計２μｍの移動範囲内に、図
示されない領域において発生しているウェハ１０の反り
やフォトレジスト層２１の表面段差、投影光学系の収差
による結像面の歪み等がほぼ包含されている。図中に記
入されている座標はＺ軸方向における結像面の移動（フ
ォーカス・オフセット）を説明するためのものであり、
原点Ｏは上記移動範囲の中点、−側は原点Ｏから結像レ
ンズ６に近づく方向、＋側は遠ざかる方向を示す。
（ａ）図はフォーカス・オフセットを−１．０μｍとし
たマイナス・フォーカス時、（ｂ）図は同じく０μｍと
したセンター・フォーカス時、（ｃ）図は同じく＋１．
０μｍとしたプラス・フォーカス時にそれぞれ対応して
いる。

【００１８】上述のような投影露光装置を使用してかか
る３段階法による露光を行う手順は、おおよそ次のとお
りである。これは、いわゆるステップ・アンド・リピー
ト式と呼ばれる露光方法である。まず、コンピュータ１
６の命令によりＸＹ制御系１４がＸＹステージ８を所定
の位置へ移動させると、Ｚ制御系１３がＺステージ９を
駆動してたとえば前述の図３（ａ）に示されるようにフ
ォーカス・オフセットが−１．０μｍとなる位置までウ
ェハ１０上昇させる。このときのウェハ１０の相対位置
は、ＸＹセンサ１１とＺセンサ１２を介してそれぞれＸ
Ｙ制御系１４とＺ制御系１３へフィードバックされ、必
要があれば自動的に補正される。次に、シャッター制御
系１７からの命令によりシャッターが開放し、所定の露
光量にて露光を行う。露光終了後、シャッターを閉鎖
し、Ｚステージ９を駆動して図３（ｂ）に示されるよう
にセンター・フォーカス位置までウェハ１０を下降さ
せ、同様の手順で露光を行う。露光終了後、Ｚステージ
９を駆動して図３（ｃ）に示されるようにフォーカス・
オフセットが＋１．０μｍとなる位置までさらにウェハ
１０下降させ、同様の手順で露光を行う。

【００１９】以上の３回の露光のうち、センター・フォ
ーカス付近における露光時には、露光量が他の２回の露
光よりも相対的に減じられている。これを、光強度コン
トラスト曲線でみると、図１で示されるとおりである。
３本の実線ａ，ｂ，ｃはフォーカス・オフセットをそれ
ぞれ−１．０μｍ，０μｍ，＋１．０μｍとした場合の
光強度コントラスト曲線である。ここで、＋１．０μｍ
における露光量は、前述の図５に示される２段階法の場
合よりも若干小さく、その減少分がセンター・フォーカ
ス位置における露光量として分配されている。これら３
曲線を合成したものが、破線ｄで示される合成光強度コ
ントラスト曲線である。かかる露光により、図中範囲Ａ
で示されるごとく約２．８μｍの連続したフォーカス・
マージンが達成された。これは、前述の図６に示される
ようなＺステージの移動範囲の両端付近における光強度
コントラストの減少が抑制され、かつ前述の図５に示さ
れるようなセンター・フォーカス付近における落ち込み
が緩和されたからである。

【００２０】なお、ここでは３段階の露光をマイナス・
フォーカス側から開始した場合について説明したが、プ
ラス・フォーカス側から開始しても一向に差し支えな
い。また、本実施例はＸＹ平面上の所定の位置において
３つの結像面を設定した例であるが、本発明はこの実施
例に限定されるものではなく、４つ以上の結像面を設定
する場合にも同様に適用することができる。その場合に
は、結像面数に応じて露光量の分配を最適化する必要が
あるが、結像面数が奇数の場合にはセンター・フォーカ
ス位置における露光量を相対的に減じ、偶数の場合には
センター・フォーカス位置を挟む少なくとも２ヶ所にお
いて露光量を相対的に減じるようにすれば良い。

【００２１】実施例２ 本実施例は、本発明の第２の発明を適用し、上述の実施
例１における露光作業の能率をさらに高めた例である。
本実施例で使用した投影露光装置の構成、ウェハ１０の
構成、および結像面の移動範囲は、実施例１で上述した
とおりである。ただし、ここでは露光作業を上述のよう
なステップ・アンド・リピート式で行うのではなく、シ
ャッターを常に開放した状態でＺステージの移動速度を
たとえば図４に示されるようなパターンで変化させた。
すなわち、Ｚステージの移動速度をフォーカス・オフセ
ット±１．０μｍ付近では小さく設定し、そこからセン
ター・フォーカス位置に近づくにつれて増大し、センタ
ー・フォーカス位置において最大となるように設定し
た。この場合、コンピュータ１６には結像面数の代わり
に上述のような速度変化パターンを記憶させておくこと
が必要となる。かかる設定のものとでは、露光パワーが
一定であれば露光量は露光時間に比例することになり、
その露光時間はステージ移動速度に反比例する。つま
り、フォーカス・オフセット±１．０μｍ付近では露光
量が最大、センター・フォーカス付近では露光量が最小
となり、図１とほぼ同様の露光量の変化パターンが達成
されるのである。もちろん、露光量の変化とＺステージ
９の移動速度の変化を適宜組み合わせても良い。

【００２２】このような方法によれば、結像面の移動は
途中停止を要することなく連続的に行われ、かつＸＹ平
面上のひとつの露光位置において露光が１回で済む。し
たがって、Ｚステージ９の動停止やシャッターの開閉に
要する時間が短縮され、スループットを大幅に向上させ
ることができる。

【００２３】ところで、露光が１回で済むことに関して
言えば、前述の特開昭５８−１７４４６号公報に開示さ
れる技術によっても同じ効果は達成されている。しかし
ながら、この先行技術ではフォトマスク，半導体ウェ
ハ，投影光学系の少なくともひとつを光軸方向に微小振
動させているので、各露光位置における露光量を変化さ
せることはできず、フォーカス・マージンを十分に拡大
することはできない。

【００２４】なお、上述の実施例１および実施例２で
は、いずれもＺステージ９を駆動させることにより結像
面の移動を行ったが、フォトマスク５、もしくは投影光
学系中のや結像レンズ６等をＺ軸方向に駆動させたり、
さらにこれらの部材の運動を適当に組み合わせること等
によっても結像面を移動させることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の第１の発明によれば、センター・フォーカス付近に
おける露光量を相対的に減じることによりフォーカス・
マージンを拡大することができる。また、本発明の第２
の発明によれば、結像面を移動させ得る部材のＺ軸方向
の移動速度に変化を付けるという極めて巧妙な手法によ
り、スループットの向上を図ることができる。したがっ
て、露光光の短波長化や投影光学系の高開口数化に伴っ
て焦点深度が減少している状況下にあって、本発明の産
業上の価値は極めて大きい。

【００２６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の発明を３段階法に適用した場合
の光強度コントラスト曲線を示す特性図である。

【図２】本発明を実施するために使用される投影露光装
置の一構成例を示す模式図である。

【図３】本発明の第１の発明を３段階法に適用した場合
の結像面の位置設定の一例を示す模式的断面図であり、
（ａ）図はマイナス・フォーカス時、（ｂ）図はセンタ
ー・フォーカス時、（ｃ）図はプラス・フォーカス時を
それぞれ表す。

【図４】本発明の第２の発明を適用した場合のＺステー
ジの移動速度の変化パターンの一例を示す特性図であ
る。

【図５】従来の２段階法における光強度コントラスト曲
線を示す特性図である。

【図６】従来の３段階法における光強度コントラスト曲
線を示す特性図である。

【符号の説明】

１ ・・・光源 ５ ・・・フォトマスク ６ ・・・結像レンズ ８ ・・・ＸＹステージ ９ ・・・Ｚステージ １０ ・・・ウェハ ２０ ・・・基板 ２１ ・・・フォトレジスト層

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】投影光学系により基体上にフォトマスクの
   パターンを投影する投影露光方法において、 前記基体に対して結像面を光軸方向に沿って所定の範囲
   内で移動させると共に、該範囲内の中央近傍における露
   光量を相対的に小とする制御露光を行うことを特徴とす
   る投影露光方法。
2. 【請求項２】前記結像面の光軸方向に沿う移動は投影光
   学系、フォトマスク、基体のうち少なくともひとつの部
   材を移動させることにより行い、 前記制御露光は前記光軸方向の位置に応じて前記部材の
   移動速度を制御しながら行うことを特徴とする請求項１
   記載の投影露光方法。