JP2809525B2 - 縮小投影露光装置及び縮小投影露光方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マスクに光を照射
し、マスク上に形成されたパターンの光学像を半導体基
板上に縮小投影する縮小投影露光装置及び縮小投影露光
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の縮小投影露光装置の構成を
示す模式図である。光源ランプ１からの光はコンデンサ
レンズ２で平行光線にされマスク３に与えられる。マス
ク３上に形成されたマスクパターンの光学像はシャッタ
ー４を介して縮小投影レンズ６により縮小され、ＸＹス
テージ８上に設置されたＳｉ等からなる半導体基板７に
投影される。これにより半導体基板７上に塗布された感
光性の有機膜であるフォトレジストが感光される。その
後、現像することにより半導体基板７上には所望のレジ
ストパターンが形成される。

【０００３】半導体基板７上に形成すべきレジストパタ
ーンの最小設計寸法が１．０μｍ以下のいわゆるサブミ
クロンデバイスになると、半導体基板７上に形成される
導電層や絶縁層の積層構造によって生ずる高低差（段
差）が、形成すべきレジストパターンの設計寸法に比べ
大きくなる。

【０００４】縮小投影においては解像度を高くしてより
微細なレジストパターンをパターニングしようとすると
レンズの開口数（Ｎ．Ａ）を大きくしなけらばならな
い。これに対し、Ｎ．Ａを大きくすれば焦点の許容度で
ある焦点深度が浅くなり僅かの段差でも焦点がくるうよ
うになる。

【０００５】段差により焦点がくるうことにより生ずる
不都合について図５，図６を用いて説明する。基板１４
上の一部に段差の原因となる構成物１８が形成されてい
る。構成物１８を覆うように導電層１３、フォトレジス
ト１２（厚さ０．５μｍ）が積層されている。構成物１
８の存在によりフォトレジスト１２に段差Ａが生じてい
る。マスク３のパターンの光学像１１は段差Ａ上段で焦
点が合っているとする。段差Ａの存在のため、段差Ａの
下段では光学像１１の焦点が合っていない状態（デフォ
ーカス状態）となっている。現像すると図６に示すよう
に段差Ａの上段のフォトレジスト１２はレジストパター
ン１５のように設計値通りの幅でパターニングされる
が、段差Ａの下段のフォトレジスト１２はレジストパタ
ーン１６のように設計値とは異なった幅となり、しかも
形状が台形となっている。このデフォーカス状態のレジ
ストパターン１６をマスクにして導電層１３をエッチン
グすると導電層１３のエッチング後の幅は設計値とは大
きくかけ離れたものとなり、最悪の場合、隣接するパタ
ーン同志が接触してショート不良となったり、逆にパタ
ーン自体が消滅し配線のオープン不良となる。

【０００６】このデフォーカス状態におけるパターニン
グを防ぐために種々の方法が考案されている（例えば三
層レジストプロセス）が、いずれも一長一短があり、生
産性を向上させるには困難がある。

【０００７】デフォーカス状態におけるパターニングを
防ぐ最も簡単な方法としては、段差Ａの上段のフォトレ
ジストに形成すべきパターンと段差Ａの下段のフォトレ
ジストに形成すべきパターンを別々に２枚のマスクに分
割し、２回に分けて各々のマスクに最適な焦点条件下で
縮小投影露光する方法がある。この方法によると図７に
示すように設計値通りの幅を有するレジストパターン１
５，１７を形成することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、２枚のマスク
を用いて露光する場合、１台の縮小投影露光装置を使用
し先ず第１のマスクによる露光後、該第１のマスクを取
り外し、次いで第２のマスクを装着し露光するか、ある
いは２台の縮小投影露光装置を用い別々に露光を行う必
要がある。このようにすると生産性が極端に低下すると
いう問題点があった。

【０００９】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、生産性を低下させることなく複
数のマスクを用いて露光を行うことができる縮小投影露
光装置を得ることを目的とする。

【００１０】

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る第１の縮
小投影露光装置は、第１のパターンを有し、光照射によ
り前記第１のパターンの第１の光学像を与える第１のマ
スクと、第２のパターンを有し、光照射により前記第２
のパターンの第２の光学像を与える第２のマスクと、前
記第２のマスクから前記第２の光学像を受け、該第２の
光学像に焦点補正を施す焦点補正レンズと、前記第１の
光学像と前記焦点補正が施された前記第２の光学像とを
光学的に合成し合成光学像を与える合成手段と、前記合
成手段からの前記合成光学像を半導体基板上に縮小投影
する縮小投影レンズを備えている。また、この発明に係
る第１の縮小投影露光方法は、第１のパターンを有する
第１のマスクを介した光照射によって前記第１のパター
ンの第１の光学像を求める工程と、第２のパターンを有
する第２のマスクを介した光照射によって前記第２のパ
ターンの第２の光学像を求める工程と、前記第２のマス
クから受けた前記第２の光学像に対し、焦点補正レンズ
を用いて前記第２の光学像に焦点補正を施す工程と、前
記第１の光学像と前記焦点補正が施された前記第２の光
学像とを光学的に合成し合成光学像を求める工程と、前
記合成光学像を半導体基板上に縮小投影する工程とを備
える。

【００１２】この発明に係る第２の縮小投影露光装置
は、光源手段と、第１のパターンを有し、前記光源手段
からの光を受け前記第１のパターンの第１の光学像を与
える第１のマスクと、前記第１のマスクから前記第１の
光学像を受け、該第１の光学像に焦点補正を施す焦点補
正レンズと、第２のパターンを有し、前記焦点補正レン
ズからの光を受けて前記焦点補正が施された前記第１の
光学像と前記第２のパターンの第２の光学像の合成光学
像を出力する第２のマスクと、前記第２のマスクからの
前記合成光学像を半導体基板上に縮小投影する縮小投影
レンズを備えている。また、この発明に係る第２の縮小
投影露光方法は、第１のパターンを有する第１のマスク
に対し、光源手段からの光を照射して前記第１のパター
ンの第１の光学像を求める工程と、前記第１の光学像に
対して焦点補正レンズを用いて焦点補正を施す工程と、
第２のパターンを有する第２のマスクに対し、前記焦点
補正レンズからの光を照射して前記焦点補正が施された
前記第１の光学像と前記第２のパターンの第２の光学像
の合成光学像を求める工程と、前記合成光学像を半導体
基板上に縮小投影する工程とを備える。

【００１３】

【００１４】

【作用】第１の縮小投影露光装置における焦点補正レン
ズは、第２のマスクから第２の光学像を受け、該第２の
光学像に焦点補正を施す。合成手段は、第１の光学像と
前記焦点補正が施された第２の光学像とを光学的に合成
し合成光学像を与える。縮小投影レンズは、合成手段か
らの合成光学像を半導体基板上に縮小投影する。

【００１５】第２の縮小投影露光装置における焦点補正
レンズは、第１の光学像に焦点補正を施す。第２のマス
クは第２のパターンを有し、焦点補正レンズからの光を
受けて焦点補正が施された第１の光学像と第２のパター
ンの第２の光学像の合成光学像を出力する。縮小投影レ
ンズは、第２のマスクからの合成光学像を半導体基板上
に縮小投影する。

【００１６】そのため、半導体基板上の段差の上段およ
び下段に形成すべきパターンに各々対応する２枚のマス
クを用いて露光する場合、第１のマスクと第２のマスク
を取り換える必要がなく、また、２台の露光装置を別々
に用いる必要もない。

【００１７】

【実施例】実施例の詳細な説明に先立ち、一つの参考例
を示す。図１は参考例に係る縮小投影露光装置を示す図
である。図において、図４に示した従来例との相違点は
反射ミラー５、コンデンサレンズ２ｂ、マスク３ｂ、シ
ャッター４ｂ、縮小投影レンズ６ｂを新たに設けるとと
もに、マスク３に代えマスク３ａを設けたことである。
マスク３ａは半導体基板の段差Ａ（図５参照）の上段に
形成されるべき第１のパターンを有する。マスク３ｂは
半導体基板の段差Ａの下段に形成されるべき第２のパタ
ーンを有する。縮小投影レンズ６ｂは縮小投影レンズ６
の焦点距離（第１の焦点距離）と異なる焦点距離（第２
の焦点距離）を有する。第１の焦点距離は段差Ａの上段
に一致し、第２の焦点距離は段差Ａの下段に一致してい
る。

【００１８】光源ランプ１からの光はコンデンサレンズ
２で平行光線にされてマスク３ａに与えられる。マスク
３ａ上に形成された第１のパターンの第１の光学像はシ
ャッター４を介して縮小投影レンズ６に与えられる。第
１の焦点距離を有する縮小投影レンズ６は前記第１の光
学像を半導体基板７上に縮小投影する。第１の焦点距離
は段差Ａの上段に一致し、マスク３ａには半導体基板の
段差Ａの上段に形成されるべきパターン（第１のパター
ン）が形成されているので、段差Ａの上段のフォトレジ
スト１２（図５参照）のみが設計値通りに精度良く露光
される。露光後、ＸＹステージ８を移動手段１００によ
り縮小投影レンズ６ｂの結像地点まで移動させる。

【００１９】光源ランプ１からの光はコンデンサレンズ
２ｂで平行光線にされる。この光は反射ミラー５により
反射されマスク３ｂに与えられる。マスク３ｂ上に形成
された第２のパターンの第２の光学像はシャッター４ｂ
を介して縮小投影レンズ６ｂに与えられる。第２の焦点
距離を有する縮小投影レンズ６ｂは前記第２の光学像を
半導体基板７上に縮小投影する。第２の焦点距離は段差
Ａの下段に一致し、マスク３ｂには半導体基板の段差Ａ
の下段に形成されるべきパターン（第２のパターン）が
形成されているので、段差Ａの下段のフォトレジスト１
２のみが設計値通りに精度良く露光される。以上のよう
にして露光された半導体基板７を現像すると図７に示し
たのと同様、段差Ａの上段に形成されるレジストパター
ン１５と段差Ａの下段に形成されるレジストパターン１
７の幅を設計値通りに形成することができる。レジスト
パターン１５，１７をマスクにして導電膜１３をエッチ
ングすると設計値通りの幅の導電膜パターンが形成でき
る。

【００２０】図２はこの発明の一つの実施例を示す図で
ある。図において、図４の従来装置との相違点は、マス
ク３をマスク３ａに換え、反射ミラー５、コンデンサレ
ンズ２ｂ、マスク３ｂ、焦点補正レンズ９、ハーフミラ
ー１０を新たに設けたことである。マスク３ａ，３ｂは
図１で示したものと同じように半導体基板７上の段差Ａ
の上段に形成すべき第１のパターン、段差Ａの下段に形
成すべき第２のパターンが各々形成されている。焦点補
正レンズ９はマスク３ｂの第２のパターンの光学像の焦
点位置が段差Ａの下段に一致するように補正する。

【００２１】光源ランプ１からの光はコンデンサレンズ
２で平行光線にされマスク３ａに与えられる。マスク３
ａの第１のパターンの第１の光学像はハーフミラー１０
に与えられる。

【００２２】また、光源ランプ１からの光は反射ミラー
５で反射されコンデンサレンズ２ｂに与えられる。コン
デンサレンズ２ｂは反射ミラー５からの反射光を平行光
線にしてマスク３ｂに与える。マスク３ｂの第２のパタ
ーンの第２の光学像は焦点補正レンズ９を介してハーフ
ミラー１０に与えられる。ハーフミラー１０は第１のパ
ターンの第１の光学像と焦点補正レンズ９を介して与え
られる第２のパターンの第２の光学像とを合成してシャ
ッター４を介して縮小投影レンズ６に与える。縮小投影
レンズ６は第１の光学像と第２の光学像との合成光学像
を半導体基板７上に縮小投影する。第２のパターンの第
２の光学像の焦点は焦点補正レンズ９により段差Ａの下
段に合うように補正されており、縮小投影レンズ６の焦
点距離は段差Ａの上段に一致するので、縮小投影レンズ
６を介して半導体基板７上に与えられる合成光学像のう
ち第１のパターンに対応するものは段差Ａの上段に焦点
が合っており、第２のパターンに対応するものは段差Ａ
の下段に焦点が合っている。そのため、半導体基板７上
に形成されたフォトレジスト１２（図５参照）は設計値
通り精度良く露光され、フォトレジスト１２を現像して
形成されるレジストパターンは図７に示したのと同様
（レジストパターン１５，１７）設計値通りに形成され
る。その結果、該レジストパターンをマスクにして導電
層１３をエッチングすると導電層パターンを設計値通り
の寸法に形成できる。

【００２３】また、この実施例によれば、１回の露光に
より段差Ａの上段と下段のパターンを精度よく同時に形
成することができる。

【００２４】図３はこの発明の他の実施例を示す図であ
る。図において、図４に示した従来装置との相違点は、
マスク３の代わりにマスク３ａ，３ｂおよび焦点補正レ
ンズ９を新たに設けたことである。マスク３ａ，３ｂの
パターンは図１で示した装置に用いたマスクのパターン
と同一である。ただし、マスク３ａに形成されている段
差Ａの上段に形成すべき第１のパターンは光を通過させ
ない遮光部材で構成され、その他の部分は光を通過させ
る透光部材で構成されている。マスク３ｂに形成されて
いる段差Ａの下段に形成すべき第２のパターンも遮光部
材で構成され、その他の部分は透光部材で構成されてい
る。その他の構成は従来例と同様である。

【００２５】次に動作について説明する。光源ランプ１
からの光はコンデンサレンズ２により平行光線にされ、
マスク３ａに与えられる。マスク３ａの第１のパターン
の第１の第１の光学像（陰形）は焦点補正レンズ９を介
してマスク３ｂに与えられる。第１の光学像はマスク３
ｂを透過する。一方、マスク３ｂの第２のパターンは焦
点補正レンズ９を介して与えられる光により第２の光学
像（陰形）になる。マスク３ｂを透過した第１の光学像
とマスク３ｂの第２の光学像の合成光学像がシャッター
４を介して縮小投影レンズ６に与えられる。縮小投影レ
ンズ６は前記合成光学像を縮小して半導体基板７上に投
影する。第１のパターンの第１の光学像は焦点補正レン
ズ９によりその焦点位置が段差Ａの下段に合うように補
正されている。また、第２のパターンの第２の光学像は
焦点補正レンズ９を透過していないので、第２の光学像
は段差Ａの上段に焦点が合う。そのため、フォトレジス
ト１２を現像して得られるレジストパターンは設計値通
りに形成され、このレジストパターンをマスクに導電層
１３をエッチングすると導電層１３は設計値通りの寸法
にパターニングされる。

【００２６】以上のように、図１に示した参考例、図
２，図３に示した実施例によれば、フォトレジスト１２
の段差Ａの上段と下段を精度良く露光するのに、従来の
ように第１のマスクと第２のマスクを取り換える必要が
ない。また、別々の露光装置を用いる必要もない。その
結果、従来装置を用いる場合に比べ生産性が向上する。

【００２７】また、図２，図３に示した実施例によれば
１回の露光により段差Ａの上段と下段のパターンを同時
に形成することができ、２回の露光を行う図１の参考例
より、図２，図３の実施例の方がより生産性が向上す
る。

【００２８】なお、上記実施例では、２枚のマスク３
ａ，３ｂを用いた場合について説明したが、３枚以上の
マスクを用いる場合にもこの発明は適用できる。

【００２９】

【００３０】

【発明の効果】この発明に係る第１の縮小投影露光装置
及び第１の縮小投影露光方法によれば、合成光学像は第
１の光学像と焦点補正が施された第２の光学像とを光学
的に合成したものとして得られ、これが半導体基板上に
縮小投影される。

【００３１】また、この発明に係る第２の縮小投影露光
装置及び第２の縮小投影露光方法によれば、合成光学像
は焦点補正レンズからの光を受けて焦点補正が施された
第１の光学像と第２のパターンの第２の光学像の合成と
して得られ、これが半導体基板上に縮小投影される。

【００３２】したがって、第１，第２の縮小投影露光装
置及び第１，第２の縮小投影露光方法によれば、２枚の
マスクを用いて露光する場合、第１のマスクと第２のマ
スクを取り換える必要がなく、また、２台の露光装置を
用いる必要もない。その結果、生産性を低下させること
なく複数のマスクを用いて半導体基板上に精度よくパタ
ーンを縮小投影することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る縮小投影露光装置の参考例を示
す図である。

【図２】この発明に係る縮小投影露光装置の一つの実施
例を示す図である。

【図３】この発明に係る縮小投影露光装置の他の実施例
を示す図である。

【図４】従来の縮小投影露光装置を示す図である。

【図５】図４に示した装置の動作を説明するための図で
ある。

【図６】図４に示した装置の動作を説明するための図で
ある。

【図７】問題点を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 光源ランプ ３ａ，３ｂ マスク ５ 反射ミラー ６，６ｂ 縮小投影レンズ ７ 半導体基板 １０ ハーフミラー １００ 移動手段

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のパターンを有し、光照射により前
   記第１のパターンの第１の光学像を与える第１のマスク
   と、 第２のパターンを有し、光照射により前記第２のパター
   ンの第２の光学像を与える第２のマスクと、 前記第２のマスクから前記第２の光学像を受け、該第２
   の光学像に焦点補正を施す焦点補正レンズと、 前記第１の光学像と前記焦点補正が施された前記第２の
   光学像とを光学的に合成し合成光学像を与える合成手段
   と、 前記合成手段からの前記合成光学像を半導体基板上に縮
   小投影する縮小投影レンズ を備えた縮小投影露光装置。
2. 【請求項２】 第１のパターンを有する第１のマスクを
   介した光照射によって前記第１のパターンの第１の光学
   像を求める工程と、 第２のパターンを有する第２のマスクを介した光照射に
   よって前記第２のパターンの第２の光学像を求める工程
   と、 前記第２のマスクから受けた前記第２の光学像に対し、
   焦点補正レンズを用いて前記第２の光学像に焦点補正を
   施す工程と、 前記第１の光学像と前記焦点補正が施された前記第２の
   光学像とを光学的に合成し合成光学像を求める工程と、 前記合成光学像を半導体基板上に縮小投影する工程とを
   備えた縮小投影露光方法 。
3. 【請求項３】 光源手段と、 第１のパターンを有し、前記光源手段からの光を受け前
   記第１のパターンの第１の光学像を与える第１のマスク
   と、 前記第１のマスクから前記第１の光学像を受け、該第１
   の光学像に焦点補正を施す焦点補正レンズと、 第２のパターンを有し、前記焦点補正レンズからの光を
   受けて前記焦点補正が施された前記第１の光学像と前記
   第２のパターンの第２の光学像の合成光学像を出力する
   第２のマスクと、 前記第２のマスクからの前記合成光学像を半導体基板上
   に縮小投影する縮小投影レンズを備えた縮小投影露光装
   置。
4. 【請求項４】 第１のパターンを有する第１のマスクに
   対し、光源手段からの光を照射して前記第１のパターン
   の第１の光学像を求める工程と、 前記第１の光学像に対して焦点補正レンズを用いて焦点
   補正を施す工程と、 第２のパターンを有する第２のマスクに対し、前記焦点
   補正レンズからの光を照射して前記焦点補正が施された
   前記第１の光学像と前記第２のパターンの第２の光学像
   の合成光学像を求める工程と、 前記合成光学像を半導体基板上に縮小投影する工程とを
   備えた縮小投影露光方法 。