JP2914927B2 - 微細パターン形成時の露光方法及びその装置 - Google Patents
微細パターン形成時の露光方法及びその装置Info
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Description
ターン形成方法に関し、特に微細パターン形成時の露光
方法及びその装置に関する。
て、最近の半導体装置の高集積化の趨勢は、半導体装置
の製造工程の中でのエッチング、又はイオン注入工程等
のマスクに非常に広く用いられている感光膜パターンを
形成するリソグラフィ工程による微細パターン形成技術
の発展に大きな影響を受けている。
装置(steppor)の光分解能を向上させるための方法とし
て光源の波長を低減させる方法がある。
小露光装置は工程分解能が約0.5μm程度であり、2
48nmのKrFレーザや193nmのArFレーザを
光源に用いる縮小露光装置はライン/スペースパターン
の場合に約0.25μm程度のパターン分解が可能であ
る。
は隣接パターン間の光干渉を利用する位相反転マスク
(phase shift mask:以下PSMという)を用いたり、
ステッパの光源を偏光して用いる偏光照明法等を用いる
こともある。
の感光膜パターンをウェハ上に形成するためには所定の
光遮断膜パターンが形成されたマスク、例えばレチクル
(reticle)を用いて露光を行う。
の形成の際の露光方法を添付の図面を参照して説明する
と、次の通りである。
光装置の構造を説明するための概略図で、キルラー(Ko
hler)照明法の例である。
源(1)から出た光(2)がアパチャ(aperture)
(3)と集光レンズ系(4)を通過する。
遮断膜パターン(5a)等を通過して像(image)を現わ
す。
を通過してウェハ(7)上に至る。
般照明法においては、露光の際の露光時間は短いが、焦
点深度が浅くなるため工程進行の際、生産収率を低下さ
せる問題点がある。
の方法としては、アパチャの形状を変化させアパチャの
中心部分に光を遮断する遮断部を設けて露光マスク像に
傾斜光が入射するよう変形照明法が提案されている。
折された光の中、0次回折光と±1次回折光の中、一つ
がその下部に位置した転斜レンズ(Projection Lens)に
集束されるため0次回折光と±1次回折光の入射角が同
じ場合に焦点深度の増加効果を得ることができる。
アパチャの中心部に位置した光遮断部がアパチャ(aper
ture)の中心部分を通過する光を遮断することになるた
め、露光マスク及びウェハ上に到達する光の強さが一般
照明法に比べ概して小さくなる。
照明法に比べ長い時間の間、露光を行わなければならな
いため、光分布が一定にならなくなるので大量生産の場
合生産収率が低減することになる。
れた方法として、光源で照射される光を一つの方向に線
形偏光して用いる線形偏光照明法がある。
パターンが偏光方向と並んで形成されている場合に対し
ては、i−線光源の縮小露光装置でも0.175μmの
ライン/スペースの幅まで像を現わすことができる。
ンが偏光方向と垂直を成す場合に対しては、並列方向の
パターンより像のコントラストが非常に低下する現象で
あるコントラストギャップ(contrast gap)が存在す
る。
al illumination)と斜入射露光(off-axis illuminatio
n)及び位相反転マスク(phase shift mask)を用いる場
合に、ライン/スペース パターンで線形偏光の主軸が
露光マスクの光遮断膜パターンと並列の場合(φ=90
°のScom成分)が露光マスクの光遮断膜パターンと垂
直の場合(φ=0°のPcom 成分)に比べ大きいコント
ラストを有するので、二成分間のコントラストギャップ
が存在することになる。
さい順の一般露光と斜入射露光及び位相反転マスクを用
いる場合の全てに存在することになる。
チャから透光面積と全体面積間の空間部分干渉度σとイ
メージ大きさ(feature size)が小さいほど、レンズ口
径数(Numerical Aperture;以下NAと称する)が大き
くなるほど、一層大きくなる。
る場合にもコントラストギャップは一層大きくなる。
微細パターン形成時の露光方法においてはコントラスト
ギャップが大きいため、線形偏光照明法を用いて種々な
方向のパターンでなる露光マスクの微細パターンを現わ
すのに大きい障害となることにより、半導体素子の高集
積化が困難である。
光方法においては工程余裕度が低減され工程収率及び素
子動作の信頼性が落ちる問題点がある。
するため考案したものであり、高いコントラストを維持
しながらコントラストギャップを減少させ半導体素子の
高集積化に適するようにした微細パターン形成時の露光
方法及びその装置を提供することにその目的がある。
増加させ工程収率及び半導体素子の動作特性の信頼性を
向上させることができる微細パターン形成時の露光方
法、及びその装置を提供することにある。
子の製造時に微細パターンの形成を容易にした微細パタ
ーン形成時の露光方法、及びその装置を提供することに
ある。
するために、本発明による微細パターンの形成時の露光
方法は、光源から照射された光を、コントラストギャッ
プが工程余裕度が許す範囲内となるように計算された楕
円率と偏光角を有するように楕円偏光して、偏光した光
をマスクに入射させることを特徴とする。
の露光装置は光源から照射する光をウェハに照射させ像
を形成する露光装置において、光源から照射する光を一
定の楕円率と偏光角を有するよう偏光させる偏光板を備
えることを特徴とする。
して詳細に説明する。
いるための理論的な根拠として、偏光分布函数(polari
zation distribution function)とそれに伴う偏光成分
を求めるための数式を簡単に考察してみれば、次の通り
である。
ional unit vector )である(tx,ty )方向に入射
した光がマスクを通過して(rx ,ry )方向に回折す
る。
て出射洞で(Sx 、Sy )方向にガウシアン像点(gaus
sian image point)に向けて進行し(x,y)の座標系
を有する像面に電気場(electric field)を作る。
示す。
(rx −tx ,ry −ty )はマスク透過函数(mask t
ransmission function)のフーリエ変換(Fourier tran
sformation)である。
クトル伝達函数(vector transferfunction)で、F
(rx −tx ,ry −ty )と共に(tx ,ty )方向
に入射した光が投射レンズ系を通過した後、(Sx ,S
y )方向への大きさ(amplitude)を決定する。
ry −ty )×K(Sx −Sy :tx ,ty )の大きさ
を有し、(Sx −Sy )方向に進行する平面波(plane
wave)等の重畳(superposition)である。
Sy :tx ,ty )は入射方向成分である(tx ,
ty )に殆ど影響を受けない値として次のような近似値
(approximation value)を有する。
似なベクトル伝達函数は次のように定義する。
折光が光軸となす方向成分と投射レンズ系を通過した光
が光軸となす方向成分を示し、 cos α=rx =(1−r2 x −r2 y )1/2 …(4A) cos β=Sz =(1−S2 x −S2 y )1/2 …(4B) に示される。
通過しながら生じる波面収差函数(wavefront aberrati
on function)であり、Ψ(sx ,sy )は偏光分布函数
(polarization distribution function)として光軸に
並んで入射した光が出射洞を通過する回折光に寄与する
値を現す。
の場合には、マスクに入射する光の方向を現す(tx ,
ty )の領域が入射洞に生じる有効光源(effective so
urce)領域である。
に対し有効光源領域で次のように積分して求める。
積分領域はキルラ照明系から入射洞に作る有効光源の大
きさを現す。
(weighting function)を現す値であり、キルラ照明系
ではマスク面に生じる光源の大きさを示す。
の光分布を計算すると、次の通りである。
下記のように像面(image plane)での方向成分に置換す
る。
(rx ,ry )=(−Msx −Msy) ここで、Mは
投射レンズ系の倍率であり、(ux ,uy )と(sx ,
sy )はそれぞれ物体面での(tx , ty ) と(rx ,
ry ) 方向成分が投射レンズ系を通過しながら方向成分
の変化を現す。したがって、
系を通過しながら生じる空間周波数に対する積分式に表
現するため次のように置換する。
分式は、空間周波数に対する積分式表現に次のように置
換できる。
ルTCC(vector transmission cross coefficient)の
k方向成分として次のように計算される。
標を(x,y)から(x/M,y/M)に変換してフー
リエ計算すればF(f′,g′)に現すことができる。
域が像空間(image space)で半径がσNAim=σMNA
obの円なのでΓ(f,g)に表現した後、積分領域を物
体空間(object space)から半径σNAobに置換すれば
上記のような結果を得ることができる。
の光度分布は次のような規格化された空間周波数の積分
形態で計算される。
λに規格化された空間周波数であり、F(f′,g′)
はマスク透過函数のフーリエ(Fourier)変換を現し、F
* はFの共軛複素数(complex conjugate)である。
g″)はベクトルTCCのk成分を現す。
g″)は露光マスクの光遮断膜パターンと無関係の光学
系の特性値として次のように計算される。
il) に生じる照明系の有効光源を現す値として円形照明
の場合、 Γ(f,g)=1/πσ2 (f2 +g2 <σ2 の時) =0 (他の値である時) …(12) の同じ値を有する。
理論で新しく定義されるベクトル伝達函数(vector tra
nsfer function)として次のように定義される。
れるための値として、C={1−λ2 (1+M2 )(f
2 +g2 )+λ4 (f2 +g2 )2 }-1/2に計算され
る。
(defocus)を含む波面収差函数である。
tribution function)Ψk (f,g)は、入射光の偏光
成分が光学系を通過して出射洞から(λf,λg)方向
に向かう回折光のk(k=x,y,z)方向成分に寄与
する量を現す値である。
(A)乃至図2(C)に示されているような線形偏光、
円偏光、楕円偏光三つの偏光状態の全ての場合に対し、
偏光分布函数を求めれば次の通りである。
る多様な偏光状態光の進行分布図である。
ず三つの偏光状態を入射洞に入射する偏光のx,y方向
の成分により決定される。
io) と位相差(phase difference)により全ての偏光状
態を表現することができる。
成分に分解すれば、次の通りである。
y はx,y方向の大きさと位相を現す。
(z,t)が空間上で描く形跡の姿により図2(A)乃
至2(C)の通り、3種の偏光状態を作る。
位相が同様であれば、線形偏光(linear polarization)
を作り、大きさが同様であり位相が90°の差が出れば
円偏光(circular polarization)を作り、大きさと位相
が全て異なれば、楕円偏光(elliptical polarization)
を作る。
に光学系の座標系と光線進行経路を図のように定義す
る。
光角(the angle of polarization)(φ)と定義し、長
軸と短軸の比は楕円率(the ratio of ellipticity)
(χ,χtan χ=b/a)に定義する。
函数Ψは全ての偏光状態に対し計算することができる。
(円偏光含む)のx,y成分を示す前記の式で偏光分布
函数のx,y,z方向成分はそれぞれ Ψx (f, g)=[−gScom +fPcom {1−λ2 (f2 +g2 )}1/2 ] /[f2 +g2 ]1/2 Ψy (f, g)=[fScom +gPcom {1−λ2 (f2 +g2 )}1/2 ] /[f2 +g2 ]1/2 Ψz (f, g)=−λPcom [f2 +g2 ]1/2 …(14) となる。
光軸と像点(focal point)を向かう光線がなす子午平面
(meridional plane)を定義する。
分(Scom)に定義し、平行な成分はP−偏光成分(Pco
m)に定義する。
有する偏光をScom ,Pcom に分離すれば、 Scom ={fEoyei δ−gEox}/{f2 +g2 }1/2 …(15) Pcom ={fEox+gEoyei δ}/{f2 +g2 }1/2 …(16) に示される。
場合の結果を図3を参照して考察してみれば、次の通り
である。
i−line,NA=0.5,σ=0.5の場合、前記式
(14)〜(16)を用いて円偏光で得た値を利用した
場合には実線で示し、線形偏光を用いた場合には点線で
示した。
ク(Phase Shift Mask)を用いた場合、OAIと示すの
は斜入射露光(Off-Axis Illumination)した場合、CT
と示すのは一般露光(Conventional Illumination)の
場合である。上記各場合において点線(φ=0゜)及び
一点鎖線(φ=90゜)は線形偏光したときを示すもの
であって、点線は光遮断膜パターンが偏光方向と垂直の
状態、一点鎖線は光遮断膜パターンが偏光方向と平行の
状態を示している。図より垂直の状態と平行の状態との
間でコントラストギャップが存在していることが判る。
一方、φ実線は円偏光のときであり、線形偏光の偏光角
がφ=90゜の状態に比べるとコントラスト自体は低下
しているが、光遮断膜の方向性には関係なくコントラス
トギャップは存在しない。
/スペースパターンに対しi−line,NA=0.5,σ
=0.5の場合、楕円偏光照明を用いたとき、偏光角が
φ=90°(楕円偏光の主軸がマスクパターンと垂直の
場合)に対し、それぞれ楕円率をχ=100%,75
%,50%,25%,0%に変化させた場合、コントラ
ストとコントラストギャップの特性を調べたグラフであ
る。
即ち、円に近くなるほどコントラストギャップが低減す
ることが分かる。
マスクを共に用いた場合の特性を示すグラフである。
的な露光マスクを用いる場合に比べパターンの大きさが
低減することが分かる。
明(σout =0.5,σin=0.3)を用いた場合の特
性を示すグラフである。
記図4の場合よりは小さいが、前記図5の場合よりは増
加することが分かる。
てコントラストを決めることができ、楕円率を調節して
コントラストギャップを決定することができる。
とコントラストギャップが決定すれば、前記式等を利用
して一番適切な偏光角と楕円率を選択し高いコントラス
トを維持しながらコントラストギャップを最小化させる
ことができる。
の構造を大きく変更しなくても約1G DRAM等のよ
うな高集積素子の製作に必須的な約0.18μm級微細
パターン像をウェハに現す時、利用することができる。
向になっており、残りの部分が多方向に構成されている
場合、偏光角を主なパターン方向に一致させ、許容され
るコントラストギャップの最大値に楕円率を調節すれば
微細パターンを容易に形成することができる。
び楕円率を望み通り製作された偏光板を用いれば任意の
値等を得ることができるため、従来のステッパ(steppe
r)で光源とアパチャの間に偏光板を設けることだけでも
本発明の効果を実現させることができる。
導体素子の微細パターン形成時の露光方法及びその装置
においては従来の線形偏光から発生するコントラストギ
ャップ、即ち、パターンの長手方向と偏光方向の不一致
によるコントラストの差を防止するためベクトルイメー
ジ理論を利用し類推された式等を用いて偏光分布函数を
求め、露光マスクに入射するx,y成分を有する偏光を
子午平面と垂直の成分S−偏光成分(Scom )と平行な
成分P−偏光成分(Pcom )を求めて適正なコントラス
トギャップとコントラストを有する楕円偏光程度を決定
することができる。
ターン形成時の露光方法及びその装置いおいては、適切
な楕円偏光の使用が容易でありコントラストギャップを
低減させることができるためコントラストを向上させる
ことができる。
ターン形成時の露光方法及びその装置においては、微細
パターン形成が容易であり半導体素子の高集積化に適す
る。
ターン形成時の露光方法及びその装置においては、工程
余裕度が増加し工程収率及び素子動作の信頼性を向上さ
せることができる。
の概略図。
状態光の進行分布図。
一般露光と斜入射露光(off-axis illumination)及び
円偏光を用いたパターンの大きさに対するパターンコン
トラストのグラフ。
楕円率の変化に伴うコントラストに対するパターン大き
さのグラフ。
楕円率の変化に伴うコントラストに対するパターン大き
さのグラフ。
楕円率の変化に伴うコントラストに対するパターン大き
さのグラフ。
系 5…露光マスク 6…投射レンズ
系 7…ウェハ
Claims (8)
- 【請求項1】 光源を介してウェハに像を照射してパタ
ーンを形成する方法において、 光源から照射する光を、コントラストギャップが工程余
裕度が許す範囲内となるように計算された楕円率と偏光
角を有するように楕円偏光して、該偏光した光をマスク
に入射させることを特徴とする微細パターン形成時の露
光方法。 - 【請求項2】 マスクに入射させる上記楕円偏光した光
の楕円率と偏光角は、下記式により表示される偏光分布
函数を利用して求めることを特徴とする請求項1に記載
の微細パターン形成時の露光方法。偏光分布函数のx,
y,z方向成分はそれぞれ Ψx(f,g)=[−gScom+fPcom{1−λ2(f2+g2)}1/2] /[f2 +g2 ]1/2 Ψy (f,g)=[fScom +gPcom {1−λ2 (f2 +g2 )}1/2 ] /[f2 +g2 ]1/2 Ψz (f,g)=−λPcom [f2 +g2 ]1/2 (ここで、fとgは空間周波数成分) 子午平面と垂直のScom 成分と平行なPcom 成分をそれぞれ Scom ={fEoyei δ−gEox}/{f2 +g2 }1/2 Pcom ={fEox+gEoyei δ}/{f2 +g2 }1/2 (ここで、Eox,Eoyとδx ,δy はそれぞれx,y方向の大きさと位相) - 【請求項3】 光源から照射する光をウェハに照射して
像を形成する露光装置において、前記光源から照射する
光を、一定の楕円率と偏光角を有するよう偏光させる偏
光板を備えることを特徴とする微細パターン形成時の露
光装置。 - 【請求項4】 前記偏光板により偏光された光は、楕円
型偏光であることを特徴とする請求項3記載の微細パタ
ーン形成時の露光装置。 - 【請求項5】 前記偏光板により偏光した光は、円形偏
光であることを特徴とする請求項3記載の微細パターン
形成時の露光装置。 - 【請求項6】 前記楕円率と前記偏光角を偏光分布函数
式 Ψx (f,g)=[−gScom +fPcom {1−λ2 (f2 +g2 )}1/2 ] /[f2 +g2 ]1/2 Ψy (f,g)=[fScom +gPcom {1−λ2 (f2 +g2 )}1/2 ] /[f2 +g2 ]1/2 Ψz (f,g)=−λPcom [f2 +g2 ]1/2 (ここで、fとgは空間周波数成分と、子午平面と垂直の成分Scom と平行な 成分Pcom ) Scom ={fEoyei δ−gEox}/{f2 +g2 }1/2 Pcom ={fEox+gEoyei δ}/{f2 +g2 }1/2 (ここで、Eox,Eoyとδx ,δy はそれぞれx,y方向の大きさと位相) を用いて求めた後、偏光角及び楕円率ほど偏光させるこ
とを特徴とする請求項3記載の微細パターン形成時の露
光装置。 - 【請求項7】 前記光源から照射される光は、アパチャ
と集光レンズ系と露光マスク及び投射レンズ系を介して
ウェハに照射されることを特徴とする請求項3記載の微
細パターン形成時の露光装置。 - 【請求項8】 前記偏光板は、前記光源とアパチャの間
に配置されることを特徴とする請求項7記載の微細パタ
ーン形成時の露光装置。
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