JP3458549B2 - パターン形成方法および該方法を用いた半導体デバイス製造方法と装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パターン形成方法およ
び該方法を用いた半導体デバイス製造方法と装置に係
り、さらに詳しくは、位相シフトマスクを用いても二次
ピークの問題がなく、良好なパターンを形成することが
できる露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、半導体集積回路の研究開発におい
て、サブハーフミクロン領域のデザインルールのデバイ
スが研究開発されている。これらデバイス開発において
は、フォトリソグラフィー技術が必須である。このフォ
トリソグラフィー技術に使用されている露光装置、いわ
ゆる縮小投影露光装置の解像性能が、半導体デバイスの
研究開発の成否、および量産の可否を左右しているとい
っても過言ではない。

【０００３】従来、縮小投影露光装置の解像性能は、以
下のレイレーの式

【０００４】

【数１】

【０００５】に基づき、縮小投影レンズのＮＡを大きく
する、もしくは露光波長を短くすることにより向上され
てきていた。しかしながら、半導体デバイス作製におい
ては、半導体デバイスのトポグラフィー、ウエハーフラ
ットネス等に起因した段差が存在しているため、解像性
能と同時に焦点深度の確保も重要なパラメーターであ
る。半導体デバイス作製時のフォトリソグラフィー工程
におけるレジストパターンの寸法精度は、一般に±５％
である。実デバイスにおいては、図１に示すように、半
導体基板Ｓの面には必ず凹凸が存在する。例えば、ポリ
Ｓｉ等の凸部Ｉｎが存在する。その結果、同一焦点面で
レジストＰＲのパターンが形成されることはない。その
ため、レジストＰＲのパターンの寸法が、段差の上部と
下部とで異なってしまう。当然、このことは、同一波
長、同一開口数のステッパーを用いた場合、パターンが
細かければ細かいほど顕著化する。この傾向は、どの種
のレジストについても、共通に見られる傾向である。

【０００６】焦点深度は、露光波長に一次に比例して、
ＮＡの二乗に反比例して小さくなる。量産段階において
焦点深度は、１．５μｍ程度が必要である。そのため、
必要とされる解像性能および焦点深度の双方を満足する
には、限界がある。図２（Ａ），（Ｂ）に、最先端の露
光方法であるＫｒＦエキシマレーザーリソグラフィーに
おける焦点深度（Ｄ．Ｏ．Ｆ）の解像性能をパラメータ
ーとした際のＮＡ依存性を示した。図からも理解される
ように、必要とされる焦点深度１．５μｍを満たした上
で、得られる最高の解像力は、約０．３５μｍ程度であ
る。したがって、０．３５μｍ以下の線幅を１．５μｍ
以上の焦点深度を有して解像することは、極めて困難で
ある。焦点深度の拡大を図る何らかの技術が必要であ
る。

【０００７】このような要求に答えるべく、近年ハーフ
トーン型位相シフト法が提案されている。同露光法は、
コンタクトホールのような孤立パターンの解像度、焦点
深度を向上させるのに極めて有力な方法である。ハーフ
トーン型位相シフト法は、図３に示すように、露光用光
に対する透過率が数％〜２０％程度以下の、つまりわず
かに露光用光を透過させるような半透明なＣｒ_x Ｏ_y ，
Ｓｉ_x Ｎ_y ，ＳｉＯ_xＮ_y ，Ｍｏ_x Ｓｉ_y 膜等を暗部１
に相当するハーフトーン膜２として用い、明部３では該
膜２および透明基盤の双方（凹部５が形成される）もし
くは該膜２のみをエッチングしてマスクとして機能させ
ている。その際、明部３と半透明膜により形成される暗
部１との位相差を、１８０°に設定することにより、図
４（Ｂ）に示すように、孤立パターン（たとえば０．６
λ／ＮＡのホールパターン）における光強度分布の勾配
を急にすることができる。なお、図４（Ａ）は、従来の
クロムマスクを用いた孤立パターンにおける光強度分布
である。

【０００８】この位相シフトマスクの設計において、ハ
ーフトーン膜２の透過率が重要な要素である。即ち、孤
立パターンにおける光強度分布の勾配をより急にするた
めには、該ハーフトーン膜２の透過率を上げれば良い。
しかしながら、透過率を上げることによりハーフトーン
膜２による遮光効果が薄れ、レジストが全面的に露光さ
れてしまう。

【０００９】また通常、パターン形成時には、光強度分
布に於いて所望するパターン位置の両側に遮光位置にも
かかわらず、図５（Ａ）に示すように、近接効果により
サイドロブと呼ばれる２次ピークが発生している。該２
次ピークは、ハーフトーン透過率を上げることにより強
調され、図５（Ｂ）に示すように、例えばホールパター
ン６の設計寸法をＷとして、隣り合うパターン間距離が
３Ｗ以上離れている所謂完全孤立のコンタクトホールに
おいても、周辺部が“えぐれた”形状（符号８部分）と
なる。図５（Ｂ）に示す形状では、エッチング工程にお
いてコンタクト径が拡大してしまうことが懸念される。

【００１０】さらに、ハーフトーン位相シフトマスク法
を、パターン密度が高い、所謂繰り返しパターン部に応
用しようとすると、２次ピークは、パターン密度が高
い、所謂繰り返しパターン部において、隣り合うパター
ン間同志の干渉即ち相互近接効果により強調され、より
顕著となる。

【００１１】したがって、ハーフトーン位相シフトマス
ク法を用いてデバイスパターンを形成しようとすると、
パターン間距離を十分に配慮して設計およびＣＡＤ工程
を行わなければならず、設計およびＣＡＤ工程に多大な
負荷をかけることとなり、実用化を妨げている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述した問題点を解決
するべく、現在各方面で、近接効果を顕著化させず、ま
たマスクの設計に負荷をかけないで焦点深度を拡大する
ための検討が精力的に行われている。しかしながら、上
記問題点を有せずに焦点深度を拡大するための効果的な
露光方法は、いまだ見い出されていない。したがって、
近接効果を顕著化させず、またマスクの設計に負荷をか
けないで焦点深度を拡大するための露光技術を早急に確
立することが必要不可欠である。

【００１３】現在、デバイス作成に当たり、実用的な焦
点深度が得られない場合、多層レジスト法、もしくは電
子ビーム露光法等を用いてパターン形成を行っている。
しかしながら、十分満足する効果が得られていない。よ
って、近接効果を顕著化させず、またマスクの設計に負
荷をかけず、そして上記に述べた以外の方法で、収差な
どの結像特性に影響を与えないで焦点深度を拡大するた
めの露光技術を早急に確立することが必要不可欠であ
る。

【００１４】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、半導体デバイスなどを作製する際に、そのマスクパ
ターンが微細なものであっても、良好に、安定したレジ
ストパターンが形成できるように、焦点深度を拡大する
方法を決定し、これにより良好なレジストパターニング
を可能としたパターンの作成方法および半導体デバイス
作製方法を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体デバイ
スを作製する際に、そのマスクパターンが微細なもので
あっても、任意のパターン密度を有する通常のマスク、
特にハーフトーン位相シフトマスクを用いて、収差など
の結像特性に影響を与えないで焦点深度を拡大する方法
であって、これにより上記目的を達成するものである。
これは、露光装置の光学系を解析することにより理解さ
れる。即ち、本発明は、本発明者による、次の知見によ
り得られたものである。

【００１６】任意のパターン密度を有するハーフトーン
位相シフトマスクを用いて、収差などの結像特性に影響
を与えないで、焦点深度の拡大を、以下の手段を用いて
行った。 （１）設計およびＣＡＤ工程に多大な負荷をかけること
なく任意のパターン密度を有する設計パターンに対し
て、ハーフトーン位相シフトマスク法を用いることを可
能にするためには、パターン密度が高い、所謂繰り返し
パターン部に応用できれば良い。パターン密度が高い、
所謂繰り返しパターン部は、隣り合うパターン間同志の
干渉によりパターンは形成されている故、相互近接効果
による光強度分布における２次ピークを低減できればよ
い。

【００１７】（２）光強度分布は、露光装置の有効光源
における光強度分布に依存する。即ち、露光装置所謂ス
テッパーの投影光学系は、図６に示すごとく、全系の絞
り１０は第一群、第二群の焦点面に配置されており、両
テレセントリックな結像系であり、また全系としてアフ
ォーカルな系である。即ち、マスク面１２と瞳面（絞り
１０と略等しい）、瞳面とウエハ面１４はフーリエ変換
の関係である。また、マスクを照明する照明光学系から
の光は、全て平面波展開することにより示される。アフ
ォーカルな特性ゆえ、一つ一つの平面波は、二次光源
（有効光源とも言う）１６であるハエの目レンズの発光
点一つ一つに対応している。

【００１８】（３）（２）で示した特徴により、マスク
面、瞳面、ウエハ面夫々の座標系を（ｘ，ｙ）（ξ，
η）（α，β）とし、一群、二群の焦点距離はｆ１，ｆ
２とする。また、マスクの透過関数をｏ（ｘ，ｙ）とす
ると、瞳面上での振幅分布ｆ（ξ，η，θ₁ ，θ₂ ）
は、以下の数式で表わせる。

【００１９】

【数２】

【００２０】ウエハ面上での振幅分布をｇ（α，β，θ
₁ ，θ₂ ）、瞳関数をｐ（ξ，η）とすると、以下の数
式が成り立つ。

【００２１】

【数３】

【００２２】θ₁ ，θ₂ で入射した平面波のウエハ面上
での強度分布Ｉ（α，β，θ₁ ，θ ₂ ）は、以下の数式
で表わせる。

【００２３】

【数４】

【００２４】ゆえに、全体の強度分布Ｉ（α，β）は、
各平面波の重ね合わせとなるので、重み関数をＷ（θ
₁ ，θ₂ ）とすると、以下の数式が成り立つ。

【００２５】

【数５】

【００２６】ここで、“マスクはｙ軸に平行な等間隔の
格子パターン”とすると、マスクの透過関数ｏ（ｘ，
ｙ）は、マスク周波数をωとして、次の式で表わせる。

【００２７】

【数６】

【００２８】従って、瞳面上での振幅分布ｆ（ξ，η，
θ₁ ，θ₂ ）は、以下の数式で表わせる。

【００２９】

【数７】

【００３０】瞳面での波面収差をＷ（ξ，η）とする
と、ウエハ面上での振幅分布ｇ（α，β，θ1 ，θ2 ）
は、以下の数式で表わせる。

【００３１】

【数８】

【００３２】ここで、前記式（７）から明らかになるよ
うに、瞳面での物体のスペクトル分布は、δ関数の和で
ある。従って、ｎ番目の回析光が瞳に入るか入らないか
の判定は、明確である。そこで、式（８）にて回析光が
瞳に入るか入らないかを判定するVignetting factor Pn
を用いた。

【００３３】

【数９】

【００３４】以上より、ウエハ面上での個々の平面波の
強度分布Ｉ（α，β，θ₁ ，θ₂ ）は、以下の数式で表
わせる。

【００３５】

【数１０】

【００３６】収差等を無視した理想結像の場合は、次の
式が成り立つ。

【００３７】

【数１１】

【００３８】ゆえに、個々の平面波の強度分布Ｉ（α，
β，θ₁ ，θ₂ ）は、以下の数式で表わせる。

【００３９】

【数１２】

【００４０】つまり、上式を、ハエの目レンズ各点の強
度比に応じた重みづけをなして重ね合わせることによ
り、ウエハ面上での全体の光強度分布Ｉ（α，β）が求
まる。（４）上記数式（１１）が、理想結像を行う際の
基本式である。以下、実際に上記数式（１１）を解析し
てみる。厳密解を得るには、回析光の全ての次数を重ね
合わせる必要があるが、事実上０次と±１次光のみに着
目しても問題となる微細な線幅においては、高次の回析
光は瞳でけられてしまうので、解析結果の一般性は失わ
れない。

【００４１】（５）０次と±１次のみの光を考えると、
図７に示される回析光のケラレの位置関係より、式（１
２）には以下の４つの場合しか存在しない。

【００４２】

【数１３】

【００４３】

【数１４】

【００４４】

【数１５】

【００４５】

【数１６】

【００４６】上記（I）のケース（数式（１２））は０
次、±１次光の全てが取り入れられるケースであり、３
光束干渉により結像する。上記（II）のケース（数式
（１３））は、０次と±１次光の片方が取り入れられる
ケースであり、２光束干渉により結像する。上記（II
I）のケース（上記数式（１４））は、０次光のみが取
り入れられるケースであり、解像限界以下の、即ち空間
周波数が高いときに生じる。上記（IV）のケース（上記
数式（１５））は、±１次光の片側のみが取り入れられ
るケースであり、光源が極めて大きい時に生じる。

【００４７】（６）上記数式（１２）〜（１５）の各々
を、上記数式（４）に代入すれば、全体の強度分布Ｉ
（α，β）は求まる。しかし、上記式（１２）〜（１
５）を解析することにより、如何にすれば、任意のパタ
ーン密度を有する設計パターンに対して、ハーフトーン
位相シフトマスク法を用いることを可能にするかを示唆
している。即ち、数式（１２）を微分すると、ｃｏｓ
項、ｓｉｎ項夫々が０になる解は存在する。このこと
は、３光束干渉により結像した場合は、必ず２次ピーク
が発生することを意味している。また、上記数式（１
３）を微分しても、ｓｉｎ項が０になる解のみしか存在
しない。このことは、２光束干渉により結像した場合
は、２次ピークが発生しないことを示唆している。即
ち、通常のステッパーの様に、ハエの目レンズの中心部
光強度が強い光源を用いた際には、３光束干渉が支配的
になり２次ピークが発生し、所謂斜入射照明のようなハ
エの目レンズの周辺部光強度が強い光源を用いた際に
は、２光束干渉となり、２次ピークが発生しないことを
示唆している。

【００４８】（７）斜入射照明技術は、マスク面に照明
光を斜め方向から照射し、その結果として、図８および
９（Ｂ）に示すように、０次光、および±１次光のいず
れかを瞳面に入射させ、他方の１次光はレンズ境筒等に
て除去し、２光束干渉でパターンを形成する。その結
果、見かけ上レンズのＮＡを小さくでき、焦点深度の向
上に多大な効果を有する。しかし一方で、有効光源が小
さくなることによる近接効果の増大、照度の低下、照度
ムラの増大、露光マージンの低下、テレセン性（投影レ
ンズ光軸とウェーハ面との垂直性）の影響を強く受け
る、等の問題点を有している。

【００４９】なお、図８中、符号２０はランプまたはレ
ーザを示し、符号２１はコリメータを示し、符号２２は
ハエの目レンズを示し、符号２３はコンデンサレンズを
示し、符号２４はレチクル（マスク）を示す。また、図
９（Ａ）は、３光束干渉の場合を示し、図９（Ｂ）は二
光束干渉の場合を示す。

【００５０】（８）上記（６）および（７）の事情を鑑
みると、ハーフトーン位相シフトマスクにおける問題点
である２次ピークが発生しない程度に斜入射成分を強調
し、かつ斜入射露光法の有する問題点を発生させないよ
うに垂直入射成分を有する、ハエの目レンズ上の光強度
分布が望ましい事が分かる。

【００５１】（９）上記概念に基づき、あらゆる方向の
パターンにおいて繰り返しパターンの焦点深度、孤立パ
ターンの焦点深度、２次ピークの発生、近接効果の度合
い、照度、照度ムラ、ディストーション変化等を考慮し
て、ハエの目面上での光量分布として、図１０（Ａ），
（Ｂ）に示す形態が適切であることを見い出し、本発明
を完成させたものである。図１０（Ａ）は、ハエの目レ
ンズへ入射する光の光量分布を数字で示したものであ
り、＊部が光量のピーク部分を示し、０〜９の数字は、
ピーク部分を１０とした場合の光量の割合を示し、中央
部で低く周辺部で高い光量分布となっている。また、図
１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示す光量分布を立体的に
示したものである。

【００５２】（１０）本発明は、光リソグラフィーを用
いて、半導体デバイスのマスクパターンをレジストに転
写する場合などに好適に用いることができる。 （Ａ）本発明によれば、有効光源からの光をマスクに照
射し、このマスクのパターンを基板上に転写し、基板上
にパターンを形成する方法、および、装置において、前
記有効光源が複数のレンズの集合体であるハエの目レン
ズであり、該ハエの目レンズの個々のレンズの径が中央
部の個々のレンズの径が周辺部での個々のレンズの径の
１．１〜３倍であり周辺部よりも中央部で大きいものを
用い、前記有効光源の中央部から出射する光の光量を、
有効光源の周辺部から出射する光の光量に対して、所定
量低めることを特徴とするパターン形成方法、および、
装置が提供される。 （Ｂ）また本発明によれば、有効光源からの光をマスク
に照射し、このマスクのパターンを基板上に転写し、基
板上にパターンを形成する方法、および、装置におい
て、一回の露光時間をＴとした場合に、０．０５×Ｔ〜
０．９５×Ｔの時間、中央部に対して周辺部で透過性が
高い第１フィルターに光を通し、残りの露光時間では、
その他の第２フィルターに光を通し、またはフィルター
を用いないことにより、一回の露光時間では、前記有効
光源の中央部からの光の光量を、前記有効光源の周辺部
から出射する光の光量のピーク値に対して低めることを
特徴とするパターン形成方法、および、装置が提供され
る。 （Ｃ）さらに本発明によれば、有効光源からの光をマス
クに照射し、このマスクのパターンを基板上に転写し、
基板上にパターンを形成する工程を有する半導体デバイ
スの製造方法、および、装置において、プリズムである
光学素子と、この光学素子に対して光路軸方向に接近・
離反移動可能に配置された光学部品とを用いることによ
り、前記有効光源の中央部に入射する光の光量を、有効
光源の周辺部に入射する光の光量のピーク値に対して所
定量低めることを特徴とする半導体デバイスの製造方
法、および、装置が提供される。 （Ｄ）本発明によれば、有効光源からの光をマスクに照
射し、このマスクのパターンを基板上に転写し、基板上
にパターンを形成する工程を有する半導体デバイスの製
造方法、および、装置において、前記有効光源が複数の
レンズの集合体であるハエの目レンズであり、該ハエの
目レンズの個々のレンズの径が周辺部での個々のレンズ
の径の１．１〜３倍であり、周辺部よりも中央部で大き
いものを用い、前記有効光源の中央部から出射する光の
光量を前記有効光源の周辺部から出射する光の光量に対
して所定量低めることを特徴とする半導体デバイスの製
造方法、および、装置が提供される。

【００５３】前記有効光源の中央部から出射する光の光
量を、有効光源の周辺部から出射する光の光量のピーク
値に対して、２〜９０％低めることが好ましい。前記マ
スクとしては、通常のクロムマスクあるいは位相シフト
マスクなどを用いることができる。本発明では、位相シ
フトマスクを用いた場合に特に有効である。位相シフト
マスクとしては、特に限定されないが、リム型あるいは
アウトリガー型の位相シフトマスクを例示することがで
きる。

【００５４】有効光源としては、特に限定されないが、
たとえば複数のレンズの集合体であるハエの目レンズを
好適に用いることができる。あるいは有効光源として、
複数の光ファイバーを用いることも可能である。光量が
低下する前記有効光源の中央部の領域は、たとえば有効
光源の外径の１０〜４０％の領域である。

【００５５】前記有効光源の周辺部での光量のピーク
は、たとえば有効光源の周辺部の回転対称位置の数点に
現われる。ビームスプリッタと四角錐もしくは円錐状の
プリズムレンズとを用いることにより、前記有効光源の
中央部へ入射する光の光量を、有効光源の周辺部へ入射
する光の光量のピーク値に対して低めることができる。
また、ビームスプリッタ単独、四角錐もしくは円錐状プ
リズム単独、または複数の四角錐もしくは円錐状プリズ
ムを用いることにより、前記有効光源の中央部へ入射す
る光の光量を、有効光源の周辺部へ入射する光の光量の
ピーク値に対して低めることもできる。

【００５６】中央部に対して周辺部で透過性が高いフィ
ルターを用いることにより、前記有効光源の中央部に入
射する光の光量を、有効光源の周辺部に入射する光の光
量のピーク値に対して低めることもできる。ハエの目レ
ンズの個々のレンズに対応する開口部を有し、中央部に
対して周辺部で当該開口部の径が大きいメカニカルフィ
ルターを用いることにより、前記ハエの目レンズの中央
部から出射する光の光量を、ハエの目レンズの周辺部か
ら出射する光の光量のピーク値に対して低めることもで
きる。

【００５７】プリズムと、このプリズムに対して光路軸
方向に接近・離反移動可能に配置された光学部品とを用
いることにより、前記有効光源の中央部に入射する光の
光量を、有効光源の周辺部に入射する光の光量のピーク
値に対して低めることもできる。

【００５８】前記有効光源へ入射するビームを二以上に
分割し、分割された二以上の光束を可動ミラーを用い
て、前記有効光源上に照射し、前記可動ミラーの表面形
状に依存する有効光源の表面の各点におけるスキャン速
度差を利用して、前記有効光源の中央部から出射する光
の光量を、有効光源の周辺部から出射する光の光量のピ
ーク値に対して低めることもできる。

【００５９】前記ハエの目レンズの個々のレンズの径
は、均一であっても良いが、周辺部よりも中央部で大き
く構成しても良い。たとえば、ハエの目レンズにおい
て、中央部の個々のレンズの径を、周辺部での個々のレ
ンズの径の１．１〜３倍としても良い。このように構成
することで、照度むらを防止することができる。

【００６０】また、本発明では、一回の露光時間をＴと
した場合に、０．０５×Ｔ〜０．９５×Ｔの時間、中央
部に対して周辺部で透過性が高い第１フィルターに光を
通し、残りの露光時間では、その他の第２フィルターに
光を通し、またはフィルターを用いないようにしても良
い。これにより、結果的に、一回の露光時間では、前記
有効光源の中央部からの光の光量を、有効光源の周辺部
から出射する光の光量のピーク値に対して低めることが
できる。

【００６１】本発明に係るパターン形成装置は、有効光
源からの光をマスクに照射し、このマスクのパターンを
基板上に転写し、基板上にパターンを形成する装置にお
いて、前記有効光源の中央部から出射する光の光量を、
有効光源の周辺部から出射する光の光量に対して、所定
量低める光量分布補正手段を有する。

【００６２】光量分布補正手段は、有効光源の中央部か
ら出射する光の光量を、有効光源の周辺部から出射する
光の光量のピーク値に対して、２〜９０％低める手段で
あることが好ましい。マスクが位相シフトマスクである
ことが好ましい。

【００６３】有効光源は、複数のレンズの集合体である
ハエの目レンズであることが好ましい。ハエの目レンズ
の個々のレンズの径は、周辺部よりも中央部で大きいこ
とが好ましい。光量分布補正手段により光量が低下する
前記有効光源の中央部の領域が、有効光源の外径の１０
〜４０％の領域であることが好ましい。

【００６４】有効光源の周辺部での光量のピークが、有
効光源の周辺部の回転対称位置の数点に現われることが
好ましい。光量分布補正手段は、有効光源の中央部へ入
射する光の光量を、有効光源の周辺部へ入射する光の光
量のピーク値に対して低める光学素子を有することが好
ましい。ハエの目レンズにおいて、中央部の個々のレン
ズの径が、周辺部での個々のレンズの径の１．１〜３倍
であることが好ましい。

【００６５】前記光学素子は、ビームスプリッタおよび
／またはプリズムレンズであることが好ましい。前記光
量分布補正手段は、中央部に対して周辺部で透過性が高
いフィルターを有することが好ましい。

【００６６】光量分布補正手段は、メカニカルフィルタ
ーを有し、このメカニカルフィルターが、ハエの目レン
ズの個々のレンズに対応する開口部を有し、中央部に対
して周辺部で当該開口部の径が大きいことが好ましい。
光量分布補正手段は、光学素子と、この光学素子に対し
て光路軸方向に接近・離反移動可能に配置された光学部
品とを有することが好ましい。この場合、光学素子とし
ては、プリズムなどを用いることができる。

【００６７】光量補正手段は、有効光源へ入射するビー
ムを二以上に分割する手段と、分割された二以上の光束
を前記有効光源上に照射する可動ミラーと、前記可動ミ
ラーの表面形状に依存する有効光源の表面の各点におけ
るスキャン速度差を利用して、前記有効光源の中央部か
ら出射する光の光量を、有効光源の周辺部から出射する
光の光量のピーク値に対して低めるスキャン手段とをさ
らに有する。

【００６８】光量分布補正手段は、たとえば中央部に対
して周辺部で透過性が高い第１フィルターと、一回の露
光時間内に、前記第１フィルターに光を通す状態と、こ
の第１フィルターを通さずに露光を行う状態とに切り換
える切り替え手段とを有しても良い。この場合におい
て、本発明に係る装置は、第１フィルターと異なる透過
率分布の第２フィルターをさらに有し、前記第１フィル
ターを通さずに露光を行う状態では、第２フィルターに
光を通すように切り替え手段が制御されることが好まし
い。

【００６９】切り替え手段は、少なくとも前記第１フィ
ルターが装着してある回転式ディスクと、この回転式デ
ィスクを回転駆動する駆動手段とを有することが好まし
い。また、切り替え手段は、少なくとも前記第１フィル
ターがスライド式に移動可能なスライド機構を有するも
のでも良い。さらに、切り替え手段として、電圧印加に
より光の透過率が変化する光シャッタ式光学材料を用い
ても良い。

【００７０】本発明に係る半導体デバイスの製造方法
は、上述したパターン形成方法を用いて、半導体基板の
上に半導体デバイスを作り込む際に、特に好適に用いる
ことができる。

【００７１】

【実施の形態】以下本発明の実施例について、具体的に
説明する。ただし、当然のことではあるが、本発明は以
下の実施例により限定されるものではない。実施例１ この実施例は、ハーフトーン位相シフトマスクを用いて
半導体デバイスパターンを安定して転写するため、図１
１に示す露光装置のハエの目レンズ３７の入射面上で、
図１０（Ａ），（Ｂ）に示す光量分布を形成して焦点深
度を向上させた例である。ただし、図１０（Ａ），
（Ｂ）は、わずかながら４重極を形成した形状になって
いるが、輪帯形状および他の形状でも差し支えない。本
実施例に示した結果は、ＫｒＦエキシマレーザーステッ
パーを用いて得た結果だが、本結果は一般性があり、用
いる波長によっては得られないものではなく、従来用い
られたｇ線、ｉ線にもそのまま適用できる結果である。
また、将来的なＡｒＦエキシマレーザーやその他の波長
に対しても好適に用いることができる。

【００７２】まず、露光装置の全体構成について説明す
る。図１１に示すように、この露光装置は、レーザ装置
と、ステッパー装置とから成る。レーザ装置は、エキシ
マレーザ３０と、ドーズ量制御ユニット３１と、シフテ
ィングユニット３３と、発射光学系３４とで構成され
る。

【００７３】ステッパー装置は、ビームスプリッタ３５
と、プリズムユニット３６と、ハエの目レンズ３７と、
マスキングブレード３８と、レチクル３９と、プロジェ
クションレンズ４０とで構成される。エキシマレーザ３
０から発射された露光用光は、前記種々の光学系を通し
て、ハエの目レンズ３７へ入射し、ハエの目レンズ３７
が二次光源（有効光源）となる。その露光用光は、マス
クパターンが形成されたレチクル３９を通し、ウェーハ
４１面上に至り、レチクル３９のパターンがウェーハ面
上に転写される。

【００７４】ハエの目レンズ３７は、複数（たとえば１
００個）のレンズの集合体であり、全体としての外径
は、通常５ｃｍ〜２０ｃｍである。次に、前記ハエの目
レンズ３７への入射面において図１０に示す光量分布を
選定した手順について説明する。次の（１）〜（３）の
手順を行った。

【００７５】（１）従来のステッパーのハエの目面での
光量分布は、図１２（Ｃ）に示すように、中心部が高く
周辺部が低いガウス光量分布となっている。これは、図
１２（Ａ）に示すように、ビームスプリッタ３５で分け
られた光を、同図（Ｂ）に示すように、プリズムにより
合成するためである。

【００７６】図１２（Ｃ）に示す光量分布となることか
ら、荒いパターンに有効な照明光が強く、同時にウエハ
４１面上にて２次ピークを発生させ、微細なパターンに
有効な照明光が弱いといった問題点があった。 （２）この点を解決するために、ハエの目レンズの中心
部光強度を徐々に遮光していき、ハーフトーン位相シフ
トマスクにおける問題点である２次ピークが発生しない
程度に斜入射成分を強調した。

【００７７】（３）この結果、ハエの目レンズ上におい
て周辺部に存在する最大光強度を１としたとき、中心部
強度が０．９以下、好ましくは０．８以下の強度分布に
おいて、２次ピークが発生しないことを見い出した。図
１３（Ａ）は、通常のクロムマスクから成るレチクルを
用い、しかもハエの目レンズ上での光量分布がガウス分
布である場合の高密度パターンにおける光強度分布を示
す。図１３（Ｂ）は、通常のクロムマスクから成るレチ
クルを用い、しかもハエの目レンズ上での光量分布が図
１０（Ａ），（Ｂ）に示す分布である場合の高密度パタ
ーンにおける光強度分布を示す。

【００７８】図１４（Ａ）は、位相シフトハーフトーン
マスクから成るレチクルを用い、しかもハエの目レンズ
上での光量分布がガウス分布である場合の高密度パター
ンにおける光強度分布を示す。図１４（Ｂ）は、位相シ
フトハーフトーンマスクから成るレチクルを用い、しか
もハエの目レンズ上での光量分布が図１０（Ａ），
（Ｂ）に示す分布である場合の高密度パターンにおける
光強度分布を示す。

【００７９】図１３，１４において、露光用光の波長λ
は２４８ｎｍであり、開口数ＮＡは０．４５であり、σ
は０．７であり、線幅対間隔の比が１：１であり、０．
３５μm の解像度の条件であり、フォーカスＦを０．
０、０．４、０．６、０．８、１．０μm と変化させ
た。

【００８０】図１３（Ｂ）および図１４（Ｂ）に示すよ
うに、本発明の方法を用いれば、二次ピークが低減され
る。図１０（Ａ），（Ｂ）に示す結果は、わずかながら
４重極を形成した形状になっているが、輪帯形状および
他の形状でも差し支えない。あくまで、ハエの目レンズ
上において周辺部に存在する最大光強度を１としたと
き、中心部強度が０．９以下、好ましくは０．８以下で
あればよい。

【００８１】（４）以上、本実施例を用いることによ
り、２次ピークの影響を受けずにハーフトーン位相シフ
トマスクを用いて、またマスクの設計に負荷をかけない
で焦点深度を拡大するための露光技術を確立した。実施例２ 本実施例は、本発明をハーフトーン位相シフトマスクを
用いたＫｒＦエキシマリソグラフィーを用いて半導体デ
バイスパターンを安定して転写するに際して、本発明に
おける所望のハエの目レンズ上の光強度分布を形成した
例である。以下の（１）〜（３）の手順を行った。

【００８２】（１）図１１に示したＫｒＦエキシマレー
ザーステッパーの照明光学系内において、レーザービー
ムはビームスプリッターを通して、４つに光束が分割さ
れている。そこで、これら分割されたビームを再度重ね
合わせる際においてビームの開き角、ビーム間隔を調整
することにより、所望の光量分布をハエの目面上にて再
現した。

【００８３】（２）即ち、図１１に示すビームスプリッ
タ３５により、図１５（Ａ）に示すように、ビーム４２
を分割し、これらビームを図１１に示すプリズムユニッ
ト３６を用いて重ね合わせる（図１５（Ｂ）参照）こと
により、本実施例における所望の光量分布をハエの目レ
ンズ面上に再現した。

【００８４】図１５（Ａ）において、重ね合わせ前の各
ビーム４２を内側にどれほどシフトさせるか、あるいは
各ビームの短手方向の寸法をどれほどにするかで、重ね
合わせ後の光源形状が決定する。図１５（Ｂ）におい
て、四隅部４３は、光の重ね合わせ部であり、光量のピ
ーク部分となる部分であり、中央部４４では、各ビーム
のシミだしにより光は存在するが、光量は低い。

【００８５】本方法を用いてビームを重ね合わせた時に
得られるハエの目レンズ面上での光量分布は、図１０
（Ａ），（Ｂ）に示す結果と同様である。 （３）以上により、本発明の実施例では、２次ピークが
発生しない程度に斜入射成分を強調した光源形状を確立
した。

【００８６】実施例３ 上記実施例２において、２次ピークが発生しない程度に
斜入射成分を強調した光源形状を形成する際、ハエの目
レンズ上における中心部光強度をあまりに小さく設定す
ると、２次ピークは発生しないものの既述した斜入射露
光法固有の問題点が顕著化される。本実施例は、ハエの
目レンズ上における中心部光強度の下限（２％）を、以
下の最適化に基づき求めた例である。

【００８７】（１）ハエの目レンズ上における中心部光
強度を変化させたときの解像性能に及ぼす影響を表１に
示す。

【００８８】

【表１】

【００８９】表１は、０．３５μｍ線幅での焦点深度、
線幅均一性、照度、照度ムラ、デストーション変化を示
している。表中“全体”と示されている部分が、これら
すべてのグループにおける共通の焦点深度である。即
ち、“全体”と示されている焦点深度の値が、様々なパ
ターン形状、パターンの疏密性、方向性が含まれている
実際の半導体デバイスを作製する際に重要な焦点深度で
ある。

【００９０】また、比較例１がハエの目レンズ面でガウ
ス分布の光強度分布を有する従来露光法を示し、比較例
２が斜入射照明のうち４点照明を示し、比較例３が輪帯
照明を示している。そして、実施例Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが、
ハエの目レンズ上における中心部光強度において、斜入
射成分を徐々に強調し、かつ斜入射露光法の有する問題
点を発生させないように垂直入射成分を有する光強度分
布を用いた際の焦点深度である。これら実施例Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄでは、ハエの目レンズの入射面上での中心部の光
量を、周辺部のピーク値に対して、それぞれ９０％、５
０％、３０％、２％とした以外は同一条件である。

【００９１】全体の焦点深度は、従来露光法（比較例
１）においては０．４２μｍであり、斜入射照明（比較
例２）においては１．０２μｍ、輪帯照明（比較例３）
においては１．２μｍの焦点深度である。即ち、斜入射
照明や輪帯照明を用いた場合においては、５本バーチャ
ートの中心部における焦点深度の向上効果は著しいもの
があるが、すでに述べた問題点、即ち、近接効果等が原
因となっているすべてのパターンを含んだ焦点深度はそ
れほどではない。

【００９２】一方、ハエの目レンズ上における中心部光
強度において、斜入射成分を徐々に強調し、かつ斜入射
露光法の有する問題点を発生させないように垂直入射成
分を有する光強度分布を用いた（実施例Ａ〜Ｄ）際にお
いては、５本バーチャートの中心線における焦点深度の
向上効果においても、輪帯照明（比較例３）と同等の焦
点深度向上効果が得られ、従来法（比較例１）と比較し
て２．５倍以上、焦点深度が向上する。

【００９３】前記実施例Ａ，Ｂ，Ｃについて、ウェーハ
面上での光強度分布を測定した結果を図１７〜１９に示
し、従来法（比較例１）のそれを図１６に示す。図１７
〜１９に示すように、図１６に示す従来法に比較し、本
実施例Ａ，Ｂ，Ｃでは、二次ピークｐを低減することが
できた。

【００９４】実際に、上記比較例１および実施例Ｃにお
いて、半導体ウェーハの表面にパターンを形成した場合
の解像性能の差を図２０（Ａ），（Ｂ）に示す。図２０
（Ａ）は、比較例１の通常照明状態でハーフトーン位相
シフトマスクを用い、０．３０μｍ線幅の線パターンを
実際に形成した場合のウェーハの断面図である。用いた
露光装置は、ＮＡ０．４５のＫｒＦエキシマレーザース
テッパーである。レジストは、化学増幅型ポジレジスト
を用いた。ライン：スペース＝１：１．５の疏密比を有
するパターンに着目した。

【００９５】図２０（Ｂ）は、実施例Ｃの光量分布でハ
エの目レンズ上に照明し、それを二次光源として、ハー
フトーン位相シフトマスクを用い、０．３０μｍ線幅の
線パターンを実際に形成した場合のウェーハの断面図で
ある。その他の条件は、図２０（Ａ）の場合と同様であ
る。

【００９６】従来法（比較例１）においては、所望する
パターン部５０以外に、２次ピークによるパターン５２
が解像してしまっている。一方、本実施例Ｃによる露光
方法では、２次ピークによる影響なく好適にパターン５
０が形成されている。また、±０．６μm にフォーカス
がずれても、良好なパターン５０が形成されている。

【００９７】図２１（Ａ）は、上記比較例１の通常照明
状態でハーフトーン位相シフトマスクを用い、０．３μ
m のコンタクトホールを実際に形成した場合の半導体ウ
ェーハの平面図である。用いた露光装置は、ＮＡ０．４
５のＫｒＦエキシマレーザーステッパーである。レジス
トは、化学増幅型ポジレジストを用いた。疏密比１：１
のパターンに着目した。

【００９８】図２１（Ｂ）は、実施例Ｃの光量分布でハ
エの目レンズ上に照明し、それを二次光源として、ハー
フトーン位相シフトマスクを用い、０．３０μｍのコン
タクトホールを実際に形成した場合のウェーハの平面図
である。その他の条件は、図２０（Ａ）の場合と同様で
ある。

【００９９】従来法（比較例１）においては、所望する
パターン部５０ａ以外に、２次ピークによるパターン５
２ａが解像してしまっている。一方、本実施例Ｃによる
露光方法では、２次ピークによる影響なく好適にパター
ン５０ａが形成されている。また、±０．６μm にフォ
ーカスがずれても、良好なパターン５０ａが形成されて
いる。

【０１００】図２２（Ａ），（Ｂ）は、０．３０μｍ線
幅での焦点深度向上効果を示している。用いた露光装置
は、ＮＡ０．４５のＫｒＦエキシマレーザーステッパー
である。レジストは、化学増幅型ポジレジストを用い
た。ライン：スペース＝１：１、３：１の疏密比を有す
るパターンに着目した。ハーフトーン位相シフトマスク
を用いずに、また従来（比較例１）のハエの目レンズ上
の光強度分布を用いた際には、わずか０．９μｍ程度の
焦点深度しか得られていない。一方、本実施例Ｃによる
露光方法においては、２倍以上の１．８６μｍの焦点深
度が得られている。なお、既述したが、従来のハエの目
レンズ上の光強度分布とハーフトーン位相シフトマスク
を組み合わせると、２次ピークによるパターンが解像し
てしまい、許容できる結像がなされない。

【０１０１】本実施例Ｃによれば、２次ピークの影響を
受けずにハーフトーン位相シフトマスクを用いてマスク
の設計に負荷をかけないで焦点深度を拡大できることが
確認された。 （２）表１に示すように、照度（照明出力）は、斜入射
照明（比較例２）法や輪帯照明（比較例３）法を用いる
と、従来法（比較例１）と比較して実に３割程度に低下
する。一方、本実施例Ａ〜Ｄでは、照度（照明出力）
は、約１割程度の低下ですむ。また、照度ムラ（照明均
一性）に関しても、斜入射法（比較例２）や輪帯照明法
（比較例３）を用いると５％程度以上に劣化し、レジス
トの感度を考慮すると、照度ムラに起因する線幅バラツ
キが生じる。一方、本発明の実施例を用いた際において
は、照度ムラは、従来法と比較して同程度であり、本発
明による悪影響はない。

【０１０２】（３）ハエの目レンズ上周辺部の強度を１
００としたとき、中心部強度が２％、好ましくは２０％
以上の強度分布においては、斜入射露光法の有する問題
点、即ち有効光源が小さくなることによる近接効果の増
大、照度の低下、照度ムラの増大、露光マージンの低
下、テレセン性の影響を強く受ける、等の問題点を有し
ないことを見い出した。

【０１０３】即ち、斜入射露光法の有する問題点を発生
させないように、２％、好ましくは２０％程度以上の垂
直入射成分を有する、ハエの目レンズ上の光強度分布が
望ましいことが分かる。 （４）以上、実施例１および本実施例より、ハエの目レ
ンズ上の光強度分布における最大光強度を１００とした
時、中心部の光強度を、２〜９０％、好ましくは２０〜
８０％に設定することにより、ウエハ面上での光強度分
布において２次ピークが発生せず、かつ斜入射露光法固
有の問題点を有しないことを見い出した。

【０１０４】本実施例に示した結果は、ＫｒＦエキシマ
レーザーステッパーを用いて得た結果だが、本結果は一
般性があり、従来用いられていたｇ線、ｉ線にもそのま
ま適用できる結果である。また、将来的なＡｒＦエキシ
マレーザーやその他の波長に対しても好適に用いること
ができる。

【０１０５】実施例４ 本実施例は、ハーフトーン位相シフトマスクを用いて半
導体デバイスパターンを安定して転写するに際して、本
発明における所望のハエの目レンズ上の光強度分布を、
ハエの目レンズ上に装着する吸収型もしくは反射型フィ
ルターを用いて形成した例である。

【０１０６】ステッパーの照明光学系内において、図２
３に示すハエの目レンズ３７に入射直前の光強度分布を
Ｉ₀ （ｘ，ｙ）とすると、透過率Ｔ（ｘ，ｙ）を有する
吸収もしくは反射型フィルターをハエの目レンズ入射直
前もしくは直後の位置に装着して所望の光強度分布を得
た。即ち、各位置毎に透過率の異なるフィルターを、合
成石英等の硝材表面に半透明膜を蒸着することにより得
た。但し、ハエの目レンズ面における座標系を（ｘ，
ｙ）とする。

【０１０７】以上により、２次ピークは発生しない程度
に斜め入射成分を強調し、かつ斜入射露光法固有の問題
点を有しない光源状態を確立した。実施例５ 本実施例は、ハーフトーン位相シフトマスクを用いて半
導体デバイスパターンを安定して転写するに際して、図
２４に示すようなメカニカルなフィルター６０を用いて
所望の光量分布をハエの目レンズ面上にて形成した例で
ある。

【０１０８】ハエの目レンズに入射直前の光強度分布に
おいて、中央部が強い光強度を有する所謂“ガウス分
布”照明の場合は、ハエの目レンズ透過直後の光強度分
布が所望する光強度分布になるように、斜入射成分を強
調したい周辺領域に対しては、個々のハエの目レンズと
同程度の大きさの開口部を設け、中央領域に向かって徐
々に個々のハエの目レンズよりも小さな開口を有する金
属版を、ハエの目レンズの直前に挿入する。

【０１０９】なお、ハエの目レンズに入射直前の光強度
分布が平坦な所謂“フラット”照明の場合は、ハエの目
レンズ透過直後の光強度分布が所望する光強度分布にな
るように、斜入射成分を強調したい領域に対しては、個
々のハエの目レンズと同程度の大きさの開口部を設け、
光強度を落としたい中央部においては、個々のハエの目
レンズよりも小さな開口を有する金属版を、ハエの目レ
ンズ直前に挿入する。

【０１１０】以上により、２次ピークは発生しない程度
に斜入射成分を強調し、かつ斜入射露光法固有の問題点
を有しない光源形状を確立した。実施例６ 本実施例は、ハーフトーン位相シフトマスクを用いて半
導体デバイスパターンを安定して転写するに際して、本
発明における所望のハエの目レンズ上の光強度分布を、
光路分割されていない照明系内に、４角錐プリズムもし
くは円錐プリズムを装着して得た。これらのプリズム
は、単体で用いてもよく、また、図２５に示すように、
プリズム７０と対の形状を有する光学パーツ７２と一体
化して用いてもよい。一体化して用いた際には、本発明
による露光方法を用いる際には、プリズム７０と対の形
状を有する光学パーツ７２との間の距離を光軸方向に可
変にして使用することにより、所望するハエの目レンズ
上の光強度分布は得られる。

【０１１１】また、通常照明を用いてパターンを形成す
る際においても、プリズム７０と対の形状を有する光学
パーツ７２を密着して用いればよい。即ち、プリズム７
０もしくはプリズムと対の形状を有する光学パーツ７２
のいずれかで、ズーム機能を持たせ、ズーム機能の制御
をコンソール側から入力して行った。

【０１１２】以上により、２次ピークは発生しない程度
に斜入射成分を強調し、かつ斜入射露光法固有の問題点
を有しない光源形状を確立した。実施例７ 本実施例は、ハーフトーン位相シフトマスクを用いて半
導体デバイスパターンを安定して転写するに際して、光
路を２つ以上に分割し、個々の光路内に凹状の表面形状
を有する振動ミラーもしくは回転するポリゴン状ミラー
を用いて照明光をハエの目レンズ上に照射し、ミラー表
面形状に依存するハエの目の各点の表面におけるスキャ
ン速度差を用いて、露光時間全体を通して、斜入射成分
および垂直入射成分を制御し、マスクにおける回析光の
配分を制御する。但し、分割された２つ以上の光束を用
いたスキャン方向は直交するものとする。なお、スキャ
ン速度は、レジスト露光時間と同期させることにより行
った。

【０１１３】以上により、２次ピークは発生しない程度
に斜入射成分を強調し、かつ斜入射露光法固有の問題点
を有しない光源形状を確立した。実施例８ 本実施例では、ハーフトーン位相シフトマスクを用いて
メモリセルパターンを転写するに際して、上記実施例３
中の実施例Ｃのように、ハエの目レンズ上における中心
部光強度を、周辺部に対して３０％とした。光強度の分
布は、図１０（Ａ），（Ｂ）に示す分布と同様である。
露光装置としては、図１１に示す装置を用いた。より具
体的には、ＮＡが０．４５のＫｒＦエキシマレーザース
テッパーを用いた。また、レジストとしては、化学増幅
型ポジレジスト（ＷＫＲ−ＰＴ２）を用いた。

【０１１４】露光により得られたメモリセルパターンの
概略を図２６に示す。一対のゲート電極８０１ａ，８０
ｂが１セルである。ウェーハの位置によらず、メモリセ
ルの密集しているところで考えて、端より順にセル番号
を付し、１セル内のたとえば左側のゲート電極８０ａの
パターンについて、臨界寸法を測定した。本実施例８に
おいて、臨界寸法のばらつきを、図２７（Ａ）に示す。

【０１１５】また、比較例４として、ハエの目レンズ上
に照射する光強度分布を図１２（Ｃ）に示すガウス分布
とした以外は、実施例８と同様にして、メモリセルパタ
ーンを形成した。実施例８と同様にして測定した結果
を、図２７（Ｂ）に示す。さらに、比較例５として、ハ
エの目レンズ上に照射する光強度分布を輪帯照明の分布
（中心部の光強度を０）とした以外は、実施例８と同様
にして、メモリセルパターンを形成した。実施例８と同
様にして測定した結果を、図２７（Ｃ）に示す。

【０１１６】本実施例８では、輪帯照明の比較例５に比
較し、臨界寸法のばらつきが大幅に少ないことが確認さ
れた。また、比較例４では、臨界寸法のばらつきは少な
いが、従来のガウス分布有効光源であるため、二次ピー
クが発生するおそれがあると共に、ＤＯＦが小さい。

【０１１７】実施例９ 本実施例では、ハーフトーン位相シフトマスクを用いて
内径０．３０μm のコンタクトホールパターンを転写す
るに際して、上記実施例３中の実施例Ｃのように、ハエ
の目レンズ上における中心部光強度を、周辺部に対して
３０％とした。光強度の分布は、図１０（Ａ），（Ｂ）
に示す分布と同様である。露光装置としては、図１１に
示す装置を用いた。より具体的には、ＮＡが０．４５の
ＫｒＦエキシマレーザーステッパーを用いた。また、レ
ジストとしては、化学増幅型ポジレジスト（ＷＫＲ−Ｐ
Ｔ２）を用いた。

【０１１８】コンタクトホールの内径と、それらの間隔
との比（デューテイ比）を１：３，１：１．５，１：１
と変化させたパターンについて、それぞれジャストフォ
ーカスと、−１．０μm デフォーカスと、＋１．０μm
デフォーカスとの条件で、パターンを形成した。すなわ
ち、９通りの条件でパターンを形成した。９通りの露光
条件で得られたコンタクトホールパターンのＳＥＭ写真
を図２８（Ａ）にまとめて示す。図示するように、デュ
ーティ比が相違しても、またデフォーカスとなっても、
良好なパターンでコンタクトホールパターンが形成でき
ることが確認された。

【０１１９】また、比較例６として、ハエの目レンズ上
に照射する光強度分布を図１２（Ｃ）に示すガウス分布
とした以外は、実施例９と同様にして、９通りの条件で
コンタクトホールパターンを形成した。実施例９と同様
にしてＳＥＭ写真で観察した結果を、図２８（Ｂ）に示
す。ホールが密集するパターンになると、二次ピークに
よる孔が形成されてしまった。

【０１２０】さらに、比較例７として、ハエの目レンズ
上に照射する光強度分布を輪帯照明の分布（中心部の光
強度を０）とした以外は、実施例９と同様にして、９通
りの条件でコンタクトホールパターンを形成した。実施
例９と同様にしてＳＥＭ写真で観察した結果を、図２８
（Ｃ）に示す。ベストフォーカス時には問題がないが、
デフォーカス時に、良好に孔が形成できなかった。

【０１２１】実施例１０ 本実施例１０では、有効光源の中央部から出射する光の
光量を、有効光源の周辺部から出射する光の光量に対し
て所定量低めるために、一回の露光時間をＴとした場合
に、０．０５×Ｔ〜０．９５×Ｔの時間、中央部に対し
て周辺部で透過性が高い第１フィルターに光を通し、残
りの露光時間では、フィルターを通さない通常照明を行
う。

【０１２２】本実施例においては、図１１に示す基本的
構成の露光装置を用いる。本実施例では、フィルターを
通さない状態では、有効光源としてのハエの目レンズ３
７へ入射する光の強度分布は、図２９に示すようなフラ
ットな光強度分布であるとする。

【０１２３】本実施例では、たとえば図３２（Ａ）に示
す回転ディスク式のフィルター切り換え装置９０が、図
１１に示すハエの目レンズ３７の光入射側または光出射
側に配置してある。このフィルター切り換え装置９０
は、回転ディスク９２と、これを駆動する回転駆動軸９
４とを有する。回転ディスク９２には、周方向に沿って
光透過用開口部９５と、フィルター９６と、その他のフ
ィルターが形成してある。フィルター９６は、たとえば
図３０（Ａ）に示すように、外径を１．０とした場合
に、その中央部の０．５の範囲が遮光するようになって
いる。

【０１２４】一回のトータルな露光時間を１秒とした場
合に、最初の０．２秒では、図３２（Ａ）に示す開口部
９５に露光用光を通し、その後、瞬時に回転ディスク９
２を回転し、残りの０．８秒では、露光用光をフィルタ
ー９６に通して露光を行う。その結果、図３１に示すよ
うに、一回の露光時間当りの有効光源からの光強度分布
は、図２９に示す光強度分布と時間との積と、図３０
（Ａ）に示すフィルターを通した光強度分布と時間との
積との和の光強度分布に均等となる。

【０１２５】したがって、本実施例においても、光源の
光強度分布は、２光束成分を強調しつつも光源中心部に
ある程度の光強度を持たせることができ、孤立パターン
に影響を与えずに密集パターンのＤＯＦを拡大すること
ができる。本実施例では、マスクとしては、ハーフトー
ンマスクを用いるが、通常のクロムマスクを用いても良
い。また、トータルの露光時間としては、１秒に限ら
ず、その他の条件などにより、それよりも短くても長く
ても良い。

【０１２６】実施例１１ 本実施例１１では、有効光源の中央部から出射する光の
光量を、有効光源の周辺部から出射する光の光量に対し
て所定量低めるために、一回の露光時間をＴとした場合
に、０．０５×Ｔ〜０．９５×Ｔの時間、中央部に対し
て周辺部で透過性が高い第１フィルターに光を通し、残
りの露光時間では、フィルターを通さない通常照明露光
と、その他のフィルターを通した露光とを行う。

【０１２７】本実施例においては、図１１に示す基本的
構成の露光装置を用いる。本実施例では、フィルターを
通さない状態では、有効光源としてのハエの目レンズ３
７へ入射する光の強度分布は、図２９に示すようなフラ
ットな光強度分布であるとする。

【０１２８】本実施例では、たとえば図３２（Ｂ）に示
すスライド式のフィルター切り換え装置９７が、図１１
に示すハエの目レンズ３７の光入射側または光出射側に
配置してある。このフィルター切り換え装置９７は、複
数種類のフィルター９６ａ〜９６ｄを収容し、これらを
高速でスライド移動させることが可能なフィルター保持
体９８を有する。フィルター９６ａは、たとえば図３０
（Ａ）に示すように、外径を１．０とした場合に、その
中央部の０．５の範囲が遮光するようになっている。ま
た、フィルター９６ｂは、図３０（Ｂ）に示すように、
外径を１．０とした場合に、幅０．３５の十字状の範囲
が遮光するようになっている。

【０１２９】一回のトータルな露光時間を１秒とした場
合に、最初の０．２秒では、図３２（Ｂ）に示す保持体
９８内に全てのフィルター９６ａ〜９６ｄを後退移動し
た状態とし、露光用光をフィルターに通さない。その
後、瞬時にフィルター９６ａをスライド移動させ、０．
３秒では、露光用光をフィルター９６ａに通して露光を
行う。次に、図３２（Ｂ）に示すフィルター９６ａを保
持体９８内に瞬時にスライドさせて後退移動させ、同時
に、フィルター９６ｂをスライドさせて前進移動させ、
残りの０．５秒では、露光用光をフィルター９６ｂに通
して露光を行う。その結果、図３３に示すように、一回
の露光時間当りの有効光源からの光強度分布は、図２９
に示す光強度分布と時間との積と、図３０（Ａ）に示す
フィルターを通した光強度分布と時間との積と、図３０
（Ｂ）に示すフィルターを通した光強度分布と時間との
積との和の光強度分布に均等となる。

【０１３０】したがって、本実施例においても、光源の
光強度分布は、２光束成分を強調しつつも光源中心部に
ある程度の光強度を持たせることができ、孤立パターン
に影響を与えずに密集パターンのＤＯＦを拡大すること
ができる。本実施例では、マスクとしては、ハーフトー
ンマスクを用いるが、通常のクロムマスクを用いても良
い。また、トータルの露光時間としては、１秒に限ら
ず、その他の条件などにより、それよりも短くても長く
ても良い。

【０１３１】実施例１２ 本実施例１２では、有効光源の中央部から出射する光の
光量を、有効光源の周辺部から出射する光の光量に対し
て所定量低めるために、透過率可変型フィルターに光を
通し、一回の露光時間の途中で、フィルターの光透過率
分布を変えて露光を行う。

【０１３２】本実施例においては、図１１に示す基本的
構成の露光装置を用いる。本実施例では、フィルターを
通さない状態では、有効光源としてのハエの目レンズ３
７へ入射する光の強度分布は、図２９に示すようなフラ
ットな光強度分布であるとする。

【０１３３】本実施例では、たとえば図３２（Ｃ）に示
す光シャッタ式光学材料１００が、図１１に示すハエの
目レンズ３７の光入射側または光出射側に配置してあ
る。この光シャッタ式光学材料は、たとえばＰＬＺＴ
（Ｌａ添加のチタン酸ジルコン酸鉛）で構成され、基板
の少なくとも片面に複数の細電極を設け、電圧を印加す
ることにより、光の透過率が変化する材料である。光学
材料１００の表面に設ける電極の形を工夫することで、
中心領域１０２と周辺領域１０４とを別々に制御可能と
し、電圧を印加することにより一瞬にして中央部１０２
のみを遮光状態にすることが可能である。

【０１３４】一回のトータルな露光時間を１秒とした場
合に、最初の０．２秒では、図３２（Ｃ）に示す中央部
１０２と周辺部１０４とを光透過状態とし、これらの領
域に露光用光を通す。その後、瞬時に中央部１０２の電
極にのみ電圧を印加し、中央部１０２を遮光状態とし、
その状態で露光用光を通す。その結果、前記実施例１０
と同様な結果を得ることができる。

【０１３５】なお、光学材料１００の表面に形成する電
極の形状、配置間隔および電圧印加条件などを工夫する
ことで、結果的に種々の光強度分布形状を得ることがで
きる。したがって、本実施例においても、光源の光強度
分布は、２光束成分を強調しつつも光源中心部にある程
度の光強度を持たせることができ、孤立パターンに影響
を与えずに密集パターンのＤＯＦを拡大することができ
る。

【０１３６】本実施例では、マスクとしては、ハーフト
ーンマスクを用いるが、通常のクロムマスクを用いても
良い。また、トータルの露光時間としては、１秒に限ら
ず、その他の条件などにより、それよりも短くても長く
ても良い。実施例１３ 本実施例では、実施例１０〜１２に示すいずれかの多重
露光を用い、図３４（Ｂ）に示す光強度分布の有効光源
が得られたとする。

【０１３７】この中心部で光強度が低い有効光源とハー
フトーン位相シフトマスクを用いて、ＮＡが０．４５の
ＫｒＦエキシマレーザーステッパーにより、内径０．３
０μm のコンタクトホールパターンを基板上に形成し
た。レジストとしては、化学増幅型ポジレジスト（ＷＫ
Ｒ−ＰＴ２）を用いた。コンタクトホールの内径と、そ
れらの間隔との比（デューテイ比）を１：３，１：１．
５，１：１と変化させたパターンについて、それぞれコ
ンタクトホールパターンを形成した。ＳＥＭ写真の結果
を図３４（Ｂ）に示す。

【０１３８】図示するように、デューティ比が相違して
も、良好なパターンでコンタクトホールパターンが形成
できることが確認された。また、比較例８として、ハエ
の目レンズ上に照射する光強度分布を図３４（Ａ）に示
すガウス分布とした以外は、実施例１３と同様にして、
３通りの条件でコンタクトホールパターンを形成した。
実施例１３と同様にしてＳＥＭ写真で観察した結果を、
図３４（Ｂ）に示す。ホールが密集するパターンになる
と、二次ピークによる孔が形成されてしまった。

【０１３９】さらに、比較例９として、ハエの目レンズ
上に照射する光強度分布を輪帯照明の分布（中心部の光
強度を０）とした以外は、実施例１３と同様にして、３
通りの条件でコンタクトホールパターンを形成した。実
施例９と同様にしてＳＥＭ写真で観察した結果を、図３
４（Ｃ）に示す。

【０１４０】また、実施例１３および比較例８，９に関
して、孤立パターンのＤＯＦを測定した結果を図３５に
示す。実施例１３では、比較例８の通常照明と同等なＤ
ＯＦが確保されることが確認された。

【０１４１】

【発明の効果】本発明によれば、半導体デバイス作製時
に於いて、マスクパターンが微細であっても、必要十分
な焦点深度を持って、良好にデバイスパターンが形成で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実デバイスにおける基板面に必ず凹凸が存在す
る事を示した図である。

【図２】（Ａ）はＫｒＦエキシマレーザーリソグラフィ
ーにおける焦点深度の解像性能をパラメーターとした際
のＮＡ依存性を示すグラフ、（Ｂ）はその表である。

【図３】ハーフトーン型位相シフト法に用いる位相シフ
トマスクの断面図である。

【図４】（Ａ）はクロムマスク法によるウェーハ表面で
の光強度分布を示すグラフ、（Ｂ）はハーフトーン位相
シフト法によるウェーハ表面での光強度分布を示すグラ
フである。

【図５】（Ａ）はハーフトーン型位相シフト法による二
次ピークの存在を示すグラフ、（Ｂ）は孤立コンタクト
ホールにおいても、２次ピークにより周辺部が“えぐれ
た”形状となることを示す断面図である。

【図６】ステッパーの投影光学系の概念図である。

【図７】回析光のケラレの位置関係を示す図である。

【図８】斜入射照明技術の概念を示す図である。

【図９】（Ａ）は３光束干渉の場合を示し、（Ｂ）は二
光束干渉の場合を示す概念図である。

【図１０】（Ａ）はハエの目レンズ面上での光量分布を
数値で示す図、（Ｂ）はハエの目レンズ面上での光量分
布を立体的に示す図である。

【図１１】ＫｒＦエキシマレーザーステッパーの照明光
学系の例を示す図である。

【図１２】（Ａ）はプリズム上でのビーム状態を示す
図、（Ｂ）はハエの目レンズ上でのビームの重なりを示
す図、（Ｃ）は光量のガウス分布を示す図である。

【図１３】（Ａ）は、通常のクロムマスクから成るレチ
クルを用い、しかもハエの目レンズ上での光量分布がガ
ウス分布である場合の高密度パターンにおける光強度分
布を示す図、（Ｂ）は、通常のクロムマスクから成るレ
チクルを用い、しかもハエの目レンズ上での光量分布が
図１０（Ａ），（Ｂ）に示す分布である場合の高密度パ
ターンにおける光強度分布を示す図である。

【図１４】（Ａ）は、位相シフトハーフトーンマスクか
ら成るレチクルを用い、しかもハエの目レンズ上での光
量分布がガウス分布である場合の高密度パターンにおけ
る光強度分布を示す図、（Ｂ）は、位相シフトハーフト
ーンマスクから成るレチクルを用い、しかもハエの目レ
ンズ上での光量分布が図１０（Ａ），（Ｂ）に示す分布
である場合の高密度パターンにおける光強度分布を示す
図である。

【図１５】（Ａ），（Ｂ）はビームの重ね合わせ方を示
す図であり、（Ａ）は重ね合わせる前の状態を示し、
（Ｂ）は重ね合わせ後の状態を示す図である。

【図１６】比較例１についてのウェーハ面上での光強度
分布を測定した結果を示すグラフである。

【図１７】実施例Ａについてのウェーハ面上での光強度
分布を測定した結果を示すグラフである。

【図１８】実施例Ｂについてのウェーハ面上での光強度
分布を測定した結果を示すグラフである。

【図１９】実施例Ｃについてのウェーハ面上での光強度
分布を測定した結果を示すグラフである。

【図２０】（Ａ）は比較例１の通常照明状態でハーフト
ーン位相シフトマスクを用いた場合に形成されるパター
ンの断面図、（Ｂ）は実施例Ｃによる露光方法を用いた
場合に形成されるパターンの断面図である。

【図２１】（Ａ）は比較例１の通常照明状態でハーフト
ーン位相シフトマスクを用いた場合に形成されるコンタ
クトホールパターンの平面図、（Ｂ）は実施例Ｃによる
露光方法を用いた場合に形成されるコンタクトホールパ
ターンの平面図である。

【図２２】（Ａ），（Ｂ）は、０．３０μｍ線幅での焦
点深度向上効果を示し、（Ａ）は、ハーフトーン位相シ
フトマスクを用いずに、また従来（比較例１）のハエの
目レンズ上の光強度分布を用いた際の焦点深度を示すグ
ラフ、（Ｂ）は実施例Ｃによる露光方法を用いた際の焦
点深度を示すグラフである。

【図２３】ハエの目レンズの平面図である。

【図２４】メカニカルフィルターの概念を示す図であ
る。

【図２５】４角錐プリズムもしくは円錐プリズムを用い
た際の、光線状態を示す図である。

【図２６】実施例８の説明を示すパターンの概略図であ
る。

【図２７】（Ａ）〜（Ｃ）は、臨界寸法のばらつきを示
すグラフである。

【図２８】（Ａ）〜（Ｃ）は実施例および比較例のホー
ルパターンのＳＥＭ写真である。

【図２９】実施例１０で用いる光強度分布を示す図であ
る。

【図３０】（Ａ），（Ｂ）は実施例で用いるフィルター
の例を示す図である。

【図３１】光強度分布の足し算を示す概念図である。

【図３２】（Ａ）〜（Ｃ）はフィルターの切り換え装置
の例を示す図である。

【図３３】光強度分布の足し算を示す概念図である。

【図３４】（Ａ）〜（Ｃ）は実施例および比較例のホー
ルパターンのＳＥＭ写真である。

【図３５】実施例および比較例のＤＯＦを示す図であ
る。

【符号の説明】

３５… ビームスプリッタ ３６… プリズムユニット ３７… ハエの目レンズ ３９… レチクル ４１… ウェーハ ６０… フィルター ７０… プリズム ７２… 光学パーツ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２８ (56)参考文献 特開 平６−77111（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−29182（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−84760（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−267124（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−153675（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 1/08 G03F 7/20 521

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】有効光源からの光をマスクに照射し、この
   マスクのパターンを基板上に転写し、基板上にパターン
   を形成する方法において、 前記有効光源が複数のレンズの集合体であるハエの目レ
   ンズであり、該ハエの目レンズの個々のレンズの径が中
   央部の個々のレンズの径が周辺部での個々のレンズの径
   の１．１〜３倍であり周辺部よりも中央部で大きいもの
   を用い、 前記有効光源の中央部から出射する光の光量を、有効光
   源の周辺部から出射する光の光量に対して、所定量低め
   ることを特徴とするパターン形成方法。
2. 【請求項２】有効光源からの光をマスクに照射し、この
   マスクのパターンを基板上に転写し、基板上にパターン
   を形成する方法において、 一回の露光時間をＴとした場合に、０．０５×Ｔ〜０．
   ９５×Ｔの時間、中央部に対して周辺部で透過性が高い
   第１フィルターに光を通し、残りの露光時間では、その
   他の第２フィルターに光を通し、またはフィルターを用
   いないことにより、一回の露光時間では、前記有効光源
   の中央部からの光の光量を、前記有効光源の周辺部から
   出射する光の光量のピーク値に対して低めることを特徴
   とするパターン形成方法。
3. 【請求項３】有効光源からの光をマスクに照射し、この
   マスクのパターンを基板上に転写し、基板上にパターン
   を形成する装置において、 前記有効光源が複数のレンズの集合体であるハエの目レ
   ンズであり、該ハエの目レンズの個々のレンズの径が中
   央部の個々のレンズの径が周辺部での個々のレンズの径
   の１．１〜３倍であり周辺部よりも中央部で大きいもの
   を用い、 その結果、前記有効光源の中央部から出射する光の光量
   を前記有効光源の周辺部から出射する光の光量に対して
   所定量低める、 ことを特徴とする、パターン形成装置。
4. 【請求項４】有効光源からの光をマスクに照射し、この
   マスクのパターンを基板上に転写し、基板上にパターン
   を形成する装置において、 前記有効光源の中央部から出射する光の光量を前記有効
   光源の周辺部から出射する光の光量に対して、所定量低
   める光量分布補正手段を有し、 前記光量分布補正手段が、 前記中央部に対して周辺部で透過性が高い第１フィルタ
   ーと、 一回の露光時間内に、前記第１フィルターに光を通す状
   態と、この第１フィルターを通さずに露光を行う状態と
   に切り換える切り替え手段とを有することを特徴とする
   パターン形成装置。
5. 【請求項５】前記第１フィルターと異なる透過率分布の
   第２フィルターをさらに有し、前記第１フィルターを通
   さずに露光を行う状態では、第２フィルターに光を通す
   ように切り替え手段が制御される請求項４に記載のパタ
   ーン形成装置。
6. 【請求項６】前記切り替え手段が、 少なくとも前記第１フィルターが装着してある回転式デ
   ィスクと、 この回転式ディスクを回転駆動する駆動手段とを有する
   請求項４に記載のパターン形成装置。
7. 【請求項７】前記切り替え手段が、少なくとも前記第１
   フィルターがスライド式に移動可能なスライド機構を有
   する請求項４に記載のパターン形成装置。
8. 【請求項８】前記切り替え手段が、電圧印加により光の
   透過率が変化する光シャッタ式光学材料を有する請求項
   ４に記載のパターン形成装置。
9. 【請求項９】有効光源からの光をマスクに照射し、この
   マスクのパターンを基板上に転写し、基板上にパターン
   を形成する工程を有する半導体デバイスの製造方法にお
   いて、 前記有効光源が複数のレンズの集合体であるハエの目レ
   ンズであり、該ハエの目レンズの個々のレンズの径が周
   辺部での個々のレンズの径の１．１〜３倍であり、周辺
   部よりも中央部で大きいものを用い、 前記有効光源の中央部から出射する光の光量を前記有効
   光源の周辺部から出射する光の光量に対して所定量低め
   ることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
10. 【請求項１０】前記光の光量を所定量低めるため、プリ
    ズムである光学素子と、この光学素子に対して光路軸方
    向に接近・離反移動可能に配置された光学部品とを用い
    て、前記有効光源の中央部に入射する光の光量を前記有
    効光源の周辺部に入射する光の光量のピーク値に対して
    所定量低める 請求項９記載の半導体デバイスの製造方
    法。
11. 【請求項１１】有効光源からの光をマスクに照射し、こ
    のマスクのパターンを基板上に転写し、基板上にパター
    ンを形成する工程を有する半導体デバイスの製造方法に
    おいて、 一回の露光時間をＴとした場合に、０．０５×Ｔ〜０．
    ９５×Ｔの時間、中央部に対して周辺部で透過性が高い
    第１フィルターに光を通し、残りの露光時間では、その
    他の第２フィルターに光を通し、またはフィルターを用
    いないことにより、結果的に、一回の露光時間では、前
    記有効光源の中央部からの光の光量を、有効光源の周辺
    部から出射する光の光量のピーク値に対して所定量低め
    ることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。