JP3734052B2 - 露光方法および露光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は露光方法および露光装置に関し、特に半導体素子などの製造に用いられる投影露光方法および投影露光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造技術の進歩に伴い、半導体集積回路の集積度の向上が図られている。集積度の向上のためには、投影露光の解像度を向上させる必要がある。解像度を向上させる方法として、投影露光装置の露光波長を短波長化する方法、および投影露光装置の開口数を大きくする方法が考えられる。現在のところ、投影露光装置の露光波長はエキシマレーザーの短波長域に達し、投影光学系の開口数は約0.5程度となっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の露光方法および露光装置では、露光波長を短波長化する方法を採用しても、開口数を大きくする方法を採用しても、あるいは双方の方法を採用しても、投影光学系の解像限界を超える解像度を得ることはできなかった。
【0004】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、投影光学系の解像限界を超える高解像度を実現することのできる露光方法および露光装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、第1発明においては、原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光方法において、
光量に応じて透過率の変化する第1コントラスト増強層を前記感光素材上に形成し、
第1の光強度分布にしたがうパターンを前記第1コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光し、
所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を前記第1コントラスト増強層に供給し、前記溶液の作用により前記第1コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第2コントラスト増強層を前記感光素材上に形成し、
前記第1の光強度分布とは異なる第2の光強度分布にしたがうパターンを前記第2コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光することによって、前記投影光学系の解像限界を超える高解像のパターンを前記感光素材上に形成することを特徴とする露光方法を提供する。
【0006】
第1発明の好ましい態様によれば、前記第1および第2コントラスト増強層は、ニトロン系の物質またはジアゾニウム塩を主成分とした物質である。なお、前記感光素材は、入射光の強度に対して感光が線形に進行する感度特性を有するか、あるいは入射光の強度に対して感光が非線形に進行する感度特性を有する。
【0007】
また、第2発明においては、原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光装置において、
光量に応じて透過率の変化する第1コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するための層形成手段と、
前記第1コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第2コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するために、前記第1コントラスト増強層に対して所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を供給するための溶液供給手段とを備え、
前記第1コントラスト増強層を介して前記感光素材上に第1の光強度分布にしたがう第1のパターンを投影露光し、前記第2コントラスト増強層を介して前記感光素材上に前記第1の光強度分布とは異なる第2の光強度分布にしたがう第2のパターンを投影露光することによって、前記第1のパターンおよび前記第2のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を前記感光素材上に形成することを特徴とする露光装置を提供する。
【0008】
さらに、第3発明においては、原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光装置において、
光量に応じて透過率の変化する第1コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するための層形成手段と、
前記第1コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第2コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するために、前記第1コントラスト増強層に所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を供給するための溶液供給手段とを備え、
前記第1コントラスト増強層を介して前記感光素材上に第1の原版に形成された第1のパターンを投影露光し、前記第2コントラスト増強層を介して前記感光素材上に第2の原版に形成された第2のパターンを投影露光することによって、前記第1のパターンおよび前記第2のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を前記感光素材上に形成することを特徴とする露光装置を提供する。
【0009】
第3発明の好ましい態様によれば、前記第1の原版と前記第2の原版とは、互いに異なるパターンを有し、前記第1の原版に基づく投影露光の後に、前記第2の原版に基づく投影露光を行う。なお、前記第1の原版と前記第2の原版とは、共通の原版であってもよい。この場合、前記第1コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光を行った後に、前記投影光学系の光軸に垂直な方向に沿って所定量だけ前記共通の原版を移動させた状態で前記第2コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光を行うことができる。あるいは、前記第1の原版と前記第2の原版とは、共通の原版であり、前記第1コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光を行った後に、前記投影光学系の光軸に垂直な方向に沿って所定量だけ前記感光素材を移動させた状態で前記第2コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光を行うことができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
まず、添付図面を参照して、本発明の実施例にかかる露光方法によって投影光学系の解像限界を超える高解像のパターンをレジスト上に形成する方法を説明する。
図1は、本実施例における露光体の構成を模式的に示す断面図である。図1を参照すると、基板1上には感光素材であるレジスト2が形成され、さらにレジスト2上にはコントラスト増強層(英語でContrast Enhancing Layerと呼ぶので、以下「CEL」という)3が形成されている。なお、本明細書において、基板上にレジストおよびCELが積層されたものを「露光体」という。
【0011】
本実施例では、基板1として、半導体素子作製用のシリコンウエハーを用いている。また、レジスト2として、入射光の強度に対して感光が線形に進行する感度特性を有するノボラック系のi線用レジストを用いている。さらに、CEL3として、ニトロン系のCEL(信越化学工業株式会社の製品CEM388WS:登録商標)を用いている。なお、CELとして、文献(技術情報協会発行のレジスト材料、プロセス技術)や文献(中瀬真他著の電子通信学会技術研究報告84巻、第241号、SSD84−97、ABCモデルによるCELの特性評価)や文献(B.F.Griffing and P.R.West, IEEE Electron Devices Letters, Vol.EDL-4, No.1, JANUARY 1983, p14-16 )に記載された物質(コントラスト増強剤)が使用可能である。
【0012】
CELとは、光退色性の化合物を利用したものであり、光の入射以前は光の透過率の低い状態であるが、入射した光量の増加に伴って光の透過率が増し、ある光量で100%に近い透過率に達する特性を有する。CELを含む一般的なレジストを特徴づけるパラメーターとして、A、BおよびCの各係数と厚さdとがある。これらの各パラメーターの意味は、文献(F.H.Dill, W.P.Hornberger, P.S.Hauge, J.M.Shaw, IEEE Transactions of Electron Devices, Vol.ED-22, No.7, July 1975, p445-452)に説明されている。本実施例において使用するCELでは、各パラメーターの値は、A=11.120μm-1、B=0.041μm-1、C=0.022cm2 /mJ、およびd=0.62μmである。
【0013】
図2は、本実施例におけるCELへの露光量とCELの透過率との関係を示す図である。すなわち、図2は、上述のパラメーターで規定されるCELの透過率Tが露光量I・t(Iは露光光の強度、tは露光時間)に依存して変化する様子をシミュレーションによって計算した結果である。
図2を参照すると、透過率曲線が露光量200mJ/cm2 の付近から立ち上がり、透過率が露光量500mJ/cm2 の付近でほぼ一定の値に飽和することがわかる。
【0014】
図2に示す透過率特性を有するCELを介してt=0〜aまで露光を行う場合、レジストへの透過光量D(mJ/cm2 )は次の式(1)で表される。
【数1】
【0015】
図3は、本実施例におけるCELへの露光量とレジストへの透過光量との関係を示す図である。すなわち、図3は、図2の透過率特性を有するCELへの露光量I・tに依存してレジストへの透過光量Dが変化する様子をシミュレーションによって計算した結果である。
こうして、レジスト中には、図3の縦軸に示す透過光量Dに比例した潜像の濃度が形成される。図3を参照すると、露光量があるしきい値に達するまでは露光光はレジストにほとんど達することなく、露光量がしきい値を超えるとレジストへの透過光量Dが突然増加し始める。この透過光量Dの変化の関係を露光量のべき多項式で表すと、近似的に5次の多項式が必要となる。すなわち、本実施例では、線形の感度特性を有するレジストを使用しているにもかかわらず、CELの作用によりレジストの感光特性について5次の非線形性が実現されている。
【0016】
本実施例では、上述のような特性を有する露光体に対して第1のパターンを投影露光する。すなわち、露光体の最上部に形成されたCELを介して、投影光学系の解像限界に近いパターンを露光する。解像限界のパターンの周期Pは、投影露光に用いる露光光の波長をλとし、投影光学系の開口数をNAとすると、P=λ/2NAで表される。本実施例では、λ=365nmとし、NA=0.6としているので、P=304nmである。位相シフトマスクを用いて投影露光を行う場合、この回折限界パターンは、位置xの関数である露光強度I(x)として、次の式(2)で表される。
【数2】
I(x)=I0 cos(2πx/P)+I1 (2)
【0017】
なお、本実施例では、I0 =37.5mW/cm2 であり、I1 =62.5mW/cm2 である。
本実施例では、上述の式(2)で表される露光強度I(x)を有する露光パターンを用いて、露光体に対して4秒間に亘って第1回目の露光を行っている。すなわち、本実施例では、上述の式(1)において、露光の時間a=4である。
図4は、本実施例の第1回目の露光におけるCELへの露光量の分布を示す図である。なお、図4および後述の図5〜図8において、横軸はCEL上での位置xを示している。また、図4〜図8では、位置xの具体的な値が示されていないが、各図は横軸に関して互いに対応している。
【0018】
図4に示す露光量分布がCELを介してレジストに達すると、レジスト上では所定の透過光量分布が得られる。図5は、本実施例の第1回目の露光においてレジストへ達する透過光量の分布を示す図である。
図5の透過光量分布は、図3に示すCELの透過光量の変化(すなわちレジストへの透過光量の変化)と図4に示すCELへの露光量の分布とに基づいて求められている。図5の透過光量分布では、図4に示す露光量分布の谷の部分が平坦化し、且つ露光量分布の山の部分が先鋭化している。こうして、第1回目の露光により、レジスト中には図5に示す透過光量Dの分布に比例した潜像の濃度分布が形成される。
【0019】
本実施例では、第1回目の露光が終了すると、コントラスト増強剤(CELを形成する色素)を含んだ溶液を十分な量だけ露光体のCEL側に供給して、スピンコートを行う。こうして、レジスト上の投影露光される側に形成されていた元のCELは溶液の溶媒によって溶解除去され、レジスト上の投影露光される側には新たなCELが形成される。
【0020】
次いで、本実施例では、新たなCELが形成された露光体に対して第2回目の露光を行う。第2回目の露光パターンは、第1回目の露光パターンと同様に解像限界の周期Pを有し、且つ第1回目の露光パターンと同じ強度を有する。しかしながら、第2回目の露光パターンは、第1回目の露光パターンから半周期だけ位置ずれている。すなわち、第2回目の露光による回折限界パターンは、位置xの関数である露光強度I2 (x)として、次の式(3)で表される。
【数3】
I2 (x)=−I0 cos(2πx/P)+I1 (3)
【0021】
なお、式(3)において、I0 およびI1 の値は第1回目の露光と同じである。すなわち、第2回目の露光においても、I0 =37.5mW/cm2 であり、I1 =62.5mW/cm2 である。
本実施例では、上述の式(3)で表される露光強度I2 (x)を有する露光パターンを用いて、第1回目の露光と同じく4秒間に亘って第2回目の露光を行っている。
【0022】
図6は、本実施例の第2回目の露光におけるCELへの露光量の分布を示す図である。図4および図6を比較すると、図6の露光量分布と図4の露光量分布とは半周期だけ位置ずれしていることがわかる。
また、図7は、本実施例の第2回目の露光においてレジストへ達する透過光量の分布を示す図である。
図7の透過光量分布は、図3に示すCELの透過光量の変化(すなわちレジストへの透過光量の変化)と図6に示すCELへの露光量の分布とに基づいて求められている。こうして、第2回目の露光により、レジスト中には図7に示す透過光量Dの分布に比例した潜像の濃度分布が形成される。
【0023】
上述したように、第1回目の露光により図5に示す透過光量分布が、第2回目の露光により図7に示す透過光量分布がそれぞれレジスト上で得られる。すなわち、第1回目の露光と第2回目の露光とによって、図5に示す透過光量分布と図7に示す透過光量分布との総和からなる透過光量分布がレジスト上において得られる。
【0024】
図8は、本実施例の第1回目の露光と第2回目の露光とによりレジスト上で得られる透過光量の総和の分布を示す図である。
こうして、第1回目の露光と第2回目の露光とにより、レジスト中には図8に示す透過光量Dの分布に比例した潜像の濃度分布が形成される。図8と図4(あるいは図6)とを比較参照すると、本実施例において2回の露光により最終的に得られた潜像の濃度パターンの周期は、解像限界のパターンの周期Pの1/2であることがわかる。なお、最終的に得られた潜像の濃度パターンのコントラストは、0.65である。
【0025】
このように、本実施例の露光方法にしたがって、投影光学系の解像限界を超える高解像のパターンを、線形の感光特性を有するレジスト上に形成することができる。
なお、上述の実施例では、ニトロン系のCELを用いた例を説明しているが、たとえばジアゾニウム塩を主成分とした物質からなるCELを用いることもできる。
また、上述の実施例では、入射光の強度に対して線形に感光が進行する、いわゆる線形の感光特性を有するレジストを用いた例を説明している。しかしながら、非線形の感光特性を有するレジストに対しても、その非線形性に応じて本発明の露光方法を適用することができることは明らかである。
【0026】
図9は、本発明の実施例にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。
図9の露光装置では、光源11からの照明光束が楕円鏡12により集光され、ミラー13によりコリメートレンズ14に導かれ、ほぼ平行光束となってフライアイインテグレータ15に入射する。フライアイインテグレータ15を介した光束は、ミラー16によりメインコンデンサーレンズ17に導かれ、投影原版であるマスク18aをほぼ均一に照明する。こうして、マスク18a上に形成された所定のパターンが、投影光学系19を介して露光体20上に投影露光される。
本実施例では、第1回目の露光に先立ち、層形成手段であるCEL塗布機24を駆動して、露光体(ウエハ)20にCELを形成する。そして、CELが形成された露光体20および第1のパターンが形成されたマスク18aを投影光学系19に対して位置決めした後、第1回目の投影露光を行う。
【0027】
第1回目の投影露光が終了すると、マスク18aは、マスクローダー21によって第1のパターンとは異なる第2のパターンが形成されたマスク18bと交換される。また、露光体20は、ウエハローダー22の作用により、溶液供給手段でもあるCEL塗布機24に対向する位置まで搬送される。CEL塗布機24は、コントラスト増強剤を含んだ溶液を露光体20のCEL側に十分な量だけ供給し、いわゆるスピンコートを行う。その結果、露光体20の図中上面(投影露光される側)に形成されていた元のCELは溶液の溶媒によって溶解除去され、露光体20の図中上面には新たなCELが形成される。そして、新たなCELが形成された露光体20および交換された新たなマスク18bを投影光学系19に対して位置決めした後、第2回目の投影露光を行う。
こうして、第1のパターンおよび第2のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を、感光体20のレジスト上に形成することができる。
【0028】
なお、上述の実施例にかかる露光装置では、第1のマスク18aをマスクローダー21の作用により新たな第2のマスク18bと交換している。しかしながら、マスク18aによる第1回目の露光の後に、マスク18aを投影光学系19の光軸Axに対して垂直方向に所定量だけ移動させて第2回目の露光を行っても良い。また、同一のマスクパターンを複数回露光するような場合には、マスク18を投影光学系19に対して移動させる代わりに、露光の毎に露光体20を投影光学系19の光軸Axに対して垂直方向に所定量だけ移動させる構成を採用することも可能であることは言うまでもない。なお、複数回露光間でのアライメントは、潜像を観察してアライメントする、いわゆる潜像アライメントが有効である。
【0029】
【効果】
以上説明したように、本発明の露光方法および露光装置によれば、投影光学系の解像限界を超える高解像度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例における露光体の構成を模式的に示す断面図である。
【図2】本実施例におけるCELへの露光量とCELの透過率との関係を示す図である。
【図3】本実施例におけるCELへの露光量とレジストへの透過光量との関係を示す図である。
【図4】本実施例の第1回目の露光におけるCELへの露光量の分布を示す図である。
【図5】本実施例の第1回目の露光においてレジストへ達する透過光量の分布を示す図である。
【図6】本実施例の第2回目の露光におけるCELへの露光量の分布を示す図である。
【図7】本実施例の第2回目の露光においてレジストへ達する透過光量の分布を示す図である。
【図8】本実施例の第1回目の露光と第2回目の露光とによりレジスト上で得られる透過光量の総和の分布を示す図である。
【図9】本発明の実施例にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
1 基板
2 レジスト
3 CEL
11 光源
12 楕円鏡
13、16 ミラー
14 コリメートレンズ
15 フライアイインテグレータ
17 メインコンデンサーレンズ
18 マスク
19 投影光学系
20 露光体
21 マスクローダー
22 ウエハローダー
24 CEL塗布機
Claims (9)
- 原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光方法において、
光量に応じて透過率の変化する第1コントラスト増強層を前記感光素材上に形成し、
第1の光強度分布にしたがうパターンを前記第1コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光し、
所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を前記第1コントラスト増強層に供給し、前記溶液の作用により前記第1コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第2コントラスト増強層を前記感光素材上に形成し、
前記第1の光強度分布とは異なる第2の光強度分布にしたがうパターンを前記第2コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光することによって、前記投影光学系の解像限界を超える高解像のパターンを前記感光素材上に形成することを特徴とする露光方法。 - 前記第1および第2コントラスト増強層は、ニトロン系の物質またはジアゾニウム塩を主成分とした物質であることを特徴とする請求項1に記載の露光方法。
- 前記感光素材は、入射光の強度に対して感光が線形に進行する感度特性を有することを特徴とする請求項1または2に記載の露光方法。
- 前記感光素材は、入射光の強度に対して感光が非線形に進行する感度特性を有することを特徴とする請求項1または2に記載の露光方法。
- 原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光装置において、
光量に応じて透過率の変化する第1コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するための層形成手段と、
前記第1コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第2コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するために、前記第1コントラスト増強層に対して所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を供給するための溶液供給手段とを備え、
前記第1コントラスト増強層を介して前記感光素材上に第1の光強度分布にしたがう第1のパターンを投影露光し、前記第2コントラスト増強層を介して前記感光素材上に前記第1の光強度分布とは異なる第2の光強度分布にしたがう第2のパターンを投影露光することによって、前記第1のパターンおよび前記第2のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を前記感光素材上に形成することを特徴とする露光装置。 - 原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光装置において、
光量に応じて透過率の変化する第1コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するための層形成手段と、
前記第1コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第2コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するために、前記第1コントラスト増強層に所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を供給するための溶液供給手段とを備え、
前記第1コントラスト増強層を介して前記感光素材上に第1の原版に形成された第1のパターンを投影露光し、前記第2コントラスト増強層を介して前記感光素材上に第2の原版に形成された第2のパターンを投影露光することによって、前記第1のパターンおよび前記第2のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を前記感光素材上に形成することを特徴とする露光装置。 - 前記第1の原版と前記第2の原版とは、互いに異なるパターンを有し、
前記第1の原版に基づく投影露光の後に、前記第2の原版に基づく投影露光を行うことを特徴とする請求項6に記載の露光装置。 - 前記第1の原版と前記第2の原版とは、共通の原版であり、前記第1コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光を行った後に、前記投影光学系の光軸に垂直な方向に沿って所定量だけ前記共通の原版を移動させた状態で前記第2コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光を行うことを特徴とする請求項6に記載の露光装置。
- 前記第1の原版と前記第2の原版とは、共通の原版であり、前記第1コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光を行った後に、前記投影光学系の光軸に垂直な方向に沿って所定量だけ前記感光素材を移動させた状態で前記第2コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光を行うことを特徴とする請求項6に記載の露光装置。
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