JP4975532B2

JP4975532B2 - 反射型露光方法

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Publication number: JP4975532B2
Application number: JP2007173876A
Authority: JP
Inventors: 信行入来
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-07-02
Also published as: JP2009016424A

Description

本発明は、例えば、ＥＵＶ（極端紫外: Extreme Ultra Violet）リソグラフィなどに好適であり、反射型マスクを用いて露光を行う反射型露光方法に関する。

ＥＵＶ露光技術では、波長１３．５ｎｍの露光光を用いるため、透過型光学系を構成するのが困難であることから、一般に、反射型マスクおよび反射型光学系を用いる。ＥＵＶ露光装置は、光進行方向に沿って、ＥＵＶ光源と、反射型照明光学系と、反射型マスクと、マスクステージと、反射型投影光学系と、ウエハステージなどを備える。

反射型マスクの場合、照明光学系からの光が反射型マスクに入射し、マスクで反射した光が同じ照明光学系によって遮られないようにするために、一般に、マスク面の法線方向に対して６°前後に傾斜した入射角に設定している。このときマスク面での反射光は、入射角と同じ６°前後の正反射角で伝播する。

米国特許第６８１５１２９号特開２００４−６２０９６号公報

反射型マスクは、露光光を反射するための多層反射膜と、その上に所定のパターンで配置された光吸収膜とを備え、光が光吸収膜に入射すると減衰するが、反射膜に入射すると、そのまま正反射するように構成される。

光吸収膜からなるマスクパターンは一定の厚みを有することから、微細なトレンチパターンやホールパターンに向かって光が斜め入射した場合、パターン底面に位置する反射膜からの正反射光だけでなく、パターン底面およびパターン側壁の両方で反射した光の成分も強くなる。これは、パターン自体は光吸収性であるが、側壁では浅い角度で反射することに起因している。

特に、レンチパターンでは２つの側壁が平行に対向しており、ホールパターンは４つの側壁で包囲されているため、パターン側壁での反射光が発生し易い。入射光は完全に平行でなく、ある程度角度分布を有しており、さらにパターン側壁も底面に対して完全に垂直でないことから、パターン側壁で反射した光は、入射角とは異なる角度で伝播するようになり、特に、パターン底面による正反射方向とは相違することになる。

ＥＵＶ露光技術では、露光光の強度を高めることが課題の１つである。従って、パターン側壁での反射光もウエハ投影に利用できるように、高い開口数を有する投影光学系が望まれている。

パターン側壁での反射光が発生すると、マスク近傍において強度が最大になる光の伝播方向は、底面での正反射方向と異なるようになる。ウエハは、通常、正反射方向に伝播した光に対して垂直となるように位置決めされている。しかし、正反射方向とは異なる角度で伝播した光が投影光学系を介してウエハ上に結像した場合、これらの光はウエハ面に対して斜めに入射して、ウエハ上のレジスト膜にマスク像を形成する。

レジスト膜は一定の厚みを有することから、光がウエハ面に対して斜めに入射してしまうと、露光領域と未露光領域の境界が不明瞭となり、その結果、寸法精度が低下してしまう。

さらに、ウエハが正規の位置から光軸方向にシフトして、いわゆるデフォーカスが発生した場合、光の斜め入射に起因して露光パターンが横方向にシフトして、位置精度が低下してしまう。

特に、波長１３．５ｎｍの光を用いたＥＵＶ露光の場合、極めて高いパターン精度が要求されることから、上述のような露光光の角度誤差が重大となる。

本発明の目的は、反射型マスクにおいて正反射した光およびパターン側壁で反射した光の両方を考慮しつつ、反射型マスクの射出角およびウエハの入射角の最適化を図ることができる反射型露光方法を提供することである。

本発明の一実施例によれば、パターン側壁での反射光が発生すると、マスク近傍において強度が最大になる光の伝播方向は、正反射方向とは異なる現象に着目し、例えば、マスク近傍の電磁界解析を適用して最も強度が強い伝播方向を求め、その結果、マスクの傾き調整によりマスクから射出する光の方向を変化させたり、ウエハの傾きを調整する。

露光の際、反射型マスクの入射側に設けた露光制限アパーチャのスリット幅を調整することが好ましい。

使用する反射型マスクは、反射膜と、該反射膜の上に所定のマスクパターンで配置された吸収膜とを備え、吸収膜の側壁が反射膜の表面に対して傾斜していることが好ましい。

反射型投影光学系は、可動の光学部品を備え、露光パターンの種類に応じて光学部品を動かすことによって、倍率像歪を補正することが好ましい。

本発明は、露光光としてＥＵＶ光を用いるＥＵＶ露光光学系に好ましく適用される。

この実施例によれば、反射型マスクにおいて正反射した光およびパターン側壁で反射した光の両方を考慮しつつ、反射型マスクの射出角およびウエハの入射角の最適化を図ることができるため、ウエハに転写したパターンの寸法精度や位置精度を格段に向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、反射型マスクにおける光反射の様子を示す説明図である。マスク１０は、例えば、ＭｏとＳｉの多層膜からなる反射膜１１と、反射膜１１の上に所定のマスクパターンで形成された、例えば、Ｔａ，Ｃｒなどの吸収膜１２とで構成される。

反射型マスクの場合、照明光学系からの光がマスク１０に入射し、マスク１０で反射した光が照明光学系または投影光学系によって遮られないようにするために、入射角は、マスク面の法線方向に対して４°〜６°程度に傾斜している。

マスク１０に、トレンチパターンまたはホールパターンが形成されている場合、図１に示すように、マスク１０に対して斜めに入射した光Ｌ１は、パターン底面で反射し、吸収膜１２に接触することなく、正反射方向に伝播し、後段の投影光学系を通じてウエハに結像される。

従来の露光光学系では、マスク面の法線方向に関して入射角と反射角が同一であり、この反射方向と投影光学系の光軸とが一致するように設計されている。寸法精度が比較的緩いラインパターンの場合、吸収膜１２が存在していないパターン底面で反射した光は、設計した光軸に沿って伝播するため、設計どおりのパターン転写が可能である。

一方、寸法精度が厳しいトレンチパターンまたはホールパターンの場合、上述のように、吸収膜１２が存在していないパターン底面で反射した光Ｌ２は、吸収膜１２のパターン側壁によって浅い角度で再び反射して、比較的高い強度の２次反射光Ｌ２ａとなって正反射方向とは異なる方向に伝播する。特に、パターン側壁がマスク面に対して垂直である場合、反射光はほぼ入射方向に向けて戻るようになる。

詳細には、吸収膜１２のパターンを立体構造で定義し、斜めに入射する電磁波により励起される電磁界について、マックスウエルの方程式を用いて数値解析を実行することによって、回折波（反射波）の強度分布や伝播方向に関する情報を得ることができる。

実際に、図１に示したトレンチパターンまたはホールパターンの構造について、電磁界の数値解析を行った結果、回折光の強度が最も強い伝播方向（以下、主方向と呼ぶ）は、パターン底面での正反射方向よりも法線方向に近づくようになること、そして、反射光の放射位置は、パターン底面の側壁近傍にあることが確認されている。

図２は、本発明に係るＥＵＶ露光光学系の一例を示す構成図である。ＥＵＶ露光装置は、光進行方向に沿って、ＥＵＶ光源と、反射型照明光学系と、反射型マスク１０と、マスク１０を保持するマスクステージと、反射型投影光学系２０と、ウエハ３０を保持するウエハステージなどを備える。

図２では、反射型照明光学系の一部として、露光領域制限アパーチャ５と、反射ミラー７などを図示している。また、理解容易のため、反射型投影光学系２０を透過型光学系として図示している。

上述した電磁界の数値解析の結果、回折光の強度が最も強くなる主方向が、正反射方向を基準として角度θだけ法線方向に近づくことが判明した場合、マスクステージの傾き調整により、入射しているマスク面の高さが変化しないようにマスク１０を角度θ／２だけ傾斜させる。こうした角度補正により、反射光の主方向と、設計した光軸方向とが一致する。

一方、光の入射側では、マスク１０の法線方向が角度θ／２だけ傾いたことにより、マスク面への入射角も角度θ／２だけ浅くなる方向で変化してしまう。入射角が大きくなる、吸収膜に遮られて、底面に到達しない影の部分が増加する。底面に到達した光も反射角が大きくなって広がっていき、側壁で再反射する光も増加する。

このように立体構造と入射角との関係は、単純な幾何光学だけでは計算が困難であり、電磁界の数値解析を行うことが望ましい。この数値解析により、マスクの姿勢変化に伴う主方向角度および入射角の最適値を求めることができる。

マスクの傾斜角が大きくなり過ぎると、パターン底面で正反射した光のうち投影光学系を通過しない光が発生する可能性がある。トレンチパターンまたはホールパターンの場合、パターンのない部分での反射光は、吸収膜の上表面で反射した僅かな光と、パターン底面で反射し側壁で反射しなかった光とがある。前者は、もともと減衰するのが望ましく、吸収後の強度も僅かである。後者は、結像に寄与するが、パターンが微細化して、マスクパターンの高さとの比が大きくなると減少するようになる。

トレンチパターンまたはホールパターンの場合、従来は、パターンの無い平坦な部分の反射角を基準として、マスク面およびウエハ面の姿勢を決定している。

これに対して本発明では、マスク上の特定のパターン、例えば、最も寸法の小さなパターンに着目して、電磁界の数値解析を用いて光の最適な伝播方向を推定し、正反射で設計した伝播方向との角度変化を解消するように、マスク面の傾きを調整することにより、最適なパターン転写を実現できる。

また、マスク面の傾きを調整した結果、マスク１０から射出する光が反射型投影光学系２０の瞳の中心からずれる場合、マスク１０および反射型投影光学系２０の少なくとも一方の傾きを調整することが好ましい。これにより反射光の最適な伝播方向と投影光学系の光軸とを一致させることが可能になり、非対称の光学収差の発生を抑制できる。

さらに、投影光学系の光軸に垂直となるようにウエハ面の傾きを調整することにより、ウエハに結像される像もウエハ面に垂直な強度分布を示すようになり、非対称成分の少ない像を形成することができる。

マスク１０の傾きとともに、マスク１０への入射角を変化させることが好ましい。しかし、入射光を過度に傾けると、反射光量が低下する傾向があるため、この入射角の調整範囲に所定の限界値を設けて、電磁界の数値解析を行うことが望ましい。

また、マスク１０は、反射率が角度依存性を有する多層反射膜１１を備えており、多層反射膜１１は、マスク１０への入射角を変化させた状態で、マスク１０の反射率が最大になるように設計することが好ましい。

回折光の強度が最も強くなる主方向と正反射方向との角度変化は、マスク近傍の像を投影光学系によりウエハ面に投影して得られる像について、他の投影光学系の像に横シフトを発生させる誤差のない状態で数値計算を行うことによって、求めることも可能である。

本実施形態によれば、最も寸法精度を要するパターンについて結像性能が向上するため、パターン転写品質が向上し、最終製品の歩留まりを改善することができる。

実施の形態２．
反射光の強度が最も強くなる主方向と正反射方向との角度変化が大きい場合、露光領域を広く設定すると、ウエハ面での像面湾曲および倍率像の歪みの劣化が多くなり、予めラインパターンで最適化して固定した光学系では、広い露光領域を確保できない可能性がある。本実施形態では、こうした問題を解決するための手法について説明する。

この問題は、ＥＵＶ露光光学系において、ラインパターンを露光する場合と、トレンチパターンまたはホールパターンを露光する場合とで、最適な露光条件（例えば、マスク１０の傾き角やウエハ３０の傾き角など）が相違するという本発明の着眼点に起因するものである。従って、同一の露光装置でラインパターン露光の最適化およびトレンチパターンまたはホールパターン露光の最適化を実現できることが望ましい。

第１の手法は、いずれか一方のパターン系に関して露光条件を最適化し、他方のパターン系については露光領域を制限することによって対処可能である。

図２に示したように、マスク１０の入射側に配置される照明光学系において、スリット幅が可変である露光領域制限アパーチャ５を設けておいて、露光パターンの種類に応じてスリット幅を調整することによって、最適化されていない露光条件について光学収差の発生を抑制することができる。但し、スリット幅を小さくした場合、ウエハ面での露光強度も低下してしまうため、スループットの低下が避けられない。

第２の手法は、露光光学系の設計段階で、ラインパターンと特定の微細なトレンチパターンの少なくとも２方向の主光線の方向に関して、像面湾曲および倍率像歪が可及的に小さくなるように設計することである。但し、この２方向以外の方法では、誤差が発生する可能性がある。

第３の手法は、図３に示すように、投影光学系内に存在する光学部品（例えば、ミラーなど）を可動に設定しておいて、露光パターンの種類に応じて光学部品を動かすことにより、像面および倍率像の最小化を図ることである。実際の露光時に、転写パターンの仕様から定まる主方向に基づいて、可動化した光学部品のうち１つ又は複数の組合せによる移動により、主方向の光軸との一致度、像面精度および倍率像歪を補正することができる。

本実施形態によれば、主方向と正反射方向との角度変化が大きい場合、上述した第１〜第３の手法を適用することにより、像面湾曲および倍率像歪を小さくすることができる。従って、露光パターンの種類を問わず、パターン転写品質が向上し、最終製品の歩留まりを改善することができる。

実施の形態３．
本来、反射光の強度が最も強くなる主方向と正反射方向との角度変化が小さいほど、最適露光条件の変動が少なくなって好都合である。そこで、図４に示すように、吸収膜１２の側壁の角度を傾斜させて、吸収膜１２を順メサ形状に形成することによって、底面および側壁で反射する光Ｌ２の伝播方向がマスク面の法線方向に近づくようになる。

こうした手法により、マスク１０に入射して底面で反射する光Ｌ１の反射角と、底面および側壁で反射する光Ｌ２の反射角との差が小さくなる。その結果、マスクおよびウエハの傾き角の調整範囲が小さくて済むようになり、可動機構の部材の寸法精度や位置決め精度を向上させることができる。また、露光領域の制限による光量低下も抑制することができる。

実施の形態４．
以上の実施形態では、入射方向および反射方向を含む面に対して垂直な方向に配置されたトレンチパターンまたはホールパターンについて説明した。

本実施形態では、図５の平面図に示すように、２つのトレンチパターンＰ１，Ｐ２の長手方向が互いに交差している例を説明する。トレンチパターンＰ１，Ｐ２は、反射膜１１が露出しており、それ以外の領域は吸収膜１２で覆われている。トレンチパターンＰ２の先端部がトレンチパターンＰ１の側方に接近して配置されている。光は、図中左方からマスクへ斜め入射し、図中右方へ反射する。

マスクを主方向に傾けた場合、トレンチパターンＰ２の先端部の側壁で２次反射した光は、正反射方向に近づくようになるが、パターン底面だけで反射した光は正反射方向から遠ざかってしまう。この場合、ウエハに転写する際、トレンチパターンＰ２の短手方向の寸法は変化しないが、パターン底面だけで反射した光の強度が高いことから、先端部のパターンエッジがずれてしまう。

トレンチパターンＰ１については、最適化が図られるため、ウエハに転写されたパターンの位置ずれは生じない。そのため、トレンチパターンＰ２の先端部のパターンエッジがトレンチパターンＰ１に接近して、接触してしまう可能性がある。この対策として、マスクパターン設計の段階で、トレンチパターンＰ２の先端部とトレンチパターンＰ１との間隔に予め余裕を設けることによって、こうした接触を防止することができる。

このように入射方向および反射方向を含む面に対して垂直なパターン以外のパターンについては、マスク傾斜に伴う転写パターンの位置ずれを予想して、マスクパターンの配置を調整することにより、許容誤差を考慮したパターン設計が可能である。

一方、こうした許容誤差を充分に確保できないパターンの場合、トレンチパターンＰ１に関する最適な露光条件を緩和し、マスク面の傾き角を少なくすることにより、マスクパターンの許容誤差と露光条件の両方を満足させることができる。

こうした手法により、マスク面の傾き角の調整による影響を斜め入射方向に垂直な方向のパターン以外のパターンの位置ずれを考慮して、パターンの配置及び／又はマスク面の傾き角をバランスよく調整することによって、マスク上に搭載されたパターン全体の品質を確保することができる。その結果、パターン全体の品質を低下させることなく、製品の歩留まりを改善することができる。

本発明は、微細かつ高精度なパターンを含む半導体装置を効率よく製造できることから、産業上極めて有用である。

反射型マスクにおける光反射の様子を示す説明図である。本発明に係るＥＵＶ露光光学系の一例を示す構成図である。投影光学系における光学部品を可動化した例を示す説明図である。吸収膜の側壁角度を傾斜させた例を示す説明図である。２つのトレンチパターンが互いに交差した例を示す平面図である。

符号の説明

５露光領域制限アパーチャ、７反射ミラー、１０反射型マスク、
１１反射膜、１２吸収膜、２０反射型投影光学系、３０ウエハ、
Ｐ１，Ｐ２トレンチパターン。

Claims

反射型マスクに向けて光を照射し、反射した光を反射型投影光学系によってウエハに投影するための反射型露光方法であって、
マスクから射出する光の方向を変化させるステップと、
ウエハの傾きを調整するステップと、
当該反射型マスクの反射強度分布について電磁界解析を行って、回折光の強度が最も強い伝播方向を求めるステップと、を含み、
前記光の方向を調整するステップにおいて、マスクから射出する光が反射型投影光学系の瞳の中心からずれる場合、マスクから射出する光の方向が前記伝播方向に近づくように、反射型マスクの傾きを変化させることを特徴とする反射型露光方法。
反射型マスクの傾きとともに、反射型マスクへの入射角を変化させることを特徴とする請求項１記載の反射型露光方法。
反射型マスクは、反射率が角度依存性を有する多層膜を備え、
該多層膜は、反射型マスクへの入射角を変化させた状態で、反射型マスクの反射率が最大になることを特徴とする請求項１記載の反射型露光方法。
反射型マスクの入射側に設けた露光制限アパーチャのスリット幅を調整するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の反射型露光方法。
伝播方向を求めるステップにおいて、該伝播方向と正反射方向のずれに対応して発生するウエハ面上に投影された像の光軸方向に変化させた像のウエハ面方向のシフトにより計算することを特徴とする請求項１記載の反射型露光方法。
反射型マスクの入射角を変化させる場合、入射角の調整範囲に所定の限界値を設けることを特徴とする請求項２記載の反射型露光方法。
反射型マスクは、反射膜と、該反射膜の上に所定のマスクパターンで配置された吸収膜とを備え、
吸収膜の側壁が、反射膜の表面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載の反射型露光方法。
反射型マスクは、長手方向が互いに交差する少なくとも２つのトレンチパターンを含む場合、マスク傾斜に伴う転写パターンの位置ずれに起因したパターン接触が生じないように、マスクの傾き角を設定することを特徴とする請求項１記載の反射型露光方法。
反射型マスクの傾き角は、ラインパターンを露光する場合と、トレンチパターンまたはホールパターンを露光する場合とで相違することを特徴とする請求項１記載の反射型露光方法。
露光光として、ＥＵＶ光を用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の反射型露光方法。