JP5361239B2

JP5361239B2 - 露光装置及びデバイス製造方法

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Publication number: JP5361239B2
Application number: JP2008101815A
Authority: JP
Inventors: 哲也山本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2028-04-09
Also published as: JP2009253167A; TW201003323A; US20090257038A1; US9063406B2

Description

本発明は、露光装置及びデバイス製造方法に関する。特に、半導体素子、撮像素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等のデバイスをリソグラフィー工程で製造する際に用いられる露光装置及びこれを用いたデバイス製造方法に関する。

近年の電子機器の小型化及び薄型化の要請から、電子機器に搭載される半導体素子の微細化への要求はますます高くなっている。例えば、デザインルールは、１００ｎｍ以下の回路パターン形成を量産工程で達成しようとし、今後は更に８０ｎｍ以下の回路パターン形成に移行することが予想される。その主流となる加工技術はフォトリソグラフィーであり、マスク又はレチクルに描画されたマスクパターンを投影光学系によってウエハに投影してパターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。

投影露光装置の解像度Ｒは、光源の波長λと投影光学系の開口数（ＮＡ）を用いて以下のレーリーの数式１で与えられる。

Ｒ＝ｋ_１×λ／ＮＡ …（数式１）
一方、一定の結像性能を維持できる焦点範囲を焦点深度といい、焦点深度ＤＯＦは数式２で与えられる。

ＤＯＦ＝ｋ_２×λ／ＮＡ^２ …（数式２）
なお、焦点深度ＤＯＦは小さくなるとフォーカス合わせが難しくなり、基板のフラットネス（平坦度）やフォーカス精度を上げることが要求されるため、基本的に大きいほうが望ましい。

マスクパターンは、近接したラインアンドスペース（Ｌ＆Ｓ）パターン、近接及び周期的な（即ち、ホール径と同レベルの間隔で並べた）コンタクトホール列、近接せずに孤立した孤立コンタクトホール、その他の孤立パターン等を含む。しかしながら、高解像度でパターンを転写するには、パターンの種類に応じて最適な照明条件を選択する必要がある。

また、近年の半導体産業は、より高付加価値な、多種多様なパターンが混在するシステムチップに移行しつつあり、マスクにも複数種類のコンタクトパターンを混在させる必要が生じてきた。しかし、コンタクトホール列と孤立コンタクトホールが混在したコンタクトホールパターンを同時に解像度よく露光することができなかった。

そこで、コンタクトホール列や縦横の繰り返し配線パターンに限定して、その解像限界を高め、焦点深度を増加する方式が数々提案されている。かかる方式として、例えば、２枚のマスクを用いて異なる種類のパターンを別々に露光する二重露光（又は多重露光）方式やマスクパターンに種々の補助パターンを設けて正規パターンの解像力を強化する方式で位相シフト法などがある。この方法は、従来のマスクの一部に、他の部分とは通過光に対して１８０度の位相差を与える薄膜を形成し、解像力を向上させようというものである。

しかしながら、実際に空間周波数変調型の位相シフトマスクを用いて解像力を向上させるためには、未だ多くの問題点が残っている。このため、実際にこの位相シフトマスクを利用して半導体素子を製造するには、様々な問題が在り、現在のところ大変困難である。

従って、現在良く用いられる方式は、１枚のマスクを特殊な照明条件下で露光を行う方式である。この方法は、通常照明が垂直照明であるのに対し、有効光源形状を輪帯形状や四重極形状にして、レチクル上に斜めに光を照射する方法であり、変形照明と呼んでいる。

通常照明では、０次光と±１次光の３光束干渉で結像する。このため、図４（ａ）に示すように、瞳面では±１次光が光軸から回折角分だけシフトした位置に分布することになる。しかし、パターンが微細になるに従って、図４（ｂ）に示すように０次光と１次光の間隔が広がるため、回折光の一部が投影レンズの開口絞りの外側に出てしまい、その結果０次光は干渉しあう光が無いために、像ができなくなる。

変形照明では、図５（ｂ）に示すように、０次光と＋１次光、または０次光と-１次光による２光束干渉によって結像する。このため、通常照明における光軸と回折光のなす角をθとすると、変形照明では図５（ａ）の通常照明に比べてθが小さくなる。そこで、斜入射照明の角度をより深くして、０次光と＋１次光、または０次光と−１次光が、瞳ギリギリに入るようにする。これにより、レンズＮＡが同一でも、より大きな角度の回折光を取り込むことができる。図６は、輪帯照明で照明した場合の瞳面上での回折光の分布の一例を示したものである。図７（ａ）に示すように通常照明ではＮＡ絞りで遮蔽されていた回折光も、変形照明では図７（ｂ）に示すように瞳面内に取り込むことができる。そのため、微細なパターンでもコントラストを確保することができる。すなわち、実効的にレンズＮＡを高めることができる。また、通常照明における光軸と回折光のなす角をθとすると、変形照明ではθが小さくなるため、焦点深度（ＤＯＦ）が深くなる。

輪帯は繰り返しの密集パターンに強く、様々な方向に向いた一般的なパターンに対して有効であり、実際にはパターンのピッチや方向などに応じて、図３（ａ）、（ｂ）に示すように輪帯比を最適化する必要があり外σの連続可変機能が重要である。

繰り返しの縦横パターンに強いのが図３（ｃ）に示す四重極照明光源形状であり、光軸に対して４つの象限に１つずつ開口のある形状にした照明法である。

図８は、従来の等倍ミラー光学系を用いた走査型投影露光装置の要部概略図である（特許文献１を参照）。図８に示す投影露光装置は、凹面鏡４０、凸面鏡４１及びミラー３９、４２を備える反射型の投影光学系Ｒを備える。投影露光装置はまた、水銀灯電源２１、楕円鏡２２、シャッター２３、コンデンサレンズ２４、２８、波長フィルタ２５、インテグレータ２６、絞り２７、円弧状又は扇形の開口を含む視野絞り２９、リレーレンズ３０、ミラー３１、３２を含むリレー系を備える。更に、投影露光装置は、マスク３８上に円弧状又は扇形の照明領域を形成する照明系Ｉを備える。

この投影露光装置では、インテグレータ２６により形成される二次光源面が第２コンデンサーレンズ２８の前側焦点と略一致し、視野絞り２９と第２コンデンサーレンズ２８の後側焦点が略一致するように配置されたケーラー照明系が構成されている。

マスク３８は、投影光学系Ｒの物体面に配置され、像面に配置されたウエハ４３と同期して駆動する。マスク３８及びウエハ４３には、それぞれ物体面及び像面内で図８の矢印方向に光が走査され、マスク３８に形成されたパターンがウエハ４３に転写される。

照明系Ｉには、マスク３８上の投影光学系Ｒの良像域（通常は、円弧状又は扇形の形状をもつ）全体を均一にかつ効率良く、所定の開口数で照射することが要求される。

このため、従来の照明系においては、インテグレータとしてシリンドリカルハエの目レンズを用い、それぞれのシリンドリカルレンズからの照明光側を視野絞り２９上で重ねて、その上に一旦照度ムラの無い矩形状の照射領域を作る。そして、視野絞り２９に形成された円弧状又は扇形のスリット（開口）を通過する高速をリレー系（絞り結像系）３０〜３２でマスク３８上に結像させて、マスク３８上の所望の円弧状又は扇形で照射領域内の全ての点で、照度が均一な照明が得られる。
特開２００６−０１９４１２号公報

従来、被照明物体を照明したり、被露光物体を露光したりするには、水銀ランプを光源にしたり、エキシマレーザを用いていた。これらの光源は、駆動するために投入するエネルギーのほとんどが熱に変わり、非常に効率の悪い光源であった。また、例えばフォトリソグラフィー工程において、被処理体にコンタクトホール列のパターン、孤立コンタクトホールとコンタクトホール列とが混在するパターン、並びに、マスクパターンの寸法及び配列がプロセス毎に変化する投影露光を行う場合がある。この場合、変形照明を必要となれば、単一光源であるために変形照明用絞りをその都度選択して交換した後、必要な照明を作り出して露光を行っていた。しかしながら、絞りの数及び型に制限があり、要求される照明光学系の機能をもつ照明条件（具体的には、照明光学系の有効光源分布）を自由に変更することはできない。そのため、最適な照明条件で露光を行うことができず、高解像度を得られないという問題があった。また、その都度絞りの交換を行うため、生産効率が良くなかった。

従来の技術としては、通常の円形状の有効光源から輪帯状の有効光源への変換機能、又は、四重極有効光源への切り換え機構がある。しかしながら、今後のパターンの微細化に対応するためには、同じタイプの有効光源であっても、それをフレキシブルに変化させて解像性能を高めることが必要である。

また、特に水銀ランプを光源にした露光の場合では、露光量制御を行う手段が露光シャッターに委ねられている。そのため、メカニカルなシャッターの駆動時間に露光時間が制限され、スループットがシャッター開閉スピードによって律速しており、スループットの向上は難しい。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、露光パターンに応じて個々の半導体光源の点消灯を制御することにより、細部に渡って正確な露光制御が可能とすることを目的とする。

本発明の第１の側面は、設定された光源形状の光でマスクを介して基板を露光する露光装置に係り、前記露光装置は、二次元に配置された複数の半導体光源と、前記複数の半導体光源の各々の点灯及び消灯を制御する光源コントロール部と、を備え、前記光源コントロール部は、前記複数の半導体光源の各々を駆動する光源ドライバーと、複数の照明モードの情報を記憶した記憶部と、露光のレシピに基づいて前記記憶部に記憶された複数の照明モードの１つを指定するコンソールと、前記指定された照明モードのデータに基づいて前記複数の半導体光源が前記光源形状の光を形成するべく前記光源ドライバーに点灯及び消灯の駆動指令を出すコントローラと、を有する。

本発明の第２の側面は、デバイス製造方法に係り、上記の露光装置を用いて、設定された光源形状の光でマスクを介して基板を露光する工程と、前記露光された基板を現像する工程と、を含むことを特徴とする。

露光パターンに応じて個々の半導体光源の点消灯を制御することにより、細部に渡って正確な露光制御が可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態に係る露光装置について説明する。但し、本発明は、本実施形態に限定されず、本発明の目的が達成される範囲において、各構成要素が代替的に置換されうる。

本発明は、光源に１個あたりの発光エネルギーが小さな光源を複数個用いて、高効率かつ均一に被照射物体に照射することができる、省エネルギーで高性能な照明を実現するものである。その光源としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体光源を用いる。ＬＥＤを例に挙げると、図９に示すように各光源から出射する光の指向性は水銀ランプに比べて良く、図１０に示すように波長もガウス分布に近くなり、照射領域の中心付近が強く周辺が弱い。そのため、ＬＥＤ光源（ＬＤ）ごとに一のレンズがある光インテグレータを用いて、効率よく二次光源を生成することができる。

また、本発明では、基板等にパターン露光する際に、高スループットで、良好なパターン露光を実現することができる。これを実現するため、本発明では、二次元に配列された複数の半導体光源群で構成された光源の各々から光を出射させ、出射された光をレンズを介さず直接光インテグレータ群の各々に入射させ、それぞれの光を空間的に分解して、多数の二次光源を生成する。そして、生成された多数の二次光源からの光をコンデンサレンズにより重ね合わせて被照明領域に照射する。

半導体光源群には光源ドライバーが接続され、所望の照明形状（光源形状）や照度を作り出すべく、コントローラを介して個々のＬＥＤ（ＬＤ）が最適な状態となるように点灯及び消灯の駆動指令を出す。このコントローラは、照明モードテーブルの情報に基づいて、露光に必要な照明形状プロファイル及び照度プロファイルを生成し、更に照明光の一様性が得られるように個々の光源のエネルギーを自動制御する機能を有する。この機能により、所望の変形照明を作る際は、開口絞りを使用せず、必要とする変形照明を簡単かつ高速に作り出すことができる。

更に、個々の半導体光源の出力強度及び時間をコントローラを用いて制御することにより、変形照明の必要な高次の露光と、σ照明の必要な低次の露光を同時に行うようなハイブリッド露光が可能となる。これにより、多数のマスクや絞り等を準備して、各モードに合わせてその都度切り換えるという時間もコストも削減できる。

なお、本発明は、例えばフォトリソグラフィー工程において、被処理体にコンタクトホール列のパターン、あるいは孤立コンタクトホールとコンタクトホール列が混在するパターンを投影露光する照明光学系に好適である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係る露光装置を例示的に示す概略構成図である。露光装置１００は、光源２００と、照明光学系３００と、マスク４００と、投影光学系５００と、プレート６００と、光源のコントロール部７００とを有する。

露光装置１００は、例えば、ステップ・アンド・リピート方式やステップ・アンド・スキャン方式でマスク４００に形成された回路パターン（設定された露光パターン）をプレート（基板）６００に露光する投影露光装置である。かかる露光装置は、サブミクロン以下のリソグラフィー工程に最適である。本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（「スキャナー」とも呼ばれる）を例に説明する。ここで「ステップ・アンド・スキャン方式」とは、マスクに対してウエハを連続的にスキャンしてマスクパターン（露光パターン）をウエハに露光すると共に、１ショットの露光終了後ウエハをステップ移動して、次のショットの露光領域に移動する露光方法である。また、「ステップ・アンド・リピート方式」とは、ウエハのショットの一括露光ごとにウエハをステップ移動して、次のショットの露光領域に移動する露光方法である。

光源２００は、例えば、半導体光源としてのＬＥＤ（例えば、波長３７５ｎｍ、出力２００ｍＷのｉ線など）の群（２００個）が二次元に配列されて、二次元の光源形状を形成する。但し、ＬＥＤ（ＬＤ）の種類や個数は限定されない。ＬＥＤ素子としては、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ／ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓを用いることができる。ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＧａＡＩＰ／ＧａＰ、ＩｎＧａＡＩＰ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡＩＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ及びダイヤモンド等の様々な発光波長のＬＥＤ素子を用いてもよい。また、特に限定されないが、レジストの露光に適した発光波長のＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮ等のＬＥＤ素子を用いることがより好適である。

この光源のＬＥＤ（ＬＤ）群２０１には、光源コントロール部７００が接続されている。光源コントロール部７００は、ＬＥＤ（ＬＤ）の光源ドライバー７０１、各ＬＥＤの点消灯を判断するためのコントローラ７０２、照明モードの情報を記憶した照明モードテーブルデータ（記憶部）７０３及びオペレータにより操作されるコンソール７０４で構成される。コンソールで選択されたレシピ、又はマスク上に配置された照明モードを指定する識別マーク（識別子）に基づいて、露光時に必要となる照明モードが指定される。照明モードが指定されると、照明モードテーブルデータを参照して露光パターンが決定される。次いで、照明モードテーブルデータから呼び出された各ＬＥＤの点消灯情報に応じて、コントローラ７０２が光源ドライバー７０１に点消灯指示を出力する。これにより、図２の通常照明光源形状８００や図３の変形照明光源形状（（ａ）輪帯照明光源形状、（ｂ）輪帯比可変照明光源形状、（ｃ）四重極照明光源形状、（ｄ）二重極照明光源など）などの二次元の光源形状（光源の形状）が形成される。また、照度分布計測センサ３０４で得られた情報を光源コントローラ部７００に送り、光学素子の要因により生じた照度ムラ等を補正するように個々のＬＥＤの出力強度を調整するためのプロファイルが作られ、個々のＬＥＤ（ＬＤ）の出力が制御される。

照明光学系３００は、光源のＬＥＤ（ＬＤ）群に対応した数の光インテグレータ群３０１と、コンデンサレンズ３０２で構成されている。光インテグレータ群３０１は、個々のＬＥＤ（ＬＤ）から出射された直線光をそれぞれ広げて二次光源３０３を作り出す。コンデンサレンズ３０２では、最適な位置に配置することにより、集光効率と均一性を良くする。

光源をコンデンサレンズで重ね合わせ、光源が個々に独立した光源ＬＥＤ（ＬＤ）であるため、発光タイミングに遅延が生じる。従って、空間的にインコヒーレント化されてスペックルを発生させない構成となっている。

総露光量は、照度分布計測センサ３０４で随時計測されるため、規定露光量に達すると光源コントローラ部７００からＬＥＤ（ＬＤ）へ消灯指示が出される。ＬＥＤ（ＬＤ）の応答性の速さからメカニカルシャッターが不要となり、高精度な露光量による露光を達成することができる。更に、点消灯の応答性が速いため、今後のレジスト高感度化や光源ＬＥＤ（ＬＤ）の照度向上につれてスループット向上が見込まれる。

これらを踏まえて、実際の露光の流れを説明すると図１２のフローのようになる。図１２（ａ）は、コンソール７０４からの手動入力情報により光源ドライバー７０１を駆動する方法を示し、図１２（ｂ）は、マスク４００上の識別マークにより光源ドライバー７０１を駆動する方法を示している。

図１２（ａ）を参照して、コンソール７０４からの手動入力情報による場合について説明する。

ステップＳ１２０１では、ユーザが、光源コントロール部７００のコンソール７０４から、焼きたい線幅（クリティカル又はラフレイヤ）を入力する。

ステップＳ１２０２では、ユーザが、光源コントロール部７００のコンソール７０４でレシピを選択する。

ステップＳ１２０３では、光源コントロール部７００のコントローラ７０２は、ステップＳ１２０２で選択されたレシピに従って、図１１の照明モードテーブルデータを参照して照明モードを特定する。

ステップＳ１２０４では、光源コントロール部７００のコントローラ７０２は、ステップＳ１２０３で特定した照明モード（光源形状）に対応するＬＥＤ点消灯指令のデータを照明モードテーブルデータから取り出す。これにより、光源コントロール部７００のコントローラ７０２は、ＬＥＤ群２０１の各ＬＥＤの点消灯を判断する。

ステップＳ１２０５では、照度分布計測センサ３０４で各ＬＥＤの印加電流と輝度出力の特性を計測し、その特性をコントローラ部７００に保存する。そして、その計測結果の予測値からのズレを確認し、定期的にキャリブレーションを行い、各ＬＥＤの出力強度及び出力時間を補正する。これにより、高精度な露光が可能となる。ステップＳ１２０５に関しては毎回行う必要は無く、ＬＥＤの使用時間による劣化特性から予測し、印加電流値を換えてもよい。

ステップＳ１２０６では、ステップＳ１２０５で得られた各ＬＥＤの特性と、ステップＳ１２０４での判断結果とに基づいて、光源コントロール部７００のコントローラ７０２が、光源ドライバー７０１に各ＬＥＤの点消灯を示す点消灯指令を出力する。

次に、図１２（ｂ）を参照して、マスク４００上の識別マークによる場合について説明する。

ステップＳ１２１１では、光源コントロール部７００のコントローラ７０２は、基板を露光するためのマスク４００上に配置された識別マーク（識別子）を確認する。

ステップＳ１２１２では、光源コントロール部７００のコントローラ７０２は、ステップＳ１２１１で確認した識別マークに基づいて図１１の照明モードテーブルデータから各種データを取り出す。各種データには、レシピ、焼きたい線幅、照明モード及び各ＬＥＤの点消灯情報が含まれる。そして、図１２（ａ）の場合と同様にして、ＬＥＤ群２０１の各ＬＥＤの点消灯を判断する。

ステップＳ１２１３では、ステップＳ１２０５と同様にして、各ＬＥＤの印加電流と輝度出力の特性を計測する。

ステップＳ１２１４では、ステップＳ１２１３で得られた各ＬＥＤの特性と、ステップＳ１２１２での判断結果とに基づいて、光源コントロール部７００のコントローラ７０２が、光源ドライバー７０１に各ＬＥＤの点消灯を示す点消灯指令を出力する。

以上により、照明光源のＬＥＤ（ＬＤ）群をコントロール部７００で制御することができる。これにより、フレキシブルな変形照明形状（光源形状）が形成可能であり、一露光中に照明モードの変更も可能となる。更に、高次と低次の露光を同時に行うようなハイブリッド露光も可能となる。

［応用例］
次に、本発明の好適な実施の形態に係る露光装置を利用したデバイス製造プロセスを簡単に説明する。設計した回路パターン（露光パターン）に基づいてマスク（原版又はレチクルともいう）を作製する。上記のマスクと用意したシリコンウエハを用いて、上述の露光装置によりリソグラフィー技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する（ウエハプロセス）。回路形成の次のステップが作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。

ウエハプロセスは、レジスト処理ステップ、露光ステップ、現像ステップを含みうる。レジスト処理ステップでは、ウエハに感光剤が塗布される。露光ステップでは、上記の露光装置を用いて、レジスト処理ステップ後のウエハが、マスクパターンを介して露光され、レジストに潜像パターンが形成される。現像ステップでは、露光ステップで露光されたウエハが現像される。ウエハプロセスは、更に、現像ステップで現像した潜像パターン以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップを含みうる。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

光源に多数個のＬＥＤ（ＬＤ）を用いた露光装置の概略図である。通常照明光源形状を表す図である。変形照明光源形状を表す図である。通常照明時の瞳面での光分布を表す図である。通常照明と変形照明での光軸と回折光のなす角θの関係を表す図である。輪帯照明で照明した場合の瞳面上での回折光の分布の一例を表す図である。露光時における通常照明と変形照明における光軸と回折光のなす角θの関係を表す図である。従来の等倍ミラー光学系を用いた走査型の投影露光装置の一例を示す図である。ｉ線ＬＥＤの配光分布の概形を表す図である。ｉ線ＬＥＤの波長分布の概形を表す図である。照明モードテーブルの一例を示す図である。光源ドライバーの駆動シーケンスを示す図である。

符号の説明

１００露光装置
２０１半導体光源
６００プレート（基板、ウエハ）
７００光源コントロール部
７０３照明モードテーブルデータ

Claims

設定された光源形状の光でマスクを介して基板を露光する露光装置であって、
二次元に配置された複数の半導体光源と、
前記複数の半導体光源の各々の点灯及び消灯を制御する光源コントロール部と、を備え、
前記光源コントロール部は、
前記複数の半導体光源の各々を駆動する光源ドライバーと、
複数の照明モードの情報を記憶した記憶部と、
露光のレシピに基づいて前記記憶部に記憶された複数の照明モードの１つを指定するコンソールと、
前記指定された照明モードのデータに基づいて前記複数の半導体光源が前記光源形状の光を形成するべく前記光源ドライバーに点灯及び消灯の駆動指令を出すコントローラと、
を有することを特徴とする露光装置。
前記コントローラは、前記複数の半導体光源の各々の出力を調整することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
前記半導体光源からの光の照度を計測するセンサを有し、
前記センサの計測結果に基づいて、総露光量が規定値に達した場合に、前記コントローラは前記光源ドライバーに消灯の駆動指令を出すことを特徴とする請求項１又は２に記載の露光装置。
請求項１乃至３の何れか１項に記載の露光装置を用いて、設定された光源形状の光でマスクを介して基板を露光する工程と、
前記露光された基板を現像する工程と、
を含むことを特徴とするデバイス製造方法。