JPH04130714A - 投影露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置の製造分野等においてフォトリソグ
ラフィーに適用される投影露光方法に関し、特に表面段
差を有するウェハの全面にわたって均一な解像を可能と
する方法に関する。

〔発明の概要］ 本発明は、投影光学系により段差を有する基体上にフォ
トマスクのパターンを投影する投影露光方法において、
前記基体の段差に対応して前記フォトマスクの一部に光
路媒質と屈折率の異なる光学材料層を形成した状態で投
影露光を行うことにより、実質的な光路長を変化させて
結像面を光軸方向にシフトさせ、基体上のあらゆる場所
において良好な解像を達成しようとするものである。

〔従来の技術〕

半導体集積回路の分野においてはサブミクロン・レベル
の加工が量産工場において既に実現され、今後のハーフ
ミクロン・レベル、さらには６４ＭビットＤＲＡＭクラ
スで必須となるクォーターミクロン・レベルの加工に関
する研究が進められている。

このような微細加工の進歩の鍵となった技術はフォトリ
ソグラフィであり、従来の進歩は露光波長の短波長化、
および縮小投影露光装置（ステンバ）の縮小光学レンズ
の高開口数（ＮＡ）化によるところが大きい。しかし、
これらの短波長化と高ＮＡ化は、焦点深度を増大させる
観点からは不利な条件である。つまり、焦点深度が露光
波長に比例し、開口数の二乗に反比例するからである。

その一方で、被露光体である半導体ウェハの表面段差は
、半導体集積回路の高密度化に伴って年々増大している
。これは、デバイスの構成が三次元化している状況下で
回路の性能や信親性を維持する観点から、二次元方向の
デザイン・ルールの縮小に比べて三次元方向の縮小が進
まないためである。特に、メモリセル内の段差や、メモ
リセルと周辺回路との間の段差が増大している。このよ
うに大きな段差を有する半導体ウェハの表面にフォトレ
ジスト材料を塗布すると、形成されたフォトレジスト層
にも大きな表面段差や膜厚ムラが生ずる。このことが、
前述のように焦点深度が浅くなる傾向や短波長化による
フォトレジスト材料の光吸収の増大等とあいまって、ウ
ェハ全面にわたる均一な解像を困難としている。

このように、解像度と焦点深度に対する要求とは、本質
的に相反するものである。そこで、このような問題を解
決するために二開ロ数を一定レベルに抑えかつ実用レヘ
ルの焦点深度を確保した上で、露光装置の使用法やプロ
セスの工夫により高コントラスト化を通じて高解像度を
達成しようとする技術が幾つか検討されている。

そのひとつに、位相シフト法がある。これは、たとえば
［日経マイクロデバイスＪ　１９９０年７月号第１０８
〜１１４ページ（日経ＢＰ社刊）にも総説されているよ
うに、フォトマスク（レチクル）を構成するガラス基板
上に該ガラス基板とは屈折率の異なる透明膜（位相シフ
タ）を特定のパターンに形成し、回折現象により遮光し
たい部分に照射される光を除去する方法である。位相シ
フト法は、さらに位相シフタの形成パターンにより空間
周波数変調型５エツジ強調型５遮光効果強調型等のタイ
プに大別され、特にライン・アンド・スペースのような
周期的パターンの解像に効果がある。特に空間周波数変
調型では、焦点深度も拡大可能とされている。

また、別の技術としていわゆるＦＬＥＸ法が知られてい
る。これは、特開昭５８−１７４４６号公報に開示され
るように、同一のフォトマスクを介して焦点面をシフト
させながら複数回の露光を行うことにより、実効的に光
軸方向に長く光学像コントラストを維持することを可能
とする方法であり、特にコンタクト・ホールのような孤
立パターンの解像に効果がある。焦点面をシフトさせる
には、フォトマスク、半導体ウェハ、投影光学系の少な
くともひとつを光軸方向に微小振動させたり、あるいは
これらの部材の位置を露光の度に僅がずっずらせる方法
が採られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、これらの技術はいずれも制御すべきパラ
メータが多く、プロセスの最適化が困難である。すなわ
ち、位相シフト法では位相シックとなる透明膜の膜厚の
最適化やそのパターン形成が煩雑であり、またＦＬＥＸ
法では焦点面のシフＦ量や露光量の制御が複雑化する。

また、投影すべきパターンの種類によっては光の干渉が
問題となるようなレヘルの微細な解像が要求されない場
合もあるので、すべての露光において常にこれらの技術
、特に移送シフト法が適用されたのでは、スループット
が大幅に低下するという問題もある。したがって、比較
的パターン密度が疎であるコンタクト・ポール・パター
ンや、ある程度大きなブロンク単位で繰り返されような
デバイス・パターンについては、より簡便な方法により
解像度を向上させることが必要となる。

そこで本発明は、解像度と焦点深度に対する相反する要
求をより簡便な方法により満足させる方法を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明にかかる投影露光方法は、上述の目的を達成する
ために提案されるものであり、投影光学系により段差を
有する基体上にフォトマスクのパターンを投影する方法
であって、前記基体の段差に対応して前記フォトマスク
の一部に光路媒質と屈折率の異なる光学材料層を形成し
た状態で投影露光を行うことを特徴とするものである。

〔作用〕

いま、所定のパターンが形成されたフォトマスクの一部
に屈折率ｎを有する光学材料層を層厚Ｔに形成し、これ
に屈折率ｎ０を有する光路媒質中で波長λの光を透過さ
せる場合を考える。上記光学材料層中では透過する光の
波長がλ／ｎとなるので、該光学材料層を垂直に透過す
る光の実質的な光路長は、実際の層厚Ｔのｎ倍、すなわ
ちＴＸｎとなる。一方、光学材料層が存在しない部分で
は、この層厚Ｔに相当する光路媒質中を光が透過するこ
とになり、この部分における実質的な光路長はＴＸｎａ
となる。したがって、光学材料層が形成されている部分
とそれ以外との部分とでは、光路長が（ＴＸｎ）−（Ｔ
Ｘｎｏ）＝ＴＸ（ｎ−ｎ、）だけ異なり、結像レンズ透
過後に所望の大きさの光学像が得られる最適結像面がこ
の分だけ光軸方向に沿ってシフトすることになる。ここ
で、ｎ−ｎｏの時の結像面を仮に初期結像面と称するこ
とにすると、ｎ　＞　ｎ　ｏの場合には初期結像面から
Ｔｘ（ｎ　　ｎ、）だけ結像レンズ側に近づく位置が最
適結像面となり、ｎ　＜　ｎ　ｏの場合には初期結像面
からＴＸ（ｎ　　ｎｏ）だけ結像レンズとは反対側に遠
ざかる位置が最適結像面となる。つまり、上記光学材料
層は結像面シックである。

以上の原理を応用すれば、段差を有する基体に対してフ
ォトマスクのパターンを投影するための露光を行う場合
にも、基体上のあらゆる場所において最適な解像が可能
となる。つまり、予め基体の表面段差の大きさとその発
生パターンを把握しておき、表面段差の発生パターンに
対応するフォトマスク上のパターンを設定し、かつ表面
段差の大きさとＴｘ　（ｎ　　ｎ　６）とが略等しくな
るように層厚Ｔと屈折率ｎとを設定して光学材料層、す
なわち結像面シックを形成すれば、１回の露光で段差の
上下に同時に最適結像面を形成することができ、均一な
解像が達成されるのである。

［実施例］ 以下、本発明の具体的な実施例について、図面を参照し
ながら説明する。

本実施例は、メモリセルとその周辺回路との間で段差が
発生しているウェハに対し、大気中で露光を行った例で
ある。

まず、本実施例で使用した投影露光装置の投影光学系の
概略的な構成を第２図に示す。

この投影光学系によれば、光ａ　（１０）から発した光
は反射鏡（１１）により反射収束された後、絞り（１２
）を介してコリメータレンズ（１３）に入射し、これに
より平行光とされてからフォトマスクＰＭに入射し、こ
れを透過してさらに結像系（１４）の結像レンズ（７）
によりウェハＷ上に投影される。ただし、図中、フォト
マスクＰＭとウェハＷを結ぶ細い実線は光路ではなく、
光学像が形成される様子、すなわちフォトマスクＰＭ上
のパターンがウェハＷ上に投影される様子を説明するも
のである。

ところで、上記ウェハＷ上に段差が存在し、また上記フ
ォトマスクＰＭの一部には大気と屈折率の異なる光学材
料層が選択的に形成されている。

ここで、段差の存在するウェハＷ上において均一な解像
を実現しようとする場合、上記光学材料層の屈折率と大
気の屈折率との大小関係により、２通りの投影露光方法
が考えられる。この原理を第１図（Ａ）および第１図（
Ｂ）を参照しながら詳しく説明する。

上記フォトマスクＰＭは、ガラス等からなる基板（１）
上に所定のパターンに遮光層（２）が形成され、さらに
透明な光学材料により所定のパターンに層厚Ｔの結像面
シフタ（３ａ）　、　（３ｂ）が形成されてなるもので
ある。上記光学材料は、使用される露光光の波長にて十
分な透過率を有するものであれば特に限定されるもので
はなく、たとえば酸化シリコンや通常のフォトレジスト
材料等を利用することができる。ここで、結像面シフタ
（３ａ）の屈折率ｎは大気の屈折率（ｎ、＝１）よりも
高（、また結像面シフタ（３ｂ）の屈折率ｎは大気の屈
折率よりも低い。つまり、第１図（Ａ）はｎ＞１の場合
、第１図（Ｂ）はｎ〈１の場合をそれぞれ表している。

これら結像面シフタ（３ａ）　、　（３ｂ）のパターン
寸法は、フォトマスクＰＭ、縮小レンズ（７）、ウェハ
Ｗの三者間の相対距離と縮小レンズ（７）の光学特性に
より決まる縮小率に応して設定されている。

ただし、これらの図面は便宜的なものであり、縮小率を
考慮して描かれたものではない。ま光、いまひとつの重
要なポイントは、結像面のシフト量ＴＸ（ｎ−１）がウ
ェハＷ上の段差の大きさと略等しくなるように、上記層
厚Ｔと光学材料の屈折率ｎとが選ばれているということ
である。

なお、本発明において形成される結像面シフタ（３ａ）
　、　（３ｂ）は、位相シフト法における位相シックと
比べて層厚やパターン寸法が遥かに大きいので、形成お
よび寸法制御が容易である。

一方、上記ウェハＷは、半導体基板（４）上に各種材料
層が３次元的に積層されたメモリセル部（５）が形成さ
れてなり、次工程のパターニングのためにフォトレジス
ト層（６）が全面に塗布形成されてなるものである。上
記メモリセル部（５）が形成され、相対的に基体表面の
レベルが高い領域を段差上部■、周辺回路（図示せず。

）等が形成され、相対的に基体表面のレベルが低い領域
を段差下部Ｉと称することにする。また、このウェハＷ
の図に記入された座標は結像面の位置を説明するだめの
ものであり、原点ＯはフォトマスクＰＭの基板（１）の
みを透過した光による初期結像面の位置を示している。

原点Ｏから結像レンズ（７）に近づく方向をプラス（＋
）、遠ざかる方向をマイナス（−）としである。

まずｎ＞１の場合は、結像面シフタ（３ａ）により該結
像面シフタ（３ａ）内部での光路長が実質的に延長され
るので、結像面シフタ（３ａ）を露光光が透過した後に
得られる最適結像面は、フォトマスクＰＭの基板（１）
のみを透過した際に得られる初期結像面よりもＴＸ（ｎ
−１）だけ結像レンズ（７）側ヘシフトする。そこで、
第１図（Ａ）に示されるように、段差下部■の表面を初
期結像面のレベルに設定すると、図中、光軸ＯＡの向か
って左側に形成された結像面シフタ（３ａ）を透過した
光は、光軸ＯＡの向かって右側に位置する段差上部Ｈの
表面で最適な大きさの像を結ぶようになる。

逆にｎ＜１の場合は、結像面シック（３ｂ）により該結
像面シフタ（３ｂ）内部での光路長が実質的に短縮され
るので、最適結像面は初期結像面よりもＴＸ（ｎ−１）
だけ結像レンズ（７）から遠ざかる方向ヘシフトする。

そこで、第１図（Ｂ）に示されるように、段差上部■の
表面を初期結像面のレベルに設定すると、図中、光軸Ｏ
Ａの向かって右側に形成された結像面シフタ（３ｂ）を
透過した光は、光軸ＯＡの向かって左側に位置する段差
下部Ｉの表面で最適な大きさの像を結ぶようになる。

なお、フォトマスクＰＭの基ｖｉ、（１）が１より大き
い屈折率を有するガラスにて構成されている場合には、
該基板（１）を遮光層（２）の形成面と反対側の面にお
いてエツチング等により所定の厚さだけ除去すれば、結
像面シフタ（３ｂ）を使用した場合と同様の効果が得ら
れる。すなわち、ガラスが除去された部分はその層厚の
分だけ屈折率の小さい空気層に置き替わることになるの
で、この部分における光路長が減少し、最適結像面が結
像レンズ（７）から遠ざかるからである。

いずれにしても、本発明を適用すれば段差を有するウェ
ハＷ上のいかなる場所においても、同し大きさの像を得
ることができ、均一な解像が実現される。また、本発明
では結像面シフタ（３ａ）　、　（３ｂ）の形成パター
ンがウェハＷ上の段差発生パターンに対応しているため
、投影露光系を改造したりその構成部材を振動させたり
することなく、１回の露光でウェハＷ上の所望の位置に
局部的に最適結像面を形成することができる。

なお、上述の実施例では、ウェハＷ表面に段差下部Ｉと
段差上部■の２種類のレベルが生じている場合について
説明したが、本発明はより多段階のレベルを生している
ようなウェハについても適用可能である。たとえば、ウ
ェハ上に３種類あるいはそれ以上の数のレベルが存在す
る場合には、段差発生パターンに対応して同一の透明材
料により層厚の異なる２種類あるいはそれ以上の数の結
像面シフタを形成すれば同様の効果が得られる。

もちろん、初期結像面からの最適結像面のシフト量がＴ
Ｘ（ｎ−１）と略等しくなる関係が満たされていれば、
屈折率の異なる透明材料を用いて同じ層厚の結像面シフ
タを形成したり、あるいは屈折率も層厚も異なる結像面
シフタを形成することも可能である。

（発明の効果〕 以上の説明からも明らかなように、本発明を適用すれば
被露光体である基体上に段差が発生していても、面内に
おいて均一な解像が可能となる。

しかもその方法は、フォトマスク上に光路媒質と屈折率
の異なる光学材料層を比較的大きな層厚およびパターン
寸法にて設けるという簡便なものであり、特別な製造設
備を何ら必要としない。したがって、近年のように半導
体集積回路の高密度化に伴って基体の表面段差が増大し
、また露光光の短波長化や縮小投影露光装置の開口数の
増大に伴って焦点深度が減少している状況下において、
その産業上の価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）および第１図（Ｂ）は本発明の投影露光方
法における結像面ソフトの原理を説明するために投影露
光系の一部を概略的に示す断面図であり、第１図（Ａ）
は結像面シフタの屈折率ｎが１より大きい場合、第１図
（Ｂ）は結像面シフタの屈折率ｎが１より小さい場合を
それぞれ示す。 第２図は本発明の投影露光方法を実施するために使用さ
れる投影露光系の一構成例を示す概略断面図である。 トマスクの）基板 ・・・　（フォ ・・・遮光層 ・・・結像面シフタ ・・・結像面シフタ ・・・結像レンズ ・・・フォトマスク ・・・ウェハ ・・・段差下部 ・・・段差上部 （ｎ　＞　１　） （ｎ＜１） 第１ 図（Ａ） 第１ 図（Ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 投影光学系により段差を有する基体上にフォトマスクの
   パターンを投影する投影露光方法において、 前記基体の段差に対応して前記フォトマスクの一部に光
   路媒質と屈折率の異なる光学材料層を形成した状態で投
   影露光を行うことを特徴とする投影露光方法。