JPH04209516A - 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。 ［０００２］ 【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（ステッパ）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化とはいずれも焦点深度を増大させる観
点からは不利な条件である。それは、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。 ［０００３］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頼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。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。これまで、比較的微細なパタ
ーンにより発生する段差については、多層レジスト法に
より基体表面の平滑化が行われてきた。しかし、この方
法を用いても、たとえばメモリ・セル部と周辺回路との
間の段差のように大面積で発生する段差を吸収すること
はできない。かかる基体に対して露光を行おうとすれば
、その結像面の位置は段差上下の平均的な位置に設定せ
ざるを得ない。さらに、投影レンズの像面歪みの存在に
より結像面は完全平面とはなり得す、また基体表面も投
影光学系の光軸に対して完全に垂直ではない。これらの
事情が、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。 ［０００４］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、かかる
問題を解決するために、開口数を一定レベルに抑えかつ
実用レベ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、いわゆるＦＬＥＸ法がある。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結像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しようとする方法である。結
像面をシフトさせるには、上記公報に記載されるように
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る方法、あるいは特開
昭６３−６４０３７号公報に記載されるようにこれらの
部材の位置を露光の度に段階的もしくは連続的にシフト
させながら露光を行う方法等が採られる。 ［０００５］最も単純なＦＬＥＸ法は、光軸上の異なる
２点を結像面として行われる２段階法である。ここでは
、ウェハを載置するＺステージを上下に駆動することに
より結像面を光軸（Ｚ軸）方向に移動させた例について
、図５を参照しながら説明する。図中、横軸はＺ軸方向
のステージ位置（μｍ）を表す。これは、ウェハの段差
上下の平均的な位置に設定される結像面の位置（センタ
ー・フォーカス）を原点○と定め、ここを基準とするフ
ォーカス・オフセットとして定義される量である。ここ
で、露光光源へ近づく方向を一側、露光光源から遠ざか
る方向を＋側とし、ウェハが一側へシフトされる場合を
マイナス・フォーカス、子側ヘシフトされる場合をプラ
ス・フォーカスと称することにする。縦軸は光強度コン
トラストを表す。２本の実線ｅ、　　ｆは原点Ｏより−
１，０μｍ、　＋１．　０μｍだけ結像面をそれぞれシ
フトさせて同一露光量にて投影露光を行った際の光強度
コントラスト曲線である。また破線ｇは両回線ｅ、　　
ｆの合成により得られる合成光強度コントラスト曲線で
ある。なお、光強度コントラストは厳密には露光量と直
線的に対応する量ではないが、本明細書中では便宜上、
おおよそ露光量と対応する量として考えることにする。 ［０００６］基体の全面にわたりパターンが良好に解像
するためには、基体の表面段差、投影レンズの像面歪み
、基板の傾斜等によって決まる光軸方向のある一定範囲
内において、一定水準以上の光強度コントラストが維持
されていなければならない。ここで、実用上十分な解像
度が達成される光強度コントラストの適正範囲を０゜５
〜０．８と仮定し、この範囲の値が達成されるＺ軸方向
の範囲をフォーカス・マージンと定義すると、合成光強
度コントラスト曲線（破線ｇ）上でみたフォーカス・マ
ージンは図中範囲Ｂ＋　、　Ｂ２で示されるごとく、−
側および＋側においてそれぞれ約１．２μｍであり、合
計２．４μｍである。しかし、センター・フォーカス付
近では合成光強度コントラスト曲線が０．５を下回って
しまい、安定な解像度が達成できないことがわかる。こ
れにより、たとえばコンタクト・ホール径の変動が生ず
る等の不都合が発生する。 ［０００７］さらに、理論上は上述のような合成光強度
コントラスト曲線が得られても、２段階法を実際に適用
するとマイナス・フォーカス時にコンタクト・ホール径
が小さくなる傾向がみられる等の事実に即し、本発明者
は先に特願平２−１３１７１２号明細書において、マイ
ナス・フォーカス時の露光量をプラス・フォーカス時の
露光量より大とする技術も提案している。これにより、
フォーカス・マージンが一層拡大される。 ［０００８］一方、上述の２段階法にセンター・フォー
カス露光を加えた３段階法も提案されている。これを、
図６を参照しながら説明する。この図に示される例では
、±１．　０μｍのフォーカス・オフセット時に加え、
センター・フォーカス時にも露光を行っている。すなわ
ち、３本の実線り、　　ｉ、　　ｊはフォーカス・オフ
セットをそれぞれ−１，０μｍ、　　０μｍ、＋１．０
μｍとしてそれぞれ同一露光量にて投影露光を行った際
の光強度コントラスト曲線である。また破線には３曲線
り、　　ｔ、　　ｊの合成により得られる合成光強度コ
ントラスト曲線である。ここで、総露光量は前述の２段
階法と同じであるため、１回の露光量は２段階法の場合
よりも小さくなっている。この技術によれば、合成光強
度コントラスト曲線（破線ｋ）上でみたフォーカス・マ
ージンは、前述の２段階法とは異なり図中範囲Ｃで示さ
れるごとく連続範囲として得られており、センター・フ
ォーカス付近における解像の不安定性も解消されている
。 ［０００９］

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
３段階法によるフォーカス・マージンは、図６に示され
る例では約２．２μｍであり、図５に示される２段階法
よりも却って低下していることがわかる。したがって、
３段階法のメリットが十分に活かされているとは言えな
い。そこで本発明は、３段階法、さらにはそれ以上の数
の結像面を設定して行われる投影露光方法において、フ
ォーカス・マージンを拡大すると共に、スループットの
向上も実現させることを目的とする。 ［００１０１

【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
ある。すなわち、本発明の第１の発明は基体上にフォト
マスクのパターンを投影する方法であって、前記基体に
対して結像面を光軸方向に沿って所定の範囲内で移動さ
せると共に、該範囲内の中央近傍における露光量を相対
的に小とする制御露光を行うことを特徴とするものであ
る。本発明の第２の発明にかかる投影露光方法は、前記
結像面の光軸方向に沿う移動を投影光学系、フォトマス
ク、基体のうち少なくともひとつの部材を移動させるこ
とにより行い、前記光軸方向の位置に応じて前記部材の
移動速度を制御しながら前記制御露光を行うことを特徴
とするものである。 ［００１１１ 【作用］従来の３段階法において２段階法よりもフォー
カス・マージンが減少してしまうのは、総露光量を３等
分した結果、全体に光強度コントラストが低下し、特に
結像面の移動範囲の両端部において顕著に低下したから
である。本発明者は、図４に示される合成光強度コント
ラスト曲線（破線ｋ）においてセンター・フォーカス付
近が増強されていることに着目し、この部分の露光量を
マイナス・フォーカス側とプラス・フォーカス側へ一部
振り分ければ、センター・フォーカス付近にて曲線のプ
ロファイルが極小となったとしても、全体的にはフォー
カス・マージンを拡大できるものと考えた。本発明にお
いて、結像面の移動範囲の中央近傍において露光量を相
対的に小とするのは、このような考えにもとづいている
。 ［００１２］Ｌかし、かかる制御露光をステージの動停
止、シャッターの開閉、露光パワーの増減等と組み合わ
せて行うのでは、スループットの向上にも限度がある。 そこで本発明の第２の発明では、光軸方向の位置に応じ
て投影光学系、フォトマスク、基体のうち少なくともひ
とつの部材を光軸方向に速度分布をもたせながら移動さ
せる。この方法によれば、露光パワーが一定で、かつシ
ャッターが常時開放された状態であっても、移動速度が
速い領域では露光量が減少し、遅い領域では露光量が増
大する。センター・フォーカス付近の露光量を減少させ
たい場合には、この付近における部材の移動速度を増大
させれば良いのである。したがって、従来の多段階露光
に比べて制御すべきパラメータが減少し、スループット
が大幅に向上する。 ［００１３］ 【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。 ［００１４］実施例１ 本実施例は、本発明の第１の発明を３段階法に適用し、
基体（ウェハ）の昇降により結像面を移動させた例であ
る。 ［００１５］まず、本実施例で使用した投影露光装置の
投影光学系および制御系の概略的な構成を図２に示す。 上記投影光学系は、光源１から発した光を反射鏡２によ
り反射収束させた後、絞り３を介してコリメータ・レン
ズ４に入射させてこれを平行光に変換し、さらにフォト
マスク５を透過させ、結像レンズ６によりウェハ・ステ
ージ７上のウェハ１０上に投影させるものである。上記
ウェハ・ステージ７は、ウェハ１０をその面内方向（Ｘ
Ｙ力方向に移動させるためのＸＹステージ８と、光軸（
Ｚ軸）方向に移動させるためのＺステージ９から構成さ
れ、両ステージ８，９の動作の組み合わせにより該ウェ
ハ１０を指定された位置へ３次元的に移動させることを
可能としている。 ［００１６］一方、上記制御系は、露光のタイミングを
制御するシャッター制御系１７、上記ＸＹステージ８を
指定された位置へ駆動するＸＹ制御系１４、ＸＹ面内に
おけるウェハ１０の相対位置を検出するＸＹセンサ１１
、上記Ｚステージ９を指定された位置へ駆動するＺ制御
系１３、Ｚ軸方向におけるウェハ１０の相対位置を検出
するＺセンサ１２、装置全体を一括制御するコンピュー
タ１６、および上記各制御系１３，１４．１７と上記コ
ンピュータ１６とを相互に接続するパスライン１５等か
ら構成される。上記コンピュータ１６には、ウェハ１０
上におけるＸＹ面内の露光位置、各露光位置に対して設
定される結像面の数およびＺステージ９の移動量、各結
像面における露光量等が予め記憶されている。上記各制
御系１３，１４．１７は、コンピュータ１６に記憶され
た情報にもとづいて生成される各種の信号をパスライン
１５を介して受は取り、所定の動作を行うわけである。 ［００１７１図３（ａ）〜（ｃ）には、３段階法による
露光を行った場合の結像面の移動の様子を模式的に示す
。これらの図は、所定の材料層からなる基板２０上にフ
ォトレジスト層２１が形成されてなるウェハ１０に対し
、２１μｍの範囲で結像面を移動させて露光を行う場合
を示すものである。この計２μｍの移動範囲内に、図示
されない領域において発生しているウェハ１０の反りや
フォトレジスト層２１の表面段差、投影光学系の収差に
よる結像面の歪み等がほぼ包含されている。図中に記入
されている座標はＺ軸方向における結像面の移動（フォ
ーカス・オフセット）を説明するためのものであり、原
点０は上記移動範囲の中点、−側は原点Ｏから結像レン
ズ６に近づく方向、＋側は遠ざかる方向を示す。 （ａ）図はフォーカス・オフセットを−１，ＯＩＬｍと
したマイナス・フォーカス時、　（ｂ）図は同じく０μ
ｍとしたセンター・フォーカス時、　（Ｃ）図は同じ＜
＋１゜０μｍとしたプラス・フォーカス時にそれぞれ対
応している。 ［００１８］上述のような投影露光装置を使用してかか
る３段階法による露光を行う手順は、おおよそ次のとお
りである。これは、いわゆるステップ・アンド・リピー
ト式と呼ばれる露光方法である。まず、コンピュータ１
６の命令によりＸＹ制御系１４がＸＹステージ８を所定
の位置へ移動させると、Ｚ制御系１３がＺステージ９を
駆動してたとえば前述の図３（ａ）に示されるようにフ
ォーカス・オフセットが−１，０μｍとなる位置までウ
ェハ１０上昇させる。このときのウェハ１０の相対位置
は、ＸＹセンサ１１とＺセンサ１２を介してそれぞれＸ
Ｙ制御系１４とＺ制御系１３ヘフィードバックされ、必
要があれば自動的に補正される。次に、シャッター制省
系１７からの命令によりシャッターが開放し、所定のコ
光呈にて露光を行う。露光終了後、シャッターを閉多し
、Ｚステージ９を駆動して図３（ｂ）に示されるよ−に
センター・フォーカス位置までウェハ１０を下降させ、
同様の手順て露光を行う。露光終了後、Ｚステージ９を
駆動して図３　（ｃ）に示されるようにフォーカスオフ
セットが＋１．０μｍとなる位置までさらにウエノ１０
下降させ、同様の手順で露光を行う。 ［００１９１以上の３回の露光のうち、センター・フン
−カス付近における露光時には、露光量が他の２回の擢
光よりも相対的に減じられている。これを、光強度コニ
トラスト曲線でみると、図１で示されるとおりである。 ３本の実線ａ、　　ｂ、　　ｃはフォーカス・オフセッ
トをそ才ぞれ−１，０μｍ、　　０１上ｍ、　　＋１．
　０μｍとした場合Ｑ光強度コントラスト曲線である。 ここで、＋１．　０ｕｎにおける露光量は、前述の図５
に示される２段階法の蝶合よりも若干小さく、その減少
分がセンター・フォーカス位置における露光量として分
配されている。これら３曲線を合成したものが、破線ｄ
で示される合成光強度二ントラスト曲線である。かかる
露光により、図中範囲ｌで示されるごとく約２．８μｍ
の連続したフォーカス・マージンが達成された。これは
、前述の図６に示されイようなＺステージの移動範囲の
両端付近における光強用コントラストの減少が抑制され
、かつ前述の図５に示きれるようなセンター・フォーカ
ス付近における落ち込めが緩和されたからである。 ［００２０］なお、ここでは３段階の露光をマイナス・
フォーカス側から開始した場合について説明したが、プ
ラス・フォーカス側から開始しても一向に差し支えない
。また、本実施例はＸＹ平面上の所定の位置において３
つの結像面を設定した例であるが、本発明はこの実加例
に限定されるものではなく、４つ以上の結像面を設定す
る場合にも同様に適用することができる。その場合には
、結像面数に応じて露光量の分配を最適化する必要かあ
るが、結像面数が奇数の場合にはセンター・フォーカス
位置における露光量を相対的に減じ、偶数の場合に（ｊ
センター・フォーカス位置を挟む少なくとも２ケ所にお
いて露光量を相対的に減じるようにすれば良い。 ［００２１１実施例２本実施例は、本発明の第２の発明
を適用し、上述の実施例１における露光作業の能率をさ
らに高めた例である。本実施例で使用した投影露光装置
の構成、ウェハ１０の構成、および結像面の移動範囲は
、実施例１で上述したとおりである。ただし、ここでは
露光作業を上述のようなステップ・アンド・リピート式
で行うのではなく、シャッターを常に開放した状態でＺ
ステージの移動速度をたとえば図４に示されるようなパ
ターンで変化させた。すなわち、Ｚステージの移動速度
をフォーカス・２７７７２２１．０μｍ付近では小さく
設定し、そこからセンター・フォーカス位置に近づくに
つれて増大し、センター・フォーカス位置において最大
となるように設定した。この場合、コンピュータ１６に
は結像面数の代わりに上述のような速度変化パターンを
記憶させておく二とが必要となる。かかる設定のもとで
は、露光パワーが一定であれは露光量は露光時間に比例
することになり、その露光時間はステージ移動速度に反
比例する。つまり、フォーカス・２７５７５２１．０１
ｍ付近では露光量が最大、センター・フォーカス付近で
は露光量が最小となり、図１とほぼ同様の露光量の変化
パターンが達成されるのである。もちろん、露光量の変
化とＺステージ９の移動速度の変化を適宜組み合わせて
も良い。 ［００２２］このような方法によれば、結像面の移動は
途中停止を要することなく連続的に行われ、かつＸＹ平
面上のひとつの露光位置において露光が１回で済む。し
たがって、Ｚステージ９の動停止やシャッターの開閉に
要する時間が短縮され、スループットを大幅に向上させ
ることができる。 ［００２３］ところで、露光が１回で済むことに関して
言えば、前述の特開昭５８−１７４４６号公報に開示さ
れる技術によっても同じ効果は達成されている。しかし
ながら、この先行技術ではフォトマスク、半導体ウェハ
７投影光学系の少なくともひとつを光軸方向に微小振動
させているので、各露光位置における露光量を変化させ
ることはできず、フォーカス・マージンを十分に拡大す
ることはできない。 ［００２４］なお、上述の実施例１および実施例２では
、いずれもＺステージ９を駆動させることにより結像面
の移動を行ったが、フォトマスク５、もしくは投影光学
系中のや結像レンズ６等をＺ軸方向に駆動させたり、さ
らにこれらの部材の運動を適当に組み合わせること等に
よっても結像面を移動させることができる。 ［００２５］

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の第１の発明によれば、センター・フォーカス付近に
おける露光量を相対的に減じることによりフォーカス・
マージンを拡大することができる。また、本発明の第２
の発明によれば、結１蒙面を移動させ得る部材のＺ軸方
向の移動速度に変化を付けるという極めて巧妙な手法に
より、スルーブツトの向上を図ることができる。したが
って、露光光の短波長化や投影光学系の高開口数化に伴
って焦点深度が減少している状況下にあって、本発明の
産業上の価値は極めて大きい。 （００２６］

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の発明を３段階法に適用した場合
の光強度コントラスト曲線を示す特性図である。

【図２】本発明を実施するために使用される投影露光装
置の一構成例を示す模式図である。

【図３】本発明の第１の発明を３段階法に適用した場合
の結像面の位置設定の一例を示す模式的断面図であり、
（ａ）図はマイナス・フォーカス時、　（ｂ）図はセン
ター・フォーカス時、　（Ｃ）図はプラス・フォーカス
時をそれぞれ表す。

【図４】本発明の第２の発明を適用した場合のＺステー
ジの移動速度の変化パターンの一例を示す特性図である
。

【図５】従来の２段階法における光強度コントラスト曲
線を示す特性図である。

【図６】従来の３段階法における光強度コントラスト曲
線を示す特性図である。

【符号の説明】

１　　・　・　光源 ５　　・　・　フォトマスク ６　　・　・　結像レンズ ８　　・・・　ＸＹステージ ９　　・　・　Ｚステージ １０　　　・・　ウェハ ２０　　　・　　基板 ２１　　　　　　　フォトレジスト層

【図２】

【図６】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】投影光学系により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、前記基体に
   対して結像面を光軸方向に沿って所定の範囲内で移動さ
   せると共に、該範囲内の中央近傍における露光量を相対
   的に小とする制御露光を行うことを特徴とする投影露光
   方法。
2. 【請求項２】前記結像面の光軸方向に沿う移動は投影光
   学系、フォトマスク、基体のうち少なくともひとつの部
   材を移動させることにより行い、前記制御露光は前記光
   軸方向の位置に応じて前記部材の移動速度を制御しなが
   ら行うことを特徴とする請求項１記載の投影露光方法。