JPH05198474A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２次光源変調フィルタの交換を要することな
く、各種のパターンに対して十分なフォーカスマージン
を確保することができ、パターン転写の効率向上をはか
り得る投影露光装置を提供すること。 【構成】 光源１１からの光を集光する第１集光光学系
１２と、第１集光光学系１２で集光された光を均一化す
る均一化光学系１３と、均一化光学系で均一化された光
を集光してマスク１７に照射する第２集光光学系１６
と、マスク１７を透過した光をウェハ１９上に投影する
投影光学系１８とを備えた投影露光装置において、マス
ク１７を照明する均一化光学系１３の出射側の２次光源
位置１４に、２次光源の射出面内強度分布が周辺部と中
央部の両者がその中間部分に対して大となる光源変調フ
ィルタ１５を設置したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路の製造
に要する微細レジストパターンを形成する投影露光装置
に係わり、特に光源形状を規定する光源変調フィルタの
改良をはかった投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光リソグラフィ技術の進歩は目覚
ましく、ｇ線（４３６ｎｍ）やｉ線（３６５ｎｍ）の投
影露光装置では、０．５μｍルールも実現できる可能性
が出てきた。これは、投影露光装置の高性能化、特にレ
ンズの高ＮＡ化が進んだことによる。しかし、次世代の
０．３μｍルールも今までの延長で達成できるかは疑問
である。レンズの高ＮＡ化や、露光光の短波長化により
解像度は向上するが、焦点深度は低下するため実用解像
度はあまり向上しない。従って、焦点深度の向上技術の
開発が望まれている。

【０００３】従来の縮小投影露光装置の基本構成を図５
に示している。光源のランプとしては、水銀灯のｇ線４
３６ｎｍ，ｈ線４０５ｎｍ，ｉ線３６５ｎｍなどの他、
エキシマレーザー露光（ＫｒＦ等）が用いられている。
そして、それらは照射均一性を高めるためにオプチカル
インテグレータ（はえの目レンズ）等を含んだ光学系に
より、均一化された光となる。図５は、上記光学系を通
過後の光束を示している。図中１は均一化された光線
（２次光源）、２，３は開口絞り、４は２次光源照射光
学系、５は投影光学系、６はマスク（レチクル又は位相
シフトマスク）、７はウェハを示している。

【０００４】このような縮小投影露光装置においては、
パターンの形成特性（解像度、焦点深度など）は、投影
光学系５のＮＡ（ＮＡ＝ｓｉｎθ）と照明光のコヒーレ
ンシイσ（σ＝ｓｉｎφ／ｓｉｎδ）で決定される。

【０００５】ＮＡが大きい程、解像度は上がる一方、焦
点深度は減少する。また、コヒーレンシイσ値が小さく
なるとパターンの淵が強調されるため、断面形状は側壁
が垂直に近づいて良好なパターン形状となるが、細かい
パターンでの解像性が悪くなり解像し得る焦点範囲が狭
くなる。逆に、σ値が大きいと細かいパターンでの解像
性，解像し得る焦点範囲が若干良くなるが、パターン断
面の側壁傾斜が緩く、厚いレジストの場合、断面形状は
台形ないし三角形となる。このため、従来の投影露光装
置では、比較的バランスのとれたσ値として、σ＝０．
５〜０．７に設定されている。なお、σ値を設定するた
めに２次光源１の光源面の直後にσ値設定用の円形開口
絞り２を置いている。

【０００６】このような従来の装置においては、マスク
６を照射する光の性質を決するのがコヒーレンシイσ値
だけであるため、焦点深度，領域内均一性，線幅制御性
等各種条件を満たしつつ微細パターンを形成しようとす
ると、ＮＡとσとによって決まる限界があった。従っ
て、投影光学系５の開口数ＮＡと２次光源１の大きさが
決まると、パターン形成特性が自動的に決まり、さらに
解像性能を高めることはできなかった。

【０００７】そこで最近、特開昭６１−９１６６２号公
報に示されているように、従来装置が用いている２次光
源１の大きさを決める円形絞り２の代わりに、図６
（ａ）〜（ｄ）に示すような円輪状に透過部を有する光
源変調フィルタ、また、中央部に対して周辺の透過率が
高くなるようにした光源変調フィルタを装着することに
よって、２次光源の中心部の光を用いず周辺部の光のみ
によって露光する方法が提案されている。

【０００８】その原理を以下に示す。開口絞り２の大き
さを変えた場合、開口が小さい程、即ちσが小さいほど
得られるパターンの側壁は、垂直に近くなる。一方、細
かいパターンまでの解像性を調べると、逆にσ値が大き
いほど細かいパターンまで隣接したパターン同士が分か
れて転写される。かかる２つの傾向、即ちσが小さいほ
ど断面形状が良くなる一方、σ値が大きいほど細かいパ
ターンまで解像できるという傾向からレジストの種類，
膜厚を決めると、使用に耐える範囲の断面形状で最も細
かいパターンまで抜けるσ値の適値が存在する。そし
て、多層レジスト等の使用を考え露光するレジスト層を
薄くする場合には、上記のσ値の適値はσが大きい方に
移行する。

【０００９】照明光とパターン解像性との間に上記のよ
うな関係があるから、薄いレジスト層の場合には、２次
光源の外側まで使うほど細かいパターンまで解像する。
従って、さらに１歩進めて、細かいパターンまで解像す
るために必要な２次光源の周辺部だけの光を用いれば、
一層の高解像度化がはかれる。また、このようなフィル
タ（図６）を用いることにより解像度が上がると共に焦
点深度が深くなることが確認されている。

【００１０】実際に上記輪帯照明露光を適用した結果を
以下に示す。図７は今回適用した光源変調用フィルタを
示しており、輪帯遮蔽率εをε＝ｒ２／ｒ１と定義す
る。図８はラインとスペースの比率が１：１（０．６μ
ｍ）のＬ／Ｓパターンに対するコヒーレンシイσと輪帯
遮蔽率εの組み合わせによって得られる焦点深度の分布
を表したものである。同様に、図９はパターンサイズが
０．６μｍにおける孤立残しの場合、図１０はパターン
サイズが０．６μｍにおける孤立抜きパターンの場合を
示している。なお、上記図８から図１０に示した焦点深
度（ＤＯＦ値）はｇ線，ＮＡ＝０．５４，ポジ型レジス
ト（PFR-GX200)，膜厚１．０μｍにおける場合を示した
ものである。さらに、図８から図１０のＤＯＦ値は、コ
ヒーレンシイσ＝０．５、輪帯遮蔽率ε＝０での露光実
験において得られたフォーカスマージンよりパターン形
成に必要とされるコントラスト（限界解像コントラス
ト）を算出し、その限界解像コントラストをもとに、Ｄ
ＯＦ値のコヒーレンシイσ、輪帯遮蔽率ε依存性の結果
を示している。

【００１１】実際にプロセスにおいて必要とされるフォ
ーカスマージンが２μｍ程度であることを考慮すると、
図８から明らかなようにＬ／Ｓパターンによる制約が最
も厳しく、現状においては輪帯照明で露光する必要があ
ることが分かる。さらに、図８から図１０より以下の結
論がいえる。Ｌ／Ｓパターンにおいてはσ＝０．５〜
０．７，ε＝０．６〜０．８が適値となり、また孤立残
しパターンに対してはσ＝０．６〜０．７，ε＝０．６
〜０．８が適値となり、Ｌ／Ｓパターンと同様な傾向を
示す。しかし、孤立抜きパターンに対してはσが小，ε
が小（通常露光程よい）において適値となる。

【００１２】以上のことから、この種の技術の問題点と
して、実際の露光においてＬ／Ｓパターン及び孤立残し
パターンで構成される層を転写する場合と、孤立抜きパ
ターン及びコンタクトホールで構成される層を転写する
場合とによってフィルタを交換することが必要となり、
実用上非常に効率が悪くなってしまう。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、有効
光源位置に装着する２次光源変調フィルタを用いて、輪
帯照明又は輪帯照明＋位相シフトマスクでの転写におい
ては、輪帯照明露光にするメリットとしてＬ／Ｓパター
ン及び孤立残しパターンにおいては必要とされるフォー
カスマージンを確保することができるものの、孤立抜き
パターン及びコンタクトホールパターンにおいては逆に
フォーカスマージンの減少を引き起こす結果となる。そ
のため、露光パターンによって上記フィルタを交換する
か、又はパターンの種類によってステッパを使い分ける
必要があった。しかし、前者においてはスループット等
の問題があり、また後者においては使用ステッパの数を
増やすことにつながりコスト高になる等の問題があっ
た。

【００１４】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、２次光源変調フィルタ
を交換することなく、各種のパターンに対して十分なフ
ォーカスマージンを確保することができ、パターン転写
の効率向上をはかり得る投影露光装置を提供することに
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、光源形
状を規定する２次光源変調フィルタのパターンを工夫す
ることにより、１枚の光源変調用フィルタを用いて多種
類のパターンに対して必要とされるフォーカスマージン
を確保して露光を行うことを可能とする。

【００１６】即ち本発明（請求項１）は、光源からの光
を集光する第１集光光学系と、この第１集光光学系で集
光された光を均一化する均一化光学系と、この均一化光
学系で均一化された光を集光してマスクに照射する第２
集光光学系と、マスクを透過した光をウェハ上に投影す
る投影光学系とを具備し、マスクに形成されたパターン
を投影光学系を介してウェハ上に投影露光する投影露光
装置において、マスクを照明する均一化光学系の出射側
の２次光源位置に、２次光源の射出面内強度分布が周辺
部と中央部の両者がその中間部分に対して大となる光源
変調フィルタを設置したことを特徴とする。

【００１７】また本発明（請求項２）は、上記の構成に
加え、２次光源の半径をＬとし、該２次光源の動径方向
座標をｒとした時、２次光源の射出面内強度分布がその
２次光源上の０．６７Ｌ≦ｒ≦Ｌにおいて強度分布が大
となり、且つ中心から０．３Ｌ≦ｒ≦０．５Ｌの範囲に
おいて強度分布が大となることを特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明によれば、２次光源変調フィルタのパタ
ーンを前述したように設定することにより、Ｌ／Ｓパタ
ーンや孤立残しパターンに対しては外側の輪帯による照
明によりフォーカスマージンを確保することができ、孤
立抜きパターンやコンタクトホールに対しては内側の開
口による照明によりフォーカスマージンを確保すること
ができる。従って、転写したいマスクによって２次光源
変調用フィルタを交換することなしに、１枚の２次光源
変調用フィルタを用いて多種類のパターンに対して必要
とされるフォーカスマージンを確保して露光を行うこと
が可能となる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００２０】図１は、本発明の第１の実施例に係わる投
影露光装置の基本構成を示す図である。図中１１は光源
であり、この光源１１からの光は楕円反射鏡やインプッ
トレンズ等からなる第１集光光学系１２により集光さ
れ、オプチカルインテグレータ等からなる均一化光学系
１３により均一化された光となる。均一化光学系１３の
射出面には本実施例の特徴とする２次光源変調フィルタ
１５が配置されている。このフィルタ１５を通した光
は、アウトプットレンズ及びコリメーションレンズ等か
らなる第２集光光学系１６により集光され、マスク１７
に照射される。そしてマスク１７を通した光が、投影光
学系１８を介してウェハ１９上に投影されるものとなっ
ている。

【００２１】このように構成された装置においてマスク
１７から光が来る側を見た場合、光の性質は、第２集光
光学系１６を通して均一化光学系１３から出てくる光の
性質となり、均一化光学系１３の出射側が見掛け上の光
源に見える。このため、上記のような構成の場合、一般
に均一化光学系１３の出射側１４を２次光源と称してい
る。マスク１７がウェハ１９上に投影されるとき、投影
露光パターンの形成特性、即ち解像度や焦点深度等は、
投影光学系１８の開口数及びマスク１７を照射する光の
性状、即ち２次光源１４の性状によって決まる。

【００２２】この装置は、図６（ａ）〜（ｃ）に示され
るような光源変調フィルタ内部に少なくとも１つの透過
部分を設け、フィルタの周辺及び内部の透過部分の透過
率分布を制御することにより、目的のデバイスパターン
（Ｌ／Ｓ，孤立残し，孤立抜き，コンタクトホールなど
少なくとも２つ以上）のフォーカスマージンを満足する
ように光源変調用フィルタを形成している。

【００２３】図２は本実施例に用いた光源変調フィルタ
の概略構成及び強度分布の中央断面を示している。フィ
ルタの半径を決めているｒ１はσ＝０．６に相当する径
である。輪帯遮蔽率ε（＝ｒ２／ｒ１）＝０．６７での
輪帯照明フィルタの内部にε２（ε２＝ｒ３／ｒ１）で
定義されるような透過部分を設けた。遮蔽部の透過率は
０、開口部（透過部）の透過率は１である。

【００２４】図３は、図２のフィルタを使用し、ハーフ
トーンマスクを用いて露光した場合のそれぞれ０．６μ
ｍのＬ／Ｓパターン（ａ）、０．６μｍの孤立抜きパタ
ーン（ｂ）における結果を示している。横軸はε２、縦
軸はＤＯＦ値を示している。輪帯照明フィルタとした場
合（ε２＝０）、Ｌ／Ｓパターンにおいては十分フォー
カスマージンが得られるものの、孤立抜きパターンにお
いては必要とされるフォーカスマージン（２．０μｍ）
を得ることができない。ε２を大きくすると、Ｌ／Ｓパ
ターンではＤＯＦが低下し孤立抜きパターンでは増大す
る。ε２を０．３≦ε２≦０．５の範囲でＬ／Ｓパター
ン，孤立抜きパターン、いずれの場合も２．０μｍ±５
％のＤＯＦが確保でき、両パターンにおいて適用可能な
フィルタとなることが分かる。

【００２５】このように本実施例によれば、２次光源変
調フィルタ１５として、輪帯遮蔽率ε＝０．６７の輪帯
照明フィルタの内部に０．３≦ε２≦０．５で定義され
る透過部分を設けた構成を採用することにより、Ｌ／Ｓ
パターンや孤立残しパターンは勿論のこと、孤立抜きパ
ターンも十分なフォーカスマージン（２μｍ程度）を持
って露光することができる。このため、２次光源変調フ
ィルタ１５を交換することなく、各種のパターンに対し
て十分なフォーカスマージンを確保することができ、パ
ターン転写の効率向上をはかることが可能となる。

【００２６】また、上記実施例では２次光源変調フィル
タとして、２次光源の射出面内強度分布の周辺部強度Ｉ
ｐと中央部強度ＩｃがＩｐ＝Ｉｃである光源変調フィル
タを用いたが、さらに一歩進めて、両者の強度値を変え
てより最適な特性を得ることもできる。具体的には、周
辺部強度が中央部よりも大（Ｉｐ＞Ｉｃ）、又は中央部
強度が周辺部強度よりも大（Ｉｐ＜Ｉｃ）とする光源変
調フィルタを使用し、Ｌ／Ｓ及び孤立抜きパターンの両
パターンにおいて最適なフィルタの強度分布を設定する
ことにより、なお一層のＤＯＦの向上が得られる。

【００２７】図４（ａ）は本発明の第２の実施例の要部
構成を説明するためのもので、光源変調フィルタの構成
を示している。この実施例では、フィルタの動径方向に
対して周辺部ほど透過率が高いようなフィルタにおい
て、図４（ｂ）に示したようにフィルタ内部に少なくと
も１つ透過率が極大値を持つような分布を持たせる。

【００２８】このような構成であれば、Ｌ／Ｓパターン
に対しては２次光源変調フィルタの透過率の高い周辺部
が作用し、孤立抜きパターンに対しては２次光源変調フ
ィルタの透過率の高い中央部が作用し、結果として第１
の実施例と同様な効果を得ることが可能である。

【００２９】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、２次光源変調フィルタ
の輪帯遮蔽率ε（＝ｒ２／ｒ１）＝０．６７としたが、
この値は露光するＬ／Ｓパターンの寸法等に応じて適宜
定めればよい。さらに、２次光源変調フィルタの中央部
の透過部分の大きさε２（ε２＝ｒ３／ｒ１）は中心か
ら０．３≦ε２≦０．５の範囲に限るものではなく、露
光する孤立抜きパターンの寸法等に応じて適宜定めれば
よい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、２
次光源変調フィルタを２次光源の射出面内強度分布が周
辺部と中央部の両者がその中間部分に対して大となるよ
うにしているので、転写すべきパターンによって２次光
源変調用フィルタを交換することなしに、多種類のパタ
ーンにおいて必要とされるフォーカスマージンを確保す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる投影露光装置を
示す概略構成図、

【図２】第１の実施例に用いた光源変調フィルタの構成
及び強度分布を示す図、

【図３】第１の実施例における各パターンでのＤＯＦ値
のε２依存性を示す図、

【図４】第２の実施例に用いた光源変調フィルタの構成
及び強度分布を示す図、

【図５】従来の代表的な投影露光装置の模式図、

【図６】従来の輪帯照明露光用光源変調フィルタの例を
示す図、

【図７】従来の光源変調フィルタの概略図とその動径方
向の透過率分布を示す図、

【図８】Ｌ／ＳパターンにおけるＤＯＦ値のσ，ε依存
性を示す図、

【図９】孤立残しパターンにおけるＤＯＦ値のσ，ε依
存性を示す図、

【図１０】孤立抜きパターンにおけるＤＯＦ値のσ，ε
依存性を示す図。

【符号の説明】

１１…光源、 １２…第１集光光学系、 １３…均一化光学系、 １４…２次光源、 １５…２次光源変調フィルタ、 １６…第２集光光学系、 １７…マスク、 １８…投影光学系、 １９…ウェハ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスクに形成されたパターンを投影光学系
   を介してウェハ上に投影露光する投影露光装置におい
   て、 前記マスクを照明する２次光源位置に、２次光源の射出
   面内強度分布が周辺部と中央部の両者がその中間部分に
   対して大となる２次光源変調フィルタを設置してなるこ
   とを特徴とする投影露光装置。
2. 【請求項２】前記２次光源の半径をＬとし、該２次光源
   の動径方向座標をｒとした時、前記２次光源の射出面内
   強度分布がその２次光源上の０．６７Ｌ≦ｒ≦Ｌにおい
   て強度分布が大となり、且つ中心から０．３Ｌ≦ｒ≦
   ０．５Ｌの範囲において強度分布が大となることを特徴
   とする請求項１記載の投影露光装置。