JPH0547626A - 像投影方法及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パターン形状方向により最適な照明方法を用
いて高解像力で投影露光が可能な像投影方法及びそれを
用いた半導体デバイスの製造方法を得ること。 【構成】 微細パターンを照明し、微細パターンで生じ
る回折光を投影光学系の瞳に入射させて微細パターンの
像を投影する像投影方法において、瞳に以下の条件をほ
ぼ満たす８個の部分を備える有効光源を形成する光で微
細パターンを照明すること。 条件：瞳の中心を原点とし微細パターンの縦横パターン
の各方向にｘ、ｙ軸を有するｘｙ座標系を定めた時に、
８個の部分の各々が（ａ，ｂ）、（ｂ，ａ）、（−ｂ，
ａ）、（−ａ，ｂ）、（−ａ，−ｂ）、（−ｂ，−
ａ）、（ｂ，−ａ）、（ａ，−ｂ）の位置近傍にあり、
８個の部分の光量が互いにほぼ等しいこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は像投影方法及びそれを用
いた半導体デバイスの製造方法に関し、特に０．５μｍ
以下の線幅の回路パターンをウエハーに形成する際に好
適な、改良された像投影方法及びそれを用いた半導体デ
バイスの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体デバイスの高集
積化は益々加速度を増しており、これに伴なって微細加
工技術も著しい進展を見せている。特に、半導体デバイ
スの製造過程における加工技術の中心を成す露光技術
は、１メガＤＲＡＭを境にサブミクロンの領域に踏み込
んだ。この露光用の装置として代表的なものが、所謂ス
テッパーと呼ばれる縮小投影露光装置であり、この装置
の解像力が半導体デバイスの将来を担っていると言って
も過言ではない。

【０００３】従来、この装置の解像力を向上させる為に
用いられてきた手法は、主として投影光学系（縮小レン
ズ系）の開口数（ＮＡ）を大きくしていく手法であっ
た。しかしながら、投影光学系の焦点深度はＮＡの２乗
に反比例する為、ＮＡを大きくすると焦点深度が小さく
成り、ウエハー上にコントラストの良い像を形成するの
が難しくなるといった問題が生じる。

【０００４】従って、最近は露光に使用する光をｇ線
（４３６ｎｍ）からｉ線（３６５ｎｍ）或はＫｒＦエキ
シマレーザー光（２４８ｎｍ）に代えるといった、露光
光の短波長化による解像力の向上が図られている。

【０００５】

【外１】 一方、投影光学系のＮＡの大きくしたり露光光の波長を
短くしたりする方法とは別に、レチクルに対する照明法
を代えることにより装置の解像力を上げる方法がある。
この方法は、投影光学系の瞳に円環状の有効光源（０次
光が形成する仮想光源）を形成する光でレチクルを照明
するものであり、レチクルの微細な回路パターンで生じ
る回折光（０次光と１次光）を投影光学系の瞳に入射さ
せることが可能である。尚、円環状の有効光源を形成す
る光は、装置の照明系中の投影光学系の瞳と共役な位置
に円環状の２次光源を形成することにより供給される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この照
明法では投影光学系の焦点深度が余り改善されないの
で、この照明法を投影露光装置に適用してもコントラス
トの良い像を得ることは難しい。

【０００７】本発明は投影焼き付けを行なう対象とする
パターン形状の方向性に応じて適切なる照明方法を適用
し、高い解像力が容易に得られる像投影方法及びそれを
用いた半導体デバイスの製造方法の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の像投影方法は、
微細パターンを照明し、該微細パターンで生じる回折光
を投影光学系の瞳に入射させて該微細パターンの像を投
影する像投影方法において、前記瞳に以下の条件をほぼ
満たす８個の部分を備える有効光源を形成する光で前記
微細パターンを照明することを特徴とする像投影方法。

【０００９】条件：前記瞳の中心を原点とし前記微細パ
ターンの縦横パターンの各方向にｘ、ｙ軸を有するｘｙ
座標系を定めた時に、前記８個の部分の各々が（ａ，
ｂ）、（ｂ，ａ）、（−ｂ，ａ）、（−ａ，ｂ）、（−
ａ，−ｂ）、（−ｂ，−ａ）、（ｂ，−ａ）、（ａ，−
ｂ）の位置近傍にあり、前記８個の部分の光量が互いに
ほぼ等しいこと。

【００１０】又本発明の像投影方法を用いた半導体デバ
イスの製造方法は、回路パターンを照明し、該回路パタ
ーンで生じる回折光を投影光学系の瞳に入射させて該回
路パターンの像をウエハー上に投影し、該ウエハーに該
回路パターン像を転写することにより半導体デバイスを
製造する半導体デバイスの製造方法において、前記瞳に
以下の条件をほぼ満たす８個の部分を備える有効光源を
形成する光で前記微細パターンを照明することを特徴と
する半導体デバイスの製造方法。

【００１１】条件：前記瞳の中心を原点とし前記微細パ
ターンの縦横パターンの各方向にｘ、ｙ軸を有するｘｙ
座標系を定めた時に、前記８個の部分の各々が（ａ，
ｂ）、（ｂ，ａ）、（−ｂ，ａ）、（−ａ，ｂ）、（−
ａ，−ｂ）、（−ｂ，−ａ）、（ｂ，−ａ）、（ａ，−
ｂ）の位置近傍にあり、前記８個の部分の光量が互いに
ほぼ等しいこと。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の半導体デバイスの製造方法を
投影露光装置に適用したときの要部概略図である。

【００１３】図１において、Ｍはレチクルであり、レチ
クルＭには回路パターンが形成されている。Ｗはウエハ
ーであり、ウエハーＷにはレジストが塗布している。１
０は投影露光装置の光軸、２０は光源（１次光源）、３
０は光源２０からの光をレチクルＭに向ける照明光学
系、３０Ａは照明光学系３０の開口絞り（絞り）であ
り、絞り３０Ａは照明光学系３０の不図示の光学式イン
テグレーター（フライアイレンズ）の光射出面の近傍に
置かれ、光学式インテグレーターと共にその開口に２次
光源を形成する。４０はレチクルＭを保持するレチクル
ステージ、５０は照明光学系３０の環状の２次光源から
の光束で均一照明されたレチクルＭの回路パターンの縮
小像を投影する投影レンズ系、５０Ａは投影レンズ系５
０の開口絞り（絞り）であり、この絞り５０Ａが投影レ
ンズ系５０の瞳を定める。ここでは絞り５０Ａの開口の
位置を瞳位置として説明を行なう。６０はウエハーＷを
保持するウエハーステージであり、ウエハーステージ６
０はウエハーＷ上の表面が投影レンズ系５０によるレチ
クルＭの回路パターンの結像面に一致するようウエハー
Ｗを保持する。

【００１４】以上の構成で、光源２０と照明光学系３０
とを用いてレチクルＭを照明すると、レチクルＭの回路
パターン（主として縦横パターンの集合より成る。）で
生じる回折光が投影レンズ系５０の絞り５０Ａの開口に
捕らえられ、投影レンズ系５０が、これらの回折光によ
りレチクルＭの回路パターンの像をウエハーＷ上に投影
し、回路パターン像をウエハーＷのレジストに転写す
る。このような露光−転写の工程を経てウエハーＷから
半導体デバイスが製造される。

【００１５】図１の投影露光装置では、照明光学系３０
の絞り３０Ａの位置と投影レンズ系５０の絞り５０Ａの
位置とが互いに共役な位置に設定されており、絞り３０
Ａの開口（２次光源）の像が投影レンズ系５０の絞り５
０Ａの開口中に投影される。従って、絞り３０Ａの開口
の形状や大きさ（２次光源の形状や大きさ）を後述する
ように適宜定めることにより、絞り５０Ａの開口、即ち
瞳に形成する絞り３０Ａの開口像、即ち有効光源の形状
と大きさが決る。尚、絞り５０Ａの開口は円形である。

【００１６】図２は図１の投影露光装置の投影レンズ系
５０の瞳（以下、『瞳５０Ａ』と記す。）に形成される
有効光源２１ａ〜２１ｈの実施例１の模式図を瞳の半径
を１として示している。図３に図１の投影露光装置の照
明光学系３０の絞り３０Ａの正面図を示す。尚、図２で
は投影レンズ系５０の瞳５０Ａの中心を原点にしたｘｙ
座標系に瞳５０Ａと有効光源を図示している。このｘｙ
座標系のｘ軸はレチクルＭの横パターン（『横』方向に
伸びる線状パターン）の長手方向に、このｘｙ座標系の
ｙ軸はレチクルＭの縦パターン（『縦』方向に伸びる線
状パターン）の長手方向に対応している。

【００１７】本発明はレチクルに斜めから光を入射させ
ることによってレチクル面上の回路パターンの０次光と
１次回折光又は０次光と−１次回折光のペアを用い、そ
のペアの各々の回折光が瞳の中心から等距離に入るよう
にし結像させている。

【００１８】即ち、空間周波数の高い回路パターンの前
記回折光のペアを効率良く有効光源に取り入れるように
し、かつ像性能を悪化させるような回路パターンの回折
光を有効光源に取り入れないようにして解像力を向上さ
せている。

【００１９】図２に示す有効光源２１ａ〜２１ｈの形状
の特徴としては、ｘ軸に対して反時計回りに計った角度
θがほぼθ＝２２．５°，６７．５°，１１２．５°，
１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．
５°，３３７．５°の角度をなす直線上に合計８個の有
効光源２１ａ〜２１ｈの強度の重心があることである。
この８個の分割された有効光源は、それぞれが比較的弱
い光で連続して（つながって）いても良い。（つまり、
ｘ，ｙ軸上及びｘ，ｙ軸と±４５°をなす直線上に比較
的弱い光があっても良い。） このときに、もし瞳５０Ａの中心から各有効光源の強度
の重心までの距離が、全ての有効光源に関して等しいと
すると、瞳の中心を軸として４５°の整数倍だけ回転し
ても元の有効光源形状と同じになる。このことは集積回
路の縦横のパターンと斜めのパターンの解像力が同等で
あることを示している。

【００２０】このことを分かりやすく説明したのが図４
〜図７である。図４〜図７の左側のような線幅ｄの回路
パターンＰ（ライン＆スペース）を、口径数ＮＡの投影
光学系で波長λの照明光で投影するとき、このパターン
Ｐの０次光４１と±１次回折光４２の間の瞳上での距離
ＬはＬ＝λ／（２ｄ・ＮＡ）となる。（瞳の半径を１と
した。） 図に示すように向かいあう各有効光源間の距離をＬとな
るように（瞳５０Ａの中心から各有効光源の強度の重心
までの距離をＲとすると、Ｒ＝Ｌ／（２・ｃｏｓ２２．
５°）≒０．５４Ｌとなる）、図２のタイプの有効光源
形状を選ぶ。この時に回路パターンの向きによって、ど
のように０次光４１と±１次回折光４２のペアが並ぶか
を図４〜図７は示している。

【００２１】図４、図５のように縦横のパターンの回折
光のペアが同じ条件で有効光源に入ることはもちろん、
図６、図７のようにｘ軸と±４５°をなす斜めのパター
ンに対しても回折光のペアが同じ条件で有効光源に入る
ことがわかる。即ち、これは縦横及び斜めのパターンの
いずれに関しても、同等の解像力で結像することができ
ることを示している。

【００２２】しかも有効光源として０次と±１次の３つ
の回折光を用いて結像するよりも、０次と１次回折光も
しくは０次と−１次回折光のペアを用い、しかもその各
々の回折光が瞳中心からほぼ等距離になるように結像す
る方が解像力が良くなる。この為、図２の形の有効光源
を用いると、従来の照明方法よりも解像力が良くなる。

【００２３】本実施例の有効光源２１ａ〜２１ｈは図２
では半径ｒの円形として示しているが、必ずしもその必
要はない。

【００２４】しかし、その強度の重心は前記のようにｘ
軸とほぼθ＝２２．５°，６７．５°，１１２．５°，
１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．
５°，３３７．５°の角度をなす直線上にあることが望
ましい。又瞳５０Ａの中心から各有効光源までの距離は
等しいこと（Ｒとする）が望ましい。

【００２５】本実施例において高解像度のパターン投影
には図２で示す形の有効光源において、その形状のパラ
メータＲ，ｒは以下の値を満たすのが良い。

【００２６】０．２ ≦Ｒ≦０．９ ０．０５≦ｒ≦０．４ この条件を外れると高解像力を維持しつつ焦点深度を深
くするのが難しくなってくる。

【００２７】図８は本発明の実施例２の有効光源形状８
１ａ〜８１ｈの概略図である。今、有効光源８１ａ〜８
１ｈの各領域をＳ₁ 〜Ｓ₈ とする。領域Ｓ₁ 〜Ｓ₈ の瞳
５０Ａ内について説明する。

【００２８】

【数１】 領域Ｓ₁ は図９の斜線部の領域に相当している。回路パ
ターン（ライン＆スペース）の線幅をｄ、投影光学系の
開口数をＮＡ、照明光の波長をλとすると、この回路パ
ターンの０次光と±１次回折光の間の瞳上での距離はＬ
＝λ／（２ｄ・ＮＡ）となる。

【００２９】図９には縦の回路パターンの０次光と±１
次回折光（線幅ｄに対応している。）が示してある。こ
の回折光の０次と１次又は０次と−１次のペアは回路パ
ターンに光を入射させる角度に対応して瞳５０Ａ上を動
くことになる。

【００３０】図９からわかるように領域Ｓ₁ の斜線部は
回路パターンの回折光の前記のペア（０次と１次又は０
次と−１次）のうちの、０次又は±１次のどれかひとつ
が領域Ｓ₁ 内に入っていれば、線幅ｄに対応する回折光
の前記ペアの片方の回折光が必らず瞳内に入るような領
域である。他の領域Ｓ₂ 〜Ｓ₈ も領域Ｓ₁ と同様な効果
をもつ領域である。

【００３１】従って、縦横の回路パターンに対しては有
効光源内に効率良く０次光と１次回折光又は０次光と、
−１次回折光のペアが入る領域として Ｐ₁ ＝｛Ｓ₁ ∩Ｓ₂ ｝∪｛Ｓ₂ ∩Ｓ₃ ｝∪｛Ｓ₃ ∩Ｓ₄ ｝∪｛Ｓ₄ ∩Ｓ₁ ｝ が有効なことがわかる。

【００３２】しかし領域Ｐ₁ は瞳の中心にも有効光源の
分布があるので、０次光及び±１次回折光の３つの回折
光が有効光源に入り、解像力を悪化させることも考えら
れる。従って領域Ｐ₁ から瞳５０Ａの中心の有効光源分
布を取り除いた領域 Ｐ₂ ＝Ｐ₁ −Ｐ₀ ， Ｐ₀ ：瞳の中心の領域 が解像力及び焦点深度向上には更に良い。

【００３３】同様に考えると、斜めの回路パターンの解
像力深度を向上させる為には Ｐ₃=｛Ｓ₅ ∩Ｓ₆ ｝∪｛Ｓ₆ ∩Ｓ₇ ｝∪｛Ｓ₇ ∩Ｓ₈ ｝∪｛Ｓ₈ ∩Ｓ₁ ｝- Ｐ₀ が有効である。

【００３４】又、縦横及び斜めの回路パターンの解像力
を向上させるためには、一例として領域Ｐ₂ と領域Ｐ₃
の交わりの領域Ｐ₄＝Ｐ₂ ∩Ｐ₃ をとれば良い。

【００３５】ここで回路パターンの線幅ｄ＝λ／（２・
ＮＡ）なる時、（ｉ線、ＮＡ＝０．５２でｄ＝０．３５
μｍ）に注目して、縦横及び斜めの回路パターンの解像
力及び焦点深度を向上させることを考えるとＬ＝１とし
て領域Ｓ₁〜Ｓ₈ について、Ｐ₄ ＝Ｐ₂ ∩Ｐ₃ を有効光
源とすれば良い。その領域Ｐ₄ を図示したものが図８で
ある。Ｐ₀ は半径Ｒ₀ の円とした。種々な検討によれば
領域Ｐ₀ は ０．１≦Ｒ₀ ≦０．６ なる半径の円（中心は瞳中心）であれば解像力及び焦点
深度の点から良い。

【００３６】領域Ｐ₄ は図８のように有効光源が８つの
要素から成ることを特徴としている。又、瞳の中心に対
して４５°の整数倍の角度回転させても形状は変わらな
いので、縦横と斜めの回路パターンの結像性能に差がな
いことがわかる。

【００３７】次に図１０〜図２７に本発明において投影
レンズ５０の瞳５０Ａに形成させるのに好ましい有効光
源に基づく照明光学系３０の開口絞りの大きさ及び形状
の他の実施例を示す。図中、黒く塗りつぶしている領域
が光が通過し有効光源を形成する領域を示している。

【００３８】本実施例では有効光源の形状は照明光学系
３０の絞り３０Ａの開口形状により設定する他、フライ
アイレンズの各レンズの形状を４角形又は６角形で構成
し、このうち所定のレンズを通過するようにして設定し
ても良い。

【００３９】そして前述の如く瞳面における有効光源の
形状がｘ軸に対して反時計回りに計ったときの角度θ
が、ほぼθ＝２２．５°，６７．５°，１１２．５°，
１５７．５°，２０２．５°，２４７．５°，２９２．
５°，３３７．５°の角度をなす直線上に合計８個の有
効光源の強度の重心が位置するようにしている。尚、こ
の８個の分割された有効光源は、前述の如くそれぞれが
比較的弱い光で連続して（つながって）いても良い。
（つまり、ｘ，ｙ軸上及びｘ，ｙ軸と±４５°をなす直
線上に比較的弱い光があっても良い。） 図２８は本発明において計算により得られた解像力と焦
点深度との関係を示す説明図である。図２８ではｉ線
（３６５ｎｍ）、ＮＡ＝０．５２の投影レンズで５本の
１次元ライン＆スペースのバーチャートを結像した時の
７０％コントラストにおける焦点深度とバーチャートの
線幅を示している。

【００４０】図２８において各有効光源要素の強度は同
等で形は円形である。◇印は図２の実施例１の有効光源
形状による計算結果であり、 Ｒ₀ ＝０．５ ， ｒ＝０．１ である。

【００４１】＋印は図８の実施例２の有効光源形状によ
る計算結果であり、 Ｒ₀ ＝０．３ ， Ｌ＝１ である。

【００４２】×印は従来の有効光源であり中心部分の光
強度が最も高く、周辺になるに従い低下するガウス分布
より成る場合である。

【００４３】図２８に示すように本発明によれば、例え
ば線幅が０．７μｍ以下のバーチャートに対して従来型
の有効光源形状の結果と比べて飛躍的に解像力が向上し
ていることがわかる。例えば線幅０．４５μｍにおい
て、従来型の焦点深度は１．２２μｍであるが、実施例
２のタイプでは焦点深度は１．７７μｍ（約４５％の向
上）、実施例１のタイプでは焦点深度は２．０８μｍ
（約７０％の向上）である。

【００４４】ステッパーの実用的に許容できる焦点深度
の限界を１．５μｍとすると、従来型の解像力の限界、
０．５３μｍから、実施例２のタイプでは０．４２μｍ
（約２６％の向上）に、実施例１のタイプでは０．３９
μｍ（約３６％の向上）に飛躍的に向上することがわか
る。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば前述の如く投影焼き付け
を行なう対象とするパターン形状の方向性に応じて適切
なる照明方法を適用し、高い解像力が容易に得られる像
投影方法及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法を
達成することができる。

【００４６】特に本発明によれば縦横と斜めの回路パタ
ーンの両方の回路パターンの解像力を同等に飛躍的に向
上させることができる等の特長を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の半導体デバイスの製造方法を投影露
光装置に適用したときの実施例の要部概略図

【図２】 図１の投影レンズ系５０の瞳の有効光源の実
施例１の模式図

【図３】 図１の照明光学系３０の開口絞りの正面図

【図４】 回路パターンと回折光の並び方を示す説明図

【図５】 回路パターンと回折光の並び方を示す説明図

【図６】 回路パターンと回折光の並び方を示す説明図

【図７】 回路パターンと回折光の並び方を示す説明図

【図８】 本発明に係る投影レンズ系の瞳の有効光源の
実施例２の模式図

【図９】 瞳面上の一領域の説明図

【図１０】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図１１】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図１２】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図１３】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図１４】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図１５】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図１６】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図１７】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図１８】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図１９】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図２０】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図２１】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図２２】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図２３】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図２４】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図２５】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図

【図２６】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図図

【図２７】 本発明に適用可能な有効光源の他の実施例
の説明図図

【図２８】 本発明における照明方法を用いたときの周
波数特性の説明図

【符号の説明】

Ｍ レチクル Ｗ ウエハ ２０ 光源 ３０ 照明光学系 ３０Ａ 開口絞り ５０ 投影レンズ系 ５０Ａ 開口絞り（瞳） ６０ ウエハステージ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微細パターンを照明し、該微細パターン
   で生じる回折光を投影光学系の瞳に入射させて該微細パ
   ターンの像を投影する像投影方法において、前記瞳に以
   下の条件をほぼ満たす８個の部分を備える有効光源を形
   成する光で前記微細パターンを照明することを特徴とす
   る像投影方法。 条件：前記瞳の中心を原点とし前記微細パターンの縦横
   パターンの各方向にｘ、ｙ軸を有するｘｙ座標系を定め
   た時に、前記８個の部分の各々が（ａ，ｂ）、（ｂ，
   ａ）、（−ｂ，ａ）、（−ａ，ｂ）、（−ａ，−ｂ）、
   （−ｂ，−ａ）、（ｂ，−ａ）、（ａ，−ｂ）の位置近
   傍にあり、前記８個の部分の光量が互いにほぼ等しいこ
   と。
2. 【請求項２】 回路パターンを照明し、該回路パターン
   で生じる回折光を投影光学系の瞳に入射させて該回路パ
   ターンの像をウエハー上に投影し、該ウエハーに該回路
   パターン像を転写することにより半導体デバイスを製造
   する半導体デバイスの製造方法において、前記瞳に以下
   の条件をほぼ満たす８個の部分を備える有効光源を形成
   する光で前記微細パターンを照明することを特徴とする
   半導体デバイスの製造方法。 条件：前記瞳の中心を原点とし前記微細パターンの縦横
   パターンの各方向にｘ、ｙ軸を有するｘｙ座標系を定め
   た時に、前記８個の部分の各々が（ａ，ｂ）、（ｂ，
   ａ）、（−ｂ，ａ）、（−ａ，ｂ）、（−ａ，−ｂ）、
   （−ｂ，−ａ）、（ｂ，−ａ）、（ａ，−ｂ）の位置近
   傍にあり、前記８個の部分の光量が互いにほぼ等しいこ
   と。