JPH06267822A - 微細パタン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、半導体集積回路を製造する際に用い
られる投影露光装置あるいは光リソグラフィー装置等に
おいて、微細レジストパタン等の微細パタンを解像度良
くウェハ等に投影露光することのできる微細パタン形成
方法を提供することを目的とする。 【構成】ウェハ上に投影露光するための投影光学系内に
配置される光源フィルタ（２次光源となるマスク）であ
るマスク面上の２つの方向に少なくとも２つ以上周期的
に開口部を形成し、且つ互いに隣合う開口部を通過する
光の位相差が１８０度に近い位相差となるように形成
し、このマスクを照明する光源として、このマスクパタ
ンの位相分布が周期的に変化する２つの方向に対し、そ
の各々の方向を該光源する光束と上記投影光学系の光軸
により張る面が含むように、光源の出射面光強度分布を
光軸から外れた領域にて強度大とせしめた光源を用いる
微細パタン形成方法。

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、及び光リソグラフィーで使用するためのマスクによ
る微細パタン形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光リソグラフィー技術の進歩は目
ざましく、露光光の短波長化（ｉ線（３６５ｎｍ）、Ｋ
ｒＦエキシマーレーザー（２４８ｎｍ））や投影露光装
置の高性能化、特にレンズの高ＮＡ化によってより微細
なレジストパタンをウェハ上に形成できるようになって
きた。

【０００３】しかし、微細なパタンをレジスト上に形成
するため露光光の短波長化、投影光学装置の高ＮＡ化に
よって解像度をあげると、逆に焦点深度が低下するため
実用解像度はあまり向上しない。そこで投影露光装置に
おいて２次光源強度分布、レチクル、投影光学系の瞳面
の複素透過率分布を従来のものから変化させることで、
解像度や焦点深度の向上が考えられてきている。

【０００４】解像力を向上させるものとして、特にＬＳ
Ｉにおける配線パタンのような１次元周期性をもつパタ
ン（以下Ｌ／Ｓパタンと略記）に対しては、マスクの開
口部に対して隣合う開口部を通過する露光光との位相差
がほぼ１８０度となるように形成されたマスクを用いる
ことにより、透明基板上にＬ／Ｓパタンをクロム等の遮
光性物質を用いて形成した従来のマスクに対して、解像
度が約２倍向上することが知られている。この種の公知
例としては特開昭５７−６２０５２号が挙げられる。

【０００５】一方、弧立パタン、特にコンタクトホール
のようなパタン（以下Ｃ／Ｈパタンと略記）に対して
は、従来のマスクにおける遮光部の部分に透過率を若干
もたせ且つ位相差が１８０度程度となるように形成した
マスク（以降ハーフトーンマスクと記述）を用いる方法
（特開平２−７８２１６号）や、透明基板上に透過膜
を、そこを通過する光と基板を通過する光の位相差が前
記のようにして形成されたマスク（シフタエッジマス
ク）を用いて、その位相が変わる境界線上に弧立ライン
を形成しそれを２度互いに直交する方向で露光すること
で直交するラインの交差部に暗部を形成し、ネガレジス
トを用いてコンタクトホールを形成する方法（特開平４
−１０７４５７）や、転写したいパタンに近接する位置
に、用いる投影光学系では解像しない大きさの補助パタ
ンを用いて、主パタンと補助パタンを通過する光の位相
差が１８０度程度となるようにマスクを形成したり（特
開平３−１５８５４）、光軸から偏心した位置から照明
することで位相差をつけ、解像力をます方法（特開平４
−２７３４２８）などが提案されている。

【０００６】しかし、ハーフトーンマスクを用いる方法
では、解像力は２倍という程度にまでは向上しない。シ
フタエッジマスクを用いる方法では、コンタクトホール
パタンを形成するのに２度露光する必要がある。また補
助パタンを用いる方法では、微細なパタンを転写する際
に更に微細なパタンをマスク上に形成しなければならな
いという問題がある。このように弧立パタンに対して
は、Ｌ／Ｓパタンに比べて解像力の向上効果が十分には
得られていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】１次元周期性を持つパ
タン（Ｌ／Ｓパタン）群では位相シフト法がその限界解
像力を通常の約２倍向上するのに対し、弧立パタンでは
位相シフト法と同等の効果を得るのは困難である。また
補助シフタや補助開口を用いる方法ではレチクル上での
補助シフタの開口部の形成が困難である。またシフタエ
ッジによる２度露光方法では、１つのコンタクトホール
を形成するのにレチクルを交換して２回露光する必要が
あり、実用上は困難である。以上のようにＣ／Ｈパター
ンの限界解像力をＬ／Ｓパターンと同等まで上げること
は困難であった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明ではマスクに形成されたパタンを投影光学系
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、前記マスクとしてパタンをマスク面上の２つの方向
に周期的に形成し、且つ互いに隣合うパタンを通過する
光の位相差が１８０度に近い位相差となるように形成
し、前記マスクを照明する２次光源として、前記マスク
パタンの位相分布が周期的に変化する２つの方向に対
し、その各々の方向を該光源による光束と上記投影光学
系の光軸により張る面が含むように、光源の出射面光強
度分布を光軸から外れた領域にて強度大とせしめたこと
を特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明によれば、マスクとして上記パタンを用
いることで、投影光学系の瞳上での回析光分布を離散化
し、光源として光軸から偏心した位置に中心を有する光
強度分布をもつものを用いることで、ウェハ上で２光束
干渉を起こすような回析光のみを瞳内に通過させるよう
にする。それにより上記位置から照明することで微細な
Ｌ／Ｓパタンを描く光強度分布を形成する。２次光源の
光強度分布を請求項１のように２方向とすることで、そ
れぞれの方向より照明された結果解像するＬ／Ｓパタン
の光強度分布がウェハ上で加算されることになり、Ｌ／
Ｓパタンに位相シフト法を適用して、マスクを光軸を中
心軸として９０度回転して２度露光した時と同等の高解
像度を有する微細なコンタクトホールパタン群を得るこ
とが可能となる。

【００１０】

【実施例】図１に従って本発明の第一の実施例について
説明する。本発明に用いられる投影露光装置の概略構成
は、光源１、第１集光光学系２、均一化光学系３、光源
フィルタ８、第２集光光学系４、レチクル５、投影光学
系６、ウェハ７の順に配列されている。第１集光光学系
２は楕円反射鏡及びインプットレンズに相当する部分で
あり、楕円鏡の他球面鏡、平面鏡、レンズ等を適当に配
置し、光源からでる光束をできるだけ効率よく均一化光
学系３に入れる役目をもつ。また、均一化光学系３はオ
プチカルインテグレータ（蝿の目レンズ）に相当する部
分であり、その他として光ファイバや多面体プリズム等
が使用されることもある。

【００１１】第２集光光学系４はアウトプットレンズ及
びコリメーションレンズに相当する部分であり、均一化
光学系３の出射光を重畳させ、さらに像面テレセントリ
ック性を確保する。この他、光束が光軸平行に近い場所
に収差補正がされている波長のみを透過するフィルタが
挿入され。またコールドミラーも、場所は一義的ではな
いが挿入される。

【００１２】このように構成された装置においてレチク
ル５から光が来る側を見た場合、光の性質は、第２集光
光学系４を通して均一化光学系３から出てくる光の性質
となり、均一化光学系３の出射側が見かけ上の光源に見
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３の出射側となる光源フィルタ８を２次光源と称
している。レチクル５がウェハ７上に投影される時、投
影露光パタンの形成特性、即ち解像度や焦点深度等は、
投影光学系６の開口数ＮＡ及びレチクル５を照射する光
の性情、即ち２次光源８の性情によってきまる。

【００１３】尚、レチクル５は、矢印２０の方向に、拡
大してその平面パタンを示してある。また、光源フィル
タ８も矢印２１の方向に拡大してその平面パタンを示し
た。本実施例で使用されるレチクル５は透明基板上に、
クロム等の遮光性物質よりなり露光光を透過しない遮光
部９、露光光を透過する開口部１０、開口部に透光性物
質を貼る、あるいは開口部の基板を掘り下げることによ
って形成された位相シフタ部１１を図１の様に配置した
ものである。位相シフタ部１１は開口部１０に対して、
そこを通過する光の位相差が、ほぼ１８０度となるよう
にして形成されるものとする。

【００１４】本実施例で使用される光源フィルタ８は、
遮光部１２と透光部１３よりなり、図１のように遮光部
を光軸２２にたいして４回対称な形状とする。上記レチ
クル及び光源フィルタを図２のような配置でそれぞれ図
１に示す所定の位置に設置する。図３に本発明の第１の
実施例により上記マスクを上記光源で露光した時のウェ
ハ上での光強度分布３０を示す。計算に用いたパラメー
タは以下の通りである。なお寸法はλ／ＮＡ（露光波長
λ、開口数ＮＡ）で規格化してある。

【００１５】

【数１】 Ｃ／Ｈパタンサイズ ｄ＝０．３０２ Ｃ／Ｈパタンのピッチ Ｄ＝２ｄ 光源フィルタの開口部中心の光軸からの距離 Ｌ＝１／２Ｄ 光源フィルタの開口部の半径 σ₀ ＝０．２ （λ＝２４８ｎｍ，ＮＡ＝０．５でｄ＝０．１５μｍに相当） 以下に本発明によって解像力が向上する原理を説明す
る。図１に示すようなパタンで形成されたレチクル５を
照明光学系の光軸上から点光源１４にて照明した場合
（コヒーレント照明に相当）の、投影光学系の瞳面での
回析光分布は図４のようになる。これはレチクル上のパ
タンを２次元フーリエ変換した結果得られる分布に他な
らない。ここではパタンが周期性を保って無限に広がっ
ていると仮定しているため、その回析光分布は離散的に
分布する。このことはパタン群の大きさが十分であれば
近似として十分成立する。またこの図においては回析光
の高次成分は省略してあり、全てを描いてはいない。こ
れらの回析光成分の内、図４に示された瞳１５の内側を
通過する成分のみが結像に関与する。

【００１６】いま図１においてＤ＝２ｄとした場合、パ
タンサイズｄが小さくなるに従い瞳面での回析光分布の
間隔１／Ｄ＝１／２ｄがひろがる。十分にパタンサイズ
が小さい場合、瞳内を通過して結像に寄与する回析光は
１次回析光のみとなる。ウェハ上でこの４本の回析光に
よる４光束干渉が起き、Ｃ／Ｈパタン群を形成する様な
光強度分布が得られる。

【００１７】上記レチクルに対して、図５の位置１６で
示したように光軸より偏心した方向より点光源にて照明
した場合、瞳面上での回析光の分布は同図のようにな
る。この結果パタンサイズの小さいものに対しては、入
射光と光軸によりはられる面（入射面）に垂直なパタン
のみが結像するようになる。これはＬ／Ｓパタンに対し
て互いに隣接する開口部を通過する光の位相差が１８０
度となるように透明膜を開口部に周期的に配置した位相
シフトマスクによる回析光分布と同じであり、この偏心
位置より入射することによって、ウェハ上で２光束干渉
がおき、Ｌ／Ｓパタンを形成する様な光強度分布が得ら
れる。

【００１８】上記偏心位置を図１に示すような光源フィ
ルタ８を用いて光軸２２に対して４回対称に配置するこ
とで、互いに直角な方向にＬ／Ｓパタンを２度露光した
結果得られる光強度と同じ効果が得られる。本実施例に
よって、従来２度露光してのみ得られたパタンを１度の
露光で得られることになる。即ち、２次光源の形成とし
て、均一光学系３と第２集光光学系４との間に上記形状
の開口部を有する光源フィルタ８を挿入すればよい。

【００１９】光源の偏心位置について説明する。上記位
相シフトマスクを光軸上の点光源より照明した場合、投
影光学系の瞳面での回析光の位置はパタンサイズ及びピ
ッチに依存する。ピッチを１：１とするとパタンサイズ
ｄに対し、瞳上で図４に示された位置に回析光が分布す
る。照明光源を図５のように光軸よりＬ＝１／２Ｄ偏心
した位置におくことで図５のように瞳５内を通過する光
束は２本となり、よってウェハ面上で２光束干渉を実現
する。これによってＬ／Ｓパタンに位相シフトマスクを
適用したのと同程度の解像力を有する。

【００２０】図１のように４回対称な形状の光源フィル
タを用いて４本の光軸より偏心した光束によって照明す
ることで解像限界近くのＬ／Ｓパタンの位相シフトマス
クを２度露光したものと同様の光強度分布が得られる。
よってマスクを換えて２度露光する必要がなく、高解像
度で露光することが可能となる。

【００２１】図６に従って本発明の第２の実施例につい
て説明する。図６（ａ）は本発明の第２の実施例に用い
るレチクル５のパタンであり、図２はこのレチクルパタ
ンとともに用いる光源フィルタ８であり、各々図１で示
される装置と同様の位置に設置される。このレチクルを
図７のように光軸上の点光源１７より照明した結果、瞳
面上で得られる回析光分布は図７のようになる。そこで
この場合においては、図６（ｂ）のようにＬ’＝１／
２Ｄである光源形状をもった光源で図８の配置照明する
ことで、実施例１と同等の回析光分布が瞳面上で得ら
れ、解像力が同様に向上する。この場合、この光源フィ
ルタによって形成される光束は、図６（ａ）のｘｙ方向
に描かれた、位相シフト法を用いない通常のＬ／Ｓパタ
ンに対しても解像力向上結果が得られる。よってこの配
置の光源フィルタでは、Ｌ／ＳパタンとＣ／Ｈパタンの
双方のパタンに対して使用できるため、光源フィルタの
交換が不要であるので、スループットが格段に良くなる
と考えられる。

【００２２】なお上記の位相シフトマスクを光軸を中心
とした十分小さな範囲を光源として露光が可能であれば
良好な結果が得られる。光源の大きさを考えると、解像
限界付近の寸法で描かれたパタンに対しては、図９
（ａ）の斜線部でかかれた部分の回析光のみが結像に寄
与しそれ以外の部分はパタン形成に悪影響をもたらすも
のである。一方本発明による回析光は図９（ｂ）のよう
になり、その結像に関与する部分は図９（ａ）の部分に
比べてその割合が大きい。よってよけいな回析光成分が
入らず解像性がよいと考えられる。

【００２３】なお実施例において、図１、図６のＤで表
されるピッチは必ずしもパタンサイズｄの２倍である必
要はなく、その周期性が完全である必要もなく、一部パ
タンが欠けても構わない。更にいえば、Ｄ＝ｄ、即ち遮
光部の存在しないレチクルであってもなんら差し支える
ところではない。またレチクルにおいて位相をシフトさ
せる方法は実施例に掲げた方法以外であってもかまわな
い。

【００２４】また光源フィルタの形状も、その偏心した
領域に存在する開口の形状は必ずしも円形である必要は
なく矩形、三角形、扇形その他の形状であっても差し支
えない。また光源フィルタは必ずしも光強度分布を２値
化する必要はなく、連続的に強度分布が変化するもので
あっても構わない。またフィルタである必要もなく、例
えば光ファイバ束によって光源分布を形成してもさしつ
かえない。

【００２５】更に本実施例に瞳面の複素透過率分布に変
調をかけたり、像面側の焦点面位置を変えて多重露光を
することを加えても、本発明にはなんら差し支えるとこ
ろではない。

【００２６】本発明の望ましい実施形態としては、次の
項目が挙げられる。（１）マスクパタンとして２次元周
期性をもったものを用いること。（２）マスクとしては
位相シフトマスクを用いること。（３）有効光源強度分
布を形成する特殊絞りは、転写するマスクのパタン寸
法、ピッチに対応して任意に光強度分布を変化できるこ
と。等がある。

【００２７】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、マ
スクとして、ホールパタンを一定の間隔で２次元方向に
周期的に形成し、且つ互いに近接するパタンを通過する
光の位相差が１８０度近くであるように形成し、前記マ
スクを照明する２次光源として、前記マスクパタンの位
相分布が周期的に変化する２つの方向に対し、その各々
の方向を該光源による光束と上記投影光学系の光軸によ
りはる面が含むように、光源の出射面光強度分布を光軸
から外れた領域にて強度大とせしめた光源とを用いるこ
とで、Ｌ／Ｓパタンに位相シフトマスクを適用したとき
と同等の解像力を有したコンタクトホールパタン群を転
写することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一の実施例に用いる装置を示し、
かつレチクル及び光源フィルタの拡大パタン面を示す構
成図。

【図２】 本発明の第一の実施例におけるレチクルパタ
ンと光源フィルタの位置関係を示す図。

【図３】 本発明の第一の実施例により得られるウェハ
上での光強度分布図。

【図４】 本発明の第一の実施例における、光軸方向よ
り照明した時の瞳面上の回析光分布図。

【図５】 本発明の第一の実施例における、光軸より偏
心した位置より照明した時の瞳面上の回析光分布図。

【図６】 本発明の第二の実施例に用いるレチクル及び
光源フィルタのパタン図。

【図７】 本発明第二の実施例における、光軸方向より
照明した時の瞳面上の回析光分布図。

【図８】 本発明の第二の実施例におけるレチクルパタ
ンと光源フィルタの位置関係を示す図。

【図９】 ４光束干渉と２光束干渉を説明するための
図。

【符号の説明】

１…光源 ２…第１集光光学系 ３…均一化光学系 ４…第２集光光学系 ５…レチクル ６…投影光学系 ７…ウェハ ８…２次光源装置（光源フィルタ）（マスク） ９…レチクルの遮光部 １０…レチクルの開口部 １１…レチクルの位相シフタ部 １２…光源フィルタの遮光部 １３…光源フィルタの開口部 １４…図１（ａ）で示されたレチクルを光軸上より照明
する点光源の位置 １５…投影光学系の瞳面上で開口数ＮＡより内側の領域 １６…図１（ａ）で示されたレチクルを光軸より偏心し
て照明する点光源の位置 １７…図２（ａ）で示されたレチクルを光軸上より照明
する点光源の位置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスクに形成されたパタンを投影光学系を
   介してウェハ上に投影露光する微細パタン形成方法にお
   いて、前記マスクとして開口部をマスク面上の２つの方
   向に少なくとも２つ以上周期的に形成し、且つ互いに隣
   合う開口部を通過する光に位相差が１８０度に近い位相
   差となるように形成し、前記マスクを照明する光源とし
   て、前記マスクパタンの位相分布が周期的に変化する２
   つの方向に対し、その各々の方向を該光源による光束と
   上記投影光学系の光軸により張る面が含むように、光源
   の出射面光強度分布を光軸から外れた領域にて強度大と
   せしめた光源を用いることを特徴とする微細パタン形成
   方法。