JPH0684761A - 露光装置および露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、光リソグラフィーにおける露光装
置の解像力を向上するため、露光光の短波長化を推進す
ると、光学系に使用できるレンズ材料の種類が限られ、
複雑な光学系の設計やレンズの高ＮＡ化が困難となる問
題を解決することを目的とする。 【構成】 本発明の装置は、所望のマスクパターンを投
影光学系を介してウェハー上のレジスト膜に転写する時
に、波長変換フィルタ材料などを用いて、マスクパター
ンに照射する時の波長よりレジスト膜に入射する時点の
露光光の波長の方を短い波長となるように構成してなる
露光装置である。また、本発明の方法は、所望のマスク
パターンを投影光学系を介してウェハー上のレジスト膜
に転写する時の露光光の波長をマスクパターンに照射す
る時の波長より短い波長でレジスト膜に入射するように
した露光方法である。 【効果】 本発明によれば、マスク照射時の露光光の波
長に比べ、レジスト膜入射時の露光光の波長を実行的に
短くできるので、露光光の短波長化に伴う装置製造上の
困難さを軽減できる。

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
において用いられる露光装置に係わり、特に短波長の露
光光で微細なレジストパターンを形成するための露光装
置および露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路は、高集積化、微細化の
一途を辿っている。その半導体集積回路の製造に際し、
光リソグラフィー技術は加工の要として特に重要であ
る。

【０００３】近年、光リソグラフィー技術の進歩は目覚
ましく、ｇ線（４３６ｎｍ）やｉ線（３６５ｎｍ）の投
影露光装置を用いることにより、０．５μｍルールも実
現できる可能性が出てきた。これは主として、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
と、レジスト材料の進歩による。投影露光方式における
解像力は、便宜的に Ｒ＝ｋ×λ／ＮＡ によって与えられる。ここでＲは解像力、ｋはレジスト
材料自身やプロセスの制御性によって決まる定数、λは
露光光の波長、ＮＡはレンズの開口数である。この式か
ら明らかなように高解像力化を図る上では、ｋの値は小
さく、またレンズの開口数ＮＡは大きくすることが望ま
しい。さらには露光光の短波長化も高解像力化という点
で、きわめて有効であることが分かる。実際、上述した
半導体集積回路の微細化に伴い、光リソグラフィー技術
において用いられる露光光は従来のｇ線やｉ線から、よ
り短波長のＫｒＦエキシマレーザ光（２４８ｎｍ）に移
り変わってきている。

【０００４】しかしながら、このような露光光の短波長
化には次のような障害があり、未だ十分にそのメリット
が生かされていないのが実情である。すなわちより短波
長な露光光ほど、レンズに対する光透過性が低くなるた
め、光学系に用いることができるレンズ材料の種類が限
られてくるという問題である。このような制約のため
に、現状ＫｒＦエキシマレーザ光を露光光とする投影露
光装置においても、高度で複雑な光学系の設計やレンズ
の高ＮＡ化がきわめて困難な状況にある。さらにより短
波長な露光光、例えば２００ｎｍ以下の真空紫外領域の
光を用いようとすれば、この問題はいっそう深刻とな
る。

【０００５】ところで、露光装置の改良以外の高解像力
化の手段としては、マスク自身の構造を工夫するいわゆ
る位相シフト法（Ｍ．Ｄ．Ｌｅｖｅｎｓｏｎ， Ｊａｐ
ａｎｅｓｅ Ｐａｔｅｎｔ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ（Ｋ
ｏｋａｉ）Ｎｏ．５８−１７３７４４）が挙げられる。
この方法は、マスク上に光透過部と遮光部の位相が互い
に反転するような部分（位相シフタ）を設けるもので、
このようなマスクを用いて露光を行なうと、遮光部下の
光強度が大幅に低下し、実効的な露光光のコントラスト
が向上する。しかしながらこの位相シフト法の場合に
も、露光光の短波長化とともに位相シフタとして用いる
ことができる材料が限られてくるという状況は、上述し
た露光装置の場合と同様である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように光リソグラ
フィーにおける露光装置の解像力を向上させるために、
露光光の短波長化を押し進めようとすると、光学系に用
いることができるレンズ材料の種類が限られてしまうた
め、複雑な光学系の設計やレンズの高ＮＡ化がきわめて
困難となるという問題があった。また露光装置以外の高
解像力化の手段として期待される位相シフト法において
も、露光光の短波長化とともに、位相シフタとして用い
ることができる材料が限られてくるという問題があっ
た。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の露光装置においては、所望のマスクパター
ンを投影光学系を介してウェハー上のレジスト膜に転写
する投影露光装置において、前記レジスト膜に入射する
時点の露光光の波長を、前記マスクパターンを照射する
時の波長よりも短くするようにしている。この一手段と
して、前記投影光学系の一部もしくはこれと前記レジス
ト膜の間のいずれかの箇所に、非線形光学材料からなる
波長変換フィルタを介在させるようにしている。特に、
前記非線形光学材料からなる波長変換フィルタを、前記
投影光学系の瞳の位置に設けるようにしている。

【０００８】また一方、本発明の露光方法においては、
所望のマスクパターンを投影光学系を介してウェハー上
のレジスト膜に転写する投影露光方法において、前記レ
ジスト膜に入射する時点の露光光の波長を、前記マスク
パターンを照射する時の波長よりも短くするようにして
いる。この一手段として、前記レジスト膜の上に、非線
形光学材料からなる膜を設けるようにしている。

【０００９】

【作用】本発明の露光装置においては、所望のマスクパ
ターンを投影光学系を介してウェハー上のレジスト膜に
転写する投影露光装置において、前記レジスト膜に入射
する時点の露光光の波長を、前記マスクパターンを照射
する時の波長よりも短くするようにしているため、短波
長の光でレジスト膜を露光する場合にも、投影光学系の
方では種々の屈折率を持つレンズ材料が使える。すなわ
ち、上の課題のところで述べた露光光の短波長化に伴な
うレンズ材料の制約という問題が解消され、結果として
短波長化による高解像力化と複雑な光学系の設計やレン
ズの高ＮＡ化とを同時に実現することが可能となる。

【００１０】この一手段として、前記投影光学系の一部
もしくはこれと前記レジスト膜の間のいずれかの箇所
に、非線形光学材料からなる波長変換フィルタを介在さ
せることにより、前記レジスト膜に入射する時点の露光
光の波長を、前記マスクパターンを照射する時の半分も
しくはそれ以下に短くすることができる。

【００１１】特に、前記非線形光学材料からなる波長変
換フィルタを、前記投影光学系の瞳の位置に設けるよう
にすれば、露光光が波長変換フィルタを透過する前後に
おいて、露光光の光軸に対するずれを最小限に抑えるこ
とができる。

【００１２】一方、本発明の露光方法においては、所望
のマスクパターンを投影光学系を介してウェハー上のレ
ジスト膜に転写する投影露光方法において、前記レジス
ト膜に入射する時点の露光光の波長を、前記マスクパタ
ーンを照射する時の波長よりも短くする一つの手段とし
て、前記レジスト膜の上に、非線形光学材料からなる膜
を設けるようにしているため、短波長の光でレジスト膜
を露光する場合にも、投影光学系の方には全く負担がか
からない。すなわち、従来の露光装置を用いつつ、レジ
スト膜に入射する時点の露光光の波長を実効的に短くす
るでき、結果としてよりいっそうの高解像力化が実現で
きる。

【００１３】さらに本発明の露光装置および露光方法
は、いずれも露光装置以外の高解像力化の手段として期
待される位相シフト法と併用することが可能である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の露光装置および露光方法につ
いて、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１５】実施例１ 図１は、本発明の１実施例の露光装置の構成を示す図、
図２は、従来の露光装置の構成を示す図である。

【００１６】通常の屈折方式による投影露光装置におい
ては、図２に示すごとく、光源１から発せられた露光光
２（波長λ１）は、まず蠅の目レンズ３で均一化され、
コンデンサレンズ４を介してマスク５を照明する。そし
てマスク５を透過した露光光２は、瞳の位置に設けられ
た絞り７を通った後、さらに投影レンズ８によりウェハ
９上のレジスト膜１０上に結像する。この時レジスト膜
１０上に結像する露光光２の波長はλ１で、マスク５を
照明した時の波長と同じである。

【００１７】これに対して本発明の露光装置において
は、図１に示すごとく、投影光学系の瞳の位置に、絞り
役目を兼ねた非線形光学材料からなる波長変換フィルタ
６を設けているため、この波長変換フィルタ６を透過し
た後の露光光２の波長（λ２）は、透過する前（λ１）
に比べて短波長化される。したがって、実際に投影レン
ズ８を経由してレジスト膜１０上に結像する露光光２は
この波長λ２の光となる。ここで波長変換フィルタ６透
過前後において、どの程度短波長化されるかは、使用す
る非線形光学材料の種類に依存する。例えば２次の非線
形光学効果を持つ材料を用いた場合には、波長変換フィ
ルタ６を透過した後の露光光２の波長（λ２）は、透過
する前（λ１）の２分の１となる。しかもこの場合、波
長変換フィルタ６を投影光学系の瞳の位置に設けている
ため、波長変換フィルタ６を透過する前後において、露
光光２の光軸に対するずれを最小限に抑えることができ
る。

【００１８】図３は、本発明の効果を調べるために、従
来の露光装置の場合（ａ）と本発明の露光装置の場合
（ｂ）の各々について、マスク透過直後およびレジスト
膜入射時における露光光の光強度分布をシミュレーショ
ンで計算した結果を示す図である。ここでマスクパター
ンは、１：１のラインアンドスペースパターン、および
投影レンズのＮＡは０．５を想定し、また波長変換フィ
ルタ透過前後の露光光の波長は２分の１になるとしてい
る。従来の露光装置の場合（ａ）には、マスク上とレジ
スト膜上のラインとスペースの間隔すなわちパターンピ
ッチが等しいのに対して、本発明の露光装置の場合
（ｂ）では、レジスト膜上でのパターンピッチがマスク
上の半分となり、大幅に解像力が向上することが明らか
となった。

【００１９】一方、露光光源にＮｄ：ＹＡＧレーザの第
２高調波（波長５３２ｎｍ）、波長変換フィルタにβ−
ＢａＢ₂ Ｏ₄ からなる光透過性基板およびレジスト材料
にＫｒＦエキシマレーザ用のポジ型化学増幅レジスト用
いて、実際にパターニング実験を行なったところ、０．
２５μｍのラインアンドスペースパターンが寸法精度良
く形成できた。なおここで用いたポジ型化学増幅レジス
トは、短波長化する前の露光光（波長５３２ｎｍ）に対
しては全く感光せず、波長変換フィルタを透過した後の
露光光（波長２６６ｎｍ）に対してのみ感光性を示すも
のである。

【００２０】さらにマスクとして、レベンソン型の位相
シフトマスクを用いて、同様のパターニング実験を行な
ったところ、０．２μｍのラインアンドスペースパター
ンまで解像が可能であった。

【００２１】また露光光源としては、ここで用いたＮ
ｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波以外にも、各種色素レ
ーザ、例えばクマリン（５４６ｎｍ）、４，４´−ジフ
ェニルスチルベン（４１５ｎｍ）や種々のエキシマレー
ザ、例えばＸｅＦ（波長３５０ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長
３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦ（波
長１９３ｎｍ）等を用いることができる。ただしこの場
合、レジスト材料の選択は言うに及ばず、露光光を効率
良く短波長化するための波長変換フィルタ材料として、
各々の露光光源に適した非線形光学材料を選択すること
が望ましい。

【００２２】また本実施例においては、屈折方式の投影
光学系に本発明を適用した場合について述べたが、単に
これに限るものではなく、本発明は反射方式の投影光学
系に対しても適用可能である。反射方式は、露光光の波
長の違いによる屈折率の変化すなわち色収差が問題とな
らないために、短波長の露光光に対しては屈折方式より
も有利と見られているが、本発明を適用することによ
り、反射光学系に用いる材料のバリエーションが広が
る。すなわち光学系の設計や製作にかかる負担が軽減さ
れるという点においては、屈折方式の場合と同様の効果
が得られる。

【００２３】実施例２ 次に本発明の第２の実施例について説明する。図４は、
本発明の第２の実施例の露光装置の構成を示す図であ
る。本実施例においては、前記実施例１の場合と異な
り、非線形光学材料からなる波長変換フィルタ６を投影
レンズ８とレジスト膜１０の間に介在させるようにして
いる。これにより投影光学系に用いるレンズ等は、全て
波長を変換する以前すなわち短波長化する前の露光光に
合わせた材料で製作することができる。したがって光学
系の設計や製作にかかる負担が前記実施例１の時以上に
軽減される。

【００２４】なお本実施例についても、その効果をシミ
ュレーションによる計算で調べたところ、前記実施例１
の時と同様、従来の露光装置に比べて大幅に解像力が向
上することが確認された。このように本実施例において
は、光学系の設計等にかかる負担がいっそう軽減される
という点ではきわめて有効であるが、短波長化した後の
露光光の波長が真空紫外領域になってしまう場合には、
例えば波長変換フィルタとレジスト膜の間の光路を真空
にするあるいは光吸収の少ない気体で充満しておく等の
工夫をして、吸収による露光エネルギーのロスを極力減
らしてやることが望ましい。

【００２５】実施例３ 次に本発明の第３の実施例について説明する。図５は、
本発明の第３の実施例の露光方法を示す図である。本実
施例においては、ウェハー９上に形成されたレジスト膜
１０上に非線形光学材料からなる膜１１を設けており、
この膜によって露光光２の短波長化を行なわせるように
している。したがって前記実施例１および前記実施例２
の露光装置の場合のように、投影光学系の中に新たに波
長変換フィルタを組み込む必要はない。すなわちレーザ
光を光源とする従来の露光装置をそのまま使うことがで
きる。

【００２６】本実施例の効果をシミュレーションによる
計算で調べたところ、前記実施例１および前記実施例２
の露光装置の場合と同様、従来の露光方法に比べて大幅
に解像力が向上することが確認された。

【００２７】なお非線形光学材料からなる膜をレジスト
膜上に形成する手段としては、溶液からのキャスト法や
スピンコート法あるいはスパッタ法等を用いることがで
きる。またこの非線形光学材料からなる膜として、ＬＢ
膜を用いた場合には、きわめて厚みのそろった光学的に
も均質な膜を形成することができる。この場合の非線形
光学材料としては、例えば尿素やｐ−ニトロアニリン等
の有機非線形光学材料を用いることができるが、これら
をポリエチレンオキサイド等比較的光透過性の高い高分
子とブレンドすることにより、薄膜としてレジスト膜上
に形成することが容易となる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述してきたように本発明によれ
ば、マスク照射時の露光光の波長に比べて、レジスト膜
入射時の露光光の波長を実効的に短くできるため、露光
光の短波長化に伴う装置製作上の困難さが軽減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例の露光装置の構成を示
す図。

【図２】 従来の露光装置の構成を示す図。

【図３】 本発明の効果をシミュレーション計算で調べ
た結果を示す図。

【図４】 本発明の第２の実施例の露光装置の構成を示
す図。

【図５】 本発明の第３の実施例の露光方法を示す図。

【符号の説明】

１…光源、２…露光光、３…蠅の目レンズ、４…コンデ
ンサレンズ、５…マスク、６…波長変換フィルタ、７…
絞り、８…投影レンズ、９…ウェハー、１０…レジスト
膜、１１…非線形光学材料からなる膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所望のマスクパターンを投影光学系を介
   してウェハー上のレジスト膜に転写する投影露光装置に
   おいて、前記レジスト膜に入射する時点の露光光の波長
   を、前記マスクパターンを照射する時の波長よりも短く
   する機能を備えていることを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】 所望のマスクパターンを投影光学系を介
   してウェハー上のレジスト膜に転写する投影露光方法に
   おいて、前記レジスト膜に入射する時点の露光光の波長
   を、前記マスクパターンを照射する時の波長よりも短く
   することを特徴とする露光方法。