JPH07115059A

JPH07115059A - 縮小投影露光装置において用いられる空間フィルタ

Info

Publication number: JPH07115059A
Application number: JP6201785A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sugihara; 孝志杉原; Takashi Fukushima; 隆史福島; Toshikimi Takagi; 悛公高木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1994-08-26
Publication date: 1995-05-02
Anticipated expiration: 2016-02-13
Also published as: JP3133618B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光の波長の短縮化やレンズシステムの改善を
必要とすることなく、種々の寸法や方向性を含むマスク
パターンに関して投影露光装置の解像度と焦点深度を低
コストで改善し得る空間フィルタを提供する。【構成】縮小投影露光装置において用いられる空間フ
ィルタは、所定の値以下の透過率で光を通過させる中央
領域と、その中央領域を包囲しかつ実質的に透明な周辺
領域（３）と、中央領域を通過した光と周辺領域を通過
した光との間で実質的に１８０°の位相差を生じさせる
手段（Ｇ１，Ｇ２）とを含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置，液晶装
置，誘電体装置，強誘電体装置，磁性体装置，超電導体
装置などの製造に用いられる縮小投影露光装置に関し、
特に、その縮小投影露光装置において解像度と焦点深度
を改善するために用いられる空間フィルタに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体装置の集積度の上昇に伴っ
て、より微細なパターンによって構成される回路の実現
が求められ、フォトリソグラフィ技術のより一層の改善
が望まれている。そして、フォトリソグラフィにおいて
用いられる光ステッパと呼ばれる縮小投影露光装置にお
いて、限界解像度Ｒと焦点深度ＤＯＦの改善が試みられ
てきた。今まで、投影露光装置の限界解像度Ｒを改善す
るために、より短い波長の光を用いることが試みられ、
それに伴って光学レンズシステムやフォトレジストなど
に関する関連技術の改良が試みられてきた。波長の短い
光として、高圧水銀ランプの輝線であるｇ線（波長：４
３６ｎｍ）やｉ線（波長：３６５ｎｍ）、さらにはＫｒ
Ｆエキシマレーザに含まれるディープＵＶ領域（波長：
２４８ｎｍ）を用いることが試みられている。

【０００３】しかし、特に半導体装置における集積度の
急速な上昇に伴って、回路に含まれるライン幅は０．３
μｍ以下、さらには光の波長と同等またはそれ以下の値
にすることが望まれている。

【０００４】ここで、投影露光装置の限界解像度Ｒと焦
点深度ＤＯＦは、一般に次のレーリーの式（１）と
（２）によって求められる。

【０００５】Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡ …（１）ＤＯＦ＝ｋ₂・λ／（ＮＡ）² …（２）ここで、ｋ₁とｋ₂はプロセスに依存して決定される定
数であり、λは光の波長であり、そしてＮＡは光学系の
開口数を表わしている。

【０００６】したがって、式（１）から、光の波長を変
えることなく限界解像度Ｒを改善するためには、光学シ
ステムの開口数ＮＡを増大させればよいことがわかる。
しかし、式（２）からわかるように、開口数ＮＡを増大
させれば、フォトリソグラフィにおけるもう１つの重要
な特性である焦点深度ＤＯＦが低下する。すなわち、限
界解像度Ｒと焦点深度ＤＯＦとの好ましい組合せを得る
ためには、開口数ＮＡを最適化することが必要である。

【０００７】ところで、開口数ＮＡを増大させることは
製作技術的な困難性を伴い、現在一般的に得られる最大
の開口数ＮＡは約０．６である。また、一般的に用いら
れている石英タイプのレンズ材料においては、短波長の
光に関して色収差の補正が困難となり、さらにレンズ材
料による光吸収も増大して、その光吸収に起因する発熱
によるレンズの歪みも問題になる。

【０００８】そこで近年において、光の波長λの短縮化
や光学システムにおける開口数ＮＡの増大を必要とする
ことなく解像度や焦点深度の改善を図る幾つかの試みが
提案されている。

【０００９】図１２は、特開昭５７−６２０５２におい
て開示されたフォトマスクを概略的に示している。この
フォトマスク１Ａは複数の透明部分１ａと遮光パターン
２を含んでいる。複数の透明部分１ａは、一定のピッチ
で配列された互いに平行な複数のラインに対応してい
る。そして、１つ置きの透明部分１ａには、位相シフタ
として働くλ／２板３ａが設けられている。投影露光装
置においてこのようなフォトマスクとコヒーレントな照
明光を用いる場合、位相シフタ３ａを通過した光におい
ては、隣の透明部分１ａを通過した光と比べて、図１２
中の実線の曲線で示されているように振幅分布の位相が
反転されている。したがって、光の干渉作用によって、
結像面上には図１２中の破線の曲線で示されているよう
な光強度分布が得られる。すなわち、投影された１つの
ラインに関する光強度分布の幅は振幅分布の幅より狭く
なり、投影像の解像度が改善されることになる。

【００１０】図１３は、特開昭６２−６７５４７に開示
されたフォトマスクの断面を示している。このフォトマ
スク１Ｂは、透明基板１上に形成された遮光パターン２
を含んでいる。遮光パターン２は、解像限界に近い幅を
有する孤立したライン状の開口５ａを含んでいる。遮光
パターン２はまた、一定のピッチで配列された複数のラ
イン状の開口７をも含んでいる。このようなマスクを投
影露光装置において用いる場合、孤立した開口５ａを通
過した光の結像面上における強度は、グループ化された
開口７の１つを通過した光の強度に比べて低くなる傾向
にある。したがって、たとえば、孤立した開口５ａを通
過した光によって半導体ウエハ上のレジスト中に十分な
光化学反応を生じさせるためには、照射光の強度（ドー
ズ量）を増大させることが望まれる。しかし、照射光の
ドーズ量を増大させれば、グループ化された開口７の各
々を通過した光の強度が増大するとともにその強度分布
の幅も大きくなる。したがって、グループ化された開口
７の各々を通過する光の強度の不所望な増大を防止する
ために、開口７の各々内に解像限界以下の寸法を有する
複数の遮光ドット６ａが設けられている。また、グルー
プ化された開口７の各々を通過した光の強度分布の広が
りを防止するために、図１２のフォトマスクと同様に、
１つ置きの開口７に位相シフト層８が設けられている。

【００１１】図１４は、特開平４−１０１１４８に開示
された縮小投影露光装置を示している。この露光装置
は、空間フィルタ９と、コンデンサレンズ１０と、遮光
パターン１２を有するフォトマスク１１と、投影光学系
１３の瞳面に配置されたもう１つの空間フィルタ１５
と、結像面上に配置された半導体ウエハ１７を含んでい
る。このような露光装置において、図１５（Ｂ）に示さ
れているようにフォトマスク１１が一定のピッチで配列
された複数の平行なラインを含む遮光パターン１２を有
しているとき、そのパターン１２のフーリエ変換面上に
空間フィルタ９が配置される。その空間フィルタ９は、
図１５（Ａ）に示されているように、図１５（Ｂ）に示
された遮光パターン１２のフーリエ変換パターンに相当
する２つの開口９ａと９ｂを含んでいる。照明光Ｌ_iの
うちで２つの開口９ａと９ｂをそれぞれ通過した照明光
線束Ｌ_ilとＬ_irは、遮光パターン１２によって回折され
る。実線で示された光ビームＬ_l0とＬ_r0は、それぞれ照
明光線束Ｌ_ilとＬ_irの０次回折ビームを表わし、破線で
示された光ビームＬ_l1とＬ_r1は、それぞれ照明光線束Ｌ
_ilとＬ_irの１次回折ビームを表わしている。投影光学系
の瞳面１４上に配置された空間フィルタ１５は、図１５
（Ｃ）に示されているように、０次回折ビームＬ _l0とＬ
_r0および一次回折ビームＬ_l1とＬ_r1のみを通過させるた
めの１対の開口１５ａと１５ｂを含んでいる。しかし、
投影光学系中の空間フィルタ１５は、必ずしも必要なも
のではない。図１４のような投影露光装置において、フ
ォトマスク上の遮光パターンと空間フィルタの開口パタ
ーンとの間にフーリエ変換の関係が存在する場合に、解
像度と焦点深度の改善が得られる。

【００１２】前述のように、光の波長を短縮化すること
は解像度の改善に効果的である。しかし、波長の短縮化
に伴って、波長帯域の狭い光源や収差の少ないレンズシ
ステムが必要となり、短波長の光に適したフォトレジス
トの開発も必要となる。そして現在は、より短い波長の
光を射出し得る光源や高性能のレンズシステムの開発は
限界に近づきつつある。また、新たな光源、レンズシス
テム、フォトレジストなどの開発は、フォトリソグラフ
ィのコストの増大を招く。

【００１３】他方、フォトマスクの改善または投影露光
装置内への空間フィルタの設置によって解像度や焦点深
度の改善を図る方法は、既存の光源、レンズシステム、
フォトレジストなどを用いることができ、フォトリソグ
ラフィのコスト増大を最小限にとどめることができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１２に示
されているような先行技術によるフォトマスクにおいて
は、解像度と焦点深度の改善は規則的な繰返しパターン
に関してのみ得られる。また、位相シフタ３ａの位相反
転作用によって、実際にはマスクパターンに存在しない
パターンが結像面上に形成される場合もある。さらに、
複雑な回路パターンをレイアウトする設計においては、
多数の位相シフタを適切に配置する必要があり、その設
計がさらに複雑になるばかりか、回路構造によっては位
相シフタのレイアウトにおける矛盾を避けることができ
ない場合も生じ得る。さらにまた、マスクの作製におい
て位相シフタを遮光パターンの上側または下側のいずれ
に形成する場合でも、従来のマスクの製造工程にはない
位相シフタのための高精度の付加的な重ね合わせステッ
プを必要とする。さらにまた、フォトマスクの欠陥の検
査や修正に関しても、従来の遮光膜であるＣｒ膜と全く
異なる透明膜からなる位相シフタの検査や修正をも行な
わなければならず、そのような透明な位相シフタの検査
や修正のための実用的な方法が得られていないのが現状
である。

【００１５】図１３に示されているような先行技術のフ
ォトマスクにおいては、孤立している微小な開口５ａの
解像度の改善が試みられているが、図１２のフォトマス
クと同様に位相シフタ８を含んでいるので、図１２のフ
ォトマスクと同様な問題を有している。さらに、微細な
遮光ドット６ａの安定した形成が困難であり、遮光ドッ
ト６ａが大きくなればそのパターンが結像面上に形成さ
れるという問題もある。

【００１６】図１４に示された先行技術は、位相シフタ
を含まない従来の通常マスクを用いて投影露光装置の照
明系内へ空間フィルタを配置するだけで解像度と焦点深
度の改善を図ることができるが、その改善はパターンの
レイアウトの方向に依存し、限定されたレイアウト方向
に関してのみ改善が得られる。また、最適化された所定
の線幅より太い線幅の範囲においては、焦点深度（ＤＯ
Ｆ）特性は通常の照明によって得られるものより大幅に
低下する。さらに、同一の線幅を有する複数のラインに
関しても、ＤＯＦ特性はそのラインパターンの粗密に依
存し、ライン間のピッチの変動に依存することなくＤＯ
Ｆ特性の改善を得ることができないという問題がある。
すなわち、図１４に示されているような先行技術による
空間フィルタは、フォトマスク上のパターンと特定の幾
何学的な関係にある場合にのみ解像度や焦点深度を改善
することができ、種々のパターンサイズやレイアウト条
件を含む種々のフォトマスクのすべてについて解像度と
焦点深度の改善を実現することができないという問題が
ある。

【００１７】上述のような先行技術の課題に鑑み、本発
明の目的は、光の波長の短縮化とレンズシステムの改善
のいずれをも必要とすることなく、種々の寸法や方向性
を含むマスクパターンに関して投影露光装置の解像度と
焦点深度を低コストで改善し得る空間フィルタを提供す
ることである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、微細パ
ターンを含むフォトマスクを照明するための照明光学系
と、その微細パターンを結像面上に縮小投影するための
投影光学系とを備えた縮小投影露光装置において、照明
光学系に含まれる照明ソース近傍に配置される空間フィ
ルタは、所定の値以下の透過率で光を通過させる中央領
域と、実質的に透明な周辺領域と、中央領域を通過した
光と周辺領域を通過した光との間で実質的に１８０°の
位相差を生じさせる光路差を含んでいる。

【００１９】

【作用】縮小投影露光装置において本発明による空間フ
ィルタを用いれば、その空間フィルタの中央領域を所定
の値以下の透過率で通過した光と、実質的に透明な周辺
領域を通過した光とが位相差を生じさせる手段によって
互いに１８０°の位相差を生じさせられて投影面上で重
ねられるので、光の波長の短縮化やレンズシステムの改
善を必要とすることなく、種々の寸法や方向性を含むマ
スクパターンに関して優れた解像度と深い焦点深度を低
コストで得ることができる。

【００２０】

【実施例】まず、縮小投影露光装置における結像原理が
簡単に説明される。

【００２１】図１６（Ａ）を参照して、縮小投影露光装
置において従来の通常照明を用いた投影が概略的な断面
図で図解されている。コンデンサレンズ１９を通過した
照明光は、フォトマスク２０上のパターンによって回折
され、０次回折ビームＬ０と２つの±１次回折ビームＬ
１に分離される。この場合、フォトマスク２０は、丸印
２０ａの領域を拡大して示している丸印２０Ａ内に見ら
れるように、比較的大きなパターンサイズを有してい
る。したがって、回折ビームＬ０とＬ１がなす回折角が
さほど大きくならず、３つの回折ビームのすべてが投影
レンズシステム２１の瞳内に進入する。そして、それら
の３ビームによって半導体ウエハ２２のような結像面上
にマスク２０上のパターンが縮小投影される。

【００２２】しかし、図１６（Ｂ）中の丸印２０ｂの領
域を拡大した丸印２０Ｂ内に見られるように、フォトマ
スク２０が微細パターンを有するとき、０次回折光Ｌ０
と１次回折光Ｌ１がなす角度が大きくなる。その回折角
が大きくなれば、１次回折光Ｌ１は投影レンズシステム
２１の瞳内に入ることができず、半導体ウエハ２２上に
微細パターンを結像することができなくなる。

【００２３】このような問題を解決するために、先行技
術において、図１７（Ａ）に示されているようなオフ・
アキシス（傾斜）照明方法が提案されている。先行技術
による図１４の投影露光装置は、このようなオフ・アキ
シス照明を利用している。すなわち、図１７（Ａ）にお
いて、図１５（Ａ）に示されているのと同様な空間フィ
ルタ３１がコンデンサレンズ１９の上方に配置される。
空間フィルタ３１中の開口を通過してコンデンサレンズ
１９によってフォトマスク２０上に照射される光線束
は、フォトマスク２０に対して傾斜させられている。し
たがって、フォトマスク２０が丸印２０Ｂ内に示されて
いるように微細パターンを有していて回折角が大きい場
合であっても、１対の１次回折ビームＬ１の片方が投影
レンズシステム２１の瞳内に進入することができなくて
も、他方の１次回折ビームＬ１と０次回折ビームＬ０の
２つのビームが瞳内に進入することができる。そして、
これら２つのビームによってマスク２０上の微細パター
ンが半導体ウエハ２２上に結像される。このとき、瞳内
に進入する２つのビーム間において光路差をほとんどな
くすことによって位相の整合性を改善することが可能で
あり、良好な解像度と焦点深度が得られる。他方、図１
６（Ａ）に示されているような３ビーム結像において
は、０次回折ビームＬ０と１対の１次回折ビームＬ１と
の間においてジャストフォーカス条件以外では位相が互
いに不整合であり、十分な焦点深度を得ることができな
い。

【００２４】図１７（Ａ）に示されているようなオフ・
アキシス照明方法において、図１５（Ａ）に示されてい
るような空間フィルタの代わりに、図１８に示されてい
るようなアニュラー（環状）タイプの空間フィルタを用
いることによって、パターンのレイアウトの方向に依存
することなく解像度と焦点深度の改善を図ることができ
る。

【００２５】しかし、このようなオフ・アキシス照明技
術においても、最適化されたパターンサイズの範囲より
大きなサイズを有するパターンに関しては、図１６
（Ａ）に示されているような通常照明に比べても大幅に
ＤＯＦ特性が低下し、また、パターン内に密度の変動が
ある場合にもＤＯＦ特性の劣化が著しくなる。

【００２６】たとえば、図１７（Ｂ）中の丸印２０Ａ内
に示されているように、パターンサイズが大きくなって
回折角が減少すれば、１対の１次回折ビームＬ１の両方
が投射レンズシステムの瞳内に入射することが可能とな
り、マスク２０上のパターンは３つの回折ビームによっ
て半導体ウエハ２２上に投影されることになる。図１７
（Ｂ）に示されているようなオフ・アキシス照明におけ
る３ビーム結像においては、図１６（Ａ）に示されてい
るようなオン・アキシス（対称）照明における３ビーム
結像に比べて、ビーム間の位相のずれが大きくなる。し
たがって、図１７（Ｂ）に示されているようなオフ・ア
キシス照明による３ビーム結像においては、図１６
（Ａ）に示されているような通常のオン・アキシス照明
による３ビーム結像に比べてもＤＯＦ特性が劣ることに
なる。

【００２７】このようなＤＯＦ特性の低下を防止する方
法が、図１９（Ａ）において図解されている。図１９
（Ａ）においては、コンデンサレンズ１９の上方にハー
フトーン・アニュラータイプの空間フィルタ３２が配置
され、その空間フィルタ３２の中央領域３２Ａは、所定
の光透過率を有している。破線の矢印で示されているよ
うに、中央領域３２Ａを透過した光によるオン・アキシ
ス照明によって、図１６（Ａ）に示されている通常照明
と同様の結像が行なわれる。すなわち、図１７（Ｂ）に
示されているようなオフ・アキシス照明による３ビーム
結像に、減少させられた光強度を有するオン・アキシス
照明成分によるバランスさせられた３ビーム結像を重ね
合わせることによって、通常照明に比較したＤＯＦ特性
の劣化を抑制することができる。

【００２８】しかし、図１９（Ｂ）内の丸印２０Ｂ内に
示されているようにパターンサイズが小さい場合には、
オフ・アキシス照明の２ビームによる結像に、低減され
た強度を有するオン・アキシス照明の３ビームによる結
像が重ね合わされることになる。このとき、図２０
（Ａ）の振幅分布２３を表わすグラフからわかるよう
に、オフ・アキシス照明の２ビームによる振幅分布のメ
インピークは比較的狭い幅を有しており、他方、低減さ
れた光強度を有するオン・アキシス照明２４の３ビーム
による振幅分布のメインピークは広い幅を有している。

【００２９】図２０（Ｂ）の強度分布を表わすグラフ中
の曲線２６は、図２０（Ａ）中の振幅分布２３と２４を
重ね合わせて得られる強度分布を表わしている。振幅分
布２３と２４は同符号の位相を有しているので、それら
２つの振幅分布を重ね合わせて得られる光強度分布２６
のメインピークの幅は、振幅分布２３のメインピークの
幅より大きくなる。

【００３０】すなわち、マスクのパターンサイズが小さ
い場合には、図１９（Ｂ）に示されているようにオフ・
アキシス照明の２ビームによる結像に、低減された強度
を有するオン・アキシス照明の３ビームによる結像を重
ね合わせる投影方法においては、図１７（Ａ）に示され
ているようなオフ・アキシス照明の２ビームのみによる
投影方法に比べて解像度とＤＯＦ特性の両方が劣ること
になる。

【００３１】本発明は、パターンの方向に依存すること
なくかつパターンのサイズや密度にも依存することなく
縮小投影露光装置の解像度とＤＯＦ特性を改善し得る空
間フィルタを提供する。本発明による空間フィルタは、
中央領域が所定の光透過率を有するアニュラータイプに
属するが、その中央領域を通過する光と周辺領域を通過
する光との間で１８０°の位相差を生じさせる手段を含
んでいる。

【００３２】本発明による空間フィルタの作用効果が、
図２０（Ａ）および（Ｂ）とともに図１を参照して説明
される。図１において、投影露光装置の照明光学系が模
式的な断面図で示されている。光源（図示せず）からの
光は、フライアイレンズ１８を通過した後には、基本的
には部分的コヒーレント光である。すなわち、図１中に
おける振幅位相を表わすグラフ２９に示されているよう
に、フライアイレンズ１８中のそれぞれの微小レンズを
通過したビーム間で大きな位相差は存在していない。し
たがって、本発明による新規な位相／透過率変調フィル
タ４０によって、位相調整をすることが可能である。図
１中の振幅位相グラフ２８と２９Ａの比較からわかるよ
うに、中央領域を透過した光の位相が、周辺領域を通過
した光の位相に関して１８０°シフトされ得る。空間フ
ィルタ４０を通過した光は、コンデンサレンズ１９によ
ってオン・アキシス成分とオフ・アキシス成分に空間変
調され、それらの光成分は１８０°の位相差を維持した
ままマスク２０上に照射される。

【００３３】図１に示されているような照明系を有する
露光装置においてマスク２０上の微細パターンを結像面
上に投影する場合、図１９（Ｂ）の場合に類似して、オ
フ・アキシス照明の２ビームによる結像とオン・アキシ
ス照明の３ビームによる結像とが重ね合わせられること
になる。しかし、図１の照明方法においては、図２０
（Ａ）のグラフに示されているように、オフ・アキシス
照明の２ビームによる結像は曲線２３で示されているよ
うな正の位相の振幅分布を有しているのに対して、オン
・アキシス照明の３ビームによる結像は曲線２５で示さ
れているような負の位相の振幅分布を有している。した
がって、これら２つの逆位相の振幅分布２３と２５は互
いにサイドローブを打ち消し合い、図２０（Ｂ）中の曲
線２７で示されているような光強度分布を生じる。曲線
２７と曲線２６の比較からわかるように、図１に示され
ているような本発明による空間フィルタを用いた照明方
法によれば、図１９（Ｂ）に示された先行技術による照
明方法に比べて、投射されたパターンの光強度は若干減
少するが、光強度分布の幅が著しく低減される。すなわ
ち、図１に示されているような本発明による空間フィル
タを用いた投影露光においては、図１９（Ｂ）に示され
ているような先行技術による空間フィルタを用いた投影
露光に比べて解像度や焦点深度が改善される。

【００３４】以上のように、本発明による位相／透過率
変調空間フィルタは、用いられるマスクパターンの方向
やサイズや密度に依存することなく、投影露光装置の解
像度とＤＯＦ特性を改善することができる。

【００３５】本発明による空間フィルタの基板として、
石英などが用いられ得る。空間フィルタにおけるアニュ
ラー開口の外径と内径は、σファクタを用いて表わすこ
とにする。σファクタはσ＝ＮＡ_i／ＮＡ_pで定義さ
れ、ここでＮＡ_iは照明系の開口数を表わし、ＮＡ_pは
投射系の開口数を表わす。投影露光装置が用いられると
き、投射系の開口数ＮＡ_pは一般に一定の最大値に設定
され、照明系の開口数ＮＡ_iは照明系に挿入される絞り
のサイズによって変化する。本発明による空間フィルタ
のアニュラー開口の外径はσ₁＝０．４〜０．７に対応
する値に設定することができ、アニュラー開口の内径は
σ₂＝０．２〜０．６に対応する値に設定することがで
きる。

【００３６】空間フィルタの中央領域の透過率変調は、
中央領域の遮光膜に複数の微小な開口を設けるか、また
は約１５０ｎｍ以下の膜厚を有するＣｒ，Ａｌ，Ｔａ，
またはＭｏなどのセミ透過膜を用いることによって実現
され得る。また、空間フィルタの中央部を通過した光線
束と周辺部を通過した光線束との間で相対的な１８０°
の位相差を生じさせる光路差は、エッチングによってフ
ィルタ基板の厚さを変化させることによって得ることが
できる。そのような光路差は、所定の厚さのＳＯＧ（ス
ピンオングラス）膜，スパッタされたＳｉＯ₂膜，また
は有機膜などの付加的な層を設けることによっても得る
ことができる。１８０°の位相差を生じさせるための基
板厚さの変化量ｔまたは付加的な層の厚さｔは、次式
（３ａ）または（３ｂ）によって求めることができる。

【００３７】ｎ・ｔ−ｔ＝ｍ・λ／２ …（３ａ）ｔ＝ｍ・λ／２（ｎ−１） …（３ｂ）ここで、ｎはフィルタ基板の屈折率または積層材料の屈
折率を表わし、ｍは正の奇数を表わしている。

【００３８】図２（Ａ）は本発明の第１の実施例による
空間フィルタの平面図を概略的に示しており、図２
（Ｂ）は、図２（Ａ）中の線２Ｂ−２Ｂに沿った断面を
示している。この第１実施例による空間フィルタにおい
ては、石英基板１上に遮光パターン２が形成されてい
る。遮光パターン２はアニュラー開口３と中央領域内の
複数の小さな開口４を含んでいる。アニュラー開口３の
領域内において基板１はエッチングによって厚さが減少
させられている。その基板の厚さの変化量Ｇ１は、式
（３ｂ）によって決定される。たとえば、基板１が石英
で露光光としてＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２４８ｎ
ｍ）が用いられる場合、基板の厚さの変化量Ｇ１は２７
０ｎｍにされる。なお、図２（Ｂ）においてはアニュラ
ー開口３の領域下で基板１がエッチングされているが、
この代わりに、中央領域内の複数の微小開口４下で基板
１がエッチングされてもよいことは言うまでもない。

【００３９】図３は、図２（Ｂ）に示されている空間フ
ィルタを製造するプロセスを図解している。まず図３
（Ａ）において石英基板１が用意され、図３（Ｂ）にお
いて基板１上に約４００ｎｍの厚さを有するＡｌ層から
なる遮光膜２が形成される。次に図３（Ｃ）において、
通常のフォトリソグラフィ技術を用いてＡｌ層２がパタ
ーン化され、アニュラー開口３が形成される。図３
（Ｄ）において、ＲＩＥ（反応イオンエッチング）など
のドライプロセスまたはＨＦなどを用いたウェットプロ
セスによってアニュラー開口３下の領域において基板１
がエッチングされる。図３（Ｅ）において、再び通常の
フォトリソグラフィ技術を用いてＡｌ層２がパターニン
グされ、アニュラー開口３の内側の中央領域内に複数の
微小な開口４が形成される。これによって、図２（Ａ）
および（Ｂ）に示されている位相／透過率変調フィルタ
が完成する。

【００４０】図４（Ａ）は本発明の第２実施例による空
間フィルタの平面図を示しており、図４（Ｂ）は図４
（Ａ）中の線４Ｂ−４Ｂに沿った断面を示している。こ
の第２実施例による空間フィルタにおいては、透明基板
１上に遮光パターン２が形成されている。遮光パターン
２は、アニュラー開口３と中央領域内の複数の微小な開
口４とを含んでいる。それらの複数の微小な開口４は、
透明材料の膜５によって覆われている。その透明材料の
膜５は、投影露光装置において用いられる光の位相を１
８０°シフトさせる厚さＧ２を有している。その厚さＧ
２も、式（３ｂ）から求めることができる。

【００４１】図５は、図４（Ｂ）に示された空間フィル
タの製造プロセスを図解している。図５（Ａ）におい
て、石英基板１が用意され、図５（Ｂ）において、石英
基板１上に約４００ｎｍの厚さを有するＡｌ層からなる
遮光膜２が形成される。図５（Ｃ）において、通常のフ
ォトリソグラフィ技術を用いてＡｌ層２がパターニング
され、アニュラー開口３と中央領域内の複数の微小な開
口４が形成される。図５（Ｄ）において、基板１と遮光
パターン２が透明材料の層５によって覆われる。この透
明材料の層５は、ＳＯＧ、ＳｉＯ₂、または有機材料な
どを用いて形成され得る。図５（Ｅ）において、アニュ
ラー開口３上の領域において透明材料５がパターニング
によって除去される。これによって、図４（Ａ）および
（Ｂ）に示されているような位相／透過率変調フィルタ
が完成する。

【００４２】なお、第１と第２の実施例において、中央
領域内の微小開口４の形状が円形として示されている
が、三角形または他の多角形であってもよいことは言う
までもない。また、Ａｌの遮光層２の厚さは４００ｎｍ
に限らず、約１５０ｎｍ以上であればよい。

【００４３】第１実施例や第２実施例に示されているよ
うな位相／透過率変調型空間フィルタを投影露光装置に
おいて用いる場合、その空間フィルタの中央領域内の微
小開口４と周辺領域におけるアニュラー開口３の配置
は、フライアイレンズ１８（図１参照）中の複数のマイ
クロレンズの配列周期に同期させることが望ましい。す
なわち、開口４と３の各々内には、対応するマイクロレ
ンズの各々の全体が含まれることが望ましい。

【００４４】図６のグラフにおいて、第１実施例と第２
実施例による新規な位相／透過率変調フィルタを用いた
場合の投影露光装置における解像度が、先行技術との比
較において示されている。このグラフにおいて、横軸は
結像面上における設計されたライン幅（μｍ）を表わ
し、縦軸は結像面上において実際に測定されたライン幅
（μｍ）を示している。丸印は本発明による新規な空間
フィルタを用いた場合を表わし、三角印は図１８に示さ
れているような先行技術による通常のアニュラータイプ
の空間フィルタに対応し、正方形印は中央領域が半透明
のアニュラー型空間フィルタに対応し、そして菱形印は
図１６（Ａ）に示されているような従来の通常照明に対
応している。図６の測定において、投影露光装置の投射
系の開口数はＮＡ＝０．４５であり、λ＝２４８ｎｍの
波長のＫｒＦエキシマレーザが用いられた。また、いず
れのアニュラータイプの空間フィルタも、σ₁＝０．５
とσ ₂＝０．４に設定された。さらに、半導体ウエハ上
のレジスト層として、化学増幅ネガティブレジストが用
いられた。さらに、本発明の空間フィルタにおける中央
領域の光透過率は１５％に設定された。

【００４５】図６からわかるように、先行技術において
は、通常のアニュラータイプの空間フィルタが最も優れ
た０．２８μｍの解像限界を示すのに対して、本発明に
よる位相／透過率変調フィルタは０．２５μｍ以下の解
像限界を示している。すなわち、図６のグラフから、本
発明による新規な空間フィルタは、先行技術におけるい
ずれのタイプの空間フィルタよりも優れた解像限界を実
現し得ることが理解されよう。

【００４６】図７（Ａ）および（Ｂ）は、第１実施例と
第２実施例による空間フィルタのＤＯＦ特性を先行技術
による種々の空間フィルタとの比較において示してい
る。これらの図の各々において、横軸はデフォーカス量
（μｍ）を表わし、縦軸は結像面上で測定されたライン
幅（μｍ）を表わしている。図７（Ａ）および（Ｂ）に
おいて、実験条件は図６における場合と同様に設定され
た。

【００４７】図７（Ａ）からわかるように、０．３μｍ
の小さな幅を有するラインの投影に関しては、先行技術
において通常のアニュラータイプの空間フィルタが最も
優れたＤＯＦ特性を示し、本発明による新規な空間フィ
ルタはその先行技術における最も優れた空間フィルタと
同等のＤＯＦ特性を示している。しかし、図７（Ｂ）か
らわかるように、０．７μｍの比較的大きな幅を有する
ラインの投影に関しては、先行技術によるアニュラータ
イプの空間フィルタはＤＯＦ特性が明らかに劣化してい
る。これに対して、本発明による新規な空間フィルタ
は、従来の通常照明と同等のＤＯＦ特性を示している。
しかし、図７（Ａ）からわかるように、０．３μｍの幅
のラインの投影に関しては、従来の通常照明はＤＯＦ特
性が著しく低下している。すなわち、本発明による位相
／透過率変調フィルタは投影されるラインの幅に依存す
ることなく優れたＤＯＦ特性を実現し得ることが理解さ
れよう。

【００４８】図８（Ａ）および（Ｂ）は、実際に半導体
ウエハ上のレジスト層に形成されたラインパターンの走
査型電子顕微鏡写真をトレースした図を示している。図
８（Ａ）においては従来の通常照明が用いられ、図８
（Ｂ）においては、本発明による位相／透過率変調フィ
ルタが用いられている。図８（Ａ）および（Ｂ）の各々
において、設計上のライン幅は０．３μｍであり、ライ
ンピッチは０．６μｍと１．２μｍに設定されている。
通常照明が用いられている図８（Ａ）においては、ライ
ンピッチが大きくなった場合に投影されるライン幅も大
きくなっていることがわかる。他方、本発明による新規
な空間フィルタが用いられている図８（Ｂ）において
は、投影されたラインの幅はラインピッチに依存するこ
となくほぼ一定であることが理解されよう。すなわち、
本発明による新規な空間フィルタは、パターン密度に依
存することなく解像度を改善し得ることが理解されよ
う。

【００４９】図９（Ａ）は、本発明の第３実施例による
位相／透過率変調フィルタを示す平面図であり、図９
（Ｂ）は、図９（Ａ）中の線９Ｂ−９Ｂに沿った断面を
示している。この第３実施例による空間フィルタにおい
ては、透明基板１上に遮光膜２が形成されている。遮光
膜２は、アニュラー開口３と、それと一体化された中央
開口３ａを含んでいる。中央開口３ａ内において、基板
１上にセミ透光膜６が形成されている。アニュラー開口
３下において、基板１はエッチングによって厚さが減少
させられている。すなわち、アニュラー開口領域３を通
過する光と中央領域６を通過する光との間において、１
８０°の光の位相差を生じさせるように、変化量Ｇ１だ
け基板１の厚さが変化させられている。

【００５０】図１０は、図９（Ｂ）に示されている空間
フィルタの製造プロセスを図解している。図１０（Ａ）
において、石英基板１が用意され、図１０（Ｂ）におい
て、石英基板１上に約４００ｎｍの厚さを有するＡｌ層
からなる遮光膜２が形成される。図１０（Ｃ）におい
て、遮光膜２がパターニングされ、アニュラー開口３が
形成される。図１０（Ｄ）において、アニュラー開口領
域３下において、基板１が第１実施例の場合と同様にエ
ッチングされる。図１０（Ｅ）において、アニュラー開
口３に囲まれた中央領域上において遮光膜２が除去され
る。図１０（Ｆ）において、基板１と遮光膜２は約７０
ｎｍの厚さを有するＣｒ層からなるセミ透光膜６によっ
て覆われる。図１０（Ｇ）において、アニュラー開口領
域３上においてセミ透光膜６が除去され、図９（Ａ）お
よび（Ｂ）に示されているような位相／透過率変調タイ
プの空間フィルタが完成する。なお、Ｃｒ膜６の厚さは
７０ｎｍに限られず、約１５０ｎｍ以下の範囲内であれ
ばよい。この第３実施例に示されているような新規な空
間フィルタも、第１および第２実施例に示された空間フ
ィルタと同様に投影露光装置の解像度とＤＯＦ特性を改
善し得ることが理解されよう。

【００５１】図１１は、本発明による空間フィルタのア
ニュラー開口３に囲まれた中央領域における透光率と結
像面上の規格化されたコントラストとの関係をシミュレ
ーションによって求めた結果を示している。すなわち、
このグラフの横軸はアニュラー開口３に囲まれた中央領
域における透光率を表わし、縦軸は結像面上に投影され
た０．２５μｍのライン幅とライン間隔のパターンにお
ける規格化されたコントラスト（％）を表わしている。
このグラフ中、実線の曲線はデフォーカス量が１．０μ
ｍの場合に対応し、破線の曲線はデフォーカス量が０．
６μｍの場合に対応し、一点鎖線の曲線はデフォーカス
量が０μｍの場合に対応している。図１１からわかるよ
うに、本発明による位相／透過率変調タイプの空間フィ
ルタにおいては、アニュラー開口３に囲まれた中央領域
の透過率は４５％以下であることが望ましいのが理解さ
れよう。

【００５２】なお、以上の実施例においてＡｌの遮光膜
とＣｒのセミ透光膜が説明されたが、これらの遮光膜と
セミ透光膜は、厚さを適切に選択することによってＡ
ｌ，Ｃｒ，Ｔａ，またはＭｏなどの材料を用いても形成
され得る。

【００５３】また、以上の実施例ではλ＝２４８ｎｍの
ＫｒＦエキシマレーザの照明光を用いて説明されたが、
本発明による新規な空間フィルタはλ＝４３６ｎｍのｇ
線、λ＝３６５ｎｍのｉ線、λ＝１９３ｎｍのＡｒＦエ
キシマレーザ光などの照明光に関しても有効であること
は言うまでもない。

【００５４】

【発明の効果】以上のように、縮小投影露光装置におい
て本発明による空間フィルタを用いれば、その空間フィ
ルタの中央領域を所定の値以下の透過率で通過した光
と、実質的に透明な周辺領域を通過した光とが位相差を
生じさせる手段によって互いに１８０°の位相差を生じ
させられて投影面上で重ねられるので、光の波長の短縮
化やレンズシステムの改善を必要とすることなく、種々
の寸法や方向性を含むマスクパターンに関して優れた解
像度と深い焦点深度を低コストで得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による空間フィルタを含む投影露光装置
の照明系を示す概略的な断面図である。

【図２】（Ａ）は本発明の一実施例による空間フィルタ
の概略的な平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中の線２Ｂ−
２Ｂに沿った断面図である。

【図３】図２の空間フィルタを製造するプロセスを示す
断面図である。

【図４】（Ａ）は本発明のもう１つの実施例による空間
フィルタを示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中の線４
Ｂ−４Ｂに沿った断面図である。

【図５】図４の空間フィルタを製造するプロセスを示す
断面図である。

【図６】本発明による空間フィルタを用いた投影露光装
置における解像度の改善を示すグラフである。

【図７】（Ａ）は本発明による空間フィルタを用いた投
影露光装置における微細パターンに関する焦点深度の改
善を示すグラフであり、（Ｂ）は本発明による空間フィ
ルタを含む投影露光装置における比較的大きなパターン
に関する焦点深度の改善を示すグラフである。

【図８】（Ａ）は従来の通常照明を用いて結像面上に投
影されたラインパターンを示す平面図であり、（Ｂ）は
本発明による空間フィルタを含む投影露光装置の結像面
に投影されたラインパターンを示す平面図である。

【図９】（Ａ）は本発明のさらにもう１つの実施例によ
る空間フィルタを示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中
の線９Ｂ−９Ｂに沿った断面図である。

【図１０】図９の空間フィルタを製造するプロセスを示
す断面図である。

【図１１】本発明による空間フィルタの中央部分におけ
る透光率と結像面上に形成された像のコントラストとの
関係を示すグラフである。

【図１２】先行技術によるフォトマスクの一例を示す概
略的な断面図である。

【図１３】先行技術によるフォトマスクのもう１つの例
を示す断面図である。

【図１４】先行技術による縮小投影露光装置を示す概略
的な断面図である。

【図１５】（Ａ）は図１４の露光装置において用いられ
る空間フィルタを示す平面図であり、（Ｂ）は図１４の
露光装置において用いられているフォトマスクを示す平
面図であり、そして（Ｃ）は図１４の投影露光装置にお
いて用いられているもう１つの空間フィルタを示す平面
図である。

【図１６】（Ａ）はフォトマスク上の比較的大きなパタ
ーンを従来の通常照明を用いて投影する場合の露光装置
を示す概略的な断面図であり、（Ｂ）はフォトマスク上
の微細なパターンを従来の通常照明を用いて投影する場
合の露光装置を示す概略的な断面図である。

【図１７】（Ａ）はフォトマスク上の微細なパターンを
先行技術によるオフ・アキシス照明を用いて投影する場
合の露光装置を示す概略的な断面図であり、（Ｂ）はフ
ォトマスク上の比較的大きなパターンを先行技術による
オフ・アキシス照明を用いて投影する場合の露光装置を
示す概略的な断面図である。

【図１８】先行技術による通常のアニュラータイプの空
間フィルタを示す平面図である。

【図１９】（Ａ）はフォトマスク上の比較的大きなパタ
ーンを先行技術によるハーフトーン・アニュラータイプ
の空間フィルタを用いて投影する場合の露光装置を示す
概略的な断面図であり、（Ｂ）はフォトマスク上の微細
なパターンをハーフトーン・アニュラータイプの空間フ
ィルタを用いて投影する場合の露光装置を示す概略的な
断面図である。

【図２０】（Ａ）は結像面上に投影された光の振幅分布
を示すグラフであり、（Ｂ）は結像面上に投影された光
の強度分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１透明基板２遮光層３アニュラー開口４微小開口５透明膜６セミ透光膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０３Ｆ 7/20 ５２１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微細パターンを含むフォトマスクを照明
するための照明光学系と、前記微細パターンを結像面上
に縮小投影するための投影光学系とを備えた縮小投影露
光装置において、前記照明光学系に含まれる照明ソース
近傍に配置される空間フィルタであって、前記空間フィ
ルタは、所定の値以下の透過率で光を通過させる中央領域と、前記中央領域を包囲しかつ実質的に透明な周辺領域と、前記中央領域を通過した光と前記周辺領域を通過した光
との間で実質的に１８０°の位相差を生じさせる手段と
を含んでいる空間フィルタ。
【請求項２】前記フィルタは遮光層を含み、前記中央
領域における前記所定の値以下の透過率は、前記遮光層
にあけられた複数の微細な開口によって得られる請求項
１の空間フィルタ。
【請求項３】前記中央領域における前記所定の値以下
の透過率は、セミ透過性の均一な層によって得られる請
求項１の空間フィルタ。
【請求項４】前記空間フィルタは実質的に透明な基板
を含み、前記位相差を生じさせる手段は前記基板の厚さ
を所定量だけ変化させることによって得られる請求項１
の空間フィルタ。
【請求項５】前記位相差を生じさせる手段は、所定の
厚さの付加的な層を含んでいる請求項１の空間フィル
タ。
【請求項６】前記中央領域は４５％以下の透過率を有
する請求項１の空間フィルタ。