JPH10116762A - 露光装置およびこれを用いた露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 デバイス・チップの大型化に伴うフォトマス
クの大型化から生ずるパターン投影像の歪みや、大口径
ウェハ上でのショット数増加から生ずるスループットの
低下を解消する。 【解決手段】 従来の縮小投影レンズに替えて、拡大投
影レンズ８を搭載した一括露光型拡大投影露光装置１０
０を用いる。フォトマスク７ａには、ウェハＷ上に形成
されるデバイス・チップの全個数分の回路パターンに対
応するマスク・パターン６ａが、たとえば電子ビーム・
リソグラフィにより形成されている。マスク・パターン
６ａの寸法を回路パターンの寸法の１／Ｍ（ただし、Ｍ
は拡大投影レンズ８の拡大倍率）に設定すれば、１回の
ショットで全チップの回路パターンが投影可能である。
フォトマスク基板５ａを従来よりも遥かに小型化できる
ので、マスク撓みに起因する像の歪みが回避される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体プロセス等の
微細加工分野に適用される露光装置およびこれを用いた
露光方法に関し、特にフォトマスクの像を基板（ウェ
ハ）上へ拡大投影する新規な装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造分野では、回路パ
ターンの微細化と素子の高集積化が同時に進行してい
る。この傾向は、１チップ当たりの記憶容量が重要な意
味を持ち、半導体デバイスの高集積化の指標とされるＤ
ＲＡＭにおいて顕著である。たとえば、０．３５μｍル
ールが適用される６４ＭＤＲＡＭの典型的なチップ・サ
イズは１０ｍｍ×２０ｍｍであるが、０．２５μｍルー
ルが適用される２５６ＭＤＲＡＭの第１世代ではこれが
１２．５ｍｍ×２５ｍｍに拡大すると予測されている。

【０００３】かかるデバイス・チップの大型化に伴い、
これが切り出される基板、すなわちウェハの口径も拡大
している。これは、１枚のウェハから切り出せるデバイ
ス・チップの枚数を確保して生産性の極端な低下を避け
るためである。現状では８インチ・ウェハ（直径約２０
０ミリ）が標準的に用いられており、なお将来に向けて
１２インチ・ウェハ（直径約３００ｍｍ）の導入が検討
されている。

【０００４】一方、デバイス・チップの大型化は、フォ
トリソグラフィに用いるフォトマスクの大型化も招いて
いる。現状では、フォトリソグラフィは一般に、縮小投
影露光装置（ステッパ）を用いて行われる。この装置
は、デバイス・チップの回路パターンの原図であるマス
ク・パターンが形成されたフォトマスクを照明光学系を
用いて照明し、該フォトマスクの透過光を縮小投影レン
ズに入射させてマスク・パターンのフーリエ変換像をそ
の瞳面に結像させ、さらにその逆変換像をウェハ面上に
結像させるものである。縮小投影レンズの縮小比は、ス
テップ・アンド・リピート式のステッパでは一般に１／
５倍とされている。

【０００５】したがって、フォトマスク上のパターン
（マスク・パターン）は、ウェハ上のパターン（回路パ
ターン）の５倍の寸法に形成されることになる。たとえ
ば、チップ・サイズ１０ｍｍ×２０ｍｍの６４ＭＤＲＡ
Ｍの場合、現状の主流である６インチ角（１辺約１５２
ｍｍ）のフォトマスク基板上には、５０×１００ｍｍの
マスク・パターンが２面並べて形成される。なお、フォ
トマスク基板上では、マスク・パターンの周囲に幅約２
６ミリ（約１インチ）の余白が生ずるが、この程度の余
白はアライメント・マーク形成やスクライブ領域として
最低限確保しておく必要がある。このようなフォトマス
クを用いて逐次露光を行うと、ウェハ上では１回の露光
ショットに対応する露光フィールド内（約２２ｍｍ角）
で、デバイス・チップが２個ずつ同時に形成されること
になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
露光方法にはスループットの低下とフォトマスクの大型
化という２つの問題がある。上記スループットの低下
は、たとえば約２２ｍｍ角の露光フィールドを順次配し
ながら８インチ・ウェハの全面を露光しようとすると、
１００回近くもの露光ショット数を要することから生ず
るものである。

【０００７】一方、フォトマスクの大型化は、縮小投影
露光の原理上、ウェハ上の回路パターンよりも大きなマ
スク・パターンが要求され、またデバイス・チップの大
型化が継続する限り、避けられない問題である。たとえ
ば、前述した６インチ角のフォトマスク基板は、６４Ｍ
ＤＲＡＭ用のマスク・パターンを形成するには十分であ
るが、チップ・サイズ１２．５ｍｍ×２５ｍｍの２５６
ＭＤＲＡＭ用のマスク・パターンを形成するには、余白
が不足する。このため、２５６ＭＤＲＡＭ用にはフォト
マスク基板を７インチ角（１辺約１７８ｍｍ）以上の大
きさとすることが必要となる。しかし、フォトマスク基
板を大型化すると自身に撓みが生じやすくなり、ウェハ
上に形成される回路パターンの像が歪む原因となる。し
かし、この撓みを防止するために基板を厚くすると、今
度は重量増加による搬送上の困難を来す。

【０００８】そこで本発明は、比較的小型のフォトマス
クを使用できる露光装置と、これを用いて高スループッ
トで高品質の像を形成可能な露光方法を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の露光装置は、光
源を含む照明光学系と、デバイス・チップの回路パター
ンに対応するマスク・パターンを有するフォトマスク
と、前記フォトマスクの透過光を拡大投影レンズに入射
させて前記マスク・パターンの像を基板上に投影する投
影光学系と、前記照明光学系と前記投影光学系の光軸上
に基板を保持する基板ステージとを備えることにより、
上述の目的を達成しようとするものである。かかる露光
装置を使用して露光を行うには、デバイス・チップの回
路パターンに対応したマスク・パターンを有するフォト
マスクを照明光学系を用いて照明し、該フォトマスクの
透過光を投影光学系の拡大投影レンズに入射させ、該照
明光学系と該拡大投影光学系の光軸上に保持された基板
上に該マスク・パターンの像を投影すれば良い。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の露光装置は、縮小投影レ
ンズを含む従来の縮小投影光学系に替え、拡大投影レン
ズを含む投影光学系を備えることにより、従来とは逆の
発想でパターン投影を行うものである。すなわち、マス
ク・パターンはウェハ上の回路パターンよりも常に小さ
いので、フォトマスクを小型化することができ、したが
って、フォトマスク自身の撓みに起因するウェハ上の像
の歪みも発生しない。特に、前記マスク・パターンの寸
法が、前記回路パターンの寸法の１／Ｍ倍（ただし、Ｍ
は前記拡大投影レンズの拡大倍率を表す。）に設定され
ている場合には、露光装置の光学性能を活かしながら最
小のマスク寸法で露光を行うことが可能となる。この倍
率は、フォトマスクの最小加工寸法と拡大投影レンズの
光学性能、特に収差の補正の程度を考慮して、おおよそ
２〜１０倍の範囲に設定することが好適である。

【００１１】なお、ウェハ上の回路パターンよりも小さ
いマスク・パターンは、電子線リソグラフィ，収束イオ
ン・ビーム・リソグラフィ，Ｘ線リソグラフィ，ＳＯＲ
（シンクロトロン放射光）リソグラフィのいずれかによ
り形成することができ、達成可能な最小パターン寸法は
１０ｎｍのオーダーである。つまり、拡大投影レンズの
拡大倍率を１０倍としても、ウェハ上の回路パターンの
最小寸法として０．１μｍが達成されることになる。

【００１２】ここで、前記フォトマスク上のマスク・パ
ターンは、（ｉ）基板上に形成されるデバイス・チップ
の全個数分の回路パターンに対応するもの、あるいは
（ii）一部個数分の回路パターンに対応するもの、のい
ずれであっても良い。前者（ｉ）の場合には一括露光が
行われることになり、露光工程のスループットを著しく
改善することができる。後者（ii）の場合には逐次露光
が行われることになり、フォトマスクの寸法を著しく縮
小することができる。上記フォトマスクが上記（ｉ），
（ii）のいずれのマスク・パターンを有するかにより、
これを搭載する露光装置の構成も異なる。以下、露光装
置の構成とフォトマスクとの関係について、図１ないし
図４参照しながら説明する。

【００１３】図１は、上述の（ｉ）のように、全個数分
の回路パターンに対応したマスク・パターンを有するフ
ォトマスク７ａを用いてウェハＷ上のフォトレジスト膜
（図示せず。）を露光する一括露光型拡大投影露光装置
１００（以下、露光装置１００と称する。）の光学系の
模式図である。この光学系では、光軸ＯＡに沿って光源
１、該光源１からの露光光を平行光線として出射させる
反射鏡２、露光光の照度を均一化するためのハエの目レ
ンズ３、露光光を平行光線４に変換するコンデンサ・レ
ンズ、フォトマスク７ａ、該フォトマスク７ａの透過光
をウェハＷ上へ拡大投影するための拡大投影レンズ８が
順次配されている。光源１とフォトマスク７ａとの間の
光学系が照明光学系Ｉ、フォトマスク７ａとウェハＷと
の間の光学系が拡大投影光学系IIである。

【００１４】なお、上記の各部材は、必ずしも直線的に
配列されている必要はなく、必要に応じてミラーで光路
を屈曲させるように配列されていても良い。さらにある
いは、図１に示されるようなレンズ屈折型の光学系では
なく、ミラー反射型の光学系を採用しても良い。また、
図１では上記の光源１が高圧水銀ランプを想起させ、こ
の光源１が反射鏡２の焦点位置に配されることで平行光
線を得るような図示がなされているが、エキシマ・レー
ザ光源を使用してももちろん構わない。エキシマ・レー
ザ光源を用いる場合は、ビーム・エキスパンダ用の光学
系が従来のエキシマ・レーザ・ステッパに比べて小型化
できるというメリットも得られる。

【００１５】上記フォトマスク７ａは、露光光に対して
透明な正方形のフォトマスク基板５ａ上に全個数分の回
路パターンに対応したマスク・パターン６ａが形成され
たものである。このマスク・パターン６ａは、たとえば
電子線リソグラフィを経て得られた電子線レジスト・パ
ターンをマスクとしてＣｒ（クロム）遮光膜をエッチン
グすることにより形成される。

【００１６】このフォトマスク７ａ上におけるパターン
・レイアウトを、図２（ａ）に示す。ここでは一例とし
て、正方形のデバイス・チップＣの全９７個分の回路パ
ターンに対応するマスク・パターン６ａを示しており、
斜線を施した１区画がデバイス・チップＣの１個分のマ
スク・パターンＭＰである。また、図２（ｂ）はこれに
対応したウェハＷ上のチップ・レイアウトを示してお
り、斜線を施した１区画が１個分のデバイス・チップ
Ｃ、太い実線で囲んだ領域が全個数分のデバイス・チッ
プＣを含む露光フィールドＦａである。

【００１７】ここで、前述の拡大投影レンズ８の拡大倍
率をＭ、ウェハＷ上におけるデバイス・チップＣの最大
配列幅をＡとすると、フォトマスク７ａ上におけるマス
ク・パターン６ａの最大形成幅は、（１／Ｍ）×Ａで表
される。つまり、ウェハＷ上の回路パターンに対してフ
ォトマスク上のマスク・パターンが１／Ｍの寸法に設定
されている場合に、マスク・パターン全体がちょうど１
枚のウェハＷ上に投影されることになる。また、フォト
マスク基板５ａとしては、１辺の長さが（１／Ｍ）×Ａ
よりも若干大きめのものを要するが、従来のように、マ
スク・パターン６ａの周囲に１インチもの余白を見込む
必要はない。これは、フォトマスク基板５ａの４隅に十
分な余白があり、ここにアライメント・マークを形成す
ることができるからである。したがって、従来の縮小投
影露光用のフォトマスクよりも遥にマスクを小型化する
ことができる。

【００１８】上記ウェハＷは、ウェハ・ステージ１０に
ウェハ・チャック９を用いて保持されている。この装置
では全面一括露光を行うためにウェハＷを移動させる必
要はなく、したがって上記ウェハ・ステージ１０はＸＹ
方向固定式である。すなわち、光軸ＯＡに垂直な平面内
では移動されない。ただし、倍率調整用にＺ方向、すな
わち光軸ＯＡ方向に沿ってステージ高さを微調整するた
めの駆動装置（図示せず。）は備えられている。

【００１９】一方、図３は、上述の（ii）のように、一
部個数分の回路パターンに対応したマスク・パターン６
ｂを有するフォトマスク７ｂを用いてウェハＷ上のフォ
トレジスト膜を露光する逐次露光型拡大投影露光装置１
０１（以下、露光装置１０１と称する。）の光学系の模
式図である。この光学系の構成が前掲図１の一括露光型
の露光装置１００と異なるところは、フォトマスク７
ｂ、およびウェハＷを保持するＸＹステージ１１であ
る。

【００２０】上記フォトマスク７ｂは、露光光に対して
透明な正方形のフォトマスク基板５ａ上に一部個数分の
回路パターンに対応したマスク・パターン６ｂが形成さ
れたものである。このフォトマスク７ｂ上におけるパタ
ーン・レイアウトを、図４（ａ）に示す。この図は、１
ショットでＸ方向ｇ個（ここでは一例としてｇ＝２）、
Ｙ方向ｈ個（同じくｈ＝２）、計ｇ×ｈ個分（同じく４
個分）のデバイス・チップＣの回路パターンを投影する
ことが可能な、１ショット４面取りのフォトマスク７ｂ
を示している。斜線を施した１区画がデバイス・チップ
Ｃの１個分のマスク・パターンＭＰである。また、図４
（ｂ）はこれに対応したウェハＷ上のチップ・レイアウ
トを示しており、斜線を施した１区画が１個分のデバイ
ス・チップＣ、太い実線で囲んだ領域が一部個数分（こ
こでは一例として４個分）のデバイス・チップＣを含む
露光フィールドＦｂである。

【００２１】ここで、前述の拡大投影レンズ８の拡大倍
率をＭ、デバイス・チップＣのＸ方向寸法をｘ、Ｙ方向
寸法をｙとすると、１個の露光フィールドＦｂのＸ方向
寸法はｇｘ、Ｙ方向寸法はｈｙと表され、フォトマスク
７ｂ上におけるマスク・パターン６ｂのＸ方向形成幅は
（１／Ｍ）×ｇｘ、Ｙ方向形成幅は（１／Ｍ）×ｈｙと
なる。上記のようなフォトマスク７ｂを用いる場合、ウ
ェハＷにできるだけ多くのデバイス・チップＣを作成す
るためにはショットを逐次的に（ここでは２１回）繰り
返す必要がある。しかし、上記フォトマスク基板５ｂに
要求される寸法は、Ｘ方向で（１／Ｍ）×ｇｘ，Ｙ方向
で（１／Ｍ）×ｈｙよりもやや大き目であれば良く、従
来の縮小投影露光用のフォトマスクよりも著しくマスク
寸法を縮小することができる。

【００２２】上記ウェハＷは、ＸＹステージ１１にウェ
ハ・チャック９を用いて保持されている。つまり、この
装置１０１では、１ショットごとに上記ＸＹステージ１
１をステップ動作させることにより、ウェハＷ上に次々
と露光フィールドＦｂを配しながら露光が行われる。な
お、倍率調整用にステージ高さをＺ方向に沿って微調整
するための駆動装置（図示せず。）は、本露光装置１０
１にも備えられている。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００２４】実施例１ 本実施例では、前掲の図１および図２にそれぞれ示した
露光装置１００およびフォトマスク７ａを用いて、ウェ
ハ上に０．１μｍ幅のライン・アンド・スペース・パタ
ーンを形成した。ただし、光源としてはＡｒＦエキシマ
・レーザ光源（λ＝１９３ｎｍ）を用いたので、光源１
とその周辺部材は図示されるものとは異なる。

【００２５】ここでは、上記露光装置１００の拡大倍率
Ｍを１０倍とし、各部の寸法を、たとえば １個のマスク・パターンＭＰ内の ライン・アンド・スペース幅： ０．０１μｍ フォトマスク基板５ａの寸法： ５０ｍｍ×５０ｍｍ（２インチ角） マスク・パターン６ａの最大形成幅： ２８ｍｍ（Ｘ方向，Ｙ方向共） ウェハ口径： ３００ｍｍ（１２インチ） デバイス・チップＣの最大配列幅： ２８０ｍｍ とした。

【００２６】ウェハＷ上のフォトレジスト膜は、化学増
幅系ポジ型レジスト材料を用いて形成した。ウェハＷを
ウェハ・ステージ１０に設置した後、アライメントと露
光に要した時間は合計でも僅かに３秒であった。因みに
従来の縮小投影露光方法で同じウェハの露光を行うと、
１ショット１面取りでは各ショット毎のアライメント時
間も含めて４００秒余り、１ショット４面取りでも１０
０秒余りの長時間が露光工程で費やされることになる。
また、本発明ではフォトマスク基板７ｂが現状の主流で
ある６インチ角（一辺１５２ｍｍ）のものに比べて遥か
に小さいため、マスクの撓みに起因する像の歪みはほと
んど見られず、現像後のレジスト・パターンの形状も良
好であった。

【００２７】実施例２ 本実施例では、前掲の図３および図４にそれぞれ示した
露光装置１０１およびフォトマスク７ｂを用いて、ウェ
ハ上に０．１μｍ幅のライン・アンド・スペース・パタ
ーンを形成した。ただし、光源としてはＡｒＦエキシマ
・レーザ光源を用いたので、光源１とその周辺部材は図
示されるものとは異なる。

【００２８】ここでは、上記露光装置１０１の拡大倍率
Ｍを１０倍とし、関連数値をたとえば １個のマスク・パターンＭＰ内の ライン・アンド・スペース幅： ０．０１μｍ フォトマスク基板５ｂの寸法： ２５ｍｍ×２５ｍｍ（１インチ角） マスク・パターン６ｂの形成幅： ５ｍｍ（Ｘ方向，Ｙ方向共） ウェハ口径： ３００ｍｍ（１２インチ） １個のデバイス・チップＣの寸法： ２５ｍｍ×２５ｍｍ １ショット内のチップ数： ４ のように設定した。

【００２９】ウェハＷ上のフォトレジスト膜は、化学増
幅系ポジ型レジスト材料を用いて形成した。ＸＹステー
ジ１１を用いてウェハＷを移動させながら行った２１シ
ョットの逐次露光の所要時間は、各ショットごとのアラ
イメント時間も含めて約７０秒であった。また、フォト
マスク基板７ｂが僅かに１インチ角であるため、マスク
の撓みに起因するウェハ上の像の歪みは無視することが
できた。

【００３０】以上、本発明の具体的な実施例を２例挙げ
たが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるもので
はない。たとえば、露光装置の構成の細部，露光光の波
長，拡大倍率，フォトマスク上のパターン・レイアウ
ト，ウェハ上のチップ・レイアウト，チップ・サイズ，
デサイン・ルールについては、適宜変更や選択が可能で
ある。また、フォトマスクの装着機構その他の光学系の
改良により、一括露光と逐次露光の双方に対応できる露
光装置を構成しても良い。さらに、本発明の装置や方法
は、半導体プロセスのみならず、液晶表示素子の製造そ
の他の微細加工分野にも適用できるものである。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば拡大投影露光という、従来とは逆の発想にも
とづく露光を微細加工分野に導入することにより、フォ
トマスクの撓みに起因する問題を解決することができ
る。特に基板全面に対して一括露光を行えば、スループ
ットは飛躍的に改善される。したがって、たとえば半導
体プロセス分野において一層の進展が予測されるデバイ
ス・チップやウェハの大型化に対応し、生産性と精度に
優れるパターン転写が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一括露光型拡大投影露光装置の光学系
を示す模式図である。

【図２】本発明の一括拡大投影露光を説明するための模
式図であり、（ａ）はフォトマスク上のパターン・レイ
アウト、（ｂ）はウェハ上のチップ・レイアウトをそれ
ぞれ表す。

【図３】本発明の逐次露光型拡大投影露光装置の光学系
を示す模式図である。

【図４】本発明の逐次拡大投影露光を説明するための模
式図であり、（ａ）はフォトマスク上のパターン・レイ
アウト、（ｂ）はウェハ上のチップ・レイアウトをそれ
ぞれ表す。

【符号の説明】

１…光源 ６ａ…マスク・パターン（一括露光用） ６
ｂ…マスク・パターン（逐次露光用） ７ａ…フォトマ
スク（一括露光用） ７ｂ…フォトマスク（逐次露光
用） ８…拡大投影レンズ １０…ウェハ・ステージ
１１…ＸＹステージ ＯＡ…光軸 Ｉ…照明光学系 II
…拡大投影光学系 １００…露光装置（一括露光用）
１０１…露光装置（逐次露光用） Ｗ…ウェハ Ｃ…デ
バイス・チップ Ｆａ…露光フィールド（一括露光時）
Ｆｂ…露光フィールド（逐次露光時） ＭＰ…デバイ
ス・チップ１個分のマスク・パターン

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源を含む照明光学系と、 デバイス・チップの回路パターンに対応するマスク・パ
   ターンを有するフォトマスクと、 前記フォトマスクの透過光を拡大投影レンズに入射さ
   せ、前記マスク・パターンの像を基板上に投影する拡大
   投影光学系と、 前記照明光学系と前記拡大投影光学系の光軸上に基板を
   保持する基板ステージとを備えたことを特徴とする露光
   装置。
2. 【請求項２】 前記マスク・パターンが、基板上に形成
   されるデバイス・チップの全個数分の回路パターンに対
   応されてなることを特徴とする請求項１記載の露光装
   置。
3. 【請求項３】 前記マスク・パターンが、基板上に形成
   されるデバイス・チップの一部個数分の回路パターンに
   対応され、 前記光軸に垂直な面内で基板を移動させるための駆動手
   段が前記基板ステージに接続されたことを特徴とする請
   求項１記載の露光装置。
4. 【請求項４】 前記マスク・パターンの寸法が、前記回
   路パターンの寸法の１／Ｍ倍（ただし、Ｍは前記拡大投
   影レンズの拡大倍率を表す。）に設定されていることを
   特徴とする請求項１記載の露光装置。
5. 【請求項５】 デバイス・チップの回路パターンに対応
   するマスク・パターンを有するフォトマスクを照明光学
   系を用いて照明し、該フォトマスクの透過光を拡大投影
   光学系の拡大投影レンズに入射させ、該照明光学系と該
   拡大投影光学系の光軸上に保持された基板上に該マスク
   ・パターンの像を投影することを特徴とする露光方法。
6. 【請求項６】 基板上に形成されるデバイス・チップの
   全個数分の回路パターンに対応するマスク・パターンを
   有するフォトマスクを用い、前記投影を一括的に行うこ
   とを特徴とする請求項５記載の露光方法。
7. 【請求項７】 基板上に形成されるデバイス・チップの
   一部個数分の回路パターンに対応するマスク・パターン
   を有するフォトマスクを用い、基板を前記光軸に垂直な
   面内で移動させながら前記投影を逐次的に行うことを特
   徴とする請求項５記載の露光方法。