WO1999031717A1 - Procede d'exposition par projection et graveur a projection - Google Patents

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WO1999031717A1
WO1999031717A1 PCT/JP1998/005592 JP9805592W WO9931717A1 WO 1999031717 A1 WO1999031717 A1 WO 1999031717A1 JP 9805592 W JP9805592 W JP 9805592W WO 9931717 A1 WO9931717 A1 WO 9931717A1
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WO
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projection
exposure apparatus
mask
projection exposure
optical system
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Application number
PCT/JP1998/005592
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English (en)
French (fr)
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Shigeru Hirukawa
Kyoichi Suwa
Seiro Murakami
Masahiro Nei
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Nikon Corporation
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Publication date
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    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G—PHYSICS
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    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70216—Mask projection systems
    • G03F7/70358—Scanning exposure, i.e. relative movement of patterned beam and workpiece during imaging
    • G—PHYSICS
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    • G03F7/70425—Imaging strategies, e.g. for increasing throughput or resolution, printing product fields larger than the image field or compensating lithography- or non-lithography errors, e.g. proximity correction, mix-and-match, stitching or double patterning
    • G03F7/70475—Stitching, i.e. connecting image fields to produce a device field, the field occupied by a device such as a memory chip, processor chip, CCD, flat panel display

Definitions

  • the present invention is used to reduce a mask pattern via a projection optical system and transfer it onto a photosensitive substrate in a lithographic process for manufacturing, for example, a semiconductor device, a liquid crystal display device, or a thin film magnetic head.
  • the present invention relates to a projection exposure method and apparatus to be used, and a device manufacturing method using the projection exposure apparatus. Background art
  • the projection exposure apparatus used in the lithographic process for manufacturing semiconductor elements is designed to meet the following requirements: (1) to (8) in order to cope with the miniaturization of the exposure pattern and the accompanying improvement in alignment accuracy. Has progressed.
  • Step-and-repeat method that moves the image to the exposure area and repeats the exposure.
  • a part of the reticle pattern is reduced by a factor of 4 through the projection optical system to reduce the shot area on the wafer.
  • the reticle and the wafer are synchronously scanned with respect to the projection optical system while the Step-and-scan method for transferring a reticle pattern image to a mask area.
  • the transition from (mouth) to (c) is mainly based on the step-and-scan method, in which the area of each shot area on the wafer that can be exposed at one time is calculated using the projection optical system in a static state.
  • the size of the reticle has increased from 5 inches square (ie, about 127 mm square) to 6 inches square (ie, about 152 mm square), but each shot area has been enlarged.
  • a projection magnification of 1 Z 4 times cannot be achieved with a conventional 6-inch angle reticle if the original magnification of 1 Z 5 times cannot be drawn. has been edited.
  • the conventional projection exposure apparatus uses (2) reticle drawing accuracy, (e) exposure area (area of the shot area) on the wafer which can be transferred by one exposure (scanning exposure), It can be said that it has been determined by the size of the reticle that can be used, etc.
  • the pattern to be transferred has become finer and the area of the exposure area to be exposed at one time on a wafer has been increasing due to the further improvement in the integration degree of semiconductor devices.
  • To transfer such a fine pattern it is necessary to increase the numerical aperture of the projection optical system.However, simply increasing the numerical aperture decreases the optical depth of focus in inverse proportion to its square. I will. In particular. If the exposure area to be exposed at one time is large, it is difficult to keep the entire area of the exposure area within the range of the depth of focus.
  • the depth of focus can be defined optically using a numerical aperture or the like, or can be defined based on an error in the line width of an actually exposed pattern.
  • the focus position position in the optical axis direction of the projection optical system
  • the shape of the aerial image formed on the wafer changes, and the image is transferred onto the wafer.
  • the line width of the resist image is changed. Therefore, assuming a certain change in the exposure amount, even if both the exposure amount and the focus position change, the line width change amount of the pattern transferred on the wafer is, for example, 10% or less of the target value.
  • Such a range of the focus position is defined as “depth of focus by line width controllability”, and hereinafter, the depth of focus means the depth of focus by the line width controllability.
  • the reticle pattern has a predetermined drawing error, and the drawing error causes the line widths of the plurality of reticle patterns to be slightly different from each other. Therefore, the shape of the aerial image formed on the wafer varies due to the patterns, and this variation also causes a difference in the line width of the resist image.
  • the depth of focus at which a desired pattern can be transferred with an accurate line width is smaller than when the drawing error is small.
  • the fine pattern that is originally transferred with the numerical aperture increased and the depth of focus narrowed partially falls outside the range of the depth of focus and lacks resolution. Is inconvenient.
  • the size of the exposure area is the same, consider that the pattern of the reticle becomes large in proportion to the square of the reciprocal of the projection magnification from the reticle to the wafer, and therefore, reduce the projection magnification.
  • the line width on the reticle is increased (by increasing the reduction ratio). May be reduced on the wafer.
  • the projection magnification is unnecessarily reduced, for example, to 1 ⁇ 10 or less, the drawing area on the reticle becomes too large, and the reticle which can be procured at present cannot draw. I will.
  • the depth of focus when transferring a fine pattern must not be too narrow due to drawing errors, the pattern to be transferred must be contained in the pattern area of one reticle, and the throughput of the exposure process will be reduced. It was difficult to satisfy everything that was not done.
  • the present invention can reduce the influence of a pattern writing error on a reticle, and can form a pattern to be transferred onto a reticle having a size that can be obtained at present and in the near future, and a projection exposure method.
  • the primary purpose is to provide equipment.
  • a second object of the present invention is to provide a projection exposure method and a projection exposure apparatus which can reduce the influence of the drawing error and have a high throughput in the exposure step.
  • a third object of the present invention is to provide a method of manufacturing such a projection exposure apparatus.
  • the projection exposure apparatus is a projection exposure apparatus for projecting and exposing an image of a pattern formed on a mask (R) onto a substrate (W) via a projection optical system (PL).
  • the projection magnification from the mask (R) to the substrate (W) is set smaller than 1Z5 and larger than 1/10, and the numerical aperture of the projection optical system (PL) is set to 0.6 or more.
  • the projection magnification is 3
  • the drawing error on the mask is the same
  • the projection magnification is The line width error of the transferred image on the substrate can be reduced as compared with the case where the ratio is 1 to 4 to 1 Z5 times.
  • the overall line width error of the pattern formed on the substrate is reduced, and the depth of focus is increased by the line width controllability, so that the entire pattern can be transferred with high line width control accuracy. Since the mask pattern becomes larger than the pattern formed on the substrate at the reciprocal multiple of the projection magnification 3, if the projection magnification] 3 is excessively reduced, the mask pattern becomes too large.
  • the mask blank (mask substrate) of the size that can be incident cannot be drawn.
  • a projection optical system numerical aperture (PL) 0. By setting it to 6 or more, the depth of focus determined by the line width controllability can be made about 0.4 m or more, which is practical, as described later.
  • a stage system 22, 23, 26, 27 that moves the mask (R) and the substrate (W) synchronously with respect to the projection optical system (PL) is provided, and the mask (R) and the mask (R) are exposed during exposure. It is desirable that the substrate (W) and the projection optical system (PL) are synchronously scanned with respect to the projection optical system (PL) using the projection magnification of the projection optical system as a speed ratio.
  • the present invention is applied to a scanning exposure type projection exposure apparatus such as a step-and-scan method.
  • the scanning exposure type the The surface of the substrate only needs to be within the depth of focus within the lit exposure area, and the pattern width in the scanning direction can be expanded to the limit of the available mask blank. Since the exposure area can be increased, the effect of drawing errors can be reduced, and the throughput can be improved.
  • the outer shape of the mask be larger than 6 inches square (that is, about 152 mm square).
  • the projection magnification 3 is set in the range of 1 ⁇ 5 ⁇ ] 3> 1 ⁇ 10, almost the entire pattern to be transferred can be drawn (formed) within the mask.
  • the projection magnification of the projection optical system (PL) from the mask (R) to the substrate (W) is set to, for example, 1/6, and the outer shape of the mask is 9 inches square (that is, about 9 inches). 22 8 mm square)
  • the chip pattern is, for example, 1 G bit Bok DRAM the next generation 27 are sized and predicted X 1 3. 5 mm 2 on the substrate
  • the mask pattern in the projection magnification is 1/6 the magnitude of 1 62 X 8 1 mm 2
  • the projection magnification of the size of the mask pattern for 1 four times as in the conventional example becomes 1 0 8 X 54mm 2.
  • the projection magnification There is the size of the mask pattern at times 1/6 is a 150 X 198mm 2. Therefore, considering the necessary area such as alignment marks on the outer periphery of the pattern, when the projection magnification is 1 Z4, a 6-inch (152 mm) square mask blank may be used, but the projection magnification is 1 unit. At 6x, a 9-inch (228 mm) square mask blank can be used. If a mask larger than 9 inch square is used, a larger chip pattern can be handled.
  • the illumination light for exposure (exposure light)
  • a projection optical system to make the depth of focus determined by the linewidth controllability into a practical 0.4 m or more is used.
  • the numerical aperture is almost 0.65 or more, and the depth of focus determined by the linewidth controllability when using ArF excimer laser light (wavelength: 193 nm) with a wavelength of 200 nm or less as the exposure light is practically used.
  • the numerical aperture of the projection optical system to achieve a typical value of 0.4 m or more is about 0.6 or more. Therefore, when the projection magnification 3 is set to 1/6, when the KrF excimer laser light or the ArF excimer laser light is used as the exposure light, the numerical aperture of the projection optical system is 0.65 or more, respectively. Or it is desirable to be 0.6 or more. Further, when the projection magnification 3 is 1 to 6 times and the numerical aperture of the projection optical system is 0.6 using the ArF excimer laser beam, the ⁇ value which is a coherence factor is 0.7. By performing 2/3 annular illumination within the range of 5 to 0.8, the depth of focus due to linewidth control becomes particularly deep.
  • an aperture stop having an annular inner diameter of 2 ⁇ 3 having an outer diameter formed in the optical path of the illumination light for exposure is easily provided. Lighting can be realized.
  • a method of manufacturing a projection exposure apparatus includes the steps of: projecting and exposing an image of a pattern formed on a mask (R) onto a substrate (W) via a projection optical system; A mask stage (22, 23) for holding a mask is supplied, and a substrate stage (28) for holding the substrate is supplied.
  • a projection optical system the projection magnification from the mask (R) to the substrate (W) is set.
  • a projection optical system (PL) set to be smaller than 1Z5 times and larger than 1Z10 times is mounted on a predetermined support, and the numerical aperture of the projection optical system (PL) is set to 0.6 or more. Further, according to the various configurations of the projection exposure apparatus of the present invention, the manufacturing method is also changed.
  • the projection exposure method according to the present invention is directed to a projection exposure method for projecting and exposing an image of a pattern formed on a mask (R) onto a substrate (W) via a projection optical system (PL).
  • a mask with an external shape of 9 inch or more is used as the mask, and the projection magnification of the projection optical system (PL) from the mask (R) to the substrate (W) is set smaller than 1Z5 times and larger than 1Z10 times.
  • the numerical aperture of the shadow optics (PL) is set to 0.6 or more.
  • the projection magnification is 3, since; 3 is set in the range of 1Z5 to 1Z10, if the drawing error on the mask is the same, the projection magnification is 1 as in the conventional example.
  • the depth of focus due to the linewidth controllability becomes wider, so that the entire pattern can be transferred with high linewidth control accuracy.
  • the mask pattern becomes larger than the pattern formed on the substrate by the reciprocal multiple of the projection magnification] 3, but if it is 9 inches square or more, there is a margin including the alignment mark. Can be drawn.
  • the depth of focus determined by the line width controllability as described above can be made about 0.4 m or more for practical use.
  • the projection magnification 3 can be greater than 1Z10 times below 8 times 1 Roh (1 / / 8 ⁇ 3> 1/1 0), that you use the 1 2 inch square or more mask is desirable .
  • a device manufacturing method is a device manufacturing method using the projection exposure apparatus of the present invention, the method including a first step (step 103) of applying a photosensitive material onto a substrate (W).
  • a second step (step 105) of projecting and exposing the image of the pattern of the mask (R) onto the substrate (W) via the projection optical system (PL), and a third step of developing the substrate (W) (Step 106) and a fourth step (Step 107) of masking the substrate with the photosensitive material left in the third step to form an uneven pattern on the substrate (W). Things.
  • the projection optical system (PL) By setting the projection magnification to 1Z5 to 1Z10, the effects of mask pattern drawing errors are reduced, and fine patterns can be formed with high precision, and highly functional devices can be manufactured.
  • a device according to the present invention is a device manufactured using the projection exposure apparatus manufactured by the above-described method for manufacturing a projection exposure apparatus according to the present invention. High-performance devices have been obtained by using the projection exposure apparatus.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a projection exposure apparatus used in an example of an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 (a) is a plan view showing the case where one 6-inch reticle is used
  • Fig. 2 (b) is a plan view showing the case where three 9-inch reticles are used.
  • FIG. 3 (a) is a diagram showing a line-and-space pattern without drawing errors
  • FIG. 3 (b) is a diagram showing a line with a light-shielding portion and a space pattern
  • FIG. 3 (c) is a diagram showing a line-and-space pattern.
  • FIG. 3 (a) is a diagram showing a line-and-space pattern without drawing errors
  • FIG. 3 (b) is a diagram showing a line with a light-shielding portion and a space pattern
  • FIG. 3 (c) is a diagram showing a line-and
  • FIG. 4 is a diagram showing a narrow line and space pattern.
  • Figure 4 shows the line width when the exposure light is KrF excimer laser light or ArF excimer laser light and the projection magnification is 1 / A, 1/6, 1/8, or 1/10.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a calculation result of a focal depth based on controllability.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of a circuit pattern manufacturing process according to the embodiment of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 shows the step-and-scan projection exposure used in this example.
  • the exposure light IL consisting of a pulse laser beam with a wavelength of 248 nm emitted from an exposure light source 1 consisting of a KrF excimer laser light source is reflected by a mirror 4 for bending the optical path.
  • the light enters the fly eye lens 10 via the first lens 8A, the optical path bending mirror 9, and the second lens 8B.
  • the cross-sectional shape of the exposure light IL is shaped according to the incident surface of the fly-eye lens 10 by the beam shaping optical system composed of the first lens 8A and the second lens 8B.
  • the exposing light may be other excimer laser light such as ArF excimer laser light (wavelength: 193 nm), F2 laser light (wavelength: 157 nm), a harmonic of a YAG laser, or a mercury lamp.
  • the i-line (wavelength 365 nm) can also be used.
  • An aperture stop plate 11 for the illumination system is rotatably disposed on the exit surface of the fly-eye lens 10.
  • a circular aperture stop 13 for normal illumination is provided around the rotation axis of the aperture stop plate 11.
  • A, aperture stop for deformed illumination consisting of multiple eccentric small apertures 13 B, annular aperture stop for annular illumination 13 C, and small circular aperture stop for small coherence factor ( ⁇ value) 1 3D is formed. Then, by rotating the aperture stop plate 11 in the drive mode 12, a desired illumination system aperture stop can be arranged on the exit surface of the fly-eye lens 10.
  • Part of the exposure light IL that has passed through the aperture stop on the exit surface of the fly-eye lens 10 is reflected by the beam splitter 14 and then passes through the condenser lens 15 to an integrator sensor 1 composed of a photoelectric detector. It is incident on 6.
  • the main control system consisting of a computer (not shown) uses the detection signal of the integrator sensor 16 to detect the illuminance (pulse energy) of the exposure light IL on the surface of the wafer W and the integrated exposure amount at each point on the wafer W. Can be monitored indirectly.
  • the exposure light IL transmitted through the beam splitter 14 passes through the first relay lens 17 mm, and then passes through the fixed field stop (reticle blind) 18 A and the movable field stop 1 Pass 8B.
  • the fixed field stop 18 A and the movable field stop 18 B are arranged close to each other and almost on the conjugate plane with the pattern surface of the reticle R to be transferred.
  • the fixed field stop 18A is a field stop that defines the shape of a rectangular illumination area on the reticle R, and the movable field stop 18B exposes unnecessary portions at the start and end of scanning exposure. Used to close the illuminated area so that it is not compromised.
  • the exposure light IL that passed through the movable field stop 18B passed through the second relay lens 17B, the mirror 19 for bending the optical path, and the condenser lens 20, and was provided on the pattern surface (lower surface) of the reticle R.
  • the rectangular illumination area 2 1 R in the pattern area 31 is illuminated.
  • the pattern in the illuminated area 21 R of the reticle R is photographed through the projection optical system PL at a predetermined projection magnification ⁇ (3 is in the range of 1 ⁇ 5 to 1 ⁇ 10 in this example).
  • the image is reduced and projected onto an exposure area 21W on the wafer W coated with the resist.
  • An aperture stop 35 is arranged in an optical Fourier transform plane (pupil plane) with respect to the pattern surface of the reticle R in the projection optical system PL, and the numerical aperture NA is set by the aperture stop 35.
  • the Z axis is taken parallel to the optical axis AX of the projection optical system PL
  • the Y axis is taken along the scanning direction in a plane perpendicular to the Z axis
  • the X axis is taken along the non-scanning direction perpendicular to the scanning direction.
  • the reticle R is held on a reticle stage 22, and the reticle stage 22 is mounted on a reticle base 23 so as to be continuously movable in the Y direction by a linear motor. Further, the reticle stage 22 also incorporates a mechanism for finely moving the reticle R in the X, Y, and rotation directions ( while the wafer W is held by suction on the wafer holder 24 and the wafer holder 24 holds the wafer W).
  • the focus position (position in the Z direction) and the tilt angle are fixed on a Z tilt stage 25.
  • the Z tilt stage 25 is fixed on an XY stage 26.
  • the Z tilt stage 25 (the wafer W) is continuously moved in the Y direction on the base 27 and stepped in the X direction and the Y direction by the near-morning method.
  • a wafer stage 28 is constituted by the Z tilt stage 25, the XY stage 26, and the base 27.
  • the positions of the reticle stage 22 (reticle R) and the Z tilt stage 25 (wafer W) are each measured with high precision by a laser interferometer (not shown), and based on the measurement results, the main control system (not shown)
  • the operations of the reticle stage 22 and the wafer stage 28 are controlled by this.
  • the XY stage 26 is moved in synchronism with scanning the reticle R through the reticle stage 22 in the + Y direction (or -Y direction) with respect to the illumination area 21 R at the speed VR.
  • the reticle R By scanning the wafer W through the exposure area 21 with respect to 1 W in one Y direction (or + Y direction) at a speed j3 * VR (0 is a projection magnification from the reticle R to the wafer W), the reticle R
  • the pattern image in the pattern area 31 is sequentially transferred to one shot area SA on the wafer W.
  • a reference mark member 29 made of a glass substrate is fixed near the wafer holder 24 on the Z tilt stage 25, and a chromium film or the like, for example, a cross-shaped reference mark 30A is formed on the reference mark member 29. , 30B are formed, and an image processor for detecting the position of a wafer mark attached to each shot area on the wafer W on the side surface of the projection optical system PL. Alignment sensor 36 is installed. A reference mark (not shown) for the alignment sensor 36 is also formed on the reference mark member 29.
  • the alignment marks 32 A and 3 are also provided on both sides of the pattern area 31 of the reticle R, based on the positional relation obtained by converting the positional relation between the reference marks 30 A and 30 B by the projection magnification from the wafer to the reticle. 2B are formed, and image processing reticle alignment microscopes 34A and 34B are set on the alignment marks 32A and 32B via mirrors 33A and the like.
  • the alignment of the reticle R is performed, for example, with the center of the reference marks 3 OA and 30 B set to approximately the center of the exposure field of the projection optical system PL, the reference marks 3 OA and 30 B Is the exposure light from the bottom side
  • the images of the reference marks 30A and 30B are formed near the alignment marks 32A and 32B, and the alignment mark 32A with respect to the image of the reference mark 3OA is formed by one reticle alignment microscope 34A.
  • the other reticle alignment microscope 34B detects the displacement of the alignment mark 32B with respect to the image of the reference mark 30B, and corrects these displacements.
  • Alignment to 28 is performed. At this time, by observing the corresponding reference mark with the alignment sensor 36, an interval (baseline amount) from the detection center of the alignment sensor 36 to the center of the pattern image of the reticle R is calculated.
  • each shot on the wafer W is driven by driving the wafer stage 28 based on the position obtained by correcting the detection result of the alignment sensor 36 with the baseline amount.
  • the pattern image of the reticle R can be scanned and exposed with high overlay accuracy in the area.
  • DRAM a semiconductor device having a relatively small circuit pattern and a relatively small circuit pattern area (hereinafter referred to as an “element”).
  • the density of circuit patterns in DRAMs has almost quadrupled almost every three years, and the size of one device has been reduced to about 70%.
  • the storage capacity is almost quadrupled, and the number of elements is almost quadrupled, the area of one chip pattern is expanding.
  • SIA According to the prediction map (Semiconductor Industries Association US Semiconductor Industry Association), a second-generation chip patterns of 1 G-bit DRAM is said magnitude of 27 X 1 3. 5mm 2.
  • the original pattern (reticle pattern) on the reticle is 1 /] 3 times the area of each chip pattern exposed on the wafer. It is expanded to. Therefore, when performing exposure to the size of the chip patterns of 27 X 1 3. 5mm 2, the size of the reticle pattern if the projection magnification is 1/4 times is expanded to 1 08 X 54 mm 2, the projection magnification There atmospheric of the reticle pattern if 1Z6 times becomes 1 62 X 8 1 mm 2.
  • the reticle pattern is a pattern formed in the pattern area 31 if the reticle R in FIG. 1 is used.In practice, there is a need for a margin for forming the alignment marks 32A and 32B around the reticle R. Become.
  • the projection magnification is 1/4
  • 9-inch reticle (9-inch reticle) R9 When using a 9-inch reticle with a projection magnification of 1Z6 times as shown in Fig. 2 (c): 9, 1G can be drawn on one reticle.
  • the number of reticle patterns for the second generation chip pattern of bit DRAM is 1, 3, and 2, respectively. That is, in the 6-inch reticle R6 in FIG.
  • one reticle pattern C having a size four times larger than 27 ⁇ 13.5 mm 2 is formed, and in the 9-inch reticle R 9 in FIG. Three reticle patterns C 1, C 2, and C 3, which are four times the size of 27 X 1 3.5 mm 2 , are formed.
  • 27 X 13.5 Two reticle patterns D 1 and C 2 having a size six times as large as mm 2 are formed.
  • the entire reticle pattern that is 6 times the size of 27 x 13.5 mm 2 can be completely drawn in the effective area. Cannot be used because there is no. Assuming that the projection magnification is 1 Z8, the size of the reticle pattern is 216 x 108 mm
  • the processing time actually includes not only an exposure time in a narrow sense in which a reticle pattern image is exposed on a wafer but also an alignment time and a stage moving time.
  • the processing time when the projection magnification is 1/6 times is not simply 3Z2 times when the projection magnification is 14 times. Actually, the processing time of the former approaches 3 times less than 3 times 2 times the processing time of the latter.
  • the projection magnification is set to 1 ⁇ 6
  • the influence of the reticle pattern drawing error is reduced as compared with the case where the projection magnification is set to 1/4 ⁇ .
  • the line width of the second-generation circuit pattern of 1-Gbit DRAM is 160 to 150 nm. Therefore, a case where a line-and-space pattern image having a line width of 150 nm on a wafer is typically exposed is considered.
  • the line width at 150 nm is 60 O nm on the reticle, and when the projection magnification is 1Z6 times, the line width at 150 nm is 900 nm on the reticle. In the current reticle manufacturing technology, it is said that the pattern line width error on the reticle is about 35 nm on soil.
  • the line width error due to drawing error (manufacturing error) on the reticle during mass production of the second generation of 1-Gbit DRAMs becomes ⁇ 25 nm
  • the converted line width error is ⁇ 2.5 nm when the projection magnification is 1Z10 times, ⁇ 3.13 nm when the projection magnification is 1/8 times, and ⁇ 4.17 nm when the projection magnification is 1/6 times.
  • the projection magnification is 1Z4
  • the shape of an image formed by reducing and projecting the reticle pattern on a wafer also differs.
  • the reticle pattern As the line width of the light shielding portion becomes larger, the line width of a resist image formed on the wafer after development becomes larger.
  • the line-and-space pattern 37 shown in FIG. 3A is an original reticle pattern having no error with the shaded portion as a light-shielding portion, if the line width of the light-shielding portion becomes large due to a reticle drawing error. Then, the line 'and' space pattern 37A shown in FIG. 3 (b) is obtained, and when the line width of the light shielding portion is reduced, the line 'and' space pattern 37B shown in FIG. 3 (c) is obtained.
  • the line 'and' space pattern 37A shown in Fig. 3 (b) is used as the reticle pattern, the line width of the resist image becomes thicker, and the line & 'The use of space pattern 37B also reduces the line width of the resist image.
  • the exposure amount at which the width of the aerial image is 150 nm at the best focus position of the projection optical system is defined as the reference exposure amount. I do.
  • the exposure amount is assumed to substantially change up to 5% relative to the reference exposure amount, and the reticle pattern is converted into the reticle pattern on a wafer.
  • a halftone reticle with a transmittance of 8% was used, and the illumination optical system for exposure was 2Z3 annular illumination.
  • Two- and three-zone illumination is a two-thirds annular zone with an inner diameter of the outer diameter as an aperture stop for the illumination system. It means using an aperture stop with a mouth.
  • NA of the projection optical system is varied in the range of 0.50 to 0.75, and the ⁇ value (coherence factor of the illumination optical system) ( ⁇ value) was changed in the range of 0.45 to 0.90, and the depth of focus was obtained by the obtained line width controllability.
  • the contour map shown in Fig. 4 was obtained.
  • Fig. 4 (a1) to (a4) show that the projection magnification is 1Z4x, 1Z6x, 1 / 8x, and 1Z10x, respectively, using KrF excimer laser light as the exposure light.
  • Fig. 4 (b1) to (b4) show the contour maps of the depth of focus when the projection magnifications were 1 Z4 times, 1 Z6 times, and 1 F x excimer laser light, respectively, as the exposure light.
  • the contour map of the depth of focus when 1Z8 times and 1/10 times is shown.
  • the horizontal axis is the numerical aperture NA of the projection optical system
  • the vertical axis is the ⁇ value of the illumination optical system
  • the interval between contour lines corresponds to a 0.1 m depth of focus difference.
  • contour lines 38A to 38E have contour depths of 0.1 to 0.5 m, respectively.
  • the area between the contours 38 A and 38 B is an area with a depth of focus of 0.1 to 0.2 m, and the shaded area 39 A exceeding the contour 38 D is the depth of focus. Is an area of 0.4 to 0.6 xm.
  • hatched portions 39B, 39C, 39D to 39G shown in FIGS. 4 (a3), (a4), (bl) to (b4) 0.4 ⁇ m The above depth of focus is obtained.
  • the numerical aperture NA is 0 at a projection magnification of 1/4. Even with a projection optical system of 75, a maximum depth of focus of only about 0.2 xm can be obtained, whereas with a projection magnification of 1/6, the maximum at NA of 0.65 When the numerical aperture NA is about 0.7 / xm and the numerical aperture NA is 0.70, the maximum depth of focus is about 0.6 m. In this regard, it is extremely difficult to keep the stability of the autofocus control of the projection exposure system and the focus error including the defocus amount, wafer flatness, and process steps in the exposure area as a whole to about 0.2 m.
  • the shaded portions 39A to 39C, 40A, and 41A have a depth of focus of 0.4 m or more for practical use.
  • the obtained depth of focus is insufficient when the projection magnification is 1Z4 times (Fig. 4 (a1)).
  • a projection magnification of 1 to 6 times if a projection optical system with a numerical aperture NA of 0.65 or more is used, a focal depth of 0.4 m or more that can withstand practical use by selecting the ⁇ value will be obtained.
  • the pattern can be transferred with good line width controllability.
  • the projection magnification when using the ArF excimer laser light, as can be seen from FIGS. 4 (bl) to (b4), in order to obtain a depth of focus of 0.4 zm or more, the projection magnification must be 1Z4 At 2 ⁇ , a projection optical system with a numerical aperture NA of 0.62 or more is required, but when the projection magnification is 1Z6, a projection optical system with a numerical aperture NA of 0.60 is sufficient. . As the exposure wavelength becomes shorter, it becomes more difficult in design and manufacturing to increase the numerical aperture of the projection optical system.Therefore, even when using an ArF excimer laser as the exposure light source, the projection magnification should be 1Z6 times.
  • the projection magnification is 1Z6 times when the projection magnification is 1Z4 times when using either KrF excimer laser light or ArF excimer laser light as the exposure light. This is advantageous in terms of focal depth due to line width controllability.
  • a 9-inch reticle is used as the reticle R in FIG. 1, and the projection magnification 3 of the projection optical system PL from the reticle to the wafer is 1 ⁇ 6.
  • the pattern area 31 of the reticle R has two reticle patterns, each of which is an original pattern six times as large as 27 ⁇ 13.5 mm 2 , similarly to the 9-inch reticle R 9 shown in FIG. 2C. D 1 and D 2 are formed in advance.
  • step 101 of FIG. 5 a 9-inch square reticle R that is six times the chip pattern and on which a two-piece original pattern is formed is loaded on the reticle stage 22 of FIG.
  • step 102 a metal film is deposited on the wafer to be exposed (wafer W), and in step 103, a positive photoresist (positive type) is formed on the metal film on the wafer W.
  • the wafer W is loaded onto the wafer holder 24 of the projection exposure apparatus shown in FIG. At this time, for example, bri-alignment is performed based on the outer shape.
  • the pattern area 31 of the reticle R is aligned with the wafer stage 28 using the reference mark member 29 and the reticle alignment microscopes 34A and 34B.
  • the alignment sensor 36 is used. To detect the position of the wafer mark in a predetermined shot area on the wafer W, calculate the array coordinates of each shot area from the detection result, and perform alignment of each shot area of the wafer W based on the result. .
  • step 104 the numerical aperture NA of the projection optical system PL is set to 0.65 in order to obtain a focal depth of 0.4 m or more based on the result of FIG.
  • the plate 11 is rotated to set the aperture stop 13 C for annular illumination on the exit surface of the fly-eye lens 10.
  • the annular aperture of the aperture stop 13 C has an outer diameter ⁇ value of 0.75 and an inner diameter of 2 ⁇ 3, which enables 2 ⁇ 3 annular illumination.
  • the pattern image of the reticle R is exposed to each shot area on the wafer W by a scanning exposure method.
  • step 106 the photoresist on the wafer W is imaged.
  • an area corresponding to the image of the light shielding pattern in the reticle patterns D 1 and D 2 in FIG. 2C is left as a convex resist pattern.
  • step 107 the metal film on the wafer W is etched using the resist pattern as a mask, and then the resist pattern is removed, whereby a desired circuit pattern is formed on each shot area on the wafer W. It is formed.
  • the wafer W moves to the step of forming a circuit pattern of the next layer. At this time, in this example, since a depth of focus of 0.4 or more is obtained, a desired circuit pattern is formed with high line width control accuracy in each shot area on the wafer W.
  • a step for designing the function and performance of the device a step for manufacturing a reticle based on this step, and a wafer made from silicon material Steps to be performed, device assembling steps (including a dicing step, a bonding step, and a package step), and an inspection step are performed.
  • the present invention is applied to the case of exposing the second generation chip chip of a 1-Gbit DRAM, but the present invention is not limited to this. Needless to say, it can be applied to other devices such as a DRAM or a CPU having different line widths and chip sizes.
  • the original pattern enlarged 6 times is 150 ⁇ 198 mm 2 . Therefore, when the projection magnification is 1Z6, a 9 inch 228 mm) reticle can form the original pattern and alignment mark.
  • the projection magnification was set to 1/6 times.
  • the projection magnification by setting the projection magnification to 1Z8 or 1Z10, the focus by the line width controllability was set. The depth increases. Therefore, if a reticle larger than the 9-inch angle becomes available in the near future, the projection magnification may be set to 1Z8 or the like.
  • the projection magnification of the projection optical system from the reticle to the wafer in a range smaller than 1/5 and larger than 1Z10, the depth of focus due to line width controllability can be made wider than before. .
  • the influence of the reticle drawing error was obtained using the line'and space pattern.
  • the error in the transferred resist line width due to the reticle drawing error is caused by the line and space pattern.
  • the pattern is not limited to the AND / SPACE pattern, but applies to all patterns such as isolated lines, isolated spaces, and hole holes.
  • a lens system (refractive system) is assumed as the projection optical system.
  • the projection optical system not only a refraction system but also a reflection system or a power dioptric system (a catadioptric system) is used. Even when, etc. are used, a high depth of focus can be obtained by optimizing the projection magnification.
  • the type of reticle The present invention may be applied using a phase shift reticle such as a Shibuya-Levenson type besides a normal reticle or a halftone reticle.
  • the projection exposure apparatus incorporates an illumination optical system including a plurality of lenses, and a projection optical system into an exposure apparatus main body, performs optical adjustment, and performs a reticle stage and a wafer stage including a number of mechanical parts. It can be manufactured by attaching wires to the exposure equipment body, connecting wiring and piping, and then performing comprehensive adjustments (electrical adjustment, operation confirmation, etc.). It is desirable that the projection exposure apparatus be manufactured in a clean room where the temperature, cleanliness, etc. are controlled.
  • the present invention can be applied not only to a scanning exposure type projection exposure apparatus such as a step-and-scan method, but also to a batch exposure type projection exposure apparatus such as a stepper.
  • the projection exposure apparatus and the projection exposure method of the present invention since the projection magnification is set in the range of 1 to 5 to 1Z10, the effect of mask pattern drawing errors can be reduced, and This has the advantage that a pattern to be transferred to a reticle of a size available in the future can be formed.
  • the numerical aperture of the projection optical system is 0.6 or more, the depth of focus determined by the line width controllability can be set within a practical range, so that the design and manufacture of the projection exposure apparatus become easy, and the projection exposure apparatus becomes easy. Cost can be kept low. Reverse
  • the present invention can obtain a practical depth of focus even for a finer pattern, and the pattern of a semiconductor device or the like can be further miniaturized. It is.
  • the exposure area in one exposure can be increased, so that the influence of drawing errors can be reduced. This has the advantage of improving throughput.
  • the pattern to be transferred onto the substrate is not reduced so much even when the projection magnification is set in the range of 1 to 5 to 10 Since the original pattern can be drawn on the mask, it is possible to increase the throughput of the exposure process and perform the exposure efficiently.
  • the outer shape of the mask is 9 inches or more, for example, when the projection magnification is 1Z6, the effect of drawing errors of the mask pattern is reduced, and even if the pattern is minute, The depth of focus due to the width controllability can be extended to a practical level.
  • a 9-inch square or larger mask is used. For example, two or more original patterns of next-generation 1-Gbit DRAM chip patterns can be drawn on the mask, thereby increasing the throughput of the exposure process. be able to.
  • the projection exposure apparatus of the present invention since the projection exposure apparatus of the present invention is used, the depth of focus due to the line width controllability is increased. Therefore, a fine pattern can be formed with high line width control accuracy. As a result, highly functional devices can be manufactured.

Landscapes

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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

明 細 投影露光方法及び装置 技術分野
本発明は、 例えば半導体素子、 液晶表示素子、 又は薄膜磁気ヘッド等 を製造するためのリソグラフイエ程でマスクパターンを投影光学系を介 して縮小して感光性の基板上に転写するために使用される投影露光方法 及び装置、 並びにその投影露光装置を用いたデバイスの製造方法に関す る。 背景技術
半導体素子を製造するためのリソグラフイエ程で用いられる投影露光 装置は、 露光パターンの微細化と、 それに伴う位置合わせ精度の向上と に対応するため、 以下の （ィ） 〜 （八） の順で進歩してきた。
(ィ） マスクとしてのレチクルとウェハとを一体的に等倍の投影光学 系に対して走查することによって、 ウェハの全面にレチクルのパターン 像を転写するァライナー方式。
(口） レチクルのパターンを投影光学系を介して 1ノ 5倍に縮小して ウェハ上の 1つのショット領域に転写した後、 ウェハステージをステツ ビング駆動することによってウェハ上の次のショッ 卜領域を露光領域に 移動して露光を繰り返すステップ · アンド · リピー卜方式。
(八） ウェハ上の露光対象のショッ ト領域を走査開始位置にステツピ ングした後、 レチクルのパターンの一部を投影光学系を介して 1ノ 4倍 に縮小してウェハ上の当該ショッ ト領域内に投影した状態で、 レチクル とウェハとを投影光学系に対して同期走査することによってそのショッ 卜領域にレチクルのパターン像を転写するステップ ·アンド ·スキャン 方式。
以上の進歩の過程において、 （ィ） から （口） への移行は、 等倍の転 写では露光に使用するレチクルのパターン線幅や位置精度が描画誤差の 限界に達してしまったのに対して、 縮小投影することによって、 レチク ル上での描画誤差をウェハ上では縮小できる利点があることによる。 ま た、 縮小投影することによって、 異なるレイヤのパターン同士の重ね合 わせ精度が向上する利点もある。
更に、 （口） から （ハ） への移行は、 主にステップ · アンド · スキヤ ン方式には、 1度に露光できるウェハ上の各ショッ ト領域の面積を、 静 止状態で投影光学系を介して露光できる露光領域よりも大きくできる利 点があることによる。 更に、 レチクルの大きさは 5インチ角 （即ち、 約 1 2 7 mm角） から 6インチ角 （即ち、 約 1 5 2 mm角） へと拡大して 来ているが、 各ショッ ト領域を大面積化できることに伴って、 投影倍率 力 1 Z 5倍のままでは従来の 6ィンチ角のレチクルであっても露光すベ き原版パターンを描画しきれないために、 投影倍率は 1 Z 4倍に変更さ れている。
上記の如く従来の投影露光装置の方式は、 （二） レチクルの描画精度、 (ホ） 一回の露光 （走査露光） で転写できるウェハ上での露光面積 （シ ヨット領域の面積） 、 （へ） 使用できるレチクルのサイズ、 等によって 決定されてきたとも言える。
近時は、 半導体素子の集積度の一層の向上により、 転写すべきパター ンは益々微細化されると共に、 ウェハ上で一度に露光すべき露光領域の 面積は大型化している。 このように微細なパターンを転写するためには, 投影光学系の開口数を大きくする必要があるが、 単に開口数を大きくす るとその自乗に反比例して光学的な焦点深度が浅くなつてしまう。 特に. 一度に露光すべき露光領域が広い場合には、 その露光領域の全面を焦点 深度の範囲内に収めるのが困難となる。
これに関して、 焦点深度は開口数等を用いて光学的に定義する他に、 実際に露光されるパターンの線幅の誤差に基づいて定義することも可能 である。 即ち、 露光の際にレジストが塗布されたウェハのフォーカス位 置 （投影光学系の光軸方向の位置） が変化すると、 ウェハ上に形成され る空間像の形状が変化するため、 ウェハ上に転写されるレジスト像の線 幅が変化する。 そこで、 或る一定の露光量変化を前提として、 露光量及 びフォーカス位置の両方が変化してもウェハ上に転写されるパターンの 線幅変化量が例えば目標値の土 1 0 %以下であるようなフォーカス位置 の範囲を 「線幅制御性による焦点深度」 と定義し、 以下では焦点深度と はその線幅制御性による焦点深度を意味するものとする。 また、 レチク ルのパターンには所定の描画誤差が有るが、 この描画誤差によってレチ クルの複数のパターンの線幅は互いに微妙に異なることになる。 従って、 それらのパターンによってウェハ上に形成される空間像の形状にもばら つきが生じ、 このばらつきもレジスト像の線幅の差となる。
このため、 レチクルの描画誤差が大きい場合には、 描画誤差が小さい 場合に比べて、 所望のパターンを正確な線幅で転写可能な焦点深度はよ り狭くなる。 このように、 レチクルの描画誤差によって焦点深度が減少 すると、 元々開口数を大きくして焦点深度が狭い状態で転写する微細パ ターンにおいては、 部分的に焦点深度の範囲外にはみ出て解像度不足等 が生ずる不都合がある。 それを避けるためには、 露光領域の大きさが同 じ場合にはレチクルからウェハへの投影倍率の逆数の自乗に比例してレ チクルのパターンが大きくなることに鑑みて、 その投影倍率を小さくし て （縮小率を大きくして） 、 ウェハ上のパターンサイズが同一でもレチ クル上のパターンサイズを大きくすることによって、 レチクル上の線幅 の描画誤差の影響をウェハ上で軽減すればよい。 これに対して、 投影倍 率を例えば 1 Z 1 0倍以下というようにむやみに小さくすると、 レチク ル上の描画領域が大きくなり過ぎて、 現状で調達可能なレチクルには描 画しきれなくなってしまう。
また、 レチクル上のパターン領域を同程度として、 投影倍率を小さく する方法もあるが、 この場合に投影倍率をむやみに小さくすると、 ゥェ ハ上に一度で転写できる領域の面積が減少するため、 露光工程のスルー プッ ト （生産性） が低下してしまうという不都合がある。
上述のように、 微細なパターンを転写する際の焦点深度を描画誤差に よって狭く し過ぎないこと、 転写すべきパターンを 1枚のレチクルのパ ターン領域に収めること、 及び露光工程のスループットを低下させない ことを全て満たすことは困難であった。
本発明は斯かる点に鑑み、 レチクル上のパターンの描画誤差の影響を 軽減できると共に、 現状及び近い将来に入手可能な大きさのレチクルに 転写すべきパターンを形成できる投影露光方法、 及び投影露光装置を提 供することを第 1の目的とする。
更に、 本発明は、 そのように描画誤差の影響を軽減できると共に、 露 光工程のスループッ卜が高い投影露光方法、 及び投影露光装置を提供す ることを第 2の目的とする。
また、 本発明は、 そのような投影露光装置の製造方法を提供すること を第 3の目的とする。
更に、 本発明はそのような投影露光装置を用いて微細なパターンを高 精度に形成できるデバイスの製造方法、 及びそのような投影露光装置を 用いて製造されるデバイスを提供することを第 4の目的とする。 発明の開示 本発明による投影露光装置は、 マスク （R) に形成されたパターンの 像を投影光学系 （PL) を介して基板 （W) 上に投影露光する投影露光 装置において、 投影光学系 （PL) のマスク （R) から基板 （W) に対 する投影倍率を 1Z5倍より小さく 1/10倍より大きく設定し、 投影 光学系 （PL) の開口数を 0. 6以上としたものである。
斯かる本発明によれば、 投影倍率を 3とすると、 ]3を 1/5〜1Z1 0の範囲に設定したため、 マスク上での描画誤差が同じであるとすると、 従来例のように投影倍率が 1ノ4〜 1 Z5倍の場合に比べて、 基板上で の転写像の線幅誤差を小さくできる。 これにより、 基板上に形成される パターンの総合的な線幅誤差が小さくなり、 線幅制御性による焦点深度 が広くなるため、 パターン全体を高い線幅制御精度で転写できる。 なお、 基板上に形成されるパターンに対して、 マスクパターンは投影倍率 3の 逆数倍で大きくなるため、 むやみに投影倍率 ]3を小さくするとマスクパ ターンが大きくなり過ぎて、 現状及び近い将来に入射可能な大きさのマ スクブランク （マスク基板） には描画しきれなくなる。 しかし、 投影倍 率 3が 1Z10倍より大きければ、 マスクパターンはそれ程大きくなら ないため、 現状及び近い将来に入手可能なマスクブランクを利用できる c また、 投影光学系 （PL) の開口数を 0. 6以上とすることによって、 後述のように線幅制御性によって定まる焦点深度を実用的な 0. 4 m 程度以上にできる。
この場合、 マスク （R) と基板 （W) とを投影光学系 （PL) に対し て同期して移動するステージ系 （22， 23, 26, 27 ) を設け、 露 光時にマスク （R) と基板 （W) とを投影光学系 （PL) に対してこの 投影光学系の投影倍率を速度比として同期走査することが望ましい。 こ れは、 本発明をステップ · アンド · スキャン方式のような走査露光型の 投影露光装置に適用することを意味する。 走査露光型では、 基板上のス リット状の露光領域内でのみ基板の表面を焦点深度の幅内に収めればよ いと共に、 走査方向のパターン幅は入手可能なマスクブランクの限界ま で広げることができ、 一回の露光での露光面積を広くできるため、 描画 誤差の影響を軽減した上でスループッ 卜が向上できる。
次に、 本発明においては、 そのマスクの外形を 6インチ角 （即ち、 約 1 52mm角） を超える大きさにすることが望ましい。 マスクを 6イン チ角以上とすることによって、 投影倍率 3を 1Ζ5〉]3> 1Ζ1 0 の 範囲に設定しても、 転写対象のパターンの全体をほぼそのマスク内に描 画 （形成） できる。 この場合、 6インチ角を超える大きさのマスクを保 持するマスクステージを備えることが望ましい。
更に、 本発明においては、 投影光学系 （PL) のマスク （R) から基 板 （W) に対する投影倍率を例えば 1/6倍に設定し、 そのマスクの外 形を 9インチ角 （即ち、 約 22 8mm角） 以上にしてもよい。 この際に、 基板上でのチップパターンが例えば 1 Gビッ卜 DRAMの次世代の大き さと予想されている 27 X 1 3. 5 mm2 とすると、 投影倍率が 1/6 倍の場合のマスクパターンの大きさは 1 62 X 8 1mm2 となり、 投影 倍率が従来例のように 1 4倍の場合のマスクパターンの大きさは 1 0 8 X 54mm2 となる。 従って、 従来の 6インチ角のマスクを使用する ものとして、 ァライメントマークの余裕を確保すると、 投影倍率が 1Z 6倍では 1チップ分のマスクパターンも描画できず、 投影倍率が 1/4 倍では 1チップ分のマスクパターンを描画できる程度である。 この場合、 同一の描画誤差が有るものとすると、 投影倍率が 1 / 6倍の場合の基板 上での線幅誤差は、 投影倍率が 1 / 4倍の場合に比べて 2 Z 3に減少す るが、 6ィンチ角のマスクではそのような描画誤差の影響の減少を享受 できないことになる。
これに対して、 最近入手可能となりつつある 9インチ （ 228mm) 角のマスクを使用するものとすると、 投影倍率が 1 Z6倍では 2チップ 分のマスクパターンを描画でき、 投影倍率が 1 Z 4倍では 3チップ分の マスクパターンを描画できる。 従って、 投影倍率を 1Z6倍として、 9 ィンチ角のマスクを使用することによって、 投影倍率が 1 /4倍の場合 に比べて描画誤差の影響を 2Z3にできると共に、 2個取りのマスクパ ターンを描画できるため高いスループッ トが得られる。 この場合、 その 描画誤差の影響の減少によって、 線幅制御性による焦点深度が深くなる ため、 転写パターンの線幅制御精度が向上する。
また、 基板上での露光領域 （チップパターン） の大きさが 25 X 33 mm2 である場合には、 投影倍率が 1 Z4倍でのマスクパターンの大き さは 100 X 1 32 mm2 、 投影倍率が 1 / 6倍でのマスクパターンの 大きさは 150 X 198mm2 である。 従って、 パターン外周部に必要 なァライメントマーク等の領域を加えて考えると、 投影倍率が 1 Z4倍 のときには 6インチ （ 1 52 mm) 角のマスクブランクを用いればよ いが、 投影倍率が 1ノ6倍のときには 9インチ （ 228 mm) 角のマ スクブランクが使用可能である。 また、 9インチ角より更に大きいマス クを使用すると、 より大きなチップパターンにも対応できる。
なお、 マスクの描画誤差の影響を低減するために、 更に投影倍率を小 さくして （縮小率を大きくして） 、 例えば 1/8倍とした場合には、 基 板上での 25 X 33 mm2 は、 マスク上では 200 X 264 mm2 に相 当し、 12インチ （=304 mm) 角程度のマスクブランクが必要とな る。 従って、 投影倍率 3が 1Z8倍以下で 1Z10倍より大きいとき (1/8≥]3>1//10) には、 12インチ角以上のマスクを使用する ことが望ましい。
また、 本発明において、 投影光学系の投影倍率 /3を 1Z6倍とした場 合、 本発明者のシミュレーションによれば、 露光用の照明光 （露光光） として波長が 200 nm以上である K r Fエキシマレーザ光 （波長 24 8 nm) を使用したときに線幅制御性によって定まる焦点深度を実用的 な 0. 4 m以上とするための投影光学系の開口数はほぼ 0. 6 5以上 であり、 露光光として波長が 200 nm以下である Ar Fエキシマレー ザ光 （波長 1 9 3 nm) を使用したときに線幅制御性によって定まる焦 点深度を実用的な 0. 4 m以上とするための投影光学系の開口数はほ ぼ 0. 6以上である。 従って、 投影倍率 3を 1/6倍とした場合、 露光 光として K r Fエキシマレ一ザ光、 又は A r Fエキシマレーザ光を使用 するときにはそれぞれ投影光学系の開口数を 0. 6 5以上、 又は 0. 6 以上とすることが望ましい。 更に、 A r Fエキシマレーザ光を使用して、 投影倍率 3を 1ノ6倍、 投影光学系の開口数を 0. 6とした場合には、 コヒ一レンスファクタである σ値を 0. 7 5〜0. 8の範囲とした 2Ζ 3輪帯照明を行うことによって、 線幅制御性による焦点深度が特に深く なる。
また、 2Ζ3輪帯照明を行う際には、 内径が外径の 2Ζ 3の輪帯状の 開口が形成された開口絞りをその露光用の照明光の光路に設けることに よって、 容易にその輪帯照明を実現することができる。
次に、 本発明による投影露光装置の製造方法は、 マスク （R) に形成 されたパターンの像を投影光学系を介して基板 （W) 上に投影露光する 投影露光装置の製造方法において、 そのマスクを保持するマスクステー ジ （ 22, 23 ) を供給し、 その基板を保持する基板ステージ （28) を供給し、 その投影光学系としてそのマスク （R) からその基板 （W) に対する投影倍率を 1Z5倍より小さく 1Z1 0倍より大きく設定した 投影光学系 （PL) を所定の支持台に取り付け、 その投影光学系 （PL) の開口数を 0. 6以上としたものである。 更に、 上記の本発明の投影露 光装置の種々の構成に応じて、 その製造方法も変更されている。 次に、 本発明による投影露光方法は、 マスク （R) に形成されたパ夕 一ンの像を投影光学系 （PL) を介して基板 （W) 上に投影露光する投 影露光方法において、 そのマスクとして外形が 9ィンチ角以上のマスク を用い、 その投影光学系 （PL) のマスク （R) から基板 （W) に対す る投影倍率を 1Z5倍より小さく 1Z10倍より大きく設定し、 その投 影光学系 （PL) の開口数を 0. 6以上としたものである。
斯かる本発明によれば、 投影倍率を 3とすると、 ；3を 1Z5〜1Z1 0の範囲に設定したため、 マスク上での描画誤差が同じであるとすると、 従来例のように投影倍率が 1 Z4〜 1 Z 5倍の場合に比べて、 線幅制御 性による焦点深度が広くなるため、 パターン全体を高い線幅制御精度で 転写できる。 なお、 基板上に形成されるパ夕一ンに対して、 マスクパ夕 ーンは投影倍率 ]3の逆数倍で大きくなるが、 9インチ角以上であればァ ライメントマークも含めて余裕を持って描画することができる。 また、 投影光学系の開口数を 0. 6以上とすることによって、 上記のように線 幅制御性によって定まる焦点深度を実用的な 0. 4 m程度以上にでき る。 この場合も、 投影倍率 3が 1ノ8倍以下で 1Z10倍より大きいと き (1//8≥ 3〉 1/1 0) には、 1 2インチ角以上のマスクを使用す ることが望ましい。
次に、 本発明によるデバイスの製造方法は、 本発明の投影露光装置を 用いたデバイスの製造方法であって、 基板 （W) 上に感光材料を塗布す る第 1工程 （ステップ 1 03) と、 マスク （R) のパターンの像を投影 光学系 （PL) を介して基板 （W) 上に投影露光する第 2工程 （ステツ プ 1 0 5) と、 基板 （W) を現像する第 3工程 （ステップ 1 06) と、 この第 3工程で残される感光材料によってその基板をマスキングして、 その基板 （W) 上に凹凸のパターンを形成する第 4工程 （ステップ 1 0 7) と、 を有するものである。 本発明によれば、 投影光学系 （PL) の 投影倍率を 1Z5〜1Z1 0倍に設定するため、 マスクパターンの描画 誤差の影響が軽減され、 微細なパターンを高精度に形成でき、 高機能の デバイスが製造できる。
また、 本発明によるデバイスは、 上記の本発明による投影露光装置の 製造方法によって製造された投影露光装置を使用して製造されたデバイ スである。 その投影露光装置の使用によって、 高機能のデバイスが得ら れている。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施の形態の一例で使用される投影露光装置を示す 斜視図である。 図 2 (a) は、 6インチレチクルを 1個取りで使用する 場合を示す平面図、 図 2 (b) は 9インチレチクルを 3個取りで使用す る場合を示す平面図、 図 2 (c ) は 9インチレチクルを 2個取りで使用 する場合を示す平面図である。 図 3 (a) は描画誤差の無いライン · ァ ンド · スペースパターンを示す図、 図 3 (b) は遮光部が広いライン， アンド · スペースパターンを示す図、 図 3 (c ) は遮光部が狭いライン ' アンド · スペースパターンを示す図である。 図 4は、 露光光を K r F エキシマレーザ光、 又は A r Fエキシマレ一ザ光として、 投影倍率を 1 / A, 1 /6 , 1 / 8 , 又は 1 / 1 0とした場合の線幅制御性による焦 点深度の計算結果を示す図である。 図 5は、 本発明の実施の形態におけ る回路パターンの製造工程の一例を示すフローチャートである。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の好適な実施の形態の一例につき図面を参照して説明す る。
図 1は本例で使用されるステップ ' アンド · スキャン方式の投影露光 装置を示し、 この図 1において、 K r Fエキシマレ一ザ光源よりなる露 光光源 1から射出される波長 2 4 8 n mのパルスレーザ光よりなる露光 光 I Lは、 光路折り曲げ用のミラー 4で反射された後、 第 1 レンズ 8 A、 光路折り曲げ用のミラ一 9、 及び第 2レンズ 8 Bを介してフライアイレ ンズ 1 0に入射する。 第 1 レンズ 8 A、 及び第 2レンズ 8 Bより構成さ れるビーム整形光学系によって、 露光光 I Lの断面形状がフライアイレ ンズ 1 0の入射面に合わせて整形される。 なお、 露光光としては、 A r Fエキシマレーザ光 （波長 1 9 3 n m) 等の他のエキシマレーザ光、 F 2 レーザ光 （波長 1 5 7 n m) 、 Y A Gレーザの高調波、 又は水銀ラン プの i線 （波長 3 6 5 n m) 等も使用できる。
フライアイレンズ 1 0の射出面には、 照明系の開口絞り板 1 1が回転 自在に配置され、 開口絞り板 1 1の回転軸の周りには、 通常照明用の円 形の開口絞り 1 3 A、 複数の偏心した小開口よりなる変形照明用の開口 絞り 1 3 B、 輪帯照明用の輪帯状の開口絞り 1 3 C、 及び小さい円形の 小さいコヒーレンスファクタ （σ値） 用の開口絞り 1 3 Dが形成されて いる。 そして、 開口絞り板 1 1を駆動モー夕 1 2で回転することによつ て、 フライアイレンズ 1 0の射出面に所望の照明系開口絞りを配置でき るように構成されている。
フライアイレンズ 1 0の射出面の開口絞りを通過した露光光 I Lの一 部は、 ビームスプリツ夕 1 4にて反射された後、 集光レンズ 1 5を介し て光電検出器よりなるインテグレー夕センサ 1 6に入射する。 不図示の コンピュータよりなる主制御系は、 インテグレー夕センサ 1 6の検出信 号より露光光 I Lのウェハ Wの表面での照度 （パルスエネルギー） 、 及 びウェハ W上の各点での積算露光量を間接的にモニタできる。 ビームス プリッ夕 1 4を透過した露光光 I Lは、 第 1リレーレンズ 1 7 Αを経て 順次固定視野絞り （レチクルブラインド） 1 8 A、 及び可動視野絞り 1 8 Bを通過する。 固定視野絞り 1 8 A、 及び可動視野絞り 1 8 Bは近接 して、 ほぼ転写対象のレチクル Rのパターン面との共役面に配置されて いる。 固定視野絞り 1 8Aは、 レチクル R上の矩形の照明領域の形状を 規定する視野絞りであり、 可動視野絞り 1 8 Bは、 走査露光の開始時及 び終了時に不要な部分への露光が行われないように照明領域を閉じるた めに使用される。
可動視野絞り 1 8 Bを通過した露光光 I Lは、 第 2リレーレンズ 1 7 B、 光路折り曲げ用のミラ一 1 9、 及びコンデンサレンズ 20を経て、 レチクル Rのパターン面 （下面） に設けられたパターン領域 3 1内の矩 形の照明領域 2 1 Rを照明する。 露光光 I Lのもとで、 レチクル Rの照 明領域 2 1 R内のパターンは、 投影光学系 PLを介して所定の投影倍率 β (本例では 3は 1Ζ5〜 1Ζ1 0の範囲内） でフォトレジストが塗布 されたウェハ W上の露光領域 2 1Wに縮小投影される。 投影光学系 PL 内のレチクル Rのパターン面に対する光学的フーリエ変換面 （瞳面） 内 には開口絞り 3 5が配置されており、 開口絞り 35によって開口数 NA が設定される。 以下、 投影光学系 PLの光軸 AXに平行に Z軸を取り、 Z軸に垂直な平面内で走査方向に沿って Y軸を取り、 走査方向に垂直な 非走査方向に沿って X軸を取って説明する。
レチクル Rはレチクルステージ 22上に保持され、 レチクルステージ 22はレチクルベース 23上にリニアモー夕によって Y方向に連続移動 できるように載置されている。 更に、 レチクルステージ 22には、 レチ クル Rを X方向、 Y方向、 回転方向に微動する機構も組み込まれている ( 一方、 ウェハ Wはウェハホルダ 24上に吸着保持され、 ウェハホルダ 2 4はウェハ Wのフォーカス位置 （Z方向の位置） 及び傾斜角を制御する Zチルトステージ 25上に固定され、 Zチルトステージ 25は XYステ —ジ 26上に固定され、 XYステージ 26は例えば送りねじ方式又はリ ニァモー夕方式によって、 ベース 2 7上で Zチルトステージ 2 5 (ゥェ ハ W) を Y方向に連続移動すると共に、 X方向及び Y方向にステツピン グ移動する。 Zチルトステージ 2 5、 X Yステージ 2 6、 及びべ一ス 2 7よりウェハステージ 2 8が構成されている。 レチクルステージ 2 2 (レチクル R ) 、 及び Zチルトステージ 2 5 (ウェハ W) の位置はそれ ぞれ不図示のレーザ干渉計によって高精度に計測され、 この計測結果に 基づいて不図示の主制御系によってレチクルステージ 2 2及びウェハス テ一ジ 2 8の動作が制御されている。
走查露光時には、 レチクルステージ 2 2を介してレチクル Rを照明領 域 2 1 Rに対して + Y方向 （又は— Y方向） に速度 V Rで走査するのと 同期して、 X Yステージ 2 6を介してウェハ Wを露光領域 2 1 Wに対し て一 Y方向 （又は + Y方向） に速度 j3 * V R ( 0はレチクル Rからゥェ ハ Wへの投影倍率） で走査することによって、 レチクル Rのパターン領 域 3 1内のパターン像がウェハ W上の 1つのショット領域 S Aに逐次転 写される。 その後、 X Yステージ 2 6をステッピングさせてウェハ上の 次のショッ ト領域を走査開始位置に移動して、 走査露光を行うという動 作がステップ · アンド ·スキャン方式で繰り返されて、 ウェハ W上の各 ショッ ト領域への露光が行われる。 この際に、 インテグレー夕センサ 1 6の検出信号に基づいて、 各ショッ ト領域上の各点に対する露光量が制 御される。
このような露光を行うためには、 予めレチクル Rとウェハ Wとのァラ ィメントを行っておく必要がある。 そこで、 Zチルトステージ 2 5上の ウェハホルダ 2 4の近傍にガラス基板よりなる基準マーク部材 2 9が固 定され、 基準マーク部材 2 9上にクロム膜等で例えば十字型の基準マー ク 3 0 A， 3 0 Bが形成され、 投影光学系 P Lの側面にウェハ W上の各 ショッ ト領域に付設されたウェハマークの位置を検出するための画像処 理方式のァライメントセンサ 3 6が設置されている。 基準マーク部材 2 9上には、 ァライメントセンサ 3 6用の基準マーク （不図示） も形成さ れている。 また、 レチクル Rのパターン領域 3 1の両側にも、 基準マー ク 3 0 A， 3 0 Bの位置関係をウェハからレチクルへの投影倍率で変換 した位置関係で、 ァライメントマーク 3 2 A， 3 2 Bが形成されており、 ァライメントマーク 3 2 A, 3 2 B上にミラー 3 3 A等を介して画像処 理方式のレチクルァライメント顕微鏡 34 A, 34 Bが設置されている。 そして、 レチクル Rのァライメントを行う際には、 一例として、 基準 マーク 3 O A, 3 0 Bの中心を投影光学系 P Lの露光フィールドのほぼ 中心に設定した状態で、 基準マーク 3 O A, 3 0 Bが底面側から露光光
1 Lと同じ波長域の照明光で照明される。 基準マーク 3 0 A, 3 0 Bの 像はァライメン卜マーク 3 2 A， 3 2 Bの近傍に形成され、 一方のレチ クルァライメント顕微鏡 34Aで基準マーク 3 O Aの像に対するァライ メントマーク 3 2 Aの位置ずれ量を検出し、 他方のレチクルァライメン 卜顕微鏡 34 Bで基準マーク 3 0 Bの像に対するァライメントマ一ク 3 2 Bの位置ずれ量を検出し、 これらの位置ずれ量を補正するようにレチ クルステージ 2 2を位置決めすることで、 レチクル Rのウェハステージ
2 8に対する位置合わせが行われる。 この際に、 ァライメントセンサ 3 6で対応する基準マークを観察することで、 ァライメントセンサ 3 6の 検出中心からレチクル Rのパターン像の中心までの間隔 （ベースライン 量） が算出される。 ウェハ W上に重ね合わせ露光を行う場合には、 ァラ ィメントセンサ 3 6の検出結果をそのベースライン量で補正した位置に 基づいてウェハステージ 2 8を駆動することで、 ウェハ W上の各ショッ 卜領域にレチクル Rのパターン像を高い重ね合わせ精度で走査露光でき る。
次に、 本例の投影露光装置を用いてウェハ W上の各ショット領域に所 定の半導体デバイスの回路パターンを露光する場合につき説明する。 以 下では、 回路パターンが微細で、 且つ最小単位となる回路パターン （以 下、 「素子」 と呼ぶ） の面積が比較的小さな半導体デバイスである DR AMの露光を行うものとする。 DRAMはほぼ 3年毎に回路パターンの 集積度がほぼ 4倍になっており、 それに伴って 1つの素子の大きさは 7 0 %程度に縮小されている。 但し、 記憶容量はほぼ 4倍になり、 それに 伴って素子数もほぼ 4倍になるため、 1つのチップパターンの面積は却 つて拡大している。 また、 集積度が同じでも各素子の構造を小さくでき れば、 1枚のウェハ上に形成できるチップパターンの数が増えるため、 同一集積度でも素子の大きさを最初の 80 %程度とした 「第 2世代」 と いわれるチップパターンが製造されるのが通例である。 このような第 2 世代のチップパターンの面積は素子の微細化の程度に応じて小さくなる。 一例として、 S I A (Semiconductor Industries Association ：米国 半導体工業会） の予測マップによれば、 1 Gビット DRAMの第 2世代 のチップパターンは、 27 X 1 3. 5mm2 の大きさと言われている。 また、 レチクルからウェハへの投影倍率 ]3が縮小倍率である場合には、 ウェハ上に露光される各チップパターンの面積に対して、 レチクル上の 原版パターン （レチクルパターン） は 1/]3倍に拡大される。 そこで、 27 X 1 3. 5mm2 の大きさのチップパターンへの露光を行う場合、 投影倍率が 1/4倍であればレチクルパターンの大きさは 1 08 X 54 mm2 に拡大され、 投影倍率が 1Z6倍であればレチクルパターンの大 きさは 1 62 X 8 1 mm2 となる。 そのレチクルパターンは図 1のレチ クル Rであればパターン領域 3 1内に形成されるパターンであり、 実際 にはその周囲にァライメントマ一ク 32 A, 32 Bを形成するための余 裕が必要となる。
そのため、 図 2 (a) に示すように投影倍率を 1Z4倍として外形が 6インチ （ 1 52 mm) 角のレチクル （6インチレチクル） R 6を使 用する場合、 図 2 (b) に示すように投影倍率を 1/4倍として外形が 9インチ （= 228 mm) 角のレチクル （9インチレチクル） R 9を使 用する場合、 及び図 2 (c) に示すように投影倍率を 1Z6倍として 9 インチレチクル： 9を使用する場合、 1枚のレチクルに描画できる 1 G ビッ ト DRAMの第 2世代のチップパターン用のレチクルパターンの個 数はそれぞれ 1個、 3個、 及び 2個となる。 即ち、 図 2 (a) の 6イン チレチクル R6では、 27 X 1 3. 5mm2 の 4倍の大きさのレチクル パターン Cが 1個形成され、 図 2 (b) の 9インチレチクル R 9では、 27 X 1 3. 5 mm2 の 4倍の大きさのレチクルパターン C 1， C 2 , C 3が 3個形成され、 図 2 ( c ) の 9インチレチクル R 9では、 27 X 1 3. 5 mm2 の 6倍の大きさのレチクルパターン D 1 , C 2が 2個形 成されている。
これに対して、 投影倍率 1 Z 6倍で 6インチレチクルの使用を考えて も、 2 7 X 1 3. 5mm2 の 6倍の大きさの 1つのレチクルパターンの 全体を有効領域に描画しきれないため使用不可である。 また、 投影倍率 を 1 Z8倍とすると、 レチクルパターンの大きさは 21 6 X 108 mm
2 となるため、 9インチレチクルを用いても、 1枚のレチクル上には 1 個のチップパターン分しか描画できない。 以上の検討より、 1 Gビット DRAMの第 2世代のチップパターンの露光を行う場合には、 9インチ レチクルを使用して投影倍率を 1/6倍、 又は 1Z4倍にすることによ つて効率的に露光を行うことができる。
但し、 このように 9インチレチクルを用いて投影倍率を 1/6倍、 又 は 1/4倍として 1 Gビット DRAMの第 2世代のチップパターンを露 光するときには、 1回の露光で転写できるチップ数はそれぞれ 2個、 又 は 3個であるため （図 2 (b) , (c) 参照） 、 1枚のウェハの処理時 間、 ひいては露光工程のスループッ ト （単位時間当たりのウェハの処理 枚数） に差が生じる恐れがある。 しかしながら、 処理時間は実際にはレ チクルのパターン像をウェハ上に露光している狭義の露光時間だけでな く、 ァライメント時間やステージ移動時間等も含んでいる。 このため、 1枚のウェハの処理時間に関していえば、 投影倍率を 1/6倍とした場 合の処理時間は、 投影倍率を 1 4倍とした場合の単純に 3Z2倍にな るわけではなく、 実際には前者の処理時間は後者の処理時間の 3ノ 2倍 より小さく 1倍に近付く。
一方、 投影倍率を 1ノ6倍とした場合には、 投影倍率を 1/4倍とし た場合に比べてレチクルパターンの描画誤差の影響は低減される。 これ について定量的に検討すると、 1 Gビッ ト DRAMの第 2世代の回路パ ターンの線幅は 1 60〜 1 50 nmと言われている。 そこで、 代表的に ウェハ上での線幅が 1 50 nmのライン ' アンド · スペースパターンの 像を露光する場合について考える。
投影倍率が 1 4倍の場合、 1 50 nmの線幅はレチクル上では 60 O nmとなり、 投影倍率が 1Z6倍の場合、 1 50 nmの線幅はレチク ル上では 900 nmとなる。 そして、 現状のレチクル製造技術では、 レ チクル上でのパターン線幅誤差は土 35 nm程度と言われている。 今後 のレチクル製造技術の進歩を考えて、 1 Gビット DRAMの第 2世代の 量産時にはレチクル上での描画誤差 （製造誤差） による線幅誤差が ± 2 5 nmになるものとすると、 ウェハ上に換算した線幅誤差は、 投影倍率 が 1Z 1 0倍で ± 2. 5 nm、 投影倍率が 1/8倍で ± 3. 1 3 nm, 投影倍率が 1/6倍で ±4. 1 7 nm、 投影倍率が 1Z4倍で ± 6. 2 5 nmとなる。 このように描画誤差によりレチクルパターンの線幅が異 なると、 そのレチクルパターンをウェハ上に縮小投影してできる像の形 状も異なる。 この際に、 ポジ型レジストを用いると、 レチクルパターン の遮光部の線幅が太い程ウェハ上に現像後に形成されるレジスト像の線 幅も太くなる。
即ち、 図 3 (a) に示すライン · アンド ·スペースパターン 37を斜 線部を遮光部とする誤差の無い本来のレチクルパターンであるとすると、 レチクルの描画誤差によって遮光部の線幅が太くなると、 図 3 (b) に 示すライン ' アンド ' スペースパターン 37 Aが得られ、 遮光部の線幅 が狭くなると図 3 (c) に示すライン ' アンド ' スペースパターン 37 Bが得られる。 そして、 ポジ型レジストを用いた場合、 レチクルパ夕一 ンとして図 3 (b) のライン ' アンド 'スペースパターン 37 Aを使用 するとレジスト像の線幅も太くなり、 図 3 (c) のライン · アンド ' ス ペースパターン 37 Bを使用するとレジスト像の線幅も狭くなる。
ここで、 更に簡単のため、 レジスト現像時の線幅変化の影響を除くた めに、 投影光学系のべストフォ一カス位置で空間像の幅が 1 50 nmと なる露光量を基準露光量とする。 そして、 露光量制御性及び現像プロセ ス等の安定性を考慮して、 実質的に露光量がその基準露光量に対して士 5 %まで変化するものとし、 且つレチクルパターンにウェハ上換算で士 2. 5 nm (1/1 0倍投影時） 、 ± 3. 13 n m (1/8倍投影時） ， ±4. 1 7 nm (1 6倍投影時） 、 及び ±6. 25 nm (lZ4倍投 影時） の描画誤差がある場合全てについて、 最終的にウェハ上での線巾; 誤差が ± 1 5 nm (線幅の 1 0 %相当） であるような焦点深度をコンビ ユー夕によるシミュレーションによって計算した結果を以下に示す。 ま た、 以下の計算では、 露光光として K r Fエキシマレ一ザ光 （波長 24 8 nm) 、 又は A r Fエキシマレ一ザ光 （波長 1 93 nm) を使用し、 レチクルとして 8 %透過 （遮光部の透過率が 8 %) のハーフトーンレチ クルを使用し、 露光用の照明光学系を 2Z3輪帯照明とした。 2ノ3輪 帯照明とは、 照明系の開口絞りとして内径が外径の 2 / 3の輪帯状の開 口を有する開口絞りを使用することを意味する。 また、 投影光学系の開 口数 NAを 0. 5 0〜0. 7 5の範囲で変化させると共に、 照明光学系 のコヒ一レンスファクタである σ値 （輪帯状の開口絞りでは開口の外径 の σ値） を 0. 4 5〜0. 9 0の範囲で変化させて、 得られる線幅制御 性による焦点深度を求めた結果、 図 4に示す等高線マップが得られた。
図 4 (a 1 ) 〜 （a 4) は、 それぞれ露光光として K r Fエキシマレ 一ザ光を使用して投影倍率を 1 Z4倍、 1 Z6倍、 1/8倍、 1 Z 1 0 倍としたときの焦点深度の等高線マップを示し、 図 4 (b 1 ) 〜 （b 4) は、 それぞれ露光光として A r Fエキシマレ一ザ光を使用して投影倍率 を 1 Z4倍、 1 Z6倍、 1 Z8倍、 1 / 1 0倍としたときの焦点深度の 等高線マップを示す。 これらの等高線マップにおいて、 横軸は投影光学 系の開口数 NA、 縦軸は照明光学系の σ値であり、 等高線の間隔は 0. 1 mの焦点深度差に対応する。
例えば K r Fエキシマレーザ光を使用して投影倍率が 1 /6倍の図 4 (a 2) において、 等高線 3 8 A〜 3 8 Eはそれぞれ焦点深度が 0. 1 〜0. 5 mの等高線を示し、 等高線 3 8 Aと 3 8 Bとの間の領域は、 焦点深度が 0. 1〜0. 2 mの領域であり、 等高線 3 8 Dを超える斜 線部 3 9 Aは、 焦点深度が 0. 4〜0. 6 xmの領域である。 同様に、 図 4 (a 3) ， (a 4) , (b l) 〜 （b 4) に示す斜線部 3 9 B， 3 9 C， 3 9 D〜 3 9 Gにおいては、 0. 4 ^ m以上の焦点深度が得られ ている。 また、 図 4 (a 4) , (b 2) 〜 （b 4) に示す 2重の斜線部 40 A, 408〜400では0. 8〜 1. 2 /x mの焦点深度が得られ、 図 4 (a 4) , (b 4) に示す 3重の斜線部 4 1 A, 4 I Bでは 1. 2 〜 1. 6 xmの焦点深度が得られている。
先ず、 K r Fエキシマレーザ光を使用した場合には、 図 4 (a 1 ) 〜 (a 4) より分かるように、 投影倍率が 1 /4倍では開口数 NAが 0. 7 5の投影光学系を用いても、 最大で 0. 2 xm程度の焦点深度しか得 られないのに対し、 投影倍率を 1/6倍にすると、 開口数 NAが 0. 6 5では最大で 0. 5 /xm程度、 開口数 NAが 0. 70では最大で 0. 6 m程度の焦点深度が得られる。 これに関して、 投影露光装置のオート フォーカス制御の安定性や露光領域内でのデフォーカス量、 ウェハフラ ッ トネス、 及びプロセス段差を合わせたフォーカス誤差を全体として 0. 2 m程度に収めるのは非常に困難であるが、 そのフォーカス誤差を全 体として 0. 4 m程度に収めるのは実現可能である。 そして、 図 4 ( a 1 ) 〜 （a 4) において焦点深度が実用的な 0. 4 m以上である のは斜線部 39 A〜 39 C, 40 A, 41 Aである。
従って、 レチクル上の線幅誤差 ± 25 nmを前提とすると、 投影倍率 が 1Z4倍 （図 4 (a 1) ) では得られる焦点深度が不足する。 これに 対して、 投影倍率を 1ノ 6倍とすると、 開口数 NAが 0. 6 5以上の投 影光学系を用いれば、 σ値の選択によって実用に耐える 0. 4 m以上 の焦点深度を得ることができ、 良好な線幅制御性を持ってパターンの転 写を行うことができる。
次に、 A r Fエキシマレ一ザ光を使用した場合には、 図 4 (b l) 〜 (b 4) より分かるように、 0. 4 zm以上の焦点深度を得るためには， 投影倍率が 1Z4倍では開口数 NAが 0. 62以上の投影光学系が必要 であるのに対して、 投影倍率を 1Z6倍とすると、 開口数 NAが 0. 6 0の投影光学系で十分であることが分かる。 露光波長が短くなるにつれ て、 投影光学系の大開口数化は設計上、 製造上で困難になるため、 A r Fエキシマレーザを露光光源とする場合にも、 投影倍率を 1Z6倍とし た方が線幅制御性による焦点深度の点で有利であり、 実用的である。 更 に、 図 4 (b 2) より分かるように、 A r Fエキシマレ一ザ光を使用し て投影倍率を 1ノ6倍とした場合には、 開口数 NAが 0. 6で σ値が 0, 7 5〜0. 8の付近に焦点深度が 0. 8 ^m以上となる 2重の斜線部 4 0 Bがある。 従って、 開口数 NAを 0. 6程度として σ値を 0. 75〜 0. 8の範囲内に設定することで大きな焦点深度が得られる。
以上の検討より、 露光光として K r Fエキシマレ一ザ光、 又は A r F エキシマレ一ザ光の何れを用いる場合においても、 投影倍率を 1Z6倍 とした方が投影倍率を 1Z4倍にする場合に比べて線幅制御性による焦 点深度の点で有利である。
次に、 図 1の投影露光装置を用いて、 1 Gビット DRAMの第 2世代 と予定されている 27 X 1 3. 5 mm2 の大きさのチップパターンに露 光する場合の動作の一例につき、 図 5のフローチャートを参照して説明 する。 先ず、 本例では図 1のレチクル Rとして 9インチレチクルを使用 し、 投影光学系 P Lのレチクルからウェハへの投影倍率 3を 1 Z6倍に する。 そして、 レチクル Rのパターン領域 31には、 図 2 (c) の 9ィ ンチレチクル R 9と同様に、 27 X 1 3. 5mm2 の 6倍の大きさの原 版パターンである 2個のレチクルパターン D 1， D 2を形成しておく。 そして、 図 5のステップ 1 0 1において、 そのチップパターンの 6倍 で、 且つ 2個取りの原版パターンが形成された 9インチ角のレチクル R を図 1のレチクルステージ 22上にロードする。 次のステップ 1 02に おいて、 露光対象のウェハ （ウェハ Wとする） 上に金属膜を蒸着し、 ス テツプ 1 03において、 そのウェハ W上の金属膜上にポジタイプのフォ 卜レジスト （ポジ型レジスト） を塗布した後、 ウェハ Wを図 1の投影露 光装置のウェハホルダ 24上にロードする。 この際に例えば外形基準で ブリアライメントを行う。 そして、 既に説明したように、 基準マーク部 材 29及びレチクルァライメント顕微鏡 34A, 34Bを用いて、 ゥェ ハステージ 28に対してレチクル Rのパターン領域 31の位置合わせを 行う。 重ね合わせ露光を行う場合には、 ァライメントセンサ 36を介し てウェハ W上の所定のショッ ト領域のウェハマークの位置を検出して、 この検出結果より各ショッ ト領域の配列座標を算出し、 この結果よりゥ ェハ Wの各ショット領域のァライメントを行う。
次に、 ステップ 1 0 4において、 図 4 ( a 2 ) の結果に基づいて 0 . 4 m以上の焦点深度を得るために、 投影光学系 P Lの開口数 N Aを 0 . 6 5として、 開口絞り板 1 1を回転して輪帯照明用の開口絞り 1 3 Cを フライアイレンズ 1 0の射出面に設定する。 開口絞り 1 3 Cの輪帯状の 開口は、 外径の σ値が 0 . 7 5で内径が外径の 2 Ζ 3であり、 これによ つて 2 Ζ 3輪帯照明が可能となる。 次のステップ 1 0 5において、 レチ クル Rのパターン像を走査露光方式でウェハ W上の各ショッ卜領域に露 光する。
その後、 ステップ 1 0 6において、 ウェハ W上のフォトレジストの現 像を行う。 これによつて、 ウェハ W上の各ショット領域では、 図 2 ( c ) のレチクルパターン D 1 , D 2内の遮光パターンの像に対応する領域が、 凸のレジストパターンとして残される。 その後、 ステップ 1 0 7でその レジストパターンをマスクとしてウェハ W上の金属膜のエッチングを行 つた後、 レジス卜パターンを除去することによって、 所望の回路パター ンがウェハ W上の各ショッ ト領域に形成される。 その後、 ウェハ Wは次 のレイヤの回路パターンの形成工程に移行する。 この際に本例では、 0 . 4 以上の焦点深度が得られているため、 ウェハ W上の各ショット領 域に所望の回路パターンが高い線幅制御精度で形成される。
また、 最終的に半導体デバイスを製造する際には、 図 5の工程の外に、 デバイスの機能 ·性能設計を行うステップ、 このステップに基づいてレ チクルを製造するステップ、 シリコン材料からウェハを制作するステツ プ、 デバイス組み立てステップ （ダイシング工程、 ボンディング工程、 パッケージ工程を含む） 、 及び検査ステップ等が実行される。 なお、 上記の実施の形態は、 1 Gビッ ト DRAMの第 2世代のチップ パ夕一ンを露光する場合に本発明を適用したものであるが、 本発明はそ れに限定されるものではなく、 線幅やチップサイズが異なるその他の D RAM, 又は C PU等の他のデバイスにも適用可能であることは言うま でもない。 例えばチップパターンの大きさが 25 X 33mm2 である場 合には、 6倍に拡大された原版パターンは 1 50 X 1 98 mm2 である。 従って、 投影倍率を 1Z6倍とした場合には、 9インチ 228 mm) 角のレチクルであれば、 その原版パターン及びァライメントマークを形 成することができる。
また、 上記の実施の形態では、 投影倍率は 1/6倍に設定されていた 力 図 4より明らかなように、 投影倍率を 1Z 8、 又は 1Z 10に設定 することによって線幅制御性による焦点深度は広くなる。 そこで、 近い 将来に 9ィンチ角よりも大きいレチクルが使用できるようになれば、 投 影倍率を 1Z8等に設定してもよい。 以上より、 投影光学系のレチクル からウェハに対する投影倍率は、 1/5倍より小さく 1Z1 0倍より大 きい範囲で設定することによって、 従来よりも線幅制御性による焦点深 度を広くできることになる。
また、 上記の実施の形態では、 ライン ' アンド · スペースパターンを 用いてレチクルの描画誤差の影響を求めたが、 レチクルの描画誤差によ つて転写されるレジスト線幅に誤差が生じるのはライン · アンド · スぺ ースパターンに限られるものではなく、 孤立線、 孤立スペース、 及びホ ールパ夕一ン等の全てのパターンでも同様である。
更に、 上記の実施の形態では投影光学系としてレンズ系 （屈折系） を 想定しているが、 投影光学系として、 屈折系のみならず、 反射系、 又は 力夕ジォプ卜リック系 （反射屈折系） 等を使用した場合でも、 投影倍率 の最適化によって高い焦点深度が得られる。 レチクルの種類についても、 通常のレチクル、 又はハーフトーンレチクルの他に、 例えば渋谷ーレべ ンソン型等の位相シフトレチクルを使用して本発明を適用してもよい。 また、 上記の実施の形態の投影露光装置は、 複数のレンズから構成さ れる照明光学系、 及び投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整を 行うと共に、 多数の機械部品からなるレチクルステージやウェハステー ジを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、 更に総合調整 （電 気調整、 動作確認等） をすることにより製造することができる。 なお、 投影露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンル一 ムで行うことが望ましい。
また、 本発明はステップ ' アンド · スキャン方式のような走査露光型 の投影露光装置のみならず、 ステッパーのような一括露光型の投影露光 装置にも適用できることは明らかである。
このように、 本発明は上述の実施の形態に限定されず、 本発明の要旨 を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。 また、 明細書、 特許請求の 範囲、 図面、 及び要約を含む 1 9 9 7年 1 2月 1 2日付け提出の日本国 特許出願第 9一 3 4 2 7 8 3号の全ての開示内容は、 そつく りそのまま 引用して本願に組み込まれている。
産業上の利用の可能性
本発明の投影露光装置、 及び投影露光方法によれば、 投影倍率を 1ノ 5〜 1 Z 1 0の範囲に設定しているため、 マスクパターンの描画誤差の 影響を軽減できると共に、 現状及び近い将来に入手可能な大きさのレチ クルに転写すべきパターンを形成できる利点がある。 また、 投影光学系 の開口数が 0 . 6以上であるため、 線幅制御性によって定まる焦点深度 を実用的な範囲に設定でき、 投影露光装置の設計、 製造が容易になると 共に、 投影露光装置にかかるコストを低く抑えることが可能である。 逆 に、 同一の開口数を持つ投影光学系であれば、 本発明によってより微細 なパターンに対しても実用的な焦点深度を得ることができ、 半導体デバ イス等のパターンの更なる微細化が可能である。
また、 本発明をステップ · アンド · スキャン方式のような走査露光型 の投影露光装置に適用した場合には、 一回の露光での露光面積を広くで きるため、 描画誤差の影響を軽減した上でスループッ卜が向上できる利 点がある。
また、 マスクの外形を 6インチ角を超える大きさとしたときには、 投 影倍率を 1ノ 5〜 1ノ 1 0の範囲に設定した場合でも、 基板上に転写す べきパターンをあまり小さくすることなく、 その原版パターンをマスク 上に描画できるため、 露光工程のスループットを高めて効率的に露光を 行うことができる。
また、 マスクの外形を 9インチ角以上とした場合には、 例えば投影倍 率を 1 Z 6倍としたときに、 マスクパターンの描画誤差の影響が軽減さ れ、 微細なパターンであっても線幅制御性による焦点深度を実用的なレ ベルに広げることができる。 また、 9インチ角以上のマスクを使用して おり、 例えば 1 Gビッ ト D R A Mの次世代のチップパターンの原版パ夕 —ンを 2個以上そのマスクに描画できるため、 露光工程のスループッ卜 を高めることができる。
また、 本発明のデバイスの製造方法によれば、 本発明の投影露光装置 を用いているため線幅制御性による焦点深度が深くなる。 従って、 微細 なパターンを高い線幅制御精度で形成できる。 これによつて、 高機能の デバイスを製造することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . マスクに形成されたパターンの像を投影光学系を介して基板上に投 影露光する投影露光装置において、
前記投影光学系の前記マスクから前記基板に対する投影倍率を 1 Z 5 倍より小さく 1 Z 1 0倍より大きく設定し、 前記投影光学系の開口数を 0 . 6以上としたことを特徴とする投影露光装置。
2 . 請求の範囲 1記載の投影露光装置であって、
前記マスクと前記基板とを前記投影光学系に対して同期して移動する ステージ系を設け、 露光時に前記マスクと前記基板とを前記投影光学系 に対して該投影光学系の投影倍率を速度比として同期走査することを特 徴とする投影露光装置。
3 . 請求の範囲 1、 又は 2記載の投影露光装置であって、
露光用の照明光として波長 2 0 0 n m以上の光を使用して、 前記投影 光学系の開口数を 0 . 6 5以上とすることを特徴とする投影露光装置。
4 . 請求の範囲 1、 又は 2記載の投影露光装置であって、
露光用の照明光として波長 2 0 0 n m以下の光を使用することを特徴 とする投影露光装置。
5 . 請求の範囲 4記載の投影露光装置であって、
前記露光用の照明光のコヒ一レンスファクタを 0 . 7 5〜 0 . 8とし たことを特徴とする投影露光装置。
6 . 請求の範囲 3、 4、 又は 5記載の投影露光装置であって、
2ノ 3輪帯照明を行うことを特徴とする投影露光装置。
7 . 請求の範囲 6記載の投影露光装置であって、
内径が外径の 2 3の輪帯状の開口絞りを前記照明光の光路に設ける ことを特徴とする投影露光装置。
8 . 請求の範囲 1〜 7の何れか一項記載の投影露光装置であって、 前記マスクの外形を 6インチ角を超える大きさにすることを特徴とす る投影露光装置。
9 . 請求の範囲 8記載の投影露光装置であって、
前記マスクの外形を 9インチ角以上にすることを特徴とする投影露光
1 0 . 請求の範囲 1、 又は 2記載の投影露光装置であって、
前記マスクとして 6ィンチ角を超える大きさのマスクを保持するマス クステージと、 前記基板を保持する基板ステージとを有することを特徴 とする投影露光装置。
1 1 . マスクに形成されたパターンの像を投影光学系を介して基板上に 投影露光する投影露光装置の製造方法において、
前記マスクを保持するマスクステージを供給し、
前記基板を保持する基板ステージを供給し、
前記投影光学系として前記マスクから前記基板に対する投影倍率が 1 Z 5倍より小さく 1 Z 1 0倍より大きく設定された投影光学系を所定の 支持台に取り付け、
該投影光学系の開口数を 0 . 6以上としたことを特徴とする投影露光 装置の製造方法。
1 2 . 請求の範囲 1 1記載の投影露光装置の製造方法であって、
前記マスクと前記基板とを前記投影光学系に対して同期して移動する ステージ系を設け、
露光時に前記マスクと前記基板とを前記投影光学系に対して該投影光 学系の投影倍率を速度比として同期走査することを特徴とする投影露光 装置の製造方法。
1 3 . 請求の範囲 1 1、 又は 1 2記載の投影露光装置の製造方法であつ て、
露光用の照明光として波長 200 nm以上の光を使用して、 前記投影 光学系の開口数を 0. 65以上とすることを特徴とする投影露光装置の 製造方法。
14. 請求の範囲 1 1、 又は 1 2記載の投影露光装置の製造方法であつ て、
露光用の照明光として波長 200 nm以下の光を使用することを特徴 とする投影露光装置の製造方法。
1 5. 請求の範囲 1 4記載の投影露光装置の製造方法であって、
前記露光用の照明光のコヒ一レンスファクタを 0. 7 5〜0. 8とし たことを特徴とする投影露光装置の製造方法。
1 6. 請求の範囲 1 3、 14、 又は 1 5記載の投影露光装置の製造方法 であって、
2/ 3輪帯照明を行うことを特徴とする投影露光装置の製造方法。
1 7. 請求の範囲 1 6記載の投影露光装置の製造方法であって、 内径が外径の 2/3の輪帯状の開口絞りを前記照明光の光路に設ける ことを特徴とする投影露光装置の製造方法。
1 8. 請求の範囲 1 1〜1 7の何れか一項記載の投影露光装置の製造方 法であって、
前記マスクの外形を 6インチ角を超える大きさにすることを特徴とす る投影露光装置の製造方法。
1 9. 請求の範囲 1 8記載の投影露光装置の製造方法であって、 前記マスクの外形を 9インチ角以上にすることを特徴とする投影露光 装置の製造方法。
20. 請求の範囲 1 1、 又は 1 2記載の投影露光装置の製造方法であつ て、 前記マスクステージは、 6ィンチ角を超える大きさのマスクを保持す るマスクステージであることを特徴とする投影露光装置の製造方法。
2 1 . マスクにに形成されたパターンの像を投影光学系を介して基板上 に投影露光する投影露光方法において、
前記マスクとして外形が 9インチ角以上のマスクを用い、 前記投影光 学系の投影倍率を 1ノ 5倍より小さく 1 Z 1 0倍より大きく設定し、 前 記投影光学系の開口数を 0 . 6以上としたことを特徴とする投影露光方 法。
2 2 . 請求の範囲 2 1記載の投影露光方法であって、
露光時に前記マスクと前記基板とを前記投影光学系に対して該投影光 学系の投影倍率を速度比として同期走査することを特徴とする投影露光 方法。
2 3 . 請求の範囲 2 1、 又は 2 2記載の投影露光方法であって、
前記投影光学系の前記マスクから前記基板に対する投影倍率を 1 Z 8 倍以下で 1 Z 1 0倍より大きく設定し、 前記マスクの外形を 1 2インチ 角以上にすることを特徴とする投影露光方法。
2 4 . 請求の範囲 1、 又は 2記載の投影露光装置を用いたデバイスの製 造方法であって、
前記基板上に感光材料を塗布する第 1工程と、
前記マスクのパターンの像を前記投影光学系を介して前記基板上に投 影露光する第 2工程と、
前記基板を現像する第 3工程と、
該第 3工程で残される感光材料によって前記基板をマスキングし、 前 記基板上に凹凸のパターンを形成する第 4工程と、 を有することを特徴 とするデバイスの製造方法。
2 5 . 請求の範囲 1 1、 又は 1 2記載の投影露光装置の製造方法を用い て製造された投影露光装置を使用して、 製造されたことを特徴とするデ バイス。
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