JP2870390B2 - 投影露光装置 - Google Patents

投影露光装置

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JP2870390B2
JP2870390B2 JP5296935A JP29693593A JP2870390B2 JP 2870390 B2 JP2870390 B2 JP 2870390B2 JP 5296935 A JP5296935 A JP 5296935A JP 29693593 A JP29693593 A JP 29693593A JP 2870390 B2 JP2870390 B2 JP 2870390B2
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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、LSI等の微細パター
ンを投影レンズを用いてウェハー上に形成するときの原
版となるマスクを照明する照明光学系を有する投影露光
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、VLSIなどと呼ばれる超高集積
回路においては、その集積度が3年間で4倍というペー
スで進んでおり、この高集積化は回路パターンの微細化
によって達成されている。超LSIのパターンを半導体
基板上に形成するためには、微細パターンを正確に形成
する縮小投影露光装置、いわゆるステッパーが用いられ
る。図6は、従来のステッパーの基本構成図である。光
源1から出た後、反射鏡2によって集光された露光光1
0はレンズ3及びフライアイレンズ4によって均一化さ
れる。さらに、アパーチャ5Aにより適正な大きさに絞
られた後、レンズ6を介してレチクル7に均一に照射さ
れる。レチクル7上には、クロムによるパターン8が形
成されている。
【0003】ここで、レチクル7に入射した露光光10
は、クロムパターン8により回折光を生じ、縮小投影レ
ンズ9には、0次光11,+1次光12,−1次光13
が入射する。2次以上の回折光は、0次光11に対し、
より角度の開いた方向に進行するため、通常レンズ9に
は入射しない。こうして、縮小投影レンズ9に入射した
回折光11〜13は、ウェハー10上に結像し、レチク
ル7上に形成されたクロムパターン8と同じパターンが
縮小投影される。
【0004】ところで、半導体パターンの微細化ととも
にステッパーがより微細なパターンを露光する能力、即
ち、解像力についても向上させることが要求される。ス
テッパーの解像力Rは、露光光の波長λ,レンズの開口
数NA及びレジスト性能により決まる定数k1を用い
て、レイリーの式により、R=k1(λ/NA)と表わ
される。この式より、解像力向上のため、即ちRを小さ
くするためには、露光光の波長λを小さくする、あるい
はレンズの開口数NAを大きくする必要があることが判
る。
【0005】波長λを小さくすると、光源として従来用
いられている水銀ランプのi線(365nm)よりも短
波長のもので露光に必要な強度を有するものとしては、
KrFエキシマレーザ光(249nm)やArFエキシ
マレーザ光(193nm)等のエキシマレーザしかな
い。
【0006】ところが、エキシマレーザは、ガス交換や
部品交換の頻度が高く、また価格も高く、半導体デバイ
スの高価格化を招くことになる。また、波長が短くなる
と、透過率の高い光学部品,光学材料及びレジスト材料
がほとんどなく、特に縮小投影レンズの設計・製造が困
難である。
【0007】一方、レンズの開口数NAを大きくする
と、焦点深度Dが狭くなる。焦点深度Dもレイリーの式
によって、D=k2(λ/(NA)2)(k2はレジスト
性能により決まる定数)と表わされるが、NAの2乗に
反比例して焦点深度が狭くなる。このため、NAの拡大
には限界がある。
【0008】これらの問題を解決するため、位相シフト
マスクが提案された(M.D.Levenson,et
al,.“Improving resolutio
nin photolithography with
a phase siftng mask”,IEE
E Trans.Electron Devices,
Vol.2,pp.1828〜1836(198
2))。これは、レチクル上のクロムパターン開口部の
1つおきに露光光の位相を反転する位相シフターを設置
するもので、隣り合ったクロムパターン開口部を通る光
の位相が反転するため、0次回折光が消滅するものであ
る。これにより、露光には±1次光のみが用いられ、解
像度,焦点深度ともに向上する。
【0009】しかしながら、位相シフトマスクでは、従
来よりもマスク製造プロセスが長く、複雑でかなり高価
となり、また、位相シフター材料として露光光の透過率
が高く、使用しても劣化しない、洗浄できる等の性能を
有するものが、ほとんどないといった多くの問題があ
る。
【0010】そこで、これにかわる手法として、斜入射
露光法と呼ばれる手法が提案された。これを図を用いて
説明する。図7は、従来の斜入射露光法を説明するため
のステッパーの基本構成を示す図である。このもので
は、アパーチャ5Bの開口部5Cが中心部ではなく周辺
部にある。このため、開口部5Cを通った露光光10
A,10Bは、レチクル7に斜入射する。このとき、露
光光10Aによって生じた回折光のうち、0次光14と
+1次光15は、縮小投影レンズ9に入射し、−1次光
16はレンズ9に入射しない。また、露光光10Bによ
って生じた−1次光は、露光光10Aによって生じた0
次光と重なり光14としてレンズ9に入射し、さらに
光光10Bによって生じた0次光は、露光光10Aによ
って生じた+1次光と重なり、光15としてレンズ9に
入射する。+1次光17はレンズに入射しない。こうし
て、レンズ9を通った光11Bと12Bは、ウェハー1
0上で結像する。
【0011】この斜入射露光法では、露光光10Aによ
って生じた0次光と、露光光10Bによって生じた−1
次光が、また露光光10Aによって生じた+1次光と、
露光光10Bによって生じた0次光とが重なる必要があ
る。0次光と±1次光とのなす角θ1はレチクル7上の
クロムパターン8のピッチPによって、sinθ=(λ
/P)と変化する。従って、レチクルを交換し、種々の
寸法のパターンを露光する場合は、回折角が最適になる
アパーチャに種々交換する必要があり、管理が困難とな
っている。また、斜入射照明をアパーチャを用いて行う
と、光量が大幅に低下するという問題もある。
【0012】図8は、従来のアパーチャの平面図であ
る。図8(a)は通常露光のアパーチャ、図8(b),
(c)は斜入射露光のアパーチャである。図8(b)を
用いた斜入射露光は、輪帯照明と呼ばれ、あらゆる方向
のパターンに対して解像力向上,焦点深度向上の効果が
ある。図8(c)は4点照明と呼ばれ、X及びY方向の
パターンに対して、解像力向上,焦点深度向上の効果が
あり、輪帯照明よりも効果が大きい。ただし、X,Y方
向以外のパターンに対しては、むしろ通常露光よりも、
解像力,焦点深度ともに低下する。これら斜入射露光用
アパーチャ19,20の開口部22,23は、通常アパ
ーチャの開口部21に比べて大幅に小さくなっている。
このため、斜入射露光では、露光光の光量が通常露光の
1/2〜1/5に低下し、ステッパーの処理能力が大幅
に下がってしまい、半導体デバイスの高価格化を招く。
【0013】そこで、光量低下を避けて斜入射露光を実
現する方法として、特開平4−343215号公報に提
案されているグレーティング等の周期構造を持つ光学素
子をレチクル上に配置し、レチクル上に露光光を斜入射
する方法が提案されている。
【0014】この従来の方法を図を用いて説明する。図
9(a)は、従来の光学素子を用いた斜入射露光を説明
するためのステッパーの基本構成図である。このもので
は、先に図6で説明したステッパーに対し、光学素子2
4が付加されている。光学素子24に入射した露光光1
0は、光学素子上の周期パターン25により回折光を生
じる。このとき、0次光が消滅するように周期パターン
25を設定している。このため、レチクル7上には、+
1次光26と−1次光27が入射する。さらに、レチク
ル7上に入射した+1次光26と−1次光27は、クロ
ムパターン8により回折光を生じる。このとき、+1次
光26によって生じる0次光と、−1次光27によって
生じる+1次光は重なって光28として、また、+1次
光26によって生じる−1次光と−1次光27によって
生じる0次光は重なって光29として、それぞれレンズ
9に入射し、ウェハー10上に結像する。
【0015】こうして、光学素子24を用いないときに
3光束をウェハー上で結像していたのに対し、本従来例
では、2光束をウェハー上で結像するため、レンズ9の
開口数NAが小さくても、あたかも大きな開口数NAの
レンズで露光したように高解像が焦点深度を低下せずに
得られるものである。図9(b)は、従来の繰り返しパ
ターンの形成された光学素子の平面図、図9(c)は、
図9(b)のA−A’線断面図である。この光学素子2
4を用いることにより、回折光が生じるX方向及びY方
向のパターンの解像力,焦点深度向上が可能となる。こ
れは、図8(c)で説明した4点照明と同じ性能を有し
ている。ただし、光学素子を用いる場合、光量低下は小
さく、ステッパーの処理能力低下は、問題ない。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】図9に示された従来の
光学素子を用いた斜入射露光法には、大きな問題があっ
た。第1に、光学素子からの回折光はX方向とY方向の
みしか生じないので、X及びY方向のパターンにしか解
像力及び焦点深度向上の効果がなく、半導体でよく用い
られる、45°,135°方向のパターンに対しては、
通常露光よりも解像力,焦点深度ともに低下してしまう
という問題があった。
【0017】第2に、レチクル上のクロムパターンのピ
ッチP1に対して効果の高い光学素子を用いると、ピッ
チ2P2のパターンでは、逆に焦点深度を大幅に低下し
てしまうという問題がある。図10は、従来の光学素子
を用いた場合の問題点を説明するためのパターンピッチ
と焦点深度の関係を示す図である。パターンピッチが2
1の場合に、通常露光よりも大幅に焦点深度が低下し
ている。これをもう少し詳しく説明する。
【0018】図11は、従来の光学素子を用いた場合の
問題点を説明するための縦断面図である。レチクル7に
入射する光26は、クロムパターン8’により、0次光
26A,+1次光26B,−1次光26Cを生じる。ま
た、レチクル7に入射する光27は、クロムパターン
8’により、0次光27A,+1次光27B,−1次光
27Cを生じる。このうち、+1次光26Bと−1次光
27Cは、レンズ9に入射せず、結像に寄与しない。ク
ロムパターン8’のピッチが2倍の2P1のとき、−1
次光26Cと+1次光27Bは重なり、レンズ9に真上
から入射する。レンズ9に入射するのは、0次光26
A,27Aと−1次光26C,+1次光27Bとであ
る。ところで、ウェハー上にパターンを結像する場合に
レンズ9の真上から入射する光は、露光光の光量を増加
し、ステッパーの処理能力を向上するが、結像に対して
はノイズ成分であり、焦点深度はむしろ低下してしま
う。クロムパターンのピッチが2P1の場合、−1次光
26Cと+1次光27Bは、レンズ9に真上から重なっ
て入射するため、より強度が増し、焦点深度が大幅に低
下するのである。
【0019】本発明の目的は、解像度と焦点深度を向上
させた投影露光装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る投影露光装置は、ガラス基板を有し、
光源より出射光をフライアレイレンズ及びアパーチャを
含む照明光学系を介して遮光体からなるパターンの形成
されているマスク上に照射し、前記パターンを投影レン
ズを介してウェハー上に転写する投影露光装置であっ
て、ガラス基板は、前記照明光学系に設けられたもので
あり、同一の光透過性をもつ複数のパターンを有し、前
記複数のパターンは、第1のパターンの中に含まれるよ
うに第2のパターンが配置されて組み合わされており、
この組み合わせが繰り返して配置されるように構成され
たものである。
【0021】また、前記ガラス基板上の複数のパターン
は、寸法の大なる四角形の中に、寸法の小なる四角形が
配置されているものである。
【0022】また、前記ガラス基板上の複数のパターン
は、寸法の大なる四角形の中に、寸法の小なる三角形が
配置されているものである。
【0023】
【作用】光源から出た光をフライアイレンズ及びアパー
チャを含む照明光学系を介し、遮光体からなるパターン
の形成されているマスク上に照射し、前記パターンを投
影レンズを介し、ウェハー上に転写するに際し、ガラス
基板上に、光透過材料からなる大きさの異なるパターン
を形成し、ガラス基板を前記照明光学系中に備えてい
る。このガラス基板の存在により、最も斜入射露光の効
果が得られる露光光を生じさせ、露光を行う。
【0024】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。
【0025】(実施例1)図1は、本発明の実施例1に
係る投影露光装置の基本構成図である。図1において、
光源1から出て反射鏡2によって集光された露光光10
は、レンズ3及びフライアイレンズを介してガラス基
板30に入射する。ガラス基板30は、光透過材料によ
り寸法の異なる四角形に形成された複数の合同でないパ
ターンを有している。また、4はフライアイレンズ,5
Aはアパーチャである。
【0026】ここに、ガラス基板30に入射した後、±
1次光が主光線31〜34となり、レチクル7に入射す
る。レチクル上のクロムパターン8によって、さらに回
折光が生じ、これらのうち主光線31からの0次光と主
光線32からの+1次光が重なって光線35となり、主
光線31からの−1次光と主光線32からの0次光が重
なって光線36となり、レンズ9を通る。また、主光線
33からの0次光と主光線34からの+1次光が重なっ
て光線37となり、さらに主光線33からの−1次光と
主光線34からの0次光が重なって光線38となり、レ
ンズ9を通る。これにより、ウェハー10上にパターン
が形成される。
【0027】図2(a)は、ガラス基板30をより詳し
く説明するためのガラス基板30を示す平面図、(b)
は図2(a)のA−A’線断面図である。図2におい
て、ガラス基板30上には、寸法の異なる2種類の四角
形パターン39及び40がSOG(スピン オン グラ
ス)により形成されている。寸法の小さい四角形パター
ン39はピッチP2で、寸法の大きい四角形パターン4
0はピッチP3で配置されている。ここで、P3=2P2
の関係がある。
【0028】このガラス基板30上に入射した露光光1
0は、四角形パターン39及び40により、回折光を生
じる。このとき、0次光とn次光とのなす角度をθ
(n)とすると、Psin{θ(n)}=nλの関係が
あり、高次光ほど0次光となす角度が大きくなり、投影
レンズに入らなくなる。また高次光ほど強度が小さくな
り、露光には寄与しない。従って、露光には、0次光及
び±1次光が主に寄与する。
【0029】ガラス基板30上には、ピッチP2で形成
された四角形パターン39があり、これにより、+1次
光31,−1次光32が生じる。またピッチP3の四角
形パターン40により、+1次光33,−1次光34が
生じる。このとき、0次光と±1次光31,32とのな
す角をθ2,0次光と±1次光33,34とのなす角を
θ3とすると、θ2≒2θ3となる。これら±1次光は、
斜入射光としてレチクルに入射する。ここで露光光と同
方向に進行する0次光41,42が消滅したときに、最
も斜入射露光の効果が得られる。そのためにはSOGパ
ターンを通った光41とSOGを通らない光42との位
相が逆転し、かつ光41と42の強度が等しいことが必
要である。
【0030】即ち、SOGパターンの高さhをh=(λ
/2(n−1))(λ:露光光波長,n:SOGの屈折
率)とすれば、光41と光42は位相が逆転し、また四
角形パターン39の一辺の長さをP2/2,四角形パタ
ーン40の一辺の長さをP3/2とすれば、光41と光
42の強度が等しくなる。ただし、SOGが露光光を吸
収する場合には、光41の強度が下がるので、SOGパ
ターンの面積を大きくする。ただ、常に0次光を完全に
消滅する必要はなく、SOGパターンの高さhあるいは
大きさを適宜変化し、0次光の強度を調整し、通常露光
と斜入射露光の中間的な性能での露光をしても良い。
【0031】次に、本実施例では、レチクル上のクロム
パターンの寸法が2倍の場合も大きな焦点深度が得られ
ることを図を用いて説明する。図3はそれを説明するた
めのガラス基板30とレチクルの縦断面図である。図3
(a)に示したように、ガラス基板30に入射する露光
光10は、ピッチP2を持つ四角形パターン39によ
り、+1次光31,−1次光32を生じる。この場合、
0次光は消滅する。回折光31は、レチクル上のクロム
パターン8により再び回折光として0次光35A,+1
次光35B,−1次光35Cを生じる。また、回折光3
2も同様にクロムパターン8により、0次光36A,+
1次光36B,−1次光36Cを生じる。斜入射露光の
効果が最も高いのは、0次光35Aと+1次光36B
が、また−1次光35Cと0次光36Aがそれぞれ方向
が同じ場合である。
【0032】このためには、クロムパターンのピッチを
1 ,クロムパターン部で0次光と±1次光とのなす角
をθ1,ガラス基板30上のパターン39部で0次光と
±1次光とのなす角をθ2とすると、P2=P1(sin
θ1/sinθ2)=P1(sinθ1/sin(θ1
2))≒2P1の関係が成り立てば良い。即ち、パター
ン39のピッチP2がクロムパターン8のピッチP1の2
倍であれば良い。
【0033】次に図3(b)を用いて、レチクル7上に
ピッチ2P1のパターンがある場合でも焦点深度が広く
なる理由を説明する。ガラス基板30上には、パターン
40がピッチP3、即ちピッチ2P2で形成されている。
このパターンに入射した露光光10は、パターン40に
よって、+1次光37,−1次光38を生じる。この場
合、0次光と±1光とのなす角θ3は、θ3=(sinθ
2/2)となる。これら±1次光37,38は、レチク
ル7上のピッチ2P1のパターンにより、再び回折光を
生じる。回折光37から0次光37A,+1次光37
B,−1次光37Cが、また回折光38から0次光38
A,+1次光38B,−1次光38Cがそれぞれ生じ
る。回折光37A,38Aがそれぞれ±1次光となす角
をθ4とすると、P3=(2P1)(sinθ3/sinθ
4)≒(2P1)(sinθ3/sin(θ3/2))=2
×(2P1)の場合、最も変形照明の効果が高いが、P3
=2×P 2=2×(2P1)であり、これは成立してい
る。
【0034】従って、クロムパターンの寸法がP1の2
倍の2P1の場合でも、本実施例1のガラス基板30を
用いることにより焦点深度の拡大が可能である。
【0035】図4は本実施例1で得られる焦点深度をパ
ターンピッチに対してプロットした図である。ピッチが
2P1の場合、大きな焦点深度が確保されている。尚、
ここでは、四角形パターンをSOGで形成したが、これ
はガラス基板をエッチングして形成しても、スパッタS
iO2や他の材料を用いても構わない。また四角形の大
きさは、すべて寸法を一定にして、配置する必要はな
く、四角形P2は×0.1〜×1.9,四角形P1は×
0.5〜×1.5倍の大きさのものをランダムに配置し
ても良い。ピッチP2は1.2×P1〜3×P1の範囲
で、従ってP2も1.2×(2×P1)〜3×(2×
1)の範囲で変化しても効果は得られる。また、小さ
い四角形パターン39と大きい四角形パターン40の中
心が一致する必要もない。
【0036】(実施例2)図5は本発明の実施例2に用
いるガラス基板30を示す平面図である。ガラス基板3
0上には、四角形パターン43及び三角形パターン44
が種々の方向に形成されれている。上方から照射された
露光光10は、X方向及びY方向にそれぞれ+1次光4
5,46,−1次光47,48を生じ、また、それぞれ
45°回転方向に+1次光49,50,−1次光51,
52を生じる。これにより、従来ではX,Y方向にしか
効果がなかったのに対し、本実施例2では、45°方向
のパターンに対しても解像度及び焦点深度を大幅に向上
することが可能である。ここで、パターン43,44は
実施例1と同じく、SOGでなく、露光光を透過する他
の材料で形成しても何ら問題はない。また、パターン4
3,44の大きさも、すべて固定せず、実施例の×0.
1〜×1.9の範囲でランダムに変更可能である。ピッ
チP2も必ずしもP1×2でなくても、1.5×P1〜3
×P1の範囲で効果は得られる。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、光透過材
料により複数の合同でないパターンの形成されたガラス
基板を照明光学系中に有するため、光量の低下がなく、
所望のパターンの2倍のピッチのパターンでも、あるい
はまた45°方向のパターンでもX方向,Y方向のパタ
ーンと同様に解像度,焦点深度を向上することができ、
従って、高性能で低価格の半導体デバイスを提供できる
という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1を示す断面図である。
【図2】(a)は、本発明の実施例に用いるガラス基板
を説明する平面図、(b)は図2(a)のA−A’線断
面図である。
【図3】(a),(b)は、本発明の実施例1における
ガラス基板とレチクルの組合せによる焦点深度を説明す
る断面図である。
【図4】本発明の実施例1におけるパターンピッチと焦
点深度の関係を示した図である。
【図5】本発明の実施例2に用いるガラス基板を示す平
面図である。
【図6】従来における通常露光法を示す断面図である。
【図7】従来のアパーチャを用いた斜入射露光法を示す
断面図である。
【図8】(a)は従来例における通常アパーチャを示す
図、(b)は輪帯照明アパーチャを示す図、(c)は4
点照明アパーチャを示す図である。
【図9】(a)は従来例の光学素子を用いた斜入射露光
法を示す断面図、(b)は光学素子を示す平面図、
(c)は同断面図である。
【図10】従来例を説明するためのパターンピッチと焦
点深度の関係を示す図である。
【図11】従来例を説明するための断面図である。
【符号の説明】
1 光源 5A アパーチャ 5B アパーチャ 7 レチクル 8 クロムパターン 10 露光光 24 光学素子 30 光学素子 39,40 四角形パターン 43 四角形パターン 44 三角形パターン

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガラス基板を有し、光源より出射光をフ
    ライアイレンズ及びアパーチャを含む照明光学系を介し
    て遮光体からなるパターンの形成されているマスク上に
    照射し、前記パターンを投影レンズを介してウェハー上
    に転写する投影露光装置であって、 ガラス基板は、前記照明光学系に設けられたものであ
    り、同一の光透過性をもつ複数のパターンを有し、 前記複数のパターンは、第1のパターンの中に含まれる
    ように第2のパターンが配置されて組み合わされてお
    り、この組み合わせが繰り返して配置されるように構成
    されたものであることを特徴とする投影露光装置。
  2. 【請求項2】 前記ガラス基板上の複数のパターンは、
    寸法の大なる四角形の中に、寸法の小なる四角形が配置
    されていることを特徴とする請求項1に記載の投影露光
    装置。
  3. 【請求項3】 前記ガラス基板上の複数のパターンは、
    寸法の大なる四角形の中に、寸法の小なる三角形が配置
    されていることを特徴とする請求項1に記載の投影露光
    装置。
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