JPH04179213A - 投影露光装置及びその装置により露光され製造された半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、Ｌ、　Ｓ　Ｉ製造工程て使用される投影露
光装置に関する。

〔従来の技術〕

＝１− 第１１図に従来の投影露光装置の光学系を示す。

ランプハウス（１）の前方にミラー（２）を介してフラ
イアイレンズ（３）が配置されている。フライアイレン
ズ（３）の前方にはアパーチャー（４）が位置し、さら
に集光レンズ（５）、（６）及びミラー（７）を介して
所望の回路パターンが形成された露光用マスク（８）が
配置されている。マスク（８）の前方には投影）／ンズ
系（９）を介してウェハ（１０）が位置している。

また、投影ｌ／ンズ系（９）はその瞳面上に配置された
瞳部材（９１）を有している。

瞳部材（９１）は、第１．２Ａ図及び第１．２　Ｂ図に
示すように、中央部に円形の開口部（９１ａ）が形成さ
れた円板形状を有している。

ランプハウスけ）から発した光は、ミラー（２）を介し
てフライアイレンズ（３）に至り、フライアイレンズ（
３）を構成する個々のレンズ（３ａ）の領域に分割され
る。各レンズ（３ａ）を通過した光は、アパーチャー（
４）の開口部（４ａ）、集光レンズ（５）、ミラー（７
）及び集光レンズ（６）を介してそれぞれマスク（８）
の露光領域の全面を照射する。このなめ、マー２＝ スフ（８）面上では、フライアイレンズ（３）の個々の
レンズ（３ａ）からの光が重なり合い、均一な類１明が
なされる。このようにしてマスク（８）を通過した光は
投影レンズ系（９）を通ると共に瞳部材（９１）の開口
部（９１ａ）を通ってウェハ（１０）に至り、これによ
りウェハ（１０）表面への回路パターンの焼き付けが行
われる。

このような投影露光装置における最小解像度Ｒは、使用
波長をλ、光学系の開口数をＮ＾として、λ／ＮＡに比
例することが知られている。すなわち、Ｒ代λ／Ｎ＾ となる。従って、従来は開口数Ｎ八が大きくなるように
光学系を設計して投影露光装置の解像度を向上させ、こ
れにより近年のＬＳＩの高集積化に対応していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、光学系の開口数Ｎ八を大きくすると、最
小解像度Ｒは小さくなるものの、それ以上に投影露光装
置の焦点深度り叶が小さくなることが知られている。こ
の焦点深度ＤＯＦはλ／Ｎ＾２に比例する。すなわち、 ＤＯＦ　ＣＸ：λ／ＮＡ２ と表される。

このため、従来の投影露光装置では、解像度を向上させ
ようとすると、焦点深度が小さくなって転写精度が劣化
するという問題点があった。

この発明はこのような問題点を解消するためになされた
もので、解像度の向上と焦点深度の拡大を同時に図るこ
とのできる投影露光装置を提供することを目自勺とする
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る投影露光装置は、光源と、光源から発し
た光を回路パターンが形成されたマスク上に照射させる
集光レンズ系と、マスクを通過した光をウェハ表面に集
光させる投影レンズ系と、投影レンズ系の瞳面上に配置
されると共にマスクを通過した光を成形するための少な
くとも一つの透過領域を有し且つ透過領域内の中央部を
透過する光と周辺部を透過する光との間に所定の位相差
を生じさせる瞳部材とを備えたものである。

瞳部材として、透過領域内の周辺部に配置されると共に
この周辺部を透過する光と透過領域内の中央部を透過す
る光との間に半波長の位相差を生じさせる位相シフト部
材を含むものを用いることができる。

また、瞳部材として、透過領域内の中央部に配置される
と共にこの中央部を透過する光と透過領域内の周辺部を
透過する光との間に半波長の位相差を生じさせる位相シ
フト部材を含むものを用いることもできる。

矩形パターンが形成されたマスクを用いる場合には、瞳
部材がその矩形パターンの０次回折光を透過するための
第１の透過領域と、第１の透過領域の四方にそれぞれ形
成され且つ矩形パターンの１次回折光を透過するための
四つの第２の透過領域とを有すると効果的である。

また、ライン・アンド・スペース・パターンが形成され
たマスクを用いる場合には、瞳部材がそのライン・アン
ド・スペース・パターンのＯ次回折光を透過するための
第１の透過領域と、第１の透過領域の両側にそれぞれ形
成され且つライン・アンド　スペース・パターンの１次
回折光を透過するための二つの第２の透過領域とを有す
ると効果的である。

〔作用〕

この発明においては、投影レンズ系の瞳面上に配置され
た瞳部材が、その透過領域によりマスクを通過した光を
成形すると共に透過領域内の中央部を透過する光と周辺
部を透過する光との間に所定の位相差を生じさせる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図はこの発明の一実施例に係る投影露光装置の光学
系を示す図である。波長λの光を発するランプハウス（
１１）の前方にミラー（１２）を介してフライアイレン
ズ（１３）が配置されている。フライアイレンズ（１３
）の前方にはアパーチャー（１４）が位置し、さらに集
光レンズ（１５）、（１６）及びミラー（１７）を介し
て所望の回路パターンが形成された露光用マスク（１８
）が配置されている。マスク（１８）の前方には投影レ
ンズ系（１９）を介してウェハ（２０）か位置している
。また、投影レンズ系（１９）の瞳面上には瞳部材（２
１）が配置されている。

ランプハウス（１１）、ミラー（１２）及びフライアイ
レンズ（１３）により光源が形成され、集光レンズ（１
５）、（１６）及びミラー（１７）により集光レンズ系
が形成されている。

瞳部材＜２１）は、第２Ａ図及び第２Ｂ図に示すように
、中央部に半径への円形の開口部（２２ａ）が形成され
た円板形状の外枠（２２）と、外枠（２２）の開口部（
２２ｎ）の周縁部に沿って幅Ｗで環状に形成された位相
シフ１ル部材（２３）を有している。外枠（２２）は金
属等の遮光部材から形成され、その開口部（２２ａ）が
ランプハウス（ＩＩ）からの光を透過する透過領域りを
構成している。また、位相部材（２３）は例えば５ｉｎ
２から形成され、位相部材（２３）が存在しない開口部
（２２ａ）の中央部を通過する光と位相部材〈２３）を
透過する光との間に半波長λ／２の位相差が生じるよう
な厚さに形成されている。

次に、この実施例の動作について説明する。まず、ラン
プハウス（１１）から発した光は、ミラー（１２）を介
してフライアイレンズ（１３）に至り、フライアイレン
ズ（１３）を構成する個々のレンズ（１３ａ）の領域に
分割される。各レンズ（１３ａ）を通過した光は、アパ
ーチャー（１４）、集光レンズ（１５）、ミラー　（１
７）及び集光レンズ（１６）を介してそれぞれマスク（
１８）の露光領域の全面を照射する。このなめ、マスク
（１８）面上では、フライアイレンズ（１３）の個々の
レンズ（１３ａ）からの光が重なり合い、均一な照明が
なされる。このようにしてマスク（１８）を通過した光
は投影レンズ系（１９）を通ると共に瞳部材（２１）の
透過領域りを通ってウェハ（２０）に至り、これにより
ウェハ（２０）表面への回路パターンの焼き付けが行わ
れる。

ここで、瞳部材（２１）の透過領域りの周縁部に位相シ
フト部材（２３）が形成されているので、第１図におい
て瞳部材（２１）の位相シフト部材（Ｚ３）を透過した
光Ｌ２及び１，３は透過領域りの中央部を通過した光Ｌ
１に対して位相が反転している。従って、これらの光１
４１〜１，３がウェハ（２０）の表面で集光したとき、
位相が反転している光Ｌ２及び１．３は光Ｌ１と干渉し
て打ち消し合う。

第３Ａ図にベストフォーカス時のウェハ（２０）の表面
における光強度分布（２４）を示す。瞳部材（２１）が
位相シフＩ一部材（２３）を備えていなければ破線で示
す分布（２Ｓ）になるところが、この実施例では瞳部材
（２１）が位相シフト部材（２３）を有するために位相
シフＩ・部材り２３）を透過した光Ｌ２及びＬ３の反転
成分く２６）により打ち消されて実線で示される分布（
２４〉となる。このようにベストフォーカス時には、位
相シフＩ・部材（２３）を設＋ｆたために光強度が全体
的に減少するが、光強度分布の形状はほとんど劣化しな
いことがわかる。

一方、第４図に示すようなデフォーカス時には、ウェハ
（２０）表面において光Ｌ１〜］、３が一点に収束しな
い。従って、第３Ｂ図に一点鎖線で示すように位相シフ
ト部材（２３）を透過した光Ｌ２及びＬ３の反転成分（
２９）及び（３０）は光１．１の強度分布の中心から離
れた周辺部にのみ分布することとなる。このため、Ｑ−
− 瞳部材（２Ｉ）が位相シフト部材（２３）を備えていな
い場合の分布（２８）の周辺部が光１，２及びＩ、３の
反転成分（２９）及び（３０）によって打ち消され、実
際には実線で示す光強度分布（２７）となる。このため
、第４図のようにウェハ（２０）表面において光Ｉ、１
〜ｉ、３が一点に収束しないデフォーカス時には、ボケ
な像の周辺部の光強度のみ減少され、像のコントラスト
大幅に改善されてヘス１〜フ］−カス時のコン１〜ラス
Ｉ・に近くなる。すなわち、像が高いコントラス）・を
示ず光軸方向の範囲が広がり、実効的に焦点深度ＤＯＦ
の拡大がなされる。

以上のように、第１図の投影露光装置ては、開口数Ｎ八
を大きくして解像度を向上させながらも焦点深度り叶の
拡大を図ることができる。

瞳部材（２１）の透過領域りの半径Ａに対する位相シフ
Ｉ・部材（２３）の幅Ｗの比率Ｗ／Ａを変化させてウェ
ハ（２０）表面における光学像のコントラストをシミュ
レートしたところ、第５図に示ずような結果が得られた
。第５図の横軸はフォーカスの度合いを示し、図の右方
へ向かうほどデフォーカスとなる。また、縦軸は第３Ａ
図に示すように光学像の最大強度１ｐの２５％、すなわ
ち強度１ｐ／４の分布の幅Ｂを示している。また、第５
図においてＢ。は回路パターンの転写を行う際の光学像
の幅の許容値の一例を示し、正確な転写を行うためには
この許容値Ｂ。以下の幅Ｂの光学像を用いる必要がある
。

Ｗ／Ａ＝Ｏ１すなわち位相シフト部材（２３）を設けな
い場合には、破線（３１）で示されるようにデフォーカ
スになるに従って光学像の幅Ｂは急激に大きくなりコン
トラストが低下する。Ｗ／Ａ＝５％の場合には、実線（
３２）で示されるようにある程度デフォーカスになって
も光学像はベストフォーカス時の幅Ｂとほとんど変わら
ず一定の値を示し、その後大きくなって許容値Ｂ。を越
える。また、Ｗ／Ａ＝１．０％の場合には、−点鎖線（
３３）で示されるようにデフォーカスになるに従って光
学像の幅Ｂは一旦小さくなり、その後許容値Ｂ。を越え
て大きくなる。

このシミュレーション結果から、デフォーカスに対して
も高精度で且つ安定した転写を行うためには、Ｗ／Ａ＝
５％程度の瞳部材（２１）を用いることが効果的である
ことがわかる。

尚、位相シフト部材（２３）が透過領域りの中央部を透
過する光と周辺部を透通ずる光との間に生じさせる位相
差は半波長に限るものではないが、上記実施例のように
半波長の場合が焦点深度ＤＯＦの拡大には最も効果的で
ある。

また、第６図に示されるように、外枠（４２）及び位相
シフト部材（４３）が一つの石英基板（４４）上に形成
された瞳部材（４１）を用いてもよい。この場合、石英
基板（４４）の表面上にＳｉＯ２を蒸着することにより
位相シフト部材（４３）を容易に形成することができる
。

さらに、第７Ａ図及び第７Ｂ図に示される瞳部材（５１
）のように、外枠（５２）に形成された円形の開口部（
５２ａ）の中央部に円形の位相シフト部材（５３）を形
成してもよい。この位相シフ）へ部材（５３）は石英基
板（５４）上に形成される。この瞳部材（５１）では、
第２Ａ図及び第２Ｂ図に示した瞳部材（２１）とは逆に
、透過領域りの中央部を透過した光が周辺部を透過した
光に対して位相反転されるが、その効果は同様である。

第８図に示される瞳部材（６１）のように、透過領域り
の表面及び裏面にそれぞれ反射防止膜（６５）及び（６
６）を形成ずれば、迷光を低減することができる。その
結果、像のコントラストがさらに改善され、解像度の向
上がなされる。この瞳部材（６１）ては、石英基板（６
４）上に外枠（６２）及び位相シフト部材（６３）を形
成した後、外部に露出している位相シフト部材（６３）
及び石英基板（６４）の上に例えばＭｇＦ２からなる反
射防止膜（６５）及び（６６）が形成される。

尚、反射防止膜は透過領域の表面及び裏面のいずれか一
方にのみ形成してもよい。

また、第８図では第６図に示した構造の瞳部材に反射防
止膜を設けたが、上述したいずれの構造の瞳部材に設け
ても同様の効果を奏する。

尚、第１図におけるマスク（１８）に形成された回路パ
ターンが微小パターンからなる場合には、その回路パタ
ーンの１次回折光の影響が大きくなり、回路パターンが
矩形パターンであれば１次回折光によるパターン像がＯ
次回折光によるパターン像の四方にそれぞれ形成され、
ライン・アンド・スペース・パターンであれば１次回折
光によるパターン像がＯ次回折光によるパターン像の両
側にそれぞれ形成される。

そこで、マスク（１８）が微小な矩形パターンからなる
場合には、第９図に示されるように、中央部にＯ次回折
光用の第１の透過領域り、が形成されると共にこの第１
の透過領域Ｄ１の四方にそれぞれ１次回折光用の第２の
透過領域Ｄ２が形成された瞳部材（７１）を用いること
ができる。一方、マスク（１８）が微小なライン・アン
ド・スペース・パターンからなる場合には、第１０図に
示されるように、中央部にＯ次回折光用の第１の透過領
域り。

が形成されると共にこの第１の透過領域Ｄ１の両側にそ
れぞれ１次回折光用の第２の透過領域Ｄ２が形成された
瞳部材（８１）を用いることができる。

これらの瞳部材（７１）及び（８１）の各透過領域Ｄ１
及びＤ２は、第２Ａ〜２Ｂ図、第６〜８図に示した瞳部
材の透過領域と同様の構造を存している。

このような瞳部Ｅ（７１）及び（８１）を用いることに
より、回路パターンの１次回折光に対してもその周辺部
の光強度を減少させて像のコン１〜ラスＩ・を改善する
ことができる。

〔発明の効果〕

以」−説明したように、この発明に係る投影露光装置は
、光源と、光源から発した光を回路パターンが形成され
たマスク上に照射させる集光レンズ系と、マスクを通過
した光をウェハ表面に集光させる投影レンズ系と、投影
レンズ系の瞳面上に配置されると共にマスクを通過した
光を成形するための少なくとも一つの透過領域を有し且
つ透過領域内の中央部を透過する光と周辺部を透過する
光との間に所定の位相差を生じさせる瞳部材とを備えて
いるので、解像度を向上させつつ焦点深度の拡大を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る投影露光装置の光学
系を示す図、第２Ａ図及び第２Ｂ図はそれぞれ第１図の
実施例で用いられた瞳部材を示す平面図及び断面図、第
３Ａ図及び第３Ｂ図はそれぞれベストフォーカス時及び
デフォーカス時のウェハ表面における光強度分布を示す
図、第４図はデフォーカス時のウェハ表面を示す拡大図
、第５図は瞳部材の位相シフ）・部材の幅を変化さぜな
ときのウェハ表面におりる光学像のコン１〜ラス１〜を
シミュレートシた結果を示す図、第６図へ一第１０図は
それぞれ他の実施例で用いられる瞳部材を示す図、第１
１図は従来の投影露光装置の光学系を示す図、第１２Ａ
図及び第］、　２　Ｂ図はそれぞれ第１１図の装置で用
いられた瞳部材を示す平面図及び断面図である。 図において、（１１）はランプハウス、（１２）及び（
１７）はミラー、（１３）はフライアイレンズ、（１５
）及び（１６）は集光レンズ、〈１８）はマスク、（１
９）は投影レンズ系、（２０）はウェハ、（２１）、（
４１）、（５１）、（６１）、（７１）及び（８１）は
瞳部材、（２３）、（４３）、（５３）及び（６３）は
位相シフト部材である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　光源と、 前記光源から発した光を回路パターンが形成されたマス
   ク上に照射させる集光レンズ系と、前記マスクを通過し
   た光をウェハ表面に集光させる投影レンズ系と、 前記投影レンズ系の瞳面上に配置されると共に前記マス
   クを通過した光を成形するための少なくとも一つの透過
   領域を有し且つ前記透過領域内の中央部を透過する光と
   周辺部を透過する光との間に所定の位相差を生じさせる
   瞳部材と を備えたことを特徴とする投影露光装置。