JPH0831712A - 投影露光方法及び該投影露光方法を用いてデバイスを製造するデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 解像力の向上。 【構成】 マスクに光減衰パターンで囲んだホールパタ
ーンを形成し、投影光学系の瞳面の中心にマスクを通過
した光の内の瞳面の中心付近の円形領域を通過する光の
位相をその周囲の輪帯状の領域を通過する光の位相に対
してπ変化させる位相分布制御フィルターを設ける。光
減衰パターンは振幅透過率が３％〜１０％で且つそこを
通過する光と他の部分を通過する光の間に実質的に位相
差を与えないパターンである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は投影露光方法とデバイス
製造方法とに関し、特にＩＣ、ＬＳＩ等の半導体チッ
プ、ＣＣＤ等の撮像素子、液晶パネル等の表示素子、磁
気ヘッド等のデバイスを製造する時に用いる投影露光方
法とデバイス製造方法とに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年, 半導体チップの高集積化に伴い、
回路パターンをシリコンウエハー上に投影露光する時に
使用する投影露光装置に対して、高解像力化や焦点深度
拡大化の要求が高まっている。

【０００３】投影光学系の開口数（ＮＡ）を大きくする
ことにより解像力を上げる方法がる。しかし、投影光学
系の焦点深度は開口数の２乗に反比例して小さくなるた
め、あまり開口数を大きくすることはできない。

【０００４】また、投影光学系の設計波長即ち露光光の
波長を短くすることにより解像力を上げる方法もある
が、露光光の波長を２５０ｎｍ以下の非常に短い波長で
は、投影光学系のレンズ硝材として使用できるものがＳ
ｉＯ₂ （石英）だけであり、色収差が十分に補正できな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一方、焦点深度を確保
しつつ解像力を向上させる方法として位相シフトマスク
を用いる方法が提案されており、この位相シフトマスク
の一種であるハーフトーンマスクは、透明基板上に振幅
透過率が０％より大きく１００％より小さくて且つそこ
を通過する光と他の部分を通過する光の間にπの奇数倍
の位相差を与える光減衰パターンを形成するものであ
る。

【０００６】ハーフトーンマスクは、例えば孤立性の強
いパターン（ホールパターン等）を投影する時に非常に
効果的であるが、位相と振幅透過率の双方を正確に制御
できる薄膜を透明基板上に形成する高度な技術が必要で
あり、現在は要求される精度に見合うものは入手できな
い。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、焦点深
度を確保しつつ解像力を向上させることが可能な、改良
された投影露光方法とデバイス製造方法とを提供するこ
とにある。

【０００８】本発明の第１の形態は、マスクを投影光学
系により投影する方法において、前記マスクは振幅透過
率が０％より大きく１００％より小さい光減衰パターン
を有し、前記投影光学系は瞳を通過する光のある部分に
他の部分に対して位相差を与える手段を有することを特
徴とする。

【０００９】本発明の第２の形態は、マスクを投影光学
系により投影する方法において、前記マスクは振幅透過
率が０％より大きく１００％より小さくて且つそこを通
過する光と他の部分を通過する光の間にπの奇数倍の位
相差を与えない光減衰パターンを有し、前記投影光学系
は瞳を通過する光のある部分に他の部分に対して実質的
にπの奇数倍の位相差を与える手段を有することを特徴
とする。

【００１０】本発明の第１、第２の形態は、前記位相差
付与手段が、前記瞳に光軸を中心とする円形領域と前記
円形領域を囲む輪帯状領域とを定め、前記円形領域と前
記輪帯状領域を通過する光の間に実質的にπの奇数倍の
位相差を与える形態を含む。

【００１１】本発明の第１、第２の形態は、前記輪帯状
領域の外径は前記瞳の径とほぼ一致しており、前記瞳の
径に対する前記輪帯状領域の内径（前記円形領域の外
径）の比が０．４以下である形態を含む。

【００１２】本発明の第１、第２の形態は、前記光減衰
パターンの振幅透過率が３％以上で１０％以下である形
態を含む。

【００１３】本発明の第１、第２の形態は、光軸上に設
けた有効光源の像が前記投影光学系の瞳に形成されるよ
う前記有効光源からの光により前記マスクを照明すると
共に、前記投影光学系の瞳の半径に対する前記有効光源
の像の半径の比を０．４以下に設定する形態を含む。

【００１４】本発明の第１、第２の形態は、前記光減衰
パターンが形成されていない部分の振幅透過率はほぼ１
００％であり、例えば前記光減衰パターンが振幅透過率
がほぼ１００％のホール状のパターンを形作るよう設け
られる形態を含む。

【００１５】本発明の第３の形態は、マスクを投影光学
系により基板上に投影する方法において、前記投影光学
系は瞳を通過する光のある部分に他の部分に対して位相
差を与える位相差付与手段を有し、前記位相差付与手段
は前記瞳に光軸を中心とする円形領域と前記円形領域を
囲む輪帯状領域とを定め、前記円形領域と前記輪帯状領
域を通過する光の間に実質的にπの奇数倍の位相差を与
え、前記輪帯状領域の外径は前記瞳の径とほぼ一致して
おり、前記瞳の径に対する前記輪帯状領域の内径（前記
円形領域の外径）の比が０．４以下であることを特徴と
する。

【００１６】本発明の第１、第２及び第３の形態は、前
記位相差付与手段が前記光軸上に設けられ且つ前記光軸
に直交する断面が円形の透明な部材を備える形態や前記
光軸上に輪帯の内外径の中心がくるよう設けられ且つ前
記光軸に直交する断面が輪帯状の透明な部材を備える形
態を含む。

【００１７】本発明の方法では、従来のハーフトーンマ
スクを用いる方法とは異なり、マスクに位相を正確に制
御する薄膜を形成する必要がないためにマスクの製造が
容易で、投影光学系の瞳に位相差付与手段を設けること
により焦点深度を確保しつつ解像力を向上させることが
可能である。

【００１８】

【実施例】図１及び図２を用いて本発明の一実施例を説
明する。

【００１９】図１（ａ）は従来のハーフトーンマスクを
投影光学系により投影する時の投影光学系の瞳面（開口
絞りの開口近傍）における光の振幅分布とウエハー上
（像面）における像の強度分布を示す説明図である。

【００２０】図１（ａ）では、不図示の透明基板上に直
径ａのホールパターンを形作るよう光減衰パターン（部
材）を形成し、不図示の投影光学系によりホールパター
ンをウエハー上に投影した状態を示している。

【００２１】図１（ａ）に示す通り、ハーフトーンマス
クを投影する時は、振幅透過率ｔの光減衰パターンによ
り光減衰パターンとホールパターンを通過する光の間に
位相差πと振幅の違いが与えられ、これによってウエハ
ー上のホールパターン像の強度分布の裾だれを無くし、
尖鋭なホールパターン像が形成される。

【００２２】この時の投影光学系の瞳面で光の振幅分布
は、フーリエ変換の性質から、図１（ｂ）、（ｃ）に示
す２つのパターンからの光の瞳面での振幅分布の和とし
て考えられる。

【００２３】図１（ｂ）に示すパターンからの光の瞳面
での振幅分布は、パターンの開口幅が大きいため光が瞳
面の中心に集中した分布になり、図１（ｃ）に示すパタ
ーンからの光の瞳面での振幅分布は、パターンの開口幅
が微細なため光が瞳面全体に大きく広がった分布にな
る。

【００２４】マスクを通過する光に位相差πを与えるこ
とによる効果は、図１（ｂ）に示す開口幅が大きいパタ
ーンからの光の振幅分布に限られており、瞳面の中心部
分だけが対象となる。

【００２５】本発明は、この性質に着目し, ハーフトー
ンマスクから、通過光に位相差πを与える機能を切り離
し、その代わり投影光学系に位相差を与える機能を設け
ている。

【００２６】図２（ａ）は本実施例の投影露光方法を示
す概念図である。図２（ａ）に示す通り、本実施例では
マスクには振幅透過率ｔを制御する光減衰パターンを
形成し、投影光学系の瞳面の中心にマスクを通過した光
の内の瞳面の中心付近を通過する光の位相を他の部分を
通過する光の位相に対してπの奇数倍変化させる位相分
布制御フィルターを設けている。

【００２７】本実施例では、このような構成により、焦
点深度を維持しつつ投影露光時の解像力を向上させてい
る。

【００２８】本実施例の光減衰パターンは振幅透過率ｔ
が０％より大きく１００％より小さくて且つそこを通過
する光と他の部分を通過する光の間にπの奇数倍の位相
差を与えないよう構成されている。

【００２９】この光減衰パターンは振幅透過率は３％以
上で１０％以下が好ましい。

【００３０】この光減衰パターンはそこを通過する光と
他の部分を通過する光の間に実質的に位相差を与えない
か、πより十分に小さい位相差しか与えないよう構成す
るのが好ましい。

【００３１】なお、光減衰パターン以外の他の部分（透
明基板）の振幅透過率は１００％が好ましい。

【００３２】本実施例のフィルターは、投影光学系の光
軸に直交する断面が円形の透明な光学部材より成り、瞳
面の中心付近に集まった光の振幅分布（図 1（ｂ）参
照。）だけに位相変化を与え, 瞳面全体に広がった光の
振幅分布（図 1（ｃ）参照。）に対する効果は殆どな
い。

【００３３】投影光学系の瞳面に設けるフィルターの機
能は、瞳面中心付近の円形領域を通過する光とその周囲
の輪帯状の領域を通過する光の間にπの奇数倍の位相差
を与えることであるから、図２（ｂ）に示すフィルター
ような図２（ａ）のフィルターに対して相補的なフィル
ターを用いることもできる。

【００３４】図２（ｂ）に示すフィルターは光軸と直交
する断面が輪帯状の透明な光学部材であり、輪帯の内外
径（円）の中心は光軸上にあり、輪帯の外径と瞳（開口
絞りの開口）の径は一致している。

【００３５】フィルターにより瞳面に定められる前記輪
帯状領域の外径は前記瞳の径とほぼ一致させ、前記瞳の
径に対する前記輪帯状領域の内径（前記円形領域の外
径）の比が０．４以下となるよう構成するのが好まし
い。

【００３６】本実施例では光軸上に設定された有効光源
の像が投影光学系の瞳に形成されるよう有効光源からの
光によりマスクを照明する。この時、投影光学系の瞳の
半径に対する有効光源の像の半径の比を０．４以下に設
定するのが好ましい。

【００３７】図３は前記実施例の投影露光方法を用いて
パターンを基板上に投影するＩＣ、ＬＳＩ等の半導体チ
ップ、ＣＣＤ等の撮像素子、液晶パネル等の表示素子、
磁気ヘッド等のデバイス製造用投影露光装置の一実施例
を示す概略図である。

【００３８】図３において、超高圧水銀灯１の発光部１
ａが楕円ミラー２の第１焦点近傍に配置されており, 発
光部１ａを射出した紫外光は楕円ミラー２により反射
し、コールドミラー３で再度反射した後, 楕円ミラー2
の第２焦点４近傍に集まり、第２焦点４に発光部１ａの
像１ｂを形成する。コールドミラー３は基板上に赤外光
を透過させる一方紫外光を反射する波長選択性を備える
多層膜を形成したものである。

【００３９】５は結像光学系を示し、第２焦点４近傍の
発光部像１ｂをオプティカルインテグレーター６の光入
射面６ａ上に結像するよう、発光部像１ｂからの光束を
オプティカルインテグレーター６に向ける。

【００４０】オプティカルインテグレータ６は、複数の
微小レンズを光軸と直交する平面内で２次元的に配列し
たものであり、その光射出面６ｂに微小レンズの数に対
応した数の複数個の２次光源６ｃを形成する。複数個の
２次光源６ｃが有効光源を構成している。

【００４１】７は中心に円形開口を備えた開口絞りを示
し、開口絞り７はオプティカルインテグレーター６の直
後の複数個の２次光源６ｃの近傍に置かれている。開口
絞り７と複数個の２次光源６ｃとが有効光源を形成す
る。

【００４２】複数個の２次光源６ｃからの光束は、開口
絞り７を介して集光レンズ系を構成するレンズ系９ａに
入射し、折り曲げミラー８と、集光レンズ系を構成する
コリメーターレンズ９ｂとを介してレチクル１０に入射
し、レチクル１０上に互いに重なり合う。

【００４３】レチクル１０は図２で説明したシフターレ
ス（位相シフター無しの）ハーフトーンマスクであり、
光減衰パターンの振幅透過率が約３％、減衰パターン以
外の設計パターンの部分の振幅透過率が約１００％に設
定されたマスクである。

【００４４】１２は投影光学系であり、投影光学系１２
は、複数個の２次光源６ｃからの光束により照明された
レチクル１０上の微細回路パターンを、ウエハーチャッ
ク１４により保持されたウエハー１３のレジスト上に縮
小投影する。ウエハー１３のレジスト上に縮小投影され
た回路パターンはレジストに転写される。ウエハーチャ
ック１４は投影光学系の像面に沿って動くウエハーステ
ージ１５上に載置されている。

【００４５】１２ａは投影光学系１２の開口絞りが定め
る瞳面１２ｂに置かれた位相分布制御フィルターを示
す。

【００４６】フィルター１２ａは、図４に示す通り、光
入出射面が平面のドーナツ形状をしており, 輪帯状の部
分を通過する光と中心の円形の素抜け部分を通過する光
の間に１８０度（即ちπ）の位相差が生じるように設計
されている。

【００４７】本実施例では、フィルター１２ａの外径は
瞳（開口絞りの開口）の径と一致しており、フィルター
１２ａの中心の円形の素抜け部分の半径ｒの瞳の半径に
対す比は０．３である。

【００４８】本実施例では開口絞り７と瞳面１２ｂとが
共役な位置関係にあり、開口絞り７による有効光源の像
が瞳面１２ｂに形成される。また投影光学系１２の瞳の
半径に対する有効光源の像の半径の比は０．４以下であ
る。

【００４９】図５は従来の投影露光方法と本実施例の投
影露光方法によるウエハー１３上での像の強度分布を計
算により求めた結果を等高線図で描いたものである。

【００５０】図５において、縦軸がデフォーカス量, 横
軸が線幅であり、双方の方法により孤立ホールパターン
を結像した場合の計算結果を等高線図で示している。ス
ライスレベルは, ウエハー１３上のレジストの感光特性
を考慮して選んだ。

【００５１】図５から明らかなように, 本実施例では従
来の２倍以上に焦点深度を増やすことができる。

【００５２】レチクル１０の振幅透過率、位相分布制御
フィルター１２ａによる位相分布や内径の組合せは、本
実施例の組合せ以外にも、レチクル１０のパターンや投
影光学系１２の性能及び有効光源の大きさや形状等を考
慮して様々な組み合せを採ることができる。各パラメー
タの好ましい範囲は図２の実施例で説明した通りであ
る。

【００５３】図６は前記実施例の投影露光方法を用いて
パターンを基板上に投影するＩＣ、ＬＳＩ等の半導体チ
ップ、ＣＣＤ等の撮像素子、液晶パネル等の表示素子、
磁気ヘッド等のデバイス製造用投影露光装置の別の実施
例を示す概略図である。

【００５４】本実施例は, 図３の装置に有効光源の形状
を変更できる有効光源形状制御部と位相分布制御フィル
ターの種類を変更できる瞳フィルター切り替え部とを付
加したものである。

【００５５】有効光源形状制御部は開口形状可変絞り４
７で構成され、ターレット上に周方向に数種類の互いに
開口形状や開口径が異なる開口絞りを有し、レチクル１
０のパターンの種類に応じて、ターレットを回転させる
ことにより、オプティカルインテグレーター６の直後に
所望の開口絞りが挿入できる。

【００５６】瞳フィルター切り換え部は, 瞳フィルタ１
２ａを交換可能とするフィルタ交換手段を有したもので
ある。例えば, 図に示すように, フィルターチェンジャ
ー１９に複数個の互いに異なる位相分布制御フィルター
が格納されており、レチクル１０のパターンの種類に応
じて、アーム１９ａにより投影光学系１２の瞳面１２ｂ
に所望の振幅分布制御フィルターが挿入できる。

【００５７】これにより, 相異なるレチクル１０に対し
て最適な投影露光条件を設定できる。

【００５８】図３及び図６の装置では、ドーナツ状の位
相分布制御フィルター１２ａを用いているが、図２
（ａ）で示した円柱状の位相分布制御フィルターを用い
ても良い。

【００５９】投影光学系１２には屈折光学系、反射光学
系、反射屈折光学系が用いられる。また光源としてエキ
シマレーザーを用いることもできる。

【００６０】

【発明の効果】以上、本発明によれば、投影光学系の瞳
に位相差付与手段を設けることにより焦点深度を確保し
つつ解像力を向上させることが可能である。特にマスク
にシフターレスハーフトーンマスクを用いることによ
り、大きな効果を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ハーフトーンマスクによる投影露光の説明図で
ある。

【図２】本発明の一実施例を示す概念図である。

【図３】本発明の方法を用いる投影露光装置の一実施例
を示す概略図である。

【図４】図３の瞳フィルター１２ａを示す模式図であ
る。

【図５】本発明の方法によるホールパターン像のデフォ
ーカス特性を示す図である。

【図６】本発明の方法を用いる投影露光装置の別の実施
例を示す概略図である。

【符号の説明】

１０ シフターレスハーフトーンマスク １２ 投影光学系 １２ａ 位相分布制御フィルター １２ｂ 瞳面 １３ ウエハー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１４ Ｃ ５２８

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスクを投影光学系により基板上に投影
   する方法において、前記マスクは振幅透過率が０％より
   大きく１００％より小さい光減衰パターンを有し、前記
   投影光学系は瞳を通過する光のある部分に他の部分に対
   して位相差を与える手段を有することを特徴とする投影
   露光方法。
2. 【請求項２】 マスクを投影光学系により基板上に投影
   する方法において、前記マスクは振幅透過率が０％より
   大きく１００％より小さくて且つそこを通過する光と他
   の部分を通過する光の間にπの奇数倍の位相差を与えな
   い光減衰パターンを有し、前記投影光学系は瞳を通過す
   る光のある部分に他の部分に対して実質的にπの奇数倍
   の位相差を与える手段を有することを特徴とする投影露
   光方法。
3. 【請求項３】 前記位相差付与手段が、前記瞳に光軸を
   中心とする円形領域と前記円形領域を囲む輪帯状領域と
   を定め、前記円形領域と前記輪帯状領域を通過する光の
   間に実質的にπの奇数倍の位相差を与えることを特徴と
   する請求項１、２の投影露光方法。
4. 【請求項４】 前記輪帯状領域の外径は前記瞳の径とほ
   ぼ一致しており、前記瞳の径に対する前記輪帯状領域の
   内径（前記円形領域の外径）の比が０．４以下であるこ
   とを特徴とする請求項３の投影露光方法。
5. 【請求項５】 前記光減衰パターンの振幅透過率が３％
   以上で１０％以下であることを特徴とする請求項１〜４
   の投影露光方法。
6. 【請求項６】 光軸上に設けた有効光源の像が前記投影
   光学系の瞳に形成されるよう前記有効光源からの光によ
   り前記マスクを照明すると共に、前記投影光学系の瞳の
   半径に対する前記有効光源の像の半径の比を０．４以下
   に設定することを特徴とする請求項１〜５の投影露光方
   法。
7. 【請求項７】 前記光減衰パターンが形成されていない
   部分の振幅透過率はほぼ１００％であることを特徴とす
   る請求項１〜６の投影露光方法。
8. 【請求項８】 前記光減衰パターンは振幅透過率がほぼ
   １００％のホール状のパターンを形作るよう設けられる
   ことを特徴とする請求項１〜７の投影露光方法。
9. 【請求項９】 マスクを投影光学系により基板上に投影
   する方法において、前記投影光学系は瞳を通過する光の
   ある部分に他の部分に対して位相差を与える位相差付与
   手段を有し、前記位相差付与手段は前記瞳に光軸を中心
   とする円形領域と前記円形領域を囲む輪帯状領域とを定
   め、前記円形領域と前記輪帯状領域を通過する光の間に
   実質的にπの奇数倍の位相差を与え、前記輪帯状領域の
   外径は前記瞳の径とほぼ一致しており、前記瞳の径に対
   する前記輪帯状領域の内径（前記円形領域の外径）の比
   が０．４以下であることを特徴とする投影露光方法。
10. 【請求項１０】 前記マスクの孤立パターンを投影する
    ことを特徴とする請求項９の投影露光方法。
11. 【請求項１１】 前記位相差付与手段が前記光軸に直交
    する断面が円形の透明な部材を備え、前記光軸上に設け
    られることを特徴とする請求項３、８の投影露光方法。
12. 【請求項１２】 前記位相差付与手段が前記光軸に直交
    する断面が輪帯状の透明な部材を備え、前記光軸上に輪
    帯の内外径の中心がくるよう設けられることを特徴とす
    る請求項３、８の投影露光方法。
13. 【請求項１３】 請求項１〜１２のいずれかの方法によ
    りデバイスパターンを基板上に転写する段階を含むこと
    を特徴とするデバイス製造方法。
14. 【請求項１４】 請求項１〜１２のいずれかの方法によ
    り投影露光を行うことを特徴とする投影露光装置。