JP3296296B2

JP3296296B2 - 露光方法及び露光装置

Info

Publication number: JP3296296B2
Application number: JP20134398A
Authority: JP
Inventors: 充朗杉田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2002-06-24
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: JP2000021762A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、露光方法及び露光
装置に関し、特に微細な回路パターンで感光基板上を露
光し、例えばＩＣ，ＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネ
ル等の表示素子、磁気ヘッド等の検出素子、ＣＣＤ等の
撮像素子といった各種デバイスの製造に用いられる際に
好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＩＣ、ＬＳＩ、液晶パネル等
のデバイスをフォトリソグラフィー技術を用いて製造す
るときには、フォトマスク又はレチクル等（以下、「マ
スク」と記す。）の面上に形成した回路パターンを投影
光学系によってフォトレジスト等が塗布されたシリコン
ウエハ又はガラスプレート等（以下、「ウエハ」と記
す。）の感光基板上に投影し、そこに転写する（露光す
る）投影露光方法及び投影露光装置が使用されている。

【０００３】近年、上記デバイスの高集積化に対応し
て、ウエハに転写するパターンの微細化、即ち高解像度
化とウエハにおける１チップの大面積化とが要求されて
いる。従ってウエハに対する微細加工技術の中心を成す
上記投影露光方法及び投影露光装置においても、現在、
０．５／μｍ以下の寸法（線幅）の像（回路パターン
像）を広範囲に形成するべく、解像度の向上と露光面積
の拡大が計られている。

【０００４】従来の投影露光装置の摸式図を図２０に示
す。図２０中、１９１は遠紫外線露光用の光源であるエ
キシマーレーザ、１９２は照明光学系、１９３は照明光
学系１９２から照射される照明光、１９４はマスク、１
９５はマスク１９４から出て光学系（投影光学系）１９
６に入射する物体側露光光、１９６は縮小型の投影光学
系、１９７は投影光学系１９６から出て基板１９８に入
射する像側露光光、１９８は感光基板であるウエハ、１
９９は感光基板を保持する基板ステージを、示す。

【０００５】エキシマレーザ１９１から出射したレーザ
光は、引き回し光学系（１９０ａ，１９０ｂ）によって
照明光学系１９２に導光され、照明光学系１９２により
所定の光強度分布、配光分布、開き角（関口数ＮＡ）等
を持つ照明光１９３となるように調整され、マスク１９
４を照明する。マスク１９４にはウエハ１９８上に形成
する微細パターンを投影光学系１９６の投影倍率の逆数
倍（例えば２倍や４倍や５倍）した寸法のパターンがク
ロム等によって石英基板上に形成されており、照明光１
９３はマスク１９４の微細パターンによって透過回折さ
れ、物体側露光光１９５となる。投影光学系１９６は、
物体側露光光１９５を、マスク１９４の微細パターンを
上記投影倍率で且つ充分小さな収差でウエハ１９８上に
結像する像側露光光１９７に変換する。像側露光光１９
７は図２０の下部の拡大図に示されるように、所定の開
口数ＮＡ（＝Ｓｉｎ（θ））でウエハ１９８上に収束
し，ウエハ１９８上に微細パターンの像を結ぶ。基板ス
テージ１９９は、ウエハ１９８の互いに異なる複数の領
域（ショット領域：１個又は複数のチップとなる領域）
に順次、微細パターンを形成する場合に、投影光学系の
像平面に沿ってステップ移動することによりウエハ１９
８の投影光学系１９６に対する位置を変えている。

【０００６】現在主流となりつつある上記のエキシマレ
ーザを光源とする投影露光装置は高い投影解像力を有し
ているが、例えば０．１５μｍ以下のパターン像を形成
することが技術的に困難である。

【０００７】投影光学系１９６は、露光（に用いる）波
長に起因する光学的な解像度と焦点深度との間のトレー
ドオフによる解像度の限界がある。投影露光装置による
解像パターンの解像度Ｒと焦点深度ＤＯＦは，次の
（１）式と（２）式の如きレーリーの式によって表され
る。

【０００８】Ｒ＝ｋ₁ ＝（λ／ＮＡ） ‥‥‥（１）ＤＯＦ＝ｋ₂ ＝（λ／ＮＡ² ） ‥‥‥（２）ここで、λは露光波長、ＮＡは投影光学系１９６の明る
さを表す像側の開口数、ｋ₁ ，ｋ₂ はウエハ１９８の現
像プロセス特性等によって決まる定数であり、通常０．
５〜０．７程度の値である。この（１）式と（２）式か
ら、解像度Ｒを小さい値とする高解像度化には開口数Ｎ
Ａを大きくする「高ＮＡ化」がある。しかしながら、実
際の露光では投影光学系１９６の焦点深度ＤＯＦをある
程度以上の値にする必要があるため、高ＮＡ化をある程
度以上に進めることが難しいこと、この為、高解像度化
には結局、露光波長λを小さくする「短波長化」が必要
となることとが分かる。

【０００９】ところが露光波長の短波長化を進めていく
と重大な問題が発生してくる。それは投影光学系１９６
を構成するレンズの硝材がなくなってしまうことであ
る。殆どの硝材の透過率は遠紫外線領域では０に近く、
特別な製造方法を用いて露光装置用（露光波長約２４８
ｎｍ）に製造された硝材として溶融石英が現存するが、
この溶融石英の透過率も波長１９３ｎｍ以下の露光波長
に対しては急激に低下するし。線幅０．１５μｍ以下の
微細パターンに対応する露光波長１５０ｎｍ以下の領域
では実用的な硝材の開発は非常に困難である。また遠紫
外線領域で使用される硝材は、透過率以外にも、耐久
牲，屈折率均一性，光学的歪み，加工性等の複数条件を
満たす必要があり、この事から、実用的な硝材の存在が
危ぶまれている。

【００１０】このように従来の投影露光方法及び投影露
光鼓置では、ウエハ上に線幅０．１５μｍ以下のパター
ンを形成する為には１５０ｎｍ程度以下まで露光波長の
短波長化が必要である。これに対し、現在のところ、こ
の波長領域では実用的な硝材が存在しないので、ウエハ
に線幅０．１５μｍ以下のパターンを形成することがで
きなかった。

【００１１】米国特許第５４１５８３５号公報は２光束
干渉露光によって敏細パターンを形成する技術を開示し
ており、この２光束干渉露光によれば、ウエハに線幅
０．１５μｍ以下のパターンを形成することができる。

【００１２】２光束干渉露光の原理を図２１を用いて説
明する。２光束干渉露光は、レーザ１５１からの可干渉
牲を有し且つ平行光線束であるレーザ光Ｌ１５１をハー
フミラー１５２によってレーザ光Ｌ１５１ａ，Ｌ１５１
ｂの２光束に分割し、分割した２光束を夫々平面ミラー
１５３ａ，１５３ｂによって反射することにより２個の
レーザ光（可干渉性の平行光線束）を０より大きく９０
度末満のある角度を成してウエハ１５４面上で交差させ
ることにより交差部分に干渉縞を形成している。この干
渉縞（の光強度分布）によってウエハ１５４を露光して
感光させることで干渉縞の光強度分布に応じた微細な周
期パターンをウエハ１５４に形成するものである。

【００１３】２光束Ｌ１５１ａ，Ｌ１５１ｂがウエハ１
５４面の立てた垂線に対して互いに逆方向に同じ角度だ
け傾いた状態でウエハ面で交差する場合、この２光束干
渉露光における解像度Ｒは次の（３）式で表される。

【００１４】Ｒ＝λ／（４ｓｉｎθ）＝λ／４ＮＡ＝０．２５（λ／ＮＡ） ‥‥‥（３）ここで、ＲはＬ＆Ｓ（ライン・アンド・スペース）の夫
々の幅、即ち干渉縞の明部と暗部の夫々の幅を示してい
る。又βは２光束の夫々の像面に対する入射角度（絶対
値）を表し、ＮＡ＝Ｓｉｎθである。

【００１５】通常の投影露光における解像度の式である
（ｌ）式と２光束干渉露光における解像度の式である
（３）式とを比較すると、２光束干渉露光の解像度Ｒは
（１）式においてｋ₁ ＝０．２５とした場合に相当する
から、２光束干渉露光ではｋ₁＝０．５〜０．７である
通常の投影露光の解像度より２倍以上の解像度を得るこ
とが可能である。

【００１６】上記米国特許には開示されていないが、例
えばλ＝０．２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマ）でＮＡ＝
０．６の時は、Ｒ＝０．１０μｍが得られる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】２光束干渉露光は、基
本的に干渉縞の光強度分（露光量分布）に相当する単純
な縞パターンしか得られないので、所望の形状の回路パ
ターンをウエハに形成することが難しい。

【００１８】そこで上記米国特許第５４１５８３５号公
報は、２光束干渉露光によって単純な縞パターン（周期
パターン）即ち２値的な露光量分布をウエハ（のレジス
ト）に与えた後、露光装置の分解能の範囲内の大きさの
ある開口が形成されたマスクを用いて通常リソグラフィ
ー（露光）を行なって更に別の２値的な露光量分布をウ
エハに与えることにより、孤立の線（パターン）を得る
ことを提案している。

【００１９】しかしながら上記米国特許第５４１５８３
５号公報の露光方法は、２光束干渉露光と通常露光の２
つの露光法の夫々において通常の２値的な露光量分布し
か形成していないので、より複雑な形状の回路パターン
を得ることが難しい。

【００２０】また、上記米国特許第５４１５８３５号公
報は２光束干渉露光と通常露光の２つの露光法を組み合
わせることは開示しているが、このような組み合せを達
成する露光装置を具体的に示してはいない。

【００２１】以上のように、２光束干渉露光方式では半
導体素子の回路パターンのような任意のパターンを露光
することができないという根本的な問題がある。即ち２
光束干渉による露光では前述した交わり領域全体に渡る
等ピッチのパターンしか実質的に露光できない。これを
改良しようとして例えば像面付近に絞りを設定して露光
領域を制限し、例えばパターンとして必要となる数本の
ライン＆スペースパターンを方向を変えながら逐次移動
しながら十分小さい領域に露光領域を制限しようとして
小さい絞りを設けたと同時にそれぞれの光束自体の回折
により光り強度分布が変化し、有効な干渉縞を形成する
ことができなくなる。

【００２２】このように２光束干渉露光では０．１５μ
ｍ以下の解像度は達成できるもののパターンが等ピッチ
の者に限られ、実素子に必要な種類の回路パターンの露
光ができないという問題点があった。

【００２３】この２光束干渉露光の解像の原理を応用し
た技術に図２２に示すようなレベンソン型の位相シフト
マスクがある。この位相シフトマスク１７３では１：１
の線幅の周期パターン等を持つマスクに、透過率のみで
なく位相変化を与える位相シフタ１７２を図２２に示す
ように配置して、マスク透過後の光束が２つの略平行光
束となるようにしている。

【００２４】尚、１７１はクロムにより成る遮光部であ
る。又、Ｐｏは遮光部１７１のピッチ、Ｐｏｓは位相シ
フタ１７２のピッチである。

【００２５】図２３は図２２のレベンソン型位相シフト
マスク１７３を用いた露光装置の要部概略図である。

【００２６】図２３中、１７３はレベンソン型位相シフ
トマスク、１６２はマスク１７３から出て投影光学系１
４３に入射する物体側露光光、１６３は投影光学系、１
６４は開口絞り、１６５は投影光学系１６３から出てウ
エハ１６６に入射する像側露光光、１６６は感光儀反で
あるウエハを示し、１６７は絞り１６４の円形開口に相
当する瞳面での光束の位置を一対の黒点で示した説明図
である。図２３は２光束干渉露光を行っている状態の模
式図であり、物体側露光光１６２と像側露光光１６５は
双方とも、２つの平行光線束だけから成っている。

【００２７】この２つの略平行光束は開口絞り面（瞳
面）１６４では最外の２点となり、決像面の前では再び
２光束となり、この投影光学系に解像可能な最も微細な
周期パターンを再結像する。このレベンソン型の位相シ
フトマスク１７３は周期パターン以外でも作成可能であ
るが、１：１の線幅の周期パターン以外の任意パターン
については効果が薄れ、照明条件によっては逆に形成パ
ターンが悪化することもあった。この為、一般の回路パ
ターンに適用して十分な解像度と十分なパターン種類を
得ることができなかった。

【００２８】本発明は、２光束干渉装置を別途設けるよ
うな特別な露光装置の増設がなく、照明条件、開口絞り
の切り替え、小程度の改良を施すことで前述した高解像
度が得られる露光方法及び露光装置の提供を目的とす
る。

【００２９】本発明の更なる目的は、適切に設定した位
相型マスクと多重露光を用いた露光方法により、線幅
０．１５μｍ以下のパターン形成を実現可能とする露光
方法及びそれを用いた線幅０．１５μｍ以下の実回路パ
ターン露光が可能な露光装置を提供することである。

【００３０】本発明ではレベンソン型位相マスクを１：
１Ｌ＆Ｓ周期パターン以外のパターンに用いることによ
り（前述したように１：１Ｌ＆Ｓ周期パターン以外のレ
ベンソンマスクでの露光は効果が薄れるが）、照明光学
系の照明条件と投影光学系の開口絞りを制御して多重露
光することによって微細なＬ＆Ｓ周期パターンをレベン
ソンマスクで露光した場合と近い解像度で、またその他
の任意パターン部分も形状などが悪化させずに露光を行
うことのできる露光方法及び露光装置の提供を目的とし
ている。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明の露光方法は、 (1-1) 光源手段からの露光光で照明光学系によって所定
形状の照明領域を照明し、該照明領域に設けたマスクの
パターンを投影光学系で感光基板に投影する露光方法に
おいて、該マスクは光透過部分で構成される複数の基本
パターンを繰り返し配置した繰り返しパターンを有し、
該繰り返しパターンの隣接する透過部分は互いに略１８
０度の光学的な位相差を有しており、該マスクのパター
ンで照明光学系の照明条件及び投影光学系の瞳面上の光
透過条件を変えて該感光基板上を多重露光していること
を特徴としている。

【００３２】特に、 (1-1-1) 前記基本パターンは１対の透過パターンから成
り、当該１対の透過パターンの対応する光透過部分は互
いに光学的な位相差が略１８０度であること。

【００３３】(1-1-2)前記照明条件の１つとして、有効
光源の小さい略コヒーレント照明を用いること。

【００３４】(1-1-3) 前記投影光学系の瞳面上の光透過
条件の１つは前記マスク上のパターン解像度の高い方向
に長い開口部を有する開口絞りを用いて透過領域を制限
することであること。

【００３５】(1-1-4)前記開口絞りは、複数の可動な遮
光板を有し、該遮光板を前記多重露光の切り替え時に投
影光学系内に挿入すること。

【００３６】(1-1-5)複数の照明絞りのうちの１つを前
記照明光学系の光路中に挿脱可能となるように構成した
照明絞り保持手段を利用して、多重露光の切り替え時に
前記照明条件を変えていること。

【００３７】(1-1-6)１つ以上の開口を持つ遮光板と該
遮光板の保持手段を備え、該遮光板を前記多重露光の切
り替え時に照明光学系内で回転させる遮光板回転制御手
段を用いて前記照明条件を変えていること。等を特徴と
している。

【００３８】本発明の露光装置は、 (2-1) 構成(1-1) の露光方法を用いて感光性の基板にマ
スク上のパターンを転写していることを特徴としてい
る。

【００３９】本発明のデバイスの製造方法は、 (3-1) 構成(1-1) の露光方法を用いてマスク面上のパタ
ーンをウエハ面上に露光した後、該ウエハを現像処理工
程を介してデバイスを製造していることを特徴としてい
る。

【００４０】(3-2) 構成(2-1) の露光装置を用いてマス
ク面上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハ
を現像処理工程を介してデバイスを製造していることを
特徴としている。

【００４１】尚、本発明において「多重露光」とは「感
光基板上の同一領域を互いに異なる光パターンで途中に
現像処理工程を介さずに露光すること」を言う。

【００４２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の露光装置の実施形
態１の要部概略図である。図１に示す露光装置はマスク
（位相シフト型マスク）１４のパターンをウエハに投影
する投影光学系１８と、部分的コヒーレント照明とコヒ
ーレント照明の双方の照明が可能な照明光学系１２とを
有し、部分的コヒーレント照明によってラフ露光を行
い、コヒーレント照明によって微細線露光を行うことに
より、マスク１４上の所定のパターンを投影露光してい
る。

【００４３】ここで「部分的コヒーレント照明」とはσ
＝（照明光学系１２の開口数／投影光学系１８の開口
数）の値がゼロより大きく１より小さい照明であり、
「コヒーレント照明」とは、σの値がゼロまたはそれに
近い値であり、部分的コヒーレント照明のσに比べて相
当小さい値である。尚、図１の構成の詳細については後
述する。

【００４４】本発明の露光方法の原理は、照明条件によ
るレベンソン型マスクの持つ空間周波数スペクトルの制
御と、投影光学系の持つ空間周波数スペクトルの制御を
組み合わせることによって略２光束干渉となる空間周波
数成分を抽出し、マスクに含まれる通常の露光では解像
できない極微細な線パターンを最も好ましい略２光束干
渉条件で独立に露光し、これを通常の露光で潜像として
重ね、その後積算された潜像をもとに現像を行い、パタ
ーン像を得るというものである。

【００４５】そして本発明は、この多重露光により1 マ
スク内に含まれる多様なパターンをそれぞれ露光装置の
限界能力を用いて露光可能となり、単純な一露光では制
限されている投影露光装置の能力を最大限引き出してい
る。

【００４６】このように本発明によれば、例えばＮＡ
０．６のＫｒＦエキシマレーザ露光装置で０．１μｍの
パターンを露光することも可能であり、これは通常限界
とされている０．２μｍパターンの約２倍の解像度とな
る。さらに、微細線部の均一性、焦点深度の拡大等の効
果もある。

【００４７】さらに、本発明は多重露光を行う時のマス
クが１枚で良く、マスク自体のコスト及びマスクの交換
やそれに伴うアライメントなどのスループットを低下さ
せる作業を省いている。

【００４８】図２は本発明の露光方法のフローチャート
である。図２には本発明の露光方法を構成する線幅の比
較的大きなパターンの投影露光を行うラフ露光ステッ
プ、線幅の小さなパターンの投影露光を行う微細線露光
ステップ、現像ステップとその流れが示してある。

【００４９】ここでラフ露光ステップと微細線露光ステ
ップはこの図の順でなくとも良く、微細線露光ステップ
が先でも良く、また複数回露光する場合は交互に行うこ
とも可能である。

【００５０】また、各露光ステップ閑にはアライメント
ステップ等を適宜挿入して、像形成精度をあげることも
可能であり、本発明はこの図により、そのステップ構成
をなんら限定されるものではない。

【００５１】次にこれらのステップにより本発明の効果
がいかに実現されるかについてその原理を説明する。図
２のフローを用いた場合、まずラフ露光を行い感光基板
上に所望のパターンのマスク像を露光する。

【００５２】本発明は、投影光学系で解像できる限界線
幅以下の解像度を露光するものである為、マスクに形成
された所望のパターンは限界線幅以下のパターンを含ん
でいる。

【００５３】このようなマスク面上に形成したパターン
の一例を図３に示す。図３において３３は基本的パター
ンであり、３１，３２は光り透過部分（線）である。基
本パターン３３を繰り返し配列して繰り返しパターンを
構成している。

【００５４】このパターンは半導体デバイスのＡＳＩＣ
に用いられる所謂ゲートパターン（基本パターン）であ
る。

【００５５】図中、３１のゲート線はスイッチングを司
る主要部分であり、この線幅は極微細化が望まれてい
る。一方、３２の配線コンタクト部はある程度の面積が
必要であり、ゲート線に比べて大きなパターンとなって
いる。このようなパターンでは、即ち、微細線とそれに
比べて大き目のパターンが混在している。さらに図４に
示すように、ゲートパターン同志はできる限り集積化さ
れることがＩＣの機能上好ましい為、パターン間の隙間
９も微細線パターンの幅ａと同一となることがある。

【００５６】図５は本発明で用いるマスクＭについての
模式図である。このマスクＭはゲートパターン３３が一
対のパターンから成っていることを利用し、この対のパ
ターンを等価する光の位相差がそれぞれ略π（１８０
度）となるように作成されている。同図においても透明
部分と斜線部分とで１８０度の位相差がある。

【００５７】また、ゲートパターンの上下の列（紙面上
下）でも隣り合うパターン同志の位相差が同様にπとな
るように作成している。このように作成することによ
り、隣り合うパターンの境界部で位相差により光が弱ま
ることでパターン像の解像度を向上する効果を得てい
る。

【００５８】但しラフ露光ステップのみでは、このよう
なレベンソンマスクを用いてもこのようなゲート線部等
の限界線幅以下の微細線は完全には解像されず、また焦
点深度などが浅い。尚、ここで略１８０度とは１８０度
±１０度のことである。

【００５９】次に第２ステップとして、微細線露光を行
う先のラフ露光が行われた後の感光基板上に微細線を露
光する。現像は未だ行わない。

【００６０】微細線露光ではマスクＭの位置はそのまま
ラフ露光と同一位置とし、照明光学系１２の照明条件と
投影光学系１８の開口絞りの調整を行った後に露光を行
う。

【００６１】図６は本発明の露光条件とそれぞれの露光
で得られるパターンの模式図である。微細線露光の照明
条件としては、照明光学系１２中に絞り等を設けて図６
の右側に示すような小σ照明（所謂コヒーレント照明に
近い照明）を用い、投影光学系の瞳面に設ける開口絞り
としては図の右の中程に示すような長方形の開口を有す
るものとした。マスクＭは図５と同じである。

【００６２】尚、それぞれ図中のｘ軸とｙ軸は図３で示
したゲートパターン中に示したｘ軸とｙ軸に揃えてあ
る。

【００６３】図７は図６で示す露光を行ったときのパタ
ーンの光強度分布の説明図である。そして、図８は図７
と同一の光強度分布を、図３に示したゲートパターンの
ゲート線部（図中Ａ−Ａ’）に関して示した光強度分布
のグラフである。

【００６４】これらの図はネガ露光を行った結果であ
り、それぞれ左からラフ露光ステップ、微細線露光ステ
ップとその二重露光の積算結果を示した。

【００６５】図７より明かのように、ラフ露光では微細
線部は解像せず、ぼけ像となっており、光強度はコンタ
クト部の強度に比べて低いことが分かる。そして微細線
露光部はゲート線部をよく解像しており、さらに良い点
として、ゲート線方向でもゲート線がある部分に光が集
中していることが挙げられる。

【００６６】最終的に多重露光して積算された光強度が
右図であり、目的とするパターン像がよく再現されてい
ることがわかる。

【００６７】また、図８よりラフ露光ではゲート線を形
成できる許容露光量の幅（裕度）が狭いのに対し、二重
露光積算では、微細線露光によりコントラストの大きい
ゲート線パターン部の光強度分布が積算されることによ
って、許容露光量の幅が約２倍に拡大されていることが
分かる。

【００６８】以上に示したように、本発明によれば前述
のようにマスク及び照明条件と開口絞りなどを調整した
多重露光を用いることにより、通常の露光限界よりも解
像度の高いパターン像を安定して投影露光することが可
能となった。

【００６９】図９は本実施例の微細線露光で用いたレベ
ンソンマスク（レベンソン型位相マスク）による露光の
効果を示す模式図である。図中、（Ａ）が通常の露光装
置の限界解像の使用状態、（Ｂ）が通常の使用状態で限
界解像の２倍ピッチのパターンを露光しようと試みた場
合、（Ｃ）が本実施例のレベンソンマスクで２倍ピッチ
のパターンを露光する様子を示す模式図である。

【００７０】１７１はクロムによる遮光部、Ｐ１，Ｐ２
は周期パターンのピッチである。

【００７１】以下にそれぞれの場合について説明する。
図９（Ａ）ではマスクＭ上の線のピッチＰ１に対応する
１次回折光（角度θ）が投影光学系の物体側ＮＡ内にち
ょうど入る状態となっている。即ち、投影光学系を通過
して結像に寄与する光は０次光と±１次光の３光束であ
る。

【００７２】図９（Ｂ）ではマスクＭ上の線パターンの
ピッチＰ２をピッチＰ１の２倍としたもので、この場
合、マスクで回折された１次回折光の角度θ２は図９
（Ａ）の場合の角度θ１に比べて２倍となる。

【００７３】よって、投影光学系の物体側ＮＡ内に入る
のは０次光のみとなり、即ち投影光学系を透過して結像
に寄与する光は０次光だけで、この場合は線パターンの
像は解像されない。

【００７４】図９（Ｃ）では図９（Ｂ）と同じく図９
（Ａ）の２倍のピッチＰ２のパターンを用いるが、マス
クＭをレベンソンマスクとした。この場合、図に示すよ
うに０, ±１次光がそれぞれ斜めにシフトし、その結果
０次光と＋１次光（または０次光と−１次光）が投影光
学系の物体側ＮＡ内に入り、即ち投影光学系を透過して
結像に寄与する。

【００７５】そしてこれは２光束干渉となっている。こ
の場合０次光と＋１次光の結像面でなす角度（ＮＡ）は
通常照明の場合の３光束干渉での角度（ＮＡ）の２倍で
あり、そのため解像度は２倍である。

【００７６】以上の説明は１次元的な見方であり、もし
マスクが微細線露光専用に１次元周期パターンであれば
上記のレベンソンマスクのみで微細線を露光することが
可能となるが、２次元の微細線以外のパターンを含む場
合には、マスク上のパターンも２次元で、開口絞りも２
次元開口を持っているために、回折光は開口絞り面で２
次元的に分布し、例えレベンソンマスクを用いても２次
元的な種々の角度（ＮＡ）の混じった結像となって、前
出した２光束干渉の解像度２倍という利点が得られな
い。このことから、本発明の、パターン中に含まれる微
細線パターンを解像度２倍で露光するという目的に対し
て、以上の構成では目的を完全に達成できないことがわ
かる。

【００７７】そこで本実施形態では、前述したように、
投影光学系の開口絞り面に長方形状の開口を有する開口
絞りを配置することによって、２次元的な種々の角度が
混ざった光束を微細線解像のために１次元に制限し、そ
して微細線に対応した１次元的な略2 光束結像を実現
し、目的を達成している。

【００７８】次に図１に示した本発明の露光装置の一形
態の模式図について説明する。

【００７９】図中、１１は露光光源であり、ＫｒＦ又は
ＡｒＦエキシマレーザーから成っている。１２は照明光
学系、１３は照明モードの模式図であり、照明光学系１
２から射出される光束の状態を示している。１４はマス
クであり、例えば図５に示すように基本パターン３３の
繰り返しから成り、隣接する透過領域との光学的な位相
差が１８０度のパターンを有している。１５は照明光学
系１２の絞り交換手段、１６は交換用の各種の絞りであ
り、絞りを交換して有効光源の形状を変えている。１７
はレチクルステージでありマスク１４を保持している。
１８は投影光学系、１９は開口絞りであり、投影光学系
１８の瞳面に設けている。２０は開口絞り交換手段であ
り、開口絞り８５、８６を交換可能にしている。２１は
ウエハ（感光基板）２２はウエハステージである。

【００８０】この露光装置では、マスク１４に形成され
ているパターンの線幅が比較的大きいラフパターンを投
影露光するラフ露光を行う場合には図中有効光源６４と
して示したように、通常の照明、即ち部分コヒーレント
照明で有効光源σが比較的大きいもの（σ０．６から
０．８程度）を用いる。そして投影光学系１８に用いる
開口絞り１９についても特別な形状は用いず、絞り８６
等の投影光学系の略最大ＮＡでの露光を行う。輪帯照明
等も適宜用いることができるのはいうまでもない。

【００８１】次にこの露光装置では、マスク１４に形成
されたパターンの線幅が小さい微細線パターンを投影露
光する。微細線露光を行う場合には、図中有効光源６３
として示したように、小σ照明（所謂コヒーレント照明
に近い照明）を用いる。そして投影露光学系１８に用い
る開口絞りについてはゲート線に垂直方向、即ち高解像
度方向に長手を持つ長方形の開口絞り８５を用いる。

【００８２】ラフ露光と微細線露光の切り替えについて
は、照明光学系１２に関しては絞り交換手段１５により
絞り１６を交換し、投影光学系１８中の開口絞り１９に
関しては開口絞り交換手段２０により開口絞り１９を交
換して行う。

【００８３】ここで、照明光学系１２の絞り交換手段１
５としては、図１０に示すようにラフ露光用絞り６４と
微細線露光用絞り６３の２つの絞り（絞りフィルタ）を
１つの保持具６１に固定しておき、保持具６１を光軸と
直交する面に平行にスライドさせて各絞りが適宜照明光
学系１２内の絞り位置６２に配置するように交換するも
のや、図１１に示すように複数の絞り７３〜７７を円盤
上の保持具７１に固定して、回転させて、同様に照明光
学系１２内の絞り位置７２に配置させるもの等を適宜用
いることが可能である。

【００８４】また、開口絞り交換手段２０については、
図１２に示すように微細線露光時に投影光学系１８内の
所定位置に開口絞り８５を光軸と直交する面に平行にス
ライドすることによって、挿入して配置している。一
方、ラフ露光時には同様に開口絞り８５をスライドさせ
て退避させ開口絞り８６を挿入する装置や、図１３に示
すように露光装置の所定位置に対して外側より２枚の遮
光板９４、９５を同時に所定位置まで平行にスライドさ
せて挿入して配置し、中心部に長方形状の開口を構成す
る装置等を適宜用いることができる。

【００８５】さらに、ラフパターンや微細パターンに合
わせる等の用途で長方形等の非対称開口の方位を変更す
るために、遮光板と挿入退避手段を回転可能にしたも
の、また、多数の方位の異なる遮光板と挿入退避手段を
備えたものが適用できる。また、図１４に示すような長
方形開口の開口絞り１０１を挿入後に回転させる機構等
を用いることもできる。

【００８６】次に、本発明の実施形態の他の構成につい
て説明する。

【００８７】本実施形態は図３に示すようなパターンの
集積化をさらに進めた際に、ゲート線方向（図中ｙ方
向）のパターン同士の分離が限界となる場合に適した露
光方法である。

【００８８】本実施例では図１５に示すようにラフ露
光、微細線露光１、２の３重露光を行う。微細線露光と
しては図中央の微細線露光１（図６の微細線露光と同
じ）に加えて開口絞り８５の開口方向が９０度異なった
開口絞りを用いて微細線露光２を行うことで、基本ゲー
トパターン同志の分離境界を強調する効果が得られる。

【００８９】微細線露光２は図中に示したように、小σ
照明と開口絞りによる空間周波数調整を行う点では微細
線露光１と同様であるが、開口絞りの長方形開口の方向
を９０度回転させて配置してある。これによって、集積
化されたことによって解像度が必要となったｙ方向（紙
面上下）の解像度を高め、これを重ねて露光することに
より、ゲート線方向の基本パターン同志の分離を容易に
している。

【００９０】本発明は以上説明した実施形態に限定され
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲におい
てシーケンスの流れ等も種々に変更することが可能であ
る。

【００９１】特に、照明光学系の照明条件や投影光学系
の開口絞り形状は目的とするパターンに合わせて適宜選
択して多重露光することができる。微細線露光として輪
帯照明、４重極照明、楕円上開口絞りや４重極開口絞り
等様々に変化させて用いることもできる。図１６は開口
絞りのバリエーションの例である。

【００９２】また、基本ゲートパターン同志の分離性を
高めたり、線幅、形状等を補正するためにマスク上のゲ
ートパターンの形状を適宜目的とするパターンから部分
的に変更することが可能である。図１７は本発明に係る
ゲートパターン同志の分離を目的としたマスクの説明図
である。

【００９３】同図において斜線で示した開口部は他の開
口部に対して透過光に１８０度（π）の位相差を与えて
いる。

【００９４】図２４は本発明の露光装置における具体的
な光学系の一実施形態の説明図である。

【００９５】本実施形態ではサブミクロンやクオーター
ミクロン以下のリソグラフィー用のステップアンドリピ
ート方式またはステップアンドスキャン方式の露光装置
に適用した場合を示している。

【００９６】図中、レーザ光源２０１からのレーザ光は
ビーム整形ユニット２０５でビーム径を拡大してオプテ
ィカルインテグレータ２０６の入射面２０６ａに入射さ
せている。オプティカルインテグレータ２０６は断面が
４角形状や円柱状の複数の微小レンズ（ハエの目レン
ズ）６−ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を２次元的に所定のピッチで
配列して構成しており、その射出面２０６ｂ近傍に２次
光源像を形成している。

【００９７】

【００９８】

【００９９】２０７は絞りであり、図１の交換絞り１６
に相当しており、２次光源の形状を決定している。絞り
２０７は照明条件に応じて絞り交換機構（アクチュエー
タ）２１６によって種々の絞り２０７ａ，２０７ｂが光
路中に位置するように切り替え可能となっている。絞り
２０７としては、例えば通常の円形開口の絞りや、投影
レンズ２１３の瞳面２１４上の光強度分布を変化させる
輪帯照明用絞りや、４重極照明用絞り、小σ値照明用絞
り等を有し、これらのうちの１つを選択して光路中に配
置している。

【０１００】本実施形態では種々の絞り２０７を用いる
ことにより、集光レンズ２０８に入射する光束を種々と
変えて投影光学系２１３の瞳面２１４上の光強度分布を
適切に制御している。集光レンズ２０８はオプティカル
インテグレータ２０６の射出面２０６ｂ近傍の複数の２
次光源から射出し、絞り２０７を透過した複数の光束を
集光し、ミラー２０９で反射させて被照射面としてのマ
スキングブレード２１０面を重畳させて、その面上を均
一に照射している。マスキングブレード２１０は複数の
可動の遮光板より成り、任意の開口形状が形成されるよ
うにしている。

【０１０１】２１１は結像レンズであり、マスキングブ
レード２１０の開口形状を被照射面としてのレチクル
（マスク）２１２面に転写し、レチクル２１２面上の必
要な領域を均一に照明している。

【０１０２】２１３は投影光学系（投影レンズ）であ
り、レチクル２１７面上の回路パターンをウエハチャッ
クに載置したウエハ（基板）２１５面上に縮小投影して
いる。２１４は投影光学系２１３の瞳面である。この瞳
面２１４に図１で示した種々の開口絞り１９を挿脱可能
に配置している。

【０１０３】本実施形態における光学系では、マスキン
グブレード２１０とレチクル２１２とウエハ２１５が互
いに共役関係となっている。又、絞り２０７ａと投影光
学系２１３の瞳面２１４とが略共役関係となっている。

【０１０４】本実施形態では以上のような構成により、
レチクル２１２面上のパターンをウエハ２１５面上に縮
小投影露光している。そして所定の現像処理過程を経
て、デバイス（半導体素子）を製造している。

【０１０５】本実施形態では、前述したように対象とす
るレチクル２１２面上のパターン形状に応じて開口形状
の異なった絞りを選択して用いて、投影光学系２１３の
瞳面２１４上に形成される光強度分布を種々と変えてい
る。

【０１０６】尚、本発明において（ａ）照明光学系の照明方法としては、ＫｒＦエキシマ
レーザー、ＡｒＦエキシマレーザー又はＦ２エキシマレ
ーザーから光でマスクパターンを照明することが適用可
能である。

【０１０７】（ｂ）露光装置においては屈折系、反射−
屈折系、又は反射系のいずれかより成る投影光学系によ
って前記マスクパターンを投影することが適用可能であ
る。

【０１０８】（ｃ）露光装置としては本発明の露光方法
を露光モードとして有するステップアンドリピート型縮
小投影露光装置や本発明の露光方法を露光モードとして
有するステップアンドスキャン型縮小投影露光装置等が
適用可能である。

【０１０９】次に上記説明した投影露光装置を利用した
半導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。

【０１１０】図１８は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等
の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造
のフローを示す。

【０１１１】ステップ１（回路設計）では半導体デバイ
スの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では
設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。

【０１１２】一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリ
コン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマ
スクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ
上に実際の回路を形成する。

【０１１３】次のステップ５（組立）は後工程と呼ば
れ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導
体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシ
ング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程を含む。

【０１１４】ステップ６（検査）ではステップ５で作製
された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト
等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイス
が完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【０１１５】図１９は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸
化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶
縁膜を形成する。

【０１１６】ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に
電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打
込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５
（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステ
ップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマ
スクの回路パターンをウエハに焼付露光する。

【０１１７】ステップ１７（現像）では露光したウエハ
を現像する。ステップ１８（エッチング）では現像した
レジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジス
ト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジスト
を取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことに
よってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

【０１１８】本実施形態の製造方法を用いれば、従来は
製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製
造することができる。

【０１１９】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、 (ア-1) ２光束干渉装置を別途設けるような特別な露光装
置の増設がなく、照明条件、開口絞りの切り替え、小程
度の改良を施すことで前述した高解像度が得られる露光
方法及び露光装置を達成することができる。

【０１２０】(ア-2) 多重露光を用いた露光方法により、
線幅０．１５μｍ以下のパターン形成を実現可能とする
露光方法及びそれを用いた線幅０．１５μｍ以下の実回
路パターン露光が可能な露光装置を達成することができ
る。

【０１２１】(ア-3) レベンソン型位相マスクを１：１Ｌ
＆Ｓ周期パターン以外のパターンに用いることにより
（前述したように１：１Ｌ＆Ｓ周期パターン以外のレベ
ンソンマスクでの露光は効果が薄れるが）、照明光学系
の照明条件と投影光学系の開口絞りを制御して多重露光
することによって微細なＬ＆Ｓパターンをレベンソンマ
スクで露光した場合と近い解像度で、またその他の任意
パターン部分も形状などが悪化させずに露光を行うこと
のできる露光方法及び露光装置を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の露光装置の一例を示す図

【図２】本発明の露光方法のフローの一例を示す図

【図３】ゲートパターン形状を示す模式図

【図４】集積化されたゲートチャート形状を示す模式図

【図５】本発明に係るレベンソンマスクの一例を示す模
式図

【図６】本発明の実施形態１の露光条件と像強度を示す
模式図

【図７】本発明の実施形態１のパターン像の光強度分布
を示す模式図

【図８】本発明の実施形態１の微細線部分強度分布と露
光裕度を示す模式図

【図９】レベンソンマスクの効果を説明する模式図

【図１０】本発明に係る照明条件制御手段の他の一例を
示す模式図

【図１１】本発明に係る照明条件制御手段の他の一例を
示す模式図

【図１２】投影光学系の開口絞り制御手段の一例を示す
模式図

【図１３】投影光学系の開口絞り制御手段の他の一例を
示す模式図

【図１４】投影光学系の開口絞りの回転手段の一例を示
す模式図

【図１５】本発明の実施形態３の露光条件と像強度を示
す模式図

【図１６】本発明の他の実施形態を示す模式図

【図１７】本発明のマスクの他の一例を示す模式図

【図１８】本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト

【図１９】本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト

【図２０】従来の投影露光装置を示す概略図

【図２１】従来の２光束干渉露光装置の一例を示す概略
図

【図２２】レベンソン型位相シフトマスクの説明図

【図２３】従来の２光束干渉用露光装置の一例を示す概
略図

【図２４】本発明の露光装置の光学系の説明図

【符号の説明】

１１エキシマレーザー１２照明光学系１４マスク（レチクル）Ｍ，１７マスク（レチクル）ステージ１５マスク（レチクル）チェンジャ１８投影光学系２１ウエハ２２ＸＹＺステージ１６，６３，６４照明用絞り１９，８５，８６開口絞り１７３位相シフト型マスク９４，９５遮光部３３基本パターン１７１クロム（遮光部）１７２位相シフト１７３レベンソン型位相シフトマスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源手段からの露光光で照明光学系によ
って所定形状の照明領域を照明し、該照明領域に設けた
マスクのパターンを投影光学系で感光基板に投影する露
光方法において、該マスクは光透過部分で構成される複
数の基本パターンを繰り返し配置した繰り返しパターン
を有し、該繰り返しパターンの隣接する透過部分は互い
に略１８０度の光学的な位相差を有しており、該マスク
のパターンで照明光学系の照明条件及び投影光学系の瞳
面上の光透過条件を変えて該感光基板上を多重露光して
いることを特徴とする露光方法。
【請求項２】前記基本パターンは１対の透過パターン
から成り、当該１対の透過パターンの対応する光透過部
分は互いに光学的な位相差が略１８０度であることを特
徴とする請求項１の露光方法。
【請求項３】前記照明条件の１つとして、有効光源の
小さい略コヒーレント照明を用いることを特徴とする請
求項１の露光方法。
【請求項４】前記投影光学系の瞳面上の光透過条件の
１つは前記マスク上のパターン解像度の高い方向に長い
開口部を有する開口絞りを用いて透過領域を制限するこ
とであることを特徴とする請求項１の露光方法。
【請求項５】前記開口絞りは、複数の可動な遮光板を
有し、該遮光板を前記多重露光の切り替え時に投影光学
系内に挿入することを特徴とする請求項４の露光方法。
【請求項６】複数の照明絞りのうちの１つを前記照明
光学系の光路中に挿脱可能となるように構成した照明絞
り保持手段を利用して、多重露光の切り替え時に前記照
明条件を変えていることを特徴とする請求項１の露光方
法。
【請求項７】１つ以上の開口を持つ遮光板と該遮光板
の保持手段を備え、該遮光板を前記多重露光の切り替え
時に照明光学系内で回転させる遮光板回転制御手段を用
いて前記照明条件を変えていることを特徴とする請求項
１の露光方法。
【請求項８】請求項１から７のいずれか１項の露光方
法を用いて感光性の基板にマスク上のパターンを転写し
ていることを特徴とする露光装置。
【請求項９】請求項１〜７のいずれか１項の露光方法
を用いてマスク面上のパターンをウエハ面上に露光した
後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造し
ていることを特徴とするデバイスの製造方法。
【請求項１０】請求項８の露光装置を用いてマスク面
上のパターンをウエハ面上に露光した後、該ウエハを現
像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴
とするデバイスの製造方法。