JPH07183201A - 露光装置および露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光リソグラフ技術において、通常照明方法お
よび斜入射照明方法よりも解像力、焦点深度をさらに向
上させる露光方法および露光装置を提供する。 【構成】 斜入射露光を、ウェーハ面およびパターン方
向に平行な直線偏光を用いて行う。輪帯照明、４点照明
等のアパーチャー開口部の対向する部分に、ＴＥ偏光波
を出すように偏光子を挿入する。または、初めから偏光
した光を発振するレーザ光を分割し、斜入射照明用に配
置し、偏光を揃えても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置、電子回路
等のフォトリソグラフ工程等に用いられる露光装置およ
び露光方法に関し、特に斜め入射露光技術の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩの高集積化に伴い、微細パ
ターンの実現に対する要求が高まっている。従来、この
微細パターン形成技術（リソグラフ技術）の主力は、水
銀ランプのｇ線（４３６ｎｍ）またはｉ線（３６５ｎ
ｍ）を用いる露光装置であり、また、ステッパとノボラ
ック系レジストとを組み合わせた紫外線露光技術であ
る。そして、ステッパの性能向上（レンズの高ＮＡ化、
重ね合わせ精度の改善など）と合わせ、ノボラック系レ
ジストの高解像度化が図られてきた。その結果、０．３
５〜０．４０μｍ程度の幅のパターンの微細加工が可能
となりつつある。

【０００３】しかしながら、さらに高解像性を目指した
場合、従来手法の延長では対処できないことが次第に明
らかとなってきている。そのため、さらなる短波長化
（例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光（２４９ｎｍ）また
は２５０ｎｍ付近の水銀アークランプ光など）、各種超
解像手法（位相シフトマスク、斜入射照明および瞳フィ
ルタ）が提案され、検討がなされている。この中でも短
波長化は最も普遍的な手法である。また、斜入射照明に
ついては、図５に示す投影露光装置を用いて以下説明す
る。

【０００４】図５に示すように、この投影露光装置で
は、光源１から射出された光線は、ビームエクスパンダ
等の光学系２を透過し、鏡３で反射され、フライアイレ
ンズ４で均一な平行光線となる。この平行光線は、アパ
ーチャー５の円形の開口部を通過する。この通過した光
は、コンデンサレンズ６を経てレチクル７に照射され、
さらに、投影レンズ８を透過してウェーハ９に照射され
る。

【０００５】この投影露光装置を用いてレチクル７に対
して斜めに照明する輪帯照明を用いた斜入射露光方法
は、Ｄ．Ｌ．Ｆｅｈｒｓ他２名による、「Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇ ｏｆ ＫＴＩ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｏｒｏ
ｎｉｃｓ ｓｅｍｉｎｏｒ（１９８９年）」の第２１７
頁に述べられている。また、この方法は、Ｋ．Ｔｏｕｎ
ａｉ他３名によって、「ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１６７４
Ｏｐｔｉｃａｌ／Ｌａｓｅｒ Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇ
ｒａｐｈｙ Ｖ（１９９２年）」の第７５３頁に、Ｍ．
Ｎｏｇｕｃｈｉ他数名により同文献の第９２頁に、また
は、Ｎ．Ｓｈｉｒａｉｓｈｉ他数名により同文献の第７
４１頁に開示されている。

【０００６】この斜入射露光方法は、円形の開口部を有
する上記アパーチャー５（図５）の代わりに、図６
（ａ）〜（ｅ）に示したアパーチャーを用いるものであ
る。すなわち、２点照明のアパーチャー１０、４点照明
のアパーチャー１１、輪帯照明のアパーチャー１２、８
点照明のアパーチャー１３、または、４点（矩形）照明
のアパーチャー１４を、フライアイレンズ４の直下に配
置したものである。この方法は、これらの開口部を通過
した輪帯状光線によって、レチクル７に対して垂直に入
射する０次光成分を消去して、斜め０次光成分の光線だ
けで、レチクル７を照明する手法である。この輪帯状光
線によると、０次光成分と、＋１次光成分、または、−
１次光成分との間の回折角度を大きくとれる。このた
め、結像面角度が従来に比較して大きくなり、解像力が
向上する。また、結像面でのコントラストが増大し、焦
点深度が向上する。

【０００７】さらに、露光時の偏光光を利用する技術
が、特開昭６１−２１８１３２号公報に開示されてい
る。この技術は、被転写体（レチクル）と転写体（ウェ
ーハ）との間に位置する結像光学系内の多重反射効果を
防止している。これは、直線偏光板と位相偏光板（１／
４波長板）とからなる円偏光発生部を結像光学系内に設
置するものである。

【０００８】また、特開平１−２６０４５２号公報に開
示された技術は、レチクルパターン面の反対側に偏光膜
を設置し、さらに、金属レチクルパターン面を上にして
露光することにより、ウェーハ面上またはレチクル内部
の散乱光および回折光を抑制している。

【０００９】さらに、偏光光を用いて露光を行う場合、
ＴＥ偏光波（ウェーハ面に平行な波）がパターン面に平
行に入射すると解像度が増大する一方、ＴＭ偏光波（入
射方向とＴＥ偏光波に対して垂直方向の偏光波）が入射
すると、非偏光の場合よりも解像度が低下することが、
シュミレーションにより予想されている。例えば、Ｙ．
Ｕｎｎｏ他数名によって、「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏ
ｆ ＳＰＩＥ，１９２７（１９９３年）」の第８７９頁
に開示されている。これは、図７に示すように、ＴＥ偏
光波の場合、０次回折光の電場と±１次回折光の電場と
が、紙面に垂直方向において一致している。このため、
コントラストが向上する。これに対し、ＴＭ偏光波は０
次回折光と±１次回折光との各電場が互いに傾いている
ため、逆にコントラストが劣化するからである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述した斜入射露光
は、解像力、焦点深度の向上に確かに有効であり、その
露光装置への適用も、アパーチャーを変更するのみであ
り、容易である。しかしながら、その向上量は比較的小
さく、デバイス設計ルールの縮小よりも、プロセスマー
ジンの拡大を念頭に検討されるのが実態である。

【００１１】また、偏光光を利用した上記技術は、本
来、高解像性を追求するものではなく、露光光学系の多
重干渉、散乱、回折による光学像の劣化を防止するもの
であり、大幅な高解像性は望めない。

【００１２】さらに、上記偏光光露光のシミュレーショ
ンは、ＴＥ偏光波の有効性を示しているものの、実際に
は、どのように実デバイス製造に適用するのかを明確に
示しているものではない。

【００１３】そこで、本発明の目的は、解像力および焦
点深度が向上する露光装置および露光方法を提供するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した発明
は、光源からの光線がレチクルに対して斜めに入射され
る斜め入射手段を有する露光装置にあって、上記光線を
直線偏光光とする偏光子を備えた露光装置である。

【００１５】請求項２に記載した発明は、基板を搭載す
るステージと、この基板に対して入射する光線を照射す
る光源と、光源とステージとの間に配設されたレチクル
と、レチクルと光源との間に配設されたフライアイレン
ズと、フライアイレンズとレチクルとの間に配設され、
光源からの光線をレチクルに対して斜めに入射する斜め
入射部材とを備えた露光装置にあって、上記斜め入射部
材からのレチクルに斜め入射する光線を直線偏光光とす
る偏光子を有する露光装置である。

【００１６】請求項３に記載の発明は、上記偏光子は、
その直線偏光光の偏光面を基板面に対して平行とする請
求項２に記載の露光装置である。

【００１７】請求項４に記載した発明は、上記斜め入射
部材は、上記フライアイレンズとレチクルとの間に設け
られたアパーチャーを有し、このアパーチャーは光軸に
対して垂直な面で環状に配設された開口を備え、この開
口には上記偏光子が配された請求項１，２または３のい
ずれか１項に記載の露光装置である。

【００１８】請求項５に記載の発明は、上記アパーチャ
ーは輪帯状に配された開口を有する請求項４に記載の露
光装置である。

【００１９】請求項６に記載した発明は、上記レチクル
とステージとの間にはレチクルを透過した光線を基板表
面に投影する投影レンズを設けた請求項１，２，３，４
または５のいずれか１項に記載の露光装置である。

【００２０】請求項７に記載した発明は、上記光源は偏
光光を照射するレーザを含む請求項１，２，３，４，５
または６のいずれか１項に記載の露光装置である。

【００２１】請求項８に記載したは発明は、光線を被転
写体に照射して被転写体のパターンを転写体に転写する
露光方法において、直線偏光光を被転写体に対して斜め
入射する露光方法である。

【００２２】請求項９に記載の発明は、上記直線偏光光
は、その偏光面を、転写体のパターンが転写される面に
対して平行にした請求項８に記載の露光方法である。

【００２３】請求項１０に記載した発明は、上記直線偏
光光は、複数の光源領域方向から被転写体に入射される
請求項９に記載の露光方法である。

【００２４】請求項１１に記載した発明は、上記複数の
光源領域方向からの直線偏光光は、対向する光源領域方
向からの直線偏光光の偏光方向が平行である請求項１０
に記載の露光方法である。

【００２５】

【作用】本発明に係る直線偏光光の斜め入射露光の原理
を、輪帯照明を例にとって説明する。図１に示すよう
に、リング状開口Ｏを有するアパーチャー部Ａに、複数
の開口部のうち対向する開口部の偏光方向が一致するよ
うに偏光子Ｐを配置する。偏光子Ｐとしては、紫外光を
透過することができるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）
を引き伸ばしたタイプ、いわゆるポラロイド系ＨＮ膜、
ＫＮ膜を適用することができる。また、方解石、水晶、
石英、または、蛍石からなる複屈折型偏光子を用いるこ
とも可能である。さらには、偏光プリズム等も適用する
ことができる。

【００２６】一般に、光強度コントラストは、有効光源
と瞳関数の重なりで表す透過クロス係数：ＴＣＣの０次
光成分と±１次光成分の比で決定される。また、パター
ンが密になるほど回折角は大きくなる。この回折角θ
は、θ＝ｓｉｎ^-1（λ／ｐ）で求められる。但し、λは
露光波長、ｐはパターンピッチを示す。回折角が大きく
なると、有効光源と瞳関数との重なりが減少するため、
ＴＣＣの±１次光成分は次第に減衰する。この結果、非
偏光露光の場合は、パターンが密になるほど光強度コン
トラストが減少し、最後に、解像不能となる。

【００２７】一方、偏光子Ｐを配置した輪帯照明では、
パターンが密となり、回折角度が増大するにつれて、パ
ターン方向に平行なＴＥ偏光波の成分が増大する。この
ため、光強度コントラストは、非偏光露光に比べて、減
衰が小さく、高解像性を達成することができる。さら
に、ＴＥ偏光波成分により、デフォーカス時の光コント
ラストの減衰も小さく、焦点深度の低下も少ない。した
がって、解像力、解像限界付近での焦点深度も、レジス
トに依存するが、非偏光露光の場合に比べて１０〜２０
％向上させることができる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。図２〜図５は本発明の一実施例を説明するた
めの図である。本発明に係る露光装置は図５に示す構成
のものを使用することができる。

【００２９】図５を参照してこの投影露光装置を説明す
ると、この装置は、水銀ランプまたはレーザ等の光源１
を有している。光源１から射出された光線は、ビームエ
クスパンダ等の光学系２を透過し、鏡３で反射される。
さらに、この反射光は、フライアイレンズ４を通過する
ことにより、均一な平行光線となる。フライアイレンズ
４の直下にはアパーチャー５が配設されている。平行光
線は、アパーチャー５の開口部を通過し、コンデンサレ
ンズ６を経て、所定のパターンが形成されたレチクル７
に対して斜め方向に照射される。さらに、光線は、投影
レンズ８を透過してウェーハ９に照射される構成であ
る。以上のアパーチャー５およびコンデンサレンズ６は
斜め入射部材を、レチクル７は被転写体を、ウェーハ９
は転写体である基板をそれぞれ示している。

【００３０】ここで、使用するアパーチャー５は、図４
に（ａ）〜（ｆ）で示すように、種々の形状の開口部を
形成したものがある。いずれも円形のアパーチャー５の
面にあって、その面中心を中心として環状に配設して形
成してある。そして、これらの開口部のそれぞれに上述
した偏光子を配設している。１８０度離間して対向する
開口部同士に配設された偏光子は、その偏光方向が平行
となるように設定されている。例えば４点照明の開口部
（図４（ｂ）参照）を有するアパーチャーにあっては、
対向する開口部にてその偏光方向が平行になるように偏
光子を配置している。

【００３１】以下に、偏光子を含まないアパーチャーと
の比較を行う。通常のアパーチャーの場合、特定寸法の
Ｘ，Ｙ方向パターンに対して（図２にａ，ｂで示した回
折角に相当するピッチ）１次回折光強度が大きく、光強
度コントラストも高い。しかしながら、４５゜方向パタ
ーンに対しては、０次回折光に比べ、１次回折光の光強
度が減少するため、光強度コントラストは劣化し、その
結果、解像不能となる。一方、本発明の偏光子を配置し
たアパーチャーの場合には、Ｘ，Ｙ方向に対しては、偏
光子無しの場合とほぼ等しい特性が得られる。一方、４
５゜方向パターンに対しては、１次回折光強度は、非偏
光アパーチャー同様減衰するもののＴＥ偏光光が４５゜
方向パターンと平行に入射するため、光強度コントラス
トの減衰は軽微になる。その様子を図３（ａ），（ｂ）
に示す。一般に、半導体デバイスのパターン方向は、
Ｘ，Ｙ方向のみであることはまれであり、４５゜方向の
パターンが通常存在する。偏光子を付加したこの４点照
明アパーチャーは、Ｘ，Ｙ方向パターンのみでなく、４
５゜方向パターンにも有効である。

【００３２】次に、ＫｒＦ，ＡｒＦ等のレーザ光を光源
とする場合について本発明の説明を行う。一般に、レー
ザ光は直線偏光した光を発振する。したがって、このレ
ーザ光をビームスプリッタ等で分割して斜入射照明を行
う際、光源形状を整形すると同時に、偏光方向を揃える
ことが可能である。したがって、同図の（ｆ）に示すよ
うに、上記実施例で述べた形状（図４の（ｅ））の場合
とその偏光方向とを一致させることにより、同様の効果
を得ることができる。

【００３３】以上、４点照明を適用した場合に関しての
み説明したが、本発明にあっては、他の斜入射露光、す
なわち、図４に示すような２点照明、８点照明、また
は、輪帯照明においても、同様の効果を得ることができ
る。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、斜入射照明を直線偏光
光で行い、パターン面に平行な方向のＴＥ偏光波で照明
する成分を増大させているため、解像性および解像限界
付近の焦点深度が拡大するという効果を有する。また、
４点照明においては４５゜方向パターンの解像性の劣化
を抑制する効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の偏光光露光の原理を輪帯照明を例にと
って説明する図である。透過クロス係数の重なりによっ
て０次回折光成分および１次回折光成分を表している。

【図２】本発明の一実施例に係る４点照明のアパーチャ
ーを示す図である。

【図３】図２に示す４点照明において非偏光露光と偏光
露光の光強度コントラストを比較した図である。（ａ）
はＸ，Ｙ方向、（ｂ）は４５゜方向を示す。

【図４】本発明の実施例に係る偏光子を設置したアパー
チャーの例、および、偏光光を発振するレーザ光源の場
合の光源の配置を示す図である。

【図５】本発明の実施例および従来のステッパの光学系
を示す図である。

【図６】非偏光露光におけるアパーチャー形状を示す図
である。

【図７】ＴＥ偏光とＴＭ偏光の結像の相違を説明する図
である。

【符号の説明】

１：光源 ４：フライアイレンズ ５：アパーチャー ６：斜め入射用のコンデンサレンズ ７：レチクル ８：投影レンズ ９：基板（ウェーハ） １０：ステージ Ｐ：偏光子

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光線がレチクルに対して斜め
   に入射される斜め入射手段を有する露光装置にあって、 上記光線を直線偏光光とする偏光子を備えたことを特徴
   とする露光装置。
2. 【請求項２】 基板を搭載するステージと、この基板に
   対して入射する光線を照射する光源と、光源とステージ
   との間に配設されたレチクルと、レチクルと光源との間
   に配設されたフライアイレンズと、フライアイレンズと
   レチクルとの間に配設され、光源からの光線をレチクル
   に対して斜めに入射する斜め入射部材とを備えた露光装
   置にあって、 上記斜め入射部材からのレチクルに斜め入射する光線を
   直線偏光光とする偏光子を有することを特徴とする露光
   装置。
3. 【請求項３】 上記偏光子は、その直線偏光光の偏光面
   を基板面に対して平行とする請求項２に記載の露光装
   置。
4. 【請求項４】 上記斜め入射部材は、上記フライアイレ
   ンズとレチクルとの間に設けられたアパーチャーを有
   し、このアパーチャーは光軸に対して垂直な面で環状に
   配設された開口を備え、この開口には上記偏光子が配さ
   れた請求項１，２または３のいずれか１項に記載の露光
   装置。
5. 【請求項５】 上記アパーチャーは輪帯状に配された開
   口を有する請求項４に記載の露光装置。
6. 【請求項６】 上記レチクルとステージとの間にはレチ
   クルを透過した光線を基板表面に投影する投影レンズを
   設けた請求項１，２，３，４または５のいずれか１項に
   記載の露光装置。
7. 【請求項７】 上記光源は偏光光を照射するレーザを含
   む請求項１，２，３，４，５または６のいずれか１項に
   記載の露光装置。
8. 【請求項８】 光線を被転写体に照射して被転写体のパ
   ターンを転写体に転写する露光方法において、 直線偏光光を被転写体に対して斜め入射することを特徴
   とする露光方法。
9. 【請求項９】 上記直線偏光光は、その偏光面を、転写
   体のパターンが転写される面に対して平行にした請求項
   ８に記載の露光方法。
10. 【請求項１０】 上記直線偏光光は、複数の光源領域方
    向から被転写体に入射される請求項９に記載の露光方
    法。
11. 【請求項１１】 上記複数の光源領域方向からの直線偏
    光光は、対向する光源領域方向からの直線偏光光の偏光
    方向が平行である請求項１０に記載の露光方法。