JPH10115932A - 位相シフトマスクを用いた露光方法 - Google Patents

位相シフトマスクを用いた露光方法

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JPH10115932A
JPH10115932A JP8268462A JP26846296A JPH10115932A JP H10115932 A JPH10115932 A JP H10115932A JP 8268462 A JP8268462 A JP 8268462A JP 26846296 A JP26846296 A JP 26846296A JP H10115932 A JPH10115932 A JP H10115932A
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light
exposure
pattern
phase shift
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の位相シフトマスクを用いた露光方法で
は、マスク誤差のために正確な露光が困難になってきて
いる。 【解決手段】 レベンソン型位相シフトマスクパターン
を含むマスクを透過した光の内、非回折光を遮光するよ
うに瞳フィルタの遮光部を形成し、このフィルタを作用
させて露光することにより、近似的に誤差成分である０
次光の光学像への影響を解消し、精度の高い露光を可能
にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体集積回路
装置の製造過程において、微細パターンを形成するレベ
ンソン型位相シフトマスクパターンを含んだマスクを用
いた露光において、マスク作製上生じるマスク誤差を抑
制し、正確な露光（転写）を行う露光方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の高集積化に伴い、半導体基
板上に形成される回路パターンの微細化が急速に進んで
きている。特に高集積化の鍵を握る技術の一つにフォト
リソグラフィー技術があり、パターン形成における基本
技術として広く知られている。
【０００３】このフォトリソグラフィー技術とは、半導
体基板上に塗布されたフォトレジストに、マスク上に描
かれたパターンを転写し、転写されたフォトレジストを
用いて下層の被エッチング膜をパターニングする技術で
ある。
【０００４】このフォトレジストに対する転写後に現像
処理を行うが、露光された部分が現像後にパターンとし
て残るタイプのフォトレジストをネガ型、露光されなか
った部分が現像後に残るタイプのフォトレジストをポジ
型という。次に、フォトリソグラフィー技術における従
来の露光方法について説明する。
【０００５】図１４は、従来の露光装置の概略図であ
り、図において１０１は光源、（ここで光源とは発光源
から発せられた光を所定の絞りを介して成形した２次光
源を言う。）、１０２はコンデンサレンズ、１０３は任
意の形状のパターンが描かれたマスク、１０４は縮小投
影レンズ、１０５は縮小投影レンズ１０４内に形成され
た瞳面、１０６は表面にフォトレジストが塗布された半
導体基板をそれぞれ示している。
【０００６】この図１４の露光装置を用いた露光方法に
ついて、次に説明する。まず、光源１０１から発せられ
た露光光は、コンデンサレンズ１０２を介してマスク１
０３に照射される。次に、マスク１０３を透過した露光
光は、縮小投影レンズ１０４内に入射し、所定のレンズ
等を介して整形され、瞳面１０５を介して所定の倍率に
縮小され、半導体基板１０６の上のフォトレジストに露
光される。
【０００７】また、線幅０．５μｍ程度のパターン形成
であれば、その光源１０１としては、高圧水銀ランプか
ら発するｉ線（波長３６５ｎｍ）を用いるのが一般的で
ある。 露光光学系の解像限界寸法Ｒ及び焦点深度ＤＯ
Ｆは、一般的に次の式で表される。 Ｒ＝ｋ1λ／（ＮＡ） ＤＯＦ＝ｋ2λ／（ＮＡ）2 また、上式に用いられている記号λは露光光の波長、Ｎ
Ａは投影レンズの開口数、ｋ1、ｋ2はプロセスに依存す
る定数であるが、ｋ1＝０．６、ｋ2＝０．５程度が一般
的な値である。
【０００８】上式から分かるように、解像限界寸法Ｒの
向上を図ろうとすれば、Ｋ1とλの値を小さくし、ＮＡ
の値を大きくする方法が考えられるが、光源１０１の短
波長化及び高ＮＡ化を進めることによって、光の焦点深
度ＤＯＦが浅くなり、逆に解像度の低下を招くことにも
なりかねないという困難があった。
【０００９】そこで、光源やレンズの改良により、解像
限界寸法Ｒの向上を図るのではなく、マスク構造を改良
することにより、解像度を向上させることが考えられて
いる。近年、注目されているマスクは、位相シフトマス
クであり、以下に通常マスク（２値マスク）と対比させ
て、位相シフトマスクの一種であるレベンソン型位相シ
フトマスクについて説明する。
【００１０】図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、通常マ
スク１０３ａの断面構造、このマスク３ａを用いた場合
のマスク３ａ上の電場強度、半導体基板１上の光強度を
それぞれ示している。図１５（ａ）に示すマスク１０３
ａはガラス基板１０７と、その下面に付着して形成され
た金属マスクパターン１０８から形成されており、マス
ク１０３ａ上の電場は、金属マスクパターン１０８が形
成された領域と、形成されていない領域とで空間的にパ
ルス変調された状態となっている。
【００１１】しかし、図１５（ｃ）に示すように、その
ウェハ１０３ａ上の光強度は、パターンが微細化する
と、光の回折効果のため、金属マスクパターン１０８が
形成された非露光領域に露光光が回り込み、露光領域
と、非露光領域での差が付かなくなってしまう。このた
め、解像度が低下し、微細なパターンの転写を行うこと
が困難である。
【００１２】また、上記のような通常マスク（２値マス
ク）１０３ａを用いた露光の場合は、マスク上において
回折角θで回折する±１次回折光（以下、±１次光と省
略する。）と、非回折光である０次回折光（以下、０次
光と省略する。）との３光束による結像を行うのである
が、デフォーカスした場合に、焦点面から焦点がずれる
ほど得られる像がぼやけ、正確な露光が困難になるとい
う性質を持っていた。
【００１３】次に、位相シフトマスクの１種であるレベ
ンソン型位相シフトマスクについて説明する。図１６
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれレベンソン型位相
シフトマスク１０３ｂの一断面図、この位相シフトマス
ク１０３ｂ上の電場強度分布、光強度分布をそれぞれ示
している。図１６（ａ）に示すレベンソン型位相シフト
マスク１０３ｂは、図１５（ａ）の通常マスクに、付加
的に位相シフタ１０９を形成したものであり、マスク上
には、位相シフタ１０９が付着したパターンと、付着し
ていないパターンとが交互に配置される。
【００１４】位相シフタ１０９は、この位相シフタ１０
９を透過した光の位相を１８０度変換するものである。
また、このレベンソン型位相シフトマスク１０３ｂ上で
の電場は、隣接する露光領域で、逆の位相となり、光の
干渉効果により、光が重なり合う部分（パターンとパタ
ーンの間）では光が互いに打ち消し合う状態となる。従
って、レベンソン型位相シフトマスク１０３ｂ上での光
強度分布は、図１６（ｃ）に示すように、各パターンに
対応する光強度ピークが正確に現れ、露光領域と非露光
領域との光強度差を十分に確保出来、解像度向上を図
れ、微細なパターンの転写を可能にする。
【００１５】上記の通常マスク１０３ａの場合では、０
次光、±１次光の３光束による結像が行われていたが、
このレベンソン型位相シフトマスク１０３ｂの場合は、
マスクを透過した光は通常のマスクでの回折角θよりも
小さな角度で回折し、±１次光の２光束によって結像を
行う。非回折光である０次光は、そのレベンソン型位相
シフトマスクが正確に形成されていれば、理論上は現れ
ることなく、ここでは考慮する必要はない。その結果、
得られる像は焦点面に対して、高さ方向に焦点がずれた
としても、像は変化せず、正確な露光が可能になるとい
う効果がある。このため、素子の微細化に伴い、レベン
ソン型位相シフトマスクの重要性が高まっていることが
分かる。
【００１６】しかし、レベンソン型位相シフトマスクを
用いて露光を行った場合、原理的に超微細加工も可能で
あると考えられるが、実際には、マスク作製における加
工誤差のため、次のような問題が生じている。
【００１７】レベンソン型位相シフトマスクのマスク誤
差とは、その一つは、隣り合う開口パターンを透過する
光の位相差が、正確には１８０度とならない位相誤差、
もう一つは隣り合う開口パターンの、それぞれの透過光
強度が正確には等しくならないという透過光強度誤差で
ある。これらのマスク誤差のため、半導体基板１０６上
に塗布されたレジストに転写した際、マスク上におい
て、位相シフタを介したパターンと、通常の位相シフタ
を介していないパターンの寸法が、理想的には正確に等
しくなるべきところが等しくならないなど、正確な転写
ができないという問題が生じているのである。
【００１８】このような、位相誤差、透過光強度誤差に
よるパターン形成精度の劣化は、素子の微細化が進むに
つれ、深刻化している。また、また、このようなマスク
誤差に関する参考文献として、J.J.A.P.Vol.33,PP6816
〜6822、Proc,SPIE Vol.1674,P264、J.J.A.P.Vol.34,PP
6578〜6583、Proc,SPIE Vol.1927,P28〜等が挙げられ
る。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】以上、説明したよう
に、マスク誤差のため、レベンソン型位相シフトマスク
を用いた微細加工においても、正確な露光ができない場
合があるという問題があった。この発明はレベンソン型
位相シフトマスクを用いた露光において、マスク製作の
際に生じるマスク誤差があった場合においても、最終的
に半導体基板上に形成されるパターンの形状は理想的な
ものとして得るということを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】この発明による露光方法
は、光源から露光光を照射する第一の工程、所定の光学
系を介して整形された上記露光光を、任意の形状のパタ
ーンが描かれたマスクに照射する第二の工程、上記マス
クを透過した上記露光光を瞳面上の瞳フィルタに照射
し、上記露光光のうち非回折光である０次光を上記瞳フ
ィルタで遮光する第三の工程、上記瞳フィルタを透過し
た露光光を任意の寸法に縮小し、被露光物に照射する第
四の工程を含み、上記マスクは、少なくともレベンソン
型位相シフトマスクパターンを含んでいるものである。
【００２１】また、この発明による露光方法は、上記の
第三の工程において、用いる瞳フィルタの遮光部は０次
光を完全に遮光する状態に形成されたものとするもので
ある。
【００２２】さらに、この発明による露光方法は、上記
の第三の工程において用いる瞳フィルタの遮光部は、０
次光の一部を透過し、その他の遮光する状態に形成され
たものとするものである。
【００２３】また、この発明による露光方法は、上記の
第三の工程において用いる瞳フィルタの遮光部は、半透
過性物質で構成し、０次光の光強度を任意の大きさに低
減するものである。
【００２４】さらに、この発明による露光方法は、光源
から露光光を照射する第一の工程、所定の光学系を介し
て形成された上記露光光を、任意の形状のパターンが描
かれたマスクに照射する第二の工程、上記マスクを透過
した上記露光光を瞳面上の瞳フィルタに照射し、上記露
光光のうち非回折光である０次光を上記瞳フィルタで遮
光する第三の工程、上記瞳フィルタを透過した露光光を
任意の寸法に縮小し、被露光物に照射する第四の工程を
含み、上記のマスクは、レベンソン型位相シフトパター
ンのみで形成されたレベンソン型位相シフトマスクであ
ることを特徴とするものである。
【００２５】また、この発明による露光方法は、光源か
ら露光光を照射する第一の工程、所定の光学系を介して
形成された上記露光光を、任意の形状のパターンが描か
れたマスクに照射する第二の工程、上記マスクを透過し
た上記露光光を瞳面上の瞳フィルタに照射し、上記露光
光のうち非回折光である０次光を上記瞳フィルタで遮光
する第三の工程、上記瞳フィルタを透過した露光光を任
意の寸法に縮小し、被露光物に照射する第四の工程を含
み、上記のマスクは、レベンソン型位相シフトマスクパ
ターンと、通常の２値マスクパターンを含んだ構造であ
るものである。
【００２６】さらに、この発明による露光方法は、上記
の第三の工程において、瞳面の非透過領域を決める瞳径
（ＮＡ）の大きさを、ＮＡ≦λ／（Ｌ（１＋σ））の式
（λは露光光の波長、Ｌは露光するパターンのピッチ、
σは露光光のコヒーレンスファクター）を満たす状態に
調整し、瞳フィルタで０次光を遮光すると同時に、上記
瞳径外に照射される露光光を遮光するものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．この発明の実施の形態１の原理について
まず説明する。図１は、半導体装置の製造に用いられる
縮小投影露光装置（以下、単に露光装置と略す。）の概
略図であり、図において、符号１は、波長λ＝２４８ｎ
ｍであるＫｒＦエキシマレーザを用いた光源（ここで、
光源とは発光源から発せられた光を所定の絞りを介して
成形した２次光源を言う。）、２は光源１から発せられ
た露光光を入射し、レンズ等を介してこの光を整形する
コンデンサレンズ、３はコンデンサレンズ２を介した光
が照射される０．３μｍルール以下の微細パターンが描
かれたマスク、４はマスク３を介した露光光が入射する
縮小投影レンズ、５は縮小投影レンズ４内に形成された
瞳面、６は表面にレジスト膜が形成された半導体基板を
示している。また、瞳面５には、マスク３を透過した非
回折光である０次光を遮光する遮光部５ａが形成されて
いる。
【００２８】光源１から発した露光光はマスク３等を介
し、所定の倍率に形成され、最終的にこの半導体基板６
に照射される構造となっており、半導体基板６の一主面
上に塗布されたレジストを感光するものである。
【００２９】図１の露光装置に組み込まれたマスク３が
マスク作製の過程において、マスク誤差を持って形成さ
れた場合に、瞳面５に現れる透過光の強度分布が誤差な
く理想的に形成された理想された“理想マスク”の透過
光の強度分布と理想マスクの２倍のピッチのパターンを
持ち位相シフタの形成されない通常マスクの透過光の強
度分布との和で表され、さらに、この誤差マスクの露光
において、瞳面の一部を遮光する瞳フィルタを作用させ
ることで、理想マスクとほぼ同様の像が形成できること
を原理的に示す概念図を図２に示す。
【００３０】図２の上段には露光に用いるマスク、中段
はそれぞれのマスクに対応する瞳面での光強度を、下段
左側には誤差補正後の瞳面の光強度を、下段右側には誤
差補正に用いる瞳フィルタ１０を示す。図２の上段のマ
スクは、それぞれ左側から透過光強度誤差のあるレベン
ソン型位相シフトマスク３ａ（以下、誤差マスク３ａと
略す。）、誤差のない理想マスク３ｂ、レベンソン型位
相シフトマスクではなく、位相シフタを持たない２倍ピ
ッチの通常マスク（２値マスク）３ｃを示している。
【００３１】これらのマスクは、従来と同様、ガラス基
板７に金属マスクパターン（クロムパターン）８等が形
成されてなるものである。また、レベンソン型位相シフ
トマスクパターンはさらに付加的に、隣接するマスク開
口部の１つおきに位相シフタ９が形成されている。ま
た、誤差マスク３ａ、理想マスク３ｂに金属マスクパタ
ーン８で形成される開口パターンのピッチは同一とし、
通常マスクには誤差マスク３ａ及び理想マスク３ｂの２
倍のピッチで開口部が形成された状態の金属マスクパタ
ーン８が形成されている。
【００３２】また、この図２の上段破線下には、それぞ
れのマスクの開口部の透過光強度を相対的に示してい
る。理想マスク３ｂの開口部の透過光強度を１．０とす
ると、１０％の透過光強度誤差を持つ誤差マスク３ａの
開口部の透過光強度は、位相シフタ９を介した開口部の
透過光強度が１．０、位相シフタ９を介さない開口部の
透過光強度は１．１、と表すことができる。これら理想
マスク３ｂと誤差マスク３ａの差により、誤差マスク３
ａの透過光強度分布は理想マスク３ｂの透過光強度分布
に、透過光強度が０．１の場合の通常マスク３ｃの透過
光強度分布を加えたものとなることが分かる。
【００３３】露光システムの線型性より、誤差マスク３
ａによる像は、理想マスク３ｂによる像と、２倍のピッ
チの通常マスク３ｃによる像との和として与えられるこ
とになる。このことを瞳面の光強度分布（フーリエスペ
クトル）について示したものが図２の中段である。図２
の中段中央に示した理想マスク３ｂによる瞳面の光強度
分布は、良く知られているように、０次光はなく±１次
光のみで構成される。また、理想マスク３ｂの２倍のピ
ッチのパターンを持つ通常マスク３ｃによる瞳面の光強
度分布を図２の中段右に示したが、これも良く知られて
いるように、０次光及び±１次光で構成される。誤差マ
スク３ａの瞳面の光強度分布はこれらの和となるので、
図２の中段の左に示したように、理想マスク成分であり
相対的に大きな強度を持つ±１次光と、相対的に小さな
強度を持つ誤差成分である０次光とで構成されることに
なる。
【００３４】理想マスク３ｂの２倍のピッチのパターン
を持つ通常マスク３ｃによる瞳面の光強度分布のうち相
対的に小さい±１次光の影響が小さいとして無視する
と、誤差マスク３ａによる瞳面の光強度分布は、理想マ
スク３ｂによる瞳面の光強度分布と、通常マスク３ｃに
よる光強度分布のうちの０次光の和として近似的に表さ
れる。このとこから、誤差マスク３ａによる結像特性の
劣化は、理想マスク３ｂの２倍のピッチのパターンを持
つ通常マスク３ｃによる光強度分布のうち０次光の影響
であることが結論される。誤差マスク３ａの露光におい
て、この理想マスク３ａの２倍のピッチのパターンを持
つ通常マスク３ｃによる瞳面の光強度分布のうち０次光
を何等かの方法で遮光すれば、瞳面の光強度分布は理想
マスク３ｂによるものと同じ瞳面の光強度分布とするこ
とができ、結像特性の劣化を回避することが可能になる
と考えられる。
【００３５】次に、誤差マスク３ａを用いた露光におい
て問題となる、瞳面に現れる０次光成分を遮光する瞳フ
ィルタ１０について説明する。図２下段右側に、０次光
成分を遮光する瞳フィルタ１０を示す。この瞳フィルタ
１０は、瞳面中央部の、０次光成分が現れる遮光部５ａ
に遮光部材を配し、遮光部５ａの周囲の部分は透過性物
質で形成されているものである。
【００３６】この瞳フィルタ１０を誤差マスク３ａに作
用させると、誤差成分である０次光をすべて遮光でき、
誤差マスク３ａを用いている場合でも、図２下段左側に
示すような、±１次光成分のみの光強度分布を持つ理想
的な像が得られることが分かる。
【００３７】以上、透過光強度誤差のあるマスクについ
て述べたが、シフタを形成したために位相誤差が生じた
レベンソン型位相シフトマスク（誤差マスク）を用いた
場合に、瞳面に現れる像についても、光強度誤差の場合
と同様に回折光束の解析により考えることができ、理想
マスクにピッチＬ（マスクに形成されたパターンの中心
から隣接するパターンの中心までの距離を言う。）が１
／２の通常マスク（但し、位相差９０度）を加算したと
して考えることが可能であり、瞳フィルタ１０により同
様のマスク誤差低減の効果が期待されるものである。
【００３８】次に、瞳フィルタ１０を作用させた場合の
光学像の改善を光学像計算により求めた結果を示す。こ
の計算のために用いた係数は、開口数ＮＡ＝０．５５、
照明のコヒーレンスファクタσ＝０．２、照明の波長λ
＝２４８ｎｍである。
【００３９】図３は０．２μｍの１：１Ｌ／Ｓパターン
において、位相誤差（１０ｄｅｇ）が存在するマスクに
よる転写像を示したものであり、図３の上、中、下段
に、それぞれ焦点位置が△Ｆ（フォーカスシフト量）＝
１．０μｍとズレている場合、焦点位置△Ｆ＝０μｍで
あり、焦点ズレがない場合、焦点位置△Ｆ＝−１．０μ
ｍの場合を示しており、図中の左列は瞳フィルタ１０を
介していない場合の光学像、右列は瞳フィルタ１０を介
した場合の光学像をそれぞれ示している。
【００４０】焦点位置△Ｆ＝０μｍであり、ズレがな
く、理想的な場合（図３の中段）は、瞳フィルタ１０の
有無に拘わらず、得られる光学像は同じで、理想的なも
のであり、そのフォーカスシフト量△Ｆ＝±１．０μｍ
の焦点ズレがある場合（図３の上、下段）は、瞳フィル
タ１０を介した光学像については△Ｆ＝０μｍの場合と
ほぼ同様の、一定周期、一定振幅の理想的な光学像が得
られる。
【００４１】しかし、瞳フィルタ１０なしの場合で△Ｆ
＝±１．０μｍの焦点位置のズレがあると、位相誤差の
影響を大きく受けて光学像の振幅はばらつき、隣り合う
明部の光強度は大きく異なってくることが分かる。即
ち、瞳フィルタ１０を作用させることで、像質の大幅な
改善が認められるということである。
【００４２】図４に、スライスレベル法、即ち一定光強
度以上の光学像幅をパターン幅とする方法で求めた、パ
ターン寸法（ＣＤ）をフォーカスシフト量（△Ｆ）の関
数としたデータを示す。パターン寸法（ＣＤ）は前記の
場合と同様に、正常な場合は０．２μｍである。図４
（ａ）は、マスクに位相誤差（１０ｄｅｇ）がある場合
のＣＤ−Focus特性を、図４（ｂ）はマスクに透過光強
度誤差（１０％）がある場合のＣＤ−Focus特性を示し
ている。
【００４３】なお、図４において、○印、□印は瞳フィ
ルタを作用させ露光した場合のデータを、●印、黒□印
は瞳フィルタを作用させない場合のデータを示し、ま
た、上記の印の内、大印はマスクに形成されたパターン
（開口部）に、位相シフタが形成されている場合、小印
は位相シフタが形成されていない場合を示し、○印、●
印は形成された光学像の明部寸法を、□印、黒□印は暗
部寸法をそれぞれ示している。
【００４４】図４（ａ）、図４（ｂ）のいずれの特性図
を見ても、●、□、黒□（つまり、フィルタを作用させ
るものと暗部寸法を示す印）は焦点のズレが０〜±１．
０μｍの範囲で、ＣＤ差が現れており、焦点ズレによっ
て最大で０．０４μｍ程度のＣＤ差が現れており、焦点
ズレの無い△Ｆ＝０μｍの場合（つまり理想マスクによ
る露光の場合）のパターン寸法に近づけるには、位相、
光強度誤差がある、いずれの場合も、瞳フィルタ１０を
作用させることが有効であることが分かる。図４
（ａ）、（ｂ）において、暗部寸法を示す□印、黒□印
は重なった状態となっており、ほぼ同じ値を示している
ものである。
【００４５】図４では、０．２μｍの１：１Ｌ／Ｓを例
として挙げていたが、次に、図５にＬ／Ｓパターン寸法
を０．１６〜０．２４μｍまで変化させた場合の、マス
ク誤差なし、位相誤差（１０ｄｅｇ）、透過光強度誤差
（１０％）のプロット（寸法差の焦点位置依存性）を示
す。図５において、左列はマスク誤差なし、中央列は位
相誤差あり、右列は光強度誤差ありのパターン寸法を示
している。
【００４６】０．１６〜０．２４μｍのＬ／Ｓの位相、
光強度誤差がある場合のプロットにおいても、瞳フィル
タを作用させると、左列の理想的プロットに近似したも
のとなり、転写誤差が低減されること、さらにパターン
寸法に依存して、瞳フィルタ１０の効果に変化がないと
いうことが図５から分かる。
【００４７】なお、理想マスクに瞳フィルタを作用させ
た場合は全く、何等の影響をも及ぼすことはなく、正常
な転写が可能となることは言うまでもない。以上のこと
より、誤差マスクを用いた露光の際、マスクを透過した
光の０次光を遮光する瞳フィルタを作用させることで、
露光の精度を大きく改善できることが明らかである。
【００４８】以上のことを踏まえ、実際に図１に示した
露光装置を用いて露光を行う際、瞳面５に、瞳フィルタ
１０を設置し、マスク３を透過した０次光を遮光する領
域に遮光部５ａを形成した状態としておくことで、マス
ク作製の段階において、位相、光強度誤差が生じている
マスク３（誤差マスク）を用いても限りなく正常に近い
転写を行うことが可能である。
【００４９】このように、瞳フィルタ１０を作用させ、
誤差成分を取り除くことで、レベンソン型位相シフトマ
スクとしての効果、つまり理想的な０．３μｍルール以
下の微細加工を正確に実施することが可能となる。ま
た、スライスレベル法を用いた露光方法を採用している
場合、誤差成分となる０次光を完全に遮光していなくて
も、所定値以下の光強度であれば問題ないことから、瞳
フィルタ１０に対し、０次光が照射されうる領域の大部
分は遮光し、一部は透過するという状態とすることも可
能であり、また、その遮光部５ａをハーフトーン（半透
過）とする等、０次光成分の影響を低減できるように瞳
フィルタ１０を加工しておくことで、瞳フィルタ１０を
全く介さずに転写を行った場合よりも、より理想的な露
光が行えるというものである。
【００５０】実施の形態２．実施の形態１においては
０．２μｍ程度の設計ルールのパターン等、レベンソン
型位相シフトマスクを用いて超微細なパターンを転写す
る際に有効となる、つまりマスクを透過した０次光を全
て若しくはその大部分を遮光することで誤差成分となる
光を除去し、理想的な露光を行う方法について述べた。
【００５１】次に、この実施の形態２では、実施の形態
１で示したような、０．２μｍの１：１Ｌ／Ｓというレ
ベンソン型で形成されている超微細なパターンと、例え
ばコンタクト、パッド等の通常のマスク型の、クロム等
を開口して形成された大ピッチのパターンが一枚のマス
クに混載されている場合の露光について、マスク誤差が
ある場合のその補正を兼ねた露光方法を説明する。
【００５２】レベンソン型ではない、通常の二値マスク
３ｃ（クロム等の金属開口でパターンが形成されている
もの）を用いた場合では、図２上段右側に示したよう
に、マスク３ｃを透過した光は０次光、±１次光の光束
をもって形成されることになる。従って、実施の形態１
において示したような、０次光を遮光する瞳フィルタ１
０を作用させると、０次光が除去された状態となり、正
常な結像が不可能となることは自明である。
【００５３】本来、０次光、±１次光の光束の３光束干
渉で形成される光学像から０次光を除くとマスクピッチ
の２倍のピッチで光学像が形成されてしまう。このこと
から、レベンソン型位相シフトマスクパターンと、通常
マスクパターン（位相のない２値マスクパターン）が一
枚のマスクに混載されている場合には、０次光を遮光す
る瞳フィルタを作用させることで悪影響を及ぼすことは
不可避であることが分かる。
【００５４】しかし、妥協的な手段として、上記のよう
な超微細パターンと大ピッチパターンとを混載するマス
クを用いて、それぞれのパターンを正常に近い状態に結
像させることは可能である。即ち、マスクを透過する光
束の内、０次光を完全に遮光してしまうのではなく、０
次光の一部を遮光する方法を用い、レベンソン型位相シ
フトマスクパターンに形成された大ピッチパターンの０
次光成分を低減し、通常マスクパターンに形成された大
ピッチパターンの０次光成分の正常な結像に必要となる
光強度を確保することで正常に近い状態の露光を行うの
である。
【００５５】０次光成分の一部を遮光する方法として瞳
フィルタ１０のフィルタ径を小さくする方法を示し、こ
れによって正常に近い状態の露光が可能となることを示
す。図６は０．６０μｍのＬ／Ｓの通常マスク（２値マ
スク）の光学像を計算したもので、その光学条件は開口
数ＮＡ＝０．５５、光源のコヒーレンスファクタσ＝
０．２、照明の波長λ＝２４８ｎｍとなっている。
【００５６】図６（ａ）〜（ｆ）は、それぞれフィルタ
径（波数）を変化させて得られた光学像を示している。
また、図７に、図６（ａ）〜（ｆ）に対応するフィルタ
径及び非回折光源像径との比が１．０であり、０次光が
完全に遮光されるため、正常であれば１．２μｍ毎に現
れる光学像のピークがマスクパターンの１／２周期であ
る０．６μｍ毎に現れ、正常な露光が行えないことが分
かる。
【００５７】また、図６（ｂ）、（ｃ）・・（ｆ）と、
フィルタ径を０．０８／λ、０．０６／λ、０．０４／
λ、０．０２／λ、０と変化させ、非回折光学像径との
比を０．７３、０．５５、０．３６、０．１８、０と、
０次光の遮光率を徐々に小さくしていくことで、本来の
正常な周期の像、つまり通常マスクパターンによって形
成されうる理想的な光学像に近い像となる。
【００５８】特に、フィルタ径を０．０８／λ以下と
し、非回折光学像との比が０．７３以下となるようにす
ることで、０次光を完全に遮光しない場合、十分にスラ
イスレベル法による結像が可能であると言える。一方、
マスク作製誤差のあるレベンソン型位相シフトマスクパ
ターンにより形成される像については、瞳フィルタ１０
を作用させ、０次光成分を除去することで正常な結像が
可能となるため、例えば図６（ｆ）のように、フィルタ
効果の無い場合では、逆にマスク誤差の影響が大きく現
れ、正常な結像が望めなくなるということが言える。
【００５９】図８（ａ）〜（ｆ）は、０．１６μｍのＬ
／Ｓの超微細パターンが形成されたレベンソン型位相シ
フトマスクの光学像を計算により求めた結果であり、マ
スク誤差としては、マスクの開口部の透過率差（０度と
１８０度との透過率差）が１０％と設定し、図６の場合
と同様の条件でフィルタ径をパラメータとして算出した
ものである。なお、図７の表に、図８（ａ）〜（ｆ）の
フィルタ径及び非回折光学像径との比を示す。
【００６０】図８（ａ）では、瞳フィルタが、主となる
誤差成分である０次光を完全に遮光しているため、隣り
合うピークの最大値にほとんど変化が無く、理想的な結
像が可能となる。また、図８（ｂ）・・・（ｆ）となる
に従って０次光成分の影響が徐々に大きくなり、隣り合
うピーク値の差が大きくなっている傾向が見られる。
【００６１】以上のことを総合して考えると、例えば、
大ピッチパターンである０．６μｍ程度のＬ／Ｓパター
ン（通常パターン）と、超微細パターンである０．１６
μｍ程度のＬ／Ｓパターン（レベンソン型位相シフトパ
ターン）が一枚のマスク上に混載されるマスクを用いた
露光の際においては、図１に示した露光装置の瞳面５の
位置に、光源１の非回折像径との面積比（０次光による
像の径との比）が０．７３倍となる遮光部を有する瞳フ
ィルタを取り付け、露光を行うことにより、最適な露光
を実施できるということが言え、実際に最適な露光が可
能である。
【００６２】また、上記の瞳フィルタの遮光部を光源の
比回折像径との面積比が０．７３倍になるように設定を
行うというのは、単なる一例に過ぎず、露光しようとす
るパターンサイズ、及び露光の諸条件によって最適値が
異なってくることは言うまでもない。
【００６３】即ち、瞳フィルタ１０の遮光部を、マスク
を介した透過光の０次光成分の一部を遮光するように設
定し、その瞳フィルタ１０を作用させて露光を行うこと
で、通常マスクパターンとレベンソン型位相シフトマス
クパターンとが共存するマスクを用いた場合において
も、正常に近い状態の像を得ることが可能となり、この
方法を用いることで、一度の露光工程で複数の異なる寸
法のパターンを精度良く露光することが可能になるとい
う効果がある。
【００６４】実施の形態３．実施の形態２におては、露
光の際に用いる一枚のマスクにレベンソン型位相シフト
マスクパターンと、通常の２値マスクパターンとが混載
されており、そのマスクの透過光の内、０次光の一部を
瞳フィルタのフィルタ径の大きさを調整することで遮光
し、レベンソン型位相シフトマスクパターンの誤差成分
を少なくし、なおかつ通常マスクパターンは正確な寸法
として転写できるという技術について述べた。
【００６５】この実施の形態３においては、実施の形態
２の場合と同じく、一枚のマスクにレベンソン型位相シ
フトマスクパターンと通常の２値マスクパターンが混載
されている状態で、いずれのパターンをも正常に近い寸
法に転写することが可能である技術について説明する。
【００６６】実施の形態２では０次光の一部を遮光する
ために瞳フィルタ１０の遮光部５ａの径、つまりフィル
ター径を調整し、瞳面５に現れる０次光成分の中心点か
ら所定の距離の範囲の円内の露光光を遮光し、その外周
に位置する０次光成分を透過していたが、この実施の形
態３では、瞳フィルタ１０の遮光部５ａをハーフトーン
（半透過）型とし、０次光成分の透過率を全体的に低減
させることにより、レベンソン型位相シフトマスクパタ
ーンの誤差成分を減少させ、通常マスクパターンを正確
に転写するという方法を採っている。
【００６７】次に、０．６０μｍに１：１Ｌ／Ｓの形状
の通常マスクパターンと、瞳フィルタの透過率を変化さ
せて露光した場合の光学像について図９（ａ）〜（ｆ）
を用いて説明する。図９のフィルタ透過率を示す表を、
この次に説明するレベンソン型位相シフトマスクパター
ンの光学像図１１（ａ）〜（ｆ）のフィルタ透過率と併
せて図１０の図表に示す。
【００６８】その他、光学像計算のために用いる係数と
しては、ＮＡ＝０．５５、光源のコヒーレンスファクタ
σ＝０．２、照明の波長λ＝２４８ｎｍとなっている。
図９（ａ）の場合、フィルタ透過率が０％であり、この
場合は０次光を完全に遮光するため、本来１．２μｍ毎
に現れるべきであるピークが、０．６μｍ毎に現れる像
となっており、誤差が大きすぎて正常な転写が不可能と
なっている。図９（ｂ）〜（ｆ）では、フィルタの遮光
部の透過率が２０％、４０％、６０％、８０％、１００
％と大きくなっているため、徐々に正常な転写が可能な
光学像となっており、そのピークも１．２μｍ毎に現
れ、誤差成分となっていたピークが小さくなっているこ
とが分かる。
【００６９】一方、レベンソン型位相シフトマスクパタ
ーンに対する０次光を遮光する瞳フィルタの透過率の影
響を図１１に示す。実施の形態２の場合と同様に、マス
クパターンとしては０．１６μｍ１：１Ｌ／Ｓパターン
を形成した場合であり、光学像計算に用いる係数は、上
記の通常マスクパターンと同様である。なお、図１１
（ａ）〜（ｆ）に対応する透過率は図７に示すとおりで
あり、図１１（ａ）〜（ｆ）に対応して、０％、２０
％、４０％、６０％、８０％、１００％である。
【００７０】既に実施の形態１、２において説明したよ
うに、レベンソン型位相シフトマスクを用いた露光の場
合は０次光成分を完全に遮光した場合に理想的な露光が
可能となり、図８からも分かるように透過率が０％に近
い程、隣り合うピークの高さにも差が生じず、正常な光
学像に近づいている。また逆に透過率が１００％に近づ
くほど、レベンソン型位相シフトマスクの位相誤差、透
過率誤差等のマスク誤差の影響が大きくなり、その光学
像に乱れが生じることが分かる。
【００７１】以上のことを総合すると、スライスレベル
法により、レベンソン型位相シフトマスクパターンと通
常の２値マスクパターンとが混載されたマスクを用い
て、そのマスクの透過光の０次光成分と、半透過型の瞳
フィルタによって遮光する場合、例えば瞳フィルタの透
過率を６０％とすることで、いずれのパターンも正常に
転写することが可能になると言え、実際に良好な転写が
可能である。
【００７２】よって、図１に示した露光装置の瞳面５
に、０次光が照射される領域に対して透過光６０％の瞳
フィルタを形成し、上記の混載型マスクを用いて通常と
同様の露光を行うことで、半導体基板６上のレジスト
に、正常に転写を行うことが可能となる。
【００７３】なお、この瞳フィルタ１０の遮光部５ａの
透過率を６０％とするのは、マスクに形成されるパター
ンが０．６μｍ１：１Ｌ／Ｓの通常マスクパターンと
０．１６μｍ１：１Ｌ／Ｓのレベンソン型位相シフトマ
スクパターンである場合に有効であるが、例えばパター
ンの寸法を変化させた場合においては、有効となる透過
率の値を変化させることが必要となることは言うまでも
ない。
【００７４】しかし、いずれにしても、通常マスクパタ
ーンとレベンソン型位相シフトマスクパターンが混載さ
れたマスクを用いて露光を行う場合に、マスクの透過光
である０次光を、所定の透過率の半透過型フィルタで遮
光し、０次光が転写像に与える影響を、通常マスクパタ
ーンの転写の悪影響を与えない程度に小さく抑制するこ
とで、異なるタイプのマスクパターンのいずれをも精度
良く露光することが可能となるものである。
【００７５】実施の形態４．上述の実施の形態１〜３に
おいては、露光装置の瞳面に瞳フィルタを取り付けるこ
とによって、マスクを透過した０次光の全部又は一部を
遮光し、マスク誤差の低減を図ることについて示した。
この実施の形態４においては、上記０次光（誤差成分）
の低減と併せて、誤差のあるレベンソン型位相シフトマ
スクパターンを用いた転写の際の誤差成分となる±２次
光の影響を解消する技術について説明する。
【００７６】図１２（ａ）に示すものは、通常マスクを
用いた理想的な露光での瞳面回折像、図１２（ｂ）に示
すものは、レベンソン型位相シフトマスクを用いた理想
的な露光での瞳面回折像である。図１２（ａ）に示すよ
うに、通常マスクを用いた場合、瞳面回折像は、０次光
を中心としてその外側に±１次光、±２次回折光（以
下、±２次光と省略する。）・・・と順次光束が並んだ
状態となっており、またその光強度は０次光が最も大き
く、次数の高い光束ほど結像に与える影響も小さくなっ
ている。
【００７７】上述した実施の形態１では誤差のあるレベ
ンソン型位相シフトマスクを用いた露光では、０．１６
μｍ１：１Ｌ／Ｓと、転写するパターンのピッチが小さ
い場合、開口数ＮＡ、つまり瞳径を図１２（ａ）の破線
１１で示すように、±１次光を透過するように調整する
ことで、±２次光よりも高次の光束を考慮する必要はな
く、±２次光等による誤差は生じなかった。
【００７８】しかし、レベンソン型位相シフトマスクを
用いた大ピッチパターンを転写する場合、または瞳径を
±２次光を含む範囲、例えば図１２（ａ）の一点鎖線１
２で示す範囲とした場合、理想的には図１２（ｂ）に示
すような±１次光のみが現れる状態となるのが望ましい
が、誤差成分として図１２（ａ）の０次光、±２次光が
瞳内に入射することがある。
【００７９】０次光を遮光することは、瞳フィルタ１０
を用いることによって可能であるが、±１次光を透過
し、±２次光及びそれよりも高次の光束を遮光すること
は瞳フィルタ１０を作用させることだけでは困難であ
る。±２次光が瞳内に入射した場合は、±１次光と±２
次光との干渉により１／２ピッチの像が形成された状態
となり、マスク誤差の影響の低減効果が低くなるという
問題が生じていた。
【００８０】誤差成分による±２次光の影響を低減する
方法として、瞳径の大きさを調整し、図１２（ａ）の二
点鎖線１３に示す位置、即ち０次光、±１次光を含み、
±２次光を含まず、±２次光の境界の一部に接するよう
な範囲、又はこれより小さい瞳径とすることで、±２次
光を遮光する方法が挙げられる。
【００８１】図１２（ａ）の二点鎖線１３で示した範囲
は、数式で表すと以下のようになる。 ＮＡ≦λ／（Ｌ（１＋σ）） 図１２（ａ）に示したように、±１次光の中心位置は±
１／２Ｌと表すことができ、±２次光の中心位置は±１
／Ｌと表すことが可能である。また、それぞれの光束成
分の大きさ（半径）はＮＡ・σと表すことができる。ま
た±１次光の中心が瞳に入る限界のＮＡが、ＮＡ＝λ／
２Ｌ、±２次光の中心が瞳に入る限界のＮＡが、ＮＡ＝
λ／Ｌと表される。従って、±２次光の中心が瞳に入る
限界のＮＡから、この光束の半径ＮＡ・σを差し引くこ
とで、図中の二点鎖線１３で示す範囲のＮＡを求め、上
式のような関係を示す可能となる。
【００８２】次に、瞳径（開口数ＮＡ）の大きさを変化
させた場合のレベンソン型位相シフトマスクに形成され
た０．４０μｍ１：１Ｌ／Ｓの大ピッチパターンの光学
像の例を図１３（ａ）〜（ｄ）に示す。図１３（ａ）
は、その瞳径ＮＡが０．２５であるように設定し、図１
３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれＮＡが０．３０、
０．３５、０．４０と設定されており、その他の係数等
は、σ＝０．２、瞳フィルタサイズ＝光源サイズ、瞳フ
ィルタ（遮光部）透過率０％とする。
【００８３】図１３（ａ）〜（ｄ）のうち、最も瞳径が
小さい図１３（ａ）の場合、光学像に現れるピークの大
きさにもばらつきは見られず、最も理想的な像が得られ
ることが分かる。一方、瞳径が図１３（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）と大きくなるに従って、その光学像の隣り合うピ
ークの大きさのばらつきが大きくなっていることが分か
る。
【００８４】上式ＮＡ≦λ／（Ｌ（１＋σ））にλ＝
０．２４８、Ｌ＝０．８μｍ、σ＝０．２を代入する
と、ＮＡ≦０．２５８という解が得られる。この値を満
たす図１３（ａ）のＮＡ＝０．２５の演算結果と照らし
合わせると、±２次光の悪影響のない、最も良好な状態
での転写が、上式のような瞳径に調整することによって
可能であることが裏打ちされていると言える。
【００８５】よって、図１で示した露光装置の瞳面に、
マスク回折光の±１次光を遮光する瞳フィルタを形成
し、さらに、±２次光及びそれよりも高次の光束を遮光
するように瞳径の大きさを、ＮＡ≦λ／（Ｌ（１＋
σ））を満たす大きさに調整することで、図１２（ｂ）
に示すように瞳面に現れる光束を±１次光のみとでき、
この結像によって、レベンソン型位相シフトマスクを用
いた理想的な大ピッチパターンの露光を実施することが
可能である。
【００８６】
【発明の効果】この発明は、以上説明したような露光方
法とすることで以下のような効果を奏する。
【００８７】縮小投影露光方法において、レベンソン型
位相シフトマスクパターンを含むマスクを透過した露光
光のうち、０次光を瞳フィルタで遮光することによっ
て、マスク誤差がある場合においても、その誤差による
露光特性の低下を抑制し、正確な転写を可能にするとい
う効果がある。
【００８８】レベンソン型位相シフトマスクパターンが
形成されたマスクを用いた縮小投影露光方法において、
マスクを透過した露光光の内、０次光を完全に遮光する
ことでマスク誤差の悪影響を解消し、正確な露光を行う
ことが可能になるという効果がある。
【００８９】レベンソン型位相シフトマスクパターンと
通常の２値マスクパターンが形成されたマスクを用いた
縮小投影露光において、マスクを透過した露光光のう
ち、０次光を部分的に遮光することで、いずれのマスク
パターンをも正確に露光することが可能になるという効
果がある。
【００９０】また、レベンソン型位相シフトマスクパタ
ーンと通常の２値マスクパターンが形成されたマスクを
用いた縮小投影露光において、マスクを透過した露光光
のうち、０次光を半透過型の遮光部を持つ瞳フィルタを
介することで、０次光の光強度を低減し、これによっ
て、レベンソン型位相シフトマスクパターンと通常マス
クパターンのいずれのマスクパターンをも正確に露光す
ることが可能になるという効果がある。
【００９１】誤差のあるレベンソン型位相シフトパター
ンのみが形成されたマスクを用いた縮小投影露光におい
て、このマスクの透過光のうち、０次光を遮光すること
によってマスク誤差の悪影響を解消し、正確な露光を行
うことが可能になるという効果がある。
【００９２】レベンソン型位相シフトパターンと通常の
２値マスクパターンが形成された、誤差のあるマスクを
用いた縮小投影露光において、このマスクの透過光のう
ち、０次光を部分的に遮光することによってマスク誤差
の悪影響を解消し、正確な露光を行うことが可能になる
という効果がある。
【００９３】また、レベンソン型位相シフトマスクを用
いた縮小投影露光において、誤差のあるマスクを用いた
場合においても、瞳径の大きさを、マスク回折光の±２
次光及びそれよりも高次の光束を遮光するように調整し
て露光を行うことで、マスク誤差の悪影響を抑制し、正
確な露光を行うことが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１を示す露光装置の図
である。
【図２】 この発明の実施の形態１を示すマスクの図で
ある。
【図３】 この発明の実施の形態１の特性を示す図であ
る。
【図４】 この発明の実施の形態１の特性を示す図であ
る。
【図５】 この発明の実施の形態１の特性を示す図であ
る。
【図６】 この発明の実施の形態２の特性を示す図であ
る。
【図７】 この発明の実施の形態２の変数を示す図であ
る。
【図８】 この発明の実施の形態２の特性を示す図であ
る。
【図９】 この発明の実施の形態３の特性を示す図であ
る。
【図１０】 この発明の実施の形態３の変数を示す図で
ある。
【図１１】 この発明の実施の形態３の特性を示す図で
ある。
【図１２】 この発明の実施の形態４の特性を示す図で
ある。
【図１３】 この発明の実施の形態４の特性を示す図で
ある。
【図１４】 従来の技術を示す図である。
【図１５】 従来の技術を示す図である。
【図１６】 従来の技術を示す図である。
【符号の説明】
１．光源 ２．コンデンサレンズ ３．マスク ３ａ．誤差マスク ３ｂ．理想マスク ３ｃ．通常マスク ４．縮小投影レンズ ５．瞳面 ６．半導体基板 ７．ガラス基板 ８．金属マスクパターン ９．位相シフタ １０．瞳フィルタ １１．破線 １２．一点鎖線 １３．二点鎖線

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 露光装置を用いた露光方法において、光
    源から露光光を照射する第一の工程、所定の光学系を介
    して整形された上記露光光を、任意の形状のパターンが
    描かれたマスクに照射する第二の工程、上記マスクを透
    過した上記露光光を瞳面上の瞳フィルタに照射し、上記
    露光光のうち非回折光である０次回折光を上記瞳フィル
    タで遮光する第三の工程、上記瞳フィルタを透過した露
    光光を任意の寸法に縮小し、被露光物に照射する第四の
    工程を含み、上記マスクは、少なくともレベンソン型位
    相シフトマスクパターンを含んでいることを特徴とする
    位相シフトマスクを用いた露光方法。
  2. 【請求項２】 第三の工程において、用いる瞳フィルタ
    の遮光部は０次回折光を完全に遮光する状態に形成され
    たことを特徴とする請求項１記載の位相シフトマスクを
    用いた露光方法。
  3. 【請求項３】 第三の工程において用いる瞳フィルタの
    遮光部は、０次回折光の一部を透過し、その他の遮光す
    る状態に形成されることを特徴とする請求項１記載の位
    相シフトマスクを用いた露光方法。
  4. 【請求項４】 第三の工程において用いる瞳フィルタの
    遮光部は、半透過性物質で構成され、０次回折光の光強
    度を任意の大きさに低減することを特徴とする請求項１
    記載の位相シフトマスクを用いた露光方法。
  5. 【請求項５】 マスクは、レベンソン型位相シフトパタ
    ーンのみで形成されたレベンソン型位相シフトマスクで
    あることを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項記載
    の位相シフトマスクを用いた露光方法。
  6. 【請求項６】 マスクは、レベンソン型位相シフトマス
    クパターンと、通常の２値マスクパターンを含んだ構造
    であることを特徴とする請求項１、３〜４のいずれか一
    項記載の位相シフトマスクを用いた露光方法。
  7. 【請求項７】 第三の工程において、瞳面の非透過領域
    を決める瞳径（ＮＡ）の大きさを、ＮＡ≦λ／（Ｌ（１
    ＋σ））の式（λは露光光の波長、Ｌは露光するパター
    ンのピッチ、σは露光光のコヒーレンスファクター）を
    満たす状態に調整し、瞳フィルタで０次光を遮光すると
    同時に、上記瞳径外に照射される露光光を遮光すること
    を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の位相シ
    フトマスクを用いた露光方法。
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