JPH10189416A - パターン形成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の解像限界を超える微細パターンの形成方
法およびその装置を提供する。 【解決手段】露光用光源２および格子縞３４を作成する
為の光源３にパルス光源を用い、両者の同期をとり、効
率的に復調することによりレジスト３５上にパターンを
転写する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パターン形成装置
試料基板上に形成される転写パターンの解像力を向上さ
せたパターン形成方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路や液晶素子等のパターン
の形成には、リソグラフィ技術と呼ばれているマスク上
に描かれたパターンを試料基板上に転写する方法が広く
採用されている。このパターン転写を行うために、一般
には、マスク上のパターンを縮小して転写する縮小投影
型の投影露光装置が用いられる。

【０００３】半導体集積回路等のパターンの微細化が進
むにしたがって、投影露光装置には従来以上に解像力が
高い微細なパターンの転写性能が要求されている。一般
に、投影レンズの開口数（ＮＡ）が大きいほど、あるい
は露光に用いられる光の波長が短いほど解像力は向上す
る。しかし、投影レンズは露光領域が広いことも同時に
要求され、実際上ＮＡの向上には限界がある。また、露
光に用いられる光の短波長化も、対応できる光源、投影
レンズの材料およびレジスト材料の制約の面から限界に
近づいている。

【０００４】そこで、現状の投影露光装置を用いて、従
来の解像限界を超える微細パターンを転写する試みがな
されている。特公昭６２−５０８１１号公報には、マス
ク自体に露光に用いられる光の位相差を与える工夫を導
入することにより、特に周期性を有する開口パターンに
対して解像力を大幅に向上させる技術が示されている。
また、実質的に孤立したパターンであっても補助的な位
相差パターンを新たに配置することによって解像力を向
上させる方法が特開昭６２−６７５１４号公報に開示さ
れている。更に、投影露光装置の照明光学系に特定方向
の照明光を強くすることによって解像力を向上させる方
法が特開平４−１０１１４８号公報および特開平４−２
６７５１５号公報に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記特公昭６２−５０
８１１号及び特開昭６２−６７５１４号公報にはマスク
技術が開示されており、マスクの遮光領域中の１個おき
の開口部に照明光の位相を１８０度変化させる透明な位
相部材を設けることによって解像力向上を実現してい
る。また、前記特開平４−２６７５１５号公報では、マ
スクを斜めに照射する、所謂斜入射照明法を採用するこ
とによって従来の解像性能を超える解像力を与える方法
を示している。

【０００６】一般に投影露光装置の投影レンズの解像性
能は、パターンを露光する光の波長λと投影レンズの開
口数NAで定められ、解像限界の寸法Ｒは通常、数１で与
えられる。

【０００７】

【数１】

【０００８】実用上定数ｋ１の値は０．６〜０．８程度
であって、パターンの露光現像処理法に依存した値であ
る。また、投影レンズの解像性能としては、比較的大き
なパターンほど投影像のコントラストは最大値１に近づ
き、パターンが微細化するとともに、すなわち空間周波
数が高くなるにしたがって投影像のコントラストは最小
値０に近づく。そして、λ/2NAを超える高い周波数を有
する微細なパターンを転写することはできない。

【０００９】以上の制約のもとに、前記特公昭６２−５
０８１１号及び特開昭６２−６７５１４号公報に開示さ
れた方法は、高い空間周波数での投影像コントラストを
向上させるものである。また、前記特開平４−１０１１
４８号公報および特開平４−２６７５１５号公報に開示
されている方法は、低い空間周波数領域の投影像コント
ラストをわずかに低下させると同時に高い空間周波数領
域での投影像コントラストを向上させるものである。

【００１０】いずれの方法も、高い空間周波数領域で従
来法と比べて解像性能が向上する。しかし、前述のよう
に転写可能なパターンの空間周波数の限界はλ/2NAであ
るから、これを超える高い周波数の微細パターンを転写
することは不可能である。

【００１１】本発明の目的は、従来の解像限界を超える
微細パターンを転写できるパターン形成方法および装置
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明はマスク基板上に描かれているマスクパター
ンを投影光学系を介してウエハ基板上に投影しパターン
を形成するパターン形成方法であって、前記マスクパタ
ーンのフーリエ変換パターンが形成される面上において
上記フーリエ変換パターンの位置を所定量シフトさせて
空間周波数を変える変調工程と、前記ウエハ基板上にお
いて、前記変調工程における変調量と関連づけて空間周
波数のシフトにより前記マスクパターンを再現する復調
工程とを有するパターン形成方法において、前記投影光
源および前記復調工程用光源共に、パルス光源を用い
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】従来の投影露光方法では、マスク
パターンで発生した０次、±１次、±２次、…の各回折
光が投影露光レンズを通過してウエハ上に結像してい
た。これに対し、本発明ではマスクパターンに第１の格
子縞を重ねることによって空間周波数の異なるパターン
すなわちモアレ縞を構成する回折光が投影レンズを通過
することによってパターン情報をウエハ上に伝達する。
そして、ウエハ上で復調することによりパターン転写を
行う。空間周波数の異なるパターンを形成する方法とし
て、マスクパターンを斜めに照明し、フーリエ変換面に
おいてフーリエ変換パターンの形成位置をシフトさせて
もよい。

【００１４】ここで、説明を簡単にするために座標系に
ついて述べておく。今、投影レンズの倍率の絶対値を
ｍ、ウエハ側の開口数をNAとすると、投影レンズのマス
ク側の開口数はmNAと表される。通常の投影露光装置で
はｍの値は０．２が広く採用されている、ここで、マス
ク側の長さの単位をλm/NAで、ウエハ側の長さの単位を
λ/NAで、それぞれ無次元化した単位を採用すると、レ
ンズの倍率を考える必要が無く、見かけ上倍率１の結像
光学系として取り扱える。そこで、ここでも上記無次元
化した座標で考える。

【００１５】今、ｘのみの関数で表される空間周波数ν
なるマスクパターンを配置し、これに重ねる第１の格子
縞の空間周波数をτとする。このとき、ν＋τ、ν−τ
という和と差の空間周波数をもつ縞（モアレ縞）が得ら
れる。投影レンズのコヒーレント遮断周波数（λ／Ｎ
Ａ）より大きい周波数νのマスクパターンに適当な第一
の格子縞を重ねると、差の周波数を遮断周波数以下とす
ることが出来る（図５）。これは投影レンズの光学系を
通るから、復調することによりマスクパターンを投影転
写することができる。この原理は、例えば、小瀬輝次
「フーリエ結像論」（共立出版）の１１１頁、あるいは
応用物理第３７巻第９号（１９６８）の８５３頁から８
５９頁に記述されている。

【００１６】本発明ではマスクパターンの変調手段とし
て、透明基板の表面に線状の凹凸を多数並べた透過型位
相格子（第１の格子縞）を用いる。マスクパターンを斜
めに照明しても同様の効果がある。また、上記格子は、
必ずしも透過型位相格子でなくても良く、前記透明基板
の表面に線状の遮光線を多数並べた回折格子としても良
い。

【００１７】この第１の格子縞の空間周波数をτとする
と、前述のようにν−τなる空間周波数をもつ縞が得ら
れ、これが投影レンズを通過する。さてウエハの表面に
おいても空間周波数がτである第２の格子縞とによっ
て、（ν−τ）＋τ＝ν、（ν−τ）−τ＝ν−２τと
いう和と差の空間周波数をもつ縞が得られる。このう
ち、和の空間周波数（ν）をもつ縞のみを取り出すこと
によってパターンの転写を行う。

【００１８】ウエハの表面に第２の格子縞を重ねる手法
として、ウエハの表面にごく短い時間だけ光に応答して
透過率や屈折率が変化する材料を塗布しておく。この復
調用薄膜の２方向から光を照射し上記薄膜中に二光束干
渉の縞を形成する。この干渉縞がパターン転写を行う露
光用の光に対して第２の干渉縞として作用する。

【００１９】上記の原理によりパターン転写を行うわけ
であるが、第２の格子が例えば明暗型の縞である場合で
考えると、原理上、明暗のコントラストが高いほど復調
効果が大きくなる。高いコントラストを得るためには、
第２の格子縞を形成するための光の強度が高いことが望
ましい。しかし、高い強度で定常的に露光すると、復調
材料に蓄積されるエネルギーが大きくなり、復調材料が
熱的な損傷を起こし問題となる。

【００２０】そのため本発明では、光源として強度は強
いが短時間だけ露光するパルス励起を行なう。パルス励
起で第２の格子縞を形成すると、復調材料中の形成され
る縞は短時間に消えて元の透明な状態に戻る。これは上
下の格子縞を同期走査するために、第１の格子縞は機械
的に走査できるが、下の第２の格子縞は、光学的に干渉
縞を走査させるのであるから、干渉縞を形成する光が走
査されて、光が当たらなくなったら直ぐに元の透明な状
態に戻らねばばならないという測定原理から望まれる特
性である。

【００２１】また、復調材料にパターン露光光が定常的
に照射されると、前記格子縞が消えた後も露光されるた
めに、復調効果が低減する。第２の格子縞は縞が形成さ
れた直後が一番明確な縞になっているので、縞形成直後
だけをパターン露光することが、復調効果を最大にする
方法である。従って、パターン露光の光源もパルス化
し、第２の格子縞を形成するパルス光と同期をとり、第
２の格子縞が形成された直後だけにパターン露光するの
が最良の露光方法である。

【００２２】パルス光源としては、連続光源を機械的シ
ャッタでパルス化しても良いし、チタン・サファイア・
レーザあるいは、ヤグ（ＹＡＧ）・レーザ、エキシマ・
レーザなどのように、はじめからパルス発振するレーザ
を用いてもよい。特に、チタン・サファイア・レーザや
オプト・パラメトリック現象を利用したレーザなどは発
振波長を連続的に所望の値に設定できるので、本発明の
実施には特に適している。

【００２３】復調用の第２の格子の光学特性は、明暗型
の復調格子ではその暗部の吸光度が大きほど、その復調
効果が大きいので望ましい。具体的には吸光度が１以上
であることが望ましい。位相シフト型の復調格子ではそ
の位相差が大きく変化するものほど、その復調効果が大
きいので望ましい。具体的には位相差がλ／２以上であ
ることが望ましい。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について述
べる。これらの実施例は本願の１例に過ぎず、これらに
限定されるものではない。

【００２５】（実施例１）まず、図１を用いて本発明の
パターン形成方法を実現する投影露光装置の構成例の概
要を説明する。露光に用いる光（波長：３６５ｎｍ）は
第１のチタン・サファイア・レーザの第二高調波パルス
光を用いた。この光源２から発する光はビーム・エキス
パンダ４で所望の均一な光強度の断面積のビームに変換
され、マスク基板５を照明する。以下ではマスク基板５
をレティクル５と称する。

【００２６】レティクル５上に描かれたパターン６は倍
率１／５の投影レンズ７を介してウエハ８上に投影され
る。なお、レティクル５はレティクル位置制御手段９で
制御されたステージ１０上に載置され、その中心と投影
レンズ７の光軸とが正確に位置合わせされている。

【００２７】ウエハ８は、投影レンズ７の光軸方向すな
わちｚ方向に移動可能なＺステージ１１上に載置されて
いる。Ｚステージ１１およびＸＹステージ１２は、主制
御系１３からの制御命令に応じてそれぞれの駆動手段１
４、１５によって駆動されているので、投影露光装置の
ベース１６に対して所望の露光位置に移動可能である。
その位置はＺステージ１１に固定されたミラー１７の位
置として、レーザ測長器１８で正確にモニタされてい
る。また、ウエハ８の表面位置は、投影露光装置の通常
の焦点位置計測手段により計測される。計測結果に応じ
てＺステージ１１を駆動させることにより、ウエハ８の
表面は常に投影レンズ７の結像面と一致させることが出
来る。

【００２８】本実施例では、レティクル５のごく近傍に
第１の格子縞として作用する透過型の格子状の光学素子
１９を配置した。ここでは位相格子を採用し、位相格子
１９のピッチを１．０μｍとした。この位相格子１９は
図２に示すように透明基板の表面に線状の凹凸２０を設
けたものであり、凹部と凸部とを透過する照明光の位相
を反転させる。

【００２９】位相格子１９の凹凸２０の空間周波数をτ
と記述すると、そのスペクトルは、図３に示すように、
投影レンズの入射瞳２１上ではスペクトル２２および２
３に示す分布を有する。さらに位相格子１９は、ステー
ジ２４に装着されており、駆動手段２５によって面内に
走査することが出来る。

【００３０】一方、レティクル５には従来と同様なパタ
ーン６が設けられており、このパターンの空間周波数ν
が投影レンズの遮断周波数を超えると、図４に示すよう
なスペクトル２６、２７および２８に示す分布となる。
ここで、レティクル５と第１の格子縞２２とを重ねあわ
せると、図５に示すような合成パターンのフーリエ・ス
ペクトル２９および３０が得られ、投影レンズの瞳２１
の内側を通過するようになる。

【００３１】第２のチタン・サファイア・レーザからの
第二高調波（波長４９０ｎｍ）を復調格子縞を作るため
の光源３とした。ウエハ８の表面には、光源３からの光
をビームスプリッタ３１、ミラー３２、３３を用いて復
調用の薄膜３６中で二光束干渉させ、ピッチ０．２μｍ
の干渉縞３４を形成した。このピッチは、第１の格子縞
のピッチ（１．０μｍ）に投影レンズ７の倍率（１／
５）を乗じた値である。

【００３２】ウエハ８上にはホトレジスト３５を塗布
し、更にその表面には光化学反応が可逆的に生じる材料
を０．３μｍの厚さで塗布し、復調用薄膜３６を形成す
る。本実施例では、アクリジン・オレンジとポリビニル
ピロリドンの溶液をレジスト上に回転塗布し、加熱乾燥
し、復調用薄膜３６を作製した。

【００３３】上記復調用薄膜３６は、波長４６０ｎｍの
光に対してミリ秒以下の時間応答性を有し、かつ可逆的
に反応する。すなわち、４６０ｎｍのパルス光が照射さ
れた時だけ、複素屈折率が変化し、３６５ｎｍにおいて
瞬時に屈折率が変化し、復調用の位相シフト型格子縞３
４を形成し、短時間の内にミリ秒以下の寿命で元の屈折
率に戻る。

【００３４】第１のチタン・サファイア・レーザ２と第
２のチタン・サファイア・レーザ３は、同期回路１によ
り、４６０ｎｍの第２のチタン・サファイア・レーザ３
が復調用の格子縞３４を作成した直後に、格子縞３４を
パターン露光用の第１のチタン・サファイア・レーザ２
が通過するように設定してある。そのため、第１のチタ
ン・サファイア・レーザ２が復調層３６を通過する時に
は十分なコントラストの格子縞３４が形成されているた
めに、復調が効率よく行われる。

【００３５】この第２の格子縞３４が上記空間周波数τ
の格子の働きをする。第２の格子縞３４は、ミラー３２
をミラー駆動手段３７を用いて駆動し、光の位相を連続
的に変化させることにより復調用薄膜３６内を移動す
る。第１の格子および第２の格子縞３４を同期走査しな
がらパターン露光を行うことによって、ホトレジスト３
５に従来の解像限界を超える微細パターンを露光した。
その後、上記復調用薄膜３６を除去し、レジスト３５を
現像し、そのパターン形状を走査型電子顕微鏡で観察し
たところ、良好な形状の微細パターンが形成されてい
た。

【００３６】上記復調格子の位相シフト量を測定したと
ころλ／２であることがわかった。また、上記パルスレ
ーザにヤグ・レーザを用いても同様の効果が得られた。

【００３７】（実施例２）第２の実施例では、露光用波
長にチタン・サファイア・レーザの第２高調波（波長：
４３６ｎｍ）を用い、復調用薄膜中に第２の干渉縞を作
成するのにヤグ・レーザの第４高調波（波長：２６６ｎ
ｍ）の光を用いて、復調材料に２−アセナトフトンを分
散させたポリメチルメタクリレート薄膜を用いて、第１
の格子縞のピッチを０．５μｍ、第２の格子縞のピッチ
を０．１μｍにした点を除き、実施例１と同じ装置構成
でパターン形成を行った。上記復調用薄膜３６は波長２
６６ｎｍの光を吸収すると露光波長である４３６ｎｍに
過渡的に吸収を有するようになり、ミリ秒以下の時間応
答性を有し、かつ可逆的に着色・退色反応する。過渡的
な明暗型の格子縞を形成する。本実施例でも、第２の格
子作製用のヤグ・レーザと、露光用のチタン・サファイ
ア・レーザとが同期制御されて、露光用のチタン・サフ
ァイア・レーザが復調層を通過する時には十分なコント
ラストの格子縞が形成され、復調作用が効率よく行わ
れ、良好なパターン転写をすることが出来た。

【００３８】上記復調格子の吸光度を測定したところ
１．２であることがわかった。

【００３９】以上述べた本発明によれば、復調格子縞の
形成にパルス光源を利用するので、復調材料への熱的損
傷を与えずに高いコントラストを有する理想的な格子縞
が形成できる。そのために、復調作用が効率良く行わ
れ、良好なパターン転写が可能になる。

【００４０】露光光源と復調格子縞形成用の光源を共に
パルス光源を用いて両者の同期をとるので、復調格子縞
のコントラストが高い時間領域で、パターン形成の露光
パルスを復調材料層に入射させることができる。そのた
めに、復調作用が効率良く行われ、良好なパターン転写
が可能になる。

【００４１】

【発明の効果】本発明により、光学式の投影露光装置を
用いて従来の解像限界を超える微細パターンを転写する
ことができる。すなわち、より高性能な投影レンズを導
入することなく、従来より微細な加工が実現できるの
で、半導体集積回路等の高集積化が容易になる。

【００４２】更に、個々の効果を述べる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影露光装置のブロック図。

【図２】第１の格子縞である位相格子とレティクルとを
示す断面図。

【図３】位相格子のフーリエ変換パターンの一例を示す
説明図。

【図４】レティクル・パターンのフーリエ変換パターン
の一例を示す説明図。

【図５】レティクル・パターンと位相格子とを重ねて得
られるパターンのフーリエ変換パターンの一例を示す説
明図。

【符号の説明】

１…同期回路、２…露光用のパルス光源、３…復調用の
パルス光源、４…ビームエクスパンダ、５…レティク
ル、６…パターン、７…投影レンズ、８…ウエハ、９…
レティクル位置制御手段、１０…レティクル・ステー
ジ、１１…Ｚステージ、１２…ＸＹステージ、１３…シ
ステム主制御系、１４…Ｚステージ駆動手段、１５…Ｘ
Ｙステージ駆動手段、１６…投影露光装置ベース、１７
…ミラー、１８…レーザ測長器、１９…格子、２４…ス
テージ、２５…ステージ駆動手段、３１…ビームスプリ
ッタ、３２および３３…ミラー、３４…格子縞、３５…
レジスト、３６…復調用薄膜、３７…ミラー駆動手段。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスクパターンのフーリエ変換パターンが
   形成される面上において上記フーリエ変換パターンの位
   置を所定量シフトさせて空間周波数を変える変調工程
   と、前記変調工程における変調量と関連づけて空間周波
   数のシフトにより前記マスクパターンをウエハ基板上に
   再現する復調工程とを有するパターン形成方法におい
   て、投影光源および復調工程用光源共に、パルス光源を
   用いることを特徴とするパターン形成方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記ウエハ基板上に薄
   膜を形成し、上記薄膜中に前記復調工程用パルス光源に
   より励起状態を形成したとき、この薄膜の投影光源波長
   に対する吸光度の変化が１以上であるパターン形成方
   法。
3. 【請求項３】請求項１において、前記ウエハ基板上に薄
   膜を形成し、上記薄膜中に前記復調工程用パルス光源に
   より励起状態を形成したとき、この薄膜の投影光源波長
   に対する屈折率の変化による上記薄膜中の光路差が０．
   ５波長以上であるパターン形成方法。
4. 【請求項４】請求項１において、前記復調工程用パルス
   光源により励起状態を形成し、上記励起状態の寿命以内
   に投影パルス光を照射するパターン形成方法。
5. 【請求項５】マスクパターンのフーリエ変換パターンが
   形成される面上において上記フーリエ変換パターンの位
   置を所定量シフトさせて空間周波数を変える変調手段
   と、ウエハ基板上において、前記変調手段における変調
   量と関連づけて空間周波数のシフトにより前記マスクパ
   ターンを再現する復調手段とを有するパターン形成装置
   において、投影光源および復調手段用光源共に、パルス
   光源を用いることを特徴とするパターン形成装置。
6. 【請求項６】請求項５において、前記ウエハ基板上に薄
   膜を形成し、上記薄膜中に前記復調手段用パルス光源に
   より励起状態を形成したとき、上記薄膜の投影光源波長
   に対する吸光度の変化が１以上であるパターン形成装
   置。
7. 【請求項７】請求項５において、前記ウエハ基板上に薄
   膜を形成し、上記薄膜中に前記復調手段用パルス光源に
   より励起状態を形成したとき、上記薄膜の投影光源波長
   に対する屈折率の変化による上記薄膜中の光路差が０．
   ５波長以上であるパターン形成装置。
8. 【請求項８】請求項５において、前記復調手段用パルス
   光源により励起状態を形成し、上記励起状態の寿命以内
   に投影パルス光を照射するパターン形成装置。