WO2002047132A1

WO2002047132A1 - X-ray projection exposure device, x-ray projection exposure method, and semiconductor device

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Publication number: WO2002047132A1
Application number: PCT/JP2001/010615
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Inventors: Tetsuya Oshino
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Description

明細書

X線投影露光装置おょぴ X線投影露光方法および半導体デバイス技術分野

本発明は、例えば、フォトマスク（マスクまたはレチクル）上の回路パターンを波長 1 〜 3 O n mの X線を用いて、反射型結像光学系を介してウェハ等の基板上に転写する X線投影露光装置に関する。また、該 X 線投影露光装置を用いた露光方法おょぴ該 X線投影露光装置で作成した半導体デバイスに関する。

背景技術

現在工業的に用いられている半導体製造用の露光装置は、物体面としてのフォトマスク（以下、マスクと称する）面上に形成された回路バターンを、投影光学系を介してウェハ等の基板上に投影転写するものである。マスク及び投影光学系の結像素子（レンズ等）は共に透過系である。露光光源は、例えば高圧水銀灯の i 線や K r F レーザー光源などが用いられる。

図 5 は、光透過系の露光装置の概念図である。

該露光装置は、光源（不図示）と、照明光学系 5 0 と、投影光学系 5 1 と、マスク 5 2 を保持するマスクステージ 5 3 と、ウエノヽ 5 4 を保持するウェハステージ 5 5 と、ウェハマーク位置検出機構 5 6 とマスクマーク位置検出機構（不図示）等から構成されている。

その他に、ウェハの表面位置検出機構等も設けられている。同機構は、例えばウェハ上に斜めに光束を照射して、その反射光束を光検出器で検出する。本機構により、前記ウェハの光軸方向の表面位置を知ることができる。このような表面位置検出機構の具体例は、特開平 6 — 2 8 3 4 0 3号や 8 — 6 4 5 0 6 号、特開平 1 0 — 2 1 4 7 8 3号に開示されている。

前記マーク位置検出機構はウェハおょぴマスク上に形成されたマークの位置を光学的手段により検出する。

マスク 5 2 には、ウェハ 5 4 に転写するパターンの等倍あるいは拡大パターンが形成されている。

投影光学系 5 1 は通常、複数のレンズ等で構成され、前記マスク 5 2 上のパターンを前記ウェハ 5 4上に結像して一括転写できるようになつており、約 2 0 m m角の露光視野を有しているため、所望の領域（例えば、半導体 2チップ分の領域）を一括で露光することができる。

半導体デバイスの回路は複数層にわたって形成されるため、投影露光装置を用いたリソグラフィ一手法により半導体デバイスを作成する際は. 既にウェハ上に形成されている回路の上に高精度な重ね合わせ露光を行なうこととなる。重ね合わせ精度を確保するためには、露光中のマスク 5 2およびウェハ 5 4 の位置を精密に検出する機構が必要である。このような機構として、マスクステージ 5 3やウェハステージ 5 5 の位置をリアルタイムで測定する干渉計（不図示）と、上記両ステージの基準位置を求めるのに使用する、ウェハ 5 4およびマスク 5 2上に形成されたマーク（不図示）を光学的な手段で検出するマーク位置検出機構 5 6 (マスク側のマーク検出機構は不図示）が用いられる。

マーク位置検出機構 5 6 は、例えば光学顕微鏡のような構成とし、マークの拡大像を C C D等の画像検出器で検出する。マーク位置検出機構は、機器配置上の制約から投影光学系 5 1 に隣接して配置されることが多い。このようなマーク位置検出機構の具体例は、特開平 5 — ² 1 3 1 4号等に開示されている。図 6 は、露光面上の露光視野とマー.ク位置検出機構の検出中心との関係を示す説明図である。

図 6 の中央部のハッチングした領域が露光視野 6 2であり、その中心が露光視野中心 6 1 である。この例では露光視野 6 2 は長方形である。露光視野中心 6 1 を通り、ウェハステージの駆動軸に平行に引いた図中で横方向に延びる一点鎖線の直線が X方向中心線 6 4である。同中心線 6 4 と、露光視野中心 6 1 において直角に交わるのが y方向中心線 6 5 である。

従来の一般的な露光装置は、投影光学系の中心軸と、正方形あるいは長方形の露光視野 6 2 の中心点 6 1 は一致している。というのは、透過屈折系の投影光学系のレンズは、軸対称形状であって中心部の光学収差が小さいので、該軸付近の視野を用いるのが原則といえるからである。次に検出中心 6 3 について説明する。マーク位置検出機構 5 6 (図 5 参照）として光学検出機構を用いる場合、マーク位置検出機構 5 6 と投影光学系 5 1 が干渉しないように、検出中心 6 3 は前記露光視野の中心点 6 1 から一定距離（図中の B L ) 離れた位置に配置される。なお、検出中心 6 3 は、実質的にはマーク位置検出機構 5 6 の光学系の中心軸とウェハ面との交点である。また、距離 B Lは投影光学系 5 1 の鏡筒半径とマーク位置検出機構 5 6 の光学鏡筒の半径を足した寸法にほぼ等しい, さらに、ウェハステージの駆動軸と一致する方向を図 6 に示す X方向中心線 6 4 とし、それに直角な方向を y方向中心線 6 5 とすると、これらの線上（ X軸又は y軸上）で投影光学系中心点 6 1 から B Lの距離にある位置 6 3 a 、 6 3 b 、 6 3 c 、 6 3 dの 4点のいずれかに配置することが多かった。

露光する際は、あらかじめ、露光視野の中心 6 1 とマーク位置検出機構の検出中心 6 3 との間隔 B L (この間隔をベースラインという）を測定する。そして、ウェハ上のマーク位置をマーク位置検出機構で検出し、事前に判明しているマーク位置と露光したいウェハ上の位置との関係とベースラインとから、露光したいウェハ上の位置の座標を求め、該座檫の位置が露光視野の中心位置と一致するように、ウェハステージを移動させる。

以上のような方法により、ウェハ上の所望の位置に露光視野を位置させ、その位置にパターンを転写形成することができた。

ところで、近年、半導体回路の集積化、高性能化がさらに進み、露光装置の解像度をさらに向上させることが求められてきた。一般に、露光装置の解像力 Wは、主に露光波長えと結像光学系の開口数 N Aで決まり、次式で表される。

W = k 1 λ / N A k l : 定数

従って、解像力を向上させるためには、露光光の波長を短くする力あるいは開口数を大きくすることが必要となる。現在、半導体の製造に用いられている露光装置の露光光源には前述の通り、主に波長 3 6 5 η mの i 線が使用されており、開口数約 0. 5 で 0 . 5 μ mの解像力が得られている。開口数をこれ以上大きくすることは、光学設計上困難であることから、露光光の短波長化が追求されている。

そこで、近年 i 線より短波長の露光光として、例えばエキシマレーザ一が用いられつつある。その波長は、例えば、 K r Fで 2 4 8 n m、 A r Fで 1 9 3 n mであるため、 K r Fでは 0 . 2 5 μ m , A r Fでは 0 . 1 8 mの解像力が得られる。

そして、露光光としてさらに波長の短い X線を用いると、例えば波長 1 3 n mとすると、 0 . 1 m以下の解像力が得られる。

このような X線投影露光装置の場合、 X線の透過性のよいレンズ材料が工業的には得られないため、投影結像光学系を全て反射鏡で構成する必要がある。反射式の光学系の場合、光学系の中心軸付近に視野の広い光学系を設計することは困難である。一方、投影光学系の露光視野を光学系の中心軸から離れた位置に形成し（いわゆる軸外し光学系）、たとえば輪帯状にすれば、細長い露光視野内で高い解像度を得ることができる。

さらに露光の際に、マスクとウェハを走査することにより、小さな視野の結像光学系で 2 O m m角以上の半導体チップを露光することができる。かかる方法を用いる X線投影露光装置によれば、所望の露光領域を確保することができる。

図 7 は、現在考えられている X線投影露光装置の概念図である。

X線投影露光装置の主たる構成要素は、主に X線光源 7 7、 X線照明光学系 7 8 、 X線投影光学系 7 1 、マスク 7 2 、マスクステージ 7 3 、ウェハ 7 4、ウェハステージ 7 5 である。

X線光源 7 7 は、例えば、放電プラズマ式の X線光源である。照明光学系 7 8は何段かの反射レンズ、フィルタ等からなり、輸帯状の照明光 ' をマスク 7 2 に向けて照射する。

X線投影光学系 7 1 は複数の反射鏡等で構成され、マスク 7 2上のパターンをウェハ 7 4上に結像する。各反射鏡の表面には X線の反射率を高めるための多層膜が設けられている。 X線投影光学系 7 1 は輪帯状の露光視野を有し、マスク 7 2 の一部の輪帯状の領域のパターンを.、ゥェハ 7 4 の表面に転写する。

マスク 7 2 は反射型であり、その反射面に回路パターンが形成されている。マスクが反射型であるために、 X線投影光学系 7 1 はマスク側が非テレセントリックな光学系となる。

波長 1 〜 3 0 ri mの X線は空気による吸収が大きいため、少なくとも

X線露光装置の X線光路は減圧雰囲気、 H e雰囲気、あるいは真空環境に保つことが好ましい。最も好ましくは、真空環境にすることであり、そのために X線投影露光装置の光学系は、真空チャンバ（不図示）内に配置される。

半導体デパイスは回路が複数層にわたって形成されるため、 X線投影露光装置で半導体デバイスのパターンを転写露光する際も、既にウェハ上に形成されている回路の上に、次の回路パターンを重ね合わせ露光を行なう。この重ね合わせ露光を高精度に行うため、露光中のマスク 7 2 およびウェハ 7 4 の位置を精密に検出する機構が必要である。このような機構として、マスクステージ 7 3やウェハステージ 7 5 の位置をリアルタイムで測定する干渉計（不図示）と、上記両ステージの基準位置を求めるのに使用する、ウェハ 7 4及ぴマスク 7 2上に形成されたマーク (不図示）を光学的な手段で検出するマーク位置検出機構（不図示）が用いられる。

ところで、半導体デバイスのパターンを転写する場合は、パターンの像をウェハ上の所望の位置に投影する必要がある。この像の位置精度は、少なくとも形成するパターンの最小線幅よりも小さくすることが必要であり、望ましくはパターンの最小線幅の 1 / 4以下が求められる。したがって、露光装置の解像力の向上に伴って、パターンの位置精度つまり重ね合わせ精度も向上させなければならないということになる。

X線投影露光装置は従来の光投影露光装置よりも、投影パターンの最小線幅が小さいため、重ね合わせ精度も向上させる必要がある。重ね合わせ精度を向上させるためには、ァライメントマークの検出精度の向上、ウェハステージの駆動精度の向上、ベ一スラインの安定性の向上が求められる。ベースラインの安定性とは、ベースライン（露光視野中心とマーク位置検出機構との間隔、図 6 の B L ) を測定した後、露光するまでの間にこの値が一定に保たれる度合いのことである。これが不安定であると、ウェハの所望の位置に露光位置を合せることができず、重ね合わせ誤差となる。ベースラインが変動する要因は、投影光学系鏡筒の変形やその支持機構の変形等である。したがって、ベースラインの安定性は、鏡筒やマーク位置検出機構およびこれらを支える支持機構の安定性、並びにベースラインの長さによって左右される。マーク位置を検出してゥェハの位置 · 姿勢をァライメントした後に露光に移行する際には、マーク位置検出機構の検出位置から露光位置まで、ウェハステージを駆動する。したがって、マーク位置検出機構の検出位置と露光視野との間の距離であるべ一スラインが長くなると、ウェハステージの駆動距離が長くなって、ステージの位置精度も落ちて重ね合わせ精度が悪くなる。

現在提案されている X線投影露光装置は、十分なベースライン安定性を確保することが困難であり、その結果、解像力に見合った重ね合せ精度が得られない問題点が予想される。その結果、製造される半導体デバイスの歩留まりを保証できないおそれがある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、所望の微細パターンをウェハ上の回路パターンに高精度に重ねて合わせ露光することができる X線投影露光装置を提供することを目的としている。

発明の開示

本発明は第一に「 X線源と、該 X線源から発生する X線を所定のパターンを有するマスク上に照射する X線照明光学系と、該マスクを保持するマスクステージと、該マスクからの X線を受けて該パターンの像をレジストを塗布したウェハ上に投影する X線投影光学系と、該ウェハを保持するウェハステージと、該ウェハまたは該ウェハステージに形成されたマークの位置を検出するマーク位置検出機構と、を備え、前記 X線投影光学系の露光視野が該光学系の中心軸から離れた位置にある X線投影露光装置であって、前記マ一ク位置検出機構の検出中心が、前記 X線投影光学系の中心軸に対して、前記露光視野の側にあることを特徴とする X線投影露光装置（請求項 1 ) J を提供する。

また、本発明は第二に「 X線源と、該 X線源から発生する X線を所定のパターンを有するマスク上に照射する X線照明光学系と、該マスクを保持するマスクステージと、該マスクからの X線を受けて該パターンの像をレジストを塗布したウェハ上に投影する X線投影光学系と . 該ウェハを保持するウェハステージと、該ウェハまたは該ウェハステージに形成されたマークの位置を検出するマーク位置検出機構と、を備え、前記 X線投影光学系の露光視野が該光学系の中心軸から離れた位置にある X線投影露光装置であって、前記 X線投影光学系の像面上で、該光学系の中心軸と該像面の交点を原点にし、露光視野の中心が X軸上で X < 0 の位置になるような X y座標系を定めた場合に、該マーク位置検出機構の検出中心が x ≤ 0 の領域にあることを特徴とする X線投影露光装置（請求項 2 ) J を提供する。

また、本発明は第三に「前記検出中心を前記 X軸上、あるいは前記 X線投影光学系の露光視野の中心点を通り該 X軸に直交する直線上に配置したことを特徴とする請求項 2 に記載の X線投影露光装置（請求項 3 )」を提供する。

また、本発明は第四に「前記マーク位置検出機構は、前記マークに可視光、赤外光あるいは紫外光を照射して、その反射光、散乱光あるいは回折光を検出することを特徴とする請求項 1 又は 2 に記載の X線投影露光装置（請求項 4 ) J

を提供する。

また、本発明は第五に「前記マーク位置検出機構は、光学系で構成し、該光学系は光路の媒体の屈折率変化によ'る焦点位置の変化を補正する機能を有することを特徴とする請求項 1 又は 2 に記載の X線投影露光装置（請求項 5 )」を提供する。

また、本発明は第六に「 X線源から発生する X線を所定のパターンを有するマスク上に照射し、該マスクをマスクステージに保持し、該マスクのパターンの像をレジストを塗布したウェハ上に投影し、該ゥェハをウェハステージに保持し、該ウェハまたは該ウェハステージに形成されたマークの位置をマーク位置検出機構を用いて検出し、前記 X線投影光学系の露光視野を該光学系.の中心軸から離れた位置に置き、前記 X線投影光学系の像面上で、該光学系の中心軸と該像面の交点を原点にし、露光視野の中心が X軸上で X く 0 の位置になるような X y座標系を定めた場合に、該マーク位置検出機構の検出中心を X ≤ 0の領域に配置し、前記マーク位置検出機構の検出信号に基づいて、前記ウェハステージを駆動して、前記ウェハの所望の位置に前記マスクに形成された回路パターンの投影像を形成することを特徴とする X線投影露光方法 (請求項 6 )」を提供する。

また、本発明は第七に「前記 X y座標系の原点と前記 X線投影光学系の露光視野の中心点との間隔の測定を行い、その値に基づいて前記ゥェハステージの駆動量を決定することを特徴とする請求項' 6 に記載の X 線投影露光方法（請求項 7 )」を提供する。

また、本発明は第八に、「請求項 6 又は 7 に記載の X線投影露光方法により露光を行なって作製したことを特徴とする半導体デバイス（請求項 8 ) J を提供する。図面の簡単な説明

図 1 は、本発明による X線投影露光装置の概略図である。

図 2 は、マーク位置検出機構の具体的な構成例を示す図である。図 3 は、本発明による X線投影露光装置の露光視野とマーク位置検出機構の検出中心との位置関係を示した図である。

図 4 は、本発明による X線投影露光装置の概略図である。

図 5 は、光透過系の露装置の概念図である。

図 6 は、従来の露光装置の露光視野とマーク位置検出機構の検出中心の関係を示す説明図である。

図 7 は、現在考えられている X線投影露光装置の概念図である。発明を実施するための最良の形態

図 1 は、本発明による X線投影露光装置の概略図である。

本発明の X線投影露光装置の主たる構成要素は、 X線源 4 1 、 X線照明光学系 4 2、 X線投影光学系 1 、マスク 2 を保持するマスクステージ 3 、ウェハ 4 を保持するウェハステージ 5 、ウェハマーク位置検出機構 6 、マスクマーク位置検出機構（不図示）である。

X線源 4 1 は、例えば放電プラズマ式の X線光源である。 X線照明光学系 4 2 は何段かのレンズ、フィルタ等からなり、輪帯状の照明光をマスク 2 に向けて照射する。マスク 2 は反射型で、その反射面に、ウェハ 4上に描画されるパターンの等倍あるいは拡大パターンが形成されている。 X線投影光学系 1 は輪帯状の露光視野を有し、複数の反射鏡等で構成されている。マスク 2が反射型であるため、同光学系 1 は、マスク側が非テレセントリックな光学系となっている。マスク 2 のパターンは、 X線投影光学系 1 でウェハ 4 の表面に結像される。 .このとき、マスク 2 とウェハ 4 を一定速度で同期走査させて、マスク 2 のパターン領域を選択的に露光し、ウェハ 4 の表面に転写する。

なお、波長が l 〜 3 0 n mの X線は空気による吸収が大きいため、 X 線露光装置の X線光路は、減圧雰囲気、 H e雰囲気あるいは真空雰囲気に保つことが好ましい。最も好ましくは、真空雰囲気下とすることで、

X線投影露光装置の光学系は、真空チャンバ（不図示）内に配置されている。

前記ウェハマーク位置検出機構 6 は、例えばウェハ上のマーク 4 a およびウェハステージ上のマーク（不図示）の位置を、光学的な手段等により検出する装置である。この機構から得たウェハの位置情報をもとにウェハ座檫を設定してウェハステージを駆動し、マスク上のパターンをウェハ上の所望の位置に露光する。

図 2 は、マーク位置検出機檎の具体的な構成例を示す図である。

この例のウェハマーク位置検出機構 6 は光学顕微鏡のようなものである。マーク位置検出機構 6 の光軸 6 a (検出中心）の直下にウェハマーク 4 a がくるようにウェハステージ 5 を位置決めし、マーク 4 a の拡大像を C C D等の検出器 2 1 で検出して、画像処理によりマークの位置を検出する。この例のウェハマーク位置検出機構 6 は、レジストが感光しにくい光を発する光源（不図示）と、光源から射出した光をマークに照射する照明光学系（不図示）とマークの像を検出器上に拡大投影する検出光学系 2 2、 2 3 と、 C C D等の検出器 2 1 で構成されている。検出光学系の開口数を大きくして高コントラストのマーク像を得ることにより、高精度なマーク位置検出ができる。マーク位置検出機構 6 には、位置調整機構 2 4が設けられているが、この機構 2 4 については後述する。次に、図 3 を参照しつつ、本発明の X線投影露光装置における露光視野とウェハマーク位置検出機構の検出中心との位置関係について説明する。

本図は、露光視野 3 1 が輪帯状である場合について示したもので、露光視野 3 1 を含む平面（X線投影光学系の像面）を上から見た図である。この例では、露光視野 3 1 は、 X線投影光学系の中心軸と該像面との交点 3 2 を中心とした、ある半径と開き.角を有する 2つの円弧 3 3、 3 4 , に挟まれた領域である。上述のように反射型光学系では光学系中心軸付近に広い視野を設定しにくいので、このような円弧状（輪帯状）の露光視野となっている。

ウェハマーク位置検出機構 6 の検出中心は、図 2 に示すように、マ一ク位置検出機構 6 と X線投影光学系 1 との機械的干渉の制約から、 X線投影光学系 1 の中心軸 1 a から一定距離離れた場所に配置する。通常.、マ一ク位置検出機構 6 は、投影光学系 1 の鏡筒の側壁に取り付けられるので、マーク位置検出機構 6 の中心軸 6 a (すなわち検出中心）と投影光学系 1 の中心軸 1 a との距離は、投影光学系 1 (鏡筒）の半径 R (例えば 3 0 0 m m ) にマーク位置検出機構 6 (鏡筒）の半径 r (例えば 5 O m m ) を足した値程度となる。

本発明においては、図 3 に示すように、前記像面上で、 X線投影光学系の中心軸と該像面の交点 3 2 (投影光学系中心）を原点にし、露光視野 3 1 の中心点 3 6 が X軸上で X く ◦ の位置になるような x y座標系を定めた時、 X ≤ 0 の領域（図中斜線で示した領域 3 9 ) にウェハマーク位置検出機構 6 の検出中心 3 5 a を配置する。

すなわち、投影光学系中心軸である原点 3 2 と露光視野 3 1 の中心 3 6 とを結んだ線を X軸とし、原点 3 2 から見て露光視野中心 3 6 がマイナスとなるように X座標をとる。そして、同様に、マーク検出中心 3 5 a もマイナス側（ 0含む）に置く。このことを別の表現とすれば、マーク位置検出機構の検出中心 3 5 a が、投影光学系中心軸 1 a に対して、露光視野 3 1 の側にあるといえる。なお、の X軸は、通常、ウェハステージをスキャン送りする軸と一致する。

検出中心 3 5 を前記領域 3 9 に配置することにより、他の場所に配置した場合よりも、ベースライン B L (検出中心 3 5 と露光視野中心 3 6 との距離）を小さくすることができる。その結果、ァライメント位置から露光位置までのウェハステージの駆動距離を短くすることができ、ベースラインの安定性が向上する。特に検出中心を X軸上の点 3 5 a に配置すると、ベースラインの安定性が向上する。

また、検出中心を、露光視野の中心点 3 6 を通り X軸に直交する直線 ( y軸平行線） 3 7上の点 3 5 bおよび 3 5 c に配置する場合も、座標把握が簡単となりベースラインの安定性が向上する。

なお、上記ハッチング領域 3 9 でも投影光学系の光学鏡筒と干渉する位置にはマーク位置検出機構を置くことはできず、実際は、原点 3 2から図 2 に示す距離 R + _r (投影光学系鏡筒半径 +マーク位置検出機構半径）以上離れた位置となる。ベースライン B Lが最も短いのは、図 3 の X軸上の検出中心 3 5 a の場合であって、この場合のベースライン B L の寸法は、前記 R + r から原点 3 2 と露光視野中心 3 6 との距離 Fを引いた値となる。

前記マーク位置検出機構は、前記マークに可視光、赤外光あるいは紫外光を照射して、その反射光、散乱光あるいは回折光を検出することが好ましい。光学的な検出方法を採用することで、高い検出精度を得ることができる。特に検出光の波長帯幅を広く取ると、レジスト内部における光の干渉効果が小さくなり、検出精度が向上する。

また、マーク位置検出機構を光学装置で構成し、その光学系の一部を露光環境である真空中に配置する場合は、環境媒体と光学素子との屈折率差を真空とガラスの屈折率差として設計することが好ましい。これにより、髙分解能の光学系が作成でき、マーク位置検出精度も向上する。一方、マーク位置検出機構を調整する際は、大気中において調整できると、調整が容易になる。この時、真空中で収差が最適となるように設計されだ光学系は、大気中で同じ収差特性が得られるとは限らない。特に焦点距離が大きく変わることが多い。そこで、マーク位置検出機構に焦点位置の捕正機構を設けることが好ましい。本機能を設けることによつて、大気中でもマーク位置検出が可能となり、マーク位置検出機構の調整が容易にできる。

前記捕正機構は、例えば光学系を構成するレンズの一部を光軸方向に移動させることで可能である。マーク位置検出機構の光学系は、そのすベてを真空チャンバ内に配置する、あるいは一部を真空チャンバ内に配置して残りの部分を真空チャンバ外に配置する形態が考えられる。前者の場合はレンズ等の位置調整を真空中で行う必要があるため、図 2 に示すように真空中で駆動可能なモーター等のァクチユエ一タ 2 4 を配置すると、真空中にあるレンズを遠隔操作できるため好ましい。後者においては、調整機構を前者と同様に真空中に配置しても良いが、好ましくは真空チャンパの外に配置することが好ましい。この方が調整機構を安価に作成できる。

マーク位置検出機構は、光学的な検出機構に限らない。マークに電子線、 X線、粒子線を照射して、その反射、散乱、回折、透過あるいは励起した電子線、 X線、粒子線を検出する機構でも良い。 X線投影露光装置は露光環境が真空であるため、前記電子線、 X線、粒子線のうち空気に吸収されやすく、従来の露光装置では検出が困難であったものを利用して検出することができる。このような特徴を利用して、従来の露光装置とは異なる手段で、高い検出精度を達成することができる。

以下、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。

図 4 は、本発明による第一の実施の形態である X線投影露光装置を示してレ、る。

本装置は主に、 X線光源（不図示）と X線照明光学系（不図示）、 X 線投影光学系 1 、マスク 2 を保持するマスクステージ 3 、ウェハ 4 を保持するウェハステージ.5 、ウェハマーク位置検出機構 6 、マスクマーク位置検出機構（不図示）、真空チャンバ 7、鏡筒を支持するベース部材 8 、ベース部材 8 を支持する除振台 9 で構成される。

本装置は、 X線光源としてレーザープラズマ X線源を用い、ここから発した X線が X線照明光学系を介してマスク 2 に照射される。この時露光波長は例えば 1 3 . 5 n mとし、マスク 2 は反射型のものを用いる。マスク 2で反射した X線 1 1 a は、 X線投影光学系 1 を通過してウェハ 4上に到達し、マスクパターンがウェハ 4上に縮小転写される。

X線投影光学系 1 は 6枚の反射鏡で構成され、倍率は 1ノ 4であり、幅 2 mm長さ 3 0 mmの輪帯状の露光視野を有する。 6枚の反射鏡は、鏡筒内に支持されている。鏡筒をインパー製とすることで熱変形が生じにくいようにできる。

反射鏡は反射面形状が非球面であり、その表面には X線の反射率を向上させるための M o / S i 多層膜がコートされている。 M o層は、詳細には M o層と R u層が交互に積層して形成し、多層膜の内部応力 3 0 M P a 以下としたものを用いる。

露光時はマスク 2およびウェハ 4 はそれぞれマスクステージ 3 およびウェハステージ 5 により走査される。ウェハの走査速度は、常にマスクの走查速度の 1 / 4 となるように、同期している。その結果、マスク上のパターンをウェハ上に 1 / 4 に縮小して転写することができる。ウェハマーク位置検出機構 6 は、前述の特殊な光学顕微鏡を用いることができる。ウェハ上のマークの拡大像を C C Dで撮像し、画像処理によってウェハの^置を検出する。

ウェハマーク位置検出機構 6 の検出中心は、図 3 に示すように X軸上の点 3.5 a の位置に配置する。つまり、この位置のマ一クの像を観察できるように、ウェハマーク位置検出機構を配置する。この際、露光視野の中心点 3 6 と検出中心 3 5 a の間隔であるベースライン（図 3 の B L ) が極力小さくなるように、ウェハマーク位置検出機構 6 を配置する。ウェハマーク位置検出機構 6 はベース部材 8 に固定されている。ベース部材 8は除振台 9 の上に配置して、 X線投影光学系およびウェハマーク位置検出機構に振動が伝わり難いようになっている。ベース部材にマスクステージ 3、ウェハステージ 5等からの振動が伝わらないように、真空チャンバ 7 とベース部材 8 との間にべローズ等の緩衝部材 1 0 を挟んだ構造となっている。以上のような構成とすることで、 X鵜投影光学系 1 とウェハマーク位置検出機構 6 の位置関係がほぼ一定に保たれる。以上の機構により、ウェハのマークの位置を 1 0 n m以下の髙精度で検出することも可能になる。また、ベースラインも 1 0 n m以下の安定性を得ることも可能となる。本発明による露光装置は、この検出結果に基づいて露光パターンをウェハ表面に形成された回路パターンに高精度に重ね合わせて露光し、最小サイズ 0 . 0 Ί μ πιのレジストパターンを、所望の領域であるウェハ上の半導体チップ 1個分の領域全面に、所望の形状で得ることができる。さらに、高い歩留まりかつ高いスループットでデバイスを作製することができる。

上述の実施の形態の X線投影露光装置を用いて、レジストを塗布したウェハに露光を行う例について説明する。

露光する際は、あらかじめウェハ表面の複数のマークをマーク位置検出機構で検出して、マークの間隔を測定する。そして、測定値と設計値との差から、露光に最適な倍率捕正量を算出する。そして、マスクおよびウェハをそれぞれ X線投影光学系の光軸方向に移動させて、投影倍率を補正する。

次に、露光視野中心と検出中心の距離であるベースラインを測定する。 1フさらに、ウェハ表面およびマスク表面のマークをウェハマーク位置検出機構およびマスクマーク位置検出機構で検出する。そして、すでに測定したベースラインの値に基づいて、投影パターンがウェハ表面にすでに形成された回路パターンに所望の重ね合わせ精度以下で形成されるように、ウェハステージおよびマスクステージを駆動してウェハ位置を調整する。

以上の露光方法により、最小サイズ 0 . 0 7 μ πιのレジストパターンを、所望の領域であるウェハ上の半導体チップ 1個分の領域全面に、所望の形状で得ることも可能となる。このときの重ね合わせ精度は 1 0 η m以下が期待できる。

上述の例の X線投影露光装置を用いて、上述の例の露光方法によって半導体デバイスを作製する方法について説明する。

デパイスは、例えば 1 6 G B (ギガバイト）の D R A Mとする。本デバイスは、 2 2層の回路が形成されており、その内の 1 5層を本発明による X線投影露光装置で露光する。残りの 7層は、最小パターンサイズが 0 . 1 5 /x m以上なので、エキシマレーザー露光装置で露光する。各露光の間にはレジスト塗布、ドーピング、アニーリング、エッチング、デポジション等の処理を行い、デバイス回路を作製する。そして、最後に、シリコンウェハを切断してチップ状に分割し、各チップをセラミツク製のパッケージに梱包する。

以上のように作製した半導体デバイスは、 1 6 G B という大容量を有しつつ、所望の電気特性を示すものとできる。産業上の利用可能性

以上の如く、本発明の X線投影露光装置によれば、ベ一スラインを安定に保つことができる。その結果、変形量の大きなプロセスウェハに対しても、高い重ね合わせ精度かつ高いスループットで露光を行うことができる。

Claims

請求の範囲

1 . X線源と、

該 X線源から発生する X線を所定のパターンを有するマスク上に照射する X線照明光学系と、

該マスクを保持するマスクステージと、

該マスクからの X線を受けて該パターンの像をレジストを塗布したゥェハ上に投影する X線投影光学.系と、

該ウェハを保持するウェハステージと、

該ウェハまたは該ウェハステージに形成されたマークの位置を検出するマーク位置検出機構と、を備え、

前記 X線投影光学系の露光視野が該光学系の中心軸から離れた位置にある X線投影露光装置であって、

前記マーク位置検出機構の検出中心が、前記 X線投影光学系の中心軸に対して、前記露光視野の側にあることを特徴とする X線投影露光装置。

2 . X線源と、

該マスクを保持するマスクステージと、

該マスクからの X線を受けて該パタ一ンの像をレジストを塗布したゥェハ上に投影する X線投影光学系と、

該ウエノ、を保持するウェハステージと、

前記 X線投影光学系の露光視野が該光学系の中心軸から離れた位置にある X線投影露光装置であって、前記 X線投影光学系の像面上で、該光学系の中心軸と該像面の交点を原点にし、露光視野の中心が X軸上で X < 0 の位置になるような X y座標系を定めた場合に、該マーク位置検出機構の検出中心が X ≤ 0 の領域にあることを特徴とする X線投影露光装置。

3 . 前記検出中心を前記 X軸上、あるいは前記 X線投影光学系の露光視野の中心点を通り該 X軸に直交する直線上に配置したことを特徴とする請求項 2に記載の X線投影露光装置。

4 . 前記マーク位置検出機構は、前記マークに可視光、赤外光あるいは紫外光を照射して、その反射光、散乱光あるいは回折光を検出することを特徴とする請求項 1 又は 2 に記載の X線投影露光装置。

5 . 前記マーク位置検出機構は、光学系で構成し、該光学系は光路の媒体の屈折率変化による焦点位置の変化を捕正する機能を有することを特徴とする請求項 1 又は 2 に記載の X線投影露光装置。

6 . X線源から発生する X線を所定のパターンを有するマスク上に照射し、

該マスクをマスクステージに保持し、

該マスクのパターンの像をレジストを塗布したウェハ上に投影し、該ウェハをウェハステージに保持し、

該ウェハまたは該ウェハステージに形成された'マークの位置をマーク位置検出機構を用いて検出し、

前記 X線投影光学系の露光視野を該光学系の中心軸から離れた位置に置き、

前記 X線投影光学系の像面上で、該光学系の中心軸と該像面の交点を原点にし、露光視野の中心が X軸上で X < 0 の位置になるような X y座檩系を定めた場合に、該マーク位置検出機構の検出中心を x ≤ 0 の領域に配置し、前記マ一ク位置検出機構の検出信号に基づいて、前記ウェハステージを駆動して、前記ウェハの所望の位置に前記マスクに形成された回路パターンの投影像を形成することを特徴とする X線投影露光方法。

7 . 前記 X y座標系の原点と前記 X線投影光学系の露光視野の中心点との間隔の測定を行い、その値に基づいて前記ウェハステージの駆動量を決定することを特徴とする請求項 6 に記載の X線投影露光方法。

8 . 請求項 6又は 7 に記載の X線投影露光方法により露光を行なって作製したことを特徴とする半導体デバイス。