JP4612849B2 - 露光方法、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、露光に関し、特に、ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体チップ、液晶パネルなどの表示素子、磁気ヘッドなどの検出素子、ＣＣＤなどの撮像素子といった各種デバイス、マイクロメカニクスで用いるマスク及びその製造方法、露光方法及び装置に関する。ここで、マイクロメカニクスは半導体集積回路製造技術を微細構造体の製作に応用し、高度な機能を持ったミクロン単位の機械システムやそれを作る技術をいう。本発明の露光方法及び装置は、例えば、投影光学系の最終面と被露光体の表面とを液体に浸漬し、投影光学系及び液体を介して被露光体に露光するいわゆる液浸露光に好適である。

マスク（レチクル）に描画された回路パターンを投影光学系によってウェハ等に露光する投影露光装置は従来から使用されており、高解像度な露光装置が益々要求されている。高解像度を達成する手段として投影光学系の開口数（ＮＡ）を増加することが知られている。

しかし、高ＮＡ化が進むにつれ、結像性能への光の偏光の影響が無視できなくなる。光のウェハへの入射角が大きいほど、光の偏光方向による結像性能に差を生じてしまうためである。光の偏光による結像性能への影響は、２光束の角度が大きくなるため３光束干渉より２光束干渉への方がはるかに大きい。特に、近年提案されている液浸露光においては、光の偏光方向によってまったく結像しなくなる条件が存在するという問題も生じる。

このため、露光光の偏光制御を行う試みがなされている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１ではラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）パターンにおける偏光制御を検討している。Ｌ／Ｓパターンに最適な偏光照明はそのままコンタクトホールパターンに適用可能というわけではないため、コンタクトホール用の偏光照明に関しても研究が行われている（例えば、非特許文献２及び３参照）。
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｖｏｌｕｍ ５３７７ （２００４） ｐｐ．６８ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｖｏｌｕｍ ５０４０ （２００３） ｐｐ．１３５２ ２００４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＭＮＣ２００４）で２００４年１０月２７日に発表番号２７Ａ−３−２で発表された論文（発表題目：「Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｐｒｏｂｌｅｍ Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｈｏｌｅ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｈｙｐｅｒ ＮＡ Ｅｒａ」）

Ｌ／Ｓパターンについては、非特許文献１に記載されている通り、Ｓ偏光、もしくは、有効光源の接線方向に偏光されている接線方向偏光がパターンの解像に適している。一方、コンタクトホールパターンについては、非特許文献２は、デンスコンタクトホールパターンには有効光源で動径方向に偏光している動径方向偏光が効果的であると述べている。また、非特許文献３は、現時点でデンスコンタクトホールに効果的な偏光照明は見つかっていないと述べている。更に、コンタクトホールには、コンタクトホールが密集しているいわゆるデンスコンタクトホール、コンタクトホールが光学的に孤立している（又は周期性のない）孤立コンタクトホール、デンスコンタクトホールと孤立コンタクトホールの中間のコンタクトホールを含み、コンタクトホールパターンはこれらのうち一種類又は複数種類を含む。

本発明は、コンタクトホールパターンに適した偏光照明条件を与える露光方法及び装置を提供する。

本発明の一側面としての露光方法は、光源からの光を用いて、投影光学系を介して基板を露光する露光方法において、マスクに形成されたコンタクトホールパターン及び補助パターンの周期に応じて、前記光源からの光の偏光状態を設定する設定ステップと、前記コンタクトホールパターンが解像され、且つ、前記補助パターンの解像が抑制されるように、前記設定ステップにおいて偏光状態が設定された光で前記マスクを照明するステップとを有し、前記設定ステップにおいて、λを前記光の波長、ＮＡを前記投影光学系の像側の開口数とすると、前記コンタクトホールパターン及び補助パターンのうち隣り合うパターンの中心間隔の半分の長さをλ／ＮＡで規格化した値を０．２５×√２と比較した結果に基づいて前記偏光状態を設定することを特徴とする。

本発明の別の側面としての露光方法は、光源からの光を用いて、投影光学系を介して基板を露光する露光方法において、マスクに形成されたコンタクトホールパターン及び補助パターンの周期に応じて、前記光源からの光の偏光状態を設定する設定ステップと、前記コンタクトホールパターンが解像され、且つ、前記補助パターンの解像が抑制されるように、前記設定ステップにおいて偏光状態が設定された光で前記マスクを照明するステップとを有し、前記設定ステップにおいて、λを前記光の波長、ＮＡを前記投影光学系の像側の開口数とすると、直交する２方向のうち縦方向における前記コンタクトホールパターン及び補助パターンのうち隣り合うパターンの中心間隔をλ／ＮＡで規格化した値の２乗の逆数と横方向における前記コンタクトホールパターン及び補助パターンのうち隣り合うパターンの中心間隔をλ／ＮＡで規格化した値の２乗の逆数との和を１６と比較した結果に基づいて前記偏光状態を設定することを特徴とする。

本発明の別の側面としての露光装置は、光源からの光を用いて基板を露光する露光装置において、前記光源からの光を用いて、コンタクトホールパターン及び補助パターンを有する前記マスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターンを像を基板に投影する投影光学系と、前記マスクに形成された前記コンタクトホールパターン及び補助パターンの周期に応じて、前記光源からの光の偏光状態を設定するユニットと、前記ユニットは、λを前記光の波長、ＮＡを前記投影光学系の像側の開口数とすると、前記コンタクトホールパターン及び補助パターンのうち隣り合うパターンの中心間隔の半分の長さをλ／ＮＡで規格化した値を０．２５×√２と比較した結果に基づいて前記偏光状態を設定することを特徴とする。

本発明の別の側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光装置を用いて基板を露光するステップと、露光された前記基板を現像するステップとを有することを特徴とする。上述の露光装置の作用と同様の作用を奏するデバイス製造方法の請求項は、中間及び最終結果物であるデバイス自体にもその効力が及ぶ。また、かかるデバイスは例えば、ＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体チップ、ＣＣＤ、ＬＣＤ、磁気センサー、薄膜磁気ヘッドなどを含む。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、コンタクトホールパターンに適した偏光照明条件を与える露光方法及び装置を提供することができる。

露光装置の露光光の波長をλとし、投影光学系の像側開口数をＮＡとする。照明光学系よりマスク面に入射する光束がなす開口数と投影光学系の物体側開口数の比をσとする。σは露光装置の照明光学系で様々な部材により可変であるが、一般的な露光装置においては最大σが１より小さいが、ほぼ１である装置が開発されている。

さて、露光装置では様々なＮＡとλを取りうるため、パターンサイズを（λ／ＮＡ）で規格化すると都合がよい。例えば、λが２４８ｎｍでＮＡが０．７３のとき、１００ｎｍを上述のように規格化すると０．２９となる。このような規格化を本明細書ではｋ１換算と呼ぶことにする。ｋ１換算された値が小さければ小さいほど露光は困難になる。

コンタクトホールには、上述のように、デンスコンタクトホール、孤立コンタクトホール、これらの中間のコンタクトホール（かかるコンタクトホールを後述するように「中間周期を有するコンタクトホール」と呼ぶ）があり、コンタクトホールパターンはこれらのうち一種類又は複数種類を含む。まず、マスクパターンがデンスコンタクトホールのみを含む場合について検討する。

まず、デンスコンタクトホールを露光することを考える。デンスコンタクトホールパターンとはコンタクトホールが密集（大まかにはホール径とホール間隔が１：１から１：３くらいまでを密集しているという）して配置されているパターンであり、例えば、図２に模式的に示すように、コンタクトホール２１が縦横方向に周期ｐで配置されている。ここで、マスクとしてバイナリーマスクとハーフトーンマスクについて考える。バイナリーマスクは、透光部と遮光部からなるマスクであり、図２であれば、透光部は２１、遮光部は２４に相当する。ハーフトーンマスクは、バイナリーマスクの遮光部が光減衰部になり、かつ、透光部に対して略１８０度の位相差を与えるマスクである。図２であれば、透光部は２１で光減衰部は２４に相当する。光減衰部を透過した光は透光部を透過した光に比べて４％から２５％の範囲に減衰していれば足りる。縦横方向にしかパターンが無い場合、図３に示すように、パターンの周期に応じて瞳面上に碁盤の目状に回折光３２が現れる。瞳３１の中心に現れる回折光を（０，０）次回折光とよび、ｘ方向にｎ番目、ｙ方向にｍ番目（ただし、ｎとｍは整数）に現れる回折光に（ｎ，ｍ）次回折光と名前をつける。また、マスクの種類、もしくは、パターンの配置によっては（ｎ，ｍ）次回折光と（ｎ，ｍ±１）次回折光の間に回折光が発生する。これらの回折光を本明細書では（ｎ，ｍ±１／２）次回折光と呼ぶ。同様に、（ｎ，ｍ）次回折光と（ｎ±１，ｍ）次回折光の間に発生する回折光は、（ｎ±１／２，ｍ）次回折光と呼ぶ。

露光装置の最大σを１とし、デンスコンタクトホールパターンの周期ｐの半分（半ピッチ）をｋ１換算したとき０．２５×√２よりも大きい場合には瞳内に少なくとも４つ以上の回折光を取り込むことができる。このとき、接線方向偏光の軸外照明であれば、瞳面での回折光分布と偏光状態は、例えば、図４（ａ）に示すようになる。即ち、瞳３１には（０，０）次回折光、（１，０）次回折光、（０，１）次回折光、（１，１）次回折光の４種類の回折光が取り込まれ、それぞれの回折光の偏光方向は図中矢印で示すようになる。前述の偏光と干渉を考慮すれば、（０，０）次回折光と（１，１）次回折光は十分干渉するが、（１，０）次回折光と（０，１）次回折光はあまり干渉しない。対して、動径方向偏光の軸外照明であれば、瞳３１に取り込まれる回折光と偏光の様子は図４（ｂ）に示すようになり、（１，０）次回折光と（０，１）次回折光が干渉するが、（０，０）次回折光と（１，１）次回折光は干渉しない。つまり、接線方向偏光の軸外照明の場合には、（０，０）次回折光が結像に大きく関与し、動径方向偏光の軸外照明の場合には、（０，０）次回折光が結像にあまり関与しない。

上記のような干渉を考慮して、デンスコンタクトホールパターンの半ピッチをｋ１換算したとき０．２５×√２より大きくし、バイナリーマスクを軸外照明することとした場合、接線方向偏光照明と動径方向偏光照明では結像性能にほとんど差がないことが予想される。（０，０）次回折光と（１，１）次回折光の強度差が大きいため、若干接線方向偏光照明の方がコントラストが多少悪くなる。

同様に、デンスコンタクトホールパターンの半ピッチをｋ１換算したとき０．２５×√２より大きく、ハーフトーンマスクを軸外照明とした場合を考える。（０，０）次回折光の強度がかなり弱められるため、接線方向偏光照明と動径方向偏光照明では、動径方向偏光照明の方が結像性能がよい。

デンスコンタクトホールパターンの半ピッチをｋ１換算したとき０．２５×√２より大きく、マスクがレベンソン型の位相シフトマスクの場合について考える。位相シフトマスクは、縦横方向に互いに隣り合う透光部の位相差が１８０度であるようなマスクである。この場合、（１／２，０）次回折光、（−１／２，０）次回折光、（０，１／２）次回折光、（０，−１／２）次回折光の回折光が必ず瞳に入る。これらの回折光強度は等しいため、接線方向偏光照明と動径方向偏光照明では結像性能に差がでない。この場合は、偏光照明を使っても使わなくてもよい。

次に、露光装置の最大σを１とし、デンスコンタクトホールパターンの半ピッチをｋ１換算したとき０．２５×√２以下の場合を考える。この場合、物理的に瞳内に４種類以上の回折光を取り込むことは不可能で、基本的には２種類の回折光しか瞳に取り込むことができない。

さて、デンスコンタクトホールパターンの半ピッチがｋ１換算したとき０．２５×√２以下で、バイナリーマスクかハーフトーンマスクを軸外照明したとき、接線方向偏光だと、例えば、図５（ａ）に示すように瞳面上での回折光分布と偏光状態が得られる。この場合、（０，０）次回折光と（０，１）次回折光が十分干渉する。照明が動径方向偏光だと、図５（ｂ）に示すような瞳面上での回折光分布と偏光状態が得られ、（０，０）次回折光と（０，１）次回折光はあまり干渉しない。このため、デンスコンタクトホールパターンの半ピッチがｋ１換算したとき０．２５×√２以下で、マスクがバイナリーマスクかハーフトーンマスクのときは接線方向偏光照明を用いればよい。

デンスコンタクトホールパターンの半ピッチがｋ１換算したとき０．２５×√２以下で、位相シフトマスクを軸外照明したとき、動径方向偏光だと、例えば、図６（ａ）に示すように、瞳面上での回折光分布と偏光状態が得られ、像面光強度分布は十分なコントラストを保って干渉する。しかし、接線方向偏光の照明を用いると、例えば、図６（ｂ）に示すように、瞳面上での回折光分布と偏光状態になってしまい、像面光強度は十分なコントラストを得ることができない。即ち、デンスコンタクトホールパターンの半ピッチがｋ１換算したとき０．２５×√２以下で、マスクが位相シフトマスクのときは動径方向偏光照明を用いればよい。

以上をまとめれば、デンスコンタクトホールパターンに対して照明条件を決めるには図７のようなフローチャートに従えばよいことがわかる。図７において、σ_ｍａｘは使用する露光装置の最大σで、ただし、最大σが１以上のときは１とする。

同図に示すように、まず、ｋ１換算された値が０．２５×√２／σ_ｍａｘより大きいかどうか判断する（ステップ１００２）。ステップ１００２で大きいと判断されれば位相シフトマスクを使用するかどうかを判断する（ステップ１００４）。位相シフトマスクを使用すると判断すれば（ステップ１００４）、無偏光若しくは任意の偏光照明を使用する（ステップ１００６）。一方、ステップ１００２でｋ１換算された値が０．２５×√２／σ_ｍａｘ以下であると判断すれば、位相シフトマスクを使用するかどうかを判断する（ステップ１００８）。ステップ１００４で位相シフトマスクを使用しないと判断した場合若しくはステップ１００８で位相シフトマスクを使用すると判断すれば、動径方向偏光照明を使用する（ステップ１０１０）。一方、ステップ１００８で位相シフトマスクを使用しないと判断すれば、接線方向偏光照明を使用する（ステップ１０１２）。

なお、縦方向と横方向の周期が異なる場合は、それらのうち周期の短い方についてｋ１換算した値に基づいて図７のフローチャートを適用すればよい。なぜなら、周期が小さければ小さいほど偏光の影響を受けやすいため、周期の小さいほうを優先すべきだからである。ここでいう周期とは、図２のようなマスクの場合にはデンスコンタクトホールパターンの周期をいい、図１０（ｂ），（ｄ）のようなマスクの場合には後述のように所望パターンと補助パターン（ダミーパターン）を含めたパターンの周期をいう。なお、より厳密に図７のフローチャートを適用したい場合には、縦方向と横方向の周期が異なる場合、縦方向の周期をｋ１換算した値の２乗の逆数と横方向の周期をｋ１換算した値の２乗の逆数を足した値が１６より大きい場合と１６以下の場合とで場合わけをする必要がある。縦方向の周期をｋ１換算した値の２乗の逆数と横方向の周期をｋ１換算した値の２乗の逆数を足した値が１６より大きいというように、図７のステップ１００２の条件を変えればよく、そのほうが好ましい。

露光装置として、波長が約１９３ｎｍ、投影光学系のＮＡが０．９２、最大σが１を考える。ホール径が８５ｎｍで、ホール間隔が８５ｎｍのデンスコンタクトホールパターンを考える。有効光源形状は図８（ａ）に示すように水平方向（パターンの周期方向）となす角が±４５度方向に光照射部（明るい部分）を持つ四重極照明にし、各光照射部８１の中心は中心からσに換算して０．８５離れており、各光照射部８１の直径はσに換算して０．２０とする。

マスクをバイナリーマスクとしたとき、デフォーカス量とホール径（ＣＤとも言う）の関係（フォーカス特性ともいう）を図９（ａ）に示す。図９（ａ）において、１０ｎｍバイアスとは、ホール径を９５ｎｍ、ホール間隔を７５ｎｍに調整したものであるが、像面光強度分布におけるスライスレベルを調節することによって、露光後のホール径が８５ｎｍになる。前述の通り、バイナリーマスクだと接線方向偏光と動径方向偏光でほとんどデフォーカス特性に差がなく、動径方向偏光の方が若干特性がよいことがわかった。

続いて、マスクを光減衰部の強度透過率を６％としたハーフトーンマスクにしたときのデフォーカス特性を図９（ｂ）に示す。前述の通り、動径方向偏光の方が接線方向偏光よりフォーカス特性が良い。

なお、図９では、１０ｎｍバイアスを入れたときと入れないときでは結像性能にほとんど差はないが、実際は、１０ｎｍバイアスを入れたときのほうが像面上での光量が多いためスループットの面で有利になる。

本実施例は図７のフローチャートの有効性を証明している。なお、本実施例では有効光源形状として図８（ａ）に示すような四重極照明を用いたが、基本的には中心部が暗い有効光源であることが好ましい。例えば、図８（ｂ）に示すような輪帯照明や図８（ｃ）に示すように中心にパターンの周期方向とその周期方向と垂直な方向とに延びた十字型の遮光部（暗い部分）を持つような照明でコンタクトホールを露光するときにも本実施例の考え方が当てはまる。同様に、図８（ｄ）に示すように水平方向（パターンの周期方向）に対して０度と９０度方向に光照射部を持つような十字斜入射照明や図８（ｅ）に示すように２箇所の光照射部を持つ二重極照明でも同様に本実施例の考え方が当てはまる。また、四重極照明と十字斜入射照明は光照射部が隔離して４箇所あることが前提であり、光照射部の形状は問わない。例えば、輪帯照明を有効光源中心からある広がり角度で４箇所を切り出したような形状を持つ有効光源も四重極照明、もしくは、十字斜入射照明である。同様に、二重極照明も光照射部が隔離して２箇所あることが前提であるため、光照射部の形状は問わない。

前述までに、デンスコンタクトホールパターンに最適な偏光照明をマスクの種類と半ピッチの大きさから考察してきた。しかるに、実際のコンタクトホールマスクにはデンスコンタクトホールパターンのみならず、孤立コンタクトホールパターンが存在する。ここで、孤立コンタクトホールとは、ホール径とホール間隔が１：７以上の場合は光学的に十分孤立とみなすことができる。ホール径とホール間隔が１：３までを密集としたので、１：３から１：７までは本明細書中では中間周期と呼ぶことにする。従来から、孤立コンタクトホールには小σ照明が、デンスコンタクトホールパターンには軸外照明が良いとされてきた。この慣例から理解される通り、孤立コンタクトホールとデンスコンタクトホールでは照明条件が異なる。これは、孤立コンタクトホールの回折光はホール径が小さくなると、瞳中心に比べて瞳周辺でなだらかに強度が低下するような中心対称の分布を瞳面内で示すからであり、デンスコンタクトホールの回折光分布とは全く異なったものになるからである。このため、孤立コンタクトホールに対する偏光の影響を直感的に理解するのは難しく、孤立コンタクトホールに対する偏光照明の解は知られていない。

一方、孤立コンタクトホールパターンを露光するときに、マスク上の孤立コンタクトホールパターンの周辺に解像しないくらいの大きさの補助パターン（ダミーパターン）を入れるという手法がある（詳しくは、特開２００３−２３４２８５号公報参照。）。補助パターンが光学的近接効果で影響しあい、所望パターンの結像特性を向上させることが知られている。

本発明者は、孤立コンタクトホールパターンの周辺に解像しないくらいの大きさの補助パターンを入れたとき、瞳面上の回折光分布がデンスコンタクトホールパターンの回折光分布を似たようになることを突き止めた。デンスコンタクトホールパターンの回折光分布から最適な偏光照明を導くことができることは図７のフローチャートで示したとおりである。

例えば、図１０（ａ）のような孤立コンタクトホール２２があったとき、その周りに補助パターン２３を図１０（ｂ）に示すように配置する。補助パターンの所望パターンの中心間隔は所望ホール径の１．８倍から２．２倍の範囲にあるのがよい。補助パターンの大きさは所望パターンの５０％から９０％の範囲にあるのが好ましい。所望パターンと補助パターンの中心間隔をｐとしたとき、半ピッチをｋ１換算して図７のフローチャートに当てはめればよい。

例えば、波長が１９３ｎｍ、投影光学系のＮＡが０．９２、最大σが１を考える。有効光源形状は図８（ａ）に示すように水平方向と成す角が±４５度方向に光照射部を持つ四重極照明にし、各光照射部８１の中心は有効光源の中心からσに換算して０．８５離れており、各光照射部８１の直径はσに換算して０．２０とする。バイナリーマスクを考え、図１０（ａ）において所望パターンホール径８５ｎｍとして接線方向偏光と動径方向偏光としたときのフォーカス特性と、図１０（ｂ）において所望パターンホール径８５ｎｍ、補助パターンホール径を６０ｎｍ、そして、ｐを１７０ｎｍとして接線方向偏光と動径方向偏光としたときのフォーカス特性の結果を図１１（ａ）に載せる。補助パターンがあるときとないときでは、補助パターンがあるときの方がフォーカス特性が良く、補助パターンがあるときとないときのそれぞれでは動径方向偏光の方が若干フォーカス特性が良い。

光減衰部の強度透過率が６％であるようなハーフトーンマスクにおいても同様のフォーカス特性を調べ、図１１（ｂ）のような結果が得られた。ただし、図１１（ｂ）の結果を導くに当たって、所望パターンには１０ｎｍのバイアスを入れてある。接線方向偏光照明のときは、補助パターンがあるほうがフォーカス特性がよく、動径方向偏光照明では補助パターンのあるなしでフォーカス特性はほとんど変わらない。ただし、補助パターンが入っているほうが実際には像面にたくさんの光が到達するので、スループットがよくなる。

以上をまとめると、孤立コンタクトホールには周辺に補助パターンをいれ、所望パターンと補助パターンの中心間隔の半分をｋ１換算し、図７のフローチャートに従えばよいことがわかる。こうして、デンスコンタクトホールと孤立コンタクトホールが混在するようなマスクにおいても同一の偏光照明を適用することが可能となる。

孤立コンタクトホールに補助パターンを入れる場合であって、同一マスクにデンスコンタクトホールが混在している場合は、補助パターンの周期をデンスコンタクトホールの周期と同一にしてもよいし、異なるものとしてもよい。補助パターンの周期がデンスコンタクトホールの周期の周期と異なる場合には、図７のステップ１００２において使用する値はデンスコンタクトホールの周期を使用することが好ましい。

孤立コンタクトホールに補助パターンを入れないときは、図１１の結果から動径方向の偏光照明を使用すればよい。孤立コンタクトホールに補助パターンを入れないときは、同一マスクにデンスコンタクトホールが混在している場合は、図７のフローチャートに従い、デンスコンタクトホールに最適な偏光が動径方向偏光になるようにマスクの種類を決定すればよい。

次に、中間周期のコンタクトホールパターンに対しても偏光照明を適用することを考える。例えば、図１０（ｃ）のように縦方向には密集しているが、横方向には中間周期を持つようなコンタクトホールパターンがあるとする。この場合は、中間周期を成すコンタクトホール間に解像しない大きさの補助パターンを入れれば、回折光はデンスパターンのようになるため、図７のフローチャートが適用される。図１０（ｄ）は図１０（ｃ）のマスクに補助パターンを入れたマスクである。図１０（ｄ）の周期ｐに応じて図７のフローチャートが適用される。

なお、実施例１において図８に関して議論は本実施例でもそのまま当てはまる。

以下、図１を参照して、本発明の一実施形態としての露光装置１００について説明する。ここで、図１は、露光装置１００の概略ブロック図である。図１に示すように、露光装置１００は、照明装置１１０と、マスク１３０と、マスクステージ１３２と、投影光学系１４０と、主制御ユニット１５０と、モニタ及び入力装置１５２と、ウェハ１７０と、ウェハステージ１７６と、媒質としての液体１８０とを有する。このように、露光装置１００は、投影光学系１４０の最終面とウェハ１７０が液体１８０に浸漬し、液体１８０を介してマスクパターンをウェハ１７０に露光する液浸露光装置である。露光装置１００は、ステップアンドスキャン方式の投影露光装置（即ち、スキャナー）であるが、ステップアンドリピート方式その他の露光方式を適用してもよい。

照明装置１１０は転写用の回路パターンが形成されたマスク１３０を照明し、光源部と照明光学系とを有する。

光源部は、光源としてのレーザー１１２と、ビーム整形系１１４とを含む。レーザー１１２は、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長約１５７ｎｍのＦ_２エキシマレーザーなどのパルスレーザーからの光を使用することができる。レーザーの種類、個数は限定されず、光源部の種類も限定されない。

ビーム整形系１１４は、例えば、複数のシリンドリカルレンズを備えるビームエクスパンダ等を使用することができ、レーザー１１２からの平行光の断面形状の寸法の縦横比率を所望の値に変換する（例えば、断面形状を長方形から正方形にするなど）ことによりビーム形状を所望のものに成形する。ビーム整形系１１４は、後述するオプティカルインテグレーター１１８を照明するのに必要な大きさと発散角を持つ光束を形成する。

照明光学系は、マスク１３０を照明する光学系であり、本実施形態では、集光光学系１１６と、偏光制御手段１１７と、オプティカルインテグレーター１１８と、開口絞り１２０と、集光レンズ１２２と、折り曲げミラー１２４と、マスキングブレード１２６と、結像レンズ１２８とを含む。照明光学系は、従来の照明、図８（ａ）乃至図（ｅ）に示す変形照明など様々な照明モードも実現することができる。

集光光学系１１６は、複数の光学素子から構成され、オプティカルインテグレーター１１８に所望の形状で効率よく導入する。例えば、集光光学系１１６はズームレンズシステムを含み、オプティカルインテグレーター１１８への入射ビームの形および角度の分配をコントロールする。

集光光学系１１６は、マスク１３０への照明光の露光量を照明毎に変更可能な露光量調整部を含む。露光量調整部は、主制御ユニット１５０によって制御される。露光量モニタを、例えば、オプティカルインテグレーター１１８とマスク１３０の間やその他の場所に置き露光量を計測しその結果をフィードバックすることもできる。

偏光制御手段１１７は、例えば、偏光素子を含み、投影光学系１４０の瞳１４２とほぼ共役な位置に配置される。偏光制御手段１１７は、図４乃至図６で説明したように、瞳１４２に形成される有効光源の所定の領域の偏光状態を制御する。複数種類の偏光素子からなる偏光制御手段１１７が図示しないアクチュエータによって回転可能なターレット上に設けられて主制御ユニット１５０がかかるアクチュエータの駆動を制御してもよい。

オプティカルインテグレーター１１８はマスク１３０に照明される照明光を均一化し、本実施形態では、入射光の角度分布を位置分布に変換して出射するハエの目レンズとして構成される。ハエの目レンズは、その入射面と出射面とがフーリエ変換の関係に維持され、ロッドレンズ（即ち、微小レンズ素子）を多数組み合わせることによって構成されている。但し、オプティカルインテグレーター１１８はハエの目レンズに限定されず、光学ロッド、回折格子、各組が直交するように配置された複数の組のシリンドリカルレンズアレイ板、マイクロレンズアレイなどを含む。

オプティカルインテグレーター１１８の出射面の直後には、形状及び径が固定された開口絞り１２０が設けられている。開口絞り１２０は、投影光学系１４０の瞳１４２に形成される図８（ａ）乃至図８（ｅ）などに示される有効光源とほぼ共役な位置に配置され、開口絞りの１２０の開口形状は投影光学系１４０の瞳面１４２の有効光源形状に相当する。開口絞り１２０は有効光源の形状を制御する。

開口絞り１２０は、照明条件に応じて絞り交換機構（アクチュエータ）１２１によって、開口絞りが光路中に位置するように切り替え可能となっている。アクチュエータ１２１の駆動は、主制御ユニット１５０によって制御される駆動制御ユニット１５１によって制御される。なお、開口絞り１２０は、偏光制御手段１１７と一体に構成されてもよい。

集光レンズ１２２はオプティカルインテグレーター１１８の射出面近傍の２次光源から射出し、開口絞り１２０を透過した複数の光束を集光し、ミラー１２４で反射させて被照斜面としてのマスキングブレード１２６面を均一にケーラー照明によって照明する。

マスキングブレード１２６は複数の可動遮光板より構成され、投影光学系１４０の有効面積に対応するほぼ矩形の任意の開口形状を有している。マスキングブレード１２６の開口部を透過した光束をマスク１３０の照明光として使用する。マスキングブレード１２６は開口幅を自動可変な絞りであり、転写領域を変更できる。また、露光装置１００は、スキャン方向の転写領域を変更可能にする、上述のマスキングブレードと類似した構造のスキャンブレードを更に有してもよい。スキャンブレードも開口幅が自動可変できる絞りであり、マスク１２面と光学的にほぼ共役な位置に設けられる。露光装置１００は、これら二つの可変ブレードを用いることによって露光を行うショットの寸法に合わせて転写領域の寸法を設定することができる。

結像レンズ１２８は、マスキングブレード１２６の開口形状をマスク１３０面上に照射して転写し、マスク１３０面上のパターンを図示しないウエハーチャックに載置したウェハ１７０面上に縮小投影する。

マスク１３０は、転写されるべきコンタクトホールパターンが形成され、マスクステージ１３２に支持及び駆動される。マスク１３０から発せられた回折光は投影光学系１４０を通りウェハ１７０に投影される。マスク１３０とウェハ１７０とは光学的に共役の関係に配置される。露光装置１００はスキャナーであるため、マスク１３０とウェハ１７０を同期走査することによりマスク１３０のパターンをウェハ１７０上に転写する。なお、ステップアンドリピート方式の露光装置（即ち、「ステッパー」）であれば、マスク１３０とウェハ１７０とを静止させた状態で露光を行う。マスク１３０は、バイナリーマスク、ハーフトーンマスク、位相シフトマスクのいずれも使用することができる。

マスクステージ１３２は、マスク１３０を支持して図示しない移動機構に接続されている。マスクステージ１３２及び投影光学系１４０は、例えば、床等に載置されたベースフレームにダンパ等を介して支持されるステージ鏡筒定盤上に設けられる。マスクステージ１３２は、当業界周知のいかなる構成をも適用できる。図示しない移動機構はリニアモータなどで構成され、ＸＹ方向にマスクステージ１３２を駆動することでマスク１３０を移動することができる。露光装置１００は、マスク２００とウェハ１７０を主制御ユニット１５０によって同期した状態で走査する。

投影光学系１４０は、マスク１３０に形成されたパターンを経た回折光をウェハ１７０上に結像する機能を有する。投影光学系３００は、複数のレンズ素子のみからなる光学系、複数のレンズ素子と少なくとも一枚の凹面鏡とを有する光学系（カタディオプトリック光学系）等を使用することができる。

主制御ユニット１５０は、各部の駆動制御を行うが、特に、モニタ及び入力装置１５２の入力装置から入力される情報、照明装置１１０からの情報、図示しないメモリに格納された図７のフローチャートに従うプログラムに基づいて照明制御を行う。より詳細には、主制御ユニット１５０は、マスク１３０に貼付られたバーコードからマスクの種類（バイナリーマスク、ハーフトーンマスク、位相シフトマスク）とコンタクトホールパターンの周期を読み取って図７に示すフローチャートに従って偏光制御手段１１７を制御して適切な偏光状態（即ち、動径方向照明、接線方向照明、無偏光照明、その他の偏光照明）と投影光学系１４０の瞳１４２に形成される有効光源の形状を設定する。もちろん、バーコードを介さずに、オペレータがこの情報を主制御ユニット１５０に直接入力してもよいし、オペレータが図７に示すフローチャートに従って偏光状態を選択、設定してもよい。有効光源形状についても同様である。主制御ユニット１５０による制御情報やその他の情報はモニタ及び入力装置１５２のモニタに表示される
ウェハ１７０は、別の実施形態では液晶基板その他の被露光体に置換される。ウェハ１７０ではフォトレジスト１７２が基板１７４上に塗布されている。

ウェハ１７０はウェハステージ１７６に支持される。ステージ１７６は、当業界で周知のいかなる構成をも適用することができるので、ここでは詳しい構造及び動作の説明は省略する。例えば、ステージ１７６はリニアモータを利用してＸＹ方向にウェハ１７０を移動する。マスク１３０とウェハ１７０は、例えば、同期して走査され、マスクステージ１３２とウェハステージ１７６の位置は、例えば、レーザー干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。ステージ１７６は、例えば、ダンパを介して床等の上に支持されるステージ定盤上に設けられ、マスクステージ１３２及び投影光学系１４０は、例えば、鏡筒定盤は床等に載置されたベースフレーム上にダンパ等を介して支持される図示しない鏡筒定盤上に設けられる。

液体１８０には、露光波長の透過率がよく、投影光学系に汚れを付着させず、レジストプロセスとのマッチングが良い物質が選択される。投影光学系１４０の最終面には液体１８０からの影響を保護するためにコーティングを施す。

露光において、レーザー１１２から発せられた光束は、ビーム整形系１１４によりそのビーム形状が整形された後で、集光光学系１１６を介して、オプティカルインテグレーター１１８に導入される。一方、主制御ユニット１５０は、図７に示すフローチャートに従ってマスクパターンに適した照明条件としての開口形状と偏光状態を、偏光制御手段１１７の図示しないアクチュエータと開口絞り１２０のアクチュエータ１２１を駆動することによって設定する。オプティカルインテグレーター１１８は照明光を均一化し、開口絞り１２０は、図８（ａ）乃至図８（ｅ）に示すような有効光源形状を設定する。かかる照明光は集光レンズ１２２、折り曲げミラー１２４、マスキングブレード１２６、結像レンズ１２８を介してマスク２００を最適な照明条件で照明する。マスク１３０を通過した光束は投影光学系１４０によって、ウェハ１７０上に所定倍率で縮小投影される。

投影光学系１４０のウェハ１７０への最終面は空気よりも屈折率の高い液体１８０に浸漬されているので、投影光学系１４０のＮＡは高くなり、ウェハ１７０に形成される解像度も微細になる。また、偏光制御により、レジスト１７２上にはコントラストの高い像が形成される。これにより、露光装置１００はレジストへのパターン転写を高精度に行って高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。

次に、図１２及び図１３を参照して、上述の露光装置１００を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図１２は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）では、デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターン形成に適したマスクを製作する。ステップ３（ウェハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は、前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィー技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェ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。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。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。

図１３は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１００によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済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うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位なデバイスを製造することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の一側面としての露光装置の概略ブロック図である。 図１に示すマスクに適用可能なデンスコンタクトホールパターンの概略平面図である。 図２に示すマスクがバイナリーマスク又はハーフトーンマスクの場合に、縦横パターンがもたらす瞳面上の回折光の分布を示す模式図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、異なる偏光照明状態で図２に示すマスクを照明し、図２に示すマスクがバイナリーマスク又はハーフトーンマスクの場合に、デンスコンタクトホールパターンの周期が大きい場合に瞳面上の回折光の分布を示す模式図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、異なる偏光照明状態で図２に示すマスクを照明し、図２に示すマスクがバイナリーマスク又はハーフトーンマスクの場合に、デンスコンタクトホールパターンの周期が小さい場合に瞳面上の回折光の分布を示す模式図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、異なる偏光照明状態で図２に示すマスクを照明し、図２に示すマスクが位相シフトマスクの場合に、デンスコンタクトホールパターンの周期が小さい場合に瞳面上の回折光の分布を示す模式図である。 本発明の一側面としての露光方法の偏光状態の設定を説明するためのフローチャートである。 図８（ａ）乃至図８（ｅ）は、図１に示す露光装置に適用可能な有効光源形状の概略平面図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、図７に示す方法の効果を説明するためのグラフである。 図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）は、図１に示すマスクに適用可能なコンタクトホールパターンの模式図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、図７に示す方法の効果を説明するためのグラフである。 デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。 図１２に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

１００ 露光装置
１１０ 照明光学系
１３０ マスク
１１７ 偏光制御手段
１４０ 投影光学系
１８０ 液体

Claims (12)

1. 光源からの光を用いて、投影光学系を介して基板を露光する露光方法において、
   マスクに形成されたコンタクトホールパターン及び補助パターンの周期に応じて、前記光源からの光の偏光状態を設定する設定ステップと、
   前記コンタクトホールパターンが解像され、且つ、前記補助パターンの解像が抑制されるように、前記設定ステップにおいて偏光状態が設定された光で前記マスクを照明するステップとを有し、
   前記設定ステップにおいて、λを前記光の波長、ＮＡを前記投影光学系の像側の開口数とすると、前記コンタクトホールパターン及び補助パターンのうち隣り合うパターンの中心間隔の半分の長さをλ／ＮＡで規格化した値を０．２５×√２と比較した結果に基づいて前記偏光状態を設定することを特徴とする露光方法。
2. 前記中心間隔は、前記補助パターンと、前記補助パターンに隣り合う前記コンタクトホールパターンとの中心間隔であることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
3. 前記コンタクトホールパターンは、孤立コンタクトホール又は中間周期のコンタクトホールパターンを含むことを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
4. 前記コンタクトホールパターンは、孤立コンタクトホールのみからなり、前記中心間隔は前記補助パターンの隣り合うパターンの中心間隔であることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
5. 前記コンタクトホールパターンは、孤立コンタクトホールと、中間周期のコンタクトホールパターン若しくはデンスコンタクトホールパターンとを含み、
   前記中心間隔は前記補助パターンの隣り合うパターンの中心間隔であることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
6. 前記コンタクトホールパターンは、デンスコンタクトホールパターンを含み、前記補助パターンの隣り合うパターンの中心間隔は前記デンスコンタクトホールの中心間隔に等しいことを特徴とする請求項５に記載の露光方法。
7. 前記マスクはバイナリーマスク又はハーフトーンマスクであり、
   前記設定ステップにおいて、
   前記値が０．２５×√２よりも大きい場合には動径方向に偏光した軸外照明を設定し、
   前記値が０．２５×√２以下である場合には接線方向に偏光した軸外照明を設定することを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
8. 前記マスクは位相シフトマスクであり、
   前記設定ステップにおいては、
   前記値が０．２５×√２よりも大きい場合には無偏光照明を設定し、
   前記値が０．２５×√２以下である場合には動径方向に偏光した軸外照明を設定することを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
9. 光源からの光を用いて、投影光学系を介して基板を露光する露光方法において、
   マスクに形成されたコンタクトホールパターン及び補助パターンの周期に応じて、前記光源からの光の偏光状態を設定する設定ステップと、
   前記コンタクトホールパターンが解像され、且つ、前記補助パターンの解像が抑制されるように、前記設定ステップにおいて偏光状態が設定された光で前記マスクを照明するステップとを有し、
   前記設定ステップにおいて、λを前記光の波長、ＮＡを前記投影光学系の像側の開口数とすると、直交する２方向のうち縦方向における前記コンタクトホールパターン及び補助パターンのうち隣り合うパターンの中心間隔をλ／ＮＡで規格化した値の２乗の逆数と横方向における前記コンタクトホールパターン及び補助パターンのうち隣り合うパターンの中心間隔をλ／ＮＡで規格化した値の２乗の逆数との和を１６と比較した結果に基づいて前記偏光状態を設定することを特徴とする露光方法。
10. 光源からの光を用いて基板を露光する露光装置において、
    前記光源からの光を用いて、コンタクトホールパターン及び補助パターンを有する前記マスクを照明する照明光学系と、
    前記マスクのパターンの像を基板に投影する投影光学系と、
    前記マスクに形成された前記コンタクトホールパターン及び前記補助パターンの周期に応じて、前記光源からの光の偏光状態を設定するユニットと、
    前記ユニットは、λを前記光の波長、ＮＡを前記投影光学系の像側の開口数とすると、前記コンタクトホールパターン及び補助パターンのうち隣り合うパターンの中心間隔の半分の長さをλ／ＮＡで規格化した値を０．２５×√２と比較した結果に基づいて前記偏光状態を設定することを特徴とする露光装置。
11. 前記ユニットは、
    前記マスクがバイナリーマスク又はハーフトーンマスクである場合に、前記周期に対応する第１の値が閾値としての第２の値よりも大きい場合には動径方向に偏光した軸外照明を設定し、前記第１の値が前記第２の値以下である場合には接線方向に偏光した軸外照明を設定し、
    前記マスクが位相シフトマスクである場合に、前記第１の値が前記第２の値よりも大きい場合には無偏光照明を設定し、前記第１の値が前記第２の値以下であれば動径方向に偏光した軸外照明を設定し、
    λを前記光の波長、ＮＡを前記投影光学系の像側の開口数、σ_ｍａｘを前記照明光学系のマスク側の開口数と前記投影光学系の物体側の開口数の比σの最大値又はσが１以上であれば１とすると、前記第１の値は直交する２方向の一方の方向において前記デンスコンタクトホールの隣り合うコンタクトホールの中心間隔の半分の長さをλ／ＮＡで規格化した値であり、前記第２の値は０．２５×√２／σ_ｍａｘであることを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
12. 請求項１０又は１１に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
    前記露光された基板を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。