(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形光源より発した光を照明光学系を介してマスクに照射し、前記マスク上のパターンを投影光学系を介して被露光基板上へ投影露光する際に投影光学系で用いられる瞳フィルタであって、
中心部が半透明部から成り、前記半透明部に隣接して前記半透明部の外側に輪帯状の遮光部を有し、前記遮光部の外側が透明部であることを特徴とする瞳フィルタ。
【請求項２】
半透明部の透過率が５〜２０％、半透明部の半径が瞳半径の０．２〜０．５倍、輪帯状遮光部の外側の半径が瞳半径の０．５〜０．８５倍である請求項１記載の瞳フィルタ。
【請求項３】
半透明部の半径Ｒ１と、輪帯状遮光部の外側の半径Ｒ２と瞳半径ＮＡとの関係が、Ｒ１：Ｒ２：ＮＡ≒１：２：３である請求項１又は２記載の瞳フィルタ。
【請求項４】
円形光源より発した光を照明光学系を介してマスクに照射し、前記マスク上のパターンを投影光学系を介して被露光基板上へ投影露光するパターン形成方法であって、
明るい視野中に孤立した暗い不透光パターンが存在するポジ型孤立パターンを被露光基板に投影露光するに当たり、中心部が半透明部から成り、前記半透明部に隣接して前記半透明部の外側に輪帯状の遮光部を有し、前記遮光部の外側が透明部である瞳フィルタを瞳面に設けた投影光学系により投影露光することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項５】
瞳フィルタの半透明部の透過率が５〜２０％、半透明部の半径が瞳半径の０．２〜０．５倍、輪帯状遮光部の外側の半径が瞳半径の０．５〜０．８５倍である請求項４記載のパターン形成方法。
【請求項６】
瞳フィルタの半透明部の半径Ｒ１と、輪帯状遮光部の外側の半径Ｒ２と瞳半径ＮＡとの関係が、Ｒ１：Ｒ２：ＮＡ≒１：２：３である請求項４又は５記載のパターン形成方法。
【請求項７】
光源のコヒーレント係数σが瞳フィルタの半透明部の半径と同じ或いはほぼ同じかそれ以下である請求項４〜６の何れかに記載のパターン形成方法。
【請求項８】
明るい視野中に孤立した暗い不透光パターンが存在するポジ型孤立パターンが形成されたマスクを円形光源より発した光を用いて照明する照明光学系と、前記マスク上のパターンの像を被露光基板に投影露光する投影光学系とを有する投影露光装置であって、
前記投影光学系の瞳面に、中心部が半透明部から成り、前記半透明部に隣接して前記半透明部の外側に輪帯状の遮光部を有し、前記遮光部の外側が透明部である瞳フィルタを設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項９】
瞳フィルタの半透明部の透過率が５〜２０％、半透明部の半径が瞳半径の０．２〜０．５倍、輪帯状遮光部の外側の半径が瞳半径の０．５〜０．８５倍である請求項８記載の投影露光装置。
【請求項１０】
瞳フィルタの半透明部の半径Ｒ１と、輪帯状遮光部の外側の半径Ｒ２と瞳半径ＮＡとの関係が、Ｒ１：Ｒ２：ＮＡ≒１：２：３である請求項８又は９記載の投影露光装置。
【請求項１１】
光源のコヒーレント係数σが瞳フィルタの半透明部の半径と同じ或いはほぼ同じかそれ以下である請求項８〜１０の何れかに記載の投影露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩ等、各種固体素子の微細パターンを形成するためのパターン形成方法、及び、これに用いられる瞳フィルタ並びに投影露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の固体素子の集積度及び動作速度を向上するため、回路パターンの微細化が進んでいる。これら微細パターンの形成には、量産性と解像性能に優れた縮小投影露光法が広く用いられている。
【０００３】
この縮小投影露光法で用いる従来の縮小投影露光装置を図９に示す。図において、１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）、２はコンデンサレンズ等の照明光学系、３は任意の形状のパターンが描かれたマスク、４は投影レンズ等の縮小投影光学系、６は表面にフォトレジストが塗布された半導体基板（被露光基板）である。
【０００４】
この縮小投影露光装置においては、光源１から発せられた露光光を、コンデンサレンズ２を介してマスク３に照射し、マスク３上のパターンを、縮小投影レンズ４を介して半導体基板６上に投影・露光することによりフォトレジストにパターンを転写・形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、投影露光光学系の限界解像度δは下記（１）式（レイリーの式）で表される。
δ＝ｋ１・λ／ＮＡ          （１）
ここで、ｋ１は被露光基板に付する感光性材料の特性、厚さ、現像条件、照明光のコヒーレンス度や形状等、プロセスに依存する定数で、ｋ１＝０．６程度が一般的ある。λは露光光の波長、ＮＡは投影光学系の開口数である。
【０００６】
（１）式からわかるように、限界解像度δは露光波長λに比例し、投影レンズ（投影光学系）の開口数ＮＡに反比例するため、従来から露光波長の短波長化と投影光学系の高ＮＡ化により限界解像度の向上が図られてきた。しかし、現在ではパターン寸法が露光波長より小さいところまで微細化が進み、短波長化、高ＮＡ化による解像度の向上が困難となってきた。このため、短波長化、高ＮＡ化に加えて、更に解像度を向上する手法、所謂、超解像手法の導入が必須となっている。
【０００７】
短波長化、高ＮＡ化以外に解像度を向上する手法の一つに、例えば、レチクル（マスク）を斜めから照明する変形照明方法がある。この変形照明方法は、密集パターン（周期パターン）の限界解像度および焦点深度を大きく向上させる。また、レチクル半透明部の透過光の位相をレチクル開口部の透過光の位相に対して反転させるハーフトーン位相シフトマスクを用いて露光する方法がある。この方法は、エッジ強調効果とデフォーカス収差補償効果によって、孤立コンタクトホールパターンの限界解像度および焦点深度を大きく向上させる。
【０００８】
しかし、図１０から分るように、孤立した遮光パターン、例えば図８（（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図）に示すポジ型孤立ラインパターン（透光性の基板７０中に孤立して存在するライン状の不透光（遮光）パターン７１）に対しては、上記の何れの超解像手法も原理的に効果が小さく、効果的に限界解像度を向上させる手法が無いのが現状である。なお、図１０は、ポジ型孤立ラインパターンを従来の方法（図８の投影露光装置）により露光したときの、ポジ型孤立ラインパターン幅とポジ型孤立ラインパターンの光学像コントラストとの関係を示した図である。この時の露光条件は、光源はＫｒＦエキシマレーザ（波長λ＝２４８ｎｍ）で、コヒーレント係数σが０．７５、通常照明、所謂、円形光源とし、投影光学系のＮＡは０．６である。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するもので、明るい視野中に孤立して暗い不透光パターンが存在する孤立した遮光パターン、所謂、ポジ型孤立パターンの解像度を向上させるパターン形成方法及び投影露光装置並びに投影露光装置に用いる瞳フィルタを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の瞳フィルタは、光源を発した光を照明光学系を介してマスクに照射し、前記マスク上のパターンを投影光学系を介して被露光基板上へ投影露光する際に投影光学系で用いられる瞳フィルタであって、中心部が半透明部から成り、前記半透明部に隣接して前記半透明部の外側に輪帯状の遮光部を有し、前記遮光部の外側が透明部であることを特徴としている。ここで、半透明部の半径が瞳半径の０．２〜０．５倍、輪帯状遮光部の外側の半径が瞳半径の０．５〜０．８５倍とすると効果が大きい。さらに望ましくは、半透明部の半径Ｒ１と、輪帯状遮光部の外側の半径Ｒ２と瞳半径ＮＡとの関係が、Ｒ１：Ｒ２：ＮＡ≒１：２：３であるのがよい。半透明部の透過率はできるだけ低い方がよい。しかし、透過率Ｔが低すぎ（例えば透過率１％）ると、バックグラウンドの透過光の情報を表す周波数０成分の減少が大きく、半透明部を設けた意義が薄れるので、半透明部の透過率は５％〜２０％程度とするのが望ましい。
【００１１】
本発明のパターン形成方法は、光源を発した光を照明光学系を介してマスクに照射し、前記マスク上のパターンを投影光学系を介して被露光基板上へ投影露光するパターン形成方法であって、明るい視野中に孤立した暗い不透光パターンが存在するポジ型孤立パターンを投影露光するに当たり、上記の瞳フィルタを瞳面に設けた投影光学系により投影露光することを特徴としている。この時、コヒーレント係数σが瞳フィルタの半透明部の半径と同じ或いはほぼ同じかそれ以下とするのがよい。
【００１２】
本発明の投影露光装置は、明るい視野中に孤立した暗い不透光パターンが存在するポジ型孤立パターンが形成された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被露光基板に投影露光する投影光学系とを有する投影露光装置であって、投影光学系の瞳面に上記の瞳フィルタを設けたことを特徴としている。この時、コヒーレント係数σが瞳フィルタの半透明部の半径と同じ或いはほぼ同じかそれ以下とするのがよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の投影露光装置の概略図を示す。図において、１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）、２はコンデンサレンズ等の照明光学系、３ａはポジ型孤立遮光パターンが描かれたマスク、４は投影レンズ等の投影光学系、５は投影光学系４の瞳面に配置した瞳フィルタ、６は表面にフォトレジストが塗布された半導体基板（被露光基板）である。
【００１４】
この投影露光装置においては、光源１から発せられた露光光を、コンデンサレンズ等の照明光学系２を介してマスク３ａに照射し、マスク３ａ上のパターンを投影光学系４と瞳フィルタ５を介して半導体基板６上に縮小投影・露光することによりフォトレジストにパターンを転写・形成する。
【００１５】
瞳フィルタ５は、図２に示すように、透光部５ｃの中に半透明部５ａと輪帯状の遮光部５ｂの２つの部分を有する。中心部分は半透明部５ａで透過率は５〜２０％、半径Ｒ１は瞳半径（ＮＡ）の０．２〜０．５倍である。半透明部５ａに隣接してその外側部分は遮光部５ｂで、遮光部５ｂの外側半径Ｒ２はＮＡの０．５〜０．８５倍である。さらに望ましくは、Ｒ１：Ｒ２：ＮＡ＝１：２：３程度が良い。この瞳フィルタは、図１に示すように、ポジ型孤立ラインパターンを露光する際に、投影光学系の瞳面に挿入する。この時、コヒーレンス係数σを半透明部の半径Ｒ１とほぼ同じ値又はそれ以下とする。
【００１６】
本発明の解像力向上効果を光学像シミュレーションによって説明する。
【００１７】
シミュレーション条件は、光源はＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）でσ＝０．３の通常照明、所謂、円形光源、投影光学系の瞳半径（ＮＡ）はＮＡ＝０．６である。この条件下で、瞳フィルタを用いないで露光してパターンを形成する従来の方法（σ＝０．７５、通常照明）と、図２の瞳フィルタを用いて露光する本発明の手法（用いた瞳フィルタの各部の数値は、半透明部５ａの半径Ｒ１＝０．３ＮＡ、半透明部５ａの透過率Ｔ＝１０％、輪帯状遮光部５ｂの外側半径Ｒ２＝０．６ＮＡである）における、１２０ｎｍ幅の孤立ラインパターンの光学像の光強度分布を図３に示す。図３から分るように、曲線３１（本発明の方法による光強度分布）は曲線３２（従来の方法による光強度分布）に比べて光強度変化が大きく、パターン外方への広がりが小さい。即ち、本発明は、従来の方法に比べて光学像が非常にシャープになり、像コントラストが向上していることがわかる。このため、本発明は従来よりも限界解像度が大きく向上する。
【００１８】
図４（ａ）〜（ｉ）は、上記条件での従来の方法と本発明による、像コントラストのパターン寸法依存性を、半透明部の半径（Ｒ１）と輪帯遮光部の外側半径（Ｒ２）を種々変えてシミュレートした結果（黒丸（●）が本発明の結果、白丸（○）が従来の方法による結果）を示している。ここで、像コントラストは、パターン中央（図３のＡ点）での光強度Ｉｃ、パターンエッジ（図３のＢ点）での光強度Ｉｅを用いて、（Ｉｅ−Ｉｃ）／Ｉｅで定義される。用いた瞳フィルタの各部の数値は、図４（ａ）は、Ｒ１＝０．３ＮＡ、Ｒ２＝０．６ＮＡ、図４（ｂ）〜（ｅ）は、Ｒ２＝０．７５ＮＡ、Ｒ１は各々０．１ＮＡ、０．３ＮＡ、０．５ＮＡ、０．７ＮＡ、図４（ｆ）〜（ｉ）は、Ｒ１＝０．３５ＮＡ、Ｒ２はそれぞれ０．４ＮＡ、０．６ＮＡ、０．７ＮＡ、０．９ＮＡである。なお、図４（ｂ）は本発明による像コントラストが非常に悪く、表示不可能であるため、本発明の結果が記入されていない。
【００１９】
図４から分るように、解像コントラスト限界を４５％とすると、従来の方法では限界解像度は０．１４５μｍだが、本発明、例えば図４（ａ）の場合においては限界解像度が０．１００μｍと大きく向上する。これはレイリーの式の限界解像度δ＝ｋ１×λ／ＮＡで、ｋ１＝０．２４の超高解像を達成していることになる。
【００２０】
図４（ａ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｇ）、（ｈ）は本発明の結果（黒丸（●））が従来法の結果（白丸（○））よりも上にあり、本発明の方が従来の方法よりも像コントラストが良い。図４（ｅ）、（ｆ）はパターン寸法が大きくなると像コントラストが悪化する。図４（ｂ）、（ｉ）は全面的に本発明の方が像コントラストが劣る。図４の結果に基づき、像コントラストと半透明部の半径Ｒ１、輪帯状遮光部の半径Ｒ２との関連を図５に、像コントラストと半透明部の半径Ｒ１、遮光部の幅Ｗ１（Ｗ１＝Ｒ２−Ｒ１）、透明部の幅Ｗ２（Ｗ２＝ＮＡ−Ｒ２）との関係を図６に示す。図中、「○」は従来の方法よりも像コントラストが向上したもの（例えば、図４（ａ）、（ｃ）のようなもの）、「×」は従来の方法よりも像コントラストが悪化したもの（例えば、図４（ｂ）、（ｉ）のようなもの）を示している。図４（ｅ）、（ｆ）の様なケースは「×」に分類した。図５の対角線右上のハッチングを施した領域は本発明の瞳フィルタが構成し得ない領域である。
【００２１】
図４、５、６によれば、像コントラスト向上のためには瞳フィルタの半透明部半径Ｒ１≒０．２ＮＡ〜０．５ＮＡ、輪帯状遮光部外側半径Ｒ２≒０．５ＮＡ〜０．８５ＮＡとするのがよいことが分る。瞳フィルタの半透明部、遮光部、透明部の何れかの幅（半透明部においては半径Ｒ１）が０．１ＮＡ以下であると像コントラストが従来よりも悪化しているので、各部の幅（半透明部においては半径Ｒ１）は０．１５ＮＡ以上、望ましくは０．２ＮＡ以上とするのがよい。また、半透明部、遮光部、透明部の何れかの幅が極端に狭いとコントラストが悪化する傾向にあり、半透明部、遮光部、透明部の幅がほぼ同じ程度になるよう、各部の幅がバランス良く構成された瞳フィルタは像コントラストが向上している。従って、Ｒ１：Ｒ２：ＮＡ＝１：２：３程度であるのが望ましいことが分る。
【００２２】
図７（ａ）〜（ｈ）に、図３と同じ条件（光源はＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、通常照明（円形光源）、投影光学系の瞳半径ＮＡ＝０．６、瞳フィルタの半透明部の半径Ｒ１＝０．３ＮＡ、半透明部の透過率Ｔ＝１０％、輪帯状遮光部の外側半径Ｒ２＝０．６ＮＡ）の下でコヒーレンス係数σを０．１から０．８まで０．１刻みで変化させたときの像コントラストの変化を示す。図７から分るように、σはＲ１と同じか、又はそれ以下とすると像コントラストが向上する。σがＲ１より大きくなると像コントラストは著しく悪化する。なお、図７（ｅ）、（ｆ）に本発明の結果が記入されていないのは、図７（ｅ）、（ｆ）の条件では像コントラストが非常に悪く、図中に記入することが不可能なためである。
【００２３】
上記実施の形態は孤立ラインの場合について説明したが、本発明は、孤立ラインだけではなく、孤立ドット、孤立アイランドパターン等、ポジ型孤立パターン一般に適用することができる。また、本発明はコンタクトホールパターンにも適用できる。これらの場合においても、上記実施の形態同様、限界解像度を効果的に向上させることができる。
【００２４】
【発明の効果】
レチクル面（マスク面）からウェハ面へのパターン情報伝達において、パターンが微細になるほど、投影光学系の瞳面（フーリエ変換面）上で外周部に位置する高周波回折光の寄与が大きくなる。低周波成分に対してこれを強調するほど、空間像のコントラストは高くなり、限界解像度は向上する。従って、瞳中心域に遮光部を設けると、この遮光部が低周波成分をカットする役割を果たして限界解像度が向上する。ただし、ポジ型孤立ラインの場合、バックグラウンドの透過光の情報を表す周波数０成分の伝達は必須であるので、瞳中心部を完全に遮光するのではなく、瞳中心域の遮光部中心に半透明部を設けて周波数０成分を１０％程度に減衰させた上でウェハ面に伝達する。このようにして、効果的に低周波成分をカットして、高周波成分を強調することによって限界解像度を向上させることができる。
【００２５】
本発明は投影光学系の瞳面に設ける瞳フィルタを、中心部が半透明部で、この半透明部に隣接して半透明部の外側に輪帯状の遮光部を有し、遮光部の外側が透明部である構成として上記作用・効果を実現している。即ち、輪帯状の遮光部が低周波成分をカットする役割を果たし、中心部の半透明部がバックグラウンドの透過光の情報を表す周波数０成分を減衰して伝達する役割を果たす。この瞳フィルタを投影光学系の瞳面に設置することで、低周波成分をカットし、高周波成分を強調することができ、限界解像度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明の投影露光装置の概略図。
【図２】    本発明の瞳フィルタの平面図。
【図３】    孤立ラインパターンの光学像の光強度分布を示す図。
【図４】    従来の方法及び本発明による像コントラストのパターン寸法依存性を示す図。
【図５】    像コントラストと瞳フィルタの半透明部半径Ｒ１及び輪帯状遮光部外側半径Ｒ２との関係を示す図。
【図６】    像コントラストと瞳フィルタの半透明部半径Ｒ１、輪帯状遮光部の幅、透明部の幅との関係を示す図。
【図７】    本発明による像コントラストのパターン寸法依存性とコヒーレンス係数σとの関係を示す図。
【図８】    ポジ型孤立パターンの一例を示す図。
【図９】    従来の投影露光装置の概略図。
【図１０】    瞳フィルタのない、従来の方法による像コントラストのパターン寸法依存性を示す図。
【符号の説明】
１    光源
２    照明光学系
３    マスク
３ａ    マスク
４    投影光学系
５    瞳フィルタ
５ａ    半透明部
５ｂ    遮光部
５ｃ    透光部
６    半導体基板
３１    光強度分布曲線
３２    光強度分布曲線
７０    透光性基板
７１    遮光パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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