(57)【要約】集積回路製造用の、投影ステッパのような、マイクロリソグラフィツールがフォトマスクをシェブロン照明システムで照明する光を成形する。このシステムは、シェブロン・アパーチャマスクか回折光学素子を使って光源を四つのシェブロン（１１０ｂ、１２０ｂ、１３０ｂ、１４０ｂ）に成形する。これらのシェブロンは、コンデンサーレンズの円形瞳の角に位置する。これらのシェブロンは、角にある小さい正方形の極でも、環状正方形リングほど大きくてもよい。これらのシェブロンは、従来のフォトマスクのＸおよびＹに向いた形態を照明するために優れた性能をもたらす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハの感光面上に微細間隙形態を形成するためのフォトリソグラフィシステムであって、
半導体ウエハの感光面に転写するパターンで覆われたフォトマスクを照明するための光源、
光源と半導体ウエハの間に配置され、かつ不透明被膜および四つの透明角領域を備えた半透明基板を含むアパーチャマスク、を含み、
各透明角領域が、角に位置する正方形透明領域並びに正方形透明領域から隣接する角の方向に伸びる第１および第２の脚を含むシェブロンを含むフォトリソグラフィシステム。
【請求項２】
請求項１に記載されたフォトリソグラフィシステムにおいて、シェブロンの脚が隣接する角間の距離の長さの半分だけ延びるフォトリソグラフィシステム。
【請求項３】
請求項２に記載されたフォトリソグラフィシステムにおいて、透明シェブロンが不透明な矩形中央領域を囲む矩形の環状透明領域を形成するフォトリソグラフィシステム。
【請求項４】
半導体ウエハの感光面上に微細間隙形態を形成するためのフォトリソグラフィシステムであって、
瞳面および像面を有し、前記瞳面に位置するフォトマスクパターンの像を前記像面に位置する半導体ウエハの感光面上に集束するための対物レンズ系、
光源およびコンデンサレンズを有し、光源の像を前記対物レンズ系の前記瞳面上に集束するための照明システム、
光源とコンデンサレンズとの間に位置し、光源からの光をシェブロン像パターンに成形するための回折光学素子でシステムにして、各シェブロン像パターンが照明システムの瞳面の角に位置しかつ前記角から隣接する角の方向に伸びる第１および第２の脚を有する光学素子、および
回折光学素子システムと半導体ウエハとの間に配置された光学積分器、を含むフォトリソグラフィシステム。
【請求項５】
請求項４に記載されたフォトリソグラフィシステムにおいて、シェブロンの脚が隣接する角の間の距離の長さの半分だけ延びるフォトリソグラフィシステム。
【請求項６】
請求項５に記載されたフォトリソグラフィシステムにおいて、透明シェブロンが不透明な矩形中央領域を囲む矩形の環状透明領域を形成するフォトリソグラフィシステム。
【請求項７】
半導体ウエハの感光面上に微細間隙形態を形成するためのフォトリソグラフィシステムであって、
瞳面および像面を有し、前記瞳面に位置するフォトマスクパターンの像を前記像面に位置する半導体ウエハの感光面上に集束するための対物レンズ系、
光源およびコンデンサレンズを有し、光源の像を対物レンズ系の前記瞳面上に集束するための照明システム、
光源からの光をシェブロン像パターンに成形するための手段にして、各シェブロン像パターンが前記照明システムの瞳面の角に位置し且つ角から隣接する角の方向に伸びる第１および第２の脚を有する手段、を含むフォトリソグラフィシステム。
【請求項８】
請求項７に記載されたフォトリソグラフィシステムにおいて、前記光を成形するための手段が、光源とコンデンサレンズとの間に位置し、上記光源からの光をシェブロン像パターンに成形するための回折光学素子を含み、各シェブロン像パターンが照明システムの瞳面の角に位置し且つ角から隣接する角の方向に伸びる第１および第２脚を有するフォトリソグラフィシステム。
【請求項９】
請求項８に記載されたフォトリソグラフィシステムに於いて、前記光を成形するための手段が、上記光源と上記コンデンサレンズの間に配置され且つ不透明被膜および四つの透明角領域を含むアパーチャマスクを含み、各透明角領域が、上記角に位置する正方形透明領域並びに上記正方形透明領域から隣接する角の方向に伸びる第１および第２脚を含むシェブロンを含むフォトリソグラフィシステム。
【請求項１０】
半導体ウエハの感光面上に微細間隙形態を形成するための方法であって、
光源を設ける工程、
上記光源からの光をシェブロン像パターンに成形し、各シェブロン像パターンがコンデンサレンズの瞳面の角に位置し且つ上記角から隣接する角の方向に伸びる第１および第２脚を有する工程、
上記光源の上記シェブロン像を対物レンズ系の瞳面に配置されたフォトマスク上に集束する工程、
上記フォトマスクパターンの像を対物レンズ系の像面に位置する半導体ウエハの上記感光面上に集束し、フォトマスク上のパターンを半導体ウエハの感光面へ転写するための工程、を含む方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載された方法において、光を成形する工程が光源をシェブロン形像に回折する工程を含む方法。
【請求項１２】
請求項１１の方法において、前記光を成形する工程が光源とコンデンサレンズの間にアパーチャマスクを挿入する工程および上記アパーチャマスク上の不透明被膜に透明なシェブロン開口を設ける工程を含む方法。
【請求項１３】
フォトリソグラフィシステム用アパーチャマスクであって：
透明基板；
上記基板上の不透明被覆；および
各々上記アパーチャマスクの四つの角の一つに位置する四つの透明領域を含むアパーチャマスク。
【請求項１４】
請求項１３のアパーチャマスクに於いて、上記四つの透明領域の各々が矩形透明領域を含むアパーチャマスク。
【請求項１５】
請求項１４のアパーチャマスクに於いて、上記矩形透明領域の各々が正方形透明領域であるアパーチャマスク。
【請求項１６】
請求項１５のアパーチャマスクに於いて、各透明領域が正方形透明領域を含むシェブロンを含み且つ上記正方形透明領域から隣接する角の方向に伸びる第１および第２脚を有するアパーチャマスク。
【請求項１７】
請求項１６に記載されたアパーチャマスクにおいて、全てのシェブロンの脚の長さが同じであるアパーチャマスク。
【請求項１８】
請求項１７に記載されたアパーチャマスクにおいて、シェブロンの脚が隣接する角間の距離の長さの半分だけ延びるアパーチャマスク。
【請求項１９】
請求項１８に記載されたアパーチャマスクにおいて、透明領域が不透明な矩形中央領域を囲む矩形の環状透明領域を形成するアパーチャマスク。
【請求項２０】
フォトリソグラフィシステム用アパーチャマスクであって、
不透明被膜および四つの透明な角領域を含み、
各透明な角領域が、角に位置する正方形透明領域および正方形透明領域から隣接する角の方向に伸びる第１および第２の脚を含むシェブロン、を含むアパーチャマスク。
【請求項２１】
請求項２０に記載されたアパーチャマスクにおいて、シェブロンの脚が隣接する角間の距離の長さの半分だけ延びるアパーチャマスク。
【請求項２２】
請求項２１に記載されたアパーチャマスクにおいて、透明領域が不透明な矩形中央領域を囲む矩形の環状透明領域を形成するアパーチャマスク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願へのクロス・リファレンス）
この出願は、２０００年７月７日に提出した米国特許仮出願第６０／２１６，８８１号の優先権を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、半導体リソグラフィの分野に関し、更に具体的には、結像を改善するためのフォトマスクの照明に関する。
【０００３】
（発明の背景）
光学結像システムを利用する半導体リソグラフィは、多年に亘って実施されている。このプロセスは、電磁スペクトルのＵＶ可視部分内またはそれに近い放射線の投影によるレリーフ像パターンの創成を伴う。光学半導体リソグラフィの初期の方法は、近接プリント技術を利用し、所望のデバイスパターン像のフォトマスクを感光性シリコンウエハの表面近くに保持し、その像を表面に転写した。このアプローチを使うと、縮小光学系がないので、解像度、デバイスサイズ、およびデバイス収率が制限される。ステップアンドリピートまたはステップアンドスキャン光学系を使う近代縮小投影技術は、初期の近接リソグラフィ法が直面する問題の幾つかを最小化し、現在０．１５μｍ以下の解像度を可能にするツールの開発に繋がった。
【０００４】
半導体デバイスの形態は、概してそれらをパターン化するために使う紫外（ＵＶ）放射線の波長のオーダにある。現在、露出波長は、１５０ないし４５０ｎｍのオーダ、更に具体的には１５７ｎｍ、２９３ｎｍ、２４８ｎｍ、３６５ｎｍ、および４３６ｎｍである。最も難しいリソグラフィ形態は、０．５λ／ＮＡに相当するサイズ近くまたはそれ以下に低下するものであり、ここでλは露出波長、ＮＡはこの露出ツールの対物レンズ開口数である。例として、０．６５ＮＡの対物レンズを組込んだ１９３ｎｍ波長の露出システムに対しては、０．１３マイクロメートルまたはそれ以下の形態の結像が現状技術と考えられる。一般的に、これらのシステムは、ケーラー型の照明および円形に成形した有効光源を使用する。より最近には、光源の形状がこの従来の円形から特定のフォトマスクパターン、波長、ＮＡ、およびその他の結像パラメータに対する最適化照明条件へ変化した。光源形状がマスクの幾何学的形状の方へ向いた１対または円形の双極照明を使う軸外照明は、結像性能をかなり向上させることができる。これは、最適照明角での斜照明だけが対物レンズ瞳の最外縁でマスク回折エネルギーの単一方向の投影を可能にするように設計できるからである。双極照明の問題は、結像がＸ−Ｙ平面で一方向に向く形態に限られるので、ＸおよびＹ（または水平および垂直）性質両方の幾何学的形状を考えるときに生ずる。その上、形状が円形の極を使用することは、正方形または矩形に成形する極を使用することによって改善できる。四極または四重極の光源形状は、ＸおよびＹに向いた幾何学的形状の修正形の例である（例えば、米国特許第５，３０５，０５４号参照）。ここでは、四つの円形極を利用して二つの直交軸に沿って位置するマスクの幾何学的形状に対応する。しかし、多重円形極を使用することは、直交ＸおよびＹ軸上を向いたマスクの幾何学的形状に使うために最善の成形ではない。本発明者は、ＸおよびＹ軸に沿って拡がり、照明光源の角でシェブロン形を形成する特別な正方形極形状がその他の照明アプローチより優れた性能を示すことを見出した。
【０００５】
（発明が解決しようとする課題）
本発明は、照明を成形するための独特のアプローチである。それは、コンデンサレンズ若しくは照明システムの瞳面にアパーチャを置くことによって、または回折光学素子（ＤＯＥ）若しくは他の類似の素子、ビームスプリッタを含む光学的手段または他の類似の方法を使って照明を成形することによって実施することができる。
【０００６】
本発明の目的は、大抵の半導体デバイスの幾何学的形状が直交ＸおよびＹ軸に沿って向いているので、これらの方向に向いたマスク形態に最適化した軸外照明を提供することである。この発明の第２の目的は、直交ＸおよびＹ軸に沿って向いた半導体デバイスの幾何学的形状に最適ではない照明光源成形を排除することである。
【０００７】
この発明のもう一つの目的は、ＸおよびＹ軸に沿う照明光源の成形への修正によって軸上対軸外照明の比の制御を可能にすることである。
【０００８】
本発明のもう一つの目的は、回折光学素子（ＤＯＥ）、ビームスプリッタ、アパーチャ板若しくはマット、またはその他の光学手段を使うことを含む、種々の手段によって投影結像システムで実施できる照明成形を提供することである。
【０００９】
（課題を解決するための手段）
これらの目的は、四つの照明領域を設け、これらの領域をＸおよびＹ軸上にある境界線によって区切る、特別な照明成形を使って達成する。更に具体的には、これらの領域がＬ形で、この水平および垂直部分のサイズが二つの限界の間で変動する。この第１限界は、これら四つのＬ形の水平および垂直部分が正方形を形成し、これら２つの部分の長さおよび幅が同じである場合である。第２の限界は、四つのＬ形の水平および垂直部分の長さが各々水平および垂直方向に隣接するＬ形と結合して照明の連続した正方形リングになる場合である。
【００１０】
この発明のアパーチャマスクは、石英のような、半透明若しくは透明な基板上に不透明被膜にシェブロン開口を設けて、またはむくの不透明金属板からこの板にシェブロン開口を設けて作ってもよい。これらのシェブロンは、板の四つの角領域に位置する。各シェブロンは、角に位置する正方形領域並びに上記正方形透明領域から隣接する角の方向に伸びる第１および第２脚を含む。これらのシェブロンは、サイズが四つの正方形の角ほどの小ささから中央不透明領域の周りの正方形環状リングほどの大きさまで変動してもよい。
【００１１】
（発明の実施の形態）
本照明法は、シェブロン照明と呼ぶ。シェブロン照明板の例を図１ａ〜１ｅに示す。これらのシェブロンは、従来の照明システムの円形瞳に嵌るようなサイズに作ってある。図１ａ〜１ｅは、完全に正方形のリングから四つの正方形極まで幾つかの例を示す。これらの極端な状態の間の解決策は、シェブロン形状である。これらの形状は、現在投影システムに利用されている四重極またはＡＳＭＬ−クエーザ（ＴＭ）成形のどれよりも優れた改善を示す。
【００１２】
この発明の一実施例では、照明板が従来のフォトマスク技術によって作ってある。透明石英基板が不透明な被膜、典型的にはクロムで被覆してある。この基板がフォトレジストで被覆してあり、シェブロンパターンをこのレジストに露出する。露出は、典型的には電子ビーム装置により、当業者によく知られる方法である。もう一つの実施例では、金属むく板の角にシェブロン開口があるように製作してある。
【００１３】
図１ｂを参照すると、四つのシェブロン１１０ｂ、１２０ｂ、１３０ｂおよび１４０ｂを備えるアパーチャマスクが示してある。これらのシェブロンは、それぞれの脚の対１１１ｂ、１１２ｂ、１２１ｂ、１２２ｂ、１３１ｂ、１３１ｂ、および１４１ｂ、１４２ｂを有する。これらの脚は、隣接する角の方へ伸びる。続く図１ｃ〜１ｅのシェブロンは、次第に小さくなり、図１ｅのシェブロン１２０ｅ、１３０ｅ、１４０ｅおよび１５０ｅは、石英基板のクロム被覆にある単純な透明正方形または金属基板にある開口である。図１ａでは、これらのシェブロンが隣接する角の間で接触して環状の矩形または正方形リング１００を作る。
【００１４】
当業者は、好適実施例が水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）両方向に等寸法の開口を有することを理解する。そのようにして、光源像をそのＸおよびＹ両次元で同等に成形する。しかし、もし望むなら、これらの開口は、一つの次元を他より強調するために、ＸおよびＹ方向で異なってもよい。ケーラー照明システムは、リソグラフィ用途で広く使われ、よく知られている。本発明は、照明光学系へのアクセスを介して既存のケーラー照明システムで実施する。一例を図２に示す。ここで光源９０が光ビームを発生し、それをコンデンサレンズ系９７に向ける。この系内に、アパーチャマスク９１がこのコンデンサレンズ瞳面に置いてある。マスク９１は、この光ビームの形状をシェブロン形強度分布に制御する。このコンデンサレンズは、シェブロン形光源の像を対物レンズ系９３の瞳面９６上に集束する。フォトマスク９２が対物レンズ系９３の物体面に配置してあり、このシェブロン形光源像によって照明されている。フォトマスク９２の像は、対物レンズ系９３によってその像面９５の方へ投影される。このアパーチャマスクは、クロムにシェブロン開口のあるクロム被覆基板か、シェブロン開口のあるむくの不透明基板でもよい。
【００１５】
図３は、所望のシェブロン形照明を作るように修正した、照明システムのビーム成形光学系を備えるもう一つの例を示す。この照明光学系は、ビーム成形光学系５２および光学積分器６０を含む。ランプまたはエキシマレーザ５１のような光源を照明用に使う。ビーム成形光学系５２が光源５１から来る光ビームをシェブロン形に成形し、この成形したビームを光学積分器６０の表面上へ向ける。この光学積分器は、例えば、はえの眼アレイまたは一つ以上の回折光学素子で構成することができる。コンデンサレンズ系５３がケーラー照明でマスクを照明する。マスク面５４での強度分布は、この照明器のシェブロン成形の結果であり、照明した形状のフーリエ変換である。シェブロン光源成形の像は、対物レンズ系５６の瞳面５５にも作られる。２値光学素子（ＢＯＥ）としても知られる、回折光学素子（ＤＯＥ）がビーム成形部品としてリソグラフィツールの照明システムで屡々使われる。回折光学素子は、回折の原理に基づいて動作する。伝統的光学素子は、それらの形状を使って光を曲げる。回折光学素子は、フーリエ変換レンズとして作用して所望の光学的効果を生ずる。ＤＯＥパターン技術は、イオンエッチング法を使うことによって多位相レベルを作り、全体として事実上円形の成形を可能にするに十分大きい偏向角を生ずる。リソグラフィシステムにそのような素子を使うことは、例えば、ＵＳ５９２６２５７にあり、それは１組のＤＯＥを使って円形のケーラー照明を作る。ＵＳ５６３１７２では、回折光学素子のアレイをコンデンサの焦点またはその近くに置き、照明光源特性に依存することなく、所望の円形角分布を発生する。ＵＳ６１２０９５０およびＵＳ５２２７９１５に記載してあるような制作方法は、回折光学素子の当業者によく知られている。ビーム成形光学系５２は、一つ以上の回折光学素子を含み、これらの制作方法を使うシェブロン成形を達成することができる。
【００１６】
本発明を使う結像結果を提示する。使用する五つのシェブロン形照明形状は、図１に示すものである。これら五つの設計（ａないしｅ）は、無またはゼロから全または１．０までエッジ掩蔽が次第に増加し、このゼロ掩蔽は完全なリングで、１．０は正方形四重極である。四つの照明領域の部分の幅は、これらの照明領域の外側エッジが全単位シグマ瞳の０．７まで伸び、内側エッジが全瞳の０．５であるようになっている。これらのパターンの開放区域での強度は、１．０であり、隣接領域の強度はゼロである。対物レンズのＮＡが０．７５、それぞれ２６０ｎｍないし６５０ｎｍのピッチ値に対応する、１：１ないし１：４のピッチ値で１３０ｎｍのライン形態に対し波長が２４８ｎｍの結像システムに対して画像評価を行った。結像パラメータを取入れるためにベクトル空中像モデルを使って評価を行った。明暗像（空中像として知られる）の対数の傾斜を使う評価の計量を使った。鮮明な画像とは、この計量値が大きいものである。評価は、一連の焦点値に亘る結像に対して行った。出来るだけ多種の焦点によって鮮明な像を作ることが望ましい。シェブロン形照明についての五つの変種を使った結像結果を、ＡＳＭＬ−クエーザ（ＴＭ）として知られる、内シグマ値０．５、外シグマ値０．８および円弧定義３０°で形成する四重極照明によるものと比較した。結果を図４ないし図９に示す。結像性能を以下のように要約する。
【００１７】
図４で評価したＡＳＭＬ−クエーザ（ＴＭ）設計に関する、全ピッチ範囲のＮＩＬＳ対焦点（ここでＮＩＬＳとは形態サイズと空中像の対数の傾斜との積と定義し、ＮＩＬＳ値は大きいのが望ましい）は、１．５を超えるＮＩＬＳ値が０．２５マイクロメートルに近い焦点ぼけによって如何に達成できるかを示すが、単独形態性能と稠密形態性能の間の差（近接バイアスと呼ぶ）が顕著であり、望ましくないかも知れない。
【００１８】
図１ｅに示すシェブロン成形の性能を図５に示し、その最小ピッチ形態はＡＳＭＬ−クエーザ（ＴＭ）より向上しているが、近接バイアスは増している。これは、もし近接バイアスに関心がなければ、如何にこのシェブロン形照明の変形を焦点の幅広い変動に亘る画像改善に使えるかを示す。
【００１９】
図６は、図１ｄのシェブロン設計に対する結果を示し、この２６０ｎｍピッチの性能はＡＳＭＬ−クエーザ（ＴＭ）のものより良く、近接バイアスが図５より減少している。これは、特定のシェブロン成形についての制御が如何に焦点および近接バイアスに亘る結像性能の管理された変動に繋がるかを示す。
【００２０】
図７は、シェブロンの全体的性能が最善のものは図１ｃのシェブロンであることを示す。焦点によるＮＩＬＳがＡＳＭＬ−クエーザ（ＴＭ）より優れ、近接バイアスが減少している。これは優秀な結果である。
【００２１】
図８は、図１ｂのシェブロン設計に対する結果を示す。それは、シェブロン成形が如何にして近接バイアスおよび性能について、光源成形を特定の結像およびプロセス要件に適合させられる制御を可能にできるかを実証する。
【００２２】
図９は、正方形リングである、図１ａのシェブロン設計に対する結果を示す。この正方形リングは、単独ないし稠密プロセスの重複が最高であること、または近接バイアスが最小であることを示す。
【００２３】
これらの結果は、この発明の意義を示す。幾何学的形状がＸ／Ｙ方向に沿って向いているとき（四重極型照明用途に対する要件のように）、エネルギーをＸおよびＹ軸に投射する照明光源を使うことが最も有利である。これは、シェブロン形設計で達成し、円形四重極またはＡＳＭＬ−クエーザ（ＴＭ）照明を使っては達成できない。
【００２４】
本発明を説明したが、それはこれらの説明例に限定されないことを理解すべきである。説明した実施例は、必ずしも排他的でなく、それに、ここに説明したこの発明の範囲から逸脱することなく、方法、設計、および配置の種々の変更および修正を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】
エッジ掩蔽が増加するシェブロン照明分布を示し、それは無または正方形リングである。
【図１ｂ】
０．２５である同シェブロン照明分布を示す。
【図１ｃ】
０．５０である同シェブロン照明分布を示す。
【図１ｄ】
０．７５である同シェブロン照明分布を示す。
【図１ｅ】
１．０または四重極である同シェブロン照明分布を示す。
【図２】
照明器にアパーチャマスクを使う投影リソグラフィツールでのこの発明の実施例を示す。
【図３】
シェブロン形照明用ビーム成形法である。
【図４】
パラメータ（外シグマ／内シグマ／開口角）が０．８／０．５／３０°のＡＳＭＬ−クエーザ（ＴＭ）照明を使った種々のピッチ値についての１３０ｎｍラインに対してＮＩＬＳ対焦点を使う画像評価の結果を示す。
【図５】
シェブロンｅ照明器を使った種々のピッチ値についての１３０ｎｍラインに対してＮＩＬＳ対焦点を使う画像評価の結果を示す。
【図６】
シェブロンｄ照明器を使った種々のピッチ値についての１３０ｎｍラインに対してＮＩＬＳ対焦点を使う画像評価の結果を示す。
【図７】
シェブロンｃ照明器を使った種々のピッチ値についての１３０ｎｍラインに対してＮＩＬＳ対焦点を使う画像評価の結果を示す。
【図８】
シェブロンｂ照明器を使った種々のピッチ値についての１３０ｎｍラインに対してＮＩＬＳ対焦点を使う画像評価の結果を示す。
【図９】
シェブロンａ照明器を使った種々のピッチ値についての１３０ｎｍラインに対してＮＩＬＳ対焦点を使う画像評価の結果を示す。
【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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【国際公開パンフレット】
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2004503922.tif 000010
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2004503922.tif 000027
2004503922.tif 000028
2004503922.tif 000029
【国際調査報告】
2004503922.tif 000030