(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光方法において、
入射光量に応じて透過率が変化し且つ光の入射の停止から所定時間だけ経過した後に透過率がほぼ元の値に復元する特性を有する復活コントラスト増強層を前記感光素材上に形成し、
第１の光強度分布にしたがうパターンを前記復活コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光し、
前記投影露光の終了から前記所定時間だけ経過した後に、前記第１の光強度分布とは異なる第２の光強度分布にしたがうパターンを前記復活コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光することによって、前記投影光学系の解像限界を超える高解像のパターンを前記感光素材上に形成することを特徴とする露光方法。
【請求項２】
前記復活コントラスト増強層は、ニトロン系の物質またはジアゾニウム塩を主成分とした物質であることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
【請求項３】
前記感光素材は、入射光の強度に対して感光が線形に進行する感度特性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の露光方法。
【請求項４】
前記感光素材は、入射光の強度に対して感光が非線形に進行する感度特性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の露光方法。
【請求項５】
原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光装置において、
入射光量に応じて透過率が変化し且つ光の入射の停止から所定時間だけ経過した後に透過率がほぼ元の値に復元する特性を有する復活コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するための層形成手段を備え、
前記感光素材上に第１の光強度分布にしたがう第１のパターンを投影露光し、前記投影露光の終了から前記所定時間だけ経過した後に、前記感光素材上に前記第１の光強度分布とは異なる第２の光強度分布にしたがう第２のパターンを投影露光することによって、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を前記感光素材上に形成することを特徴とする露光装置。
【請求項６】
原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光装置において、
入射光量に応じて透過率が変化し且つ光の入射の停止から所定時間だけ経過した後に透過率がほぼ元の値に復元する特性を有する復活コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するための層形成手段を備え、
前記感光素材上に第１の原版に形成された第１のパターンを投影露光し、前記投影露光の終了から前記所定時間だけ経過した後に、前記感光素材上に第２の原版に形成された第２のパターンを投影露光することによって、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を前記感光素材上に形成することを特徴とする露光装置。
【請求項７】
前記第１の原版と前記第２の原版とは、互いに異なるパターンを有し、
前記第１の原版に基づく投影露光の後に、前記第２の原版に基づく投影露光を行うことを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
【請求項８】
前記第１の原版と前記第２の原版とは、共通の原版であり、前記感光素材上に対して第１回目の投影露光を行った後に、前記投影光学系の光軸に垂直な方向に沿って所定量だけ前記共通の原版を移動させた状態で前記感光素材上に第２回目の投影露光を行うことを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
【請求項９】
前記第１の原版と前記第２の原版とは、共通の原版であり、
前記感光素材上に第１回目の投影露光を行った後に、前記投影光学系の光軸に垂直な方向に沿って所定量だけ前記感光素材を移動させた状態で前記感光素材上に第２回目の投影露光を行うことを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は露光方法および露光装置に関し、特に半導体素子などの製造に用いられる投影露光方法および投影露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造技術の進歩に伴い、半導体集積回路の集積度の向上が図られている。集積度の向上のためには、投影露光の解像度を向上させる必要がある。解像度を向上させる方法として、投影露光装置の露光波長を短波長化する方法、および投影露光装置の開口数を大きくする方法が考えられる。現在のところ、投影露光装置の露光波長はエキシマレーザーの短波長域に達し、投影光学系の開口数は約０．５程度となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の露光方法および露光装置では、露光波長を短波長化する方法を採用しても、開口数を大きくする方法を採用しても、あるいは双方の方法を採用しても、投影光学系の解像限界を超える解像度を得ることはできなかった。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、投影光学系の解像限界を超える高解像度を実現することのできる露光方法および露光装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、第１発明においては、原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光方法において、
入射光量に応じて透過率が変化し且つ光の入射の停止から所定時間だけ経過した後に透過率がほぼ元の値に復元する特性を有する復活コントラスト増強層を前記感光素材上に形成し、
第１の光強度分布にしたがうパターンを前記復活コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光し、
前記投影露光の終了から前記所定時間だけ経過した後に、前記第１の光強度分布とは異なる第２の光強度分布にしたがうパターンを前記復活コントラスト増強層を介して前記感光素材上に投影露光することによって、前記投影光学系の解像限界を超える高解像のパターンを前記感光素材上に形成することを特徴とする露光方法を提供する。
【０００６】
第１発明の好ましい態様によれば、前記復活コントラスト増強層は、ニトロン系の物質またはジアゾニウム塩を主成分とした物質である。なお、前記感光素材は、入射光の強度に対して感光が線形に進行する感度特性を有するか、あるいは入射光の強度に対して感光が非線形に進行する感度特性を有する。
【０００７】
また、第２発明においては、原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光装置において、
入射光量に応じて透過率が変化し且つ光の入射の停止から所定時間だけ経過した後に透過率がほぼ元の値に復元する特性を有する復活コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するための層形成手段を備え、
前記感光素材上に第１の光強度分布にしたがう第１のパターンを投影露光し、前記投影露光の終了から前記所定時間だけ経過した後に、前記感光素材上に前記第１の光強度分布とは異なる第２の光強度分布にしたがう第２のパターンを投影露光することによって、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を前記感光素材上に形成することを特徴とする露光装置を提供する。
【０００８】
さらに、第３発明においては、原版のパターンを投影光学系を介して感光素材上に投影露光する露光装置において、
入射光量に応じて透過率が変化し且つ光の入射の停止から所定時間だけ経過した後に透過率がほぼ元の値に復元する特性を有する復活コントラスト増強層を前記感光素材の投影露光される側に形成するための層形成手段を備え、
前記感光素材上に第１の原版に形成された第１のパターンを投影露光し、前記投影露光の終了から前記所定時間だけ経過した後に、前記感光素材上に第２の原版に形成された第２のパターンを投影露光することによって、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を前記感光素材上に形成することを特徴とする露光装置を提供する。
【０００９】
第３発明の好ましい態様によれば、前記第１の原版と前記第２の原版とは、互いに異なるパターンを有し、前記第１の原版に基づく投影露光の後に、前記第２の原版に基づく投影露光を行う。なお、前記第１の原版と前記第２の原版とは、共通の原版であってもよい。この場合、前記感光素材上に対して第１回目の投影露光を行った後に、前記投影光学系の光軸に垂直な方向に沿って所定量だけ前記共通の原版を移動させた状態で前記感光素材上に第２回目の投影露光を行うことができる。あるいは、前記感光素材上に第１回目の投影露光を行った後に、前記投影光学系の光軸に垂直な方向に沿って所定量だけ前記感光素材を移動させた状態で前記感光素材上に第２回目の投影露光を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、添付図面を参照して、本発明の実施例にかかる露光方法によって投影光学系の解像限界を超える高解像のパターンをレジスト上に形成する方法を説明する。
図１は、本実施例における露光体の構成を模式的に示す断面図である。図１を参照すると、基板１上には感光素材であるレジスト２が形成され、さらにレジスト２上には復活コントラスト増強層（通常のコントラスト増強層のことを英語でContrast Enhancing Layerと呼ぶので、以下「復活ＣＥＬ」という）３が形成されている。なお、本明細書において、基板上にレジストおよび復活ＣＥＬが積層されたものを「露光体」という。
【００１１】
本実施例では、基板１として、半導体素子作製用のシリコンウエハーを用いている。また、レジスト２として、入射光の強度に対して感光が線形に進行する感度特性を有するノボラック系のｉ線用レジストを用いている。さらに、復活ＣＥＬ３として、ニトロン系のＣＥＬ（信越化学工業株式会社の製品ＣＥＭ−３８８：登録商標）を用いている。なお、復活ＣＥＬとは、光の入射に応じて退色状態となるが、光の入射が停止すると所定の寿命τのもとで元の着色状態に戻るコントラスト増強層のことである。換言すれば、復活ＣＥＬは、入射光量に応じて透過率が変化し、且つ光の入射の停止から所定時間τだけ経過した後に透過率がほぼ元の値に復元する特性を有する。
【００１２】
ところで、通常のＣＥＬはある種の色素であり、光を吸収することによって退色し、その退色状態は時間が経過してもそのまま保持される。通常のＣＥＬの退色の過程は、次の２つの方程式（１）および（２）で表される。
【数１】
∂Ｉ(z,t) ／∂ｚ＝−Ｉ(z,t) ｛ＡＭ(z,t) ＋Ｂ｝  （１）
∂Ｍ(z,t) ／∂ｔ＝−Ｉ(z,t) Ｍ(z,t) Ｃ          （２）
【００１３】
ここで、
ｚ：ＣＥＬの深さ方向に沿った座標における表面からの距離
ｔ：時間
Ｉ(z,t) ：時間ｔおよび深さｚにおけるＣＥＬ内部への透過光の強度
Ｍ(z,t) ：時間ｔおよび深さｚにおけるＣＥＬの色素の相対的な濃度（Ｍ(z,0) ＝１）
Ａ〜Ｃ：各パラメーター
なお、各パラメーターＡ〜Ｃの意味は、文献（F.H.Dill, W.P.Hornberger, P.S.Hauge, J.M.Shaw, IEEE Transactions of Electron Devices, Vol.ED-22, No.7, July 1975, p445-452）に説明されている。
【００１４】
上述したように、本実施例では、光の入射に応じて退色状態となるが、光の入射が停止すると所定の寿命τのもとで元の着色状態に戻る特性を有する復活ＣＥＬを用いている。したがって、復活ＣＥＬの退色過程および逆退色（着色）過程を説明するには、上述の式（２）に代えて次の方程式（３）が必要となる。
【数２】
0003876460.tif 000002
ここで、
Ｄ：退色状態の寿命τの逆数（１／τ）からなるパラメーター
こうして、上述の式（１）と（３）とを連立させることによって、露光による復活ＣＥＬの退色過程および露光停止による逆退色過程を説明することができる。
【００１５】
図２（Ａ）は本実施例の各露光における最大露光強度の時間変化を、図２（Ｂ）は復活ＣＥＬの透過率の時間変化をそれぞれ示す図である。
図２（Ａ）に示すように、本実施例では、１秒（ｓ）の露光時間に亘って、最大で１８０ｍＷ／ｃｍ2 の強度の露光光を復活ＣＥＬに対して照射している。この場合、図２（Ｂ）に示すように、復活ＣＥＬの透過率は、露光時間に応じて単調に増大するが、露光の停止から単調に減少し、退色状態の寿命τである２秒を経過するとほぼ元の値に復元する。
【００１６】
ここで、本実施例において使用する復活ＣＥＬ（信越化学工業株式会社の製品ＣＥＭ−３８８：登録商標）では、各パラメーターの値は、Ａ＝１０．１２３μｍ-1、Ｂ＝０．０９２μｍ-1、Ｃ＝０．０７６ｃｍ2 ／ｍＪ、およびＤ＝１／τ＝０．５ｓ-1である。また、復活ＣＥＬの厚さｄは０．６μｍである。
上述のような特性を有する復活ＣＥＬを介して投影露光を行うと、露光強度の大きい部分では復活ＣＥＬの退色現象が進み、復活ＣＥＬの透過光量すなわちレジストへ達する透過光量の割合が増大する。一方、露光強度の小さい部分では復活ＣＥＬの退色現象が進まず、レジストへ達する透過光量の割合が減少する。定量的には、上述の式（１）と（３）とを連立させて数値解析することにより、露光強度と透過光量との関係を得ることができる。
【００１７】
図３は、本実施例において１秒間露光する場合の復活ＣＥＬへの露光強度とレジストへの透過光量との関係を示す図である。
図３を参照すると、露光強度が約１００ｍＷ／ｃｍ2 に達するまでは、レジストへの透過光量（ｍＪ／ｃｍ2 ）は小さい。しかしながら、露光強度が約１００ｍＷ／ｃｍ2 を超えると、露光強度の増加に応じてレジストへの透過光量が増加する。以下、後述するように、本実施例においてレジスト中に形成される潜像の濃度の非線形性は、図３に示す復活ＣＥＬへの露光強度とレジストへの透過光量（すなわち復活ＣＥＬの透過光量）との関係に依存する。
【００１８】
本実施例では、上述のような特性を有する復活ＣＥＬが形成された露光体に対して、投影光学系の解像限界に近いパターンを露光する。解像限界のパターンの周期Ｐは、投影露光に用いる露光光の波長をλとし、投影光学系の開口数をＮＡとすると、Ｐ＝λ／２ＮＡで表される。本実施例では、λ＝３６５ｎｍとし、ＮＡ＝０．６としているので、Ｐ＝３０４ｎｍである。位相シフトマスクを用いて投影露光を行う場合、この回折限界パターンは、位置ｘの関数である露光強度Ｉ（ｘ）として、次の式（４）で表される。
【数３】
Ｉ（ｘ）＝Ｉ0  cos（２πｘ／Ｐ）＋Ｉ1   （４）
【００１９】
上述したように、露光強度Ｉ（ｘ）の最大値は１８０ｍＷ／ｃｍ2 である。また、露光パターンのコントラストは０．７であり、その周期はほぼ解像限界である。本実施例では、図４に示す露光強度Ｉ（ｘ）を有する露光パターンを用いて、露光体に対して１秒間に亘って第１回目の露光を行っている。
図５は、本実施例の第１回目の露光においてレジストへ達する透過光量の分布を示す図である。なお、図５および後述の図６〜図８において、横軸は復活ＣＥＬ上での位置ｘを示している。また、図５〜図８では、位置ｘの具体的な値が示されていないが、各図は横軸に関して互いに対応している。
【００２０】
図５の透過光量分布は、図３に示す復活ＣＥＬの透過光量の変化（すなわちレジストへの透過光量の変化）と図４に示す復活ＣＥＬへの露光強度分布とに基づいて求められている。図５の透過光量分布では、図４に示す露光強度分布の谷の部分が平坦化し、且つ露光強度分布の山の部分が先鋭化している。こうして、第１回目の露光により、レジスト中には図５に示す透過光量の分布に比例した潜像の濃度分布が形成される。
【００２１】
上述したように、第１回目の露光の終了から復活ＣＥＬの退色状態の寿命である２秒を経過すると、復活ＣＥＬの退色状態は元の着色状態に戻り、透過率も元の値に復元する。そこで、本実施例では、第１回目の露光の終了から２秒よりも長い時間たとえば４秒経過した後に、第２回目の露光を開始している。第２回目の露光パターンは、第１回目の露光パターンと同様に解像限界の周期Ｐを有し、且つ第１回目の露光パターンと同じ強度を有する。しかしながら、第２回目の露光パターンは、第１回目の露光パターンから半周期だけ位置ずれている。すなわち、第２回目の露光による回折限界パターンは、位置ｘの関数である露光強度Ｉ2 （ｘ）として、次の式（５）で表される。
【数４】
Ｉ2 （ｘ）＝−Ｉ0  cos（２πｘ／Ｐ）＋Ｉ1   （５）
【００２２】
第２回目の露光においても、第１回目の露光と同様に、露光強度Ｉ2 （ｘ）の最大値は１８０ｍＷ／ｃｍ2 である。また、第２回目の露光パターンのコントラストは０．７であり、その周期はほぼ解像限界である。
本実施例では、図６に示す露光強度Ｉ2 （ｘ）を有する露光パターンを用いて、第１回目の露光と同じく１秒間に亘って第２回目の露光を行っている。
【００２３】
図７は、本実施例の第２回目の露光においてレジストへ達する透過光量の分布を示す図である。
図７の透過光量分布は、図３に示す復活ＣＥＬの透過光量の変化（すなわちレジストへの透過光量の変化）と図６に示す復活ＣＥＬへの露光強度分布とに基づいて求められている。こうして、第２回目の露光により、レジスト中には図７に示す透過光量の分布に比例した潜像の濃度分布が形成される。
【００２４】
上述したように、第１回目の露光により図５に示す透過光量分布が、第２回目の露光により図７に示す透過光量分布がそれぞれレジスト上で得られる。すなわち、第１回目の露光と第２回目の露光とによって、図５に示す透過光量分布と図７に示す透過光量分布との総和からなる透過光量分布がレジスト上において得られる。
【００２５】
図８は、本実施例の第１回目の露光と第２回目の露光とによりレジスト上で得られる透過光量の総和の分布を示す図である。
こうして、第１回目の露光と第２回目の露光とにより、レジスト中には図８に示す透過光量の分布に比例した潜像の濃度分布が形成される。図８と図４（あるいは図６）とを比較参照すると、本実施例において２回の露光により最終的に得られた潜像の濃度パターンの周期は、解像限界のパターンの周期Ｐの１／２であることがわかる。なお、最終的に得られた潜像の濃度パターンのコントラストは、０．４５である。
【００２６】
このように、本実施例の露光方法にしたがって、投影光学系の解像限界を超える高解像のパターンを、線形の感光特性を有するレジスト上に形成することができる。
なお、上述の実施例では、ニトロン系の復活ＣＥＬを用いた例を説明しているが、たとえばジアゾニウム塩を主成分とした物質からなる復活ＣＥＬを用いることもできる。
また、上述の実施例では、入射光の強度に対して線形に感光が進行する、いわゆる線形の感光特性を有するレジストを用いた例を説明している。しかしながら、非線形の感光特性を有するレジストに対しても、その非線形性に応じて本発明の露光方法を適用することができることは明らかである。
【００２７】
図９は、本発明の実施例にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。
図９の露光装置では、光源１１からの照明光束が楕円鏡１２により集光され、ミラー１３によりコリメートレンズ１４に導かれ、ほぼ平行光束となってフライアイインテグレータ１５に入射する。フライアイインテグレータ１５を介した光束は、ミラー１６によりメインコンデンサーレンズ１７に導かれ、投影原版であるマスク１８ａをほぼ均一に照明する。こうして、マスク１８ａ上に形成された所定のパターンが、投影光学系１９を介して露光体２０上に投影露光される。
本実施例では、第１回目の露光に先立ち、層形成手段である復活ＣＥＬ塗布機２４を駆動して、露光体（ウエハ）２０の図中上面（投影露光される側）に復活ＣＥＬを形成する。そして、復活ＣＥＬが形成された露光体２０および第１のパターンが形成されたマスク１８ａを投影光学系１９に対して位置決めした後、第１回目の投影露光を行う。
【００２８】
第１回目の投影露光が終了すると、マスク１８ａは、マスクローダー２１によって第１のパターンとは異なる第２のパターンが形成されたマスク１８ｂと交換される。そして、第１回目の投影露光の終了から復活ＣＥＬの退色状態の寿命τよりも十分長い時間が経過した後に、第２回目の投影露光を行う。
こうして、第１のパターンおよび第２のパターンよりも微細なパターンの潜像濃度分布を、感光体２０のレジスト上に形成することができる。
【００２９】
なお、上述の実施例にかかる露光装置では、第１のマスク１８ａをマスクローダー２１の作用により新たな第２のマスク１８ｂと交換している。しかしながら、マスク１８ａによる第１回目の露光の後に、マスク１８ａを投影光学系１９の光軸Ａｘに対して垂直方向に所定量だけ移動させて第２回目の露光を行っても良い。また、同一のマスクパターンを複数回露光するような場合には、マスク１８を投影光学系１９に対して移動させる代わりに、露光の毎に露光体２０を投影光学系１９の光軸Ａｘに対して垂直方向に所定量だけ移動させる構成を採用することも可能であることは言うまでもない。なお、複数回露光間でのアライメントは、潜像を観察してアライメントする、いわゆる潜像アライメントが有効である。
【００３０】
【効果】
以上説明したように、本発明の露光方法および露光装置によれば、投影光学系の解像限界を超える高解像度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例における露光体の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】（Ａ）は本実施例の各露光における最大露光強度の時間変化を、（Ｂ）は復活ＣＥＬの透過率の時間変化をそれぞれ示す図である。
【図３】本実施例において１秒間露光する場合の復活ＣＥＬへの露光強度とレジストへの透過光量との関係を示す図である。
【図４】本実施例の第１回目の露光において復活ＣＥＬに照射される露光強度Ｉ（ｘ）を示す図である。
【図５】本実施例の第１回目の露光においてレジストへ達する透過光量の分布を示す図である。
【図６】本実施例の第２回目の露光において復活ＣＥＬに照射される露光強度Ｉ2 （ｘ）を示す図である。
【図７】本実施例の第２回目の露光においてレジストへ達する透過光量の分布を示す図である。
【図８】本実施例の第１回目の露光と第２回目の露光とによりレジスト上で得られる透過光量の総和の分布を示す図である。
【図９】本発明の実施例にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１          基板
２          レジスト
３          復活ＣＥＬ
１１        光源
１２        楕円鏡
１３、１６  ミラー
１４        コリメートレンズ
１５        フライアイインテグレータ
１７        メインコンデンサーレンズ
１８        マスク
１９        投影光学系
２０        露光体
２１        マスクローダー
２２        ウエハローダー
２４        復活ＣＥＬ塗布機
【図１】
0003876460.tif 000003
【図２】
0003876460.tif 000004
【図３】
0003876460.tif 000005
【図４】
0003876460.tif 000006
【図５】
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【図６】
0003876460.tif 000008
【図７】
0003876460.tif 000009
【図８】
0003876460.tif 000010
【図９】
0003876460.tif 000011