(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、
光量に応じて透過率の変化する第１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第１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、
所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を前記第１コントラスト増強層に供給し、前記溶液の作用により前記第１コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第２コントラスト増強層を前記感光素材上に形成し、
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第２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】
前記第１および第２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、
光量に応じて透過率の変化する第１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と、
前記第１コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第２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に、前記第１コントラスト増強層に対して所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を供給するための溶液供給手段とを備え、
前記第１コントラスト増強層を介して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、前記第２コントラスト増強層を介して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、
光量に応じて透過率の変化する第１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と、
前記第１コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第２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に、前記第１コントラスト増強層に所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を供給するための溶液供給手段とを備え、
前記第１コントラスト増強層を介して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、前記第２コントラスト増強層を介して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、前記第１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第２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、前記第１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第２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、
光量に応じて透過率の変化する第１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第１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、
所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を前記第１コントラスト増強層に供給し、前記溶液の作用により前記第１コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第２コントラスト増強層を前記感光素材上に形成し、
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第２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、前記第１および第２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、
光量に応じて透過率の変化する第１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と、
前記第１コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第２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に、前記第１コントラスト増強層に対して所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を供給するための溶液供給手段とを備え、
前記第１コントラスト増強層を介して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、前記第２コントラスト増強層を介して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、
光量に応じて透過率の変化する第１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と、
前記第１コントラスト増強層を溶解除去するとともに、光量に応じて透過率の変化する第２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に、前記第１コントラスト増強層に所定のコントラスト増強剤を含んだ溶液を供給するための溶液供給手段とを備え、
前記第１コントラスト増強層を介して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、前記第２コントラスト増強層を介して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、前記第１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第２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を行うことができる。あるいは、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、前記第１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第２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上にはコントラスト増強層（英語でContrast Enhancing Layerと呼ぶので、以下「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、ＣＥＬ３として、ニトロン系のＣＥＬ（信越化学工業株式会社の製品ＣＥＭ３８８ＷＳ：登録商標）を用いている。なお、ＣＥＬとして、文献（技術情報協会発行のレジスト材料、プロセス技術）や文献（中瀬真他著の電子通信学会技術研究報告８４巻、第２４１号、ＳＳＤ８４−９７、ＡＢＣモデルによるＣＥＬの特性評価）や文献（B.F.Griffing and P.R.West, IEEE Electron Devices Letters, Vol.EDL-4, No.1, JANUARY 1983, p14-16 ）に記載された物質（コントラスト増強剤）が使用可能である。
【００１２】
ＣＥＬとは、光退色性の化合物を利用したものであり、光の入射以前は光の透過率の低い状態であるが、入射した光量の増加に伴って光の透過率が増し、ある光量で１００％に近い透過率に達する特性を有する。ＣＥＬを含む一般的なレジストを特徴づけるパラメーターとして、Ａ、ＢおよびＣの各係数と厚さｄとがある。これらの各パラメーターの意味は、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。本実施例において使用するＣＥＬでは、各パラメーターの値は、Ａ＝１１．１２０μｍ-1、Ｂ＝０．０４１μｍ-1、Ｃ＝０．０２２ｃｍ2 ／ｍＪ、およびｄ＝０．６２μｍである。
【００１３】
図２は、本実施例におけるＣＥＬへの露光量とＣＥＬの透過率との関係を示す図である。すなわち、図２は、上述のパラメーターで規定されるＣＥＬの透過率Ｔが露光量Ｉ・ｔ（Ｉは露光光の強度、ｔは露光時間）に依存して変化する様子をシミュレーションによって計算した結果である。
図２を参照すると、透過率曲線が露光量２００ｍＪ／ｃｍ2 の付近から立ち上がり、透過率が露光量５００ｍＪ／ｃｍ2 の付近でほぼ一定の値に飽和することがわかる。
【００１４】
図２に示す透過率特性を有するＣＥＬを介してｔ＝０〜ａまで露光を行う場合、レジストへの透過光量Ｄ（ｍＪ／ｃｍ2 ）は次の式（１）で表される。
【数１】
0003734052.tif 000002
【００１５】
図３は、本実施例におけるＣＥＬへの露光量とレジストへの透過光量との関係を示す図である。すなわち、図３は、図２の透過率特性を有するＣＥＬへの露光量Ｉ・ｔに依存してレジストへの透過光量Ｄが変化する様子をシミュレーションによって計算した結果である。
こうして、レジスト中には、図３の縦軸に示す透過光量Ｄに比例した潜像の濃度が形成される。図３を参照すると、露光量があるしきい値に達するまでは露光光はレジストにほとんど達することなく、露光量がしきい値を超えるとレジストへの透過光量Ｄが突然増加し始める。この透過光量Ｄの変化の関係を露光量のべき多項式で表すと、近似的に５次の多項式が必要となる。すなわち、本実施例では、線形の感度特性を有するレジストを使用しているにもかかわらず、ＣＥＬの作用によりレジストの感光特性について５次の非線形性が実現されている。
【００１６】
本実施例では、上述のような特性を有する露光体に対して第１のパターンを投影露光する。すなわち、露光体の最上部に形成されたＣＥＬを介して、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（２）で表される。
【数２】
Ｉ（ｘ）＝Ｉ0  cos（２πｘ／Ｐ）＋Ｉ1   （２）
【００１７】
なお、本実施例では、Ｉ0 ＝３７．５ｍＷ／ｃｍ2 であり、Ｉ1 ＝６２．５ｍＷ／ｃｍ2 である。
本実施例では、上述の式（２）で表される露光強度Ｉ（ｘ）を有する露光パターンを用いて、露光体に対して４秒間に亘って第１回目の露光を行っている。すなわち、本実施例では、上述の式（１）において、露光の時間ａ＝４である。
図４は、本実施例の第１回目の露光におけるＣＥＬへの露光量の分布を示す図である。なお、図４および後述の図５〜図８において、横軸はＣＥＬ上での位置ｘを示している。また、図４〜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。
【００１８】
図４に示す露光量分布がＣＥＬを介してレジストに達すると、レジスト上では所定の透過光量分布が得られる。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。
図５の透過光量分布は、図３に示す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ＣＥＬへの露光量の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に示す露光量分布の谷の部分が平坦化し、且つ露光量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Ｄの分布に比例した潜像の濃度分布が形成される。
【００１９】
本実施例では、第１回目の露光が終了すると、コントラスト増強剤（ＣＥＬを形成する色素）を含んだ溶液を十分な量だけ露光体のＣＥＬ側に供給して、スピンコートを行う。こうして、レジスト上の投影露光される側に形成されていた元のＣＥＬは溶液の溶媒によって溶解除去され、レジスト上の投影露光される側には新たなＣＥＬが形成される。
【００２０】
次いで、本実施例では、新たなＣＥＬが形成された露光体に対して第２回目の露光を行う。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（３）で表される。
【数３】
Ｉ2 （ｘ）＝−Ｉ0  cos（２πｘ／Ｐ）＋Ｉ1   （３）
【００２１】
なお、式（３）において、Ｉ0 およびＩ1 の値は第１回目の露光と同じである。すなわち、第２回目の露光においても、Ｉ0 ＝３７．５ｍＷ／ｃｍ2 であり、Ｉ1 ＝６２．５ｍＷ／ｃｍ2 である。
本実施例では、上述の式（３）で表される露光強度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４秒間に亘って第２回目の露光を行っている。
【００２２】
図６は、本実施例の第２回目の露光におけるＣＥＬへの露光量の分布を示す図である。図４および図６を比較すると、図６の露光量分布と図４の露光量分布とは半周期だけ位置ずれしていることがわかる。
また、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ＣＥＬへの露光量の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Ｄの分布に比例した潜像の濃度分布が形成される。
【００２３】
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。
【００２４】
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Ｄ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、０．６５である。
【００２５】
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。
【００２６】
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ＣＥＬ塗布機２４を駆動して、露光体（ウエハ）２０にＣＥＬを形成する。そして、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。
【００２７】
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。また、露光体２０は、ウエハローダー２２の作用により、溶液供給手段でもあるＣＥＬ塗布機２４に対向する位置まで搬送される。ＣＥＬ塗布機２４は、コントラスト増強剤を含んだ溶液を露光体２０のＣＥＬ側に十分な量だけ供給し、いわゆるスピンコートを行う。その結果、露光体２０の図中上面（投影露光される側）に形成されていた元のＣＥＬは溶液の溶媒によって溶解除去され、露光体２０の図中上面には新たなＣＥＬが形成される。そして、新たなＣＥＬが形成された露光体２０および交換された新たなマスク１８ｂを投影光学系１９に対して位置決めした後、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。
【００２８】
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。
【００２９】
【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】本実施例におけるＣＥＬへの露光量とＣＥＬの透過率との関係を示す図である。
【図３】本実施例におけるＣＥＬへの露光量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回目の露光におけるＣＥＬへの露光量の分布を示す図である。
【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回目の露光におけるＣＥＬへの露光量の分布を示す図である。
【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          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        ＣＥＬ塗布機
【図１】
0003734052.tif 000003
【図２】
0003734052.tif 000004
【図３】
0003734052.tif 000005
【図４】
0003734052.tif 000006
【図５】
0003734052.tif 000007
【図６】
0003734052.tif 000008
【図７】
0003734052.tif 000009
【図８】
0003734052.tif 000010
【図９】
0003734052.tif 000011