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JP2009010231A - 露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

露光装置およびデバイス製造方法 Download PDF

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JP2009010231A JP2007171223A JP2007171223A JP2009010231A JP 2009010231 A JP2009010231 A JP 2009010231A JP 2007171223 A JP2007171223 A JP 2007171223A JP 2007171223 A JP2007171223 A JP 2007171223A JP 2009010231 A JP2009010231 A JP 2009010231A
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Abstract

【課題】パルス光の波長を周期的に変更しながら複数のパルス光によって基板を積算露光する露光装置において、波長の変更周期を適正化することによって焦点深度を向上させる。
【解決手段】露光装置100は、光源1から提供されるパルス光を用いて基板18を露光する。露光装置100は、光源1が発生するパルス光の波長を周期的に変更するための制御部22を備える。制御部22は、基板18の1つのショット領域を露光するために要求されるパルス光の数に基づいて波長の変更周期を決定する。
【選択図】図3

Description

本発明は、光源から提供されるパルス光を用いて基板を露光する露光装置およびそれを工程の一部で用いてデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。
半導体デバイス等のデバイスを製造するためのリソグラフィー工程において露光装置が使用される。露光装置は、光源から提供される光を使って照明光学系によって原版を照明し、該原版のパターンを投影光学系を介して基板に投影する。これにより基板が露光される。
露光装置の解像度(Resolution)は、(1)式に示すように、光源が発生する光の波長λに比例し、また、投影光学系の開口数NA(Numeric Aperture)に反比例することが知られている。なお、k1は、比例定数である。
Resolution=k1・(λ/NA) ・・・(1)
したがって、露光装置の解像度を向上させるためには、光源が発生する光の波長を短くするか、投影光学系の開口数を増加させればよいことになる。
ところで、露光装置の投影光学系の特性の1つとして焦点深度(DOF:Depth Of Focus)がある。焦点深度は、基板に投影される像のボケが許容される範囲をフォーカス点からの距離によって表したものである。このような焦点深度は、以下の式によって表わすことができる。なお、k2は比例定数である。
DOF=k2・ (λ/NA) ・・・(2)
したがって、露光装置の解像度を向上させるために、光源が発生する光の波長を短くしたり、投影光学系の開口数を増加させたりすると、それに応じて焦点深度が小さくなる。特に、回路パターンの微細化と立体化によって高集積化を図ろうとしている次世代デバイスにおいては、このような焦点深度の減少は深刻な問題となっている。すなわち、回路パターンの立体化は、形成される構造物の光軸方向の寸法を大きくすることを意味するので、焦点深度の減少は回路パターンの立体化を妨げる。
上記のような課題を解決するために、複数の波長の成分を含む露光光を用いることによって、原版のパターンを同一光軸上の複数の位置に結像させることで、焦点深度を拡大しようとする試みがなされている。
特許文献1には、第1波長の光を発生する光源と、第2波長の光を発生する光源とを備え、それらの光を合成して露光光を使用する技術が開示されている。
特許文献2には、光源と基板との間の光路に、複数の波長帯域の光を選択的に透過させるフィルタを設けることで、複数の波長よりなる露光光を使用する技術が開示されている。
特許文献3には、パルス光による基板の積算露光中に光源が発生する光の波長を変更する技術が開示されている。図1および図2は、積算露光におけるパルス光のスペクトル分布を例示する図である。
特登録02619473号公報 特開平11−162824号公報 特開平06−252021号公報
近年、−Δλ〜+Δλの間で波長を周期的に高速に変化させることが可能になった。しかしながら、特許文献3には、光源が発生するパルス光の波長を変更する場合において、その変更周期をどのように決定するかといった内容は開示も示唆もされていない。
波長の変更周期が適切でない場合には、複数のパルス光による積算露光において図1や図2に示すような対称性が高いスペクトル分布が得られない。この場合には、ベストフォーカス位置が光軸方向にオフセットして、焦点深度が小さくなる。
本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、例えば、パルス光の波長を周期的に変更しながら複数のパルス光によって基板を積算露光する露光装置において、波長の変更周期を適正化することによって焦点深度を向上させることを目的とする。
本発明の第1の側面は、光源から提供されるパルス光を用いて基板を露光する露光装置に係り、前記露光装置は、前記光源が発生するパルス光の波長を周期的に変更するための制御部を備える。前記制御部は、基板の1つのショット領域を露光するために要求されるパルス光の数に基づいて前記波長の変更周期を決定する。
本発明の第2の側面は、光源から提供されるパルス光を用いて形成されるスリット状の露光光によって原版のパターンを基板に投影して該基板を走査露光する露光装置に係り、前記露光装置は、前記光源が発生するパルス光の波長を周期的に変更するための制御部を備える。前記制御部は、前記光源の発振周波数と、基板の走査速度と、基板に入射するスリット状の露光光の走査方向における幅とに基づいて、前記波長の変更周期を決定する。
本発明によれば、例えば、パルス光の波長を周期的に変更しながら複数のパルス光によって基板を積算露光する露光装置において、波長の変更周期を適正化することによって焦点深度を向上させることができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。
[第1実施形態]
図3は、本発明の第1実施形態の露光装置の構成を概略的に示す図である。この実施形態では、露光装置100は、原版13と基板18とを静止させた状態で原版のパターンを基板に転写するように構成されているものとする。
この実施形態の露光装置100は、光源(レーザー)1から提供されるパルス光を用いて基板18を露光する。露光装置100は、光源1が発生するパルス光の波長を周期的に変更するための制御部22を備える。制御部22は、基板18の1つのショット領域を露光するために要求されるパルス光の数に基づいて該波長の変更周期を決定する。なお、パルス光とは、パルス状に強度が変化する光を意味する。
ここで、基板の1つのショット領域を露光するために要求されるパルス光の数をN、自然数をmとしたときに、制御部22は、該波長の変更周期をN/mの値に基づいて定まる数のパルス光を発生する時間としうる。N/mの値が整数でない場合には、制御部22は、波長の変更周期をN/mの小数点以下を切り捨て、切り上げ、又は、四捨五入して得られる数のパルス光を発生する時間としうる。
以下、露光装置100の動作をより詳細に説明する。光源(レーザー)1から放射されたパルス光は、ビーム整形光学系2を通過して所定の形状に整形され、オプティカルインテグレータ3の光入射面に入射する。オプティカルインテグレータ3は、複数の微小なレンズより構成されており、その光出射面の近傍に多数の2次光源を形成する。
オプティカルインテグレータ3から出射されたパルス光は、絞りターレット4に埋設された絞りを通ってコンデンサレンズ7に向かう。絞りは、2次光源の大きさを制限する。絞りターレット4には、例えば、複数種のコヒーレンスファクタσ値を設定するための円形開口面積が相異なる開口絞りや、輪帯照明用のリング形状絞り、4重極絞り、等が番号付け(照明モード番号)されて埋設されている。そして、照明光の強度分布(有効光源分布)を変える際に必要な絞りが選択されて光路に挿入される。
第1光電変換装置6は、ハーフミラー5によって反射されて光路外に取り出されたパルス光の光量を検出し、その検出結果を露光量演算部21に出力する。
コンデンサレンズ7は、オプティカルインテグレータ3の出射面の近傍に形成された2次光源から出射されたパルス光でブラインド8をケーラー照明する。ブラインド8の開口域は、原版13の所望のパターン露光領域と光学倍率比で相似形となっている。露光の際は、ブラインド8は、原版13の露光域外を遮光する。ブラインド8を通過したパルス光は、コンデンサレンズ10、ミラー11、コンデンサレンズ12を介して原版13を照明する。
原版13は、原版ステージ14により保持されている。原版13のパターンは、投影光学系15を通して基板18に投影される。これによって、基板18が露光される。フォーカス検出系16は、基板ステージ17によって保持された基板18の面の高さや傾きを検出する。露光の際は、フォーカス検出系16によって得られた情報に基づいて、基板18の面を投影光学系15の像面に一致するように制御される。
基板ステージ17上には、第2光電変換装置19が設置されていて、この第2光電変換装置19によってパルス光の光量が検出される。
次に、露光装置100の制御システムの構成を説明する。ステージ制御部20は、原版ステージ14と基板ステージ17の駆動を制御する。露光量演算部21は、第1光電変換装置6および第2光電変換装置19によって得られた光量の検出結果を論理値に変換して制御部22に出力する。なお、第1光電変換装置6は、基板の露光中においても光量を検出することができる。第2光電変換装置19は、露光工程の前に基板18を入射するパルス光の光量を検出し、同時に第1光電変換装置6によって検出されるパルス光の光量との相関が求められる。この相関に基づいて、露光量演算部21は、第1光電変換装置6の出力値を基板18上の光量に換算し、これを露光量制御用のモニタ光量とする。
光源制御部23は、例えば、制御部22から提供されるパラメータ(指令)にしたがって光源1の発振周波数および出力エネルギを制御する。ここで、光源制御部23による光源1の制御には、制御部22によって決定された波長の変更周期にしたがって光源1が発生するパルス光の波長の変更周期を制御することが含まれる。
露光パラメータ(例えば、積算露光量、積算露光量精度、絞り形状)は、入力装置24を介して制御部22に入力され、記憶部25に記憶される。表示部26には、例えば、露光装置100の設定状態、内部状態等が表示されうる。
制御部22は、例えば、入力装置24から与えられたデータ、露光装置100の固有のパラメータ、第1光電変換装置6および第2光電変換装置19等の測定機器の出力に基づいて露光制御に必要なパラメータを算出する。算出されたパラメータは、光源制御部23やステージ駆動制御部20に伝達される。
以下、制御部22においてなされる露光に必要なパラメータの決定について説明する。パラメータには、例えば、光源1の制御に必要な目標パルス光量P、露光に必要なパルス数N、光源1が発生するパルス光の波長の変更周期Nλが含まれる。
まず、入力装置24に対して、基板18の適正露光量が入力される。適正露光量は、例えばレシピファイルの一部として入力されうる。
次に、基板18の露光面上の照度が測定される。基板18の露光面上の照度の測定には、基板18の露光面におけるパルス光の光量P[J/m・pulse]と相関が分かっている第1光電変換装置6が使用されうる。或いは、基板18の露光面上の照度の測定には、基板ステージ17上の第1光電変換装置19が使用されてもよい。
パルス光の光量Pの測定が終了すると、次のようにして露光量制御用のパラメータが決定される。以下では、簡単に説明するために、パルス光量Pのばらつきが十分に小さく、パルス光量Pを一定値とみなせる場合について述べる。
基板18の適正露光量をD[J/m]とすると、パルス光量Pより、露光に必要なパルス数Nは、(3)式のようになる。
N = D/P ・・・(3)
原版と基板を静止させた状態で一括露光する露光装置においては、Nが整数にならざるを得ないため、D/Pを整数化するための制御が行なわれる。D/Pを整数化するために、パルス光量Pの微調を行う。これは、図3のビーム整形光学系2とインテグレータ3の間に配置されうる不図示の減光用光学素子の透過率を微調したり、光源1からのパルス光の光量自体を微調したり、減光用光学素子の透過率とパルス光量の両方を微調したりすることによりなされうる。
ここで、波長の変更周期Nλは、基板の1つのショット領域を露光するために要求されるパルス光の数をNとすると、(4)式で表わされる。
λ = N/m ・・・(4)
mは、1以上の自然数であり、事前に入力装置24を通して制御部22に入力されうる。mは、例えばレシピファイルの一部として入力されうる。mの値は、シミュレーションによって予想される解像性能に応じて最適値を算出してもよいし、実際に露光した結果によって評価される解像性能より最適値を算出してもよい。
図4は、λsetを中心波長として波長を−Δλ〜+Δλ間で周期的に変更した例を示す図である。具体的には、(4)式において、N=100とし、mを1、2、3、4としている。横軸は、光源1が発生するパルス光の数であり、縦軸は、波長である。mの違いにより、波長の変更周期が変っている。この例では、m=3のときに、Nλ=33.333・・・となり、小数点以下が発生してしまう。そこで、小数点以下を四捨五入してNλ=34とする。ただし、小数点以下の数値は、切り捨てでも、切り上げてもよい。
図5は、波長を周期的に変更する際のsin波以外の形状の例を示している。三角波、矩形波、台形波と色々あり、必要な解像性能に応じて選択をすればよい。
図6は、(4)式から大きく外れている場合の波長の変更周期を示している。N=100であり、Nλ=150の場合である。この場合、100パルス分の積算露光のスペクトル分布を算出すると、図1に示すような中心波長λsetを中心とした対象性のあるスペクトル分布とは著しく異なり、図7のように、対称性の崩れたスペクトル分布となってしまう。したがって、焦点深度の改善が図られていない。
(4)式にしたがって制御部22において算出された波長の変更周期Nλは、光源制御部23に送られる。また、制御部22は、その他、波長振り幅量Δλと、中心波長λsetも光源制御部23に送る。光源制御部23は、制御部22から送られてくる情報に基づいて、光源1をパルスごとにレーザー発振させながら、パラレル信号ライン、または、シリアル通信ラインを使用して、光源1にパルスごとに決定された目標波長λを指令する。或いは、光源制御部23から光源1にシリアル信号ラインを用いて、波長の変更周期Nλ、波長振り幅量Δλ、中心波長λsetを事前に送信し、光源制御部23は光源1をパルス発振させるだけで、光源1自身が、目標波長λを周期的に変更させてもよい。
本発明の第1実施形態によれば、複数のパルス光による積算露光において対象性が高いスペクトル分布が得られるので、焦点深度が改善されうる。また、ショットごとにベストフォーカス位置が異なることによるショット間ばらつきが低減されうる。
[第2実施形態]
図10は、本発明の第2実施形態の露光装置の構成を概略的に示す図である。この実施形態では、露光装置200は、光源1から提供されるパルス光を用いて形成されるスリット状の露光光によって原版13のパターンを基板18に投影して該基板18を走査露光する。図10において、図3と共通する構成要素には同一の参照符号が付されている。
ここで、第1実施形態と相違する部分を中心として説明する。ブラインド8の近傍にはスリット9が配置されていて、ブラインド8を通過したパルス光の形状をスリット状(例えば、矩形または円弧形状)の露光光にする。スリット状の露光光は、コンデンサレンズ10、ミラー11、コンデンサレンズ12を介して原版13を照明する。
露光の際は、フォーカス検出系16によって得られた情報に基づいて、基板18の面を投影光学系15の像面に一致するように制御しながら、基板ステージ14と基板ステージ17が同期して走査される。
露光装置200は、光源1から提供されるパルス光を用いて形成されるスリット状の露光光によって原版13のパターンを基板18に投影して該基板18を走査露光する。露光装置200は、光源1が発生するパルス光の波長を周期的に変更するための制御部22’を備える。制御部22’は、光源1の発振周波数と、基板18の走査速度と、基板18に入射するスリット状の露光光の走査方向における幅とに基づいて、波長の変更周期を決定する。
以下、制御部22’においてなされる露光に必要なパラメータの決定について説明する。パラメータには、例えば、光源1の制御に必要な目標パルス光量P、光源1の発振周波数f[Hz]、基板ステージ17の走査速度v[mm/sec]、波長の変更周期Nλが含まれる。
まず、入力装置24に対して、基板18の適正露光量が入力される。適正露光量は、例えばレシピファイルの一部として入力されうる。
次に、基板18の露光面上の照度が測定される。基板18の露光面上の照度の測定には、基板18の露光面におけるパルス光の光量P[J/m・pulse]と相関が分かっている第1光電変換装置6が使用されうる。或いは、基板18の露光面上の照度の測定には、基板ステージ17上の第1光電変換装置19が使用されてもよい。
基板18の露光面上での照度I[W/m]は、(5)式のようになる。
I = P・f ・・・(5)
基板18の適正露光量Dは、露光時間をt[sec]とすると、(6)式のようになる。
D = I・t ・・・(6)
基板18の露光面におけるスリット状の露光光の走査方向の幅をL[mm]とし、基板18の走査速度をv[m/sec]とすると、露光時間tは、(7)式のようになる。
t = L/v ・・・(7)
(5)、(6)、(7)式により、(8)式が得られる。
D = P・L・f/v ・・・(8)
走査露光の場合には、(8)式において、パルス光量P、発振周波数f、走査速度vのそれぞれが、可変範囲の中に収まるように調整することが重要である。
走査露光における波長の変更周期Nλは、1以上の自然数mを使用し、(9)式のように規定される。
λ = L・f/(v・m) ・・・(9)
また、(9)式を計算した結果、Nλが整数でない場合には、小数点以下を四捨五入、または、切り捨て、または、切り上げたものをNλとすればよい。
ここで、スリット状の露光光の走査方向の幅L[mm]について更に説明する。図8は、スリット状の露光光と、該露光光の走査方向における強度分布を例示している。この強度分布は、例えば、設計値に基づいて算出されうる。或いは、この強度分布は、図8に示すように、第2光電変換装置19を走査しながら露光光を測定することによって求めてもよい。
図9は、スリット状の露光光の走査方向における幅L[mm]の決定方法を例示する図である。この例では、ほぼピーク強度の2分の1のところの幅をL[mm]としている。ここで、強度分布としては、スリット状の露光光の長手方向(非走査方向)におけるある位置(例えば、スリット状の露光光の長手方向における中心位置)における強度分布のみを使用してもよい。基板に対するスリット状の露光光の入射領域全体を平均化した強度分布を使用してもよい。或いは、スリット状の露光光の長手方向における複数の位置における幅を平均化した強度分布を使用してもよい。
更に、波長の変更周期Nλは、次のように算出してもよい。まず、パルス光の光量P、発振周波数f、走査速度vを決定する。図9における強度分布の裾野端の幅Lfull[mm]を使用して、波長の変更周期Nλを(10)式にしたがって算出する。
λ = Lfull・f/(v・m)・・・(10)
ここで、強度分布の裾野端の幅は、ピーク強度がほとんどない部分に着目したときの幅である。
以上のようにして、Nλを算出することにより、走査露光装置においても、適切な波長の変更周期で波長を変更することになるため、焦点深度が改善される。
本発明の第2実施形態によれば、複数のパルス光による積算露光において対象性が高いスペクトル分布が得られるので、焦点深度が改善されうる。また、ショットごとにベストフォーカス位置が異なることによるショット間ばらつきが低減されうる。
[応用例]
次に上記の露光装置を利用したデバイス製造方法を説明する。図11は、半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップ1(回路設計)では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ2(レチクル作製)では設計した回路パターンに基づいてレチクル(原版またはマスクともいう)を作製する。一方、ステップ3(ウエハ製造)ではシリコン等の材料を用いてウエハ(基板ともいう)を製造する。ステップ4(ウエハプロセス)は前工程と呼ばれ、上記のレチクルとウエハを用いて、リソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ5(組み立て)は後工程と呼ばれ、ステップ4によって作製されたウエ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)等の組み立て工程を含む。ステップ6(検査)ではステップ5で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これを出荷(ステップ7)する。
図12は、上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。ステップ11(酸化)ではウエハの表面を酸化させる。ステップ12(CVD)ではウエハ表面に絶縁膜を成膜する。ステップ13(電極形成)ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ14(イオン打込み)ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ15(CMP)ではCMP工程によって絶縁膜を平坦化する。ステップ16(レジスト処理)ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ17(露光)では上記の露光装置を用いて、回路パターンが形成されたマスクを介し感光剤が塗布されたウエハを露光してレジストに潜像パターンを形成する。ステップ18(現像)ではウエハ上のレジストに形成された潜像パターンを現像してレジストパターンを形成する。ステップ19(エッチング)ではレジストパターンが開口した部分を通してレジストパターンの下にある層又は基板をエッチングする。ステップ20(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、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。
積算露光におけるパルス光のスペクトル分布を例示する図である。 複数の波長をパルス毎に落とし込んだ際のスペクトル形状を例示する図である。 本発明の第1実施形態の露光装置の構成を概略的に示す図である。 λsetを中心波長として波長を−Δλ〜+Δλ間で周期的に変更した例を示す図である。 波長を周期的に変更する際のsin波以外の形状の例を示している。 発振パルス数に対して波長の変更周期が適切に設定されていない例を示す図である。 対称性の崩れたスペクトル分布を例示する図である。 スリット状の露光光とその強度分布を例示する図である。 スリット状の露光光の強度分布を例示する図である。 本発明の第2実施形態の露光装置の構成を概略的に示す図である。 デバイス製造方法を概略的に示す図である。 デバイス製造方法を概略的に示す図である。
符号の説明
1:光源、2:ビーム整形光学系、3:オプティカルインテグレータ、4:絞りターレット、5:ハーフミラー、6:第1光電変換装置、7:コンデンサレンズ、8:ブラインド、9:スリット、10:コンデンサレンズ、11:ミラー、12:コンデンサレンズ、13:原版、14:原版ステージ、15:投影光学系、16:フォーカス検出系、17:基板ステージ、18:基板、19:第2光電変換装置、20:ステージ駆動制御部、21:露光量演算部、22:制御部、22’:制御部、23:光源制御部、24:入力装置、25:記憶部、26:表示部

Claims (7)

  1. 光源から提供されるパルス光を用いて基板を露光する露光装置であって、
    前記光源が発生するパルス光の波長を周期的に変更するための制御部を備え、前記制御部は、基板の1つのショット領域を露光するために要求されるパルス光の数に基づいて前記波長の変更周期を決定する、
    ことを特徴とする露光装置。
  2. 基板の1つのショット領域を露光するために要求されるパルス光の数をN、自然数をmとしたときに、前記制御部は、前記波長の変更周期をN/mの値に基づいて定まる数のパルス光を発生する時間とする、ことを特徴とする請求項1に記載の露光装置。
  3. 前記制御部は、N/mの値が整数でない場合には、前記波長の変更周期をN/mの小数点以下を切り捨て、切り上げ、又は、四捨五入して得られる数のパルス光を発生する時間とする、ことを特徴とする請求項2に記載の露光装置。
  4. 光源から提供されるパルス光を用いて形成されるスリット状の露光光によって原版のパターンを基板に投影して該基板を走査露光する露光装置であって、
    前記光源が発生するパルス光の波長を周期的に変更するための制御部を備え、前記制御部は、前記光源の発振周波数と、基板の走査速度と、基板に入射するスリット状の露光光の走査方向における幅とに基づいて、前記波長の変更周期を決定する、
    ことを特徴とする露光装置。
  5. 前記発振周波数をf、前記走査速度をv、前記幅をL、自然数をmとしたときに、前記制御部は、前記波長の変更周期をL・f/(v・m)の値に基づいて定まる数のパルス光を発生する時間とする、ことを特徴とする請求項4に記載の露光装置。
  6. 前記制御部は、L・f/(v・m)の値が整数でない場合には、前記波長の変更周期をL・f/(v・m)の小数点以下を切り捨て、切り上げ、又は、四捨五入して得られる数のパルス光を発生する時間とする、ことを特徴とする請求項5に記載の露光装置。
  7. デバイス製造方法であって、
    請求項1乃至6のいずれか1項に記載の露光装置を使って基板を露光する工程と、
    該基板を現像する工程と、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
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