JP2000131822A - 位相シフトマスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位相シフトマスクに、露光するパターンの変
形を補正する機能を備え、照明条件を変更することなく
適正なパターンの露光を可能にする。 【解決手段】 光を透過する透明基板１１と、透明基板
１１上に形成されたハーフトーン膜１２と、ハーフトー
ン膜１２に開口されたホールパターン１（１ａ，１ｂ）
と、ホールパターン１に近接する位置のハーフトーン膜
１２上に形成された遮光膜１３とを備え、遮光膜１３は
ホールパターン１が露光されたときに露光パターンが短
縮される方向に沿った位置に配設される。ホールパター
ン１に沿って設けられた遮光膜１３によって、ハーフト
ーン膜１２に設けられたホールパターン１における光強
度分布の偏りが補正され、当該パターンにおける均等な
光強度分布が得られ、照明条件を変更しなくとも適正な
パターンの露光が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光リソグラフィで用
いられる位相シフトマスクに関し、特にパターン変形を
補正する機能を有する位相シフトマスクに関する。

【０００２】

【従来の技術】光リソグラフィの限界延長のため、位相
シフトマスクが開発されている。位相シフトマスクとは
透過型マスクの透過光（Ｘ線等の反射型マスクでは反射
光）の位相を部分的に１８０度変化させ、位相がされな
い光と１８０度位相が変化された光の干渉によりパター
ンに寄与しない光を相殺し、パターンに寄与する光の結
像面での強度分布を急峻にするものである。位相シフト
マスクは各種方式があるが、そのほとんどは特殊なマス
ク設計が必要であり、かつマスク製造にもまだ課題が残
され実用化には至っていない。しかし、ハーフトーン
（減衰）方式と呼ばれる位相シフトマスクは、これら設
計および作製上の問題がほぼ解決され、徐々に半導体製
造に使用されるようになってきた。このハーフトーン方
式位相シフトマスク（以下、ハーフトーンマスクと略
す）とは、マスク上の本来完全遮光領域であ部分に若干
の透過光を生じさせ、かつその透過光に周辺の透明領域
の光と１８０度の位相差を生じさせた位相シフトマスク
である。

【０００３】図８に従来のハーフトーンマスクの一例を
示しており、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は縦断面
図である。石英の透明基板１１上に酸化窒化モリブデン
シリサイド（ＭｏＳｉＯＮ）や酸化窒化クロム（ＣｒＯ
Ｎ）等の半透明膜を成膜し、かつその膜厚を所定の膜厚
に設定することで当該半透明膜を透過した透過光の位相
差を１８０度に合わせている。なお、この半透明でかつ
透過光に１８０度の位相差を生じさせる膜をハーフトー
ン膜１２と呼ぶ。なお、位相差を１８０度とするために
はハーフトーン膜１２の膜厚ｔを以下の値に設定する必
要がある。ｔ＝λ／（２ｘ（ｎ−１））ここで、λは露
光光の波長、ｎは露光光に対するハーフトーン膜１２の
屈折率である。また、ハーフトーン膜１２の透過率は４
〜２０％程度が一般的であるが、これは適用するパター
ンおよび露光条件（露光装置の開口数ＮＡおよびコヒー
レントファクターσ等）により最適値が異なる。

【０００４】さらに、前記ハーフトーン膜１２の一部に
は露光パターンを形成するためのパターン、ここではホ
ールパターン１が開口されるとともに、このホールパタ
ーン１を包囲する周辺領域には遮光膜１３が配設されて
いる。この遮光膜１３はハーフトーン膜１２と選択的に
エッチングできることが必要である。たとえはハーフト
ーン膜１２に酸化窒化モリブデンシリサイドを用いた場
合には遮光膜１３の材料としてはクロム（正確には酸化
クロムとクロムの２層）が用いられていた。クロムはウ
エットエッチング（硝酸第２セリウムアンモニュウム）
により酸化窒化モリブデンシリサイドに影響を与えずに
除去できる。なお、この遮光膜１３は露光装置が半導体
基板（以下、ウエハと呼ぶ）上にマスクパターンを転写
する際に、隣接露光領域にまで不要な光が漏れるのを防
止するために配置されている。この遮光膜１３が無い場
合には、露光領域の境界でハーフトーン膜１２の透過光
が照射され、その部分の感光性樹脂（以下、レジストと
呼ぶ）が現像されたり、レジストパターンの寸法が変化
するなどの問題が生じる。

【０００５】しかし、ハーフトーンマスクを用いた際
に、解像度および焦点深度は向上するものの、露光する
パターンに変形が生じることが報告されている。例え
ば、第４５回応用物理関連連合後援会、講演予稿集Ｎ
ｏ．２、７３３ページ、講演番号３０ｐ−ＹＬ−２、内
山氏ら、「ハーフトーン位相シフト法と変形照明法の組
み合わせによるコンタクトホールパターン形成の検討
（１）」、１９９８年３月３０日。このため、ハーフト
ーンマスクを用いて半導体装置のコンタクトホールやス
ルーホール等を開口するためのホールパターンを形成す
る場合に、前記したようなハーフトーンマスクによって
ホールパターンに変形あるいは位置のずれが生じると、
ホールにおける接触面積の低下による接続抵抗の上昇だ
けでなく、ホールパターンが他の工程で形成したパター
ンに接触し半導体素子の機能を破壊するおそれもある。
例えば、ＲＡＭの容量コンタクトホールパターンはビッ
ト線あるいはワード線の間にこれらの線に接触しないよ
うに形成される必要があり、重ね合わせの許容範囲は半
導体素子の設計ルールの１／４程度が要求されている。
すなわち、０．２μｍルールのＤＲＡＭでは５０ｎｍ程
度の重ね合わせずれしか許容されず、これは露光装置の
ステージ精度とほぼ同じ値であり、ホールパターンの変
形および位置ずれが少しでも生じると問題となることが
予想される。

【０００６】そこで、前記文献ではハーフトーンマスク
使用時の変形を、照明条件により補正する方法が提案さ
れている。例えば、縦方向に密で横方向に粗なホールパ
ターンでは、小σ照明条件では縦長に変形し、反対に輪
帯照明や４点照明等の斜入射照明条件下では横長に変形
する性質がある。そこで、パターンのレイアウトに対し
て照明条件を最適化（有効光源の形の最適化）を行え
ば、ホールパターンの変形をなくすことができる。な
お、露光装置の照明条件は、フライアイレンズで形成さ
れる有効光源の形状を、絞りあるいはフィルターで変化
させることで変更している。一版に、孤立パターンおよ
び位相シフトマスクの焦点深度を拡大するために、小σ
照明条件と呼ばれる有効光源を小さく絞った照明条件が
用いられる。その反対に、周期パターンの焦点深度拡大
には斜入斜照明と呼ばれる、有効光源の中央を遮光した
照明が用いられる。図９に斜入射照明の１つである４点
照明の有効光源を示す。この４点照明では４つの各光源
の大きさ（σ２）と各光源の中央からの位置（σ１）を
変化させることにより露光特性が変化する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の技術のように、照明条件の変更を伴う技術では、パ
ターンの変形と同時に投影レンズの収差（ディストーシ
ョン、コマ、球面、非点収差等）を変化させてしまう。
そのため、重ね合わせ精度および寸法精度等を考慮する
と、露光装置で特定の照明条件が使用できない場合が生
じることが多く、前記したようなホールパターンを必ず
しも工程に露光することができないという問題が生じて
いる。このため、露光装置照明条件（レンズ特性が保証
された照明条件）を変更せずにパターンの変形を補正す
る方法が望まれていた。

【０００８】本発明の目的は、パターンの変形を補正す
る機能を備え、照明条件を変更することなく適正なパタ
ーンの露光を可能にした位相シフトマスクを提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の位相シフトマス
クは、光を透過又は反射する基板と、前記基板上に形成
されたハーフトーン膜と、前記ハーフトーン膜に開口さ
れたパターンと、前記パターンに近接する位置の前記ハ
ーフトーン膜上に形成された遮光膜とを備え、前記遮光
膜は前記パターンが露光されたときに露光パターンが短
縮される方向に沿った位置に配設されていることを特徴
とする。ここで、前記位相シフトマスクは輪帯照明又は
４点照明等の斜入射照明条件下で露光が行われ、前記位
相シフトマスクには前記パターンが一方向に沿って近接
配置された複数のパターンとして構成され、前記遮光膜
は前記一方向に沿った前記パターンの少なくとも一方の
側に配設されている。あるいは、前記位相シフトマスク
は小σ照明条件下で露光が行われ、前記位相シフトマス
クには前記パターンが一方向に沿って近接配置された複
数のパターンとして構成され、前記遮光膜は前記一方向
と直交する方向の前記パターンの少なくとも一方の側に
配設されている。

【００１０】本発明によれば、パターンに沿って設けら
れた遮光膜によって、ハーフトーン膜に設けられたパタ
ーンにおける光強度分布の偏りが補正され、当該パター
ンにおける均等な光強度分布が得られる。これにより、
光強度分布の偏りによる露光パターンの変形が補正さ
れ、照明条件を変更しなくとも適正なパターンの露光が
実現できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の位相シフトマスクの
第１の実施形態を示しており、図１（ａ）は平面図、図
１（ｂ）はその縦断面図である。この実施形態は、ウェ
ハ上に０．２μｍ□の２つのホールを形成するためのマ
スクとして構成した例であり、石英からなる透明基板１
１上にハーフトーン膜１２が成膜されている。前記ハー
フトーン膜１２は、透過率は６％、位相差１８０度とな
る膜厚に形成されており、前記ホールを露光するための
ホールパターンとして、マスクバイアス０．０４μｍを
付加した０．２４μｍ□のホールに対応して１．２μｍ
□の開口寸法の一対のホールパターン１（１ａ，１ｂ）
が一方向（図示左右方向）に沿って比較的に近接した間
隔で開口されている。さらに、前記ハーフトーン膜１２
の上にはクロム（膜厚１００ｎｍ）からなる遮光膜１３
（１３ａ，１３ｂ）が成膜されており、前記遮光膜１３
ａ，１３ｂはそれぞれその一辺が前記ホールパターン１
ａ，１ｂの左辺、右辺にそれぞれ沿うように形成されて
いる。なお、前記遮光膜１３の平面寸法は、長さＬ＝
１．２μｍ、幅Ｗ＝１．０μｍとなっている。

【００１２】図１に示した位相シフトマスクの製造方法
を図２を参照して説明する。図２は主要なマスク製造工
程を示している。まず、図２（ａ）に示すように合成石
英の透明基板１１上に、酸化窒化モリブデンシリサイド
のハーフトーン膜１２およびクロムの遮光膜１３を成膜
したマスク基板を作製する。前記ハーフトーン膜１２を
構成する酸化窒化モリブデンシリサイドは、後述するよ
うに露光装置で用いられる光、すなわちＫｒＦエキシマ
レーザー光（波長λ＝２４８ｎｍ）に対して屈折率ｎは
２．１である。そこで、前記ハーフトーン膜１２の膜厚
ｔは、前記した式から、 ｔ＝λ／（２×（ｎ−１））＝２４８／（２×（２．１
−１））＝１１３ｎｍ に設定される。これにより、前記ハーフトーン膜１２を
透過する光と透過しない光との間に１８０度の位相差を
生じさせる。また、前記遮光膜１３の膜厚は５０ｎｍで
あり、この膜厚では透過率は０．１％以下となり、前記
ハーフトーン膜１２を透過する６％の光を完全に遮光す
ることができる。

【００１３】次に、図２（ｂ）に示すようにレジスト１
４を塗布し、電子線描画装置を用いてマスクパターンの
描画を行う。ここでは、ホールパターン等の透明領域と
なる部分のパターンが描画される。そして、図２（ｃ）
に示すように、前記レジスト１４のホールパターン領域
に窓を開口した後、前記レジスト１４をマスクにしてド
ライエッチングにより前記遮光膜１３およびハーフトー
ン膜１２を選択的に除去する。なお、前記遮光膜１３の
エッチングには塩素を含むガス（Ｃｌ₂ 等）が用いら
れ、前記ハーフトーン膜１２のエッチングにはフッ素を
含むガス（ＣＦ₃等）を用いる。これにより、前記遮光
膜１３とハーフトーン膜１２にはそれぞれホールパター
ン１ａ，１ｂが開口される。

【００１４】次いで、図２（ｄ）に示すように、前記レ
ジスト１４を剥離し、再びレジスト１５を塗布した後
に、前記と同様に電子線描画装置を用いて遮光領域のパ
ターンを描画する。そして、図２（ｅ）に示すように、
レジスト１５をパターン形成した後、前記レジスト１５
をマスクとしてウエットエッチング（硝酸第２セリウム
アンモニュウム水溶液）により、選択的に遮光膜１３を
除去する。その後、図２（ｆ）に示すように、前記レジ
スト１５を剥離すると、図１に示した位相シフトマスク
が製造される。

【００１５】以上の構成の位相シフトマスクを用いてウ
ェハに対してホールパターンの露光を行うが、この実施
形態では、その際の露光装置として、縮小率１／５、Ｎ
Ａ＝０．５５、４点輪帯照明（中央より４５度方向にσ
１＝０．６の位置に、大きさσ２＝０．２の４箇所の有
効光源）のＫｒＦエキシマレーザー露光装置を用いる。
このため、ウェハ上には、０．２μｍ□のホールのパタ
ーンが露光されることになる。そして、このウェハ上で
の図１（ａ）のＡＡ線に沿うホールパターン１ａでの露
光の相対光強度を測定するとともに、その際に遮光膜１
３の幅Ｗを変化させた時の光強度分布を図３に示す。同
図においてｘ軸は結像面上の位置であり、ｘ＝０ｎｍに
はホールパターン１ａの中央を位置させている。よっ
て、ウエハ上で形成したいホールパターンのエッジはＸ
＝±１００ｎｍ（±０．１μｍ）に位置している。ま
た、ｙ軸は相対光強度と呼ばれ、パターンが存在しない
十分に広い領域の光強度を１として規格値化した値であ
る。

【００１６】図３から判るように、遮光膜１３が無いと
（Ｗ＝０μｍ）、ホールパターン１ａの右側に比べ左側
の光強度が低くなり、パターンが全体として右側にずれ
ている。そして、遮光膜１３の幅Ｗを大きくするにつ
れ、パターン左側の光強度が次第に高くなり、Ｗ＝０．
１５μｍ以上でパターン左右のエッジ部分（Ｘ＝−１０
０ｎｍと＋１００ｎｍ）の光強度は等しくなる。この光
強度分布よりレジストパターンを予測する方法として、
一般にエキスポージャー・スレッシュホルドモデルとい
う簡便なレジスト現像モデルがある。これは光強分布に
おいて、ある強度以上の部分が現像により除去され、そ
れ以下の部分は現像しても溶けないと仮定するモデルで
ある。そして、図４に、図３の光強度分布よりエキスポ
ージャー・スレッシュホルドモデルを用いて求めたレジ
ストパターンのずれ量（ホールパターンのセンター位置
のずれ）と遮光膜１３の幅Ｗの関係を示す。遮光膜１３
の幅Ｗ＝０μｍでは１０ｎｍのＸ方向位置ずれが生じる
が、０．１５μｍ以上のＷでは位置ずれ量は１ｎｍ程度
に抑えられている。なお、ホールパターン１ｂについて
は、ホールパターン１ａと左右が反対向きの特性が得ら
れる。

【００１７】したがって、ある程度の幅の遮光膜をホー
ルパターンの一辺に沿って配設することで、遮光膜が存
在する側の相対光強度を対向する辺側の相対光強度に対
して増加することが可能となり、ホールパターンの互い
に対向する辺での光強度を等しいものにすることが可能
となる。したがって、適正な露光量での露光を行えば、
ホールパターンの対向する辺での露光状態を均等化で
き、前記したような露光装置照明条件に伴うパターン変
形を補正することができる。因みに、この例の場合に
は、横方向に密で縦方向に粗なホールパターンであるた
め、露光装置の４点照明の斜入射照明条件下では横寸法
が短く変形するおそれがあるが、前記遮光膜１３が存在
することによって横寸法を長い方向に補正でき、変形の
ないホールパターンの露光が可能となる。これにより、
露光装置照明条件（レンズ特性が保証された照明条件）
を変更せずにパターンの変形を補正することが実現でき
る。

【００１８】次に、本発明の第２の実施形態について図
面を用いて説明する。ここでは、ＮＡ＝０．６のＫｒＦ
エキシマレーザー露光装置で用いるハーフトーンマスク
として説明し、異なる２照明条件の場合を示している。
照明条件は４点照明（σ１＝０．６，σ２＝０．２）と
小σ照明（σ＝０．３）の２条件とする。図５（ａ）は
比較として示す従来のハーフトーンマスクである。な
お、説明を判り易くするために、露光装置の露光倍率は
１倍であるとし、ウエハ上に０．２μｍ□ホールを形成
するマスクとした場合、ホールパターン１は、縦方向
（図の上下方向）は０．４μｍピッチの周期性があり、
横方向（図の左右方向）には孤立となっている（左右の
パターンと十分離れている）。また、０．０４μｍのマ
スクバイアスを付加しているため、ホールパターンの寸
法は０．２４μｍ□となっている。そして、図５（ｂ）
が４点照明条件でのホールパターンの変形を防止する場
合の位相シフトマスクであり、図５（ｃ）が小σ照明条
件でのホールパターンの変形を防止する場合の位相シフ
トマスクある。そして、図５（ｂ）の位相シフトマスク
では、ホールパターン１が連なる縦方向の辺に沿って遮
光膜１３を形成している。この遮光膜１３の縦の幅は
０．２μｍ、横の長さは０．２４μｍとしている。ま
た、図５（ｃ）の位相シフトマスクでは、ホールパター
ン１が連なる縦方向と直交する横方向の辺に沿って遮光
膜１３を形成している。この遮光膜の縦方向の幅寸法は
０．２μｍとしている。

【００１９】先ず、露光装置が４点照明の場合について
説明する。この露光装置に図５（ａ）の従来の位相シフ
トマスクを用いたときの光強度分布を図６（ａ）に示
す。図６（ａ）のＸ／Ｙ軸は図の横／縦方向であり、
（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）にはホールパターン１のセンタ
ーが位置している。また、この図中の等高線は相対光強
度の０．１刻みで示しており、実際の露光では露光量に
応じて相対光強度０．２〜０．３程度の等高線と同じ形
状のホールパターンが得られる。同図に示すように４点
照明の場合には、周期的な方向に縮み、周期性のない方
向に伸びるようにホールパターンが変形する。一方、前
記４点照明の露光装置に、図５（ｂ）に示すたようにパ
ターンの縮むＹ方向に遮光膜１３を形成し、その方向の
光強度を高める位相シフトマスクを用いたときの光強度
分布を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）から判るように、
図５（ｂ）の位相シフトマスクにより、ほぼ完全な円形
のホールパターンが得られており、ホールパターンの変
形が補正されている。すなわち、従来の位相シフトマス
クで縦横の寸法差は０．０１５μｍ程度生じていたが、
本発明にかかる図５（ｂ）の位相シフトマスクでは縦横
の寸法差ほぼ０となっている。

【００２０】また、露光装置が小σ照明装置の場合につ
いて説明する。この露光装置に図５（ａ）の従来の位相
シフトマスクを用いたときの光強度分布を図７（ａ）に
示す。この照明条件ではホールパターンは周期性のある
縦方向に伸び、孤立となっている横方向に縮んでしま
う。一方、前記小σ照明装置に、図５（ｃ）に示したよ
うにパターンの縮む横方向に遮光膜１３を形成した位相
シフトマスクを用いたときの光強度分布を図７（ｂ）に
示す。図７（ｂ）から判るように、ホールパターン横方
向の光強度が高くなり、円形に近いホールパターンが得
られている。この小σ照明条件の場合には、パターンの
変形が著しく、従来の位相シフトマスクで約０．０４μ
ｍ縦横寸法の差が生じるが、本発明の位相シフトマスク
では、縦横寸法の差は約０．０１μｍまで改善された。

【００２１】なお、前記各実施形態において、遮光膜１
３は必ずしもその一辺がホールパターンの一辺に接して
いる必要はなく微小寸法程度、例えば、０．１μｍ程度
離れてもパターンの形状を補正することができる。ま
た、以上は光リソグラフィで用いられる透過型マスクに
ついて説明したが、本発明はＸ線等の他の波長を用いる
投影露光用マスクにも同様に適用でき、また反射型マス
クにも適用できる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の位相シフト
マスクは、光を透過又は反射する基板と、前記基板上に
形成されたハーフトーン膜と、前記ハーフトーン膜に開
口されたパターンと、前記パターンに近接する位置の前
記ハーフトーン膜上に形成された遮光膜とを備えてお
り、前記遮光膜は前記パターンが露光されたときに露光
パターンが短縮される方向に沿った位置に配設されてい
るので、パターンに沿って設けられた遮光膜によって、
ハーフトーン膜に設けられたパターンにおける光強度分
布の偏りが補正され、当該パターンにおける均等な光強
度分布が得られる。これにより、光強度分布の偏りによ
る露光パターンの変形が補正され、照明条件を変更しな
くとも適正なパターンの露光が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の位相シフトマスクの
平面図と縦断面図である。

【図２】図１の位相シフトマスクの製造方法を工程順に
示す断面図である。

【図３】図１の位相シフトマスクにおける遮光膜幅を変
化した場合のホールパターンの相対光強度特性を示す図
である。

【図４】遮光膜の幅とパターンの位置ずれの相関を示す
図である。

【図５】本発明の第２の実施形態における従来と本発明
の各位相シフトマスクの平面図である。

【図６】４点照明装置を用いたときの従来と本発明の各
位相シフトマスクによる露光パターン特性を比較して示
す図である。

【図７】小σ照明装置を用いたときの従来と本発明の各
位相シフトマスクによる露光パターン特性を比較して示
す図である。

【図８】従来の位相シストマスクの一例の平面図と断面
図である。

【図９】小σ照明を説明するための図である。

【符号の説明】

１（１ａ，１ｂ） ホールパターン １１ 透明基板 １２ ハーフトーン膜 １３ 遮光膜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を透過又は反射する基板と、前記基板
   上に形成されたハーフトーン膜と、前記ハーフトーン膜
   に開口されたパターンと、前記パターンに近接する位置
   の前記ハーフトーン膜上に形成された遮光膜とを備え、
   前記遮光膜は前記パターンに対して、前記パターンが露
   光されたときに露光されたパターンが短縮される方向に
   沿った位置に配設されていることを特徴とする位相シフ
   トマスク。
2. 【請求項２】 前記ハーフトーン膜は、前記露光される
   光が当該ハーフトーン膜を透過する際にその位相を１８
   ０度変化させる膜として形成されている請求項１に記載
   の位相シフトマスク。
3. 【請求項３】 前記位相シフトマスクは輪帯照明又は４
   点照明等の斜入射照明条件下で露光が行われる位相シフ
   トマスクとして構成され、前記位相シフトマスクに形成
   される前記パターンは平面一方向に沿って近接配置され
   た複数のパターンとして構成され、前記遮光膜は前記一
   方向に沿った前記パターンの少なくとも一方の側に配設
   されている請求項２に記載の位相シフトマスク。
4. 【請求項４】 前記位相シフトマスクは小σ照明条件下
   で露光が行われる位相シフトマスクとして構成され、前
   記位相シフトマスクに形成される前記パターンは平面一
   方向に沿って近接配置された複数のパターンとして構成
   され、前記遮光膜は前記一方向と直交する方向の前記パ
   ターンの少なくとも一方の側に配設されている請求項２
   に記載の位相シフトマスク。
5. 【請求項５】 前記遮光膜は、前記パターンの辺に向け
   られた側の辺が、当該パターンの辺に近接ないし重なる
   状態に形成されている請求項３または４に記載の位相シ
   フトマスク。
6. 【請求項６】 前記パターンは矩形をしたホールパター
   ンである請求項５に記載の位相シフトマスク。