JP2002072442A - 位相シフトマスクの製造方法、レジストパターンの形成方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

位相シフトマスクの製造方法、レジストパターンの形成方法および半導体装置の製造方法

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JP2002072442A
JP2002072442A JP2000261395A JP2000261395A JP2002072442A JP 2002072442 A JP2002072442 A JP 2002072442A JP 2000261395 A JP2000261395 A JP 2000261395A JP 2000261395 A JP2000261395 A JP 2000261395A JP 2002072442 A JP2002072442 A JP 2002072442A
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mask
exposure
phase shift
shift mask
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Koji Kikuchi
晃司 菊地
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    • G03F7/705—Modelling or simulating from physical phenomena up to complete wafer processes or whole workflow in wafer productions

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位相シフトマスクを用いて露光を行う場合
に、リソグラフィープロセス裕度を確保しつつ、転写パ
ターンの位置ずれを最小化し、転写位置精度の向上を図
る。 【解決手段】 レベンソン位相シフトマスクを製造する
場合に、露光に用いられる露光装置の光学系の光学条件
（開口数、パーシャルコヒーレンスファクター等）およ
びマスク構造（基板掘り込み量、位相シフタの厚さ等）
と露光により転写するパターンの位置ずれとの関係をシ
ミレーションにより求め、マスク製造時の誤差を考慮し
て、パターンの位置ずれが必要な範囲内に抑えられるよ
うな光学条件およびマスク構造を求める。求められた光
学条件およびマスク構造に対して所要の露光裕度および
焦点深度が得られるか検証を行い、良好な結果が得られ
るまでこれを繰り返す。良好な結果が得られたら光学条
件およびマスク構造を決定し、露光装置の光学条件をそ
の条件に設定するとともに、そのマスク構造が得られる
ようにマスク製造を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、位相シフトマス
クの製造方法、レジストパターンの形成方法および半導
体装置の製造方法に関し、特に、いわゆるレベンソン位
相シフトマスクの製造、レベンソン位相シフトマスクを
用いて露光を行うレジストパターンの形成およびレベン
ソン位相シフトマスクを用いて露光を行うことによりレ
ジストパターンを形成する半導体装置の製造に適用して
好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイス製造等におけるリソグラ
フィープロセスは、パターンの微細化の進展に伴い、露
光に用いられる光の波長から決定される解像限界を超え
た高解像度が要求されている。
【０００３】近年、露光波長以下の寸法の微細パターン
の形成を可能とするために、透過光の位相変調機能を持
たせ、光の干渉を利用して解像力を向上させる位相シフ
トマスクと呼ばれる高解像度露光用フォトマスクを用い
る技術が開発されている。この位相シフトマスクには、
隣接するマスクパターンに対応するマスク開口部を透過
する光を互いに反位相とするレベンソン型、遮光部に透
過性を持たせ、かつその透過光の位相をマスク開口部の
透過光の位相に対して反位相とするハーフトーン型等、
いくつかの種類がある。これらのうち、レベンソン位相
シフトマスクはすでにＤＲＡＭ、高速ＬＳＩ等の製造に
実用化されており、有用性が確認されている。
【０００４】このレベンソン位相シフトマスクには、隣
接するマスクパターンに対応するマスク開口部を透過す
る光を互いに反位相とするために、マスク基板である石
英基板を掘り込んだ基板掘り込み型と、石英基板上に位
相シフタを形成した位相シフタ付与型とがある。
【０００５】基板掘り込み型レベンソン位相シフトマス
クの構造の一種にデュアルトレンチ（Dual Trench)構造
がある。このデュアルトレンチ構造では、透過する光の
位相が互いに反位相、すなわち位相が０°、１８０°両
方の領域について堀り込みを行う。これは、位相が０
°、１８０°の両方の領域を掘り込むことにより、０°
の位相を持った透過光と１８０°の位相を持った透過光
とのコントラストの差が小さくなり、パターン転写時の
位置ずれを防ぐことができるからである。この基板掘り
込み型レベンソン位相シフトマスクの構造の具体例を図
７に示す。図７において、符号１０１は石英基板、１０
２はマスクパターン、１０３、１０４は掘り込み部を示
す。
【０００６】図８および図９は位相シフタ付与型レベン
ソン位相シフトマスクの構造の具体例を示し、図８は位
相シフタ上置き型、図９は位相シフタ下置き型である。
図８および図９において、符号２０１は石英基板、２０
２はマスクパターン、２０３は位相シフタを示す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来のレベンソ
ン位相シフトマスクを用いて露光を行う場合には、露光
時に生じる焦点合わせのずれ（デフォーカス）による０
°、１８０°の位相の透過光のコントラストの変動が互
いに異なるため、デフォーカスによりパターンの転写の
位置ずれが発生してしまう。パターン転写を行うウエハ
表面の段差、露光装置に存在する各種の誤差、マスクの
製造時の誤差（例えば、基板に掘り込み部を形成するた
めのエッチングの誤差）等により、ある程度のデフォー
カスは必ず起こり得るため、予想されるデフォーカス領
域内でパターンの転写位置ずれを小さくする必要があ
る。
【０００８】しかしながら、これまで、パターンの転写
の位置ずれを最小化するための具体的な方策は提案され
ていないのが実状であった。
【０００９】したがって、この発明が解決しようとする
課題は、位相シフトマスクを用いて露光を行う場合に、
リソグラフィープロセス裕度を確保しつつ、転写パター
ンの位置ずれを最小化し、転写位置精度の向上を図るこ
とができる位相シフトマスクの製造方法、そのような位
相シフトマスクを用いて露光を行うレジストパターンの
形成方法およびそのような位相シフトマスクを用いて露
光を行うことによりレジストパターンを形成する半導体
装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、露光に用いられる露光光学系の光学条
件およびマスク構造と露光により転写するパターンの位
置ずれとの関係を求め、マスク製造時の誤差を考慮し
て、上記パターンの位置ずれが所要の範囲内に抑えられ
るような上記光学条件およびマスク構造を求め、上記求
められた光学条件およびマスク構造に対して、所要の露
光裕度および焦点深度が得られるか検証を行い、上記検
証の結果が良好な場合に、上記マスク構造が得られるよ
うにマスク製造を行うようにしたことを特徴とする位相
シフトマスクの製造方法である。
【００１１】また、この発明は、位相シフトマスクを用
いて露光を行うようにしたレジストパターンの形成方法
において、露光に用いられる露光光学系の光学条件およ
び上記位相シフトマスクのマスク構造と露光により転写
するパターンの位置ずれとの関係を求め、マスク製造時
の誤差を考慮して、上記パターンの位置ずれが所要の範
囲内に抑えられるような上記光学条件およびマスク構造
を求め、上記求められた光学条件およびマスク構造に対
して、所要の露光裕度および焦点深度が得られるか検証
を行い、上記検証の結果が良好な場合に、上記露光光学
系の光学条件を上記求められた光学条件に設定するとと
もに、上記求められたマスク構造が得られるように上記
位相シフトマスクを製造し、これらの露光光学系および
位相シフトマスクを用いて露光を行うようにしたことを
特徴とするものである。
【００１２】また、この発明は、位相シフトマスクを用
いて露光を行うことによりレジストパターンを形成する
工程を有する半導体装置の製造方法において、露光に用
いられる露光光学系の光学条件および上記位相シフトマ
スクのマスク構造と露光により転写するパターンの位置
ずれとの関係を求め、マスク製造時の誤差を考慮して、
上記パターンの位置ずれが所要の範囲内に抑えられるよ
うな上記光学条件およびマスク構造を求め、上記求めら
れた光学条件およびマスク構造に対して、所要の露光裕
度および焦点深度が得られるか検証を行い、上記検証の
結果が良好な場合に、上記露光光学系の光学条件を上記
求められた光学条件に設定するとともに、上記求められ
たマスク構造が得られるように上記位相シフトマスクを
製造し、これらの露光光学系および位相シフトマスクを
用いて露光を行うようにしたことを特徴とするものであ
る。
【００１３】この発明における露光光学系の光学条件お
よびマスク構造の決定方法の概要をフローチャートで表
すと図１に示すようになる。
【００１４】露光光学系の光学条件の代表的なものは、
開口数（ＮＡ）およびパーシャルコヒーレンスファクタ
ー（σ）である。ここで、パーシャルコヒーレンスファ
クターとは、露光装置において、照明光学系の開口数を
投影光学系のマスク側の開口数で除した値をコヒーレン
スと呼ぶが、このコヒーレンスが０のとき（コヒーレン
ト照明）と∞のとき（インコヒーレント照明）との中間
にある場合（パーシャルコヒーレント照明）におけるそ
の値のことを言う。
【００１５】位相シフトマスクは典型的にはレベンソン
位相シフトマスクであり、これには図７に示すような基
板堀り込み型のものも、図８および図９に示すような位
相シフタ付与型のものも含まれる。前者の基板堀り込み
型レベンソン位相シフトマスクにおけるマスク構造は基
板掘り込み量により規定され、この基板掘り込み量の最
適化により転写パターンの位置ずれを最小化する。ま
た、後者の位相シフタ付与型レベンソン位相シフトマス
クにおけるマスク構造は位相シフタの厚さにより規定さ
れ、この位相シフタの厚さの最適化により転写パターン
の位置ずれを最小化する。
【００１６】図１における適用パターンの決定は、同一
形状のパターンが等間隔で規則的に配置される一様パタ
ーンのような最も単純な場合にはそのデザインルールで
決定される。一方、例えば論理ＬＳＩ等のようにパター
ンが複雑で一様でない場合には、基板掘り込み型レベン
ソン位相シフトマスクにあっては掘り込み部の幅や形
状、位相シフタ付与型レベンソン位相シフトマスクにあ
っては位相シフタの幅や形状も複雑になるが、これらの
幅や形状により、転写パターンの位置ずれやリソグラフ
ィープロセス裕度が異なるため、パターン全面において
位置ずれを防ぎ、しかも、リソグラフィープロセス裕度
を確保することができるように光学条件およびマスク構
造の最適化を図ることが必要である。このためには、パ
ターンを分類して同一パターン形状とみなせるグループ
に分け、これらのグループ毎に光学条件およびマスク構
造を最適化し、それらのうち最も厳しい条件を満たすよ
うに光学条件およびマスク構造を設定することにより、
各グループのパターンに対して光学条件およびマスク構
造を最適化することができる。
【００１７】上述のように構成されたこの発明によれ
ば、マスク製造時の誤差を考慮して、パターンの位置ず
れが所要の範囲内に抑えられるような光学条件およびマ
スク構造を求め、これらの光学条件およびマスク構造に
対して、所要の露光裕度および焦点深度が得られるまで
この手続きを繰り返すことにより、リソグラフィープロ
セス裕度を確保しつつ、パターンの位置ずれを最小化す
るのに最適な光学条件およびマスク構造を得ることがで
きる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態につ
いて図面を参照しながら説明する。この一実施形態にお
いては、基板掘り込み型レベンソン位相シフトマスクに
おいて、マスクの断面構造が露光用の光に与える影響を
考慮したシミュレーションにより適切な基板掘り込み量
および位相差を決定する場合について説明する。ここで
は、マスクパターンとして０．２６μｍピッチのライン
・アンド・スペースパターン（Line and Space patter
n）を考える。
【００１９】図２にシミュレーションを行った基板掘り
込み型レベンソン位相シフトマスクの構造を示す。図２
において、符号１は石英基板、２は例えばクロム（Ｃ
ｒ）膜からなるマスクパターン、３、４は掘り込み部を
示す。この場合、掘り込み部４を掘り込み部３より深く
形成する。
【００２０】図３にシミュレーション結果を示す。図３
において、横軸は図２の深い方の掘り込み部４の堀り込
み量、縦軸は−０．３〜０．３μｍを必要焦点深度とし
た場合の転写パターンの位置ずれ量を示す。シミュレー
ションは、堀り込み部４と堀り込み部３との堀り込み量
の差を５水準に変えて行った。ただし、図３において
は、堀り込み量の差を位相差で表している。位相差をφ
（°）、露光に用いる光の波長をλ（ｎｍ）、ガラス部
の屈折率を１．５１とすると、堀り込み量の差は（φ／
３６０）×λ÷（１．５１−１）（ｎｍ）で表される。
露光装置としては、開口数ＮＡ＝０．６０でパーシャル
コヒーレンスファクターσ＝０．５３のＫｒＦスキャナ
ーを用いた。この場合、λ＝２４８ｎｍである。
【００２１】ところで、０．１３μｍルール世代で用い
られる石英基板エッチング装置は、５インチサイズのマ
スク面内で±４ｎｍのエッチング誤差があると予想され
る。したがって、図３中、横軸の８ｎｍの範囲で位置ず
れを抑える必要がある。図３を見ると、この要求を満た
すためには、位相差が１６９°の曲線に着目し、深い方
の掘り込み部４の堀り込み量を６２０ｎｍとすればよい
ことが分かり、このとき浅い方の掘り込み部３の堀り込
み量は（１６９／３６０）×２４８÷（１．５１−１）
≒２３０ｎｍとなる。これより、転写パターンの位置ず
れを最小化するためには、掘り込み部４の掘り込み量を
６２０ｎｍ、掘り込み部３の掘り込み量を３９０ｎｍと
するのが最適であることが分かる。
【００２２】図４は、必要焦点深度範囲内におけるパー
シャルコヒーレンスファクターσと位置ずれとの関係を
示す。σは３水準に変えた。図４より、σが小さいほど
位置ずれが小さくなる傾向があり、σ＝０．４の場合に
最も位置ずれが小さくなることが分かる。したがって、
使用する露光装置の露光光学系のパーシャルコヒーレン
スファクターσを０．４に設定する。
【００２３】以上のようにして基板掘り込み型レベンソ
ン位相シフトマスクのマスク構造および露光装置の光学
条件（ＮＡ、σ等）を最適化したときの露光量および焦
点深度の裕度のウィンドウ（ＥＤウィンドウ）を図５に
示す。図５より、露光裕度＝１２％、焦点深度＝０．９
５μｍが得られており、量産に適用可能なリソグラフィ
ープロセス裕度が得られていることが分かる。
【００２４】この一実施形態によるリソグラフィープロ
セスをＤＲＡＭのゲート電極の形成に適用した例を図６
に示す。すなわち、図６Ａに示すように、あらかじめ素
子分離領域が形成され、活性領域の表面にゲート酸化膜
（図示せず）が形成されたシリコン基板５１上にゲート
電極材料となる導電層５２を形成し、その上にレジスト
５３を塗布形成する。次に、上述のようにしてマスク構
造が最適化された基板掘り込み型レベンソン位相シフト
マスクおよび光学条件（ＮＡ、σ等）が最適化された露
光装置を用いてレジスト５３の露光を行う。この後、現
像を行い、図６Ｂに示すように、レジストパターン５４
を形成する。
【００２５】次に、このレジストパターン５４をマスク
として導電層５２を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）
等によりエッチングすることにより、図６Ｃに示すよう
に、ゲート電極５５を形成する。
【００２６】以上のように、この一実施形態によれば、
マスク構造、具体的には掘り込み部の掘り込み量を最適
化した基板掘り込み型レベンソン位相シフトマスクおよ
び光学条件（ＮＡ、σ等）を最適化した露光装置を用い
て露光を行うことにより、リソグラフィープロセス裕度
を十分に確保しつつ、転写パターンの位置ずれを最小化
することができ、高い転写位置精度を得ることができ
る。
【００２７】以上、この発明の一実施形態について具体
的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定さ
れるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種
の変形が可能である。
【００２８】例えば、上述の一実施形態においては、
０．２６μｍピッチのライン・アンド・スペースパター
ンの形成にこの発明を適用した場合について説明した
が、デザインルールはこれに限定されるものではなく、
また、例えば論理ＬＳＩのパターン等のようにより複雑
なパターンを形成する場合にもこの発明を適用すること
が可能である。
【００２９】また、上述の一実施形態においては、マス
ク基板が石英基板である場合について説明したが、マス
ク基板は石英基板以外のものであってもよい。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、レベンソン位相シフトマスクを用いて露光を行う場
合に、リソグラフィープロセス裕度を確保しつつ、転写
パターンの位置ずれを最小化し、転写位置精度の向上を
図ることができる。そして、このようにして製造される
位相シフトマスクを用いて露光を行うことによりレジス
トパターンを高い位置精度で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明における露光光学系の光学条件および
マスク構造の決定方法の概要を示すフローチャートであ
る。
【図２】この発明の一実施形態において用いる基板掘り
込み型レベンソン位相シフトマスクを示す断面図であ
る。
【図３】この発明の一実施形態において行ったシミュレ
ーションの結果を示す略線図である。
【図４】この発明の一実施形態において行ったシミュレ
ーションの結果を示す略線図である。
【図５】この発明の一実施形態において露光装置の光学
条件およびマスク構造を最適化した後のＥＤウィンドウ
を示す略線図である。
【図６】この発明の一実施形態におけるパターン形成の
一例を示す断面図である。
【図７】基板掘り込み型レベンソン位相シフトマスクを
示す断面図である。
【図８】位相シフタ付与型レベンソン位相シフトマスク
を示す断面図である。
【図９】位相シフタ付与型レベンソン位相シフトマスク
を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・石英基板、２・・・マスクパターン、３、４・
・・掘り込み部、５１・・・シリコン基板、５３・・・
レジスト、５４・・・レジストパターン

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 露光に用いられる露光光学系の光学条件
    およびマスク構造と露光により転写するパターンの位置
    ずれとの関係を求め、 マスク製造時の誤差を考慮して、上記パターンの位置ず
    れが所要の範囲内に抑えられるような上記光学条件およ
    びマスク構造を求め、 上記求められた光学条件およびマスク構造に対して、所
    要の露光裕度および焦点深度が得られるか検証を行い、 上記検証の結果が良好な場合に、上記マスク構造が得ら
    れるようにマスク製造を行うようにしたことを特徴とす
    る位相シフトマスクの製造方法。
  2. 【請求項２】 上記光学条件には少なくとも開口数およ
    びパーシャルコヒーレンスファクターが含まれることを
    特徴とする請求項１記載の位相シフトマスクの製造方
    法。
  3. 【請求項３】 上記位相シフトマスクはレベンソン位相
    シフトマスクであることを特徴とする請求項１記載の位
    相シフトマスクの製造方法。
  4. 【請求項４】 上記レベンソン位相シフトマスクは基板
    掘り込み型であり、上記マスク構造は基板掘り込み量に
    より規定されることを特徴とする請求項３記載の位相シ
    フトマスクの製造方法。
  5. 【請求項５】 上記レベンソン位相シフトマスクは位相
    シフタ付与型であり、上記マスク構造は位相シフタの厚
    さにより規定されることを特徴とする請求項１記載の位
    相シフトマスクの製造方法。
  6. 【請求項６】 位相シフトマスクを用いて露光を行うよ
    うにしたレジストパターンの形成方法において、 露光に用いられる露光光学系の光学条件および上記位相
    シフトマスクのマスク構造と露光により転写するパター
    ンの位置ずれとの関係を求め、 マスク製造時の誤差を考慮して、上記パターンの位置ず
    れが所要の範囲内に抑えられるような上記光学条件およ
    びマスク構造を求め、 上記求められた光学条件およびマスク構造に対して、所
    要の露光裕度および焦点深度が得られるか検証を行い、 上記検証の結果が良好な場合に、上記露光光学系の光学
    条件を上記求められた光学条件に設定するとともに、上
    記求められたマスク構造が得られるように上記位相シフ
    トマスクを製造し、これらの露光光学系および位相シフ
    トマスクを用いて露光を行うようにしたことを特徴とす
    るレジストパターンの形成方法。
  7. 【請求項７】 上記光学条件には少なくとも開口数およ
    びパーシャルコヒーレンスファクターが含まれることを
    特徴とする請求項６記載のレジストパターンの形成方
    法。
  8. 【請求項８】 上記位相シフトマスクはレベンソン位相
    シフトマスクであることを特徴とする請求項６記載のレ
    ジストパターンの形成方法。
  9. 【請求項９】 上記レベンソン位相シフトマスクは基板
    掘り込み型であり、上記マスク構造は基板掘り込み量に
    より規定されることを特徴とする請求項８記載のレジス
    トパターンの形成方法。
  10. 【請求項１０】 上記レベンソン位相シフトマスクは位
    相シフタ付与型であり、上記マスク構造は位相シフタの
    厚さにより規定されることを特徴とする請求項８記載の
    レジストパターンの形成方法。
  11. 【請求項１１】 位相シフトマスクを用いて露光を行う
    ことによりレジストパターンを形成する工程を有する半
    導体装置の製造方法において、 露光に用いられる露光光学系の光学条件および上記位相
    シフトマスクのマスク構造と露光により転写するパター
    ンの位置ずれとの関係を求め、 マスク製造時の誤差を考慮して、上記パターンの位置ず
    れが所要の範囲内に抑えられるような上記光学条件およ
    びマスク構造を求め、 上記求められた光学条件およびマスク構造に対して、所
    要の露光裕度および焦点深度が得られるか検証を行い、 上記検証の結果が良好な場合に、上記露光光学系の光学
    条件を上記求められた光学条件に設定するとともに、上
    記求められたマスク構造が得られるように上記位相シフ
    トマスクを製造し、これらの露光光学系および位相シフ
    トマスクを用いて露光を行うようにしたことを特徴とす
    る半導体装置の製造方法。
  12. 【請求項１２】 上記光学条件には少なくとも開口数お
    よびパーシャルコヒーレンスファクターが含まれること
    を特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
  13. 【請求項１３】 上記位相シフトマスクはレベンソン位
    相シフトマスクであることを特徴とする請求項１１記載
    の半導体装置の製造方法。
  14. 【請求項１４】 上記レベンソン位相シフトマスクは基
    板掘り込み型であり、上記マスク構造は基板掘り込み量
    により規定されることを特徴とする請求項１３記載の半
    導体装置の製造方法。
  15. 【請求項１５】 上記レベンソン位相シフトマスクは位
    相シフタ付与型であり、上記マスク構造は位相シフタの
    厚さにより規定されることを特徴とする請求項１３記載
    の半導体装置の製造方法。
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