JP2002156738A - パターン形成方法 - Google Patents

パターン形成方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 デフォーカスや球面収差の影響を排除するこ
とにより寸法精度を向上させた、位相シフト露光による
パターン形成方法を提供する。 【解決手段】 位相シフトマスク１０は、ポジ型レベン
ソン位相シフトマスクである。例えば、ゲート層の回路
パターン１４のような最小線幅１００ｎｍ程度のデバイ
スを、ＫｒＦエキシマレーザを光源とした投影露光装置
で露光する。回路パターン１４は、位相シフトマスク１
０及び通常マスク１２をそれぞれ用いた二度露光によっ
て形成される。このとき、位相シフトマスク１０を用い
た一度目の露光の際に、基板１４１を光軸方向に移動さ
せて複数の結像面で露光を行う。この多重焦点露光によ
り、パターン寸法の誤差が平均化されて小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造などの
微細加工技術の分野において、位相シフトマスクを用い
た露光により基板上のレジスト膜に所定のパターンを形
成する、パターン形成方法に関する。以下、位相シフト
マスクを用いた露光を「位相シフト露光」と略称する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体素子の高速化及び高集積化
に伴い、パターン寸法の微細化の必要性がますます高ま
っている。その結果、設計ルールは、露光波長の半分程
度まで縮小されてきている。
【０００３】例えば、図８は、ＫｒＦエキシマレーザ露
光（波長２４８ｎｍ）及びＡｒＦエキシマレーザ露光
（波長１９３ｎｍ）における１００ｎｍ孤立ラインの光
学コントラストを示したものである。ここで光学コント
ラストは、（パターン中央での光強度−パターンエッジ
での光強度）÷（パターンエッジでの光強度）で定義さ
れ、パターンを良好な形状で解像するためには、およそ
０．５以上の値が必要と考えられる。同図からわかるよ
うに、１００ｎｍといった波長の半分以下程度のパター
ンの形成は、通常マスクによる露光手法では極めて困難
であるため、様々な超解像技術が検討されている。その
中でもレベンソン位相シフトマスク（特公昭62-50811号
公報参照）は、とりわけ光学コントラスト及び解像性能
向上効果が大きいので、波長の半分以下程度のパターン
の形成に際して最も有望な技術と考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
位相シフト露光では、図９のように、デフォーカスが大
きくなると、パターン寸法が急激に太るという問題があ
った。そのため、ウェハの凹凸構造に応じて、パターン
寸法がばらついてしまう。
【０００５】また、図１０のように、球面収差が残存し
ている場合、＋，−デフォーカスの非対称性を生じるた
め、寸法精度が大きく低下するという問題もあった。位
相シフト露光は、高コヒーレンシーな条件の下で位相情
報を積極的に像形成に利用することにより、その原理
上、光学パラメータに非常に敏感となる。したがって、
特に、結像の際に位相誤差となって現れるレンズ収差の
影響を、非常に強く受けることになる。
【０００６】
【発明の目的】そこで、本発明の目的は、デフォーカス
や球面収差の影響を排除することにより寸法精度を向上
させた、位相シフト露光によるパターン形成方法を提供
することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係るパターン形
成方法は、位相シフトマスクを用いた露光により、基板
上のレジスト膜に所定のパターンを形成するパターン形
成方法において、位相シフトマスク又は基板の少なくと
も一方を光軸方向に一定距離移動させながら露光を行う
ことを特徴とする。また、位相シフトマスクがポジ型レ
ベンソン位相シフトマスク、パターンがラインパター
ン、ラインパターンの最小寸法が露光用光源の波長の半
分程度以下、露光用照明光学系のコヒーレンスファクタ
ーが０．５以下、一定距離が露光用投影レンズの球面収
差量に応じて決定されている、等としてもよい。
【０００８】換言すると、本発明に係るパターン形成方
法は、位相シフトマスク、特にポジ型レベンソン位相シ
フトマスクを用いることと、基板又は位相シフトマスク
を光軸方向に移動させて複数の結像面で露光を行うこと
とを特徴としている。これにより、位相シフトマスク使
用時に問題となるデフォーカスやレンズ収差に起因する
寸法バラツキを、大きく低減できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係るパターン形成
方法の一実施形態で使用するマスク等を示す平面図であ
り、図１［１］は一度目の露光に用いる位相シフトマス
ク、図１［２］は二度目の露光に用いる通常マスク、図
１［３］はこれらの露光によって形成された回路パター
ンである。以下、この図面に基づき説明する。
【００１０】位相シフトマスク１０は、ポジ型のレベン
ソン位相シフトマスクである。レベンソン位相シフトマ
スクは、解像度及び焦点深度の向上に極めて有効であ
り、露光波長の半分以下の超微細パターンも解像でき
る。ここでは、例えば、ゲート層の回路パターン１４の
ような最小線幅１００ｎｍ程度のデバイスを、ＫｒＦエ
キシマレーザを光源とした投影露光装置で露光する場合
について述べる。本実施形態において、回路パターン１
４は、位相シフトマスク１０及び通常マスク１２をそれ
ぞれ用いた二度露光によって形成される。このとき、位
相シフトマスク１０を用いた一度目の露光の際に、基板
１４１を光軸方向に移動させて複数の結像面で露光を行
う。
【００１１】図２は、本実施形態で用いる露光装置を示
す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００１２】露光装置２０は、ＫｒＦエキシマレーザを
露光光源としたステップ・アンド・スキャン露光装置で
あり、エキシマレーザ２１、ビーム成形光学系２２、Ｎ
Ｄフィルタ２３、照明光学系２４、照明絞り２５、視野
絞り２６、レチクル２７（マスク）、レチクルステージ
２８、投影光学系２９、ウェハ３０（基板）、ウェハス
テージ３１等を備えている。エキシマレーザ２１から放
射されたＫｒＦエキシマレーザ光は、ビーム成形光学系
２２、照明光学系２４、視野絞り２６等を通ってスリッ
ト状の照明光束に成形され、レチクル２７上に照射され
る。レチクル２７とウェハ３０とは縮小倍率に応じた速
度でこの照明領域の下を同期走査され、ウェハ３０上に
パターンが転写される。ここで、投影光学系２９の開口
数（ＮＡ）は０．６８、照明光学系２４のコヒーレンス
ファクター（σ）は０．３である。また、ウェハステー
ジ３１には、光軸方向（Ｚ方向）の高さを調節する、例
えばピエゾ素子等からなる光軸方向移動機構が設けられ
ている。
【００１３】図３は、本実施形態における露光時の動作
を示す説明図である。図４は本実施形態におけるウェハ
上のある位置の光強度分布を示すグラフであり、図４
［１］は各焦点ごとの光強度分布、図４［２］は多重焦
点露光により平均化された光強度分布である。以下、図
１乃至図４に基づき説明する。
【００１４】一度目の露光では、図１［１］の位相シフ
トマスク１０を用いる。位相シフトマスク１０には、遮
光部１２１の両側を透過する露光光の位相がちょうど１
８０度だけ異なるように、位相シフタ１２２が設けられ
ている。そのため、両者の境界付近で光電場が完全に打
ち消し合って極めてシャープな暗部が結像されるので、
超微細なパターンの形成が可能となる。
【００１５】この一度目の露光において、多重焦点露光
を行う。多重焦点露光は、ウェハステージ３１の光軸方
向（Ｚ方向）の高さを露光時間中に変化させることによ
り行う。図２のような露光装置２０の場合は、ウェハス
テージ３１の高さを連続的に変化させることになる。図
３のように、像面に対してウェハステージ３１の走り面
を傾斜させることにより、露光スリット内でデフォーカ
ス量は連続的に変化する。
【００１６】例えば、本実施形態では、多重焦点幅ΔＺ
を１μｍとした。この場合、スキャン露光の開始地点で
のデフォーカスが＋０．５μｍとすると、スキャンが進
むにつれデフォーカスはマイナス方向に変化していき、
スキャン露光の終了地点でのデフォーカスは−０．５μ
ｍとなる。最終的に形成される空間像は、図４のよう
に、＋０．５μｍから−０．５μｍまでデフォーカスと
ともに変化する空間像が平均化されたものとなる。
【００１７】ところで、一度目の露光では、所望の回路
パターン１４以外にも、位相シフタ１２２のエッジの部
分で暗部が生じることになる。二度目の露光は、この不
要な暗部をレジストパターンとして解像させないための
露光である。図１［２］の通常マスク１２を用いて、一
度目の位相シフト露光によって形成した１００ｎｍライ
ンの領域を全て遮光し、それ以外の領域を露光すること
により、不要な暗部が消去される。続いて、現像処理を
行うことにより、図１［３］の回路パターン１４を得
る。
【００１８】図５及び図６は無収差の場合におけるＣＤ
−ｆｏｃｕｓ特性（デフォーカスとパターン寸法との関
係）を示すグラフであり、図５は本実施形態の位相シフ
ト露光と従来の位相シフト露光との比較用であり、図６
は従来の位相シフト露光の横軸を広範囲にしたものであ
る。以下、これらの図面に基づき説明する。
【００１９】同図で、本実施形態での「デフォーカス」
は、多重焦点幅の平均値（中心値）を表している。例え
ば、デフォーカス０μｍは＋０．５μｍから−０．５μ
ｍの多重焦点露光であり、デフォーカス＋０．５μｍは
＋１μｍ〜０μｍの多重焦点露光である。
【００２０】前述したように、投影光学系のＮＡは０．
６８、照明光学系のσは０．３、多重焦点幅（ΔＺ）は
１μｍである。収差が無い場合、フォーカスに対する非
対称性は生じない。しかし、従来技術では、無収差の場
合においても、デフォーカスが大きくなると、パターン
寸法が急激に太るという問題が見られている。これに対
し、本実施形態では、デフォーカスによる寸法変動が小
さいため、焦点深度の拡大及び寸法精度の向上が可能と
なる。
【００２１】図７は、球面収差０．０２５λがある場合
における、本実施形態の位相シフト露光と従来の位相シ
フト露光とのＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性を示すグラフであ
る。以下、この図面に基づき説明する。
【００２２】位相シフト露光は球面収差の影響を受けや
すく、従来技術では＋，−デフォーカスでの非対称性が
顕著に現れている。これに対し、本実施形態では、空間
像の平均化効果により非対称性を改善できるため、寸法
精度を大きく向上させることができる。このとき、位相
シフトマスク又は基板のどちらか一方を光軸方向へ移動
させる一定距離は、パターン寸法の誤差が平均して０に
なるように非対称性を考慮して決定する。
【００２３】次に、本実施形態について総括する。多重
焦点露光では通常の露光法に比べて光学コントラストが
低下するため、超微細なパターンは形成できない（特に
ポジ型パターン）と一般に考えられている。しかし、本
実施形態では、非常に光学コントラストの高いレベンソ
ン位相シフトマスク（図８参照）を用いているため、多
重焦点幅を２μｍ以上と広く設定しても、十分に解像可
能な高コントラストを保つことができる。
【００２４】なお、上記実施形態では、スキャン露光装
置を用いた例を示したが、一括露光装置（ステッパ）を
用いることもできる。一括露光装置の場合は、スキャン
露光装置と同様に露光時間内に連続的にステージ高さを
変化させることもでき、また、露光を複数回行い各露光
の間にステージ高さを変化させて離散的にデフォーカス
量を変化させることもできる。
【００２５】また、上記実施形態では、ウェハステージ
高さすなわち基板高さを変化させる例を示したが、もち
ろん、投影倍率を考慮した上でマスクステージの高さを
変化させても同様の効果が得られる。
【００２６】更に、上記実施形態では、特にポジ型レベ
ンソン位相シフトマスクを用いた例を示したが、ハーフ
トーン位相シフトマスク、リム型ハーフトーン位相シフ
トマスク等の位相シフトマスクに対しても本発明を適用
することができ、同様の効果が得られる。なお、リム型
ハーフトーン位相シフトマスクとは、開口部のエッジ近
傍のみをハーフトーンにしたものである。
【００２７】
【発明の効果】本発明に係るパターン形成方法によれ
ば、位相シフトマスク又は基板の少なくとも一方を光軸
方向に一定距離移動させながら露光を行うことにより、
デフォーカスや球面収差に起因するパターン寸法の誤差
が平均化されるので、寸法精度を向上できる。
【００２８】特に、位相シフトマスクとしてポジ型レベ
ンソン位相シフトマスクを用いた場合は、極めて高い光
学コントラストが得られることにより、多重焦点露光の
欠点である光学コントラストの低下を補うことができる
ため、多重焦点幅を例えば２μｍ以上と広く設定して
も、十分に解像可能な高コントラストを保つことができ
る。
【００２９】また、位相シフトマスク又は基板の少なく
とも一方を光軸方向に移動させる一定距離を露光用投影
レンズの球面収差量に応じて決定することにより、球面
収差の影響を受けやすいという位相シフト露光の欠点
を、空間像の平均化効果により改善できるため、寸法精
度を大きく向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパターン形成方法の一実施形態で
使用するマスク等を示す平面図であり、図１［１］は一
度目の露光に用いる位相シフトマスク、図１［２］は二
度目の露光に用いる通常マスク、図１［３］はこれらの
露光によって形成された回路パターンである。
【図２】本発明の一実施形態で用いる露光装置を示す構
成図である。
【図３】本発明の一実施形態における露光時の動作を示
す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるウェハ上のある位
置の光強度分布を示すグラフであり、図４［１］は各焦
点ごとの光強度分布、図４［２］は多重焦点露光により
平均化された光強度分布である。
【図５】本発明の一実施形態の位相シフト露光と従来の
位相シフト露光とのＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性を示すグラフ
である。
【図６】従来の位相シフト露光の横軸を広範囲にしたＣ
Ｄ−ｆｏｃｕｓ特性を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態の位相シフト露光と従来の
位相シフト露光とのＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性を示すグラフ
である（球面収差がある場合）。
【図８】ＫｒＦエキシマレーザ露光（波長２４８ｎｍ）
及びＡｒＦエキシマレーザ露光（波長１９３ｎｍ）にお
ける、１００ｎｍ孤立ラインの光学コントラストを示す
グラフである。
【図９】従来の位相シフト露光のＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性
を示すグラフである。
【図１０】従来の位相シフト露光のＣＤ−ｆｏｃｕｓ特
性を示すグラフである（球面収差がある場合）。
【符号の説明】
１０ 位相シフトマスク １２ 通常マスク １４ 回路パターン ２０ 露光装置

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 位相シフトマスクを用いた露光により、
    基板上のレジスト膜に所定のパターンを形成するパター
    ン形成方法において、 前記位相シフトマスク又は前記基板の少なくとも一方を
    光軸方向に一定距離移動させながら前記露光を行うこと
    を特徴とするパターン形成方法。
  2. 【請求項２】 前記位相シフトマスクがポジ型レベンソ
    ン位相シフトマスクである、 請求項１記載のパターン形成方法。
  3. 【請求項３】 前記パターンがラインパターンである、 請求項１又は２記載のパターン形成方法。
  4. 【請求項４】 前記ラインパターンの最小寸法が露光用
    光源の波長の半分程度以下である、 請求項３記載のパターン形成方法。
  5. 【請求項５】 露光用照明光学系のコヒーレンスファク
    ターが０．５以下である請求項１、２、３又は４記載の
    パターン形成方法。
  6. 【請求項６】 前記一定距離が露光用投影レンズの球面
    収差量に応じて決定されている、 請求項１、２、３、４又は５記載のパターン形成方法。
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