JP2004273896A

JP2004273896A - 荷電粒子ビーム露光用マスク、それを用いた荷電粒子ビーム露光方法及びその露光方法を用いた半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2004273896A
Application number: JP2003064716A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takenaka; 浩竹中
Original assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Current assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】露光に用いるパターンより大きなアスペクト比の補助パターンを作ることなく、クーロン効果による解像度低下せずに、パターン位置歪を緩和する。
【解決手段】マスク基板１に貫通孔としてパターン２が形成された荷電粒子ビーム露光用マスクであって、マスク基板１は引っ張り応力が与えられ、マスク基板１のパターン２の密度が低い部分に、マスク基板１の表面に対して斜めに形成された貫通孔として補助パターン３を形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、荷電粒子ビーム露光用マスク、それを用いた荷電粒子ビーム露光方法及びその露光方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の微細化が著しい。この半導体集積回路の微細化のためには、パターン転写工程の解像性能を向上させると共に、パターン転写工程の転写位置精度を向上させることが必須である。そして、パターン転写位置精度を向上させるためには、露光装置の転写位置精度を向上させると共に、転写に用いられるマスクに形成されるパターンの位置精度を向上させる必要がある。
【０００３】
ところで、９０ｎｍ世代の半導体集積回路の製造までは、従来のように光を用いた光露光方式が用いられる。この光露光方式において解像性能を向上させるためには、露光波長を短くし、結像光学系の開口部係数を大きくしなければならない。しかし、これに伴い焦点深度が低下してしまう。そして、この焦点深度の低下により、実用上の限界解像度を向上させることが難しくなる。
【０００４】
このため、６５ｎｍ世代の半導体集積回路の製造には、電子ビーム露光の適用が検討され、そのための露光装置、マスクおよびレジストの研究開発が進められている。しかし、従来の直接描画方式の電子ビーム露光方法は、解像性能は高いけれど、スループットが小さいという問題があり、量産に適用するのが困難であった。そこで、この問題を解決して、光露光方式と同等の高いスループットを実現すべく、１ショットの露光面積を従来の２５００倍以上にしたマスクを用いた転写型の電子ビーム露光技術の開発が進められている。
【０００５】
図６に、従来の荷電粒子ビーム露光用マスクを用いた荷電粒子ビーム露光方法を示す。これは、ＥＰＬ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）という露光方法を用いている。このＥＰＬに使用されるマスクとしてはいくつかの方式が提案されているが、解像度の観点から、ステンシルタイプのマスクが用いられる。これは、図６に示すように、マスク基板５１ｂに貫通孔としてパターン５１ａを形成したマスク５１である。そして、電子線で照射されたマスク５１の像は、電子レンズ５２と５３で縮小されて、基板５４の表面に結像する。なお、５２ａと５３ａはそれぞれレンズの主面を示す。
【０００６】
マスク５１は、パターン５１ａの部分に入射される電子ビーム５６ａとマスク基板５１ｂ部分に入射される電子ビーム５６ｂで照明される。この電子ビーム５６ａ，５６ｂの加速電圧としては、１００ｋＶが用いられる。そして、パターン５１ａを通り抜けた電子ビーム５６ａは、レンズ５２ａを通過し、レンズ５２の後焦点面に設けられたコントラストアパーチャ５５の開口部５５ａを通り抜け、レンズ５３によって基板５４の表面に縮小されたパターンを結像する。一方、電子ビーム５６ｂは、マスク基板５１ｂを構成する原子による散乱を受けて、散乱電子ビーム５６ｃとしてレンズ５２ａに入射する。この散乱電子ビーム５６ｃは、コントラストアパーチャ５５上に広がるので、開口部５５ａを殆ど通過することができない。
【０００７】
よって、結像に寄与する電子ビーム５６ａは、マスク５１による散乱を殆ど受けないため、基板表面に結像した像のボケ（ブラー）が小さく、高い解像度でパターンを転写することができる。
【０００８】
このように、ＥＰＬでは電子の散乱の強弱である散乱コントラストを用いて、マスクパターンを転写する。このため、マスク基板は、完全に入射電子を遮蔽するほどの厚みは必要でなく、内部で入射電子を数回散乱させる程度の厚みであれば十分であり、主として２〜０．５μｍのシリコン板が用いられる。よって、マスク基板を薄くできるので、マスクパターンを微細化することが可能である。また、パターン転写に必要な散乱コントラストは、主としてコントラストアパーチャ５５の開口部５５ａで決まる。つまり、開口部５５ａが小さいほど、散乱電子５６ｃが開口部５５ａを通りにくくなるので、散乱コントラストが弱い場合でも、透過電子５６ａのみを基板上に結像することが可能で、マスク５１の厚さを薄くすることが可能である。
【０００９】
以上のように、ステンシルマスクを形成するマスク基板は、薄膜であるため、その弛みを防止するために、引っ張り応力が与えられている。しかし、この状態で貫通孔としてパターンを形成すると、パターンの開口で応力が開放され、マスクの各サブフィールドに歪が生じる。この歪量と歪の方向は、サブフィールドに形成されるパターンレイアウトに依存する。ただし、この歪の１次成分による倍率、直行度、非等方倍率などへの影響は、電子光学系に倍率補正レンズ、非点調整レンズなどの補正光学系を設けることによって補正することが可能である。しかし、非線形歪による影響は、電子光学系で補正することができない。
【００１０】
ここで、サブフィールド内のパターン分布が一様である場合は、サブフィールド全体が一様に広がる。このようなパターン分布に伴うサブフィールドの変形はほぼ線形であることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。この場合は、サブフィールド周囲の転写領域外に位置精度測定マークを配置しておいて、応力開放に伴うサブフィールド形状の変形を測定して、補正光学系によってサブフィールドの変形を補正して、転写パターンの位置精度の劣化を抑制することができる。
【００１１】
しかし、サブフィールド内のパターン分布が一様でない場合、例えば、サブフィールドの半分にパターンが密に配置され、他の半分に殆どパターンが配置されない場合には、パターン密度が急変する部分で、大きな非線形なパターン位置歪が生じることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。このようなサブフィールド内の局所的な歪を補正光学系で補正することは不可能であり、パターン密度が変わる部分における位置精度の劣化は避けることができない。これを防止するために、サブフィールド内のパターン密度の小さい領域にダミーパターンを配置して、サブフィールド内のパターン密度の急変を抑制することが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。しかし、ダミーパターンは本来のパターンと同様に転写されるので、パターンレイアウト設計の自由度を制限する。
【００１２】
このようなレイアウト設計の制限を緩和するために、解像限界以下の微小ダミーパターンを配置する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１３】
【非特許文献１】
Ｐ．Ｌ．Ｒｅｕ，ｅｔ．ａｌ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ，Ｖｏｌ．１９，ｐｐ．２６５２−２６５８
【非特許文献２】
Ｐ．Ｌ．Ｒｅｕ，ｅｔ．ａｌ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４６８８，ｐｐ．５４７−５５８
【特許文献１】
特開２０００−５８４４６
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ステンシルマスクにおいては、０．５〜２μｍ膜厚のシリコン薄膜にドライエッチングによって貫通孔を開けなければならない。４倍マスクの場合、６５ｎｍノードのゲートパターンとして約２００ｎｍ幅の開口部パターンを設ける必要があり、断面のアスペクト比は１０に達する。解像限界以下のパターンではさらにアスペクト比の高いパターンを形成する必要があり、ドライエッチングが非常に困難になる。
【００１５】
また、ダミーパターンは、サブフィールドの開口面積率を大きくする。解像度は、結像光学系の幾何収差とクーロン効果によって決定される。クーロン効果とは、電子光学系内部で荷電粒子同士が反発することによって、荷電粒子ビームの速度分布が広がって、ビームブラーが大きくなる現象であり、電子光学系内部を透過する荷電粒子ビームの電流値が大きいほど顕著になる。このため、ダミーパターンを設けたマスクは、ダミーパターンを設けないマスクに比較して結像光学系を透過する電流値が大きいためにクーロン効果が大きくなり、解像度が低下する。
【００１６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、露光に用いるパターンより大きなアスペクト比の補助パターンを作ることなく、クーロン効果により解像度低下することなく、パターン位置歪を緩和することができる荷電粒子ビーム露光用マスク、それを用いた荷電粒子ビーム露光方法及びその露光方法を用いた半導体装置の製造方法を得るものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る荷電粒子ビーム露光用マスクの特徴は、マスク基板に貫通孔としてパターンが形成された荷電粒子ビーム露光用マスクであって、マスク基板は引っ張り応力が与えられ、マスク基板のパターンの密度が低い部分に、マスク基板の表面に対して斜めに形成された貫通孔として補助パターンが形成されている。この発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の荷電粒子ビーム露光用マスクの上面図である。本発明の荷電粒子ビーム露光用マスクは、図１に示すように、マスク基板１にパターン２及び補助パターン３が形成されている。このマスク基板１は、通常、０．５〜２μｍ膜厚のシリコン薄膜が使用される。このシリコン薄膜は、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造の基板を裏面からバックエッチしてバルクシリコン部分を除去し、自立構造として形成される。また、このマスク基板１は、弛みが生じないように、５〜１０Ｍｐａの引っ張り応力が与えられている。なお、図示は省略するが、マスク部分（メンブレン部）は、強度を確保するために、エッチング時にバルクシリコン部分を残して形成された梁（ストラット）構造で一定間隔ごとに支えられている。
【００１９】
パターン２は、基板に転写されるマスクパターンである。そして、このパターン２は、マスク基板１の表面に対して垂直に形成された貫通孔として形成されている。また、このパターン２は、通常、マスク基板１を形成した後、表面にレジストパターンを形成してドライエッチングによって形成される。図１では、マスク基板１の上半分のみにパターン２が形成されている。
【００２０】
補助パターン３は、マスク基板１のパターン２の密度が低い部分に形成される。図１（ａ）では、マスク基板１の下半分に形成されている。この補助パターン３は、マスク基板１の歪みによるパターン２の位置精度の劣化を防ぐために設けられている。また、補助パターン３の開口部は短辺と長辺を有する矩形である。そして、図１（ｂ）は、図１の荷電粒子ビーム露光用マスクのＡ−Ａ’（補助パターン３の開口部の短辺と平行な方向）での断面図である。補助パターン３は、図２に示すように、マスク基板１の表面に対して斜めに形成された貫通孔として形成されている。そして、補助パターン３の開口部の短辺の幅ｗ及び補助パターン３の貫通孔のマスク基板１の表面の法線方向となす角度θは、マスク基板１の表面に対して法線方向に補助パターン３を通り抜けることができないように設定されている。
【００２１】
図２は、本発明の荷電粒子ビーム露光用マスクを用いた荷電粒子ビーム露光方法の説明図である。図２に示すように、上記の荷電粒子ビーム露光用マスクを通過した荷電粒子ビームは、第１の電子レンズ１２及び第２の電子レンズ１３によって、被露光対象である基板１４上に結像される。ただし、第１の電子レンズ１２及び第２の電子レンズ１３の間には、光軸Ｃ上に開口部１５ａを有するコントラストアパーチャ１５が設けられている。また、基板１４上には、レジスト１４ａが塗布されている。なお、１２ａは第１の電子レンズ１２のレンズ主面であり、１３ａは、第２の電子レンズ１３のレンズ主面である。
【００２２】
マスク基板１は、全面を荷電粒子ビームにより露光されるが、図２では、パターン２の開口部に入射される荷電粒子ビーム１６ａと補助パターン３の開口部に入射される荷電粒子ビーム１６ｂのみを図示した。このパターン２の開口部に入射した荷電粒子ビーム１６ａは、マスク基板１による散乱をほとんど受けることなく通過するので、コントラストアパーチャ１５の開口部１５ａを透過して、レンズ１３によって基板１４上に結像し、レジスト１４ａを感光させる。
【００２３】
一方、補助パターン３の開口部に入射した荷電粒子ビーム１６ｂは、マスク基板１により散乱を受ける。これは、補助パターン３はマスク基板１の表面に対して斜めに形成された貫通孔であるため、荷電粒子ビーム１６ｂは、マスク基板１の表面に対して法線方向に補助パターン３を通り抜けることができないからである。そして、散乱を受けた荷電粒子ビーム１６ｃは、その大部分がコントラストアパーチャ１５で遮蔽される。このため、補助パターン３の解像を抑制することができる。
【００２４】
また、マスク基板１の厚みは、照射された荷電粒子ビームを完全に遮蔽せず、散乱コントラストを発生させるように設定する。これにより、マスク基板１を薄膜化できるので、パターン２の寸法精度が向上する。そして、発熱、帯電によるパターン２の位置精度の劣化を抑制できる。よって、半導体装置の性能、信頼性、歩留まりを向上することができる。さらに、露光に用いる荷電粒子ビームとして、電子ビームを用いる。電子ビームは、マスクに与えるダメージが小さいので、マスクの寿命を長くすることができる。
【００２５】
以上のような荷電粒子ビーム露光用マスク及びそれを用いた荷電粒子ビーム露光方法は、半導体装置であるＤＲＡＭを製造する際に用いることができる。ここで、図３（ａ）は、ＤＲＡＭのチップレイアウト図である。また、図３（ｂ）は、このＤＲＡＭのチップを形成する基板を露光するための荷電粒子ビーム露光用マスクのマスクレイアウト図である。そして、図３（ａ）に示すように、ＤＲＡＭのチップ２１は、メモリセル部２２及び周辺回路部２３を有している。また、図３（ｂ）に示すように、マスク２４は、メモリセル部２２を露光するためのメモリセル部用マスク２５及び周辺回路部２３を露光するための周辺回路部用マスク２６を有している。
【００２６】
一般的に、ＤＲＡＭでは、メモリセル部２２のパターン密度が、周辺回路部２３よりも大きい。特に、メモリセルの中で各ビットの状態が書き込まれるストレージノードでは、パターンがメモリセル部２２のみに存在し、周辺回路部２３にはパターンが存在しない。このようなストレージノードを露光するためのマスクでは、大きな非線形の位置歪みが生じ、重ね合わせ精度が劣化する。
【００２７】
そこで、ＤＲＡＭのチップを露光するためのマスク２４では、位置歪みを抑制するために、周辺回路部用マスク２６に、補助パターンを形成する。この補助パターンは基板に転写されないので、ＤＲＡＭチップのレイアウトに何ら制限を与えることなく、位置歪みを抑制することができる。
【００２８】
よって、本実施の形態１の荷電粒子ビーム露光用マスク、それを用いた荷電粒子ビーム露光方法及びその露光方法を用いた半導体装置の製造方法では、露光に用いるパターンより大きなアスペクト比の補助パターンを作ることなく、クーロン効果により解像度低下することなく、パターン位置歪を緩和することができる。
【００２９】
実施の形態２．
図４は、実施の形態２の荷電粒子ビーム露光用マスクの断面図である。この荷電粒子ビーム露光用マスクは、図４に示すように、補助パターン３がＴ−ｗ／ｔａｎθ≧ｔの関係を有する。ここで、マスク基板１は、その材質からして、露光に用いられる荷電粒子ビームに対して遮光体として機能できる最小の厚さがｔである。また、マスク基板の厚さがＴである。これにより、マスク基板１の表面に対して法線方向から、補助パターン３の開口部に入射した荷電粒子ビームは、必ずマスク基板１の膜厚ｔ以上の部分を通過するので、確実に補助パターン３が被露光基板へ転写されるのを抑制することができる。また、補助パターン３の開口部に入射した荷電粒子ビームは、散乱されているために、結像に寄与する電子と異なる軌道を通るので、結像に寄与する電子に与える静電力が小さく、マスク基板１より下の電子光学系内部でのクーロン効果に寄与しないため、クーロン効果による解像性能の劣化を抑制することができる。ここで、θの値が大きいほど、上記のような補助パターン３の転写抑制効果が大きくなり、解像性能の劣化を防止できる。一方、θの値が小さいほど、補助パターン３の貫通孔の長さを短くできるので、補助パターン３の形成が容易になる。
【００３０】
また、この実施の形態２の荷電粒子ビーム露光用マスクは、実施の形態１と同様に、それを用いた荷電粒子ビーム露光方法及びその露光方法を用いた半導体装置の製造方法に適用することができる。
【００３１】
よって、本実施の形態２の荷電粒子ビーム露光用マスク及びそれを用いた荷電粒子ビーム露光方法では、実施の形態１の荷電粒子ビーム露光用マスク、それを用いた荷電粒子ビーム露光方法及びその露光方法を用いた半導体装置の製造方法と同様の効果を有する。
【００３２】
実施の形態３．
図５は、実施の形態２の荷電粒子ビーム露光用マスクの断面図である。この荷電粒子ビーム露光用マスクは、図５に示すように、補助パターン３の貫通孔の上側の開口部と下側の開口部とが、マスク基板１に対して法線方向に投影した場合に、幅Ｑの重なりを有する。そして、この幅Ｑは、マスク基板１の表面に対して法線方向に補助パターンの貫通孔を通り抜けた荷電粒子ビームがパターン転写における解像限界以下の幅になるように設定されている。すなわち、そのような幅Ｑを有するように、補助パターン３の開口部の幅と補助パターン３の貫通孔のマスク基板１の表面に対する角度θが設定されている。これにより、補助パターン３部分の上記の幅Ｑの重なり部分に入射した荷電粒子ビームは、散乱を受けずに通過するが、解像限界以下の幅であるためパターン転写されない。
【００３３】
また、この実施の形態３の荷電粒子ビーム露光用マスクは、実施の形態１と同様に、それを用いた荷電粒子ビーム露光方法及びその露光方法を用いた半導体装置の製造方法に適用することができる。
【００３４】
よって、本実施の形態３の荷電粒子ビーム露光用マスク及びそれを用いた荷電粒子ビーム露光方法では、実施の形態１の荷電粒子ビーム露光用マスク、それを用いた荷電粒子ビーム露光方法及びその露光方法を用いた半導体装置の製造方法と同様の効果を有する。さらに、実施の形態１にくらべて、補助パターンの貫通孔のマスク基板の表面の法線方向となす角度を小さくすることができ、補助パターンの貫通孔の深さを浅くすることができるので、補助パターンを形成しやすい。
【００３５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、露光に用いるパターンより大きなアスペクト比の補助パターンを作ることなく、クーロン効果により解像度低下することなく、パターン位置歪を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の荷電粒子ビーム露光用マスクである。
【図２】本発明の荷電粒子ビーム露光用マスクを用いた荷電粒子ビーム露光方法の説明図である。
【図３】ＤＲＡＭのチップレイアウト図とその露光に用いる荷電粒子ビーム露光用マスクのマスクレイアウト図である。
【図４】実施の形態２の荷電粒子ビーム露光用マスクの断面図である。
【図５】実施の形態３の荷電粒子ビーム露光用マスクの断面図である。
【図６】従来の荷電粒子ビーム露光用マスクを用いた荷電粒子ビーム露光方法の説明図である。
【符号の説明】
１マスク基板
２パターン
３補助パターン

Claims

マスク基板に貫通孔としてパターンが形成された荷電粒子ビーム露光用マスクであって、前記マスク基板は引っ張り応力が与えられ、前記マスク基板の前記パターンの密度が低い部分に、前記マスク基板の表面に対して斜めに形成された貫通孔として補助パターンが形成されていることを特徴とする荷電粒子ビーム露光用マスク。
前記補助パターンの開口部の幅及び補助パターンの貫通孔の前記マスク基板の表面に対する角度は、前記マスク基板の表面に対して法線方向に前記補助パターンを通り抜けることができないように設定されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム露光用マスク。
前記補助パターンの開口部の幅がｗであり、前記マスク基板が露光に用いられる荷電粒子ビームに対して遮光体として機能できる最小の厚さがｔであり、前記補助パターンの貫通孔が前記マスク基板の表面の法線方向となす角度がθであり、前記マスク基板の厚さがＴであり、Ｔ−ｗ／ｔａｎθ≧ｔの関係を有することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム露光用マスク。
前記補助パターンの開口部の幅と前記補助パターンの貫通孔の前記マスク基板の表面に対する角度は、前記マスク基板の表面に対して法線方向に前記補助パターンの貫通孔を通り抜けた荷電粒子ビームがパターン転写における解像限界以下の幅になるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム露光用マスク。
前記マスク基板の厚みは、照射された荷電粒子ビームを完全に遮蔽せず、散乱コントラストを発生させるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム露光用マスク。
請求項１〜５のいずれかの荷電粒子ビーム露光用マスクを用いることを特徴とする荷電粒子ビーム露光方法。
荷電粒子ビームとして電子ビームを用いることを特徴とする請求項６記載の荷電粒子ビーム露光方法。
請求項６又は請求項７の荷電粒子ビーム露光方法を用いて基板を露光する工程を有する半導体装置の製造方法。