JP2005055815A

JP2005055815A - フォトマスク、パターン形成方法及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2005055815A
Application number: JP2003289008A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Ito; 仁伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2005-03-03
Also published as: CN1581437A; US20050031967A1

Abstract

【課題】系統的段差が形成された被加工膜に対して適切なマスクパターンの転写が可能なフォトマスクを提供する。
【解決手段】透明基板７０と、透明基板７０上の一部の領域に配置された第１のマスクパターン８４と、透明基板７０上の、一部の領域と異なる領域に配置された第２のマスクパターン８６と、第１のマスクパターン８４上に設けられ、第２のマスクパターン８６より第１のマスクパターン８４の焦点位置を深くする光学的膜厚を有する透光性膜８８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、リソグラフィ技術に関し、特にフォトマスク、及びそのフォトマスクを用いたパターン形成方法、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の回路パターンを形成する場合、半導体基板上の被加工膜上にフォトレジストなどの感光材料を塗布し、ステッパなどの縮小投影露光装置を用いて露光し、現像を行う。屈折光学系型露光装置を用いる場合、光源から出た光は照明光学系と投影光学系によって、両光学系間に設置されたフォトマスクの回路パターンをフォトレジスト膜に忠実に縮小投影する。現像により回路パターンが転写されたフォトレジストパターンが被加工膜上に形成される。フォトレジストパターンをマスクとして、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて被加工膜を加工する。その結果、回路パターンが被加工膜に形成される。

一般的に露光装置の光学系の解像度は光源波長に比例するため、半導体装置の回路パターンの微細化に伴い露光装置に使用される光源波長は短波長化している。また、光学系の焦点深度も光源波長に比例しており、短波長化に伴い、焦点深度は浅くなる。実際には、焦点合わせを阻害する種々の要因のため実効的な焦点深度は更に減少する（例えば、非特許文献１参照）。一方、半導体装置が形成される半導体基板上の被加工膜や被加工膜の下層を構成している下地膜等は必要に応じ化学的機械的研磨（ＣＭＰ）技術等により平坦化が行われ、露光時の焦点位置調整が適切に行われるよう整えられる。しかし、ＣＭＰ技術では、例えば密配線上の層間絶縁膜と粗配線上の層間絶縁膜間に生じる系統的段差を低減することは一般的に困難である。このような系統的段差が生じた密配線及び粗配線上の層間絶縁膜両方に焦点を合わせることが困難となる。その結果、一方に焦点ぼけが発生し、適切なフォトレジストパターンが形成されない問題がある。このような系統的段差の問題に対して、粗配線パターン領域に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及び２参照）。
特開平１０−２２３６３４（第３−４頁、第１図）特開平７−７４１７５（第４−６頁、第１図）井上、他、電子デバイス国際会議テクニカルダイジェスト（IEDM Technical Digest.）、１９９９年、ｐ．８０９−８１２

しかし、粗配線パターン領域にパターンレイアウト上適切なダミーパターンを容易に配置できない場合もあり、焦点合わせに十分な平坦性を確保することは困難である。また、半導体集積回路パターンの微細化の進展による、露光光源の短波長化により、焦点深度はますます浅くなる。したがって、粗配線パターン領域にダミーパターンを配置してＣＭＰ技術を適用しても系統的段差の発生は完全には抑制されないため、焦点深度に対して十分な平坦性を確保するのが困難となっている。このように、露光装置の焦点深度が系統的段差に対して不十分になるため、所望の寸法のパターンが転写されなかったり、ショート・オープンといったパターン忠実性の破綻、レジストパターンの倒れや飛散といった欠陥発生等により、パターン形成工程能力や半導体装置の製造歩留まりが著しく低下する。

本発明は、このような課題を解決し、系統的段差が形成された被加工膜に対して適切なマスクパターンの転写ができ、パターン形成工程能力の向上や半導体装置の製造歩留まりの向上が可能なフォトマスク、パターン形成方法及び半導体装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、（イ）透明基板と、（ロ）透明基板上の一部の領域に配置された第１のマスクパターンと、（ハ）透明基板上の、一部の領域と異なる領域に配置された第２のマスクパターンと、（ニ）第１のマスクパターン上に設けられ、第２のマスクパターンより第１のマスクパターンの焦点位置を深くする光学的膜厚を有する透光性膜とを備えるフォトマスクであることを要旨とする。

本発明の第２の態様は、（イ）基板上に設けられた孤立パターン及び密集パターンを覆う被加工膜上にフォトレジスト膜を塗布する工程と、（ロ）第１及び第２のマスクパターンを有し、第１のマスクパターン上に焦点位置を深くする光学的膜厚を有する透光性膜が形成されたフォトマスクを用いてフォトレジスト膜を露光し、第１及び第２のマスクパターンを孤立パターン及び密集パターンの位置に対応する領域のフォトレジスト膜にそれぞれ転写する工程とを含むパターン形成方法であることを要旨とする。

本発明の第３の態様は、（イ）孤立パターン及び密集パターンを有する半導体基板上に、孤立パターン及び密集パターンのパターン密度差に起因した系統的段差を表面に有する被加工膜を形成する工程と、（ロ）被加工膜上にフォトレジスト膜を塗布する工程と、（ハ）第１及び第２のマスクパターンを有し、第１のマスクパターン上に焦点位置を深くする光学的膜厚を有する透光性膜が形成されたフォトマスクを用いてフォトレジスト膜を露光し、第１及び第２のマスクパターンを孤立パターン及び密集パターンの位置に対応する領域のフォトレジスト膜にそれぞれ転写して第１及び第２のフォトレジストパターンを形成する工程と、（ニ）第１及び第２のフォトレジストパターンをマスクとして、被加工膜を加工する工程とを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。

本発明によれば、系統的段差が形成された被加工膜に対して適切なマスクパターンの転写ができ、パターン形成工程能力の向上や半導体装置の製造歩留まりの向上が可能なフォトマスク、パターン形成方法及び半導体装置の製造方法を提供することが可能となる。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施の形態に係るフォトマスク５２は、図１に示すように、透明基板７０と、透明基板７０上に配置された第１のマスクパターン８４及び第２のマスクパターン８６と、第１のマスクパターン８４が配置されたパターン領域に設けられた膜厚がｔの透光性膜８８とを備える。第１のマスクパターン８４として、第１のマスク部８４ａ、８４ｂが図１に示す断面図に現れ、第２のマスクパターン８６として、第２のマスク部８６ａ〜８６ｇが図１に示す断面図に現れている。また、図１の紙面左側に示すフォトマスク５２の端部では、透明基板７０表面に配置されたマスク部材膜７２上に遮光膜７３が設けられている。透明基板７０には、鏡面研磨処理がなされた石英ガラス等が用いられる。第１のマスク部８４ａ、８４ｂ、第２のマスク部８６ａ〜８６ｇ、及びマスク部材膜７２には、例えばモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ₂）のハーフトーン位相シフト膜等が用いられる。ハーフトーン位相シフト膜に用いるＭｏＳｉ₂膜は、例えば露光光に対して６％の透過率を有し、位相差が１８０度生じる厚さにしてある。遮光膜７３には、クロム（Ｃｒ）等の金属膜等が用いられる。また、透光性膜８８には、スピンオングラス（ＳＯＧ）等の酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を含む膜等が用いられる。

本発明の実施の形態に用いる露光装置は、図２に示すように、走査型エキシマレーザ縮小投影露光装置で、縮小率は１／４としている。なお、説明の便宜上、露光装置の縮小率を１／４としているが、任意の縮小率でもよいことは勿論である。また、露光装置として、逐次移動露光装置（ステッパ）等であってもよいことは勿論である。光源３０は、波長λ：２４８ｎｍのクリプトンフロライド（ＫｒＦ）エキシマレーザである。光源３０から照射される露光光は、フライアイレンズ３１、開口絞り３２、ミラー３３、コンデンサレンズ３４等を含む照明光学系３５を介しフォトマスク５２に入射する。投影光学系３６は、フォトマスク５２上の第１及び第２のマスクパターン８４、８６を半導体基板５０上に投影結像させる。フォトマスク５２及び半導体基板５０は、それぞれマスクステージ３８及び基板ステージ３９に設置される。フォトマスク５２の第１及び第２のマスクパターン８４、８６に焦点が合うように、マスクステージ３８及び基板ステージ３９が光軸方向に沿って位置合わせされる。主制御系４０は、予め設定されたデータをもとに、光源３０の出射光量を制御し、また、マスクステージ３８及び基板ステージ３９それぞれを、マスクステージ駆動系４１及び基板ステージ駆動系４２により駆動し、光軸に直交する面内の位置決めをして露光を行う。

露光装置の投影光学系３６の焦点深度ＤＯＦは、レイリーの式により、
DOF = k₂*λ/(NA)² ・・・（１）
と表せる。ここでｋ₂はプロセス係数であり、ＮＡは開口数である。式（１）より算出される焦点深度ＤＯＦは、約２５０ｎｍである。例えば、装置要因として、レンズ収差やフォトマスク平坦度に起因する像面湾曲、焦点位置の再現性あるいは焦点制御の安定性等があり、基板要因として、素子パターンによる段差、被露光基板の平坦度等がある。ここで、素子パターンのパターン密度差により発生する段差を、「系統的段差」と定義し、系統的段差に割り当てられる焦点深度を実効焦点深度Ｄとする。したがって、実効焦点深度Ｄは、式（１）で算出される焦点深度ＤＯＦの１０〜１５％程度と減少する。

半導体基板５０に、例えばランダムロジック回路等のような孤立パターン領域とダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）回路やスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）回路等のような密集パターン領域が混載された半導体装置では、孤立パターン領域と密集パターン領域上に堆積される絶縁膜等の被加工膜にはパターン密度に応じた系統的段差が発生する。系統的段差が、実効焦点深度Ｄより大きくなる場合、ＣＭＰにより平坦化が行われる。しかし、ランダムロジック回路等のような孤立パターン領域、及びＤＲＡＭ回路やＳＲＡＭ回路等のような密集パターン領域のパターン密度差により発生する系統的段差は、ＣＭＰで実効焦点深度Ｄ以下に平坦化することは困難である。したがって、透光性膜が設けられていない通常のフォトマスクを用いて、例えば第２のマスクパターン８６を密集パターン領域の被加工膜表面に焦点合わせすると、第１のマスクパターン８４の焦点位置は、孤立パターン領域の被加工膜表面から実効焦点深度以上にはずれるため、適切なマスクパターンの加工が不可能となる。

本発明の実施の形態では、孤立パターン領域に転写される第１のマスクパターン８４の領域に透光性膜８８が設けられている。透光性膜８８の屈折率は空気の屈折率（約１）よりも大きく、透光性膜８８の光学的膜厚は厚くなる。その結果、透光性膜８８を透過する露光光の光路長は、光学的膜厚分だけ長くなる。透光性膜８８の光路長を、上記した絶縁膜の系統的段差に相当するようにすれば、第１のマスクパターン８４の焦点位置を孤立パターン領域の被加工膜表面に合わすことができる。

最適な透光性膜８８の膜厚ｔは、
t = S/n ・・・（２）
と表わされる。ここで、Ｓは系統的段差であり、ｎは透光性膜８８の露光光波長における屈折率である。また、透光性膜８８の光学的膜厚Ｔは、
T = n*t ・・・（３）
で表される。

したがって、透光性膜８８の光学的膜厚Ｔを、系統的段差Ｓに合わせれば、投影される第１及び第２のマスクパターン８４、８６の焦点は、それぞれの被加工膜表面に位置する。したがって、最適なマスクパターンの転写が可能となる。また、投影される第１のマスクパターン８４の焦点位置を、系統的段差Ｓだけ低い被加工膜表面から実効焦点深度Ｄの範囲内になるような光学的膜厚Ｔを有する透光性膜８８を用いても、孤立パターン領域の被加工膜表面への第１のマスクパターン８４の転写が可能となる。即ち、透光性膜８８の光学的膜厚Ｔと系統的段差Ｓとの差が、次式で示すように、実効焦点深度Ｄの範囲
|T-S| ≦ D ・・・（４）
であればよい。実施の形態では、ＳＯＧ膜のＫｒＦ光波長：２４８ｎｍでの屈折率ｎは１．５２である。例えば、実効焦点深度Ｄが、約３０ｎｍであり、系統的段差Ｓとして約７０ｎｍであるとする。この場合、透光性膜８８の光学的膜厚Ｔは、約４０〜１００ｎｍとなる。したがって、透光性膜８８は、約３０〜６５ｎｍの膜厚ｔで成膜すればよい。

本発明の実施の形態では、パターン密度の差により形成された系統的段差Ｓを有する半導体基板５０表面の被加工膜に対して、投影されるマスクパターンの焦点を、被加工膜表面の実効焦点深度の範囲内に位置させる透光性膜を有するマスクパターン領域が設けられたフォトマスク５２を用いて、マスクパターンを転写する。したがって、系統的段差Ｓが形成された被加工膜に対して適切なマスクパターンの転写ができ、パターン形成工程能力の向上や半導体装置の製造歩留まりの向上が図れる。

次に、本発明の実施の形態に係るフォトマスク５２の作製方法を、図３〜図１１を用いて説明する。

（イ）図３に示すように、石英ガラス等の透明基板７０の表面に、例えば、スパッタ法によりＭｏＳｉ₂等のマスク部材膜７２及びＣｒ等の遮光膜７３を、例えばそれぞれ１００ｎｍの厚さで堆積する。

（ロ）まず、遮光膜７３の表面に電子線（ＥＢ）レジストを塗布し、電子線描画装置を用い、図４に示すように、第１のＥＢレジストマスク７４ａ、７４ｂを有する第１のＥＢレジストパターン７４、及び第２のＥＢレジストマスク７６ａ〜７６ｇを有する第２のＥＢレジストパターン７６を形成する。図４の紙面左側の透明基板７０の端部の遮光膜７３上には、ＥＢレジスト膜７７を形成する。

（ハ）第１及び第２のレジストパターン７４、７６及びＥＢレジスト膜７７をマスクとして、遮光膜７３及びマスク部材膜７２の一部を、例えば、ＲＩＥ等のドライエッチング法により選択的に加工した後、第１及び第２のレジストパターン７４、７６及びＥＢレジスト膜７７を除去し、図５に示すように、第１の遮光部７８ａ、７８ｂと第１のマスク部８４ａ、８４ｂとの第１の積層パターン７９、及び第２の遮光部８０ａ〜８０ｇと第２のマスク部８６ａ〜８６ｇとの第２の積層パターン８１を形成する。また、透明基板７０の端部には、遮光膜７３およびマスク部材膜７２が残される。

（ニ）次に、第１及び第２の積層パターン７９、８１が形成された透明基板７０の表面に、同様にＥＢレジストを塗布し、電子線描画装置を用い、図６に示すように、第１及び第２の遮光部７８ａ、７８ｂ、８０ａ〜８０ｇが露出したＥＢレジスト膜８２を形成する。透明基板７０端部の遮光膜７３は、後述するアライメントマーク領域以外はＥＢレジスト膜８２で覆われている。

（ホ）ＥＢレジスト膜８２をマスクとして、第１及び第２の遮光部７８ａ、７８ｂ、８０ａ〜８０ｇを、例えば、ドライエッチング法により除去する。この後ＥＢレジスト膜８２を除去して、図７に示すように、第１及び第２のマスク部８４ａ、８４ｂ、８６ａ〜８６ｇが形成された第１及び第２のマスクパターン８４、８６を形成する。形成された第１及び第２のマスクパターン８４、８６には、欠陥検査、あるいは欠陥修正後、洗浄等の工程が実施される。なお、透明基板７０端部の遮光膜７３には、一部にアライメントマークが形成される。

（ヘ）第１及び第２のマスクパターン８４、８６が形成された透明基板７０表面に、図８に示すように、ＳＯＧ膜等の透光性膜８８を塗布する。更に、塗布された透光性膜８８の表面にＥＢレジストを回転塗布し、電子線描画装置を用いて、第２のマスクパターン８６及び透明基板７０端部の遮光膜７３上に開口部を設けたＥＢレジスト膜９０を形成する。

（ト）その後、ＥＢレジスト膜９０をマスクとして、フッ酸（ＨＦ）水溶液を主成分とするウェットエッチング法により、図９に示すように、第２のマスクパターン８６及び透明基板７０端部の遮光膜７３上の透光性膜８８を選択的に除去する。この後ＥＢレジスト膜９０を除去して、第１のマスクパターン８４を含む領域に透光性膜８８が形成されたフォトマスク５２が作製される。

（チ）透光性膜８８が形成されたフォトマスク５２は、必要に応じて異物検査等が行われ、図１０及び図１１に示すように、透明基板７０の端部の遮光膜７３上に設けられたペリクルフレーム９６に露光光に対して透明なペリクル９４が、第１及び第２のマスクパターン８４、８６を含むマスクパターン領域９１を覆うように設置される。また、透明基板７０の端部の遮光膜７３には複数のアライメントマーク９２が形成されている。

このように、実施の形態によれば、系統的段差が形成された被加工膜に対して適切なマスクパターンの転写ができ、パターン形成工程能力の向上や半導体装置の製造歩留まりの向上が可能なフォトマスクの作製が可能となる。

実施の形態においては、マスクパターンの形成に電子線描画装置を使用しているが、紫外光あるいはレーザ光を用いた光描画装置、あるいはＸ線描画装置等であっても良い。また、透明基板７０として石英ガラスを用いて説明したが、サファイア、光学ガラス等の露光光に対して十分な光透過性を有する部材であれば限定されないことは、勿論である。また、マスク部材膜７２としてＭｏＳｉ₂膜のハーフトーン位相シフト膜を用いているが、露光光に対して遮光性を有する遮光膜であってもよく、例えばＣｒ等の金属、合金、金属酸化物あるいは有機物等であってもよい。また、透光性膜８８としては、フォトマスクの露光光に対して透明で、屈折率が空気より大きい材料であればよく、例えば各種の有機シリカ膜、リソグラフィに使用される各種のレジストを含む高分子有機膜、あるいはＳｉＯ₂膜や窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）等の化学気相成長（ＣＶＤ）膜等が使用できる。

実施の形態に係るフォトマスクの作製方法は、上記した方法に限定されない。例えば、他のフォトマスクの作成方法として、上記した工程（イ）〜（ホ）の終了後に、図１２に示すように、第１及び第２のマスクパターン８４、８６が形成される。図８のＳＯＧ膜等の透光性膜８８に代えて、図１３に示すように、ＥＢレジストの透光性膜８８ａを回転塗布する。その後、電子線描画装置を用い、図１４に示すように、第１のマスクパターン８４を含む領域に透光性膜８８ａが形成されたフォトマスク５２ａが作製される。ＥＢレジスト膜は、波長が２４８ｎｍの露光光に対する屈折率が１．４８であり、減衰係数が約０．００５と十分小さく透光性膜８８ａとして用いることができる。

例えば、実効焦点深度Ｄが、約５０ｎｍであり、系統的段差Ｓとして約１００ｎｍであるとする。この場合、透光性膜８８ａの光学的膜厚Ｔは、約５０〜１５０ｎｍとなる。したがって、透光性膜８８は、約３５〜１００ｎｍの膜厚ｔで成膜すればよい。フォトマスク５２ａの作製方法では、透光性膜８８の塗布やリソグラフィによる透光性膜８８のエッチング加工が省略され、ＥＢレジスト膜の透光性膜８８ａの露光及び現像工程だけと簡略化でき、作製コストの低減が可能となる。

また、更に他のフォトマスクの作成方法として、上記した工程（イ）〜（ホ）の終了後工程（へ）と同様に、第１及び第２のマスクパターン８４、８６が形成された透明基板７０の表面に、図１５に示すように、ＳＯＧ膜等の第１の透光性膜８８ｂを塗布する。更に、塗布された第１の透光性膜８８ｂの表面にＥＢレジストを回転塗布し、電子線描画装置を用いて、第２のマスクパターン８６に開口部を設けたＥＢレジスト膜の第２の透光性膜８８ｃを形成する。その後、第２の透光性膜８８ｃをマスクとして、ＨＦ水溶液を主成分とするウェットエッチング法により、図１６に示すように、第２のマスクパターン８６領域の第１の透光性膜８８ｂを選択的に除去する。このようにして、第１のマスクパターン８４を含む領域に第１及び第２の透光性膜８８ｂ、８８ｃが形成されたフォトマスク５２ｂが作製される。フォトマスク５２ｂでは、光学的膜厚Ｔは、第１及び第２の透光性膜８８ｂ、８８ｃの和となる。

このように、実施の形態に係る他のフォトマスクの作製方法によっても、系統的段差が形成された被加工膜に対して適切なマスクパターンの転写ができ、パターン形成工程能力の向上や半導体装置の製造歩留まりの向上が可能なフォトマスクの作製が可能となる。

本発明の実施の形態に係るパターン形成方法を、図１７〜図２１を用いて説明する。説明では、図１及び図２に示したフォトマスク５２及び露光装置を用いている。フォトマスク５２の透光性膜８８の厚さは約３０ｎｍであり、光学的膜厚Ｔは、約５０ｎｍとしてある。

（イ）例えば、コバルトシリサイド（ＣｏＳｉ₂）、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ₂）あるいは高融点金属等をスパッタ法等で堆積し、リソグラフィ技術等を用いて、図１７に示すように、半導体基板５０表面に、第１の配線５４ａ〜５４ｃを有する孤立パターン５４と、第２の配線５６ａ〜５６ｈを有する密集パターン５６を形成する。ここで、孤立パターン５４は、例えば、ロジック回路のゲートやゲート配線程度の低パターン密度である。一方、密集パターン５６は、ＤＲＡＭ回路やＳＲＡＭ回路の駆動トランジスタ、ワード線あるいはビット線等の高パターン密度である。

（ロ）このようにして、半導体基板５０上に形成された孤立パターン５４及び密集パターン５６を覆う被加工膜として、図１８に示すように、例えばボロフォスフォシリケートグラス（ＢＰＳＧ）等の絶縁膜５８をＣＶＤ法等により堆積する。絶縁膜５８の堆積厚さは、孤立パターン５４の領域では、６００ｎｍとなる。しかし、密集パターン５６の領域では、密集パターン５６のパターン密度に応じて絶縁膜５８が孤立パターン５４の領域より厚く堆積する。その結果、孤立パターン５４及び密集パターン５６の領域間に、例えば１００ｎｍ以上の系統的段差Ｓｔが生じる。

（ハ）密集パターン５６領域で高パターン密度により厚く堆積した絶縁膜５８を平坦化するため、ＣＭＰを用いて絶縁膜５８を表面から約２００ｎｍ研磨する。ＣＭＰでは、絶縁膜５８が薄い孤立パターン５４の領域も、密集パターン５６領域に比べて遅い研磨速度で研磨される。その結果、図１９に示すように、絶縁膜５８ａが平坦化され、孤立パターン５４及び密集パターン５６の領域間の系統的段差Ｓが減少する。平坦化で形成された系統的段差Ｓは、例えば５０ｎｍである。

（ニ）次に、図２０に示すように、絶縁膜５８ａを加工する際のマスクとして用いられるフォトレジスト膜６２を絶縁膜５８ａ上に回転塗布する。

（ホ）フォトレジスト膜６２が塗布された半導体基板５０及びフォトマスク５２を露光装置の基板ステージ３９及びマスクステージ３８上にそれぞれ設置し、図１０のフォトマスク５２のアライメントマーク９２を用いて、マスクステージ駆動系４１、基板ステージ駆動系４２により初期位置あわせを実施する。その後、密集パターン５６の領域のフォトレジスト膜６２の表面に焦点を合わせて露光し、フォトマスク５２の第２のマスクパターン８６を投影する。第１のマスクパターン８４は、透光性膜８８により光学的膜厚Ｔが約５０ｎｍとしてあるため、孤立パターン５４領域のフォトレジスト膜６２の表面に焦点がほぼ合わせられて投影される。露光が終了した後、フォトレジスト膜６２の現像を行い、図２１に示すように、絶縁膜５８ａ上に第１のフォトレジストマスク６４ａ、６４ｂを含む第１のフォトレジストパターン６４、及び第２のフォトレジストマスク６６ａ〜６６ｇを含む第２のフォトレジストパターン６６が形成される。

その結果、露光後のレジストパターン欠陥密度は、透光性膜８８なしのフォトマスクを用いた場合、１０個／ｃｍ²であるのに対し、実施の形態に係るフォトマスク５２を用いれば欠陥密度はほぼ０個／ｃｍ²と向上する。本発明の実施の形態においては、上述したように、被加工膜として絶縁膜５８ａを用いたが、絶縁膜５８ａに堆積したＣｕあるいはＡｌ等の配線金属、あるいはポリシリコン等の導電膜や、Ｓｉ₃Ｎ₄等の絶縁膜も加工の対象としてよいことは勿論である。

また、上記した説明では、フォトマスク５２の透光性膜８８の光学的厚さＴを、ＣＭＰ処理後の絶縁膜５８ａの系統的段差Ｓと同程度にしている。しかし、透光性膜８８の光学的厚さＴは、系統的段差Ｓに限定されるものではない。例えば、説明に用いたフォトマスク５２の焦点深度ＤＯＦは、透光性膜８８のない第２のマスクパターン８６領域では約２５０ｎｍであるが、透光性膜８８が形成された第１のマスクパターン８４領域では３３０ｎｍと、約３０％増加する。実効焦点深度Ｄも透光性膜８８が形成された第１のマスクパターン８４領域で３０％増加し、約３０ｎｍから約４０ｎｍとなる。したがって、透光性膜８８の膜厚ｔとして、約７ｎｍ〜６０ｎｍの範囲であればよいことになる。

このように、実施の形態によれば、系統的段差が形成された被加工膜に対して適切なマスクパターンの転写ができ、パターン形成工程能力の向上や半導体装置の製造歩留まりの向上が可能となる。

（半導体装置の製造方法）
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、図２２に示すように、ロジックパターン領域９８等の孤立パターン及び複数のメモリパターン領域９９ａ〜９９ｃ等の密集パターンが混載して設けられたパターン領域１００を例として説明する。簡単のため、それぞれ一つの孤立パターン及び密集パターンを例示して説明するが、孤立パターン及び密集パターンがぞれぞれ複数であってもよいことは勿論である。また、説明では、図１及び図２で示したフォトマスク５２および露光装置を用いている。

（イ）半導体基板５０表面のロジックパターン領域９８に、例えばシャロウトレンチアイソレーション技術等により、図２３に示すように、ＳｉＯ₂層等の分離領域１０２ａ〜１０２ｄを形成する。その後、例えばコバルトシリサイド（ＣｏＳｉ₂）、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ₂）あるいは高融点金属等をスパッタ法等で堆積する。リソグラフィ技術等を用いて、分離領域１０２ｂ、１０２ｃの間の半導体基板５０上に図示しないゲート絶縁膜を介してゲート１０４ａ、及び分離領域１０２ｄ上にゲート配線１０４ｂが設けられた孤立パターン１０４を形成する。同時に、半導体基板５０上に第１のメモリ配線１０６ａ〜１０６ｈが設けられた密集パターン１０６を、例えば図２２に示したメモリパターン領域９９ｃに形成する。更に、イオン注入技術等を用いて、高濃度に不純物が添加された拡散領域であるソース／ドレイン領域１０３ａ、１０３ｂを、分離領域１０２ｂ、１０２ｃ及びゲート１０４ａの間にそれぞれ形成する。

（ロ）孤立パターン１０４及び密集パターン１０６が形成された半導体基板５０表面に、図２４に示すように、例えばＢＰＳＧ等の絶縁膜１０８をＣＶＤ法等により堆積する。絶縁膜１０８の堆積厚さは、孤立パターン１０４の領域では、６００ｎｍである。しかし、密集パターン１０６の領域では、密集パターン１０６のパターン密度に応じて絶縁膜１０８が孤立パターン１０４の領域より厚く堆積する。その結果、孤立パターン１０４及び密集パターン１０６の領域間に、例えば１００ｎｍ以上の系統的段差Ｓｔが生じる。

（ハ）密集パターン１０６領域で高パターン密度により厚く堆積した絶縁膜１０８を平坦化するため、ＣＭＰを用いて絶縁膜１０８を表面から約２００ｎｍ研磨する。その結果、図２５に示すように、絶縁膜１０８ａが平坦化され、孤立パターン１０４及び密集パターン１０６の領域間の系統的段差Ｓが減少する。平坦化で形成された系統的段差Ｓは、例えば５０ｎｍである。

（ニ）被加工膜である絶縁膜１０８ａの表面にフォトレジストを回転塗布する。その後、半導体基板５０及び、図１のフォトマスク５２と同様に、式（４）の条件を満たす光学的膜厚Ｔの透光性膜を孤立パターン１０４領域に投影するマスクパターン領域に設けたスルーホール用フォトマスクを露光装置に装着する。リソグラフィ技術により、図２６に示すように、孤立パターン１０４領域に第１の開口部１１４ａ〜１１４ｄを有する第１のフォトレジスト開口パターン１１４、及び密集パターン１０６領域に第２の開口部１１６ａ〜１１６ｈを有する第２のフォトレジスト開口パターン１１６を形成する。透光性膜の光学的膜厚Ｔは、約５０ｎｍと系統的段差Ｓと同程度であるため、第１及び第２のフォトレジスト開口パターン１１４、１１６は、所望の形状に形成される。第１の開口部１１４ａ〜１１４ｄの位置は、それぞれゲート１０４ａ、ゲート配線１０４ｂ、ソース／ドレイン領域１０３ａ、１０３ｂに対応している。また、第２の開口部１１６ａ〜１１６ｈの位置は、それぞれ第１のメモリ配線１０６ａ〜１０６ｈに対応している。

（ホ）次に、フォトレジスト膜１１０をマスクとして、第１及び第２のフォトレジスト開口パターン１１４、１１６下の絶縁膜１０８ａに、ＲＩＥ技術等を用いてスルーホールを形成し、図２７に示すように、ゲート１０４ａ、ゲート配線１０４ｂ、ソース／ドレイン領域１０３ａ、１０３ｂに接続された第１のプラグ１１８ａ〜１１８ｄ、及び第１のメモリ配線１０６ａ〜１０６ｈに接続された第２のプラグ１１９ａ〜１１９ｈを、例えばリフロースパッタ法等によるＣｕあるいはＡｌ等の金属で埋め込む。第１及び第２のプラグ１１８ａ〜１１８ｄ、１１９ａ〜１１９ｈが埋め込まれた絶縁膜１０８ａ上に、スパッタ法等により、ＣｕあるいはＡｌ等の被加工膜１２０を堆積する。その結果、新たに系統的段差Ｓｓが、孤立パターン１０４及び密集パターン１０６の領域間に形成される。堆積した被加工膜１２０の表面にフォトレジストを回転塗布した半導体基板５０、及び系統的段差Ｓｓに対応する光学的膜厚Ｔの透光性膜を孤立パターン１０４領域に投影するマスクパターン領域に設けた配線用フォトマスクを露光装置に装着する。リソグラフィ技術により、第１のフォトレジストマスク１２４ａ〜１２４ｄを有する第１のフォトレジストパターン１２４、及び第２のフォトレジストパターン１２６を形成する。第１のフォトレジストマスク１２４ａ〜１２４ｄは、それぞれ第１のプラグ１１８ａ〜１１８ｄの位置に対応する位置に形成される。第２のフォトレジストパターン１２６は、例えば、ＤＲＡＭのビットラインに対応したストライプ状であり、第２のプラグ１１９ａ〜１１９ｈ全体を覆うように形成されている。

（ヘ）第１及び第２のフォトレジストパターン１２４、１２６をマスクとしてＲＩＥ技術等により被加工膜１２０を選択的に除去し、図２８に示すように、第１のプラグ１１８ａ〜１１８ｄに接続された素子配線１３４ａ〜１３４ｄを有する上部配線１３４、及び第２のプラグ１１９ａ〜１１９ｈに接続された第２のメモリ配線１３６を形成する。

このように、実施の形態によれば、系統的段差が形成された被加工膜に対して適切なマスクパターンの転写ができ、パターン形成工程能力が向上し、半導体装置の製造歩留まりの向上が可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明の実施の形態においては、密集パターン領域が一つの場合について説明したが、パターン密度の異なる複数の密集パターン領域でもよいのは勿論である。例えば、図２９に示すように、第１の配線５４ａ、５４ｂを有する孤立パターン５４に対して、第２の配線５５ａ〜５５ｆを有する第１の密集パターン５５と、第３の配線５７ａ〜５７ｄを有する第２の密集パターン５７が設けられているとする。ここで、第２の密集パターン５７に比べ、第１の密集パターン５５のほうがパターン密度が高いとする。孤立パターン５４と第１及び第２の密集パターン５５、５７との間にそれぞれ形成される系統的段差Ｓａ、Ｓｂは、第１及び第２の密集パターン５５、５７のパターン密度に応じた段差となる。系統的段差ＳａとＳｂの差が大きく、例えば、図１に示したフォトマスク５２の透光性膜８８の光学的膜厚Ｔあるいは実効焦点深度Ｄでは適切なパターンの転写ができない場合も生じる。このような場合は、図３０に示すようなフォトマスク５２ｃを用いる。フォトマスク５２ｃは、孤立パターン５４上に投影される第１のマスク部１４４ａ、１４４ｂを有する第１のマスクパターン１４４と、第１の密集パターン５５上に投影される第２のマスク部１４５ａ〜１４５ｃを有する第２のマスクパターン１４５と、第２の密集パターン５７上に投影される第３のマスク部１４７ａ〜１４７ｃを有する第３のマスクパターン１４７を備えている。フォトマスク５２ｃでは、屈折率がｎ_Aの第１の透光性膜８８ｄを膜厚ｔ_Aとして、第１及び第３のマスクパターン１４４、１４７の領域に形成する。更に、屈折率がｎ_Bの第２の透光性膜８８ｅを膜厚ｔ_Bとして、第１のマスクパターン１４４上に形成する。第１の透光性膜８８ｄの光学的膜厚Ｔ_A＝ｎ_A＊ｔ_Aを、孤立パターン５４に対する第１及び第２の密集パターン５５、５７の系統的段差Ｓａ及びＳｂの差（Ｓａ−Ｓｂ）と同程度とする。また、第２の透光性膜８８ｅの光学的膜厚Ｔ_B＝ｎ_B＊ｔ_Bを、孤立パターン５４と第２の密集パターン５７との系統的段差Ｓｂと同程度とする。即ち、第１のマスクパターン１４４上の第１及び第２の透光性膜８８ｄ、８８ｅによる複合膜の光学的膜厚（Ｔ_A＋Ｔ_B）は、孤立パターン５４及び第１の密集パターン５５間の系統的段差Ｓａと同程度となる。したがって、フォトマスク５２ｃを用いて、第２のマスクパターン１４５を第１の密集パターン５５上に形成された被加工膜の表面に焦点合わせすれば、第１及び第３のマスクパターン１４４、１４７は、孤立パターン５４及び第２の密集パターン５７上に形成された被加工膜の表面に焦点ぼけを起すことなく投影される。

また、第１及び第２の透光性膜８８ｄ、８８ｅによる複合膜の光学的膜厚（Ｔ_A＋Ｔ_B）は、系統的段差Ｓａと同程度でなくてもよい。系統的段差Ｓａが、投影される第１のマスクパターン１４４の実効焦点深度Ｄの範囲内であれば、孤立パターン領域の被加工膜表面に第１のマスクパターン１４４の転写が可能となる。具体的には式（４）に対応して、
|(T_A+T_B)-Sa| ≦ D ・・・（５）
であればよい。

更に密集パターン領域が、３領域以上ある場合でも、同様に、各密集パターンのパターン密度に応じて発生する系統的段差と同程度の光学的膜厚の透光性膜を用いればよい。また、複数の系統的段差が、式（４）あるいは式（５）の条件を満たす範囲の場合は、同じ光学的膜厚の透光性膜を用いることができる。

このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係るフォトマスクの概略断面図である。本発明の実施の形態の説明に用いる露光装置の構成図である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の一例を示す断面工程図（その１）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の一例を示す断面工程図（その２）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の一例を示す断面工程図（その３）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の一例を示す断面工程図（その４）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の一例を示す断面工程図（その５）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の一例を示す断面工程図（その６）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の一例を示す断面工程図（その７）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの一例を示す平面概略図である。図１０に示したフォトマスクのＡＡ断面を示す図である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の他の例を示す断面工程図（その１）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の他の例を示す断面工程図（その２）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の他の例を示す断面工程図（その３）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の更に他の例を示す断面工程図（その１）である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの作製工程の更に他の例を示す断面工程図（その２）である。本発明の実施の形態に係るパターン形成方法の一例を示す断面工程図（その１）である。本発明の実施の形態に係るパターン形成方法の一例を示す断面工程図（その２）である。本発明の実施の形態に係るパターン形成方法の一例を示す断面工程図（その３）である。本発明の実施の形態に係るパターン形成方法の一例を示す断面工程図（その４）である。本発明の実施の形態に係るパターン形成方法の一例を示す断面工程図（その５）である。本発明の実施の形態の説明に用いるロジックパターン及びメモリパターン領域を混載したパターン領域のレイアウトの一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面工程図（その１）である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面工程図（その２）である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面工程図（その３）である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面工程図（その４）である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面工程図（その５）である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面工程図（その６）である。本発明のその他の実施の形態に係る半導体装置の概略断面図である。本発明のその他の実施の形態に係るフォトマスクの概略断面図である。

符号の説明

３０光源
３１フライアイレンズ
３２開口絞り
３３ミラー
３４コンデンサレンズ
３５照明光学系
３６投影光学系
３８マスクステージ
３９基板ステージ
４０主制御系
４１マスクステージ駆動系
４２基板ステージ駆動系
５０半導体基板
５２、５２ａ〜５２ｃフォトマスク
５４孤立パターン
５４ａ〜５４ｃ第１の配線
５５第１の密集パターン
５５ａ〜５５ｆ、５６ａ〜５６ｈ第２の配線
５６密集パターン
５７第２の密集パターン
５７ａ〜５７ｄ第３の配線
５８、５８ａ、５８ｂ、１０８、１０８ａ絶縁膜
６２、１１０フォトレジスト膜
６４、１２４第１のフォトレジストパターン
６４ａ、６４ｂ、１２４ａ〜１２４ｄ第１のフォトレジストマスク
６６、１２６第２のフォトレジストパターン
６６ａ〜６６ｇ第２のフォトレジストマスク
７０透明基板
７２マスク部材膜
７３遮光膜
７４第１のＥＢレジストパターン
７４ａ、７４ｂ第１のＥＢレジストマスク
７６第２のＥＢレジストパターン
７６ａ〜７６ｇ第２のＥＢレジストマスク
７７、８２、９０ＥＢレジスト膜
７８ａ、７８ｂ第１の遮光部
７９第１の積層パターン
８０ａ〜８０ｇ第２の遮光膜
８１第２の積層パターン
８４、１４４第１のマスクパターン
８４ａ、８４ｂ、１４４ａ、１４４ｂ第１のマスク部
８６、１４５第２のマスクパターン
８６ａ〜８６ｇ、１４５ａ〜１４５ｃ第２のマスク部
８８、８８ａ〜８８ｃ透光性膜
８８ｂ、８８ｄ第１の透光性膜
８８ｃ、８８ｅ第２の透光性膜
９１マスクパターン領域
９２アライメントマーク
９４ペリクル
９６ペリクルフレーム
９８ロジックパターン領域
９９ａ〜９９ｃメモリパターン領域
１００パターン領域
１０２ａ〜１０２ｄ分離領域
１０３ａ、１０３ｂソース／ドレイン領域
１０４孤立パターン
１０４ａゲート
１０４ｂゲート配線
１０６密集パターン
１０６ａ〜１０６ｈ第１のメモリ配線
１１４第１のフォトレジスト開口パターン
１１４ａ〜１１４ｄ第１の開口部
１１６第２のフォトレジスト開口パターン
１１６ａ〜１１６ｈ第２の開口部
１１８ａ〜１１８ｄ第１のプラグ
１１９ａ〜１１９ｈ第２のプラグ
１２０被加工膜
１３４上部配線
１３４ａ〜１３４ｄ素子配線
１３６第２のメモリ配線
１４７第３のマスクパターン
１４７ａ〜１４７ｃ第３のマスク部

Claims

透明基板と、
前記透明基板上の一部の領域に配置された第１のマスクパターンと、
前記透明基板上の、前記一部の領域と異なる領域に配置された第２のマスクパターンと、
前記第１のマスクパターン上に設けられ、前記第２のマスクパターンより前記第１のマスクパターンの焦点位置を深くする光学的膜厚を有する透光性膜
とを備えることを特徴とするフォトマスク。
前記透光性膜の膜厚と屈折率の積で決まる光学的膜厚が、前記第１及び第２のマスクパターンが転写される領域の被加工膜の下層に配置されたパターン密度差に起因して前記被加工膜表面に発生する系統的段差に対応することを特徴とする請求項１に記載のフォトマスク。
前記光学的膜厚と前記系統的段差との差の絶対値が、投影光学系の実効焦点深度以下であることを特徴とする請求項２に記載のフォトマスク。
前記透光性膜が、多層膜であることを特徴とする請求項２に記載のフォトマスク。
前記多層膜を構成する各々の透光性膜の前記光学的膜厚の和と前記系統的段差との差の絶対値が、投影光学系の実効焦点深度以下であることを特徴とする請求項４に記載のフォトマスク。
前記透光性膜が、レジスト膜を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフォトマスク。
前記透明基板上の更に他の領域に、更に第３のマスクパターンが配置され、前記第３のマスクパターンが転写される領域の前記被加工膜の下層に配置されたパターン密度に起因して前記被加工膜表面に更に発生する前記系統的段差に対応する前記光学的膜厚の他の透光性膜を更に有することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のフォトマスク。
基板上に設けられた孤立パターン及び密集パターンを覆う被加工膜上にフォトレジスト膜を塗布する工程と、
第１及び第２のマスクパターンを有し、前記第１のマスクパターン上に焦点位置を深くする光学的膜厚を有する透光性膜が形成されたフォトマスクを用いて前記フォトレジスト膜を露光し、前記第１及び第２のマスクパターンを前記孤立パターン及び前記密集パターンの位置に対応する領域の前記フォトレジスト膜にそれぞれ転写する工程
とを含むことを特徴とするパターン形成方法。
前記フォトレジスト膜を塗付する前に前記被加工膜を平坦化することを特徴とする請求項８に記載のパターン形成方法。
前記透光性膜の膜厚と屈折率の積で決まる光学的膜厚が、前記孤立パターン及び前記密集パターンのパターン密度差に起因して前記被加工膜表面に発生する系統的段差に対応することを特徴とする請求項８又は９に記載のパターン形成方法。
前記光学的膜厚と前記系統的段差との差の絶対値が、投影光学系の実効焦点深度以下であることを特徴とする請求項１０に記載のパターン形成方法。
前記密集パターンは、異なるパターン密度を有する第１及び第２の密集パターンを含み、異なる前記パターン密度に対応して更に発生する他の前記系統的段差に対応する前記光学的膜厚の他の透光性膜が前記第１及び第２の密集パターンのいずれかに対応する前記第２のマスクパターンの領域上に設けられることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のパターン形成方法。
孤立パターン及び密集パターンを有する半導体基板上に、前記孤立パターン及び前記密集パターンのパターン密度差に起因した系統的段差を表面に有する被加工膜を形成する工程と、
前記被加工膜上にフォトレジスト膜を塗布する工程と、
第１及び第２のマスクパターンを有し、前記第１のマスクパターン上に焦点位置を深くする光学的膜厚を有する透光性膜が形成されたフォトマスクを用いて前記フォトレジスト膜を露光し、前記第１及び第２のマスクパターンを前記孤立パターン及び前記密集パターンの位置に対応する領域の前記フォトレジスト膜にそれぞれ転写して第１及び第２のフォトレジストパターンを形成する工程と、
前記第１及び第２のフォトレジストパターンをマスクとして、前記被加工膜を加工する工程
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記フォトレジスト膜を塗付する前に前記被加工膜を平坦化する工程を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
前記透光性膜の膜厚と屈折率の積で決まる光学的膜厚が、前記被加工膜表面の系統的段差に対応することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の半導体装置の製造方法。
前記光学的膜厚と前記系統的段差との差の絶対値が、投影光学系の実効焦点深度以下であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
前記密集パターンは、異なるパターン密度を有する第１及び第２の密集パターンを含み、異なる前記パターン密度に対応して更に発生する他の前記系統的段差に対応する前記光学的膜厚の他の透光性膜が前記第１及び第２の密集パターンのいずれかに対応する前記第２のマスクパターンの領域上に設けられることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の半導体装置の製造方法。