JP2005183692A - マスク作成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マスクリピータを利用してマスクを作成する際、マザーマスクに対して、目的とするマスクに用いられるＯＰＣよりも、目的とするマスクのＯＰＣパターンよりもさらに強力な（すなわち、より複雑な形状の）ＯＰＣパターンが必要になるなどの課題があった。
【解決手段】マスクリピータに等倍Ｘ線露光装置を用いたものである。これによると、回折によるボケが小さいため、強力なＯＰＣは不要になる。しかも、等倍Ｘ線露光装置で作成されるパターンは、マスクのパターンになるため、半導体チップのパターンよりも４倍大きいことから、マザーマスクの製作が困難になることもない。
【効果】特にマスク上に同じパターンが多数個描画されたマスク、すなわち、多数の小さい半導体チップを一度に露光できるようなマスクを作成する場合、マザーマスクのパターンを何度もステップ＆リピートでパターン露光できるため、短時間に製作できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体デバイス製造時の露光工程（すなわちリソグラフィ工程）で用いられるマスクにパターン露光するための方法、及び、マスク作成装置に関し、特に、マスクリピータあるいはフォトマスクリピータと呼ばれる装置に関する。

リソグラフィ工程では、水銀ランプにおける波長３６５ｎｍのｉ線を光源とするｉ線露光装置（広くｉ線ステッパと呼ばれる。）や、紫外域である波長２４８ｎｍのレーザ光を発振するＫｒＦエキシマレーザを光源としたＫｒＦ露光装置が広く利用されている。また、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを光源とするＡｒＦ露光装置も量産のために利用され始めている。

これらＫｒＦ露光装置やＡｒＦ露光装置は、半導体チップのパターンよりも４倍大きなパターンを有するレチクル（あるいは、マスク、及びフォトマスクとも呼ばれるが、ここではマスクと呼ぶ。）に刻まれた回路パターンを、縮小率１／４の縮小投影光学系によってウエハ上にパターン転写（パターン露光とも呼ばれる。）するものである。

一方、目的とするマスクのパターンより大きなパターンを有するマスクをマザーマスク（マスターマスクと呼ばれることもある。）として、縮小投影光学系によって目的とするマスクを作成（パターン露光）する技術が提案されており、マスクリピータ（あるいはフォトマスクリピータ）と呼ばれている。マスクリピータに関する技術については、例えば、Proceedings of the SPIE, Vol.4186, p.34-45（非特許文献１）、あるいは、Proceedings of the SPIE, Vol.4562, p.522-529（非特許文献２）などにおいて示されている。

これによると、マスクリピータ（あるいはフォトマスクリピータ）は、通常、ウエハを露光する露光装置に類似した構成を有しており、露光装置におけるマスクの代わりにマザーマスクを配置し、ウエハの代わりにマスクを配置した構成と同様な構成を有している。

即ち、露光装置のウエハーステージにウエハの代わりに、マスクが搭載されるように改造されたものである。したがって、マスクリピータにおける縮小投影光学系としては、露光装置における縮小投影光学系がそのまま用いられる。このことは、例えば、ＫｒＦ露光装置やＡｒＦ露光装置をベースとしてマスクリピータを構成する場合、マザーマスクには、マスクのパターンの４倍のパターンを形成すればよいことを意味している。

また、露光光源に波長１ｎｍ前後のＸ線を用いてマスク上のパターンをウエハを露光する露光方法がある。この場合、Ｘ線程度の短波長のＸ線を縮小できる光学系が無いことから、縮小投影光学系を用いずに、マスクを露光対象のウエハに対して数十ミクロンまで近接させて、マスク側からＸ線を照射することで、ウエハにパターン露光を行う。したがって、この露光は、ウエハ上に形成されるパターンの寸法はマスクと同じであるため、等倍（又は等倍露光）、或いは、等倍Ｘ線露光と呼ばれている。一般に、マスクとウエハとを近接させて露光を行う場合、マスクとウエハとのギャップが大きくなると、ウエハ上でのパターンが回折によってぼけてしまうが、Ｘ線は波長が非常に短いため、回折が小さいことから、ボケが小さく近接露光が可能になる。

この種の等倍Ｘ線露光装置に関しては、例えば、電子材料、２００２年、１１月号別冊、第６０頁から６６頁（非特許文献３）において説明されている。

Proceedings of the SPIE, Vol.4186, p.34-45、 Proceedings of the SPIE, Vol.4562, p.522-529 電子材料、２００２年、１１月号別冊、第６０頁から６６頁

しかしながら、等倍Ｘ線露光方法及び装置の課題として、マスクのパターンが目的とする半導体チップのパターンと等しいため、非常に微細なマスク加工が必要であり、マスクの製作が困難とされていた。

更に、マザーマスクからマスクを作成する一般のマスクリピータの問題として、ｉ線露光装置、ＫｒＦ露光装置、或いは、ＡｒＦ露光装置などの光露光装置をベースとして構成する場合、マスク上に縮小投影されたマザーマスクのパターンがぼけてしまう場合があり、微細な形状を再現することが困難であった。特に、マスクにＯＰＣ（Optical Proximity Correction、すなわち、光近接補正と呼ばれ、光の回折による丸まり等を考慮して、補正することである。）パターンを形成する場合、マザーマスクには、目的とするＯＰＣパターンよりもさらに強力な（すなわち、より複雑な形状の）ＯＰＣパターンが必要になるなどの課題があった。

例えば、図５に示したように、半導体チップに要求されるパターンとして（ａ）のようなＴ字パターンを形成させる場合、（ｂ）に示したように、もしも、ＯＰＣが無いマスクを用いると、レジストパターン（正確には、露光装置でパターン露光した後に現像工程を経て形成されたレジストパターン）は、図に示されたように丸みを帯びてしまう。そこで、一般には（ｃ）に示したようなＯＰＣを有するマスクを用いることで、レジストパターンもＴ字に近い形状が得られる。ところが、従来のマスクリピータによってマスクを作成して、（ｃ）に示されたようなマスクパターンを得るには、（ｄ）に示したように、マザーマスクには、さらに強化されたＯＰＣが必要になってしまう。その結果、パターンのデータが非常に増大し、マスク描画時間も長く掛かかるなどの問題があった。

本発明の目的は、マスクリピータを利用してマスクを作成する際に、マザーマスクに対して、目的とするマスクに用いられるＯＰＣよりも、より強力なＯＰＣを不要とするマスク作成方法、及びマスクリピータを提供することである。

前記目的を達成するために、本発明では、マスクリピータに使用されるマザーマスクの描画に等倍Ｘ線露光装置または等倍電子ビーム露光装置を用いたものである。これによると、等倍Ｘ線露光または等倍電子ビーム露光では回折によるボケが小さいため、強力なＯＰＣは不要になる。しかも等倍Ｘ線露光装置または等倍電子ビーム露光装置で作成されたパターンは、光の露光装置で用いられるマスクのパターンになるため、半導体チップのパターンよりも４倍大きい。したがって、等倍Ｘ線露光装置用マスクまたは等倍電子ビーム露光装置用マスクであるマザーマスクの製作が困難になることはない。

本発明によると、特に、マスク上に同じパターンが多数個描画されたマスク、すなわち、多数の小さい半導体チップを一度に（１回で）露光できるようなマスクを作成する場合に効果的である。その理由としては、マザーマスクには、その半導体チップ１つ分のパターンを形成しておけばよいからであり、マスクに対しては、マザーマスクのパターンを何度もステップ及びリピートでパターン露光することで、非常に短時間に露光できるからである。したがって、特にチップサイズが小さいことで知られているＳＯＣ（System on Chip）用のマスクを作成する場合に適する。

さらに、本発明のように、マザーマスクは等倍Ｘ線露光装置で用いるため、マザーマスクにペリクルを取り付ける必要もないため、マザーマスクの製造工程も簡素化できる効果がある。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明のマスク作成方法１００の説明図である。本発明に係るマスク作成方法１００では、（ａ）に示されたマザーマスク描画装置１０１と、（ｂ）に示された本発明のマスクリピータ１０２とが用いられる。

まず、マザーマスク描画装置１０１は、パターン描画装置１０５によって、ＸＹステージ１０４上にセットされたマザーマスク１０３にパターン露光する。なお、パターン描画装置１０５の詳細は図２を用いて後述する。このように作成されたマザーマスク１０３は、シリコン基板の上にＳｉＣのメンブレンが張られたものである。ＳｉＣメンブレンの上に、重金属から成るＸ線吸収体を付けて、これをパターン露光して、マザーマスク１０３が作成される。

ここで、マザーマスク１０３の作成手順を図６を参照して具体的に説明する。先ず、図６（ａ）に示したように、シリコンウエハ１２１の上に、ＳｉＣメンブレン１２２を付け、その上にＸ線吸収体１２３を付ける。次に、図６（ｂ）に示したように、ＳｉＣメンブレン１２２の裏面が剥き出しとなるように、シリコン基板１２１を裏側からエッチングする。その次に、図６（ｃ）に示したように、Ｘ線吸収体１２３をパターン加工する。

Ｘ線吸収体１２３をパターン加工する際、Ｘ線吸収体１２３の上にレジスト（図示せず）が塗布される。この状態で、図１（ａ）に示されたパターン描画装置１０５にマザーマスク１０３がセットされ、パターン描画装置１０５によりマザーマスク１０３のパターン露光が行われる。図６（ｃ）のように、パターン露光されたマザーマスクには、最後に、図６（ｄ）に示したように、フレーム１２４が取り付けられる。

図６に示すように、本発明では、パターン加工の後にフレーム１２４がマザーマスクに取り付けられている。これは、フレーム１２４の取り付けをパターン加工の前に行っている従来の方法と異なっている。このように、本発明では、パターン加工の後にフレーム１２４を取り付けている理由は、パターン描画装置１０５で描画する際に、フレーム１２４が無い方が、マザーマスク描画装置１０１のＸＹステージ１０４として、一般の露光機用のウエハステージをそのまま利用できるからである。また、同様な理由から、図６（ｃ）パターン加工を図６（ｂ）のシリコンエッチングより前に行ってもよい。

一方、マスクリピータ１０２は、等倍Ｘ線露光装置をベースとして構成した装置であり、目的とするマスク１０６を縦型ステージ１０７にセットし、マスク１０６から僅かに離した位置に、マザーマスク１０３を配置させて、マザーマスク１０３のパターン部１０９ａをカバーするように、Ｘ線１０８が照射される。なお、マスクリピータ１０２のそれ以外の部分は、一般的な等倍Ｘ線露光装置と同等であるため、説明は省略する。

本実施例では、マザーマスク１０３におけるパターン部１０９ａは３２ｍｍ×４０ｍｍと比較的小さい面積になっている。つまり、一般の４倍マスクの描画領域は、最大、１３２ｍｍ×１０４ｍｍのサイズであることを考慮すると、面積的に１／９以下になっている。したがって、マスク１０６にはパターン１０９ａを少なくとも９個分を、ステップ＆リピートによって、非常に短い時間（レジスト感度にも依るが、１パターンは約１秒で露光できる。）に転写露光することができ、これによって、図１（ｃ）に示したように、マスク１０６には９個のパターン部１０９ｂが短時間に形成される。

なお、これに対して、従来のように、マスク１０６を、直接、電子ビームマスク描画装置などで描画する場合は、９個のパターン１０９ｂをそれぞれ描画するため、描画時間が長く掛かってしまう。例えば、６５ｎｍ世代のＯＰＣマスクの場合は、パターン１０９ｂ１個でも１０時間程度掛かるため、全体で９０時間も掛かっていた。したがって、本発明の特徴としては、特に多数の同じパターンを有するマスクが短時間で製作できるようになった。

また、従来の光露光装置をベースとして構成したマスクリピータとは異なり、マザーマスク１０３のパターン部１０９ａ（図１（ｂ））は、目的とするマスク１０６のパターン部１０９ｂと同じパターンであればよく、より強化されたＯＰＣパターンを用いる必要がない。その理由は、マスクリピータ１０２によって、マスク１０６をパターン露光するために非常に短波長のＸ線を用いることから、マザーマスク１０３とマスク１０６とのギャップを進む間に回折で広がる割合を非常に小さくでき、その結果、パターン露光されるパターン１０９ｂは、パターン１０９ａとほとんど同一になる。したがって、本発明によるマザーマスクのＯＰＣとしては、図５に示した（ｃ）のような通常のＯＰＣマスクと同じでよく、（ｄ）に示したような複雑なＯＰＣは不要である。

次に、マザーマスク描画装置１０１に使用できるパターン描画装置１０５の一例を図２を用いて説明する。図２はパターン描画装置１０５の構成図である。パターン描画装置１０５は、パターン形成にミラーデバイス１１０を用いている。ミラーデバイスとは、数十万から１００万個もの多数のマイクロミラーが並べられたデバイスのことである。図示していない露光光源からの紫外光Ｌ１をミラー１１１で反射させ、紫外光Ｌ２がミラーデバイス１１０に照射される。その結果、ミラーデバイス１１０で反射して下方に進む紫外光Ｌ３がパターンを有するようになる。紫外光Ｌ３は、レンズ１１２ａと１１２ｂとで構成された投影光学系１１３を通過する。これによって、ミラーデバイス１１０の表面のパターンがマイクロレンズアレイ１１４上に投影される。ここで、ミラーデバイス１１０における各マイクロミラーがマイクロレンズアレイ１１４における各マイクロレンズと１対１に対応するようになる。マイクロレンズアレイ１１４で各光線が集光される位置に、ピンホール板１１５が配置されている。このピンホール板１１５の像が、縮小投影光学系１１６によって、マザーマスク１０３上に投影される。これによって、マザーマスク１０３上には、多数のスポットの集合体が投影される。

なお、本実施例における図２に示したパターン描画装置１０５の光源としては、高速にＯＮ／ＯＦＦ動作が可能なミラーデバイス１１０に対応させるため、連続光源が好ましい。そこで、光源には、例えば、アルゴンイオンレーザの第２高調波を用いるのがよい。その理由として、アルゴンイオンレーザには様々な波長で発振可能であり、波長４９６ｎｍに発振ラインがある。したがって、その第２高調波によって、波長２４８ｎｍの連続光を発生できる。これはＫｒＦエキシマレーザと同じ波長であるため、縮小投影光学系１１６と、図１に示されたＸＹステージ１０４において、ＫｒＦ露光装置用のＸＹステージや縮小投影光学系がそのまま利用できるからである。

一方、ピンホール板は図３に示したように、多数のピンホールが斜めに並んでおり、図４に示したように、露光中にマザーマスク１０３を−Ｙ方向にスキャンすることで、ピンホール板１１５が投影された領域１１７がＹ方向にスキャンされ、マザーマスク１０３上に露光された領域１１８が形成される。

本実施例のように、マザーマスク描画装置１０１にミラーデバイス１１０を用いていることにより、非常にパターン描画速度が高くなり、マザーマスク１０３の描画時間も短くすることができる。

しかも、マザーマスク１０３は、前述したように、シリコンウエハ１２１（図６）を基板としたものであるため、マザーマスク描画装置１０１（図１（ａ））のＸＹステージ１０４に、ＫｒＦ露光装置やＡｒＦ露光装置用のステージがそのまま利用できる。なお、図２に示されているパターン描画装置１０５の縮小投影光学系１１６にも、ＫｒＦ露光装置やＡｒＦ露光装置用のレンズをそのまま利用できる。したがって、以上より、本発明のマスク作成装置によると、マザーマスク描画装置を市販の露光装置をベースに構成することも容易になる。

なお、本発明のマスクリピータでは、等倍Ｘ線露光装置を用いているが、以下に説明するように、ＬＥＥＰＬ（Low Energy E-Beam Proximity Lithography）と呼ばれる等倍の電子ビーム近接露光装置を用いてもよい。その理由としては、この装置も露光が光でなく、電子ビームを用いるため、回折による広がりが小さいことから、ＬＥＥＰＬ用マスクをマザーマスクとする場合、より強化されたＯＰＣが不要になるからである。しかも等倍Ｘ線露光装置の場合と同様、ペリクルを貼り付ける必要もないからである。

更に、図２に示されたパターン描画装置１０５の光源としては、１０ｋＨｚ程度で高速に動作するミラーデバイス１１０に対応させるため、５ｋＨｚで動作するエキシマレーザを２台交互運転させて、取り出された２本のビームをオーバーラップさせてもよい。

さらにその際に、それら２台のエキシマレーザを、さらに別の１台の狭帯域化レーザ（シーダと呼ばれる。）を用いて、波長ロッキングさせてもよい。これによると、２台のエキシマレーザにおいて、それぞれ波長安定化と、波長狭帯域化が不要になる。

また、エキシマレーザにおいて、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを用いる場合は、シーダとして、波長２４８．６ｎｍで動作することで知られるＮｅＣｕレーザを用いてもよい。ＮｅＣｕレーザはイオンレーザの一種であり、特に波長狭帯域化素子を用いなくても、狭帯域化されたレーザ光を取り出せ、しかも原子の定まったエネルギー準位間でレーザ遷移するため、中心波長の変動もない点で好ましい。

（ａ）、（ｂ）、及び、（ｃ）は本発明のマスク作成方法１００をその手順にしたがって説明する図である。 本発明に係るマスク作成方法に使用されるパターン描画装置１０５の構成を示す図である。 図２のパターン描画装置に使用されるピンホール板１１５の構成を示す図である。 図２に示されたパターン描画装置１０５による描画動作を説明する図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び、（ｄ）は光近接補正（ＯＰＣ）及びそのためのマスクを説明する図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び、（ｄ）はマザーマスク１０３の作成手順を工程順に説明する図である。

符号の説明

１０１ マザーマスク描画装置
１０２ マスクリピータ
１０３ マザーマスク
１０４ ＸＹステージ
１０５ パターン描画装置
１０６ マスク
１０７ 縦型ステージ
１０８ Ｘ線
１０９ａ、１０９ｂ パターン部
１１０ ミラーデバイス
１１１ ミラー
１１２ａ、１１２ｂ レンズ
１１３ 投影光学系
１１４ マイクロレンズアレイ
１１５ ピンホール板
１１６ 縮小投影光学系
１１７ ピンホール板１１５の投影領域
１１８ 露光された領域
１２１ シリコンウエハ
１２２ ＳｉＣメンブレン
１２３ Ｘ線吸収体
１２４ フレーム
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 紫外光

Claims (13)

1. 半導体デバイス用露光装置で用いられるマスクのパターン描画を、等倍露光によって行うことを特徴とするマスク作成方法。
2. 請求項１において、前記マスクのパターン描画の等倍露光をリピートすることによって、前記マスク上に複数のパターンを形成することを特徴とするマスク作成方法。
3. 請求項１において、マスク描画用として用いられる等倍Ｘ線露光装置または等倍電子ビーム露光装置用のマザーマスクを、ミラーデバイスを用いたパターン描画装置によって描画することを特徴とするマスク作成方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記半導体デバイス用露光装置で用いられるマスクが、ＳＯＣ用のマスクであることを特徴とするマスク作成方法。
5. 半導体ウエハ作成用マスクを作成する方法において、前記マスクの作成に使用されるマザーマスクを描画する工程と、前記マザーマスクのパターンを等倍露光することによって前記マスク上にパターンを形成する工程とを含むことを特徴するマスク作成方法。
6. 請求項５において、前記等倍露光は等倍Ｘ線露光装置及び等倍電子ビーム露光装置のいずれかを使用して行われることを特徴とするマスク作成方法。
7. 請求項５又は６において、前記マザーマスクの描画には、ミラーデバイスを備えたパターン描画装置が使用されることを特徴とするマスク作成方法。
8. 半導体ウエハ作成用マスクを作成するマスク作成装置において、前記マスク上に描画すべきパターンを有するマザーマスクを描画するマザーマスク描画装置と、前記マザーマスクのパターンを等倍露光により前記マスク上にパターンを形成するマスク描画装置とを含むことを特徴とするマスク作成装置。
9. 請求項８において、前記マザーマスク描画装置は、単一のパターン部を備えたマザーマスクを作成し、前記マスク描画装置は、前記マザーマスクの単一のパターン部を前記マスク上に等倍露光によって繰り返し描画するマスクレピータによって構成されていることを特徴とするマスク作成装置。
10. 請求項９において、前記マスクレピータは等倍Ｘ線露光装置及び等倍電子ビーム露光装置のいずれかによって構成されていることを特徴とするマスク作成装置。
11. 請求項８乃至１０のいずれかにおいて、前記マザーマスク描画装置はミラーデバイスを含むパターン描画装置によって構成されていることを特徴とするマスク作成装置。
12. 請求項８乃至１１のいずれかに記載された前記等倍露光によって作成された半導体ウエハ作成用マスク。
13. 請求項１２において、同一のパターンの複数個含むことを特徴とする半導体ウエハ作成用マスク。
    
    

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