JP2006178391A - 多重透過位相マスク及びこれを用いた露光方法 - Google Patents

多重透過位相マスク及びこれを用いた露光方法 Download PDF

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Abstract

【課題】マスクの微細なパターンの臨界寸法を正確に実現しうる多重透過位相マスク及びこれを用いた露光方法を提供する。
【解決手段】露光装置に使用されるマスクにおいて、透明基板１０と、該透明基板１０の上部に形成されており、光透過領域Ａと光遮断領域Ｂとを定義する光遮断膜１２と、前記光透過領域Ａの所定領域に形成され、光の位相を反転させて透過させる位相反転領域１４と、を備えてなることを特徴とする多重透過位相マスク及びこれを用いた露光方法を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、多重透過位相マスク及びこれを用いた露光方法に関し、より詳細には、マスクの微細なパターンの臨界寸法を正確に実現しうる多重透過位相マスク及びこれを用いた露光方法に関する。
半導体装置の高集積化及び高密度化に伴い、ウェハ上に微細パターンを形成すべく、高い解像力を実現するフォトリソグラフィ技術が研究・開発されている（例えば、特許文献１又は２）。露光装置の解像力(Ｒ)は、プロセスに対応する定数をｋ１、露光光の波長をλ、露光装置のレンズ開口数をＮＡとする場合、下記の数学式１で定義される。
上記数学式１から分かるように、高い解像力を得るためには、露光装置のレンズ開口数ＮＡは増加し、露光光源の波長は減少しなければならない。そこで、実際に露光装置に使用される露光光の波長はＩ線(３６５nm)からＫｒＦエキシマーレーザー(２４８nm)、ＡｒＦエキシマーレーザー(１９３nm)、Ｆ２(１５７nm)などに次第に短波長化していきつつある。
図１は、ＫｒＦレーザーを使用した従来の技術によるストレージノードコンタクトのマスクを示す図である。図１に示すように、ＫｒＦレーザーを使用する場合、マスクのストレージノードコンタクトの大きさＡが９３nm、９０nm、８７nmなら、シミュレーションコンタクト臨界寸法(ＣＤ:Critical Dimension)はそれぞれ１０３.７nm、９５.０nm、８６.１nmとなる。この場合のマスクエラー要因(ＭＥＦ：Mask Error Factor)は約１１.８となり、小さいマスクの寸法変化にも実際には大きく寸法が変化してしまうため、製品量産のために許されるマスクエラー要因値が５未満であることに鑑みると、この寸法は、非常に大きい数値であることが分かる。
図２は、従来の技術によりウェハ上に露光されたストレージノードコンタクトパターンを示す図である。図２に示すように、６％ハーフトーン(half tone)マスク上の９０nmハーフピッチを有するストレージノードコンタクトパターンを、０.８０ＮＡのＫｒＦ露光装置でマスクを用いてウェハに露光する場合、微細なストレージノードコンタクトパターンが正しくオープンされなかったり(ｂ)、パターンどうしが互いにブリッジ形態(ｃ)につながる不良が生じる。
図３ａは、従来の技術によるストレージノードコンタクトのマスクエラーによる異常パターンを示す図であり、図３ｂは、これによるウェハ上の不良パターンを示す図である。
図３ａ及び図３ｂに示すように、反復的なストレージノードコンタクト配列によるマスクエラー(ｄ)によってもウェハ上に露光されるパターンにストレージノードコンタクトパターンが正しくオープンされないなどの不良が生じる。
このように従来の技術によれば、ＫｒＦレーザーを使用する場合、微細ストレージノードコンタクトのような微細なパターンの臨界寸法を正確に実現し難い問題点があった。
米国特許第５，９９４，００１号 米国特許第５，５２１，０３３号
本発明の目的は、上記事情に鑑みて、光透過領域の所定領域に光の位相を反転させて透過させる位相反転領域を備えることによって、微細で反復的な半導体素子のパターン臨界寸法を正確に実現しうる多重透過位相マスクを提供することにある。
本発明の他の目的は、光透過領域の所定領域に、光の位相を反転させて透過させる位相反転領域を備えた多重透過位相マスクと変形照明系を用いた露光工程によりウェハ上に半導体素子のパターン臨界寸法を正確に実現しうる多重透過位相マスクを用いた露光方法を提供することにある。
上記一目的を達成するために、本発明は、露光装置に使用されるマスクにおいて、透明基板と、前記透明基板の上部に形成されており、光透過領域と光遮断領域とを定義する光遮断膜と、前記光透過領域の所定領域に形成され、露光光の位相を反転させて透過させる位相反転領域と、を備えてなることを特徴とする多重透過位相マスクを提供する。
前記他の目的を達成するために、本発明は、露光装置に使用される多重透過位相マスクを用いた露光方法において、透明基板と、該透明基板の上部で光透過領域と光遮断領域とを定義する光遮断膜と、前記光透過領域の所定領域に形成され、露光光の位相を反転させて透過させる位相反転領域とを備える多重透過位相マスクを使用し、少なくとも２つ以上のポール(pole)を有し、各ポールは既に設定されたオープン角度を有する変形照明系を通じて、前記多重透過位相マスクに露光光を照射してウェハ上に半導体素子のパターンを露光することを特徴とする多重透過位相マスクを用いた露光方法を提供する。
前記位相反転領域は、前記透明基板を所定の深さにエッチングして形成されたものであることを特徴とする。
前記位相反転領域は、前記光透過領域に対して１８０゜の位相差を有することを特徴とする。
前記位相反転領域は、前記光遮断膜により定義される光透過領域の行方向に形成されることを特徴とする。
前記位相反転領域は、前記光遮断膜により定義される光透過領域の列方向に形成されることを特徴とする。
前記露光光は、ＫｒＦレーザー、ＡｒＦレーザー及びＦ２レーザーのいずれかにより生成されることを特徴とする。
前記光遮断膜は、クロム(Ｃｒ)膜及び光の一部だけを透過させて位相を反転させるハーフトーン(half tone)膜のいずれかであることを特徴とする。
前記光遮断膜は、クロム(Ｃｒ)膜及び光の一部だけを透過させて位相を反転させるハーフトーン(half tone)膜を選択的に組み合わせたものであることを特徴とする。
前記多重透過位相マスクは、前記光透過領域と接しない所定部分に追加された位相反転領域をさらに備えることが好ましい。
前記露光方法は、イマージョン(immersion)タイプの露光方法にも適用されることを特徴とする。
前記変形照明系は、ヘキサポールを有することが好ましい。
本発明による多重透過位相マスクを用いて露光工程を行うと、ストレージノードコンタクトなどが形成される領域である光透過領域とこれに接するように形成される位相反転領域間の１８０゜の位相差による位相相殺効果によって、ウェハ上のパターンの臨界ピッチを確保することができ、したがって、微細なストレージノードコンタクトパターンの間における光近接効果によってコンタクトが正しくオープンされないとか、パターンどうしがブリッジ形態に互いにつながるとかの不良を未然に防ぐことが可能になる。また、ＫｒＦレーザーを露光光源とする場合にも、本発明による多重透過位相マスクを使用すると、微細ストレージノードコンタクトのような微細なパターンの臨界寸法を正確に実現でき、ＡｒＦレーザーまたはＦ２レーザー露光装備などへの新規設備投資による出費を防ぐことができる。
また、ヘキサポールを有するなどの変形照明系を使用する場合、マスクの光透過率及び位相を調整することができ、その結果、微細で反復的な半導体素子のパターン臨界寸法を正確に実現することが可能になる。
以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図４は、本発明の一実施の形態による多重透過位相マスクを示す平面図である。
図４を参照すると、本発明の一実施の形態による多重透過位相マスクは、透明基板１０と、該透明基板１０の上部に形成されており、光透過領域Ａと光遮断領域Ｂとを定義する光遮断膜１２と、光透過領域Ａの所定領域に形成され、光の位相を反転させて透過させる位相反転領域１４と、を備えてなる。ここで、透明基板１０は、透過される光が０゜の位相遅れを有し、位相反転領域１４は、透過される光が、光透過領域Ａに対して１８０゜の位相遅れを持つ。特に、位相反転領域１４は、１８０゜の位相遅れを持たせるべく、透明基板１０を所定の深さにエッチングして形成する。これにより、光透過領域Ａを透過する光と位相反転領域１４を透過する光との間には１８０゜の位相差が発生する。
ここで、光遮断膜１２には、クロム(Ｃｒ)膜及び光の一部だけを透過させ、位相を反転させるハーフトーン(half tone)膜のいずれかを使用しても良く、クロム(Ｃｒ)膜とハーフトーン(half tone)膜を選択的に組み合わせて使用しても良い。
図５ａ乃至図５ｃはそれぞれ、図４のＸ、Ｙ、Ｚ線による垂直断面図である。
図５ａは、図４のＸ線に沿って切った多重透過位相マスクの垂直断面図であり、光遮断膜１２間の空間において所定の深さにエッチングされた透明基板１０の部分が、位相反転領域１４となることを示す。
図５ｂは、図４のＹ線に沿って切った多重透過位相マスクの垂直断面図であり、光遮断膜１２の間において露出された透明基板１０が、光透過領域Ａとなることを示す。
図５ｃは、図４のＺ線に沿って切った多重透過位相マスクの垂直断面図であり、透明基板１０において光透過領域Ａの基板表面よりも低くエッチングされた部分が、位相反転領域１４となることを示す。
このように、本発明の一実施の形態によってストレージノードコンタクトを形成するために、多重透過位相マスクを用いてＫｒＦ露光装置のような露光装置で露光する場合、ストレージノードコンタクト領域などが形成される光透過領域Ａを通過する光と、光透過領域Ａ間の行方向の空間に形成された位相反転領域１４を通過する光との間には、１８０゜の位相差が発生する。これにより、光透過領域Ａと位相反転領域１４とが接する部分では、位相の相殺現象によって一定領域範囲以内でマスクの大きさの変動に大きく影響を受けずにパターンを維持することが可能になる。したがって、本実施形態による多重透過位相マスクを使用すると、微細なストレージノードコンタクトパターンの間で光近接効果によってコンタクトが正しくオープンされないとか、パターンどうしが相互にブリッジ形態につながるなどの不良を未然に防止することができる。
図６は、本発明の他の実施形態による多重透過位相マスクを示す平面図である。図６に示すように、本発明の他の実施形態による多重透過位相マスクは、透明基板１０の上部で光透過領域Ａ'と光遮断領域Ｂ'とを定義するために光が透過されないようにするクロム(Ｃｒ)などの光遮断膜１２と、隣り合う光透過領域Ａ'間の列方向空間に、所定の深さで透明基板１０がエッチングされて形成された位相反転領域１４と、を備える。ここで、位相反転領域１４を通過した光と光透過領域Ａ'を通過した光との間には１８０゜の位相差が発生するように透明基板１０のエッチングの深さを調整する。
ここで、光遮断膜１２には、クロム(Ｃｒ)膜及び光の一部だけを透過させて位相を反転させるハーフトーン膜のいずれかを使用しても良く、クロム(Ｃｒ)膜とハーフトーン膜を選択的に組み合わせて使用しても良い。
図７ａ乃至図７ｃは、図６のＸ'、Ｙ'、Ｚ'線による垂直断面図である。
図７ａは、図６のＸ'線に沿って切った多重透過位相マスクの垂直断面図であり、透明基板１０において光透過領域Ａ'の基板表面よりも低くエッチングされた部分が、位相反転領域１４となることを示す。
図７ｂは、図４のＹ'線に沿って切った多重透過位相マスクの垂直断面図であり、光遮断膜１２の間において露出された透明基板１０が、光透過領域Ａ'となることを示す。
図７ｃは、図４のＺ'線に沿って切った多重透過位相マスクの垂直断面図であり、光遮断膜１２の間の空間に所定の深さでエッチングされた透明基板１０の部位が、位相反転領域１４となることを示す。
このように、本発明の他の実施形態によってストレージノードコンタクトなどを形成するために、多重透過位相マスクを用いてＫｒＦ露光装置のような露光装置で露光する場合にも同様に、ストレージノードコンタクト領域などが形成される光透過領域Ａ'を通過する光と、光透過領域Ａ'の間の行方向の空間に形成された位相反転領域１４を通過する光との間には１８０゜の位相差が発生する。これにより、光透過領域Ａ'と位相反転領域１４'とが接する部分では、位相の相殺現象によって一定領域範囲以内でマスクの大きさの変動に大きく影響を受けずにパターンを維持することが可能になる。したがって、本実施形態による多重透過位相マスクを使用すると、微細なストレージノードコンタクトパターンの間で光近接効果によってコンタクトが正しくオープンされないとか、パターンどうしが相互にブリッジ形態で繋がるなどの不良を未然に防止することができる。
一方、以上の実施形態では、透明基板１０を所定の深さにエッチングして位相反転領域１４を形成する方法について説明したが、これ以外の方法によっても位相反転領域を形成することができる。
図８ａ乃至図８ｆは、本発明による多重透過位相マスクの様々な実施形態を示す図であり、多重透過位相マスクの光透過領域の四角パターン形態を、補助パターン領域を持つように変形したり、位相反転領域の位置を調整する等の各種変更が可能である。
図８ａは、本発明による多重透過位相マスクの一例であり、四角パターンを有する光透過領域１０の左右上下に補助パターン領域１１ａが形成され、隣り合う光透過領域１０間の行方向空間に１８０゜の位相を有する位相反転領域１４を含む多重透過位相マスクを示す。
図８ｂは、本発明による多重透過位相マスクの他の例であり、四角パターンを有する光透過領域１０の左右に補助パターン領域１１ｂがさらに形成され、隣り合う光透過領域１０間の行方向空間に１８０゜の位相を有する位相反転領域１４を含む多重透過位相マスクを示す。
図８ｃは、本発明による多重透過位相マスクのさらに他の例であり、光透過領域１０ａが多角パターンに変形され、隣り合う光透過領域１０ａ間の列方向空間に１８０゜の位相を有する位相反転領域１４を含み、光透過領域１０ａと接しない所定部分にも追加された位相反転領域１４'を含む多重透過位相マスクを示す。
図８ｄは、本発明による多重透過位相マスクのさらに他の例であり、光透過領域１０ｂのパターンが多角パターンに変形され、隣り合う光透過領域１０ｂ間の列方向空間に１８０゜の位相を有する位相反転領域１４を含み、光透過領域１０ｂと接しない所定部分に追加された位相反転領域１４''を含む多重透過位相マスクを示す。
図８ｅは、本発明による多重透過位相マスクのさらに他の例であり、図８ｃにおいて光透過領域１０ｃと接しない所定部分に追加されていた位相反転領域を省いた多重透過位相マスクを示す。
図８ｆは、本発明による多重透過位相マスクのさらに他の一例であり、図８ｄにおいて、光透過領域１０ｄに接しない所定部分に追加されていた位相反転領域を省いた多重透過位相マスクを示す。
本発明による多重透過位相マスクは、露光光源としてＫｒＦレーザーを使用する場合の他に、ＡｒＦレーザーまたはＦ２レーザーなどを露光光源とする場合にも広く適用可能である。
このように、本発明による多重透過位相マスクは、光透過領域に対して１８０゜の光位相差を有し、光透過率が１００％である位相反転領域を、該光透過領域の所定領域または光透過領域と接しない所定部分に備えているため、露光工程時に、前記光透過領域と位相反転領域とが接する空間での位相相殺現象によって、ウェハ上に形成されるストレージノードコンタクトパターンなどのパターンの臨界ピッチを確保することができる。特に、ＫｒＦレーザーを露光光源とする場合にも、本発明による多重透過位相マスクを使用すると、微細ストレージノードコンタクトのような微細なパターンの臨界寸法を正確に実現でき、ＡｒＦレーザーまたはＦ２レーザー露光装備への新規設備投資による出費を防ぐことができる。
一方、図８ａ乃至図８ｆで説明しなかった図面符号１２は、光透過領域を定義するためにマスク透明基板の上部に形成された光遮断膜である。
本発明の一実施の形態による露光方法は、上記の多重透過位相マスクを用い、図９に示すように、少なくとも２つ以上のポール(pole)を有し、各ポールは既に設定されたオープン角度(opening angle)α、β、γを有する変形照明系を通じて、前記多重透過位相マスクに露光光を照射し、ウェハ上に半導体素子のパターンを露光することに特徴がある。
図９は、本発明に使用された変形照明系の例を示す図である。図９の変形照明系は、少なくとも２つ以上のポール(pole)、例えばヘキサポール(hexapole)を有する変形照明系である。ここで、ヘキサポールの各ポールは、既に設定されたオープン角度を有する。例えば、αは、垂直軸に対して１５゜のオープン角度を有し、βは、水平軸に対して２０゜のオープン角度を、１対のγは６０゜のオープン角度を有する。
本発明に使用された変形照明系においてオープンポールの数量及びオープン角度大きさと方向は、多重透過位相マスク内の位相反転領域の位置によって決定される。
図１０ａ乃至図１０ｃは、本発明による多重透過位相マスクと変形照明系を使用してウェハ上に露光したストレージノードコンタクトパターンの例を示す図である。
図９の変形照明系と、図８ａ、図８ｃ、図８ｅに示すハーフピッチ９５nmのストレージノードコンタクトパターンを有する各多重透過位相マスクを使用し、０.８０ＮＡ ＫｒＦ露光装置でウェハに露光する場合、図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃに示すように、均一なストレージノードコンタクトパターンのイメージがウェハ上に形成される。このときに、それぞれの露光工程において焦点深度(ＤＯＦ：depth of focus)は０.５μmであり、図１０ａの露光許容度(ＥＬ：exposure limit)は１２.７％、図１０ｂの露光許容度は１４.１％、図１０ｃの露光許容度は１２.６％である。
上記露光方法は、イマージョン(immersion)タイプの露光方法にも適用可能である。
従来の技術によるストレージノードコンタクトのマスクを示す図である。 従来の技術によってウェハ上に露光されたストレージノードコンタクトパターンを示す図である。 従来の技術によるストレージノードコンタクトのマスクエラーによる異常パターンとこれによるウェハ上の不良パターンを示す図である。 従来の技術によるストレージノードコンタクトのマスクエラーによる異常パターンとこれによるウェハ上の不良パターンを示す図である。 本発明の一実施の形態による多重透過位相マスクを示す平面図である。 図４のＸ、Ｙ、Ｚ線による垂直断面図である。 図４のＸ、Ｙ、Ｚ線による垂直断面図である。 図４のＸ、Ｙ、Ｚ線による垂直断面図である。 本発明の他の実施の形態による多重透過位相マスクを示す平面図である。 図６のＸ'、Ｙ'、Ｚ'線による垂直断面図である。 図６のＸ'、Ｙ'、Ｚ'線による垂直断面図である。 図６のＸ'、Ｙ'、Ｚ'線による垂直断面図である。 本発明の多重透過位相マスクの様々な実施形態を示す図である。 本発明の多重透過位相マスクの様々な実施形態を示す図である。 本発明の多重透過位相マスクの様々な実施形態を示す図である。 本発明の多重透過位相マスクの様々な実施形態を示す図である。 本発明の多重透過位相マスクの様々な実施形態を示す図である。 本発明の多重透過位相マスクの様々な実施形態を示す図である。 本発明に使用された変形照明系の例を示す図である。 本発明による多重透過位相マスクと変形照明系を使用してウェハ上に露光されたストレージノードコンタクトパターンの例を示す図である。 本発明による多重透過位相マスクと変形照明系を使用してウェハ上に露光されたストレージノードコンタクトパターンの例を示す図である。 本発明による多重透過位相マスクと変形照明系を使用してウェハ上に露光されたストレージノードコンタクトパターンの例を示す図である。
符号の説明
１０ マスクの透明基板、１２ 光遮断膜、１４ 位相反転領域。

Claims (20)

  1. 露光装置に使用されるマスクにおいて、
    透明基板と、
    前記透明基板の上部に形成されており、光透過領域と光遮断領域とを定義する光遮断膜と、
    前記光透過領域の所定領域に形成され、露光光の位相を反転させて透過させる位相反転領域と、
    を備えてなることを特徴とする多重透過位相マスク。
  2. 前記位相反転領域は、前記透明基板を所定の深さにエッチングして形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の多重透過位相マスク。
  3. 前記位相反転領域は、前記光透過領域に対して１８０゜の位相差を有することを特徴とする請求項１に記載の多重透過位相マスク。
  4. 前記位相反転領域は、前記光遮断膜により定義される光透過領域の行方向に形成されることを特徴とする請求項１に記載の多重透過位相マスク。
  5. 前記位相反転領域は、前記光遮断膜により定義される光透過領域の列方向に形成されることを特徴とする請求項１に記載の多重透過位相マスク。
  6. 前記露光光は、ＫｒＦレーザー、ＡｒＦレーザー及びＦ２レーザーのいずれかにより生成されることを特徴とする請求項１に記載の多重透過位相マスク。
  7. 前記光遮断膜は、クロム(Ｃｒ)膜及び光の一部だけを透過させて位相を反転させるハーフトーン(half tone)膜のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の多重透過位相マスク。
  8. 前記光遮断膜は、クロム(Ｃｒ)膜及び光の一部だけを透過させて位相を反転させるハーフトーン(half tone)膜を選択的に組み合わせたものであることを特徴とする請求項１に記載の多重透過位相マスク。
  9. 前記光透過領域と接しない所定部分に追加された位相反転領域をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の多重透過位相マスク。
  10. 露光装置に使用される多重透過位相マスクを用いた露光方法において、
    透明基板と、該透明基板の上部で光透過領域と光遮断領域とを定義する光遮断膜と、前記光透過領域の所定領域に形成され、露光光の位相を反転させて透過させる位相反転領域とを備える多重透過位相マスクを使用し、
    少なくとも２つ以上のポール(pole)を有し、各ポールは既に設定されたオープン角度を有する変形照明系を通じて、前記多重透過位相マスクに露光光を照射してウェハ上に半導体素子のパターンを露光することを特徴とする多重透過位相マスクを用いた露光方法。
  11. 前記位相反転領域は、前記透明基板を所定の深さにエッチングして形成されたものであることを特徴とする請求項１０に記載の多重透過位相マスクを用いた露光方法。
  12. 前記位相反転領域は、前記光透過領域に対して１８０゜の位相差を有することを特徴とする請求項１０に記載の多重透過位相マスクを用いた露光方法。
  13. 前記位相反転領域は、前記光遮断膜により定義される光透過領域の行方向に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の多重透過位相マスクを用いた露光方法。
  14. 前記位相反転領域は、前記光遮断膜により定義される光透過領域の列方向に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の多重透過位相マスクを用いた露光方法。
  15. 前記露光光は、ＫｒＦレーザー、ＡｒＦレーザー及びＦ２レーザーのいずれかにより生成されることを特徴とする請求項１０に記載の多重透過位相マスクを用いた露光方法。
  16. 前記光遮断膜は、クロム(Ｃｒ)膜及び光の一部だけを透過させて位相を反転させるハーフトーン(half tone)膜のいずれかであることを特徴とする請求項１０に記載の多重透過位相マスクを用いた露光方法。
  17. 前記光遮断膜は、クロム(Ｃｒ)膜及び光の一部だけを透過させて位相を反転させるハーフトーン(half tone)膜を選択的に組み合わせたものであることを特徴とする請求項１０に記載の多重透過位相マスクを用いた露光方法。
  18. 前記光透過領域と接しない所定部分に追加される位相反転領域をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の多重透過位相マスクを用いた露光方法。
  19. 前記露光方法は、イマージョン(immersion)タイプの露光方法にも適用されることを特徴とする請求項１０に記載の多重透過位相マスクを用いた露光方法。
  20. 前記変形照明系は、ヘキサポールを有することを特徴とする請求項１０に記載の多重透過位相マスクを用いた露光方法。

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