JP2007013088A - 二重露光技術を用いた二重露光方法及びこの二重露光方法のためのフォトマスク - Google Patents

二重露光技術を用いた二重露光方法及びこの二重露光方法のためのフォトマスク Download PDF

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Abstract

【課題】第１露光と第２露光との間にフォトマスクを取り替える必要のない、二重露光技術を用いた二重露光方法を提供する。また、前記二重露光方法のためのフォトマスクを提供する。
【解決手段】第１パターン７１０を形成するために、フォトマスク６００を用いて０次光及び−１次光または０次光及び＋１次光の２ビームイメージングが適用される第１露光を行う段階と；第２パターンを形成するために、前記フォトマスク６００を用いて０次光及び±１次光の３ビームイメージングが適用される第２露光を行う段階と；を含んで二重露光方法を構成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体素子を製造するための露光方法及びこの露光方法のためのフォトマスクに関するもので、詳しくは、二重露光技術（ｄｏｕｂｌｅ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を用いた二重露光方法及びこの二重露光方法のためのフォトマスクに関するものである。
一般に、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの半導体素子は、数多くの微細パターンからなっており、これら微細パターンは、フォトリソグラフィ工程によって形成される。フォトリソグラフィ工程を用いて微細パターンを形成するためには、まず、パターニングする対象膜上にフォトレジスト膜をコーティングする。その後、通常の露光工程を行い、フォトレジスト膜の一部分に対する溶解度を変化させる。その後、現像工程を行い、溶解度が変化または変化されない部分を取り除くことで、対象膜の一部表面を露出させるフォトレジスト膜パターンを形成する。その後、このフォトレジスト膜パターンをエッチングマスクとしたエッチング工程によって対象膜の露出部分を取り除いた後、フォトレジスト膜パターンをストリップすることで対象膜パターンを形成する。
上記のフォトリソグラフィ工程において、解像度及び焦点深度（ＤＯＦ；Ｄｅｐｔｈ Ｏｆ Ｆｏｃｕｓ）は、重要な二つの観点として知られている。これらのうち、解像度Ｒは、下記の数式１のように表現される。下記の数式１におけるｋ1は、フォトレジスト膜の種類及び厚さなどによって決定される常数を示し、λは、この工程で用いる光源の波長を示し、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、露光装備の開口数を示している。
Figure 2007013088
上記の数式１から分かるように、光源の波長λが短いほど、かつ、露光装備の開口数ＮＡが大きいほど、一層小さいパターンをウエハー上に実現できる。しかし、光源の波長λの減少及び開口数ＮＡの増加が限界を示す反面、素子の集積度は急速に増加しつつある。そのため、上記のような限界を克服するために、解像度及び焦点深度を向上させるための多様な解像度増大技術（ＲＥＴ；Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）が提案された。この解像度増大技術には、位相シフトマスク（ＰＳＭ；Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｍａｓｋ）、変形照明系（ＯＡＩ；Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）、光学的近接補正（ＯＰＣ；Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）などが適用されるが、この他にも、ウエハー上に非常に小さいパターンを実現するための二重露光技術（ＤＥＴ；Ｄｏｕｂｌｅ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）が用いられる。
図１は、二重露光技術に適したパターンの一例を示したレイアウト図である。
図１に示すように、ウエハー１００は、各密集パターン１３０が配置されるセル領域１１０と、独立パターン１４０が配置される周辺回路領域１２０と、を備えている。図面に示してないが、周辺回路領域１２０内にも各密集パターン１３０が配置されるし、図面にはラインまたはストライプ状の独立パターン１４０のみを示したが、他の形態のパターンも配置されうる。また、セル領域１１０内に配置される各パターンは、一方向性を有するが、周辺回路領域１２０内に配置される各パターンは、多様な方向性を有する。
図２乃至図５は、二重露光技術を適用して前記パターンをウエハー上に形成する方法を説明するための図である。
まず、図２及び図３に示すように、第１フォトマスク２００及び第１照明系３００を用いて第１露光を行う。第１フォトマスク２００は、ウエハー１００のセル領域１１０及び周辺回路領域１２０にそれぞれ対応する第１領域２１０及び第２領域２２０を備えている。第１領域２１０には、ウエハー１００のセル領域１１０に形成された各密集パターン１３０に対応する第１パターン２３０が配置され、第２領域２２０には、第２領域２２０の全体を覆う光遮断膜２４０が配置される。第１照明系３００は、一方向に微細に密集されたセル領域１１０上の密集パターン１３０を形成するのに適したダイポール（ｄｉｐｏｌｅ）変形照明系である。上述したように、第１フォトマスク２００及び第１照明系３００を用いて第１露光を行うと、セル領域１１０の各密集パターン１３０に対する露光が行われるが、周辺回路領域１２０の独立パターン１４０に対する露光は行われない。
次に、図４及び図５に示すように、第２フォトマスク４００及び第２照明系５００を用いて第２露光を行う。第２フォトマスク４００は、ウエハー１００のセル領域１１０及び周辺回路領域１２０にそれぞれ対応する第１領域４１０及び第２領域４２０を備えている。第１領域４１０には、第１領域４１０の全体を覆う光遮断膜４３０が配置され、第２領域４２０には、ウエハー１００の周辺回路領域１２０に形成された各独立パターン１４０に対応する第２パターン４４０が配置される。第２照明系５００は、多様な方向に配置された相対的にピッチの広い周辺回路領域１２０上の独立パターン１４０を形成するのに適した輪帯（ａｎｎｕｌａｒ）変形照明系である。上述したように、第２フォトマスク４００及び第２照明系５００を用いて第２露光を行うと、セル領域１１０に対する露光が行われないが、周辺回路領域１２０の独立パターン１４０に対する露光は行われる。
上記のように二重露光技術を用いた二重露光方法を適用した場合、セル領域１１０に第１フォトマスク２００及び第１照明系３００が用いられ、周辺回路領域１２０に第２フォトマスク４００及び第２照明系５００が用いられることで、セル領域１１０及び周辺回路領域１２０内には、優れた解像度を有する密集パターン１３０及び独立パターン１４０がそれぞれ形成される。しかしながら、第１露光のための第１フォトマスク２００及び第２露光のための第２フォトマスク４００の二つのフォトマスクが必要であり、製造原価が増加するとともに、第１露光と第２露光との間にフォトマスクを取り替えるべきであり、製造時間が長引いて工程が煩雑になるという問題点があった。
米国特許第６，６１１，３１６号明細書 米国特許第６，５４１，１８２号明細書
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、第１露光と第２露光との間にフォトマスクを取り替える必要のない、二重露光技術を用いた二重露光方法を提供することを目的とする。
また、前記二重露光方法のためのフォトマスクを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態による二重露光技術を用いた二重露光方法は、セル領域内の第１パターン及び周辺回路領域内の第２パターンを形成するための二重露光技術を用いた二重露光方法であって、前記第１パターンを形成するために、フォトマスクを用いて０次光及び−１次光または０次光及び＋１次光の２ビームイメージングが適用される第１露光を行う段階と；前記第２パターンを形成するために、前記フォトマスクを用いて０次光及び±１次光の３ビームイメージングが適用される第２露光を行う段階と；を含むことを特徴とする。
前記フォトマスクは、前記２ビームイメージングによってパターンが転写されるセル領域と、前記３ビームイメージングによってパターンが転写される周辺回路領域と、を含むことが好ましい。
この場合、前記フォトマスクは、前記セル領域内に配置されるハーフトーン型位相シフトマスクと、前記周辺回路領域に配置されるレベンソン型位相シフトマスクと、を含む。
前記第１露光は、変形照明系を光源として用いて行われることが好ましい。
この場合、前記変形照明系は、ダイポール照明系である。
前記第２露光は、一般の照明系を光源として用いて行われることが好ましい。
前記第１パターンは、密集パターンであり、前記第２パターンは、前記第１パターンよりピッチの大きい独立パターンであることが好ましい。
また、上記の目的を達成するために、本発明の他の実施形態による二重露光技術を用いた二重露光方法は、セル領域内の第１パターン及び周辺回路領域内の第２パターンを形成するための二重露光方法を用いた二重露光方法であって、前記セル領域にハーフトーン型位相シフトマスクが配置され、前記周辺回路領域にレベンソン型位相シフトマスクが配置されるフォトマスクを用いて、変形照明系を光源として第１露光を行う段階と；前記フォトマスクを用いて、一般の照明系を光源として第２露光を行う段階と；を含むことを特徴とする。
また、上記の目的を達成するために、本発明による二重露光方法のためのフォトマスクは、変形照明系を用いた第１露光及び一般の照明系を用いた第２露光を順次行うことで、セル領域内の第１パターン及び周辺回路領域内の第２パターンを形成する二重露光方法のためのフォトマスクであって、前記セル領域及び周辺回路領域にそれぞれ対応する第１領域及び第２領域を備えた基板と；該基板上の第１領域において、前記第１パターンに対応して配置される第１ハーフトーン膜パターンと；前記基板上の第２領域において、前記第２パターンに対応して配置される第２ハーフトーン膜パターンと；前記基板上の第２領域において、前記第２ハーフトーン膜パターンに隣接して配置される位相シフト膜パターンと；を備えることを特徴とする。
前記第１ハーフトーン膜パターンは、０〜５０％の透過率を有する物質からなることが好ましい。
前記位相シフト膜パターンは、前記基板を所定深さでエッチングして形成されたトレンチ状であることが好ましい。
この場合、前記トレンチ状の位相シフト膜パターンは、前記第２ハーフトーン膜パターンを透過する光に対して透過光が１８０度の位相差を有するように、前記第２ハーフトーン膜パターンに隣接して配置される第１位相シフト膜パターンと；前記第１位相シフト膜パターンを透過する光に対して透過光が４５〜１３５度の位相差を有するように、前記第１位相シフト膜パターンを取り囲むように配置される第２位相シフト膜パターンと；を含む。
ここで、前記第２位相シフト膜パターンは、前記第１位相シフト膜パターンを透過する光に対して透過光が９０度の位相差を有するように配置されることが好ましい。
本発明において、前記第２ハーフトーン膜パターン上に配置される光遮断膜パターンをさらに備える。
前記第１パターンは、密集パターンであり、前記第２パターンは、前記第１パターンよりピッチの大きい独立パターンであることが好ましい。
本発明による二重露光方法及びこの二重露光方法のためのフォトマスクにおいては、二つの照明系及び一つのフォトマスクを用いた二重露光方法によって露光時間を短縮でき、かつ、全体の露光工程数の減少によって全体の工程を簡単化できるという効果がある。
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明の実施形態は、多様な形態に変形可能であり、本発明の範囲は、下記の実施形態によって限定されるものではない。
図６は、本発明による二重露光方法に用いられるフォトマスクを示したレイアウト図で、図７は、図６に示したフォトマスクのVII−VII'線断面図である。
図６及び図７に示すように、前記フォトマスク６００は、第１領域６１０及び第２領域６２０を備えた基板７００と、この基板７００上に配置される各種のパターンと、を含んでいる。特に、第１領域６１０がハーフトーン型位相シフトマスクとして作用し、かつ、第２領域６２０がレベンソン型（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ）位相シフトマスクとして作用するように、第１領域６１０及び第２領域６２０に各パターンが配置される。ここで、基板７００は、石英（ｑｕａｒｔｚ）基板であるが、他の光透過性物質からなる基板でも構わない。第１領域６１０は、ウエハーのセル領域に対応する領域であり、第２領域６２０は、ウエハーの周辺回路領域に対応する領域である。
基板７００上の第１領域６１０には、ウエハーのセル領域に配置される密集パターンに対応する第１ハーフトーン膜パターン７１０が形成される。前記密集パターンは、所定方向に配置される方向性を有し、各密集パターンの間のピッチは非常に狭い。第１ハーフトーン膜パターン７１０は、約０〜５０％の光透過率を有する。また、第１ハーフトーン膜パターン７１０を透過した光は、基板７００を透過した光に対して１８０度の位相差を有する。
基板７００上の第２領域６２０には、ウエハーの周辺回路領域に配置される独立パターンに対応する第２パターン７２０が形成される。前記独立パターンは、多様な方向に配置されて密集パターンよりも相対的に大きいピッチを有する。第２パターン７２０は、第２ハーフトーン膜パターン７２１及び光遮断膜パターン７２２が順次積層された構造となっている。第２ハーフトーン膜パターン７２１の光透過率は、約０〜５０％であり、光遮断膜パターン７２２は、クロム（Ｃｒ）膜により形成される。また、光遮断膜パターン７２２は、周辺回路領域のコントラストをさらに向上させる作用をする。
位相シフト膜パターン７３０は、前記第２パターン７２０の側面に隣接して配置され、基板７００を所定深さでエッチングして形成されたトレンチ状を有する。この位相シフト膜パターン７３０は、第１位相シフト膜パターン７３１と、この第１位相シフト膜パターン７３１を取り囲む第２位相シフト膜パターン７３２と、から構成される。第１位相シフト膜パターン７３１を透過する光は、基板７００を透過する光に対して１８０度の位相差を有する。第２位相シフト膜パターン７３２を透過する光は、第１位相シフト膜パターン７３１を透過する光に対して約４５〜１３５度の位相差を有するが、９０度の位相差を有することが好ましい。よって、相互隣接する第１位相シフト膜パターン７３１及び第２位相シフト膜パターン７３２の透過光は、互いに９０度の位相差を有し、第２位相シフト膜パターン７３２及び基板７００の透過光も互いに９０度の位相差を有する。そのため、１８０度の位相差を有する各隣接領域の間の位相衝突（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｆｌｉｃｔ）によって、望まないパターンがウエハー上に転写される現象が発生しなくなる。
図８及び図９は、本発明による二重露光方法に用いられる照明系を示した図である。
まず、図８に示すように、本発明による二重露光方法の第１露光に用いられるダイポール変形照明系８００は、二つの開口数８１０，８２０がダイポール状に配置される構造となっている。このダイポール変形照明系８００には、マスク上で回折された光のうち、０次光及び−１次光、または、０次光及び＋１次光のみがレンズを通過してウエハーでイメージを形成する２ビームイメージングが適用される。特に、開口数８１０，８２０が水平方向に配置される場合、垂直方向に対しては高いコントラストを示す反面、水平方向に対しては劣悪なコントラスト特性を示す。さらに、２ビームイメージングを適用したダイポール変形照明系８００がハーフトーン型位相シフトマスク膜と一緒に用いられる場合、一層小さな大きさのパターンを実現できる。
次に、図９に示すように、本発明による二重露光方法の第２露光に用いられる一般の照明系９００は、一つの開口数９１０が中央に円状に配置される構造となっている。この一般の照明系９００には、マスク上で回折された光のうち、０次光、−１次光及び＋１次光の全てがレンズを通過してウエハーでイメージを形成する３ビームイメージングが適用される。さらに、３ビームイメージングを適用した一般の照明系９００がレベンソン型位相シフトマスク膜と一緒に用いられる場合、一層小さな大きさのパターンを実現できる。
以下、図６及び図７のフォトマスク及び図８及び図９の照明系を用いた本発明による二重露光方法を説明する。
まず、図６及び図７のフォトマスク６００及び図８のダイポール変形照明系８００を用いて第１露光を行う。上述したように、輪帯（ａｎｎｕｌａｒ）変形照明系、四重極（ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ）変形照明系とともに、ダイポール変形照明系８００には、０次光及び＋１次光、または、０次光及び−１次光をイメージ形成に用いた２ビームイメージングが適用されるため、一方向に対して最も優れた１次光効率を有する。したがって、ダイポール変形照明系８００は、ウエハーの周辺回路に配置される特定方向の独立パターンに対し、焦点深度の劣化現象が激しく発生する特性を有する。
この２ビームイメージングを適用したダイポール変形照明系８００が、図６及び図７のフォトマスク６００と一緒に用いられると、フォトマスク６００の第１領域６１０に配置されるハーフトーン型位相シフトマスク膜に対しては優れた露光特性を示す反面、フォトマスク６００の第２領域６２０に配置されるレベンソン型位相シフトマスク膜に対しては劣悪な露光特性を示す。したがって、フォトマスク６００の第１領域６１０に配置される第１ハーフトーン膜パターン７１０は、良好なコントラストによってウエハー上によく転写されるが、フォトマスク６００の第２領域６２０に配置される第２パターン７２０は、コントラストの低下によってウエハー上によく転写されない。
前記第１露光を行った後、第１露光時のフォトマスク６００及び図９の一般の照明系９００を用いて第２露光を行う。上述したように、一般の照明系９００には、マスク上で回折される光の０次光、−１次光及び＋１次光がマスクとウエハーとの間のレンズを通過してウエハー上でイメージを実現する３ビームイメージングが適用される。したがって、この一般の照明系９００は、周辺回路領域上におけるピッチの大きいパターンを形成するのに適しているが、セル領域上におけるピッチの小さいパターンを形成するのには適してない。
そのため、３ビームイメージングを適用した一般の照明系９００が、図６及び図７のフォトマスク６００と一緒に用いられると、フォトマスク６００の第１領域６１０に配置されるハーフトーン型位相シフトマスク膜に対しては劣悪な露光特性を示す反面、フォトマスク６００の第２領域６２０に配置されるレベンソン型位相シフトマスク膜に対しては良好な露光特性を示す。したがって、フォトマスク６００の第１領域６１０に配置される第１ハーフトーン膜パターン７１０は、コントラストの低下によってウエハー上によく転写されないが、フォトマスク６００の第２領域６２０に配置される第２パターン７２０は、良好なコントラストによってウエハー上によく転写される。
以上、本発明の好ましい実施形態を詳しく説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、当該の技術分野で通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多様に変形可能である。
一般的な二重露光方法に適したパターンの一例を示したレイアウト図である。 図１のパターンを形成する従来の二重露光方法を説明するための図である。 図１のパターンを形成する従来の二重露光方法を説明するための図である。 図１のパターンを形成する従来の二重露光方法を説明するための図である。 図１のパターンを形成する従来の二重露光方法を説明するための図である。 本発明による二重露光方法に用いられるフォトマスクを示したレイアウト図である。 図６に示したフォトマスクのVII−VII’線断面図である。 本発明による二重露光方法に用いられる照明系を示した図である。 本発明による二重露光方法に用いられる照明系を示した図である。
符号の説明
６００ フォトマスク、６１０ 第１領域、６２０ 第２領域、７００ 基板、７１０ 第１ハーフトーン膜パターン、７２０ 第２パターン、７２２ 光遮断膜パターン、７３０ 位相シフト膜パターン。

Claims (15)

  1. セル領域内の第１パターン及び周辺回路領域内の第２パターンを形成するための二重露光技術を用いた二重露光方法であって、
    前記第１パターンを形成するために、フォトマスクを用いて０次光及び−１次光または０次光及び＋１次光の２ビームイメージングが適用される第１露光を行う段階と；
    前記第２パターンを形成するために、前記フォトマスクを用いて０次光及び±１次光の３ビームイメージングが適用される第２露光を行う段階と；
    を含むことを特徴とする二重露光方法。
  2. 前記フォトマスクは、前記２ビームイメージングによってパターンが転写されるセル領域と、前記３ビームイメージングによってパターンが転写される周辺回路領域と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の二重露光方法。
  3. 前記フォトマスクは、前記セル領域内に配置されるハーフトーン型位相シフトマスクと、前記周辺回路領域に配置されるレベンソン型位相シフトマスクと、を含むことを特徴とする請求項２に記載の二重露光方法。
  4. 前記第１露光は、変形照明系を光源として用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の二重露光方法。
  5. 前記変形照明系は、ダイポール照明系であることを特徴とする請求項４に記載の二重露光方法。
  6. 前記第２露光は、一般の照明系を光源として用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の二重露光方法。
  7. 前記第１パターンは、密集パターンであり、前記第２パターンは、前記第１パターンよりピッチの大きい独立パターンであることを特徴とする請求項１に記載の二重露光方法。
  8. セル領域内の第１パターン及び周辺回路領域内の第２パターンを形成するための二重露光方法を用いた二重露光方法であって、
    前記セル領域にハーフトーン型位相シフトマスクが配置され、前記周辺回路領域にレベンソン型位相シフトマスクが配置されるフォトマスクを用いて、変形照明系を光源として第１露光を行う段階と；
    前記フォトマスクを用いて、一般の照明系を光源として第２露光を行う段階と；を含むことを特徴とする二重露光方法。
  9. 変形照明系を用いた第１露光及び一般の照明系を用いた第２露光を順次行うことで、セル領域内の第１パターン及び周辺回路領域内の第２パターンを形成する二重露光方法のためのフォトマスクであって、
    前記セル領域及び周辺回路領域にそれぞれ対応する第１領域及び第２領域を備えた基板と；
    該基板上の第１領域において、前記第１パターンに対応して配置される第１ハーフトーン膜パターンと；
    前記基板上の第２領域において、前記第２パターンに対応して配置される第２ハーフトーン膜パターンと；
    前記基板上の第２領域において、前記第２ハーフトーン膜パターンに隣接して配置される位相シフト膜パターンと；を備えることを特徴とする二重露光方法のためのフォトマスク。
  10. 前記第１ハーフトーン膜パターンは、０〜５０％の透過率を有する物質からなることを特徴とする請求項９に記載の二重露光方法のためのフォトマスク。
  11. 前記位相シフト膜パターンは、前記基板を所定深さでエッチングして形成されたトレンチ状であることを特徴とする請求項９に記載の二重露光方法のためのフォトマスク。
  12. 前記トレンチ状の位相シフト膜パターンは、
    前記第２ハーフトーン膜パターンを透過する光に対して透過光が１８０度の位相差を有するように、前記第２ハーフトーン膜パターンに隣接して配置される第１位相シフト膜パターンと；
    該第１位相シフト膜パターンを透過する光に対して透過光が４５〜１３５度の位相差を有するように、前記第１位相シフト膜パターンを取り囲むように配置される第２位相シフト膜パターンと；を含むことを特徴とする請求項１１に記載の二重露光方法のためのフォトマスク。
  13. 前記第２位相シフト膜パターンは、前記第１位相シフト膜パターンを透過する光に対して透過光が９０度の位相差を有するように配置されることを特徴とする請求項１２に記載の二重露光方法のためのフォトマスク。
  14. 前記第２ハーフトーン膜パターン上に配置される光遮断膜パターンをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の二重露光方法のためのフォトマスク。
  15. 前記第１パターンは、密集パターンであり、前記第２パターンは、前記第１パターンよりピッチの大きい独立パターンであることを特徴とする請求項９に記載の二重露光方法のためのフォトマスク。

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