JP2007233138A - マスク、マスクの製造方法およびそのマスクを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】相対的に細いパターンと相対的に太いパターンとを１枚のマスクを用いて精度良く転写する。
【解決手段】マスク１のガラス基板１Ｓには、ＣＰＬ部と、ハーフトーン部とが形成されている。ＣＰＬ部のメサ部３Ａは、相対的に幅の細いパターンに対応している。このメサ部３Ａを透過した露光光Ｌ１の位相は、それに隣接するフィールド部２を透過した露光光Ｌ２の位相に対して反転する。ハーフトーン部のハーフトーン膜４が被覆されたパターンは相対的に幅の太いパターンに対応している。このハーフトーン膜４およびメサ部３Ｂを透過した露光光Ｌ３の位相は、それに隣接するフィールド部２を透過した露光光Ｌ２の位相に対して反転する。ただし、ハーフトーン膜４およびメサ部３Ｂを透過した露光光Ｌ３の位相と、ＣＰＬ部のメサ部３Ａを透過した露光光Ｌ１の位相とは同相になっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マスク、マスクの製造方法およびそのマスクを用いた半導体装置の製造技術に関し、特に、位相シフトマスク技術に関するものである。

半導体装置の製造工程では、半導体ウエハの主面上に、相対的に細いパターンと、相対的に太いパターンとを形成する場合がある。相対的に細いパターンを精度良く転写するためには精度の良いマスクと、マージンのあるリソグラフィプロセスとが必要である。その一方で相対的に太いパターンに対しても縮まないように線幅を制御して転写しなければならない。このような要求を両立するためには、例えば以下のような方法がある。

第１は、相対的に細いパターンはレベンソン型位相シフトマスクによって転写し、相対的に太いパターンはバイナリマスク（通常のクロムマスク）またはハーフトーン型位相シフトマスクによって転写する２枚マスクプロセスである。

第２は、１枚のハーフトーン型の位相シフトマスクによって相対的に細いパターンと太いパターンとを形成する方法である。

第３は、クロムレス位相シフトリソグラフィ（Chromeless Phase Lithography：ＣＰＬ）マスクを用いた方法である。この場合、相対的に細いパターンは、クロムレスパターンによって転写し、相対的に太いパターンは、分割クロムレスパターン、バイナリパターンまたはハーフトーンパターンによって転写し、１枚のマスクで相対的に細いパターンと太いパターンとを転写することが検討されている。

クロムレスパターンは、マスク基板の主面を掘り込むことで形成された凹部と凸部とにより形成されている。この凹部を透過した露光光と、凸部を透過した露光光とでは、位相が互いに反転しており、凹部を暗部とする場合（掘り込み型）と、凸部を暗部とする場合（メサ型）とがある。また、分割クロムレスパターンは、相対的に太いパターンを、マスク基板の主面に形成された複数の凹凸により転写するものである。

なお、位相シフトマスク技術については、例えば特開２００１−３５６４６６号公報（特許文献１参照）に記載があり、彫り込み位相シフト部と、４〜６％の減衰位相シフト領域とが設けられた構成の位相シフトマスクが開示されている。

また、例えば特開２００４−２７９４８４号公報（特許文献２参照）には、透明基板を彫り込むことで形成されたクロムレス型位相シフト領域と、その周囲にタンタルを主成分とする薄膜からなる透過率調整部とを持つ位相シフトマスクが開示されている。

また、例えば特開２００３−３３０１５９号公報（特許文献３参照）には、透明なガラス基板を彫り込むことで形成されたクロムレスパターン部と遮光Ｃｒとを持つ位相シフトマスクが開示されている。
特開２００１−３５６４６６号公報の段落００６７ 特開２００４−２７９４８４号公報 特開２００３−３３０１５９号公報

しかし、第１〜第３の方法においては、以下の課題があることを本発明者は見出した。

すなわち、レベンソン型位相シフトマスクとバイナリマスクとの２枚のマスクを用いたプロセスの場合、互いのマスクの合わせの問題がある。

また、ハーフトーン型位相シフトマスクでは、孤立パターンのデフォーカス特性が充分でなく、補正を加えるか、孤立パターンを形成しないようにする等、設計が難しくなる問題がある。

また、図１４の（ａ）に示すような、クロムレスパターン５０Ａと分割クロムレスパターン５０Ｂとを組合せたマスク５１Ａでは、分割クロムレスパターンのデータの作成のために複雑なアルゴリズムのツールが必須である。なお、符号の５２はフィールド部を示している。

また、図１４の（ｂ）に示すような、クロムレスパターン５０Ｃと遮光パターン（バイナリパターン）５４とを組み合わせたマスク５１Ｂでは、バイナリ部の解像性に限界がある。なお、符号のＬは露光光を示している。また、遮光パターン５４は、例えばクロム等のような金属膜で形成されている。

また、図１４の（ｃ）に示すような、クロムレスパターン５０Ａとハーフトーンパターン５５とを組合せたマスク５１Ｃでは、暗部を堀り込み型（凹部）とした場合、ローディング効果のため寸法制御に問題がある。すなわち、クロムレスパターン５０Ａの寸法にバラツキが生じる問題がある。なお、ハーフトーンパターン５５を透過した露光光Ｌは、光強度が減衰しているとともに、フィールド部５２を透過した露光光に対して位相が１８０度反転している。

また、図１４の（ｄ）に示すような、暗部がメサ型（凸部）のクロムレスパターン５０Ｃとハーフトーンパターン５５とを組合せたマスク５１Ｄにおいては、ハーフトーンパターン５５を透過した露光光Ｌは、光強度が減衰しているとともに、クロムレスパターン５５の先端面を透過した露光光に対して位相が１８０度反転している。このため、クロムレスパターン５０Ｃとハーフトーンパターン５５との境界で位相矛盾が生じるため精度が落ちる問題や透過部（フィールド部）の堀り込みのレイアウトが難しいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、相対的に細いパターンと相対的に太いパターンとを１枚のマスクを用いて精度良く転写することのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、本発明は、半導体ウエハの主面のレジスト膜にマスクを用いた露光処理により相対的に細いパターンと相対的に太いパターンとを転写する場合に、
前記相対的に細いパターンはメサ型のクロムレスパターンで転写し、
前記相対的に太いパターンは、ハーフトーンパターンで転写し、
前記メサ型のクロムレスパターンを透過した露光光と、ハーフトーンパターンを透過した露光光の位相とが同位相になるようにしたものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、半導体ウエハの主面のレジスト膜にマスクを用いた露光処理により相対的に細いパターンと相対的に太いパターンとを転写する場合に、前記相対的に細いパターンはメサ型のクロムレスパターンで転写し、前記相対的に太いパターンは、ハーフトーンパターンで転写し、前記メサ型のクロムレスパターンを透過した露光光と、ハーフトーンパターンを透過した露光光とが同位相になるようにしたことにより、相対的に細いパターンと相対的に太いパターンとを１枚のマスクを用いて精度良く転写することができる。

本願発明を詳細に説明する前に、本実施の形態における用語の意味を説明すると次の通りである。

１．「遮光」と言うときは、その領域に照射される露光光のうち、４０％未満を透過させる光学特性を有することを示す。一般に０％から３０％未満のものが使用される。

２．「透明」または「光透過」と言うときは、その領域に照射される露光光のうち、６０％以上を透過させる光学特性を有することを示す。一般に９０％以上のものが使用される。

３．光近接効果補正（Optical Proximity Effect Correction：ＯＰＣ）処理は、露光工程において、パターンを転写する際に、あるパターンの寸法や形が隣接する他のパターンの影響を受けて変わる現象を抑え、設計したパターンをできるだけ忠実に再現する目的で行われる補正をいう。マスクパターンの寸法や形状を補正（マスクバイアス）の他、ウエハ上には転写されない補助パターンをマスク上に追加する場合もある。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。また、本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施の形態のマスク１の説明図である。図１の上段はマスク１の要部断面図、中段はマスク１を透過した露光光の強度波形図、下段は半導体ウエハ（被露光処理基板）の主面上に形成されるレジストパターンＲＡ，ＲＢの断面図である。なお、ここでは、レジストパターンＲＡ，ＲＢが、ポジ型レジスト膜で形成されている場合を例示している。

本実施の形態のマスク（レチクル）１は、相対的に幅（短方向寸法）の細いパターン（相対的に細い繰り返しパターン）と、相対的に幅（短方向寸法）の太いパターンとの両方を１枚のマスク１で１回の露光処理で半導体ウエハの同一主面上のレジスト膜に転写することが可能な構成とされている。相対的に幅の細いパターン（レジストパターンＲＡ）および相対的に幅の太いパターン（レジストパターンＲＢ）の寸法は、露光光の波長よりも小さい。また、相対的に幅の細いパターン（レジストパターンＲＡ）の寸法は露光光の波長よりも小さいが、相対的に幅の太いパターン（レジストパターンＲＢ）の寸法は露光光の波長よりも大きい場合もある。

マスク１を構成するガラス基板（マスク基板）１Ｓは、例えば石英ガラス等のような露光光に対して透明な部材からなり、その厚さ方向に沿って互いに反対側に位置する第１主面および第２主面を有している。このマスク１のガラス基板１Ｓには、クロムレス位相シフトリソグラフィ（Chromeless Phase Lithography）部（以下、単にＣＰＬ部という）と、ハーフトーン部とが形成されている。

ＣＰＬ部は上記相対的に幅の細いパターンをレジスト膜に転写する領域である。このＣＰＬ部において、ガラス基板１Ｓの第１主面には、フィールド部（第１凹部）２と、メサ部（第１凸部）３Ａとが隣接した状態で形成されている。

フィールド部２は、ガラス基板１の第１主面の一部をエッチング等により除去することで形成された断面凹状の部分であり、メサ部３Ａは、隣接するフィールド部２，２間に残された断面凸状の部分である。フィールド部２の底面の面積の方がメサ部３Ａの先端面の面積よりも大きい。フィールド部２の深さは、メサ部３Ａの先端面を透過した露光光Ｌ１の位相が、メサ部３Ａに隣接するフィールド部２の底面を透過した露光光Ｌ２の位相に対して１８０度反転するように設定されている。なお、メサ部３Ａの先端面上には、遮光体（クロム等のようなメタル膜）や他の膜が形成されておらずガラス面が露出されている。

上記相対的に細いパターンは、上記メサ部３Ａに対応して形成される。このメサ部３Ａは位相シフタとしての機能を有している。すなわち、上記のように、ＣＰＬ部において、メサ部３Ａの先端面を透過した露光光Ｌ１の位相は、メサ部３Ａに隣接するフィールド部２の底面を透過した露光光Ｌ２の位相に対して１８０度反転するため、メサ部３Ａ（メサ型位相シフタ）のエッジ部分では位相が急峻に反転する。このため、そのエッジ部分において光の強度が急激に低下するので、メサ部３Ａの寸法（先端面の幅（短方向寸法））を調整することにより遮光体（クロム等のようなメタル膜）を設けることなく、暗部を形成することができるようになっている。このため、コントラストの高い光学像を得ることができる（図１の中段の右側参照）。したがって、半導体ウエハの主面上のレジスト膜に相対的に幅の細いパターン（レジストパターンＲＡ）を高い寸法精度で転写することができる（図１の下段の右側参照）。

また、本実施の形態では、暗部をメサ部３Ａで形成することにより、暗部を凹部で形成する場合に生じるローディング効果を回避できる。すなわち、暗部を形成するパターンを加工制御性の高いメサ部３Ａで形成することができる。このため、ＣＰＬ部のパターン寸法精度を向上させることができるので、ＣＰＬ部により転写される相対的に幅の細いパターン（レジストパターンＲＡ）の寸法精度を向上させることができる。

上記のようにＣＰＬ部では、メサ部３Ａのエッジ部分で位相が急峻に反転することを利用して暗部を形成するので、半導体ウエハ上のレジスト膜に転写する相対的に幅の細いパターンの寸法は、マスク１のメサ部３Ａの寸法（先端面の幅（短方向寸法））を調整することにより決めることができるようになっている。

ここで、相対的に幅の細いパターン（レジストパターンＲＡ）が規則正しいピッチで繰り返し配置される領域では、メサ部３Ａの寸法（先端面の幅）をほとんど変えることなく形成できる。これに対して複数のメサ部３Ａが繰り返し配置された端のメサ部３Ａのように規則性が途切れるメサ部３Ａについては、そのメサ部３Ａの周辺の状況に合わせてメサ部３Ａの寸法（先端面の幅）を調整（ＯＰＣ処理）することが好ましい。具体的には、端に配置されたメサ部３Ａの幅を中央のメサ部３Ａの幅よりも太らす。このように、ピッチの決まった微細な繰り返しメサ部３Ａの形成において、端部に配置されているメサ部３Ａについてもバイアス（幅方向寸法）を最適化することにより、繰り返し中心部と同様の裕度を持って解像することができる。

また、上記のような規則正しいピッチで配置されている相対的に幅の細い複数のパターンを転写する部分と、相対的に幅の太い複数のパターンとを持つマスク１の設計に際しては、複数のメサ部３Ａの寸法を、フォーカス、裕度および露光裕度の観点から最適化した後、その条件に合わせて後述のハーフトーン部のバイアスを決定する。これにより、相対的に幅の細いパターンと、相対的に幅の太いパターンとの両方を１枚のマスク１で１回の露光で良好に転写することができる。

一方、ハーフトーン部は上記相対的に幅の太いパターンをレジスト膜に転写する領域である。ＣＰＬはメサ部３Ａ（メサ型位相シフタ）幅が大きくなると、反転した位相の光強度が大きくなり、メサ部３Ａにおける光強度が抑えられず、コントラストが低下する。このため、相対的に太い幅の暗線を形成することができない。そこで、相対的に幅の太いパターンはハーフトーンで遮光（減光）し、パターニングを行う。

このハーフトーン部において、ガラス基板１Ｓの第１主面には、フィールド部（第２凹部）２と、メサ部（第２凸部）３Ｂとが隣接した状態で形成されている。このハーフトーン部のフィールド部２は、上記と同様、ガラス基板１の第１主面の一部をエッチング等により除去することで形成された断面凹状の部分であり、メサ部３Ｂは、隣接するフィールド部２，２間に残された断面凸状の部分である。なお、ハーフトーン部のフィールド部２の深さは、ＣＰＬ部のフィールド部２の深さと同じである。また、ハーフトーン部のメサ部３Ｂの先端面の幅（短方向寸法）は、ＣＰＬ部のメサ部３Ａの先端面の幅（短方向寸法）よりも太い。

ただし、ハーフトーン部では、メサ部３Ｂの先端面上の全面にハーフトーン膜（減光膜）４が被覆されている。このハーフトーン膜４は、露光光を減光（減衰）する機能を有している。ハーフトーン膜４の光透過率は、例えば３％〜２０％程度、特に限定されるものではないが６％程度とされている。ハーフトーン膜４は、減光機能の他に、位相シフタとしての機能も有している。すなわち、ハーフトーン部において、メサ部３Ｂおよびハーフトーン膜４を透過した露光光Ｌ３の位相は、それに隣接するフィールド部２の底面を透過した露光光Ｌ２の位相に対して１８０度反転するようになっている。このため、コントラストの高い光学像を得ることができる（図１の中段の左側参照）。したがって、ハーフトーン部により転写される相対的に幅の太いパターン（レジストパターンＲＢ）を高い寸法精度で転写することができる（図１の下段の左側参照）。

ここで、一般的なハーフトーン膜は、そのハーフトーン膜を透過した露光光の位相が、ガラス基板１Ｓの第１主面（すなわち、メサ部３Ａの先端面）を透過した露光光の位相に対して１８０度反転するようになっている。これに対して、本実施の形態では、メサ部３Ｂおよびハーフトーン膜４を透過した露光光Ｌ３の位相が、上記メサ部３Ａの先端面を透過した露光光Ｌ１の位相と同位相（０度同士）になるようになっている。これにより、ＣＰＬ部の暗部をメサ部３Ａで形成したとしてもハーフトーン部との境界で位相矛盾が生じることがないので、ＣＰＬ部の暗部を、上記のように加工制御性の高いメサ部３Ａで形成することができる。したがって、上記のように相対的に幅の細いパターン（レジストパターンＲＡ）の寸法精度を向上させることができる。また、ＣＰＬ部とハーフトーン部との境界部でも精度の高いパターン転写ができる。また、マスク１のＣＰＬ部およびハーフトーン部の両方において、暗部（遮光部）同士は共に同位相となり、光透過部同士も同位相となるので、フィールド部２の形成要否のレイアウト判定が不要となる。したがって、マスク１のレイアウト設計を容易にすることができる。

このように、本実施の形態によれば、１枚のマスク１で１回の露光処理で相対的に寸法が異なるレジストパターンＲＡ，ＲＢを寸法精度良く形成することができる。

また、１枚のマスク１で１回の露光処理で相対的に幅の異なるパターンを転写できるので、２枚のマスクを用いる場合のような合わせの問題も生じない。また、１枚のマスク１で良いのでコストを低減できる。また、分割ＣＰＬを使用しないので、分割ＣＰＬデータ作成のための複雑なアルゴリズムを必要としない。また、バイナリマスクを使用しないので解像性の向上を図ることができる。

次に、本実施の形態のマスク１の製造方法の一例を図２により説明する。図２の（ａ）〜（ｅ）はマスク１の製造工程中の要部断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、厚さ方向に沿って互いに反対側に位置する第１主面および第２主面を有するガラス基板１Ｓを準備する。続いて、そのガラス基板１Ｓの第１主面上に露光光を減光するハーフトーン膜４を堆積する。ハーフトーン膜４は、露光光をガラス基板１Ｓの透過光の位相に対して同位相で減衰させる機能を有している。ハーフトーン膜４は単層で形成される場合もあるが多層で形成される場合もある。

その後、ハーフトーン膜４上に、クロム（Ｃｒ）膜のような遮光膜（完全遮光膜）Ｃｍが形成され、マスク基板が準備される。このようなマスク基板であるガラス基板１Ｓの主面上の遮光膜Ｃｍ上に電子線レジスト膜５ａを塗布する。なお、実際には、この電子線レジスト膜５ａが塗布された段階のガラス基板１Ｓをマスクブランクスとして使用している。ハーフトーン膜４上のクロム膜からなる遮光膜Ｃｍは、露光機との合わせ、その他のモニタパターン、ガードリング形成膜として使用される。これは、ハーフトーン遮光膜では、露光機の合わせ、その他のモニタパターンなどはできないため、また、ガードリングのような巨大パターンをハーフトーンで形成するとサブピークなどの影響が大きいため、それらを考慮したものである。

次いで、上記電子線レジスト膜５ａに電子線描画装置により所望のパターンを描画した後、現像処理を施し、図２（ｂ）に示すように、電子線レジスト膜５ａの所望のパターンを形成した後、これをエッチングマスクとして、そこから露出した下層の遮光膜Ｃｍとハーフトーン膜４をエッチングする。これにより、遮光膜Ｃｍ、ハーフトーン膜４をパターニングする。

次いで、上記電子線レジスト膜５ａをエッチングマスクとして、そこから露出されるガラス基板１Ｓの第１主面の一部をエッチングすることにより、図２（ｃ）に示すように、フィールド部２と複数のメサ部３Ａ，３Ｂとを隣接した状態で形成する。フィールド部２の深さは、ガラス基板１Ｓの第１主面のガラス面を透過した露光光の位相が、フィールド部２の底面を透過した露光光Ｌ２の位相に対して半波長ずれるように（すなわち、１８０度反転するように）設定されている。エッチングは、ウエットエッチングでもドライエッチングでも良い。また、このときのエッチングマスクは電子線レジスト膜５ａを使用し、ハーフトーン膜５ａや遮光膜Ｃｍをエッチングマスクとして使用しない。これは、汎用ハーフトーン膜のＭｏＳｉではクオーツ（ガラス基板）とのエッチング比が取れないことと、また、遮光膜Ｃｍのクロム（Ｃｒ）をエッチングマスクにすると、表面の酸化膜が改質されてしまうからである。

その後、遮光膜Ｃｍを除去した後、図２（ｄ）に示すように、マスク１のマスク基板１Ｓの第１主面上において、相対的に幅の太いパターンを転写する領域に電子線レジスト膜５ｂのパターン（マスキングパターン）を形成した後、そこから露出するハーフトーン膜４を除去する。続いて、電子線レジスト膜５ｂを除去することにより、図２（ｅ）に示すように、マスク１を作成する。

次に、半導体装置の露光工程で使用する具体的なマスク１の一例を図３（ａ），（ｂ）に示す。図３（ａ）はマスク１の第１主面の要部平面図、（ｂ）は図３（ａ）のＸ１−Ｘ１線の断面図である。

ピッチのきつい微細なパターンは、クロムレスのメサ部３Ａで形成した。このパターンは、例えばＭＩＳ・ＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）のゲート電極を半導体ウエハ上に転写するためのパターン（集積回路パターン）である。一方、相対的に太いパターンは、ハーフトーン膜４で先端面が被覆されたメサ部３Ｂで形成した。このパターンは、相対的に太いゲート電極、配線または電極を半導体ウエハ上に転写するためのパターン（集積回路パターン）である。

ここで、図３（ｃ）は、図３（ａ），（ｂ）のマスク１を用いて輪帯照明で露光した場合の光強度シミュレーションの結果のグラフ図である。横軸は位置座標、縦軸は光強度を示している。計算のパラメータとしてフォーカスが０〜０．３μｍまでの強度がプロットしてあるが、ＣＰＬ部は良好なデフォーカス特性を示していることが分かる。ＣＬＰ部で最適なバイアス、露光量を決定したので、相対的に幅の太いラフなパターンに関しては、ハーフトーン部のバイアスを調整することにより所望の寸法を得ることができた。

次に、図３のようなライン幅の混在するパターンを転写する際、どのようなパターンがＣＰＬ部に適し、どのようなパターンをハーフトーンにすべきかについて図４に示す。ここでは、露光光の波長が２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザ）、開口数ＮＡが０．６８、シグマ値（σ）が０．８１〜０．５４の２／３輪帯の照明系と、透過率が６％のハーフトーン膜４とした場合で計算した。ピッチが０．３，０．６，１．０μｍのパターンをＣＬＰ部とハーフトーン部とでバイアスを変えて露光した時のＣＤ（Critical Dimension）とコントラストとを示す。ピッチが０．３μｍ、ＣＤが０．１１μｍのパターンを、ハーフトーンで得ようとするとコントラストが０．７で充分な結果が得られない。これに対してＣＰＬではコントラストが０．８とすることができる。すなわち、ＣＰＬは狭ピッチパターンでハーフトーンよりも高コントラストで解像性があることが予測できる。一方、相対的に太めのパターンはハーフトーンで自由な寸法が得られることが分かる。すなわち、ＣＰＬでコントラストが低下する寸法のパターンの形成にはハーフトーンが適用可能であることが分かる。また、最小ピッチがもう少し大きくなるとＣＰＬを、０．１１μｍよりも、もう少し大きなパターンにも適用できることが予想される。

次に、図３のマスク１を用いた半導体装置の製造方法の一例を図５〜図１０により説明する。

まず、図５に示すように、半導体ウエハ８を準備する。図５はこの段階の半導体ウエハ８の要部断面図である。半導体ウエハ８は、平面略円形状の半導体薄板からなる。半導体ウエハ８を構成する半導体基板８Ｓは、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶からなり、その主面上には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなるゲート絶縁膜９が熱酸化法等により形成されている。このゲート絶縁膜９上には、例えば低抵抗な多結晶シリコンからなる導体膜１０が堆積されている。さらに、この導体膜１０上には、ポジ型のレジスト膜Ｒが回転塗布法等によって塗布されている。

続いて、この半導体ウエハ８を、縮小投影露光装置（以下、単に露光装置という）に搬送し、半導体ウエハ８の主面を露光光源側に向けた状態で露光装置のステージ上に載置する。また、露光装置のマスク載置台上に上記図３に示したマスク１を載置する。

その後、図６に示すように、露光装置の露光光源から放射された露光光Ｌを、マスク１を介して半導体ウエハ８の主面上のレジスト膜Ｒに照射する。これにより、マスク１上のパターンをレジスト膜Ｒに縮小投影露光（転写）する。図６はこの露光工程中の半導体ウエハ８およびマスク１の断面図である。露光装置には、例えばスキャナを用いた。露光光Ｌには、例えばＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）を用いた。露光光源として上記のようにＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を用いても良い。なお、図６では図面を簡略化したため縮小投影レンズ系等が示されていないが、マスク１と半導体ウエハ８との間に縮小投影レンズ系が介在される。

次いで、半導体ウエハ８を露光装置から搬出し、半導体ウエハ８のレジスト膜Ｒに対して現像処理を施すことにより、図７および図８に示すように、半導体ウエハ８の主面上にレジスト膜ＲのレジストパターンＲＡ，ＲＢを形成する。図７はこの段階の半導体ウエハ８の要部平面図、図８は図７のＸ２−Ｘ２線の断面図である。

続いて、レジストパターンＲＡ，ＲＢをエッチングマスクとして、そこから露出する導体膜１０部分をエッチングした後、レジストパターンＲＡ，ＲＢを除去するこれにより、図９および図１０に示すように、導体膜１０で形成されるゲート電極１０Ａ，１０Ｂおよび配線１０Ｃを形成する。図９はこの段階の半導体ウエハ８の要部平面図、図１０は図９のＸ３−Ｘ３線の断面図である。このようにして相対的に幅の狭いゲート電極１０Ａと、相対的に幅の太いゲート電極１０Ｂおよび配線１０Ｃを形成する。ゲート電極１０Ａは、上記マスク１のメサ部３Ａに対応し、ゲート電極１０Ｂおよび配線１０Ｃはハーフトーン膜４が被覆されたメサ部３Ｂに対応している。この後は、ＭＩＳ・ＦＥＴの通常の形成方法を経て半導体装置を製造する。

次に、本実施の形態で用いた露光装置であるスキャナの一例を説明する。図１１は、そのスキャナ１５の一例を示している。スキャナ１５は、例えば縮小比４：１の走査型縮小投影露光装置である。スキャナ１５の露光光源１５ａから発する露光光Ｌは、フライアイレンズ１５ｂ、アパーチャ１５ｃ、コンデンサレンズ１５ｄ１，１５ｄ２およびミラー１５ｅを介してマスク（レチクル）１を照明する。

光学条件のうち、コヒーレントファクタはアパーチャ１５ｆの開口部の大きさを変化させることにより調整した。マスク１の第１主面上には異物付着によるパターン転写不良等を防止するためのペリクルＰＥが設けられている。マスク１上に描かれたマスクパターンは、縮小投影レンズ１５ｇを介して半導体ウエハ８の主面のレジスト膜に投影される。

なお、マスク１は、マスク位置制御手段１５ｈおよびミラー１５ｉ１で制御されたマスクステージ１５ｉ２上に載置され、その中心と縮小投影レンズ１５ｇの光軸とは正確に位置合わせがなされている。マスク１は、その第１主面が半導体ウエハ８に対向するようにマスクステージ１５ｉ２上に載置されている。露光光Ｌは、マスク１の第２主面から第１主面に向かって照射される。

半導体ウエハ８は、試料台１５ｊ上に真空吸着されている。試料台１５ｊは、縮小投影レンズ１５ｇの光軸方向、すなわち、試料台１５ｊのウエハ載置面に垂直な方向（Ｚ方向）に移動可能なＺステージ１５ｋ上に載置され、さらに試料台１５ｊのウエハ載置面に平行な方向に移動可能なＸＹステージ１５ｍ上に搭載されている。Ｚステージ１５ｋ及びＸＹステージ１５ｍは、主制御系１５ｎからの制御命令に応じてそれぞれの駆動手段１５ｐ，１５ｑによって駆動されるので、所望の露光位置に移動可能である。その位置はＺステージ１５ｋに固定されたミラー１５ｒの位置として、レーザ測長器１５ｓで正確にモニタされている。また、半導体ウエハ８の表面位置は、通常の露光装置が有する焦点位置検出手段で計測される。計測結果に応じてＺステージ１５ｋを駆動させることにより、半導体ウエハ８の主面は常に縮小投影レンズ１５ｇの結像面と一致させることができる。

マスク１と半導体ウエハ８とは、縮小比に応じて同期して駆動され、露光領域がマスク１の主面を走査しながらマスクパターンを半導体ウエハ８の主面のレジスト膜に縮小転写する。このとき、半導体ウエハ８の主面位置も上述の手段により半導体ウエハ８の走査に対して動的に駆動制御される。アライメント検出光学系１５ｔは、マスク１と半導体ウエハ８との相対的な平面位置合わせに使用する。主制御系１５ｎはネットワーク装置１５ｕと電気的に接続されており、スキャナ１５の状態の遠隔監視等が可能となっている。

図１２は上記スキャナ１５のスキャンニング露光動作を模式的に示した説明図を示し、図１３はスキャナ１５の露光領域を抜き出して模式的に示した説明図を示している。なお、図１２および図１３では図面を見易くするため一部にハッチングを付す。

スキャナ１５を用いたスキャンニング露光処理では、マスク１と半導体ウエハ８とを各々の主面を平行に保ちながら相対的に逆方向に移動させる。すなわち、マスク１と半導体ウエハ８とは鏡面対称の関係になるので、露光処理に際し、マスク１のスキャン（走査）方向と、半導体ウエハ８のスキャン（走査）方向とは、図１２の矢印で示すステージスキャン方向Ｇ，Ｈに示すように逆向きになる。駆動距離は、縮小比４：１の場合、マスク１の移動量の４に対して、半導体ウエハ８の移動量は1になる。

このとき、露光光Ｌを、アパーチャ１５ｆの平面長方形状のスリット１５ｆｓを通じてマスク１に照射する。すなわち、縮小投影レンズ１５ｇの有効露光領域１５ｇａ（図１３参照）内に含まれるスリット状の露光領域（露光帯）ＳＡ１を実効的な露光領域として用いる。特に限定されないが、そのスリット１５ｆｓの幅（短方向寸法）は、通常、半導体ウエハ８上において、例えば４〜７ｍｍ程度である。

そして、そのスリット状の露光領域ＳＡ１を、スリット１５ｆｓの幅（短）方向（すなわち、スリット１５ｆｓの長手方向に対して直交または斜めに交差する方向）に連続移動（走査）させ、さらに結像光学系（縮小投影レンズ１５ｇ）を介して半導体ウエハ８の主面に照射する。これにより、マスク１の転写領域内のマスクパターン（集積回路パターン）を半導体ウエハ８の複数のチップ領域ＣＡの各々に転写する。なお、ここでは、スキャナ１５の機能を説明するために必要な部分のみを示したが、その他の通常のスキャナに必要な部分は通常の範囲で同様である。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発
明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることは言うまでもない。

例えば前記実施の形態では、ウエハがシリコンを基板とする半導体ウエハの場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ウエハは、サファイア基板、ガラス基板、ＳＯＩ（Silicon On Insulator)基板（絶縁層上に素子形成用の半導体層を持つ基板）、その他の絶縁、反絶縁またはそれらの複合的基板の場合もある。

また、前記実施の形態では、レジストパターンＲＡ，ＲＢをエッチングマスクとしてゲート電極や配線等をパターニングした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えばレジストパターンＲＡ，ＲＢを不純物導入マスクとして半導体基板に所望の不純物を選択的に導入するようにしても良い。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である半導体装置の製造方法に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく種々適用可能であり、例えば液晶表示装置、マイクロマシン、センサまたは磁気ヘッド等のような半導体装置以外のものの製造方法にも適用できる。液晶表示装置においては表示部形成用のガラス基板が被露光処理基板となる。マイクロマシンやセンサにおいては半導体基板が被処理基板となる場合がある。

本発明は、電子装置の製造業に適用できる。

本発明の一実施の形態であるマスクの説明図である。 （ａ）〜（ｅ）は図１のマスクの製造工程中の要部断面図である。 （ａ）は本発明の一実施の形態であるマスクの第１主面の要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ１−Ｘ１線の断面図、（ｃ）は（ａ），（ｂ）のマスクを用いて輪帯照明で露光した場合の光強度シミュレーションの結果のグラフ図である。 露光するラインの幅に応じてＣＰＬ部とハーフトーン部とのいずれを選択するかについて説明した説明図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程中の半導体ウエハの要部断面図である。 図５に続く半導体装置の露光工程中の半導体ウエハおよびマスクの要部断面図である。 図６に続く半導体装置の製造工程中の半導体ウエハの要部平面図である。 図７のＸ２−Ｘ２線の断面図である。 図７に続く半導体装置の製造工程中の半導体ウエハの要部平面図である。 図９のＸ３−Ｘ３線の断面図である。 図６の露光工程で用いた露光装置の一例の説明図である。 図１１の露光装置の露光動作を模式的に示した説明図である。 図１１の露光装置の露光領域を抜き出して模式的に示した説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明者が検討したマスクの要部断面図である。

符号の説明

１ マスク
１Ｓ ガラス基板（マスク基板）
２ フィールド部（第１凹部、第２凹部）
３Ａ メサ部（第１凸部）
３Ｂ メサ部（第２凸部）
４ ハーフトーン膜（減光膜）
５ａ，５ｂ 電子線レジスト膜
８ 半導体ウエハ（被露光処理基板）
８Ｓ 半導体基板
９ ゲート絶縁膜
１０ 導体膜
１５ スキャナ
１５ａ 露光光源
１５ｂ フライアイレンズ
１５ｃ アパーチャ
１５ｄ１，１５ｄ２ コンデンサレンズ
１５ｅ ミラー
１５ｆ アパーチャ
１５ｆｓ スリット
１５ｇ 縮小投影レンズ
１５ｇａ 有効露光領域
１５ｈ マスク位置制御手段
１５ｉ１ ミラー
１５ｉ２ マスクステージ
１５ｊ 試料台
１５ｋ Ｚステージ
１５ｍ ＸＹステージ
１５ｎ 主制御系
１５ｐ，１５ｑ 駆動手段
１５ｒ ミラー
１５ｓ レーザ測長器
１５ｔ アライメント検出光学系
１５ｕ ネットワーク装置
Ｒ レジスト膜
ＲＡ，ＲＢ レジストパターン
Ｌ 露光光
ＰＥ ペリクル
ＳＡ１ 露光領域

Claims (5)

1. 被露光処理基板の主面上に堆積されたレジスト膜に対して露光光を照射することにより、前記被露光処理基板の前記レジスト膜に所望のパターンを転写する露光処理の際に用いるマスクであって、
   前記所望のパターンは、相対的に細いパターンと、相対的に太いパターンとを有しており、
   前記マスクは、厚さ方向に沿って互いに反対側に位置する第１主面および第２主面を有するマスク基板を有しており、
   前記マスクにおいて、前記相対的に細いパターンを転写する領域の前記マスク基板の第１主面には第１凹部と第１凸部とが隣接して形成されており、
   前記第１凸部の先端面を透過した前記露光光の位相は、前記第１凹部の底面を透過した前記露光光の位相に対して反転するようになっており、前記相対的に細いパターンは、前記第１凸部のパターンに対応して形成され、
   前記マスクにおいて、前記相対的に太いパターンを転写する領域の前記マスク基板の第１主面には第２凹部と第２凸部とが隣接して形成されており、
   前記第２凸部の先端面には前記露光光を減光する減光膜が形成されており、
   前記第２凸部および前記減光膜を透過した前記露光光の位相は、前記第２凹部の底面を透過した前記露光光の位相に対して反転するようになっており、
   前記相対的に太いパターンは、前記第２凸部のパターンに対応して形成され、
   前記第１凸部の先端面を透過した前記露光光と、前記第２凸部および前記減光膜を透過した前記露光光とが同位相であることを特徴とするマスク。
2. 請求項１記載のマスクにおいて、前記相対的に細いパターンおよび前記相対的に太いパターンの寸法は、前記露光光の波長よりも小さいことを特徴とするマスク。
3. （ａ）厚さ方向に沿って互いに反対側に位置する第１主面および第２主面を有するマスク基板を準備する工程、
   （ｂ）前記マスク基板の第１主面上に露光光を減光する減光膜を堆積する工程、
   （ｃ）前記減光膜上に第１マスキングパターンを形成した後、前記第１マスキングパターンをマスクとして前記減光膜をパターニングする工程、
   （ｄ）前記第１マスキングパターンをマスクとして、そこから露出するマスク基板の第１主面部分を除去することにより、前記マスク基板の第１主面に互いに隣接した状態で配置された凹部と凸部とを形成する工程、
   （ｅ）前記第１マスキングパターンを除去する工程、
   （ｆ）前記マスク基板の第１主面において相対的に太いパターンを転写する領域に第２マスキングパターンを形成した後、そこから露出する相対的に細いパターンを転写する領域の前記減光膜を除去する工程、
   （ｇ）前記マスキングパターンを除去する工程を有し、
   前記マスクにおいて、前記相対的に細いパターンを転写する領域においては、前記凸部の先端面を透過した前記露光光の位相が、前記凹部の底面を透過した前記露光光の位相に対して反転するようになっており、前記相対的に細いパターンは、前記凸部のパターンに対応して形成され、
   前記マスクにおいて、前記相対的に太いパターンを転写する領域においては、前記凸部の先端面に前記減光膜が形成されており、前記減光膜の先端面を透過した前記露光光の位相が、前記凹部の底面を透過した前記露光光の位相に対して反転するようになっており、前記相対的に太いパターンは、前記減光膜が形成された前記凸部のパターンに対応して形成され、
   前記相対的に細いパターンに対応する前記凸部を透過した前記露光光と、前記相対的に太いパターンに対応する前記凸部および減光膜を透過した前記露光光とが同位相であることを特徴とするマスクの製造方法。
4. （ａ）半導体ウエハの主面上にレジスト膜を堆積する工程、
   （ｂ）前記半導体ウエハの主面上の前記レジスト膜に対してマスクを用いた露光処理により所望のパターンを転写する工程、
   （ｃ）前記レジスト膜に対して現像処理を施すことにより、レジストパターンを形成する工程、
   （ｄ）前記レジストパターンをマスクとして、エッチング処理または不純物導入処理を行う工程を有し、
   前記所望のパターンは、相対的に細いパターンと、相対的に太いパターンとを有しており、
   前記マスクは、厚さ方向に沿って互いに反対側に位置する第１主面および第２主面を有するマスク基板を有しており、
   前記マスクにおいて、前記相対的に細いパターンを転写する領域の前記マスク基板の第１主面には第１凹部と第１凸部とが隣接して形成されており、
   前記第１凸部の先端面を透過した前記露光光の位相は、前記第１凹部の底面を透過した前記露光光の位相に対して反転するようになっており、前記相対的に細いパターンは、前記第１凸部のパターンに対応して形成され、
   前記マスクにおいて、前記相対的に太いパターンを転写する領域の前記マスク基板の第１主面には第２凹部と第２凸部とが隣接して形成されており、
   前記第２凸部の先端面には前記露光光を減光する減光膜が形成されており、
   前記第２凸部および前記減光膜を透過した前記露光光の位相は、前記第２凹部の底面を透過した前記露光光の位相に対して反転するようになっており、前記相対的に太いパターンは、前記減光膜が形成された前記第２凸部のパターンに対応して形成され、
   前記第１凸部を透過した前記露光光と、前記第２凸部および前記減光膜を透過した前記露光光とが同位相であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項４記載の半導体装置の製造方法において、前記相対的に細いパターンおよび前記相対的に太いパターンの寸法は、前記露光光の波長よりも小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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