JP2008089817A - フォトマスク及びそれを用いた半導体素子の配線パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度、高分解能及び低コストのフォトマスクを作製し、それを実用的なデュアルダマシン構造の形成に適用する。
【解決手段】高分解能グレーマスクを実現し、高精度、高分解能及び低コストのフォトマスクを作製し、それを実用的なデュアルダマシン構造の形成に適用する。具体的には、高分解能グレーマスクを用いて、１回の露光、現像及びエッチング工程により、設計パターン形状に対応したデュアルダマシン構造を形成可能とし、デュアルダマシン構造の作製工程の短縮化及びパターン精度を向上させる。
【選択図】図６

Description

この発明は、デュアルダマシン構造の半導体素子の配線パターン形成方法に関するものである。

近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、多層構造を有する半導体装置の製造技術が急速に発展している。この多層構造を有する半導体装置の場合には、水平方向に展開する各素子を接続するトレンチ配線と、垂直方向に展開する各素子を接続するビアホール配線を形成する必要がある。さらに、最近では、水平方向に展開する各素子を接続するトレンチ配線と垂直方向に展開する各素子を接続するビアホール（単に、ビアとも言う）配線とを同時に作りこむ、いわゆるデュアルダマシン構造の半導体素子が普及してきている。このデュアルダマシン構造を作り込む際には、ＳｉＯ_２層などのハードマスクをパターン形成し、このハードマスクを用いてＬｏｗ−ｋ層などの低誘電率の絶縁膜をエッチングしてトレンチやビアを形成した後、蒸気圧が高く化合物を形成しにくい銅などの材料を用いて、配線形成を行う。

この様な従来技術においては、ハードマスクが露出する工程においては、ハードマスクの肩の部分が削れて斜めになる、いわゆる肩落ち現象が生じやすかった。又、このハードマスクの肩落ち現象を抑制することが可能な製造方法として、トレンチ用レジストを塗布し、フォトリソグラフィによりパターニングして、エッチングを行い、次に、ビア用レジストを塗布し、フォトリソグラフィによりパターニングして、エッチングを行う方法がある（例えば、特許文献１参照）。 一方、この様なデュアルダマシン構造を作製するにあたり、グレー諧調を有するフォトマスク（グレーマスクと称する）を用いて作製する方法が考えられる（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２-１２４５６８号公報 特許第３１１７８８６号公報

しかしながら、特許文献１に開示の方法によれば、２回のフォトリソグラフィとエッチング工程が必須工程となり、工程の複雑化及びパターン精度の低下などを伴っていた。

又、特許文献２に開示の方法によれば、マスクパターンの最小ピッチ、最小寸法及び最小寸法刻み幅は、フォトマスク製造プロセスの解像性及び寸法制御性によって制約を受け、適用可能な下限値が存在する。又、より精度の高いフォトマスク製造プロセスを用いるほどフォトマスクの製造コストが大幅に上昇するという問題点があり、実用的なデュアルダマシン構造を得ることができなかった。

そこで、この出願に係る発明者は、鋭意研究を行ったところ、実用的なデュアルダマシン構造を得ることを目的として、共通の一枚の基板に深さの異なる溝や斜面形状を形成するため、これらの溝を形成するために厚みの異なるレジストパターン、従って、レジスト層に深さの異なる溝や、深さが変化する斜面状の溝の潜像を投写できるフォトマスクを用いれば、従来の問題点を解決できることを見出した。

この発明は、上述した従来の問題点に鑑みなされたものである。

従って、この発明の目的は、高分解能グレーマスクを実現し、高精度、高分解能及び低コストのフォトマスクを作製し、それを実用的なデュアルダマシン構造の形成に適用することにある。具体的には、高分解能グレーマスクを用いて、１回の露光、現像及びエッチング工程により、設計パターン形状に対応したデュアルダマシン構造を形成可能とするものであり、デュアルダマシン構造の作製工程の短縮化及びパターン精度を向上させることにある。

第１の発明の第１のフォトマスクは、下記の特徴を有している。

第１のフォトマスクは、膜厚が非一様なレジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであり、この第１のフォトマスクの構成は、透明なマスク基板と、このマスク基板に密接して配列された複数の正方形のマスクセルとを有している。そして、このマスクセルの一辺の長さは、この第１のフォトマスクが用いられる露光装置の光学系の解像限界となる長さよりも短く設定されている。

又、このマスクセルは、光透過領域と、マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、マスクセルの透過光の光強度は、規格化光強度である。そして、マスクセルに対する光透過領域の面積比によって、透過光の光強度を決定している。

さらに、この第１のフォトマスクを上方から見た平面領域中に、第１領域、第１領域を囲む第２領域、及び、第２領域より外側の第３領域を区画してあって、第１領域内の第１マスクセル群は、第１光強度（但し、０＜第１光強度≦１ である。）を有し、第２領域内の第２マスクセル群は、第２光強度（但し、０＜第２光強度＜第１光強度 である。）を有し、及び、第３領域内の第３マスクセル群は、第３光強度（但し、０≦第３光強度＜第２光強度 である。）を有している。

又、第２の発明の第２のフォトマスクは、下記の特徴を有している。この第２のフォトマスクは、膜厚が非一様なレジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであり、この第２のフォトマスクの構成は、透明なマスク基板と、このマスク基板に密接して配列された複数の正方形のマスクセルとを有している。そして、このマスクセルの一辺の長さは、この第２のフォトマスクが用いられる露光装置の光学系の解像限界となる長さよりも短く設定されている。

又、このマスクセルは、光透過領域と、マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、マスクセルの透過光の光強度は、規格化光強度である。そして、マスクセルに対する光透過領域の面積比によって、透過光の光強度を決定している。

さらに、この第２のフォトマスクを上方から見た平面領域中に、第１領域、第１領域を囲む第２領域、第２領域を囲む第３領域、及び、第３領域より外側の第４領域を区画してあって、第１領域内の第１マスクセル群は、第１光強度（但し、０＜第１光強度≦１ である。）を有し、第２領域内の第２マスクセル群は、第１領域との境界では、第１光強度を有し、第３領域との境界では、第２光強度（但し、０＜第２光強度＜第１光強度 である。）を有し、第１領域との境界から第３領域との境界との間では、第１光強度から第２光強度へと直線的に変化する光強度を有し、及び、第３領域内の第３マスクセル群は、第３光強度（但し、０＜第３光強度＜第２光強度 である。）を有し、及び、第４領域内の第４マスクセル群は、第４光強度（但し、０≦第４光強度＜第３光強度 である。）を有している。

そして、第３の発明は、第１の発明のフォトマスクを用いた半導体素子の配線パターン形成方法であって、半導体基板上に厚みの異なった多段の溝のレジストパターンを形成した後、エッチング加工を行い、前記半導体基板上に前記レジストパターンと同様の形状を有する形状を一括で加工する点に特徴を有している。

さらに、第４の発明は、第２の発明のフォトマスクを用いた半導体素子の配線パターン形成方法であって、半導体基板上に厚みの異なった垂直部と斜面部とを備えたレジストパターンを形成した後、エッチング加工を行い、前記半導体基板上に前記レジストパターンと同様の形状を有する形状に一括で加工する点に特徴を有している。

第１の発明によれば、膜厚が非一様なレジストパターンを形成するための露光用の第１のフォトマスクは、この第１のフォトマスクを上方から見た平面領域中に、第１領域、第１領域を囲む第２領域、及び、第２領域より外側の第３領域を区画してあり、第１領域内の第１マスクセル群は、第１光強度（但し、０＜第１光強度≦１ である。）を有し、第２領域内の第２マスクセル群は、第２光強度（但し、０＜第２光強度＜第１光強度 である。）を有し、及び、第３領域内の第３マスクセル群は、第３光強度（但し、０≦第３光強度＜第２光強度 である。）を有している。従って、区画された任意の領域内に、厚みの異なった多段の溝形状のレジストパターンを形成するための第１のフォトマスクが得られるという効果を奏する。

又、第２の発明よれば、膜厚が非一様なレジストパターンを形成するための露光用の第２のフォトマスクは、この第２のフォトマスクを上方から見た平面領域中に、第１領域、第１領域を囲む第２領域、第２領域を囲む第３領域、及び、第３領域より外側の第４領域を区画してあり、第１領域内の第１マスクセル群は、第１光強度（但し、０＜第１光強度≦１ である。）を有している。第２領域内の第２マスクセル群は、第１領域との境界では、第１光強度を有し、第３領域との境界では、第２光強度（但し、０＜第２光強度＜第１光強度 である。）を有し、第１領域との境界から第３領域との境界との間では、第１光強度から第２光強度へと直線的に変化する光強度を有している。及び、第３領域内の第３マスクセル群は、第３光強度（但し、０＜第３光強度＜第２光強度 である。）を有し、及び、第４領域内の第４マスクセル群は、第４光強度（但し、０≦第４光強度＜第３光強度 である。）を有している。従って、この第２の発明によれば、区画された任意の領域内に、厚みの異なった垂直部と斜面部とを備えたレジストパターンを形成するための第２のフォトマスクが得られるという効果を奏する。

第３の発明によれば、第１の発明のレジストパターン形成用のフォトマスクを使用することで、１回のフォトリソグラフィーとエッチング工程のみを行うことにより、厚みの異なった多段の溝形状を実現し、実用的なデュアルダマシン構造の形成に適用することができるという効果を奏する。

さらに、第４の発明よれば、第２の発明のレジストパターン形成用のフォトマスクを使用することで、１回のフォトリソグラフィーとエッチング工程のみを行うことにより、厚みの異なった垂直部と斜面部とを備えた形状を実現し、実用的なデュアルダマシン構造の形成に適用することができるという効果を奏する。

以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、図は、この発明が理解できる程度に構成要素の形状、大きさ及び配置関係を概略的に示してあるにすぎず、又、以下に説明する数値的及びその他の条件は単なる好適例であり、この発明はこの発明の実施形態にのみ何等限定されるものではない。なお、図において、図の複雑化を防ぐために、断面を表すハッチング等を一部省略して示してある。

（第１の実施形態：フォトマスク）
図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）を参照して、この発明のレジストパターン形成用のフォトマスクについて説明する。図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、フォトマスクを説明するための模式図である。図１（Ａ）は、フォトマスクの一部分を上方から見た模式的な平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った面で切った断面を示す図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った方向（Ｘ方向）の位置と、透過光の光強度の関係を説明するための図である。図１（Ｃ）は、横軸にＸ方向の位置を取って示し、縦軸に透過光の光強度を取って示してある。

フォトマスク１０は、石英ガラス等の透明なマスク基板２０上に、複数の、同一の大きさの正方形状のマスクセル４０を備えている。このマスクセル４０は、マスク基板２０の一方の主表面に画成された複数の単位マスクセル領域に設定されている。これら単位マスクセル領域は、互いに直交するＸ方向（又は行方向）及びＹ方向（又は列方向）に引かれた直線である、複数の仮想格子状線４６で、マスク基板２０の一方の主表面に等間隔に仕切られて設定された領域である。従って、これら単位マスクセル領域は、直交マトリクス（行列）配列として、配列されている。

マスクセル４０には、光透過領域４４と遮光領域４２のいずれか一方又は双方が設定されている。マスク基板２０上の遮光領域４２には、例えば、クロムを蒸着するなどして遮光膜３０が形成されている。マスクセル４０が、フォトマスク１０を透過する光強度を制御する基本単位である。同じ面積のマスクセル４０の場合、マスクセル４０に対する光透過領域４４の面積比により、マスクセル４０を透過する光強度が与えられる。すなわち、マスクセル４０中の、光透過領域４４の面積が大きいほど、当該マスクセル４０を透過する光強度が大きくなる（図１（Ｃ））。

このマスクセル４０の透過光の光強度は、規格化光強度とすることができる。すなわち、規格化光強度とは、多数のマスクセルのうち、いずれかのマスクセルを透過した光の強度が最大であるとき、この最大光強度を１として決まる他のマスクセルを透過する光の強度の値である。従って、規格化光強度は、１と０とをそれぞれ含むその間のいずれかの値を取る。各マスクセルには、それぞれ設計上決められる規格化光強度が割り当てられることになる。

尚、図１（Ａ）は、光透過領域４４と遮光領域４２の双方が設定されているマスクセル４０が、Ｙ方向の仮想二分線４８で二分され、仮想二分線４８の一方の側（図中、仮想二分線の右側）に光透過領域４４が設定され、他方の側（図中、仮想二分線の左側）に遮光領域４２が設定されている例を示している。各マスクセルについて、光透過領域４４が仮想二分線４８に対して同じ側に設定されているのが良い。これは、以下の理由による。

目標とされるレジストパターンの形状が、連続的に膜厚が変化する曲面状の場合、レジスト層の膜厚の変化が緩やかな領域では、同一の光強度のマスクセル４０が連続して設定されることがある。各マスクセル４０について、仮想二分線４８に対して、同じ側に光透過領域４４が設定される構成にすると、Ｙ方向に連続して設けられる同一の光強度のマスクセル４０については、遮光領域は、一つの矩形として構成される。マスクパターンを構成する矩形の数の増減に応じて、マスクパターンの生成に必要なデータも量も増減する。従って、各マスクセル４０の遮光膜３０を、一括して一つの矩形として形成すると、マスクパターンの生成に必要なデータ量を削減することができる。この結果、フォトマスクの製造にかかる時間を短縮するとともに、コストを削減することができる。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）では、全てのマスクセル４０について光透過領域４４と遮光領域４２が設定されている例を示しているが、この例に限定されない。すなわち、フォトマスクは、光透過領域４４だけが設定された、すなわち遮光領域４２が無いマスクセル、あるいは、マスクセル４０に遮光領域４２だけが設定された、すなわち光透過領域４４が無いマスクセルを備える構成でも良い。ここで、光透過領域（スペース）４４の幅をＤ、及び、遮光領域（ライン）４２の幅をＷとする。

マスクセル４０の一辺の長さ（以下、マスクピッチと称することもある。）Ｐは、このフォトマスク１０が用いられる露光装置の光学系の解像限界となる長さより短く設定されている。このため、このフォトマスク１０を用いてレジストを露光した場合、フォトマスクのマスクパターンを解像できるだけのコントラストが得られない。このフォトマスク１０を用いてレジストを露光した後、現像すると、レジストは分離することなく、連続して膜厚が変化する。

従って、以上説明したように、上記のレジストパターン形成用のフォトマスクによれば、マスクセル毎に透過する光強度を設定することができる。

次に、この発明の第１の発明による第１のフォトマスクについて、図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）を参照して説明する。図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、この第１のフォトマスクを説明するための模式図である。図２（Ａ）は、この第１のフォトマスク１００の上方から見た模式的な平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った面で切った断面図を示す図である。図２（Ｃ）は、Ｂ−Ｂ線に沿った方向（Ｘ方向）の位置と、透過光の光強度の関係を説明するための図である。図２（Ｃ）は、横軸にＸ方向の位置を取って示し、縦軸に透過光の光強度を取って示してある。

第１のフォトマスク１００は、石英ガラス等の透明なマスク基板１０２上に区画された、第１領域１１０、第１領域１１０を囲む第２領域１２０、及び第２領域１１０より外側の第３領域１３０を有している。この実施形態では、一例として、第１領域１１０に、４行及び６列の行列配列でマスクセルを設定してあり、一方、第２領域１２０に、１０行及び１０列の行列配列でマスクセルを設定してあるが、何らこれらの配列に限定されるものではない。

この第１領域１１０に含まれている複数のマスクセルからなる第１マスクセル群１１２は、同一の光強度、すなわち第１光強度を有する光を透過する光透過領域を持つマスクセルの集合体から成り立っている。そして、この第１光強度の規格化光強度は、０＜第１光強度≦１の光強度を有している。

又、第１領域を囲む第２領域１２０に含まれている複数のマスクセルからなる第２マスクセル群１２２は、第１光強度とは異なる光強度、すなわち第２光強度を有する光を透過する光透過領域を持つ同一のマスクセルの集合体から成り立っている。そして、この第２光強度の規格化光強度は、０＜第２光強度＜第１光強度≦１の光強度を有している。

さらに、第２領域より外側の第３領域１３０に含まれる第３マスクセル群１３２は、第１及び第２光強度とは異なる第３光強度を有する光を透過する光透過領域を持つ同一のマスクセルの集合体から成り立っている。この第３光強度の規格化光強度は、０≦第３光強度＜第２光強度の光強度を有している。この実施形態の場合、第３光強度＝０としており、この第３領域１３０は遮光領域となっている。

図２（Ｃ）は、このフォトマスクの第１領域１１０、第２領域１２０及び第３領域１３０の透過光の光強度分布を示す図である。第１領域１１０内の透過光の光強度は、一定であって、第１光強度である。又、第２領域１２０内の透過光の光強度は、第２光強度（第１光強度よりも小さい）であって、一定である。これら第１及び第２領域外の第３領域１３０の透過光の光強度は、第３光強度であって、一定であり、かつ光強度はゼロである。

従って、この第１のフォトマスク１００を用いてレジスト層にフォトマスクパターンを投写して感光させ、然る後、レジスト層を現像すると、区画された第１領域１１０及び第２領域１２０が形成され、第１領域１１０の方が第２領域１２０よりも深い、光強度に応じた厚みの異なる多段（この実施形態では２段）の溝形状パターンを有するレジストパターンを得ることができる。

次に、この発明の第２の発明による第２のフォトマスクについて、図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）を参照して説明する。図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）は、第２のフォトマスクを説明するための模式図である。図３（Ａ）は、この第２のフォトマスク２００の上方から見た模式的な平面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った面で切った断面図を示す図である。図３（Ｃ）は、Ｃ−Ｃ線に沿った方向（Ｘ方向）の位置と、透過光の光強度の関係を説明するための図である。図３（Ｃ）は、横軸にＸ方向の位置を取って示し、縦軸に透過光の光強度を取って示してある。

第２のフォトマスク２００は、石英ガラス等の透明なマスク基板２０２上に区画された、第１領域２１０、第１領域２１０を囲む第２領域２２０、第２領域２２０を囲む第３領域２３０、及び、第３領域２３０より外側の第４領域２４０を有している。この実施形態では、一例として、第１領域２１０に、２行及び４列の行列配列でマスクセルを設定してあり、一方、第２領域２２０に、６行及び８列の行列配列でマスクセルを設定してあり、さらに、第３領域２３０に、１０行及び１２列の行列配列でマスクセルを設定しているが、何らこれらの配列に限定されるものではない。

この第１領域２１０に含まれている複数のマスクセルからなる第１マスクセル群２１２は、同一の光強度、すなわち第１光強度を有する光を透過する光透過領域を持つマスクセルの集合体から成り立っている。そして、この第１光強度の規格化光強度は、０＜第１光強度≦１の光強度を有している。

又、第１領域２１０を囲む第２領域２２０内の第２マスクセル群２２２は、第１領域２１０との境界では、第１光強度を有し、第３領域との境界では、第２光強度（但し０＜第２光強度＜第１光強度）を有し、第１領域２１０との境界から第３領域２３０との境界との間では、第１光強度から第２光強度へと直線的に変化する光強度を有している。

そして、第２領域２２０を囲む第３領域２３０に含まれている複数のマスクセルからなる第３マスクセル群２３２は、第２光強度とは異なる光強度、すなわち第３光強度を有する光を透過する光透過領域を持つ同一のマスクセルの集合体から成り立っている。そして、この第３光強度の規格化光強度は、０＜第３光強度＜第２光強度の光強度を有している。

さらに、第３領域２３０より外側の第４領域２４０に含まれる第４マスクセル群２４２は、第１、第２及び第３光強度とは異なる第４光強度を有する光を透過する光透過領域を持つ同一のマスクセルの集合体から成り立っている。この第４光強度の規格化光強度は、０≦第４光強度＜第３光強度の光強度を有している。この実施形態の場合、第４光強度＝０としており、この第４領域２４０は遮光領域となっている。

図３（Ｃ）は、このフォトマスクの第１領域２１０、第２領域２２０、第３領域２３０及び第４領域２４０の透過光の光強度分布を示す図である。第１領域２１０内の透過光の光強度は、一定であって、第１光強度である。第２領域２２０内の透過光の光強度は、第１領域２１０との境界では、第１光強度を有し、第３領域２３０との境界では、第２光強度を有し、第１領域２１０との境界から第３領域２３０との境界との間では、第１光強度から第２光強度へと直線的に変化する光強度を有している。又、第３領域２３０内の透過光の光強度は、第３光強度であって、一定である。さらに、第４領域２４０の透過光の光強度は、第４光強度であって、一定であり、かつ光強度はゼロである。

従って、この第２のフォトマスク２００を用いてレジスト層にフォトマスクパターンを投写して感光させ、然る後、レジスト層を現像すると、区画された第１領域２１０、第２領域２２０及び第３領域２３０が形成され、区画された領域内に、厚みの異なった垂直部と斜面部とを備えたレジストパターンを得ることができる。

（第２の実施形態：第１のフォトマスクを用いたデュアルダマシン構造の形成方法）
この発明の第３の発明として、第１のフォトマスクを用いたデュアルダマシン構造の形成方法について説明する。

先ず、上述の第１の発明による第１のフォトマスクを用いたレジストパターン形成方法について、シリコン基板を使用して説明する。

使用したシリコン基板は、６インチ径である。塗布したレジスト厚みは３．５μｍで、レジストは、ポジ型レジスト（例えば、ＪＳＲ社製、商品名ＩＸ４１０）をスピンコータで塗布したものである。露光装置は、ｉ線（波長λ＝３６５ｎｍ）ステッパ（例えば、Ｎｉｋｏｎ社製、商品名ＮＳＲ−２２０５ｉ１１Ｄ）を用い、露光条件を投影レンズの開口数ＮＡ＝０．５、コヒーレンスファクタσ＝０．５、縮小投影倍率を５倍とした。又、図１（Ｂ）におけるマスクセル４０の一辺の長さ、すなわち、マスクピッチＰを４００ｎｍとする。

図４を参照して、フォトマスクのマスクパターン配置手順について説明する。マスクパターンの配置を決めるためには、マスクセルのスペース幅と残存するレジスト層の膜厚（以下、単にレジスト膜厚と称する）との関係が必要となる。図４は、スペース幅（図１（Ｂ）参照。）に対する露光及び現像後の残存するレジスト膜厚を示す図であり、２８０ミリ秒の露光時間でのレジスト膜厚を示している。図４において、横軸にマスクセルのスペース幅（単位：ｎｍ）を取って示し、縦軸に露光及び現像後の残存するレジスト膜厚（単位：μｍ）を取って示してある。

図４に示す特性曲線によれば、２８０ミリ秒の露光時間で１２０ｎｍのスペース幅、すなわち最小のスペース幅のときに、３．５μｍのレジスト膜厚を得、一方、同じ露光条件で、２８０ｎｍのスペース幅、すなわち最大のスペース幅のときに０μｍのレジスト膜厚を得ることができる。従って、例えば、スペース幅を５ｎｍ刻みで制御することにより、３２段階の階調数で、目標とされる０〜３．５μｍのレジスト膜厚の設定が可能である。

この場合のフォトマスクは、第１の実施形態で説明した第１の発明の第１のフォトマスクの場合と同じであり、さらにこの場合は、規格化光強度として、０＝第３光強度＜第２光強度＜第１光強度＝１の条件が付加される場合となる。

図５は、各レジストパターンの形状に対するマスクセルの配置、露光及び現像後のレジストパターンの形状を示したものである。図５（Ａ）は、各レジストパターンの形状に対するマスクセルの配置を説明するための図である。図５（Ｂ）は、各マスクセル群によって露光及び現像した後のレジストパターンの形状を示す図である。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）において、最小スペース幅Ｄ_ｍｉｎが１２０ｎｍのマスクセルからなるマスクセル群の領域３０４は、露光及び現像後のレジスト残存率は１００％、すなわち、レジスト層が現像されずに完全にシリコン基板３００上に残るレジスト層３０２となる。従って、この領域は第１のフォトマスクにおける第３領域、すなわち遮光領域となる。

又、最大スペース幅Ｄ_ｍａｘが２８０ｎｍのマスクセルからなるマスクセル群の領域３０８は、露光及び現像後のレジスト残存率は０％、すなわちレジスト層が局部的に現像工程によって除去されてレジスト層に開口が形成される領域であり、シリコン基板３００の表面までレジストが開口されている領域となる。

そして、最大スペース幅Ｄ_ｍａｘと最小スペース幅Ｄ_ｍｉｎとの中間のスペース幅Ｄ_１のマスクセルからなるマスクセル群３０６の領域のレジスト残存率は、最大スペース幅Ｄ_ｍａｘが２８０ｎｍのマスクセルからなるマスクセル群の領域３０８と最小スペース幅Ｄ_ｍｉｎが１２０ｎｍのマスクセルからなるマスクセル群の領域３０４との中間の値を取ることになり残存したレジスト層３１０となる。

以上のような特性を持つ第１のフォトマスクを用いた、第３の発明のデュアルダマシン構造の形成方法について説明する。

図６は、第１のフォトマスクにより形成したレジストパターンを用いてデュアルダマシン構造のトレンチ部分及びビアホール部分を形成するまでの工程を示す図である。多層の絶縁膜から構成される被エッチング基体４１０の構成は、最下層のＳｉＮ絶縁膜４００、中間層であるＬｏｗ−ｋ層であるＳｉＯＣ層４０２、及び最上層のＳｉＯ_２絶縁膜４０４から構成される。この被エッチング基体４１０の最上層上に第１のフォトマスクによりパターニングされたレジストパターン４０６を形成する（図６（Ａ））。

次に、このレジストパターン４０６をマスクにＳｉＯ_２絶縁膜４０４をエッチングする。この時、レジストパターン４０６も全体にエッチングされる（図６（Ｂ））。

さらに、レジストパターン４０６をマスクに中間層であるＬｏｗ−ｋ層であるＳｉＯＣ層４０２をエッチングする（図６（Ｃ））。

続いて、最上層のＳｉＯ_２絶縁膜４０４と最下層のＳｉＮ絶縁膜４００とを同時にエッチングする（図６（Ｄ））。

最後に、レジスト除去を行う（図６（Ｅ））。

以上の工程により、デュアルダマシン構造のビアホール部分及びトレンチ部分の作製が完了し、次に銅などの導電金属を充填することにより、配線パターンの作製が完了する。

レジスト塗布工程からエッチングまでの処理工程は以下の通りである。レジスト塗布後、雰囲気温度９０℃で６０秒間のプリべーク処理を行った後、ｉ線ステッパを用いて２８０ミリ秒間の露光を行い、その後、雰囲気温度１１０℃で１００秒間の露光後ベーク処理を行う。次に、アルカリ現像液（例えば、東京応化社製、商品名ＮＭＤ−３）を用いて９０秒間の現像処理を行った後、雰囲気温度１２０℃で１００秒間の現像後べーク処理を行うことにより、レジストパターンが得られる。エッチングは、マイクロマシンの作製で一般に使用されている誘導結合型反応性イオンエッチング（Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching：ＩＣＰ−ＲＩＥ）装置を用いた。

（第３の実施形態：第２のフォトマスクを用いたデュアルダマシン構造の形成方法）
この発明の第４の発明として、第２のフォトマスクを用いたデュアルダマシン構造の形成方法について説明する。

先ず、上述の第２の発明による第２のフォトマスクを用いたレジストパターン形成方法について、シリコン基板を使用して説明する。

使用したシリコン基板は、６インチ径である。塗布したレジスト厚みは３．５μｍで、レジストは、ポジ型レジスト（例えば、ＪＳＲ社製、商品名ＩＸ４１０）をスピンコータで塗布したものである。露光装置は、ｉ線（波長λ＝３６５ｎｍ）ステッパ（例えば、Ｎｉｋｏｎ社製、商品名ＮＳＲ−２２０５ｉ１１Ｄ）を用い、露光条件を投影レンズの開口数ＮＡ＝０．５、コヒーレンスファクタσ＝０．５、縮小投影倍率を５倍とした。又、図１（Ｂ）におけるマスクセル４０の一辺の長さ、すなわち、マスクピッチＰを４００ｎｍとする。

図４を参照して、フォトマスクのマスクパターン配置手順について説明する。マスクパターンの配置を決めるためには、マスクセルのスペース幅と残存するレジスト層の膜厚（以下、単にレジスト膜厚と称する）との関係が必要となる。図４は、スペース幅（図１（Ｂ）参照。）に対する露光及び現像後の残存するレジスト膜厚を示す図であり、２８０ミリ秒の露光時間でのレジスト膜厚を示している。図４において、横軸にマスクセルのスペース幅（単位：ｎｍ）を取って示し、縦軸に露光及び現像後の残存するレジスト膜厚（単位：μｍ）を取って示してある。

図４に示す特性曲線によれば、２８０ミリ秒の露光時間で１２０ｎｍのスペース幅、すなわち最小のスペース幅のときに、３．５μｍのレジスト膜厚を得、一方、同じ露光条件で、２８０ｎｍのスペース幅、すなわち最大のスペース幅のときに０μｍのレジスト膜厚を得ることができる。従って、例えば、スペース幅を５ｎｍ刻みで制御することにより、３２段階の階調数で、目標とされる０〜３．５μｍのレジスト膜厚の設定が可能である。

この場合のフォトマスクは、第１の実施形態で説明した第２の発明の第２のフォトマスクの場合と同じであり、さらにこの場合は、規格化光強度として、０＝第４光強度＜第３光強度＜第２光強度＜第１光強度＝１の条件が付加される場合となる。

図７は、各レジストパターンの形状に対するマスクセルの配置、露光及び現像後のレジストパターンの形状を示したものである。図７（Ａ）は、各レジストパターンの形状に対するマスクセルの配置を説明するための図である。図７（Ｂ）は、各マスクセル群によって露光及び現像した後のレジストパターンの形状を示す図である。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）において、最小スペース幅Ｄ_ｍｉｎが１２０ｎｍのマスクセルからなるマスクセル群の領域５０２は、露光及び現像後のレジスト残存率は１００％、すなわち、レジスト層が現像されずに完全にシリコン基板５００上に残るレジスト層５１０となる。従って、この領域は第２のフォトマスクにおける第４領域、すなわち遮光領域となる。

又、最大スペース幅Ｄ_ｍａｘが２８０ｎｍのマスクセルからなるマスクセル群の領域５０８は、露光及び現像後のレジスト残存率は０％、すなわちレジスト層が局部的に現像工程によって除去されてレジスト層に開口が形成される領域であり、シリコン基板５００の表面までレジストが開口されている領域となる。

そして、最大スペース幅Ｄ_ｍａｘと最小スペース幅Ｄ_ｍｉｎとの中間のスペース幅Ｄ_１及びＤ_２からなるマスクセル群５０６及びマスクセル群５０４の領域のレジスト残存率は、最大スペース幅Ｄ_ｍａｘが２８０ｎｍのマスクセルからなるマスクセル群の領域５０８と最小スペース幅Ｄ_ｍｉｎが１２０ｎｍのマスクセルからなるマスクセル群の領域５０２との中間の値を取ることになり残存したレジスト層５１４及びレジスト層５１２となる。

以上のような特性を持つ第２のフォトマスクを用いた、第４の発明のデュアルダマシン構造の形成方法について説明する。

図８は、第２のフォトマスクにより形成したレジストパターンを用いてデュアルダマシン構造のトレンチ部分及びビアホール部分を形成するまでの工程を示す図である。多層の絶縁膜から構成される被エッチング基体６１０の構成は、最下層のＳｉＮ絶縁膜６００、中間層であるＬｏｗ−ｋ層であるＳｉＯＣ層６０２、及び最上層のＳｉＯ_２絶縁膜６０４から構成される。この被エッチング基体６１０の最上層上に第３のフォトマスクによりパターニングされたレジストパターン６０６を形成する（図８（Ａ））。

次に、このレジストパターン６０６をマスクにＳｉＯ_２絶縁膜６０４及び中間層であるＬｏｗ−ｋ層であるＳｉＯＣ層６０２をエッチングする。この時、レジストパターン６０６も全体にエッチングされる（図８（Ｂ））。

さらに、レジストパターン６０６をマスクにＳｉＯ_２絶縁膜６０４及び中間層であるＬｏｗ−ｋ層であるＳｉＯＣ層６０２をさらにエッチングする（図８（Ｃ））。

続いて、最上層のＳｉＯ_２絶縁膜６０４と最下層のＳｉＮ絶縁膜６００とを同時にエッチングする（図８（Ｄ））。

最後に、レジスト除去を行う（図８（Ｅ））。

以上の工程により、デュアルダマシン構造のビアホール部分及びトレンチ部分の作製が完了し、次に銅などの導電金属を充填することにより、配線パターンの作製が完了する。

レジスト塗布工程からエッチングまでの処理工程は以下の通りである。レジスト塗布後、雰囲気温度９０℃で６０秒間のプリべーク処理を行った後、ｉ線ステッパを用いて２８０ミリ秒間の露光を行い、その後、雰囲気温度１１０℃で１００秒間の露光後ベーク処理を行う。次に、アルカリ現像液（例えば、東京応化社製、商品名ＮＭＤ−３）を用いて９０秒間の現像処理を行った後、雰囲気温度１２０℃で１００秒間の現像後べーク処理を行うことにより、レジストパターンが得られる。エッチングは、マイクロマシンの作製で一般に使用されている誘導結合型反応性イオンエッチング（Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching：ＩＣＰ−ＲＩＥ）装置を用いた。

尚、上述した各実施形態においては、好適な形態を例示したものであり、その内容に限定されるものではない。ここでは、露光装置にｉ線ステッパを用いたが、ｇ線（波長４３６ｎｍ）ステッパ、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）ステッパ、及び、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）ステッパなどを用いても良い。

又、レジストとしてポジ型のレジストを用いた形態について説明したが、ネガ型のレジストを用いて、照射される光強度が強くなるほどレジスト残膜厚を増加させる構成としても良い。

この発明のフォトマスクを説明するための模式図である。 この発明の第１の発明のフォトマスクを説明するための模式図である。 この発明の第２の発明のフォトマスクを説明するための模式図である。 この発明のスペース幅に対する露光及び現像後のレジスト膜厚を説明するための図である。 この発明の第３の発明の各レジストパターンの形状に対するマスクセルの配置、露光及び現像後のレジストパターンの形状を示した図である。 この発明の第３の発明の第１のフォトマスクを用いたデュアルダマシン構造のトレンチ部分及びビアホール部分を形成するまでの工程を示す図である。 この発明の第４の発明の各レジストパターンの形状に対するマスクセルの配置、露光及び現像後のレジストパターンの形状を示した図である。 この発明の第４の発明の第２のフォトマスクを用いたデュアルダマシン構造のトレンチ部分及びビアホール部分を形成するまでの工程を示す図である。

符号の説明

１０、１００、２００：フォトマスク
２０、１０２、２０２：マスク基板
３０：遮光膜
４０：マスクセル
４２：遮光領域
４４：光透過領域
４６：仮想格子状線
４８：仮想二等分線
１１０、２１０：第１領域
１１２、２１２：第１マスクセル群
１２０、２２０：第２領域
１２２、２２２：第２マスクセル群
１３０、２３０：第３領域
１３２、２３２：第３マスクセル群
２４０：第４領域
２４１：第４マスクセル群
３００、５００：シリコン基板
３０２、３１０、５１０、５１２、５１４：レジスト層
３０４、５０２：Ｄ_ｍｉｎが１２０ｎｍのマスクセルからなるマスクセル群の領域
３０８、５０８：Ｄ_ｍａｘが２８０ｎｍのマスクセルからなるマスクセル群の領域
３０６：Ｄ_１（Ｄ_ｍａｘとＤ_ｍｉｎとの中間）のマスクセルからなるマスクセル群
５０４、５０６：Ｄ_１及びＤ_２（Ｄ_ｍａｘとＤ_ｍｉｎとの中間）のマスクセルからなるマスクセル群
４００、６００：ＳｉＮ絶縁膜
４０２、６０２：ＳｉＯＣ層
４０４、６０４：ＳｉＯ_２絶縁膜
４０６、６０６：レジストパターン
４１０、６１０：被エッチング基体

Claims (4)

1. 膜厚が非一様なレジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、
   透明なマスク基板と、該マスク基板に密接して配列された複数の正方形のマスクセルとを有しており、
   前記マスクセルの一辺の長さは、前記フォトマスクが用いられる露光装置の光学系の解像限界となる長さよりも短く設定されており、
   前記マスクセルは、光透過領域と、前記マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、
   前記マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、
   前記マスクセルに対する前記光透過領域の面積比によって、前記透過光の光強度を決定しており、
   前記フォトマスクを上方から見た平面領域中に、第１領域、該第１領域を囲む第２領域、及び、該第２領域より外側の第３領域を区画してあり、
   前記第１領域内の第１マスクセル群は、第１光強度（但し、０＜第１光強度≦１ である。）を有し、
   前記第２領域内の第２マスクセル群は、第２光強度（但し、０＜第２光強度＜第１光強度 である。）を有し、及び、
   前記第３領域内の第３マスクセル群は、第３光強度（但し、０≦第３光強度＜第２光強度 である。）を有する
   ことを特徴とするフォトマスク。
2. 膜厚が非一様なレジストパターンを形成するための露光用のフォトマスクであって、
   透明なマスク基板と、該マスク基板に密接して配列された複数の正方形のマスクセルとを有しており、
   前記マスクセルの一辺の長さは、前記フォトマスクが用いられる露光装置の光学系の解像限界となる長さよりも短く設定されており、
   前記マスクセルは、光透過領域と、前記マスク基板に設けられている遮光膜で形成されている遮光領域とのいずれか一方又は双方を有しており、
   前記マスクセルの透過光の光強度が規格化光強度であり、
   前記マスクセルに対する前記光透過領域の面積比によって、前記透過光の光強度を決定しており、
   前記フォトマスクを上方から見た平面領域中に、第１領域、該第１領域を囲む第２領域、該第２領域を囲む第３領域、及び、該第３領域より外側の第４領域を区画してあり、
   前記第１領域内の第１マスクセル群は、第１光強度（但し、０＜第１光強度≦１ である。）を有し、
   前記第２領域内の第２マスクセル群は、前記第１領域との境界では、第１光強度を有し、前記第３領域との境界では、第２光強度（但し、０＜第２光強度＜第１光強度 である。）を有し、前記第１領域との境界から前記第３領域との境界との間では、前記第１光強度から前記第２光強度へと直線的に変化する光強度を有し、及び、
   前記第３領域内の第３マスクセル群は、第３光強度（但し、０＜第３光強度＜第２光強度 である。）を有し、及び、
   前記第４領域内の第４マスクセル群は、第４光強度（但し、０≦第４光強度＜第３光強度 である。）を有している
   ことを特徴とするフォトマスク。
3. 請求項１に記載のフォトマスクを用いた半導体素子の配線パターン形成方法であって、
   半導体基板上に厚みの異なった多段の溝のレジストパターンを形成した後、
   エッチング加工を行い、前記半導体基板上に前記レジストパターンと同様の形状を有する形状を一括で加工する
   ことを特徴とする半導体素子の配線パターン形成方法。
4. 請求項２に記載のフォトマスクを用いた半導体素子の配線パターン形成方法であって、
   半導体基板上に厚みの異なった垂直部と斜面部とを備えたレジストパターンを形成した後、
   エッチング加工を行い、前記半導体基板上に前記レジストパターンと同様の形状を有する形状に一括で加工する
   ことを特徴とする半導体素子の配線パターン形成方法。

Images