JP2009021457A - パターン形成方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】保管期間の影響を受けずに、寸法ばらつきを抑えることのできるフォトマククのパターン形成方法及びこのパターン形成方法を用いる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】（手順1）まず、化学増幅型レジストについて、保管環境下での保管期間と露光感度および近接効果の影響の関係を予め測定する露光条件測定工程である。（手順２）続いて、実際の製造工程での露光時に、化学増幅型レジストでの保管期間がどのくらいかを計測する。（手順３）調べた保管期間及び予め測定しておいた経時変化量に基づき、露光時における露光感度および最適なＰＥＣパラメータ値を求める露光条件決定工程である。（手順４）求められた露光量およびＰＥＣパラメータを用いて化学増幅型レジストを露光する露光工程である。この手順に従って、パターンを形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体装置の製造工程で被加工物上に所定のパターンを形成するパターン形成方法で、さらに詳細には、フォトリソグラフィ工程で使用されるフォトマスクにおける所定のパターンを形成するパターン形成方法及びこのパターン形成方法を用いる半導体装置の製造方法である。

近年の最先端デバイスの製造において、非常に微細なパターンの形成が要求されており、これを満足させるためには、ハーフトーン型位相シフトマスク、化学増幅型レジスト（以下、「ＣＡＲ」と記載することがある。）が用いられている。
とくに、この化学増幅型レジストは、露光によりレジスト中に発生した酸が、ポジ型の場合はレジスト中に含まれる溶解抑止剤を分解することによって、また、ネガ型の場合は架橋剤による結合によって露光部が現像液に対し、可溶、または、不溶となるものである。これによって、従来のノボラック型レジストと比較して、より高解像度かつ高感度になっている。
フォトリソグラフィ工程では、化学増幅型レジストをウェーハに塗布し、露光、露光後ベーク（以下、「ＰＥＢ」と記す。）、現像するまでの工程をインライン化して使用するため、保管期間は極めて短くて済むことになる。一方、フォトマスク工程では、生産性の点からインライン化は行われていない。また、塗布による感度ばらつきを低減する目的で、できるだけ大量のマスクブランクを一度に塗布することが望ましく、大量にマスクブランクを製作し、それを保管して運用を行う方法が主流となっている。ここでマスクブランクの保管期間は、数日から数ヶ月と、ウェーハに比べて非常に長い期間保管されることになる。
このように、塗布から露光までの保管期間が長期にわたる場合、化学増幅型レジストのレジスト中の酸が、大気中の塩基性物質と中和反応を起こし、酸が失活し、保管期間に応じて寸法変化が生じるという問題があった。

フォトマスク工程においては、保管期間と近接効果への影響について、過去に調査が行われているが、例えば、非特許文献１では、保管期間によって、近接効果への影響は見られないと提示している。これは、環境対策が不十分なため寸法変動量が大きすぎることや、測定装置の再現性が低いことが起因して、正確な調査ができていないためである。
また、フォトリソグラフィ工程においては、特許文献１、２、３などに開示されているように、予め放置雰囲気下での感度変化を実験から求め、実際の製造に用いられるマスクブランクの放置時間から最適な露光量を決定する手法を用いることで、保管期間による寸法変化量を抑えることが考えられている。また、特許文献４では、電子線描画装置による電子の後方散乱係数を考慮した近接効果補正法が開示されている。

特開２００１−３０７９９５ 特開平０９−２３７７４５ 特開平１０−２６１５７２ 特開平０９−１８６０５８ 「Post coat delay effects on chemically amplifiedresists and storage condition impacts」, SPIE Vol. 5992

これらは、いずれもフォトマスク等の補正をするものであるが、しかし、保存期間が、描画装置において発生する近接効果への影響については考慮がされていない。従来は、保管期間によって近接効果に影響は無いと考えられてきた。しかし、我々が調査した結果、保管期間によって近接効果の影響の度合いが変わることが新たに発見された。これは、保管期間に応じて、面積密度の異なるパターン間での寸法変化量に乖離が生じるため、寸法ばらつきが大きくなるという問題を生じさせる。
上述したとおり、保管期間によって近接効果の影響が異なるということは、保管期間に応じて、面積密度の異なるパターン間での寸法変化量に乖離が生じるため、寸法ばらつきが大きくなる問題がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、保管期間の影響を受けずに、線幅等の寸法ばらつきの変動を抑えることのできるフォトマスクのパターン形成方法及びこのパターン形成方法を用いる半導体装置の製造方法を提供することである。

上記課題を解決する手段である本発明の特徴を以下に挙げる。
本発明は、パターンを形成するに際して、事前に化学増幅型レジストの保管期間と寸法変動量の関係と、近接効果への影響の度合いを求め、その変化量に基づいた最適な露光量および、近接効果補正（ＰＥＣ）パラメータを算出し、その算出結果を基に露光条件を設定することで、上述の問題を解決する。すなわち、作り置きしてあるマスクブランクにパターンを形成するに際して、描画装置における露光条件、近接効果補正をするために、塗布したレジストの経時的な変化を予め測定し、その測定から最適な露光量および、ＰＥＣパラメータを算出し、その算出結果を基に露光条件を決定して、これらをふまえて、マスクブランクを用いてフォトマスクを作製するときに、先の決定による露光条件で露光してパターンを形成する。
さらに、化学増幅型レジストに対する露光光としては、電子線（ＥＢ）描画装置、ＫｒＦ、ＡｒＦ等のエキシマレーザ露光装置で露光されるパターン形成方法に適用される。さらに、このパターン形成方法は、とくに、経時的な変化のあるレジスト樹脂に適用することができ、フォトマスクのパターン形成だけではなく、Ｓｉウェーハや非化学増幅型レジストによるパターン形成方法にも適用することができる。

また、本発明は、半導体装置の製造方法において、その工程の中で、化学増幅型レジスト等のレジスト樹脂を用いてパターンを形成する際に、同様に、塗布したレジストの経時的な変化を予め測定し、その測定から最適な露光量および、ＰＥＣパラメータを算出し、その算出結果を基に露光条件を決定して、これらをふまえて、マスクブランクを用いてフォトマスクを作製するときに、先の決定による露光条件で露光してパターンを形成する。このように形成したパターンによって、半導体装置のレジストパターンを形成して、半導体装置の製造を行う。

以上、説明したように、本発明によれば、化学増幅型レジストを用いるパターン形成方法において、簡易な方法によって、保管期間による感度変動及び近接効果の影響を取り除き、寸法ばらつきを抑えることができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、フォトマスクの保管期間による感度変動及び近接効果の影響を取り除き、高精度のフォトマスクを効率よく生産することで、半導体装置の生産性を高めることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。
最初に、設計工程で、使用・特性に合わせた半導体装置の回路設計を行なう（ステップＳ１）。マスク製作・保管工程では、回路設計の設計パターンに基づいて、レジスト樹脂を塗布するレジスト処理をし、場合によってはそれを一定期間保管した後に、露光等のパターン形成を行うことで、フォトマスクを製作する（ステップＳ２）。一方、ウェーハ製造工程では、シリコン等の材料を用いて半導体装置の基板となるウェーハを製造する（ステップＳ３）。次に、ウェーハ処理工程で、フォトマスクとウェーハを用いて、リソグラフィー技術によってウェーハ上に実際の回路を形成する。このときに、最終段階に達していないウェーハ等の半導体装置にレジスト樹脂を塗布するレジスト処理をし、露光等のパターン形成を行い、ＣＶＤ処理、イオン注入処理、エッチング処理等を経て半導体装置を製作する（ステップＳ４）。次に、組立工程では、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組立て工程を含むもので、作製されたウェーハを用いて半導体チップ化する（ステップＳ５）。検査工程では、製造された半導体装置の動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう（ステップＳ６）。こうした工程を経て半導体装置が完成し、これが出荷される（ステップＳ７）。
したがって、レジスト樹脂を塗布して、パターン形成のために露光処理をするのは、マスク製作・保管工程（ステップＳ２）とウェーハ製造工程（ステップＳ４）であり、いずれの工程にも適用することができる。

フォトマスクにパターンを形成するパターン形成方法について説明する。図２は、一般的なフォトマスクを用いたパターン形成方法を示す工程断面図である。
まず、マスク描画装置によるマスクブランクへのマスクパターンの描画に先立って、１枚のフォトマスクのマスクパターンを描画するための描画データを、パターンの種類、寸法、疎密等に応じて、マスクパターンの所定の領域のパターンを描画するための描画データを作製しておく。
次いで、（１）に示すように、透明性基板１２上にクロム膜よりなる遮光膜１３が形成され、その上にポジ型レジスト樹脂を塗布し、レジスト膜１４をマスクブランク１１上に形成する。
次いで、（２）に示すように、マスク描画装置として、例えば、電子線描画装置を用いて、パターンを描画条件に沿って描画する。なお、マスク描画装置は電子線描画装置に限定されるものではなく、レーザ式の描画装置等の種々のマスク描画装置を用いることができる。
次いで、（３）に示すように、レジスト膜１４のＰＥＢ処理を行った後、現像液を用いて、レジスト膜１４を現像する。これにより、レジスト膜１４の露光された露光部２０が現像液により除去され、レジスト膜１４は、描画データに基づくマスクパターンが形成される。
次いで、（４）に示すように、パターンが形成されたレジスト膜１４をマスクとして、遮光膜１３のエッチングを行う。これにより、透明性基板１２上の遮光膜１３に、描画データに基づくマスクパターンが形成される。
次いで、（５）に示すように、遮光膜１３をエッチングするためのマスクとして用いたレジスト膜１４を除去する。こうして、描画データに基づくマスクパターンを有するフォトマスク１０が製造される。
このように、本実施形態によれば、１枚のフォトマスク１０のマスクパターンを描画するための描画データを、パターンの種類、寸法、疎密等に応じて、各パターンを形成するために最適な描画条件で描画する。

本発明は、図２に示したパターン形成方法の工程（２）におけるパターンを形成するための露光する工程に関する。本発明の本実施形態は、化学増幅型レジストの露光量およびＰＥＣパラメータの補正方法は、次の手順１ないし４（ステップＳ１ないし４）からなる。図３は、本発明のパターン形成方法の一実施形態を示すフローチャートである。
（手順1）まず、化学増幅型レジストについて、保管環境下での保管期間と露光感度および近接効果の影響の関係を予め測定する露光条件測定工程である。
（手順２）続いて、実際の製造工程での露光時に、化学増幅型レジストでの保管期間がどのくらいかを計測する。
（手順３）調べた保管期間及び予め測定しておいた経時変化量に基づき、露光時における露光感度および最適なＰＥＣパラメータ値を求める露光条件決定工程である。
（手順４）求められた露光量およびＰＥＣパラメータを用いて化学増幅型レジストを露光する露光工程である。
この手順に従って、パターンを形成することで、露光感度および近接効果の経時変化の影響が除去され、高精度の線幅を有したパターンを得ることができる。

以下に、手順１ないし４を詳細に説明する。図４は、この測定する工程に用いられるパターンである。ここではネガ型レジストを用いて説明する。
図４（１）は、孤立の１本の細線を露光部として残すパターン（以下、「ＩＬパターン」と記す。）、図４（２）は、１：１の露光部と非露光部とを有するパターン（Ｌｉｎｅ ＆ Ｓｐａｃｅ：以下、「ＬＳパターン」と記す。）、図４（３）は、孤立の１本の細線を非露光部で、周囲を露光部としたパターン（以下、「ＩＳパターン」と記す。）である。
これらのパターンによって、パターン作製時の、露光条件、散乱係数の影響を調査することができる。ＩＬパターンは、隣接するパターンが無いため、殆ど近接効果の影響を受けない。したがって、ＩＬパターンによって、露光条件の補正を行うことができる。
一方、ＬＳとＩＳパターンは、隣接するパターンからの近接効果の影響を強く受けるため、ＩＬパターンと同様に露光条件の影響と、さらに、散乱係数の影響を受けることになる。したがって、これらの受けている影響を計測することで、描画条件の補正を行うことができる。描画パターンは、実際に製造されるフォトマスクに対応したパターンであることが望ましいが、それを簡略化したモニターマークでも良い。本実施例では、パターンサイズが４００ｎｍで、面積密度を変えたパターン、即ち、ＩＬパターン、１：１のＬＳパターン、ＩＳパターンの３種類のパターンを、露光量及び後方散乱係数の水準を適宜変更し、描画した。

まず、手順１の露光条件測定工程では、使用する化学増幅型レジストの保管期間による露光感度および近接効果への影響を予め求めるために測定する。一般に、フォトマスク製作において使用される化学増幅型レジストは、マスクブランクに塗布された後、保管庫内に保存される。本実施形態では、フォトマスク製作に一般的に用いられるポリビニールフェノール系樹脂のネガ型化学増幅型レジストをスピンコート法により塗布した後、温湿度が制御されたＮ_２を充填した気密性の高い保管庫内に保存した。保管期間は、実際の製造で用いられる期間より、余裕を見た期間で調査を行う。例えば、製造に用いられるマスクブランクの保管期間が１ヶ月程度であれば、１．５ヶ月程度の調査を行うことが望ましい。塗布後、上記保管庫に保管されたマスクブランクが描画された日を０日と規定し、この状態で一定期間（例えば、２週間）ごとに実際に露光を行い、その露光感度および近接効果の影響を測定する。本実施形態では、０日目、１８日目、２７日目、４３日目の4回に渡って測定を行った。

図５は、保管期間と近接効果による寸法変動量との関係を示すグラフである。パターンが近接した箇所でのパターン寸法の影響、即ち近接効果による寸法変動量の影響が、保管期間によって変化が起きないか調査を行った。
ここで、近接効果とは、電子ビームがレジスト中および基板で散乱が生じることにより、設計どおりのパターンが形成されないという問題のことである。更に詳しく説明すると、近接効果には、レジスト中に入射した電子が散乱しながら進行するため、蓄積エネルギーの強度が低下し、パターン設計値よりも細くなる前方散乱と、パターン密度の大きな箇所で、近接した露光部分に入射した電子が基板で大きく散乱し、未露光部分のレジストまで露光されてしまう後方散乱とがある。
これらの電子ビームの散乱状況を予測し、パターンの疎密や、パターンサイズによって、描画パターン形状や露光量を変化させることにより、設計値どおりのパターンを得る手法を近接効果補正（ＰＥＣ）という。特に、近年の電子線描画装置では、電子ビームの高加速化が進んだため、前方散乱はほとんど無視できるエネルギー量であり、後方散乱のみ考慮するのが一般的であり、その係数はη（後方散乱係数）で表される。
図５に示したとおり、ＩＬパターンでの１ヶ月あたりの寸法変動量は、−３．６ｎｍであった。一方、図５に示すように、１：１のＬＳパターン、ＩＳパターンでは、１ヶ月あたり−６．２から−８．１ｎｍまで寸法が変動していた。保管期間０日目では、この近接効果のバランスが取れているため、面積密度の異なるパターン間での寸法乖離量は小さかったが、４３日目では、パターン間での寸法乖離量は０日目と比較して、５．７ｎｍ増加している。これはつまり、後方散乱によるエネルギー量が、保管期間によって変化することを意味している。

手順３で、露光条件を設定する。設定の際は、露光条件として露光量と後方散乱係数を補正する。上述したパターンを、保管期間０日から２週間が経過するごとに、露光量及び後方散乱係数が適宜変更されたパターンの寸法を測定し、最適な露光感度と後方散乱係数を求める。
図６は、保管期間０日からの保管期間に対する最適露光感度を示した図であるが、縦軸は０日目での露光感度を基準としたときの露光量の補正率を表す。この結果から保管期間に応じて露光量が増加することが分かる。このとき、感度変化を求めるのに使用される測定パターンは、ＰＥＣによる影響が殆ど無い、孤立パターンで測定することが望ましい。
このときに、図６から、続いて、この保管期間による露光感度と後方散乱係数の関係を一般関数で直線回帰又は曲線回帰する。
図６より、直線回帰して、
Ｄ=Ｄ_０＋ｘ・Ｐ………（１）式
（ここで、D：補正された露光量、D₀：基準露光量（保管期間0日での適正露光量、P：保管期間を表している。）
直線近似式の（１）式に対して露光量補正係数xは、０．２５２が求められた。
これによって、保管期間に対して、常に適正な露光量で露光して、パターンを形成することができる。

また、後方散乱係数については、以下のように露光条件を決定することができる。
図７は、各保管日での後方散乱係数に対する寸法変動量を示すグラフである。図中、縦軸は０日目での最適な後方散乱係数を用いたときの寸法変動量を０として規格した寸法変動量を表す。この結果から保管期間に応じて最適な後方散乱係数の値が変わることが分かる。
図７に示すように、保管０日目では、（１）に示すように、ＩＬパターンは、後方散乱の影響を受けないので、寸法変動量の０ｎｍの線上にあり、（２）〜（４）に示すように、保管日が１８日以上になっても、適正露光量が変動することから、寸法変動量が低下するが、後方散乱の影響受けることはない。しかし、ＬＳパターン、ＩＳパターンは、（１）〜（４）に示すように、日を経るに従って、後方散乱の影響を大きく受けることから、その変動量から後方散乱係数を求める。さらに、露光量が変動することによる後方散乱係数に与える影響を考慮して、下記の式（２）を導き出すことができる。

η＝η_０+ｙ・Ｐ+（Ｄ−Ｄ_０）・Δη／ΔＤ_ＯＳＥ………（２）式
（ここで、D：補正された露光量、D₀：基準露光量（保管期間０日での適正露光量）、P：保管期間、η：補正された後方散乱係数、η₀：基準後方散乱係数（保管期間0日での後方散乱係数、Δη/ΔDose：露光量の単位変化あたりの後方散乱係数の変化量をそれぞれ表している。）
図8は、図７を整理して、保管期間と後方散乱係数の補正率との関係を示したグラフである。後方散乱係数の影響を考慮して、この保管期間による後方散乱係数の関係を一般関数で直線回帰又は曲線回帰すると、この結果を図８より、後方散乱補正係数ｙは、−０．２５０が求められた。

実際には、手順３の前には、手順２で、保管期間を計測する。この保管期間を先に計測しておくことで、手順３に示す補正を行うことができる。
この手順３で求めた、露光量の補正係数と後方散乱係数の補正係数を用いて、マスクブランクを描画することで、保管期間によらず、最適な露光量及びＰＥＣパラメータで描画されるため、寸法ばらつきの小さいパターンを有するフォトマスクが得られる。

本発明のパターン形成方法は、図１に示すように、半導体装置を製造する過程の中で、感光性樹脂をレジスト樹脂として使用し、露光量等を補正することで、ほとんどの配線パターン等を制御することはできる。被加工物を透明性基板とすることでフォトマスクの作製・保管工程の中で適用することができる。
また、レジストとしては化学増幅型レジストを用いることが好ましい。しかし、非化学増幅型レジストであっても、経時変化を有するレジストであれば、この実施形態のパターン形成方法を適用することができ、さらに、同様に、感光性樹脂としてレジストを用いるウェーハ処理工程でも使用することができる。

半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。 フォトマスクを用いたパターン形成方法を示す工程断面図である。 本発明のパターン形成方法の一実施形態を示すフローチャートである。 この測定する工程に用いられるパターンである。 保管期間と近接効果による寸法変動量との関係を示すグラフである。 保管期間０日からの保管期間に対する最適露光感度を示した図であるが、縦軸は０日目での露光感度を基準としたときの露光量の補正率を示すグラフである。 各保管日での後方散乱係数に対する寸法変動量を示すグラフである。 保管期間と後方散乱係数の補正率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ フォトマスク
１１ マスクブランク
１２ 透明性基板
１３ 遮光層
１４ レジスト膜
１４１ 第１のレジスト膜
１４２ 第２のレジスト膜
１５ レジストパターン
１５１ 第１のレジストパターン
１５２ 第２のレジストパターン
１６ ハーフトーン位相シフト層
２０ パターン
２１ 露光部
２２ 非露光部

Claims (5)

1. 半導体装置の製造工程で、被加工物上にレジストを塗布してパターンを形成するパターン形成方法において、
   レジストを塗布してから露光までの期間と近接効果補正パラメータとの関係を測定する工程と、
   前記被加工物上に前記レジストを塗布する工程と、
   前記関係に基づき、前記期間に対応した露光条件を設定し、前記レジストを露光する
   ことを特徴とするパターン形成方法。
2. 請求項１に記載のパターン形成方法において、
   前記被加工物は透明基板上の遮光膜であって、前記レジストは化学増幅型レジストであって、
   前記露光は、電子線描画露光である
   ことを特徴とするパターン形成方法。
3. 請求項１又は２に記載のパターン形成方法において、
   前記化学増幅型レジストが、ポリビニールフェノール系樹脂である
   ことを特徴とするパターン形成方法。
4. 半導体装置の製造方法において、
   レジストを塗布してから露光までの期間と近接効果補正パラメータとの関係を測定する工程と、
   被加工物上に前記レジストを塗布する工程と、
   前記関係に基づき前記期間に対応した露光条件で、前記レジストを露光する工程と、
   前記露光された前記レジストを用いて前記被加工物を加工する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記被加工物がフォトマスクの遮光膜であって、レジストが化学増幅型レジストであって、露光工程の露光は、電子線描画装置で露光される
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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