JP2009053575A - フォトマスク及びそれを用いたパターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる寸法を持つ複数の開口部が設けられたハーフトーン位相シフトマスクを用いる場合にも、サイドローブの発生及びレジスト欠陥の発生を同時に防止する。
【解決手段】透明基板１１上に形成されたハーフトーン部１２に、第１の寸法Ｓ１を有する第１の開口部１３Ａと、第１の寸法Ｓ１よりも大きい第２の寸法Ｓ２を有する第２の開口部１３Ｂとが形成されている。透明基板１１上における第２の開口部１３Ｂの周辺に遮光部１４が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路装置の製造に用いられる微細パターン形成用のフォトマスク及びそのフォトマスクを用いたパターン形成方法に関する。

近年、半導体を用いて実現する大規模集積回路装置（以下ＬＳＩと称する）の高集積化のために回路パターンの微細化がますます必要となっている。その結果、ウェハ上に所望のパターンを形成するリソグラフィー技術においては、露光波長λの短波長化や開口数ＮＡの大口径化だけではパターン形成が困難になってきており、その結果、様々な超解像技術が用いられるようになってきている。超解像技術の中でも、マスク製造が比較的容易であり且つ形成しようとするパターンの形状にほとんど制約を受けないハーフトーン位相シフトマスクは広く用いられている超解像技術である。

図１３（ａ）は、ハーフトーン位相シフトマスクの断面構造の一例を示している。図１３（ａ）に示すハーフトーン位相シフトマスクにおいては、石英又はガラス等からなる透明基板１上に、入射光に対して５〜１２％の透過率を有するハーフトーン部２を形成することによって、マスクパターンが設けられている。ハーフトーン部２は、その開口部３を基準として入射光の位相を１８０度反転させる。このようにして形成されたマスクパターンによると、ハーフトーン部２のエッジ付近において、開口部３を透過した光の位相とハーフトーン部２を透過した光の位相とが１８０度異なるため、双方の光が互いに打ち消しあう。その結果、ハーフトーン部２のエッジ付近の光強度のＩｍｉｎ（最小値）が低下するので、高いコントラストを得ることが可能となる。

図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示すハーフトーン位相シフトマスクを用いた場合の光強度プロファイルを示す図であり、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）に示す開口部３がホールパターンである場合にウェハ上に転写されるパターンの平面構成を示す模式図である。図１３（ｂ）に示すように、開口部３の中心位置に光強度の最大値が現れている。また、開口部３の周辺には、ハーフトーン部２のエッジにおける光の回折の影響に起因して発生する光強度の極大値を有する不要なサイドローブが発生する。このサイドローブの光強度の極大値は開口部３の大きさに比例する。

図１３（ｄ）は、ハーフトーン位相シフトマスクの断面構造の他例を示している。尚、図１３（ｄ）において、図１３（ａ）に示すマスクと同一の構成要素には同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。図１３（ｄ）に示すハーフトーン位相シフトマスクは、図１３（ａ）に示すハーフトーン位相シフトマスクと比べて、より大きい開口部３を有している。

図１３（ｅ）は、図１３（ｄ）に示すハーフトーン位相シフトマスクを用いた場合の光強度プロファイルを示す図であり、図１３（ｆ）は、図１３（ｄ）に示す開口部３がホールパターンである場合にウェハ上に転写されるパターンの平面構成を示す模式図である。図１３（ｅ）に示すように、開口部３が大きくなると、サイドローブの光強度の極大値が露光閾値（露光対象のレジストを感光させる光強度の最小値）を超え、その結果、図１３（ｆ）に示すように、ウェハ上に不要なパターン（サイドローブパターン）が転写されてしまうという問題が生じる。

サイドローブの発生を防止する方法として、マスクバイアス（近接効果補正等によるマスクパターンの変形量）を大きくして露光量を小さくする方法がある。しかし、この方法にはコントラストが低下するという問題がある。従って、特にコントラストを得ることが困難になる０．５×λ／ＮＡ（λは露光光の波長、ＮＡは露光機の縮小投影光学系の開口数：以下同じ）以下の寸法を持つ開口部が設けられたマスクパターンの場合、より高いコントラストを得るために、サイドローブが発生しない最大露光量及び最小マスクバイアスが用いられる。また、０．５×λ／ＮＡ以下の第１の寸法を持つ第１の開口部と０．５×λ／ＮＡよりも大きい第２の寸法を持つ第２の開口部とが同時に設けられたマスクパターンの場合、露光量は、第１の寸法を持つ第１の開口部について高いコントラストが得られる露光量に設定される。ところが、この場合、前述のように、サイドローブの光強度の極大値は開口部の大きさに比例するため、第２の寸法を持つ第２の開口部についてはサイドローブの光強度の極大値が露光閾値を超えてしまう。

この問題を解決するために、特許文献１には、第２の開口部においてサイドローブの発生を防止するために、遮光部で形成された遮光領域に第２の開口部を形成する方法が開示されている。図１４は、特許文献１に開示された従来のフォトマスクの平面図である。図１４に示すように、透明基板（図示省略）の中央部にはハーフトーン部２が設けられていると共に透明基板の周縁部には遮光部４が設けられている。ハーフトーン部２には０．５×λ／ＮＡ以下の第１の寸法を持つ第１の開口部３Ａが設けられていると共に遮光部４には０．５×λ／ＮＡよりも大きい第２の寸法を持つ第２の開口部３Ｂが設けられている。
特開平９−２８１６９０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来のフォトマスクを用いた場合、ウェハ上における第２の開口部と対応する位置の周辺にレジスト欠陥が発生するという問題が存在する。この問題はＡｒＦ露光プロセス、とりわけＡｒＦ液浸露光プロセスにおいて顕著に生じる。

そこで、本発明は、異なる寸法を持つ複数の開口部が設けられたハーフトーン位相シフトマスクを用いる場合にも、サイドローブの発生及びレジスト欠陥の発生を同時に防止できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本願発明者らは、特許文献１に開示された従来のフォトマスクを用いた場合に０．５×λ／ＮＡよりも大きい寸法を持つ開口部（第２の開口部）と対応する位置の周辺のウェハ上にレジスト欠陥が発生する原因を調べたところ、次のような知見を得た。

近年、微細化に伴い化学増幅型レジストの使用頻度が高くなっている。化学増幅型レジストを用いたパターン形成においては、露光時の光化学反応により触媒作用のある酸を生成させ、露光後に行われる熱処理プロセスにおいてこの酸を触媒としてレジストポリマー中の官能基を反応させ、その時の物性変化を利用してパターンの形成が行われる。ここで、ポジ型レジストプロセスにおいては、露光光が照射され官能基が反応した部分のみを現像液に溶かしてパターンを形成する。

ところで、この化学増幅型レジストは反応性が非常に高いことが特徴として知られている。特に、ＡｒＦ露光プロセスで用いられるＡｒＦレジストは反応性が高く、レジスト表面は容易に周辺の物質と反応するため、しばしばレジスト表面付近において現像液に不溶な不溶化層が形成される。

また、４５ｎｍ又はそれよりも微細なルールのＬＳＩのパターン形成においては、ＮＡの大口径化に起因するＤＯＦ（焦点深度）の低下を防ぐため、液浸露光が用いられるようになってきている。液浸露光は、空気よりも屈折率の高い液体（以下、液浸液と称する）がウェハ上に存在する状態で露光を行う方法である。液浸露光では、レジストと液浸液とが直接接触することに起因するレジスト特性の劣化を防ぐため、レジスト表面をトップコートと呼ばれるレジスト保護膜でコーティングし、レジストと液浸液とが直接触れないようにしている。しかしながら、トップコートの使用によってレジストと液浸液との直接接触を防げるものの、レジストとトップコートとが直接接触するため、両者の接触面で化学反応が起こり、現像液に不溶な不溶化層がよりいっそう形成されやすくなる。

このような不溶化層が形成されている領域下のレジストに光が照射された場合、現像段階でレジスト表面の溶解がおこり、不溶化層とレジストとの密着性が弱くなり、現像に続くリンス工程で不溶化層をウェハ外に容易に除去することが可能である。

一方、光が照射されない完全未露光領域（光強度が０となる領域）では不溶化層とレジストとの密着性が弱くならないため、リンス工程で不溶化層をウェハ外に除去することはできない。このため、不溶化層が完全未露光領域の周辺に散乱する結果、ウェハ上にレジスト欠陥が生じてしまう。

さて、特許文献１に開示された従来のフォトマスクにおいては、図１４に示すように、０．５×λ／ＮＡよりも大きい第２の寸法を持つ第２の開口部３Ｂは、サイドローブ発生を防止するための遮光部４（遮光領域）に配置されている。このため、遮光部４に起因して完全未露光領域が生じるため、ＡｒＦ露光プロセス、特にＡｒＦ液浸露光プロセスを用いた場合には不溶化層由来のレジスト欠陥がウェハ上における第２の開口部３Ｂと対応する位置の周辺に発生するという問題が生じる。

本発明は、以上の知見に基づきなされたものであって、本発明に係るフォトマスクは、露光光に対して透過性を有する透明基板と、前記透明基板上に形成されたハーフトーン部と、前記ハーフトーン部に形成され、第１の寸法を有する第１の開口部と、前記ハーフトーン部に形成され、前記第１の寸法よりも大きい第２の寸法を有する第２の開口部と、前記透明基板上における前記第２の開口部の周辺に形成された遮光部とを備えている。

尚、本願において、開口部の寸法とは、例えば開口部の平面形状が正方形である場合には一辺の長さを意味し、例えば開口部の平面形状が円形である場合には直径を意味するものとするが、開口部の平面形状は特に限定されるものではない。

また、本願において、露光光に対して透過性を有するとは、レジストを感光させる透過率を有することを意味し、露光光に対して遮光性を有するとは、レジストを感光させない透過率を有することを意味する。また、同位相とは、（−３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下の位相差（但しｎは整数）を意味し、反対位相とは、（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下の位相差を意味する。

図１（ｂ）は、本発明に係るフォトマスク（ハーフトーン位相シフトマスク）の具体的態様の一例を示す平面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ’線の断面図であり、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ’線の断面図である。図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように、透明基板１１上に形成されたハーフトーン部１２に、例えば（０．５×λ／ＮＡ）×Ｍ（λは露光光の波長、ＮＡは露光機の縮小投影光学系の開口数、Ｍは該縮小投影光学系の縮小倍率）以下の第１の寸法を有する第１の開口部１３Ａと、例えば（０．５×λ／ＮＡ）×Ｍよりも大きい第２の寸法を有する第２の開口部１３Ｂとが形成されている。

ここで、図１（ｂ）〜（ｄ）に示す本発明のフォトマスクの特徴は、透明基板１１上における第２の開口部１３Ｂの周辺に遮光部１４が設けられていることである。

すなわち、本発明のフォトマスクによると、第２の開口部１３Ｂの周辺に設けられる遮光部１４の寸法（図１（ｄ）に示すＣｒ幅Ｗ_Cr）を、サイドローブの発生を防止できる寸法以上で且つ完全未露光領域が発生しない寸法以下に設定することによって、サイドローブの発生を防止することができると同時に未露光領域の存在に起因する欠陥の発生を防止することができる。

尚、本発明のフォトマスクにおいて、Ｃｒ幅Ｗ_Crは（０．６３×λ／ＮＡ）×Ｍ以上で且つ（３．７×λ／ＮＡ）×Ｍ以下であることが望ましい。このようにすると、サイドローブの発生を確実に防止することができると同時に未露光領域の存在に起因する欠陥の発生を確実に防止することができる。

また、本発明に係るパターン形成方法は、前述の本発明のフォトマスクを用いたパターン形成方法を前提とし、基板上にレジスト膜を形成する工程（ａ）と、レジスト膜にフォトマスクを介して露光光を照射する工程（ｂ）と、露光光を照射されたレジスト膜を現像してレジスト膜をパターン化する工程（ｃ）とを備えている。

本発明のパターン形成方法によると、サイドローブの発生と未露光領域に起因する欠陥の発生とを同時に抑えながらパターン形成を行うことが可能となる。

以上に説明したとおり、本発明によると、異なる寸法を持つ複数の開口部が設けられたハーフトーン位相シフトマスクを用いる場合においても、特に、当該マスクをＡｒＦ露光プロセスやＡｒＦ液浸露光プロセスと組み合わせて用いる場合においても、サイドローブの発生と欠陥の発生とを同時に防止することができるので、微細なＬＳＩの製造が可能となる。

（前提事項）
本発明の実施形態を説明するに当たっての前提事項について説明する。

通常、フォトマスクは縮小投影型の露光機で使用されるため、マスク上のパターン寸法を議論する場合には縮小倍率を考慮しなければならない。しかし、以下の実施形態を説明する際には、混乱を避けるため、形成しようとする所望のパターン（例えばレジストパターン）と対応させてマスク上のパターン寸法を説明する場合、特に断らない限り縮小倍率で該寸法を換算した値を用いている。具体的には、Ｍ分の１縮小投影システムにおいて、幅Ｍ×７０ｎｍのマスクパターンによって幅７０ｎｍのレジストパターンを形成した場合にも、マスクパターン幅及びレジストパターン幅は共に７０ｎｍであると表現する。

また、本発明の実施形態においては、特に断らない限り、Ｍ及びＮＡは露光機の縮小投影光学系の縮小倍率及び開口数をそれぞれ表し、λは露光光の波長を表すものとする。

また、パターン形成については、レジストの非感光領域がレジストパターンとなるポジ型レジストプロセスを想定して説明する。尚、ポジ型レジストプロセスに代えてネガ型レジストプロセスを用いる場合、ネガ型レジストプロセスにおいては、レジストの非感光領域が除去されるので、ポジ型レジストプロセスにおけるレジストパターンをスペースパターンと読み替えればよい。

また、フォトマスクとしては透過型マスクを前提として説明する。尚、透過型マスクに代えて反射型マスクを前提とする場合、反射型マスクにおいては、透過型マスクの透過領域及び遮光領域がそれぞれ反射領域及び非反射領域となるので、透過型マスクの透過現象を反射現象と読み替えればよい。具体的は、透過型マスクの開口部又は透過性領域を反射部又は反射領域と読み替え、遮光部を非反射部と読み替えればよい。さらに、透過型マスクにおける光を部分的に透過する領域は光を部分的に反射する領域と読み替えればよく、透過率は反射率と読み替えればよい。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態に係るフォトマスクについて図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係るフォトマスクを用いて形成しようとするパターンの一例を示している。また、図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係るフォトマスクの一例、具体的には、図１（ａ）に示す所望のパターン５０を形成するためのハーフトーン位相シフトマスクの一例を示す平面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ’線の断面図であり、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ’線の断面図である。

図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように、透明基板１１上に形成されたハーフトーン部１２に、例えば（０．５×λ／ＮＡ）×Ｍ以下の第１の寸法Ｓ１を有する第１の開口部１３Ａと、例えば（０．５×λ／ＮＡ）×Ｍよりも大きい第２の寸法Ｓ２を有する第２の開口部１３Ｂとが形成されている。ハーフトーン部１２は、第１の開口部１３Ａ及び第２の開口部１３Ｂを基準として露光光を反対位相で透過させる。

尚、例えば、露光波長λが１９３ｎｍ、開口数ＮＡが１．２、縮小倍率Ｍが４倍であるとすると、第１の開口部１３Ａは、４５ｎｍルールのＬＳＩの作成に必要なホールサイズを有するように、具体的には、１辺のサイズが７０ｎｍ（実際のマスク上寸法は７０ｎｍの４倍の２８０ｎｍ）の正方形状を有するように形成されている。一方、第２の開口部１３Ｂは、例えばレチクル位置計測モニタパターン（露光機にレチクルを合わせるためのパターン）やオーバーレイモニタパターン（下地レイヤーに上地レイヤーを重ねるためのパターン）のようなアクセサリパターンである。これらのアクセサリパターンの大きさや形は露光機の種類によって当然異なるが、本実施形態では、第２の開口部１３Ｂとして、例えば１辺のサイズが４μｍの十字マーク（全幅は１２μｍ（実際のマスク上寸法は１２μｍの４倍の４８μｍ））を有するレチクル位置計測モニタパターンと、例えば１辺のサイズが１０μｍ（実際のマスク上寸法は１０μｍの４倍の４０μｍ）を有するオーバーレイモニタパターンとを形成している。

本実施形態のフォトマスクの特徴は、図１（ｂ）における第１の開口部１３Ａを横断するＡ−Ａ’線の断面図である図１（ｃ）、及び図１（ｂ）における第２の開口部１３Ｂを横断するＢ−Ｂ’線の断面図である図１（ｄ）に示すように、透明基板１１上における第２の開口部１３Ｂの周辺にのみ遮光部１４が設けられていることである。

本実施形態のフォトマスクによると、第２の開口部１３Ｂの周辺に設けられる遮光部１４の寸法（図１（ｄ）に示すＣｒ幅Ｗ_Cr）を、サイドローブの発生を防止できる寸法以上で且つ完全未露光領域が発生しない寸法以下に設定することによって、サイドローブの発生を防止することができると同時に未露光領域の存在に起因する欠陥の発生を防止することができる。

以下、第１の開口部１３Ａとして、例えば第１の寸法が０．５×λ／ＮＡ以下であるコンタクトホールパターンを形成する場合において、第２の開口部１３Ｂに対してサイドローブの発生と未露光領域の発生とを同時に防止できるＣｒ幅Ｗ_Crをシミュレーションにより求めた結果を示す。尚、シミュレーションにおいて、ハーフトーン部１２は、露光光に対して例えば６％の透過率を有し、露光光の位相を例えば１８０度変化させるものと設定した。また、遮光部１４の露光光に対する透過率は０％であると、言い換えると、遮光部１４は露光光を完全に遮光するものと設定した。

ところで、サイドローブは、開口部のエッジにおける光の回折に起因して発生する光強度の２次ピークに、ハーフトーン部を透過してくる光のエネルギーが加わることにより生じるものであり、サイドローブの光強度の極大値が露光閾値を超えると、ウェハ上のレジストが感光されて不要なパターンが転写されてしまうという問題が生じる。従って、サイドローブの発生を防止するためには、フォトマスクにおける２次ピークの発生部位を遮光部によって遮光すればよい。但し、遮光部の幅（Ｃｒ幅Ｗ_Cr）が狭すぎると、サイドローブの発生を防止することができないため、ある程度以上のＣｒ幅Ｗ_Crが必要となる。

図２は、サイドローブの光強度の極大値とＣｒ幅Ｗ_Crとの関係を本願発明者らがシミュレーションにより調べた結果を示している。図２に示すように、Ｃｒ幅Ｗ_Crを大きくすると、ハーフトーン部を透過してくる露光光が減少するため、サイドローブの光強度の極大値が小さくなっていき、Ｃｒ幅Ｗ_Crが０．６３×λ／ＮＡ以上になると、サイドローブの光強度が露光閾値よりも小さくなることがわかる。すなわち、Ｃｒ幅Ｗ_Crが０．６３×λ／ＮＡ以上であれば、サイドローブの発生を防止することが可能である。

一方、［課題を解決するための手段］で説明したように、Ｃｒ幅Ｗ_Crが大きくなると、つまり、遮光部よりなる遮光領域が大きくなると、結果として完全未露光領域が生じてしまい、露光プロセスにおいて不溶化層由来の欠陥が発生してしまう。すなわち、Ｃｒ幅Ｗ_Crが小さい場合には、開口部のエッジ付近で回折した光が遮光部の裏側にも入ってくるため、完全未露光領域は発生しないが、開口部のエッジ付近で回折した光の影響を受けないだけの大きさのＣｒ幅Ｗ_Crを有する遮光部が存在する場合には、完全未露光領域が発生する。

図３は、遮光部裏側の光強度の最小値とＣｒ幅Ｗ_Crとの関係を本願発明者らがシミュレーションにより調べた結果を示している。図３に示すように、Ｃｒ幅Ｗ_Crが大きくなると、遮光部裏側の光強度の最小値は小さくなっていき、Ｃｒ幅Ｗ_Crが３．７×λ／ＮＡよりも大きくなると、遮光部裏側の光強度の最小値が０となって完全未露光領域が発生する。すなわち、Ｃｒ幅Ｗ_Crを３．７×λ／ＮＡよりも小さくすることによって、完全未露光領域の発生を防ぐことが可能となり、結果として不溶化層由来の欠陥の発生を防止することが可能となる。

以上に述べたように、本実施形態のフォトマスクにおいて第２の開口部１３Ｂの周辺に設けられる遮光部１４のＣｒ幅Ｗ_Crを０．６３×λ／ＮＡ以上で且つ３．７×λ／ＮＡ以下にすることによって、サイドローブの発生を防止することができると同時に完全未露光領域が存在することによる不溶化層由来の欠陥の発生を防止することができる。

尚、本実施形態のフォトマスクの構造として、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すような構造を例示したが、本発明のフォトマスクは当該構造に限定されるものではなく、図４（ａ）及び（ｂ）に示すような構造や図７〜９に示すような構造であっても、同様の効果が得られる。

図４（ａ）は、本発明の実施形態に係るフォトマスクの他例、具体的には、図１（ａ）に示す所望のパターン５０を形成するためのハーフトーン位相シフトマスクの他例を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ’線の断面図である。尚、図４（ａ）及び（ｂ）において、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すフォトマスクと同一の構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すフォトマスクにおいても、透明基板１１上における第２の開口部１３Ｂの周辺にのみ遮光部１４が設けられている点は、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すフォトマスクと同様である。しかし、図４（ａ）及び（ｂ）に示すフォトマスクにおいては、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すフォトマスクと異なり、第２の開口部１３Ｂと遮光部１４との間にハーフトーン部１２の一部（ＨＴ幅Ｗ_HT）が介在している。

ところで、フォトマスクの遮光部として一般的に用いられる材料Ｃｒ、ＣｒＯ、ＣｒＮＯ等は、ハーフトーン部に用いられる材料（例えばＭｏＳｉＯ、ＭｏＳｉＮＯ、ＴａＳｉＯ、ＴａＳｉＯＮ、ＣｒＦＯ、ＣｒＦＮＯ等）と比較すると、酸に対するエッチング耐性が低い。従って、ハーフトーン部に対して最適化された酸を用いたマスク洗浄においては、遮光部のパターンシュリンクが容易に起こる。このため、遮光部が開口部のエッジから後退した場合、つまりＨＴ幅Ｗ_HTが大きくなるように変化した場合、開口部を透過する光を基準として１８０度位相の異なる光が、遮光部と開口部との間に位置するハーフトーン部を透過する結果、開口部の転写パターンの寸法が所望値よりも小さくなってしまう。このＨＴ幅Ｗ_HTの単位変化量当たりの開口部の転写パターンの寸法の変化量、つまり開口部の転写パターンの寸法に対するＨＴ幅Ｗ_HTのＭＥＦ（mask error factor：以下、ＨＴＭＥＦと称する）は、ＨＴ幅Ｗ_HTが小さい場合には相対的に大きい値を持ち、ＨＴ幅Ｗ_HTが大きい場合には相対的に小さい値を持つが、ＨＴ幅Ｗ_HTがある幅以上になると、ほぼ一定の値を持つ。そこで、本実施形態においては、ＨＴ幅Ｗ_HTについて寸法変化が起こった場合においても開口部の転写パターンの寸法変化が小さいＨＴ幅Ｗ_HT（つまりＨＴＭＥＦが小さくなるＨＴ幅Ｗ_HT）以上にＨＴ幅Ｗ_HTを設定することが望ましい。

図５は、ＨＴ幅Ｗ_HTとＨＴＭＥＦとの関係を本願発明者らがシミュレーションにより調べた結果を示す。図５に示すように、はじめＨＴ幅Ｗ_HTが０から大きくなるにつれてＭＥＦも大きくなっているが、ＨＴ幅Ｗ_HTが０．０７×λ／ＮＡ付近に変極点があり、それよりもＨＴ幅Ｗ_HTが大きくなると、ＭＥＦはほぼ一定の値をとるようになる。すなわち、ＨＴ幅Ｗ_HTを０．０７×λ／ＮＡ以上に設定することによって、ＨＴＭＥＦを小さくすることが可能であることがわかる。

一方、ＨＴ幅Ｗ_HTが大きくなりすぎると、サイドローブが発生するという問題が生じる。前述のように、サイドローブは、開口部のエッジにおける光の回折に起因して発生する光強度の２次ピークが原因となって生じるため、開口部のエッジからＮＡ及びλで規定される距離離れた位置に発生する。従って、ＨＴ幅Ｗ_HTが所定の寸法以下の場合には遮光部により２次ピークの発生部位を遮光できるため、サイドローブの発生を防止することが可能となる。

図６は、ＨＴ幅Ｗ_HTとサイドローブの光強度の極大値（Ｉｍａｘ）との関係を本願発明者らがシミュレーションにより調べた結果を示す。図６に示すように、ＨＴ幅Ｗ_HTが大きくなるに従って、サイドローブのＩｍａｘが大きくなっており、ＨＴ幅Ｗ_HTが０．４６×λ／ＮＡよりも大きくなると、Ｉｍａｘが露光閾値を超える。すなわち、ＨＴ幅Ｗ_HTを０．４６×λ／ＮＡ以下に設定することによって、サイドローブの発生を防止することが可能であることがわかる。

以上に説明したように、図４（ａ）及び（ｂ）に示すフォトマスクにおいて、０．５×λ／ＮＡ以下の第１の寸法Ｓ１を持つ第１の開口部１３Ａと、０．５×λ／ＮＡよりも大きい第２の寸法Ｓ２を持つ第２の開口部１３Ｂとが同時に存在する場合、第２の開口部１３Ｂと遮光部１４との間に位置するハーフトーン部１２のＨＴ幅Ｗ_HTを０．０７×λ／ＮＡ以上で且つ０．４６×λ／ＮＡ以下に設定すると共に、前述のように遮光部１４のＣｒ幅Ｗ_Crを０．６３×λ／ＮＡ以上で且つ３．７×λ／ＮＡ以下に設定することによって、ＨＴＭＥＦを小さく抑制しつつ、サイドローブの発生を防止することができると同時に完全未露光領域が存在することによる不溶化層由来の欠陥の発生を防止することができる。

図７は、本発明の実施形態に係るフォトマスクのさらなる他例を示す断面図であり、具体的には、図１（ｂ）における第２の開口部１３Ｂを横断するＢ−Ｂ’線の断面図である図１（ｄ）に示す断面構成のバリエーションの一例である。すなわち、図７に示すフォトマスクにおいて、遮光部１４は第２の開口部１３Ｂに接するように設けられている。尚、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すフォトマスクにおいては、第２の開口部１３Ｂを囲むハーフトーン部１２の上に遮光部１４が形成されていたのに対して、図７に示すフォトマスクにおいては、透明基板１１上における第２の開口部１３Ｂの周辺に遮光部１４が直接形成されており、当該遮光部１４を覆い且つ第２の開口部１３Ｂを囲むようにハーフトーン部１２が形成されている。

図７に示すフォトマスク構造によると、０．５×λ／ＮＡ以下の第１の寸法Ｓ１を持つ第１の開口部１３Ａと、０．５×λ／ＮＡよりも大きい第２の寸法Ｓ２を持つ第２の開口部１３Ｂとが同時に存在する場合においても、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すフォトマスクと同様に遮光部１４のＣｒ幅Ｗ_Crを設定することにより、サイドローブの発生を防止することができると同時に完全未露光領域が存在することによる不溶化層由来の欠陥の発生を防止することができる。

図８は、本発明の実施形態に係るフォトマスクのさらなる他例を示す断面図であり、具体的には、図４（ａ）における第２の開口部１３Ｂを横断するＣ−Ｃ’線の断面図である図４（ｂ）に示す断面構成のバリエーションの一例である。すなわち、図８に示すフォトマスクにおいて、第２の開口部１３Ｂと遮光部１４との間にハーフトーン部１２の一部（ＨＴ幅Ｗ_HT）が介在している。尚、図４（ａ）及び（ｂ）に示すフォトマスクにおいては、第２の開口部１３Ｂを囲むハーフトーン部１２の上に遮光部１４が形成されていたのに対して、図８に示すフォトマスクにおいては、透明基板１１上における第２の開口部１３Ｂの周辺に遮光部１４が直接形成されており、当該遮光部１４を覆い且つ第２の開口部１３Ｂを囲むようにハーフトーン部１２が形成されている。

図８に示すフォトマスク構造によると、０．５×λ／ＮＡ以下の第１の寸法Ｓ１を持つ第１の開口部１３Ａと、０．５×λ／ＮＡよりも大きい第２の寸法Ｓ２を持つ第２の開口部１３Ｂとが同時に存在する場合においても、図４（ａ）及び（ｂ）に示すフォトマスクと同様に遮光部１４のＣｒ幅Ｗ_Cr及びハーフトーン部１２のＨＴ幅Ｗ_HTを設定することにより、ＨＴＭＥＦを小さく抑制しつつ、サイドローブの発生を防止することができると同時に完全未露光領域が存在することによる不溶化層由来の欠陥の発生を防止することができる。

図９は、本発明の実施形態に係るフォトマスクのさらなる他例を示す断面図であり、具体的には、図１（ｂ）における第２の開口部１３Ｂを横断するＢ−Ｂ’線の断面図である図１（ｄ）に示す断面構成のバリエーションの一例である。すなわち、図９に示すフォトマスクにおいて、遮光部１４は第２の開口部１３Ｂに接するように設けられている。尚、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すフォトマスクにおいては、第２の開口部１３Ｂ側のハーフトーン部１２及び遮光部１４のそれぞれの側面は面一であったが、図９に示すフォトマスクにおいては、第２の開口部１３Ｂを囲むハーフトーン部１２の上に、第２の開口部１３Ｂ側のハーフトーン部１２の側面を覆うように遮光部１４が形成されている。ここで、図９に示すフォトマスクにおいて、遮光部１４のＣｒ幅Ｗ_Crについては、第２の開口部１３Ｂ側の遮光部１４のエッジから、その反対側の遮光部１４のエッジまでの距離として定義する。また、図９に示すフォトマスクでは、第２の開口部１３Ｂの第２の寸法Ｓ２は遮光部１４のエッジ間の距離で規定される。

図９に示すフォトマスク構造によると、０．５×λ／ＮＡ以下の第１の寸法Ｓ１を持つ第１の開口部１３Ａと、０．５×λ／ＮＡよりも大きい第２の寸法Ｓ２を持つ第２の開口部１３Ｂとが同時に存在する場合においても、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すフォトマスクと同様に遮光部１４のＣｒ幅Ｗ_Crを設定することにより、サイドローブの発生を防止することができると同時に完全未露光領域が存在することによる不溶化層由来の欠陥の発生を防止することができる。

尚、ここまで、本実施形態のフォトマスクの構造として、第２の開口部１３Ｂの周辺に第２の開口部１３Ｂを完全に囲むように遮光部１４を設けた構造を示してきたが、遮光部１４は必ずしも第２の開口部１３Ｂを完全に囲んでいる必要は無く、少なくともサイドローブが発生する領域（フォトマスクにおける２次ピークの発生部位）に遮光部１４を設けた、例えば図１０（ａ）〜（ｄ）に示すような平面構造（第２の開口部１３Ｂ及びその周辺の平面構造）を用いた場合にも、これまでに説明したフォトマスクと同様の効果が得られる。また、図１０（ａ）〜（ｄ）に示す構造のように、遮光部１４が第２の開口部１３Ｂのコーナーにおいて分断されていると、矩形性の高いパターンが得られる利点がある。すなわち、第２の開口部１３Ｂのコーナー周辺に遮光部１４ではなくハーフトーン部１２が配置されることになるため、第２の開口部１３Ｂのコーナー付近のコントラストが向上する結果、矩形状の第２の開口部１３Ｂの転写精度つまり転写パターンの矩形性が向上する。

具体的には、図１０（ａ）に示すフォトマスクにおいては、遮光部１４の分断された各部分は、方形状の第２の開口部１３Ｂにおける対応する辺の長さと同じ長さを持ち、当該対応する辺に接している。

また、図１０（ｂ）に示すフォトマスクにおいては、遮光部１４の分断された各部分は、方形状の第２の開口部１３Ｂにおける対応する辺の長さと同じ長さを持ち、遮光部１４の分断された各部分と第２の開口部１３Ｂとの間にハーフトーン部１２の一部分が介在している。

また、図１０（ｃ）に示すフォトマスクにおいては、遮光部１４の分断された各部分は、方形状の第２の開口部１３Ｂにおける対応する辺の長さよりも短い長さを持ち、当該対応する辺に接している。

また、図１０（ｄ）に示すフォトマスクにおいては、遮光部１４の分断された各部分は、方形状の第２の開口部１３Ｂにおける対応する辺の長さよりも短い長さを持ち、遮光部１４の分断された各部分と第２の開口部１３Ｂとの間にハーフトーン部１２の一部分が介在している。

尚、図１０（ｃ）及び（ｄ）に示すフォトマスクのように、遮光部１４の分断された各部分が、方形状の第２の開口部１３Ｂにおける対応する辺の長さよりも短い長さを持つ場合、第２の開口部１３Ｂのエッジ近傍で、ハーフトーン部１２及び第２の開口部１３Ｂのそれぞれを透過してきた光が互いに打ち消しあう領域が増えるため、コントラストを向上させることができると共にＭＥＦを小さくすることができる。

以下、本実施形態のフォトマスクを用いたパターン形成方法について、図面を参照しながら説明する。

図１１（ａ）〜（ｄ）は本実施形態のフォトマスクを用いたパターン形成方法の各工程を説明するための図である。尚、図１１（ｃ）において、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すフォトマスクと同一の構成要素には同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。

まず、図１１（ａ）に示すように、基板１００の上に、金属膜又は絶縁膜等の被加工膜１０１を形成した後、図１１（ｂ）に示すように、被加工膜１０１の上にポジ型のレジスト膜１０２を形成する。ここで、液浸露光を用いる場合には、レジスト膜１０２の上にさらにトップコート１０３を形成し、それによってレジスト膜１０２をコーティングする。

次に、図１１（ｃ）に示すように、例えば図１（ｂ）〜（ｄ）に示すような構造を持つ本実施形態のフォトマスクに対して、例えばＡｒＦエキシマレーザーを光源とする露光光１０４を照射する。このとき、本実施形態のフォトマスクにおける第１の開口部１３Ａ及び第２の開口部１３Ｂを透過した透過光１０６によってレジスト膜１０２を露光し、結果として開口部１３Ａ及び１３Ｂと対応する潜像部分１０２ａを形成する。尚、続く現像工程でレジストが完全に溶解するに足りる露光エネルギーが照射されるのは、潜像部分１０２ａのみである。一方、本実施形態のフォトマスクにおけるハーフトーン部１２（遮光部１４が形成されていない部分）を透過した透過光１０５は、透過光１０６の反対位相を持つが、潜像部分を形成するエネルギーは有していない。

前述のように、本実施形態のフォトマスクにおいて第２の開口部１３Ｂの周辺に設けられる遮光部１４のＣｒ幅Ｗ_Crを０．６３×λ／ＮＡ以上で且つ３．７×λ／ＮＡ以下に設定することによって、ハーフトーン部１２の裏側の領域はもちろんのこと、遮光部１４の裏側の領域においても、光強度が０となる完全遮光領域（完全未露光領域）は存在せず、これらの領域にも、露光閾値と比べて小さい強度を持つ光が照射される。従って、トップコート１０３を形成した場合においても、レジスト膜１０２とトップコート１０３との接触面に生じた不溶化層とレジスト膜１０２との密着性が弱くなるので、不溶化層由来のレジスト欠陥の発生を防止することが可能となる。

次に、トップコート１０３及びレジスト膜１０２に対して現像を行って、トップコート１０３、及びレジスト膜１０２のうちの潜像部分１０２ａを除去することにより、図１１（ｄ）に示すように、レジストパターン１０７を形成する。

図１２は、液浸露光プロセスを用いた場合における図１１（ｃ）に対応する図である。すなわち、液浸露光プロセスを用いる場合、図１２に示すように、トップコート１０３上に液浸液１０８が存在する状態で露光を行う点を除いて、図１１（ｃ）に示す工程と同様の工程が実施される。

以上に説明したように、本実施形態によると、異なる寸法を持つ複数の開口部が設けられたハーフトーン位相シフトマスクを用いる場合においても、特に、当該マスクをＡｒＦ露光プロセスやＡｒＦ液浸露光プロセスと組み合わせて用いる場合においても、サイドローブの発生と未露光領域に起因する欠陥の発生とを同時に抑えながらパターン形成を行うことが可能となるので、微細なＬＳＩの製造が可能となる。

本発明は、半導体集積回路装置の製造に用いられる微細パターン形成用のフォトマスク及びそのフォトマスクを用いたパターン形成方法に関し、ＡｒＦ露光プロセス又はＡｒＦ液浸露光プロセスを用いたパターン形成等に非常に有用である。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係るフォトマスクを用いて形成しようとするパターンの一例を示す図であり、図１（ｂ）は本発明の実施形態に係るフォトマスクの一例を示す平面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ’線の断面図であり、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ’線の断面図である。 図２は、本発明の実施形態に係るフォトマスクにおけるサイドローブの光強度の極大値と遮光部の幅との関係を本願発明者らがシミュレーションにより調べた結果を示す図である。 図３は、本発明の実施形態に係るフォトマスクにおける遮光部裏側の光強度の最小値と遮光部の幅との関係を本願発明者らがシミュレーションにより調べた結果を示す図である。 図４（ａ）は本発明の実施形態に係るフォトマスクの他例を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ’線の断面図である。 図５は、本発明の実施形態に係るフォトマスクにおける遮光部と開口部との間に位置するハーフトーン部の幅とＭＥＦとの関係を本願発明者らがシミュレーションにより調べた結果を示す図である。 図６は、本発明の実施形態に係るフォトマスクにおける遮光部と開口部との間に位置するハーフトーン部の幅とサイドローブの光強度の極大値との関係を本願発明者らがシミュレーションにより調べた結果を示す図である。 図７は本発明の実施形態に係るフォトマスクのバリエーションを示す断面図である。 図８は本発明の実施形態に係るフォトマスクのバリエーションを示す断面図である。 図９は本発明の実施形態に係るフォトマスクのバリエーションを示す断面図である。 図１０（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態に係るフォトマスクのバリエーションを示す平面図である。 図１１（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態に係るフォトマスクを用いたパターン形成方法の各工程を説明するための図である。 図１２は本発明の実施形態に係るフォトマスクを用いたパターン形成方法の一工程（液浸露光プロセスを用いた場合）を説明するための図である。 図１３（ａ）は小さい開口部を持つ従来のハーフトーン位相シフトマスクの断面構造の一例を示す図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示すハーフトーン位相シフトマスクを用いた場合の光強度プロファイルを示す図であり、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）に示す開口部がホールパターンである場合にウェハ上に転写されるパターンの平面構成を示す模式図であり、図１３（ｄ）は大きい開口部を持つ従来のハーフトーン位相シフトマスクの断面構造の一例を示す図であり、図１３（ｅ）は、図１３（ｄ）に示すハーフトーン位相シフトマスクを用いた場合の光強度プロファイルを示す図であり、図１３（ｆ）は、図１３（ｅ）に示す開口部がホールパターンである場合にウェハ上に転写されるパターンの平面構成を示す模式図である。 図１４は特許文献１に開示された従来のフォトマスクの平面図である。

符号の説明

１１ 透明基板
１２ ハーフトーン部
１３Ａ 第１の開口部
１３Ｂ 第２の開口部
１４ 遮光部
５０ 所望のパターン
１００ 基板
１０１ 被加工膜
１０２ レジスト膜
１０２ａ レジスト膜の潜像部分
１０３ トップコート
１０４ 露光光
１０５ ハーフトーン部の透過光
１０６ 開口部の透過光
１０７ レジストパターン
１０８ 液浸液

Claims (19)

1. 露光光に対して透過性を有する透明基板と、
   前記透明基板上に形成されたハーフトーン部と、
   前記ハーフトーン部に形成され、第１の寸法を有する第１の開口部と、
   前記ハーフトーン部に形成され、前記第１の寸法よりも大きい第２の寸法を有する第２の開口部と、
   前記透明基板上における前記第２の開口部の周辺に形成された遮光部とを備えていることを特徴とするフォトマスク。
2. 請求項１に記載のフォトマスクにおいて、
   前記ハーフトーン部は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を基準として前記露光光を反対位相で透過させ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において、
   前記遮光部は前記第２の開口部を囲んでいることを特徴とするフォトマスク。
4. 請求項１に記載のフォトマスクにおいて、
   前記遮光部は前記第２の開口部のコーナーにおいて分断されていることを特徴とするフォトマスク。
5. 請求項４に記載のフォトマスクにおいて、
   前記遮光部の分断された各部分の長さは、前記第２の開口部における対応する辺の長さよりも短いことを特徴とするフォトマスク。
6. 請求項１に記載のフォトマスクにおいて、
   前記遮光部の幅は、前記第２の開口部を透過した前記露光光が前記第２の開口部のエッジで回折することにより発生するサイドローブの光強度が露光対象のレジストを感光させない最小幅以上に設定されていることを特徴とするフォトマスク。
7. 請求項１に記載のフォトマスクにおいて、
   前記遮光部の幅は、前記第２の開口部を透過した前記露光光が前記第２の開口部のエッジで回折して前記遮光部の裏側に回り込むことによって未露光領域を発生させない最大幅以下に設定されていることを特徴とするフォトマスク。
8. 請求項１に記載のフォトマスクにおいて、
   前記遮光部の幅は（０．６３×λ／ＮＡ）×Ｍ以上であることを特徴とするフォトマスク（但し、λは前記露光光の波長であり、ＮＡは露光機の縮小投影光学系の開口数であり、Ｍは前記縮小投影光学系の倍率である）。
9. 請求項１に記載のフォトマスクにおいて、
   前記遮光部の幅は（３．７×λ／ＮＡ）×Ｍ以下であることを特徴とするフォトマスク（但し、λは前記露光光の波長であり、ＮＡは露光機の縮小投影光学系の開口数であり、Ｍは前記縮小投影光学系の倍率である）。
10. 請求項１に記載のフォトマスクにおいて、
    前記遮光部は前記第２の開口部と接していることを特徴とするフォトマスク。
11. 請求項１に記載のフォトマスクにおいて、
    前記第２の開口部と前記遮光部との間に前記ハーフトーン部の一部分が存在することを特徴とするフォトマスク。
12. 請求項１１に記載のフォトマスクにおいて、
    前記第２の開口部と前記遮光部との間に位置する部分の前記ハーフトーン部の幅は（０．０７×λ／ＮＡ）×Ｍ以上であることを特徴とするフォトマスク（但し、λは前記露光光の波長であり、ＮＡは露光機の縮小投影光学系の開口数であり、Ｍは前記縮小投影光学系の倍率である）。
13. 請求項１１に記載のフォトマスクにおいて、
    前記第２の開口部と前記遮光部との間に位置する部分の前記ハーフトーン部の幅は（０．４６×λ／ＮＡ）×Ｍ以下であることを特徴とするフォトマスク（但し、λは前記露光光の波長であり、ＮＡは露光機の縮小投影光学系の開口数であり、Ｍは前記縮小投影光学系の倍率である）。
14. 請求項１〜１３に記載のフォトマスクにおいて、
    前記第１の寸法は（０．５×λ／ＮＡ）×Ｍ以下であり、
    前記第２の寸法は（０．５×λ／ＮＡ）×Ｍよりも大きいことを特徴とするフォトマスク（但し、λは前記露光光の波長であり、ＮＡは露光機の縮小投影光学系の開口数であり、Ｍは前記縮小投影光学系の倍率である）。
15. 請求項１〜１４に記載のフォトマスクにおいて、
    前記第２の開口部は、オーバーレイモニタパターン又はレチクル位置計測モニタパターンであることを特徴とするフォトマスク。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のフォトマスクを用いたパターン形成方法であって、
    基板上にレジスト膜を形成する工程（ａ）と、
    前記レジスト膜に前記フォトマスクを介して前記露光光を照射する工程（ｂ）と、
    前記露光光を照射された前記レジスト膜を現像して、前記レジスト膜をパターン化する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とするパターン形成方法。
17. 請求項１６に記載のパターン形成方法において、
    前記工程（ｂ）で露光光源としてＡｒＦエキシマレーザーを用いることを特徴とするパターン形成方法。
18. 請求項１７に記載のパターン形成方法において、
    前記工程（ｂ）で液浸露光プロセスを用いることを特徴とするパターン形成方法。
19. 請求項１８に記載のパターン形成方法において、
    前記工程（ａ）は前記レジスト膜表面をトップコートによってコーティングする工程を含むことを特徴とするパターン形成方法。

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