JP2010054710A - フォトマスク及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイポール照明光による露光転写で形成されるパターンの変形および露光マージンの低下を抑制できるフォトマスク及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ダイポール照明光を用いた露光によるパターン転写に用いられるフォトマスクであって、ダイポール照明光が入射する面において、ダイポール照明光の有効光源分布の配列方向Ｘに対して平行で且つメインパターン１０の中心を通る直線を第１の直線Ｌ１、メインパターン１０の中心を通り第１の直線Ｌ１に対して直交する直線を第２の直線Ｌ２とすると、補助パターンは、中心が第１の直線Ｌ１上に位置する第１の補助パターン１１と、中心が第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２との間の領域に位置する第２の補助パターン１２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイポール照明光を用いた露光によるパターン転写に用いられるフォトマスク及び半導体装置の製造方法に関する。

例えば半導体ウェーハへのコンタクトホールパターンの露光転写に際して、ダイポール照明と、転写体には転写されない補助パターンをメインパターンに対して付加したフォトマスクとを組み合わせた露光技術が特許文献１に開示されている。

補助パターンの主たる機能は露光マージンを向上させることであるが、補助パターンの位置を調整することで転写形成されるパターンの変形を抑制することも可能である。しかし、従来の補助パターンでは、パターン変形の抑制と露光マージンの向上とを両立させることが難しかった。
特開２００７−２４０８６５号公報

本発明は、ダイポール照明光による露光転写で形成されるパターンの変形および露光マージンの低下を抑制できるフォトマスク及び半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、ダイポール照明光を用いた露光によるパターン転写に用いられるフォトマスクであって、被転写体に形成される実パターンに対応して形成され、前記被転写体に転写されるメインパターンと、前記メインパターンの周囲に形成され、前記被転写体には転写されない補助パターンと、を備え、前記ダイポール照明光が入射する面において、前記ダイポール照明光の有効光源分布の配列方向に対して平行で且つ前記メインパターンを通る直線を第１の直線、前記メインパターンを通り前記第１の直線に対して直交する直線を第２の直線とすると、前記補助パターンは、中心が前記第１の直線上に位置する第１の補助パターンと、中心が前記第１の直線と前記第２の直線との間の領域に位置する第２の補助パターンと、を有することを特徴とするフォトマスクが提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、上記フォトマスクを介して前記ダイポール照明光をレジストに照射する露光工程と、前記露光工程の後、前記レジストを現像する現像工程と、前記現像工程の後、前記レジストをマスクとして前記被転写体をエッチングするエッチング工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、ダイポール照明光による露光転写で形成されるパターンの変形および露光マージンの低下を抑制できるフォトマスク及び半導体装置の製造方法が提供される。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。なお、各図面中、共通する要素には同じ符号を付している。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係るフォトマスクに形成されたパターンを例示する模式図である。

本実施形態に係るフォトマスクは、露光照明波長に対して透明な基板（例えばガラス基板）上に遮光膜１３が形成された構造を有し、パターンは遮光膜１３に開口部として形成されている。

このフォトマスクには、メインパターン１０と補助パターン１１、１２とが形成され、これらパターン１０、１１、１２はいずれも四角形状に形成されている。パターン１０、１１、１２は、例えばアパーチャを用いた電子線の部分一括直描法によりマスクに描画され、このときの描画を容易にし且つ精度を高める観点から、直線と直角部とを組み合わせた矩形や正方形に形成することが望ましい。

メインパターン１０は、例えばメモリなどの半導体デバイスにおけるコンタクトホールに対応するパターンであり、このメインパターン１０は被転写体である半導体ウェーハに転写される実パターンに対応する。

各々の補助パターン１１、１２は、露光転写時の限界解像度を下回るサイズで形成され、自身は半導体ウェーハには転写されず、露光時に所望の干渉効果を生じさせることでメインパターン１０の解像性能を向上させる役割を担う。

本実施形態では、露光照明として、光軸の中心を外した位置に絞りを入れることにより、被転写体に対し露光光束を斜めに入射させる斜入射照明を用いる。具体的には、図２に示すダイポール照明（２重極照明）１８を用いる。このダイポール照明１８は２つの発光領域１９ａ、１９ｂを有し、他の領域は遮光領域となっている。２つの発光領域１９ａと発光領域１９ｂは照明の中心Ｏに対して対称に位置している。

ここで、ダイポール照明１８の有効光源（発光領域）分布の配列方向をＸ方向とする。このＸ方向は、フォトマスクに入射する直前のダイポール照明光１８の２つの強度ピークを結ぶ方向である。

そして、図１（ａ）に示すパターンが形成されたフォトマスクにおけるダイポール照明光が入射する面において、上記Ｘ方向に対して平行で且つメインパターン１０の中心を通る直線を第１の直線Ｌ１とし、メインパターン１０の中心を通り第１の直線Ｌ１に対して直交する直線を第２の直線Ｌ２とする。また、Ｘ方向に対して直交する方向をＹ方向とし、第２の直線Ｌ２はＹ方向に対して平行に延びる。

補助パターンは、第１の補助パターン１１と第２の補助パターン１２とを含む。第１の補助パターン１１は、その中心が第１の直線Ｌ１上に位置する。１つのメインパターン１０につき、２つの第１の補助パターン１１がＸ方向でメインパターン１０を挟む位置に形成されている。

第２の補助パターン１２は、その中心が第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２との間の領域に位置する。第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２とによって区切られた、メインパターン１０周囲の４つの領域のそれぞれに第２の補助パターン１２が形成されている。例えば、矩形もしくは正方形状のメインパターン１０の対角線上に４つの第２の補助パターン１２はそれぞれ位置している。第２の直線Ｌ２上には、補助パターンは形成されていない。

図１（ｂ）は、図１（ａ）のパターンが形成されたフォトマスクを用いたダイポール照明光の露光転写により、被転写体（例えば半導体ウェーハ上のレジスト）に形成される実パターン１５の一例を示す。

この実パターン１５は、フォトマスク上における一つのメインパターン１０に対応するものである。また、実パターン１５は、半導体デバイス上における例えば一つのコンタクトホールに対応し、真円もしくは正方形状に形成される（図１（ｂ）には真円形状を例示）。フォトマスクのメインパターン１０は、被転写体に形成される実パターン１５が真円もしくは正方形となるように、その縦横寸法を調整されている。

メインパターン１０、第１の補助パターン１１および第２の補助パターン１２は、それぞれ、Ｘ方向（第１の直線Ｌ１）に対して平行な２辺と、Ｙ方向（第２の直線Ｌ２）に対して平行な２辺とを有する矩形もしくは正方形状に形成されている。２つの第１の補助パターン１１はメインパターン１０の中心に対して対称に配置され、４つの第２の補助パターン１２もメインパターン１０の中心に対して対称に配置されている。また、第１の補助パターン１１と、これをＹ方向に挟んで位置する第２の補助パターン１２との距離はともに等しくされている。

図５は、本発明の実施形態のマスクパターンと比較例のマスクパターンとで、ダイポール照明光を適用した光学像シミュレーションを行い、その結果得られた露光マージン（露光裕度、ＤＯＦ）を示すグラフである。横軸は、露光裕度（exposure latitude）を示し、縦軸は、フォーカス裕度（DOF:Depth Of Field）を示す。

また、図５のグラフにおける、ａ及びｂは、図１（ａ）に示す本発明の実施形態のマスクパターンを適用して光学像をシミュレーションした場合についての結果を示し、ａはＸ方向についての露光マージンを、ｂはＹ方向についての露光マージンを示す。

ここで、図３（ａ）は第１の比較例のマスクパターンを示し、図４は第２の比較例のマスクパターンを示す。これら第１の比較例及び第２の比較例におけるマスクパターンにおいても、ターゲットとする実パターン（転写パターン）は、図１に示す本発明実施形態と同様、真円としている。

図３（ａ）に示す第１の比較例のマスクパターンは、図１（ａ）に示す本発明の実施形態のマスクパターンにおいて第１の補助パターン１１を形成せずメインパターン１０と第２の補助パターン１２だけのパターンである。図４に示す第２の比較例のマスクパターンは、図１（ａ）に示す本発明の実施形態のマスクパターンにおいて第２の補助パターン１２を形成せずメインパターン１０と第１の補助パターン１１だけのパターンである。

図５のグラフにおける、ｃ及びｄは、図４に示す第２の比較例のマスクパターンを適用して光学像をシミュレーションした場合についての結果を示し、ｃはＸ方向についての露光マージンを、ｄはＹ方向についての露光マージンを示す。

また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す第１の比較例のマスクパターンを適用した光学像シミュレーションにより得られた転写パターン像（レジスト像）１６を示す。
第１の補助パターン１１がない第１の比較例の場合、メインパターン１０のマスク値（寸法及び形状）を図１（ａ）のままとすると、図３（ｂ）に示すように、Ｙ方向に対してＸ方向が長くなる形状に転写パターン像１６が大きく変形してしまう。すなわち、ターゲットとする真円のパターンが得られない。

これに対して、第１の比較例に対して第１の補助パターン１１を付加した構成の本発明実施形態（図１（ａ））では、図１（ｂ）に示すように真円のパターン１５が得られた。

このことから、第１の補助パターン１１を形成することは、転写パターンの変形抑制に効果があることがわかる。すなわち、第１の補助パターン１１により、Ｘ方向のパターン変形が抑制されることで、被転写体に転写される実パターンを所望の真円にするためのメインパターン１０のマスク値変動を抑制することができ、ＯＰＣ（Optical Proximity Correction）処理が軽減できる。

一方、第２の補助パターン１２がない図４に示す第２の比較例では、転写パターン像（レジスト像）の変形は抑えられたが、図５のグラフｃに表されるように、Ｘ方向についての露光裕度とＤＯＦが共に本発明実施形態（グラフａ）に比べて低下する。同様にＹ方向についても、第２の比較例では、図５のグラフｄに表されるように、露光裕度とＤＯＦが共に本発明実施形態（グラフｂ）に比べて低下する。

したがって、第２の補助パターン１２は、露光マージン（露光裕度とＤＯＦ）の向上に寄与する。第２の補助パターン１２により、露光マージンが向上することで、安定したパターンの形成が期待できる。

次に、図８は、本発明の実施形態のマスクパターンと比較例（第３の比較例、第４の比較例）のマスクパターンとで、ダイポール照明光を適用した光学像シミュレーションを行い、その結果得られた露光マージン（露光裕度、ＤＯＦ）を示すグラフである。横軸は、露光裕度（exposure latitude）を示し、縦軸は、フォーカス裕度（DOF:Depth Of Field）を示す。

図８のグラフにおける、ａ及びｂは、図１（ａ）に示す本発明の実施形態のマスクパターンを適用して光学像をシミュレーションした場合についての結果を示し、ａはＸ方向についての露光マージンを、ｂはＹ方向についての露光マージンを示す。

ここで、図６は第３の比較例のマスクパターンを示し、図７は第４の比較例のマスクパターンを示す。これら第３の比較例及び第４の比較例におけるマスクパターンにおいても、ターゲットとする実パターン（転写パターン）は、図１に示す本発明実施形態と同様、真円としている。第３の比較例及び第４の比較例共に、本発明実施形態の第１の補助パターンに対応するものがなく、メインパターンと第２の補助パターンだけを形成したものである。

図８のグラフにおける、ｃ及びｄは、図６に示す第３の比較例のマスクパターンを適用して光学像をシミュレーションした場合についての結果を示し、ｃはＸ方向についての露光マージンを、ｄはＹ方向についての露光マージンを示す。

図８のグラフにおける、ｅ及びｆは、図７に示す第４の比較例のマスクパターンを適用して光学像をシミュレーションした場合についての結果を示し、ｅはＸ方向についての露光マージンを、ｆはＹ方向についての露光マージンを示す。

図６に示す第３の比較例は、メインパターン２１の周囲における、第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２との間の領域に、４つの補助パターン（第２の補助パターンに対応）２２が形成されている。図７に示す第４の比較例は、メインパターン２３の周囲における、第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２との間の領域に、４つの補助パターン（第２の補助パターンに対応）２４が形成されている。

図６に示す第３の比較例では、メインパターン２１のマスク値調整及び補助パターン２２の位置調整により、転写されるパターンの変形は抑えられる。しかし、図８のグラフｄに表されるように、Ｙ方向についてのＤＯＦが本発明実施形態（グラフｂ）に比べて低下する。

ＤＯＦの低下を抑えるために、図７に示す第４の比較例のように補助パターン２４の位置を調整すると、図８のグラフｅ、ｆに表されるように、露光裕度が本発明実施形態（グラフａ、ｂ）に比べて大きく低下する。また、このとき、転写パターンを真円にするためのメインパターン２３のマスク値調整量が大きく、ＯＰＣ処理が困難な場合が発生する。

これに対して、第１の補助パターン１１及び第２の補助パターン１２を有する本発明の実施形態によれば、メインパターンに対してそれほど大きなＯＰＣ処理を行わなくても、所望の形状（例えば真円や正方形）の転写パターンを得ることができ、なおかつ露光マージン（露光裕度及びＤＯＦ）を向上させて安定したパターン形成を行える。

一般に、例えばメモリのセル部におけるコンタクトホールは、いわゆる千鳥パターン状に形成され、このような比較的密に配置されたパターンに対する露光転写に適した照明形状としてダイポール照明が用いられている。一方、セル部の周辺に形成されたコンタクトホールは他のパターンとの距離が比較的大きな孤立パターン（疎パターン）として存在し、この場合には、補助パターンを付加しないメインパターンだけを形成したフォトマスクと、そのマスクを用いた露光に適した照明形状であるコンベンショナル照明（垂直入射照明）とを組み合わせた露光方法が用いられていた。このように、コンタクトホールが密に形成されているか疎であるかで、それぞれの露光に適した照明形状が異なるため、一回の露光でセル部と周辺部のコンタクトホールパターンを同時に露光することができなかった。

これに対して、本発明の実施形態では、前述したように、ダイポール照明光の有効光源分布の配列方向に対して所定の関係で配置された第１の補助パターン１１及び第２の補助パターン１２をメインパターン１０の周囲に形成することで、セル部の密パターン形成に適したダイポール照明光を用いつつ、周辺部の孤立パターンに対してもパターン変形を抑え、且つ露光マージンも低下させることなくパターン形成を行える。すなわち、同じ被転写体上に形成された密パターンと疎パターンとを同じダイポール照明光を用いた一回の露光で形成でき、コスト低減を図れる。

なお、本発明は、孤立パターン（疎パターン）に対してだけでなく、密パターンの露光転写にも適用可能である。
図９及び図１０に、転写形成すべき密パターンに対応したマスクパターンのレイアウトの一例を示す。なお、図９及び図１０には、例えば４つのメインパターンが近接配置された部分を示すが、フォトマスク上でメインパターンは、転写形成すべき実パターンに応じた個数形成されている。

図９（ａ）は、隣り合うメインパターン１０間で補助パターン１１、１２を共有せず、一つのメインパターン１０につき２つの第１の補助パターン１１と４つの第２の補助パターン１２をそれぞれ付加したレイアウト例を示す。

図９（ｂ）は、Ｘ方向で隣り合うメインパターン１０間で、第１の補助パターン３１を共有したレイアウト例を示す。

図１０（ａ）は、Ｘ方向及びＹ方向で隣り合うメインパターン１０間で、第２の補助パターン３２を共有したレイアウト例を示す。

図１０（ｂ）は、第１の補助パターン３１及び第２の補助パターン３２の両方とも、隣り合うメインパターン１０間で共有したレイアウト例を示す。

次に、前述した本発明の実施形態に係るフォトマスクを用いた半導体装置の製造方法について、図１１を参照し説明する。

まず、電子線描画により前述したメインパターン１０、第１の補助パターン１１および第２の補助パターン１２を形成し、フォトマスクを作成する（ステップ１１１）。

次に、半導体ウェーハにおける被加工膜上に形成したレジストに対して、ダイポール照明光を上記フォトマスクを介して露光する（ステップ１１２）。このとき、メインパターン１０に対応したパターン（例えば真円もしくは正方形のコンタクトホールパターン）のみがレジストに転写され、限界解像度を下回るサイズの補助パターン１１、１２は転写されない。

次に、レジストを現像（ステップ１１３）した後、そのレジストをマスクにして被加工膜をエッチングする（ステップ１１４）ことで、被加工膜にメインパターン１０に対応したパターンが形成される。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

前述したメインパターン、第１の補助パターンおよび第２の補助パターンの形状、サイズ、個数、配置位置は一例であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更可能である。

（ａ）は本発明の実施形態に係るフォトマスクに形成されたパターンを例示する模式図であり、（ｂ）は同図（ａ）のパターンが形成されたフォトマスクを用いたダイポール照明光の露光転写により被転写体に形成される実パターンの一例を示す。 ダイポール照明の模式図。 （ａ）は第１の比較例のマスクパターンを示し、（ｂ）は同図（ａ）に示すマスクパターンを適用した光学像シミュレーションにより得られた転写パターン像（レジスト像）を示す。 第２の比較例のマスクパターンを示す模式図。 本発明の実施形態のマスクパターンと比較例のマスクパターンとで、ダイポール照明光を適用した光学像シミュレーションを行い、その結果得られた露光マージン（露光裕度、ＤＯＦ）を示すグラフ。 第３の比較例のマスクパターンを示す模式図。 第４の比較例のマスクパターンを示す模式図。 本発明の実施形態のマスクパターンと、第３の比較例及び第４の比較例のマスクパターンとで、ダイポール照明光を適用した光学像シミュレーションを行い、その結果得られた露光マージン（露光裕度、ＤＯＦ）を示すグラフ。 本発明の実施形態において、転写形成すべき密パターンに対応したマスクパターンのレイアウトの一例を示す模式図。 本発明の実施形態において、転写形成すべき密パターンに対応したマスクパターンのレイアウトの他の例を示す模式図。 本発明の実施形態に係るフォトマスクを用いた半導体装置の製造方法の要部ステップを示すフローチャート。

符号の説明

１０…メインパターン、１１，３１…第１の補助パターン、１２，３２…第２の補助パターン、１８…ダイポール照明、１９ａ，１９ｂ…発光領域、Ｌ１…第１の直線、Ｌ２…第２の直線

Claims (5)

1. ダイポール照明光を用いた露光によるパターン転写に用いられるフォトマスクであって、
   被転写体に形成される実パターンに対応して形成され、前記被転写体に転写されるメインパターンと、前記メインパターンの周囲に形成され、前記被転写体には転写されない補助パターンと、を備え、
   前記ダイポール照明光が入射する面において、前記ダイポール照明光の有効光源分布の配列方向に対して平行で且つ前記メインパターンを通る直線を第１の直線、前記メインパターンを通り前記第１の直線に対して直交する直線を第２の直線とすると、
   前記補助パターンは、中心が前記第１の直線上に位置する第１の補助パターンと、中心が前記第１の直線と前記第２の直線との間の領域に位置する第２の補助パターンと、を有することを特徴とするフォトマスク。
2. １つの前記メインパターンにつき、２つの前記第１の補助パターンが前記メインパターンを挟む位置に形成されていることを特徴とする請求項１記載のフォトマスク。
3. 前記第１の直線と前記第２の直線とによって区切られた前記メインパターンの周囲の４つの領域のそれぞれに、前記第２の補助パターンが形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のフォトマスク。
4. 前記第２の補助パターンの少なくとも２つは、前記メインパターン又は前記第１の補助パターンを中心として対称に配置されていることを特徴とする請求項３記載のフォトマスク。
5. 請求項１記載のフォトマスクを介して前記ダイポール照明光をレジストに照射する露光工程と、
   前記露光工程の後、前記レジストを現像する現像工程と、
   前記現像工程の後、前記レジストをマスクとして前記被転写体をエッチングするエッチング工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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