JP2010156943A - 背面位相格子マスク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】背面位相格子マスク及びその製造方法を提供する。
【解決手段】透明基板の前面に直交座標系の軸から一定方向に回転した方向に延びる斜線パターンのレイアウト（layout）に従って形成されたマスクパターンと、基板の背面にマスクパターンの延長方向に並ぶ方向に延びたライン（line）形態の位相格子と、を含むマスクを提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、フォトリソグラフィ（photolithography）に関するもので、特に、背面位相格子マスク及びその製造方法に関する。

半導体素子の集積度を向上させる方法として、ＤＲＡＭのようなメモリー素子のセル構造（cell structure）を８Ｆ^２セル配置から６Ｆ^２セル配置に切り換える方法が、例えば下記特許文献の如く提示されている。６Ｆ^２セル配置方式は、直交するワードライン（word line）及びビットライン（bit line）に対して斜線方向に延びるように活性領域（active region）を配置することで、制限された面積内により多い数のセルトランジスタ（transistor）が配置されるようにした方式である。この時、活性領域を設定するパターン（pattern）のようなパターンは、ワードラインやビットラインに比べて一定角度回転（rotation）した斜線パターンで設定されている。

斜線パターンが、ワードラインやビットラインのように直交座標系に従う形状ではなく、直交座標系で一定角度回転した方向に延びるようにして導入されるから、直交座標系に適合するように構成された変形照明系がその効果を発揮できない場合がありうる。即ち、ダイポール（dipole）照明系のような変形照明系は、露光光源の解像力限界を向上させる目的で導入されているもので、転写されるパターンがＸ−Ｙ直交座標系のＸ軸方向やＹ軸方向に延びるライン及びスペース（line & space）パターンである場合に効果を発揮するわけである。

Ｘ軸方向にダイポール（dipole）対が配置されたＸ軸ダイポールのような変形照明系は、Ｙ軸方向に延びるライン及びスペースパターンの解像力を増加させる効果を呈する。ところが、このようなＸ軸ダイポール照明系を、Ｙ軸に対して一定角度回転した方向に延びるように配置された斜線パターンをパターン転写する露光過程に適用すると、ダイポールの位置角度と斜線パターンのエッジ（edge）の位置角度がずれた状態となり、ダイポール照明による解像力改善効果が半減する恐れがある。更に、ダイポール照明によって、設計された方向に延びる形態で斜線パターンがパターン転写されず、Ｙ軸方向にその延長方向が歪んで移動するパターン不良が実験的に観測されている。即ち、ウエハ（wafer）上に転写された斜線パターンが、設計されたＹ軸に対する回転角度を持たず、より小さい角度を持つパターンとして転写される場合がある。

そこで、斜線パターンに有効な変形照明系を新しく開発し、露光装備の露光経路に適用することが要望される。しかし、このように新しい変形照明系を開発して適用するには多くの費用と時間がかかるという問題点がある。

米国特許公報第６，３３５，１２９号公報

本発明は、直交座標系の軸方向に対して一定角度回転した方向に延びる斜線パターンを、改善された解像力でパターン転写されるようにするマスク及びその製造方法を提示する。

本発明の一観点は、基板と、前記基板の前面に、直交座標系の軸から一定方向に回転した方向に延びる斜線パターンのレイアウト（layout）に従って形成されたマスクパターンと、前記基板の背面に、前記マスクパターンの延長方向に並ぶ方向に延びたライン（line）形態の位相格子と、を含むマスクを提示する。

前記斜線パターンは、６Ｆ^２セル配置方式での活性領域（active region）のレイアウトに従って設定されることができる。

前記位相格子は、前記基板に入射する露光光の０次光を消滅させ、１次光が前記マスクパターンに入射するようにする位相干渉を誘導するように、前記基板の背面に、相互１８０°の位相差を持つようにライン（line）形態で交互に配置された第１位相領域及び第２位相領域を含むことができる。

前記第１位相領域は、前記基板背面の表面に対して前記１８０°の位相差を提供する深さのトレンチ（trench）を含み、前記第２位相領域は、前記トレンチによって設定される前記基板背面の表面領域でありうる。

前記第１位相領域及び前記第２位相領域の幅を含む格子ピッチ（pitch）は、前記マスクパターンの幅及び離間幅を含むパターンピッチの２倍に設定されることができる。

前記位相格子は、前記マスクパターンが配置された領域の外周よりも８００μｍ〜１０００μｍ更に拡張された領域に配置されることができる。

本発明の他の観点は、基板と、前記基板の前面に、直交座標系の軸から一定方向に回転した方向に延びる斜線パターンのレイアウト（layout）に従って形成された第１マスクパターンを含む第１領域と、前記直交座標系の軸方向に延びる第２マスクパターンを含む第２領域と、前記第１領域に対応する前記基板の背面領域に選択的に形成され、前記マスクパターンの延長方向に並ぶ方向に延びたライン（line）形態の位相格子と、を含むマスクを提示することができる。

本発明の更に他の観点は、基板の前面に、直交座標系の軸から一定方向に回転した方向に延びる斜線パターンのレイアウト（layout）に従ってマスクパターンを形成する段階と、前記基板の背面に、前記マスクパターンの延長方向に並ぶ方向に延びたライン（line）形態の位相格子を形成する段階と、を含むマスク製造方法を提示する。

前記位相格子を形成する段階は、前記基板の背面にフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンにより露出された前記基板の背面に選択的エッチングを行い、前記基板背面の表面に対して１８０°の位相差を提供する深さのトレンチ（trench）を形成する段階と、を含むことができる。

前記フォトレジストパターンを形成する段階は、前記基板の背面上に反射防止層を形成する段階と、前記反射防止層上にフォトレジスト層を塗布する段階と、前記位相格子のパターンレイアウトを持つ母マスク（mother mask）を製作する段階と、前記母マスクを用いて前記フォトレジスト層の一部を選択的に露光及び現像する段階と、を含むことができる。

本発明の実施例は、マスク前面に形成されたマスクパターンに適合した形態の変形照明を提供する位相格子パターンを背面に備えるマスク及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施例による６Ｆ^２セル（cell）配置時の斜線パターンのレイアウト（layout）を示す図である。 本発明の実施例による位相格子レイアウトを示す図である。 本発明の実施例によるマスク構造を示す図である。 本発明の実施例によるマスクの解像力改善効果を説明するためのシミュレーション（simulation）結果を示すグラフ及び図（Ｉ）である。 本発明の実施例によるマスクの解像力改善効果を説明するためのシミュレーション（simulation）結果を示すグラフ及び図（II）である。 本発明の実施例によるマスク構造の第１変形例を示す図（Ｉ）である。 本発明の実施例によるマスク構造の第１変形例を示す図（II）である。 本発明の実施例によるマスク構造の第２変形例を示す図である。 本発明の実施例によるマスク製造方法を示す図（Ｉ）である。 本発明の実施例によるマスク製造方法を示す図（II）である。 本発明の実施例によるマスク製造方法を示す図（III）である。 本発明の実施例によるマスク製造方法を示す図（IV）である。 本発明の実施例によるマスク製造方法を示す図（Ｖ）である。

本発明の実施例は、６Ｆ^２セル配置構造において、Ｘ−Ｙ直交座標系の軸方向に対して一定角度回転した方向に延びる斜線パターンをパターン転写するために、マスクの前面に複数のマスクパターンを備え、対応する背面に、位相シフト（phase shift）を誘発する複数の位相格子（phase grating）パターンを、斜線パターンの延長方向に並んで延びるようにして備えるマスクを提示する。

位相格子パターンは、露光過程中にマスクに入射する光源を、露光設備の斜入射限界以上にして斜入射させ、アパーチャ（aperture）の最外周領域まで露光に使用されるようにすることができる。また、マスク前面の遮光パターンとして形成されうるマスクパターンのレイアウト（layout）に依存し、それに適合する形態の変形照明、例えば、ダイポール（dipole）照明を具現できるように、位相格子パターンは、マスクパターンの延長方向に並ぶ方向に延びる。

このような位相格子パターンは、マスクパターンが延びる方向と垂直な方向にダイポール（dipole）のポール（pole）軸が配置される効果を誘導し、マスクパターンのエッジ（edge）に１次光（又は−１次光）が入射する効果を導き出すことができる。従って、直交座標系でＹ軸に延びるライン及びスペースパターンに垂直なX軸方向にダイポールのポール軸が配置されたのと同じ解像力改善効果が、斜線パターンに対して有効に具現されることができ、露光工程マージン（process margin）を改善することができる。これにより、別の変形照明系を取り込まずに、コンベンショナル照明（conventional illumination）を取り込んだ露光過程においても、斜線パターンに対する精度のパターン転写が可能である。その結果、斜線パターンに適合する別の変形照明系を開発する時間及び費用を節減でき、半導体素子の生産性増大を図ることができる。

図１〜図１２は、本発明の実施例による背面位相格子マスク及びその製造方法を説明するための図である。

図１を参照すると、ＤＲＡＭ素子の６Ｆ^２セル配置方式での活性領域を開く斜線パターン１００のレイアウトは、直交するワードライン及びビットラインに対して一定角度回転した斜線方向に延びるライン（line）又は長方形パターンに設計される。ワードライン及びビットラインは、Ｘ−Ｙ直交座標系の軸方向に並んで設定されるので、斜線パターン１００の方向は、Ｘ軸やＹ軸に対して一定角度傾いた方向に延びるように設計される。このような斜線パターン１００を露光装備を用いてパターン転写する時、ダイポール照明系のような変形照明系はＹ軸（又はＸ軸）方向に１対のポール（pole）が配置された形態で備えられるが、斜線パターン１００のエッジ（edge）がこれに直交するＸ軸（又はＹ軸）に延びることができないので、１次光による解像力改善効果が半減する。

このような変形照明系による解像力改善効果をマスク自体で具現するために、図２に提示するように斜線方向に延びるライン形状の位相格子２００を設計する。位相格子２００は、ライン形状の第１位相領域２０１と第２位相領域２０３とが交互に配置されるように設定する。この時、第１位相領域２０１及び第２位相領域２０３は、斜線パターン１００と同一な方向に延びるライン形状に設定する。また、第１位相領域２０１及び第２位相領域２０３のそれぞれを通る光が相互位相干渉を起こすことによって、０次光を消滅させ、１次光又は−１次光が進行するように、第１位相領域２０１及び第２位相領域２０３は、１８０°位相差を持つように０°位相領域又は１８０°位相領域に設定される。

図１の斜線パターン１００のレイアウトと図２の位相格子２００のレイアウトを、図３に提示したように、石英のような透明な基板３００の前面及び背面にそれぞれパターンとして具現する。基板３００の前面に、クロム（Ｃｒ）遮光パターン又はモリブデン（Ｍｏ）合金位相反転層パターン（phase shifter）でマスクパターン３１０を形成する。マスクパターン３１０は、図１の斜線パターン１００のレイアウトに従って形成される。基板３００の背面に、背面表面領域として設定される第１位相領域３２１と、これを設定するトレンチ（trench）である第２位相領域３２３と、を含む位相格子パターン３２０を、図２の位相格子２００のレイアウトに従って形成する。

第１位相領域３２１及び第２位相領域３２３の幅を含む格子ピッチＰ_Ｇは、マスクパターン３１０の幅及び離間幅を含むパターンピッチＰ_ｃの２倍に設定される。このようなピッチ倍数は、基板３００の厚さを考慮して異なって設定しても良いが、露光結果イメージのコントラスト（contrast）を考慮する時、２倍に設定することが有効である。位相格子パターン３２０を構成する第１位相領域３２１と第２位相領域３２３は、位相干渉のために１８０°位相差を持つように形成される。このために、トレンチとして形成される第２位相領域３２３は、表面と１８０°の位相差を誘発する深さで形成される。

このようなマスクは、背面に設けられた位相格子パターン３２０によって変形照明をマスクパターン３１０に提供することができる。位相格子パターン３２０に入射する露光光源がコンベンショナル照明（conventional illumination）である場合、位相格子パターン３２０によって、入射した光は位相干渉を起こし、これにより、０次光は干渉消滅され、＋１次光や−１次光が基板３００の内部を進行する。従って、マスクパターン３１０には実質的に１次光（又は−１次光）が入射する効果が導かれる。これは、変形照明系を導入した斜入射照明（ＯＡＩ：Off Axis Illumination）と実質的に同様な効果である。

本発明の実施例によるマスク３００を用いた露光過程は、別の変形照明系の導入を排除し、コンベンショナル照明のみを用いるにもかかわらず、変形照明によるパターン転写解像力改善効果を得ることができる。これにより、斜線パターン（図１の１００）に適合する別のアパーチャ（aperture）で変形照明系を開発して露光装備に装着する過程を省くことができ、様々な形態の斜線パターン１００をより精度にウエハ（wafer）上にパターン転写することができる。

図４ａは、様々な変形照明系を採用した場合、ライン及びスペース形態のパターンに対して露光シミュレーション（simulation）した結果を示すグラフである。図４ａを参照すると、本発明の実施例による位相格子パターン３２０の導入時に、ダイポール（dipole）照明系の導入効果に近接する効果が得られることがわかる。レンズ（lens）半径の０．８倍に位置する円形投光部を持つ円形照明系（circular illumination）を用いた露光シミュレーション第１結果４０１は、デフォーカス（defocus）の増加によって急激なコントラスト比（ratio）の減少を見せている。これに比べて、位相格子パターン３２０を導入し、コンベンショナル照明系を用いた露光シミュレーション第２結果４０３と、レンズ半径の０．６倍〜０．８倍の位置に投光部がポール（pole）の形態で対として設けられるダイポール照明系を用いた露光シミュレーション第３結果４０５は、互いに類似な形態を示し、いずれも、第１結果４０３に比べてより高いコントラスト比を見せている。

このようなシミュレーション結果は、図４ｂに提示されたように、斜線パターン１００が、Ｘ−Ｙ直交座標系の軸方向ではなく斜線方向４１１に延びる時、このような斜線パターン１００のエッジ（edge）に垂直な方向４１３にポール４１２が配置される斜線方向のダイポール照明系４１０が導入される効果を、本発明の実施例によるマスクが有効に導き出すことができるということを示している。

図３に提示されたマスクは、図５に提示されたように、直方形の平板状マスク５３０とすることができる。図５及び図６を参照すると、マスクパターン（図３の３１０）が配置されたチップ（chip）領域又はマスク領域５１０の外周よりも、位相格子パターン（図３の３２０）の配置された格子領域５２０が更に広く設定されることが有効である。これは、マスク領域５１０の外周側から内側に流入するストレイ（stray）光５６０が０次光を含んでいる場合、位相格子領域５２０から提供される１次光によるパターン解像力改善効果が半減する恐れがあるためである。即ち、ストレイ光５６０によってマスク領域５１０境界部分のマスクパターン３１０のパターン転写の解像度が劣化する可能性がある。そのため、位相格子領域５２０がマスク領域５１０に比べてより広い領域に配置されるようにし、ストレイ光による部分的な解像力低下現象を抑制する。この時、マスク領域５１０の外周に到達できるストレイ光の発生位置及び平板状マスク５３０の厚さを考慮して、格子領域５２０は、マスク領域５１０に比べて略８００μｍ〜１０００μｍの拡張幅５０１を持つように配置する。

本発明の実施例による位相格子パターン（図３の３２０）は、斜線パターン（図１の１００）に従うマスクパターン３１０が位置する領域にのみ選別して配置されても良い。図７を参照すると、斜線パターン１００に従う第１マスクパターン７１１を含む第１領域７２１と直交座標系の軸方向に延びる垂直パターン（vertical pattern）の第２マスクパターン７１２を含む第２領域７２３が、一つのマスク７００に備えられることができる。この時、位相格子パターンは、第１領域７２１にのみ選別して配置されるようにする。これにより、斜線パターン（１００）に従う第１マスクパターン７１１に対して変形照明による解像力改善を誘導し、また、このような変形照明による効果が解像力を半減させたり又はパターン移動を招く可能性のある垂直パターンの第２マスクパターン７１２を含む第２領域７２３には、位相格子パターン（７２１）による変形照明効果が排除されるようにする。第２マスクパターン７１２は、垂直パターンの他に、水平パターンやホール（hole）パターンを含むことができる。

このような本発明の実施例による図３のマスクを製作するために、図８に提示されたように、基板８００の前面にマスクパターン８１０を形成する。このマスクパターン８１０は、図１の斜線パターン１００のレイアウトに従ってマスク層蒸着、電子ビームリソグラフィ（E-beam lithography）及び選択的エッチング過程などで形成される。

図９を参照すると、マスクパターン８１０が形成された基板８００の背面上に下部反射防止層（ＢＡＲＣ：Bottom Anti Reflective Coating）８３０を形成する。この下部反射防止層８３０は、フォトレジスト層８４０の現像時に共に現像除去されうる溶解性下部反射防止層（soluble BARC）で形成される。

下部反射防止層８３０の導入によって、続いて塗布されるフォトレジスト層８４０との界面特性が改善され、接着性（adhesion）が向上することができる。石英の基板８００の表面にフォトレジスト層８４０が直接塗布される場合、石英とフォトレジストとの界面接着性が悪いため、フォトレジスト層８４０の浮きのような不良につながる。このような界面不良は、下部反射防止層８３０により改善されることができる。また、フォトレジスト層８４０の露光時に乱反射抑制によるパターン解像力の改善を図ることができる。

図１０に示すように、フォトレジスト層８４０を露光する過程を行なう。この時、フォトレジスト層８４０に位相格子（図２の２００）のレイアウトを用いる電子ビーム露光過程を行なうことができるが、マスク製作の度に電子ビーム露光過程を行なうと相当な時間と費用が消耗される。そのため、フォトレジスト層８４０を露光する過程は、位相格子パターン（図３の３２０）のレイアウトが投光領域８５１及び遮光領域８５２で構成された母マスク（mother mask）８５０を導入する光学的露光過程とすることができる。母マスク８５０をマスク製造過程であらかじめ製作した後、この母マスク８５０をステッパー（stepper）露光装備に装着して露光過程を行なう。このような光学的露光過程の導入により、マスク製作にかかる時間及び費用を低減させることができる。

図１１を参照すると、露光されたフォトレジスト層（図１０の８４０）を現像して、フォトレジストパターン８４１を形成する。フォトレジストパターン８４１の現像により露出される反射防止層（図１０の８３０）部分は、溶解性ＢＡＲＣで下部反射防止層８３０が形成されているため、現像液により溶解されて除去されることができる。これにより、フォトレジストパターン８４１の現像時に、反射防止層パターン８３１の現像パターニングが共に行なわれることができる。

図１２を参照すると、フォトレジストパターン８４１の現像により露出された基板８００の背面部分を選択的にエッチングして、トレンチ８２１を形成する。トレンチ８２１は、第２位相領域（図２の２０３）として用いることができ、トレンチ８２１により設定される基板８００の背面表面領域８２３は、第１位相領域（図２の２０１）として用いることができる。

このような本発明の実施例によるマスクは、マスク自体に変形照明を提供する位相格子パターン（図３の３２０）を備え、斜線パターンのマスクパターン（図３の３１０）にダイポール照明と同様な変形照明を提供することができる。従って、別の変形照明のためのアパーチャを開発する過程を排除することができ、フォトリソグラフィ過程の生産性を増大させることができる。

１００ 斜線パターン
２００ 位相格子
２０１、３２１ 第１位相領域
２０３、３２３ 第２位相領域
３００ 基板
３１０、８１０ マスクパターン
３２０ 位相格子パターン
４１２ ポール
４１０ ダイポール照明系
５３０ 平板状マスク
５１０ マスク領域
５２０ 格子領域
５６０ ストレイ光
７００ マスク
７１１ 第１マスクパターン
７１２ 第２マスクパターン
７２１ 第１領域
７２３ 第２領域
８００ 基板
８２１ トレンチ
８２３ 背面表面領域
８３０ 下部反射防止層
８３１ 反射防止層パターン
８４０ フォトレジスト層
８４１ フォトレジストパターン
８５０ 母マスク
８５１ 投光領域
８５２ 遮光領域

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の前面に、直交座標系の軸から一定方向に回転した方向に延びる斜線パターンのレイアウト（layout）に従って形成されたマスクパターンと、
   前記基板の背面に、前記マスクパターンの延長方向に並ぶ方向に延びたライン（line）形態の位相格子と、
   を含むことを特徴とするマスク。
2. 前記斜線パターンは、６Ｆ^２セル配置方式での活性領域（active region）のレイアウトに従って設定されたことを特徴とする請求項１に記載のマスク。
3. 前記位相格子は、
   前記基板に入射する露光光の０次光を消滅させ、１次光が前記マスクパターンに入射するようにする位相干渉を誘導するように、前記基板の背面に、相互１８０°の位相差を持つようにライン（line）形態で交互に配置された第１位相領域及び第２位相領域を含むことを特徴とする請求項１に記載のマスク。
4. 前記第１位相領域は、前記基板背面の表面に対して前記１８０°の位相差を提供する深さのトレンチ（trench）を含み、前記第２位相領域は、前記トレンチによって設定される前記基板背面の表面領域であることを特徴とする請求項３に記載のマスク。
5. 前記第１位相領域及び前記第２位相領域の幅を含む格子ピッチ（pitch）は、前記マスクパターンの幅及び離間幅を含むパターンピッチの２倍に設定されたことを特徴とする請求項３に記載のマスク。
6. 前記位相格子は、前記マスクパターンが配置された領域の外周よりも８００μｍ〜１０００μｍ更に拡張された領域に配置されたことを特徴とする請求項３に記載のマスク。
7. 基板と、
   前記基板の前面に、直交座標系の軸から一定方向に回転した方向に延びる斜線パターンのレイアウト（layout）に従って形成された第１マスクパターンを含む第１領域と、
   前記直交座標系の軸方向に延びる第２マスクパターンを含む第２領域と、
   前記第１領域に対応する前記基板の背面領域に選択的に形成され、前記マスクパターンの延長方向に並ぶ方向に延びたライン（line）形態の位相格子と、
   を含むことを特徴とするマスク。
8. 基板の前面に、直交座標系の軸から一定方向に回転した方向に延びる斜線パターンのレイアウト（layout）に従ってマスクパターンを形成する段階と、
   前記基板の背面に、前記マスクパターンの延長方向に並ぶ方向に延びたライン（line）形態の位相格子を形成する段階と、
   を含むことを特徴とするマスク製造方法。
9. 前記位相格子を形成する段階は、
   前記基板の背面にフォトレジストパターンを形成する段階と、
   前記フォトレジストパターンにより露出された前記基板の背面に選択的エッチングを行い、前記基板背面の表面に対して１８０°の位相差を提供する深さのトレンチ（trench）を形成する段階と、
   を含むことを特徴とする請求項８に記載のマスク形成方法。
10. 前記フォトレジストパターンを形成する段階は、
    前記基板の背面上に反射防止層を形成する段階と、
    前記反射防止層上にフォトレジスト層を塗布する段階と、
    前記位相格子のパターンレイアウトを持つ母マスク（mother mask）を製作する段階と、
    前記母マスクを用いて前記フォトレジスト層の一部を選択的に露光及び現像する段階と、
    を含むことを特徴とする請求項９に記載のマスク形成方法。

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