JP2012059875A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最終的に半導体基板上に形成されるパターンの寸法精度と位置精度を悪化させることのないパターン形成方法及び該方法により形成されるフォトマスクを提供する。
【解決手段】半導体基板に１回目の露光でパターンを形成し、１回目の露光でパターンが形成されていない抜き部分に２回目の露光でパターンを形成するパターン形成方法であって、１回目のパターンを形成するための１回目の露光用パターン１２と２回目のパターンを形成するための２回目の露光用パターン１３とを単一の透明基板１１に形成してなるフォトマスク１７を設け、このフォトマスク１７を用いて半導体基板に１回目と２回目のパターンを形成する際に１回目の露光の条件と２回目の露光の条件と異ならせる。これにより、片方のパターンを優先的に露光する上での手法を有利にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板のパターン形成方法に関し、特に単一のフォトマスクを利用して１回目の露光でパターンを形成し、更に１回目の露光でパターンが形成されていない部分に２回目の露光でパターンを形成して、パターン間の距離を縮小する半導体回路作製方法として有効なパターン形成方法に関するものである。

近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）等の半導体デバイスの高集積化に伴って、回路パターンの更なる微細化が進んでいる。このような微細な回路パターンを実現するためには、回路を構成する配線パターンやコンタクトホールパターンの細線化が要求されている。これらのパターニングは、一般にフォトマスクを用いた光露光により形成されるため、原版となるフォトマスクパターンも微細かつ高精度で形成する技術が求められている。

回路パターンの微細化の手法としては、一般に、露光光源の短波長化が行われている。具体的には、従来は、ｇ線、ｉ線に代表される紫外線が用いられていたが、現在では、ＫｒＦエキシマレーザーやＡｒＦエキシマレーザーが半導体素子の量産に使用されている。更なる短波長化として、Ｆ_２エキシマレーザーが候補に挙がったが、露光機のコストアップ、ハードペリクル導入に伴う光学系の変更、レジスト膜のエッチング耐性低下等の種々問題により、導入は先送りとされ、ＡｒＦエキシマレーザーの延命が試みられている。

ＡｒＦエキシマレーザーの延命手段としては、投影レンズと半導体基板の間に水を含浸させる液浸露光が挙げられる。ＡｒＦエキシマレーザーにおける水の屈折率は１．４４であり、ＮＡ（開口数）１．０以上のレンズを使ってもパターン形成が可能で、理論上はＮＡを１．４４近くにまで上げることができる。現在では、ＮＡ１．３５レンズを用いた液浸露光によりハーフピッチ４５ｎｍ以降のパターンを形成することが可能となっている（例えば、非特許文献１）。

しかし、ＮＡ１．３５レンズを使った液浸露光で形成できるパターンの理論限界値はハーフピッチ３８ｎｍであり、それ以降には到達できない。そこで更にＮＡを高めるために水よりも高屈折率の材料の開発が行われているが、透過率、粘度、温度変化に伴う屈折率変化、マイクロバブルなどの問題をクリアし半導体素子の量産に耐えうる高屈折率の材料は未だ見つかっていない。

ここで注目をあびているのは、１回目の露光でパターンを形成し、２回目の露光で１回目の露光でパターンが形成されていない抜き部分にパターンを形成して、パターン間の距離を縮小するダブルパターニング方法である。１回目と２回目の露光はそれぞれ独立して行い、パターンを交互に形成するため、この手法により形成できるパターンの限界値は、理論上、１回露光の限界値の半分にすることができる（例えば、非特許文献２）。

ダブルパターニングの方法としては多くのプロセスが提案されている。例えば、１回目の露光と現像でレジストパターンを形成し、ドライエッチングで下層のハードマスクを加工し、その上にレジスト膜を塗布し、２回目の露光と現像で１回目の露光のパターンが形成されていないハードマスクの抜き部分にレジストパターンを形成し、ハードマスクの更に下層の膜をドライエッチングで加工する方法がある。また、１回目の露光と現像でレジストパターンを形成し、化学的または物理的な処理により、このレジストパターンをフリーズ（次に塗布するレジストの溶剤及び現像液に対して実質的に不溶化）し、その上にレジスト膜を塗布し、２回目の露光と現像で１回目の露光のパターンが形成されていないハードマスクの抜き部分にレジストパターンを形成し、下層の膜をドライエッチングで加工する方法がある。いずれの方法においても、１回目の露光で形成されるパターンの原版となるフォトマスクと２回目の露光で形成されるパターンの原版となるフォトマスクの２枚が必要となる（例えば、特許文献１及び２）。

ここで問題となるのは、１枚目（１回目露光用）のフォトマスクと２枚目（２回目露光用）のフォトマスクとの間のパターン寸法精度と位置精度の誤差である。
一般に、ドーズ等の露光条件を調整することで、半導体基板上のレジストパターンの寸法は調整することができる。したがって、１枚目と２枚目のフォトマスクのパターン寸法が異なっても、チップ内のある一箇所においては、１回目露光と２回目露光のレジストパターン寸法を同一にすることができる。しかし、１枚目のフォトマスクのパターン寸法のマスク面内分布が、２枚目のそれと異なる場合、チップ内全領域において１回目露光と２回目露光のレジストパターン寸法が同一となるように露光条件を調整するのは非常に困難である。また同様に、１枚目と２枚目のフォトマスクのパターン位置精度の誤差も問題となる。チップ内のある一箇所において、１回目露光と２回目露光のレジストパターンの位置関係が所望の値となるようにすることは、露光装置のアライメントを調整することで可能である。しかし、１枚目のフォトマスクのパターン位置のマスク面内分布が、２枚目のそれと異なる場合、チップ内全領域において１回目露光と２回目露光のレジストパターンの位置関係が所望の値となるように露光装置のアライメントを調整することは非常に困難である。

マスク間の寸法精度の誤差原因は種々ある。パターン寸法はマスク内のパターン占有率に影響を受ける。したがって、１枚目と２枚目とでパターンのレイアウトが異なれば、パターン寸法にも差が生じる。それ以外にも、レジスト感度のばらつき、描画装置のばらつき、エッチング装置のばらつきなどによってもパターン寸法に差が生じる。

また、フォトマスク間の位置精度の誤差原因も種々ある。第一には、描画装置のばらつきが挙げられる。描画装置のステージ精度が悪ければ、マスク面内でのパターン位置にばらつきが生じる。また、描画装置は電子ビームを使用するため、ビーム打ち込みによりレジストがチャージし、このチャージにより次に打つ電子ビームが曲げられて想定からずれた場所にパターンが形成されてしまうことがある。レジストのチャージ量はマスク内のパターン占有率に影響を受けるため、１枚目と２枚目とでパターンのレイアウトが異なれば、位置精度にも差が生じる。現在、描画装置メーカーがこれらの問題の改善に取り組んでいるが、ハーフピッチ２２ｎｍのダブルパターニングに要求される位置精度を満たせる描画装置は未だ無い。第二に、フォトマスクの平坦度のばらつきが挙げられる。仮に、凸状に歪んだ１枚目のフォトマスクと、凹状に歪んだ２枚目のフォトマスクをダブルパターニングすると、パターン同士の位置関係がずれてしまう。フォトマスクに用いるブランクは完全に平坦ではない。したがって、平坦度の異なるブランクを用いれば、作製されるフォトマスクの平坦度も異なる。また、ブランクには、遮光膜や位相シフト膜やハードマスクが積層されているが、これらの膜の応力が異なれば、作製されるフォトマスクの平坦度も異なる。

Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．５０４０ ｐ７２４ Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．５９９２ ｐ５５７（２００５）

特開２００８−３３１７４号公報 特開２００６−１８０９５号公報

上述したように、１回目の露光でパターンを形成し、２回目の露光で１回目の露光のパターンが形成されていない抜き部分にパターンを形成して、パターン間の距離を縮小するダブルパターニングでは、１回目と２回目の露光で形成されるパターンの原版となるフォトマスクがそれぞれ必要となり、この２枚のフォトマスク間に生じたマスクパターンの寸法精度と位置精度のずれが、最終的に半導体基板上に形成されるパターンの寸法精度と位置精度を悪化させることになる。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、最終的に半導体基板上に形成されるパターンの寸法精度と位置精度を悪化させることのないパターン形成方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたもので、請求項１の発明は、半導体基板に１回目の露光でパターンを形成し、前記１回目の露光でパターンが形成されていない前記半導体基板の抜き部分に２回目の露光でパターンを形成するパターン形成方法であって、前記１回目のパターンを形成するための１回目の露光用パターンと前記２回目のパターンを形成するための２回目の露光用パターンとを単一の透明基板に形成してなるフォトマスクを設け、前記フォトマスクを用いて前記半導体基板に前記１回目と２回目のパターンを形成する際に前記１回目の露光の条件と前記２回目の露光の条件と異ならせていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のパターン形成方法において、前記１回目の露光用パターンと前記２回目の露光用パターンは、１つの同じパターンで形成されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載のパターン形成方法において、前記１回目の露光用パターンと前記２回目の露光用パターンは、前記フォトマスク上での位置関係が、前記露光により前記半導体基板に形成されるパターンと同一ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のパターン形成方法において、前記１回目の露光用パターンと前記２回目の露光用パターンは、互いの光近接効果に伴う歪みの影響を予め見込んで補正する光学近接効果補正処理が施されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載のパターン形成方法において、前記１回目の露光の条件及び前記２回目の露光の条件は、前記半導体基板上のレジストの種類または膜厚もしくはＮＡ（開口数）、フォーカス、ドーズ、露光に際し入射する光の向き及び角度、偏光、収差、投影レンズと前記半導体基板の間に空気とは屈折率の異なる材料を介在させることである。

請求項６の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載のパターン形成方法において、前記１回目の露光用パターンと前記２回目の露光用パターンの寸法、前記透明性基板に対する透過率及び前記透明性基板に対する位相差の少なくとも１つが異なることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至５の何れか１項に記載のパターン形成方法において、前記フォトマスクは、位相シフトマスクとバイナリマスクのいずれか一方を構成することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項５または６記載のパターン形成方法において、前記位相シフトマスクは、前記透明基板の一方の面に積層状態に形成され、前記１回目の露光用パターン及び前記２回目の露光用パターンがパターニングされる遮光膜と位相シフト膜を有し、前記遮光膜または前記位相シフト膜の少なくとも一部を除去することにより、前記１回目の露光用パターンと前記２回目の露光用パターンの透明性基板に対する透過率または位相差に変化を加えることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項５または６記載のパターン形成方法において、前記バイナリマスクは、前記透明基板の一方の面に積層状態に形成され、前記１回目の露光用パターン及び前記２回目の露光用パターンがパターニングされる遮光膜を有し、前記遮光膜の少なくとも一部を除去することにより、前記１回目の露光用パターンと２回目の露光用パターンの透明性基板に対する透過率に変化を加えることを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項７または８記載のパターン形成方法において、前記遮光膜または位相シフト膜の少なくとも一部を除去する方法は、フォトマスク上にレジストを塗布し、描画と現像処理によりレジストパターンを形成し、レジストパターンに沿って下層の膜をエッチング処理し、レジストを剥膜した後、第２のレジストを塗布し、除去する位相シフト膜または遮光膜上にはレジストがなく、且つ除去しない遮光膜または位相シフト膜上にはレジストがあるように描画と現像によりレジストパターンを形成し、エッチング処理により所望の箇所の遮光膜または位相シフト膜を除去する工程を含むことを特徴とする。

本発明では、ダブルパターニングにおける1回目露光用パターンと２回目露光用パターンを原版となる１つのフォトマスク上に形成する。したがって、従来は２枚必要であったフォトマスクが1枚となり、レジスト感度、描画装置、エッチング装置、平坦度、膜応力等のマスク間のばらつきに起因する寸法精度及び位置精度の誤差が生じない。また、フォトマスク上の１回目露光用パターンと２回目露光用パターンは同一もしくは互いに近接するパターンであることにより、その位置関係を最終的に半導体基板上に配置されるパターンの位置関係と同一にすることができる。したがって、半導体基板上で近接するパターンはマスク上でも近接しているため、パターン占有率、レジスト感度、描画機のステージ精度、平坦度、膜応力等のマスク面内分布に起因する寸法精度と位置精度の誤差が半導体基板上で近接するパターン間で生じない。

(ａ)は本発明にかかるパターン形成方法により形成された位相シフトマスクの一例を示す概略平面図であり、（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂに沿う概略断面図である。 図１に示す位相シフトマスクを本発明のパターン形成方法により形成する場合の工程手順を示す説明用の概略断面図である。 本発明のパターン形成方法による位相シフトマスクを用いて半導体基板上にダブルパターニングでパターンを形成する場合の工程手順を示す説明用の概略断面図である。 (ａ)は本発明のパターン形成方法により形成するバイナリマスクの一例を示す概略平面図であり、（ｂ）は図４（ａ）のｂ−ｂに沿う概略断面図である。

（実施の形態１）
以下、本発明にかかるパターン形成方法及びこれに用いられるフォトマスクである位相シフトマスクの実施の形態について、図１を参照して詳細に説明する。
本実施の形態に示す位相シフトマスク１7は、図１に示すように、透明基板１１の上面に、１回目の露光用パターン１２と２回目の露光用パターン１３が交互に配設されている。１回目の露光用パターン１２には、露光の際に２回目の露光用パターン１３からの光近接効果に伴う歪みの影響を予め見込んで光学近接効果補正処理（ＯＰＣ）を施すことにより補正パターン１４が付加されている。１回目の露光用パターン１２は位相シフト膜１５をマスクパターンに沿って露光し現像することで形成される。また、２回目の露光用パターン１３は位相シフト膜１５の上に遮光膜１６を形成した２層構造からなり、位相シフト膜１５と遮光膜１６をマスクパターンに沿って露光し現像することで形成される。

１回目の露光用パターン１２と２回目の露光用パターン１３から成るパターンのラインとスペースを合わせたピッチは、ＮＡ１．３５レンズを用いた液浸露光によるダブルパターニングが検討されている半導体基板上の寸法である７６ｎｍ（マスク上の寸法では３０４ｎｍ）以下であることが望ましい。
また、１回目の露光用パターン１２は、遮光膜１６が残っている２回目の露光用パターン１３に比べて、遮光性が弱い。したがって、１回目の露光と２回目の露光とで半導体基板上同一の寸法を狙う場合、１回目の露光用パターン１２の寸法は、２回目の露光用パターン１３の寸法に比べて大きいことが望ましく、好ましくは半導体基板上の寸法で４ｎｍ（マスク上の寸法では１６ｎｍ）以上である。

透明基板１１に対する特別な制限はなく、石英ガラスやＣａＦ_２あるいはアルミノシリケートガラスなどが一般的である。

位相シフト膜１５としては、珪素酸化物、珪素窒化物、もしくは珪素酸窒化物を主成分とする珪素系化合物に金属を含有させたものであり、含有量の比率と膜厚を適宜選択することで露光波長に対する透過率と位相差を調整することができる。透過率の値としては、最終的なフォトマスク作製終了時に２％以上乃至４０％以下であり、位相差の値としては、最終的なフォトマスク作製終了時に１７０度以上乃至１９０度以下であることが一般的である。これらの値は露光するパターンや条件により適宜選択される。

遮光膜１６としては、クロム酸化物、クロム窒化物、もしくはクロム酸窒化物を主成分とする金属化合物膜又はクロムを主成分とする金属膜もしくは合金膜であり、炭素やフッ素などの非金属元素が含有されてもよい。遮光膜の膜厚は３０ｎｍ以上乃至１２０ｎｍ以下であり、この値は、露光波長に対する透過率が下層の位相シフト膜を含めて０．１％以下になるように選択することが好ましい。また、遮光膜１６は、複数の異なる組成のクロムを含む膜を積層させて反射防止層とするようにしてもよい。

次に、位相シフトマスク１７の製造方法について、図２を参照して説明する。
図２（ａ）は、位相シフトマスク１７を構成する透明基板（ブランク）１１の上面に形成された位相シフト膜１５上に遮光膜１６を介してレジスト膜１８が形成された状態を示している。
なお、レジスト材料としては、ポジ型レジストでもネガ型レジストでも用いることができるが、高精度パターンの形成を可能とする電子ビーム描画用の化学増幅型レジストを用いることが好ましい。

図２（ｂ）は、レジスト膜１８に対し、描画を施し、その後に現像処理を行い、レジストパターン１９を形成する工程を示す。この場合の描画は、光露光による方法もあるが、一般には、電子ビーム露光による方法が採用される。例えば、レジストとして化学増幅型のもの使用する場合、電子ビームのエネルギー密度は３〜４０μＣ／ｃｍ^２の範囲であり、この描画の後に加熱処理および現像処理を施してレジストパターン１９を得る。

図２（ｃ）は、レジストパターン１９に沿って遮光膜１６と位相シフト膜１５をドライエッチングにてパターニングし、１回目の露光用パターン１２に対応するパターン１５ａと、２回目の露光用パターン１３に対応するパターン１６ａとを形成するための工程を示す。遮光膜１６のドライエッチングは酸素含有塩素系（Ｃｌ／Ｏ）系）であり、位相シフト膜１５のドライエッチングはフッ素系（Ｆ系）で行うのが一般的であり、ヘリウムや窒素などの不活性ガスを混合しても良い。
図２（ｄ）は、レジストパターン１９に沿ってドライエッチングにてパターニングされた後の図２（ｃ）に示す残存レジストパターン１９を剥離除去し、洗浄する工程を示す。レジストパターン１９の剥離除去はドライエッチングにより行うことも可能であるが、一般には剥離液によるウェットエッチングにより剥離する。

図２（ｅ）は、残存レジストパターン１９を剥離除去し、洗浄した後のパターン１５ａ及び１６ａの露出表面と、パターン１５ａ及び１６ａの形成箇所を除く透明基板１１の露出上面が覆われるようにレジスト膜２０を新たに塗布する工程を示す。レジスト材料としては、図２（ａ）と同様に、ポジ型レジストでもネガ型レジストでも用いることができるが、高精度パターンの形成を可能とする電子ビーム描画用の化学増幅型レジストを用いることが好ましい。

図２（ｆ）は、レジスト膜２０に対し、描画を施し、その後に現像処理を行い、遮光膜１６を残したい箇所、すなわち２回目の露光用パターン１３が形成される箇所はレジストで覆われるように、且つ遮光膜１６を除去したい箇所、すなわち１回目の露光用パターン１２が形成される箇所はレジストで覆われないように、レジストパターン２１を形成する工程を示す。描画条件、現像条件は、図２（ｂ）と同様である。

図２（ｇ）は、レジストパターン２１に覆われていない箇所の遮光膜１６を除去し、１回目露光用パターン１２を形成する工程を示す。遮光膜１６を除去する方法としては、剥離液によりウェット剥離する方法もあるが、図２（ｃ）と同様に、酸素含有塩素系（（Ｃｌ／Ｏ）系）でドライエッチングする方法が一般的である。

図２（ｈ）は、遮光膜１６を除去した後の残存レジストパターン２１を剥離除去し、洗浄して、２回目の露光用パターン１３を形成する工程を示す。この場合の剥離除去の方法は、図２（ｄ）と同様である。
以上のように図２（ａ）〜図２（ｈ）に示す各工程を経ることにより、図１に示す位相シフトマスクが完成する。

このように本実施の形態におけるパターン形成方法及びフォトマスクによれば、従来における１回目露光用のフォトマスクと２回目露光用のフォトマスクの寸法精度と位置精度の誤差の半導体基板への影響を回避するためになされたもので、ダブルパターニングにおける1回目の露光用パターンと２回目の露光用パターンが原版となる１つのフォトマスク上に形成できる。

また、本発明の実施の形態では、１つのフォトマスク上に形成される１回目の露光用パターンと２回目の露光用パターンを同一としても良い。この場合、１回目と２回目の露光条件を変更することで片方のパターンを優先的に解像させることができる。例えば、露光装置のフォーカスを変更することにより、フォトマスク上のラインとスペースを抜けてくる光の強度差を逆転させることができる。これにより、同一のパターンを用いて１回目の露光でパターンが形成されていない１回目の露光用パターンの抜き部分に２回目の露光で２回目の露光用のパターンを形成することができ、しかも、フォトマスク上の１回目の露光用パターンと２回目の露光用パターンの位置関係を最終的に半導体基板上に配置されるパターンの位置関係と同一にすることができる。

上述のパターン形成方法は、単純なラインやホールの繰り返しパターンにおいて有効である。ただし、１回目の露光用パターンと２回目の露光用パターンの形状、長さ、位置関係が単一でない場合は、フォトマスク上の１回目の露光用パターンと２回目の露光用パターンを別のパターンとして配置することが望ましい。
この場合、１回目の露光用パターンと２回目の露光用パターンは、露光の際に相互に影響を及ぼしあうので、互いの光近接効果に伴う歪みの影響を予め見込んで補正する光学近接効果補正処理（ＯＰＣ：Optical Proximity Correction）を施すことが望ましい。
また、露光条件の変更のみではなく、１回目の露光用パターンと２回目の露光用パターンとの間で、これらの寸法、露光用光の透明基板に対する透過率及び透明基板に対する位相差等を変更することが、片方のパターンを優先的に露光する上で有利である。

フォトマスクにおいて、１回目の露光用パターンと２回目の露光用パターンとで透明基板に対する透過率を変更する手段としては、例えば、遮光膜の一部あるいは全てを除去する方法がある。遮光膜を除去する前にレジストを塗布し、除去する遮光膜上にはレジストがなく、且つ除去しない遮光膜上にはレジストがあるように描画と現像によりレジストパターンを形成し、エッチング処理により所望の箇所の遮光膜を除去する。これにより、透明基板に対する透過率を変更することが可能となる。

（実施の形態２）
次に、位相シフトマスクを用いて半導体基板上にダブルパターニングでパターンを形成する場合について、図２を参照して説明する。
図３（ａ）は、半導体基板３１の上に層間絶縁膜３２、ハードマスク３３が順次積層され、ハードマスク３３の上にフォトレジスト膜３４が形成されている状態を示す。ハードマスク３３はシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等が用いられる。なお、ハードマスク３３とフォトレジスト膜３４の間には反射防止膜を形成することもあるが、図３（ａ）においては省略されている。

図３（ｂ）は、露光装置により、位相シフトマスク１７の１回目の露光用パターン１２をフォトレジスト膜３４に転写し、その後現像することでレジストパターン３５を形成する工程を示す。１回目の露光用パターン１２を露光する条件は、２回目の露光用パターン１３がフォトレジスト膜３４に転写されない条件であれば良い。例えば、ＮＡ１．３５レンズ、液浸露光、ダイポール照明、ＴＥ偏光、ジャストフォーカスが好ましい。また、例えば、ＮＡ１．３５レンズ、液浸露光、クロスポール照明、ＴＥ偏光、ジャストフォーカスが望ましい。

次に、図３（ｃ）は、レジストパターン３５に沿ってハードマスク３３をドライエッチングにてパターニングし、１回目の露光用パターン１２に対応するハードマスクパターン３３ａを生成する工程を示す。ハードマスク３３のドライエッチングはハロゲン化炭素等で行うのが一般的である。
図３（ｄ）は、レジストパターン３５に沿ってドライエッチングにてパターニングされた後の図３（ｃ）に示す残存レジストパターン３５を剥離除去し、洗浄する工程を示す。

図３（ｅ）は、残存レジストパターン３５を剥離除去し、洗浄した後のパターン３３ａの露出表面及びパターン３３ａの形成箇所を除く層間絶縁膜３２の露出上面が覆われるようにフォトレジスト膜３６を新たに塗布する工程を示す。なお、ハードマスク３３とフォトレジスト膜３６の間には反射防止膜を形成することもあるが、図３（ｅ）においては省略されている。

図３（ｆ）は、露光装置により、位相シフトマスク１７の２回目の露光用パターン１３をフォトレジスト膜３６に転写し、その後現像することでレジストパターン３７を形成する工程を示す。２回目の露光用パターン１３を露光する条件は、１回目の露光用パターン１２がフォトレジスト膜３６に転写されない条件であれば良い。例えば、ＮＡ１．３５レンズ、液浸露光、クロスポール照明、ＴＥ偏光、マイナスフォーカス（半導体基板面がレンズから離れる方向）が望ましく、好ましいフォーカスは、−２５０ｎｍ以上乃至−１００ｎｍ以下である。また、１回目の露光と２回目の露光でフォトレジストの種類をポジ型レジストからネガ型レジストへ、または、ネガ型レジストからポジ型レジストへ変更する場合、ＮＡ１．３５レンズ、液浸露光、４５度クウェーサー照明、ＴＥ偏光、プラスフォーカス（半導体基板面がレンズに近づく方向）が望ましく、好ましいフォーカスは、＋１００ｎｍ以上乃至＋２５０ｎｍ以下である。

図３（ｇ）は、ハードマスクパターン３３ａ及びレジストパターン３７に沿って層間絶縁膜３２をエッチングにてパターニングする工程を示す。
図３（ｈ）は、パターニング終了後のハードマスクパターン３３ａ及びレジストパターン３７を剥離除去した後、洗浄する工程を示す。こうして、本発明の位相シフトマスクによる半導体パターン形成が行われる。

（実施の形態３）
本発明のパターン形成方法により形成されたバイナリマスクについて、図４を参照して説明する。
図４に示すバイナリマスク４６は、透明基板４１の上面に、１回目の露光用パターン４２と２回目の露光用パターン４３が交互に配置された構造になっている。１回目の露光用パターン４２には、露光の際に２回目の露光用パターン４３からの光近接効果に伴う歪みの影響を予め見込んで光学近接効果補正処理（ＯＰＣ）を施すことにより補正パターン４４が付加されている。１回目の露光用パターン４２は遮光膜４５から成り、断線されたライン形状にすることにより光が抜けるスペース部を繰り返し設ける。２回目の露光用パターン４３は遮光膜４５から成り、断線されたライン形状にしない。

１回目の露光用パターン４２と２回目の露光用パターン４３から成るパターンのラインとスペースを合わせたピッチは、ＮＡ１．３５レンズを用いた液浸露光によるダブルパターニングが検討されている半導体基板上の寸法である７６ｎｍ（マスク上の寸法では３０４ｎｍ）以下であることが望ましい。

１回目の露光用パターン４２は、断線させて光が抜けるスペース部を設けない２回目の露光用パターン４３に比べて、遮光性が弱い。したがって、１回目の露光と２回目の露光とで半導体基板上同一の寸法を狙う場合、１回目の露光用パターン４２の寸法は、２回目の露光用パターン４３の寸法に比べて大きいことが望ましく、好ましくは半導体基板上の寸法で４ｎｍ（マスク上の寸法では１６ｎｍ）以上である。

なお、透明基板４１と遮光膜４５の組成及び膜厚等は、上記実施の形態１に記載した透明基板及び遮光膜と同様である。
また、バイナリマスク４６の製造では、１回目の露光用パターン４２と２回目の露光用パターン４３を１回の描画・現像プロセスで形成できる。したがって、図２（ｅ）から（ｈ）に記載の位相シフトマスクの製造工程は必要ない。

バイナリマスク４６を用いてダブルパターニングによりパターンを半導体基板上に形成する方法としては、図３に記載の方法が適用される。この場合、１回目の露光用パターン４２を露光する条件は、例えば、ＮＡ１．３５レンズ、液浸露光、クロスポール照明、ＴＥ偏光、ジャストフォーカスが望ましい。また、２回目の露光用パターン４３を露光する条件は、例えば、ＮＡ１．３５レンズ、液浸露光、ダイポール照明、ＴＥ偏光、マイナスフォーカス（半導体基板面がレンズから離れる方向）が望ましく、好ましいフォーカスは、−２５０ｎｍ以上乃至−１００ｎｍ以下である。

上記実施の形態で示したパターン形成方法及びフォトマスクは、本発明を実施するための一例にすぎず、本発明は上記実施の形態に記載したものに限定されるものではない。これらの実施例を種々変形できることは本発明の範囲内であり、本発明の特許請求の範囲を逸脱しない範囲において様々に変更、変形することが可能であることは上記記載から自明である。

本発明では、パターン形成方法及びフォトマスクを適切な範囲で選択したので、ダブルパターニングを用いたハーフピッチ３８ｎｍ以降のパターン形成を精度良く実施することができる。

１１…透明基板、１２…１回目の露光用パターン、１３…２回目の露光用パターン、１４…補正パターン、１５…位相シフト膜、１６…遮光膜、１７…位相シフトマスク、１８…レジスト膜、１９…レジストパターン、２０…レジスト膜、２１…レジストパターン、３１…半導体基板、３２…層間絶縁膜、３３…ハードマスク、３４…フォトレジスト膜、３５…レジストパターン、３６…フォトレジスト膜、３７…レジストパターン、４１…透明基板、４２…１回目の露光用パターン、４３…２回目の露光用パターン、４４…補正パターン、４５…遮光膜、４６…バイナリマスク。

Claims (10)

1. 半導体基板に１回目の露光でパターンを形成し、前記１回目の露光でパターンが形成されていない前記半導体基板の抜き部分に２回目の露光でパターンを形成するパターン形成方法であって、
   前記１回目のパターンを形成するための１回目の露光用パターンと前記２回目のパターンを形成するための２回目の露光用パターンとを単一の透明基板に形成してなるフォトマスクを設け、
   前記フォトマスクを用いて前記半導体基板に前記１回目と２回目のパターンを形成する際に前記１回目の露光の条件と前記２回目の露光の条件と異ならせている、
   ことを特徴とするパターン形成方法。
2. 前記１回目の露光用パターンと前記２回目の露光用パターンは、１つの同じパターンで形成されることを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
3. 前記１回目の露光用パターンと前記２回目の露光用パターンは、前記フォトマスク上での位置関係が、前記露光により前記半導体基板に形成されるパターンと同一であることを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
4. 前記１回目の露光用パターンと前記２回目の露光用パターンは、互いの光近接効果に伴う歪みの影響を予め見込んで補正する光学近接効果補正処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のパターン形成方法。
5. 前記１回目の露光の条件及び前記２回目の露光の条件は、前記半導体基板上のレジストの種類または膜厚もしくはＮＡ（開口数）、フォーカス、ドーズ、露光に際し入射する光の向き及び角度、偏光、収差、投影レンズと前記半導体基板の間に空気とは屈折率の異なる材料を介在させることである請求項１乃至４の何れか１項に記載のパターン形成方法。
6. 前記１回目の露光用パターンと前記２回目の露光用パターンの寸法、前記透明性基板に対する透過率及び前記透明性基板に対する位相差の少なくとも１つが異なることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のパターン形成方法。
7. 前記フォトマスクは、位相シフトマスクとバイナリマスクのいずれか一方を構成することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のパターン形成方法。
8. 前記位相シフトマスクは、前記透明基板の一方の面に積層状態に形成され、前記１回目の露光用パターン及び前記２回目の露光用パターンがパターニングされる遮光膜と位相シフト膜を有し、前記遮光膜または前記位相シフト膜の少なくとも一部を除去することにより、前記１回目の露光用パターンと前記２回目の露光用パターンの透明性基板に対する透過率または位相差に変化を加えることを特徴とする請求項５または６記載のパターン形成方法。
9. 前記バイナリマスクは、前記透明基板の一方の面に積層状態に形成され、前記１回目の露光用パターン及び前記２回目の露光用パターンがパターニングされる遮光膜を有し、前記遮光膜の少なくとも一部を除去することにより、前記１回目の露光用パターンと２回目の露光用パターンの透明性基板に対する透過率に変化を加えることを特徴とする請求項５または６記載のパターン形成方法。
10. 前記遮光膜または位相シフト膜の少なくとも一部を除去する方法は、フォトマスク上にレジストを塗布し、描画と現像処理によりレジストパターンを形成し、レジストパターンに沿って下層の膜をエッチング処理し、レジストを剥膜した後、第２のレジストを塗布し、除去する位相シフト膜または遮光膜上にはレジストがなく、且つ除去しない遮光膜または位相シフト膜上にはレジストがあるように描画と現像によりレジストパターンを形成し、エッチング処理により所望の箇所の遮光膜または位相シフト膜を除去する工程を含むことを特徴とする請求項７または８記載のパターン形成方法。

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