JP2014006392A - フォトマスクの被覆率調整方法及び露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハー上に不要なパターンを転写させること無しに、フォトマスクの被覆率を所望の範囲に調整する。
【解決手段】フォトマスクの被覆率調整方法であって、ウェハー上に転写すべき回路パターンを有するフォトマスクのレイアウトデータに対し、所定領域内に形成された回路パターンの割合である被覆率の分布を計算する工程と、前記計算された被覆率の分布を基に、前記フォトマスク上の回路パターンが存在していない領域に、前記フォトマスクを用いた露光でウェハー上に解像されない補助パターンを配置することにより、該補助パターンを含めた全体の被覆率を所望の範囲に調整する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、フォトマスクにおけるパターン被覆率を所望範囲に調整するためのフォトマスクの被覆率調整方法及びこれを用いた露光方法に関する。

半導体製造のための露光方法に用いるフォトマスクには、ウェハー上に転写すべき各種の回路パターンが形成されている。フォトマスク上で全体的に回路パターンの被覆率が低いレイアウトの場合、製造プロセスでの寸法制御が難しくなるため、被覆率が高いレイアウトのフォトマスクに比べて出来上がり寸法や形状の精度が低くなるという現象が知られている。また、面内に被覆率が高い領域と低い領域とが混在したレイアウトの場合では、各領域の被覆率に依存して面内で局所的に出来映えが変動するという課題がある。

これらの現象に対する対策として従来技術では、フォトマスクにダミーパターンを追加して被覆率を調整する方法がある。しかし、この方法では、ウェハー上に回路上では不要なパターンを追加することになり、チップサイズの増加や、リソグラフィ工程後のエッチングやＣＭＰなどの加工プロセスの出来映えに影響を及ぼす危険性がある。

また、他の従来技術として、リソグラフィ工程において転写されないパターン：ＳＲＡＦ（Sub Resolution Assist Feature）を、マスク上の回路パターンの周囲に付加して被覆率を向上させる技術が提案されている。しかし、この種の微細なパターンでは被覆率向上に対する寄与が少ない上に、局所的に被覆率が変動する場合は対応しきれない可能性がある。

特開２００１−２３７３２３号公報 特開２０１０−１２３７５５号公報

発明が解決しようとする課題は、ウェハー上に不要なパターンを転写させること無しにフォトマスクの被覆率を所望の範囲に調整することのできるフォトマスクの被覆率調整方法及び露光方法を提供することである。

実施形態のフォトマスクの被覆率調整方法は、ウェハー上に転写すべき回路パターンを有するフォトマスクのレイアウトデータに対し、所定領域内に形成された回路パターンの割合である被覆率の分布を計算する工程と、前記計算された被覆率の分布を基に、前記フォトマスク上の回路パターンが存在していない領域に、前記フォトマスクを用いた露光でウェハー上に解像されない補助パターンを配置することにより、該補助パターンを含めた全体の被覆率を所望の範囲に調整する工程と、を含む。

第１の実施形態に係わるフォトマスクの被覆率調整方法及びこれを用いた露光方法を説明するためのフローチャート。 フォトマスク上のパターン被覆率分布を計算した結果を示す図。 図２のフォトマスクに補助パターンを配置した例を示す図。 補助パターンのスペース幅とパターン被覆率との関係を示す特性図。 補助パターンの一例としてのラインアンドスペースパターンを示す図。 補助パターンのスペース幅と必要露光量との関係を示す特性図。 照明光学系の開口絞りの形状を示す図。 照明条件の一例を示す図。 第１の実施形態方法に用いたステップ・アンド・スキャン型の露光装置の一例を示す概略構成図。 図９の装置を用いた場合の本体パターンと補助パターンのそれぞれの露光量を示す図。

以下、実施形態の詳細を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係わるフォトマスクの被覆率調整方法及びこれを用いた露光方法を説明するためのフローチャートである。ここでは、本実施形態を半導体メモリの記憶素子形成工程に適用した例を示す。

まず、フォトマスクのレイアウトデータを基に、対象レイアウトの被覆率分布を計算する（ステップＳ１）。即ち、図２に示すように、フォトマスク１上の回路パターン２が存在する領域毎に被覆率分布を計算する。この実施形態では、フォトマスク１の全面の被覆率の平均値は３０％以下と小さく、面内の被覆率（以下、ローカル被覆率）も０％から６０％まで異なる領域が混在している。ここで、被覆率とは所定領域内に形成されたパターンの割合である。

次に、計算された被覆率分布を基に、回路パターン２が存在していない領域にどの程度の被覆率のパターンを付加すれば、フォトマスク１の被覆率が全体的に所望の範囲となるかを計算する（ステップＳ２）。

次に、Ｓ２で計算された被覆率を基に、図３に示すように補助パターン３を配置することにより、被覆率を改善したマスクデータを作成する（ステップＳ３）。具体的には、図３に示すように、被覆率４０％程度の領域の周囲には被覆率４０％程度の補助パターン３を配置し、５０％付近には３０％程度の補助パターン３を配置する。このようなルールで補助パターン３を配置することにより、全面の被覆率の平均値を４０％程度に向上させ、ローカル被覆率バラツキも低減させることができる。そして、補助パターン３を配置したマスクデータに従い、周知のマスク描画装置（電子ビーム描画装置）により、マスク基板上に回路パターン２及び補助パターン３を描画する。

なお、この例では簡略のため、補助パターン３の種類や配置領域を特定の範囲で限定したが、マスク描画装置やＯＰＣ処理ツールや露光装置の仕様で規定される限界値まで、補助パターン領域を細かく分けて配置することも可能である。これにより、各箇所における補助パターン３の種類や被覆率なども調整することができる。図３では、全ての補助パターン３は３０％以上となっているが、場所によっては３０％以下の被覆率の小さな補助パターンを配置しても良い。

また、配置する補助パターン３については、光学シミュレーションか実験により所望の被覆率となる形状やマスク値を決定する。形状は、ラインアンドスペース（Ｌ＆Ｓ）や長方形状ブロックなど任意の形状から、対象となるリソグラフィ工程で使用する照明形状やレジスト材料等の条件に応じて適した条件を選定する。

図４に、補助パターンと被覆率との関係を示す。補助パターンとしては、図５に示すように、ラインパターン５のマスク値を１２０ｎｍ（ウェハー上では３０ｎｍ）に固定し、スペース６の幅を振ったＬ＆Ｓパターンを用いた。図４の横軸がスペース幅のマスク値、縦軸が補助パターンの被覆率を示す。必要とする被覆率に応じてスペース幅を変えたパターンを各領域に配置した。このような補助パターンは、本実施形態のフォトマスクを用いた露光装置の解像限界以下であり、ポジ型レジストの場合、十分な露光量があればウェハー上には転写されずに消えてしまう。

なお、補助パターンとしては、ライン幅一定でスペース幅を変えるのではなく、露光装置で解像されないピッチのＬ＆Ｓパターンで、被覆率に応じてラインの幅を変えたものを用いても良い。

次に、フォトマスクのパターンをウェハー上に転写するリソグラフィ工程では、ウェハー上には補助パターンが転写されないようにする。このために、以下に説明するように、フォトマスク上に配置した補助パターンの被覆率に応じてショット内の露光量分布を調整して露光する。

まず、使用した各補助パターンがウェハー上に転写されなくなる露光量の閾値を光学シミュレーション又は実験により設定する。回路パターン本体（ラインアンドスペース：４８／４８ｎｍ）を形成する露光量に対して、各補助パターンに必要な露光量の比率を計算した結果を、図６に示す。なお、このときに用いた露光装置の照明形状は、図７に示すように、扇４つ目とした。さらに、露光条件は、図８に示すように、ＮＡ＝１．３，σ＝０．６，Angle＝４５度とした。図５及び図６から分かるように、スペース幅が狭いほど被覆率は高くなるが、必要となる露光量も大きくなる。

具体的には、被覆率が２０％以下の補助パターンでは必要露光量は７０％となり、被覆率が３０％の補助パターンでは必要露光量は１１０％となり、被覆率が４０％の補助パターンでは必要露光量は１６０％となる。従って、被覆率が３０％以上の補助パターンに対しては、露光量を本来の回路パターンの露光量よりも大きくする必要がある。これは、露光量不足の補助パターンは、ウェハー上に解像はされないものの、大きなパターンとして残ってしまうためである。

そこで、補助パターンの被覆率が３０％以上であるか否かを判定し（ステップＳ４）、３０％以上の場合は、補助パターンの被覆率に応じて露光量を計算する（ステップＳ５）。ここで、Ｓ４，Ｓ５では、全ての補助パターンに対して被覆率の判定（及びそれに続く露光量の計算）を行っても良いし、必要な補助パターンだけに対して被覆率の判定を行うようにしても良い。補助パターンに対して露光量の計算が終了したら、領域単位で露光量を可変できる露光装置を用い、先の計算結果に従って露光量を制御しながら、フォトマスク上の回路パターンをウェハー上に転写する。これにより、ウェハー上に所望のパターンを形成することができる（ステップＳ６）。

領域単位で露光量を可変する露光装置としては、例えば図９に示すようなステップ・アンド・スキャン型の露光装置を用いればよい。

図９中の１０はレーザ光源、２０は照明光学系、２１はインテグレータレンズ、２２は照明光学系の開口絞り、２３はコンデンサレンズ、２４は可変スリット、２５は可変ブレード、２７は反射ミラー、３１はフォトマスク、３２はマスクステージ、４０は投影光学系、５１はウェハー、５２はウェハーステージである。また、６０は各部を制御するための制御部、６１はレーザ光源１０を駆動するためのレーザ駆動部、６２はマスクステージを駆動するためのマスクステージ駆動部、６３はウェハーステージを駆動するためのウェハーステージ駆動部である。

この露光装置では、レーザ光源１０からのレーザ光をスリット２４に通すことにより、光の形状をスリット状にする。そして、スリット２４で決まるスリット形状の光をマスク３１に照射しながら、マスク３１及びウェハー５１をスリット方向と直交する方向に一定距離だけ移動させることによって、スリット幅と移動距離で決まる領域をスキャン露光する。次に、マスク３１及びウェハー５１をスリット方向にステップ移動させ、次の領域を上記と同様にしてスキャン露光する。これを繰り返すことにより、フォトマスク３１上の全領域の露光が可能となっている。さらに、レーザ光のスキャン範囲で決まる領域毎にレーザ光源１０の駆動電流を制御することにより、領域単位で露光量を調整可能となっている。

図９の装置を用いて、前記図３に示すレイアウトを有するフォトマスクをウェハー上のポジ型レジスト等に露光し、且つ被覆率が３０％以上の補助パターンに対して露光量を多くすることにより、図１０に示すように、補助パターンの露光量を本体パターンの露光量に対して多くすることができる。これにより、フォトマスク上の補助パターンがウェハー上に転写されるのを未然に防止することができる。

このように本実施形態によれば、フォトマスク上の回路パターンが存在していない領域に、対象のレイアウトに応じて、領域毎に適した補助パターンを配置して、フォトマスク全体の被覆率を所望の範囲に調整することで、フォトマスクの出来映えを安定化させることができる。そして、リソグラフィ工程では、配置した補助パターンの分布に応じてショット内の露光量分布を調整して露光することで、ウェハー上には補助パターンが転写しないようにする。

これにより、ウェハー上に不要な補助パターンを転写させること無しに、フォトマスクの被覆率を所望の範囲に調整することができる。このため、被覆率の大小に関係無しに、ウェハー上のパターンの出来ばえ寸法や形状の精度を向上させることが可能となる。従って、半導体集積回路での歩留りや性能向上が期待できる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態の状態からさらに、露光装置の露光量調整機構の仕様に合わせて補助パターンを補正することも可能である。

対象とする露光装置の仕様により、フォトマスク内のどの位置でも任意の露光量を設定できない装置機種もあり、例えばｎ次の多項式で近似される分布でしか露光量を調整できない場合がある。

この場合、前記図１０の回路パターンと補助パターンとの間のように、露光量設定が変わる境界領域において必要な露光量と乖離が生じて補助パターンが転写されてしまう（十分に露光されずに大きなパターンとして残ってしまう）危険性がある。そこで、多項式の係数と使用する補助パターンの露光量感度から計算した分布に応じて、補助パターンのマスク値を補正しておくことでウェハー上に転写しないようにすることができる。

具体的には、補助パターンの被覆率を本来必要な被覆率よりも小さい値に設定することにより、補助パターンに対する必要露光量を小さくし、補助パターンが確実に転写されないようにする。この場合、補助パターンの被覆率は最適とは云えないが、補助パターンを設けない場合に比べるとローカル被覆率バラツキは低減できている。

また、全ての補助パターンの被覆率が３０％より小さい場合、本体パターンに必要な露光量で補助パターンも十分に露光することができる。この場合、リソグラフィ工程で補助パターンに対する露光量の調整は不要となり、マスク全体を一括露光する通常の露光装置を用いることも可能となる。

このように本実施形態によれば、フォトマスクの被覆率分布に基づいて各々の補助パターンの被覆率を計算により求めるだけではなく、露光条件に応じて補助パターンの被覆率を調整することにより、補助パターンがウェハー上に転写されるのをより確実に防止することが可能となる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。フォトマスクのパターンをウェハー上に露光する露光装置は、前記図９の構成に何ら限定されるものではなく、所定領域毎に露光量を調整できるものであればよい。

実施形態では、補助パターンの被覆率に応じて露光量を調整したが、補助パターンの被覆率が最大でも必要露光量が本来のパターンと同じ又は小さい場合、補助パターンに対する露光量の調整は不要となる。この場合、必ずしも露光量調整機構を有する露光装置に限らず、通常のマスク全体を一括露光する露光装置を用いることも可能となる。

また、実施形態においては、補助パターンがウェハー上に転写される危険性を下げるために、搭載するパターンは解像限界以下のものだけを利用することが望ましいが、マスク描画装置仕様の制約などで、解像限界以上のパターンも使用せざるを得ない場合がある。このとき、補助パターンの領域の露光量を十分高く設定することで、ウェハー上にパターンが形成されないようにできる可能性がある。従ってこの場合、シミュレーション若しくは実験によって、対象のパターンがウェハー上に転写されないか判断してから利用すればよい。

実施形態では、ポジ型レジストを用いた場合で説明したが、ネガ型レジストを用いることも可能である。この場合、露光量が少ないパターンは除去されてしまうので、比較的被覆率の大きな補助パターンのみを設けておけば、補助パターンの領域毎の露光量の調整を不要にすることも可能となる。即ち、回路パターンと同程度の露光量では、被覆率の大きな補助パターンでは露光量不足となるため、回路パターン及び補助パターンを同じ露光量で露光した場合、補助パターンは十分に露光されずに除去されてしまう。

本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…フォトマスク
２…回路パターン
３…補助パターン
５…ラインパターン
６…スペースパターン
１０…レーザ光源
２０…照明光学系
３１…フォトマスク
３２…マスクステージ
４０…投影光学系
５１…ウェハー
５２…ウェハーステージ
６０…制御部
６１…レーザ駆動部
６２…マスクステージ駆動部
６３…ウェハーステージ駆動部

Claims (8)

1. ウェハー上に転写すべき回路パターンを有するフォトマスクのレイアウトデータに対し、所定領域内に形成された回路パターンの割合である被覆率の分布を計算する工程と、
   前記計算された被覆率の分布を基に、前記フォトマスク上の回路パターンが存在していない領域に、前記フォトマスクを用いた露光でウェハー上に解像されない補助パターンを配置することにより、該補助パターンを含めた全体の被覆率を所望の範囲に調整する工程と、
   を含むことを特徴とするフォトマスクの被覆率調整方法。
2. 前記補助パターンを前記回路パターンの周辺に配置し、且つ被覆率の小さな回路パターンほど被覆率の大きな補助パターンを配置することを特徴とする請求項１記載のフォトマスクの被覆率調整方法。
3. 前記補助パターンは、ラインアンドスペースのパターンであり、且つラインの幅又はピッチが、前記フォトマスクのパターンをウェハー上に露光するための露光装置の解像限界以下であることを特徴とする請求項１記載のフォトマスクの被覆率調整方法。
4. 前記補助パターンの形状及び被覆率を、光学シミュレーション又は実験結果に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載のフォトマスクの被覆率調整方法。
5. ウェハー上に転写すべき回路パターンを有するフォトマスクのレイアウトデータに対し、所定領域内に形成されたパターンの割合である被覆率の分布を計算する工程と、
   前記計算された被覆率の分布を基に、前記フォトマスク上の回路パターンが存在していない領域に、前記フォトマスクを用いた露光でウェハー上に解像されない補助パターンを配置することにより、該補助パターンを含めた全体の被覆率を所望の範囲に調整する工程と、
   前記補助パターンの形成により被覆率が調整されたフォトマスクを用いた露光でウェハー上に前記補助パターンが転写されないように、前記補助パターンの分布に応じてショット内の露光量を調整する工程と、
   を含むことを特徴とする露光方法。
6. 前記補助パターンは、ラインアンドスペースのパターンであり、且つラインの幅又はピッチが、前記フォトマスクのパターンをウェハー上に露光するための露光装置の解像限界以下であることを特徴とする請求項５記載の露光方法。
7. 前記補助パターンの形状及び被覆率を、光学シミュレーション又は実験結果に基づいて決定することを特徴とする請求項５記載の露光方法。
8. 前記露光量の調整は、所定領域毎に露光量を調整できる露光装置の露光量調整機構の仕様と光学シミュレーションに基づいて決定されることを特徴とする請求項５記載の露光方法。

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