JP2661529B2

JP2661529B2 - 位相シフトマスク

Info

Publication number: JP2661529B2
Application number: JP32333793A
Authority: JP
Inventors: 直生安里
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1997-10-08
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JPH07152144A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は位相シフタを用いたフォ
トマスクに関し、特に任意な露光パターンおよび露光パ
ターン幅を得ることが可能な位相シフトマスクに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造のリソグラフィ技術とし
ては、一般に光リソグラフィが用いられている。半導体
素子の高密度化，高集積化のために、光リソグラフィの
分野においては主に露光装置の高ＮＡ化，短波長化が進
められ、より微細パターンの形成が可能となってきた。
そして現在、最小寸法が０．５μｍ以下の半導体素子の
量産も光リソグラフィにより可能となっている。しかし
ながら、露光装置の高ＮＡ化，短波長化により解像力は
向上するものの、反対に焦点深度は浅くなるため、焦点
深度を確保する上ではこれまでのような単純な高ＮＡ
化，短波長化による解像力の向上は困難となる。

【０００３】そこで近年、解像力及び焦点深度を共に向
上させて光リソグラフィの限界を延ばす方法として位相
シフト法が注目されている。この位相シフト法として、
例えば特願昭５５−１３６４８３号により提案されてい
るものがある。この方法はフォトマスクに隣接する２個
以上の開口（露光窓）が存在する場合、一方の開口に透
明膜を形成し、この透明膜の厚さｔを、ｔ＝λ／２（ｎ
−１）とすることにより、各開口を透過する光の位相を
互いに１８０度異ならせるものである。ここに、λは露
光光の波長であり、ｎは透明膜の屈折率である。位相シ
フト法を用いない場合、隣接する開口の間隔が狭くなる
と回折により開口間の本来遮光部となる領域に光が漏れ
隣接する開口が分離されなくなるが、位相シフトマスク
では隣接する開口を透過する光の位相が互いに１８０度
異なっているため、隣接する開口間で漏れた光が打ち消
し合い遮光領域を形成する。そのためより微細な寸法ま
で分離して解像することが可能となる。

【０００４】この従来方式では、マスクパターン開口に
位相シフト法を適用しているが、本来のマスクパターン
開口以外に適用したものもある。例えば、特開平３−８
９３４６号公報では、本来のパターンの両側に解像しな
い微細な補助パターンを設け、パターンを通る光と補助
パターンを通る光の位相差を１８０度とするように構成
している。補助パターンがないと周期性の低下したパタ
ーンの外周部の解像特性が悪化するが、補助パターンに
より周期性をもたせることによりパターンの解像性を向
上させることができる。

【０００５】このように周期性のあるパターンに対して
は前記した位相シフト法が種々適用されているが、一方
では、微細な孤立パターンを形成するフォトマスクとし
て、クロムレス方式の位相シフトマスクが提案されてい
る。このクロムレス方式の位相シフトマスクは、図９
（ａ）のように、透明基板２１上にクロム等により遮光
パターン２２ａ，２２ｂを形成し、遮光パターンでは解
像しない微細なパターンの部分に位相シフタ２３のエッ
ジ２３ａを位置させてある。この位相シフトマスクを用
いて、感光性樹脂（フォトレジスト）の塗布された半導
体基板上に露光を行うと、位相シフタ２３のエッジ部分
では、位相の１８０度異なった光同士の干渉により極端
に狭い暗領域が形成できる。よって、ポジ型のレジスト
を用いると図９（ｂ）のように遮光パターン２２ａ，２
２ｂと位相シフタ２３のエッジ２３ａに沿って微細幅の
線状のレジスト２５のパターンが形成できる。

【０００６】しかしながら、この方式では位相シフタ２
３のエッジ２３ａでレジスト２５のパターンの一部２５
ａを形成するために、必ず閉じたパターンが形成される
ことになり、したがって位相シフタの他のエッジ部に同
時に不要なパターン２５ｂも転写されてしまうことにな
る。実際の半導体素子では、このような不要なパターン
２５ｂを消去することが必要とされる。その方法とし
て、２回の露光を行う方法がある。即ち、図９（ｂ）の
ようなパターンの露光が行われた後に、図９（ｃ）のよ
うに、不要なパターン以外を遮光した別のマスク２６を
用いて露光を行うことにより、不要パターン２５ｂを消
去する方法である。

【０００７】或いは、位相シフタの不要なエッジ部にお
ける位相を０度、１８０度と急激に変えるのではなく、
緩やかに変化するようにすることにより不要パターンが
転写されないようにする方法もある。例えば、図１０に
示すように、不要パターンに対応する位相シフタ２３の
エッジ部２３ｂに沿って９０度の位相差を生じさせる第
２の位相シフタ２４を形成する。このように位相を１８
０度，９０度，０度と段階的に位相を変化させることに
より、位相の反転した光同士の干渉を防ぎ、不要パター
ンが転写されるのを防止する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、図１０に
示した従来のクロムレス方式の位相シフトマスクにおい
ては、不要パターンが転写されるのを防止するために、
位相シフタ２３の消去すべきエッジ部分に９０度の位相
差を生じさせる第２の位相シフタ２４を形成する必要が
あった。しかし、第２の位相シフタ２４を形成するため
には、本来の位相シフタ２３とは別に位相シフタ膜の形
成、描画、およびエッチング等の工程が必要となり、工
程数が増大するという問題がある。また、この工程の増
加に伴って位相シフトマスクに欠陥が発生する確率が増
加し易くなる。現在、位相シフトマスクにおいて、完璧
な欠陥修正方法は確立されておらず、できる限りに無欠
陥のマスクを作製することが重要となっている。そのた
め、このような多段構成の位相シフタを用いる方法は、
単にマスク作製のコスト増加するというだけでなく、マ
スク欠陥が発生する確率が増加するという点で、実際の
製品に適用できないという問題があった。

【０００９】一方、図９に示した２回の露光を用いる方
法の位相シフトマスクは、実用的な方法であるものの、
露光工程数が増加される分、スループットが低下すると
いう問題があった。また、ＫｒＦエキシマレーザ露光に
おいては、露光から熱処理（Ｐ．Ｅ．Ｂ．）及び現像ま
での時間が敏感にレジストパターンの寸法に影響するた
め、この方法をエキシマ露光に適用するとパターン寸法
に誤差が生じ易く、適用することができないという問題
がある。更に、従来の位相シフトマスクでは、位相シフ
タのエッジにおける光干渉を利用しているため、いずれ
の部分においても同一の線幅のパターンしか形成できな
いという問題があった。すなわち、露光量により線幅を
変化させることは可能であるが、パターン毎に線幅を変
えることができず、パターン形成の自由度が低いという
問題がある。本発明の目的は、任意のパターン幅のパタ
ーンの転写を可能にし、かつ好ましくは工程数の削減を
可能とした位相シフトマスクを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の位相シフトマス
クは、透明基板上に所要パターンに形成された透明材料
からなり位相差１８０度を生じさせる位相シフタを有
し、この位相シフタのエッジにおいてパターン露光を行
うようにした位相シフトマスクにおいて、エッジの少な
くとも一部には、前記位相シフタと同じ透明材料からな
るダミーパターンを所要のエッジ間隔で離間配置したこ
とを特徴とする。あるいは、位相シフタのエッジの少な
くとも一部には、前記位相シフタに設けた開口からなる
ダミーパターンを所要のエッジ間隔で離間配置したこと
を特徴とする。ここで、ダミーパターンは、位相シフタ
のエッジにより露光されるパターンのうち、被露光面上
へのパターン転写を防止したいエッジに沿設する。この
場合、位相シフタのエッジとダミーパターンのエッジと
の相互のエッジ間隔Ｐが、Ｐ＝ｋ・λ／ＮＡ（ここで、
ＮＡは縮小投影レンズの開口数であり、ｋは０．６２か
ら０．４９の範囲の実数）に設定される。また、ダミー
パターンは、位相シフタのエッジにより露光されるパタ
ーンのうち、被露光面上に細幅のパターンを形成したい
エッジに沿設する。この場合、位相シフタのエッジとダ
ミーパターンのエッジとの相互のエッジ間隔ＰがＰ＝ｋ
・λ／ＮＡ（ここで、ｋは１．１から０．７の範囲の実
数）に設定される。

【００１１】

【作用】ダミーパターンを所定の第１の間隔Ｐ（請求項
４の間隔）とすることで、位相シフタのエッジ部におけ
るパターンを消去することができる。これにより、２回
の露光で不要パターンを消去する工程が不要となり、工
程の簡略化を可能とする。また、ダミーパターンを所定
の第２の間隔Ｐ（請求項６の間隔）とすることで、位相
シフタのエッジ部におけるパターンの幅を微細化するこ
とができる。これにより、パターン毎に幅寸法を自由に
設計でき、パターン形成の自由度を高めることが可能と
なる。

【００１２】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。なお、ここでは露光装置として縮小率１／５，ＮＡ
＝０．４５，σ＝０．３のｉ線（波長λ＝３６５ｎｍ）
ステッパを用い、ポジ型レジストの塗布された半導体基
板上に所謂ドックボーン形状のパターンを露光するもの
とする。図１（ａ）は本発明の第１実施例の位相シフト
マスクの平面図、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ線に沿う断面
図である。石英の透明基板１上にクロムにより遮光パタ
ーン２ａ及び２ｂが形成される。また、その上に一部が
重なるようにＳＯＧ（スピン・オン・グラス）により位
相シフタ３が形成される。この位相シフタ３はＳＯＧを
フォトリソグラフィ技術により形成しており、ＳＯＧの
ｉ線に対する屈折率ｎ＝１．４８に基づいて、その膜厚
ｔを、ｔ＝３８００Ａとしている。この膜厚ｔの算出に
は、ｔ＝λ／２（ｎ−１）の式を用いている。また、前
記位相シフタ３はその一辺のエッジ３ａが前記遮光パタ
ーン２ａ，２ｂの略中間位置を結ぶような矩形状に形成
され、この一辺のエッジ３ａのみが半導体基板にパター
ンとして転写されることになる。

【００１３】一方、前記位相シフタ３の三辺のエッジ３
ｂ，３ｃ，３ｄはパターンを転写したくないエッジ（不
要シフタエッジ）であり、この不要シフタエッジには位
相シフタ３と同時に形成されたダミーパターン４（４
ａ，４ｂ）が三辺に沿うように形成されている。一方の
ダミーパターン４ｂは位相シフタ３の一部を三辺に沿っ
て細幅に除去した抜きパターンであり、他方のダミーパ
ターン４ａは位相シフタ３を形成する際にＳＯＧの一部
を三辺に沿って細幅に残した残しパターンである。そし
て、位相シフタ３の三辺のエッジ３ｂ，３ｃ，３ｄに対
して各ダミーパターン４ａ，４ｂの間隔は、結像面（半
導体基板）上で０．４μｍとなるように設定している。

【００１４】この位相シフトマスクを用いて露光を行う
と、仮にダミーパターン４ａ，４ｂが存在していないと
すると、図１（ｃ）に破線で示すように、位相シフタ３
の四辺３ａ〜３ｄに沿って光強度の低い領域が生じるた
め、位相シフタ３の各エッジに沿って線状の未露光部が
生じることになる。しかしながら、ダミーパターン４
ａ，４ｂを設けることにより、このダミーパターン４
ａ，４ｂが存在する三辺のエッジ３ｂ，３ｃ，３ｄに沿
った部分では同図に実線で示すように光強度が高めら
れ、この領域での未露光部の発生が防止される。この結
果、図１（ｄ）のように、位相シフタ３の一辺のエッジ
３ａに沿った領域のみが未露光部となってレジストパタ
ーン５が形成されることになり、他の不要シフタエッジ
３ｂ，３ｃ，３ｄに沿った領域ではレジストパターンが
形成されることはない。

【００１５】ここで、前記した位相シフトマスクにおい
て不要シフタエッジ３ａ，３ｂ，３ｃにおいてパターン
が転写されない理由について説明する。先ず、図２は位
相シフタのエッジの間隔と結像面上の光強度分布の変化
の関係を示す図である。なお、これは光強度分布シュミ
レーションにより、露光条件（ＮＡ＝０．４５，σ＝
０．３，λ＝３６５ｎｍ）およびデフォーカスは０μｍ
として計算した結果である。なお、縦軸は規格化された
光強度（十分に大きな透明領域の光強度を１としたとき
の値）、横軸は結像画面上の位置である。これから、位
相シフタエッジの間隔が０．４μｍ以下では光強度が均
一な状態となり、間隔に応じて光強度が増加し、これ以
上の間隔になるとエッジ部における光強度が低下される
現象が生じ、間隔を更に大きくして行くと光強度が低下
される幅が次第に拡大して行くことが判る。

【００１６】図３ないし図６は図２に示した光強度分布
特性に基づいて、位相シフタのエッジの間隔により半導
体基板上でどのようなレジストパターンが形成されるか
を模式的に示す図である。各図において、１１は透明基
板、１２は位相シフタ、１３はレジスト、１４は半導体
基板を示している。ここで、位相シフタ１２の幅寸法と
隣接する位相シフタ１２のエッジの間隔はそれぞれ等し
い寸法（ビッチ）Ｐに設定されているものとする。先
ず、図３は位相シフタ１２のピッチＰが広く、波長に対
して極めて大きな孤立パターンの場合（１μｍピッチ以
上の場合）を示す。このとき、光強度分布はエッジの間
隔に余り依存せず、位相シフタ１２のエッジ部において
比較的太いレジストパターン１３ａが形成される。ま
た、図４のように、位相シフタ１２のピッチＰが徐々に
狭くなり密なパターンとなると（ピッチ０．９から０．
６μｍ）、光強度分布はよりシャープになり、形成され
るレジストパターン１３ｂの線幅は細くなる。

【００１７】更に、図５のように位相シフタ１２のピッ
チＰが小さくなると（ピッチ０．５５から０．４μ
ｍ）、光強度分布は平坦になり、パターンは解像されな
くなる。このピッチの範囲では、コントラストが低いだ
けでなく、全体的に十分な光強度が得られているので、
レジストは完全に除去される。そして、図６のように、
位相シフタ１２のピッチＰが極めて小さくなって解像限
界を完全に越えると（ピッチ０．３５以下）、光強度は
低下し、レジスト１３ｃが残される状態、即ち遮光パタ
ーンとなる）。

【００１８】したがって、図１の位相シフトマスクにお
いては、ダミーパターン４ａ，４ｂを位相シフタ３の三
辺のエッジ３ｂ，３ｃ，３ｄに対して図５の状態となる
ように形成すれば、三辺においては位相シフタ３のエッ
ジが転写されることはなくかつこの領域のレジストを除
去することができ、位相シフタの一辺のエッジ３ａのみ
を未露光領域としてパターン転写を行うことができる。
なお、ここでは露光条件を限定して説明したが、基準単
位であるλ／ＮＡで規格化することにより、露光条件に
依存しないシフタエッジの間隔の表示が得られる。シフ
タエッジを消去するためのシフタエッジの結像面上での
間隔ＰはＰ＝ｋ・λ／ＮＡと表せ、ｋは０．６２から
０．４９の範囲となる。

【００１９】図７は本発明の第２実施例を示す図であ
る。ここでも露光条件は前記実施例と同じものとする。
この位相シフトマスクは、図７（ａ）に平面図を示すよ
うに、石英の透明基板１上にクロムにより遮光パターン
２ａ，２ｂが形成され、これらの遮光パターン間にわた
ってＳＯＧにより細幅の位相シフタ３Ａと、その両側に
２本のダミーパターン４Ａａ，４Ａｂが形成される。こ
こで、位相シフタ３Ａとダミーパターン４Ａａ，４Ａｂ
のピッチ寸法は０．６μｍとしている。

【００２０】この位相シフトマスクを用いて、ポジ型の
レジストの塗布された半導体基板上に、ＮＡ＝０．４
５，コヒーレントファクターσ＝０．３のｉ線ステッパ
ーより縮小投影露光を行う。この位相シフトマスクでは
位相シフタ３Ａとダミーパターン４Ａａ，４Ａｂの各ピ
ッチ寸法が密パターンとなっているため、図４に示した
露光パターンとなり、図７（ｂ）のように良好な光強度
分布が得られ、０．１μｍの極めて細幅の露光状態とな
り、図７（ｃ）のような細幅のレジストパターン５Ａが
形成される。そして、この位相シフトマスクを用いて露
光を行った後、図７（ｄ）に示す遮光パターンを有する
第２のマスク６を用いて露光を行い、不要シフタエッジ
を露光することで、図７（ｅ）のように、必要とされる
エッジのパターン５Ａａのみを残すことができる。これ
により、極めて微細な幅寸法のパターンの形成が可能と
なる。この際の位相シフタのピッチ寸法Ｐの範囲を露光
条件に依存しない形で記述すると、Ｐ＝ｋ・λ／ＮＡに
おいて、ｋは１．１から０．７となる。

【００２１】図８は本発明の第３実施例を示しており、
前記第２実施例を改良したものである。図８（ａ）のよ
うに、この位相シフトマスクは、クロムの遮光パターン
２ａ，２ｂ間に位相シフタ３Ａを形成し、その両側に異
なるエッジ間隔でダミーパターン４Ｂａ，４Ｂｂ，４Ｂ
ｃ，４Ｂｄを形成したものである。これらの位相シフタ
とダミーパターンはＳＯＧにより同時に形成するもので
あることは言うまでもない。そして、位相シフタ３Ａの
図示右側のエッジに対して配置したダミーパターン４Ｂ
ａは、位相シフタ３Ａに対しては図４のピッチ寸法の関
係を満たすエッジ間隔となるようにし、かつダミーパタ
ーン４Ｂａ，４Ｂｂ相互は図５のピッチ寸法を満たす関
係のエッジ間隔となるように形成される。また、位相シ
フタ３Ａの図示左側のエッジに対して配置したダミーパ
ターン４Ｂｃ，４Ｂｄは、位相シフタ３Ａに対するダミ
ーパターン４Ｂｃのピッチ寸法と、ダミーパターン４Ｂ
ｃ，４Ｂｄ相互のピッチ寸法がそれぞれ図５のピッチ寸
法の関係を満たすエッジ間隔となるように形成される。

【００２２】したがって、この位相シフトマスクを用い
て露光を行うと、図８（ｂ）のように、位相シフタ３Ａ
の右側エッジではダミーパターン４Ｂａ，４Ｂｂにより
微細な幅の露光パターンとなる。また、位相シフタ３Ａ
の左側エッジではダミーパターン４Ｂｃ，４Ｂｄにより
露光が防止される。これにより、図８（ｃ）のように、
微細幅のレジストパターン５Ｂを形成することができ
る。この実施例では、不要シフタエッジを露光するため
の第２のマスクが不要となり、かつ工程も簡略化でき
る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、位相シフ
タのエッジの少なくとも一部にエッジに沿うように、位
相シフタと同じ透明材料からダミーパターンを設け、あ
るいは位相シフタの一部に設けた開口で構成されるダミ
ーパターンを設けているので、このダミーパターンによ
って位相シフタのエッジの光強度を調整することが可能
となり、不要なパターンの露光を防止し、或いは露光パ
ターンの幅寸法を縮小することが可能となる。これによ
り、所要の露光パターンを得るための２回露光や第２位
相シフタを有するマスクが不要となり、リソグラフィ工
程の簡略化を図るとともに、パターン毎に幅寸法を自由
に設定でき、パターン形成の自由度を高めることができ
る効果がある。ここで、ダミーパターンと位相シフタの
エッジの間隔Ｐを得る式Ｐ＝ｋ・λ／ＮＡにおいて、ｋ
を０．６２から０．４９の範囲の実数に設定すること
で、位相シフタのエッジにより生じる不要パターンを露
光しないようにすることができる。また、ダミーパター
ンと位相シフタのエッジの間隔Ｐを得る式Ｐ＝ｋ・λ／
ＮＡにおいて、ｋを１．１から０．７の範囲の実数に設
定することで、位相シフタのエッジにより露光されるパ
ターンの幅寸法を縮小して微細パターンの露光を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の位相シフトマスクとその
露光状態を示す図である。

【図２】エッジ間隔と光強度の関係を示す図である。

【図３】エッジ間隔が大きい場合の露光状態を示す図で
ある。

【図４】エッジ間隔を小さくした場合の露光状態を示す
図である。

【図５】エッジ間隔を解像限界にまで小さくした場合の
露光状態を示す図である。

【図６】エッジ間隔を解像限界以下に小さくした場合の
露光状態を示す図である。

【図７】本発明の第２実施例の位相シフトマスクとその
露光状態を示す図である。

【図８】本発明の第３実施例の位相シフトマスクとその
露光状態を示す図である。

【図９】従来の位相シフトマスクの一例とその露光状態
を示す図である。

【図１０】従来の他の位相シフトマスクの一例の図であ
る。

【符号の説明】

１透明基板２ａ，２ｂ遮光パターン３，３Ａ位相シフタ４，４ａ，４ｂ，４Ａａ，４Ａｂ，４Ｂａ〜４Ｂｄダ
ミーパターン５，５Ａ，５Ｂレジスト（パターン）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上に所要パターンに形成された
透明材料からなり位相差１８０度を生じさせる位相シフ
タを有し、この位相シフタのエッジにおいてパターン露
光を行うようにした位相シフトマスクにおいて、前記エ
ッジの少なくとも一部には、前記位相シフタと同じ透明
材料からなるダミーパターンを所要のエッジ間隔で離間
配置したことを特徴とする位相シフトマスク。
【請求項２】透明基板上に所要パターンに形成された
透明材料からなり位相差１８０度を生じさせる位相シフ
タを有し、この位相シフタのエッジにおいてパターン露
光を行うようにした位相シフトマスクにおいて、前記エ
ッジの少なくとも一部には、前記位相シフタに設けた開
口からなるダミーパターンを所要のエッジ間隔で離間配
置したことを特徴とする位相シフトマスク。
【請求項３】ダミーパターンは、位相シフタのエッジ
のうち、被露光面上へのパターン転写を防止したいエッ
ジに沿設してなる請求項１または２の位相シフトマス
ク。
【請求項４】位相シフタの膜厚ｔがｔ＝λ／２（ｎ−
１）（ここで、λは露光光の波長、ｎは露光光に対する
屈折率）であり、位相シフタのエッジとダミーパターン
のエッジとの相互のエッジ間隔Ｐが、Ｐ＝ｋ・λ／ＮＡ
（ここで、ＮＡは縮小投影レンズの開口数であり、ｋは
０．６２から０．４９の範囲の実数）である請求項３の
位相シフトマスク。
【請求項５】ダミーパターンは、位相シフタのエッジ
のうち、被露光面上で細幅のパターンを形成したいエッ
ジに沿設してなる請求項１の位相シフトマスク。
【請求項６】位相シフタの膜厚ｔがｔ＝λ／２（ｎ−
１）（ここで、λは露光光の波長、ｎは露光光に対する
屈折率）であり、位相シフタのエッジとダミーパターン
のエッジとの相互のエッジ間隔ＰがＰ＝ｋ・λ／ＮＡ
（ここで、ｋは１．１から０．７の範囲の実数）である
請求項５の位相シフトマスク。