JP2798796B2 - パターン形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、半導体装置等の製造工程中で使用される
レジストパターンの形成方法に関するものである。

（従来の技術） 投影露光によるホトリソグラフィ技術の分野において
も、半導体装置の高集積化に対応出来る微細なレジスト
パターンを形成出来る技術が種々提案されている。

それらの技術の中で注目されている技術の一つに位相
シフト法と称される技術がある。

この位相シフトは、Levenson（レベンスン等）によっ
て例えば文献（アイイーイーイー トランザクション
エレクトロン デバイス（IEEE Tran.Electron Dev
ice,Vol.ED−29（1982）p.1828,同Vol.ED−31（1984）
p.753）に報告されている技術であり、ウエハ上での光
コントラストを上げるためにホトマスク上に露光光の位
相をずらす透明な薄膜（シフタ）を部分的に設けて投影
露光法の解像力を向上させる技術である。

位相シフト法の応用例としては、例えば特公昭62−59
296号公報に開示された位相シフト法用のホトマスク、
文献（半導体集積回路技術第37回シンポジウム講演論
文集（1989.12）p.13〜18）に開示された位相シフト法
によるレジストパターン形成方法等がある。

上述の公報に開示のホトマスクは、第６図にその一部
断面図を以って示すように、露光光を遮光する遮光部11
及び露光光を透過する透過部13を具えるホトマスク15で
あって、透過部13の隣り合ったものの少なくとも一対に
おいて、透過光が干渉して強め合うことがないように上
記１対の透過部を通過する光に位相差を与える透明材料
（シフタ）17を上記１対の透過部の少なくとも一方に設
けたものであった。このホトマスク15を用いることによ
り、レジスト（図示せず）の遮光部11及び透過部13と対
向する各部分での光コントラストが向上するので、シフ
タを設けない場合より微細なライン・アンドスペースパ
ターンが得られる。

また、文献に開示のレジストパターン形成方法は、
例えば第７図に要部平面図を以って示すような、孤立の
遮光部21（図中斜線を付して強調して示す。）の中に透
過部23が作られその部分の透過光の位相を反転させるよ
うに透過部23上にシフタ25（点線で示す。）が設けられ
たホトマスク27を用い、ネガ用レジストの微細な孤立抜
きパターンを形成するものであった。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述のいずれの方法であっても、より
微細なパターンを形成する場合、投影露光装置の解像力
等の制約からおのずと限界がある。従って、ネガ型レジ
ストを用い例えば0.2μｍレベルの抜きパターン（以
下、スペースパターンと称することもある。）を、また
ポジ型レジストを用いれば0.2μｍレベルのラインパタ
ーンを形成することは非常に困難であり、また、このよ
うなパターンが形成出来たとしてもそれを得るためのフ
ォーカスマージンは非常に狭くなると予想される。

この発明はこのような点に鑑みなされたものであり、
従ってこの発明の目的は、0.2μｍレベル以下の微細な
スペースパターンやラインパターンを形成出来ると共に
その際のフォーカスマージンが広いパターン形成方法を
提供することにある。

（課題を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この出願の発明者は種々
の検討を重ねた。その結果、位相シフト法で用いるシフ
タのエッジ部がホトマスクの光透過部内に存在する場
合、光透過部内に存在するエッジ部と対向するウエハ上
にはシフタ側を通過した露光光と光透過部側を透過した
露光光との干渉により光強度が小さい領域が生じること
に着目した。そして、このことをパターン形成に積極的
に利用することにより、この発明を完成するに至った。

従って、この発明によれば、投影露光法によりレジス
トパターンを形成するに当たり、 位相シフト法用のシフタがそのエッジの一部又は全部
が光透過部内に位置するように設けられている第１のホ
トマスクを介してレジストを露光する工程と、第２のホ
トマスクであってその、前記第１のホトマスクにおける
前記光透過部内にあるエッジ部分の所定部分と対応する
部分が、光透過部とされている第２のホトマスクを介し
て、前記レジストを露光する工程とを含むことを特徴と
する。

（作用） この発明のパターン形成方法によれば、シフタのエッ
ジを利用してウエハ上に光強度が小さい領域を生じさせ
ることが出来るので、レジストに微細な、レジストの現
像液に対する溶解特性に変化を与えない程度の露光部
（この露光部はみかけ上未露光部といえるので、以下、
擬似未露光部と称することにする。）を生じさせること
が出来る。従って、パターン形成にネガ型レジストを用
いた場合は、光透過部にあるシフタのエッジラインと同
様な形状の抜きパターンを有するレジストパターンが得
られ、ポジ型レジストを用いた場合は、上記エッジライ
ンと同様な形状のラインパターンを有するレジストパタ
ーンが得られる。

また、上記擬似未露光部の面積は露光量を増加させる
と小さく（幅が狭くなり）なり、露光量を減少させると
大きくなる（幅が大きくなる）。従って、パターン寸法
を露光量により制御出来る。この発明のパターン形成方
法はフォーカスマージンが広いパターン形成方法といえ
る。

然も、所定の第２のホトマスクを用い別途に露光を行
うため、シフタのエッジ部を利用してレジスト上に生じ
させたレジストの感度以下の露光部のうちの不要な部分
をレジスト感度以上の露光量で露光することが出来るの
で、上記抜きパターンやラインパターンをさらに所望の
形状にパターニング出来る。

（実施例） 以下、ｉ線用投影露光装置及びネガ型レジストを用い
電界効果トランジスタのゲート電極用のレジストパター
ンを形成する例により、この発明のパターン形成方法の
実施例を説明する。しかしながら、この実施例で述べる
使用材料、使用装置及び膜厚、温度、時間等の数値的条
件はこの発明を説明するための単なる例示にすぎない。
従って、この発明が、これら材料、装置、数値的条件に
限定されるものでないことは理解されたい。また、以下
の説明を図面を参照して行うが、参照する図面はこの発
明を理解出来る程度に各構成成分の寸法、形状配置関係
を概略的に示してあるにすぎない。

また、ゲート電極用のレジストパターンを得るため、
この実施例では、位相シフト法用のシフタがそのエッジ
の一部が光透過部内位置するように設けられているホト
マスク（第１図（Ａ）参照。以下、第１のホトマスク）
を介しての第１の露光と、前記エッジの光透過部内にあ
る部分の所定部分と対応する部分が光透過部とされてい
る第２のマスク（第１図（Ｂ）参照）を介しての第２の
露光を行う。

作成したホトマスクの説明 まず、実施例で用いたホトマスクについて説明する。
第１図（Ａ）は第１のホトマスク31の要部を上方から見
て概略的に示した平面図、第１図（Ｂ）は第２のホトマ
スク41の要部を上方から見て概略的に示した平面図であ
る。なお、両図ではホトマスクの遮光部を強調するた
め、遮光部はハッチングを付して示してある。また、両
図においてP,Qで示す２点は、第１及び第２ホトマスク
を用いる際の位置関係を明確にするため図示した点であ
る。即ち、各ホトマスクは、Ｐ点及びＱ点各々がウエハ
上のＰ点及びＱ点相当位置に重なるようにアライメント
され（実際は、別途に設けたアライメントマークでアラ
イメントされ）用いられる。

先ず、第１のホトマスク31は、ゲート電極の配線部に
相当する部分に遮光部33を具える。さらに、この第１の
ホトマスク31は、遮光部33及び光透過部35の両領域に亙
り設けられた位相シフト法用のシフタ37であって、その
エッジ部の一部37aが遮光部33から延出し光透過部35内
に位置するように設けられたシフタ37を具える。後に説
明するが、エッジ部の一部37aがゲート電極のゲート長
を与える部分形成用のマスクとして機能する。

ここで、この実施例の遮光部33は、クロム膜で構成
し、この実施例のシフタ37は電子線レジストOEBR−100
（東京応化工業（株）製レジスト）で構成している。シ
フタ37の膜厚は310nmとしてある。この膜厚は、ｉ線に
対し推定されるOEBR−100の屈折率ｎ〜1.6から計算して
シフタ37を透過した露光光の位相がほぼ反転する値にな
る。すなわち、ホトマスク31の、シフタ37部分を透過し
た光と、光透過部35のシフタ37を設けていない領域を透
過した光とは位相がほぼ180゜ずれることになる。

一方、第２のホトマスク41は、第１のホトマスク31の
遮光部33に対応する領域と、第１のホトマスク31に設け
たシフタ37のエッジ部分37aに対応する領域（但し、こ
のエッジ部分37aをゲート長方向において充分含むよう
な幅の領域）との上に遮光部43を具え、それ以外は光透
過部となっている。

パターニング実験（その１） スピンコート法により、直径３インチ（１インチは約
2.54cm。）のシリコン基板上にネガ型レジストとしてこ
の実施例の場合LMR−UV（富士薬品工業（株）製レジス
ト）を１μｍの膜厚で塗布する。

次に、レジスト塗布済みのこのシリコン基板をホット
プレートを用い70℃の温度で１分間ベーキングする。

次に、この試料をｉ線投影露光装置RA101VL II
（（株）日立製作所製ステッパ）にセットし第１図
（Ａ）を用いて説明した第１のホトマスク31を介し150m
J/cm²の露光量で第１の露光をする。

この第１の露光によりレジストに形成される潜像は、
第２図（Ａ）のようなものである。レジスト51の、第１
図（Ａ）のホトマスク31の遮光部33に対応する領域が未
露光部53になり、シフタ37のエッジ部に対応する領域が
既に説明した擬似未露光部54になり、それ以外の領域は
露光部55になる。

次に、投影露光装置のホトマスクを第１のホトマスク
31から第１図（Ｂ）を用いて説明した第２のホトマスク
41に代え、第１の露光済み試料に対し第２のホトマスク
41を介し120mJ/cm²の露光量で第２の露光を行う。

この第２の露光によりレジスト51に形成される潜像
は、第２図（Ｂ）のようなものである。即ち、レジスト
51の、第１図（Ａ）のホトマスク31の遮光部33に対応す
る領域と、シフタ37のエッジ部の一部37aに対応する領
域のみが未露光部53a（第２の露光後の未露光部）にな
り、それ以外の領域は全て露光される。

第２の露光済みの試料をホットプレートを用い110℃
の温度で１分間ベーキングする。その後、この試料をLM
R−UV現像液（冨士薬品工業（株）製）を用い30秒間ス
プレー現像する。

現像後に得られるレジストパターンは第３図のような
ものである。第３図において、61はレジストパターン、
63はレジストの残存部（強調するためハッチングを付し
てある。）、65はレジストが現像液により溶解されシリ
コン基板が露出している部分である。

このレジストパターン61のゲート長を与える部分の寸
法Ｌ（第３図参照）をSEM測長機Ｓ−6000（（株）日立
製作所製）を用いて測定したところ、0.1μｍであるこ
とが分った。

このレジストパターン61上にゲート電極形成用金属を
披着させた後リフトオフすればゲート電極が得られる。

パターニング実験（その２） 第１の露光時の露光量を50mJ/cm²から150mJ/cm²まで
の範囲の複数の値（第４図の特性図のプロット点参照）
とし、第２の露光時の露光量は120mJ/cm²と一定にし、
パターニング実験１と同様な手順でパターニング実験を
行う。

次に、この試料上の第１の露光量を違えた各レジスト
パターンのゲート長を与える部分の寸法ＬをSEM測長機
Ｓ−6000を用いそれぞれ測定する。

第１の露光量に対する寸法Ｌの変化の様子を、第４図
に、横軸に第１の露光時の露光量をとり縦軸に測定した
寸法Ｌをとって示した。

第４図から明らかなように、同じホトマスクを用いた
にもかかわらず、第１の露光時の露光量を変化させるこ
とにより寸法Ｌを変化させることが出来ることが分る。
従って、この発明のパターン形成方法によれば、露光量
を変化させることによりレジストパターンの寸法を制御
出来ることが理解出来る。

比較例 実施例同様にシリコン基板上にLMR−UVを塗布しプリ
ベーキングして、試料を用意する。これを実施例で用い
たステッパにセットする。また、第１図（Ｂ）を用いて
説明したホトマスクと同様な遮光パターンを有するホト
マスクであって、ゲート長を与える部分の寸法が0.1〜
1.0μｍまで0.1μｍきざみで変えてある10種類の遮光パ
ターンを具えるホトマスクをステッパにセットする。そ
して、露光量を20mJ/cm²から500mJ/cm²までの範囲で種
々に変化させ露光をしその後現像を行い比較例のレジス
トパターンを得る。

比較例のレジストパターンのゲート長を与える部分の
寸法Ｌ（第３図中のＬに対応する寸法）をSEM測長機Ｓ
−6000で観察したところ、最も細かったＬは0.3μｍで
あった。また、この寸法が得られた条件は、ホトマスク
上でのＬに相当する寸法が0.4μｍのホトマスクを用い
露光量を300mJ/cm²とした場合と、0.3μｍのホトマスク
を用い露光量を240mJ/cm²とした場合であった。しか
し、これらホトマスクを用いた場合でも、それより露光
量を上げた場合はいずれもパターンは改造出来なかっ
た。

実施例及び比較例の説明から明らかなように、この発
明のパターン形成方法を用いることにより、0.1μｍの
ゲート長を有するゲートパターンが用意に形成出来るこ
とが分る。然も、同一のホトマスクで露光量を変えるだ
けで0.1〜0.4μｍの範囲内のゲート長のゲートパタンが
形成出来る。

上述においては、この発明のパターン形成方法の実施
例について説明したが、この発明は上述の実施例に限ら
れるものではなく以下に説明するような種々の変更を加
えることが出来る。

実施例で用いた第２のホトマスクは、例えば第５図に
示すように、シフタ37のエッジ部（第１図（Ａ）参照）
の不要部分のみを露光するため一部に透過部71を有する
ホトマスク73としても良い。但し、このホトマスク73の
場合、透過部71の面積が狭いため、第１の露光時に露光
されるべきところがゴミ等の影響で露光されなかった場
合この部分を第２の露光で露光しようとしても露光しに
くい。従って、実用上は第１図（Ｂ）のホトマスクの方
が好適である。

また、上述の実施例では、ネガ型レジストを用いゲー
ト電極部が抜きパターンとなるゲート電極用レジストパ
ターンを形成した。しかし、シリコン基板上に予めゲー
ト電極形成材を被着させておき、この上にポジ型レジス
トを塗布し、実施例で用いた第１及び第２のホトマスク
を用い露光現像しても良い。このようにすれば、ゲート
電極形成材のゲート電極形成予定部分上にレジストが残
存するレジストパターンが得られる。その後、ゲート電
極形成材の不要部分を例えばドライエッチングすれば、
所望のゲート電極が得られる。

また、第１のホトマスクを介しての露光と第２のホト
マスクを介しての露光との順番を入れ換えても良いこと
は明らかである。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明によれ
ば、ホトマスクの光透過部に位相シフト法用のシフタの
エッジが在る場合このエッジ部分に対向するウエハ上に
は露光光の強度が小さい領域が生じることを積極的に利
用してレジストに微細な、レジストの現像液に対する溶
解特性に変化を与えない程度の弱い露光部即ち擬似未露
光部を形成する工程を含む。然も、疑似未露光部（又は
疑似未露光部となる予定部分）のうち、最終的に不要な
部分を露光する工程を含む。これによりレジストパター
ンを形成する。

このため、0.2μｍ以下の微細なスペースパターンや
ラインパターンを容易に形成出来る。然も、このレジス
トパターンの線幅は露光量を増減するだけで容易に制御
出来る。

従って、微細なレジストパターン形成が可能でかつフ
ォーカスマージンの広いパターン形成方法を提供出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例の第１及び第２露光
でそれぞれ用いたホトマスクを示す平面図、 第２図（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例の第１、第２露光後
各々でレジストに形成される潜像を示す図、 第３図は、実施例で得られたレジストパターンを示す平
面図、 第４図は、露光量によりレジストパターン寸法の制御が
可能なことを示す図、 第５図は、実施例の第２露光で用い得るホトマスクの他
の例を示す平面図、 第６図及び第７図は、従来技術の説明に供する図であ
る。 31……第１のホトマスク 33,43……（露光光の）遮光部 35,71……（露光光の）透過部 37……位相シフト法用のシフタ 37a……シフタのエッジ部の一部 41……第２のホトマスク 51……レジスト、53……未露光部 54……擬似未露光部、55……露光部 53a……第２露光後の未露光部 61……レジストパターン 63……レジスト残存部 65……シリコン基板が露出している部分 73……ホトマスク（実施例の第２露光で用い得るホトマ
スクの他の例）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−140743（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−125150（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−141354（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】投影露光法によりレジストパターンを形成
   するに当たり、 位相シフト法用のシフタがそのエッジの一部又は全部が
   光透過部内に位置するように設けられている第１のホト
   マスクを介してレジストを露光する工程と、 第２のホトマスクであってその、前記第１のホトマスク
   における前記光透過部内にあるエッジ部分の所定部分と
   対応する部分が、光透過部とされている第２のホトマス
   クを介して、前記レジストを露光する工程と を含むことを特徴とするパターン形成方法。