JP2923905B2

JP2923905B2 - フォトマスク

Info

Publication number: JP2923905B2
Application number: JP9882396A
Authority: JP
Inventors: 誠司松浦
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 1999-07-26
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: JPH09288346A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置製造用
の投影露光装置で使用する露光用のフォトマスクに関
し、特に、主パターンの近傍に補助的パターンを配置し
た露光用のフォトマスクに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＤＲＡＭに代表される半導体集積回路の
集積度は上昇の一途を辿り、それに応じてパターンの線
幅は非常に小さいものとなってきている。これに伴い半
導体基板上に回路パターンを形成するリソグラフィー工
程では更に微細なパターンの転写が要求されている。現
状のフォトリソグラフィー工程では縮小投影露光装置
（ステッパ等）により紫外光でフォトマスク上の回路パ
ターンを半導体基板上に塗布されたフォトレジストに焼
き付けてパターンを形成している。パターン形成する為
には基板表面を投影レンズの結像面に一致させるのが理
想であるが、素子形成の為に生じる段差や基板が平坦で
ないことなどの理由により、両者の間にずれが生じる。
理想的結像面から多少ずれた場合でもパターン形成する
為には、ある程度の焦点深度（＝パターン形成可能な光
軸方向の範囲）が必要となり、必要焦点深度を確保する
ことが高解像度と共に重要となる。

【０００３】一般に解像度Ｒと焦点深度ＤＯＦはレーリ
ーの式と呼ばれる次式で与えられる。

【０００４】Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡ（１）ＤＯＦ＝ｋ₂・λ／（ＮＡ）² （２）ここでλは露光波長、ＮＡはレンズ開口数、ｋ₁，ｋ₂
はプロセス係数を示す。

【０００５】（１）式より、解像限界Ｒは波長λを短く
し、ＮＡを大きくすることにより向上する事が分かる。
しかし、（２）式より短波長化及び高ＮＡ化は焦点深度
ＤＯＦを減少させてしまう。現状では、解像度の向上に
伴って焦点深度が急激に減少しており、必要な焦点深度
を確保することが難しくなってきている。一方、（２）
式から分かる様に、焦点深度の減少は短波長化の方が高
ＮＡ化よりも緩やかである。この為、短波長化が進めら
れてきており、露光光源として水銀灯のｇ線（λ＝４３
６ｎｍ）からｉ線（λ＝３６５ｎｍ）、更にはＫｒＦエ
キシマレーザー（λ＝２４８ｎｍ）が使用されるように
なってきている。

【０００６】更に短波長化、高ＮＡ化しないで、光学系
自体に工夫を加えることにより先述した回路パターンの
微細化に対応することが可能であり、その方法は総称し
て超解像技術と呼ばれている。超解像技術の代表的なも
のは、工夫を加える箇所によって次の３つの方法に大別
できる。即ち、投影光学系の光源形状を変更するもの
（変形照明法）、投影レンズの瞳面を変更するもの（瞳
フィルター法）、フォトマスクを変更するもの（位相シ
フト法、ハーフトーン法、補助パターン法等）である。
これらの超解像技術の効果は、フォトマスク上のパター
ンの種類に依存して異なる。

【０００７】位相シフト法、変形照明法は２光束干渉を
利用するもので周期的に配列したパターンの解像度と焦
点深度を向上させることができる。

【０００８】瞳フィルター法は投影レンズの瞳面の空間
周波数分布を変更することによって結像面を多重にする
方法で周期的に配列したパターンと孤立して存在するパ
ターンの両方に効果がある。しかしながら、この瞳フィ
ルター法は、投影レンズの瞳面を変更するので実プロセ
スへの導入が容易では無い。

【０００９】ハーフトーン法はマスクにおける高次の回
折光成分を強調することによって、広い焦点範囲にわた
ってウェハ上の光強度のコントラストを向上させる方法
である。この方法の特徴は周期的に配列したパターンと
孤立して存在するパターンの双方について、焦点深度を
向上させることができることである。

【００１０】補助パターン法は、主パターンの周辺にこ
の主パターンの寸法以下の補助パターンを形成し、解像
度と焦点深度を向上させる方法であり、詳細は、例え
ば、１９９３年度春期応用物理学会予稿集３０ｐ−Ｌ−
１６に述べられている。図７は、この従来の補助パター
ン法の場合のフォトマスクの上面図を示している。ここ
で、このフォトマスクは１／５に縮小投影露光するステ
ッパで使用されるものとする。図７に示されるように、
マスク基板となる透明なガラス基板５１の表面にクロム
からなる遮光膜が付着される。そして、この遮光膜から
主パターンである回路パターン用の遮光部５２が形成さ
れ、また、補助パターン用の遮光部５３と５３ａが、こ
の回路パターン用の遮光部５２に隣接して形成される。
このように補助パターン法では、フォトマスクに形成さ
れる回路パターンに隣接してこの回路パターン寸法より
小さい寸法の補助用パターンが設けられる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】先述したように、解像
度と焦点深度の向上を計るために、超解像技術の中で比
較的半導体製造プロセスへの導入が容易な変形照明法が
実用化されつつある。この変形照明法は周期性のある回
路パターン（以下、「周期パターン」と言う）には有効
であるが、孤立した回路パターン（以下、「孤立パター
ン」と言う）には効果が小さい。また、周期パターンに
おいてもパターンの端部等、周期性が無くなる部分では
形状が悪化する。これは、孤立パターンや周期パターン
の端部では光が一様に回折されるので、２光束干渉の効
果が得られなくなるためである。

【００１２】先述した補助パターン法では、主パターン
である回路パターンに隣接して補助パターンが形成され
る。このため、前述の変形照明法がある程度まで有効に
なる。しかし従来の技術の補助パターン法では、補助パ
ターンの線幅は主パターン寸法よりかなり小さく設定さ
れる必要がある。このため、従来補助パターン法による
解像度及び焦点深度の向上効果は十分でない。

【００１３】また、主パターンが解像度限界付近で設計
される場合には、補助パターンは解像度限界以下になり
パターンの微細化によってマスク作成が困難になる。例
えば、ＫｒＦエキシマリソグラフィを用いて０．２５μ
ｍライン状の孤立パターンを形成する場合、補助パター
ンの幅の上限はおよそ０．１０μｍとなる。０．１０μ
ｍマスクパターンの形成は、現在のマスク作成技術に大
きな負担を強いるものである。

【００１４】以上は解像度と焦点深度に関する問題であ
るが、パターンの疎密性の違いによる寸法差も問題とな
る。周期パターンと孤立パターンの寸法差は近接効果と
呼ばれ、近接効果を小さく抑えることも重要な課題とな
っている。即ち、露光した際の光強度分布が、周期パタ
ーンと孤立パターンで異なるために、両者を含むフォト
マスクで露光する際に周期パターンが設計通りになるよ
うに露光量を設定すると孤立パターンが設計寸法からは
ずれてしまうという問題が生じる。この問題に対して
は、前述した補助パターン法では補助パターンの線幅が
細いため近接効果の抑制は難しく、解決すべき課題とし
て残っている。

【００１５】本発明の目的は、孤立パターンの焦点深度
を向上させるとともに、孤立パターンや周期パターンの
端部での光学的な近接効果を減少させることである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明によ
れば、透明基板上に形成された主パターンと、該主パタ
ーンの周辺に形成され、解像限界を下回る寸法である補
助パターンとを有するフォトマスクにおいて、前記主パ
ターンは、半透明膜で形成され、前記補助パターンは、
遮光膜で形成されていることを特徴とするフォトマスク
が得られる。

【００１７】請求項２記載の発明によれば、前記半透明
膜の透過率が、４０％未満であることを特徴とする請求
項１記載のフォトマスクが得られる。

【００１８】請求項３記載の発明によれば、前記透明基
板のパターンの形成されていない領域を透過した露光用
の照明光と前記主パターンを透過した露光用の照明光と
の位相差が１８０度となることを特徴とする請求項１又
は２記載のフォトマスクが得られる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

［第１の実施形態］図１及び図２は本発明の第１の実施形態を説明するため
の図である。ここで図１（ａ）は本実施形態のフォトマ
スクの上面図であり、図１（ｂ）はその断面図である。
ここで、このようなフォトマスクは１／５の縮小投影露
光のステッパで使用されるものとする。このため、ウェ
ハ上のフォトレジストへの転写パターンの５倍の寸法の
回路パターンがフォトマスク上のパターンの寸法にな
る。以下の説明はフォトレジストがポジ型の場合で行
う。

【００２０】図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、
マスク基板となるガラス基板１の表面に回路パターンで
あるライン状の主パターン（孤立パターン）２が形成さ
れる。ここで、この主パターン２の線幅は１．２５μｍ
である。そして、この主パターン２の両側に補助パター
ン３，３ａがそれぞれ平行に配置して形成される。ここ
で、補助パターン３，３ａの線幅は補助パターン３，３
ａが解像しないことを条件に適当な値に決定される。ま
た、この補助パターン３，３ａ間の間隔の寸法は１．２
５μｍに設定されている。

【００２１】図１（ｂ）に示すように、このような補助
パターン３，３ａは、主パターン２と同一の構成材料の
上にクロムの遮光膜３′，３′ａを付着させて形成され
る。そして、この補助パターン３，３ａはフォトリソグ
ラフィの投影露光の照射光を完全に遮光するように形成
される。これに対し、主パターン２は前述の照射光のう
ち所定量の光を透過するものである。また、主パターン
２を透過する光の位相は、ガラス基板１を透過する光の
それに比して１８０度反転している。

【００２２】図２（ａ）〜（ｄ）は、従来の補助パター
ン法、即ち主パターンが遮光膜による孤立したライン状
パターンである場合に、先述した補助パターンの線幅を
変化させたときのシミュレーションにより求めたウェハ
上の光強度分布を示している。ここで、図２（ａ）、図
２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）は、それぞれ前述
した補助パターンの線幅が０（即ち補助パターンを設け
ない）、０．０５、０．１０、０．１５μｍの場合に対
応する。そして、縦軸の光強度はスペース領域での強度
で規格化されている。尚、このシミュレーションでは、
１／５の縮小投影露光において光学条件は、ＮＡ＝０．
５、σ＝０．７、λ＝２４８ｎｍとして行われた。ここ
で、σは照射光のコヒーレンシを示す値であり、照射光
源側の光学レンズのＮＡを投影レンズのＮＡで除した値
で表される。

【００２３】ここで、１／５の縮小投影露光で０．２５
μｍのラインの線幅が設計通りになる光強度をＩｔとす
る。このＩｔを基準の光強度とすると、光強度がＩｔよ
り小さいとレジストパターンがウェハ上に残り、Ｉｔよ
り大きいとレジストパターンが残らないことになる。補
助パターンの線幅の値が増加するのに伴い、ウェハ上に
補助パターンが形成されると予想される領域の光強度は
単調に減少する。補助パターンはレジストパターンとし
て残ってはいけないので、補助パターンの線幅は光強度
がＩｔより大きくなる範囲に抑えられる必要がある。シ
ミュレーションによると補助パターンの線幅は０．１３
μｍ以下でなければならないことがわかる。図２（ｄ）
に示されるように、補助パターンの線幅を０．１５μｍ
とすると、補助パターン部のレジストパターンが残って
しまうことになる。

【００２４】図２（ｅ）〜（ｈ）は、本実施形態、即ち
主パターンがウェハ上の光強度を低く抑えるように適当
に透過率の設定された半透明膜による孤立したライン状
パターンである場合に、先述した補助パターンの線幅を
変化させたときのシミュレーションでの光強度分布を示
している。ここで、主パターンの透過率を１５％に設定
している。ここで、図２（ｅ）、図２（ｆ）、図２
（ｇ）及び図２（ｈ）はそれぞれ前述した補助パターン
の線幅が０（即ち補助パターンを設けない）、０．０
５、０．１０、０．１５μｍの場合に対応する。シミュ
レーションの光学条件は、前述の従来の補助パターン法
についてのシミュレーション条件と同じである。

【００２５】本実施形態により、以下に述べるような顕
著なＤＯＦ拡大効果が得られる。即ち、ラインの線幅が
設計通りになる光強度Ｉｔは、従来補助パターン法を用
いた場合より小さい値を取る。図２（ａ）〜（ｄ）につ
いての考察と同様の考察により、補助パターンの線幅は
０．１６μｍまで拡大できるようになることがわかる。
その結果、予想されるＤＯＦは１．０μｍから１．５μ
ｍになることが、シミュレーションにより予想される。

【００２６】尚、本発明と変形照明法を併用すると、Ｄ
ＯＦは更に２．０μｍ以上まで向上すると予想される。

【００２７】［第２の実施形態］図３は本発明の第２の実施形態を示すフォトマスク上面
図である。図３に示すように、ライン状のパターンがあ
るピッチで配置される場合、即ちラインによる周期パタ
ーンの場合でも同様に補助パターンが形成される。図３
に示すように、ラインとスペースの幅の比が１：１の主
パターン（周期パターン）１２の両側に同じ寸法の補助
パターン１３及び１３ａが設置されている。尚、これら
の補助パターンの線幅及び主パターンの照射光の透過率
は、第１の実施形態で説明したのと同様の方法で求めら
れる。

【００２８】［第３の実施形態］図４は本発明の第３の実施形態を示すマスク上面図であ
る。図４に示すように、ラインとスペースの比が１：３
であり、このラインとスペースが同一ピッチで配置する
場合でも同様に補助パターンが形成される。図４に示す
ように、ラインとスペースの幅の比が１：３の主パター
ン（周期パターン）２２，２３，２４及び２５が配置さ
れる場合に、これらのラインパターン間に補助パターン
２６，２７，２８，２９及び３０が１本ずつ挿入され
る。なお、これらの補助パターンの線幅（パターン間距
離）及び主パターンの照射光の透過率は、第１の実施形
態で説明したのと同様の方法で求められる。なお、補助
パターンの線幅を細くして、主パターン間に配置される
補助パターンの本数を増やすことも可能である。更に、
本実施形態のラインとスペースの比は１：３であるが、
スペースの比がより大きくなった場合にも同様に適用で
きる。

【００２９】［第４の実施形態］次に第４の実施形態によるフォトマスクの作成方法につ
いて図面を用いて説明する。図５は本実施形態によるフ
ォトマスクの作成フローの断面図であり、第１の実施形
態のフォトマスクに対応している。図５（ａ）のよう
に、ガラス基板４１上にＭｏＳｉ系の半透明膜４２、Ｓ
ｉＯ₂４３、クロム４４、レジスト４５を堆積したもの
を用意する。ここでＭｏＳｉ系の半透明膜４２は適当な
透過率を持つ膜厚に調整しておく。またクロム４４は完
全に遮光する膜厚にする。またＳｉＯ₂４３はフォトマ
スクを使用する際の露光光に対して透明なものである。
図５（ｂ）のようにレジストパターンを形成し、それを
マスクとしてＭｏＳｉ系の半透明膜４２までエッチング
しレジストを剥離すると図５（ｃ）のようになる。その
上にもう一度レジストを塗布し、図５（ｄ）のように補
助パターンのみにレジスト４６が残るようにレジストパ
ターンを形成する。レジスト４６をマスクとしてクロム
４４のみをエッチングすると本実施形態によるフォトマ
スクが完成する。ここでＳｉＯ₂４３はエッチングのス
トッパーとして機能する。本実施形態では遮光膜をクロ
ム、半透明膜をＭｏＳｉ系の遮光膜で構成したが、これ
に限らず適当な遮光性と透過率を持つ膜であればクロム
の代わりに使用できる。

【００３０】次に、本実施形態における主パターンを透
過する光とスペース部を透過する光の位相差の制御方法
について説明する。主パターンを透過する光とスペース
部を透過する光の位相差は約１８０度にする必要があ
る。また、位相差は一周期分変化しても同じであるので
１８０°±３６０°ｎの近傍であっても良い。位相差は
半透明膜の厚さによって生じるのでＭｏＳｉ系の半透明
膜の厚さと光学濃度を調整することによって対処する。

【００３１】以上説明した実施形態では、露光波長を２
４８ｎｍ、パターン形状をラインパターン、主パターン
幅を０．２５μｍ、補助パターン幅を０．０５、０．１
０、０．１５μｍ、パターン間距離０．２５μｍ、主パ
ターン透過率を１５％としたが、露光波長、パターン形
状、パターン寸法はこの限りではなく、必要に応じて変
更可能である。変更した場合でも本発明の効果は実施形
態と同様に得られる。ただし、変更する際は補助パター
ン幅、パターン間距離及び主パターンの透過率を、シミ
ュレーションや実験によって最適化する必要がある。実
施形態から明らかな通り、本発明の効果を大きなものと
するためには、主パターン領域の光強度を、特に主パタ
ーンの線幅が設計通りになる光強度Ｉｔを小さな値にす
ることである。

【００３２】ここで、透過率のとり得る範囲について言
及する。例として、ライン状の孤立パターンに対して本
実施形態を適用した場合（第１の実施形態）について説
明する。図６には、主パターンの透過率を５％きざみで
変えた場合のＤＯＦのシミュレーションによる計算結果
を示している。ここで、照明系として通常照明のほか
に、輪帯照明（輪帯率６０％）を適用した場合について
も併せて示している。補助パターン線幅は、主パターン
の透過率が０％（完全遮光）である場合にとりうる最大
の値に設定されており、通常照明については０．１３μ
ｍ、輪帯照明については０．１２μｍである。ただし、
本発明の性格上、主パターンの透過率を適切に設定すれ
ば、より大きな補助パターン線幅をとることができるこ
とは、繰り返していうまでもない。図６より、本発明の
効果が得られる主パターン透過率は、通常照明では２０
％未満、輪帯照明では４０％未満である。主パターン透
過率がこの値を大きく越えると、ＤＯＦは急激に低下す
ることになる。よって、適切な透過率を設定すること
は、補助パターン幅を設定することに次いで、非常に重
要である。

【００３３】以上の実施形態では、補助パターンを主パ
ターンの両側に１対ずつ配置する場合について説明し
た。しかし、このような補助パターンを主パターンの上
下左右に配置し、主パターンの回りを補助パターンで囲
むようにしてもよいこと、また、主パターンの周囲に補
助パターンを複数対配置してもよいことに言及してお
く。更に、実施形態では露光用フォトマスクがステッパ
で使用される場合について説明したが、１対１の投影露
光装置の場合でも同様に形成されることに触れておく。
ただし、この場合にはフォトマスク上のパターン寸法
は、転写パターン寸法と同一になる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明では、主パターンの
転写されるべきウェハ上領域の光強度を低く抑えるよう
に適当に設定された透過率を持ち位相を反転させた主パ
ターンの近傍に補助パターンが配置されているので、本
発明における補助パターンの線幅は、従来の補助パター
ン法のそれに比べ大きくとることができるため、従来法
以上に光学的な近接効果を減らすことができ、且つ孤立
パターンの焦点深度を向上させることができる。更に、
本発明のフォトマスクを変形照明と組み合わせた場合一
層大きな効果を上げることができる。

【００３５】また、本発明における補助パターンの線幅
は、従来の補助パターン法のそれに比べ大きくとること
ができるため、微細化によって補助パターン線幅がマス
ク製造の限界に達し製造困難な場合においても、本発明
によれば補助パターンを有するフォトマスクを提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態を示すフォト
マスク上面図、（ｂ）はその断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は図１に示すフォトマスクで主
パターンが遮光膜で形成されている場合に、補助パター
ンの線幅を０μｍから０．１５まで０．０５μｍきざみ
で変化させたときのウェハ上の透過光の光強度分布グラ
フ、（ｅ）〜（ｈ）は図１に示すフォトマスクで主パタ
ーンが透過率１５％で透過光の位相を１８０度変化させ
るような材料膜で形成されている場合に、補助パターン
の線幅を０μｍから０．１５μｍまで０．０５μｍきざ
みで変化させたときのウェハ上の透過光の光強度分布の
グラフである。

【図３】本発明の第２の実施形態を示すフォトマスク上
面図である。

【図４】本発明の第３の実施形態を示すフォトマスク上
面図である。

【図５】図１に示すフォトマスクの製造方法である第４
の実施形態によるフォトマスクの作成フローの断面図で
ある。

【図６】図１に示すフォトマスクで主パターンが透過光
の位相を１８０度変化させるような材料膜で形成されて
いる場合に、主パターンの透過率を０％から４０％まで
５％きざみで変化させたときの焦点深度変化を示すグラ
フである。

【図７】従来の補助パターン法を適用した場合のフォト
マスク上面図である。

【符号の説明】

１ガラス基板２主パターン（孤立パターン）３補助パターン３ａ補助パターン１１ガラス基板１２主パターン（周期パターン）１３補助パターン１３ａ補助パターン２１ガラス基板２２主パターン（周期パターン）２３主パターン（周期パターン）２４主パターン（周期パターン）２５主パターン（周期パターン）２６補助パターン２７補助パターン２８補助パターン２９補助パターン３０補助パターン４１ガラス基板４２半透明膜４３シリコン酸化膜４４遮光膜４５レジスト４６レジスト５１ガラス基板５２主パターン（孤立パターン）５３補助パターン５３ａ補助パターン

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上に形成された主パターンと、
該主パターンの周辺に形成され、解像限界を下回る寸法
である補助パターンとを有するフォトマスクにおいて、
前記主パターンは、半透明膜で形成され、前記補助パタ
ーンは、遮光膜で形成されていることを特徴とするフォ
トマスク。
【請求項２】前記半透明膜の透過率が、４０％未満で
あることを特徴とする請求項１記載のフォトマスク。
【請求項３】前記透明基板のパターンの形成されてい
ない領域を透過した露光用の照明光と前記主パターンを
透過した露光用の照明光との位相差が１８０度となるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載のフォトマスク。