JP2972528B2

JP2972528B2 - 露光方法

Info

Publication number: JP2972528B2
Application number: JP24910894A
Authority: JP
Inventors: 直生安里; 伸二石田; 陽子岩渕
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1994-10-14
Publication date: 1999-11-08
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: JPH08114909A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は露光方法に係り、特に半
導体装置の製造工程において、半導体基板上にパターン
を形成するための位相シフトマスクを用いた露光方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体装置の製造工程におい
ては、半導体基板上に所望のパターンを形成するため
に、光リソグラフィ技術を用いている。光リソグラフィ
では、縮小投影露光装置によりフォトマスク（透明領域
と不透明領域からなるパターンが形成された透明基板で
あり、縮小率が１：１でない場合は特にレチクルとも呼
ばれるが、ここではいずれもマスクと呼ぶものとする）
のパターンを感光性樹脂の塗布された半導体基板上に転
写した後現像することにより、感光性樹脂の所望のパタ
ーンを得ることができる。

【０００３】従来の光リソグラフィ技術においては、露
光装置の高開口数（ＮＡ）化により半導体素子パターン
の微細化へ対応してきた。しかし、露光装置の高ＮＡ化
により解像力は向上するものの、レンズ口径が大きくな
るためにレンズの周辺部から入射した光と中心部から入
射した光とが焦点で集光するときに、高さが少し変化し
てもぼけが大きくなるため、焦点深度が浅くなり、表面
の凹凸の影響を受け易くなり、その結果、更なる微細化
が困難となってきた。

【０００４】そこで、位相シフトマスク技術による対応
が検討されてきている。位相シフトマスクは一般にマス
クを透過する光の位相を制御し、結像面での光強度分布
を改善するためのマスクである。また、この位相シフト
マスクにおいても、特にコンタクトホールパターンのよ
うな孤立パターンに対して、補助パターン方式、リム方
式、ハーフトーン方式（例えば、特開平４−１６２０３
９号公報）等など種々の種類が提案されている。なかで
も、ハーフトーン方式の位相シフトマスクは、マスク作
成が他の方式の位相シフトマスクに比べて容易であるた
め、特に注目されている。

【０００５】次に、これらの位相シフトマスクについて
通常のマスクと比較して説明する。図１７（Ａ１）、
（Ｂ１）及び（Ｃ１）は従来の通常のマスクの平面図、
縦断面図及び光の振幅分布の模式図を示す。通常のマス
クは、図１７（Ａ１）及び（Ｂ１）に示すように、石英
等の透明基板１上にクロム（Ｃｒ）及び酸化クロム（Ｃ
ｒＯ）からなる遮光膜５により、透明領域と遮光領域か
らなるパターンを有している。そして、マスクを透過す
る光の振幅は透明領域で一定値、遮光領域で零である。

【０００６】一方、図１７（Ａ２）、（Ｂ２）及び（Ｃ
２）は補助パターン方式の位相シフトマスクの平面図、
縦断面図及び光の振幅分布の模式図を示す。この補助パ
ターン方式の位相シフトマスクは、図１７（Ａ２）及び
（Ｂ２）に示すように、透明基板１上に遮光膜５を形成
し、半導体素子上に転写されるべきメインのパターンの
周辺に、露光装置の限界解像度以下の補助パターンを形
成し、かつ、透明膜７を用いてメインパターンを透過す
る光と補助パターンを透過する光にお互いに１８０°の
位相差を与える構成である。

【０００７】なお、ここでは、位相差を与える透明膜を
以下、単にシフタと呼ぶことにする。シフタは光路長の
違いにより透過する光と透過しない光に位相差を生じさ
せる。シフタにより生じる位相差θは露光光の波長を
λ、シフタ材料の屈折率をｎとすると、次式で与えられ
る。

【０００８】 θ＝３６０°×λ／（ｎ−１）（１）また、１８０°の位相差を与えるためのシフタ膜厚ｔは
次式で表される。

【０００９】ｔ＝λ／２（ｎ−１）（２）よって、この補助パターン方式の位相シフトマスクを透
過する光の振幅分布は、メインパターン部分と補助パタ
ーン部分が正負反転した、図１７（Ｃ２）に示す如き分
布となる。

【００１０】図１８（Ａ１）、（Ｂ１）及び（Ｃ１）は
リム方式の位相シフトマスクの平面図、縦断面図及び光
の振幅分布の模式図を示す。このリム方式の位相シフト
マスクは、図１８（Ａ１）及び（Ｂ１）に示すように、
透明基板１上に遮光膜５を形成し、更に中央矩形部を除
いて遮光膜５上及びその周辺の透明基板１上に透明膜７
が形成された構成である。

【００１１】このリム方式の位相シフトマスクは、補助
パターン方式の位相シフトマスクと同様に転写するパタ
ーン周辺部の光を透過させ、かつ、この部分の光の位相
を反転させる位相シフトマスクである。そして、このリ
ム方式の位相シフトマスクを透過する光の振幅分布は、
図１８（Ｃ１）に示すように、メインパターンの周辺に
正負反転した微細部分が形成された分布を示す。

【００１２】また、図１８（Ａ２）、（Ｂ２）及び（Ｃ
２）はハーフトーン方式の位相シフトマスクの平面図、
縦断面図及び光の振幅分布の模式図を示す。このハーフ
トーン方式の位相シフトマスクは、図１８（Ａ２）及び
（Ｂ２）に示すように、透明基板１上に酸化クロム等の
所定の膜厚の半透明膜８を形成することにより、透明領
域と半透明領域とからなるパターンを形成している。こ
のハーフトーン方式の位相シフトマスクでは、透明基板
１のみからなる透明領域を透過した光と、透明基板１と
半透明膜８の両方からなる半透明領域を透過した光との
振幅分布は、図１８（Ｃ２）に示すようになり、両者の
光の位相が１８０°反転するようにしている。

【００１３】これらの位相シフトマスクでは位相の反転
した光を僅かに漏らすことにより、結像面上においてメ
インパターンの境界部分で位相の反転した光同士の打ち
消し合いにより暗部を形成し、メインパターンの光強度
分布を急峻にする。これにより、位相シフトマスクは従
来の通常のマスクよりも焦点深度及び解像度を向上させ
ることができる。

【００１４】次に、位相シフトマスクにおける位相差の
影響について簡単に説明する。近年、位相エラー（位相
差の１８０°からのずれ）が、結像面のフォーカス特性
に影響を及ぼすことが報告されている。ここで、フォー
カス特性とは、焦点位置と感光性樹脂に形成されるパタ
ーン寸法の関係のことである。そのため、位相差を精度
良く制御することが必要とされ、現状では１枚のマスク
面内で±２°、複数のマスク間で±２°程度のばらつき
以内に制御されている。

【００１５】また、そのために位相差測定方法の検討も
従来より進められている。各種方法が提案されている
が、例えば特開平４−１７７１１１号公報に示されてい
るような代表的な従来の位相差測定方法について説明す
る。まず、光源からの測定光をビームスプリッタにより
２つに分割する。ここで、この測定光には、通常は露光
光が用いられる。これは、前述したように、位相差はシ
フタの膜厚及び屈折率に依存して生じるが、一般に屈折
率は波長により変化するため、露光光と測定光の波長が
異なると、実際の位相差が測定できないからである。

【００１６】もし、露光光と測定光との波長が異なると
きには露光光と測定光の波長での屈折率により位相差を
校正して求めることが必要となる。しかし、ハーフトー
ン方式の位相シフトマスクの場合は、ＣｒＯＮをスパッ
タしたシフタ膜内で、膜の厚さ方向で屈折率が変化する
ため、このような波長による屈折率の差を補正すること
は困難であった。よって、従来は光源には水銀ランプを
用い、フィルタにより露光光と同じ波長の光を取り出
し、測定光とする方法が用いられている。

【００１７】そして、図１９に示すように、２つに分割
した測定光の一方をマスク上のシフタが形成されている
領域、他の一方をシフタが形成されていない領域を透過
させてこれら２つの光を再び一つにし、干渉させた光強
度を用いてシフタで生じた位相差を求めている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、従来の位相
シフトマスクでは位相差を１８０°を目標として設定し
ているが、位相差が１８０°より大きい場合（これを位
相エラーが”＋”ともいう）と、位相差が１８０°より
小さい場合（これを位相エラーが”−”ともいう）で
は、フォーカス特性の変化の挙動が反対であるため、安
定した性能が得られないという問題点があった。

【００１９】更に、露光される感光性樹脂が有限の膜厚
を有するため（通常は１〜２μｍ）、位相差が１８０°
であっても、良好な解像特性が得られなかった。すなわ
ち、単純に光強度のみを考えると、位相差が１８０°の
時に、焦点位置の±で対称のフォーカス特性が得られ
る。しかし、感光性樹脂の膜厚を考慮し、かつ、感光性
樹脂の現像をも考えると位相差が１８０°のとき、特性
が最適とはならなかった。

【００２０】また、従来の位相差測定方法においては、
マスク上のシフタの形成された部分と、シフタの形成さ
れていない部分に測定光を透過させて測定していたた
め、微細パターンでの測定が不可能であった。すなわ
ち、測定光を高ＮＡの光学系を用いて絞っても、１μｍ
以上のスポットサイズとなる。そのため、測定位置と測
定光のアライメント等の要因を考えると、測定パターン
は２μｍ以上でなければならなかった。

【００２１】しかし、実際に位相シフトマスクを必要と
するパターンは微細パターンであり、マスク上２μｍ以
下である。そのため、コンタクトホールのマスクでは、
実際のコンタクトホールパターン部分では測定できず、
マスク周辺のパターン（例えば、露光装置用のアライメ
ントマークあるいは製品名の部分）で測定していた。し
かし、ハーフトーン方式の位相シフトマスクのようにシ
フタをスパッタで形成するマスクにおいては、膜厚及び
膜質（屈折率）が中心部分と周辺で異なる可能性があ
り、実際の微細パターンでの測定が必要となっていた。

【００２２】本発明は以上の点に鑑みなされたもの
で、感光性樹脂をより垂直なパターン形状として安定し
たパターンが形成されたあるいは焦点深度が広い位相シ
フトマスクを用いた露光方法を提供することを目的とす
る。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、透明基板上に半透明膜を部分的に形成し
て透明基板のみを光が透過する透明領域と、透明基板及
び半透明膜をそれぞれ光が透過する半透明領域とからな
るパターンを有する位相シフトマスクを用いた露光方法
において、前記透明領域を透過する光と前記半透明領域
を透過する光との位相差を１８１°〜２１０°の範囲内
の値にして基板上の感光性樹脂を露光し、光強度分布を
感光性樹脂の基板側で拡くし感光性樹脂の表面側で狭く
するものである。また、本発明は、透明基板上に半透明
膜を部分的に形成して透明基板のみを光が透過する透明
領域と、透明基板及び半透明膜をそれぞれ光が透過する
半透明領域とからなるパターンを有する位相シフトマス
クを用いた露光方法において、前記透明領域を透過する
光と前記半透明領域を透過する光との位相差を１５０°
〜１７９°の範囲内の値にして基板上の感光性樹脂を露
光し、光強度分布を感光性樹脂の基板側で狭くし感光性
樹脂の表面側で拡くするものである。

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【作用】本発明になる露光方法では、位相差がフォーカ
ス特性及びパターン形状に大きく影響を及ぼすことに着
目し、位相差１８１°〜２１０°の範囲内の値にして、
感光性樹脂の膜厚方向で光強度分布を変化させて露光す
ることにより、感光性樹脂の膜厚中央位置でピーク光強
度が最大となっても、光強度分布が感光性樹脂の半導体
基板側の位置で拡がり、感光性樹脂の表面側の位置では
光強度分布が狭くなるようにすることができる。

【００２７】また、本発明になる露光方法では、位相
差を１５０°〜１７９°の範囲内の値にして、感光性樹
脂の膜厚方向で光強度分布を変化させて露光することに
より、感光性樹脂の膜厚中央位置でピーク光強度が最大
となっても、光強度分布は感光性樹脂の表面側の位置で
拡がり、光強度から見たパターン寸法は大きくなり、か
つ、感光性樹脂の半導体基板側の位置では光強度的にパ
ターン寸法がより小さくなるようにすることができる。

【００２８】

【００２９】

【実施例】次に、本発明の各実施例について説明する。
図１（Ａ）及び（Ｂ）は本発明になる露光方法で用いる
位相シフトマスクの第１実施例の平面図及び縦断面図を
示す。同図（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、石英製の透
明基板１上に半透明膜２が中央の所定の大きさの矩形部
分を除いて形成され、半透明膜２が存在しない透明基板
１のみの透明領域３と、透明基板１上に半透明膜２が形
成されている半透明領域４とよりなるパターンが形成さ
れている。

【００３０】半透明膜２はこの位相シフトマスクの透過
率を所定の一定値（３％〜２０％の範囲が望ましい）に
すると共に、１８１°以上（１８１°〜２１０°の範囲
が望ましい）の位相差を与える。ここでは、一例として
露光装置の露光光はｉ線（波長λ＝３６５ｎｍ）とし、
半透明膜２は１２３５Åの膜厚のＣｒＯＮよりなり、半
透明領域４の透過率Ｔを７．５％（透明領域３の透過率
Ｔは１００％）とし、かつ、半透明膜２を透過する光と
透過しない光に１８５°の位相差を生じさせているもの
とする。

【００３１】次に、本実施例の効果の原理について簡単
に説明する。なお、ここでは露光装置として開口数（Ｎ
Ａ）が０．６、コヒーレントファクターσが０．３のｉ
線ステッパー（波長λ＝３６５ｎｍ）とする。また、焦
点位置の正負の方向は、被露光物（感光性樹脂の塗布さ
れた半導体基板）が投影レンズに近付く方向を”＋”、
遠ざかる方向を”−”とする。

【００３２】この場合の０．３５μｍコンタクトホール
の光強度分布のシミュレーション結果を図２〜図４にそ
れぞれ示す。ハーフトーン方式の位相シフトマスクで
は、露光条件及びマスクの透過率により、マスクバイア
スを設定するが、ここではコンタクトホールの直径を
０．０５μｍ拡大するマスクバイアスを設定している。
図２は位相差が１７０°のときの焦点位置による光強度
分布の変化を示している。位相差が１８０°より小さい
場合、焦点位置が”＋”側で光強度の分布は大きくな
り、”−”側で小さくなることがわかる。

【００３３】図３は位相差が１８０°のときの焦点位置
による光強度分布の変化を示している。位相差が１８０
°のときには、焦点位置（＝０μｍ）のときに光強度分
布のピーク値が最も高く、かつ、その分布の拡がりも大
きい。そして、焦点位置の”＋”側”と−”側では対称
に光強度は変化する。

【００３４】図４は位相差が１９０°のときの焦点位置
による光強度分布の変化を示している。このときは図２
に示した位相差が１７０°の時の光強度分布とは反対
に、焦点位置が”＋”側で光強度の分布は小さくな
り、”−”側で大きくなることがわかる。

【００３５】図５は各位相差でのコンタクトホール中央
のピーク光強度と焦点位置の関係を示す。同図中、点線
Ｉは位相差１７０°のときのコンタクトホール中央のピ
ーク光強度と焦点位置の関係、実線IIは位相差１８０°
のときのコンタクトホール中央のピーク光強度と焦点位
置の関係、破線IIIは位相差１９０°のときのコンタク
トホール中央のピーク光強度と焦点位置の関係をそれぞ
れ示す。同図からわかるように、ピーク光強度が最大と
なる焦点位置をベストフォーカスとすると、１０°の位
相エラーで０．２μｍのベストフォーカスのシフトが生
じる。

【００３６】次に、光強度分布のスレシュホルドモデル
（ある一定値の光強度レベルをパターン寸法とする）を
用いて、パターン寸法と焦点位置の関係を求めた結果に
ついて図６と共に説明する。ここで、スレシュホルドモ
デルに用いたスライスレベルは、各位相差でベストフォ
ーカス（位相差１８０°では０μｍ、位相差１７０°で
は＋０．２μｍ、位相差１９０°では−０．２μｍ）に
おいて、目標寸法の０．３５μｍとなるように設定し
た。

【００３７】図６に示すように、位相差１８０°のコン
タクトホール寸法と焦点位置との特性は実線Ｖで示すよ
うに、ベストフォーカスを中心に対称の焦点位置依存性
が得られるのに対し、位相差１７０°及び１９０°のそ
れぞれは点線ＩＶ及び破線ＶＩで示すように、ベストフ
ォーカスで目標寸法となるものの非対称の焦点位置依存
性が得られ、位相エラーがあると焦点位置による寸法変
化の関係が傾くことがわかる。

【００３８】次に、この光強度分布から求めたフォーカ
ス特性より、各位相差での感光性樹脂のパターン形状に
ついて説明する。図７は位相差１８０°の場合の、感光
性樹脂の露光状態及びパターン形状を示す。ここでは、
同図（Ａ）に示すように、半導体基板１０上に形成され
た感光性樹脂１１の膜厚の１／２の位置ｂに焦点があっ
ているものとする（ピーク光強度の最大となる焦点位置
が膜厚の１／２に位置する）。

【００３９】このときの感光性樹脂１１内の焦点位置に
よる光強度分布の変化を図７（Ｂ）〜（Ｄ）に示す。す
なわち、図７（Ｂ）は同図（Ａ）に示す状態で位相差１
８０°の場合の感光性樹脂１１が露光されているときの
ａで示す感光性樹脂１１の表面から１／４程度の膜厚に
おける光強度分布を示し、同図（Ｃ）は同図（Ａ）にｂ
で示す感光性樹脂１１の膜厚中央における光強度分布を
示し、更に同図（Ｄ）は同図（Ａ）にｃで示す感光性樹
脂１１の表面から３／４程度の膜厚における光強度分布
を示す。

【００４０】位相差１８０°の場合、図７（Ｃ）に示す
感光性樹脂１１の膜厚中央位置ｂでピーク光強度が最大
となると同時に、光強度から見たパターン寸法も最大と
なる。そして、同図（Ｂ）及び（Ｄ）に示すように、感
光性樹脂１１内で焦点がずれるに従い、光強度から見た
パターン寸法は小さくなる。しかし、感光性樹脂１１を
露光後現像して得られる感光性樹脂１１のパターンは、
現像が感光性樹脂１１の表面から進む現象であるため、
光強度分布通りにはパターンは形成されず、図７（Ｅ）
に示すように、開口されるコンタクトホールは若干順テ
ーパ形状の断面形状となる。

【００４１】次に、図８は位相差１９０°の場合の、感
光性樹脂の露光状態及びパターン形状を示す。同図
（Ａ）に示すように、半導体基板１０上に形成された感
光性樹脂１１の膜厚の１／２の位置ｂに焦点があってい
るものとしたときの（ピーク光強度の最大となる焦点位
置が膜厚の１／２に位置する）、感光性樹脂１１内の焦
点位置による光強度分布の変化を図８（Ｂ）〜（Ｄ）に
示す。

【００４２】すなわち、図８（Ｂ）は同図（Ａ）に示す
状態で位相差１９０°の場合の感光性樹脂１１が露光さ
れているときのａで示す感光性樹脂１１の表面から１／
４程度の膜厚における光強度分布を示し、同図（Ｃ）は
同図（Ａ）にｂで示す感光性樹脂１１の膜厚中央におけ
る光強度分布を示し、更に同図（Ｄ）は同図（Ａ）にｃ
で示す感光性樹脂１１の表面から３／４程度の膜厚にお
ける光強度分布を示す。

【００４３】位相差１９０°の場合、図８（Ｃ）に示す
感光性樹脂１１の膜厚中央位置ｂでピーク光強度が最大
となっても、同図（Ｄ）に示すように光強度分布は感光
性樹脂１１の下側の位置ｃで拡がり、光強度から見たパ
ターン寸法は大きくなる。その反対に、同図（Ｂ）に示
すように、感光性樹脂１１の上側の位置ａでは光強度的
にパターン寸法がより小さくなる。よって、このような
光強度分布で露光した感光性樹脂１１を現像すると、同
図（Ｅ）に示すように、感光性樹脂１１のパターンは、
垂直な断面形状のパターンが開口される。

【００４４】また、図９は位相差１７０°の場合の、感
光性樹脂の露光状態及びパターン形状を示す。同図
（Ａ）に示すように、半導体基板１０上に形成された感
光性樹脂１１の膜厚の１／２の位置ｂに焦点があってい
るものとしたときの（ピーク光強度の最大となる焦点位
置が膜厚の１／２に位置する）、感光性樹脂１１内の焦
点位置による光強度分布の変化を図９（Ｂ）〜（Ｄ）に
示す。

【００４５】すなわち、図９（Ｂ）は同図（Ａ）に示す
状態で位相差１７０°の場合の感光性樹脂１１が露光さ
れているときのａで示す感光性樹脂１１の表面から１／
４程度の膜厚における光強度分布を示し、同図（Ｃ）は
同図（Ａ）にｂで示す感光性樹脂１１の膜厚中央におけ
る光強度分布を示し、更に同図（Ｄ）は同図（Ａ）にｃ
で示す感光性樹脂１１の表面から３／４程度の膜厚にお
ける光強度分布を示す。

【００４６】位相差１７０°の場合、図９（Ｃ）に示す
感光性樹脂１１の膜厚中央位置ｂでピーク光強度が最大
となっても、同図（Ｂ）に示すように光強度分布は感光
性樹脂１１の上側の位置ａで拡がり、光強度から見たパ
ターン寸法は大きくなる。その反対に、同図（Ｄ）に示
すように、感光性樹脂１１の下側の位置ｃでは光強度的
にパターン寸法がより小さくなる。

【００４７】よって、このような感光性樹脂１１の上
部ほど広く開口されるような光強度分布で露光された感
光性樹脂１１を現像すると、同図（Ｅ）に示すように、
感光性樹脂１１のパターンは、より上部が大きく開口さ
れ、ややテーパのついた断面形状のパターンが得られ
る。

【００４８】従って、図７〜図９から分かるように、
感光性樹脂１１に形成されるコンタクトホールの断面形
状は、位相差が１８０°より大きい方がより垂直となる
ことが分かる。

【００４９】次に、フォーカス特性について図１０と
共に説明する。感光性樹脂の膜厚内でのデフォーカス
（焦点ずれ）の影響により、フォーカス特性は図１０に
示すように位相エラーの”＋”と”−”とで正反対とは
ならない。すなわち、位相エラーが”＋”、すなわち位
相差が１８０°より大であるときにはパターンが解像す
る焦点位置の範囲のシフトは小さく、フォーカス特性の
曲線も図１０に曲線VIIIで示すように、位相エラーが”
０”の時の特性VIIに比し、僅かにしか傾斜しない。

【００５０】一方、位相エラーが”−”、すなわち位
相差が１８０°より小であるときには、パターンが解像
する焦点位置の範囲のシフトが大きく、”＋”方向にシ
フトし、フォーカス特性の曲線も図１０に曲線IXで示す
ように、位相エラーが”０”の時の特性VIIに比し、大
きく傾斜する。

【００５１】よって、本実施例のハーフトーン方式の
位相シフトマスクにおいては、図２〜図１０より位相差
を１８０°より僅かに大きめに設定し、マスク面内、マ
スク間の位相差のばらつきを考慮しても、”−”の位相
エラーが生じないように設定した、図１の構成とするこ
とにより、安定した、かつ、精度の良いパターン形成が
可能となる。ただし、位相差が１８０°より大きくずれ
ると、位相シフト法の効果自体がなくなるため、位相差
は１８５°±４°の範囲で制御することが望ましい。

【００５２】次に、本発明の第２実施例について説明
する。図１１（Ａ）及び（Ｂ）は本発明になる露光方法
で用いる位相シフトマスクの第２実施例の平面図及び縦
断面図を示す。同図（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、石
英製の透明基板１上に半透明膜１２が中央の所定の大き
さの矩形部分を除いて形成され、半透明膜１２が存在し
ない透明基板１のみの透明領域３と、透明基板１上に半
透明膜１２が形成されている半透明領域１４とよりなる
パターンが形成されている。

【００５３】半透明膜１２はこの位相シフトマスクの透
過率を所定の一定値（３％〜２０％の範囲が望ましい）
にすると共に、１７９°以下（１５０°〜１７９°の範
囲が望ましい）の位相差を与える。ここでは、一例とし
て露光装置の露光光はｉ線（波長λ＝３６５ｎｍ）と
し、半透明膜１２は１１６５Åの膜厚のＣｒＯＮよりな
り、半透明領域１４の透過率Ｔを８．６％（透明領域３
の透過率Ｔは１００％）とし、かつ、半透明膜１２を透
過する光と透過しない光に１７５°の位相差を生じさせ
ているものとする。

【００５４】前述したように、位相エラーが”−”の
際には焦点位置変化によるパターン寸法変化が大きい。
しかし、半導体素子のコンタクトホールには、開口して
さえいれば寸法精度は問題としない場合も多い。パター
ン寸法精度を問題としなければ、単純にコンタクトホー
ルが開口する焦点範囲は位相エラーが”−”の場合の方
がより広くとれることは前述した通りである。そこで、
本実施例では、位相差を１７９°以下とすることによ
り、開口範囲をより拡大した構成としたものである。

【００５５】次に、本発明の第３実施例について説明す
る。一般的に、コンタクトホールのリソグラフィ工程に
おいては、下地基板である半導体基板上には１μｍ以上
の厚い膜厚の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）等の絶縁膜が
形成されている。よって、このような厚い透明膜（Ｓｉ
Ｏ₂ ）の影響等により、通常マスク及び位相差１８０°
の位相シフトのフォーカス特性は傾斜してしまう。そこ
で、本実施例では更に積極的に位相エラーを与えること
により、フォーカス特性を向上させるものである。

【００５６】このことについて更に説明するに、まず、
図１２に示すように、位相差が異なる複数の位相シフト
マスク（位相差１７０°、１７５°、１８０°、１８５
°、１９０°）のそれぞれについて、フォーカス特性
（コンタクトホール寸法対焦点位置特性）をシミュレー
ションにより求める。ここでは、一般性を持たせるた
め、実際の半導体基板ではなくシリコン基板上でフォー
カス特性を求めている。

【００５７】続いて、各位相差でのフォーカス特性の傾
きＳをＳ＝Ｆ_+0.5−Ｆ_-0.5 なる式に基づいて求める。ここで、Ｆ_+0.5は焦点位置＋
０．５μｍでのコンタクトホール寸法、Ｆ_-0.5は焦点位
置−０．５μｍでのコンタクトホール寸法である。

【００５８】図１３は上記のようにして求めたフォーカ
ス特性を示す。同図中、縦軸は上式で与えられるフォー
カス特性の傾きＳ、横軸は位相シフトマスクの位相差を
示す。同図に示すように、位相シフトマスクの位相差が
１８０°のときにはフォーカス特性の傾きＳが”０”、
位相差が１８０°より小さいときにはフォーカス特性の
傾きＳが”＋”であり、位相差が１８０°より大きいと
きにはフォーカス特性の傾きＳは”−”となる。ここ
で、このフォーカス特性は、露光条件はもとより、コン
タクトホール寸法及びそのパターンレイアウトにも依存
する。

【００５９】続いて、実際に位相差１８０°のハーフト
ーン方式の位相シフトマスクを用いて、実際の半導体基
板上でのフォーカス特性を測定する。そして、その測定
フォーカス特性の傾きＳが図１４に示すように、傾斜し
ている場合は、この傾斜に相当する位相エラーを、正負
を反転して付加する。

【００６０】例えば、フォーカス特性の傾きＳが”−６
°”の位相エラーの影響に相当するときには、反対に”
＋６°”の位相エラーを与え、位相差を１８６°とした
位相シフトマスクを作成する。この位相差１８６°の位
相シフトマスクにより、本来のフォーカス特性の傾きを
打ち消し、平坦なフォーカス特性が得られるようにな
り、寸法精度が向上する。なお、ここで位相差１８０°
の位相シフトマスクのフォーカス特性は、投影レンズの
収差等が測定可能であれば、シミュレーションにより求
めても良い。

【００６１】次に、本発明になる位相差測定方法の第１
実施例について図１５の各種特性図と共に説明する。な
お、ここでも以上の実施例と同様に、露光装置はＮＡ＝
０．６、σ＝０．３のｉ線ステッパで、マスクはハーフ
トーン方式の位相シフトマスクで、パターンは０．３５
μｍコンタクトホール、マスクバイアス０．０５μｍ
（直径）とする。

【００６２】まず、図１５（Ａ）に示すように、位相差
が異なる複数の位相シフトマスクのそれぞれについて、
フォーカス特性（コンタクトホール寸法対焦点位置特
性）をシミュレーションにより求める。ここでは、位相
差１８０°を中心に±５°ステップで±１０°の範囲で
（すなわち、位相差１７０°、１７５°、１８０°、１
８５°、１９０°）フォーカス特性を求めている。

【００６３】次に、各位相差でのフォーカス特性の傾き
Ｓを前記した式に基づいて求める。図１５（Ｂ）はこの
ようにして求めたフォーカス特性を示す。同図中、縦軸
はフォーカス特性の傾きＳ、横軸は位相シフトマスクの
位相差を示す。同図に示すように、位相シフトマスクの
位相差が１８０°のときにはフォーカス特性の傾きＳ
が”０”、位相差が１８０°より小さいときにはフォー
カス特性の傾きＳが”＋”であり、位相差が１８０°よ
り大きいときにはフォーカス特性の傾きＳは”−”とな
る。ここで、このフォーカス特性は、露光条件はもとよ
り、コンタクトホール寸法及びそのパターンレイアウト
にも依存する。

【００６４】続いて、実際に位相差を測定しようとする
位相シフトマスクを用いて露光を行い、フォーカス特性
を測定する。図１５（Ｃ）はこの実際に測定したフォー
カス特性の一例を示す。そして、最後に、図１５（Ｄ）
に示すように、同図（Ｂ）に示したフォーカス特性に、
同図（Ｃ）に示したフォーカス特性の傾きＳを比較し、
そのときの位相差（同図（Ｄ）の横軸）の値を求める。

【００６５】なお、図１５ではフォーカス特性を表すパ
ラメータとして傾きＳを用いたが、これに代わる他のパ
ラメータとして、例えば解像する焦点位置範囲あるいは
その中心値等を用いることも考えられる。しかし、位相
エラーに最も影響されるのは、フォーカス特性の傾きＳ
であるため、上記実施例のようにフォーカス特性の傾き
Ｓを用いた方が、位相エラーの測定精度が得られる。

【００６６】本実施例によれば、従来困難であった実際
のパターンでの位相差測定ができる。また、従来の測定
装置では困難であった、ＡｒＦエキシマレーザ（λ＝１
９３ｎｍ）あるいはＸ線のような短波長の光源に対する
位相シフトマスクの位相差も測定できるという利点があ
る。

【００６７】なお、シミュレーションにより求めた、各
位相差でのフォーカス特性の曲線は、実験により求めて
も良い。すなわち、位相差を意図的に１８０°を中心に
±２°ステップで±１０°の範囲で変化させた複数のマ
スクを用い、実験的にフォーカス特性を求めておいても
同様の効果が得られる。

【００６８】次に、本発明になる位相差測定方法の第２
実施例について図１６と共に説明する。まず、実際のマ
スクパターンを用い、シミュレーションにより各位相差
毎のサイドローブ（メインパターンの回りにできる２次
ピークによる膜べり）の転写性を求める。図１６（Ａ）
はこのサイドローブの転写性特性を示す図で、縦軸が焦
点位置、横軸が位相シフトマスクの位相差を示してお
り、ここでは位相差１８０°を中心に±５°ステップで
±１０°の範囲で（すなわち、位相差１７０°、１７５
°、１８０°、１８５°、１９０°）サイドローブの転
写性特性を求めている。

【００６９】同図（Ａ）に示すように、サイドローブは
位相エラーが”＋”の場合、すなわち、位相差が１８０
°より大であるときには転写され易くなり、その転写さ
れる焦点範囲は拡がり、また、”＋”方向にシフトす
る。位相エラーが”０”のときには、サイドローブが転
写される焦点範囲は最も狭くなる。また、位相エラー
が”−”、すなわち位相差が１８０°より小であるとき
には、サイドローブ転写範囲が多少拡がると共に”−”
方向にシフトする。

【００７０】次に、位相差を測定しようとする位相シフ
トマスクを用いて露光を実際に行い、サイドローブの転
写される焦点位置を光学顕微鏡により測定する。図１６
（Ｂ）の黒丸はこの実際に測定したサイドローブの転写
される焦点位置を、また実線は焦点範囲を示す。

【００７１】そして最後に、図１６（Ｃ）に示すよう
に、シミュレーションにより求めた同図（Ａ）に示した
サイドローブの転写性特性と同図（Ｂ）に示した実際の
サイドローブの転写性を比較し、そのときの横軸の値か
ら位相差を求める。

【００７２】本実施例によれば、解像特性のうち特に感
光性樹脂の表面に形成されるサイドローブの像に注目す
ることにより、光学顕微鏡による観察のみで位相差が測
定できるという利点を有する。

【００７３】なお、シミュレーションにより求めた各位
相差でのフォーカス特性の曲線は、実験により求めても
良い、例えば、位相差を意図的に１８０°を中心に±２
°ステップで±１０°の範囲で変化させた複数のマスク
を用い、実験的にフォーカス特性を求めておいても同様
の効果が得られる。

【００７４】なお、以上の実施例ではハーフトーン方式
の位相シフトマスク及びその位相差測定方法について説
明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、透
明基板上に遮光膜と透明膜とがそれぞれ部分的に形成さ
れた投影露光装置用のフォトマスクで、前記透明基板の
みを光が透過する第１の透明領域と、透明基板及び透明
膜をそれぞれ光が透過する投影露光装置の限界解像度以
下の第２の透明領域と、遮光領域とからなるパターンを
有する位相シフトマスク、例えば補助パターン方式ある
いはリム方式の他の方式の位相シフトマスク及びその位
相差測定方法にも適用できるものである。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
位相差１８１°〜２１０°の範囲内の値にして、感光性
樹脂の膜厚方向で光強度分布を変化させて露光すること
により、感光性樹脂の膜厚中央位置でピーク光強度が最
大となっても、光強度分布が感光性樹脂の半導体基板側
の位置で拡がり、かつ、感光性樹脂の表面側の位置では
光強度分布が狭くなるようにすることにより、このよう
な光強度分布で露光した感光性樹脂を現像すると、感光
性樹脂のパターンは、垂直な断面形状のパターンを開口
できる。すなわち、本発明によれば、位相エラーの変動
によるフォーカス特性の変動を低減し、安定したパター
ン形成ができる。

【００７６】また、本発明によれば、位相差を１５０
°〜１７９°の範囲内の値にして、感光性樹脂の膜厚方
向で光強度分布を変化させて露光することにより、感光
性樹脂の膜厚中央位置でピーク光強度が最大となって
も、光強度分布は感光性樹脂の表面側の位置で拡がり、
光強度から見たパターン寸法は大きくなり、かつ、感光
性樹脂の半導体基板側の位置では光強度的にパターン寸
法がより小さくなるようにしたため、このような光強度
分布で露光した感光性樹脂を現像すると、感光性樹脂の
上部が大きく開口され、大きくテーパのついた断面形状
のパターンを得ることができ、よって、寸法精度は問題
としないコンタクトホールの開口に好適である。

【００７７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いる位相シフトマスクの第１実施例
の平面図及び縦断面図である。

【図２】位相差１７０°の位相シフトマスク使用時のコ
ンタクトホールの光強度分布を示す図である。

【図３】位相差１８０°の位相シフトマスク使用時のコ
ンタクトホールの光強度分布を示す図である。

【図４】位相差１９０°の位相シフトマスク使用時のコ
ンタクトホールの光強度分布を示す図である。

【図５】複数の位相シフトマスク使用時のコンタクトホ
ール中央のピーク光強度と焦点位置の関係を示す図であ
る。

【図６】複数の位相シフトマスク使用時のパターン寸法
と焦点位置の関係を示す図である。

【図７】位相差１８０°の場合の感光性樹脂の露光状態
及びパターン形状説明図である。

【図８】位相差１９０°の場合の感光性樹脂の露光状態
及びパターン形状説明図である。

【図９】位相差１７０°の場合の感光性樹脂の露光状態
及びパターン寸法形状説明図である。

【図１０】位相エラーによるフォーカス特性の変化を示
す図である。

【図１１】本発明で用いる位相シフトマスクの第２実施
例の平面図及び縦断面図である。

【図１２】位相エラーとフォーカス特性の関係を示す図
である。

【図１３】位相エラーとフォーカス特性の傾きの関係を
示す図である。

【図１４】本発明で用いる位相シフトマスクの第３実施
例の位相差設定方法説明図である。

【図１５】本発明方法の第１実施例の説明図である。

【図１６】本発明方法の第２実施例の説明図である。

【図１７】従来のシフトマスクの各例を示す図である。

【図１８】従来のシフトマスクの他の各例を示す図であ
る。

【図１９】従来の位相差測定方法の一例を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１透明基板２、１２半透明膜３透明領域４、１４半透明領域１０半導体基板１１感光性樹脂Ｓフォーカス特性の傾き

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岩渕陽子東京都港区芝５丁目７番１号日本電気株式会社内 (56)参考文献特開平６−332152（ＪＰ，Ａ) 特開平６−289594（ＪＰ，Ａ) 特開平４−190352（ＪＰ，Ａ) 特開平４−230752（ＪＰ，Ａ) 特開平５−265186（ＪＰ，Ａ) 特開平６−3803（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03F 1/00 - 1/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上に半透明膜を部分的に形成し
て透明基板のみを光が透過する透明領域と、透明基板及
び半透明膜をそれぞれ光が透過する半透明領域とからな
るパターンを有する位相シフトマスクを用いた露光方法
において、前記透明領域を透過する光と前記半透明領域
を透過する光との位相差を１８１°〜２１０°の範囲内
の値にして基板上の感光性樹脂を露光し、光強度分布を
感光性樹脂の基板側で拡くし感光性樹脂の表面側で狭く
することを特徴とする露光方法。
【請求項２】透明基板上に遮光膜と透明膜とがそれぞ
れ部分的に形成された投影露光装置用のフォトマスク
で、前記透明基板のみを光が透過する第１の透明領域
と、該透明基板及び透明膜をそれぞれ光が透過する該投
影露光装置の限界解像度以下の第２の透明領域と、遮光
領域とからなるパターンを有する位相シフトマスクを用
いた露光方法において、前記第１の透明領域を透過する
光と前記第２の透明領域を透過する光との位相差を１８
１°〜２１０°の範囲内の値にして基板上の感光性樹脂
を露光し、光強度分布を感光性樹脂の基板側で拡くし感
光性樹脂の表面側で狭くすることを特徴とする露光方
法。
【請求項３】透明基板上に半透明膜を部分的に形成し
て透明基板のみを光が透過する透明領域と、透明基板及
び半透明膜をそれぞれ光が透過する半透明領域とからな
るパターンを有する位相シフトマスクを用いた露光方法
において、前記透明領域を透過する光と前記半透明領域
を透過する光との位相差を１５０°〜１７９°の範囲内
の値にして基板上の感光性樹脂を露光し、光強度分布を
感光性樹脂の基板側で狭くし感光性樹脂の表面側で拡く
することを特徴とする露光方法。
【請求項４】透明基板上に遮光膜と透明膜とがそれぞ
れ部分的に形成された投影露光装置用のフォトマスク
で、前記透明基板のみを光が透過する第１の透明領域
と、該透明基板及び透明膜をそれぞれ光が透過する該投
影露光装置の限界解像度以下の第２の透明領域と、遮光
領域とからなるパターンを有する位相シフトマスクを用
いた露光方法において、前記第１の透明領域を透過する
光と前記第２の透明領域を透過する光との位相差を１５
０°〜１７９°の範囲内の値にして基板上の感光性樹脂
を露光し、光強度分布を感光性樹脂の基板側で狭くし感
光性樹脂の表面側で拡くすることを特徴とする露光方
法。