JP3178391B2

JP3178391B2 - フォトマスクの設計方法

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Publication number: JP3178391B2
Application number: JP29282297A
Authority: JP
Inventors: 伸二石田; 直生安里
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 2001-06-18
Anticipated expiration: 2017-10-24
Also published as: JPH11125894A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投影露光装置用のフ
ォトマスク、特に半導体装置の製造工程で微細パターン
形成のために用いられるフォトマスクの設計方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】現在、半導体装置の製造工程において
は、半導体基板上に半導体素子用のパターンを形成する
ために、主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
（透明領域と遮光領域からなるパターンが形成された露
光用原板であり、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フォトマスクと呼
称する）のパターンすなわちマスク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、現像により感光
性樹脂の所定のパターンすなわち感光性樹脂パターンを
得ることができる。

【０００３】これまでの光リソグラフィ技術において
は、主に露光装置の開発、とりわけ投影レンズ系の高Ｎ
Ａ化により半導体素子の微細化へ対応してきた。ここで
ＮＡ（開口数）とはレンズがどれだけ広がった光を集め
られるかに対応し、この値が大きいほどより広がった光
を集められ、レンズの性能は良いことになる。また、一
般にレーリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）の式としてよく知ら
れているように、限界解像度Ｒ（解像できる限界の微細
パターンの寸法）とＮＡには、Ｒ＝Ｋ₁×λ／ＮＡ（こ
こで、Ｋ₁は感光性樹脂の性能等のプロセスに依存する
定数）の関係があり、ＮＡを大きくするほど限界解像度
はより微細になってきた。

【０００４】確かに、露光装置の高ＮＡ化により解像力
は向上する。しかし、逆に焦点深度（焦点位置のずれが
許容はできる範囲）は減少し、焦点深度の点で更なる微
細化が困難となってきた。ここでも実際の物理的説明は
省くが、先と同様レーリーの式として、焦点深度ＤＯＦ
とＮＡには、ＤＯＦ＝Ｋ₂×λ／ＮＡ²（ここで、Ｋ₂
はプロセスに依存する定数）の関係が成り立つことが知
られている。すなわち、ＮＡを大きくする程焦点深度は
狭くなり、わずかな焦点位置のずれも許容できなくな
る。

【０００５】そこで、様々な超解像手法が検討されるよ
うになってきた。一般に、超解像手法とは、照明光学
系，フォトマスク，および投影レンズ系瞳面における透
過率および位相を制御することにより結像面での光強度
分布を改善する手法である。

【０００６】また各種超解像手法の中でも、照明光学系
の最適化による解像特性の向上、いわゆる変形照明法は
実現性が高く近年特に注目を集めている。

【０００７】一般に、露光装置の照明光学系では円形の
光源（有効光源）にてフォトマスクを照明している。こ
の有効光源の形状を制御し解像特性を改善する手法が一
般に変形照明法あるいは斜入射照明法と呼ばれる超解像
手法である。この有効光源の形状を変化させる手段とし
て、通常、フライアイレンズの直後に様々な形状の絞り
あるいはフィルターを配置している。なお、この手法は
有効光源の形状（絞りの形状）により区別され、例え
ば、絞りの中央部を遮光してリング型の照明光源を用い
る照明法は輪帯照明法と呼ばれ、また周辺の４隅のみ開
口した絞りを用いる照明法は４点照明法と呼ばれてい
る。

【０００８】また、変形照明法のほかにも、フォトマス
ク側の改善による超解像手法である、位相シフトマスク
の検討も盛んに行われている。特にハーフトーン方式位
相シフトマスクは製造方法が他の位相シフトマスクに比
べ容易であり、かつ簡単なマスクデータの設計も容易で
あるという利点があり、特に注目されている。

【０００９】ここで、ハーフトーン方式とは、通常マス
クの遮光膜の代わりに半透明膜を用い、半透明膜を透過
する光とその周辺の透明領域を透過する光に１８０度の
位相差が生じるように設定した位相シフトマスクであ
る。半透明膜の材料としては、酸化窒化クロム、酸化窒
化モリブデンシリサイド、あるいはフッ化クロム等が用
いられ、その透過率は４％〜１０％の範囲が一般的であ
る。

【００１０】そこで、ハーフトーン方式位相シフトマス
クにおいては、透明領域と半透明領域の境界部では位相
の１８０度異なった光同士の干渉により光強度が低下
し、光強度分布をより急峻にすることができる。ただ
し、この干渉による光強度低下（透明領域−半透明領域
の境界付近の）のため、所望の感光性樹脂パターンの寸
法を得るためには、透明領域の寸法を大きくすること
（マスクバイアス）が必要になる。

【００１１】また、ハーフトーン方式位相シフトマスク
においては、不要な部分にも一定の光が漏れてしまい、
感光性樹脂の膜厚減少等の問題を生じたので、これを防
止するために、半透明膜の上に遮光膜を形成し、不要な
露光光の漏れを防止する方法が提案されている。以上の
ように、各種超解像手法の提案により、光リソグラフィ
の限界は露光波長に達している。

【００１２】このような解像限界近くのパターン形成に
おいては、光近接効果（ＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｘｉｍ
ｉｔｙＥｆｆｅｃｔ）の影響が顕著になる。この光近
接効果とは、パターンがその周辺の他のパターンの影響
を受け、形状および寸法が変化する現象である。そこ
で、この光近接効果を逆に利用した光近接効果補正（Ｏ
ｐｔｉｃａｌＰｒｏｘｉｍｉｔｙＣｏｒｒｅｃｔｉ
ｏｎ：以下ＯＰＣと呼ぶ）手法が盛んに検討されるよう
になってきている。この手法は、あらかじめマスクパタ
ーンを変形させておくことにより所望の感光性樹脂パタ
ーンを得る方法である。このようなＯＰＣ手法には、単
純にマスクパターンのサイズを変える方法（マスクバイ
アスという。なお、パターンの一部のサイズを変える方
法は特にジョグと言い区別される）や、パターンの角に
解像限界以下の微細パターンを配置するハットおよびセ
ルフ等の方法がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上に説明した、従来
のマスクバイアスの方法においては、マスクパターンの
寸法を変化させているので、不連続で、しかも、ある一
定寸法以上の刻みでしかマスクパターン寸法を変化させ
られないという問題がある。

【００１４】フォトマスクを製作するためのマスクデー
タ作成および描画装置の露光データはすべてｘ，ｙ方向
とも等間隔のグリッド上に乗っており、このグリッドサ
イズはマスク描画装置での制限で決定されている。すな
わち、グリッドサイズはフォトマスク作製の描画装置の
最小ビームサイズ以上に設定しなければならない。この
マスク描画装置は主に電子線描画装置が用いられるが、
この最小ビームサイズが０．０５μｍ程度である。この
場合、露光装置の縮小率が１／５倍（マスクパターン寸
法：結像面上パターン寸法＝５：１）であれば、結像面
上（半導体基板上）では、０．０１μｍの最小グリッド
でしか設計できないことになる。

【００１５】しかし、マスク描画装置に於いて、ビーム
を最小値まで絞って描画することは実用的ではない。こ
れは、ビーム径を絞るほど、同じ面積を描画する時間は
２乗で増加するためであり、最小ビーム径でマスク全面
を描画するには１日以上かかってしまう。このような長
時間の描画では、描画装置の安定性がマスク精度に大き
く影響するようになってしまう。このため、実用上は
０．０２μｍ以上のグリッドサイズが用いられる。

【００１６】以上のような理由から、光近接効果等の原
因により転写パターンの寸法が小さくなる場合に、マス
クバイアスを用いてマスクパターンを大きくしても、設
計上のグリッドサイズの制限により最適のマスクバイア
ス量が選択できない。このために、マスクパターンを大
きくしすぎてしまい、転写パターンすなわち感光性樹脂
パターンが逆に大きくなりすぎる。そして、所定の微細
な感光性樹脂パターン形成が困難になる。

【００１７】また、マスク描画時の最小グリッド寸法以
下の刻みで感光性樹脂パターンの寸法を制御する手法も
必要とされている。特に、次に示すコンタクトホールパ
ターン（以下、ホールパターンという）のリニアリティ
においてマスク寸法のグリッドの問題が顕著になる。こ
こで、マスク寸法とその得られた感光性樹脂パターンの
寸法の関係をリニアリティと呼んでいる。そして、この
ホールパターンはラインパターンの２倍以上寸法変動が
大きくなる（リニアリティが悪い）ことはよく知られて
いる。

【００１８】図１０に、ＫｒＦエキシマレーザー露光
（ＮＡ＝０．５５、コヒーレントファクターσ＝０．
８）におけるホールパターンのリニアリティを示す。こ
の図は光強度分布シミュレーションの結果より、ある一
定値以上（スライスレベル）の光強度で感光性樹脂が現
像により除去されるいう簡便な現像モデルを用いて寸法
を求めたものである。ここで、このスライスレベルは、
図１０の○印で示すように、０．２μｍのマスク寸法／
５が０．２μｍの感光性樹脂パターン寸法となるような
値に設定されている。

【００１９】図１０に示すように、従来の技術の場合、
マスク寸法（半導体基板上の値：１／５）と感光性樹脂
パターンの寸法は、理想的な直線関係である正比例の関
係にはならず、大きなマスク寸法ほど寸法が大きく外れ
ることになる。このようにリニアリティが悪いと、０．
２μｍと０．２４μｍのホールパターンを同時に形成す
ることは困難で、０．２μｍホールパターンに露光量を
合わせると、図１０中の矢印で示すように、０．２４μ
ｍホールパターンは約０．２８μｍと大幅に大きくなっ
てしまう。そこで、０．２４μｍホールパターンのマス
ク寸法を０．２２５μｍにすれば０．２４μｍの感光性
樹脂パターンを得られる。しかし、これではマスク描画
時の最小グリッドのためマスク作成ができない。

【００２０】また、セリフを用いれば、セリフのサイズ
によりホールパターンの寸法を更に細かな刻みで変化さ
せられる。しかし、セリフは微細なため寸法が安定しな
い。特に電子線描画装置のフィールドつなぎにセリフパ
ターンがかかると極端に寸法が異なってくる。そして、
セリフパターンが小さくなると、感光性樹脂に転写され
るホールパターンの寸法が小さくなる。また、ホールパ
ターンは同寸法のラインパターンに比べ焦点深度が狭
く、寸法が小さくなると更に焦点深度が減少してしま
う。このため、ホールパターンにおけるセリフの使用は
困難となる。

【００２１】半導体装置の製造では、ホールパターンが
大きくなりすぎると半導体素子の配線パターンにコンタ
クトホールが接触し半導体素子が動作しなくなる危険性
がある。また、ホールパターンが極端に大きくなれば密
集パターンにおいて隣接パターン同士が接触するという
問題が生じる。一方、ホールパターンが反対に小さくな
ると接合抵抗の上昇により半導体素子の性能が損なわれ
る。また、焦点深度の低下という問題も生じる。

【００２２】そこで、上述したホールパターンのリニア
リティを改善すると半導体装置の製造マージンが大幅に
拡大するようになる。本発明の目的は、セリフのような
微細パターンを用いずに簡便な方法でホールパターンの
リニアリティを改善し、異なる寸法のホールパターンを
高精度に形成することにある。

【００２３】

【問題を解決するための手段】本発明名のフォトマスク
の設計方法では、透明領域と遮光領域及び半透明領域を
有し前記透明領域と前記半透明領域の透過光に逆位相を
生じさせるフォトマスクの製造において、一部の透明領
域のマスクパターンの寸法をマスクバイアスの方法によ
り大きくし、前記透明領域のマスクパターンの周辺を半
透明領域とするフォトマスクデータを作成し、さらに、
前記半透明領域の寸法を変化させ前記透明領域の露光転
写パターンが所望の寸法になるように、前記半透明領域
の寸法を設定する。

【００２４】あるいは、本発明名のフォトマスクの設計
方法では、透明領域と遮光領域及び半透明領域を有し前
記透明領域と前記半透明領域の透過光に逆位相を生じさ
せるフォトマスクの製造において、大小異なる設計寸法
の透明領域が存在する場合に、前記小さい寸法の透明領
域を前記大きな寸法の透明領域と同じ寸法に拡大し且つ
前記拡大した透明領域の周辺に前記半透明領域を配置
し、前記半透明領域の寸法を変化させ前記拡大した透明
領域の転写パターン寸法が前記小さな設計寸法の転写パ
ターン寸法になるように、前記半透明領域の寸法を設定
する。

【００２５】あるいは、本発明名のフォトマスクの設計
方法では、透明領域と遮光領域及び半透明領域を有し前
記透明領域と前記半透明領域の透過光に逆位相を生じさ
せるフォトマスクの製造において、大小異なる設計寸法
の透明領域が存在する場合に、前記小さい寸法の透明領
域を前記大きな寸法の透明領域と同じ寸法に拡大し且つ
前記拡大した透明領域の周辺に前記半透明領域を配置
し、前記半透明領域の幅寸法を変化させ前記拡大した透
明領域の転写パターン寸法の変化が小さくなるように、
前記半透明領域の寸法を一定値以上に設定する。

【００２６】

【００２７】ここで、上述したフォトマスクは一定の投
影縮小率で露光転写するフォトマスクであって、前記半
透明領域の幅が、０．１８λ／ＮＡ（λを露光光の波
長、ＮＡを投影レンズの開口数とする）値を前記縮小率
の逆数倍した値以上になっている。

【００２８】

【００２９】本発明のフォトマスクの設計方法において
は、寸法の異なるコンタクトホールが存在するマスクに
おいて、まず小寸法ホールパターンを所望の寸法より大
きくしたマスクデータを作成する（１グリッドだけ大き
くリサイズする）。次にホールパターン周辺に、ハーフ
トーン位相シフト領域部分を発生させ、大寸法ホールパ
ターンが寸法許容範囲となる露光量において小寸法ホー
ルパターンが所望の寸法（もとの設計値）となるように
上記ハーフトーン領域部分の寸法を決定している。

【００３０】一般にハーフトーン方式位相シフトマスク
では、透明領域とハーフトーン領域（半透明領域）の境
界付近で位相の１８０度ことなる光同士の干渉により光
強度が低下するため、通常の遮光パターンのみにより形
成されるホールパターンの寸法より小さくなる。例え
ば、通常フォトマスクの０．２４μｍホールパターンが
０．２４μｍに開口する条件では、ハーフトーン位相シ
フトマスクの同一パターンは０．１６６μｍになる。よ
って、ホールパターンの周辺を通常の遮光領域からハー
フトーン領域に徐々に置き換えていくと、ホールパター
ン寸法を０．２４μｍから０．１６６μｍまで変化させ
られる。ホールパターンの周辺にハーフトーン領域を形
成した場合、ハーフトーン領域の寸法がある一定値より
大きくなれば、ほぼハーフトーンマスクと見なせるよう
になる。

【００３１】そこで、本発明のフォトマスクにおいて
は、まずホールパターンのマスク寸法を大きくリサイズ
し、そのホールパターン周辺に配置するハーフトーン領
域を所望の寸法となるように調整している。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態のフォ
トマスクについて図面を用いて説明する。なお、ここで
は露光装置として、縮小率１／５倍、開口数ＮＡ＝０．
５５、コヒーレントファクターσ＝０．８のＫｒＦエキ
シマレーザー（波長λ＝２４８ｎｍ）露光装置を用いる
こととする。また、マスク設計のグリッドは０．０２μ
ｍであり、抜きパターンである０．２μｍと０．２４μ
ｍ（結像面上）ホールパターンを同時に形成するものと
して説明する。以下この説明ではマスク寸法はフォトマ
スク上の値、感光性樹脂パターンの寸法は結像面である
半導体基板上での値で説明する（半導体基板上ではマス
ク上の１／５）。

【００３３】図１は本発明により形成するフォトマスク
を示した平面図および断面図である。図１（ａ）は平面
図を示し、図１（ｂ）および図１（ｃ）は図１（ａ）の
Ａ−ＢおよびＣ−Ｄで切断したところの断面図を示して
いる。

【００３４】図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、透
明基板１上にハーフトーン膜２と遮光膜３とが積層して
形成されている。そして、図１（ａ）に示すように、第
１の遮光パターン４が大きな寸法に形成されて、この第
１の遮光パターン４内に第１のハーフトーンパターン５
が形成されている。第１のハーフトーンパターン５内は
透明領域であり、第１の遮光パターン４と第１のハーフ
トーンパターン５のと間がハーフトーン領域６となって
いる。また、第２の遮光パターン７と第２のハーフトー
ンパターン８とが同一寸法になるように形成されてい
る。同様に、第２のハーフトーンパターン８内は透明領
域である。

【００３５】ここで、第１の遮光パターン４と第１のハ
ーフトーンパターン５とが０．２μｍホール開口用パタ
ーンを構成し、０．２μｍの感光性樹脂パターンを形成
する。また、第２の遮光パターン７と第２のハーフトー
ンパターン８とが０．２４μｍホール開口用パターンを
構成し、０．２４μｍの感光性樹脂パターンを形成す
る。また、第１のハーフトーンパターン５と第２のハー
フトーンパターン８の寸法は、いずれも１．２μｍ角の
マスク寸法になっている。そして、ハーフトーン領域６
の幅の寸法は０．３μｍとなっている。また、このハー
フトーン領域６の露光の透過率は６％となり、透明領域
との位相差は１８０度で逆位相になるように設定されて
いる。これらのホール開口用パターンがそれぞれ大小寸
法パターンとなる。

【００３６】フォトマスクの断面構造は、図１（ｂ）お
よび図１（ｃ）に示すように、透明基板１上にハーフト
ーン膜２および遮光膜３が成膜された２層構造となって
いる。透明基板１の材料は合成石英である。そして、遮
光膜３はクロム（Ｃｒ）を用いその厚さは５０ｎｍ以上
あれば十分な遮光効果が得られる。また、ハーフトーン
膜２には各種金属の酸化窒化膜あるいは高融点金属シリ
サイドの酸化窒化膜が用いられるが、ここでは遮光膜３
（クロム）とのエッチングの選択性を考慮して酸化窒化
モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉＯＮ）である。

【００３７】次に、図２及び図３で本発明のフォトマス
クの製造方法を示す。図２および図３はこの製造工程順
の断面図である。図２（ａ）に示すように、まず透明基
板１上にハーフトーン膜２および遮光膜３を順次成膜す
る。そして、図２（ｂ）に示すように、遮光膜３上に感
光性樹脂９を塗布し、１回目のマスク描画を行う。１回
目のマスク描画では大小寸法ホールパターンともすべて
１．２μｍマスクパターンを描画する。そして、図２
（ｃ）に示すように、現像により感光性樹脂開口１０を
感光性樹脂９に形成した後、遮光膜３およびハーフトー
ン膜２をそれぞれ塩素およびフッ素を主成分とするガス
を用いたドライエッチングで加工する。

【００３８】次に、図３（ａ）に示すように、いったん
感光性樹脂９を剥離し、再び感光性樹脂１１を塗布した
後、２回目のマスク描画を行う。２回目のマスク描画で
は１回目のマスク描画で形成したパターンに対し重ね合
わせを行う。そして、この２回目のマスク描画では、図
３（ｂ）に示すように、上述した第１のハーフトーンパ
ターン５の周辺０．３μｍの遮光膜３を除去する感光性
樹脂開口１２を形成する。ここで、この電子線描画装置
による重ね合わせ精度は、＋／−０．０５μｍ（マスク
上）以内である。そして、第１のハーフトーンパターン
５周辺の遮光膜３を硝酸第２セリウムアンモニウム液と
過酸化水素水の混合液にてエッチング除去する。そし
て、感光性樹脂１１を除去する。

【００３９】このようにして、図３（ｃ）に示すよう
に、透明基板１上にハーフトーン膜２と遮光膜３とが積
層され、第１の遮光パターン４と第１のハーフトーンパ
ターン５およびハーフトーン領域６を有するフォトマス
クが形成される。

【００４０】次に、本発明により形成するフォトマスク
の効果について図４で説明する。図４は本フォトマスク
の光強度分布シミュレーションである。ここで、図４
（ａ）は、図１（ｃ）に示す０．２４μｍホール開口用
パターンを通り感光性樹脂上に結像する光強度分布では
あり、図４（ｂ）が図１（ｂ）に示す０．２０μｍホー
ル開口用パターンの場合の結像する光強度分布である。
ハーフトーン領域と透明領域の透過光は１８０度位相が
異なっているので干渉により光強度が低下している。よ
って、本フォトマスクを用いて、感光性樹脂の塗布され
た半導体基板上に露光を行うと、０．２４μｍホール開
口用パターンにより半導体基板上に０．２４μｍのホー
ルパターンが形成される条件で０．２μｍホール開口用
パターンにより０．２μｍホールパターンを形成するこ
とができる。

【００４１】次に、本発明のフォトマスクの設計方法に
ついて説明する。図５に本発明のフォトマスクの設計方
法のフローチャートを示す。まず初めに、小寸法パター
ンを１グリッド分大きなマスクパターンにする（以下、
リサイズという）リサイズし大きくする（図５
（ａ））。ここで、設計グリッドを０．０２μｍとして
いるので、０．２μｍホールパターンは片側０．０２μ
ｍ（フォトマスク上は０．１μｍとなる）のバイアスを
付加し０．２４μｍホールパターンとなる。そして、こ
の寸法を大きくしたホールパターンの周辺部にハーフト
ーン領域のデータを発生させ、転写して感光性樹脂に形
成されるパターンの寸法を目標の０．２μｍになるよう
にする。

【００４２】ここで、このハーフトーン領域の透過率お
よび寸法を決定する必要がある。これらの値（ハーフト
ーン領域の透過率、寸法）の決定に光強度分布シミュレ
ーションを用いる。光強度分布シミュレーション結果よ
り転写パターン（感光性樹脂に形成されるパターン）の
寸法を求めるには、エクスポージャ・スレシュホルドモ
デル（ＥｘｐｏｓｕｒｅＴｈｒｅｓｈｏｌｄＭｏｄ
ｅｌ）を用いる。これはシミュレーションで得られる相
対光強度のある一定値以上となる部分の感光性樹脂が現
像により除去され、その一定値以下の部分の感光性樹脂
がのこると仮定するモデルである。この包帯光強度の一
定値をここではスライスレベルと呼ぶが、これは実際の
露光時に設定する露光量により変化する。すなわち、実
際に露光時に少ない露光量を設定すればこのスライスレ
ベルは高くなりより高い相対光強度の部分のみが現像で
溶けることになる。また反対に露光量を大きくすればス
ライスレベルは下がり、より低い光強度部分の感光性樹
脂も溶けることになる。まず、このスライスレベルの設
定を行う（図５（ｂ））。ここでは０．２μｍホールパ
ターンと同時に０．２４μｍホールパターンも設計寸法
どおりに形成することを目的としているので、このスラ
イスレベルは通常の０．２４μｍホールパターン（マス
ク上１．２μｍ角開口）で転写パターンが０．２４μｍ
となるスライスレベルを探すことになる。図４（ａ）に
示す０．２４μｍホールパターンの光強度分布におい
て、パターンエッジの光強度（横軸＋／−０．１２μｍ
の位置）の光強度を調べ、スライスレベルは０２４２と
求められる。

【００４３】よって、このスライスレベル＝０．２４２
として転写パターン寸法が０．２μｍとなるようにハー
フトーン領域の透過率および寸法を設定することになる
（図５（ｃ））。そこで、まず透過率をマスク製造の容
易さの点で適切な値である６％と仮定する。ハーフトー
ン領域の透過率が高いほどわずかな寸法でホールパター
ンを大きく変化させられるが、マスク製造時の寸法誤差
により転写パターンの寸法が変動するため、初めは低透
過率（６％）を設定している。

【００４４】次に、ハーフトーン領域の寸法を一定の刻
み（たとえば１グリッド）で変化させ、その光強度分布
を計算する。そして、光強度分布よりスライスレベル＝
０．２４２として転写パターン寸法を求める（図５
（ｄ））。

【００４５】図６は、０．２４μｍホールパターンにお
いて、ホールパターン周辺にマスク上で幅Ｗのハーフト
ーン領域（透過率６％）を配置したときの光強度分布の
変化を示している。Ｗ＝０の場合が、図４（ａ）に示す
通常の０．２４μｍホールパターンの光強度分布であ
る。そして、ハーフトーン領域の寸法Ｗを増加させてい
くと、光強度分布は低下して得られる転写パターンの寸
法は小さくなることが判る。

【００４６】そして、図７にはこれらの光強度分布より
求めたハーフトーン領域寸法Ｗと感光性樹脂上に転写し
て得られるパターン寸法すなわちホール寸法の関係を示
す。図７より本条件においては、ハーフトーン領域寸法
０．３μｍにて０．２μｍホールパターンを形成できる
ことが判る。このようにして、ハーフトーン領域の寸法
を決定する（図５（ｅ））。

【００４７】次にこの寸法が適切であるかを判断する
（図５（ｆ））。まず、ハーフトーン領域の寸法ｗが
０．１２５未満となってしまった場合は透過率が高すぎ
ることになり、透過率をより低く設定し直す必要がある
のでまた（図５（ｃ））に戻り透過をより低く設定し直
す。これはマスク製造時のハーフトーン領域寸法の誤差
のためである。ハーフトーン領域は重ね合わせ描画で形
成されるが、マスク上で＋／−０．０５μｍの重ね合わ
せ誤差が生じる。ハーフトーン領域の寸法が小さいと、
その製造誤差により半導体基板上のパターン寸法が影響
されるため、ハーフトーン領域の寸法は大きい方が望ま
しく、ここではその重ね合わせ誤差の５倍（マスク上
０．１２５μｍ）以上でなければ計算をやり直すことに
している。また、逆にこの透過率で小寸法パターンの寸
法が所望の値に縮まらなければ、（図５（ｃ））に再び
戻り、透過率を高く設定しなおし、再び寸法の最適化の
計算を行う。

【００４８】ここではハーフトーン領域の透過率は６
％、その寸法は０．３μｍとして適切に設定ができたの
で、このハーフトーン領域描画用データを作成してマス
ク設計が終了する（図５（ｇ））。このハーフトーン領
域のデータはホールパターンのデータを片側０．１μｍ
大きくリサイズすることで簡単に作成できる。

【００４９】次に、本発明の第２の実施の形態について
図８と図９に基づいて説明する。ここでも第１の実施の
形態と同様の露光条件とする。ただし、マスク設計のグ
リッドは０．０２５μｍとし、半導体基板上に０．２μ
ｍおよび０．２５μｍのホールパターンを形成するもの
とする。

【００５０】図８は第２の実施の形態でのフォトマスク
を示した平面および断面図である。図８（ａ）は平面図
を示し、図８（ｂ）および図８（ｃ）は図８（ａ）のＥ
−ＦおよびＧ−Ｈで切断したところの断面図を示してい
る。

【００５１】第１の実施の形態と同様に、図８（ａ）〜
図８（ｃ）に示すように、透明基板１上にハーフトーン
膜２と遮光膜３とが積層して形成されている。そして、
図８（ａ）に示すように、第３の遮光パターン１３は非
常に大きな寸法に形成され、複数の第３のハーフトーン
パターン１４全体にわたり遮光膜３が取り除かれてい
る。また、第４の遮光パターン１５と第４のハーフトー
ンパターン１６とが同一寸法になるように形成されてい
る。

【００５２】この第２の実施の形態においても、０．２
μｍホール開口用パターンである第３のハーフトーンパ
ターン１４は片側１グリッド分大きくなり、０．２５μ
ｍホール開口用パターンである第４のハーフトーンパタ
ーン１６と同一寸法になっている。そして、第３のハー
フトーンパターン１４の周辺は全てハーフトーン領域と
なる。

【００５３】この場合も、フォトマスクの断面構造は、
図８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように、透明基板１
上にハーフトーン膜２および遮光膜３が成膜された２層
構造となっている。透明基板１の材料は合成石英であ
る。そして、遮光膜３はクロムを用いその厚さは５０ｎ
ｍ以上あれば十分な遮光効果が得られる。また、ハーフ
トーン膜２には各種金属の酸化窒化膜あるいは高融点金
属シリサイドの酸化窒化膜が用いられるが、ここでは遮
光膜３とのエッチングの選択性を考慮して酸化窒化モリ
ブデンシリサイドである。

【００５４】図９に０．２５μｍホール開口用パターン
の周辺をハーフトーン領域にした場合の、ハーフトーン
領域寸法と得られるホール寸法の関係を示す。ここで、
ハーフトーン膜の透過率をパラメータにしている。な
お、通常の０．２５μｍホールマスクで０．２５μｍの
感光性樹脂パターンが得られる条件（光強度のスライス
レベルは０．２５３）としている。

【００５５】図９に示すように、本条件ではハーフトー
ン領域の寸法が０．４μｍであれは０．２μｍホールパ
ターンが得られることが判る。そして、このハーフトー
ン領域の寸法が０．４μｍ以上であれば安定して０．２
μｍホールパターンが得られるようになる。この得られ
るホールパターン寸法は、上記のハーフトーン膜の透過
率に大きく依存する。この透過率が大きくなると得られ
るホール寸法が小さくなる。図９から判るように、ハー
フトーン領域の透過率が３，６，１２％と変化しても、
ハーフトーン領域の寸法が０．４μｍ以上になると、得
られるホール寸法が安定するようになる。このようなハ
ーフトーン領域で安定する領域寸法は、一般化して表す
と、０．１８λ／ＮＡの値を縮小率の逆数倍した値以上
になっているとよい。

【００５６】図９の結果より、第２の実施の形態では、
０．２μｍホール開口用パターンのある範囲を大きく囲
むようにハーフトーン領域を作成する。すなわち、ハー
フトーン領域が０．４μｍ以上になるように、複数の第
３のハーフトーンパターン１４全体にわたり遮光膜３が
取り除かれる。

【００５７】本実施例においては、図３で説明したハー
フトーン領域形成のための２回目のマスク描画における
重ね合わせ精度が不要になるという利点がある。

【００５８】

【発明の効果】本発明のフォトマスクの設計では、透明
領域と遮光領域及び半透明領域を有し、かつ、透明領域
と半透明領域の透過光に逆位相を生じさせるフォトマス
クにおいて、一部の透明領域のマスクパターンの寸法を
所定の寸法より大きくリサイズし、この寸法を大きくし
た透明領域のマスクパターンの周辺に所定の幅の半透明
領域を配置し更にこの半透明領域の周辺に遮光領域を形
成し、この所定の寸法より大きくリサイズした透明領域
の露光転写パターンである結像面上の感光性樹脂パター
ンが所望の寸法になるように、上記の半透明領域の幅寸
法を調整している。

【００５９】このために、本発明は、フォトマスク製作
時の上述したグリッドサイズの制限以上に細かな刻みで
リニアリティを補正できるという大きな効果を有し、特
にリニアリティの悪い抜きパターンであるホールパター
ンにおいて、結像面上の感光性樹脂パターンの寸法精度
を大幅に向上させるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態のフォトマスクを示
す平面図と断面図である。

【図２】本発明のフォトマスクの製造方法を説明するた
めの工程順の断面図である。

【図３】本発明のフォトマスクの製造方法を説明するた
めの工程順の断面図である。

【図４】上記第１の実施の形態のフォトマスクを用いて
得られる結像面上での光強度分布である。

【図５】上記第１の実施の形態のフォトマスクの設計方
法を説明するためのフローチャートである

【図６】上記フォトマスクの設計方法で用いる光強度分
布シミュレーション結果を示すグラフである。

【図７】上記フォトマスクの設計方法で用いるハーフト
ーン領域寸法とその転写パターン寸法の関係を示すグラ
フである。

【図８】本発明の第２の実施の形態のフォトマスクを示
す平面図と断面図である。

【図９】上記第２の実施の形態のフォトマスクの設計方
法で用いるのハーフトーン領域寸法とその転写パターン
寸法の関係を示すグラフである。

【図１０】従来のフォトマスクで得られるホールパター
ンのリニアリティを説明するためのグラフである。

【符号の説明】

１透明基板２ハーフトーン膜３遮光膜４第１の遮光パターン５第１のハーフトーンパターン６ハーフトーン領域７第２の遮光パターン８第２のハーフトーンパターン９，１１感光性樹脂１０，１２感光性樹脂開口１３第３の遮光パターン１４第３のハーフトンパターン１５第４の遮光パターン１６第４のハーフトーンパターン

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】透明領域と遮光領域及び半透明領域を有
し前記透明領域と前記半透明領域の透過光に逆位相を生
じさせるフォトマスクの製造において、一部の透明領域
のマスクパターンの寸法をマスクバイアスの方法により
大きく設計し、前記透明領域のマスクパターンの周辺を
半透明領域とするフォトマスクデータを作成し、さら
に、前記半透明領域の寸法を変化させ前記透明領域の露
光転写パターンが所望の寸法になるように、前記半透明
領域の寸法を設定することを特徴とするフォトマスクの
設計方法。
【請求項２】透明領域と遮光領域及び半透明領域を有
し前記透明領域と前記半透明領域の透過光に逆位相を生
じさせるフォトマスクの製造において、大小異なる設計
寸法の透明領域が存在する場合に、前記小さい寸法の透
明領域を前記大きな寸法の透明領域と同じ寸法に拡大し
且つ前記拡大した透明領域の周辺に前記半透明領域を配
置し、前記半透明領域の寸法を変化させ前記拡大した透
明領域の転写パターン寸法が前記小さな設計寸法の転写
パターン寸法になるように、前記半透明領域の寸法を設
定することを特徴とするフォトマスクの設計方法。
【請求項３】透明領域と遮光領域及び半透明領域を有
し前記透明領域と前記半透明領域の透過光に逆位相を生
じさせるフォトマスクの製造において、大小異なる設計
寸法の透明領域が存在する場合に、前記小さい寸法の透
明領域を前記大きな寸法の透明領域と同じ寸法に拡大し
且つ前記拡大した透明領域の周辺に前記半透明領域を配
置し、前記半透明領域の寸法を変化させ前記拡大した透
明領域の転写パターン寸法の変化が小さくなるように、
前記半透明領域の幅寸法を一定値以上に設定することを
特徴とするフォトマスクの設計方法。
【請求項４】所定の投影縮小率で露光転写するフォト
マスクであって、前記半透明領域の幅が、０．１８λ／
ＮＡ（λを露光光の波長、ＮＡを投影レンズの開口数と
する）値を前記縮小率の逆数倍した値以上になっている
ことを特徴とする請求項３記載のフォトマスクの設計方
法。
【請求項５】前記抜きパターンがホールパターンであ
ることを特徴とする請求項１から請求項４のうち１つの
請求項に記載のフォトマスクの設計方法。