JP3462650B2 - レジスト露光方法及び半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

レジスト露光方法及び半導体集積回路装置の製造方法

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    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70425Imaging strategies, e.g. for increasing throughput or resolution, printing product fields larger than the image field or compensating lithography- or non-lithography errors, e.g. proximity correction, mix-and-match, stitching or double patterning

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Preparing Plates And Mask In Photomechanical Process (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体集積回路装置
の製造プロセスと、そのプロセスにおいてマスクパター
ンをレジストに転写する露光方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】フォトリソグラフィーにおける露光技術
は解像力を高めるために開口数NAを大きくし、露光波
長を短波長にする方向で進んできているが、高解像力化
にともなって焦点深度が低下する問題が生じてきてい
る。そこで、ホールパターンの焦点深度を確保するため
にハーフトーン型位相シフトマスクが研究され、実際の
半導体装置の製造にも用いられようとしている。
【0003】ハーフトーン型位相シフトマスクを用いた
露光方法は、マスクとして光透過性をもつ遮光膜に透光
パターンが形成されたものを用い、光透過性をもつ遮光
膜の光の位相を180度変えて透光パターンを透過した
光と干渉させることによって、パターンのエッジ部での
光強度が0の暗線を強調するものである。その結果、コ
ントラストが強調され、焦点深度が大きくなる特徴があ
る。
【0004】図1はハーフトーン型位相シフトマスクを
用いて露光したときの光の強度分布を示したものであ
り、1はマスクで、透明ガラス基板上に8%の透過率を
もつ遮光膜にホールパターンが形成されたものである。
2はマスクを透過した光の強度分布を表わし、3はサイ
ドピークを表わしている。この光強度分布は孤立した1
つのホールに関するものである。
【0005】しかし、この方法は同時に強いサイドピー
クを生じるため、遮光膜の透過率を低めにし、さらにマ
スク上でのホールサイズを露光するサイズよりやや大き
めにして露光時間を減らすことにより、サイドピークの
影響を避けるようにしている。現在用いられているハー
フトーン型位相シフトマスクは、遮光膜の透過率が5〜
10%、またホールパターンについてはマスク上でのパ
ターンサイズは形成しようとするパターンサイズに対し
て0.03〜0.1μm程度大きく形成されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このようなハーフトー
ン型位相シフトマスクを用いると、ホールパターンの焦
点深度は通常の光透過性をもたないクロムマスクに比べ
て1.5〜2倍程度に大きくなるが、焦点深度の大きさ
はホールの間隔に依存する。すなわち、ホール間隔が露
光波長程度になると、隣接したホールのサイドピークが
互いのメインピークを弱めてしまうためホール径が小さ
くなり、焦点深度が低下する現象が生じることが見出さ
れた。このため、ホールの間隔を狭くすることができな
いという問題が生じる。特に、LSIの回路の中で大き
な電流を流す必要のある電源ラインにおいては、ホール
を数多く並べる必要があるため、ホールを狭い間隔で並
べる必要がある。したがって従来のハーフトーン型位相
シフトマスクを用いた露光方法ではこのようなパターン
を形成するには適さないと考えられる。そこで、本発明
はハーフトーン型位相シフトマスクを用いて、狭い間隔
で多数並んだホールパターンを形成する方法と、そのよ
うなホールパターンをもつ半導体集積回路装置を製造す
る方法を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明では、光透過性を
もつ遮光膜に、露光波長程度の大きさの透光パターンが
露光波長程度の間隔で格子状に配列された部分が少なく
とも形成されているハーフトーン型位相シフトマスクを
使用する。そして、同一レジスト層に対し、合焦点での
メインピークによる第1の露光によるメインピークの位
置でのパターン形成と、合焦点から光軸に沿って前方又
は後方にずれてサイドピークがメインピークと同等又は
それ以上に大きくなる位置での第2の露光によるサイド
ピークの位置でのパターン形成とを重ねて行なう。
【0008】この場合、メインピークによる露光により
レジスト層に形成されるパターン寸法とサイドピークに
よる露光によりレジスト層に形成されるパターン寸法と
が等しくなるように、第1の露光と第2の露光の露光時
間を調整することが好ましい。
【0009】ハーフトーン型位相シフトマスクを用いて
露光を行なう場合、焦点位置からのずれ量(デフォーカ
ス値)の違いによりサイドピークの大きさが変化する。
このサイドピークの形状について透過率8%の遮光膜に
形成された一辺0.5μmの正方形のホールが様々な間
隔で格子状に配列されて形成されているハーフトーン型
位相シフトマスクをi線ステッパで露光し、観察する実
験を行なった。使用したステッパは開口数NA=0.5
4、コヒーレンスファクターσ=0.3のものを用い
た。このときの露光量はマスク上で0.5μmのホール
が基板上では0.4μmの円形ホールになるようにし、
孤立したホールや間隔の広い(間隔0.7μm以上)ホ
ールではサイドピークが殆ど見られないように設定し
た。
【0010】図2と図3は焦点深度とレジストに転写さ
れたパターンの形状について評価した結果である。図2
は格子状に並べたホールの間隔を0.4μmから1.1μ
mの範囲で変えた場合のホールサイズ(CD)のデフォ
ーカス特性の変化を示したものである。ホールサイズは
マスク上で0.5μm、転写された基板上では0.4μm
になるように露光条件を設定した。表示されているホー
ルの間隔(SPACE)は基板上でのホールサイズを0.4μ
mとした場合の値である。図3はレジストパターンを示
した図であり、デフォーカス値0.0は合焦点であり、
4はメインピークによるパターン、5はサイドピークに
よるパターンである。図2と図3の結果から、焦点深度
はホール間隔に依存しており、マスクの基板上でのホー
ル間隔0.5μm付近から低下している。また、焦点深
度が低下するような状況ではサイドピークが目立つよう
になり、デフォーカス時にはサイドピークの方が強く解
像している(図3(B)参照)。
【0011】この実験結果から、ホールが格子状に並ん
でいるパターンでは間隔が露光波長に近い値になると、
レジストに形成されるホールサイズが小さくなり焦点深
度が減少すること、及びそのような状況ではデフォーカ
ス時にサイドピークが強調されていることが分かった。
したがって、狭い間隔のホールが並んだハーフトーン型
位相シフトマスクを用いれば、焦点深度は小さくなる
が、焦点位置をずらすことにより、ホールを開口させる
位置をメインピークの位置とサイドピークの位置の2種
類に変えることができる。例えば、図4(A)に示され
るパターンをもつマスクを用い、そのパターンの透光部
の一辺を0.4μm、間隔も0.4μmとすると、合焦位
置で露光することにより図4(B)に示されるメインピ
ークの位置でのパターンを露光することができる。その
位置から焦点位置が+方向又は−方向に移動してサイド
ピークがメインピークより強くなる位置になるように、
レジスト層が形成されている基板を移動させて露光する
ことにより、図4(C)に示されるようなサイドピーク
によるパターンを形成することができる。メインピーク
によるパターンとサイドピークによるパターンが同時に
解像している領域の焦点の余裕は殆どないが、図4
(B)と(C)のように焦点を移動させて露光すること
により、これら2つのパターンを重ね合わせて(D)に
示すような狭い間隔のホールを形成することが可能にな
り、さらに実用的な焦点深度も確保することができる。
【0012】本発明では、密に並べられたホールパター
ンはデフォーカス時にサイドピークが強調されることを
利用しているが、サイドピークを強調するだけであれ
ば、ハーフトーン型位相シフトマスクの透過率を大きく
し、マスクのサイズを実際に露光する大きさに近付けれ
ば近接したホールでフォーカスを変えなくてもサイドピ
ークまで解像するようにできる。しかし、このようにし
た場合は、必要のない部分でもサイドピークが解像され
てしまう恐れがある。実際に半導体デバイスのパターン
が刻まれた基板上で、レジストを露光してパターンを形
成する場合は、基板表面の凹凸によりレジスト塗布膜厚
が変化することによって起こる定在波効果などの影響で
場所によってはレジストが解像しやすくなっており、必
要のない所でサイドピークが解像する場合が生じる。こ
のように、本発明の方法では遮光膜の透過率はサイドピ
ークを抑えた条件にした上で、必要な部分にのみサイド
ピークを強調できるようにしているため、不要な部分で
サイドピークが解像されてしまうことはない。
【0013】通常のクロムマスクを用いて焦点をずらし
ながら露光する方法はFLEX法として知られている
(特開昭63−42122号公報参照)。そこでは単一
結像点の場合に比べて実効的焦点深度を増大させること
ができる。しかし、その方法では光強度の分布が著しく
劣化するため、ホールの間隔を通常より大きくとる必要
があったり、ホール径のばらつきが増加したりするた
め、殆ど用いられなくなっている。それに対し、本発明
によるハーフトーン型位相シフトマスクを用いて焦点を
移動させながら露光する方法では、被露光基板上での光
強度分布がもともとシャープなため、通常のクロムマス
ク時のような問題は起こりにくい。
【0014】
【0015】
【実施例】図5は一実施例を表わしたものである。
(A)はハーフトーン型位相シフトマスクを示したもの
である。そのマスク1上には透過率が約8%の遮光膜に
左上部にあるまばらに配置されたホールパターンと、右
下部にあるように狭い間隔で格子状に配置されたパター
ンとが併存している。透光パターンのホールの大きさは
マスク上で一辺が0.5μmの正方形であり、右下部の
格子状に配列されたホールの間隔は0.3μmである。
このマスクを用いて焦点を移動させて露光を行なう。
【0016】(B)は合焦位置での露光状態を示したも
のであり、6はステッパの概略図を表わし、1はマス
ク、7は投影レンズ、8はウエハである。ウエハ8のレ
ンズ側の表面にはレジスト層が形成されている。(B)
の合焦位置での露光では(b)に示されるようにメイン
ピークによりマスクの透光パターンに対応したパターン
が形成される。
【0017】(C)は合焦位置から焦点が+方向にずれ
るように、すなわちウエハ8を光軸に沿ってレンズ側に
移動させた状態を表わしたものである。その時形成され
るレジストパターンは(c)に示されるように、大きな
間隔で離れて配置されている左上部分のホールパターン
はフォーカス位置が変化してもサイドピークが強調され
ないためマスクパターンと同じ位置にホールが形成され
ているが、マスクの右下部にあるような近接して配置さ
れているホールパターンではサイドピークの影響でマス
クの位置とは異なる位置にホールパターンが形成され
る。ウエハ8は光軸に沿って上下方向に移動しているだ
けであるので、これらの(b)と(c)のパターンは基
板上のレジスト層で合成され、(D)のようなパターン
を形成することができる。
【0018】ウエハ8を光軸に沿って上下方向に移動さ
せる際には、露光を中断してもよく、あるいは継続して
いてもよい。サイドピークによるパターンとメインピー
クによるパターンには寸法差が生じるので、合焦点での
露光時間と合焦点からずれた位置での露光時間を調整す
ることによりその寸法差をなくすことができる。
【0019】
【発明の効果】本発明では、露光波長程度の大きさの透
光パターンが露光波長程度の間隔で格子状に配列された
部分が少なくとも形成されているハーフトーン型位相シ
フトマスクを使用し、同一レジスト層に対し、合焦点で
のメインピークによる第1の露光と、合焦点から光軸に
沿って前方又は後方にずれてサイドピークがメインピー
クと同等又はそれ以上に大きくなる位置での第2の露光
とを重ねて行なうようにしたので、透光パターンが露光
波長程度の間隔で格子状に配列された部分に対応したレ
ジスト状の部分ではマスクのパターンより狭い間隔のホ
ールパターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ハーフトーン型位相シフトマスクを用いて露
光したときの光の強度分布を示した図である。
【図2】 パターン間隔を変えて焦点深度とレジストに
転写されたパターンの形状について評価した結果を示す
グラフである。
【図3】 焦点位置を変えてレジストに転写したときの
パターンを示した図であり、(A)はパターンの間隔が
広い場合、(B)はパターンの間隔が狭い場合である。
【図4】 間隔の狭いパターンをもつマスクによる実施
例の露光方法を示す図であり、(A)はマスクの平面
図、(B)は合焦位置で露光した場合の転写パターン、
(C)は焦点位置をずらせて露光した場合の転写パター
ン、(D)は両パターンを合成したパターンである。
【図5】 間隔の狭いパターンと間隔の広いパターンを
もつマスクによる実施例の露光方法を示す図であり、
(A)はマスクの平面図、(B)は合焦位置での露光状
態を示す露光装置の概略正面図、(b)はそのときにレ
ジストに形成されるパターンを示す図、(C)は合焦位
置から焦点がずれた位置での露光状態を示す露光装置の
概略正面図、(c)はそのときにレジストに形成される
パターンを示す図、(D)は(b)と(c)の両パター
ンを合成したパターンである。
【符号の説明】
1 マスク 2 マスクを透過した光の強度分布 3 サイドピーク 4 メインピークによるパターン 5 サイドピークによるパターン

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ハーフトーン型位相シフトマスクを用い
    て基板上のレジスト層を露光してレジストパターンを形
    成する方法において、 前記マスクとして露光波長程度の大きさの透光パターン
    が露光波長程度の間隔で格子状に配列された部分をもつ
    ものを使用し、 同一レジスト層に対し、合焦点でのメインピークによる
    第1の露光によるメインピークの位置でのパターン形成
    と、 合焦点から光軸に沿って前方又は後方にずれてサイドピ
    ークがメインピークと同等又はそれ以上に大きくなる位
    置での第2の露光によるサイドピークの位置でのパター
    ン形成とを重ねて行なうことを特徴とする露光方法。
  2. 【請求項2】 メインピークによる露光によりレジスト
    層に形成されるパターン寸法とサイドピークによる露光
    によりレジスト層に形成されるパターン寸法とが等しく
    なるように、前記第1の露光と第2の露光の露光時間を
    調整する請求項1に記載の露光方法。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載の露光方法により
    ホールパターンを形成する工程を含む半導体集積回路の
    製造方法。
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JP2004341465A (ja) * 2003-05-14 2004-12-02 Obayashi Seiko Kk 高品質液晶表示装置とその製造方法
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