JP3837846B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に斜入射照明によってパターン形成を行う半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、メモリ素子、論理演算素子、CCD素子、LCD駆動素子等の各種の半導体装置の製造におけるパターン形成のためのフォトリソグラフィ工程においては、解像度および焦点深度を向上させるために、斜入射照明が用いられるようになってきている。斜入射照明による露光方法は、パターン密度が高い領域のパターン(以後、密なパターンと呼ぶ)に対して著しい効果があるため、この場合に適用されることがほとんどである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した斜入射照明には、4重極照明、輪帯照明といった種々の種類があるが、これらの技術に共通の特徴として、密なパターンにおいては解像度および焦点深度が向上する一方で、パターン密度が低い領域のパターン(以後、疎なパターンと呼ぶ)においては、焦点変動によって転写パターンの線幅に大きな変化が生じるという問題があった。このため、斜入射照明は、疎なパターンの形成には著しく不利であると認識されてきた。したがって、疎なパターンから構成される素子、あるいは密なパターンと疎なパターンとが混在する素子には、斜入射照明が用いられることがなかった。
【0004】
一方、エッチング時においては、フォトマスクからの転写により基板上のレジストに形成されたパターン(以後、転写パターンと呼ぶ)の線幅と、その後のエッチング処理によってできたパターン(以後、エッチングパターンと呼ぶ)の線幅との間に、いわゆるエッチング変換差が生じる。このエッチング変換差は、ローディング効果と呼ばれる物理現象によって起こるが、密なパターンと、疎なパターンとでその度合いが異なる。具体的には、疎なパターンにおいては、エッチングパターンが転写パターンよりも太く形成され、一方、密なパターンにおいては、エッチングパターンが転写パターンとほぼ等しく形成される。
【0005】
このような疎なパターンと密なパターンのエッチング変換差を補償するために、従来は、マスクパターンの幅を設計寸法に対して適宜変更するようにしていた。
【0006】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、斜入射照明を用いながらも、焦点変動による転写パターンの線幅の変化量を小さくできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
また、本発明の他の目的は、疎なパターンと密なパターンのエッチング変換差を補償することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、斜入射照明を使用してレジストに転写パターンを形成する半導体装置の製造方法において、所定の光の透過率の四隅の領域と、前記四隅の領域間に形成され前記四隅の領域よりも光の透過率が低い4つの領域と、前記四隅の領域および前記4つの領域の内側に前記4つの領域よりも光の透過率が低く中心に向かって光の透過率が低くなるが前記中心および前記中心付近ではある程度以上の光が透過するように形成された領域と、を有するフィルタを用いて、光源中心および前記光源中心付近にある程度以上の光量を有する斜入射照明を行う第1の工程と、前記第1の工程で転写されたパターンをエッチングする第2の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【0009】
このような半導体装置の製造方法では、第1の工程において、光源中心および光源中心付近にある程度以上の光量を有する斜入射照明を行う。これにより、焦点変動に対して疎なパターンの線幅変動が極めて小さいという実測結果が得られる。
【0010】
また、第1の工程において、密なパターンよりも疎なパターンを細くなるように転写パターンを形成することにより、第2の工程でエッチングを行う際のローディング効果による疎なパターンと密なパターンのエッチング変換差を補償できる。
【0011】
よって、疎なパターンから構成される素子、または疎なパターンと密なパターンが混在する素子においても良好な電気特性が得られる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一形態を図面を参照して説明する。
図1は本形態の半導体装置の製造方法の基本手順を示すフローチャートである。
〔S1〕フィルタもしくはプリズムを用いることにより、光源中心および光源中心付近にある程度以上の光量を有する斜入射照明を行う。このとき、密なパターンよりも疎なパターンが細くなるように転写パターンを形成することが好ましい。
〔S2〕第1の工程で転写されたパターンのエッチングを行う。
【0013】
次に、上記方法のより具体的な例について説明する。
図2は本形態の半導体装置の製造方法におけるフォトリソグラフィ工程を行うための露光装置の概略構成を示す図である。露光装置10は、i線ステッパであり、その光源11には、水銀ランプが使用される。光源11から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ12で分離され、プリズムユニット13で適度な角度で絞られ、さらに、フライアイレンズ14を通ることにより、後述の変形照明、またはハーフトーン輪帯照明となる。そして、この光は、照明レンズ系15を介してレチクル16のマスクパターンを透過し、結像レンズ系17で集光され、ウェハ18上に塗布されたレジストに斜入射照明される。
【0014】
なお、変形照明、またはハーフトーン輪帯照明の形成は、ビームスプリッタ12およびプリズムユニット13を用いる代わりに、光源中心および光源中心付近にある程度以上の光量を透過させる形状のフィルタを用いてもよい。
【0015】
また、図2ではi線ステッパの露光装置の例を示したが、本発明は、これに限らず、g線ステッパ、KrFエキシマレーザステッパ、ArFエキシマレーザステッパなどの他のタイプの露光装置でもよい。
【0016】
次に、本形態の露光装置10で使用する斜入射照明の具体的な形状について説明する。ただし、ここでは、平面的に分かりやすくするために、斜入射照明をフィルタで形成すると仮定して、そのフィルタの形状を示す。もちろん、プリズムユニット13などを用いる場合でも、結果的にほぼ同じ照明が得られる。
【0017】
図3は本形態の露光装置10で使用する斜入射照明用のフィルタ形状の例を示す図であり、(A)は変形照明用のフィルタ形状の一例を示す図、(B)は輪帯照明用のフィルタ形状の一例を示す図である。まず、図(A)の変形照明用のフィルタ21は、外側の四隅に光の透過率が1.0の領域21aが形成されている。また、各領域21a間を結ぶ4つの領域21bは、領域21aの次に透過率が高く(例えば透過率0.6)なるように設定されている。さらに、領域21bの内側には、順に中心に向かうように領域21c,21d,21eが形成されている。これら領域21c,21d,21eは、内側のものほど透過率が低くなるように、例えば領域21cが0.5、領域21dが0.4、領域21eが0.3に設定されている。
【0018】
このようなフィルタ21を用いることにより、外側から徐々に光量が少なく、ただし中心部でもある程度以上の光量を有する変形照明が得られる。もちろん、プリズムユニット13などを用いる場合でも、その制御の仕方によって、結果的にほぼ同じ形状の変形照明を形成することができる。
【0019】
一方、図(B)の輪帯照明用のフィルタ22は、輪帯部22aで透過率がほぼ1.0となっている。そして、中心部22bがハーフトーン、すなわち、所定の光量のみを透過させるようになっている。この中心部22bの透過率は、後述の実測例で示すように、例えば0.35に設定されている。
【0020】
このようなフィルタ22を用いることにより、中心部でもある程度以上の光量を有する輪帯照明が得られる。もちろん、プリズムユニット13などを用いる場合でも、その制御の仕方によって、結果的にほぼ同じ形状の輪帯照明を形成することができる。
【0021】
次に、実測値に基づいて、本形態の半導体装置の製造方法の効果について説明する。
なお、以下に示す実験例では、すべて図2で示した露光装置10を用い、光学条件は、レンズ開口数NA=0.57、パーシャルコヒーレンシσ=0.67に設定した。また、基板には、メモリ素子用のゲートパターン加工用のものを使用し、レジスト塗布前に基板からのレジスト内への光の反射を防止するために、Si02 膜とSiON膜をそれぞれ270nm、30nmの厚さに形成した。そして、評価対象パターンには、0.34μmのラインパターンを用いた。
【0022】
まず、参考例として、斜入射照明を用いない従来の通常照明による実験結果を示す。図4は従来の通常照明による露光実験結果を示す図である。ここで、横軸はラインアンドスペースパターンのスペース幅を示し、縦軸はスペース幅に対する転写パターンの線幅を示す。また、特性L01,L02,L03,L04,L05は、デフォーカス量をそれぞれ0.6μm、0.4μm、0.2μm、0.0μm、−0.2μmとしたときのものである。
【0023】
図から分かるように、従来の方法では、スペース幅が0.5μmより大きなパターンのフォーカスに対するばらつきが大きい。なお、従来の製造方法では、ジャストフォーカス(0.0μm)近傍において、密なパターンと疎なパターンの転写パターンの線幅は、ほぼ等しく形成されている。
【0024】
図5は斜入射照明を使用した第1の露光実験結果を示す図である。ここで、横軸はラインアンドスペースパターンのスペース幅を示し、縦軸はスペース幅に対する転写パターンの線幅を示す。また、特性L11,L12,L13,L14,L15は、デフォーカス量をそれぞれ0.6μm、0.4μm、0.2μm、0.0μm、−0.2μmとしたときのものである。この実験では、図3(A)で示した変形照明用のフィルタ21を使用した。結果、図5から分かるように、スペース幅が0.5μmより大きなパターンのフォーカスに対するばらつきが、図4と比較して小さくなった。
【0025】
また、第1の実験では、ジャストフォーカス(0.0μm)近傍において、密なパターンの転写パターンより、疎なパターンの転写パターンの線幅が、ほぼ0.03μm細く形成されている。これにより、エッチング処理におけるローディング効果による、密なパターンと疎なパターン間のエッチング変換差の違い(ここでは、疎なパターンに対する変換差の値が0.03μmと見なしている)を補償できる。
【0026】
なお、この実験では、露光処理がなされた基板を、RIE(反応性イオンエッチング)によってエッチング処理した。ここで、被エッチング材料は、ウェハ基体上に予め形成されているポリシリコンである。エッチングは、塩素および酸素からなる混合ガスで500mPaの圧力で約30秒間行った。
【0027】
図6は斜入射照明を使用した第2の露光実験結果を示す図である。ここで、横軸はラインアンドスペースパターンのスペース幅を示し、縦軸はスペース幅に対する転写パターンの線幅を示す。また、特性L21,L22,L23,L24,L25は、デフォーカス量をそれぞれ0.6μm、0.4μm、0.2μm、0.0μm、−0.2μmとしたときのものである。この実験では、図3(B)で示した輪帯照明用のフィルタ22を使用した。そして、フィルタ22の中心部22bの透過率を0.35とし、その直径を光源の直径の1/2とした。結果、図7から分かるように、スペース幅が0.5μmより大きなパターンのフォーカスに対するばらつきが、図4と比較して小さくなった。
【0028】
また、第2の実験では、第1の実験と同様に、ジャストフォーカス(0.0μm)近傍において、密なパターンの転写パターンよりも疎なパターンの転写パターンの線幅が、ほぼ0.03μm細く形成されている。これにより、エッチング処理におけるローディング効果による、密なパターンと疎なパターン間のエッチング変換差の違い(ここでは、疎なパターンに対する変換差の値が0.03μmと見なしている)を補償できる。
【0029】
また、この実験では、露光処理がなされた基板を、RIE(反応性イオンエッチング)によってエッチング処理した。ここで、被エッチング材料は、ウェハ基体上に予め形成されているポリシリコンである。エッチングは、塩素および酸素からなる混合ガスで500mPaの圧力で約30秒間行った。
【0030】
図7は斜入射照明を使用した第3の露光実験結果を示す図である。ここで、横軸はラインアンドスペースパターンのスペース幅を示し、縦軸はスペース幅に対する転写パターンの線幅を示す。また、特性L31,L32,L33,L34,L35は、デフォーカス量をそれぞれ0.6μm、0.4μm、0.2μm、0.0μm、−0.2μmとしたときのものである。この実験では、図3(B)で示した輪帯照明用のフィルタ22を使用した。そして、フィルタ22の中心部22bの透過率を0.20とし、その直径を光源の直径の1/2とした。結果、図7から分かるように、スペース幅が0.5μmより大きなパターンのフォーカスに対するばらつきが、図4と比較して小さくなった。
【0031】
また、第3の実験では、第1、第2の実験と同様に、ジャストフォーカス(0.0μm)近傍において、密なパターンの転写パターンよりも疎なパターンの転写パターンの線幅が、ほぼ0.03μm細く形成されている。これにより、エッチング処理におけるローディング効果による、密なパターンと疎なパターン間のエッチング変換差の違い(ここでは、疎なパターンに対する変換差の値が0.03μmと見なしている)を補償できる。
【0032】
また、この実験では、露光処理がなされた基板を、RIE(反応性イオンエッチング)によってエッチング処理した。ここで、被エッチング材料は、ウェハ基体上に予め形成されているポリシリコンである。エッチングは、塩素および酸素からなる混合ガスで500mPaの圧力で約30秒間行った。
【0033】
次に、上記各第1〜第3の実験で形成した基板に対して、焦点深度0.4μm、露光量裕度20mJ/cm2 で、いわゆるED(Exposure Defocus)ウィンドウ内における線幅変動量を測定した。
【0034】
図8はラインアンドスペースのラインに対するEDウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。ここでは、ライン部分およびスペース部分ともに0.34μm、すなわち、密なパターンの場合の線幅変動量を示す。図から分かるように、密なパターンでは、従来の通常照明によるもの、第1〜第3の実験すべてにおいて線幅変動量がほぼ等しい。
【0035】
図9は密なゲートパターンに対するEDウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。ここでは、メモリセル内のゲート長0.34μmのラインパターンに対する転写パターンの、いわゆる密なパターンの場合の線幅変動量を示す。図から分かるように、通常照明に対して第1〜第3の実験では、線幅変動量が改善されている。特に第2の実験では0.01μm程度改善されている。
【0036】
図10は疎なラインパターンに対するEDウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。ここでは、ライン部分0.34μmのいわゆる疎なパターンの場合の線幅変動量を示す。また、本パターンは、論理素子のゲートパターンに対応する。図から分かるように、通常照明に対して第1〜第3の実験では、線幅変動量が改善されている。特に光源中心部分の透過率が0.35である第2の実験においては、線幅変動量が0.035μmであり、通常照明に対して約半分の変動量になっている。
【0037】
図11は疎な周辺パターンに対するEDウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。ここでは、メモリ素子の周辺部分における0.34μmのライン部分、いわゆる疎なパターンの場合の線幅変動量を示す。図から分かるように、通常照明に対して第1〜第3の実験では、線幅変動量が改善されている。特に光源中心部分の透過率が0.35である第2の実験においては、線幅変動量が0.025μmであり、通常照明に対して約40%の変動量になっている。
【0038】
次に、上記第1〜第3の実験で形成した基板に対して、ライン部分の疎なパターンの設計線幅を0.30μm〜0.40μmまで変化させ、これに対する露光後の実際の線幅の測定結果を示す。
【0039】
図12はライン部分の疎なパターンの設計線幅を0.30μm〜0.40μmまで変化させたときの露光後の実際の線幅の測定結果を示す図であり、(A)は従来の通常照明の基板の測定結果を示す図、(B)は第1の実験の基板の測定結果を示す図、(C)は第2の実験の基板の測定結果を示す図、(D)は第3の実験の基板の測定結果を示す図である。ここで、各図の横軸は、パターンの線幅の設計値であり、縦軸は基板形成後の実測値である。
【0040】
また、それぞれの図の、特性M01,M11,M21,M31は、デフォーカス量が0.6μmのときの結果、特性M02,M12,M22,M32は、デフォーカス量が0.4μmのときの結果、特性M03,M13,M23,M33は、デフォーカス量が0.2μmのときの結果、特性M04,M14,M24,M34は、デフォーカス量が0.0μmのときの結果、特性M05,M15,M25,M35は、デフォーカス量が−0.2μmのときの結果である。
【0041】
図から分かるように、第1〜第3の実験における斜入射照明の疎なパターンに対する特性は、通常照明と遜色がない。また、デフォーカス量に対して線幅変動量が小さいという特徴は、0.30μm〜0.40μmの範囲においても十分に保たれている。
【0042】
以上のように、本形態では、図3のような光源中心および光源中心付近にある程度以上の光量を透過させる形状のフィルタ21,22などを使用して、斜入射照明を行うようにしたので、焦点変動に対して疎なパターンの線幅変動を極めて小さくすることができる。
【0043】
また、本形態では、密なパターンよりも疎なパターンが細くなるように転写パターンを形成するようにしたので、エッチング工程で生じるローディング効果によるエッチング変換差を補償できる。
【0044】
次に、本形態の製造方法を実際のデバイス製造に適用したデータについて説明する。まず、斜入射照明として図3(B)で示した輪帯照明用のフィルタ22の中心部22bの透過率を0.35とし、その直径を光源の直径の1/2として、メモリ素子としてゲート長0.34μm、また論理素子としてゲート長0.34μmを同一基板に混在させた素子を作成した。メモリ素子のゲート部分は、密なパターンであり、一方、論理素子のゲート部分は疎なパターンである。フィルタ22による露光、エッチングの結果、同一ゲート長0.34μmのメモリ素子と論理素子を、歩留り100%で形成できた。
【0045】
さらに、同一条件のフィルタ22を使用して、論理素子としてゲート長0.34μmの素子を作成した。論理素子のゲート部分は疎なパターンである。フィルタ22による露光、エッチングの結果、ゲート長のばらつきの小さい論理素子を、歩留り100%で形成できた。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、光源中心および光源中心付近にある程度以上の光量を有する斜入射照明を行うようにしたので、焦点変動に対して疎なパターンの線幅変動を極めて小さくできる。
【0047】
また、本発明では、密なパターンよりも疎なパターンが細くなるように転写パターンを形成することにより、エッチングを行う際のローディング効果による疎なパターンと密なパターンのエッチング変換差を補償できる。
【0048】
よって、疎なパターンから構成される素子、または疎なパターンと密なパターンが混在する素子においても良好な電気特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本形態の半導体装置の製造方法の基本手順を示すフローチャートである。
【図2】本形態の半導体装置の製造方法におけるフォトリソグラフィ工程を行うための露光装置の概略構成を示す図である。
【図3】本形態の露光装置で使用する斜入射照明用のフィルタ形状の例を示す図であり、(A)は変形照明用のフィルタ形状の一例を示す図、(B)は輪帯照明用のフィルタ形状の一例を示す図である。
【図4】従来の通常照明による露光実験結果を示す図である。
【図5】斜入射照明を使用した第1の露光実験結果を示す図である。
【図6】斜入射照明を使用した第2の露光実験結果を示す図である。
【図7】斜入射照明を使用した第3の露光実験結果を示す図である。
【図8】ラインアンドスペースのラインに対するEDウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。
【図9】密なゲートパターンに対するEDウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。
【図10】疎なラインパターンに対するEDウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。
【図11】疎な周辺パターンに対するEDウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。
【図12】ライン部分の疎なパターンの設計線幅を0.30μm〜0.40μmまで変化させたときの露光後の実際の線幅の測定結果を示す図であり、(A)は従来の通常照明の基板の測定結果を示す図、(B)は第1の実験の基板の測定結果を示す図、(C)は第2の実験の基板の測定結果を示す図、(D)は第3の実験の基板の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
10……露光装置、11……光源、12……ビームスプリッタ、13……プリズムユニット、14……フライアイレンズ、15……照明レンズ系、16……レチクル、17……結像レンズ系、18……ウェハ、21……フィルタ、22……フィルタ。
Claims (4)
- 斜入射照明を使用してレジストに転写パターンを形成する半導体装置の製造方法において、
所定の光の透過率の四隅の領域と、前記四隅の領域間に形成され前記四隅の領域よりも光の透過率が低い4つの領域と、前記四隅の領域および前記4つの領域の内側に前記4つの領域よりも光の透過率が低く中心に向かって光の透過率が低くなるが前記中心および前記中心付近ではある程度以上の光が透過するように形成された領域と、を有するフィルタを用いて、光源中心および前記光源中心付近にある程度以上の光量を有する斜入射照明を行う第1の工程と、
前記第1の工程で転写されたパターンをエッチングする第2の工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の工程および第2の工程によって、メモリ素子および論理素子を同一基板上に同時に形成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程および第2の工程によって、論理素子を基板上に形成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程では、密なパターンよりも疎なパターンが細くなるように転写パターンを形成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
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