JP4138046B2 - 位相シフトマスクのシフタの位相差測定方法およびそれに用いるマスク - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相シフトマスクの位相シフト材料を通過した光の位相差、位相差変化、位相差誤差の測定に係り、特に位相シフト材料における位相差を決定するための効果的で安価な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ほとんどの半導体集積回路は、例えばフォトリソグラフィ等の光加工技術を使用して形成される。光加工技術は、典型的に、例えば紫外線（ＵＶ）光等の光を半導体ウエハ上に堆積されたレジスト材料と呼ばれる感光材料の層上にマスクを通して照射する技術を使用する。マスクは一般的に、半導体ウエハ上に堆積された感光性の層に転写される回路パターンを定めるように構成されたハーフトーン等の光遮断あるいは光減衰材料の層を有する光透過性基板を含んでいる。このマスクは、レジストで被覆された半導体ウエハに転写されるネガあるいはポジのいずれかのパターンを形成する。
【０００３】
ネガレジストが使用された場合、マスクを通過する投影された露光光によって、レジスト層の露光された領域が重合化および架橋反応を起こす。それに続く現像プロセスによって、レジスト層の露光されない領域は現像液によって半導体ウエハから洗い落とされ、マスクパターンの逆、すなわちネガの画像に対応するレジスト材料の転写されたパターンが残される。ネガレジストの代りにポジレジストが使用されることもある。ポジレジストが使用されるとき、マスクを通過する照射光によって、レジスト層の露光された部分が現像液に溶解可能になり、それによって、露光されたレジスト層は現像プロセスによって洗い落とされ、マスクパターンに直接対応するレジスト材料の転写されたパターンが残される。いずれの場合においても、半導体基板上に残っているレジスト材料は、所望された半導体装置を形成するための後工程、例えばエッチングおよび不純物注入を受ける露光された半導体材料のパターンを決定するのに役立つ。
【０００４】
サブミクロン領域での回路パターンの形成は、典型的に基板の素子の大規模集積（ＬＳＩ）化および超大規模集積（ＶＬＳＩ）化に関連し、一般的にそれらに対応するパターン解像性が露光プロセスにおいて得られる必要がある。パターン解像性の問題に対する幾つかの解決策には、解像性を増加させるために、例えば短波長の紫外領域の光等の、光の開口数（ＮＡ）値が高く、波長の短い光を使用することがある。しかしながら、この解決策には焦点深度の劣化の問題がある。投影されたパターンの焦点深度は、レジスト材料を通したマスクのパターン転写を高精度に実現するために重要である。典型的に、照射光は、比較的厚いレジスト材料を通過することが要求され、マスクパターンがレジスト材料に転写されることは非常に重要である。さらに、焦点深度が増加すると、最良の焦点位置から露光ツールがわずかにずれるという悪影響、すなわち、焦点ずれのパターン解像性に与える影響を最小にすることができる。最も高精度な光露光装置でさえ、最良の焦点位置からのサブミクロンレベルの誤差が生じないことを保証することはできない。
【０００５】
最近、従来の焦点深度に対して著しく解像性を増加させる位相シフトマスク技術が開発されてきている。位相シフトマスク（ＰＳＭ）は、１８０°（一般的にπで表される）の位相シフト機能を有する露光光を透過させることができる選択的に配置されたマスクパターン材料を使用することによって通常のフォトリソグラフマスクとは異なる。フォトリソグラフィにＰＳＭを取入れるというアイディアは、１９８０年代初期に最初に提唱された。この技術によって、従来のフォトリソグラフィの限界が延命され、０．２５μｍ以下の微細寸法を有する回路パターンの製造が可能となった。ＰＭＳとはマスクパターン上に作成された位相シフタによって１８０°の位相差を生じ、光の干渉作用によってマスクを透過する光強度のコントラストを著しく増加させるマスクである。結果的に、従来マスク （従来マスクとは、例えばクロム等の不透明材料だけをマスク材料として使用する）と比較して、より高い解像性および大きい焦点深度が得られる。都合のよいことに、ＰＳＭを使用する技術は、通常のステッパ光学装置およびレジスト技術を使用して実施することができる。
【０００６】
ＰＳＭの出現以来、多数のＰＳＭ技術が開発されてきた。これらの中には、レベンソン型（Levenson）、補助パターン型（subresolution ）、リム型（rim ）、およびハーフトーン型（Halftone）位相シフト技術が含まれている。例えば、本明細書において全体的に参照されているC.Harper氏等による参照文献“Electronic Material & Processes Handbook”（2d ed., §10.4, pp. 10.33-10.39 (1994)）でなされている。これらの技術の中で、ハーフトーン型位相シフトマスクは最もデバイスパターンへの適用範囲が広い。ハーフトーンＰＳＭでは、マスクパターン材料の従来の不透明な層、すなわちクロム層の代りに、１８０°の位相シフトとわずかな透過性を有するハーフトーンの吸収体を使用する。本来は、ハーフトーンＰＳＭでは透過率制御層と位相制御層の２積層よりなる。ところが、最近、光の透過率および位相シフトの両方を制御する２つの機能を実行するために開発された単一層材料の使用によってハーフトーンＰＳＭの利点が拡大された。そのような単一層のハーフトーン材料は、本明細書において全体的に参照されているIto 氏等による参照文献“Optimization of Optical Properties for Single-layer Halftone Masks”（SPIE, Vol.2197, p.99 (January 1994) ）に記載されているようにＳｉＮx 等から構成されている。その組成比は、ハーフトーン材料成膜中に窒素の流量を変化させることによって制御され、ハーフトーン材料の組成比によって、光の減衰量および位相シフト特性が決定される。
【０００７】
ハーフトーンＰＳＭは、高い解像性を有して実際の装置のパターンを適用するための最も有効な技術の一つであるとされる。それは、例えば本明細書において全体的に参照文献とされているK.Hashimoto 氏等による参照文献“The Application of Deep UV Phase-Shifted Single-layer Halftone Reticles to 256Mbit Dynamic Random Access Memory Cell Patterns ”（Jpn.J. Appl.Phys., Vol.33, pp.6823-6830 (1994)）でなされている。しかしながら、０．２５μｍ以下の寸法のパターンが精度良く確実に生成されるようにするために、より大きい解像性を提供する新しい技術が要求される。さらに、ハーフトーンＰＳＭによってはイメージショートニング効果に関連した問題を除去することはできない。
【０００８】
イメージショートニングとは、マスクによって投影されたパターンの解像性能を減少させる現象の１つである。例えば、ＤＲＡＭのパターンにおいて記憶ノード等の細長い穴のパターンでは、わずかな焦点ずれによって結果的にそのウエハ上に投影された穴の長辺方向の長さが実質的に短縮する。このパターン長の短縮は、特に例えば±０．５μｍ程度の焦点ずれ状態において生じ、画像強度および像コントラストは、細長い穴の端部に向かうにつれて著しく減少する。
【０００９】
イメージショートニング効果を悪化させるＰＳＭの別の特徴は、位相差エラーあるいは位相差変化である。ＰＳＭの理想的な位相シフト量が１８０°であることは良く知られている。理想的な状態からの位相の変化は、半導体ウエハ上に投影されたパターンの解像性能にとって重要である。位相差エラーは、ＰＳＭが最適な１８０°以外の位相差で光をシフトするときに生じる。位相差エラーがわずかであっても、解像性能に非常に大きい影響を与える。ハーフトーンＰＳＭにおいて満足なリソグラフィ特性を達成するために、位相差変化は、ハーフトーン膜上で理想的な１８０°の位相シフトの±３°以内に制御されなければならないことがわかった。位相差エラーは、ハーフトーンＰＳＭ材料の測定された特性に数学的に基づいて論理的に決定される。例えば、材料の屈折率は、スペクトログラフで測定することができる。所定のハーフトーン材料の屈折値ｎは、数学的にｎと表され、下記の（１）式で与えられる。
【００１０】
【数１】
【００１１】
この（１）式において、ｎは実数部分の成分であり、ｋは材料の透過率に関する虚数成分である。材料によって生じた位相シフトφは、下記の（２）式の関係に基づいて決定される。
【００１２】
【数２】
【００１３】
この（２）式において、λは使用された光の波長である。しかしながら、この方法は不正確であり、採用することはできない。その理由は、ハーフトーン材料は典型的にアモルファスであり、ｎおよびｋ成分の分布は可変だからである。従って、位相の値は、ハーフトーン材料の領域全体にわたって一様ではなく、すなわち、位相の値は、ハーフトーン材料にわたって変化する。数学的モデルでは、位相が材料全体にわたって一様であると仮定しているので、間接的な方法を使用すると、ハーフトーン材料の使用によって生じた結果的な位相差を正確に決定することはできない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、位相差誤差が許容可能なパラメータ以内に収まるかどうかを決定するために所定のハーフトーン膜の位相差誤差を直接測定するように技術が開発されてきた。これら開発されたツールの幾つかは、干渉計、分光エリプソメータ、分光計、および直接的空中測定による測定を含んでいる。しかしながら、これらのツールは非常に高価であり、また、これらの方法によって測定された値はハーフトーン膜のｎ、ｋの値は膜厚方向に分布を持つために、値が正確なものであるとは考えない。
【００１５】
それ故に、ハーフトーンＰＳＭにおける位相差変化を測定するための、コスト的に廉価で能率的でかつ正確な手段が必要とされている。
従って、本発明は、既知の測定技術の問題点を克服する位相シフト材料における位相差の測定方法を提供する。
【００１６】
特に、本発明は、明白で容易に測定できるイメージショートニング効果を受け易い予め定められたパターンおよび露光を使用して不透明のマスクに従って露光されたパターンと位相シフトマスクに従って露光されたパターンとの最良の焦点位置のシフトに関する比較に基づいて位相差変化を決定し、それによって、不透明材料を使用したパターンおよび位相シフト材料を使用したパターンの両方によって露光されたパターンの最良の焦点位置を正確に決定する。最良の焦点位置は、露光された転写パターンが最大の縦の長さを有する位置である。
【００１７】
それ故に、本発明の目的は、既知の位相差変化測定方法および装置よりも廉価であり、より能率的でより正確な位相シフト材料の位相差変化を測定する方法を提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、不透明なマスクおよびハーフトーンマスクの関連した最良の焦点位置を決定するためにイメージショートニング効果を利用し、位相シフトマスクを使用したパターンによって露光されたパターンと不透明マスクを使用したパターンによって露光されたパターンとの間の比較における最良の焦点位置の差を使用して位相差変化を決定し、それによって、高価で不正確な従来技術による方法の必要を排除することである。
【００１９】
本発明のさらに別の目的は、位相シフト材料の位相差変化を測定する方法を提供することであり、そこにおいて、位相シフト材料は、不透明材料のためのマスクとして使用され、それによって、露光されたパターンにおけるコントラストを改良し、不透明材料に関連したパターンおよび位相シフト材料に関連したパターンの両方に対する最良の焦点位置の測定をより正確なものにする。最良の焦点位置の決定がより正確にされると、それに従って位相差変化の測定もより正確なものになる。
【００２０】
本発明のさらに別の目的は、特に明白なイメージショートニング効果を有するパターンを使用し、それによって、より正確な最良の焦点位置の決定およびより正確な位相差変化の測定を容易にする。先端部において非常に小さい鋭角を有する菱形のパターンは、本発明の利点を達成するのに特に適していることがわかった。さらに、菱形パターンの長辺の長さに対する菱形パターンの短辺の長さの割合は、１０：１乃至２０：１の範囲内にあるのが最適であることがわかっている。
【００２１】
本発明のさらに別の目的は、異なるパターンを使用する変更された方法を提供することである。例えば、本発明の方法は、位相シフト材料および不透明材料の上に別々に形成されたパターンと、不透明材料のためのマスクとして位相シフトマスクを使用して形成されたパターンと共に使用される。
【００２２】
本発明のさらに別の目的は、許容可能な位相シフト膜の安定性のための詳細を決定するために、露光時間および露光時間に関する位相の変化を使用して位相シフト材料の安定性を決定する方法を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上述およびその他の目的およびそれらに付随する利点は本発明によって達成される。本発明は、位相シフト材料における位相差変化を測定するための改良された方法を提供し、この方法は、第１の不透明材料のパターンおよび第２の位相シフト材料のパターンを有しているマスクを光透過性の基板上に形成し、マスクを通して感光性材料上に光を透過させることによって感光性材料を露光し、露光された感光性材料を現像し、第１のパターンに基づいて感光材料を露光することによって生成された第１のパターンの最良の焦点位置を決定し、第２のパターンに基づいて感光性材料を露光することによって生成された第２のパターンの最良の焦点位置を決定し、第１のパターンの最良の焦点位置と第２のパターンの最良の焦点位置とを比較して第１のパターンの最良の焦点位置からの第２のパターンの最良の焦点位置のシフト量を決定し、第１のパターンと第２のパターンとの間の最良の焦点位置のシフト量の比較に基づいて位相シフト材料の位相差を決定する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を実施の形態により説明する。なお、図面の全図に渡って同一部分には同一符号を付して説明を行う。
前述したように、イメージショートニングは、マスクによって投影されたパターン解像性の減少に関係する。イメージショートニングは、典型的に、例えば細長い穴等の細長いパターンの端部における像の強度およびコントラストの減少によって生じる。イメージショートニングはまた、露光の焦点がずれることによっても生じる。マスクにおいて位相シフト材料を使用するとき、位相差エラーあるいは位相差変化、すなわち、理想的な１８０°の状態からの位相差の変化もまた、イメージショートニングに影響する。位相差変化による影響は、投影されたパターンの解像性能にとって重要である。理想的な状態からわずかに位相が変化することによって、解像性能において非常に大きな変化の原因となる。ハーフトーンＰＳＭにおいて許容可能なフォトリソグラフィの性能を達成するために、位相差変化は、１８０°の理想的な位相シフトの±３°以内に制御されなければならない。
【００２５】
不透明材料によって投影されたパターンの最良の焦点位置に関して、位相差エラーと、ＰＳＭで生成されたパターンの最良の焦点位置におけるシフトとの間に関係があることもわかっている。最良の焦点位置は、特定のマスクによって投影されたパターンが最大である位置、すなわち、パターンの縦の長さが最大である位置を示す。焦点がずれている場合、典型的にイメージショートニングが生じる。不透明体、すなわち、クロム（Ｃｒ）あるいはクロム・オン・ガラス（ＣＯＧ）、マスク等によって生成された転写されたパターンの縦の長さの焦点位置で解像性を調べることで最良の焦点位置を決定することができる。例えば、SVGL Micrascan 2 step-and-scan system 等のステッパ光源を使用して形成されたパターンは、種々のレベルの焦点のずれに対応する感光性材料中にある範囲の露光されたパターンを提供する。
【００２６】
図１を参照すると、不透明マスクを使用して形成された本発明による転写パターンの概略図が示されている。図２は図１のパターン（４つのパターンのうちの１つを抽出）形状の焦点位置依存性を示しており、最良の焦点位置のパターン２０は中央に位置しており、一方、種々のレベルの焦点ずれパターンは最良の焦点位置のパターン２０の両側に示されている。負方向（−）の焦点ずれは最良の焦点位置の左側に示されており、正方向 （＋）の焦点ずれは最良の焦点位置の右側に示されている。図２に示されるように、焦点がずれた位置ではイメージショートニングを示している。
【００２７】
本発明によれば、不透明なハーフトーンＰＳＭ、すなわちハーフトーン等の材料から構成されたマスクが感光性材料を露光するために使用される。各マスクによって生成された転写パターンの最良の焦点位置は、露光されたパターンの縦の長さを測定することによって決定される。上述のように、最も縦の長さが長い時の焦点位置は最良の焦点位置を示す。一度、不透明マスク部分を通して露光することによって生成された転写パターンの最良の焦点位置が決定されると、例えば光学ステッパ等の焦点ずれの変化のレベルも測定可能となる。その後、ハーフトーンマスクによって生成された転写パターンの最良の焦点位置が、その転写パターンの縦の長さに基づいて決定される。それに続いて、ハーフトーンマスクに対応する転写パターンの最良の焦点が、不透明マスクによって生成されたパターンの焦点ずれと比較され、それによって、ハーフトーンマスクによって生成された転写パターンの最良の焦点位置が不透明マスクを使用して得られた最良の焦点位置に対してどこに位置されるのかを決定する。ハーフトーンマスクの位相差が１８０°である場合、不透明マスクおよびハーフトーンマスクの最良の焦点位置は同じでなければならず、すなわち、不透明マスクによって生成されたパターンに対する最大長は、ハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最大長とほぼ同じになる。また、位相差が１８０°でない場合においても、ハーフトーンマスクに対応する転写パターンのイメージショートニングが観察される。
【００２８】
その後、ハーフトーンマスクによって生成された転写パターンの短縮されたパターンの最大の長さは、不透明マスクに基づいた転写パターンの焦点ずれと比較され、それによって、不透明マスクに基づいた転写パターンの焦点ずれにおいて、ハーフトーンマスクに基づいた転写パターンの最良の焦点位置がどこに位置しているのかを決定する。不透明マスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置とハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置との間の差は曲線で表すことができ、図２に示されているように不透明なマスクによって生成された画像の最良の焦点位置からのシフトとして表される。なお、図２において、２０は不透明マスクによって生成されたパターンの連続した焦点位置依存性を示しており、３０はハーフトーンマスクによって生成されたパターンの連続した焦点位置依存性を示しており、５０は不透明マスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置とハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置との間のずれ量を示している。
【００２９】
図３は不透明マスクおよびハーフトーンマスクに対する菱形のパターンのイメージショートニングを示す概略図である。図３を簡単に参照すると、２つの転写パターンの組１、２が示されている。パターンの組１は、図１に示された不透明マスクによる転写パターンに対応する。パターンの組２は、ハーフトーンマスクを使用して得られた転写パターンに対応する。不透明マスクによるパターンの組１の最良の焦点位置２０およびハーフトーンマスクによるパターンの組２の最良の焦点位置３０も示されている。パターンの組１、２のイメージショートニングは、共通の基準軸上で曲線で表され、それによって、図２に示されているようにハーフトーンマスクによって行われたハーフトーン膜の１８０°からの位相差が決定される。
【００３０】
図２を参照すると、ハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置のシフト５０は、不透明マスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置に関して示されている。上述のように、それぞれの転写パターンの最良の焦点位置は、パターンの最大の長さに対応する。ここで、転写パターンの長さは、焦点位置２０および３０を示す曲線の高さに対応している。不透明マスクによる転写パターンの最良の焦点位置と、ハーフトーンマスクによる転写パターンの最良の焦点位置との差５０の量は、ハーフトーンマスクのハーフトーン膜の１８０°からの位相差φに直接関係している。不透明マスクおよびハーフトーンマスクによって生成されたパターンの連続した焦点ずれは、図２の水平軸として示されている。それ故に、イメージショートニングは、不透明マスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置を、不透明マスクの転写パターンの焦点ずれの上に投影されたハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置と比較することによって、ハーフトーン膜の１８０°からの位相差φを決定するために使用される。位相シフト材料の位相差を決定するための基本的なプロセスは図４に示されている。
【００３１】
すなわち、まず、ハーフトーンＰＳＭ上に不透明材料及びハーフトーン材料からなる菱形パターンが形成される。次に、上記マスクを用いて露光し、感光性材料にパターンを転写する。このとき、露光はショット毎に焦点を変化させ、ウエハ上にパターンを転写する。次に、菱形パターンの有する焦点依存性から不透明マスクパターンの最良の焦点位置を決定する。続いて、同様にハーフトーンマスクパターンの最良の焦点位置を決定する。次に両マスクパターンの最良の焦点位置を比較し、最良の焦点位置のシフト量を決定する。さらに、このシフト量を複数の既知の位相値に対するシミュレーションデータに対するシフト量と比較する。そして、この比較結果に基づいて、ハーフトーンパターンのシフト量に基づくハーフトーンパターンの位相差を決定する。
【００３２】
好ましい実施形態として、本発明による位相差を測定するために使用されたパターンの形状が細長い菱形である場合を説明した。この菱形１０は、図５に示されているように、その端部において非常に小さい鋭角を有している。鋭角、すなわち鋭い端部を有することによって、増強されたより顕著なイメージショートニングが与えられ、それによって、不透明マスクおよびハーフトーンマスクのそれぞれを介して生成されたパターンの最良の焦点位置をより正確に決定することができる。菱形の狭い先端部は、露光状態に非常に敏感であり、それ故に、焦点ずれにも影響を受け易い。理想的には、その横幅Ｗの１０乃至２０倍大きい縦の長さＬを有する菱形は、最良の焦点位置を正確に決定できるように端部において十分な鋭さを与えることがわかっている。しかしながら、最良の焦点を決定するための許容可能な識別および正確度を提供する任意の比率が使用されることができる。また、ハーフトーンの位相差を決定するために正確に測定可能な十分なイメージショートニングを示す任意の形状のパターンを使用してもよく、本発明は菱形に限定されないことが理解される。例えば、細長いくさび形あるいは別の細長い菱形のパターン、あるいは最良焦点位置をモニタする他の手段も使用することができる。
【００３３】
ウエハ上に転写されたパターンの最良の焦点位置を決定するために使用可能な装置がある。そのようなシステムの１つは、米国カリフォルニア州、ベルモントのNikon Precision 社によって開発された自動レーザ走査技術（ＬＳＡ）であり、その開示が本明細書において全体的に参照文献とされているSuwa氏等による参照文献“Automatic Laser Scanning Focus Detection Method Using Printed Focus Pattern ”（SPIE, Vol.2440, pp.712-720 (1995) ）において詳細に説明されている。ＬＳＡ技術において、整列センサを使用して光学的ステップおよび反復式露光システムを介して最良の焦点が決定される。ＬＳＡ走査ビームは、ＨｅＮｅレーザである。焦点が変えられる異なる位置においてウエハ上に画像を転写することによって、どこが最良の焦点位置であるかを決定することができ、また、正方向（ポジ）および負方向（ネガ）の焦点ずれの変化も知ることができる。
【００３４】
最良の焦点位置を決定するための別の方法は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して直接測定を行うことである。最良の焦点位置は、転写パターンを測定し、どの転写パターンが最大の縦の長さを有しているかを判定することによって決定する。縦の長さが最大である位置が最良の焦点位置である。全ての転写パターンは、検査された全ての露光および焦点ずれの範囲に対して同じ寸法であるマスクパターンによって測定されることに注意すべきである。多数の最良の焦点位置を決定するための方法および装置が当業者によって知られており、これらの方法および装置は問題なく使用できる。従って、ＬＳＡおよびＳＥＭ技術の記述は説明のためだけのものであり、本発明の技術的範囲を制限するものではない。しかしながら、ＬＳＡは、従来のＳＥＭ技術に対してその正確さおよびコストのために現在では好ましいとされている。ＳＥＭ技術はまた、ＬＳＡと比較すると、転写パターンの最良の焦点位置を決定するのに著しく長い時間を必要とする。
【００３５】
本発明に従って位相差を決定するために使用されるマスクを形成するために多数の変更された方法が存在することは理解される。結果として作られるマスクは、例えば、ハーフトーンＰＳＭ、レベンソン（Levenson）ＰＳＭ等の種々の従来のマスクである。従って、本発明において使用するための異なるマスク製造技術を示す以下の説明は、説明だけを意図しており、技術的範囲を何等制限するものではない。
【００３６】
図６（ａ）〜（ｅ）は、感光性基板上に菱形のパターンを形成するために使用された例示的なマスク製造技術の工程を示しており、特に、ハーフトーンＰＳＭ処理を表している。この製造技術は、理解を容易にするために断面図で示されている。
【００３７】
まず、（ａ）に示すように、例えばクロム等の不透明材料６２が、例えば二酸化けい素等の光透過性の基板６０上でパターン化される。光透過性の基板６０上で不透明材料６２をパターン化する技術は、レジスト（図示されていない）および湿式クロムエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の使用を含んでいる。
【００３８】
次に、（ｂ）に示すように、例えば、ＳｉＮx 等のハーフトーン膜６４が、不透明膜（不透明材料）６２および露光された基板６０を含むパターン全体の上に堆積される。ハーフトーン膜６４は、一般的に既知のスパッタリング技術によって堆積される。なお、ハーフトーン膜６４を構成するハーフトーン材料して、ＳｉＮx の他に、Ｓｉ化合物、Ｃｒ化合物、Ａｌ化合物、Ｔｉ化合物、ＭｏＳｉ化合物、およびこれらの混合物が使用可能である。
【００３９】
次に、（ｃ）に示すように、レジスト層６６が、ハーフトーン膜６４上でパターン化され、それによって上述の菱形のパターンが形成される。レジスト層６６は、例えば、中間紫外線（ＭＵＶ）レジストあるいは電子ビーム（ＥＢ）レジストの通常のレーザ堆積を使用して堆積される。
【００４０】
次に、（ｄ）に示すように、ハーフトーン膜６４が、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）あるいは化学的ドライエッチング（ＣＤＥ）を使用してレジスト層６６に従ってエッチングされる。その際に、レジスト層も除去される。
【００４１】
最終的に、（ｅ）に示すように、パターン化されたハーフトーン膜６４をマスクとして使用して、露光されたクロム膜６２がエッチングされ、それによってクロム膜６２にパターンが形成される。結果として、マスクは、ハーフトーン膜のパターン化された部分７０および不透明膜のパターン化された部分６８を具備している。マスクを形成するためにこの技術を使用することができる。
【００４２】
図７（ａ）〜（ｄ）は、通常のパターン形成技術を使用して、クロムあるいはＣＯＧからなる菱形のパターンを形成するために使用された例示的なマスク製造技術の工程を示している。
【００４３】
まず、（ａ）に示すように、例えばクロム等の不透明材料６２が、例えば二酸化ケイ素等の光透過性の基板６０上でパターン化される。光透過性基板６０上で不透明材料６２をパターン化する技術は、例えば、レジストの使用（図示せず）および湿式クロムエッチング、およびＲＩＥ等の使用を含んでいる。
【００４４】
その後、（ｂ）に示すように、ハーフトーン膜６４が、クロム膜６２および光透過性基板６０を含むマスク全体にわたって例えばスパッタリングすることによって堆積される。
【００４５】
次に、（ｃ）に示すように、ハーフトーン膜に対するレジストパターン６６が、ハーフトーン膜６４上に堆積される。レジストはまた、先にパターン化された不透明材料が次のステップで露光されることを確実にする。
【００４６】
次に、（ｄ）に示すように、ハーフトーンのエッチングを使用して、ハーフトーン膜６４が、レジスト層６６のパターンに従ってパターン化され、それによって、ハーフトーンの菱形のパターン７０が形成される。
【００４７】
上述のように、クロムの最初の堆積は、菱形のパターン６８を含んでいた。図６に示された技術を使用すると、初期の段階でより決定的なクロムマスクを提供し、一方で、ハーフトーンのエッチングだけのためにレジストを使用する。従って、不透明マスクの菱形のパターンはより正確になり、本発明による位相差の測定をより正確なものにするのに役立つ。
【００４８】
再び前記図２を参照すると、不透明マスクでマスクされた感光性材料の露光された領域の転写パターンに対応する最良の焦点位置２０と、不透明マスクに関してハーフトーンでマスクされた領域に対応する転写パターンの最良の焦点の、すなわち、縦の長さが最大の位置３０との間のシフト５０が示されている。上述のように、ハーフトーンマスクを使用した転写パターンの焦点位置依存性と不透明マスクを使用した転写パターンの焦点位置依存性を共通の基準軸上で曲線で表すことによって、結果的に、両者の最良の焦点位置の差を調べることができる。不透明マスクを使用したパターンの最良の焦点位置と、ハーフトーンマスクを使用したパターンの最良の焦点位置との間のシフト５０は、ハーフトーンマスクを通した露光による理想的な１８０°の場合からの位相差ずれに関連している。従って、直接、最良の焦点位置を比較することによって位相差が測定できる。
【００４９】
本発明の別の実施形態によれば、使用されるハーフトーン膜の安定性を監視することができる。ハーフトーン膜の安定性は、ハーフトーンマスクを通して感光性材料を露光するために使用された光の露光時間に関連していることが知られている。感光時間が増加すると、ハーフトーン膜に対応する転写パターンの最良の焦点位置は、不透明マスクに対応する転写パターンの最良の焦点位置からますます外れてシフトする。この現象は図８に示されている。例えば、ＳｉＮハーフトーンマスクの場合において、最適な光学パラメータ（ｎ，ｋ）を満たすために、比率は、Ｓｉ：Ｎ＝３：０．０１である。しかしながら、Ｓｉ：Ｎの安定した比率は３：４である。従って、過剰な量のＳｉは、露光エネルギの作用によってＯ2 と結合し、それによって透過率が増加され、それによって位相差のシフトが生じる。本発明を使用することによって、このシフトを容易に監視する方法が提供される。
【００５０】
以上、本発明はその特定の実施形態に関連して説明されてきたが、多数の変更および修正が当業者に明らかであることは明白である。従って、本発明の好ましい実施形態は、本明細書に説明されているように、その内容の説明を意図するものであり、技術的範囲を制限するものではなく、種々の変更が本発明の意図および技術的範囲から逸脱せずに行われる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、既知の位相差測定方法および装置よりも廉価であり、より能率的でより正確な位相シフト材料の位相差量を測定する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】菱形のパターンのイメージショートニングを説明するためのの概略図。
【図２】不透明マスクによって形成された転写パターンと位相シフト材料のマスクによって形成された転写パターンとの間の最良の焦点位置のシフトを示す特性図。
【図３】不透明マスクおよびハーフトーンマスクに対する菱形のパターンのイメージショートニングを説明するための概略図。
【図４】本発明の実施形態による位相差を測定する工程を示すフローチャート図。
【図５】本発明の方法で使用される菱形のパターンの概略図。
【図６】感光性基板上に菱形のパターンを形成するために使用された例示的なマスク製造技術の工程図。
【図７】感光性基板上に菱形のパターンを形成するために使用される他のマスク製造技術の工程図。
【図８】露光時間が増加する際の位相シフト材料の位相差の変化を示す特性図。
【符号の説明】
１、２…転写パターンの組
１０…菱形、
２０…不透明マスクによって生成されたパターンの連続した焦点位置、
３０…ハーフトーンマスクによって生成されたパターンの連続した焦点位置、
５０…不透明マスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置とハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置との間のずれ量、
６０…光透過性の基板、
６２…不透明材料、
６４…ハーフトーン膜、
６６…レジスト層、
６８…不透明膜のパターン化された部分、
７０…ハーフトーン膜のパターン化された部分。
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相シフトマスクの位相シフト材料を通過した光の位相差、位相差変化、位相差誤差の測定に係り、特に位相シフト材料における位相差を決定するための効果的で安価な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ほとんどの半導体集積回路は、例えばフォトリソグラフィ等の光加工技術を使用して形成される。光加工技術は、典型的に、例えば紫外線（ＵＶ）光等の光を半導体ウエハ上に堆積されたレジスト材料と呼ばれる感光材料の層上にマスクを通して照射する技術を使用する。マスクは一般的に、半導体ウエハ上に堆積された感光性の層に転写される回路パターンを定めるように構成されたハーフトーン等の光遮断あるいは光減衰材料の層を有する光透過性基板を含んでいる。このマスクは、レジストで被覆された半導体ウエハに転写されるネガあるいはポジのいずれかのパターンを形成する。
【０００３】
ネガレジストが使用された場合、マスクを通過する投影された露光光によって、レジスト層の露光された領域が重合化および架橋反応を起こす。それに続く現像プロセスによって、レジスト層の露光されない領域は現像液によって半導体ウエハから洗い落とされ、マスクパターンの逆、すなわちネガの画像に対応するレジスト材料の転写されたパターンが残される。ネガレジストの代りにポジレジストが使用されることもある。ポジレジストが使用されるとき、マスクを通過する照射光によって、レジスト層の露光された部分が現像液に溶解可能になり、それによって、露光されたレジスト層は現像プロセスによって洗い落とされ、マスクパターンに直接対応するレジスト材料の転写されたパターンが残される。いずれの場合においても、半導体基板上に残っているレジスト材料は、所望された半導体装置を形成するための後工程、例えばエッチングおよび不純物注入を受ける露光された半導体材料のパターンを決定するのに役立つ。
【０００４】
サブミクロン領域での回路パターンの形成は、典型的に基板の素子の大規模集積（ＬＳＩ）化および超大規模集積（ＶＬＳＩ）化に関連し、一般的にそれらに対応するパターン解像性が露光プロセスにおいて得られる必要がある。パターン解像性の問題に対する幾つかの解決策には、解像性を増加させるために、例えば短波長の紫外領域の光等の、光の開口数（ＮＡ）値が高く、波長の短い光を使用することがある。しかしながら、この解決策には焦点深度の劣化の問題がある。投影されたパターンの焦点深度は、レジスト材料を通したマスクのパターン転写を高精度に実現するために重要である。典型的に、照射光は、比較的厚いレジスト材料を通過することが要求され、マスクパターンがレジスト材料に転写されることは非常に重要である。さらに、焦点深度が増加すると、最良の焦点位置から露光ツールがわずかにずれるという悪影響、すなわち、焦点ずれのパターン解像性に与える影響を最小にすることができる。最も高精度な光露光装置でさえ、最良の焦点位置からのサブミクロンレベルの誤差が生じないことを保証することはできない。
【０００５】
最近、従来の焦点深度に対して著しく解像性を増加させる位相シフトマスク技術が開発されてきている。位相シフトマスク（ＰＳＭ）は、１８０°（一般的にπで表される）の位相シフト機能を有する露光光を透過させることができる選択的に配置されたマスクパターン材料を使用することによって通常のフォトリソグラフマスクとは異なる。フォトリソグラフィにＰＳＭを取入れるというアイディアは、１９８０年代初期に最初に提唱された。この技術によって、従来のフォトリソグラフィの限界が延命され、０．２５μｍ以下の微細寸法を有する回路パターンの製造が可能となった。ＰＭＳとはマスクパターン上に作成された位相シフタによって１８０°の位相差を生じ、光の干渉作用によってマスクを透過する光強度のコントラストを著しく増加させるマスクである。結果的に、従来マスク （従来マスクとは、例えばクロム等の不透明材料だけをマスク材料として使用する）と比較して、より高い解像性および大きい焦点深度が得られる。都合のよいことに、ＰＳＭを使用する技術は、通常のステッパ光学装置およびレジスト技術を使用して実施することができる。
【０００６】
ＰＳＭの出現以来、多数のＰＳＭ技術が開発されてきた。これらの中には、レベンソン型（Levenson）、補助パターン型（subresolution ）、リム型（rim ）、およびハーフトーン型（Halftone）位相シフト技術が含まれている。例えば、本明細書において全体的に参照されているC.Harper氏等による参照文献“Electronic Material & Processes Handbook”（2d ed., §10.4, pp. 10.33-10.39 (1994)）でなされている。これらの技術の中で、ハーフトーン型位相シフトマスクは最もデバイスパターンへの適用範囲が広い。ハーフトーンＰＳＭでは、マスクパターン材料の従来の不透明な層、すなわちクロム層の代りに、１８０°の位相シフトとわずかな透過性を有するハーフトーンの吸収体を使用する。本来は、ハーフトーンＰＳＭでは透過率制御層と位相制御層の２積層よりなる。ところが、最近、光の透過率および位相シフトの両方を制御する２つの機能を実行するために開発された単一層材料の使用によってハーフトーンＰＳＭの利点が拡大された。そのような単一層のハーフトーン材料は、本明細書において全体的に参照されているIto 氏等による参照文献“Optimization of Optical Properties for Single-layer Halftone Masks”（SPIE, Vol.2197, p.99 (January 1994) ）に記載されているようにＳｉＮx 等から構成されている。その組成比は、ハーフトーン材料成膜中に窒素の流量を変化させることによって制御され、ハーフトーン材料の組成比によって、光の減衰量および位相シフト特性が決定される。
【０００７】
ハーフトーンＰＳＭは、高い解像性を有して実際の装置のパターンを適用するための最も有効な技術の一つであるとされる。それは、例えば本明細書において全体的に参照文献とされているK.Hashimoto 氏等による参照文献“The Application of Deep UV Phase-Shifted Single-layer Halftone Reticles to 256Mbit Dynamic Random Access Memory Cell Patterns ”（Jpn.J. Appl.Phys., Vol.33, pp.6823-6830 (1994)）でなされている。しかしながら、０．２５μｍ以下の寸法のパターンが精度良く確実に生成されるようにするために、より大きい解像性を提供する新しい技術が要求される。さらに、ハーフトーンＰＳＭによってはイメージショートニング効果に関連した問題を除去することはできない。
【０００８】
イメージショートニングとは、マスクによって投影されたパターンの解像性能を減少させる現象の１つである。例えば、ＤＲＡＭのパターンにおいて記憶ノード等の細長い穴のパターンでは、わずかな焦点ずれによって結果的にそのウエハ上に投影された穴の長辺方向の長さが実質的に短縮する。このパターン長の短縮は、特に例えば±０．５μｍ程度の焦点ずれ状態において生じ、画像強度および像コントラストは、細長い穴の端部に向かうにつれて著しく減少する。
【０００９】
イメージショートニング効果を悪化させるＰＳＭの別の特徴は、位相差エラーあるいは位相差変化である。ＰＳＭの理想的な位相シフト量が１８０°であることは良く知られている。理想的な状態からの位相の変化は、半導体ウエハ上に投影されたパターンの解像性能にとって重要である。位相差エラーは、ＰＳＭが最適な１８０°以外の位相差で光をシフトするときに生じる。位相差エラーがわずかであっても、解像性能に非常に大きい影響を与える。ハーフトーンＰＳＭにおいて満足なリソグラフィ特性を達成するために、位相差変化は、ハーフトーン膜上で理想的な１８０°の位相シフトの±３°以内に制御されなければならないことがわかった。位相差エラーは、ハーフトーンＰＳＭ材料の測定された特性に数学的に基づいて論理的に決定される。例えば、材料の屈折率は、スペクトログラフで測定することができる。所定のハーフトーン材料の屈折値ｎは、数学的にｎと表され、下記の（１）式で与えられる。
【００１０】
【数１】
この（１）式において、ｎは実数部分の成分であり、ｋは材料の透過率に関する虚数成分である。材料によって生じた位相シフトφは、下記の（２）式の関係に基づいて決定される。
【００１２】
【数２】
この（２）式において、λは使用された光の波長である。しかしながら、この方法は不正確であり、採用することはできない。その理由は、ハーフトーン材料は典型的にアモルファスであり、ｎおよびｋ成分の分布は可変だからである。従って、位相の値は、ハーフトーン材料の領域全体にわたって一様ではなく、すなわち、位相の値は、ハーフトーン材料にわたって変化する。数学的モデルでは、位相が材料全体にわたって一様であると仮定しているので、間接的な方法を使用すると、ハーフトーン材料の使用によって生じた結果的な位相差を正確に決定することはできない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、位相差誤差が許容可能なパラメータ以内に収まるかどうかを決定するために所定のハーフトーン膜の位相差誤差を直接測定するように技術が開発されてきた。これら開発されたツールの幾つかは、干渉計、分光エリプソメータ、分光計、および直接的空中測定による測定を含んでいる。しかしながら、これらのツールは非常に高価であり、また、これらの方法によって測定された値はハーフトーン膜のｎ、ｋの値は膜厚方向に分布を持つために、値が正確なものであるとは考えない。
【００１５】
それ故に、ハーフトーンＰＳＭにおける位相差変化を測定するための、コスト的に廉価で能率的でかつ正確な手段が必要とされている。
従って、本発明は、既知の測定技術の問題点を克服する位相シフト材料における位相差の測定方法を提供する。
【００１６】
特に、本発明は、明白で容易に測定できるイメージショートニング効果を受け易い予め定められたパターンおよび露光を使用して不透明のマスクに従って露光されたパターンと位相シフトマスクに従って露光されたパターンとの最良の焦点位置のシフトに関する比較に基づいて位相差変化を決定し、それによって、不透明材料を使用したパターンおよび位相シフト材料を使用したパターンの両方によって露光されたパターンの最良の焦点位置を正確に決定する。最良の焦点位置は、露光された転写パターンが最大の縦の長さを有する位置である。
【００１７】
それ故に、本発明の目的は、既知の位相差変化測定方法および装置よりも廉価であり、より能率的でより正確な位相シフト材料の位相差変化を測定する方法を提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、不透明なマスクおよびハーフトーンマスクの関連した最良の焦点位置を決定するためにイメージショートニング効果を利用し、位相シフトマスクを使用したパターンによって露光されたパターンと不透明マスクを使用したパターンによって露光されたパターンとの間の比較における最良の焦点位置の差を使用して位相差変化を決定し、それによって、高価で不正確な従来技術による方法の必要を排除することである。
【００１９】
本発明のさらに別の目的は、位相シフト材料の位相差変化を測定する方法を提供することであり、そこにおいて、位相シフト材料は、不透明材料のためのマスクとして使用され、それによって、露光されたパターンにおけるコントラストを改良し、不透明材料に関連したパターンおよび位相シフト材料に関連したパターンの両方に対する最良の焦点位置の測定をより正確なものにする。最良の焦点位置の決定がより正確にされると、それに従って位相差変化の測定もより正確なものになる。
【００２０】
本発明のさらに別の目的は、特に明白なイメージショートニング効果を有するパターンを使用し、それによって、より正確な最良の焦点位置の決定およびより正確な位相差変化の測定を容易にする。先端部において非常に小さい鋭角を有する菱形のパターンは、本発明の利点を達成するのに特に適していることがわかった。さらに、菱形パターンの長辺の長さに対する菱形パターンの短辺の長さの割合は、１０：１乃至２０：１の範囲内にあるのが最適であることがわかっている。
【００２１】
本発明のさらに別の目的は、異なるパターンを使用する変更された方法を提供することである。例えば、本発明の方法は、位相シフト材料および不透明材料の上に別々に形成されたパターンと、不透明材料のためのマスクとして位相シフトマスクを使用して形成されたパターンと共に使用される。
【００２２】
本発明のさらに別の目的は、許容可能な位相シフト膜の安定性のための詳細を決定するために、露光時間および露光時間に関する位相の変化を使用して位相シフト材料の安定性を決定する方法を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上述およびその他の目的およびそれらに付随する利点は本発明によって達成される。本発明は、位相シフト材料における位相差変化を測定するための改良された方法を提供し、この方法は、第１の不透明材料のパターンおよび第２の位相シフト材料のパターンを有しているマスクを光透過性の基板上に形成し、マスクを通して感光性材料上に光を透過させることによって感光性材料を露光し、露光された感光性材料を現像し、第１のパターンに基づいて感光材料を露光することによって生成された第１のパターンの最良の焦点位置を決定し、第２のパターンに基づいて感光性材料を露光することによって生成された第２のパターンの最良の焦点位置を決定し、第１のパターンの最良の焦点位置と第２のパターンの最良の焦点位置とを比較して第１のパターンの最良の焦点位置からの第２のパターンの最良の焦点位置のシフト量を決定し、第１のパターンと第２のパターンとの間の最良の焦点位置のシフト量の比較に基づいて位相シフト材料の位相差を決定する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を実施の形態により説明する。なお、図面の全図に渡って同一部分には同一符号を付して説明を行う。
前述したように、イメージショートニングは、マスクによって投影されたパターン解像性の減少に関係する。イメージショートニングは、典型的に、例えば細長い穴等の細長いパターンの端部における像の強度およびコントラストの減少によって生じる。イメージショートニングはまた、露光の焦点がずれることによっても生じる。マスクにおいて位相シフト材料を使用するとき、位相差エラーあるいは位相差変化、すなわち、理想的な１８０°の状態からの位相差の変化もまた、イメージショートニングに影響する。位相差変化による影響は、投影されたパターンの解像性能にとって重要である。理想的な状態からわずかに位相が変化することによって、解像性能において非常に大きな変化の原因となる。ハーフトーンＰＳＭにおいて許容可能なフォトリソグラフィの性能を達成するために、位相差変化は、１８０°の理想的な位相シフトの±３°以内に制御されなければならない。
【００２５】
不透明材料によって投影されたパターンの最良の焦点位置に関して、位相差エラーと、ＰＳＭで生成されたパターンの最良の焦点位置におけるシフトとの間に関係があることもわかっている。最良の焦点位置は、特定のマスクによって投影されたパターンが最大である位置、すなわち、パターンの縦の長さが最大である位置を示す。焦点がずれている場合、典型的にイメージショートニングが生じる。不透明体、すなわち、クロム（Ｃｒ）あるいはクロム・オン・ガラス（ＣＯＧ）、マスク等によって生成された転写されたパターンの縦の長さの焦点位置で解像性を調べることで最良の焦点位置を決定することができる。例えば、SVGL Micrascan 2 step-and-scan system 等のステッパ光源を使用して形成されたパターンは、種々のレベルの焦点のずれに対応する感光性材料中にある範囲の露光されたパターンを提供する。
【００２６】
図１を参照すると、不透明マスクを使用して形成された本発明による転写パターンの概略図が示されている。図２は図１のパターン（４つのパターンのうちの１つを抽出）形状の焦点位置依存性を示しており、最良の焦点位置のパターン２０は中央に位置しており、一方、種々のレベルの焦点ずれパターンは最良の焦点位置のパターン２０の両側に示されている。負方向（−）の焦点ずれは最良の焦点位置の左側に示されており、正方向 （＋）の焦点ずれは最良の焦点位置の右側に示されている。図２に示されるように、焦点がずれた位置ではイメージショートニングを示している。
【００２７】
本発明によれば、不透明なハーフトーンＰＳＭ、すなわちハーフトーン等の材料から構成されたマスクが感光性材料を露光するために使用される。各マスクによって生成された転写パターンの最良の焦点位置は、露光されたパターンの縦の長さを測定することによって決定される。上述のように、最も縦の長さが長い時の焦点位置は最良の焦点位置を示す。一度、不透明マスク部分を通して露光することによって生成された転写パターンの最良の焦点位置が決定されると、例えば光学ステッパ等の焦点ずれの変化のレベルも測定可能となる。その後、ハーフトーンマスクによって生成された転写パターンの最良の焦点位置が、その転写パターンの縦の長さに基づいて決定される。それに続いて、ハーフトーンマスクに対応する転写パターンの最良の焦点が、不透明マスクによって生成されたパターンの焦点ずれと比較され、それによって、ハーフトーンマスクによって生成された転写パターンの最良の焦点位置が不透明マスクを使用して得られた最良の焦点位置に対してどこに位置されるのかを決定する。ハーフトーンマスクの位相差が１８０°である場合、不透明マスクおよびハーフトーンマスクの最良の焦点位置は同じでなければならず、すなわち、不透明マスクによって生成されたパターンに対する最大長は、ハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最大長とほぼ同じになる。また、位相差が１８０°でない場合においても、ハーフトーンマスクに対応する転写パターンのイメージショートニングが観察される。
【００２８】
その後、ハーフトーンマスクによって生成された転写パターンの短縮されたパターンの最大の長さは、不透明マスクに基づいた転写パターンの焦点ずれと比較され、それによって、不透明マスクに基づいた転写パターンの焦点ずれにおいて、ハーフトーンマスクに基づいた転写パターンの最良の焦点位置がどこに位置しているのかを決定する。不透明マスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置とハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置との間の差は曲線で表すことができ、図２に示されているように不透明なマスクによって生成された画像の最良の焦点位置からのシフトとして表される。なお、図２において、２０は不透明マスクによって生成されたパターンの連続した焦点位置依存性を示しており、３０はハーフトーンマスクによって生成されたパターンの連続した焦点位置依存性を示しており、５０は不透明マスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置とハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置との間のずれ量を示している。
【００２９】
図３は不透明マスクおよびハーフトーンマスクに対する菱形のパターンのイメージショートニングを示す概略図である。図３を簡単に参照すると、２つの転写パターンの組１、２が示されている。パターンの組１は、図１に示された不透明マスクによる転写パターンに対応する。パターンの組２は、ハーフトーンマスクを使用して得られた転写パターンに対応する。不透明マスクによるパターンの組１の最良の焦点位置２０およびハーフトーンマスクによるパターンの組２の最良の焦点位置３０も示されている。パターンの組１、２のイメージショートニングは、共通の基準軸上で曲線で表され、それによって、図２に示されているようにハーフトーンマスクによって行われたハーフトーン膜の１８０°からの位相差が決定される。
【００３０】
図２を参照すると、ハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置のシフト５０は、不透明マスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置に関して示されている。上述のように、それぞれの転写パターンの最良の焦点位置は、パターンの最大の長さに対応する。ここで、転写パターンの長さは、焦点位置２０および３０を示す曲線の高さに対応している。不透明マスクによる転写パターンの最良の焦点位置と、ハーフトーンマスクによる転写パターンの最良の焦点位置との差５０の量は、ハーフトーンマスクのハーフトーン膜の１８０°からの位相差φに直接関係している。不透明マスクおよびハーフトーンマスクによって生成されたパターンの連続した焦点ずれは、図２の水平軸として示されている。それ故に、イメージショートニングは、不透明マスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置を、不透明マスクの転写パターンの焦点ずれの上に投影されたハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置と比較することによって、ハーフトーン膜の１８０°からの位相差φを決定するために使用される。位相シフト材料の位相差を決定するための基本的なプロセスは図４に示されている。
【００３１】
すなわち、まず、ハーフトーンＰＳＭ上に不透明材料及びハーフトーン材料からなる菱形パターンが形成される。次に、上記マスクを用いて露光し、感光性材料にパターンを転写する。このとき、露光はショット毎に焦点を変化させ、ウエハ上にパターンを転写する。次に、菱形パターンの有する焦点依存性から不透明マスクパターンの最良の焦点位置を決定する。続いて、同様にハーフトーンマスクパターンの最良の焦点位置を決定する。次に両マスクパターンの最良の焦点位置を比較し、最良の焦点位置のシフト量を決定する。さらに、このシフト量を複数の既知の位相値に対するシミュレーションデータに対するシフト量と比較する。そして、この比較結果に基づいて、ハーフトーンパターンのシフト量に基づくハーフトーンパターンの位相差を決定する。
【００３２】
好ましい実施形態として、本発明による位相差を測定するために使用されたパターンの形状が細長い菱形である場合を説明した。この菱形１０は、図５に示されているように、その端部において非常に小さい鋭角を有している。鋭角、すなわち鋭い端部を有することによって、増強されたより顕著なイメージショートニングが与えられ、それによって、不透明マスクおよびハーフトーンマスクのそれぞれを介して生成されたパターンの最良の焦点位置をより正確に決定することができる。菱形の狭い先端部は、露光状態に非常に敏感であり、それ故に、焦点ずれにも影響を受け易い。理想的には、その横幅Ｗの１０乃至２０倍大きい縦の長さＬを有する菱形は、最良の焦点位置を正確に決定できるように端部において十分な鋭さを与えることがわかっている。しかしながら、最良の焦点を決定するための許容可能な識別および正確度を提供する任意の比率が使用されることができる。また、ハーフトーンの位相差を決定するために正確に測定可能な十分なイメージショートニングを示す任意の形状のパターンを使用してもよく、本発明は菱形に限定されないことが理解される。例えば、細長いくさび形あるいは別の細長い菱形のパターン、あるいは最良焦点位置をモニタする他の手段も使用することができる。
【００３３】
ウエハ上に転写されたパターンの最良の焦点位置を決定するために使用可能な装置がある。そのようなシステムの１つは、米国カリフォルニア州、ベルモントのNikon Precision 社によって開発された自動レーザ走査技術（ＬＳＡ）であり、その開示が本明細書において全体的に参照文献とされているSuwa氏等による参照文献“Automatic Laser Scanning Focus Detection Method Using Printed Focus Pattern ”（SPIE, Vol.2440, pp.712-720 (1995) ）において詳細に説明されている。ＬＳＡ技術において、整列センサを使用して光学的ステップおよび反復式露光システムを介して最良の焦点が決定される。ＬＳＡ走査ビームは、ＨｅＮｅレーザである。焦点が変えられる異なる位置においてウエハ上に画像を転写することによって、どこが最良の焦点位置であるかを決定することができ、また、正方向（ポジ）および負方向（ネガ）の焦点ずれの変化も知ることができる。
【００３４】
最良の焦点位置を決定するための別の方法は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して直接測定を行うことである。最良の焦点位置は、転写パターンを測定し、どの転写パターンが最大の縦の長さを有しているかを判定することによって決定する。縦の長さが最大である位置が最良の焦点位置である。全ての転写パターンは、検査された全ての露光および焦点ずれの範囲に対して同じ寸法であるマスクパターンによって測定されることに注意すべきである。多数の最良の焦点位置を決定するための方法および装置が当業者によって知られており、これらの方法および装置は問題なく使用できる。従って、ＬＳＡおよびＳＥＭ技術の記述は説明のためだけのものであり、本発明の技術的範囲を制限するものではない。しかしながら、ＬＳＡは、従来のＳＥＭ技術に対してその正確さおよびコストのために現在では好ましいとされている。ＳＥＭ技術はまた、ＬＳＡと比較すると、転写パターンの最良の焦点位置を決定するのに著しく長い時間を必要とする。
【００３５】
本発明に従って位相差を決定するために使用されるマスクを形成するために多数の変更された方法が存在することは理解される。結果として作られるマスクは、例えば、ハーフトーンＰＳＭ、レベンソン（Levenson）ＰＳＭ等の種々の従来のマスクである。従って、本発明において使用するための異なるマスク製造技術を示す以下の説明は、説明だけを意図しており、技術的範囲を何等制限するものではない。
【００３６】
図６（ａ）〜（ｅ）は、感光性基板上に菱形のパターンを形成するために使用された例示的なマスク製造技術の工程を示しており、特に、ハーフトーンＰＳＭ処理を表している。この製造技術は、理解を容易にするために断面図で示されている。
【００３７】
まず、（ａ）に示すように、例えばクロム等の不透明材料６２が、例えば二酸化けい素等の光透過性の基板６０上でパターン化される。光透過性の基板６０上で不透明材料６２をパターン化する技術は、レジスト（図示されていない）および湿式クロムエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の使用を含んでいる。
【００３８】
次に、（ｂ）に示すように、例えば、ＳｉＮx 等のハーフトーン膜６４が、不透明膜（不透明材料）６２および露光された基板６０を含むパターン全体の上に堆積される。ハーフトーン膜６４は、一般的に既知のスパッタリング技術によって堆積される。なお、ハーフトーン膜６４を構成するハーフトーン材料して、ＳｉＮx の他に、Ｓｉ化合物、Ｃｒ化合物、Ａｌ化合物、Ｔｉ化合物、ＭｏＳｉ化合物、およびこれらの混合物が使用可能である。
【００３９】
次に、（ｃ）に示すように、レジスト層６６が、ハーフトーン膜６４上でパターン化され、それによって上述の菱形のパターンが形成される。レジスト層６６は、例えば、中間紫外線（ＭＵＶ）レジストあるいは電子ビーム（ＥＢ）レジストの通常のレーザ堆積を使用して堆積される。
【００４０】
次に、（ｄ）に示すように、ハーフトーン膜６４が、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）あるいは化学的ドライエッチング（ＣＤＥ）を使用してレジスト層６６に従ってエッチングされる。その際に、レジスト層も除去される。
【００４１】
最終的に、（ｅ）に示すように、パターン化されたハーフトーン膜６４をマスクとして使用して、露光されたクロム膜６２がエッチングされ、それによってクロム膜６２にパターンが形成される。結果として、マスクは、ハーフトーン膜のパターン化された部分７０および不透明膜のパターン化された部分６８を具備している。マスクを形成するためにこの技術を使用することができる。
【００４２】
図７（ａ）〜（ｄ）は、通常のパターン形成技術を使用して、クロムあるいはＣＯＧからなる菱形のパターンを形成するために使用された例示的なマスク製造技術の工程を示している。
【００４３】
まず、（ａ）に示すように、例えばクロム等の不透明材料６２が、例えば二酸化ケイ素等の光透過性の基板６０上でパターン化される。光透過性基板６０上で不透明材料６２をパターン化する技術は、例えば、レジストの使用（図示せず）および湿式クロムエッチング、およびＲＩＥ等の使用を含んでいる。
【００４４】
その後、（ｂ）に示すように、ハーフトーン膜６４が、クロム膜６２および光透過性基板６０を含むマスク全体にわたって例えばスパッタリングすることによって堆積される。
【００４５】
次に、（ｃ）に示すように、ハーフトーン膜に対するレジストパターン６６が、ハーフトーン膜６４上に堆積される。レジストはまた、先にパターン化された不透明材料が次のステップで露光されることを確実にする。
【００４６】
次に、（ｄ）に示すように、ハーフトーンのエッチングを使用して、ハーフトーン膜６４が、レジスト層６６のパターンに従ってパターン化され、それによって、ハーフトーンの菱形のパターン７０が形成される。
【００４７】
上述のように、クロムの最初の堆積は、菱形のパターン６８を含んでいた。図６に示された技術を使用すると、初期の段階でより決定的なクロムマスクを提供し、一方で、ハーフトーンのエッチングだけのためにレジストを使用する。従って、不透明マスクの菱形のパターンはより正確になり、本発明による位相差の測定をより正確なものにするのに役立つ。
【００４８】
再び前記図２を参照すると、不透明マスクでマスクされた感光性材料の露光された領域の転写パターンに対応する最良の焦点位置２０と、不透明マスクに関してハーフトーンでマスクされた領域に対応する転写パターンの最良の焦点の、すなわち、縦の長さが最大の位置３０との間のシフト５０が示されている。上述のように、ハーフトーンマスクを使用した転写パターンの焦点位置依存性と不透明マスクを使用した転写パターンの焦点位置依存性を共通の基準軸上で曲線で表すことによって、結果的に、両者の最良の焦点位置の差を調べることができる。不透明マスクを使用したパターンの最良の焦点位置と、ハーフトーンマスクを使用したパターンの最良の焦点位置との間のシフト５０は、ハーフトーンマスクを通した露光による理想的な１８０°の場合からの位相差ずれに関連している。従って、直接、最良の焦点位置を比較することによって位相差が測定できる。
【００４９】
本発明の別の実施形態によれば、使用されるハーフトーン膜の安定性を監視することができる。ハーフトーン膜の安定性は、ハーフトーンマスクを通して感光性材料を露光するために使用された光の露光時間に関連していることが知られている。感光時間が増加すると、ハーフトーン膜に対応する転写パターンの最良の焦点位置は、不透明マスクに対応する転写パターンの最良の焦点位置からますます外れてシフトする。この現象は図８に示されている。例えば、ＳｉＮハーフトーンマスクの場合において、最適な光学パラメータ（ｎ，ｋ）を満たすために、比率は、Ｓｉ：Ｎ＝３：０．０１である。しかしながら、Ｓｉ：Ｎの安定した比率は３：４である。従って、過剰な量のＳｉは、露光エネルギの作用によってＯ2 と結合し、それによって透過率が増加され、それによって位相差のシフトが生じる。本発明を使用することによって、このシフトを容易に監視する方法が提供される。
【００５０】
以上、本発明はその特定の実施形態に関連して説明されてきたが、多数の変更および修正が当業者に明らかであることは明白である。従って、本発明の好ましい実施形態は、本明細書に説明されているように、その内容の説明を意図するものであり、技術的範囲を制限するものではなく、種々の変更が本発明の意図および技術的範囲から逸脱せずに行われる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、既知の位相差測定方法および装置よりも廉価であり、より能率的でより正確な位相シフト材料の位相差量を測定する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】菱形のパターンのイメージショートニングを説明するためのの概略図。
【図２】不透明マスクによって形成された転写パターンと位相シフト材料のマスクによって形成された転写パターンとの間の最良の焦点位置のシフトを示す特性図。
【図３】不透明マスクおよびハーフトーンマスクに対する菱形のパターンのイメージショートニングを説明するための概略図。
【図４】本発明の実施形態による位相差を測定する工程を示すフローチャート図。
【図５】本発明の方法で使用される菱形のパターンの概略図。
【図６】感光性基板上に菱形のパターンを形成するために使用された例示的なマスク製造技術の工程図。
【図７】感光性基板上に菱形のパターンを形成するために使用される他のマスク製造技術の工程図。
【図８】露光時間が増加する際の位相シフト材料の位相差の変化を示す特性図。
【符号の説明】
１、２…転写パターンの組
１０…菱形、
２０…不透明マスクによって生成されたパターンの連続した焦点位置、
３０…ハーフトーンマスクによって生成されたパターンの連続した焦点位置、
５０…不透明マスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置とハーフトーンマスクによって生成されたパターンの最良の焦点位置との間のずれ量、
６０…光透過性の基板、
６２…不透明材料、
６４…ハーフトーン膜、
６６…レジスト層、
６８…不透明膜のパターン化された部分、
７０…ハーフトーン膜のパターン化された部分。
Claims (23)
- 位相シフト材料による位相差を測定する方法において、
不透明材料で構成され且つフォーカスモニタの対象となる第１のパターンと前記位相シフト材料で構成され且つフォーカスモニタの対象となる第２のパターンとを有するマスクを光透過性の基板上に形成し、
前記マスクを通して感光性材料上に光を透過させることによって前記感光性材料を露光し、
露光された前記感光性材料を現像し、
前記第１のパターンに基づいて前記感光性材料を露光することによって生成された第１のパターンの不透明材料マスクの最良の焦点位置を決定し、
前記第２のパターンに基づいて前記感光性材料を露光することによって生成された第２のパターンの位相シフト材料マスクの最良の焦点位置を決定し、
前記不透明材料マスクの最良の焦点位置と前記位相シフト材料マスクの最良の焦点位置とを比較して前記不透明材料マスクの最良の焦点位置からの前記位相シフト材料マスクの最良の焦点位置のシフト量を決定し、
前記不透明材料マスクの最良の焦点位置からの前記位相シフト材料マスクの最良の焦点位置の前記シフト量に基づいて前記位相シフト材料によって生じた位相差を決定することを特徴とする位相差測定方法。 - 前記第１および第２のパターンが菱形であることを特徴とする請求項１に記載の位相差測定方法。
- 前記菱形の長辺の長さが短辺の長さの１０乃至２０倍の範囲の大きさを有していることを特徴とする請求項２に記載の位相差測定方法。
- 前記不透明材料がクロムで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の位相差測定方法。
- 前記位相シフト材料が、Ｓｉ化合物、Ｃｒ化合物、Ａｌ化合物、Ｔｉ化合物、ＭｏＳｉ化合物、およびこれらの混合物で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の位相差測定方法。
- 前記不透明材料マスクの最良の焦点位置は前記第１のパターンが最大の長辺の長さを有する位置であり、前記位相シフト材料マスクの最良の焦点位置は前記第２のパターンが最大の長辺の長さを有する位置であることを特徴とする請求項１に記載の位相差測定方法。
- 前記光透過性基板上の予め定められた部分に前記不透明材料を堆積し、
基板および堆積された不透明材料の上に前記位相シフト材料を堆積し、
前記位相シフト材料の上にレジスト材料を前記第１および第２のパターンに対応するパターンに形成し、
前記レジストのパターンに従って前記位相シフト材料をエッチングし、
前記レジスト材料を除去し、
前記不透明材料の上に設けられ、前記第１のパターンに対応する前記レジストのパターンの一部分に従って前記不透明材料をエッチングすることによって前記マスクを形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の位相差測定方法。 - 前記第１および第２のパターンが菱形であることを特徴とする請求項７に記載の位相差測定方法。
- 前記菱形の長辺の長さが短辺の長さの１０乃至２０倍の範囲の大きさを有していることを特徴とする請求項８に記載の位相差測定方法。
- 前記不透明材料がクロムで構成されていることを特徴とする請求項７に記載の位相差測定方法。
- 前記位相シフト材料が、Ｓｉ化合物、Ｃｒ化合物、Ａｌ化合物、Ｔｉ化合物、ＭｏＳｉ化合物、およびこれらの混合物で構成されていることを特徴とする請求項７に記載の位相差測定方法。
- 前記不透明材料マスクの最良の焦点位置は前記第１のパターンが最大の長辺の長さを有する位置であり、前記位相シフト材料マスクの最良の焦点位置は前記第２のパターンが最大の長辺の長さを有する位置であることを特徴とする請求項７に記載の位相差測定方法。
- 前記光透過性基板上に不透明材料を堆積した後に前記第１のパターンに対応するパターンを形成し、
前記基板および前記不透明材料の上に前記位相シフト材料を堆積し、
前記位相シフト材料の上に前記第２のパターンに対応するパターンでレジスト材料のパターンを形成し、かつ前記レジスト材料は前記不透明材料によって形成された前記第１のパターンの上の領域には形成されず、
前記位相シフト材料をエッチングし、
前記レジスト材料を除去することによって前記マスクを形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の位相差測定方法。 - 前記第１および第２のパターンが菱形であることを特徴とする請求項１３に記載の位相差測定方法。
- 前記菱形の長辺の長さが短辺の長さの１０乃至２０倍の範囲の大きさを有していることを特徴とする請求項１４に記載の位相差測定方法。
- 前記不透明材料がクロムで構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の位相差測定方法。
- 前記位相シフト材料が、Ｓｉ化合物、Ｃｒ化合物、Ａｌ化合物、Ｔｉ化合物、ＭｏＳｉ化合物、およびこれらの混合物で構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の位相差測定方法。
- 前記不透明材料マスクの最良の焦点位置は前記第１のパターンが最大の長辺の長さを有する位置であり、前記位相シフト材料マスクの最良の焦点位置は前記第２のパターンが最大の長辺の長さを有する位置であることを特徴とする請求項１３に記載の位相差測定方法。
- 不透明材料で構成され且つフォーカスモニタの対象となる第１のパターンと、
位相シフト材料で構成され且つフォーカスモニタの対象となる第２のパターンとを具備し、
前記第１および第２のパターンはほぼ同一の形状を有し、そのパターンの形状はその最上部および底部において鋭角を有する菱形であることを特徴とする位相シフト材料における位相差の測定に使用されるマスク。 - 前記菱形の長辺の長さが短辺の長さの１０乃至２０倍の範囲の大きさを有していることを特徴とする請求項１９に記載のマスク。
- 前記不透明材料がクロムで構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のマスク。
- 前記位相シフト材料が、Ｓｉ化合物、Ｃｒ化合物、Ａｌ化合物、Ｔｉ化合物、ＭｏＳｉ化合物、およびこれらの混合物で構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のマスク。
- 前記第１および第２のパターンは、光がマスクを通過するときに同時に感光材料を露光するように構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のマスク。
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