JP4229829B2 - ホールパターン設計方法、およびフォトマスク - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路の製造工程のうち露光工程でフォトレジストにコンタクトホールおよびＶｉａホール等のホールパターンを形成するために用いるフォトマスクと、そのホールパターンについてフォトマスク上の配置を決めるためのホールパターン設計方法とに関する。

従来、フォトマスクにホールパターンを配置する場合、次のような方法で行っていた。

図８はフォトマスクに形成されるホールパターンの配置例を示すパターン図である。

図８（ａ）に示すように、ホールパターン１０をランダムに配置したレイアウトのままではフォーカスマージンが不足するため、露光工程でフォトレジストに転写されないパターンである補助パターンの配置が必要である（例えば、特許文献１参照）。

図８（ｂ）のように、補助パターン１２をなるべく稠密に配置した場合、露光工程によりフォトレジストに補助パターンが転写されてしまったり、図の実線で示す部位で補助パターン同士がつながってしまったりする問題が起こり得る。また、フォトレジストに転写されたホールパターン１０の形状が歪んでしまったり、図の破線で示す部位でホールパターン１０と補助パターン１２とがつながってしまったりする問題が起こり得る。

反対に、図８（ｃ）のように、補助パターン１２を必要最低限配置するのであれば上記問題を回避できるが、フォーカスマージンの拡大効果を十分に得られない。

補助パターン１２のサイズは、フォトマスクとなるレチクルの製造精度、欠陥検査精度、転写マージンおよびフォーカスマージン拡大効果の観点から、ホールパターンサイズの８割程度とされている。また、ホールパターン１０と補助パターン１２との重心間距離は、フォーカスマージン拡大効果の観点から、ホールパターン１０の重心間距離の最小値である最密ピッチと同程度である必要がある。

さらに、補助パターン１２の配置は上下左右なるべく等方的でないとフォーカスマージン拡大効果を十分に得られないことがわかっている。そのため、補助パターン１２のサイズを調節したり、ホールパターン１０との距離を調節したりするという手法をとる。図８（ｄ）では、補助パターン１２のサイズを小さくしている。なお、図８（ｂ）から（ｄ）では、パターン図の中心付近に配置する補助パターン１２を表示している。
特開平１１−１３５４０２号公報

上述したように、補助パターンサイズを調節する、またはホールパターンとの距離を調節するといった手法によっても、補助パターンの転写、およびホールパターン形状の歪み等の上述の問題が起こってしまう。

また、現実にランダムに配置したホールパターン群への補助パターンの適用を考えた場合、補助パターンのサイズや距離を含めたレイアウトまでパターン毎に最適化しなければならないため、極端に作業が煩雑になることが予想される。

上記欠点の理由は、微細ホールパターンのフォーカスマージンはレイアウトの疎密度に著しく依存するためである。また、ホールパターンの密度の大きい密レイアウトと、ホールパターン密度の小さい疎レイアウトでは最適な露光条件（光学条件等）が著しく異なり、両者を同一条件で露光し、フォトレジストにパターンを形成することは本来不可能であるためである。

このように、ホールパターンおよび補助パターンを配置しようとすると、配置の仕方が困難だけでなく、フォーカスマージンを十分に確保できないおそれがあった。

本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、ホールパターンの配置の自由度を向上させ、ホールパターンの配置の良否について容易に判定可能としたホールパターン設計方法、およびその設計方法によるフォトマスクを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のホールパターン設計方法は、半導体集積回路を製造する際の露光工程に用いられるフォトマスクのパターン図にホールパターンと該露光工程でフォトレジストにパターンが転写されない補助パターンとを配置するためのホールパターン設計方法であって、
前記ホールパターンおよび前記補助パターンの各パターンの重心を中心として所定の倍率で拡大した相似パターンの辺が周辺の他の相似パターンに重なるように、該ホールパターンおよび該補助パターンを配置するものである。

本発明では、各パターンを所定の倍率で拡大させて相似パターンが重なるように各パターンを配置するようにしているため、周辺のパターンと離れすぎた孤立パターンの配置が禁止される。そのため、パターンが均一に配置され、フォーカスマージンが向上する。この場合、前記倍率の値が３であることとしてもよい。

また、本発明のホールパターン設計方法は、半導体集積回路を製造する際の露光工程に用いられるフォトマスクのパターン図にホールパターンと該露光工程でフォトレジストにパターンが転写されない補助パターンとを配置するためのホールパターン設計方法であって、
前記ホールパターンの重心間距離の最小値である最密ピッチの３倍の長さを１辺とした正方形を単位図形とし、前記補助パターンを該ホールパターンと置き換えたとき、前記パターン図の任意の位置における該単位図形内のホールパターンの面積が該単位図形内に配置可能な該ホールパターンの面積の６０％以上になるように該ホールパターンおよび該補助パターンを配置するものである。

本発明では、任意の単位図形内におけるパターン面積を一定の割合以上に規定しているため、パターン全体として配置密度が均一になり、フォーカスマージンが向上する。また、最適な配置密度が数値で規定されているため、パターン配置の良否判定がしやすくなり、設計工数が削減される。

さらに、上記目的を達成するための本発明のフォトマスクは、上記いずれかのホールパターン設計方法により配置された前記ホールパターンおよび前記補助パターンが転写された構成である。

本発明では、上記いずれかのレイアウト設計方法によりホールパターンおよび補助パターンの配置が決められるため、フォーカスマージンが向上したフォトマスクが作製され、露光工程で処理がしやすくなり、作業時間の短縮が図れる。

本発明のホールパターン設計方法では、従来、ホールパターン同士の間隔が広くなりすぎるところで、パターン間の距離を微調節可能となる。そのため、パターン図全体の光学条件が従来よりも均一になり、フォーカスマージンが向上する。

また、ホールパターンおよび補助パターンの各パターンの配置についての良否が判定しやすくなるため、設計工数を削減できる。

本発明のホールパターン設計方法は、設計ルール上の最小ピッチよりも小さい寸法を間隔とするグリッドを設け、そのグリッドの交点である格子点にホールパターンを配置するものである。また、パターン配置を禁止する面積密度等の値をパターン配置の際に適用するものである。
（実施形態１）
本発明のホールパターン設計方法について説明する。本実施形態では、半導体集積回路の露光工程に用いられるフォトマスクのパターン設計の設計ルール上許される最小ピッチをホールパターンの最密ピッチとする。

図１はフォトマスクにおけるホールパターンの設計方法を示すパターン図である。

図１（ａ）の横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向とすると、図１（ａ）に示すように、パターン図面のＸ方向とＹ方向にそれぞれ複数の線を等間隔で配置したグリッドを設ける。グリッドの間隔はホールパターン１０の最密ピッチよりも小さい寸法である。本実施形態では、グリッドの間隔をホールパターン１０の最密ピッチの半分の大きさにしている。なお、以下では、グリッドの間隔をグリッドサイズと称し、グリッドサイズのｎ倍（ｎは整数）の寸法を、ｎグリッドサイズと称する。また、このグリッドはホールパターン設計用に設けられるものであり、フォトマスクには転写しない。

図１（ａ）に示すように、Ｘ方向グリッド１４およびＹ方向グリッド１６をそれぞれ１１本設け、Ｘ方向グリッド１４のグリッド番号をＸ０〜Ｘ１０とし、Ｙ方向グリッド１６のグリッド番号をＹ０〜Ｙ１０とした。

続いて、図１（ａ）に示すように、グリッドの交点である格子点にホールパターン１０の重心が位置するようにホールパターンを配置する。ただし、ホールパターン１０の最密ピッチが２グリッドサイズに相当するため、ホールパターン１０を配置する際、ホールパターン１０の重心同士を結ぶ距離が２グリッドサイズ以上になるようにする。

続いて、ホールパターン１０および補助パターン１２のパターンの配置密度がより均一になるように、補助パターン１２を空いている格子点に配置する。補助パターン１２は、ホールパターン１０よりもサイズが小さく、露光工程でフォトレジストに転写されないパターンである。露光工程時のフォーカスマージンを確保するには、補助パターン１２を配置する際、パターン密度が最も大きい部位に合わせて補助パターン１２を配置する。パターン密度が最も大きくなるパターン間の距離は、図１（ａ）で示したように、２グリッドサイズであるから、ホールパターン１０および補助パターン１２の各パターンのピッチが２グリッドサイズ以上になるように、補助パターン１２を配置する（図１（ｂ））。なお、ホールパターン１０および補助パターン１２の各パターンのピッチは２グリッドサイズにより近い方が望ましい。近接効果の影響がより均一になるからである。

本発明によるフォトマスクは、上述の設計方法により図１（ｂ）に示したパターン図を作製した後、グリッドを除いたパターン図を石英基板などの基板に転写することで作製される。

本発明のホールパターン設計方法では、設計上許される最小ピッチよりも小さい間隔のグリッドの格子点にホールパターンを配置しているため、ホールパターンの配置の自由度が増し、従来、ホールパターン同士の間隔が広くなりすぎるところで、パターン間の距離を微調節可能となる。そのため、パターン図全体の光学条件が従来よりも均一になり、フォーカスマージンが向上する。そして、光学条件を均一にするための、補助パターンを含めたレイアウトの最適化が従来よりも容易になる。その結果、設計工数の短縮が可能となる。

また、本発明によるフォトマスクは、上記設計方法によりパターンが配置されるため、フォーカスマージンが向上したフォトマスクとなり、露光工程で処理がしやすくなり、作業時間の短縮が図れる。

なお、本実施形態では、ホールパターンの最密ピッチを基準にして、その最密ピッチの半分の寸法をグリッドの間隔としたが、トランジスタのゲート電極、および素子間を接続するための配線等の他のパターンにおける最密ピッチを設計ルール上の最小ピッチとして、グリッドの間隔を決めてもよい。また、露光工程の解像限界の最小ピッチを設計ルール上の最小ピッチとしてもよい。解像限界の最小ピッチは最小加工寸法の２倍の長さに相当する。例えば、最小加工寸法が０．１μｍであれば、解像限界の最小ピッチは０．２μｍとなる。さらに、グリッドの間隔は設計ルール上の最小ピッチの半分に限られず、最小ピッチよりも小さければよい。
（実施形態２）
本実施形態は、各パターンについて周囲の他のパターンに対する孤立性の度合いを求め、孤立性の度合いから最適なパターン配置ができるようにするものである。本実施形態では、孤立性の度合いを示す値として、次のように定義される「離散率」を用いる。

フォトマスク用のパターン図で各パターンについて重心を中心にして所定の倍率で拡大するリサイズ処理を行い、各パターンのリサイズ処理によるパターンである相似パターンを仮想的に作成する。以下では、離散率を求める対象となるパターンを基準パターンと称し、基準パターンの周辺に位置するパターンを周辺パターンと称する。また、基準パターンの相似パターンを基準相似パターンと称し、周辺パターンの相似パターンを周辺相似パターンと称する。

続いて、基準相似パターンと周辺相似パターンとの間の距離を調べ、周辺相似パターンから離れている、基準相似パターンの部位の割合を「離散率」とする。基準相似パターンの辺が周辺相似パターンと重なる長さを測定し、離散率＝（重なる辺の長さ／辺の全長）として求まる。

ただし、基準相似パターンの辺が周辺相似パターンの辺と接する場合はパターンが重なることにはならない。基準相似パターンが周辺相似パターンと重ならない場合には、周辺相似パターンから離れている、基準相似パターンの部位が１０割になるため、離散率＝１となる。

次に、１つのホールパターンを基準パターンとして、上述した離散率の具体例について説明する。なお、周辺パターンはホールパターンおよび補助パターンのいずれであってもよい。また、ここではリサイズ処理の拡大倍率を３とする。

図２（ａ）〜（ｃ）は基準パターンおよび周辺パターンの配置例を示すパターン図である。基準パターン２０をリサイズ処理すると、基準相似パターン２４になる。また、周辺パターン２２ａ、２２ｂをそれぞれリサイズ処理すると、周辺相似パターン２６ａ、２６ｂにそれぞれなる。

図２（ａ）の場合では、基準相似パターン２０は４つの辺のうちの１つの辺が周辺相似パターン２２ａと重なり、もう１つの辺が周辺相似パターン２２ｂと重なるため、離散率＝１／２になる。

図２（ｂ）の場合では、基準相似パターン２０は、周辺相似パターン２２ａ、２２ｂのどちらとも重ならないため、離散率＝１になる。

図２（ｃ）の場合では、基準相似パターン２０は、４つの辺のうちの１つの辺が周辺相似パターン２２ａと接し、もう１つの辺が周辺相似パターン２２ｂと接する。辺が接する場合には重なるとはいえないので、この場合も離散率＝１となる。

次に、別のパターン配置例で離散率の具体例を説明する。

図３（ａ）〜（ｃ）は基準パターンおよび周辺パターンの他の配置例を示すパターン図である。

図３（ａ）→（ｂ）→（ｃ）の順に、基準パターン２０の孤立性が大きく異なるように見える。基準パターン２０および周辺パターン２２の各パターンについて重心を中心にして３倍に拡大すると、図３（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合でも、基準パターン２０の相似パターンは周辺パターンの相似パターンと辺が接する。そのため、図３に示す基準パターン２０の離散率はすべて１になる。

次に、上述した離散率の計算方法により、複数のパターン配置例についてフォーカスマージンを調べたので、その結果について説明する。光源波長＝１９３ｎｍ、ＮＡ＝０．７８、σ＝０．８５、輪帯照明、透過率６％のハーフトーンの条件とし、基準パターンの開口寸法を０．１μｍ×０．１μｍ、最密ピッチを０．２μｍとしてシミュレーションを行った。

図４は寸法―デフォーカス特性を示すグラフである。グラフの縦軸は最小寸法（ＣＤ：ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）、横軸はデフォーカス（フォーカスのずれ量）を示す。

図４に示すように、デフォーカスが大きくなると、基準パターンのフォトレジスト寸法が目標より小さくなっていく。同じデフォーカスでは、離散率＝１の場合の方が離散率≠１の場合よりも目標寸法からのズレが大きく、目標寸法よりも小さくなっている。例えば、デフォーカス０．１μｍで基準パターンの寸法を比較すると、離散率＝１の場合は８４〜８７ｎｍになるのに対して、離散率≠１の場合は９３〜９７ｎｍになっている。

図５は複数のパターン配置例における焦点深度（ＤＯＦ：Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｆｏｃｕｓ）と離散率の関係を示すグラフである。グラフの縦軸は焦点深度を示し、横軸は離散率を示す。グラフの一番右に示す棒グラフＳは基準パターンの周りに最適な光学条件になるように周辺パターンを配置した場合を示し、棒グラフＳの頂部から延びる破線はその場合の焦点深度を示す。

図５に示すように、離散率≠１の場合は焦点深度が０．２μｍ以上あり、どの離散率でも破線の示す焦点深度をクリアしている。反対に、離散率＝１の場合は焦点深度が約０．１７μｍであり、破線の示す焦点深度に達していない。

図４および図５に示すように、離散率≠１のパターンと離散率＝１のパターンではデフォーカス特性と焦点深度が異なり、離散率＝１のパターンではフォーカスマージンが十分ではない。これに対して、離散率≠１のパターンではフォーカスマージンが確保される。

上述のようにして、ホールパターンの孤立性の度合いを求め、孤立性が高くかつ上記補助パターンを配置できないようなレイアウトを禁止する。

本発明では、個々のパターンについて相似パターンの辺が他の相似パターンに重なるようにすることで、フォーカスマージンを確保することができる。

また、どうしてもフォーカスマージンを確保できないようなレイアウトは禁止せざるを得ないが、上述の離散率でパターン配置の許容または禁止の判定が容易となる。その結果、ホールパターン群全体のフォーカスマージンを確保することができる。

また、実施形態１のグリッドの格子点にホールパターンを配置するようにすれば、各パターンの孤立性の度合いを算出しやすくなるため、補助パターンを含めたレイアウトの最適化が容易となり、かつパターン配置の良否判定がしやすくなり、結果的に設計工数が削減される。

さらに、本発明によるフォトマスクは、上記設計方法によりパターンが配置されるため、フォーカスマージンがより向上したフォトマスクとなり、露光工程で処理がしやすくなり、作業時間の短縮が一層図れる。
（実施形態３）
本実施形態は、所定の面積内におけるホールパターンの面積密度であるホール密度の最適値を求めてホールパターン設計方法に適用するものである。

本実施形態におけるホール密度について説明する。

図６はホール密度を説明するためのパターン図である。図６（ａ）は単位図形にホールパターンを最大数配置した場合を示す。図６（ｂ）はホール密度を計算するためのパターンの配置例を示す図である。

図６（ａ）に示すように、ホールパターン１０の最密ピッチの３倍の長さを一辺とした正方形を単位図形３０とすると、単位図形３０にはホールパターン１０が最大で９個入る。本実施形態では、フォーカスマージンを確保するためには、単位図形３０に入るホールパターン１０の数がホールパターン１０に換算して５．４個以上あることを必要としている。そのため、最適なホール密度は０．６以上の値となる。図６（ａ）に示すパターン図の場合では、最も稠密なレイアウトとなり、ホール密度＝１となる。以下に、ホールパターンを基準パターンとして具体例を説明する。

図６（ｂ）に示すように、基準パターン３２の重心に単位図形３０を仮に置くと、単位図形３０内には基準パターン３２が１個含まれる。また、周辺パターンは、全部で６個（＝４＋（１／２）×４）含まれる。周辺パターン３４を基準パターン３２に置き換えると、単位図形３０内の基準パターン３２は全部で７個となる。そして、単位図形３０におけるホール密度は、７／９＝０．７８と求まる。このホール密度の値は単位図形に配置可能な基準パターンの面積の７８％であり、６０％以上の条件を満たしている。

次に、実施形態２で示した離散率とホール密度の関係について説明する。

図７はホール密度と焦点深度の関係を示すグラフである。

図７に示すように、離散率＝１のパターンでは、ホール密度の変化に対してほぼ同じ値を示している。これに対して、離散率≠１のパターンではホール密度が大きくなるにつれて焦点深度が大きくなり、フォーカスマージンがホール密度に概ね比例している。

図７の結果から、フォーカスマージンが不足していることを理由に禁止の対象となるレイアウトとしては、第１番目に離散率＝１のレイアウト、第２番目にホール密度が所定の値に達しないようなレイアウトが挙げられる。実施形態２の条件を満たす上で、本実施形態の条件を満たすことで、フォーカスマージンがより大きくなる。そして、ホール密度が０．６未満であるようなレイアウトを禁止する。

本実施形態では、実施形態２と同様の効果が得られるとともに、ホール密度が大きくなるほど焦点深度が大きくなることをホールパターン設計方法に適用することで、フォーカスマージンをより大きくする設計が可能となる。

なお、本実施形態２および実施形態３において、離散率およびホール密度の定義は上の方法にこだわらない。例えば、離散率算出の際に方向による重み付けを行う、ホール密度算出の領域を変更する、等を包含するものとする。

また、基準パターンをホールパターンとして説明したが、基準パターンはホールパターンおよび補助パターンのいずれであってもよい。周辺パターンについても、ホールパターンおよび補助パターンのいずれであってもよい。

実施形態１のフォトマスクにおけるホールパターンの設計方法を示すパターン図である。 基準パターンおよび周辺パターンの配置例を示すパターン図である。 基準パターンおよび周辺パターンの他の配置例を示すパターン図である。 寸法―デフォーカス特性を示すグラフである。 複数のパターン配置例における焦点深度と離散率の関係を示すグラフである。 ホール密度を説明するためのパターン図である。 ホール密度と焦点深度の関係を示すグラフである。 従来のホールパターンの配置例を示すパターン図である。

符号の説明

１０ ホールパターン
１２ 補助パターン
１４ Ｘ方向グリッド
１６ Ｙ方向グリッド
２０、３２ 基準パターン
２２、２２ａ、２２ｂ、３４ 周辺パターン
２４ 基準相似パターン
２６ａ、２６ｂ 周辺相似パターン
３０ 単位図形

Claims (4)

1. 半導体集積回路を製造する際の露光工程に用いられるフォトマスクのパターン図にホールパターンと該露光工程でフォトレジストにパターンが転写されない補助パターンとを配置するためのホールパターン設計方法であって、
   前記ホールパターンおよび前記補助パターンの各パターンの重心を中心として所定の倍率で拡大した相似パターンの辺が周辺の他の相似パターンに重なるように、該ホールパターンおよび該補助パターンを配置するホールパターン設計方法。
2. 前記倍率の値が３である請求項１記載のホールパターン設計方法。
3. 前記半導体集積回路の設計ルール上許される最小ピッチよりも小さい間隔のグリッドを前記パターン図に設け、
   前記ホールパターンおよび前記補助パターンを前記グリッドの交点に配置する、請求項１または２記載のホールパターン設計方法。
4. 半導体集積回路を製造する際の露光工程に用いられるフォトマスクのパターン図にホールパターンと該露光工程でフォトレジストにパターンが転写されない補助パターンとを配置するためのホールパターン設計方法であって、
   前記ホールパターンの重心間距離の最小値である最密ピッチの３倍の長さを１辺とした正方形を単位図形とし、前記補助パターンを該ホールパターンと置き換えたとき、前記パターン図の任意の位置における該単位図形内のホールパターンの面積が該単位図形内に配置可能な該ホールパターンの面積の６０％以上になるように該ホールパターンおよび該補助パターンを配置するホールパターン設計方法。

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