JP4402195B2 - Photomask, pattern forming method, and device manufacturing method - Google Patents

Description

【０００８】
によって制限される。λ＝２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．６といった典型的な値を代入してみれば、約２００ｎｍがパターンサイズの最小値となる。この値では、最新のデバイス製造で要求される微細構造を作製することはできない。
【０００９】
そこで、解像度を向上させるために位相シフトマスクが使用される。図１４には、図１３（ａ）で示したフォトマスクと同様のサイズのパターンを位相シフトマスクで形成した例を示す。図中、数字の０と１８０は、開口を透過した光束の位相（単位は度）を表し、波長に換算すると、０度と１８０度は半波長分のずれに相当する。この場合の解像限界パターンサイズは、
【００１０】
【数４】

【００１１】
で制限され、上と同様の条件を代入すると、最小値は約１５０ｎｍまで達する。
【００１２】
しかしながら、半導体デバイスの性能向上に伴い、今後は更に小さなパターンサイズが要求されるのは当然であり、従来の位相シフトマスクではその要求に答えることができない。
【００１３】
ホールパターンに対する解像度を更に向上させるために、ライン＆スペースパターン用の位相シフトマスクを用いて一次元の周期パターンを形成し、次にマスク或いはウェハを９０度回転させて同じパターンを多重露光し、２つのライン＆スペースパターンの交点部分をホールとして用いようとする試みが、例えば、特開平１０−１２５４３号公報に開示されている。この方法によると、図１４に示した位相シフトマスクを用いる場合に比較して確かに解像度は向上するが、ホールパターンの形成のために２回の露光が必要となり、スループットの観点から、デバイス製造において実用的に使われていくとは考えられない。
【００１４】
特開平５−２４９６４９号公報では、位相シフト量が０、π／２、π、３π／２［ラジアン］となる４つの矩形領域から構成される位相シフトマスクを用いて、４つの領域境界に対応する像面位置において光強度がゼロとなる現象を用いて、ネガレジスト中に微細なホールパターンを形成する方法が開示されている。しかしながら、同公報の図１を引用した図１５（ｂ）を参照すると、Ａ−Ａ’面においても、Ｂ−Ｂ’面においても、中間点で分断して見たときの各々の光強度分布は、２つの肩を有する分布となっており、２つの肩の間の光強度分布が弱い。このような分布となっているのは、領域１、２、３、４の各辺が露光波長に対して相対的に長く、２次以上の高次回折光が干渉しているからである。Ｂ−Ｂ’面における２つの肩の間の光強度が弱い部分は、レジストの溶解と非溶解との間の光強度の閾値が設定可能な範囲を狭めており、従って、使用可能なレジストの種類が限定されたり、必要とする露光量が増大するといった問題がある。
【００１５】
本発明は、従来は不可能であったような微細なホールパターンの形成を可能とするフォトマスクを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点に鑑み、本発明の一側面としてのフォトマスクは、露光波長λ、開口数ＮＡの投影光学系を有する露光装置でポジ型のフォトレジストが塗布されたウエハにホールを形成するのに用いられるフォトマスクであって、前記ホールを形成するためのパターンを有し、そのパターンは、縦横方向に周期ｄを持つ二次元格子状の４個の領域を含み、その４個の領域は、これらを透過する光束のそれぞれが、時計回りまたは反時計回りの方向において、０、π／２、π、３π／２［ラジアン］の相対位相を持つように構成されており、
【数５】

の関係を満足することを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、ウェハ上にホールパターンを形成するために用いられるフォトマスクであり、遮光部１の中に５×５＝２５個の矩形開口部が形成されている。開口部のピッチは縦方向、横方向ともｄ、開口部の大きさは、縦方向、横方向ともｄ／２とする。
【００２８】
ここで本発明のフォトマスクの特徴を説明する。図１に示すように、２５個の開口部は、そこを透過した光束に対して４種類の位相変化を与える。まず、２で示す開口からの透過光を位相０として、他の部分の位相を表現する上での基準とする。そうすると、３で示す開口からの透過光は、開口２の透過光に比べて９０度位相が進んでいる。同様に、４で示す開口からの透過光は１８０度、５で示す開口からの透過光は２７０度位相が進んでいる。使用する光の波長をλとすれば、９０度の位相差はλ／４、１８０度の位相差はλ／２、２７０度の位相差は３λ／４に対応する。更にフォトマスクの特徴として、縦２、横２の隣接する４つの開口部に着目した場合、何れの位置においても、透過光の位相が０度→９０度→１８０度→２７０度→０度、或いは、０度→２７０度→１８０度→９０度→０度と規則的に変化していることが挙げられる。本発明のフォトマスクは、透過光の位相を制御しているという意味で一種の位相シフトマスクということもできるが、その構成が図１４に示した従来の位相シフトマスクとは全く異なることは明らかである。
【００２９】
次に、本発明のフォトマスクを用いて実現される解像度の向上について、シミュレーションの結果を参照しながら説明する。ここでシミュレーションの条件としては、ＫｒＦエキシマステッパの使用を想定して、波長２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．６、コヒーレンスパラメータσ＝０．２、そしてパターンの大きさとして、ｄ／２＝１２０ｎｍとする。この条件では、式（２）によれば、従来の位相シフトマスクを用いても像が得られないことになる。そこで比較のため、まず図１４に示した従来の位相シフトマスクに対して、上記の条件でシミュレーションを行った結果を図２に示す。周辺部のみ、かろうじてパターンらしきものが形成されているが、所望のホールパターンは得られていない。次に、図１に示したフォトマスクに対して同様のシミュレーションを行った結果を図３に示す。図は光強度の分布を表しており、白い部分では光強度が強く、黒い部分では光強度が弱くなっている。図から明らかなように、明確に明暗の光強度パターンが形成されている。
【００３０】
また、図３のＡ−Ａ’断面及びＢ−Ｂ’断面の光強度分布を図４に示す。図４から明らかなように、光強度分布の形状は、なだらかな丸い山と丸い谷からなり、特開平５−２４９６４９号公報の技術に見られるような、２次以上の高次回折光による干渉が見られない。
【００３１】
理論検討の結果、本発明のフォトマスクを用いることによって形成可能なパターンサイズは、
【００３２】
【数６】

【００３３】
の範囲であることが示される。従来の位相シフトマスクによって与えられる最小パターンサイズは式（２）で与えられる通りであり、それに比較して本発明のフォトマスクを用いれば１／√２倍の大きさを有するパターンの形成が可能であることが分かる。
【００３４】
本発明のフォトマスクに対して、ポジ型のフォトレジストを使用することにすれば図３で光強度の強い部分にホールパターンが形成され、一方ネガ型のフォトレジストを使用する場合には光強度の弱い部分にホールパターンが形成される。但しパターンサイズが大きくなると、高次回折光の影響でパターン像強度分布形状に乱れが発生し、特にポジ型のフォトレジストを用いる際には正確なパターン転写が困難となる。検討の結果、ポジ型のフォトレジストを使用しても良好なパターン転写が可能なパターンサイズは、
【００３５】
【数７】

【００３６】
の範囲であることが分かった。
【００３７】
式（３）と（４）を考慮すると、本発明のフォトマスクを有効に使用することが可能なパターンサイズの範囲として、
【００３８】
【数８】

【００３９】
が得られる。
【００４０】
図５は、図１に示したフォトマスクから開口部の間に存在した遮光部を除いたものであり、パターンの外側にのみ遮光部１０を有している。この場合も、波長２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．６、コヒーレンスパラメータσ＝０．２、パターンの大きさｄ／２＝１２０ｎｍの条件でシミュレーションを行えば、図３と同様の光強度分布が得られる。但し光強度の絶対値は大きくなる。図５のフォトマスクは、図１のフォトマスクに比較して作製が容易であるという利点がある。
【００４１】
次に、本発明のホールパターン作製用フォトマスクを用いて、より複雑な形状のパターンを形成する方法について説明する。まず図６は、図１或いは図５のフォトマスクを用いて、ポジ型のフォトレジスト中に形成されたホールパターンの潜像を表す。２０がフォトレジストが塗布されたウェハであり、２１がホールパターンの潜像である。また図７は、ポジ型のフォトレジストに対して与えられる露光量と、露光後のレジスト溶解速度の関係を表す。溶解速度がゼロまたは非常に遅い状態では、レジストは現像液中で溶解することなく、ウェハ上に残ったままとなる。実際に、露光量が低い状態ではレジストの溶解速度はほとんどゼロのままであり、レジストが現像液に溶解するようになるには閾値Ｅth以上の露光量が必要となる。
【００４２】
本実施例では、まず最初に図６のホールパターンを露光する際には、ホールパターンの潜像部の露光量をＥ１としている。Ｅ１はＥthより小さい値であるため、この状態のレジストを現像液に浸してもレジストの溶解が進むことはない。そこで次に、図８に示すマスクを用いた多重露光を行う。図８のマスクは、遮光部２２に対して、２３，２４の開口部から成るパターンを有している。そこで、図６のウェハに対して、露光量Ｅ１で図８のレチクルを用いた露光を行う。すると、図７から分かるように、Ｅ１の露光量で２回露光された部分は、トータルな露光量が２×Ｅ１となってＥthを越えるため、現像液に溶解するようになる。そのため、図９に示すようなホールパターンの集合を得ることが可能となる。図９中、２０は図６と同様のウェハであり、２５がレジスト中に形成されたホールパターンを表す。即ちここで示した方法によると、図８で表すパターンの開口部の形状にしたがって、微細なホールパターンの集合を得ることが可能となる。
【００４３】
次に、本発明のフォトマスクを実際に作製する方法を説明する。図５に示した４レベルの位相シフトパターンを作製する方法を例に説明を行う。透明な基板の表面を階段形状に加工するために、バイナリオプティクス素子の作製方法を応用することができる。バイナリオプティクス素子は、回折光学素子の一種であり、ブレーズド形状の表面を階段形状で近似したものである。その作製には、半導体素子製造技術を応用することができ、微細なパターンを高精度に得ることができる。作製のためには、マスクパターンを用いた露光、現像、エッチングのプロセスが複数回繰り返される。まず図１０には、作製に用いる２枚のマスクを示す。マスクＡは、遮光部３０と開口部３１から構成されており、開口部は一辺ｄの正方形となっている。また、遮光部と開口部は十字格子状に一つ飛びに配置される。一方マスクＢは、遮光部３２と開口部３３から構成され、開口部はｄ×５ｄの大きさの長方形となっている。また遮光部と開口部は上下方向に一つ飛びに配置される。
【００４４】
図１１を用いて、４レベルの位相シフトマスクを作製する方法を説明する。図１１（ａ）に示す４０は、本発明のフォトマスクを作製するための基板であり、開口部４１にマスクパターンが形成される。図１１（ａ）の基板に対して、まず図１０のマスクＡを用いた露光が行われる。基板４０にはポジ型のフォトレジストが塗布されており、図１１（ｂ）に示すように、マスクＡの開口部３１に対応した部分にパターン４２が形成される。斜線で示したパターン４２の部分は、現像によってレジストが取り除かれ、その後エッチングによって基板の一部が削り取られる。その際、エッチングの深さは、基板の屈折率をｎ、使用波長をλとして、
【００４５】
【数９】

【００４６】
で与えられる。次に図１１（ｂ）の基板に対して、改めてフォトレジストの塗布が行われ、今度はマスクＢを用いた露光が行われる。そして開口部３３に対応した部分４３，４４にパターンが形成され、その部分が、
【００４７】
【数１０】

【００４８】
の深さだけエッチングされる。斜線部４４の位置は第１回目の露光の際もエッチングされているため、合計のエッチング量は、
【００４９】
【数１１】

【００５０】
となる。一方斜線部４３は第２回目の露光の際のみエッチングされるため、エッチング量は、
【００５１】
【数１２】

【００５２】
となる。また斜線部４２は第１回目の露光の際のみエッチングされるため、エッチング量は、
【００５３】
【数１３】

【００５４】
となる。最後に４５の部分は全くエッチングをされないため、基板の厚さは元の状態のままである。以上の結果、基板上には４段の深さ分布が形成され、基板を透過する光束に対しては、深さ、
【００５５】
【数１４】

【００５６】
が９０度（波長換算でλ／４）の位相変化量を与えることになる。
【００５７】
図１０で示したマスクＡ、マスクＢを用いてパターンの露光転写を行う代わりに、電子ビーム露光装置を用いて、レジスト塗布後に、両マスクの開口部に対応した部分のみに電子ビームを直接照射して、レジストを感光させる方法も可能である。その場合にはマスクＡ、Ｂを作製する手間を省くことができる。
【００５８】
次に、上記説明したフォトマスクを使用した露光装置を用いて半導体デバイスを製造する方法の実施例を説明する。
【００５９】
図１５は半導体デバイス（ＩＣ（集積回路）やＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体チップ、あるいは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によつてウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。図１６は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステッブ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明したフォトマスクを備える露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステツプ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステッブ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによつて、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される本実施例の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを製造することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を用いれば、従来は不可能であったような微細なホールパターンの形成が可能となる。
【００６１】
また、本発明によれば、２次以上の高次回折光による干渉がないので、基板上に照射される光強度の分布は丸山形となる。よって、レジストの溶解と非溶解との間の光強度の閾値が設定可能な範囲が広くなり、従って、使用可能なレジストの種類が増え、必要とする露光量が減少する。
【００６２】
更に、本発明によれば、ネガ型のフォトレジストだけでなく、ポジ型のフォトレジストを使用しても、基板上に微細なパターンを形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態によるフォトマスクの一例の平面図である。
【図２】従来の位相シフトマスクによって得られる光強度分布図である。
【図３】本発明の実施形態によるフォトマスクによって得られる光強度分布図である。
【図４】図３のＡ−Ａ’断面及びＢ−Ｂ’断面の光強度分布を示す図である。
【図５】本発明の実施形態によるフォトマスクの別の一例の平面図である。
【図６】本発明の実施形態によるフォトマスクによってレジスト中に形成される潜像の図である。
【図７】露光量とレジスト溶解速度の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態によるパターン形成方法に使用する多重露光用のマスクパターンの一例の平面図である。
【図９】本発明の実施形態によるパターン形成方法による多重露光によって形成されるホールパターンの図である。
【図１０】本発明の実施形態によるフォトマスクを作製するために用いられる２枚のマスクの平面図である。
【図１１】本発明の実施形態によるフォトマスクを作製するプロセス説明図である。
【図１２】従来例による投影露光装置の説明図である。
【図１３】マスクパターン（ａ）とウェハ上に形成される像（ｂ）の関係を示す図である。
【図１４】従来例による位相シフトマスクの平面図である。
【図１５】本発明の実施形態によるフォトマスクを使用した露光装置により半導体デバイスを製造する方法の各工程を示す図である。
【図１６】図１５のウエハプロセスの各工程を示す図である。
【図１７】別の従来例による位相シフトマスクの平面図と、光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１、１０、２２、３０、３２ 遮光部
２、３、４、５、２３、２４、３１、３３、４１ 開口部
２０ ウェハ
２１ ホールパターンの潜像
２５ ホールパターン
４０ 基板
４２、４３、４４、４５ パターン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a periodic hole pattern using a projection exposure apparatus and a photomask used for the method, and more particularly, a method capable of forming a finer pattern than the conventional method and the method. The present invention relates to a photomask used for the above.
[0002]
[Prior art]
In recent years, progress in high integration in semiconductor integrated circuits has been remarkable, and accordingly, circuit patterns formed on a semiconductor substrate (wafer) have become increasingly finer. Projection exposure devices such as steppers and scanners are usually used for pattern formation. Conventionally, however, the projection lens has a higher NA (NA: numerical aperture) and exposure light has a shorter wavelength in order to improve the resolution of the device. Has been pursued. More recently, phase shift masks that control the phase of light transmitted through an original plate (photomask or reticle) on which a transfer pattern is drawn have also entered the practical stage.
[0003]
As elements constituting the circuit pattern, a periodic linear pattern called a line & space pattern and a periodic dot pattern called a hole pattern are required, and at present, the level is 100 to 150 nm for both of them. Pattern size is required.
[0004]
An outline of the projection exposure apparatus will be described with reference to FIG. Reference numeral 101 denotes an illumination optical system including a light source, and reference numeral 102 denotes an illumination light beam. At present, a KrF laser (wavelength: 248 nm) or an ArF laser (wavelength: 193 nm) is widely used as a light source. Next, reference numeral 103 denotes a photomask (or reticle) on which a circuit pattern is drawn, which is illuminated by the illumination light beam 102. The diffracted light beam 104 generated by the photomask 103 is guided to the image space through the projection lens 105 and forms an image of a circuit pattern on the semiconductor substrate (wafer) 106. A photoresist is applied on the wafer 106, and the exposed photoresist is developed and further subjected to an etching process, whereby a circuit pattern is formed on the semiconductor substrate 106. As a photoresist, a type in which a portion of the photoresist exposed to light is removed by development processing is called a positive type, and a type in which a portion of the photoresist not exposed to light is removed is called a negative type.
[0005]
FIG. 13 shows an example of a photomask and an image formed by the photomask. First, (A) is a photomask, and 5 × 5 = 25 rectangular openings (108, etc.) are formed in the light shielding portion 107. FIG. Here, the pitch of the openings is d in both the vertical and horizontal directions, and the size of the openings is d / 2 in both the vertical and horizontal directions. This photomask is used for forming a hole pattern. (B) shows a pattern formed on the semiconductor substrate by the photomask of (A). Reference numeral 109 denotes a positive photoresist applied on a semiconductor substrate, and black dots such as 110 indicate a state in which a part of the photoresist is removed by exposure and development. The size of the formed hole pattern is equal to the size of the opening of the photomask, d / 2, where the imaging magnification of the projection lens is 1.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described exposure method using a photomask, when the pattern size is reduced, the diffracted light beam is not captured by the projection lens, and finally no image is formed. If the wavelength λ and the numerical aperture NA of the projection lens are used, the minimum pattern size that can be formed is
[0007]
[Equation 3]

[0008]
Limited by. If typical values such as λ = 248 nm and NA = 0.6 are substituted, about 200 nm is the minimum pattern size. With this value, the fine structure required in the latest device manufacturing cannot be produced.
[0009]
Therefore, a phase shift mask is used to improve the resolution. FIG. 14 shows an example in which a pattern having the same size as the photomask shown in FIG. In the figure, the numbers 0 and 180 represent the phase (unit: degrees) of the light beam that has passed through the aperture. When converted into wavelengths, 0 degrees and 180 degrees correspond to a shift of half a wavelength. In this case, the resolution limit pattern size is
[0010]
[Expression 4]

[0011]
If the same condition as above is substituted, the minimum value reaches about 150 nm.
[0012]
However, as the performance of semiconductor devices improves, it is natural that a smaller pattern size will be required in the future, and conventional phase shift masks cannot meet this requirement.
[0013]
In order to further improve the resolution for the hole pattern, a one-dimensional periodic pattern is formed using a phase shift mask for line & space patterns, and then the mask or wafer is rotated 90 degrees to perform multiple exposure of the same pattern, An attempt to use the intersection of two line & space patterns as a hole is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-12543. According to this method, the resolution is certainly improved as compared with the case where the phase shift mask shown in FIG. 14 is used, but two exposures are required for forming the hole pattern, and from the viewpoint of throughput, the device manufacturing is performed. It is unlikely that it will be used practically.
[0014]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-249649, a phase shift mask composed of four rectangular areas with phase shift amounts of 0, π / 2, π, 3π / 2 [radians] is used to correspond to the four area boundaries. There has been disclosed a method of forming a fine hole pattern in a negative resist by using a phenomenon that light intensity becomes zero at an image plane position. However, referring to FIG. 15B quoting FIG. 1 of the same publication, each light intensity distribution when viewed at the midpoint in both the AA ′ plane and the BB ′ plane. Is a distribution having two shoulders, and the light intensity distribution between the two shoulders is weak. This distribution is because each side of the regions 1, 2, 3, 4 is relatively long with respect to the exposure wavelength, and second-order or higher-order diffracted light interferes. The portion where the light intensity between the two shoulders on the BB ′ plane is weak narrows the range in which the threshold value of the light intensity between dissolving and not dissolving the resist can be set. There are problems that the types are limited and the required exposure amount increases.
[0015]
An object of the present invention is to provide a photomask that enables formation of a fine hole pattern that has been impossible in the past.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above problems , a photomask according to one aspect of the present invention is used to form a hole in a wafer coated with a positive photoresist by an exposure apparatus having a projection optical system having an exposure wavelength λ and a numerical aperture NA. The photomask used has a pattern for forming the hole, and the pattern includes four regions of a two-dimensional lattice shape having a period d in the vertical and horizontal directions, and the four regions are Each of the light beams that pass through these is configured to have a relative phase of 0, π / 2, π, 3π / 2 [radians] in the clockwise or counterclockwise direction,
[Equation 5]

It is characterized by satisfying the relationship.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a photomask used for forming a hole pattern on a wafer, and 5 × 5 = 25 rectangular openings are formed in a light shielding portion 1. The pitch of the openings is d in both the vertical and horizontal directions, and the size of the openings is d / 2 in both the vertical and horizontal directions.
[0028]
Here, the features of the photomask of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the 25 openings give four kinds of phase changes to the light beam that has passed therethrough. First, the transmitted light from the aperture indicated by 2 is set as a phase 0, which is used as a reference for expressing the phase of other portions. Then, the phase of the transmitted light from the opening indicated by 3 is advanced by 90 degrees compared to the transmitted light from the opening 2. Similarly, the phase of the transmitted light from the opening indicated by 4 is 180 degrees, and the phase of the transmitted light from the opening indicated by 5 is advanced by 270 degrees. If the wavelength of light to be used is λ, the phase difference of 90 degrees corresponds to λ / 4, the phase difference of 180 degrees corresponds to λ / 2, and the phase difference of 270 degrees corresponds to 3λ / 4. Further, as a feature of the photomask, when attention is paid to four adjacent openings of 2 in the vertical direction and 2 in the horizontal direction, the phase of the transmitted light is 0 ° → 90 ° → 180 ° → 270 ° → 0 ° at any position. Alternatively, it can be regularly changed from 0 degrees → 270 degrees → 180 degrees → 90 degrees → 0 degrees . The photomask of the present invention can also be called a kind of phase shift mask in the sense that it controls the phase of transmitted light, but it is clear that its configuration is completely different from the conventional phase shift mask shown in FIG. It is.
[0029]
Next, improvement in resolution realized using the photomask of the present invention will be described with reference to simulation results. As simulation conditions, assuming that a KrF excimer stepper is used, the wavelength is 248 nm, NA = 0.6, the coherence parameter σ = 0.2, and the pattern size is d / 2 = 120 nm. Under this condition, according to Equation (2), an image cannot be obtained even if a conventional phase shift mask is used. Therefore, for comparison, FIG. 2 shows the result of a simulation performed on the conventional phase shift mask shown in FIG. 14 under the above conditions. Only the peripheral part is barely a pattern, but the desired hole pattern is not obtained. Next, FIG. 3 shows the result of a similar simulation performed on the photomask shown in FIG. The figure shows the light intensity distribution, where the light intensity is high in the white part and the light intensity is low in the black part. As is clear from the figure, a bright and dark light intensity pattern is clearly formed.
[0030]
Moreover, the light intensity distribution of the AA 'cross section of FIG. 3 and a BB' cross section is shown in FIG. As apparent from FIG. 4, the shape of the light intensity distribution is composed of gentle round peaks and round valleys, and interference caused by higher-order diffracted light of the second or higher order as seen in the technique of Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-249649. can not see.
[0031]
As a result of theoretical investigation, the pattern size that can be formed by using the photomask of the present invention is:
[0032]
[Formula 6]

[0033]
It is shown that it is the range. The minimum pattern size given by the conventional phase shift mask is as given by equation (2). Compared to this, a pattern having a size of 1 / √2 times can be formed by using the photomask of the present invention. It turns out that it is.
[0034]
If a positive type photoresist is used for the photomask of the present invention, a hole pattern is formed in a portion having a high light intensity in FIG. 3, while a light intensity is obtained when a negative type photoresist is used. A hole pattern is formed in the weak part. However, when the pattern size is increased, the pattern image intensity distribution shape is disturbed due to the influence of high-order diffracted light, and it is difficult to accurately transfer the pattern, particularly when a positive photoresist is used. As a result of the study, the pattern size that allows good pattern transfer even when using positive photoresist is
[0035]
[Expression 7]

[0036]
It turned out to be in the range.
[0037]
In consideration of the equations (3) and (4), the range of pattern sizes in which the photomask of the present invention can be used effectively is as follows:
[0038]
[Equation 8]

[0039]
Is obtained.
[0040]
FIG. 5 is obtained by removing the light-shielding portion that exists between the openings from the photomask shown in FIG. 1, and has the light-shielding portion 10 only outside the pattern. Also in this case, if a simulation is performed under the conditions of a wavelength of 248 nm, NA = 0.6, a coherence parameter σ = 0.2, and a pattern size d / 2 = 120 nm, a light intensity distribution similar to that in FIG. 3 can be obtained. However, the absolute value of the light intensity increases. The photomask of FIG. 5 has an advantage that it is easier to manufacture than the photomask of FIG.
[0041]
Next, a method for forming a pattern having a more complicated shape using the photomask for producing a hole pattern of the present invention will be described. First, FIG. 6 shows a latent image of a hole pattern formed in a positive type photoresist using the photomask of FIG. 1 or FIG. Reference numeral 20 denotes a wafer coated with a photoresist, and reference numeral 21 denotes a hole pattern latent image. FIG. 7 shows the relationship between the exposure dose given to a positive photoresist and the resist dissolution rate after exposure. When the dissolution rate is zero or very slow, the resist remains on the wafer without dissolving in the developer. Actually, the dissolution rate of the resist remains almost zero when the exposure amount is low, and an exposure amount equal to or higher than the threshold value Eth is required for the resist to be dissolved in the developer.
[0042]
In the present embodiment, when the hole pattern of FIG. 6 is first exposed, the exposure amount of the latent image portion of the hole pattern is E1. Since E1 is smaller than Eth, dissolution of the resist does not proceed even if the resist in this state is immersed in the developer. Then, next, multiple exposure using the mask shown in FIG. 8 is performed. The mask of FIG. 8 has a pattern composed of openings 23 and 24 with respect to the light shielding portion 22. Therefore, the wafer shown in FIG. 6 is exposed using the reticle shown in FIG. 8 with an exposure amount E1. Then, as can be seen from FIG. 7, the portion exposed twice with the exposure amount of E1 is dissolved in the developer because the total exposure amount becomes 2 × E1 and exceeds Eth. Therefore, a set of hole patterns as shown in FIG. 9 can be obtained. In FIG. 9, reference numeral 20 denotes a wafer similar to that shown in FIG. 6, and reference numeral 25 denotes a hole pattern formed in the resist. That is, according to the method shown here, it is possible to obtain a set of fine hole patterns according to the shape of the opening of the pattern shown in FIG.
[0043]
Next, a method for actually producing the photomask of the present invention will be described. The method for producing the four-level phase shift pattern shown in FIG. 5 will be described as an example. In order to process the surface of a transparent substrate into a staircase shape, a method for manufacturing a binary optics element can be applied. The binary optics element is a kind of diffractive optical element, and has a blazed surface approximated by a staircase shape. A semiconductor element manufacturing technique can be applied to the fabrication, and a fine pattern can be obtained with high accuracy. For the production, the process of exposure, development and etching using the mask pattern is repeated a plurality of times. First, FIG. 10 shows two masks used for manufacturing. The mask A is composed of a light shielding portion 30 and an opening portion 31, and the opening portion is a square with one side d. Further, the light shielding part and the opening part are arranged one by one in a cross lattice shape. On the other hand, the mask B includes a light shielding portion 32 and an opening 33, and the opening is a rectangle having a size of d × 5d. In addition, the light shielding portion and the opening portion are arranged so as to jump in the vertical direction.
[0044]
A method for manufacturing a four-level phase shift mask will be described with reference to FIGS. Reference numeral 40 shown in FIG. 11A denotes a substrate for producing the photomask of the present invention, and a mask pattern is formed in the opening 41. First, exposure using the mask A of FIG. 10 is performed on the substrate of FIG. A positive photoresist is applied to the substrate 40, and a pattern 42 is formed in a portion corresponding to the opening 31 of the mask A as shown in FIG. In the portion of the pattern 42 indicated by hatching, the resist is removed by development, and then a part of the substrate is removed by etching. At this time, the etching depth is determined by assuming that the refractive index of the substrate is n and the wavelength used is λ
[0045]
[Equation 9]

[0046]
Given in. Next, a photoresist is applied again to the substrate of FIG. 11B, and this time exposure using the mask B is performed. And a pattern is formed in the parts 43 and 44 corresponding to the opening part 33, and the part is
[0047]
[Expression 10]

[0048]
Is etched by the depth of. Since the position of the hatched portion 44 is also etched during the first exposure, the total etching amount is
[0049]
## EQU11 ##

[0050]
It becomes. On the other hand, since the hatched portion 43 is etched only at the time of the second exposure, the etching amount is
[0051]
[Expression 12]

[0052]
It becomes. Since the hatched portion 42 is etched only during the first exposure, the etching amount is
[0053]
[Formula 13]

[0054]
It becomes. Finally, since the portion 45 is not etched at all, the thickness of the substrate remains unchanged. As a result of the above, a four-stage depth distribution is formed on the substrate, and for the light beam transmitted through the substrate, the depth,
[0055]
[Expression 14]

[0056]
Gives a phase change amount of 90 degrees (λ / 4 in terms of wavelength).
[0057]
Instead of performing pattern exposure transfer using the mask A and mask B shown in FIG. 10, the electron beam exposure apparatus is used to directly irradiate only the portions corresponding to the openings of both masks after applying the resist. A method of exposing the resist is also possible. In that case, the trouble of manufacturing the masks A and B can be saved.
[0058]
Next, an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device using the exposure apparatus using the photomask described above will be described.
[0059]
FIG. 15 shows a flow of manufacturing a semiconductor device (a semiconductor chip such as an IC (integrated circuit) or LSI (large scale integrated circuit), a liquid crystal panel, a CCD, or the like). In step 1 (circuit design), a semiconductor device circuit is designed. In step 2 (mask production), a mask on which the designed circuit pattern is formed is produced. On the other hand, in step 3 (wafer manufacture), a wafer is manufactured using a material such as silicon. Step 4 (wafer process) is called a pre-process, and an actual circuit is formed on the wafer by lithography using the prepared mask and wafer. The next step 5 (assembly) is referred to as a post-process, and is a process for forming a semiconductor chip using the wafer produced in step 4, such as an assembly process (dicing, bonding), a packaging process (chip encapsulation), and the like. including. In step 6 (inspection), inspections such as an operation confirmation test and a durability test of the semiconductor device manufactured in step 5 are performed. Through these steps, the semiconductor device is completed and shipped (step 7). FIG. 16 shows a detailed flow of the wafer process. In step 11 (oxidation), the wafer surface is oxidized. In step 12 (CVD), an insulating film is formed on the wafer surface. In step 13 (electrode formation), an electrode is formed on the wafer by vapor deposition. In step 14 (ion implantation), ions are implanted into the wafer. In step 15 (resist process), a photosensitive agent is applied to the wafer. In step 16 (exposure), the circuit pattern of the mask is printed on the wafer by exposure using the exposure apparatus including the photomask described above. In step 17 (development), the exposed wafer is developed. In step 18 (etching), portions other than the developed resist image are removed. In step 19 (resist stripping), the resist that has become unnecessary after the etching is removed. By repeating these steps, a highly integrated semiconductor device that has been difficult to manufacture can be manufactured by using the manufacturing method of this embodiment in which multiple circuit patterns are formed on a wafer. .
[0060]
【The invention's effect】
As described above, if the present invention is used, it is possible to form a fine hole pattern that was impossible in the past.
[0061]
In addition, according to the present invention, since there is no interference due to second-order or higher-order diffracted light, the distribution of the light intensity irradiated on the substrate has a round mountain shape. Therefore, the range in which the threshold value of the light intensity between dissolution and non-dissolution of the resist can be set is widened. Therefore, the types of resist that can be used are increased, and the required exposure amount is reduced.
[0062]
Furthermore, according to the present invention, it is possible to form a fine pattern on a substrate using not only a negative photoresist but also a positive photoresist.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of an example of a photomask according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a light intensity distribution diagram obtained by a conventional phase shift mask.
FIG. 3 is a light intensity distribution obtained by a photomask according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing light intensity distributions in the AA ′ section and the BB ′ section in FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a plan view of another example of a photomask according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram of a latent image formed in a resist by a photomask according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between exposure dose and resist dissolution rate.
FIG. 8 is a plan view of an example of a mask pattern for multiple exposure used in the pattern forming method according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram of a hole pattern formed by multiple exposure by the pattern forming method according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a plan view of two masks used to fabricate a photomask according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a process for producing a photomask according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an explanatory diagram of a projection exposure apparatus according to a conventional example.
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a mask pattern (a) and an image (b) formed on a wafer.
FIG. 14 is a plan view of a phase shift mask according to a conventional example.
FIG. 15 is a diagram showing each step of a method of manufacturing a semiconductor device by an exposure apparatus using a photomask according to an embodiment of the present invention.
16 is a diagram showing each step of the wafer process in FIG. 15;
FIG. 17 is a plan view of a phase shift mask according to another conventional example and a diagram showing a light intensity distribution.
[Explanation of symbols]
1, 10, 22, 30, 32 Light-shielding portion 2, 3, 4, 5, 23, 24, 31, 33, 41 Opening portion 20 Wafer 21 Hole pattern latent image 25 Hole pattern 40 Substrate 42, 43, 44, 45 pattern

Claims (7)

A photomask used for forming a hole in a wafer coated with a positive photoresist in an exposure apparatus having a projection optical system having an exposure wavelength λ and a numerical aperture NA,
Having a pattern for forming the hole;
The pattern includes four regions in a two-dimensional lattice shape having a period d in the vertical and horizontal directions,
Four regions that each of the light beams passing through them are in clockwise or counterclockwise direction, 0, π / 2, π , is configured to have a 3 [pi] / 2 [rad] of the relative phase And

A photomask characterized by satisfying this relationship. A photomask used for forming a hole in a wafer coated with a positive photoresist in an exposure apparatus having a projection optical system having an exposure wavelength λ and a numerical aperture NA,
Having a pattern for forming the hole;
The pattern comprises a two-dimensional grid-like plurality of regions having a period d in the vertical and horizontal directions,
Four regions of its longitudinal 2 and extracted arbitrarily from a plurality of regions, adjacent horizontal 2, each light beam passing through them are in clockwise or counterclockwise direction, 0, [pi / 2, [pi, Configured to have a relative phase of 3π / 2 [radians] ,

A photomask characterized by satisfying this relationship.   The pattern is formed on a transparent substrate, and the relative phase of 0, π / 2, π, 3π / 2 [radians] is generated by controlling the thickness distribution of the substrate. Item 3. A photomask according to item 1 or 2.   The photomask according to claim 1, wherein an entire surface of each of the plurality of regions is an opening.   4. The photomask according to claim 1, wherein each of the plurality of regions includes a light shielding portion and an opening surrounded by the light shielding portion. In the pattern forming method of forming a pattern on a wafer, a pattern forming method characterized by comprising the step of exposing a wafer using the photomask according to any one of claims 1 to 5. 7. A device manufacturing method comprising: transferring a device pattern onto a wafer using the pattern forming method according to claim 6; and developing the wafer .

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