JP4488926B2 - マスクパターンデータ形成方法、フォトマスク、及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、２重極又は４重極上に照明強度を大とする照明方式を用いた投影露光において、微細パターンを好適に転写するために用いるマスクパターンデータ形成方法、このマスクパターンデータ形成方法を用いて製造されたフォトマスク、更にはこのフォトマスクを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。

近年、デバイスパターンの微細化に伴い、光の波長から決まる理論限界に近い解像度が求められている。この要求に対して、フォトマスクとしては各種の位相シフトマスクが提案され、露光装置としては、フォトマスクに入射する光を投影露光装置の開口数に対応した角度だけ光軸から傾けて照明する斜入射照明方式が提案されている。さらに、位相シフトマスクと斜入射照明方式を組み合わせた露光法が検討されている。

特にメモリーデバイスでは、セルアレイに対してはＸ方向及びＹ方向といったようなある特定の方向のパターンに対して極端な微細化が要求されており、これを実現するために斜入射照明方式のなかでもパターンの方向に特化した、２重極照明及び４重極照明法が注目されている（例えば、特許文献１，２参照）。

しかしながら、２重極照明及び４重極照明では、特定のセルアレイの微細ピッチのパターンについては高い解像性と露光マージンの向上効果が得られるものの、デバイスパターン中のランダム配置部分やセルアレイに比べて若干大きなピッチのパターン領域で解像性及び焦点深度（ＤＯＦ）が劣化してしまうという問題があった。即ち、２重極照明及び４重極照明では、セルアレイに対する露光マージンの向上は図れるものの、より複雑化したパターン配置を有する、特にセルアレイ部からコア領域、周辺領域といった比較的緩いピッチではあるが複雑なパターン配置へ移行していく境界の引き出し部パターンにおけるマージン低下が大きな問題であった。
特開平４−１０１１４８号公報 特開平４−１８０６１２号公報

このように従来、２重極照明や４重極照明を用いた場合、実デバイスのメモリーセルアレイから周辺部領域への引き出し線のパターン、そのなかでも特に、セルアレイの微小ピッチ領域から周辺部の緩和されたピッチ領域へ配線するパターンにおけるマージン低下が大きな問題となっていた。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、２重極照明や４重極照明を用いた場合においても、微小ピッチ領域から周辺部の緩和されたピッチ領域へ配線するパターンにおけるマージン低下の問題を解決することができ、パターン精度の向上をはかり得るマスクパターンデータ形成方法、フォトマスク、及び半導体デバイスの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち、本発明の一態様は、２重極又は４重極の形状に光源強度を集光させた２重極照明又は４重極照明により投影露光するために用いられるフォトマスクのパターンデータを形成するマスクパターンデータの形成方法であって、前記２重極照明又は４重極照明の各々の重心に対して、対角方向に結んだ方向をＸ方向又はＹ方向と定義した場合に、前記パターンデータにおける最小ピッチのパターンを、前記Ｘ方向又はＹ方向に平行若しくは垂直に配置し、前記最小ピッチのパターンよりも大きなピッチのパターン又はパターン群に対して、前記最小ピッチのパターンよりも露光マージンが大きいピッチのパターン種と露光マージンが小さいピッチのパターン種とに分類し、前記最小ピッチのパターンよりも大きなピッチのパターン又はパターン群の中で前記露光マージンが小さいと分類されたピッチのパターン又はパターン種を、前記最小ピッチのパターンに対して４５度若しくは１３５度方向に配置することを特徴とする。

また、本発明の別の一態様は、２重極又は４重極形状に光源強度を集光させた２重極照明又は４重極照明により投影露光するために用いられるフォトマスクであって、前記２重極照明又は４重極照明の各々の重心に対して、対角方向に結んだ方向をＸ方向又はＹ方向と定義した場合に、マスクパターンにおける最小ピッチのパターンは、前記Ｘ方向又はＹ方向に平行若しくは垂直に形成され、前記最小ピッチのパターンよりも大きなピッチのパターン又はパターン群に対して、前記最小ピッチのパターンよりも露光マージンが小さいと分類されたピッチのパターン又はパターン種は、前記最小ピッチのパターンに対して４５度若しくは１３５度方向に配置方向をなして形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、０度，９０度方向についての微細化に特化するために用いられる２重極照明や４重極照明を用いた投影露光において、周辺回路への引き出し部の比較的中間的なピッチのパターンに対する露光マージン不足の問題に対して、中間ピッチを使わなければならない場合には、パターンの方向をセルアレーパターンに対して４５度若しくは１３５度方向に配置してマスクパターンを形成する。これにより、引き出し部分のパターンに対しても好適な露光条件に設定できるので、露光マージンの大幅な改善が実現できる。

発明の実施形態を説明する前に、２重極照明と４重極照明、及びこれらの照明に適したパターン配置例を説明する。図１は、セルアレイの方向と対応する好適な照明形状の具体例を示す図である。なお、図中の１０１は光源面（瞳面）、１０２は光源、１０５はＸ方向パターン、１０６はＹ方向パターンを示している。

図１（ａ）はＸ方向のパターンに対して最適化した２重極照明形状を示し、図１（ｂ）はＹ方向のパターンに対して最適化した２重極照明形状を示している。また、図１（ｃ）はＸ方向及びＹ方向の両方に対して最適化した４重極照明形状を示している。図１（ｃ）の例では、図１（ａ）（ｂ）よりは、露光マージンは劣るものの、Ｘ方向及びＹ方向の双方のパターンに対して露光装置の解像限界付近まで微細化を実現していることが特徴である。

先にも説明したように、２重極照明及び４重極照明では、デバイスパターン中のランダム配置部分やセルアレイに比べて若干大きなピッチのパターン領域で解像性及び焦点深度（ＤＯＦ）が劣化してしまうという問題がある。そこで本発明者らは、パターンの配置方向を工夫することにより、上記の問題を解決した。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
本発明者は、４重極上の照明強度を大とする照明形状を用いた投影露光において問題となる周辺回路への引き出し部の比較的中間的なピッチのパターンに対する露光マージン不足の問題に対して、中間ピッチを使わなければならない場合には、パターンの方向をセルアレーパターンに対して４５度若しくは１３５度方向にマスクパターンを形成するパターン形成手法を考案した。

具体的には、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリのゲート配線から周辺部にコンタクト配線を通すために形成するフリンジパターンまでの配線の引き出しパターンに対して、マージン低下が引き起こされている箇所に着目し、その解決策を見出した。

図２は、第１の実施形態に係わるＮＡＮＤ型フラッシュメモリのゲートセルパターンからコンタクトフリンジパターンへ配線するための設計パターンレイアウトの一例を示す図である。図中の１〜６はパターンの番号である。

図２のレイアウトは、図示されていない左側にハーフピッチ７１ｎｍのＬ／Ｓパターンで形成されたセル部があり、更に図示されていない右側にはコンタクトフリンジパターンが存在している。ハーフピッチ７１ｎｍのＬ／Ｓパターンで引き出されたパターンは、垂直方向にハーフピッチ１２０ｎｍのパターンで一旦引き上げられ、その後、さらに曲げられてハーフピッチ１４０ｎｍのパターンで形成されている。なお、レイアウトのハッチング部は、マスク上の透過率６％のハーフトーン部を示しており、境界部は透過部を示している。

図３には、上記ハーフピッチ７１ｎｍのＬ／Ｓパターンで形成されたセル部に好適な照明条件の一例を示した。なお、図３に示した光学条件は、露光波長１９３ｎｍ、ＮＡ＝０．８３（ＡｒＦエキシマレーザー露光装置）を用いた場合にセル部（Ｘ方向及びＹ方向のどちらかのパターン方向）に最適となるようにした。さらに、露光処理のスループットを考慮してより多くの光量を確保する目的から、前記図１（ｃ）のタイプの４重極照明を変形した扇形状タイプの４重極照明を適用している。具体的な光源形状としては、ＮＡに対する照明角度の割合のコヒーレントファクターで表現すると、図３に示したパラメータは、Innerσ＝０．７，Outerσ＝０．９，扇の開き角は４０°を用いている。

図４には、像強度シミュレーションを用いて、図３の照明条件において得られた図２の引き出し部パターンの評価結果を示した。図４に示した Contour graph はセル部がデザインどおりの７１ｎｍのＬ／Ｓパターンに形成する条件から、実際の露光処理プロセスで予想される変動ファクターとしてドーズばらつきが±５％、フォーカスばらつきが±１２５ｎｍを想定した場合の線幅変動の度合いを示している。上記変動ファクターは、露光処理中に発生する変動要因のうち、ドーズ起因（レジストの感度変動、マスクの寸法ばらつき等）で発生するものと、フォーカス起因（下地段差、露光装置のフォーカスばらつき等）で発生するものを見積もり決定したものである。

図４の１１から１６は、図２のレイアウトの１から６の引き出し線に対応したレジストライン部を示している。図４の結果より、引き出し部のベンディング部分で寸法変動が大きく、図４の２１と２２、及び２３と２４のような箇所で、それぞれショート不良及びオープン不良が発生してしまう。このように、引き出し部の形成が困難であり、形成できたとしても露光マージンが厳しいことが分かった。また、この問題は４重極照明に限らず、２重極照明を用いた場合においても同様であった。

本発明者は、極端な斜入射照明（２重極照明や４重極照明）では、図１の引き出し部において水平方向又は直角方向にベンディングさせたパターンにおいてセル部のピッチからパターンのピッチを緩める過程で、２光束干渉から３光束干渉へ移る中間ピッチのパターンの像強度が激しく劣化することに着目した。そして、例えばコンタクトフリンジを形成するためには、どうしてもパターンサイズやピッチを緩和させる必要があり、このようなパターンについては、２重極照明や４重極照明の特徴を生かしてパターンの方向を４５度若しくは１３５度方向にパターンを形成することで、問題の引き出し部のピッチのパターンを３光束干渉ではなく２光束干渉に変えることができるため、露光マージンの低下を回避することができると共に、飛躍的にマージンが向上することが可能であることを見出した。

図５には、上記問題点を解決する引き出し部レイアウトの一例を示した。図５のレイアウトは、図示されていない右側にハーフピッチ７１ｎｍのＬ／Ｓパターンで形成されたセル部があり、更に図示されていない左側には、コンタクトフリンジパターンが存在するような引き出しパターン領域を示している。ハーフピッチ７１ｎｍで引き出されたパターンは曲げられて、ハーフピッチ１２０ｎｍで４５度方向に曲げられている。なお、図２と同様、レイアウトのハッチング部は、マスク上の透過率６％のハーフトーン部を示し、境界は透過部を示している。

図６には、図４と同様に、像強度シミュレーションを用いて、図３の照明条件において得られた図５の引き出し部パターンの評価結果を示した。図６（ａ）の Contour graph は図４と同様にセル部がデザインどおりの７１ｎｍのＬ／Ｓパターンで形成する条件から、実際の露光処理プロセスで予想される変動ファクターとしてドーズばらつきが±５％、フォーカスばらつきが±１２５ｎｍを想定した場合の線幅変動の度合いを示している。なお、図６（ｂ）は４５度に引き出された箇所の結果の拡大図を示している。

図６の結果から、図４と比べて４５度方向に引き出した場合の効果が得られており、プロセス変動に対して寸法変動が抑えられており、引き出し線の露光マージンが大幅に向上していることが分かった。なお、図６の結果は４重極照明を用いた場合であるが、２重極照明を用いた場合も同様の結果が得られた。

このように本実施形態によれば、２重極照明や４重極照明を用いた投影露光において、周辺回路への引き出し部の比較的中間的なピッチのパターンに対する露光マージン不足の問題に対して、中間ピッチを使わなければならない場合には、パターンの方向をセルアレーパターンに対して４５度若しくは１３５度方向に配置してマスクパターンを形成している。これにより、引き出し部分のパターンに対しても好適な露光条件に設定できるので、露光マージンの大幅な改善が実現できる。従って、０度，９０度方向についての微細化に特化するために用いられる２重極照明や４重極照明を用いた場合においても、微小ピッチ領域から周辺部の緩和されたピッチ領域へ配線するパターンにおけるマージン低下の問題を解決することができ、パターン精度の向上をはかることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明者は、第２の実施形態として、より具体的に、上記第１の実施形態で用いた４５度，１３５度方向への引き出し線の線幅について、その適用条件を明確にした。

本発明者は、４５度若しくは１３５度方向に引き出し線を形成するパターンピッチをルール化するために、図３に示した照明形状及び前記露光条件において０（９０）度方向パターンと４５（１３５）度パターンの露光マージンの計算を行った。その結果が図７及び図８である。

図７には、０（９０）度方向のパターンにおける露光マージンのレジスト寸法とスペース寸法依存性の表を示した。図８には、４５（１３５）度方向のパターンにおける露光マージンのレジスト寸法とスペース寸法依存性の表を示した。また、図９（ａ）には、図７に示した露光マージンを計算するために用いた具体的なパターン図を示した。図９（ｂ）には、図８に示した露光マージンを計算するために用いた具体的なパターン図を示した。図７及び図８の表の行はレジストパターンサイズ、列にレジスト間スペースを示しており、表の値は、露光量裕度８．５％を確保した場合に有する焦点深度（ＤＯＦ）を示している。

図７及び図８において、ＤＯＦが０．２２７μｍ以下の箇所には、グレーハッチをかけており、マージンが不足している領域を示した。図７の結果より、０（９０）度のパターンにおいては、レジストサイズ又はレジストスペースが１１０ｎｍ〜１４０ｎｍのパターンで特にデューティー比が１：１から少しでも外れることでマージン低下が著しいことが分かった。この結果は、２次元的な配置等では、どうしても１：１のデューティー比から配置がずれて形成される箇所が少なからず存在するため、急激にマージンが劣化してしまうことを示している。ここで注目したいのは、これに対して４５（１３５度）パターンの場合では、図８で示したように０（９０）度で露光マージンが少ないレジスト寸法又は、レジストスペース寸法が１１０ｎｍ〜１４０ｎｍ近辺でも十分に露光マージンが確保できていることである。

本発明者は、０（９０）度方向で露光マージンがないパターン条件（１１０ｎｍ〜１４０ｎｍ）をλ／ＮＡで規格化した寸法で表すと、次のような条件でマージン劣化が起こりやすいことを見出した。即ち、２光束干渉下で０次光と１次回折光が図１０（ａ）に示したような光軸との距離がＮＡ／３の位置にある条件から、図１０（ｂ）に示したように０次から２次回折光までが瞳内に入ってくる条件まで、のピッチのパターンでマージン劣化が起こりやすいことを見出した。

そして、この関係を数式により表現すると、露光装置の波長をλ、開口数をＮＡ、光軸から２重極照明又は４重極照明の各々の点在する光源の重心点までの距離が一番大きいものをＮＡの比で表したときの値をσ_cb、とした場合、
σ_cb・ＮＡ／λ≦１／ｐ≦（１／３＋σ_cb）・ＮＡ／λ …（式１）
の条件式で表現できた。

そして、上記（式１）の条件を満足するピッチｐのパターンを用いる場合には、セルの方向に対して４５度若しくは１３５度方向に配置することにより、露光マージンの劣化を軽減することができるのみならず、マージンの向上効果も期待できることが分かった。

以上述べてきたように、０度，９０度方向についての微細化に特化するために用いられる２重極又は４重極上の照明強度を大とする照明形状を用いた投影露光において問題となる引き出し部の比較的中間的なピッチのパターンに対する露光マージン不足の問題に対して、上記（式１）の条件を満たす中間ピッチを使わなければならない場合には、パターンの方向をセルアレーパターンに対して４５度若しくは１３５度方向にマスクパターンを形成することによって、引き出し部分のパターンに対しても好適な露光条件に設定でき、露光マージンの大幅な改善が実現できた。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、引き出し部のパターン形成方法と上記パターン形成方法により描画パターンが形成されたマスクや該マスクを用いた半導体デバイス製造方法をベースに説明してきた。しかし、マスク描画データ作成において、露光光学条件を判断する工程、セルパターンの配置方向を判断する工程、注目しているパターンが上記（式１）を満足するかどうかを判断する工程、それら３つの判断結果から、注目しているパターンが露光マージンから判断して危険なパターンかどうかを判定し表示する機能や、さらに４５度若しくは１３５度方向に傾けた配置を発生する機能をマスクデータ発生方法に盛り込むこと等、容易に応用適用が可能である。

その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。

セルアレイの方向と対応する好適な照明形状の具体例を示した図。 第１の実施形態に係わるＮＡＮＤ型フラッシュメモリのゲートセルパターンからコンタクトフリンジパターンへ配線するための設計パターンレイアウトの一例を示す図。 第１の実施形態に係わる７１ｎｍＬ／Ｓパターンで形成されたセル部に好適な照明条件の一例を示した図。 第１の実施形態に係わる像強度シミュレーションを用いて、図３の照明条件において得られた図２の引き出し部パターンの評価結果を示した図。 第１の実施形態に係わる問題点を解決するための引き出し部レイアウトの一例を示した図。 第１の実施形態に係わる像強度シミュレーションを用いて、図３の照明条件において得られた図５の引き出し部パターンの評価結果を示した図。 第２の実施形態に係わる０（９０）度方向のパターンにおける露光マージンのレジスト寸法とスペース寸法依存性を示す図。 第２の実施形態に係わる４５（１３５）度方向のパターンにおける露光マージンのレジスト寸法とスペース寸法依存性を示す図。 第２の実施形態に係わる図７図８に示した露光マージン表を計算するために用いた具体的なパターン図。 第２の実施形態に係わる（式１）を導出するための説明に用いた図。

符号の説明

１，〜，６…引き出し部のマスクのラインパターン
１１，〜，１６…１〜６に対応するウェーハ上ラインパターン
２１，２２…ショート不良箇所
２３，２４…オープン不良箇所
１０１…光源面（瞳面）
１０２…光源
１０５…Ｘ方向パターン
１０６…Ｙ方向パターン

Claims (5)

1. ２重極又は４重極の形状に光源強度を集光させた２重極照明又は４重極照明により投影露光するために用いられるフォトマスクのパターンデータを形成するマスクパターンデータの形成方法であって、
   前記２重極照明又は４重極照明の各々の重心に対して、対角方向に結んだ方向をＸ方向又はＹ方向と定義した場合に、前記パターンデータにおける最小ピッチのパターンを、前記Ｘ方向又はＹ方向に平行若しくは垂直に配置し、
   前記最小ピッチのパターンよりも大きなピッチのパターン又はパターン群に対して、前記最小ピッチのパターンよりも露光マージンが大きいピッチのパターン種と露光マージンが小さいピッチのパターン種とに分類し、
   前記最小ピッチのパターンよりも大きなピッチのパターン又はパターン群の中で前記露光マージンが小さいと分類されたピッチのパターン又はパターン種を、前記最小ピッチのパターンに対して４５度若しくは１３５度方向に配置することを特徴とするマスクパターンデータ形成方法。
2. 前記最小ピッチのパターンに対して４５度若しくは１３５度方向に配置されるべきパターン又はパターン種のピッチｐは、
   露光装置の波長をλ、開口数をＮＡ、光軸から２重極照明又は４重極照明の各々の点在する光源の中で重心点までの距離が一番大きいものをＮＡの比で表したときの値をσ_cbとした場合、
   σ_cb・ＮＡ／λ≦１／ｐ≦（１／３＋σ_cb）・ＮＡ／λ
   の条件を満足することを特徴とする請求項１記載のマスクパターンデータ形成方法。
3. ２重極又は４重極形状に光源強度を集光させた２重極照明又は４重極照明により投影露光するために用いられるフォトマスクであって、
   前記２重極照明又は４重極照明の各々の重心に対して、対角方向に結んだ方向をＸ方向又はＹ方向と定義した場合に、マスクパターンにおける最小ピッチのパターンは、前記Ｘ方向又はＹ方向に平行若しくは垂直に形成され、
   前記最小ピッチのパターンよりも大きなピッチのパターン又はパターン群に対して、前記最小ピッチのパターンよりも露光マージンが小さいと分類されたピッチのパターン又はパターン種は、前記最小ピッチのパターンに対して４５度若しくは１３５度方向に配置方向をなして形成されていることを特徴とするフォトマスク。
4. 前記最小ピッチのパターンに対して、４５度若しくは１３５度方向に形成されるべきパターン又はパターン種のピッチｐは、
   露光装置の波長をλ、開口数をＮＡ、光軸から２重極照明又は４重極照明の各々の点在する光源の中で重心点までの距離が一番大きいものをＮＡの比で表したときの値をσcbとした場合、
   σ_cb・ＮＡ／λ≦１／ｐ≦（１／３＋σ_cb）・ＮＡ／λ
   の条件を満足することを特徴とする請求項３記載のフォトマスク。
5. 請求項３又は４に記載されたフォトマスクを用意する工程と、
   半導体基板上にレジスト膜を形成する工程と、
   照明形状が２重極又は４重極の照明方式によって前記フォトマスクを照明し、該フォトマスクに形成されたパターンを前記レジスト膜に投影露光する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。

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