JP5050618B2 - 多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のフォトマスク（本明細書ではマスクとも記す）を用いて多重パターニングを行う多重露光技術に用いるフォトマスクのパタンデータ作成方法に関する。

光リソグラフィ技術は、半導体集積回路の高集積化のための鍵となる技術であるが、近年、光リソグラフィ技術において要求される解像度が露光波長の１／２以下となるなど限界領域に近づきつつある。そこで現状の光リソグラフィ技術の解像度を使いこなす方法として、多重パターニング法などの多重露光技術が検討されている。

以下、本明細書において、多重露光技術のうち２回露光を行う二重露光技術（ダブルパターニング露光技術、Ｄｏｕｂｌｅ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ、ＤＰＬとも称する）について説明する。
二重露光技術は、要求パタンの２倍緩いピッチをもった縞状のパタンを露光し、次に半ピッチ分ずらして再び同じパタンを露光すれば、マスクパタンの１／２のピッチのパタン、すなわち要求されるピッチをもったパタンがウェーハ上に転写される、という原理に基づくものである。このような技術によれば、マスクパタン転写の制限となっている最小ピッチを複数のフォトマスクに分割し、複数回プロセスを行うことによって、より狭くすることが可能となる。最小ピッチの限界は、数式０．５×λ／ＮＡ（ただし、λは露光波長、ＮＡは露光装置のレンズの開口数）によって与えられる。

しかし、上記のように最小ピッチパタンを分割するだけの単純な多重露光であると、別々に形成したつもりの露光パタンが潜像として重なり、パタンとして分離しないこともあり得る。そのため、例えば、図１１に示すダブルライン方式、あるいは図１２に示すダブルトレンチ方式などの二重露光技術が提案されている。いずれの方式もフォトマスクを２枚用いて、２回のレジストプロセスを実施するものである。次に、図１１および図１２を参照しつつ、二重露光技術について説明する。

図１１は、ダブルライン方式による二重露光技術における製造工程の断面模式図であり、 まず（ａ）ウェーハ基板１１１の上にハードマスク（ＨＭとも記す）１１２を設け、第１回目のレジスト１１３を塗布し、（ｂ）第１回目露光用マスク１１４を用いた第１回目露光工程が施される。次に、（ｃ）第１回目のレジスト現像工程を経て、（ｄ）ＨＭ１１２のエッチング工程が施され、ＨＭパタン１１２Ａを形成する。さらに、（ｅ）第２回目レジスト１１５塗布工程、（ｆ）第２回目露光用マスク１１６を用いた第２回目露光工程、（ｇ）第２回目現像工程を経て、基板１１１上にハードマスクパタン１１２Ａとレジストパタン１１５Ａよりなる設計パタンに基づく所望のパタンを得ることができ、以後のウェーハ加工工程を行うことができる。

図１２は、ダブルトレンチ方式による二重露光技術における製造工程の断面模式図であり、まず（ａ）ウェーハ基板１２１の上にハードマスク１２２を設け、第１回目のレジスト１２３を塗布し、（ｂ）第１回目露光用マスク１２４を用いた第１回目露光工程が施される。次に、（ｃ）第１回目のレジスト現像工程を経て、（ｄ）第１回目のＨＭエッチング工程が施され、ＨＭパタン１２２Ａを形成する。さらに、（ｅ）第２回目レジスト１２５塗布工程、（ｆ）第２回目露光用マスク１２６を用いた第２回目露光工程、（ｇ）第２回目レジスト現像工程を経て、（ｈ）第２回目のＨＭエッチング工程が施され、最終的に（９）レジスト剥離工程を経て、基板１２１上にハードマスクパタン１２２Ｂよりなる設計パタンに基づく所望のパタンを得ることができ、以後のウェーハ加工工程を行うことができる。

図１１、あるいは図１２に示すように、二重露光技術においては、所望するパタン形状を得るために、パタンを２枚のフォトマスクに分割し、第１回目露光用マスク１１４、１２４と第２回目露光用マスク１１６、１２６の２枚のマスクを用いるものである。２枚のフォトマスクを用いて、複雑で微細なＬＳＩパタンをウェーハ上で一つに合成するには、各々のマスクにおけるパタンの位置精度が極めて重要となる。

半導体技術を予測するＩＴＲＳ ２００６ Ｕｐｄａｔｅでは、二重露光技術（ＤＰＬ）に対応したマスク仕様として、新たにＤＰＬ用の位置精度（Ｉｍａｇｅ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ：ＩＰと称する）、マスク間寸法差（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ＣＤ−ＭＴＴ：ＤＣＤと称する）を定義している（非特許文献１）。それによれば、ＤＲＡＭのハーフピッチが３２ｎｍとなる２０１３年では、通常のシングル露光技術用のフォトマスクのＩＰが３．４ｎｍ、寸法精度（Ｍｅａｎ Ｔｏ Ｔａｒｇｅｔ：ＭＴＴと称する）が２．６ｎｍに対して、ＤＰＬ用のフォトマスクは、ＩＰが２．４ｎｍ、 マスク間寸法差が１．３ｎｍと予測しており、通常のマスクより厳しい数値が求められている。

フォトマスクの位置精度に関係する要因としては、描画装置の位置決め精度 、描画電子線のゆらぎなどのマスク製造装置の精度、あるいはパターニング後のパタン膜の応力なども挙げられるが、三星電子によれば、二重露光技術用フォトマスクパタンの位置精度誤差の要因の内訳として、図１３に示すように、パタン密度、補正残、マスクブランクの種類、平坦度を挙げ、これらの要因中、パタン密度が４７％とほぼ半分を占め、最も大きな要因としている（非特許文献２）。

複数のフォトマスクを用いて複数のレジストプロセスを行う場合、マスク間の寸法誤差や重ね合わせ精度(オーバーレイ)誤差がウェーハ上の寸法に影響を与える。フォトマスクの全体的な寸法誤差は露光条件により変更できるが、フォトマスクパタンの位置精度誤差は、ウェーハ上の位置精度に直接影響を与える。このため、フォトマスク上のパタン位置精度を向上させるとともに、マスク間寸法差を少なくする必要がある。

このような技術背景において、従来の二重露光技術（ＤＰＬ）用フォトマスクのパタン分割方法は、設計パタンの中で最小ピッチとなるパタンを複数のフォトマスクのパタンに分割するパタンデータ作成方法、あるいは、図８に例示するような設計パタンにおいて、パタンを構成する各ポリゴン間の間隔をチェックし、間隔が設定した規定より狭い場合に分割し、図９に示すように、２枚のマスク１（図９（ａ））とマスク２（図９（ｂ））に単純に分割するパタンデータ作成方法などが用いられていた。

しかしながら、上記の従来のパタンデータ作成方法によるフォトマスクは、図１０に示すように、ウェーハ上にパタン転写したとき、例えば、少なくとも一方のマスクに位置誤差があった場合（図１０はマスク２に位置誤差がある場合を例示。）、ウェーハ上でパタンの位置誤差を生じてしまうという問題があった。
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｏａｄｍａｐ Ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ２００６ Ｕｐｄａｔｅ，Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，ｐ．８，半導体技術ロードマップ専門委員会（２００６） Ｊ．Ｇ．Ｄｏｈ ｅｔ ａｌ．，"Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｍａｓｋ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｏｕｂｌｅ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．６３４９，６３４９１Ｕ−４（２００６）

上記のように、従来の多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法では、多重露光技術用フォトマスクを製造する上で、複数のフォトマスクの位置精度の違いが大きく影響し、絶対位置精度（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）の高い複数のフォトマスクが容易に作成できないという問題があった。また、非特許文献２に示すように、パタン密度がフォトマスクの位置精度に影響する大きな要因と指摘されていても、パタン密度によるマスクの位置誤差を小さくする解決手法が見出されていないという問題があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、多重露光用の複数のフォトマスクにおいて、各々のフォトマスクのパタン密度をほぼ同じにし、位置精度の高い多重露光技術用フォトマスクのパタンデータを比較的容易に作成する方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係る多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法は、設計パタンをパタン分割した複数のフォトマスクを用いて多重パターニングを行う多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法であって、前記パタン分割後の複数のフォトマスクの各々のパタン集合において、前記各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるようにパタン分割し、前記パタン分割の際に、前記設計パタンのパタン分割が必要な間隔を抽出し、前記抽出されたパタン分割が必要な間隔に基づいて、分割する必要のあるポリゴンを選定し、前記選定したポリゴンを分割して各々のパタン集合に分類し、前記パタン分割を必要としない残ったポリゴンを前記各々のパタン集合のいずれかに再分類して前記各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるように近づけることを特徴とするものである。

請求項２の発明に係る多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法は、請求項１に記載の多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法において、前記パタン分割の際に、前記各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるように近づけるとともに、前記各々のパタン集合に含まれるパタン分類としての縦パタンと横パタンと大パタンの各々の面積を前記各々のパタン集合間で互いに近づけることを特徴とするものである。

請求項３の発明に係る多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法は、設計パタンをパタン分割した複数のフォトマスクを用いて多重パターニングを行う多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法であって、前記パタン分割後の複数のフォトマスクの各々のパタン集合において、前記各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるようにパタン分割し、前記パタン分割の際に、前記設計パタンに同種のセルが複数ある場合、前記同種の一つのセルの最小ピッチパタンを分割して複数のフォトマスクの各々のパタン集合とし、次の同種のセルは、前記各々のパタン集合に振り分けるポリゴン集合を逆にすることで、前記各々のパタン集合の面積を近づけることを特徴とするものである。

請求項４の発明に係る多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法は、請求項３に記載の多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法において、前記パタン分割の際に、前記各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるように近づけるとともに、前記各々のパタン集合に含まれるパタン分類としての縦パタンと横パタンと大パタンの各々の面積を前記各々のパタン集合間で互いに近づけることを特徴とするものである。

本発明の多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法によれば、パタン分割後の複数のフォトマスクの各々のパタン集合の面積をほぼ等しくなるように近づけることにより、パタン分割後の各々のフォトマスクのパタン密度、およびパタン様相を近似させ、その結果、各々のフォトマスクの仕上がりの精度が近づき、各々のフォトマスクの寸法誤差の差分を小さくすることができ、高い位置精度の多重露光技術用の複数のフォトマスクを得ることができ、位置精度に優れた多重露光が可能となる。

本明細書においては、多重露光技術のうち２回の露光を行う二重露光技術（ＤＰＬ）について説明するが、本発明の概念は、３回以上の露光を行う多重パターニングに係る露光技術にも適用することが可能である。
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る二重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法について詳細に説明する。

（第一の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るパタンデータ作成方法を説明するためのオリジナルの設計パタンの一例を示す平面模式図である。図１に示すように、通常、フォトマスクの設計パタンは複数のポリゴンで構成されている。

図１に示すオリジナルの設計パタンを２つのフォトマスクパタンに分割するに際し、先ず、図２に示すように、設計パタンのパタン分割が必要な間隔２１を抽出する。各ポリゴン間の間隔が分割対象として設定した規定値より小さい場合、あるいはピッチが小さい場合、分割が必要なポリゴンとして選定する。

次に、選定されたパタン分割が必要なポリゴンを分割する。このとき、例え一つのポリゴンであっても、分割が必要として抽出されたポリゴンは分割の対象となり、一つのポリゴン内の所定の位置で分割する。

図３に示すように、オリジナルの設計パタンは、分割後、ポリゴンより構成される２つのパタン集合、パタンＡ、パタンＢとして分類する。なお、図３において、パタンＡ、パタンＢに分類された各ポリゴンの接触面は、パタン切れを防ぐために、所定の幅だけ接触面がパタンＡとパタンＢで重複されている（後述の図５も同様である。）。

次に、目安として、この段階でのパタンＡとパタンＢの面積を求める。この段階では、パタン分割が必要とされないポリゴンも一時的にパタンＡかパタンＢのいずれかに分類している。
図３に示す例では、目安として求めたパタンＡとパタンＢの面積の比は、パタンＡ／パタンＢ＝１１．９／１６．８＝０．７１であり、パタンＢの方がかなり面積が大きいパタン集合である状態を示している。

次に、図４に示すように、本来、パタン分割が必要とされない間隔であるポリゴン（本発明では、残ったポリゴンと称する）を、パタン集合であるパタンＡとパタンＢの面積がほぼ等しくなるように近づけるために、パタンＡかパタンＢのいずれかに再分類し、図５に示すように、再分類後の分割パタンを形成する。

図５に示す例では、パタンＡとパタンＢの面積の比は、パタンＡ／パタンＢ＝１４．８／１３．８＝１．０７であり、上記の目安として求めた面積よりも改善されて、パタンＡの面積とパタンＢの面積はほぼ等しいまでに近づいている。図示はしていないが、二重露光技術用の２枚のフォトマスクにおいて、１枚は図５に示すＡパタンで構成され、他の１枚は図５に示すＢパタンで構成される。

上記のように、パタン分割後の２枚のフォトマスクの各々のパタン集合、パタンＡとパタンＢの面積をほぼ等しくなるように近づけることにより、パタン分割後のパタン密度、およびパタン様相が近似し、２枚のフォトマスクの仕上がりの精度が近づき、各々のフォトマスクの寸法誤差の差分を小さくすることができ、位置精度の高いパタンデータ形成方法が可能となり、高い位置精度の二重露光技術用フォトマスクを得ることができ、位置精度に優れた二重露光が可能となる。

（第一の実施の形態の別な方法）
上記の第一の実施の形態では、図３に示すように、パタン分割が必要とされないポリゴンも一時的にパタンＡかパタンＢのいずれかに分類した場合について説明したが、図３に示す工程を省略することも可能である。

この場合、図２に示すように、設計パタンのパタン分割が必要な間隔２１を抽出し、分割が必要なポリゴンを選定した後、選定したポリゴンのみを分割し、図４に示すように、分割後のポリゴンより構成される各々のパタン集合をパタンＡ、パタンＢとして分類する。このとき、パタン分割が必要とされないポリゴンは、分割せずに残しておく（残ったポリゴンとする）。次に、この残ったポリゴンを、パタン集合であるパタンＡとパタンＢの面積がほぼ等しくなるように近づけるために、パタンＡかパタンＢのいずれかに再分類し、図５に示すように、再分類後の分割パタンを形成する。

（第二の実施の形態）
本発明の第二の実施の形態に係るパタンデータ作成方法を説明する。
本実施形態は、上記のパタン分割の際に、各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるように近づける第一の実施形態の方法に加えて、各々のパタン集合に含まれるパタン分類としての縦パタンと横パタンと大パタンの各々の面積を各々のパタン集合間で互いに近づけるものである。

ここで、本発明において、縦パタン、横パタン、大パタンとは、ポリゴンより構成される設計パタンをＸ、Ｙ座標に表示したとき、Ｘ方向（横方向）に長いポリゴンよりなるパタンを横パタン、Ｙ方向（縦方向）に長いポリゴンよりなるパタンを縦パタン、隣接する他のポリゴンよりもＸ、Ｙ方向の少なくとも一方向が大きいポリゴンを大パタンと定義する。したがって、縦パタン、横パタン、大パタンの判別は容易である。

図３に示すように、本発明のパタンデータ作成方法の途中段階で求めた、横パタンのパタンＡとパタンＢの面積比率（横比（Ａ／Ｂ）と記す）は０．８６、縦パタンのパタンＡとパタンＢの面積比率（縦比（Ａ／Ｂ）と記す）は０．３５、大パタンのパタンＡとパタンＢの面積比率（大比（Ａ／Ｂ）と記す）は０．６５である。

一方、パタン再分類後の面積比率は、図５に示すように、横パタンのパタンＡとパタンＢの面積比率（横比（Ａ／Ｂ））は１．２７、縦パタンのパタンＡとパタンＢの面積比率（縦比（Ａ／Ｂ））は１．３５、大パタンのパタンＡとパタンＢの面積比率（大比（Ａ／Ｂ））は０．６５である。パタン再分類の前後で、大比（Ａ／Ｂ）は変わらず、横比（Ａ／Ｂ）と縦比（Ａ／Ｂ）は再分類前よりもパタンＡが増加しているが、横パタンと縦パタンの均衡がとれ、パタンＡとパタンＢの密度がより均一となり、好ましい状態を示している。

本第二の実施形態のパタンデータ作成方法を上記の第一の実施形態に記載の方法と併用することにより、２枚のフォトマスクの仕上がりの精度はさらに近づき、各々のフォトマスクの寸法誤差の差分をより小さくすることができ、位置精度の高いパタンデータ作成方法が可能となり、高い位置精度の二重露光技術用フォトマスクを得ることができ、位置精度に優れた二重露光が可能となる。

（第三の実施の形態）
本発明の第三の実施の形態に係るパタンデータ作成方法を説明する。
本実施形態は、図６に示すように、パタン分割の際に、同種のセルが複数ある場合（図６では左右２つ）、図７に示すように、同種のセルの一つ（図７では左側のセル）を最小ピッチパタンを複数のマスクに分割する条件に基づいて分割して各々のパタン集合であるパタンＡ、パタンＢとし、次の同種のセルである右側のセルについては、各々のパタン集合に振り分けるポリゴン集合を逆にし、パタンＡとパタンＢを入れ替えることで、各々のパタン集合の面積を近づける方法である。図７に示す例では、パタンＡとパタンＢの面積は等しくなる。

上記の第三の実施の形態の方法によれば、パタン分割後の２枚のフォトマスクの各々のパタン集合、パタンＡとパタンＢの面積は等しくなり、パタン分割後のパタン密度、およびパタン様相が近似し、２枚のフォトマスクの仕上がりの精度が近づき、各々のフォトマスクの寸法誤差の差分を小さくすることができ、位置精度の高いパタンデータ作成方法が可能となり、高い位置精度の二重露光技術用フォトマスクを得ることができ、位置精度に優れた二重露光が可能となる。

同種のセルが３つ以上ある場合、セル数が偶数の場合には、本実施形態の方法がそのまま適用でき、セル数が奇数の場合には、１つのセルのみを上記の本発明の第一の実施形態、あるいは第二の実施形態に記載の方法で行い、残りの偶数のセルに本実施形態の方法を適用することができる。

（第四の実施の形態）
本発明の第四の実施の形態に係るパタンデータ作成方法を説明する。
本実施形態は、パタン分割の際に、同種のセルが複数ある場合、各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるように近づける第三の実施形態の方法に加えて、第二の実施形態で述べたパタンデータ作成方法と同様に、各々のパタン集合に含まれるパタン分類としての縦パタンと横パタンと大パタンの各々の面積を各々のパタン集合間で互いに近づけるものである。

本第四の実施形態のパタンデータ作成方法を上記の第三の実施形態に記載の方法と併用することにより、２枚のフォトマスクの仕上がりの精度はさらに近づき、各々のフォトマスクの寸法誤差の差分をより小さくすることができ、位置精度の高いパタンデータ作成方法が可能となり、高い位置精度の二重露光技術用フォトマスクを得ることができ、位置精度に優れた二重露光が可能となる。

本発明の実施の形態に係るオリジナルの設計パタンの平面模式図である。 図１に示す設計パタンの分割が必要な間隔を抽出する工程を説明する平面模式図である。 図２に続き、図１に示すオリジナルの設計パタンの分割を示す平面模式図である。 図１に示す設計パタンにおいて分割を必要としない残ったポリゴンを示す平面模式図である。 図４に続き、パタン再分類後の分割パタンを示す平面模式図である。 本発明の実施の形態に係る同種セルが複数ある設計パタンの平面模式図である。 図６に示す設計パタンの分割パタンを示す平面模式図である。 従来のパタンデータ作成方法を説明するための設計パタンの平面模式図である。 図８に示す設計パタンを従来のパタンデータ作成方法でパタン分割したマスクの平面模式図である。 図９に示すマスクの位置誤差を説明するマスクおよびウェーハの平面模式図である。 ダブルライン方式による二重露光技術における製造工程の断面模式図である。 ダブルトレンチ方式による二重露光技術における製造工程の断面模式図である。 二重露光技術用フォトマスクパタンの位置精度誤差の要因の内訳を説明する図である。

符号の説明

２１ パタン分割が必要な間隔
１１１、１２１ ウェーハ基板
１１２、１２２ ハードマスク
１１２Ａ、１２２Ａ、１２２Ｂ ハードマスクパタン
１１３、１１５、１２３、１２５ レジスト
１１３Ａ、１１５Ａ、１２３Ａ、１２５Ａ レジストパタン
１１４、１２４ 第１回目露光用マスク
１１６、１２６ 第２回目露光用マスク

Claims (4)

1. 設計パタンをパタン分割した複数のフォトマスクを用いて多重パターニングを行う多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法であって、
   前記パタン分割後の複数のフォトマスクの各々のパタン集合において、前記各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるようにパタン分割し、
   前記パタン分割の際に、前記設計パタンのパタン分割が必要な間隔を抽出し、
   前記抽出されたパタン分割が必要な間隔に基づいて、分割する必要のあるポリゴンを選定し、
   前記選定したポリゴンを分割して各々のパタン集合に分類し、
   前記パタン分割を必要としない残ったポリゴンを前記各々のパタン集合のいずれかに再分類して前記各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるように近づけることを特徴とする多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法。
2. 前記パタン分割の際に、前記各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるように近づけるとともに、前記各々のパタン集合に含まれるパタン分類としての縦パタンと横パタンと大パタンの各々の面積を前記各々のパタン集合間で互いに近づけることを特徴とする請求項１に記載の多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法。
3. 設計パタンをパタン分割した複数のフォトマスクを用いて多重パターニングを行う多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法であって、
   前記パタン分割後の複数のフォトマスクの各々のパタン集合において、前記各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるようにパタン分割し、
   前記パタン分割の際に、前記設計パタンに同種のセルが複数ある場合、前記同種の一つのセルの最小ピッチパタンを分割して複数のフォトマスクの各々のパタン集合とし、
   次の同種のセルは、前記各々のパタン集合に振り分けるポリゴン集合を逆にすることで、前記各々のパタン集合の面積を近づけることを特徴とする多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法。
4. 前記パタン分割の際に、前記各々のパタン集合の面積がほぼ等しくなるように近づけるとともに、前記各々のパタン集合に含まれるパタン分類としての縦パタンと横パタンと大パタンの各々の面積を前記各々のパタン集合間で互いに近づけることを特徴とする請求項３に記載の多重露光技術用フォトマスクのパタンデータ作成方法。