JP5524447B2 - 露光用マスク、パターン形成方法及び露光用マスクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光用マスク、パターン形成方法及び露光用マスクの製造方法に関し、更に詳しくは、半導体ウエハ上に露光用マスクに対応するパターンを形成するパターン形成方法、この方法に用いられる露光用マスク、及び露光用マスクの製造方法に関する。

現在の半導体装置の露光プロセスでは、ライン・アンド・スペースパターンなどの密集パターンについて、斜入射照明法の適用により、十分な焦点深度が得られるようになっている。例えば、ＤＲＡＭのゲートや、配線パターン等の周期性パターンは、かなり微細な寸法でも安定して形成できる。斜入射照明法とは、マスク照明光のうち垂直入射成分をカットして、マスクを斜め入射で照明する方法である。通常の照明法では、マスクパターンからの０次回折光、及び、±１次回折光を含めて３光束を投影レンズで集めて、３光束干渉の結像を得る。これに対して、斜入射照明では、±１次回折光の一方を捨てて、０次光と、±１次回折光の他方とを含む２光束で像を形成して、２光束干渉の結像を得ている。

３光束干渉と２光束干渉の双方の結像状態をベストフォーカスで比較すると、２光速干渉では、±１次回折光の一方を捨てている分、コントラストが低下する。しかし、結像面である半導体基板上での入射角度を考えると、２光束干渉の結像は、３光束干渉の１／２になっている。そのため、焦点がずれた時の像のぼけ方は少なくなり、広い焦点範囲で、レジストパターンの形成に十分な光強度分布を得ることができる。マスクを照明する光の方向や角度の制限は、フライ・アイ・レンズで形成させる２次光源の形状を、光源出射直後に金属の絞りを配置することで実現している。これは、元々の光源は水銀ランプ又はエキシマレーザー装置であるが、この光源のままでは、マスクを均一な強度で照明することができないためであり、フライ・アイ・レンズで数百個という点光源の集合体を形成して、マスクを照明している。

マスク側から照明光学系を見ると、フライ・アイ・レンズで形成された点光源の集合体しか見えず、この点光源の集合体の形が露光特性を決めることになる。そこで、水銀ランプ等などの原光源を１次光源、フライ・アイ・レンズで形成される点光源の集合を２次光源（有効光源）と呼んでいる。また、２次光源とマスクとの間には、コンデンサーレンズが配置されており、これにより、２次光源の中心部分の光はマスクに垂直に入射し、２次光源の外周部分からの光はマスクに斜めに入射する。そこで、斜入射照明法では、２次光源の中心を遮光するか、或いは、外周部分のみを開口する絞りを用いている。この絞り形状（２次光源形状）により、ウエハ上の露光特性は変化し、図２０に示すような形状の２次光源が提案されている。

図２０（ａ）に示す照明は、２点照明と呼ばれ、図中に示す形状の２次光源２０ａによって、１方向パターン（ここでは水平方向）の焦点深度を向上させる効果を有している。同図（ｂ）に示す照明は、４点照明と呼ばれ、図中に示す形状の２次光源２０ｂによって、縦及び横の２方向パターンの焦点深度を向上させる効果を有している。４点照明は、光源が４５／１３５度の方向にあれば、縦横パターンの露光特性は同じになり、それからずれると縦横の露光特性も異なってくる。例えば、縦方向のピッチが比較的密で、横方向のピッチが比較的疎であると、同図（ｂ）に示す例では、縦方向は２次光源の最外周を開口し、横方向は最外周の内側を開口させるような形状の２次光源となる。また、同図（ｃ）に示す照明は、輪帯照明と呼ばれ、図中に示す形状の２次光源２０ｃによって、露光特性にパターンの方向依存性がなく汎用性が高いという効果を有する。そのため、一般には輪帯照明を適用し、それでも十分な焦点深度が得られない場合には、適用するパターンに制限がある４点照明や２点照明の適用が検討される。

なお、２次光源の形状ではなく、偏光を用いて露光特性を改善する照明方法も提案されている。例えば、特許文献１には、輪帯照明を用いる場合でも、特定方向のパターンにおいてＴＥ偏光となるように露光光を偏光させることで、その特定方向パターンの露光特性を改善させる手法が示されている。

また、ハーフトーン位相シフトマスクを用いると、さらに焦点深度を拡大できることが知られている。焦点深度とは、有効なレジストパターンが得られる焦点範囲をいう。ハーフトーン位相シフトマスクとは、遮光領域であるマスク上パターンを半透明領域で形成し、２〜２０％程度の光を漏らし、かつその漏れた光と周辺の透明領域の光との間で、位相を１８０度反転させた位相シフトマスクである。回折光の生じるライン・アンド・スペースパターンであれば、ハーフトーンマスクにして、かつ斜入射照明法を用いると、０次回折光と＋１次（あるいは−１次）回折光とのバランスが改善されて、コントラストが向上する。

しかし、回折光の生じない孤立パターンには、上記の変形照明法による効果は少なく、焦点深度はあまり拡大しない。孤立パターンの焦点深度を拡大するには、低開口数（ＮＡ）化や小コヒーレント・ファクター（σ）化の方が効果は高い。σとは、光源の瞳面の大きさに対する照明レンズの大きさの比率をいう。つまり、σ＝照明レンズのＮＡ／投影レンズのＮＡである。照明レンズの大きさが、投影レンズの瞳面と同じ大きさのときにσは１である。照明光学系の低ＮＡ化とは、マスクを垂直成分に近い光のみで照明することをいう。そして、ハーフトーン位相シフトマスクを用いる場合にも、小σ照明の方が焦点深度は向上する。これら孤立パターンの焦点深度を拡大する条件は、いずれも密集パターンの解像度を下げる結果となってしまう。そのため、密集した微細パターンと孤立パターンとで露光特性を両立させるのが困難となっていた。

そこで、補助パターンと呼ばれる、それ自体は解像しない微細パターンを用いる手法が、密集パターンと孤立パターンの焦点深度を両立させる方法として検討されてきた。補助パターンに関しては、例えば特許文献２に示されている。特許文献２は、マスクを斜め入射光で照明する際に、斜め入射光の角度及び方向に合わせ、パターン近傍に限界解像度以下の寸法の補助パターンを配置することにより、パターンの焦点深度を向上させる手法を採用する。補助パターンを配置したマスクを斜入射照明条件下で用いることにより、２光束干渉の結像状態に近づき、焦点深度が拡大する。

補助パターンの配置においては、その位置及び寸法が、デバイスパターンの焦点深度に影響する。補助パターンとメインパターンの間隔の最適値は、それらの寸法及び用いられる光学条件によっても異なるが、その光学条件の限界解像度からその１．５倍程度の範囲に最適値がある。また、補助パターンの寸法は、より大きいほどメインパターンの焦点深度の拡大効果は高まるものの、大きすぎると補助パターン自体がウエハ上に転写されてしまう。補助パターンの大きさは、ウエハ上に転写されない限界の大きさよりマージンを持たせて若干小さめに設定されている。

補助パターンの配置方法には、ルールベース手法とモデルベース手法とが提案されている。ルールベース手法とは、予め、対象パターンと隣のパターンとの間隔に従って、マスクパターンの設計方法のテーブルを作成しておく手法である。この手法では、全ての対象パターンに対して、ルールに従って補助パターンを配置した後に、補助パターンと本パターンの間隔不足あるいは補助パターン同士の間隔不足などの補助パターンの不都合を修正する処理を行う。ルールベース手法は、補助パターンの発生及び確認が高速であるという利点がある。また、この手法では、配置ルールが既にできているので、結果の確認もデザインルールチェック（ＤＲＣ）を用いて容易に実行できる。

モデルベース手法とは、コントラストあるいは焦点深度のシミュレーションを行い、その値が不足している場合に、補助パターンを発生させる手法である。モデルベース手法には、露光特性が十分に得られるように補助パターンが配置できるという利点がある。

ところで、ハーフトーン位相シフトマスクには、透明領域と半透明領域だけでなく、遮光領域を用いるマスクも提案されている。このマスクは、トリトーンマスクとも呼ばれており、ホールパターンの近傍のみを半透明領域にするリムタイプがよく知られている。特許文献３には、ホールパターンの近傍は逆位相の半透明領域とし、その周辺に８角形の同位相の半透明領域を形成し、さらにその外周は遮光領域とするトリトーンマスクが示されている。このトリトーンマスクでは、同位相の半透明領域及び遮光領域を用いて、マスク透過光の振幅分布に擬似的に周期性を持たせることで焦点深度を拡大することができる。

特開平７−１８３２０１号公報 特開平４−２６８７１４号公報 特開２０００−１９７１０号公報

ＤＲＡＭのような汎用メモリでは、コストダウンのため、微細化が重要になっており、メモリセルアレイは、露光装置の解像限界のピッチまで縮小されている。そのため、露光装置の照明条件は、メモリセルアレイに特化した斜入射照明に設定されるようになってきた。しかし、この場合には、微細化されたメモリセルアレイ以外では、ピッチが緩いパターンの焦点深度が狭くなるという問題が出ている。

また、補助パターンの配置方法において、補助パターンがメインパターンを取り囲むように配置されているマスクでは、補助パターンに斜めパターンが含まれることになる。このようなマスクを、現在主に使用されている可変矩形ビームを用いたマスク描画装置でマスク描画を行う場合には、可変矩形ビームによる微細矩形を用いて、斜めパターンを描画することになり、描画に要する時間が膨大となるという問題がある。

さらに、上記トリトーンマスクでは、マスク製造工程において透明領域を描画した後に、半透明領域を描画するので、可変矩形ビームによるマスク描画が２回行われることになる。このため、半透明領域を形成する２回目のマスク描画では、１回目のマスク描画との重ね合わせを高精度にしなければ、ウエハ上の転写パターンの位置精度に悪影響が生じてしまうという問題があった。

本発明は、密集パターンの焦点深度を向上させるために斜入射照明又は偏光照明を用いて露光を行う場合であっても、孤立パターンの焦点深度が十分に得られる露光用マスク及びパターン形成方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、補助パターンに斜めパターンが含まれているマスクを描画する場合に、描画に要する時間を短縮できる露光用マスクの製造方法を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、マスク描画での重ね合わせを高精度に行う必要のない露光用マスクの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の露光用マスクは、露光光の限界解像度以上の寸法を有する透明領域からなる矩形状パターンと、
前記矩形状パターンの周辺に配置され、前記限界解像度未満の幅寸法を有する透明領域からなる補助パターンと、
前記矩形状パターンと前記補助パターンの間に配置され、前記矩形状パターン及び補助パターンを透過する透過光に対して逆位相を与える半透明領域と、
前記補助パターンの外周に配置される遮光領域とを有することを特徴とする。

また、本発明のパターン形成方法は、上記露光用マスクを用いて露光を行い、ウエハ上にパターンを形成するパターン形成方法であって、
前記露光用マスクに対して、斜入射照明法により露光光を照明することを特徴とする。

さらに、本発明の露光用マスクの製造方法は、上記露光用マスクの製造方法であって、
前記方形パターンの寸法を、前記露光用マスクの生成過程で発生する寸法シフトを補正した寸法とすることを特徴とする。

また、本発明の露光用マスクの製造方法は、上記露光用マスクの製造方法であって、
透明基板上に半透明膜及び遮光膜を形成するステップと、
前記半透明領域及び前記遮光領域をマスクし、前記半透明膜及び前記遮光膜を選択的に除去して、前記矩形状パターン及び前記補助パターンを形成するステップと、
前記遮光領域をマスクし、前記半透明領域に残された半透明膜及び遮光膜から、前記遮光膜のみを選択的に除去して、前記半透明領域を形成するステップとを有することを特徴とする。

本発明の露光用マスクによると、矩形状パターンの周辺に半透明領域を形成し、補助パターンの外周に遮光領域を形成したので、矩形状パターンの中心からの距離に対して、透過率が変化することになり、マスク透過光の振幅分布をいわゆるベッセル関数に近づけることができる。そのため、矩形状パターンが回折光の生じない孤立パターンであっても、焦点深度を向上させることができる。

本発明のパターン形成方法によると、上述のマスクに斜入射照明法により露光光を照明するので、十分な焦点深度を得られ、マスクに対応するパターンが微細な寸法でもウエハ上にパターンを安定して形成できる。

本発明の露光用マスクの製造方法によると、補助パターンに含まれる斜めパターンを、プロセスバイアスを考慮した寸法を有する複数の方形パターンで近似するので、マスク描画において、補助パターンを描画するために必要な矩形数を低減でき、描画に要する時間を短縮できる。

また、本発明の露光用マスクの製造方法によると、遮光領域と半透明領域との間に補助パターンが配置されているので、半透明領域を形成するためのマスク描画を行う場合に、マスク形成のためのマージンが大きくとれる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る露光用マスクを示す平面図である。ここでは、露光工程に用いられ、不図示のウエハ上に、回折光の生じない寸法７０ｎｍの孤立パターンを形成するための露光用マスク（以下、単にマスクという）について説明する。マスク１０は、ハーフトーン位相シフトマスク（透過率＝１２％）であって、ホールパターン１と、補助パターン２ａ，２ｂと、ハーフトーン領域３と、遮光領域４ａ，４ｂとを備える。

ホールパターン１は、例えば正方形であり、露光光の限界解像度以上の寸法（Ｈ＝９６ｎｍ）を有する。補助パターン２ａ，２ｂは、ホールパターン１を取り囲むように配置された８角形の形状であって、露光光の限界解像度未満の寸法（ｈ＝２６ｎｍ）を有する。このホールパターン１の中心と補助パターン２ａの幅ｈの中心とのピッチＰ、また、補助パターン２ａと補助パターン２ｂのピッチｐは、共に１４０ｎｍとした。

ハーフトーン領域３は、透過率１２％であり、ホールパターン１と補助パターン２ａの間に配置されている。ハーフトーン領域３を透過したマスク透過光は、ホールパターン１のマスク透過光に比べて位相が１８０度反転されている。遮光領域４ａは、補助パターン２ａと補助パターン２ｂの間に配置されている。遮光領域４ｂは、補助パターン２ｂの外周に配置されている。遮光領域４ａ，４ｂは、ウエハ上の光強度分布に影響がない程度に露光光を遮光するものであって、透過率０．１％以下である。このように、マスク１０は、透明領域であるホールパターン１及び補助パターン２ａ，２ｂと、半透明領域であるハーフトーン領域３だけでなく、遮光領域４ａ，４ｂも有しており、いわゆるトリトーンマスクを構成する。

図２は、マスク１０の主要な製造工程を示す工程図である。図２（ｆ）は、図１に示すマスク１０のＡ−Ａ断面図である。以下、図２を参照して、マスク１０の主要な製造工程を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、マスク基板１５を用意する。マスク基板１５は、透明基板１１に、ハーフトーン膜（半透明膜）１２と遮光膜１３とを、この順で成膜したものである。透明基板１１としては、通常、合成石英（ＳｉＯ_２）が用いられる。ハーフトーン膜１２、遮光膜１３には、それぞれＭｏＳｉＯＮ、クロムを用いるのが最も一般的である。さらに、遮光膜１３の表面は、反射防止のため酸化クロムで覆われる。

次に、図２（ｂ）に示すように、このマスク基板１５にポジ型のレジスト１４を塗布し、１回目のマスク描画を行う。この工程では、透明領域であるホールパターン１及び補助パターン２ａ，２ｂのパターンが描画される。この際、マスク描画装置は、例えばハードディスクに記憶された描画データ（後述）に基づいて、可変矩形ビーム（以下、電子ビームという）の範囲を調整し、電子線描画を行う。

描画データは、プロセスバイアスによる寸法シフトを補正したデータである。プロセスバイアスによる寸法シフトとは、主に遮光膜１３のドライエッチング時のレジスト後退によって生じる。例えば、寸法シフトがホールパターン１及び補助パターン２ａ，２ｂ共に１０ｎｍとすると、目標のマスクパターン（即ち、Ｈ＝９６ｎｍ、ｈ＝２６ｎｍ）より−１０ｎｍバイアスをかけて一回り小さな範囲に補正されたデータを用いて、電子線描画を行う。

次に、図２（ｃ）に示すように、現像後のエッチング工程により、塩素系ガスを用いたドライエッチングで遮光膜１３を加工し、続いて、フッ素系ガスを用いたドライエッチングで半透明膜１２を加工することで、ホールパターン１及び補助パターン２ａ，２ｂを形成する。上記したように、塩素系ガスのドライエッチングでは、レジスト１４もエッチングされるために寸法シフトが生じる。つまり、寸法が広がる。その結果、この工程により、目標寸法のホールパターン１及び補助パターン２ａ，２ｂが形成される。その後、レジスト１４を剥離し、洗浄後に寸法及び欠陥の検査を行う。

これら検査で問題がなければ、図２（ｄ）に示すように、再度レジスト１４を塗布し、２回目のマスク描画を行う。この工程では、ハーフトーン領域３のパターンが描画される。この際、マスク描画装置で調整される電子ビームの範囲は、ホールパターン１の中心からピッチＰ、即ち８角形の形状を有する補助パターン２ａの中心線（幅ｈの中央を通る線）までを含む範囲としている。

次に、図２（ｅ）に示すように、現像後のエッチング工程で、ホールパターン１と補助パターン２ａの間の遮光膜１３を除去する。２回目のマスク描画を行うときの電子ビームは、上記したように補助パターン２ａの一部（ハーフトーン領域３側の幅ｈ／２）を含む範囲に照射されるので、電子ビームが照射されない補助パターン２ａの部分（遮光領域４ａ側の幅ｈ／２）にレジスト１４が残った状態となる。次に、図２（ｆ）に示すように、塩素系ガスのドライエッチングを用いて、遮光膜１３、半透明膜１２或いは透明基板１１を選択的にエッチングすることにより、マスク１０が製造される。

このマスク１０の製造工程では、２回目のマスク描画の際、電子ビームが照射されない上記補助パターン２ａの部分がマージンとなる。つまり、遮光領域４ａとハーフトーン領域３の間に補助パターン２ａが配置されていることにより、２回目のマスク描画での電子ビームの範囲が、たとえマージン分だけ位置がずれたとしても、ホールパターン１の周辺に幅寸法が略均一のハーフトーン領域３を形成することができる。マスク１０の製造工程では、このマージンの存在により、２回目のマスク描画での位置精度や寸法精度も高精度である必要はなく、プロセスバイアスの考慮も不要となる。従って、マスク１０の製造工程によれば、２回目のマスク描画での重ね合わせ、即ち電子ビームの範囲の調整を高精度に行う必要がなく、この２回目のマスク描画の重ね合わせ精度が、ウエハ上の転写パターンの位置精度に悪影響を与えることがない。

図３は、比較例のハーフトーン位相シフトマスクを示す平面図である。マスク１０Ａは、ハーフトーン位相シフトマスクであって、マスク１０と同様にウエハ上に寸法７０ｎｍの孤立パターンを形成するためのものである。マスク１０Ａは、透明領域であるホールパターン１及び補助パターン２ａ，２ｂと、半透明領域であるハーフトーン領域３Ａとを有する。なお、ホールパターン１の中心と補助パターン２ａの中心とのピッチＰと、補助パターン２ａ，２ｂの中心間のピッチｐは、上記マスク１０と同様に共に１４０ｎｍとした。

以下、本実施形態のマスク１０と比較例であるマスク１０Ａとを比較して、マスク１０の効果について説明する。まず、マスク１０とマスク１０Ａとを、焦点深度について比較するには、前提として、補助パターン２ａ，２ｂの転写性が略同一である必要がある。その理由は、補助パターンを配置したマスクでは、補助パターンの大きさが焦点深度に大きく影響するためであり、例えば、補助パターン２ａ，２ｂの転写性を無視して補助パターン２ａ，２ｂの寸法ｈを大きくしてしまうと、その分焦点深度が広がってしまう。補助パターン２ａ，２ｂの転写性とは、ウエハ上に転写されるかどうかを数値化したものであって、（補助パターンの最大光強度）／（目標寸法になる光強度）で定義される。ここでの目標寸法は、ウエハ上に形成する孤立パターンの寸法７０ｎｍとなる。補助パターン２ａ，２ｂの転写性を示す値は、小さいほど転写し難く、１に近づくほど転写し易いことを示しており、例えば０．７以下であれば補助パターン２ａ，２ｂが転写されることはない。つまり、マスク１０，１０Ａの補助パターン２ａ，２ｂの寸法ｈとホールパターン１の寸法Ｈとを適宜設定して、補助パターン２ａ，２ｂの転写性を略同一としなければ、焦点深度を比較しても意味をなさない。

そこで以下では、表１，２を用いて、補助パターン２ａ，２ｂの転写性を考慮したマスク１０，１０Ａの寸法Ｈ，ｈをハーフトーン領域３，３Ａの透過率と共に示した。また、表１，２で示されたマスク１０，１０Ａに、後述する露光装置を用いて露光光を照射することで得たマスク透過光の光強度を計算した結果を、図５〜図７、及び図８〜図１０にそれぞれ示し、マスク１０，１０Ａの補助パターン２ａ，２ｂの転写性が揃っていることを確認した。

表１には、本実施形態のマスク１０でのハーフトーン領域３の透過率がそれぞれ６％、１２％、２０％である場合での、寸法Ｈ，ｈを示した。ここで、透過率１２％の場合は、図１でのマスク１０を示しているので、上記したように、ホールパターン１の寸法Ｈ＝９６ｎｍであり、補助パターン２ａ，２ｂの寸法ｈ＝２６ｎｍとなる。

表２には、図３に示した比較例のマスク１０Ａでのハーフトーン領域３Ａの透過率がそれぞれ０％、６％、１２％である場合での、寸法Ｈ，ｈを示した。マスク１０Ａでは、透過率を１２％より大きくしてしまうと、パターン以外の部分でも、漏れた光でレジストが現像されてしまうので、実用的な透過率の範囲として上限を１２％とした。

次に、表１，２で示したマスク１０，１０Ａに対して、露光光を照射する場合について説明する。露光装置としては、ステップ・アンド・スキャン方式のものであって、縮小率が４倍であり、ＡｒＦレーザー（波長λ＝１９３ｎｍ）を使用し、開口数（ＮＡ）を０．９０とした。さらに、照明条件は、図４に示すように、輪帯照明（外周σｏｕｔ＝０．９５、内周σｉｎ＝０．６６５、７０％遮光）とし、光源部２０には図中の矢印方向の偏光を持たせた。つまり、輪帯照明を構成する光源部２０から得られる露光光は、直線偏光となる。この直線偏光の偏光方向は、アパーチャの半径方向と垂直であり、“Ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ”と呼ばれている。

以下、図５〜図７を用いて本実施形態のマスク１０の光強度分布を示す。図５では透過率６％、図６では透過率１２％、そして図７では透過率２０％のマスク１０についてそれぞれ示している。また、寸法については、特に言及しない限り、ウエハでの値を示す。図中、横軸は図１に示したマスク１０のＡ−Ａ線上の位置を示しており、位置６００ｎｍがホールパターン１の中心に相当する。また、縦軸は、相対光強度である。相対光強度とは、十分に大きな開口パターンの光強度で規格化した値である。ここでは、いずれの透過率であっても、この値が０．１５以上であれば、ウエハ上のポジ型のレジストが現像により溶解すると仮定したエクスポージャ・スレッシュ・モデルを適用している。

そのため、目標寸法７０ｎｍの孤立パターンを形成する場合、ホールパターン１の中心が位置６００ｎｍであるから、そのエッジを含む位置６００±３５ｎｍ（５６５ｎｍ〜６３５ｎｍ）での相対光強度の値を、いずれの透過率であっても、０．１５以上となるようにしている。

また、補助パターン２ａ，２ｂに相当する位置の最大光強度は、図５〜図７に示すように、いずれの透過率であっても、０．１程度に合わせた。このようにすれば、上記した補助パターン２ａ，２ｂの転写性は、いずれの透過率でも、
（補助パターンの最大光強度）/（目標寸法になる光強度）＝０．１/０．１５＝０．６７
となり、０．７未満であるので、ウエハ上に転写されることはない。

次に、図８〜図１０を用いて比較例であるマスク１０Ａの光強度分布を示す。図８では透過率０％、図９では透過率６％、そして図１０では透過率１２％のマスク１０Ａについてそれぞれ示している。図中、横軸は図３に示したマスク１０ＡのＡ−Ａ線上の位置を示しており、縦軸は相対光強度を示している。また、目標寸法７０ｎｍの孤立パターンを形成するために、図８に示す透過率０％、及び図９に示す透過率６％のマスク１０Ａでは、位置５６５ｎｍ〜６３５ｎｍでの相対光強度の値を、０．１５以上とし、また、補助パターン２ａに相当する位置の最大光強度を０．１程度とした。即ち、図８、図９に示したマスク１０Ａでの補助パターン２ａの転写性も、マスク１０と同様に０．６７とした。

さらに、図１０に示す透過率１２％のマスク１０Ａでは、位置５６５ｎｍ〜６３５ｎｍでの相対光強度の値を、０．２３以上とし、補助パターン２ａの最大光強度を０．１５とした。これにより、補助パターン２ａの転写性は、０．１５／０．２３＝０．６５となり、他の場合での転写性と略同じ値となった。

このように、本実施形態のマスク１０と、比較例でのマスク１０Ａとは、焦点深度を比較するために、補助パターンの転写性を揃えていることが理解できる。そして以下では、図１１〜図１３を用いて、マスク１０の焦点深度と転写されたホールパターン１の寸法（図中では、ホール寸法と示す）との関係を示し、さらに、図１４〜図１６を用いて、比較例であるマスク１０Ａの焦点深度とホール寸法との関係を示した。

図１１〜図１３は、本実施形態のマスク１０でのフォーカスとホール寸法の関係を示す。図１１では透過率６％、図１２では透過率１２％、そして図１３では透過率２０％のマスク１０についてそれぞれ示している。ここでは、シリコン基板上に、反射防止膜１００ｎｍとレジスト３５０ｎｍとが積層された構造を有するウエハを用いた。図中、横軸はフォーカスオフセット（ｎｍ）とし、レジスト表面に焦点面が一致するときをフォーカスオフセット０ｎｍとし、焦点面が上に移動する方向をフォーカスオフセットのプラスとした。また、露光量は、フォーカスオフセットが−１００ｎｍのとき目標寸法７０ｎｍの孤立パターンが開口されるように設定した。さらに、焦点深度は、目標寸法７０ｎｍから±２０％以内の寸法（５６ｎｍ〜８４ｎｍ）の孤立パターンが開口されるフォーカスオフセットの範囲とした。なお、ここでは遮光領域４ａ，４ｂの透過率を０％として計算を行った。

その結果、図１１〜図１３に示すように、いずれの透過率のマスク１０であっても、フォーカスオフセットの範囲が−１５０ｎｍ〜−２５ｎｍとなり、比較的広い焦点深度１２５ｎｍが得られた。さらに、焦点深度に対するホール寸法の変動は、図１１、図１３に示す透過率６％や２０％であるマスク１０に比べて、図１２に示す透過率１２％のマスク１０の方が若干小さくなった。従って、透過率１２％のマスク１０によれば、広い焦点深度を得られるだけでなく、ウエハ上に孤立パターンをより安定して形成することができる。そのため、透過率は１２％が最適と考えられる。なお、透過率の最適値は、光学条件及びマスク寸法により変化する。特に、矩形状パターンであるホールパターン１の寸法Ｈは、透過率の最適値に大きな影響を与え、例えば寸法Ｈを小さくすると最適値が低めにシフトし、寸法Ｈを大きくすると高めにシフトする傾向がある。

図１４〜図１６は、比較例であるマスク１０Ａでのフォーカスとホール寸法の関係を示す。図１４では透過率０％、図１５では透過率６％、そして図１６では透過率１２％のマスク１０Ａについてそれぞれ示している。その結果、マスク１０Ａでは、図１５に示す透過率６％のとき、焦点深度が最大となった。しかし、この場合、フォーカスオフセットの範囲は−１２５ｎｍ〜−７５ｎｍとなり、焦点深度は５０ｎｍに過ぎず、本実施形態のマスク１０で得られたような広い焦点深度は得られなかった。

従って、本実施形態のマスク１０によれば、ホールパターン１、ハーフトーン領域３、補助パターン２ａ、遮光領域４ａ、補助パターン２ｂ、そして補助パターン２ｂの外周の遮光領域４ｂに分けて透過率を最適化することにより、比較例のマスク１０Ａに比べて、焦点深度を向上させることが可能である。

これは、マスク１０では、ホールパターン１、ハーフトーン領域３、補助パターン２ａ、遮光領域４ａ、補助パターン２ｂ、そして遮光領域４ｂと配置されることで、ホールパターン１の中心からの距離に対して、透過率が異なることにより、マスク透過光の振幅分布がいわゆるベッセル関数に近似された結果と考えることができる。

次に、本実施形態に係るマスク１０の製造工程の一部である描画データの作成方法について、図１７〜図１９を用いて説明する。以下ではマスク１０のホールパターン１及び補助パターン２ａのみを示しているが、上記補助パターン２ｂの描画データについても補助パターン２ａと同様に作成される。補助パターン２ａは、８角形状を有しており、ホールパターン１を１８０度以上取り囲んでいるので、必ず斜めパターンの部分を含んでいる。

一例として、図１７に示される補助パターン２ａは、斜めパターン２１を含む。本実施形態での描画データの作成方法では、斜めパターン２１を、複数の方形パターン（矩形状パターン）２２ａで近似している。この矩形状パターン２２ａの描画データは、プロセスバイアスによる寸法シフトを考慮しており、さらに、矩形状パターン２２ａの寸法をマスク描画レジストの限界解像度程度の寸法とするようにした。

このようにすれば、不図示のマスク描画装置から照射される電子ビームの鈍りやレジストの解像性能により、矩形状パターン２２ａによる段差がマスク１０に生じることなく、斜めパターン２１を含む補助パターン２ａを描画することができる。さらに、斜めパターン２１を、微細矩形ではなく、上記した複数の矩形状パターン２２ａで近似することにより、マスク描画における矩形数を低減できるから、マスク描画に要する時間を短縮できる。

図１８は、他の描画データの作成方法により近似された補助パターン２ａを示している。補助パターン２ａに含まれる斜めパターン２１は、図示のように、上記矩形状パターン２２ａよりも大きな矩形状パターン２２ｂで近似される。この矩形状パターン２２ｂの寸法が、例えば、マスク描画レジストの限界解像度程度の寸法以上となり、マスク描画で斜めパターン２１に段差が残ってしまう場合であっても、この段差を、ウエハ上への転写に用いる露光装置の限界解像力以下にすれば、ウエハ上の光強度分布では段差情報は無くなり、斜めパターン２１と同じ光強度を得ることができる。

上記のようにすれば、マスク１０の斜めパターン２１に段差が生じても、ウエハ上に転写された際、その段差は生じることがなく、さらに、マスク描画における矩形数をより低減できるから、マスク描画に要する時間をより短縮できる。

図１９は、更に他の描画データの作成方法により近似された補助パターン２ａを示している。ここでは、補助パターン２ａに含まれる斜めパターン２１は、図示のように、その角が重なり合うように配置された複数の矩形状パターン２２ｃで近似されている。このような描画データにおいても、プロセスバイアスを考慮した補正を行っており、さらに、斜めパターン２１を微細形状ではなく、矩形状パターン２２ｃで近似しているので、矩形数が増加することを防止して、マスク描画に要する時間を短縮できる。

上記実施形態では、ＡｒＦエキシマレーザー露光に用いられる透過型のマスクについて説明したが、これに限定されず、波長及びマスクの方式（例えば反射型）によらず適用できる。また、図２（ｆ）に示す工程では、塩素系ガスのドライエッチングを用いるようにしたが、これに限定されず、硝酸第２セリウムアンモニュウムを含む水溶液等で選択的に遮光膜１３を除去してもよい。

図１９に示すマスクの描画データに対しては、プロセスバイアスのみ考慮したが、これに限定されず、プロセスバイアスに加えて、電子線描画の近接効果や露光装置のレンズ特性等を考慮してもよい。また、ホールパターン１に光近接効果補正（ＯＰＣ：Optical Proximity Correction）を行うことで、ホールパターン１が微細な段の付いたパターンとなった場合には、上記補助パターン２ａと同様に描画データでの矩形数を低減し、かつ、でき上がりのマスクパターンで最適な寸法となるようにしてもよい。なお、この場合には、プロセスバイアスを考慮した補正は不要としてもよい。

図１７〜図１９で示した補助パターン２ａ，２ｂは、８角形としたが、これに限定されず、ホールパターン１の少なくとも２辺を取り囲み、斜めパターンを含む形状であれば、適宜の多角形であっても上記描画データの作成方法を適用できる。

上記実施形態では、遮光領域４ａ，４ｂの透過率を０％として計算を行ったが、ウエハ上の光強度分布にほとんど影響がなく、実用的に遮光領域とみなすことができる範囲であれば、これに限定されず、例えば透過率を０．１％程度としてもよい。従来からマスクの透過率は、ＯＤと呼ばれる透過強度のｌｏｇ値（オプティカルデンシティ：Optical Density）で表され、ＯＤ−３〜ＯＤ−５の範囲で使用されている。上記実施形態の遮光領域４ａ，４ｂは、ホールパターン１から離れているので、従来のマスクと比べて完璧な遮光性は必要とされず、透過率１％程度でもホールパターン１の露光特性に影響は及ぼさない。ただし、マスク作製の点では、一般的な遮光膜を用いることが好ましいので、この場合、ハーフトーン膜１２と遮光膜１３の重なった遮光領域４ａ，４ｂの透過率を、０．００１％（ＯＤ−５）程度としてもよい。

本発明の露光用マスクでは、以下の態様の採用が可能である。半透明領域（３）の透過率が、好ましくは１０〜１４％の範囲であり、例えば１２％程度である。これにより、焦点深度に対する、ウエハ上に形成されるパターンの寸法の変動が、例えば透過率が６％や２０％である場合に比べて小さくなる。その結果、焦点深度を向上させ、かつ、ウエハ上にパターンをより安定して形成できる。

遮光領域（４ａ，４ｂ）の透過率が、０．１％以下である。この場合、ウエハ上の光強度分布にほとんど影響がなく、実用的に遮光領域とみなすことができる。

補助パターン（２ａ，２ｂ）は、矩形状パターン（１）を取り囲むように配置されている。この場合、矩形状パターンの中心からの距離に対するマスク透過光の振幅分布が、どの方向でも略同様となり、矩形状パターンの全ての各辺での焦点深度を向上できる。

斜めパターン（２１）が、複数の方形パターン（２２ａ）で近似される。これにより、微細矩形を用いて斜めパターンを描画する場合に比べて、矩形数を低減でき、描画に要する時間を短縮できる。

本発明のパターン形成方法では、以下の態様の採用が可能である。露光光は、直線偏光である。この場合、直線偏光を用いることで、パターンの露光特性を改善できる。

露光光が、輪帯照明を構成する２次光源から得られ、直線偏光の偏光方向が、輪帯照明の半径方向に垂直である。この場合、斜入射照明法のうちパターンの方向依存性がなく汎用性が高い輪帯照明に加えて、輪帯照明の半径方向に対して垂直な方向に偏光している直線偏光を用いるので、パターンの露光特性をより改善できる。

本発明の露光用マスクの製造方法では、以下の態様の採用が可能である。寸法シフトが、ドライエッチング時のレジスト後退により発生する。これにより、描画データは、プロセスバイアスを考慮していることになり、この描画データに基づいてマスク描画を行うことで、マスクに目標とする寸法のパターンを形成できる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の露光用マスク、パターン形成方法及び露光用マスクの製造方法は、上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明の実施形態に係る露光用マスクを示す平面図。 （ａ）〜（ｆ）は、露光用マスクの主要な製造工程を示す工程図。 比較例のハーフトーン位相シフトマスクを示す平面図。 露光用マスクに対して露光光を照明する輪帯照明を例示する瞳面の平面図。 図１の露光用マスクが透過率６％であるときの光強度分布を示す図。 図１の露光用マスクが透過率１２％であるときの光強度分布を示す図。 図１の露光用マスクが透過率２０％であるときの光強度分布を示す図。 図３の露光用マスクが透過率０％であるときの光強度分布を示す図。 図３の露光用マスクが透過率６％であるときの光強度分布を示す図。 図３の露光用マスクが透過率１２％であるときの光強度分布を示す図。 図１の露光用マスクが透過率６％であるときのフォーカスとホール寸法の関係を示す図。 図１の露光用マスクが透過率１２％であるときのフォーカスとホール寸法の関係を示す図。 図１の露光用マスクが透過率２０％であるときのフォーカスとホール寸法の関係を示す図。 図３の露光用マスクが透過率０％であるときのフォーカスとホール寸法の関係を示す図。 図３の露光用マスクが透過率６％であるときのフォーカスとホール寸法の関係を示す図。 図３の露光用マスクが透過率１２％であるときのフォーカスとホール寸法の関係を示す図。 本実施形態に係る露光用マスクの製造工程の一部である描画データの作成方法を示すためのホールパターン及び補助パターンの平面図。 他の描画データの作成方法を示すためのホールパターン及び補助パターンの平面図。 更に他の描画データの作成方法を示すためのホールパターン及び補助パターンの平面図。 （ａ）〜（ｃ）は、代表的な斜入射照明の例を示す瞳面の平面図。

符号の説明

１：ホールパターン
２ａ，２ｂ：補助パターン
３：ハーフトーン領域
４ａ，４ｂ：遮光領域
１０：露光用マスク
１１：透明基板
１２：ハーフトーン膜
１３：遮光膜
１４：レジスト
１５：マスク基板
２０：光源部

Claims (21)

1. 露光光の限界解像度以上の寸法を有する透明領域からなる矩形状パターンと、
   前記矩形状パターンの周辺に配置され、前記限界解像度未満の幅寸法を有する透明領域からなる８角形の第１の補助パターンと、
   前記矩形状パターンと前記第１の補助パターンの間に配置され、前記矩形状パターン及び前記第１の補助パターンを透過する透過光に対して逆位相を与える半透明領域と、
   前記第１の補助パターンの周辺に配置され、前記限界解像度未満の幅寸法を有する透明領域からなる８角形の第２の補助パターンと、
   前記第１の補助パターンと前記第２の補助パターンの間に配置される第１の遮光領域と、
   前記第２の補助パターンの外周に配置される第２の遮光領域とを有することを特徴とする露光用マスク。
2. 前記矩形状パターンの中心と前記第１の補助パターンの幅の中心との間隔が、前記第１の補助パターンの前記幅の中心と前記第２の補助パターンの幅の中心との間隔と等しいことを特徴とする請求項１に記載の露光用マスク。
3. 前記第１の補助パターンの前記幅と前記第２の補助パターンの前記幅とが等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の露光用マスク。
4. 前記半透明領域の透過率が、１０〜１４％の範囲である、請求項１から３のいずれかに記載の露光用マスク。
5. 前記第１の遮光領域および前記第２の遮光領域の透過率が、０．１％以下である、請求項１から４のいずれかに記載の露光用マスク。
6. 前記第１の補助パターンは、前記矩形状パターンを取り囲むように配置され、前記第２の補助パターンは前記第１の補助パターンを取り囲むように配置されている、請求項１から５のいずれかに記載の露光用マスク。
7. 前記第１の補助パターンおよび前記第２の補助パターンは、前記矩形状パターンの各辺に対して傾斜した斜めパターンを含む、請求項６に記載の露光用マスク。
8. 前記斜めパターンが、複数の方形パターンで近似される、請求項７に記載の露光用マスク。
9. 請求項１〜８の何れか一に記載の露光用マスクを用いて露光を行い、ウエハ上にパターンを形成するパターン形成方法であって、
   前記露光用マスクに対して、斜入射照明法により露光光を照明することを特徴とするパターン形成方法。
10. 前記露光光が直線偏光である、請求項９に記載のパターン形成方法。
11. 前記露光光が、輪帯照明を構成する２次光源から得られ、前記直線偏光の偏光方向が、前記輪帯照明の半径方向に垂直である、請求項１０に記載のパターン形成方法。
12. 請求項８に記載の露光用マスクの製造方法であって、
    前記方形パターンの寸法を、前記露光用マスクの生成過程で発生する寸法シフトを補正した寸法とすることを特徴とする露光用マスクの製造方法。
13. 前記寸法シフトが、ドライエッチング時のレジスト後退により発生する、請求項１２に記載の露光用マスクの製造方法。
14. 請求項１に記載の露光用マスクの製造方法であって、
    透明基板上に半透明膜及び遮光膜を順次形成するステップと、
    前記半透明領域、前記第１の遮光領域および前記第２の遮光領域をマスクし、前記矩形状パターン領域、前記矩形状パターン領域を取り囲む前記第１の補助パターン領域および前記第１の補助パターン領域を取り囲む前記第２の補助パターン領域を開口する第１の開口を有する第１のマスク膜を形成するステップと、
    前記第１のマスク膜をマスクとして、前記第１の開口内に露出する前記遮光膜および前記半透明膜を順次エッチングし、前記矩形状パターン、前記第１の補助パターン及び前記第２の補助パターンからなる透明領域を形成するステップと、
    前記第１のマスク膜を除去するステップと、
    前記第１の遮光領域、前記第２の補助パターン領域および前記第２の遮光領域をマスクし、前記半透明領域および前記矩形状パターン領域を開口する第２の開口を有する第２のマスク膜を形成するステップと、
    前記第２のマスク膜をマスクとして、前記第２の開口内に露出する前記遮光膜を除去して前記半透明膜を残存させ、前記半透明領域を形成するステップと、
    前記第２のマスク膜を除去するステップと、
    を有することを特徴とする露光用マスクの製造方法。
15. 前記第２の補助パターンは、前記第１の補助パターンの幅の中心と前記第２の補助パターンの幅の中心との間隔が、前記矩形状パターンの中心と前記第１の補助パターンの前記幅の中心との間隔と等しく形成されることを特徴とする請求項１４に記載の露光用マスクの製造方法。
16. 前記第２の補助パターンの前記幅と前記第１の補助パターンの前記幅とが等しいことを特徴とする請求項１４または１５に記載の露光用マスクの製造方法。
17. 前記第２の開口の開口範囲は、前記矩形状パターンの中心から前記８角形の形状を有する前記第１の補助パターンの幅方向の中心線までを含む請求項１４から１６のいずれかに記載の露光用マスクの製造方法。
18. 前記半透明領域の透過率が、１０〜１４％の範囲である、請求項１４から１７のいずれかに記載の露光用マスクの製造方法。
19. 前記第１の遮光領域および前記第２の遮光領域の透過率が、０．１％以下である、請求項１４から１８のいずれかに記載の露光用マスクの製造方法。
20. 前記第１の補助パターンおよび前記第２の補助パターンは、前記矩形状パターンの各辺に対して傾斜した斜めパターンを含む、請求項１４に記載の露光用マスクの製造方法。
21. 前記斜めパターンが、複数の方形パターンで近似される、請求項２０に記載の露光用マスクの製造方法。

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