JPH04366841A - フォトマスク及びこれを用いた露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子製造のリソ
グラフィ工程において、被投影原版として用いられるフ
ォトマスク（レチクルともいう）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造のリソグラフィ工程にお
いて、被投影原版として用いられるフォトマスクは、一
般的には、透明基板上にクロム等の金属からなる遮光パ
ターンが形成された構造をなしており、フォトマスクを
透過照明し、投影光学系によって遮光パターンの像をウ
エハ面上に結像することにより、所望の回路パターンを
ウエハ面に転写している。

【０００３】図３（ａ）　は、光透過部（基板裸面部）
１０２と遮光部（図中遮光部に斜線を付す）１０１とが
交互に繰り返されるラインアンドスペースパターンが形
成された従来のフォトマスクの平面構造を模式的に示し
たもので、かかるフォトマスクの振幅透過率は図３（ｂ
）　のようになる。図に示されるように、振幅透過率は
ラインアンドスペースパターンの遮光部１０１で低く（
＝０）、光透過部１０２で高くなり、隣り合う一対の遮
光部１０１と光透過部１０２が図３（ａ）　のパターン
の基本周期Ｐとなる。

【０００４】また、近年、投影像のコントラストを高め
るために、光透過部の特定の箇所に透過光の位相を変化
させる位相シフト部を設けた位相シフトマスクが種々提
案されている。例えば、特公昭６２−５０８１１号公報
には、空間周波数変調型の位相シフトマスクに関する技
術が開示されている。

【０００５】図４（ａ）　は空間周期数変調型の位相シ
フトマスクの平面構造を模式的に示したもので、ライン
アンドスペースパターンの一つおきの光透過部１０２ｂ
に位相部材が付加され、遮光部１０１を介して隣り合う
光透過部１０２ａ，１０２ｂを透過した光の位相はπず
れることになる。この位相シフトマスクの振幅透過率を
図４（ｂ）　に示す。図に示されるように、位相部材が
付加された光透過部１０２ｂと位相部材が付加されてい
ない光透過部１０２ａを透過した光の振幅は正負が反転
するため、光透過部１０２ａ（位相部材なし）−遮光部
１０１−光透過部１０２（位相部材有り）−遮光部がパ
ターンの基本周期Ｐとなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の技術においては、近年の半導体素子の高集積化に
伴なう回路パターンの微細化に対応できないという問題
点がある。即ち、上述した位相シフトマスクに使用する
ことにより、ある程度結像性能が向上することが認めら
れているが、今だ要求される微細パターンを解像し得る
解像力は確保されていない。

【０００７】この発明は、かかる点に鑑みてなされたも
のであり、光の振幅と位相以外の第三の情報を利用する
ことにより、より高い解像力が得られるフォトマスクを
提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のフォトマスクは
、投影転写すべきパターンが透明基板上に形成され、上
記の課題を達成するために、前記透明基板の光透過部に
、相互に直交する各偏光状態に変換する少なくとも２種
の偏光部材が設けられたものである。

【０００９】本発明で用いられる少なくとも２種の偏光
部材は、具体的には、次の１〜３の偏光を生じる部材で
あり、１〜３の何れの場合も生じる偏光同志は相互に直
交する各偏光状態である。 １．振動方向（本明細書でいう振動方向は特に断わらな
いかぎり電気ベクトルの振動方向である）が互いに直交
する２つの直線偏光。 ２．右回転の円偏光と左回転の円偏光。 ３．長軸の方向が直交し、かつ回転方向が反対である２
つの楕円偏光。

【００１０】

【作用】一般的に用いられる露光装置においては、フォ
トマスクが透過照明されることにより、フオトマスクに
形成されたパターンに応じた回折光が発生し、発生した
回折光が投影光学系によって再び像面上に集められてパ
ターンの像が形成される。この際、高い次数の回折光ま
で投影光学系に取り込まれる程、得られる像の原図に対
する忠実度が良くなる。従って、回折角が小さければ、
開口数（ＮＡ）の小さい露光装置でもパターンの解像が
可能となる。換言すれば、同じ開口数（ＮＡ）の露光装
置を用いるとすれば、回折角を小さくできるフォトマス
ク程、更に細かいパターンまで解像できるという事にな
る。

【００１１】ところで、波動光学の分野で周知のように
、パターンの基本周期をＰとすると、回折角θは、Ｐｓ
ｉｎ　θ＝ｎλ（ｎ＝０，±１，±２，…）　　…（１
）を満たす方向に出る。ここで、λは波長、ｎは回折光
の次数を表わす。

【００１２】（１）　式から容易に解る様に、周期Ｐが
大きい程、回折角θは小さくなる。先に説明した図３と
図４を比較すると、位相シフトマスク（図４）でのライ
ンアンドスペースパターンの基本周期Ｐは、位相部材を
付加していない従来のフォトマスク（図３）の基本周期
Ｐの２倍の大きさになっている。このため、図４の位相
シフトマスクで生じる回折光の回折角は、図３のフォト
マスクに比べて小さくなり、より高い次数の回折光まで
投影光学系に取りこまれることになる。このことが、位
相シフトマスクを用いることで結像性能の向上が図られ
る主たる理由の１つとなっている。

【００１３】ここで、露光装置の開口数が非常に大きけ
れば、回折角の大きい回折光まで取りこむことができる
わけであるが、露光装置の開口数はいくらでも大きくで
きるというものではなく、得られる像の焦点深度等を含
む総合的な結像性能を考慮して設定されており、露光装
置の側で解像限界を引き伸すには限界がある。パターン
の微細化が進んで周期Ｐが一定以下になれば、±１次回
折光すら像面に到達しないことになり、解像不能となる
。

【００１４】そこで、本発明では、従来利用されていな
かった光の偏光という特質を用いて、パターンの周期Ｐ
を拡大することによって、解像力の向上を図っている。 以下、図３のラインアンドスペースパターンに本発明を
適用した場合（図１参照）を例にとって、本発明の作用
を具体的に説明する。図１において、遮光部１を介して
隣り合う光透過部２ａ，２ｂには、互いに直交する方向
に振動する光を透過させる偏光部材がそれぞれ付加され
ている。図中矢印は、光透過部２ａ，２ｂを透過できる
光の振動方向を示し、ここでは直交する２つの偏光状態
をそれぞれＡ，Ｂと呼ぶことにする。

【００１５】一般に、光は２種の直交する偏光状態の和
で表現できるので、偏光Ａ，Ｂについてそれぞれ独立に
考える。まず、偏光Ａに注目すると、光透過部２ａはそ
のまま通過できるが、光透過部２ｂについては透過する
ことができず、光透過部２ｂは偏光Ａにとっては光不透
過部となる。その為、偏光Ａで観測した図１（ａ）　の
パターンの振幅透過率は、図１（ｂ）　のＡで示した状
態となり、一つおきの光透過部２ａでのみ透過率が高く
なる。

【００１６】同様に、偏光Ｂに注目して考えると、光透
過部２ｂは透過できるが、光透過部２ａは偏光Ｂにとっ
ては光不透過部となる。即ち、偏光Ａの場合とは透過で
きる箇所が逆転し、偏光Ｂで観測したパターンの振幅透
過率は、図１（ｂ）　のＢで示した状態となる。

【００１７】これらのことから、２つの直交偏光Ａ，Ｂ
が互いに分離されてフオトマスクを透過する図１場合の
パターンの基本周期Ｐは、光透過部２ｂ（偏光Ａの光不
透過部）−遮光部１−光透過部２ａ（偏光Ｂの光不透過
部）−遮光部１となり、偏光Ａと偏光Ｂの平均状態の光
が従来のフォトマスクを透過する場合（前述した図３の
場合）に比べてパターンの基本周期Ｐが２倍の大きさと
なることがわかる。このことは、同じ開口数の露光装置
を用いたとしても、２つの直交偏光Ａ，Ｂがそれぞれ透
過する偏光部材を付加した図１のフォトマスクを用いる
ことによってより高い解像を得られる事を示している。

【００１８】また、本発明は位相シフトマスクにも適用
でき、偏光部材と位相部材を組み合わせて光透過部に付
加することにより（詳細は後述）、更にパターンの周期
を大きくすることも可能である。

【００１９】

【実施例】

実施例１ 本発明の第１実施例を図１を参照して説明する。図にお
いて、露光光に対して透明な基板上には、クロム等から
なる遮光部１が所定のピッチで配列されており、ライン
アンドスペースパターンが形成されいる。遮光部１を介
して隣り合う光透過部２ａ，２ｂには、振動方向が直交
し、かつ、振動方向がパターンの辺に対して４５度に傾
いた方向（理由は後述）にある２つの直線偏光Ａ，Ｂを
透過させる偏光部材がそれぞれ設けられている。この偏
光部材は、遮光パターン形成面側に設けても良いし、遮
光パターンとは反対側に設けても良いものである。

【００２０】かかるフォトマスクにおいては、偏光Ａに
ついては光透過部２ｂが光不透過部となり、偏光Ｂに対
しては光透過部２ａが光不透過部となり、Ａ，Ｂそれぞ
れの偏光の振幅透過率は図１（ｂ）　のようになる。即
ち、本実施例におけるパターンの基本周期Ｐは、作用の
項でも説明したように、偏光部材を付加しない場合の２
倍となり、その分だけ透過光の回折角が小さくなる。こ
れにより、同じ露光装置を用いたとしても、従来のフォ
トマスクに比べて解像力が向上することになる。

【００２１】さてここで、本実施例において、偏光Ａと
偏光Ｂの振動方向をパターンの辺に対して４５度に傾い
た方向とした理由について説明する。直線偏光には、電
気ベクトルの振動方向が入射面に対して垂直なＴＥ（ｔ
ｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　）偏光状態と
、磁気ベクトルの振動方向が入射面に垂直、即ち、電気
ベクトルの振動方向が入射面内にあるＴＭ（ｔｒａｎｓ
ｖｅｒｓｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　）偏光状態があり、フ
ォトマスクに照射される光は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の平
均状態となっている。仮に、光透過部２ａにＴＥ偏光（
図１（ａ）　のパターンと平行な方向に電気ベクトルが
振動）のみを透過させる偏光部材を設け、光透過部２ｂ
にＴＭ偏光（図１（ａ）　のパターンの配列方向に電気
ベクトルが振動）のみを透過させる偏光部材を設けたと
すると、次のような問題がおこる。

【００２２】即ち、フォトマスクが透過照明されると、
フォトマスクからは各次数の回折光が生じ、回折次数の
異なる光は入射面内の異なる光路を通って結像面に到達
することになるが、ＴＥ偏光の場合は回折次数が異なっ
ても電気ベトクルの振動方向が常に入射面に垂直な方向
に揃うことになり、回折光同志の干渉効果が最大となる
。一方、ＴＭ偏光の場合は、回折角の差に対応して異な
る次数の回折光の電気ベクトルの振動方向がずれること
になり、回折光同志の干渉効果が低下する。

【００２３】従って、像面においては、ＴＥ偏光が透過
する光透過部２ａに対応する部分の光強度が大きく、そ
れに比べてＴＭ偏光が透過する光透過部２ｂに対応する
部分の光強度が低くなり、一連のラインアンドスペース
パターン内で明部の明るさが異なることになる。本実施
例では、このような明るさの差が生じること回避するた
めに、光透過部２ａ，２ｂで透過させる光の振動方向を
、パターンの辺に対して４５度傾けており、パターン像
の明部ではＴＥ偏光の場合とＴＭ偏光の場合の中間の光
強度が得られる。なお、パターン像の明部の光強度が均
一でなくとも良い場合は、偏光Ａ，Ｂの振動方向は互い
に直交していさえすれば、振動方向自体は特に限定され
るものでないことは言うまでもない。

【００２４】また、図１の例では直交偏光Ａ，Ｂを与え
る２種類の偏光部材のみを用いているが、本発明のフォ
トマスクに使用する偏光部材は３種類以上であって良い
。パターンの配列方向などが異なる箇所でそれぞれのパ
ターンに見合った偏光部材を用いることは勿論、１連の
パターン内で３種類以上の偏光部材を用いても良い。

【００２５】実施例２ 次に、本発明と位相シフトマスクを組み合わせた実施例
について、図２を参照して説明する。図２（ａ）　にお
いて、透明基板上には、クロム等の遮光部１が所定のピ
ッチで配列されてラインアンドスペースパターンが形成
されており、遮光部１を介して隣り合う光透過部２ｃ，
２ｄには、振動方向が相互に直交し、かつ、振動方向が
パターンの辺に対して４５度に傾いた方向にある２つの
直線偏光Ａ，Ｂを透過させる偏光部材がそれぞれ設けら
れている。そして、本実施例では、遮光部１を介して隣
接し、それぞれ直交する２つの偏光Ａ，Ｂを透過させる
偏光部材が付加された２つの光透過部２ｃと２ｄを１組
として、１組おきに透過光の位相をπ変化させる位相部
材が付加されている。

【００２６】このような構成のフォトマスクの振幅透過
率は図２（ｂ）　に示されるようになる。まず、偏光Ａ
は、光透過部２ｃのみを通過でき、光透過部２ｄは偏光
Ａにとっては光不透明部となり、更に、同じ偏光部材が
付加された光透過部２ｃの中でも最も近い光透過部２ｃ
同志の振幅は反転することになる。偏光Ｂについては、
偏光Ａが透過できる光透過部２ｃが光不透過部となり、
偏光Ａの場合と同様に、最も近い光透過部２ｄ同志の振
幅は反転することになる。

【００２７】従って、図２におけるパターンの基本周期
Ｐは、光透過部２ｄ（位相部材なし）−遮光部１−光透
過部２ｃ（位相部材あり）−遮光部１−光透過部２ｄ（
位相部材あり）−遮光部１−光透過部２ｃ（位相部材な
し）−遮光部１となり、図３の従来例に比べてパターン
の基本周期Ｐが４倍となる。従って、図２のフォトマス
クを用いれば、同じ露光装置を用いたとしても、図３の
フォトマスクに比べてずっと微細なパターンまで解像可
能となる。

【００２８】ここで、位相部材と偏光部材の組み合わせ
方については、図２の例に限定されるものではないこと
は言うまでもないが、振動方向の直交する光は互いに干
渉しないので、この点を考慮して各部材を配置すること
が望ましい。図２（ａ）　において、偏光Ａと偏光Ｂは
干渉せず、偏光Ａ同志、偏光Ｂ同志が干渉することにな
るので、光透過部２ｃだけ又は光透過部２ｄだけに位相
部材を付加したとすると、同一方向に振動する光同志の
位相は変化しないから、位相部材を付加してもしなくて
も同じことになる。

【００２９】また、直交する２つの偏光Ａ，Ｂをそれぞ
れ透過させる偏光部材に加えて第３の方向に振動する偏
光Ｃを透過させる偏光部材を付加した場合には、偏光Ａ
，Ｂと偏光Ｃが部分的に干渉することになるので、近接
した光透過部に３種以上の偏光部材を設ける場合には各
偏光の干渉に留意することが望まれる。

【００３０】位相シフトマスクについては、遮光部を介
して隣合う光透過部の一方に位相シフト部材を付加する
空間周波数変調方式（図４で説明したフオトマスクや特
公昭６２−５０８１１号公報に記載フォトマスク）の他
、厚さの異なる位相部材を設ける多段方式、遮光パター
ンの周縁部に位相シフト部材からなる補助パターンを設
ける補助パターン方式、遮光部と光透過部の境界に位相
シフト部材を設けるエッジ強調方式等種々の方式が提案
されているが、本発明は何れの方式の位相シフトマスク
にも適用できるものである。図２の例のように位相部材
と偏光部材を組み合わせて付加する他、回路パターンに
よっては、ある領域で位相部材のみを付加し、別の領域
では偏光部材のみを付加するようにしても良い。また、
転写すべきパターン像の暗部に対応する箇所に必ずしも
遮光膜を設ける必要はなく、位相シフト部材だけでパタ
ーン形成しても良い。例えば、位相シフト部材を市松格
子状に配置することよって遮光膜を用いなくとも暗部が
得られる。

【００３１】なお、図１，図２の実施例では、振動方向
が直交する直線偏光に変換する偏光部材を用いる例につ
いて説明したが、本発明における偏光部材は、振動方向
が時間とともに回転する円偏光，楕円偏光を生じる偏光
部材であっても良い。円偏光を利用する場合は、図１，
図２の遮光部を介して隣接する光透過部の一方に右回転
の円偏光を透過する偏光部材を付加し、他方の光透過部
に左回転の円偏光を透過する偏光部材を付加すれば良い
。楕円偏光を利用する場合は、長軸の方向が直交し、か
つ回転方向が反対の楕円偏光を透過させる偏光部材をそ
れぞれ付加すれば良い。

【００３２】また、上記の説明においては、透過型のフ
ォトマスクについて述べてきたが、透明基板上に反射部
材（反射膜）を設けた反射型マスクについても、反射部
に偏光部材を付加することによって透過型フォトマスク
と同様に解像力を高めることができる。反射型フォトマ
スクは、フォトマスクを落射照明して、反射膜からの反
射光を結像光学系で集めて像を形成するものてあり、光
透過部が像の暗部、反射部が像の明部に対応するので、
上述の透過型フォトマスクの光透過部を反射部、遮光部
を光透過部と置き換えて考えれば良い。

【００３３】

【発明の効果】以上の様に本発明のフォトマスクにおい
ては、相互に直交する各偏光状態の光をそれぞれ透過さ
せる少なくとも２種の偏光部材を光透過部に設けている
ので、パターンの基本周期を大きくすることができる。 パターンの周期が大きくなれば、それだけフォトマスク
で生じる回折光の回折角が小さくなり、同じ開口数の露
光装置を用いたとしても、解像力の向上を図ることが可
能となる。また、本発明のフォトマスクは、近年開発さ
れた位相シフトマスクと組み合わせることもでき、従来
不可能であった微細パターンの解像を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）　は本発明の第１実施例によるフォトマ
スクの模式的な平面図、（ｂ）　は図１（ａ）　のフォ
トマスクの振幅透過率を示す説明図である。

【図２】（ａ）　は本発明の第２実施例によるフォトマ
スクの模式的な平面図、（ｂ）　は図２（ａ）　のフォ
トマスクの振幅透過率を示す説明図である。

【図３】（ａ）　は従来の一般的なフォトマスクの模式
的な平面図、（ｂ）　は図３（ａ）　のフォトマスクの
振幅透過率を示す説明図である。

【図４】（ａ）　は従来の位相シフトマスクの模式的な
平面図、（ｂ）　は図４（ａ）　の位相シフトマスクの
振幅透過率を示す説明図である。

【符号の説明】

１　　遮光部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　投影転写すべきパターンが透明基板上
   に形成されたフォトマスクにおいて、前記透明基板の光
   透過部に、相互に直交する各偏光状態に変換する少なく
   とも２種の偏光部材が設けられたことを特徴とするフォ
   トマスク。
2. 【請求項２】　　前記偏光部材が設けられた光透過部の
   一部に、透過光の位相を変化させる位相部材が配置され
   たことを特徴とする請求項１記載のフォトマスク。