JPH0950114A - ホトマスク及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 遮光パターンの段差に起因する位相シフト膜
の膜厚分布を防止し、マスク内の所望領域で均一な位相
差が得られるホトマスクを提供する。 【構成】 ホトマスクにおいて、解像限界以下のパター
ンからなる段差緩和領域を所望のパターンの周辺に配置
し、その上に位相シフト膜を形成する。 【効果】 遮光パターンの段差の影響の無い、均一な位
相差をマスク全面で得ることができる。特に、素子チッ
プの中央部と周辺部での位相誤差を無くすことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パターン転写に用いる
ホトマスク、特に、照明光の位相を変える処理を施した
ホトマスク及びそれを用いたパターン転写技術並びにそ
れを用いた半導体装置の製造技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】ホトマスクのマスクパターンを転写する
露光装置の解像力を向上させる技術の一つとして、マス
ク透過光に位相差を導入する方法が有る。例えば特開平
２−７８２１６号公報においては、露光光に位相差を与
えるための位相シフト膜として塗布珪素化合物を用いた
例が開示されている。また、例えば特開昭６２−１８９
４６８号公報においては、露光光に位相差を与える方法
としてマスク基板の一部をエッチングする例が開示され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記位相シフト膜に塗
布珪素化合物を用いる方法では、遮光パタンの段差の影
響で位相シフト膜の膜厚にばらつきが生じる問題があっ
た。図９にその様子を示す。図９（ａ）に示すように、
ガラス基板２１上に遮光パターン(遮光膜)２２が形成さ
れている。この上に塗布珪素化合物からなる位相シフト
膜２３を塗布すると、遮光パターン２２の面積が多い領
域２６から遮光パターン２２の面積が少ない領域２４に
かけて位相シフト膜２３の膜厚が変化してしまう。すな
わち、遮光パターン２２の面積が多い領域２６では厚
く、遮光パターン２２の面積が少ない領域２４では薄く
位相シフト膜２３が形成される。この位相シフト膜２３
をガラス基板２１が露出するまでエッチングすると、図
２（ｂ）に示すような構造のホトマスクとなり、マスク
内全面において所望の均一な位相差を実現することは困
難である。

【０００４】この問題を解決するため、特開平３−２５
９１４７号公報では遮光パターンの段差を平坦化する平
坦化層を設けている。しかし、この方法では、ホトマス
クを形成するための工程数が増加し、煩雑になる点が欠
点であった。

【０００５】これに対し、図１０に示すように、基板に
エッチング処理を施し、基板に位相差を与える方法にお
いては、位相制御がエッチングの精度に依存し、遮光パ
ターンの密度などに影響されない。しかし、図１０
（ａ）に示すように、遮光パターン３２を形成した後、
遮光パターン３２をマスクとして基板３１を異方性エッ
チングするため、遮光パターン３２の端部とシフタ端３
３がほぼ重る構造となる。このような構造の場合、透過
部の端部に高い壁ができた構造となり、透過光の光量が
低下する現象が発生する。これを防止する方法として、
図１０（ｂ）に示すように、遮光パターン３２にシフタ
端が隠れる構造にする。基板のエッチングの異方性を崩
してエッチングが遮光パターンの下側３４に食い込むよ
うにする方法が知られている。しかし、この構造では、
遮光パターンがひさし状になり、機械的強度が劣化する
という問題がある。

【０００６】本発明の目的は、遮光パターンの段差に起
因する位相シフト膜の膜厚分布を防止し、ホトマスク内
の所望領域で均一な位相差が得られるホトマスクを提供
することにある。

【０００７】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
になるであろう。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。

【０００９】上記目的は、投影すべき遮光パターン群の
周辺に、解像限界以下の遮光パターンを投影すべき遮光
パターンの面積比率と同じ比率で配置した補助パターン
群を配置することにより達成される。この補助パターン
群の面積は、塗布型位相シフト膜の流動の及ぶ範囲をカ
バーする必要がある。通常３０μｍから５０μｍ程度以
上必要である。この値は、位相シフト膜の塗布特性に依
存するものであり、これに限定されない。

【００１０】

【作用】本発明は塗布型の位相シフタ膜の塗布特性を利
用したもので、塗布膜の厚さは遮光パターンの密度に依
存して変化する特性を利用した。すなわち、寸法が解像
限界以下でも面積比率が同じであれば塗布膜厚は同じで
ある。したがって、実際に形成したいパターン群の周辺
に、前記パターン群と同じ面積比率の解像限界以下のパ
ターンを配置することにより、実際に形成したいパター
ン群内では位相シフト膜の塗布膜厚は均一化される。マ
スク上では解像限界以下のパターンが存在しても、ウエ
ーハ上には投影されず、実質的には遮光部とみなされ、
塗布膜厚が周辺に向かって変化するためのバッファ領域
としてのみ作用する。図１に本発明のマスク構造を示
す。

【００１１】図１（ａ）に示すように、通常の方法と同
様にマスク基板１１上に遮光膜１２からなる、投影すべ
き所望の透明パターン群１４、および、この周辺に解像
限界以下の透明パターンから構成される補助パターン群
１５を形成する。その外側は遮光領域１６である。この
上に塗布型の位相シフト膜１３を形成する。このとき、
位相シフト膜の膜厚は補助パターン群１５内から遮光領
域１６にかけて徐々に厚く形成され、投影すべき所望の
透明パターン１４内では、ほぼ均一な膜厚で形成され
る。ここで、補助パターン群は解像限界以下の寸法とし
たが、これに限定されない。実際にウエーハに転写する
パターンでも良い。素子の特性に悪影響の無いパターン
であれば特に問題無い。あるいは、実際のパターンで補
助パターンを兼ねることも可能である。

【００１２】つぎに、図１（ｂ）に示すように、所望の
領域の位相シフト膜を通常と同様にエッチングする。こ
こで、補助パターン上の全面に位相シフト膜１３を配置
したが、これに限定されない。全面を除去する、あるい
は、透明パターンに交互にシフタを配置するなど、特に
制限は無い。以上の工程により、ホトマスク上で転写す
べきパターンが配置された領域１４では均一な位相差が
得られ、良好なパターン転写が実現できる。又、ホトマ
スクの白黒を反転しても、ほぼ同様の結果が得られる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００１４】（実 施 例 １）実施例１は、本発明のホ
トマスクの製造方法について説明する。図２はホトマス
クの製造方法を説明するための断面図である。

【００１５】まず、透明なマスク基板４１上に遮光膜４
２を被着する。ここで、マスク基板４１には石英を用
い、遮光膜４２にはＣｒ膜を用いたがこれに限定されな
い。遮光膜に反射防止処理を施した構造や、透過率を制
御した構造でも適用できる。

【００１６】次に、遮光膜４２に通常の方法でパターン
ニングを施し、図２（ａ）に示すように、ウエーハに転
写する転写パターン群４３、ウエーハに転写しない解像
限界以下の寸法に設定された補助パターン群である段差
緩和領域４４、遮光領域４５の夫々を形成する。

【００１７】次に、図２（ｂ）に示すように、転写パタ
ーン群４３上、段差緩和領域４４上及び遮光領域４５上
を含むマスク基板４１上の全面に位相シフト膜４６を形
成する。位相シフト膜４６には塗布珪素化合物ＳＯＧ
(Ｓpin Ｏn Ｇlass)を用いたがこれに限定されない。例
えば、有機膜やＳＯＧに添加剤を加えた物など、露光光
を透過する膜であれば特に制限は無い。膜厚は透過光の
位相を１８０°反転させるのに必要な膜厚にすることが
必要である。本実施例のホトマスクは波長３６５［ｎ
ｍ］の紫外線を光源とする投影露光装置用であり、３６
５［ｎｍ］の光に対し、シフト膜の屈折率は約１．４５
であり、位相を反転するのに必要な膜厚ｄは、ｄ＝λ／
｛（２（ｎ−１）｝の式からｄ＝４０６ｎｍとなる。こ
の膜厚は、転写パターン群４３内の透明部上の膜厚４６
Ａを示しており、通常の平坦面上での膜厚は少し薄く形
成される。転写パターン群４３内の透明パターンの面積
比率が５０％で、遮光膜４２の膜厚が１００［ｎｍ］の
時、転写パターン群４３内の膜厚４６Ａが４０６［ｎ
ｍ］に成る条件の場合、広い平坦面上での位相シフト膜
４６の膜厚４６Ｂは、およそ３５６［ｎｍ］になる。転
写パターン群４３と遮光領域４５の間の段差緩和領域４
４内において、遮光膜上の位相シフト膜４６の膜厚は遮
光領域４５に向かって徐々に厚く形成されており、転写
パターン群４３内での膜厚変動を防止するためのバッフ
ァ領域として働いていることが分かる。

【００１８】次に、開口部の一方に位相差を与えるた
め、図２（ｃ）に示すように、ホトレジスト膜４７に通
常の方法で開口パターン４８を形成する。

【００１９】次に、ホトレジスト膜４７の開口パターン
４８から露出する位相シフト膜４６を通常のエッチング
法でエッチングする。この結果、図２（ｄ）に示すよう
に、２つの開口部を透過する露光光に１８０°の位相差
を与えることのできる高解像度のホトマスクが形成され
る。このホトマスクのパターンを縮小投影露光法でウエ
ーハに転写したところ、パターン対称性の良い良好なパ
ターンが形成できた。

【００２０】次に、前述の製造方法で形成されたホトマ
スクのパターン配置を図３に示す。図３は、ホトマスク
内の代表的な部分の平面図であり、段差緩和領域及び解
像限界以下のパターンを透明線パターンで形成した例で
ある。図中、符号５１はホトマスクの遮光領域であり、
符号５２及び５３は投影するパターンからなる転写パタ
ーン群であり、符号５４及び符号５５は短寸法が解像限
界以下の透明線パターン群からなる段差緩和領域であ
り、符号５６及び符号５７は位相シフトパターンであ
る。

【００２１】ホトマスクを用いる縮小投影露光装置は、
レンズのＮＡが０．５、露光波長が３６５［ｎｍ］であ
る。この時、解像限界以下の寸法とは約０．１８［μ
ｍ］以下の寸法であり、その寸法Ｌは、Ｌ＝α・λ／２
ＮＡ（ただし、ＮＡは投影レンズの開口数、λは露光波
長、α≦０．５）で表される。すなわち、投影露光装置
の解像特性に合わせてパターン寸法を決める必要があ
る。転写パターン群５２の透明パターンの面積比率は５
０％なので、段差緩和領域５４は０．１８［μｍ］幅の
透明線パターンを０．３６［μｍ］ピッチで配列し、面
積比率を５０％とした。また、転写パターン群５３の透
明パターンの面積比率は３０％なので、段差緩和領域５
５は０．１８［μｍ］幅の透明線パターンを０．６μｍ
ピッチで配列し、面積比率を３０％とした。また、段差
緩和領域を今回は線パターンで形成したが、ホールパタ
ーンで形成することもできる。この場合もホールパター
ンの面積比率を転写パターンの面積比率に合わせれば、
同じ結果が得られる。前述の方式では転写パターン群内
の面積比率の調整は行わなかったが、転写パターンどう
しの面積比率を合わせ込むことにより、より高精度な位
相差をホトマスク全面で得ることができる。例えば、転
写パターン群の透明パターン密度が５０％の部分と、３
０％の部分が混在すると、その上に塗布されるＳＯＧ膜
厚が異なり、位相誤差が生じる。この場合は、透明パタ
ーンの密度が大きい方に面積比率を合わせれば良い。例
えば面積比率３０％の転写パターン群の領域に解像限界
以下の透明パターンを配置し、面積比率が５０％になる
ように調整することが有効である。

【００２２】（実 施 例 ２）実施例２は、半導体記憶
素子を１個配置し、その周辺に段差緩和層を配置したホ
トマスクについて説明する。図４はホトマスクの平面図
である。図中、符号６１はマスク基板であり、符号６２
は半導体記憶素子のメモリマット部であり、符号６３は
周辺回路部であり、符号６４は段差緩和部である。な
お、ここでは半導体記憶素子の主要部のみを示したが、
これに限定されない。このホトマスクは半導体メモリ素
子を作成する工程の１工程に用いるものであり、配線パ
ターンを転写するためのマスクである。このホトマスク
ではメモリマット部６２に微細パターンを用いており、
位相シフトパターンを配置した。周辺回路部６３には微
細パターンが含まれないため、位相シフトパターンは配
置しなかった。

【００２３】図５にメモリマット部周辺部での位相シフ
トパターンの位相差分布を示す。図５において、図５
(ａ)は従来のホトマスクにおける位相差分布であり、図
５(ｂ)は図６(ａ)のａ−ａ’位置での本発明のホトマス
クの位相差分布である。従来のホトマスクの場合、メモ
リマット端部付近で＋７ degの位相誤差が発生している
ことが分かる。これに対して、本発明のホトマスクでは
段差緩和層で位相誤差を吸収しているため、メモリマッ
ト内では位相誤差はほとんど発生しないことがわかる。
なお、本実施例では配線層形成用のマスクについて説明
したが、これに限定されない。例えば、電極接続用の穴
パターン形成用ホトマスクや、拡散層形成用ホトマス
ク、素子分離用ホトマスクなどに適用した結果において
も同様の結果が得られた。また、ホトマスク内に複数の
素子チップを配置した場合でも同様である。

【００２４】（実 施 例 ３）実施例２は本発明のホト
マスクを用いた半導体記憶素子の製造方法について説明
する。図６は半導体記憶素子の製造方法を説明するため
の断面図である。

【００２５】まず、半導体基板７１を用意する。半導体
基板７１は例えば単結晶珪素からなるｐ型半導基板で形
成される。

【００２６】次に、前記半導体基板７１の素子分離領域
(非活性領域)の表面上に周知の選択酸化法で素子分離用
絶縁膜７２を形成する。

【００２７】次に、前記半導体基板７１の表面上に例え
ば厚さ１５０ｎｍの多結晶珪素膜と厚さ２００ｎｍの酸
化珪素膜を積層した構造のワード線７３を形成し、その
後、化学気相成長法を用いて例えば１５０ｎｍの酸化珪
素膜を被着し、異方的に加工してワード線７３の側壁に
酸化珪素膜のサイドスペーサ７４を形成する。

【００２８】次に、前記半導体基板７１の素子形成領域
の表面にｎ型不純物を導入し、図６(ａ)に示すように、
ソース領域及びドレイン領域である一対のｎ型拡散層７
５を形成する。

【００２９】次に、図６(ｂ)に示すように、通常の工程
を経て多結晶珪素膜又は高融点金属シリサイド膜、或は
これらの積層膜などから成るデータ線７６を形成する。

【００３０】次に、図６(ｃ)に示すように、通常の工程
を経て多結晶珪素膜からなる蓄積電極７８を形成する。
その後、タンタルオキサイド膜(Ｔａ₂Ｏ₅)、窒化珪素膜
（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化珪素膜(ＳiＯ₂)、強誘電体膜、或は
これらの複合膜などを被着し、キャパシタ用絶縁膜７９
を形成する。その後、多結晶珪素膜、高融点金属膜、高
融点金属シリサイド膜、或はアルミニウム(Ａｌ)膜、銅
(Ｃｕ)膜等の低抵抗な導体を被着し、プレート電極８０
を形成する。

【００３１】次に、図６(ｄ)に示すように、通常の工程
を経て配線８１を形成する。その後、通常の配線層形成
工程やパッシベーション工程を施すことにより、メモリ
素子が形成される。なお、ここでは、代表的な製造工程
のみを説明したが、これ以外は通常の製造工程を用い
る。この半導体装置の製造工程におけるホトリソグラフ
ィ工程では、一部の工程に本発明のホトマスクを用いた
縮小投影露光装置でパターンの転写を行っている。

【００３２】次に、ホトリソグラフィ技術で形成したパ
ターンについて図７を用いて説明する。

【００３３】図７(ａ)は第１の半導体素子のパターンの
一例を示す。符号８２はワード線であり、符号８３はデ
ータ線であり、符号８４はアクティブ領域であり、符号
８５は蓄積電極であり、符号８６は電極取り出し孔のパ
ターンである。ホトリソグラフィ工程の中から微細パタ
ーンの解像が必要な工程に本発明のホトマスクを用いて
いる。図７(ａ)に示したパターンのすべてが本発明のマ
スクを用いて形成される。具体的には、本発明のホトマ
スクを用いて被加工物上にホトレジスト膜からなるパタ
ーンを形成し、このパターンに基づいて前記被加工物を
加工することにより形成される。

【００３４】図７(ｂ)は第２の半導体素子のパターンの
一例を示す。符号８７はワード線であり、符号８８はデ
ータ線であり、符号８９はアクティブ領域であり、符号
９０は蓄積電極であり、符号９１は電極取り出し孔のパ
ターンである。この例においても、ここに示したパター
ンすべての形成に本発明のマスクを用いている。ここに
示したパターン形成以外でも最小設計ルールを用いてい
るパターンを含むホトマスクには位相シフト膜を用いる
必要があり、本発明のホトマスクを用いる。

【００３５】本発明のホトマスクを用いて形成した半導
体素子の特性は、従来法のホトマスクを用いて形成した
半導体素子の特性と比較すると特性が良好であった。具
体的にはワード線の線幅のばらつきが小さいことから、
（１）データの読みだしスピードが速く特性が安定して
いる。（２）蓄積電極の面積のばらつきが小さいことか
らデータの保持特性が安定している。等の特性の改善が
実現できた。また、半導体装置の良品取得歩留まりも従
来法では４０％以下であったのが、７０％以上に向上で
き、明らかな改善効果が得られた。

【００３６】次に、本発明のパターン形成方法を実現す
る投影露光装置の構成について、図８を用いて説明す
る。

【００３７】光源１０１から発する光は、フライアイレ
ンズ１０２、コンデンサレンズ１０３、ミラー１０４及
びコンデンサレンズ１０５を介してホトマスク１０６を
照明する。ホトマスク１０６上には異物付着によるパタ
ーン転写不良を防止するためのペリクル１０７が設けら
れている。ホトマスク１０６上に描かれたマスクパター
ンは、投影レンズ１０８を介して試料基板であるウエー
ハ１０９上に投影される。なお、ホトマスク１０６はマ
スク位置制御手段１１７で制御されたマスクステージ１
１８上に載置され、その中心と投影レンズ１０８の光軸
とは正確に位置合わせがなされている。ウエーハ１０９
は、試料台１１０上に真空吸着されている。試料台１１
０は、投影レンズ１０８の光軸方向すなわちＺ方向(縦
方向)に移動可能なＺステージ１１１上に載置され、さ
らにＸＹステージ１１２上に搭載されている。Ｚステー
ジ１１１及びＸＹステージ１１２は、主制御系１１９か
らの制御命令に応じてそれぞれの駆動手段１１３、１１
４によって駆動されるので、所望の露光位置に移動可能
である。その位置はＺステージ１１１に固定されたミラ
ー１１６の位置として、レーザ測長機１１５で正確にモ
ニターされている。また、ウエーハ１０９の表面位置
は、通常の露光装置が有する焦点位置検出手段で計測さ
れる。計測結果に応じてＺステージ１１１を駆動させる
ことにより、ウエーハ１０９の表面は常に投影レンズ１
０８の結像面と一致させることができる。

【００３８】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。

【００３９】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００４０】遮光パターンの段差に起因する位相シフト
膜の膜厚分布を防止し、マスク内の所望領域で均一な位
相差が得られるホトマスクを提供できる。

【００４１】透光パターンの密度に影響されることな
く、隣合う透過パターンの位相差が高精度に制御された
ホトマスクを提供できる。

【００４２】また、半導体素子の特性の安定化及び製造
歩留まりを大幅に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための断面図。

【図２】本発明の実施例１であるホトマスクの製造方法
を説明するための断面図。

【図３】本発明の実施例１であるホトマスクの平面図。

【図４】本発明の実施例２であるホトマスクの平面図。

【図５】本発明の実施例２であるホトマスクの位相差分
布図。

【図６】本発明の実施例３である半導体素子の製造方法
を説明するための断面図。

【図７】本発明の実施例４である半導体素子のパターン
の平面図。

【図８】前記半導体素子のパターンを形成する投影露光
装置の概略構成図。

【図９】従来のホトマスクの断面図。

【図１０】従来のホトマスクの断面図。

【符号の説明】

１１，２１，３１，４１，６１…マスク基板、１２，２
２、３２、４２…遮光膜、１３，２３，４６…位相シフ
ト膜(位相反転膜)、４７…ホトレジスト膜、１５，４
４，５４，５５，６４…段差緩和領域、９２…素子分離
領域、６２…メモリマット部、７３，８２，８７…ワー
ド線、７６，８３，８８…データ線、８０…プレート電
極、７８，８５，９０…蓄積電極、１０８…投影レン
ズ、１１２…ＸＹステージ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板上に遮光パターンが配置され、
   その上部に位相シフト膜が配置されたホトマスクであっ
   て、解像限界以下の透明パターン群を素子パターン周辺
   に配置したことを特徴とするホトマスク。
2. 【請求項２】 透明基板上に遮光パターンが配置され、
   その上部に位相シフト膜が配置されたホトマスクであっ
   て、位相シフト膜の塗布膜厚を均一にするための透明パ
   ターンを転写すベきパターン周辺に配置したことを特徴
   とするホトマスク。
3. 【請求項３】 透明基板上に遮光パターンが配置され、
   その上部に位相シフト膜が配置されたホトマスクであっ
   て、位相シフト膜の膜厚を均一にするための解像限界以
   下の透明パターンを転写すべきパターン周辺に配置した
   ことを特徴とするホトマスク。
4. 【請求項４】 前記位相シフト膜は塗布珪素化合物であ
   ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれ
   か１項に記載のホトマスク。
5. 【請求項５】 解像限界以下の透明パターン群が半導体
   記憶素子のメモリマット部周辺に配置されたホトマスク
   を少なくとも用いて作成したことを特徴とする半導体装
   置。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項３のうちいずれか１
   項に記載のホトマスクを用いて被加工物上にホトレジス
   ト膜からなるパターンを形成し、このパターンに基づい
   て前記被加工物を加工する工程を備えたことを特徴とす
   る半導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 解像限界以下の寸法が、その寸法をＬと
   すると、Ｌ＝α・λ／２ＮＡ（ただし、ＮＡは投影レン
   ズの開口数、λは露光波長、α≦０．５）であることを
   特徴とする請求項１又は請求項３に記載のホトマスク及
   び請求項５に記載の半導体装置。