JPH1012543A - 位相シフトマスクを用いたパターンの形成方法 - Google Patents

位相シフトマスクを用いたパターンの形成方法

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JPH1012543A
JPH1012543A JP18130096A JP18130096A JPH1012543A JP H1012543 A JPH1012543 A JP H1012543A JP 18130096 A JP18130096 A JP 18130096A JP 18130096 A JP18130096 A JP 18130096A JP H1012543 A JPH1012543 A JP H1012543A
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shift mask
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pattern
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Shuji Nakao
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 メモリデバイスのように密集したパターンに
おいて、フォーカスが多少ずれても微細ホールパターン
の形成を可能とする位相シフトマスクを用いたホールパ
ターンの形成方法を提供する。 【解決手段】 フォトレジストの所定領域に第1の露光
を行なった後、第2の露光を行ない、その後現像が行な
われる。この第1および第2の露光を行なう際には、各
々位相シフトマスクが用いられる。この位相シフトマス
クは、互いに180°異なる位相を透過する2つの透過
部の間に遮光膜3を有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、位相シフトマスク
を用いたパターンの形成方法に関するものであり、より
特定的には単一のフォトレジストに位相シフトマスクを
用いて二重露光を行なうパターンの形成方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体集積回路における高集積化
および微細化には目ざましいものがある。それに伴い、
半導体基板(以下、単にウェハと称す)上に形成される
回路パターンの微細化も急速に進んできている。
【0003】中でも、フォトリソグラフィ技術がパター
ン形成における基本技術として広く認識されるところで
ある。よって、今日までに種々の開発、改良がなされて
きている。しかし、パターンの微細化は留まるところを
知らず、パターンの解像度向上への要求もさらに強いも
のとなってきている。
【0004】このフォトリソグラフィ技術とは、ウェハ
上に塗布されたフォトレジストにマスク(原画)上のパ
ターンを転写し、その転写されたフォトレジストを用い
て下層の被エッチング膜をパターニングする技術であ
る。このフォトレジストの転写時において、フォトレジ
ストに現像処理が施されるが、この現像処理によって光
の当たった部分のフォトレジストが除去されるタイプを
ポジ型、光の当たらない部分のフォトレジストが除去さ
れるタイプをネガ型のフォトレジストという。
【0005】一般に、縮小露光方法を用いたフォトリソ
グラフィ技術における解像限界R(nm)は、 R=k1 ・λ/(NA) と表わされる。ここで、λは使用する光の波長(n
m)、NAはレンズの開口数、k1 はレジストプロセス
に依存する定数である。
【0006】上式からわかるように、解像限界Rの向上
を図るためには、すなわち微細パターンを得るために
は、k1 とλとの値を小さくし、NAの値を大きくする
方法が考えられる。つまり、レジストプロセスに依存す
る定数を小さくするとともに、短波長化や高NA化を進
めればよいのである。
【0007】しかし、光源やレンズの改良は技術的に難
しく、また短波長化および高NA化を進めることによっ
て、光の焦点深度δ(δ=k2 ・λ/(NA)2 )が浅
くなり、却って解像度の低下を招くといった問題が生じ
てくる。
【0008】そこで、光源やレンズではなく、フォトマ
スクを改良することにより、パターンの微細化を図る研
究がなされている。最近では、パターンの解像度を向上
させる超解像技術のフォトマスクとして位相シフトマス
クが注目されている。以下、この位相シフトマスクの構
造およびその原理について通常のフォトマスクと比較し
て説明する。なお位相シフトマスクについては、レベン
ソン方式とハーフトーン方式とについて説明する。
【0009】図24(a)、(b)、(c)は、通常の
フォトマスクを使用したときのマスクの断面、マスク上
の電場およびウェハ上の光強度を示す図である。図24
(a)を参照して、通常のフォトマスクは、ガラス基板
101上に金属マスクパターン103が形成された構成
を有している。このような通常のフォトマスクでは、マ
スク上の電場は、図24(b)に示すように金属マスク
パターン103で空間的にパルス変調された電場とな
る。
【0010】しかし、図24(c)を参照して、パター
ンが微細化すると、フォトマスクを透過した露光光は光
の回折効果のためにウェハ上の非露光領域(金属マスク
パターン103により露光光の透過が遮られた領域)に
も回り込む。このため、ウェハ上の非露光領域にも光が
照射されてしまい、光のコントラスト(ウェハ上の露光
領域と非露光領域との光強度の差)が低下する。結果と
して、解像度が低下し、微細なパターンの転写を行なう
ことが困難となる。
【0011】図25(a)、(b)、(c)は、レベン
ソン方式の位相シフトマスクを使用したときのマスク断
面、マスク上の電場およびウェハ上の光強度を示す図で
ある。まず図25(a)を参照して、位相シフトマスク
では、通常のフォトマスクに位相シフタと呼ばれる光学
部材105が設けられている。
【0012】すなわち、ガラス基板101上にクロムマ
スクパターン103が形成され、露光領域と遮光領域と
が設けられ、この露光領域の1つおきに位相シフタ10
5が設けられている。この位相シフタ105は、透過光
の位相を180°変換する役割をなすものである。
【0013】図25(b)を参照して、上述のように位
相シフタ105を露光領域の1つおきに設けたため、位
相シフトマスクを透過した光によるマスク上の電場は、
その位相が交互に180°反転して構成される。このよ
うに隣接する露光領域間で光の位相が互いに逆位相とな
るため、光の干渉効果により逆位相の光の重なり合う部
分において光が互いに打消し合うことになる。
【0014】この結果、図25(c)に示すように、露
光領域間の境界において光の強度が小さくなり、ウェハ
上の露光領域と非露光領域とにおける光の強度差を十分
に確保することができる。これにより解像度の向上を図
ることが可能となり、微細なパターンの転写を行なうこ
とができる。
【0015】図26(a)、(b)、(c)は、ハーフ
トーン方式の位相シフトマスクを使用したときのマスク
断面、マスク上の電場およびウェハ上の光強度を示す図
である。まず図26(a)を参照して、このハーフトー
ン方式の位相シフトマスクにおいても、上述のレベンソ
ン方式と同様、位相シフタと呼ばれる光学部材106が
設けられている。
【0016】ただし、光学部材106は、ガラス基板1
01上の半透明膜103上にのみ形成されており、位相
シフタ106と半透明膜103との2層構造が設けられ
ている。この位相シフタ106は、上述と同様、透過光
の位相を180°変換する役割をなすものであり、半透
明膜103は、露光光を完全に遮ることなく露光光の強
度を減衰させる役割をなすものである。
【0017】図26(b)を参照して、上述のように位
相シフタ106と半透明膜103との2層構造を設けた
ため、マスク上の電場は、その位相が交互に180°変
換して構成され、かつ一方の位相の強度が他方の位相の
強度より小さくなる。つまり、位相シフタ106を透過
したことにより位相が180°変換され、かつ半透明膜
103を透過したことにより、現像後にフォトレジスト
を所定膜厚残存させるように光の強度が減衰する。隣接
する露光領域間で光の位相は互いに逆位相となるため、
逆位相の光が重なり合う部分において光が互いに打消し
合うことになる。
【0018】この結果、図26(c)に示すように、露
光パターンのエッジで位相が反転し、露光パターンのエ
ッジでの光強度を小さくすることができる。その結果、
半透明膜103を透過した領域と透過しない領域との露
光光の光強度の差が大きくなり、パターン像の解像度を
上げることが可能となる。
【0019】このように超解像技術としての位相シフト
マスクには、レベンソン方式、ハーフトーン方式などの
多種の方式がある。この超解像技術のうち、ホール系パ
ターンの形成に対して有効なものに、上述のハーフトー
ン方式の位相シフトマスクによる露光、補助パターン型
位相シフトマスクによる露光などがある。しかし、これ
らの露光による効果は十分ではなく、たとえば248n
mの波長のKrF光による露光では、200nmの開口
径のホール形成が実用限界ではないかと考えられてい
る。
【0020】一方、デバイスから要求されるホールの開
口径は既に150〜100nmレベルとなっており、こ
の微細ホールの形成は成膜、エッチングなどを採用した
径縮小技術によって実行されている。しかし、この方法
では、成膜、エッチングなど多数の工程が必要となり、
デバイス製造コストを著しく上昇させる原因となってい
る。
【0021】これを解決する先行技術として、特開平5
−197126号公報において開示されている方法があ
る。以下、この方法を従来の位相シフトマスクを用いた
パターン形成方法として説明する。
【0022】図27は、従来のパターン形成方法に用い
られる位相シフトマスクの構成を概略的に示す平面図で
あり、図28は、図27のG−G′線に沿う概略断面図
である。
【0023】図27と図28とを参照して、位相シフト
マスク210は、石英基板201上に位相シフタ203
a、203bのみが形成されて構成されている。石英基
板210の表面が第1および第2の領域201a、20
1bに等分されている。この第1の領域201aには長
手方向(図中Y方向)に延びる複数個の位相シフタ20
3aが並走して設けられており、第2の領域201bに
は短手方向(図中X方向)に延びる複数個の位相シフタ
203bが並走して設けられている。
【0024】露光は、上述した位相シフトマスク210
を用いてレジストを二重露光することにより行なわれ
る。具体的には、まず図29に示すようにフォトレジス
ト211に1回目の露光が行なわれる。この後、1回目
の露光における第2の領域201bと2回目の露光にお
ける第1の領域201aとが重なるように位相シフトマ
スク210をずらして2回目の露光が行なわれる。この
ように露光することで、1回目の露光における第2の領
域の位相シフタ203aと2回目の露光における第1の
領域201aの位相シフタ203aとが交差するように
フォトレジスト211に露光光が照射される。
【0025】この位相シフトマスク210を用いた露光
では、図30に示すように、位相シフタ203a、20
3bのシフタエッジ部203c、203dに対応すると
ころに微細暗線(光強度の最も小さい領域)が形成され
る。このため、この微細暗線が交差するように二重露光
を行なうと、微細暗線の交差部207に微細暗点が形成
される。
【0026】このようにして、ネガ型のフォトレジスト
211を感光させれば、この微細暗点207に微細な径
を有するホールパターンが形成される。またポジ型のフ
ォトレジスト211を感光させれば、この微細暗点20
7に微細な径を有するドットパターンが形成される。
【0027】この公報に記載の技術では、露光をi線
(波長:365nm)を用いて実施することにより、2
00nmの開口径を有するホールの形成を可能としてい
る。
【0028】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
パターン形成方法では、遮光膜を全く有しない位相シフ
トマスクが使用されている。このため、微細な径を有す
るホールパターンなどの形成は可能であるが、これは微
細暗線の間に十分な間隔がある場合、いわゆる孤立線の
場合においてのみ実現可能である。具体的には、図27
と図28とに示す位相シフトマスク210において、各
透過領域の間隔L1 もしくはL2 は、いわゆる可干渉距
離(i線で〜1.0μm、KrF光で〜0.7μm)以
上必要となる。よって、フォトレジストに形成されるホ
ールパターン間の間隔も必然的に大きくなり、たとえば
DRAM(Dynamic Random Access Memory)などのメモ
リデバイスなどに見られる密集したホール(ホール間の
間隔が小さい)を形成することができないという問題点
があった。
【0029】本願発明者は、以上のことを確認するた
め、遮光膜を全く有しない位相シフトマスクについて以
下に示すシミュレーションを行なった。
【0030】まず位相シフトマスクとして、図31と図
32とに示すように透明基板301上に一直線状に延び
る位相シフタ303を形成した一次元マスク(すなわち
ライン系)を用いた。なお、図32は、図31のH−
H′線に沿う概略断面図である。
【0031】この位相シフトマスクのシフタエッジが
0.5μm間隔(つまり間隔L3 とL4 とが0.5μ
m)の密集パターンと、2.0μm間隔(つまり間隔L
3 とL4とが2.0μm)の孤立パターンとの各々でフ
ォーカスオフセットΔFを0μmおよび1.0μmとし
て露光を行ない、ウェハ上の光強度を測定した。この露
光の条件として、開口数NAを0.45、コヒーレンシ
σを0.50とした。
【0032】この結果、フォーカスオフセットΔFを0
μmとしてジャストフォーカスとした場合には、図33
と図34とに示すように0.5μm間隔と2.0μm間
隔との双方で光のコントラストが十分に大きくなり、十
分に暗い線ができた。つまりシフタ形成領域での光強度
は、シフタエッジ部(図中0.4μm付近)の光強度よ
り十分に大きくなった。
【0033】またフォーカスオフセットΔFを1.0μ
mとしてフォーカスをずらした場合でも2.0μm間隔
では、図35に示すように光のコントラストが十分に大
きくなり、十分に暗い線ができた。
【0034】ところが、フォーカスオフセットΔFを
1.0μmとした場合、0.5μm間隔では図36に示
すように像が大きくぼけて光のコントラストが小さくな
った。
【0035】ここで、レジストのパターン形状は図中の
スライスレベルS(点線)で決まると考える。すると、
図35に示すように1.0μmのデフォーカスとした孤
立パターンでは、スライスレベルSよりも光強度の低い
領域が存在するため、パターンは存在することになる。
ところが0.5μm間隔の密集パターンでは、1.0μ
mのデフォーカスとすると、スライスレベルSよりも光
強度の低い領域が存在せずパターンがなくなってしま
う。
【0036】なおここでいうスライスレベルSとは、現
像によりレジストが除去されるか否か(もしくは残存さ
れるか否か)の基準となる光強度を示している。つま
り、スライスレベルS以上の光強度が照射された領域
は、レジストがポジ型の場合には現像により除去され、
レジストがネガ型の場合には現像により残存される。
【0037】以上のシミュレーションの結果より、遮光
膜を全く有しない位相シフトマスクでは、0.5μm間
隔のような密集パターンにおいて焦点深度DOFを十分
に確保できず、フォーカスが少しでもずれると微細パタ
ーンが形成できなくなることがわかる。
【0038】それゆえ、本発明の目的は、メモリデバイ
スのように密集したパターンにおいて、フォーカスが多
少ずれても微細パターンの形成を可能とする位相シフト
マスクを用いたパターン形成方法を提供することであ
る。
【0039】
【課題を解決するための手段】本発明の位相シフトマス
クを用いたパターンの形成方法は、ウェハに塗布された
フォトレジストの所定領域に第1の位相シフトマスクを
用いた第1の露光を行なった後、第2の位相シフトマス
クを用いた第2の露光を行なうパターンの形成方法であ
る。第1の位相シフトマスクは、第1の方向に向かって
互いに並走し、かつ互いに異なった位相で露光光を透過
する第1および第2の光透過部を有する基板と、並走す
る第1および第2の光透過部の間に位置する遮光膜とを
有している。第2の位相シフトマスクは、第2の方向に
向かって互いに並走し、かつ互いに異なった位相で露光
光を透過する第3および第4の光透過部を有する基板
と、並走する第3および第4の光透過部の間に位置する
遮光膜とを有している。第1の露光時の第1の位相シフ
トマスクの第1の方向と第2の露光時の第2の位相シフ
トマスクの第2の方向とが交差するように第1および第
2の露光が行なわれる。
【0040】本発明の位相シフトマスクを用いたパター
ンの加工方法では、第1および第2の位相シフトマスク
のパターンが交差するように二重露光を行なうため、微
小な開口径を有するホールパターン(もしくはドットパ
ターン)を形成することができる。
【0041】また逆位相の露光光を透過する第1および
第2の光透過部の間に遮光膜が用いられている。このた
め、密集したパターンにおいてフォーカスが多少ずれて
も、微細ホール(もしくは微細ドット)を形成すること
ができる。
【0042】好ましい1の局面によれば、第1および第
2の露光に用いられる露光光のコヒーレンシσは、0.
1以上0.3以下である。
【0043】コヒーレンシσが0.3より大きいと逆位
相の光の干渉の程度が小さくなりすぎ、逆位相の光の干
渉により解像度の向上を図る位相シフトマスクの効果を
有効に得ることができない。また、コヒーレンシσが
0.1より小さいと、光の干渉の程度が大きくなりす
ぎ、パターンの規則性の乱れる領域においてパターン形
状の不良が生じやすくなってしまう。
【0044】好ましいさらに他の局面によれば、第2の
露光を行なった後、フォトレジストの所定領域内であっ
て、第1の方向と第2の方向とが交差する領域の周縁領
域に露光光を照射する第3の露光がさらに行なわれる。
【0045】位相シフトマスクによる露光は、逆位相の
光の干渉により解像度の向上を図る技法である。このた
め、規則的に配置されたパターンを形成するときは、露
光光の干渉が規則的となるため、各パターンを均一な形
状に形成することができる。しかし、パターンの規則性
の乱れる領域では、露光光の干渉の規則性も乱れるた
め、パターンを均一な形状に形成し難い。
【0046】このため、第3の露光工程でパターンの規
則性の乱れる交差領域の周縁領域が露光される。これに
より、この周縁領域のパターンをなくし、均一な形状の
パターンのみを残存させることができる。
【0047】好ましいさらに他の局面によれば、第3の
露光における開口数NAは0.50以上であり、第3の
露光に用いられる露光光のコヒーレンシσは0.60以
上である。
【0048】第3の露光では、均一な形状のパターンが
形成し難い周縁領域のみに露光光を照射することが必要
である。このため、フォトレジストに転写される像のエ
ッジをシャープにする必要があり、露光光の干渉性を小
さくするとともに、高い空間周波数の露光光を通さなけ
ればならない。このため、開口数NAは0.50以上で
あり、露光光のコヒーレンシσは0.60以上であるこ
とが好ましい。
【0049】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図に基づいて説明する。
【0050】実施の形態1 本発明の実施の形態1における位相シフトマスクを用い
たパターン形成方法では、上述した従来例と同様、二重
露光が用いられる。しかし、この二重露光に用いられる
位相シフトマスクの構成が従来例の構成と異なる。
【0051】図1と図2とは、本発明の実施の形態1に
おけるパターン形成方法において第1の露光に用いられ
る第1の位相シフトマスクと第2の露光に用いられる第
2の位相シフトマスクとの構成を概略的に示す平面図で
ある。また図3は、図1のA−A′線に沿う概略断面図
である。
【0052】主に図1と図3とを参照して、二重露光に
おける第1の露光に用いられる第1の位相シフトマスク
10Aは、レベンソン型の位相シフトマスクであり、た
とえば石英からなる透明基板1とたとえばクロムよりな
る遮光膜3とを有している。
【0053】この第1および第2の光透過部Tn、Ta
は、互いに180°異なった位相で露光光を透過し、か
つ遮光膜3を挟んで交互に配置されている。また第1お
よび第2の光透過部Tn、Taと遮光膜3との各平面パ
ターンは、図中Y方向に向かう一直線に近いライン状の
ものである。第1および第2の光透過部Tn、Taの線
幅Wn、Waは略同一であり、遮光膜3の線幅Wsは有
限のものである。
【0054】主に図2を参照して、二重露光における第
2の露光に用いられる第2の位相シフトマスク10B
は、上述した第1の位相シフトマスク10Aと略同一の
構成を有している。このため、第2の位相シフトマスク
10BにおけるB−B′線に沿う断面は図3に示す断面
構造に対応する。
【0055】ただし、第2の位相シフトマスク10Bで
は、第1および第2の光透過部Tn、Taと遮光膜3と
が図中X方向に向かって一直線に近いライン状に形成さ
れている。
【0056】次に、本実施の形態の位相シフトマスクを
用いたパターン形成方法について説明する。
【0057】図4は、本発明の実施の形態1における位
相シフトマスクを用いたパターン形成方法を説明するた
めの図である。図4(a)は、二重露光における第1お
よび第2の位相シフトマスクの重なり具合を示す概略平
面図であり、図4(b)は図4(a)のC−C線および
E−E線に沿うウェハ上の光強度を示す図であり、図4
(c)は図4(a)のD−D線に沿うウェハ上の光強度
を示す図である。
【0058】図4(a)を参照して、ネガ型レジストを
塗布した半導体集積回路形成過程にある半導体基板の所
定領域に、縮小投影露光法により、第1の位相シフトマ
スク(図1)の像が露光される。続いて、上記の露光が
行なわれた領域と同一の領域に、第2の位相シフトマス
ク10B(図2)の像が露光される。この際、一直線状
に延びる第2の位相シフトマスクのパターンが、第1の
位相シフトマスクのパターンと略直交するように露光さ
れる。
【0059】また、この二重露光における各露光は、た
とえば開口数NAが0.55で、コヒーレンシσが0.
20の条件で行なわれる。
【0060】図4(b)を参照して、第1および第2の
位相シフトマスク10A、10Bの各光透過部Tn、T
aが重なる領域においては、第1および第2の位相シフ
トマスク10A、10Bの光透過部Tn、Taと遮光膜
3とが重なる領域におけるよりも、ウェハ上の光強度は
高くなる。
【0061】また図4(c)を参照して、第1および第
2の位相シフトマスク10A、10Bの各遮光膜3が重
なる領域においては、第1および第2の位相シフトマス
ク10A、10Bの光透過部Tn、Taと遮光膜3とが
重なる領域におけるよりも、ウェハ上の光強度は低くな
る。この遮光膜3同士が重なる領域におけるウェハ上の
光強度は0もしくはそれに近い値となる。
【0062】以上より、二重露光が行なわれたウェハ表
面における光強度の平面的分布は図5に示すようにな
る。
【0063】図5を参照して、図中黒い部分は光強度の
小さい領域を示しており、白い部分は光強度の大きい領
域を示している。そして図5中C−C線とD−D線とE
−E線との各々は、図4(a)中のC−C線とD−D線
とE−E線とに対応している。
【0064】このような露光処理が施された後、通常の
現像処理を行なうことにより、ネガ型レジストの場合、
暗部(図5中の黒色の領域)のフォトレジストが溶解除
去され、ホールパターンが形成される。またポジ型レジ
ストの場合、暗部以外のフォトレジストが溶解除去さ
れ、ドットパターンが形成される。
【0065】次に、本願発明者が、本実施の形態の二重
露光で得られる光学像を調べるために行なったシミュレ
ーションについて説明する。
【0066】このシミュレーションは、図1に示す線幅
Wn、Ws、Waが0.25μmとなる位相シフトマス
クを用いた。また、露光における露光条件を開口数N
A:0.55、コヒーレンシσ:0.20として、フォ
ーカスオフセットΔFが0μm(ジャストフォーカス)
と1.0μmとの双方の場合について調べた。このシミ
ュレーションにより得られた光学像を図6と図7とに示
す。なお図6がフォーカスオフセットΔFを0μmとし
た場合、図7がフォーカスオフセットΔFを1.0μm
とした場合の光学像を示している。
【0067】図6と図7とを参照して、フォーカスオフ
セットΔFを0μm、1.0μmとした双方の光学像に
おいて、十分に高いコントラストが得られた。特に図7
に示す光学像は、図36に示す従来例の光学像と比較し
ても十分にコントラストが高く、十分に暗い線を作るこ
とができた。
【0068】上記のシミュレーションの結果より、本実
施の形態のパターン形成方法を用いれば、従来例よりも
焦点深度を大きく確保でき、密集パターンの形成におい
てフォーカスが多少ずれても微細パターンを形成できる
ことがわかった。その理由は以下のように説明される。
【0069】通常、レベンソン型の位相シフトマスクを
用いた場合、このマスクには平行光(もしくは平行光に
近い光)が照射される。一方、図27と図28とに示す
遮光膜を有しない位相シフトマスクに平行光を照射する
と、レジストの寸法の安定性が保たれなくなる。このた
め、遮光膜を有しない位相シフトマスクには図8に示す
ように入射方向に広がりのある光41が照射される。
【0070】この光41はマスク10を透過した後、レ
ンズ31によってウェハ33上に結像される。入射方向
に広がりのある光41には、斜め入射光(成分)での結
像(成分)が多く存在する。このため、斜め入射光の結
像では、入射角が非対称の2光束41a、41bの干渉
により像ができる。
【0071】このとき、図9に示すように2光束(たと
えば+1次回折光および−1次回折光)41a、41b
の干渉により、光の明るい部分○と光の暗い部分●とか
らなる光の明暗ができる。ところが、この2光束41
a、41bの入射角が非対称であるため、光の明るい線
(○の連なる部分)および暗い線(●の連なる部分)は
焦点面の垂線(v−v線)に対して所定の角度θだけ傾
くことになる。
【0072】このため、焦点面から矢印Z1 もしくはZ
2 方向へ離れる(デフォーカスする)に従い、コントラ
ストは変わらないが像面内での光の明暗の位置がずれて
いくように像ができる。
【0073】実際の結像では、図8に示すように2光束
41a、41bを有する照明(実線)に対して対称な照
明(点線)がある。このため、上述のように像面が矢印
1もしくはZ2 方向へずれると、この照明(点線)に
よる像は上述した照明(実線)による像とは反対側へ移
動する。よって、図10に示すように照明(実線)によ
る干渉縞43aと照明(点線)による干渉縞43bとが
ずれてしまう。このため、これらの干渉縞43a,43
bでは、図11に示すように2つの干渉縞43a,43
bが重なった状態43、すなわち平行光を用いた像より
も、像のコントラストが小さくなる。
【0074】上述より、遮光膜を有しない位相シフトマ
スクでは、焦点深度が小さく、密集パターンの形成にお
いてはフォーカスが少しでもずれると微細パターンが形
成できなくなるものと考えられる。
【0075】一方、図1〜図3に示す本実施の形態のレ
ベンソン型の位相シフトマスクには、上述したように平
行光が照射される。このため、図12に示すように入射
角が対称な2光束41a、41bの干渉により像ができ
る。このとき図13に示すように、光の明るい線と光の
暗い線とは焦点面に対してほぼ垂直になる。よって、焦
点面から矢印Z1 もしくはZ2 方向へ離れても像は変化
しない。
【0076】よって、本実施の形態のパターン形成方法
では、密集したパターンにおいてフォーカスが多少ずれ
ても微細パターンを形成することができるものと考えら
れる。
【0077】また、本願発明者は、本実施の形態の方法
を用いて以下の〜に示すように実際にネガ型レジス
トにホールパターンを形成した。以下、その詳細につい
て説明する。
【0078】 まず、図1において線幅Wn、Ws、
Waを0.24μmとした第1の位相シフトマスク10
Aを用いてネガ型レジストに1回目の露光を行なった。
【0079】続いて、図2において線幅Wn、Ws、W
aが0.24μmの第2の位相シフトマスク10Bを用
いて、1回目の露光が行なわれた領域に2回目の露光を
行なった。この2回目の露光は、直線状に延びる第2の
位相シフトマスク10Bのパターンを、第1の位相シフ
トマスク10Aのパターンと略直交するように配置して
行なった。
【0080】この1回目および2回目の露光において
は、開口数NAを0.55、コヒーレンシファクタσを
0.15とし、露光エネルギを45mJ/cm2 とし
た。またネガ型レジストとして、住友化学(株)のPE
X−212の化学増幅型ネガレジストを0.735μm
の厚みで用いた。
【0081】この二重露光を、−1.2μm、−0.8
μm、0μm、+0.8μm、+1.2μmの各フォー
カスオフセットΔFで行なった。
【0082】この後、通常の現像処理を行なうことによ
り、暗部のレジストを溶解除去して、ホールパターンを
形成した。
【0083】この結果、図14〜図18のSEM写真に
示す結果が得られた。図14は−1.2μm、図15は
−0.8μm、図16は0μm(ジャストフォーカ
ス)、図17は+0.8μm、図18は+1.2μmの
各フォーカスオフセットΔFで作製したホールパターン
の開口形状を示している。
【0084】図15〜図17に示すようにフォーカスオ
フセットが−0.8μmから+0.8μmまでの場合に
は、ホールパターンが正常に形成されていることがわか
る。これにより、本実施の形態のパターン形成方法では
フォーカスマージンは1.6μm以上と十分に大きいこ
とがわかった。
【0085】なお図14と図18とに示すようにフォー
カスオフセットが−1.2μmと+1.2μmとの場合
には、ホールパターンが開口不全となった。これによ
り、フォーカスマージンは2.4μm未満であることも
わかった。
【0086】 また図1と図2とに示す線幅Wn、W
aが0.26μm、線幅Wsが0.12μmの第1およ
び第2の位相シフトマスク10A、10Bを用いて、二
重露光を行なってホールパターンを形成した。二重露光
の露光エネルギは各々48mJ/cm2 とし、かつジャ
ストフォーカスで各露光を行なった。なお、それ以外の
条件については上述のの条件と同じとした。これによ
り形成されたホールパターンの開口形状を示すSEM写
真を図19に示す。図19を参照して、このホールパタ
ーンは完全に開口しており、そのホールパターンの開口
径は写真中の測定値からもわかるように約0.09μm
であった。
【0087】これにより、本実施の形態のパターン形成
方法では、少なくとも0.09μmの微細な開口径を有
するホールパターンを形成できることがわかった。また
条件の設定によっては、これよりも微細な開口径を有す
るホールパターンの形成も可能であると考えられる。
【0088】 また図1と図2とに示す線幅Wn、W
s、Waを0.20μmとした第1および第2の位相シ
フトマスク10A、10Bを用いて、二重露光を行なっ
て密集したホールパターンを形成した。二重露光の露光
エネルギは各々33mJ/cm2 として、ジャストフォ
ーカスで露光を行なった。なお、それ以外の条件につい
ては上述のの条件と同じとした。このようにして形成
されたホールパターンの密集状態を示すSEM写真を図
20に示す。図20より、各ホールパターンが0.4μ
mピッチで形成されていることがわかる。また、このホ
ールパターンの開口径は0.15μmであった。
【0089】これにより、本実施の形態のパターン形成
方法では、少なくとも0.4μmの微細なピッチで密集
したホールパターンを形成できることがわかった。また
条件の設定によっては、これより微小なピッチで密集し
たホールパターンを形成することも可能であると考えら
れる。
【0090】また本実施の形態のパターン形成方法によ
りホールパターンを形成した場合のホールパターンの開
口径の変化に対する焦点深度DOFの変化についても調
べた。その結果を図21と図22とに示す。
【0091】図21と図22とは、フォーカスを変化さ
せたときのホールパターンの開口径の変化を露光量をパ
ラメータとして示したグラフである。また図21は、図
1と図2とにおいて線幅Wn、Ws、Waを0.24μ
mとした第1および第2の位相シフトマスク10A、1
0Bを用いて二重露光を行なった場合を示している。ま
た図22は、図1と図2とにおいて線幅Wn、Waを
0.26μmとし、線幅Wsを0.16μmとした第1
および第2の位相シフトマスク10A、10Bを用いて
二重露光を行なった場合を示したものである。
【0092】通常、焦点深度DOFは、ホールパターン
の開口径の±10%の範囲内でのフォーカスオフセット
ΔFの測定値で評価される。つまり、ホールパターンの
開口径がたとえば0.20μmのときには、0.18μ
m〜0.22μmの範囲内でのフォーカスオフセットΔ
Fで評価される。これに従えば、図21に示す場合にお
いては、焦点深度DOFは、ホールの開口径が〜0.2
0μm(200nm)のときには〜2.0μmであり、
ホールの開口径が〜0.16μm(160nm)では〜
1.6μmとなることがわかる。
【0093】また図22に示す場合においては、焦点深
度DOFは、ホールの開口径が〜0.12μm(120
nm)のときには〜1.0μmであり、ホールの開口径
が〜0.10μmのときには〜0.8μmとなることが
わかる。
【0094】この実験の結果からも、本実施の形態にお
けるパターン形成方法では、ホールパターンの各開口径
に対する焦点深度DOFを十分に大きくできることがわ
かる。
【0095】上述したように本実施の形態の二重露光に
用いられる第1および第2の位相シフトマスク10A、
10Bの双方は遮光膜3を有している。このため、従来
例と比較して大きな焦点深度を確保することができ、ゆ
えに密集したパターンにおいてフォーカスが多少ずれて
も微細パターンを形成することができる。
【0096】なお、上記の説明においては、フォトレジ
ストとしてネガ型レジストを用いたが、ポジ型レジスト
を用いた場合には、暗部以外のレジストが溶解除去さ
れ、微細なドットパターンが形成される。
【0097】上述した二重露光においては、露光光のコ
ヒーレンシσは0.1以上0.3以下であることが好ま
しい。以下、その理由について説明する。
【0098】コヒーレンシσとは、光の干渉の程度を表
すものであり、コヒーレンシσが小さいほど光の干渉の
程度が大きく、コヒーレンシσが大きいほど光の干渉の
程度が小さくなることを意味する。つまり、位相シフト
マスクは、逆位相の光の干渉により解像度の向上を図る
技法であるため、光の干渉の程度は大きいほど好まし
い。ゆえに、位相シフトマスクを用いる場合、コヒーレ
ンシσは0.3以下であることが好ましい。一方、光の
干渉の程度が大きくなりすぎると、パターンの規則性の
乱れる領域においてパターン形状の不良が生じやすくな
ってしまう。このため、コヒーレンシσは0.1以上で
あることが好ましい。
【0099】実施の形態2 実施の形態1の方法を用いることで、図12に示すよう
にたとえばDRAMのメモリセルアレイ領域MC上のレ
ジストに、密集したホールパターン13を規則的に配置
することができる。しかし、メモリセルアレイ領域MC
外では、メモリセルアレイ領域MC内のように規則正し
くホールパターンが配置して形成されるわけではない。
このため、メモリセルアレイ領域MCの外周(二点鎖
線)を境にしてパターンの規則性が崩れることになる。
【0100】位相シフトマスクによる露光は、上述した
ように逆位相の光の干渉により解像度の向上を図る技法
である。このため、規則的に配置されたパターンを形成
するときは、露光光の干渉が規則的となるため、各パタ
ーンを均一な形状に形成することができる。しかし、パ
ターンの規則性の乱れる領域では、露光光の干渉の規則
性も乱れるため、パターンを均一な形状に形成し難い。
このため、パターンの規則性の乱れる部分近傍の領域R
(ハッチング領域)では、ホールパターン13の開口径
Dが所定の寸法より大きく、もしくは小さくなり、ばら
ついてしまう。
【0101】そこで、本実施の形態では、実施の形態1
で説明した二重露光の後にさらに第3の露光を行なうこ
とにより上記の課題を解決する。
【0102】つまり、図12の領域Rのみを再度露光す
る。これにより、この領域Rのパターンをなくし、均一
な形状のパターンのみを残存させることができる。
【0103】この第3の露光では、均一な形状のパター
ンが形成し難い領域Rにのみ露光光を照射することが必
要である。このため、フォトレジストに転写される像の
エッジをシャープにする必要があり、露光光の干渉性を
小さくするとともに、高い空間周波数の露光光を通さな
ければならない。よって、第3の露光における開口数N
Aは0.50以上であり、第3の露光に用いられる露光
光のコヒーレンシσは0.60以上であることが好まし
い。
【0104】なお、実施の形態1においては、二重露光
について説明したが、二重以上の多重露光であってもよ
い。
【0105】また、図4(a)では、第1の位相シフト
マスクのパターンと第2の位相シフトマスクのパターン
とが略直交するように各位相シフトマスクを配置してい
る。しかし、これに限定されず、第1の位相シフトマス
クと第2の位相シフトマスクの各パターンが交差するの
であれば、その交差角度は何度でもよい。
【0106】また、図1と図2とでは、略直線に配置さ
れたパターンのみについて示したが、このような略直線
のパターンの組合せのパターンであってもよく、一部に
略直線のパターンを有するパターンでもよい。
【0107】なお、露光光は、g線、i線、KrF光、
ArF光のいずれかであればよい。また、透明基板1
は、石英に限られず、少なくとも透過率が90%以上の
材料よりなっていればよい。
【0108】また遮光膜3はクロムよりなる場合につい
て説明したが、これに限定されるものではない。具体的
には、CrO/Cr/CrOなどのような多層膜であっ
てもよい。遮光膜3に求められる特性としては、露光光
を透過しないこと、耐薬品性に優れていること(洗浄時
を考慮)、密着性があることなどがある。それゆえ、こ
れらの特性を満たす材料であれば遮光膜3に適用するこ
とが可能である。加えて、実施の形態1および2におい
て説明した寸法・材質などは、これに限定されるもので
はなく、任意に選択できるものである。
【0109】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
【0110】
【発明の効果】本発明の位相シフトマスクを用いたパタ
ーン形成方法では、第1および第2の位相シフトマスク
のパターンが交差するように二重露光を行なうため、微
小な開口径を有するホールパターン(もしくは微小な寸
法を有するドットパターン)を形成することができる。
【0111】また逆位相の露光光を透過する第1および
第2の光透過部の間に遮光膜が用いられている。このた
め、密集したパターンにおいてフォーカスが多少ずれて
も微細な開口径を有するホールパターン(もしくは微細
な寸法を有するドットパターン)を形成することができ
る。
【0112】好ましい1の局面によれば、コヒーレンシ
σが0.3より大きいと逆位相の光の干渉の程度が小さ
くなりすぎ、逆位相の光の干渉により解像度の向上を図
る位相シフトマスクの効果を有効に得ることができな
い。また、コヒーレンシσが0.1より小さいと、光の
干渉の程度が大きくなりすぎ、パターンの規則性の乱れ
る領域においてパターン形状の不良が生じやすくなって
しまう。このため、第1および第2の露光に用いられる
露光光のコヒーレンシσは0.1以上0.3以下である
ことが好ましい。
【0113】好ましい他の局面によれば、第3の露光工
程で、パターンの規則性の乱れる交差領域の周縁領域が
露光される。これにより、この周縁領域のパターンをな
くし、均一な形状のパターンのみを残すことができる。
【0114】好ましいさらに他の局面によれば、第3の
露光では、均一な形状のパターンが形成し難い周縁領域
のみに露光光を照射することが必要である。このため、
フォトレジストに転写される像のエッジをシャープにす
る必要があるため、露光光の干渉性を小さくするととも
に、高い空間周波数の露光光を通さなければならない。
このため、第3の露光における開口数NAは0.50以
上であり、第3の露光に用いられる露光光のコヒーレン
シσは0.60以上であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1における位相シフトマ
スクを用いたパターン形成方法において第1の露光を行
なうための第1の位相シフトマスクの構成を概略的に示
す平面図である。
【図2】 本発明の実施の形態1における位相シフトマ
スクを用いたパターン形成方法において第2の露光を行
なうための第2の位相シフトマスクの構成を概略的に示
す平面図である。
【図3】 図1のA−A′線に沿う概略断面図である。
【図4】 本発明の実施の形態1における位相シフトマ
スクを用いたパターン形成方法を説明するための図であ
り、(a)は第1および第2の位相シフトマスクを重ね
たようすを示す平面図であり、(b)は(a)のC−C
線およびE−E線に沿うウェハ上の光強度を示し、
(c)は(a)のD−D線に沿うウェハ上の光強度を示
している。
【図5】 本発明の実施の形態1における位相シフトマ
スクを用いたパターン形成方法で二重露光した際のウェ
ハ上の光強度の分布を示す図である。
【図6】 本発明の実施の形態1における位相シフトマ
スクを用いた場合のウェハ上の光強度を示す第1の図で
ある。
【図7】 本発明の実施の形態1における位相シフトマ
スクを用いた場合のウェハ上の光強度を示す第2の図で
ある。
【図8】 入射方向に広がりのある光を用いた場合の結
像のようすを示す図である。
【図9】 入射角が非対称な2光束の干渉での結像のよ
うすを示す図である。
【図10】 2つの干渉縞が互いにずれたようすを示す
図である。
【図11】 2つの干渉縞が重なり合った状態を示す図
である。
【図12】 平行光を用いた場合の結像のようすを示す
図である。
【図13】 入射角が対称な2光束の干渉での結像のよ
うすを示す図である。
【図14】 本発明の実施の形態1における位相シフト
マスクを用いたパターン形成方法で形成された微細なホ
ールパターンを示す第1のSEM写真である。
【図15】 本発明の実施の形態1における位相シフト
マスクを用いたパターン形成方法で形成された微細なホ
ールパターンを示す第2のSEM写真である。
【図16】 本発明の実施の形態1における位相シフト
マスクを用いたパターン形成方法で形成された微細なホ
ールパターンを示す第3のSEM写真である。
【図17】 本発明の実施の形態1における位相シフト
マスクを用いたパターン形成方法で形成された微細なホ
ールパターンを示す第4のSEM写真である。
【図18】 本発明の実施の形態1における位相シフト
マスクを用いたパターン形成方法で形成された微細なホ
ールパターンを示す第5のSEM写真である。
【図19】 本発明の実施の形態1における位相シフト
マスクを用いたパターン形成方法で形成された微細なホ
ールパターンを示す第6のSEM写真である。
【図20】 本発明の実施の形態1における位相シフト
マスクを用いたパターン形成方法で形成された密集した
ホールパターンを示す第7のSEM写真である。
【図21】 フォーカスを変化させたときのホール径の
変化をプロットした結果を示す第1の図である。
【図22】 フォーカスを変化させたときのホール径の
変化をプロットした結果を示す第2の図である。
【図23】 本発明の実施の形態2における位相シフト
マスクを用いたパターン形成方法を説明するための概略
平面図である。
【図24】 従来のフォトマスクを使用したときのマス
ク断面、マスク上の電場およびウェハ上の光強度につい
て説明するための図である。
【図25】 レベンソン方式の位相シフトマスクを使用
したときのマスク断面、マスク上の電場およびウェハ上
の光強度について説明するための図である。
【図26】 ハーフトーン方式の位相シフトマスクを使
用したときのマスク断面、マスク上の電場およびウェハ
上の光強度について説明するための図である。
【図27】 従来のパターン形成方法に用いられる位相
シフトマスクの構成を概略的に示す平面図である。
【図28】 図27のG−G′線に沿う概略断面図であ
る。
【図29】 従来のパターン形成方法を説明するための
概略平面図である。
【図30】 図29においてパターンの交わる領域を拡
大して示す概略平面図である。
【図31】 シミュレーションに用いた位相シフトマス
クの構成を概略的に示す平面図である。
【図32】 図31のH−H′線に沿う概略断面図であ
る。
【図33】 遮光膜がない位相シフトマスクを用いた場
合の露光光の強度を示す第1の図である。
【図34】 遮光膜がない位相シフトマスクを用いた場
合の露光光の強度を示す第2の図である。
【図35】 遮光膜がない位相シフトマスクを用いた場
合の露光光の強度を示す第3の図である。
【図36】 遮光膜がない位相シフトマスクを用いた場
合の露光光の強度を示す第4の図である。
【符号の説明】
1 石英基板、3 遮光膜、Tn 第1の光透過部、T
a 第2の光透過部、S 遮光部、10A、10B 位
相シフトマスク。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/30 528

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ウェハに塗布されたフォトレジストの所
    定領域に第1の位相シフトマスクを用いた第1の露光を
    行なった後、第2の位相シフトマスクを用いた第2の露
    光を行なうパターンの形成方法であって、 前記第1の位相シフトマスクは、第1の方向に向かって
    互いに並走し、かつ互いに異なった位相で露光光を透過
    する第1および第2の光透過部を有する基板と、並走す
    る前記第1および第2の光透過部の間に位置する遮光膜
    とを有し、 前記第2の位相シフトマスクは、第2の方向に向かって
    互いに並走し、かつ互いに異なった位相で露光光を透過
    する第3および第4の光透過部を有する基板と、並走す
    る前記第3および第4の光透過部の間に位置する遮光膜
    とを有し、 前記第1の露光時の前記第1の位相シフトマスクの前記
    第1の方向と前記第2の露光時の前記第2の位相シフト
    マスクの前記第2の方向とが交差するように前記第1お
    よび第2の露光が行なわれる、位相シフトマスクを用い
    たパターンの形成方法。
  2. 【請求項2】 前記フォトレジストはネガ型レジストで
    あって、 前記フォトレジストを現像することにより、前記第1の
    位相シフトマスクの前記遮光膜と前記第2の位相シフト
    マスクの前記遮光膜とが、前記フォトレジストの表面に
    おいて交差するよう照射される領域にホールパターンを
    形成する、請求項1に記載の位相シフトマスクを用いた
    パターンの形成方法。
  3. 【請求項3】 前記フォトレジストはポジ型レジストで
    あって、 前記フォトレジストを現像することにより、前記第1の
    位相シフトマスクの前記遮光膜と前記第2の位相シフト
    マスクの前記遮光膜とが、前記フォトレジストの表面に
    おいて交差するよう照射される領域にドットパターンを
    形成する、請求項1に記載の位相シフトマスクを用いた
    パターンの形成方法。
  4. 【請求項4】 前記第1および第2の露光に用いられる
    露光光は、g線、i線、KrF光、ArF光のいずれか
    である、請求項1に記載の位相シフトマスクを用いたパ
    ターンの形成方法。
  5. 【請求項5】 前記第1および第2の露光に用いられる
    露光光のコヒーレンシσは、0.1以上0.3以下であ
    る、請求項1に記載の位相シフトマスクを用いたパター
    ンの形成方法。
  6. 【請求項6】 前記第2の露光を行なった後、前記フォ
    トレジストの前記所定領域内であって、前記第1の方向
    と前記第2の方向とが交差する領域の周縁領域に露光光
    を照射する第3の露光を行なう工程をさらに備える、請
    求項1に記載の位相シフトマスクを用いたパターンの形
    成方法。
  7. 【請求項7】 前記第3の露光における開口数NAは
    0.50以上であり、前記第3の露光に用いられる露光
    光のコヒーレンシσは0.60以上である、請求項6に
    記載の位相シフトマスクを用いたパターンの形成方法。
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