(57)【要約】【課題】矩形パターンや鋭角を含むパターンを角が丸くならないように転写できる露光方法、マスクおよび半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】レジストに第１のパターンの露光を最適露光量の約半分で行う工程と、レジストに第１のパターンと一部重なる第２のパターンの露光を最適露光量の約半分で行う工程と、レジストを現像し、第１のパターンと第２のパターンが重ねて露光された部分にパターンを形成する工程とを有する露光方法およびそれを含む半導体装置の製造方法と、それらに用いるマスク。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レジストに第１のパターンの露光を最適露光量の約半分で行う工程と、
前記レジストに第１のパターンと一部重なる第２のパターンの露光を最適露光量の約半分で行う工程と、
前記レジストを現像し、前記第１のパターンと第２のパターンが重ねて露光された部分にパターンを形成する工程とを有する
露光方法。
【請求項２】
前記第１のパターンと第２のパターンの重なり部分は矩形であり、
前記第１のパターンは前記矩形パターンを対向する１組の辺と平行な第１の方向に伸ばし、角を丸くした形状であり、
前記第２のパターンは前記矩形パターンを第１の方向と直交する第２の方向に伸ばし、角を丸くした形状である
請求項１記載の露光方法。
【請求項３】
前記第１のパターンと前記第２のパターンの重なり部分は鋭角を含む
請求項１記載の露光方法。
【請求項４】
前記第１のパターンの露光と前記第２のパターンの露光は、同一のマスク内の異なる領域に形成された孔を介して行う
請求項１記載の露光方法。
【請求項５】
前記第１のパターンの露光と前記第２のパターンの露光は、異なるマスクに形成された孔を介して行う
請求項１記載の露光方法。
【請求項６】
前記第１のパターンの露光と前記第２のパターンの露光は、同一のマスクに形成された同一の孔を介して行い、
前記第１のパターンの露光と前記第２のパターンの露光の一方は、前記孔をマスク面内で相対的に回転させた状態で行う
請求項１記載の露光方法。
【請求項７】
前記第１のパターンおよび前記第２のパターンから隔てられた他のパターンの露光を、最適露光量の約半分で２回重ねて行う工程をさらに有する
請求項１記載の露光方法。
【請求項８】
前記他のパターンは、１枚のマスクに形成不可能または形成困難なパターンを分割し、分割前に隣接するパターンが同一の組にならないように振り分けた複数の組の相補分割パターンを含む
請求項７記載の露光方法。
【請求項９】
複数の領域を含み、光または荷電粒子線を遮断する薄膜と、
各領域に形成され、所定の大きさの露光面に重ねて露光される互いに異なるパターンと、
前記薄膜の第１の領域に第１のパターンで形成された孔と、
前記薄膜の第２の領域に、前記露光面上で前記第１のパターンと一部重なるような第２のパターンで形成された孔とを有する
マスク。
【請求項１０】
前記第１のパターンと第２のパターンの重なり部分は矩形であり、
前記第１のパターンは前記矩形パターンを対向する１組の辺と平行な第１の方向に伸ばし、角を丸くした形状であり、
前記第２のパターンは前記矩形パターンを第１の方向と直交する第２の方向に伸ばし、角を丸くした形状である
請求項９記載のマスク。
【請求項１１】
前記第１のパターンと前記第２のパターンの重なり部分は鋭角を含む
請求項９記載のマスク。
【請求項１２】
前記第１のパターンおよび前記第２のパターンから隔てられた他のパターンで形成された孔を、前記薄膜の２つの領域に重複して有する
請求項９記載のマスク。
【請求項１３】
前記他のパターンは、１枚のマスクに形成不可能または形成困難なパターンを分割し、分割前に隣接するパターンが同一の組にならないように振り分けた複数の組の相補分割パターンを含む
請求項１２記載のマスク。
【請求項１４】
光または荷電粒子線を遮断する複数枚の薄膜と、
各薄膜に形成され、所定の大きさの露光面に重ねて露光される互いに異なるパターンと、
第１の薄膜に第１のパターンで形成された孔と、
第２の薄膜に、前記露光面上で前記第１のパターンと一部重なるような第２のパターンで形成された孔とを有する
マスク。
【請求項１５】
マスクを介してレジストに荷電粒子線を露光して、前記レジストに所望のパターンを転写する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記レジストに、前記所望のパターンの一部にパターンを追加した第１のパターンの露光を最適露光量の約半分で行う工程と、
前記レジストに、前記所望のパターンの他の一部にパターンを追加した第２のパターンの露光を最適露光量の約半分で行う工程と、
前記レジストを現像し、前記第１のパターンと第２のパターンが重ねて露光された部分に所望のパターンを形成する工程とを有する
半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は露光方法と、それに用いられるマスクと、半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の回路パターンは紫外光を用いたフォトリソグラフィによって転写されていたが、近年、パターンの微細化に伴い、電子線やイオンビームあるいはＸ線を用いるリソグラフィの開発が進められてきている。既に提案された電子線リソグラフィとしては、ＩＢＭとニコンの共同開発によるＰＲＥＶＡＩＬ（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｅｘｐｏｓｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ａｘｉｓ　ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ　ｌｅｎｓｅｓ）、ルーセント・テクノロジー等の開発によるＳＣＡＬＰＥＬ（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ａｎｇｕｌａｒ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、リープル等の開発によるＬＥＥＰＬ（ｌｏｗ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅ−ｂｅａｍ　ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）が挙げられる。
【０００３】
これらのうち、ＰＲＥＶＡＩＬとＳＣＡＬＰＥＬには加速電圧５０〜１００ｋＶの高エネルギー電子線が用いられ、ＬＥＥＰＬには加速電圧２ｋＶ程度の低エネルギー電子線が用いられる。また、ＰＲＥＶＡＩＬとＳＣＡＬＰＥＬは縮小投影系であり、ＬＥＥＰＬは等倍投影系である。
【０００４】
電子線リソグラフィに用いられるマスクには、電子線を透過させる薄膜（メンブレン）上に所定のパターンで電子線の散乱体が設けられたメンブレンマスクと、電子線を遮断するメンブレンに所定のパターンで孔が設けられたステンシルマスクがある。ＬＥＥＰＬでは電子の加速電圧が低いため、電子線がメンブレンマスクを透過しない。したがって、ステンシルマスクが用いられる。
【０００５】
ステンシルマスクを作製するには、まず、メンブレン上にレジストを塗布し、レジストに電子線描画機で所望のパターンを描画して現像する。次に、パターニングされたレジストをマスクとしてメンブレンにエッチングを行う。その後、メンブレン上のレジストを除去する。
【０００６】
メンブレンの厚さは材料によっても異なるが、数１００ｎｍ〜数μｍと薄い。そこで、メンブレンの破損を防止する目的で、例えば一部が除去されたシリコンウェハなどを用いて、メンブレンが支持される。メンブレンを支持するシリコンウェハなどは、ステンシルマスクを露光に用いる際に、マスクを透過する電子線が妨げられないような位置に設けられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電子線リソグラフィにおいては、矩形パターンを良好な形状で転写することが望まれている。例えば、コンタクトホールと接触する導電層の矩形パターンで頂点が丸まった場合、重ね合わせマージンが少なくなる。また、磁気抵抗効果を用いたＭＲＡＭ（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｒａｎｄｏｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｍｅｍｏｒｙ）では、パターンの矩形性がデバイス特性に与える影響が大きい。
【０００８】
しかしながら、ＬＥＥＰＬなどに用いられるステンシルマスクでは、矩形パターンの頂点が丸まってしまうという問題が発生する。例えば、ステンシルマスクを形成するため、メンブレン上のレジストに電子線でパターンを描画する際に、レジスト中での電子の散乱などによって、実際に転写されるパターンでは矩形の頂点が丸まってしまう。
【０００９】
また、パターンの直角部分や鋭角部分を正確に転写できるかどうかは、電子線の広がり（ビーム形状）によっても変化する。ビーム形状はマスク作製用露光装置の性能の限界に依存する。このようなマスク作製用露光装置の限界だけでなく、メンブレンのエッチングプロセスの限界によっても、矩形パターンの頂点が丸まる。
【００１０】
ステンシルマスクに矩形のような角のあるパターンを形成すると、角の部分で応力の集中が起こり、メンブレンが破損しやすくなる。鋭角を含むパターンの鋭角部分には、矩形パターンの直角部分よりも応力が集中しやすく、メンブレンを破損させずに孔を形成することが難しい。また、レジストのパターニングも鋭角を含むパターンの方が矩形パターンよりも難しい。
【００１１】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、したがって本発明は、矩形パターンや鋭角を含むパターンを角が丸くならないように転写できる露光方法と、それに用いるマスクを提供することを目的とする。
また、本発明は、多層配線の層間などにおける重ね合わせマージンを確保でき、信頼性の高い半導体装置を形成できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の露光方法は、レジストに第１のパターンの露光を最適露光量の約半分で行う工程と、前記レジストに第１のパターンと一部重なる第２のパターンの露光を最適露光量の約半分で行う工程と、前記レジストを現像し、前記第１のパターンと第２のパターンが重ねて露光された部分にパターンを形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
また、上記の目的を達成するため、本発明のマスクは、複数の領域を含み、光または荷電粒子線を遮断する薄膜と、各領域に形成され、所定の大きさの露光面に重ねて露光される互いに異なるパターンと、前記薄膜の第１の領域に第１のパターンで形成された孔と、前記薄膜の第２の領域に、前記露光面上で前記第１のパターンと一部重なるような第２のパターンで形成された孔とを有することを特徴とする。
【００１４】
あるいは、本発明のマスクは、光または荷電粒子線を遮断する複数枚の薄膜と、各薄膜に形成され、所定の大きさの露光面に重ねて露光される互いに異なるパターンと、第１の薄膜に第１のパターンで形成された孔と、第２の薄膜に、前記露光面上で前記第１のパターンと一部重なるような第２のパターンで形成された孔とを有することを特徴とする。
【００１５】
これにより、矩形パターンや鋭角を含むパターンを、角を丸めずにレジストに転写することが可能となる。また、本発明のマスクによれば、矩形パターンや鋭角を含むパターンの転写と、相補分割パターンの転写の両方を行うことも可能である。
【００１６】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、マスクを介してレジストに荷電粒子線を露光して、前記レジストに所望のパターンを転写する工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記レジストに、前記所望のパターンの一部にパターンを追加した第１のパターンの露光を最適露光量の約半分で行う工程と、前記レジストに、前記所望のパターンの他の一部にパターンを追加した第２のパターンの露光を最適露光量の約半分で行う工程と、前記レジストを現像し、前記第１のパターンと第２のパターンが重ねて露光された部分に所望のパターンを形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１７】
これにより、矩形パターンや鋭角を含むパターンを、角を丸めずにレジストに転写することが可能となり、例えば導電層間の重ね合わせマージンを大きくすることができる。したがって、本発明の半導体装置の製造方法によれば、接続不良などを低減し、半導体装置の歩留りを向上させることができる。また、例えばＭＲＡＭなど、パターニング形状が特性に大きく影響するような半導体記憶装置において、デバイス特性を高精度に制御することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の露光方法、マスクおよび半導体装置の製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
本実施形態では、相補分割露光を用いた矩形パターンの転写方法を説明する。ステンシルマスクのメンブレンは、孔以外のすべての部分で連続している必要がある。１枚のステンシルマスクに、例えばドーナッツ状パターンのように非連続の部分を含むパターンを形成することはできない。
【００１９】
メンブレンに非連続な部分がなくても、例えばリーフ状パターンのように、機械的強度の問題からマスク上に実際に形成するのが困難なパターンもある。リーフ状パターンはドーナッツ状パターンと同様に中央の部分が周囲から隔てられ、ドーナッツ状パターンのリング部分の１箇所でのみ外側部分と中央部分が繋がっているパターンである。
【００２０】
一方向に長いパターンや、そのようなライン状パターンが平行に並べられたラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）パターンでは、孔周囲に異方性の歪みが生じ、線幅が不均一となりやすい。リーフ状パターンや微細なＬ／Ｓパターンなどは、マスクの洗浄時などに破損しやすい。
【００２１】
このような形成が不可能あるいは困難なパターンの露光には、パターンを分割し、分割されたパターン（相補分割パターン）を重ね合わせて露光する、相補露光が採用される。従来、相補露光は互いに異なる相補分割パターンが形成された複数の相補マスクを用いて行われていたが、この場合、マスクの必要枚数が増加する。
【００２２】
また、特にＬＥＥＰＬ用ステンシルマスクのメンブレンは薄いため、メンブレン面積が大きくなると、メンブレンが撓み、パターンの位置ずれや歪みが起こりやすい。これを避けるため、メンブレンの一方の面に例えば格子状の梁（例えばシリコンウェハの一部を除去したもの）を設け、メンブレンが補強される。梁が形成された部分は電子ビームが透過しないため、パターンを形成できない。
【００２３】
ドーナッツ状パターンやリーフ状パターンなどは２つの相補分割パターンで各１回、計２回の相補露光を行うことにより転写できるが、メンブレンに梁を設けた場合には、梁と重なる部分のパターンを転写するため、少なくとも３回の相補露光が必要となる。
【００２４】
梁を有するステンシルマスクで、マスク枚数を増加させずに相補露光を行う方法として、１枚のステンシルマスクを複数の領域（相補ブロック）に分割し、各相補ブロックに互いに異なる相補分割パターンを形成する方法が考えられる。本実施形態のステンシルマスクでは、図１に示すように、直交する２本の直線によってメンブレンを４分割し、４つの相補ブロックＡ〜Ｄとする。
【００２５】
図１のＡ−Ｂ、Ａ−Ｃ、Ａ−Ｄ、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｄ、Ｃ−Ｄのいずれかの組み合わせで、相補分割された回路パターンが復元されるように、マスクパターンを設計する。図１の４つの相補ブロックを合わせた大きさがショットサイズであり、１回の露光でウェハ上に相補ブロックＡ〜Ｄのパターンが露光される。
【００２６】
ウェハ表面をＸ−Ｙ平面と仮定すると、１回の露光を行った後、ウェハをＸ方向とＹ方向のいずれかにショットサイズの１／２だけ移動させる。ステンシルマスクとウェハのアライメントを行ってから、１回の露光を行い、相補ブロックＡ〜Ｄのパターンをウェハに露光する。これを繰り返すことにより、ウェハ上の各位置に相補ブロックＡ〜Ｄのパターンが露光され、所望のパターンが復元される。
【００２７】
従来の相補露光では、すべての相補ブロックの露光をそれぞれ最適露光量で行うが、本実施形態の露光方法では、最適露光量の約１／２で相補分割パターンの転写を行う。角を丸めずに矩形パターンを転写するため、図１に示すように、１対のパターンａ、ｂを２つの相補ブロックＡ、Ｂにそれぞれ配置する。
【００２８】
パターンａは所望の矩形パターンを長手方向に伸ばし、角部を丸めたパターンとする。パターンｂはパターンａを伸ばした方向と直交する方向に所望の矩形パターンを伸ばし、角部を丸めたパターンとする。パターンａ、ｂが配置される領域に孔（開口部）１を形成する。
パターンａとパターンｂの少なくとも一方が配置される領域と重なる領域の相補ブロックＣ、Ｄ（図１の点線で囲まれた非開口部２）には、孔を形成しない。
【００２９】
図１のステンシルマスクで矩形パターンを転写するには、図２に示すように、一方のパターンａを最適露光量の約１／２で露光してから、他方のパターンｂを最適露光量の約１／２で露光する。ここで、レジストには高コントラストレジスト（γ値の大きいレジスト）を用いる。
【００３０】
パターンａとパターンｂの両方が重ねて露光された領域は、最適露光量で露光された状態とほぼ同様な状態となり、現像により矩形パターンｃが形成される。高コントラストレジストを用いることにより、最適露光量のほぼ半分で露光された領域、すなわちパターンａとパターンｂの一方のみ形成されている領域の解像が抑制される。具体的には、高コントラストレジストを用いないと、ポジ型レジストの場合にレジストが過剰に減り、ネガ型レジストの場合に不要なレジストが残る。これを回避するため、高コントラストレジストが用いられる。
【００３１】
上記のように、２つのパターンａ、ｂの直線部分が直交するようにして、２つのパターンａ、ｂを部分的に重ね合わせて露光することにより、矩形パターンｃを転写できる。角が丸まっていない矩形にする必要が低いパターンは、４つの相補ブロックＡ〜Ｄのうちの２つの相補ブロックに重複して配置する。これにより、最適露光量の約１／２での露光が２回行われ、現像によって所望のパターンが形成される。
【００３２】
互いに異なるパターンでレジストに２回の露光を行い、パターンの重なり部分にレジスト像を形成する技術は、特開平２−３１１４２号公報（特許第２６９６９６２号）に開示されている。この技術は、ＭＸ−ＳＭＰ技術（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｅｘｐｏｓｕｒｅ　ｓｅｌｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ）として知られ、微細パターンの線幅など（ＣＤ；ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）の測定やＣＤ精度の検出などに利用されている。
【００３３】
このように、露光量を適切に制御することにより、２回露光で微細パターンを形成することが可能である。本発明では目安として、１回の露光でパターンを形成する場合の最適露光量の１／２で２回の露光を行うが、実際にデバイスの作製に適用する場合には、最適露光量の１／２を基準として、所望の線幅が得られる露光量を実測やシミュレーションにより求める。１回の露光を最適露光量の１／２未満で行う場合や、最適露光量の１／２を超える露光量で行う場合もあり、レジストの種類などに応じて１回の露光量を変化させる。
【００３４】
上記の本実施形態の露光方法およびそれを含む半導体装置の製造方法によれば、角部が丸まったパターンが形成されたステンシルマスクを用いて、ウェハ上に矩形パターンを転写することが可能となる。本実施形態のマスクによれば、矩形パターンを転写するための矩形の孔をステンシルマスクに形成する必要がなく、パターンの角部での応力集中に起因するマスク製造時、使用時あるいは洗浄時のマスクの破損が防止される。また、等倍露光用のマスクであっても、実際に転写される矩形パターンよりステンシルマスクに形成される孔の方が大きくなり、これによってもマスクの加工が容易となる。
【００３５】
（実施形態２）
本実施形態では、鋭角を含むパターンの転写方法を説明する。本実施形態では実施形態１と同様に、図１に示す４つの相補ブロックＡ〜Ｄを有するステンシルマスクを用いる。実施形態１でパターンａの辺とパターンｂの辺が直交するようにパターンａ、ｂを配置したのに対し、本実施形態では図３に示すように、辺が直交しないようにパターンｄ、ｅを配置する。
【００３６】
それ以外は実施形態１と同様にして、所望のパターンを転写する部分に最適露光量の約１／２で２回の露光を行う。これにより、図３に示すように、ウェハ上に鋭角を含むパターンｆを転写できる。パターンｄ、ｅが角を丸めた矩形パターンの場合、パターンｆは平行四辺形またはひし形となる。
【００３７】
従来、ステンシルマスクに鋭角を含む孔を形成するのは困難であったことから、鋭角を含むパターンの正確な転写は困難であったが、上記の本実施形態のパターン転写方法によれば、ステンシルマスクに鋭角を含む孔を形成せずに、鋭角を含むパターンを転写することが可能となる。
【００３８】
本実施形態の露光方法に用いるステンシルマスクにも、実施形態１と同様に、矩形パターンｄ、ｅと隔てて相補分割パターンを配置できる。また、２つの異なるパターンの重ね合わせを行わずに転写できるパターンは、４つの相補ブロックＡ〜Ｄのうちの２つの相補ブロックに重複して配置する。これにより、最適露光量の約１／２での露光が２回行われ、現像によって所望のパターンが形成される。
【００３９】
本発明の露光方法およびそれを含む半導体装置の製造方法とマスクの実施形態は、上記の説明に限定されない。例えば、図１に示すように４つの相補ブロックに分割され、マスク内に互いに異なる相補分割パターンが形成されたステンシルマスクを用いるかわりに、複数枚の相補マスクを用いて同様に矩形パターンまたは鋭角を含むパターンを転写してもよい。
【００４０】
また、同一マスク内の異なる相補ブロックに、図３に示すパターンｄ、ｅをそれぞれ形成するかわりに、パターンｄの露光後、マスクをマスク面内で回転させて、回転したパターンｄをパターンｅと同様に重ねて露光してもよい。
さらに、本発明の露光方法で転写されるパターンは矩形パターン、平行四辺形またはひし形に限定されず、例えば角を丸めた矩形パターンと角を丸めた台形パターンを一部重ねて露光することにより、角が丸まっていない台形パターンを転写することも可能である。
【００４１】
また、本発明の露光方法やマスクはＬＥＥＰＬのみでなく、高エネルギー電子線を用いるリソグラフィやイオンビームリソグラフィにも適用できる。フォトリソグラフィ用マスク（フォトマスク）のガラス基板上の遮光膜を、上記のＬＥＥＰＬ用ステンシルマスクのメンブレンと同様に２通りのパターンで加工すれば、本発明をフォトリソグラフィにも適用できる。同様に、基板上のＸ線散乱体を２通りのパターンで加工することにより、本発明をＸ線リソグラフィにも適用できる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の露光方法によれば、矩形パターンや鋭角を含むパターンを角が丸くならないように転写できる。
本発明のマスクによれば、矩形パターンや鋭角を含むパターンを、角が丸い孔を用いて転写でき、マスクの作製も容易となる。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、配線層間の重ね合わせマージンを確保でき、半導体装置の歩留りを高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のマスクを模式的に示す平面図である。
【図２】図２は本発明の実施形態１に係る露光方法を示す図である。
【図３】図３は本発明の実施形態２に係る露光方法を示す図である。
【符号の説明】
１…孔、２…非開口部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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