(57)【要約】【課題】縮小投影レンズの収差を大きくすることなく、総合焦点深度を向上することができる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】透明基板上に、繰り返し配置された同一形状の連続パターン２を描画するマスク１であって、連続パターン２の繰り返しピッチＰが、露光装置における露光光の波長をλ、縮小投影露光倍率Ｎとしたとき、Ｐ＝（1.5±0.2）×(λ/Ｎ)なる関係を満たす。半導体装置の製造方法は、半導体基板上にレジストを堆積する工程と、上記マスクを介して光源からの斜入射照明により縮小投影露光を行う工程と、レジストを現像処理して半導体基板上にレジストパターンを形成する工程とを含む。【選択図】  図１
2004205874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、繰り返し配置された同一形状の連続パターンを描画するマスクであって、前記連続パターンの繰り返しピッチＰが、露光装置における露光光の波長をλ、縮小投影露光倍率Ｎとしたとき、Ｐ＝（1.5±0.2）×(λ/Ｎ)なる関係を満たすことを特徴とするマスク。
【請求項２】
半導体基板上にレジストを堆積する工程と、請求項１記載のマスクを介して光源からの斜入射照明により縮小投影露光を行う工程と、前記レジストを現像処理して前記半導体基板上にレジストパターンを形成する工程とを含む半導体装置の製造方法。
【請求項３】
レジストパターンを形成する工程が制御工程で行われる請求項２記載の半導体製造装置の製造方法。
【請求項４】
マスク上に配置された連続パターンにより、半導体基板上にトランジスタを形成するレジストパターンをつくる請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
トランジスタを形成するレジストパターンの占有面積が、マスクにより半導体基板上に作られた全トランジスタを形成するレジストパターンの占有面積の中で最大である請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
現像処理は、レジストを溶液に浸水させるものであり、前記溶液はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液である請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
レジストは化学増幅型レジストである請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
光源は最適の光源形状をもつ最適光源であり、前記光源からの斜入射照明は輪帯照明である請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
マスクは、透過率６％のハーフトーン位相シフト型マスクである請求項１記載のマスク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等を製造する時に用いられるマスクおよび半導体装置の製造方法に関するもので、詳しくは、露光光源として、波長450ｎｍ以下の紫外線、荷電ビーム、特にＧ線（436ｎｍ）、ｉ線（365ｎｍ） ＫｒＦエキシマレーザ（248nm）、Ａｒｆエキシマレーザ（193nm）、電子ビーム、X線、VUV光、EUV光を用いるリソグラフィ工程で用いられるマスク、パターニング、及びプロセス技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの微細化に伴い、従来の円形光源を用いた円形照明による露光では解像度的に対応が困難になってきたため、斜入射照明露光法が実用されている。この斜入射照明露光法は解像限界に近いピッチを有するマスク上に配置された連続パターンにおける回折光を制御することによって焦点深度を向上させる技術である。
【０００３】
図６(a)は斜入射照明露光法を回折と干渉の理論から説明した図である。本内容は特許文献1に示されている。
【０００４】
マスク１に対してαの角度で斜入射照明した光は、マスク１上に配置された連続パターン２によって回折を受けた後、０次光50は角度αで、＋１次光51は、連続パターン2のピッチに応じた角度(Θ＋α)の角度で、-１次光52は、連続パターン2のピッチに応じた角度(-Θ＋α)の角度で出射する。出射した回折光は縮小投影レンズ3によって集光され、瞳面4を通過した後、縮小投影レンズ3によって縮小投影露光倍率Ｎに縮小された光60,61となり、半導体基板5上のベストフォーカスの位置に、マスク1上に形成された連続パターン2の光学像を形成する。半導体基板5上には、例えば、レジストが塗布されており、露光処理、現像処理及び熱処理という通常のフォトリソグラフィー工程を経て、マスク1上に配置された連続パターン2に対応したレジスト連続パターンが得られる。
【０００５】
一般に、光軸に対するｍ次回折光の出射角度をθ、光の波長をλ、マスク1上に形成された連続パターン2のピッチをＰとすると、式１の関係がある。
【０００６】
ｓｉｎθ＝ｍλ／Ｐ    ---------------------------式１
図６（b）に、図６(a)における０次および±１次回折光50,51,52や±２次回折光53,54を瞳面4上の光学像として見た場合の概念図を、図６（ｃ）に、図６(b)における回折光50,51,52,53,54が、瞳面58に対し対称な関係になるように斜入射光の角度αを最適化した場合の概念図を示す。
【０００７】
ここで、瞳面4の最外周半径58を１とした場合、瞳面４を通過できる回折光の最外周は、縮小投影レンズ3の開口数ＮＡ57に等しいという関係にある。
【０００８】
本発明に対応するようなマスク1上の連続パターン2のピッチＰが解像限界に近い程小さく、斜入射照明の場合には、式１から判るように、各回折光の出射角度が大きくなると共に、＋ｍ次回折光に比べ-ｍ次回折光の出射する角度が大きくなるため、高次の２次回折光53および54などや−１次回折光52などが、瞳面4の開口数NA57領域の外に除外される。つまり、瞳面4の開口数ＮＡ57内側領域を通過する回折光が０次回折光50と+１次回折光51のみとなる。
【０００９】
このように、マスク1上に配置された連続パターン2のピッチＰの大きさに応じて、回折光の出射角度が異なり、連続パターン2のピッチＰが大きくなればなるほど多次数の回折光によって光学像が形成されることになる。この時、入射光の入射角度αは、瞳面4において概ね対称の位置を通るように選ぶ。
【００１０】
なお、連続パターン2のピッチＰと０次回折光の光源像50と+１次回折光の光源像51の距離Lには、
P=(1/L)×(λ/N)     ------------------------  式２
但し  Ｎ：  縮小投影露光倍率
λ：露光光の波長（ｎｍ）
に等しく、各光源像の中心は、図６(a)に示した各回折光の光軸と一致している。つまり、干渉する回折光を減らして２光束干渉にし、かつ光学像を形成する回折光が対称の光路をもつようにしたのでデフォーカス位置においても光学像の明暗のコントラストが低下せず焦点深度を向上させることができる。
【００１１】
瞳面4の中心から瞳面4の最外周58の距離を１としたときの瞳面4中心からの光学像までの距離Ｒは、瞳面上０次と＋１次回折光の光学像50,51間距離Ｌの半分であるため、式２は式３に変形できる。
【００１２】
P＝(1/2R)×(λ/N)           --------------------  式３
図７に斜入射照明露光法を位相の観点から説明した図を示す。本内容は、特許文献２に示されている。
【００１３】
マスク１上に描画した遮光パターン６に斜入射照明すると、遮光パターン6の両サイドを透過する入射光にπに近い位相差が生じるため、遮光パターン６の両サイドの一方に位相シフタを設けた場合とほぼ同様の効果を奏し、半導体基板5上に形成される光学像の焦点深度と解像度を改善することができる。
【００１４】
【特許文献１】
特開平11-109603号
【特許文献２】
特開平6-275492号
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、特許文献１の特許に示すように、微細パターンの形成は、斜入射照明露光法だけで可能であり、パターンピッチの規定は大きなパターンピッチにのみ必要と考えられていた。
【００１６】
もしくは、特許文献２に記載されているように、補助パターンを孤立パターンの両側に配置することで、連続パターンを形成するだけで、十分な総合焦点深度を得られると考えていた。
【００１７】
しかし、実際にはそうではない。
【００１８】
一般的に、回折光50,51の瞳面4上に形成される光学像が、瞳面4の外周部であればあるほど焦点深度の向上効果が高いが、瞳面4の外周部であればあるほど縮小投影レンズ3の収差が大きくなり、半導体基板5上での光学像を形成するベストフォーカス位置が、半導体基板5上の光学像の場所により変わることが広く知られている。つまり、瞳面4での収差が、半導体基板5に形成されたレジストパターンに影響を及ぼすのである。
【００１９】
したがって、斜入射照明露光法による焦点深度改善効果は、縮小投影レンズ3の収差を含めた半導体基板5に形成される光学像の収差と総合焦点深度を考える必要がある。
【００２０】
特に近年、制御工程の寸法が細くなり、寸法の変動に対するトランジスタの特性の影響が相対的に大きくなってきたため、総合焦点深度を最大限に確保する必要が制御工程において生じてきた。
【００２１】
そこで本発明は、縮小投影レンズの収差の影響を大きくすることなく、総合焦点深度を向上することができるマスクおよび半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のマスクは、透明基板上に、繰り返し配置された同一形状の連続パターンを描画するマスクであって、連続パターンの繰り返しピッチＰが、露光装置における露光光の波長をλ、縮小投影露光倍率Ｎとしたとき、Ｐ＝（1.5±0.2）×(λ/Ｎ)なる関係を満たすことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１記載のマスクによれば、マスクを介して、斜入射照明により縮小投影露光を行うことにより、縮小投影レンズの収差を大きくすることなく、総合焦点深度を向上することができる。
【００２４】
請求項２記載の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にレジストを堆積する工程と、請求項１記載のマスクを介して光源からの斜入射照明により縮小投影露光を行う工程と、レジストを現像処理して半導体基板上にレジストパターンを形成する工程とを含むものである。
【００２５】
請求項２記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００２６】
請求項３記載の半導体装置の製造方法は、請求項２において、レジストパターンを形成する工程が制御工程で行われるものである。
【００２７】
請求項３記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項１と同様な効果のほか、最も厳しい寸法制御が必要な制御工程の寸法制御を安定して行える。
【００２８】
請求項４記載の半導体装置の製造方法は、請求項３において、マスク上に配置された連続パターンにより、半導体基板上にトランジスタを形成するレジストパターンをつくるものである。
【００２９】
請求項４記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項３と同様に、制御工程の寸法制御安定して行えるため、トランジスタ性能の安定性向上に寄与することができる。
【００３０】
請求項５記載の半導体装置の製造方法は、請求項４において、トランジスタを形成するレジストパターンの占有面積が、マスクにより半導体基板上に作られた全トランジスタを形成するレジストパターンの占有面積の中で最大である。
【００３１】
請求項５記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項４と同様な効果がある。
【００３２】
請求項６記載の半導体装置の製造方法は、請求項２において、現像処理が、レジストを溶液に浸水させるものであり、溶液はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液である。
【００３３】
請求項６記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項２と同様な効果がある。
【００３４】
請求項７記載の半導体装置の製造方法は、請求項２において、レジストは化学増幅型レジストである。
【００３５】
請求項７記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項２と同様な効果がある。
【００３６】
請求項８記載の半導体装置の製造方法は、請求項２において、光源が最適の光源形状をもつ最適光源であり、光源からの斜入射照明は輪帯照明である。
【００３７】
請求項８記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項２と同様な効果がある。
【００３８】
請求項９記載のマスクは、請求項１において、透過率６％のハーフトーン位相シフト型マスクである。
【００３９】
請求項９記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００４０】
【発明の実施の形態】
まず、図６に示す縮小投影レンズ3の収差は、瞳面4での収差と同じであるため、実施の形態の説明では、瞳面4での収差と記載する。
【００４１】
以下、本発明を図示する実施の形態に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の形態によるマスク１上での連続パターン２を示し、（ａ）はマスク平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。図２は瞳面4での主だった収差のモード状況を示すＺｅｒｉｎｋｅ収差図である。図３は瞳面4での収差が少ない領域を示した低収差領域図、図４はマスク１上での連続パターン２のピッチＰと、０次回折光50もしくは＋１次回折光51が瞳面4に形成する光学像の瞳面4の中心からの距離の関係を示したグラフ、図５(a)は、マスク１上に形成された連続パターン２のピッチＰ（ｎｍ）と総合焦点深度（μｍ）の関係を示したグラフ、図５(b)は連続パターン2のピッチＰ（ｎｍ）と瞳面4での収差（μｍ）の関係を示したグラフである。
【００４２】
図１に示すように、露光装置における露光光の波長をλ、縮小投影露光倍率Ｎとしたとき、Ｐ＝（1.5±0.2）×(λ/Ｎ)なる関係を満たしたピッチＰにて、繰り返し配置された同一形状の連続パターン2を透明基板上に描画したマスク1と、このマスク1を介し、最適の光源形状をもつ最適光源からの斜入射照明により縮小投影露光を行う工程とを含むことに本実施の形態の特徴がある。
【００４３】
ところで、Ｚｅｒｉｎｋｅの収差の式より
瞳面4での全収差Ｗは
Ｗ＝Σl,mＺlmＲlmｅimθ   --------------   式４
ｅiθ ＝cosΘ＋ｉsinΘ  ---------------    式５
但し、
Ｚl：  Ｚｅｒｎｉｋｅ係数
Ｒl：  縮小投影レンズ3中心からの距離
で表される。
【００４４】
この式を多項式展開し、実数軸をＸ軸に、虚数軸をＹ軸にブラフを書くと、図２に示すように瞳面4での収差を表すことができる。
【００４５】
球面収差は、縮小投影レンズ3を調整することで無くすことができ、瞳面4上の小さな収差も大きな収差と比較すると相対的に無視できるため、瞳面4上の大きな収差だけを抽出して足し合わせると、図３のようになる。
【００４６】
つまり、瞳面4中心から瞳面4の最外周58の距離を１としたときの、瞳面4中心からの光学像までの距離であるＲとすると、瞳面4上の収差の少ない領域は、Ｒが０．００から０．１１の間か、もしくはＲが０．２６から０．４２の間のリング状領域Ｃ，Ｄとなる。
【００４７】
露光光波長λ＝２４８ｎｍ、縮小投影露光倍率（Ｎ＝1/5）でのマスク１上に配置された連続パターン2のピッチと、図３から判明した瞳面4上の収差の少ない領域Ｃ，Ｄとの関係を図４に示す。この結果から、連続パターン2のピッチが１４９０ｎｍから２２３０ｎｍの場合、瞳面4での収差が少ないことがわかる。
【００４８】
従って、瞳面4での収差が少ないマスク1上での連続パターン2のピッチPは、１４９０ｎｍから２２３０ｎｍが良い結果を式３に入れることで、式６のように変形できる。
【００４９】
Ｐ＝（1.5±0.2）×(λ/Ｎ)    -------------------------  式６
一方、マスク1上に配置された連続パターン2のピッチと半導体基板5に得られた連続パターンで確認された収差および総合焦点深度の関係を、解析ソフトＰＲＯＬＩＴＨ（ＫＬＡ・ＴＥＮＣＯＲ社製）を使用したシミュレーションを実施した結果を図５に示す。ここで、連続パターン2の周期性に対応する最適の光源形状をもつ最適光源として、ＮＡ０．６０  1/２輪帯の照明条件を適用した。その他の条件は以下のとおりである。
【００５０】
縮小投影倍率          ：      1/5
マスク1上の遮光部寸法  ：    ７００ｎｍ
マスク1                ：透過率６％のハーフトーン位相シフト型
露光波長                ：    ２４８nm
この結果から、連続パターン２のピッチが１８００ｎｍ近辺のとき、瞳面4での収差が最も少なく、結果とし総合焦点深度が大きいことがシミュレーションでも証明できた。
【００５１】
今回提案した実施の形態は、斜入射照明露光を適用する全てのリソグラフィ工程に有効であるが、最も厳しい寸法制御が必要なトランジスタ制御工程において特に有効である。具体的には、１４９０ｎｍから２２３０ｎｍのピッチで配置されたマスク1上に配置された連続パターン2を用いて、半導体基板5上にトランジスタを形成するレジストパターンをつくることに当てはまる。
【００５２】
また、１４９０ｎｍから２２３０ｎｍのピッチでマスク1上に配置された連続パターン2のみで、半導体基板5上に全てのトランジスタを形成するレジストパターンをつくることが困難な場合においては、上記連続パターン2により半導体基板5につくられたトランジスタを形成するレジストパターンの占有面積が、それ以外のパターンピッチで半導体基板5上につくられたトランジスタを形成するレジストパターンよりも大きいことが重要である。
【００５３】
半導体基板5にレジストパターンを形成する方法を以下に記載する。すなわち、半導体基板5に化学増幅型レジストを塗布し、斜入射露光法により、マスク１を介して露光処理を行ったのち、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドに代表される希アルカリ水溶液の現像液に浸水させて現像処理、及び熱処理という通常のフォトリソグラフィ工程を経てマスク1上に配置された連続パターン2に対応したレジスト連続パターンが得られる。
【００５４】
なお、上記実施の形態においてマスクは透明基板を用いたが、反射基板を用いてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１記載のマスクによれば、マスクを介して、斜入射照明により縮小投影露光を行うことにより、縮小投影レンズの収差を大きくすることなく、総合焦点深度を向上することができる。
【００５６】
請求項２記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００５７】
請求項３記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項１と同様な効果のほか、最も厳しい寸法制御が必要な制御工程の寸法制御を安定して行える。
【００５８】
請求項４記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項３と同様に、制御工程の寸法制御安定して行えるため、トランジスタ性能の安定性向上に寄与することができる。
【００５９】
請求項５記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項４と同様な効果がある。
【００６０】
請求項６から請求項８記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項２と同様な効果がある。
【００６１】
請求項９記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施の形態によるマスクの平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における縮小投影レンス゛の瞳面での収差モードを説明するための概念図である。
【図３】本発明の一実施の形態における縮小投影レンス゛の瞳面の収差の少ない領域を示す概念図である。
【図４】本発明の一実施の形態におけるパターンピッチと瞳面での０次回折光のレンス゛中心からの距離との関係を計算した結果である。
【図５】（ａ）は本発明の一実施の形態におけるパターンピッチと焦点深度の関係およびパターンピッチと収差の関係をそれぞれシミュレーションした結果である。
【図６】（ａ）は従来の斜入射露光法を説明する概略図、（ｂ）、（ｃ）は縮小投影レンズ瞳面での回折光の説明図である。
【図７】従来の斜入射露光法の位相差の説明する概略図である。
【符号の説明】
１  マスク
２  連続パターン
３  縮小投影レンス゛
４  瞳面
５  半導体基板
６  斜光パターン
５０  ０次回折光
５１  ＋１次回折光
５２  −１次回折光
５３  ＋２次回折光
５４  −２次回折光
５７  開口数NA
５８  瞳面の最外周
６０、６１  縮小投影倍率Nに縮小された光
【図１】
2004205874.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004205874.tif 000006
【図５】
2004205874.tif 000007
【図６】
2004205874.tif 000008
【図７】
2004205874.tif 000009