(57)【要約】【課題】  等間隔（ｐ）の平行線をその長さ方向に一定間隔ごとに周期的に断続した断続平行線状パターンを描画する近接Ｘ線リソグラフィのパターン描画方法で、コントラストの高い描画を可能にする。【解決手段】  ａ）露光対象である基板（６）の表面にレジスト（１１）の薄膜を形成し、ｂ）断続平行線状パターンの平行線部分の２倍のピッチ（２ｐ）を有するＬＳパターン形成用マスクを、そのスペース幅方向に間隔（１＋２ｎ）ｐ（ただしｎは０または正の整数）偏位した２位置で二重露光して、レジスト（１１）に１ピッチ（ｐ）間隔のＬＳパターンを形成し、ｃ）ＬＳパターン形成用マスクのスペース幅方向に（１＋ｍ）ｐ（ただしｍは１以上の整数）のピッチでスポット・パターンを形成するスポット・パターン形成用マスクを用いて、ステップｂ）でレジスト（１１）に形成したＬＳパターンの未露光の連続線部分を分断して露光する。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
等間隔（ｐ）の平行線をその長さ方向に一定間隔ごとに周期的に断続した断続平行線状パターンを描画する近接Ｘ線リソグラフィのパターン描画方法であって、
ａ）露光対象である基板の表面にレジストの薄膜を形成し、
ｂ）前記断続平行線状パターンの平行線部分の２倍のピッチ（２ｐ）を有するライン・アンド・スペース・パターンからなるＬＳパターン形成用マスクを、そのスペース幅方向に間隔（１＋２ｎ）ｐ（ただしｎは０または正の整数）偏位した２位置で二重露光することにより、前記レジストに１ピッチ（ｐ）間隔のＬＳパターンを形成し、
ｃ）前記ＬＳパターン形成用マスクのスペース幅方向に（１＋ｍ）ｐ（ただしｍは１以上の整数）のピッチでスポット・パターンを形成するスポット・パターン形成用マスクを用いて、前記ステップｂ）で前記レジストに形成したＬＳパターンの未露光の連続線部分を分断して露光する、
ことを特徴とする近接Ｘ線リソグラフィのパターン描画方法。
【請求項２】
等間隔（ｐ）の平行線をその長さ方向に一定間隔ごとに周期的に断続した断続平行線状パターンを描画する近接Ｘ線リソグラフィのパターン描画方法であって、
ａ）露光対象である基板の表面にレジストの薄膜を形成し、
ｂ）スポット・パターン形成用マスクを用いて、前記レジストに前記断続平行線状パターンの平行線部分の幅方向に（１＋ｍ）ｐ（ただしｍは１以上の整数）のピッチでスポット・パターンを形成し、
ｃ）前記断続平行線状パターンの平行線部分の２倍のピッチ（２ｐ）を有するライン・アンド・スペース・パターンからなるＬＳパターン形成用マスクを、そのスペース幅方向に間隔（１＋２ｎ）ｐ（ただしｎは０または正の整数）偏位した２位置で二重露光することにより、１ピッチ（ｐ）間隔のＬＳパターンを露光する、
ことを特徴とする近接Ｘ線リソグラフィのパターン描画方法。
【請求項３】
請求項１または２において、断続平行線状パターンは短冊状矩形パターンを千鳥状に配置したパターンであり、スポット・パターン形成用マスクは環状開口部を配列したものであって、ＬＳパターン形成用マスクによる二重露光で形成したライン・アンド・スペース・パターンの２ｍ倍（ただしｍは１以上の整数）のピッチ（２ｍｐ）のスポットとその間で千鳥状に偏位した位置のスポットとを露光し、このスポット・パターン形成用マスクを１ピッチ（ｐ）間隔偏位したｍ位置でｍ回露光する、
近接Ｘ線リソグラフィの描画方法。
【請求項４】
請求項１または２において、断続平行線状パターンは短冊状矩形パターンを縦横両方向に揃えて繰り返し配列したパターンであり、スポット・パターン形成用マスクは環状開口部を配列したものであってスペース・パターン形成用マスクによる二重露光で形成したライン・アンド・スペース・パターンのａ倍（ただしａは２以上の整数）のピッチ（ａｐ）のスポットを露光し、このスポット・パターン形成用マスクを１ピッチ（ｐ）間隔偏位したａ位置でａ回露光する近接Ｘ線リソグラフィの描画方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特に半導体メモリなどの半導体集積回路や液晶表示板、プリント基板などの平面基板上に２次元方向に所定のパターンを繰り返して形成する近接Ｘ線リソグラフィに用いるパターン描画方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８〜図１２を用いて従来の方法を説明する。図８は従来の近接Ｘ線リソグラフィに用いられる光学系の一例を示す概念図である。この図８において、Ａはシンクロトロンであり、このシンクロトロンＡ内では電子ビーム１が周回している。この電子ビーム１は、エネルギー約１ＧｅＶであり、その周回半径は約１ｍである。
【０００３】
周回電子からは電子軌道の接線方向にＸ線（放射光）２が放散される。放射光２は電子軌道面上では３６０°の方向に放散されるが、軌道面と垂直方向には１ｍｒａｄ程度の極めて狭い範囲で放散される。この放射光２は波長０．５〜１ｎｍの軟Ｘ線を主成分とする幅広いスペクトルからなる。
【０００４】
放射光の一部はＢで示されるビームラインと呼ばれる筒状の真空容器に入射される。ビームラインＢ内には反射ミラー３が設けられ、このミラー３を矢印方向（上下方向）に揺動させることにより反射光を縦方向に拡散させると共に、スペクトルの短波長成分を除去する。このミラー３は、Ｘ線が反射できるように、その反射角は８８〜８９°に設定されている。
【０００５】
ミラー３の反射面は、重金属（Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ等）で形成される。ミラーの寸法は通常幅約１００ｍｍ、長さ５００ｍｍ前後である。水平方向、垂直方向に収束作用を持たせるためミラー形状は円筒またはトロイダル（円筒軸をさらに湾曲）、または非球面に加工されている。
【０００６】
４は取り出し窓(exit window)であり、放射光２をビームラインＢから外部に取り出す目的で、ビームラインＢの真空領域と外部の大気領域を仕切るものである。取り出し窓４は、Ｘ線２を透過しやすいベリリウムの薄膜で作られている。ベリリウム膜は放射光２の長波長成分を吸収除去するフィルターの役目を兼ねる。
【０００７】
ベリリウム膜の厚さは、通常１０〜１００μｍの範囲である。Ｃはステッパと呼ばれる露光装置である。ステッパＣ内にはＸ線マスク５と、その１０〜３０μｍ後方に置かれたウェハ６とが保持され、ウェハ６にマスク５を透過した光（放射光２）を投影する。このウェハ６はパターンを描画する対象である基板となる。
【０００８】
図９はＸ線マスク５とウェハ６の部分の拡大図である。２Ａは取り出し窓４から射出された放射光である。マスク５は、支持枠（図示せず）に取り付けたマスク基板８と、その一側面に設けた吸収体９からなる。マスク基板８は、ＳｉＮ、ＳｉＣまたはダイヤモンドの薄膜で作られ、その厚さは２μｍ程度である。吸収体９はＴａ、Ｗ等で描かれたパターンであって、その厚さは２００〜５００ｎｍである。
【０００９】
この吸収体９には、ウェハ６の露光面となる表面に塗布された感光剤（レジスト）１１が対向している。マスク５の吸収体９のない部分を通過した光は、レジスト１１の一部１１Ａを感光させるので、露光後現像することにより感光部１１Ａ（または未感光部）を溶解除去することができ、その結果マスク５上の吸収体９のパターンをウェハ６上に再現させることができる。
【００１０】
図１０は図８、９で用いる従来のマスクパターンと、それにより形成される描画パターンすなわちレジストパターンの概念図である。同図で、１２はマスク吸収体９のパターンの一例であり、黒い部分が吸収体９のある部分である。１３はネガ型レジストの現像後のレジストパターン、１４はポジ型レジストの現像後のレジストパターンである。この図１０のレジストパターン１３，１４で、黒い部分が、残されたレジスト１１である。どちらの場合もマスクパターンとレジストパターンは１対１の対応を示す。
【００１１】
従来用いられている１対１対応マスク（等倍マスク）では、最小線幅５０〜７０ｎｍ以下のパターン形成は困難とされていた。図１１は、線幅５０ｎｍのＴ字形パターン・マスクを用いて近接ギャップｇ、すなわちマスク５とウェハ６の間隙寸法（ギャップ）ｇ、を変化させた場合のレジスト表面での光強度分布の変化の様子を示す。
【００１２】
この時の平均波長は０．５４ｎｍである。この図からマスクパターンを再現するには近接ギャップを１μｍ以下にする必要があることがわかる。現在のＸ線リソグラフィでは前記のようにマスクパターンをレジスト上に１対１の対応で転写するのが基本であるが、イメージの分解能Rはマスクと露光面とのギャップｇとＸ線の波長λの積の平方根に比例する、即ち、Ｒ∝（ｇλ）1/2の関係がある。ギャップは現在の技術では１０μｍがほぼ限界なので、従来の１対１露光では線幅７０ｎｍ程度がパターン形成の限界とされている。従ってこのままでは線幅５０ｎｍの二次元マスクパターンを転写することは不可能である。
【００１３】
そこで本願の発明者等は、露光イメージの縮小効果を利用してスポットイメージを形成することを提案した（特許文献１）。図１２はそこで用いたマスクの例である。マスクの開口寸法が約１００ｎｍより小さくなると露光イメージは縮小される。これはマスクの開口部エッジの回折効果および吸収体を通過した光の位相差シフト効果によるものである。
【００１４】
【特許文献１】特開２００３−１２４０９９号
【００１５】
図１２（Ａ）のように横ピッチ１００ｎｍ、縦ピッチ２００ｎｍの単位区画の中に幅６０ｎｍ、長さ６０ｎｍの開口部を設け、露光条件を適当にとる。例えば、近接ギャップを８μｍ、吸収体としてのタンタルの厚さを２５０ｎｍとする。この場合には、図１２（Ｂ）に示すように、約２５ｎｍ×３５ｎｍ角のスポットイメージが形成され、明らかに開口寸法に対して縮小されたイメージが得られている。
【００１６】
図１３はこのようなスポットイメージによる連続描画の例を示す。すなわち、スポットイメージを露光面上に形成し、マスクとウェハを相対的に移動しながら露光することにより二次元のレジストパターンを形成するものである（連続描画法）。同図（Ａ）は露光面上でのスポットイメージの軌跡、同図（Ｂ）は露光強度の分布、同図（Ｃ）は現像後のレジスト形状をシミュレーションにより示したものである。
【００１７】
連続描画法の利点は二次元パターンの繰り返しピッチが同じであれば１種類のマスクを用いて異なるパターンが形成できることである。Ｘ線リソグラフィ全体のコストの中でマスク製作費の比重は高いので、連続描画法はコスト低減面でも効果が大きい。連続描画用マスクに要求される性能は集光性が高く、バックグラウンドのレベルが低いことである。
【００１８】
図１４はスポットイメージを移動させながら露光を繰り返す場合のコントラストの低下を説明する図である。この図１４は、スポットイメージの強度分布を高さＩ1の縦長の矩形で表し、バックグラウンドを一様な高さＩ2として簡略化して示したものである。この図１４から、描画を（Ａ）→（Ｄ）と進めるにつれて、バックグラウンドのレベルが上昇しコントラストが低下することが解る。従って当初のスポットイメージの光強度Ｉ1とバックグラウンドの光強度Ｉ2のコントラストが高いことが望まれる。コントラストＣは次式で表される。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
図１４では描画が（Ａ）→（Ｄ）へ進行するにつれてコントラストが低下する様子を示している。
【発明の目的】
【００２１】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、コントラストの高い描画を可能にする近接Ｘ線リソグラフィのパターン描画方法を提供することを目的とする。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２２】
この発明によればこの目的は、等間隔（ｐ）の平行線をその長さ方向に一定間隔ごとに周期的に断続した断続平行線状パターンを描画する近接Ｘ線リソグラフィのパターン描画方法であって、
ａ）露光対象である基板の表面にレジストの薄膜を形成し、
ｂ）前記断続平行線状パターンの平行線部分の２倍のピッチ（２ｐ）を有するライン・アンド・スペース・パターンからなるＬＳパターン形成用マスクを、そのスペース幅方向に間隔（１＋２ｎ）ｐ（ただしｎは０または正の整数）偏位した２位置で二重露光することにより、前記レジストに１ピッチ（ｐ）間隔のＬＳパターンを形成し、
ｃ）前記ＬＳパターン形成用マスクのスペース幅方向に（１＋ｍ）ｐ（ただしｍは１以上の整数）のピッチでスポット・パターンを形成するスポット・パターン形成用マスクを用いて、前記ステップｂ）で前記レジストに形成したＬＳパターンの未露光の連続線部分を分断して露光する、
ことを特徴とする近接Ｘ線リソグラフィのパターン描画方法、により達成される。
【００２３】
この発明は、ステップｂ）とステップｃ）の順番を逆にすることが可能である。すなわちスポット・パターン形成用マスクを用いて露光し、この上にＬＳパターン形成用マスクを用いてライン・アンド・スペース・パターンを重ねて露光するものである。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、ストライプ・パターン形成用マスクの位置を（１＋２ｎ）ｐ偏位させた２位置で二重露光することによってピッチｐのストライプ・パターンを露光でき、またこの未露光の連続線部分をスポット・パターン形成用マスクによるスポット・パターンで分断露光するものであるから、連続露光により描画する方法に比べて、コントラストの高い描画が可能になる。またマスクは最終的に得る描画パターンに比べてピッチが大きくなり（例えば２倍ピッチ）、微細パターンの描画が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
短冊状矩形パターンを千鳥状に配置した断続平行線状のパターンを形成する場合には、スポット・パターン形成用マスクは、環状開口部をＸ−Ｙ両方向に同一ピッチ間隔で配列したものであって、ＬＳパターン形成用マスクによる二重露光により形成したライン・アンド・スペース・パターンの２ｍ倍ピッチ（２ｍｐ、ただしｍは１以上の整数）のスポットと、その間で千鳥状に偏位した位置のスポットとを露光するものとして、これを１ピッチ（ｐ）偏位したｍ位置でｍ回露光する。
【００２６】
例えばｍ＝１の場合には、それぞれの環状開口部による０次回折光によるスポットが、正方形または長方形の４隅と中央とに対応する位置に生じるようにする。
【００２７】
短冊状矩形パターンを縦横方向に揃えて繰り返し配列した断続平行線状パターンを形成する場合には、スポット・パターン形成用マスクは、例えばＬＳパターン形成用マスクによる二重露光で形成したライン・アンド・スペース・パターンのａ倍のピッチ（ａｐ、ただしａは２以上の整数）のスポットを生じ、このマスクを１ピッチ（１ｐ）偏位したａ位置でａ回露光するものとすることができる。
【００２８】
スポット・パターン形成用マスクの環状開口部は円環状（リング状）でもよいし、格子状でもよいし、他の形状の開口部でもよい。またレジストはポジ型でもネガ型でもよい。
【実施例１】
【００２９】
ここで用いるＸ線は軟Ｘ線を主成分として幅広いスペクトル成分を有するものが適し、例えばシンクロトロン放射光が適する。この発明はライン・アンド・スペース・パターン（この出願ではＬＳパターンともいう）とスポット・パターンとを重ねて露光するものであり、まずライン・アンド・スペース・パターンを形成するために用いるＬＳパターン形成用マスクを説明する。
【００３０】
等間隔の平行線を形成するライン・アンド・スペース・パターンでは2倍ピッチマスクを用いることによりギャップを大幅に拡大できることが理論と実験により確認されている。
【００３１】
図１はその原理を示すもので、平行線群と直交するマスク断面において、マスク開口部Ａ、Ｃから回折した光はマスクの吸収体Ｂの下部Ｐで交差する。交差した光の位相は等しいので光の振幅は２倍になり、光強度はその二乗の４倍に増幅される。この原理は放射光を構成する全ての波長成分に対して成り立つ。
【００３２】
開口部Ｄ、Ｆからの回折光は開口部Ｅの下部Ｑで交差し、同様の効果をもたらす。したがってギャップ寸法に応じてマスク開口部の中心、またはマスク吸収体の中心あるいはその両方の下方に光強度が集中する。図２（１）はピッチ４００ｎｍのＬＳパターンマスクによるギャップ１０００μｍまでの露光強度分布を示す。
【００３３】
図２（２）は同マスクを半ピッチ（２００ｎｍ）移動して２回露光を行った場合の露光強度分布である。二重露光を行うことによりギャップの全領域に対して半ピッチの周期でシャープな露光強度分布が得られる。この計算結果は実際の露光実験よっても確認されている。（EIPMN国際会議予稿集 E. Toyota, M. Washio etal., Extreme Expansion of Proximity Gap Using Enlarged Masks and Double Exposures for Line and Space Pattern Formation in X-Ray Lithography, Tampa, Florida, May27-30, 2003,およびJ.Vac.Sei.Technol. B21(6)2003参照）
【００３４】
実際の集積回路素子の生産に用いられる回路パターンは二次元パターンであり、一次元のＬＳパターンがそのまま用いられることはない。例えば代表的パターンとしてメモリー素子のソース、ドレイン領域形成用として図３のようなパターンが必要とされる。図３は幅Ｗ＝７０ｎｍ長さＬ＝５Ｗ＝３５０ｎｍの矩形パターンが横ピッチＰｘ＝２Ｗ＝１４０ｎｍ，縦ピッチＰｙ＝６Ｗ＝４２０ｎｍで千鳥（レンガ積み）状に配置される場合である。
【００３５】
図３（１）は１対１露光の場合のマスク形状、図３（２）〜（５）はこのマスクを用いて露光する場合にギャップを１，２，５，１０μｍとした場合の露光強度分布である。この図から、ギャップが１μｍ以下でなければ実用上使用できるパターンの転写は不可能であることが分かる。図４はピッチ２８０ｎｍのＬＳパターンマスクを半ピッチ（１４０ｎｍ）移動して２回露光を行った場合の強度分布で、広いギャップ範囲でピッチ１４０ｎｍのＬＳパターンが得られる。しかし、これは一次元パターンであるので、これだけでは図３のような二次元パターンは形成できない。そこでこの発明ではこのＬＳパターンにスポット・パターンを重ねて露光するものである。
【００３６】
次にスポット・パターン形成用マスクについて説明する。図５（１），（２）はピッチ２８０×４２０ｎｍ2の点とそれぞれ半ピッチ千鳥状に移動した点にスポットパターンを形成するためのリング状開口部を有するマスクである。図５（１）の開口部リング寸法は中心半径７５ｎｍ，幅２０ｎｍである。図５（２）の開口部リング寸法は中心半径９５ｎｍ，幅３０ｎｍである。図５（３）はマスク（１）をギャップ１０μｍで露光した場合の強度分布、図５（４）はマスク（２）をギャップ２０μｍで露光した場合の強度分布を示す。
【００３７】
スポットイメージを形成する円環状マスクについては同一出願人により出願された特願２００３−１３８３３８号に詳細に説明されている。図６（１）は図４により形成したピッチ１４０ｎｍのＬＳパターンの二次元面上での強度分布、図６（２）は図５のマスクによって形成されるスポットイメージである。スポットイメージは円形であるが説明を容易にするためここでは正方形で表している。なおこの図６（２）のスポット・イメージを形成するためには、スポット位置に０次回折像を作るようにリング状開口部を配列したスポット・パターン形成用マスクを用いる。すなわち図５（１）、（２）に示すリング状開口部を図６（２）のスポット位置に配置する。
【００３８】
図６（３）は図６（１）の露光分布に図６（２）の露光分布を重ね合わせたものである。ポジ型レジストを用いると現像により露光部（白い部分）は溶解除去されるので灰色部がレジストパターンとして形成されることになる。１回の露光で得られるスポットイメージは円形であるがここでは模式的に正方形で示している。スポットイメージが円形でも現像により鋭角部は除去されるので実用上問題ない。
【００３９】
図６（４）のようなレジストパターンを得る場合では横ピッチ１４０ｎｍのスポットイメージを１回で形成するのは困難なので横ピッチを２倍の２８０ｎｍで形成し、ＬＳパターンの形成と同様、マスクを半ピッチ（１４０ｎｍ）移動して２回露光を行えばよい。図７は図６（４）のパターンをピッチ８０×２４０ｎｍ2で形成する場合の計算例である。
【００４０】
図７（１）はＬＳパターンを形成するための２倍ピッチのマスクである。ギャップ１５μｍで二重露光することにより図７（２）のような露光強度分布が得られる。図７（３）はスポットイメージを得るためのマスクで、リング状開口部は２倍ピッチ（１６０ｎｍ）で配列されている。マスクを８０ｎｍ移動して二重露光することにより図７（４）のような露光強度分布が得られる（リング中心を含む横方向の断面）。なお、露光強度は最大値で規格化して示している。
【００４１】
ＬＳパターンの露光強度の谷にスポットイメージの山が重なるように露光すると最終的に図７（５）のような二次元露光分布が得られる。図７（６）はスポットイメージの中心および縦方向に半ピッチ（１２０ｎｍ）離れた位置での横方向断面での露光強度分布、図７（７）は露光強度分布の尾根の部分と谷の部分の縦方向断面である。図７（８）は最大露光強度の６０％を現像閾値と想定した場合のレジスト形状である。図７（５）〜（８）では縦横の表示尺度が異なるので、注意すべきである。
【００４２】
この計算結果から線幅４０ｎｍの二次元パターンが形成可能であることが分かる。なお、これまでの説明ではスポットイメージを形成するマスクとしてリング状パターンのマスクを用いて説明したが、格子状マスク等それ以外の形態のマスクもこれまでに報告されており、特に限定はされない。（E. Toyota and M. Washio, Image Formation by Dynamic Exposure with Multiple Beam in X-Ray Nanolithography, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 41(2002) pp.4404-4409参照）
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明によるストライプ・パターン形成用マスクによるギャップ拡大効果の原理説明図
【図２】２倍ピッチのストライプ・パターン形成用マスクによる露光強度分布を示す図
【図３】メモリー素子用パターン（１）と、ギャップ変化時の露光強度分布を示す図
【図４】ストライプ・パターン形成用マスクによる２重露光時の強度分布を示す図
【図５】スポット・パターン形成用マスクのリング状開口部配置（１，２）と強度分布（３，４）を示す図
【図６】ストライプ・パターン形成用マスクとスポット・パターン形成用マスクによる露光パターン（１，２）とこれらの合成パターン（３，４）を示す図
【図７】図６（４）のパターンでピッチを変えたパターンを形成する時のパターンおよび強度分布の計算例を示す図
【図８】Ｘ線リソグラフィの光学系の一例を示す図
【図９】Ｘ線マスクとウェハの拡大図
【図１０】従来のマスクパターンとレジストパターンの概念図
【図１１】ギャップｇと光強度分布の関係を示す図
【図１２】既提案の格子状マスク（Ａ）とそのスポットイメージ（Ｂ）を説明する図
【図１３】既提案のスポットイメージによる連続描画の一例を示す図
【図１４】連続描画によるコントラスト低下を説明する図
【符号の説明】
【００４４】
１  電子ビーム
２  Ｘ線
５  Ｘ線マスク
６  ウェハ（基板）
９  吸収体
１１  レジスト
【図４】
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【図８】
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【図１４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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