(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体クロムパターンが、複数の多角形からなり、前記多角形のうち少なくとも１個は、複数の枝状部と、前記枝状部に挟まれた少なくとも１個の凹入スペースを備え、
前記全体クロムパターンが、複数の多角形の第１の組からなる第１クロムパターンと、複数の多角形の第２の組からなる第２クロムパターンに分割して構成され、
前記第１クロムパターンと前記第２クロムパターンの各々の多角形の間のスペースの間隔の最小値が、前記スペースを透過する光の激しい回折現象を防止するために、前記全体クロムパターンの凹入スペースの間隔の最小値より大きく、
第１石英基板と前記第１石英基板の上面に形成された前記第１クロムパターンとからなる第１フォトマスク、及び第２石英基板と前記第２石英基板の上面に形成された前記第２クロムパターンとからなる第２フォトマスクを含む、ことを特徴とするフォトマスク。
【請求項２】
前記全体クロムパターンを構成する、前記第１クロムパターンに属する多角形と前記第２クロムパターンに属する多角形は、重畳する部分を備えることを特徴とする、請求項１記載のフォトマスク。
【請求項３】
前記重畳する部分の幅が前記クロムパターン線幅の半分以下であることを特徴とする、請求項２記載のフォトマスク。
【請求項４】
請求項１に係るフォトマスクを用いた半導体素子の微細パターン形成方法であって、上面にエッチング対象層、エッチング阻止層及び第１感光膜が順次形成されるシリコン基板を提供する段階、前記第１フォトマスクを用いて前記第１感光膜を露光し、前記露光した第１感光膜を現像し、第１感光膜パターンを形成する段階、前記第１感光膜パターンをマスクとして前記エッチング阻止層をエッチングする段階、前記結果物上に第２感光膜を塗布する段階、前記第２フォトマスクを用いて前記第２感光膜を露光し、前記露光した第２感光膜を現像し、前記残留したエッチング阻止層間の前記エッチング対象層部分上に第２感光膜パターンを形成する段階、前記第２感光膜パターン及びエッチング阻止層をマスクとして前記エッチング対象層をエッチングする段階、及び残留したエッチング阻止層及び第２感光膜パターンを除去する段階を含むことを特徴とする、半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項５】
前記エッチング阻止層は有機膜またはＴｉＮ酸化膜から選択される何れかであることを特徴とする、請求項４記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項６】
前記エッチング阻止層のエッチング段階と前記第２感光膜の塗布段階との間に、前記第１感光膜パターンのベーキング段階をさらに含むことを特徴とする、請求項４記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項７】
前記ベーキング段階は１５０〜３００℃で１〜２分間行われることを特徴とする、請求項６記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項８】
前記エッチング阻止層のエッチング段階と前記第２感光膜の塗布段階との間に、前記第１感光膜パターンの除去段階をさらに含むことを特徴とする、請求項４記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項９】
請求項１に係るフォトマスクを用いた半導体素子の微細パターン形成方法であって、上面にエッチング対象層、第１感光膜、エッチング阻止層及び第２感光膜が順次形成されるシリコン基板を提供する段階、前記第１フォトマスクを用いて前記第２感光膜を露光し、前記露光した第２感光膜を現像し、第２感光膜パターンを形成する段階、前記エッチング阻止層の厚さが部分的に異なるように、前記第２感光膜パターンをマスクとして露出したエッチング阻止層部分の所定厚さをエッチングする段階、前記結果物上に第３感光膜を塗布する段階、前記第２フォトマスクを用いて前記第３感光膜を露光し、前記露光した第３感光膜を現像し、前記第２感光膜パターン間の前記エッチング阻止層部分上に第３感光膜パターンを形成する段階、前記第２及び第３感光膜パターンをマスクとして露出したエッチング阻止層部分をエッチングする段階、第１感光膜パターンが形成されるように、前記第２及び第３感光膜パターンをマスクとして前記第１感光膜をエッチングする段階、前記第２及び第３感光膜パターンを除去する段階、前記エッチング阻止層及び第１感光膜パターンをマスクとして前記エッチング対象層をエッチングする段階、及び残留したエッチング阻止層及び第１感光膜パターンを除去する段階を含むことを特徴とする、半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１０】
前記エッチング阻止層はＳＯＧ膜またはＰＥ−酸化膜から選択される何れかであることを特徴とする、請求項９記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１１】
前記エッチング阻止層と前記第２感光膜との間に有機物層または無機物層を介在させることを特徴とする、請求項９記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１２】
前記エッチング阻止層のエッチング段階と前記第３感光膜の塗布段階との間に、前記第２感光膜パターンのベーキング段階をさらに含むことを特徴とする、請求項９記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１３】
前記ベーキング段階は１５０〜３００℃で１〜２分間行われることを特徴とする、請求項１２記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、より詳しくは、ステッパ(stepper)の分解能の限界を克服するためのフォトマスク及びこれを用いた微細パターン形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、パターンサイズの減少は露光装備例えばステッパに用いられる光源を短波長のものとする方法により進行されつつある。例えば、光源としてＧ-ｌｉｎｅ(λ=４３５ｎｍ)またはＩ−ｌｉｎｅ（λ＝３６５ｎｍ）を主に用いており、最近は、ＫｒＦ(λ=２４８ｎｍ)及びＡｒＦ(λ=１９３ｎｍ)、さらにＸ-ｒａｙを用いた露光法が提案された。
【０００３】
しかし、パターンサイズの減少は短波長の光源を用いることだけではその限界がある。それで、変形照明法や二枚のフォトマスクを用いた露光法などが開発された。前記二枚のフォトマスクを用いた露光法は、日本特許第５８-１２７３２５号(１９８３.７.２９公開)及び米国特許第５５０３９５９号(１９９６.４.２公開)等に開示されている。
【０００４】
以下、典型的なフォトマスクと前記フォトマスクを二枚に分けて製作したフォトマスク及びこれらを用いた露光を、図１及び図２を参照して説明する。
【０００５】
図１は高密度のクロムパターンを持つ典型的なフォトマスク及びこれを用いて露光する場合に現れる光の強度分布を示す図である。図２は低密度のクロムパターンを持つ二枚のフォトマスク及びこれらを用いて露光する場合に現れる光の強度分布を示す図である。尚、図面符号１は石英基板、２、１２ａ、１２ｂはクロムパターン、３、１３ａ、１３ｂはスペース、１０、２０ａ、２０ｂはフォトマスクである。
【０００６】
図１に示すように、典型的なフォトマスク１０の場合、クロムパターン２が石英基板１上に高密度に形成されるため製作が難しい。また、前記フォトマスク１０を用いて露光する場合、スペース３の幅ｄ１が狭いため前記スペース３を透過する光の激しい回折現象が現れる。このため、微細ライン/スペースパターンを形成し難い。
【０００７】
反面、図２に示すように、典型的なフォトマスク１０を二枚のフォトマスク２０ａ、２０ｂに分けて製作した場合、クロムパターン１２ａ、１２ｂが高密度に形成されないため、前記典型的なフォトマスク１０と比較してその製作が容易である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スペース１３ａ、１３ｂの幅ｄ２が前記典型的なフォトマスク１０でのスペース３の幅ｄ１と同じであるため、相変らず前記スペース１３ａ、１３ｂを透過する光の激しい回折現象が現れる。それで、前記フォトマスク２０ａ、２０ｂを用いても微細ライン/スペースパターンを形成し難い。
【０００９】
例えば、２５６ＭＤＲＡＭ、１ＧＤＲＡＭ等の高密度メモリ素子を製作するために、前記二枚のフォトマスクを用いて露光する場合、光の激しい回折現象によりクロムパターン１２ａ、１２ｂの形状が感光膜に十分に転写されず、それで、微細ライン/スペースパターンを得られない。
【００１０】
また、通常の露光はポジ感光膜を用いる工程に対して、二枚のフォトマスクを用いた露光はネガ感光膜を用いる工程である。これにより、前記ネガティブ感光膜を用いるためには新工程ラインの構築が要求されるという短所がある。
【００１１】
本発明の目的は、光の激しい回折現象による問題を解決できるフォトマスクを提供することにある。
本発明の他の目的は、前記フォトマスクを用いた半導体素子の微細パターン形成方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、全体クロムパターンが、複数の多角形からなり、前記多角形のうち少なくとも１個は、複数の枝状部と、前記枝状部に挟まれた少なくとも１個の凹入スペースを備え、前記全体クロムパターンが、複数の多角形の第１の組からなる第１クロムパターンと、複数の多角形の第２の組からなる第２クロムパターンに分割して構成され、前記第１クロムパターンと前記第２クロムパターンの各々の多角形の間のスペースの間隔の最小値が、前記スペースを透過する光の激しい回折現象を防止するために、前記全体クロムパターンの凹入スペースの間隔の最小値より大きく、第１石英基板と前記第１石英基板の上面に形成された前記第１クロムパターンとからなる第１フォトマスク、及び第２石英基板と前記第２石英基板の上面に形成された前記第２クロムパターンとからなる第２フォトマスクを含む、ことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、請求項１に係るフォトマスクを用いた半導体素子の微細パターン形成方法であって、上面にエッチング対象層、エッチング阻止層及び第１感光膜が順次形成されるシリコン基板を提供する段階、前記第１フォトマスクを用いて前記第１感光膜を露光し、前記露光した第１感光膜を現像し、第１感光膜パターンを形成する段階、前記第１感光膜パターンをマスクとして前記エッチング阻止層をエッチングする段階、前記結果物上に第２感光膜を塗布する段階、前記第２フォトマスクを用いて前記第２感光膜を露光し、前記露光した第２感光膜を現像し、前記残留したエッチング阻止層間の前記エッチング対象層部分上に第２感光膜パターンを形成する段階、前記第２感光膜パターン及びエッチング阻止層をマスクとして前記エッチング対象層をエッチングする段階、及び残留したエッチング阻止層及び第２感光膜パターンを除去する段階を含むことを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明は、請求項１に係るフォトマスクを用いた半導体素子の微細パターン形成方法であって、上面にエッチング対象層、第１感光膜、エッチング阻止層及び第２感光膜が順次形成されるシリコン基板を提供する段階、前記第１フォトマスクを用いて前記第２感光膜を露光し、前記露光した第２感光膜を現像し、第２感光膜パターンを形成する段階、前記エッチング阻止層の厚さが部分的に異なるように、前記第２感光膜パターンをマスクとして露出したエッチング阻止層部分の所定厚さをエッチングする段階、前記結果物上に第３感光膜を塗布する段階、前記第２フォトマスクを用いて前記第３感光膜を露光し、前記露光した第３感光膜を現像し、前記第２感光膜パターン間の前記エッチング阻止層部分上に第３感光膜パターンを形成する段階、前記第２及び第３感光膜パターンをマスクとして露出したエッチング阻止層部分をエッチングする段階、第１感光膜パターンが形成されるように、前記第２及び第３感光膜パターンをマスクとして前記第１感光膜をエッチングする段階、前記第２及び第３感光膜パターンを除去する段階、前記エッチング阻止層及び第１感光膜パターンをマスクとして前記エッチング対象層をエッチングする段階、及び残留したエッチング阻止層及び第１感光膜パターンを除去する段階を含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明及びそれを実施できるやり方は、以下の説明及び図面を参照することによって理解できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の実施例によるフォトマスク及びこれを用いた露光時に現れる光の強度分布を示す図である。
【００１７】
本発明のフォトマスク３０ａ、３０ｂは、第１石英基板１ａと前記第１石英基板１ａ上面に形成された第１クロムパターン２２ａから構成された第１フォトマスク３０ａと、第２石英基板１ｂと前記第２石英基板１ｂ上面に形成された第２クロムパターン２２ｂから構成された第２フォトマスク３０ｂとを含む。ここで、前記第１フォトマスク３０ａと第２フォトマスク３０ｂは、図１の典型的なフォトマスク１０と比較して、隣接するクロムパターン２間のスペースが増加するように、全体クロムパターン２を一つ置き第１群と第２群に分けて、前記第１群の第１クロムパターン２２ａと第２群の第２クロムパターン２２ｂを前記第１石英基板１ａと第２石英基板１ｂの上面に各々形成させて製作したものである。この場合、前記第１クロムパターン２２ａ間のスペース２３ａまたは前記第２クロムパターン２２ｂ間のスペース２３ｂの幅ｄ４が、前記典型的なフォトマスク１０のスペース３の幅ｄ１より増加する。
【００１８】
よって、本発明のフォトマスク３０ａ、３０ｂを用いた露光の際に、クロムパターン間を透過する光が大きい角度に回折されないため、前記光の回折現象による悪影響をあまり受けない。これにより、微細ライン/スペースパターンの形成が可能となる。
【００１９】
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び図５（ａ）、（ｂ）（ｃ）は、前記フォトマスクを用いた本発明の実施例による微細パターン形成方法を説明するための断面図である。
【００２０】
図４（ａ）を参照すれば、上面にエッチング対象層すなわち導電層４１が形成されたシリコン基板４０を提供する。エッチング阻止層４２が前記導電層４１上に形成され、第１感光膜４３が前記エッチング阻止層４２上に塗布される。前記エッチング阻止層４２は、望ましくは有機膜またはＴｉＮ酸化膜から選択される一つである。前記第１感光膜４３はポジ型を用いる。前記第１感光膜４３が第１フォトマスク３０ａを用いる露光工程により露光される。
【００２１】
図４（ｂ）を参照すれば、第１感光膜パターン４３ａは前記露光した第１感光膜に対する現像工程により形成される。前記第１感光膜パターン４３ａは露光されない第１感光膜部分が残留して得られたものである。前記エッチング阻止層４２が前記第１感光膜パターン４３ａをマスクとするエッチング工程によりエッチングされ、それで、エッチング阻止層パターン４２ａが形成される。
【００２２】
図４（ｃ）を参照すれば、前記第１感光膜パターン４３ａが除去される。第２感光膜４４が前記エッチング阻止層パターン４２ａ及び導電層４１上に塗布され、第２フォトマスク３０ｂを用いる露光工程により露光される。前記第２感光膜４４は前記第１感光膜パターン４３ａが除去されないままに塗布されることもできる。この場合、前記第１感光膜パターン４３ａに対する追加ベーキング工程が、後工程の行われる間に倒れ現象の発生が防止されるように行われ、ベーキング工程は１５０〜３００℃で１〜２分間行われる。
【００２３】
図５（ａ）を参照すれば、第２感光膜パターン４４ａが前記露光した第１感光膜に対する現像工程により形成される。前記第２感光膜パターン４４ａは露光されない第２感光膜が残留して得られたものである。
【００２４】
図５（ｂ）及び図５（ｃ）を参照すれば、前記導電層４１は前記エッチング阻止層パターン４２ａと第２感光膜パターン４４ａをマスクとするエッチング工程によりエッチングされ、前記エッチング阻止層パターン４２ａと第２感光膜パターン４４ａが除去され、最終にライン/スペースパターン４５が得られる。
【００２５】
前記実施例において、感光膜４３、４４に対する露光が低密度のクロムパターン２２ａ、２２ｂを持つフォトマスク３０ａ、３０ｂを用いて行われるため、光の回折現象による悪影響は低減される。よって、前記クロムパターン２２ａ、２２ｂの形状が前記感光膜４３、４４にそのまま転写されるため、所望の微細ライン/スペースパターンの形成が可能である。
【００２６】
図６（ａ）、（ｂ）、図７（ａ）、（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、前記フォトマスクを用いた本発明の他の実施例による微細パターン形成方法を説明するための断面図である。
【００２７】
図６（ａ）を参照すれば、上面にエッチング対象層すなわち導電層５１が形成されたシリコン基板５０を提供する。第１感光膜５２とエッチング阻止層５３及び第２感光膜５４が前記導電層５１上に順次形成される。前記エッチング阻止層５３は、望ましくはＳＯＧ膜またはＰＥ-酸化膜から選択される一つである。有機物層または無機物層が前記エッチング阻止層５３と第２感光膜５４間に形成される事も出来る。前記第２感光膜５４が本発明の第１フォトマスク３０ａを用いることにより露光される。
【００２８】
図６（ｂ）を参照すれば、第２感光膜パターン５４ａが前記露光した第２感光膜の現像により形成される。前記エッチング阻止層５３は前記第２感光膜パターン５４ａをマスクとするエッチング工程により露出した部分の一定厚さが除去される。このとき、前記第２感光膜パターン５４ａは、エッチング阻止層５３がエッチングされる間に一部が共にエッチングされる。
【００２９】
図７（ａ）を参照すれば、第３感光膜５５が前記残留した第２感光膜パターン５４ａ及び前記エッチングされたエッチング阻止層５３上に塗布される。前記第３感光膜５５は本発明の第２フォトマスク３０ｂを用いた露光工程により露光される。前記第３感光膜５５の塗布前、前記第２感光膜パターン５４ａの倒れ現象が防止されるように、１５０〜３００℃で１〜２分間ベーキング工程が行われる。
【００３０】
図７（ｂ）を参照すれば、第３感光膜パターン５５ａが前記露光した第３感光膜の現像により形成される。前記第３感光膜パターン５５ａは一定厚さのエッチングされたエッチング阻止層５３部分上に配置される。
【００３１】
図８（ａ）を参照すれば、前記エッチング阻止層５３は、前記第３及び第２感光膜パターン５５ａ、５４ａをマスクとして用いる反応イオンエッチング(ＲＩＥ)工程によりエッチングされる。このとき、前記エッチング阻止層５３は、前の工程で一部厚さがエッチングされることにより前記第３感光膜パターン５５ａと第２感光膜パターン５４ａの下に異なる厚さに残留する。
【００３２】
図８（ｂ）を参照すれば、第１感光膜パターン５２ａは第３及び第２感光膜パターン５５ａ、５４ａと残留したエッチング阻止層５３をマスクとするエッチング工程により形成される。ここで、前記エッチング工程は、望ましくはＯ２プラズマを用いたドライエッチング工程にて行われる。また、前記エッチング阻止層５３上の第２感光膜パターン５４ａは前記エッチング工程の間に除去される。しかも、有機物層または無機物層が前記エッチング阻止層５３と第２感光膜パターン５４ａ間に挟んだ場合、前記有機物層または無機物層も共に除去される。
【００３３】
図８（ｃ）を参照すれば、導電層５１は第１感光膜パターン５２ａ及びエッチング阻止層５３をマスクとするエッチング工程によりエッチングされ、それで、最終に微細ライン/スペースパターン５６が得られる。このとき、前記エッチング阻止層５３は前記エッチング工程の間に除去される。もし、前記エッチング阻止層５３が除去されないで残留すれば、前記エッチング阻止層５３は追加エッチング工程により除去される。
【００３４】
この実施例において、前記第３及び第２感光膜５５、５４に対する露光が先の実施例と同様に、低密度のクロムパターン２２ａ、２２ｂを持つフォトマスク３０ａ、３０ｂを用いて行われるため、光の回折現象による悪影響は低減され、それで、所望の微細ライン/スペースパターンを形成できる。
【００３５】
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、一般のＤＲＡＭ製造用フォトマスク及びこれを二枚のフォトマスクに分離・製作する方法を説明するための平面図である。図９（ａ）に示すように、フォトマスク６５に具備されたクロムパターン６２ａ、６２ｂが規則的に配列されたライン形状を持つ場合、前記クロムパターン６２ａ、６２ｂは、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、２群に分けて第１及び第２フォトマスク６５ａ、６５ｂに分離・製作する。図面符号６１は石英基板である。
【００３６】
図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、特定のＤＲＡＭ及びＡＳＩＣ製造用フォトマスク及びこれを二枚のフォトマスクに分離・製作する方法を説明するための平面図である。図１０（ａ）に示すように、フォトマスク７５に具備されたクロムパターン７２が不規則な形状を持つ場合、前記クロムパターン６２は、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）に示すように、任意に２群に分けて第１及び第２フォトマスク７５ａ、７５ｂに分離・製作する。このとき、第２フォトマスク７５ｂに具備されたクロムパターン７２ｂは第１フォトマスク７５ａに具備されたクロムパターン７２ａと重畳されるようにし、その重複部分７３の幅はクロムパターン７２ｂの線幅の半分以下とすることが望ましい。
【００３７】
【発明の効果】
以上から説明したように、本発明は、低密度及び増加したスペース幅を持つフォトマスクを製作し、かつ前記フォトマスクを用いて露光工程を行うため、光の回折現象による悪影響を顕著に低減できる。従って、微細ライン/スペースパターンの形成が可能となり、その結果、高集積半導体素子の製造が可能となる。また、従来の露光装置のまま使用できるために装備効率の極大化が可能となる。
【００３８】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】高密度のクロムパターンを持つ典型的なフォトマスク及びこれを用いて露光する場合に現れる光の強度分布を示す図である。
【図２】低密度のクロムパターンを持つフォトマスク及びこれを用いて露光する場合に現れる光の強度分布を示す図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例によるフォトマスク及びこれを用いた露光時に現れる光の強度分布を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の実施例による微細パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の実施例による微細パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、本発明の他の実施例による微細パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）、本発明の他の実施例による微細パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の他の実施例による微細パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、一般のＤＲＡＭ製造用フォトマスク及びこれを二枚のフォトマスクに分離・製作する方法を説明するための平面図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、特定のＤＲＡＭ及びＡＳＩＣ製造用フォトマスク及びこれを二枚のフォトマスクに分離・製作する方法を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１ａ  第１石英基板
１ｂ  第２石英基板
２２ａ、６２ａ、７２ａ  第１クロムパターン
２２ｂ、６２ｂ、７２ｂ  第２クロムパターン
２３ａ、２３ｂ  スペース
３０ａ、６５ａ、７５ａ  第１フォトマスク
３０ｂ、６５ｂ、７５ｂ  第２フォトマスク
４０、５０  シリコン基板
４１、５１  導電層
４２、５３  エッチング阻止層
４２ａ  エッチング阻止層パターン
４３、５２  第１感光膜
４３ａ、５２ａ  第１感光膜パターン
４４、５４  第２感光膜
４４ａ、５４ａ  第２感光膜パターン
４５、５６  ライン/スペースパターン
５５  第３感光膜
５５ａ  第３感光膜パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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