(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光波長λ、開口数ＮＡの投影光学系を有する露光装置でポジ型のフォトレジストが塗布されたウエハにホールを形成するのに用いられるフォトマスクであって、
前記ホールを形成するためのパターンを有し、
そのパターンは、縦横方向に周期ｄを持つ二次元格子状の４個の領域を含み、
その４個の領域は、これらを透過する光束のそれぞれが、時計回りまたは反時計回りの方向において、０、π／２、π、３π／２［ラジアン］の相対位相を持つように構成されており、
【数１】
0004402195.tif 000014
の関係を満足する
ことを特徴とするフォトマスク。
【請求項２】
露光波長λ、開口数ＮＡの投影光学系を有する露光装置でポジ型のフォトレジストが塗布されたウエハにホールを形成するのに用いられるフォトマスクであって、
前記ホールを形成するためのパターンを有し、
そのパターンは、縦横方向に周期ｄを持つ二次元格子状の複数の領域を含み、
その複数の領域から任意に抽出した縦２、横２の隣接する４個の領域は、これらを透過する光束のそれぞれが、時計回りまたは反時計回りの方向において、０、π／２、π、３π／２［ラジアン］の相対位相を持つように構成されており、
【数２】
0004402195.tif 000015
の関係を満足する
ことを特徴とするフォトマスク。
【請求項３】
前記パターンは透明な基板上に形成され、該基板の厚さ分布を制御することにより、前記０、π／２、π、３π／２［ラジアン］の相対位相を発生させることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトマスク。
【請求項４】
前記複数の領域の各々の全面は、開口部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトマスク。
【請求項５】
前記複数の領域の各々は、遮光部と該遮光部に囲まれた開口部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトマスク。
【請求項６】
ウエハ上にパターンを形成するパターン形成方法において、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトマスクを用いてウエハを露光する工程を有することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項７】
請求項６に記載のパターン形成方法を用いてデバイスのパターンをウエハ上に転写するステップと、前記ウエハを現像するステップとを有することを特徴とするデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影露光装置を用いて周期的なホールパターンを形成する方法及びその方法に使用するフォトマスクに関するものであり、特に従来よりも微細なパターンを形成することが可能な方法及びその方法に使用するフォトマスク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の進展は目ざましく、それに伴い、半導体基板（ウェハ）上に形成される回路パターンも益々微細になっている。パターン形成には、通常、ステッパ、スキャナ、等の投影露光装置が使用されるが、装置の解像度を向上させるため、従来、投影レンズの高ＮＡ化（ＮＡ：開口数）、露光光の短波長化が追求されてきた。更に最近では、転写パターンが描かれた原板（フォトマスク、或いはレチクル）を透過する光の位相を制御する位相シフトマスクも実用化段階に入ってきている。
【０００３】
回路パターンを構成する要素としては、ライン＆スペースパターンと呼ばれる周期的な線状パターンと、ホールパターンと呼ばれる周期的な点状パターンが必要となり、現状ではそれらの何れに対しても１００〜１５０ｎｍレベルのパターンサイズが要求されている。
【０００４】
図１２を用いて投影露光装置の概略を説明する。１０１は光源を含む照明光学系であり１０２は照明光束を表す。光源として、現在ではＫｒＦレーザ（波長：２４８ｎｍ）或いはＡｒＦレーザ（波長：１９３ｎｍ）が広く用いられている。次に１０３は回路パターンが描かれたフォトマスク（或いはレチクル）であり、照明光束１０２により照明される。フォトマスク１０３で発生した回折光束１０４は、投影レンズ１０５を介して像空間へと導かれ、半導体基板（ウェハ）１０６上において回路パターンの像を形成する。ウェハ１０６上にはフォトレジストが塗布されており、感光されたフォトレジストを現像し、更にエッチングプロセスを経ることによって、半導体基板１０６上に回路パターンが形成される。フォトレジストとして、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、逆に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という。
【０００５】
図１３には、フォトマスクの一例と、そのフォトマスクによって形成される像を示す。まず（Ａ）はフォトマスクであり、遮光部１０７の中に５×５＝２５個の矩形開口部（１０８等）が形成されている。ここで、開口部のピッチは縦方向、横方向ともｄ、開口部の大きさは、縦方向、横方向ともｄ／２とする。このフォトマスクはホールパターンの形成に用いられる。（Ｂ）には（Ａ）のフォトマスクによって半導体基板上に形成されるパターンを示す。１０９は半導体基板上に塗布されたポジ型のフォトレジストであり、１１０等で示す黒い点は、感光、現像によりフォトレジストの一部が取り除かれた状態を示す。形成されるホールパターンの大きさは、投影レンズの結像倍率を１として、フォトマスクの開口部の大きさと等しくｄ／２となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のフォトマスクを用いた露光方法では、パターンサイズが小さくなっていくと、回折光束が投影レンズで捕らえられなくなり、最終的に像が形成されなくなる。そして、波長λと投影レンズの開口数ＮＡを用いれば、形成可能な最小のパターンサイズは、
【０００７】
【数３】
0004402195.tif 000002
【０００８】
によって制限される。λ＝２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．６といった典型的な値を代入してみれば、約２００ｎｍがパターンサイズの最小値となる。この値では、最新のデバイス製造で要求される微細構造を作製することはできない。
【０００９】
そこで、解像度を向上させるために位相シフトマスクが使用される。図１４には、図１３（ａ）で示したフォトマスクと同様のサイズのパターンを位相シフトマスクで形成した例を示す。図中、数字の０と１８０は、開口を透過した光束の位相（単位は度）を表し、波長に換算すると、０度と１８０度は半波長分のずれに相当する。この場合の解像限界パターンサイズは、
【００１０】
【数４】
0004402195.tif 000003
【００１１】
で制限され、上と同様の条件を代入すると、最小値は約１５０ｎｍまで達する。
【００１２】
しかしながら、半導体デバイスの性能向上に伴い、今後は更に小さなパターンサイズが要求されるのは当然であり、従来の位相シフトマスクではその要求に答えることができない。
【００１３】
ホールパターンに対する解像度を更に向上させるために、ライン＆スペースパターン用の位相シフトマスクを用いて一次元の周期パターンを形成し、次にマスク或いはウェハを９０度回転させて同じパターンを多重露光し、２つのライン＆スペースパターンの交点部分をホールとして用いようとする試みが、例えば、特開平１０−１２５４３号公報に開示されている。この方法によると、図１４に示した位相シフトマスクを用いる場合に比較して確かに解像度は向上するが、ホールパターンの形成のために２回の露光が必要となり、スループットの観点から、デバイス製造において実用的に使われていくとは考えられない。
【００１４】
特開平５−２４９６４９号公報では、位相シフト量が０、π／２、π、３π／２［ラジアン］となる４つの矩形領域から構成される位相シフトマスクを用いて、４つの領域境界に対応する像面位置において光強度がゼロとなる現象を用いて、ネガレジスト中に微細なホールパターンを形成する方法が開示されている。しかしながら、同公報の図１を引用した図１５（ｂ）を参照すると、Ａ−Ａ’面においても、Ｂ−Ｂ’面においても、中間点で分断して見たときの各々の光強度分布は、２つの肩を有する分布となっており、２つの肩の間の光強度分布が弱い。このような分布となっているのは、領域１、２、３、４の各辺が露光波長に対して相対的に長く、２次以上の高次回折光が干渉しているからである。Ｂ−Ｂ’面における２つの肩の間の光強度が弱い部分は、レジストの溶解と非溶解との間の光強度の閾値が設定可能な範囲を狭めており、従って、使用可能なレジストの種類が限定されたり、必要とする露光量が増大するといった問題がある。
【００１５】
本発明は、従来は不可能であったような微細なホールパターンの形成を可能とするフォトマスクを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点に鑑み、本発明の一側面としてのフォトマスクは、露光波長λ、開口数ＮＡの投影光学系を有する露光装置でポジ型のフォトレジストが塗布されたウエハにホールを形成するのに用いられるフォトマスクであって、前記ホールを形成するためのパターンを有し、そのパターンは、縦横方向に周期ｄを持つ二次元格子状の４個の領域を含み、その４個の領域は、これらを透過する光束のそれぞれが、時計回りまたは反時計回りの方向において、０、π／２、π、３π／２［ラジアン］の相対位相を持つように構成されており、
【数５】
0004402195.tif 000004
の関係を満足することを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、ウェハ上にホールパターンを形成するために用いられるフォトマスクであり、遮光部１の中に５×５＝２５個の矩形開口部が形成されている。開口部のピッチは縦方向、横方向ともｄ、開口部の大きさは、縦方向、横方向ともｄ／２とする。
【００２８】
ここで本発明のフォトマスクの特徴を説明する。図１に示すように、２５個の開口部は、そこを透過した光束に対して４種類の位相変化を与える。まず、２で示す開口からの透過光を位相０として、他の部分の位相を表現する上での基準とする。そうすると、３で示す開口からの透過光は、開口２の透過光に比べて９０度位相が進んでいる。同様に、４で示す開口からの透過光は１８０度、５で示す開口からの透過光は２７０度位相が進んでいる。使用する光の波長をλとすれば、９０度の位相差はλ／４、１８０度の位相差はλ／２、２７０度の位相差は３λ／４に対応する。更にフォトマスクの特徴として、縦２、横２の隣接する４つの開口部に着目した場合、何れの位置においても、透過光の位相が０度→９０度→１８０度→２７０度→０度、或いは、０度→２７０度→１８０度→９０度→０度と規則的に変化していることが挙げられる。本発明のフォトマスクは、透過光の位相を制御しているという意味で一種の位相シフトマスクということもできるが、その構成が図１４に示した従来の位相シフトマスクとは全く異なることは明らかである。
【００２９】
次に、本発明のフォトマスクを用いて実現される解像度の向上について、シミュレーションの結果を参照しながら説明する。ここでシミュレーションの条件としては、ＫｒＦエキシマステッパの使用を想定して、波長２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．６、コヒーレンスパラメータσ＝０．２、そしてパターンの大きさとして、ｄ／２＝１２０ｎｍとする。この条件では、式（２）によれば、従来の位相シフトマスクを用いても像が得られないことになる。そこで比較のため、まず図１４に示した従来の位相シフトマスクに対して、上記の条件でシミュレーションを行った結果を図２に示す。周辺部のみ、かろうじてパターンらしきものが形成されているが、所望のホールパターンは得られていない。次に、図１に示したフォトマスクに対して同様のシミュレーションを行った結果を図３に示す。図は光強度の分布を表しており、白い部分では光強度が強く、黒い部分では光強度が弱くなっている。図から明らかなように、明確に明暗の光強度パターンが形成されている。
【００３０】
また、図３のＡ−Ａ’断面及びＢ−Ｂ’断面の光強度分布を図４に示す。図４から明らかなように、光強度分布の形状は、なだらかな丸い山と丸い谷からなり、特開平５−２４９６４９号公報の技術に見られるような、２次以上の高次回折光による干渉が見られない。
【００３１】
理論検討の結果、本発明のフォトマスクを用いることによって形成可能なパターンサイズは、
【００３２】
【数６】
0004402195.tif 000005
【００３３】
の範囲であることが示される。従来の位相シフトマスクによって与えられる最小パターンサイズは式（２）で与えられる通りであり、それに比較して本発明のフォトマスクを用いれば１／√２倍の大きさを有するパターンの形成が可能であることが分かる。
【００３４】
本発明のフォトマスクに対して、ポジ型のフォトレジストを使用することにすれば図３で光強度の強い部分にホールパターンが形成され、一方ネガ型のフォトレジストを使用する場合には光強度の弱い部分にホールパターンが形成される。但しパターンサイズが大きくなると、高次回折光の影響でパターン像強度分布形状に乱れが発生し、特にポジ型のフォトレジストを用いる際には正確なパターン転写が困難となる。検討の結果、ポジ型のフォトレジストを使用しても良好なパターン転写が可能なパターンサイズは、
【００３５】
【数７】
0004402195.tif 000006
【００３６】
の範囲であることが分かった。
【００３７】
式（３）と（４）を考慮すると、本発明のフォトマスクを有効に使用することが可能なパターンサイズの範囲として、
【００３８】
【数８】
0004402195.tif 000007
【００３９】
が得られる。
【００４０】
図５は、図１に示したフォトマスクから開口部の間に存在した遮光部を除いたものであり、パターンの外側にのみ遮光部１０を有している。この場合も、波長２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．６、コヒーレンスパラメータσ＝０．２、パターンの大きさｄ／２＝１２０ｎｍの条件でシミュレーションを行えば、図３と同様の光強度分布が得られる。但し光強度の絶対値は大きくなる。図５のフォトマスクは、図１のフォトマスクに比較して作製が容易であるという利点がある。
【００４１】
次に、本発明のホールパターン作製用フォトマスクを用いて、より複雑な形状のパターンを形成する方法について説明する。まず図６は、図１或いは図５のフォトマスクを用いて、ポジ型のフォトレジスト中に形成されたホールパターンの潜像を表す。２０がフォトレジストが塗布されたウェハであり、２１がホールパターンの潜像である。また図７は、ポジ型のフォトレジストに対して与えられる露光量と、露光後のレジスト溶解速度の関係を表す。溶解速度がゼロまたは非常に遅い状態では、レジストは現像液中で溶解することなく、ウェハ上に残ったままとなる。実際に、露光量が低い状態ではレジストの溶解速度はほとんどゼロのままであり、レジストが現像液に溶解するようになるには閾値Ｅth以上の露光量が必要となる。
【００４２】
本実施例では、まず最初に図６のホールパターンを露光する際には、ホールパターンの潜像部の露光量をＥ１としている。Ｅ１はＥthより小さい値であるため、この状態のレジストを現像液に浸してもレジストの溶解が進むことはない。そこで次に、図８に示すマスクを用いた多重露光を行う。図８のマスクは、遮光部２２に対して、２３，２４の開口部から成るパターンを有している。そこで、図６のウェハに対して、露光量Ｅ１で図８のレチクルを用いた露光を行う。すると、図７から分かるように、Ｅ１の露光量で２回露光された部分は、トータルな露光量が２×Ｅ１となってＥthを越えるため、現像液に溶解するようになる。そのため、図９に示すようなホールパターンの集合を得ることが可能となる。図９中、２０は図６と同様のウェハであり、２５がレジスト中に形成されたホールパターンを表す。即ちここで示した方法によると、図８で表すパターンの開口部の形状にしたがって、微細なホールパターンの集合を得ることが可能となる。
【００４３】
次に、本発明のフォトマスクを実際に作製する方法を説明する。図５に示した４レベルの位相シフトパターンを作製する方法を例に説明を行う。透明な基板の表面を階段形状に加工するために、バイナリオプティクス素子の作製方法を応用することができる。バイナリオプティクス素子は、回折光学素子の一種であり、ブレーズド形状の表面を階段形状で近似したものである。その作製には、半導体素子製造技術を応用することができ、微細なパターンを高精度に得ることができる。作製のためには、マスクパターンを用いた露光、現像、エッチングのプロセスが複数回繰り返される。まず図１０には、作製に用いる２枚のマスクを示す。マスクＡは、遮光部３０と開口部３１から構成されており、開口部は一辺ｄの正方形となっている。また、遮光部と開口部は十字格子状に一つ飛びに配置される。一方マスクＢは、遮光部３２と開口部３３から構成され、開口部はｄ×５ｄの大きさの長方形となっている。また遮光部と開口部は上下方向に一つ飛びに配置される。
【００４４】
図１１を用いて、４レベルの位相シフトマスクを作製する方法を説明する。図１１（ａ）に示す４０は、本発明のフォトマスクを作製するための基板であり、開口部４１にマスクパターンが形成される。図１１（ａ）の基板に対して、まず図１０のマスクＡを用いた露光が行われる。基板４０にはポジ型のフォトレジストが塗布されており、図１１（ｂ）に示すように、マスクＡの開口部３１に対応した部分にパターン４２が形成される。斜線で示したパターン４２の部分は、現像によってレジストが取り除かれ、その後エッチングによって基板の一部が削り取られる。その際、エッチングの深さは、基板の屈折率をｎ、使用波長をλとして、
【００４５】
【数９】
0004402195.tif 000008
【００４６】
で与えられる。次に図１１（ｂ）の基板に対して、改めてフォトレジストの塗布が行われ、今度はマスクＢを用いた露光が行われる。そして開口部３３に対応した部分４３，４４にパターンが形成され、その部分が、
【００４７】
【数１０】
0004402195.tif 000009
【００４８】
の深さだけエッチングされる。斜線部４４の位置は第１回目の露光の際もエッチングされているため、合計のエッチング量は、
【００４９】
【数１１】
0004402195.tif 000010
【００５０】
となる。一方斜線部４３は第２回目の露光の際のみエッチングされるため、エッチング量は、
【００５１】
【数１２】
0004402195.tif 000011
【００５２】
となる。また斜線部４２は第１回目の露光の際のみエッチングされるため、エッチング量は、
【００５３】
【数１３】
0004402195.tif 000012
【００５４】
となる。最後に４５の部分は全くエッチングをされないため、基板の厚さは元の状態のままである。以上の結果、基板上には４段の深さ分布が形成され、基板を透過する光束に対しては、深さ、
【００５５】
【数１４】
0004402195.tif 000013
【００５６】
が９０度（波長換算でλ／４）の位相変化量を与えることになる。
【００５７】
図１０で示したマスクＡ、マスクＢを用いてパターンの露光転写を行う代わりに、電子ビーム露光装置を用いて、レジスト塗布後に、両マスクの開口部に対応した部分のみに電子ビームを直接照射して、レジストを感光させる方法も可能である。その場合にはマスクＡ、Ｂを作製する手間を省くことができる。
【００５８】
次に、上記説明したフォトマスクを使用した露光装置を用いて半導体デバイスを製造する方法の実施例を説明する。
【００５９】
図１５は半導体デバイス（ＩＣ（集積回路）やＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体チップ、あるいは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によつてウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。図１６は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステッブ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明したフォトマスクを備える露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステツプ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステッブ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによつて、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される本実施例の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを製造することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を用いれば、従来は不可能であったような微細なホールパターンの形成が可能となる。
【００６１】
また、本発明によれば、２次以上の高次回折光による干渉がないので、基板上に照射される光強度の分布は丸山形となる。よって、レジストの溶解と非溶解との間の光強度の閾値が設定可能な範囲が広くなり、従って、使用可能なレジストの種類が増え、必要とする露光量が減少する。
【００６２】
更に、本発明によれば、ネガ型のフォトレジストだけでなく、ポジ型のフォトレジストを使用しても、基板上に微細なパターンを形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態によるフォトマスクの一例の平面図である。
【図２】従来の位相シフトマスクによって得られる光強度分布図である。
【図３】本発明の実施形態によるフォトマスクによって得られる光強度分布図である。
【図４】図３のＡ−Ａ’断面及びＢ−Ｂ’断面の光強度分布を示す図である。
【図５】本発明の実施形態によるフォトマスクの別の一例の平面図である。
【図６】本発明の実施形態によるフォトマスクによってレジスト中に形成される潜像の図である。
【図７】露光量とレジスト溶解速度の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態によるパターン形成方法に使用する多重露光用のマスクパターンの一例の平面図である。
【図９】本発明の実施形態によるパターン形成方法による多重露光によって形成されるホールパターンの図である。
【図１０】本発明の実施形態によるフォトマスクを作製するために用いられる２枚のマスクの平面図である。
【図１１】本発明の実施形態によるフォトマスクを作製するプロセス説明図である。
【図１２】従来例による投影露光装置の説明図である。
【図１３】マスクパターン（ａ）とウェハ上に形成される像（ｂ）の関係を示す図である。
【図１４】従来例による位相シフトマスクの平面図である。
【図１５】本発明の実施形態によるフォトマスクを使用した露光装置により半導体デバイスを製造する方法の各工程を示す図である。
【図１６】図１５のウエハプロセスの各工程を示す図である。
【図１７】別の従来例による位相シフトマスクの平面図と、光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１、１０、２２、３０、３２  遮光部
２、３、４、５、２３、２４、３１、３３、４１  開口部
２０  ウェハ
２１  ホールパターンの潜像
２５  ホールパターン
４０  基板
４２、４３、４４、４５  パターン
【図１】
0004402195.tif 000016
【図２】
0004402195.tif 000017
【図３】
0004402195.tif 000018
【図４】
0004402195.tif 000019
【図５】
0004402195.tif 000020
【図６】
0004402195.tif 000021
【図７】
0004402195.tif 000022
【図８】
0004402195.tif 000023
【図９】
0004402195.tif 000024
【図１０】
0004402195.tif 000025
【図１１】
0004402195.tif 000026
【図１２】
0004402195.tif 000027
【図１３】
0004402195.tif 000028
【図１４】
0004402195.tif 000029
【図１５】
0004402195.tif 000030
【図１６】
0004402195.tif 000031
【図１７】
0004402195.tif 000032