(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相シフトマスクを用いた露光により、基板上のレジスト膜に所定のパターンを形成するパターン形成方法において、
隣接するパターン間の距離である隣接パターン間距離に応じて、異なる位相シフトマスクを用い、異なる条件で露光するとともに、
前記異なる位相シフトマスクにおいて、一方の位相シフトマスクは他方の位相シフトマスクで発生するフェーズエッジを消すマスクパターンを有する、
ことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
前記隣接パターン間距離が短いほど露光量を少なくする、
請求項１記載のパターン形成方法。
【請求項３】
前記隣接パターン間距離に応じて、異なるフォーカスオフセットで露光する
請求項１又は２記載のパターン形成方法。
【請求項４】
前記隣接パターン間距離が一定値以上の第一の位相シフトマスクと、前記隣接パターン間距離が前記一定値以下の第二の位相シフトマスクとを用いる、
請求項１、２又は３記載のパターン形成方法。
【請求項５】
前記位相シフトマスク又は前記基板の少なくとも一方を光軸方向に一定距離移動させながら露光する、
請求項１、２、３又は４記載のパターン形成方法。
【請求項６】
前記第一の位相シフトマスクを用いる場合は、この第一の位相シフトマスク又は前記基板の少なくとも一方を光軸方向に一定距離移動させながら露光する、
請求項４記載のパターン形成方法。
【請求項７】
前記一定距離が露光用投影レンズの球面収差量に応じて決定されている、
請求項５又は６記載のパターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造などの微細加工技術の分野において、位相シフトマスクを用いた露光により基板上のレジスト膜に所定のパターンを形成する、パターン形成方法に関する。以下、位相シフトマスクを用いた露光を「位相シフト露光」と略称する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の高速化及び高集積化に伴い、パターン寸法の微細化の必要性がますます高まっている。その結果、設計ルールは、露光波長の半分程度まで縮小されてきている。
【０００３】
例えば、図８は、ＫｒＦエキシマレーザ露光（波長２４８ｎｍ）及びＡｒＦエキシマレーザ露光（波長１９３ｎｍ）における１００ｎｍ孤立ラインの光学コントラストを示したものである。ここで光学コントラストは、（パターン中央での光強度−パターンエッジでの光強度）÷（パターンエッジでの光強度）で定義され、パターンを良好な形状で解像するためには、およそ０．５以上の値が必要と考えられる。同図からわかるように、１００ｎｍといった波長の半分以下程度のパターンの形成は、通常マスクによる露光手法では極めて困難であるため、様々な超解像技術が検討されている。その中でもレベンソン位相シフトマスク（特公昭62-50811号公報参照）は、とりわけ光学コントラスト及び解像性能向上効果が大きいので、波長の半分以下程度のパターンの形成に際して最も有望な技術と考えられている。
【０００４】
図９は従来の位相シフト露光によるパターン形成方法を示す平面図であり、図９［１］は一度目の露光に用いる位相シフトマスク、図９［２］は二度目の露光に用いる通常マスク、図９［３］はこれらの露光によって形成された回路パターンである。以下、この図面に基づき説明する。
【０００５】
ラインパターンの幅は１００ｎｍである。一度目の露光では、位相シフトマスク４０を用いる。位相シフトマスク４０は、ポジ型のレベンソン位相シフトマスクであり、遮光部４２１の両側を透過する露光光の位相がちょうど１８０度だけ異なるように、位相シフタ４２２が設けられている。そのため、両者の境界付近で光電場が完全に打ち消し合って極めてシャープな暗部が結像される。続いて、二度目の露光は、フェーズエッジを含む不要な暗部をレジストパターンとして解像させないための露光である。フェーズエッジとは、０−π境界に形成される暗部のことである。すなわち、通常マスク１２を用いて、一度目の位相シフト露光によって形成したラインの領域を全て遮光し、それ以外の領域を露光することにより、不要な暗部が消去される。続いて、現像処理を行うことにより、基板４４１上に回路パターン４４を得る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の位相シフト露光によるパターン形成方法では、次のような問題があった。
【０００７】
図１０は、位相シフト露光において、幅１００ｎｍのラインパターンが隣接パターン間距離に応じてどのようなパターン寸法になるか、その一例を示したものである。図示のとおり、隣接パターン間距離が４００ｎｍ以下では、光近接効果の影響によってパターン寸法の精度が大幅に低下する。
【０００８】
一方、従来は、図９［３］に示すように、隣接パターン間距離Ｗの一定値を境に孤立パターン４６１と密集パターン４６２とに分けると、孤立パターン４６１と密集パターン４６２とを同じ位相シフトマスク４０で同時に露光していた。そのため、図１０に従い、孤立パターンと密集パターンとの寸法差が非常に大きくなるという問題があった。１００ｎｍのパターンにおいて４０ｎｍもの疎密寸法差をレチクル側で補正（ＯＰＣ）することは、極めて困難である。
【０００９】
また、従来の位相シフト露光では、図１１のように、デフォーカスが大きくなると、パターン寸法が急激に太るという問題があった。そのため、ウェハの凹凸構造に応じて、パターン寸法がばらついてしまう。
【００１０】
更に、図１２のように、球面収差が残存している場合、＋，−デフォーカスの非対称性を生じるため、寸法精度が大きく低下するという問題もあった。位相シフト露光は、高コヒーレンシーな条件の下で位相情報を積極的に像形成に利用することにより、その原理上、光学パラメータに非常に敏感となる。したがって、特に、結像の際に位相誤差となって現れるレンズ収差の影響を、非常に強く受けることになる。
【００１１】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、光近接効果の影響に加えデフォーカスや球面収差の影響も排除することにより寸法精度を向上させた、位相シフト露光による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】
本発明は、位相シフトマスクを用いた露光により、基板上のレジスト膜に所定のパターンを形成するパターン形成方法において、隣接するパターン間の距離である隣接パターン間距離に応じて、異なる位相シフトマスクを用い、異なる条件で露光する、ことを特徴とする（請求項１）。例えば、前記隣接パターン間距離が短いほど露光量を少なくする（請求項２）又は、前記隣接パターン間距離に応じて異なるフォーカスオフセットで露光する（請求項３）。また、前記隣接パターン間距離が一定値以上の第一の位相シフトマスクと、前記隣接パターン間距離が前記一定値以下の第二の位相シフトマスクとを用いる、としてもよい（請求項４）。光近接効果は、隣接パターン間距離に依存するとともに、露光条件にも依存する。したがって、隣接パターン間距離に応じて異なる位相シフトマスクを用い、それぞれの隣接パターン間距離に最適な露光条件を採ることにより、光近接効果の影響が排除される。
【００１３】
これに加え、前記異なる位相シフトマスクにおいて、一方の位相シフトマスクは他方の位相シフトマスクで発生するフェーズエッジを消すマスクパターンを有する。これにより、通常マスクの機能を位相シフトマスクが兼ねるので、通常マスクが不要になる。
【００１４】
また、前記位相シフトマスク又は前記基板の少なくとも一方を光軸方向に一定距離移動させながら露光する、としてもよい（請求項５）。前記第一の位相シフトマスクを用いる場合は、この第一の位相シフトマスク又は前記基板の少なくとも一方を光軸方向に一定距離移動させながら露光する、としてもよい（請求項６）。更に、前記一定距離が露光用投影レンズの球面収差量に応じて決定されている、としてもよい（請求項７）。この場合は、デフォーカスや球面収差に起因するパターン寸法の誤差が平均化される。
【００１５】
換言すると、本発明は、レベンソン型位相シフトマスクパターンを孤立パターン部と密集パターン部とに分割し、孤立パターン部に対して多重焦点露光を行うことを特徴とし、デフォーカスによる空間像の変動及び収差の影響を低減させるとともに光近接効果を大きく低減させ、寸法精度を格段に向上できるパターン形成方法を提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るパターン形成方法の一実施形態で使用するマスク等を示す平面図であり、図１［１］は一度目の露光に用いる位相シフトマスク、図１［２］は二度目の露光に用いる位相シフトマスク、図１［３］はこれらの露光によって形成された回路パターンである。以下、この図面に基づき説明する。
【００１７】
本実施形態のパターン形成方法は、位相シフトマスク１０，１２を用いた露光により、基板１４１上のレジスト膜に回路パターン１４を形成するものである。図１０の隣接パターン間距離とパターン寸法との関係に基づき、位相シフトマスク１０は隣接パターン間距離Ｗ１が４００ｎｍ以上のパターンからなる孤立パターン１６１用とし、位相シフトマスク１２は隣接パターン間距離Ｗ２が４００ｎｍ未満のパターンからなる密集パターン１６２用としている。光近接効果は、隣接パターン間距離Ｗ１，Ｗ２に依存するとともに、露光条件にも依存する。したがって、隣接パターン間距離Ｗ１，Ｗ２に応じて異なる位相シフトマスク１０，１２を用い、それぞれの隣接パターン間距離Ｗ１，Ｗ２に最適な露光条件を採ることにより、光近接効果の影響が排除される。
【００１８】
また、位相シフトマスク１０，１２は、一方で発生する不要なフェーズエッジが、他方の明部になるように設計されたマスクパターンが含まれている。これにより、従来必要であった通常マスクが不要になっている。
【００１９】
位相シフトマスク１０，１２は、ポジ型のレベンソン位相シフトマスクである。レベンソン位相シフトマスクは、解像度及び焦点深度の向上に極めて有効であり、露光波長の半分以下の超微細パターンも解像できる。ここでは、例えば、ゲート層の回路パターン１４のような最小線幅１００ｎｍ程度のデバイスを、ＫｒＦエキシマレーザを光源とした投影露光装置で露光する場合について述べる。本実施形態において、回路パターン１４は、位相シフトマスク１０，１２をそれぞれ用いた二度露光によって形成される。このとき、位相シフトマスク１０を用いた露光の際に、基板１４１を光軸方向に移動させて複数の結像面で露光を行う。
【００２０】
図２は、本実施形態で用いる露光装置を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００２１】
露光装置２０は、ＫｒＦエキシマレーザを露光光源としたステップ・アンド・スキャン露光装置であり、エキシマレーザ２１、ビーム成形光学系２２、ＮＤフィルタ２３、照明光学系２４、照明絞り２５、視野絞り２６、レチクル２７（マスク）、レチクルステージ２８、投影光学系２９、ウェハ３０（基板）、ウェハステージ３１等を備えている。エキシマレーザ２１から放射されたＫｒＦエキシマレーザ光は、ビーム成形光学系２２、照明光学系２４、視野絞り２６等を通ってスリット状の照明光束に成形され、レチクル２７上に照射される。レチクル２７とウェハ３０とは縮小倍率に応じた速度でこの照明領域の下を同期走査され、ウェハ３０上にパターンが転写される。ここで、投影光学系２９の開口数（ＮＡ）は０．６８、照明光学系２４のコヒーレンスファクター（σ）は０．３である。また、ウェハステージ３１には、光軸方向（Ｚ方向）の高さを調節する、例えばピエゾ素子等からなる光軸方向移動機構が設けられている。
【００２２】
図３は、本実施形態における露光時の動作を示す説明図である。図４は本実施形態におけるウェハ上のある位置の光強度分布を示すグラフであり、図４［１］は各焦点ごとの光強度分布、図４［２］は多重焦点露光により平均化された光強度分布である。以下、図１乃至図４に基づき説明する。
【００２３】
一度目の露光では、図１［１］の位相シフトマスク１０を用いて、孤立パターン１６１を露光する。このとき、露光量及びフォーカスオフセットはもちろんのこと、孤立パターン１６１に対する最適値を用いる。位相シフトマスク１０には、遮光部１０１の両側を透過する露光光の位相がちょうど１８０度だけ異なるように、位相シフタ１０２が設けられている。そのため、両者の境界付近で光電場が完全に打ち消し合って極めてシャープな暗部が結像されるので、超微細なパターンの形成が可能となる。
【００２４】
この一度目の露光において、多重焦点露光を行う。多重焦点露光は、ウェハステージ３１の光軸方向（Ｚ方向）の高さを露光時間中に変化させることにより行う。図２のような露光装置２０の場合は、ウェハステージ３１の高さを連続的に変化させることになる。図３のように、像面に対してウェハステージ３１の走り面を傾斜させることにより、露光スリット内でデフォーカス量は連続的に変化する。最終的に形成される空間像は、図４のように、デフォーカスとともに変化する空間像が平均化されたものとなる。
【００２５】
例えば、本実施形態では、多重焦点幅ΔＺを１μｍとした。この場合、スキャン露光の開始地点でのデフォーカスが＋０．５μｍとすると、スキャンが進むにつれデフォーカスはマイナス方向に変化していき、スキャン露光の終了地点でのデフォーカスは−０．５μｍとなる。最終的に形成される空間像は、図４のように、＋０．５μｍから−０．５μｍまでデフォーカスとともに変化する空間像が平均化されたものとなる。
【００２６】
二度目の露光では、図１［２］の位相シフトマスク１２を用いて、密集パターン１６２を露光する。位相シフトマスク１２も、位相シフトマスク１０と同様に、遮光部１２１の両側を透過する露光光の位相がちょうど１８０度だけ異なるように、位相シフタ１２２が設けられている。このとき、露光量及びフォーカスオフセットはもちろんのこと、密集パターン１６２に対する最適値を用いる。本実施形態では、密集パターン１６２に対する露光量は孤立パターン１６１のそれの７０％程度とする。続いて、現像処理を行うことにより、図１［３］の回路パターン１４を得る。
【００２７】
ところで、一度目及び二度目の露光では、所望の回路パターン１４以外にも、位相シフタ１０２，１２２のエッジの部分で暗部が生じることになる。そこで、各露光は、この不要な暗部をレジストパターンとして解像させないための露光も兼ねている。つまり、図１［２］の位相シフトマスク１２を用いて、一度目の位相シフト露光によって形成した１００ｎｍラインの領域を全て遮光し、それ以外の領域を露光することにより、不要な暗部が消去される。また、一度目の露光でも、図１［１］の位相シフトマスク１０を用いて、二度目の位相シフト露光によって形成される１００ｎｍラインの領域を全て遮光し、それ以外の領域を露光することにより、不要な暗部が消去される。
【００２８】
付言すると、図２において、多重焦点露光は、ウェハステージ３１の光軸方向（Ｚ方向）の高さを露光時間中に変化させることにより行う。露光装置２０の場合は、ウェハステージ３１の高さを連続的に変化させることになる。図３のように、像面に対してウェハステージ３１の走り面を傾斜させることにより、露光スリット内でデフォーカス量は連続的に変化する。最終的に形成される空間像は、図４のように、デフォーカスとともに変化する空間像が平均化されたものとなる。
【００２９】
なお、孤立パターン１６１に対してのみ多重焦点露光を行う理由は、密集パターン１６２に比べて、孤立パターン１６１の空間像はデフォーカスによる変化が大きく、また収差の影響も受けやすいからである。
【００３０】
図５及び図６は孤立パターンについての無収差の場合におけるＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性（デフォーカスとパターン寸法との関係）を示すグラフであり、図５は本実施形態の位相シフト露光と従来の位相シフト露光との比較用であり、図６は従来の位相シフト露光の横軸を広範囲にしたものである。以下、これらの図面に基づき説明する。
【００３１】
本実施形態での「デフォーカス」は、多重焦点幅の平均値（中心値）を表している。例えば、デフォーカス０μｍは＋０．５μｍから−０．５μｍの多重焦点露光であり、デフォーカス＋０．５μｍは＋１μｍ〜０μｍの多重焦点露光である。
【００３２】
前述したように、投影光学系のＮＡは０．６８、照明光学系のσは０．３、多重焦点幅（ΔＺ）は１μｍである。収差が無い場合、フォーカスに対する非対称性は生じない。しかし、従来技術では、無収差の場合においても、デフォーカスが大きくなると、パターン寸法が急激に太るという問題が見られている。これに対し、本実施形態では、デフォーカスによる寸法変動が小さいため、焦点深度の拡大及び寸法精度の向上が可能となる。
【００３３】
図７は、球面収差０．０２５λがある場合における、本実施形態の位相シフト露光と従来の位相シフト露光とのＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性を示すグラフである。以下、この図面に基づき説明する。
【００３４】
位相シフト露光は球面収差の影響を受けやすく、従来技術では＋，−デフォーカスでの非対称性が顕著に現れている。これに対し、本実施形態では、空間像の平均化効果により非対称性を改善できるため、寸法精度を大きく向上させることができる。このとき、位相シフトマスク又は基板のどちらか一方を光軸方向へ移動させる一定距離は、パターン寸法の誤差が平均して０になるように非対称性を考慮して決定する。また、球面収差が存在する場合には、密集パターンと孤立パターンとのベストフォーカスに大きなずれが発生する。そこで、フォーカスオフセットを、密集パターンの露光と孤立パターンの露光とで別々に設定することにより、この問題も回避することができる。
【００３５】
次に、本実施形態について総括する。多重焦点露光では通常の露光法に比べて光学コントラストが低下するため、超微細なパターンは形成できない（特にポジ型パターン）と一般に考えられている。しかし、本実施形態では、非常に光学コントラストの高いレベンソン位相シフトマスク（図８参照）を用いているため、多重焦点幅を２μｍ以上と広く設定しても、十分に解像可能な高コントラストを保つことができる。
【００３６】
なお、上記実施形態では、スキャン露光装置を用いた例を示したが、一括露光装置（ステッパ）を用いることもできる。一括露光装置の場合は、スキャン露光装置と同様に露光時間内に連続的にステージ高さを変化させることもでき、また、露光を複数回行い各露光の間にステージ高さを変化させて離散的にデフォーカス量を変化させることもできる。
【００３７】
また、上記実施形態では、ウェハステージ高さすなわち基板高さを変化させる例を示したが、もちろん、投影倍率を考慮した上でマスクステージの高さを変化させても同様の効果が得られる。
【００３８】
更に、上記実施形態では、特にポジ型レベンソン位相シフトマスクを用いた例を示したが、ハーフトーン位相シフトマスク、リム型ハーフトーン位相シフトマスク等の位相シフトマスクに対しても本発明を適用することができ、同様の効果が得られる。なお、リム型ハーフトーン位相シフトマスクとは、開口部のエッジ近傍のみをハーフトーンにしたものである。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係るパターン形成方法によれば、隣接パターン間距離に応じて異なる位相シフトマスクを用い、かつ異なる条件で露光することにより、隣接パターン間距離及び露光条件に依存する光近接効果に対して、その影響を的確に排除することができる。
【００４０】
しかも、他方の位相シフトマスクで発生するフェーズエッジを消すマスクパターンを一方の位相シフトマスクが有することにより、通常マスクの機能を位相シフトマスクに併設できるので、通常マスクを不要にできる。
【００４１】
更に、位相シフトマスク又は基板の少なくとも一方を光軸方向に一定距離移動させながら露光を行うことにより、デフォーカスや球面収差に起因するパターン寸法の誤差が平均化されるので、寸法精度を向上できる。
【００４２】
特に、位相シフトマスクとしてポジ型レベンソン位相シフトマスクを用いた場合は、極めて高い光学コントラストが得られることにより、多重焦点露光の欠点である光学コントラストの低下を補うことができるため、多重焦点幅を例えば２μｍ以上と広く設定しても、十分に解像可能な高コントラストを保つことができる。
【００４３】
また、位相シフトマスク又は基板の少なくとも一方を光軸方向に移動させる一定距離を露光用投影レンズの球面収差量に応じて決定することにより、球面収差の影響を受けやすいという位相シフト露光の欠点を、空間像の平均化効果により改善できるため、寸法精度を大きく向上できる。
【００４４】
換言すると、本発明によれば、密集パターンと孤立パターンとでそれぞれ最適な露光量やフォーカスオフセットを別々に設定できるため、位相シフト露光の欠点である光近接効果による影響を大きく改善できる。図１０に示す例で言えば、隣接パターン間距離４００ｎｍ未満の領域を密集パターン、４００ｎｍ以上の領域を孤立パターンとして、それぞれ別々の露光量で露光すればよい。また、位相シフトマスクの位相誤差等によって密集パターンと孤立パターンとでベストフォーカスのずれが発生しても、フォーカスオフセットをそれぞれ別々に設定することにより、この問題を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパターン形成方法の一実施形態を示す平面図であり、図１［１］は一度目の露光に用いる位相シフトマスク、図１［２］は二度目の露光に用いる通常マスク、図１［３］はこれらの露光によって形成された回路パターンである。
【図２】本発明の一実施形態で用いる露光装置を示す構成図である。
【図３】本発明の一実施形態における露光時の動作を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるウェハ上のある位置の光強度分布を示すグラフであり、図４［１］は各焦点ごとの光強度分布、図４［２］は多重焦点露光により平均化された光強度分布である。
【図５】本発明の一実施形態の位相シフト露光と従来の位相シフト露光とのＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性を示すグラフである。
【図６】従来の位相シフト露光の横軸を広範囲にしたＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態の位相シフト露光と従来の位相シフト露光とのＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性を示すグラフである（球面収差がある場合）。
【図８】ＫｒＦエキシマレーザ露光（波長２４８ｎｍ）及びＡｒＦエキシマレーザ露光（波長１９３ｎｍ）における、１００ｎｍ孤立ラインの光学コントラストを示すグラフである。
【図９】従来の位相シフト露光によるパターン形成方法を示す平面図であり、図９［１］は一度目の露光に用いる位相シフトマスク、図９［２］は二度目の露光に用いる通常マスク、図９［３］はこれらの露光によって形成された回路パターンである。
【図１０】位相シフト露光における隣接パターン間距離とパターン寸法との関係を示すグラフである。
【図１１】従来の位相シフト露光のＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性を示すグラフである。
【図１２】従来の位相シフト露光のＣＤ−ｆｏｃｕｓ特性を示すグラフである（球面収差がある場合）。
【符号の説明】
１０，１２  位相シフトマスク
１０１，１２１  遮光部
１０２，１２２  位相シフタ
１４  回路パターン
１４１  基板
１６１  孤立パターン
１６２  密集パターン
Ｗ１，Ｗ２  隣接パターン間距離
２０  露光装置
【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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【図１１】
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【図１２】
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