(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビーム又は電磁波ビームを任意形状に成形したビームを位置決めし、所定時間の照射を行うショット露光を繰り返し、該ショットの集合として基板上の感光性材料膜に所望パターン形状の露光領域を形成するパターン形成方法において、
高い寸法精度が要求される領域或いはパターンに対し１回の単一のショットで露光を行い、それ以外の高い位置精度が要求される領域或いはパターンに対し２回以上のショットを繰り返す多重露光を行うことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
前記多重露光の際に、同一位置に同一ショットを繰り返す多重露光と、ショット同士のつなぎ位置を切り替える多重露光とのいずれか一方、或いはその組み合わせを用いることを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
【請求項３】
第１のアパーチャ開口部と第２のアパーチャ開口部との光学的重なりの組み合わせにより任意のショットを形成し、
前記選択された領域或いはパターンを単一のショットで露光を行う際に、同一形状のパターンに関しては第１のアパーチャ開口部と第２のアパーチャ開口部の同じ組み合わせを用いることを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
【請求項４】
荷電粒子ビーム又は電磁波ビームを任意形状に成形したビームを位置決めし、所定時間の照射を行うショット露光を繰り返し、該ショットの集合として基板上の感光性材料膜に所望パターン形状の露光領域を形成するパターン形成装置において、
高い寸法精度が要求される領域或いはパターンに対し１回の単一のショットで露光を行い、それ以外の高い位置精度が要求される領域或いはパターンに対し２回以上のショットを繰り返す多重露光を行うことを特徴とするパターン形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子ビームや光ビームを用いたパターン形成技術に係わり、特に任意形状のビームを位置決めしてショット露光を繰り返し、ショットをつなぎ合わせて所望パターンを露光するパターン形成方法及びパターン形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＶＬＳＩの高集積化によりパターンサイズの微細化が進み、これに伴いパターン寸法精度の確保が困難になりつつある。特に、トランジスタのチップ内特性ばらつきを許容範囲に抑えるために必要とされるゲートパターンの寸法精度は、目標寸法をＬとすると通常その±１０％以内とする必要があると言われており、リソグラフィ工程に起因する寸法誤差の許容値は±７％以内と言われている。例えば、ゲートパターンサイズが０．１５μｍである場合、リソグラフィ工程起因で許容される寸法誤差は±０．０１０５μｍである。
【０００３】
マスク描画装置（電子ビームやレーザビームを用いて逐次描画を行うことによってパターン形成を行う装置）によってデバイスパターンのマスターマスク（フォトマスク，Ｘ線マスク，電子ビームマスク，イオンビームマスクなど）を形成して、そのマスターマスクに光，Ｘ線等の電磁波又は電子ビーム、イオンビーム等の荷電粒子を照射し、その像をウェハ上に転写する方式によってデバイスパターンを形成する場合には、マスク描画装置の描画精度が上記寸法誤差の大きな要因となっている。
【０００４】
電子ビーム露光技術に代表される逐次露光処理においては、一定のビームをスキャンするラスタースキャン方式と、個々の座標にビームを位置決めして露光していくベクタースキャン方式が知られている。ラスタースキャン方式は、ビームのスキャンをアナログ的な方式で行い、ビームスキャンの高速化を行って処理速度の向上を図っているが、解像力を得るためにビームサイズを微細にしていくにつれて処理速度の低下が発生している。より高速な処理を実現する方法として、ビームサイズが大きくできる可変成形ビームを用いるベクタースキャン方式が提案されている。この方式においては、ビームサイズの設定やビームの位置決めをデジタル処理で行っており、ＤＡＣの設定速度や精度がスループットやパターン精度を制約している。
【０００５】
フォトマスク等のマスターマスクにおいては、パターンの位置とサイズに対して厳しい精度が要求されている。例えば、半導体素子用のフォトマスクにおいては、パターン寸法精度は最小線幅の１／３０程度のばらつき以下、位置精度は最小線幅の５％以下といった数値を求められている。加えて、半導体素子はほぼ３年で７０％の寸法のパターンに微細化が進展しており、微細化に伴う精度向上が要求されている。
【０００６】
図４（ａ）は、ＶＬＳＩにおけるメモリセルアレイパターンの平面設計図を示している。４１はアクティブエリア、４２はゲートパターンである。注目すべきはゲートパターン４２であり、アクティブエリア４１は別の層であるが、アクティブエリア４１とゲートパターン４２との位置関係を明確にするために、アクティブエリアパターンも点線で示している。ハッチングで示したアクティブエリア４１はその周囲の素子分離領域にて素子分離されている。１つのアクティブエリア４１に対して２本のゲート線が重なっており、２つのトランジスタを形成するようなレイアウトとなっている。
【０００７】
実際にゲートパターンをウェハ上に形成する際には、この平面設計図を元にフォトマスクを作成し、そのフォトマスクに光を照射してウェハ上にその像を転写する。フォトマスクを作成する際には、石英基板の一主面上に遮光膜を堆積し、その上にレジストを塗布し、電子ビーム又はレーザビームによるマスク描画装置を用いて上記手法に従って描画を行い、レジスト現像、下地遮光膜エッチングを行うことによって形成する。
【０００８】
マスク描画装置ではデバイスパターンを描画できる程度の大きさの図形に分割し、その図形毎にショットすることになる。従って、図４（ａ）に示したゲートパターン４２はその１ショットに対応する図形要素４３で図形分割されている。この図形要素４３をマスク描画装置にてショットする場合には、上記した装置誤差によって本来ショットされるべき位置からずれる。図４（ｂ）には、実際にゲートパターンの図形要素がフォトマスク上にショットされた様子を示している。アクティブエリアとゲートパターンとの位置関係を明確にするために、図４（ａ）と同様にアクティブエリアパターンも点線にて示している。
【０００９】
従来、図中４４の位置のように、素子分離領域上でショットがつながれる箇所と、図中４５の位置のように、アクティブエリア上でショットがつながれる箇所が存在した。図４（ｃ）は、この方法によって作成されたフォトマスクの平面図である。図中４６の領域がゲートパターンである。この場合、ネガ型レジストを用いたため、現像後にはショットされた露光部にレジストが残り、このレジストパターンをマスクにして下地の遮光膜を加工してパターン形成した。アクティブエリアパターンとゲートパターンとの位置関係を明確にするために、図４（ａ）（ｂ）と同様に、アクティブエリアパターンを点線にて示している。ゲートパターンのショットつなぎの部分で寸法が変動していることが分かる。
【００１０】
図４（ｄ）は、このフォトマスクを用いて光露光を行った結果得られたウェハ上のゲートパターンの平面図である。この場合、ポジ型レジストを用いたため、現像後には未露光部にレジストが残った。図中４７がレジストが残った部分である。このレジストパターンをマスクに下地を加工することとなる。また、この前工程にて形成されたアクティブエリアパターンも重ねて表示している。図中４８がアクティブエリアである。
【００１１】
図４（ｃ）に示したように、ショットのつなぎが原因で生じたマスク寸法変動に対応した箇所で、ウェハ上のゲートパターンの寸法が変動している。従って、アクティブエリアの中が単一ショットで描画されているような箇所、例えば４９のような箇所では高い寸法精度が得られているのに対し、アクティブエリアの中での寸法変動が大きい箇所、例えば４１０のような箇所では、この寸法変動がトランジスタの特性に悪影響を及ぼし、チップ内のデバイス特性のばらつきを大きくしていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、マスク描画においてトランジスタのゲートパターンを描画する際、任意の位置でショット分割を行っていたため、アクティブエリアの中でのゲートパターンのショットつなぎが行われる場合がある。その結果、つなぎ部分での寸法変動がトランジスタの特性に悪影響を及ぼし、デバイス特性のばらつきを大きくしていた。このように寸法精度を確保する必要性が高い領域でショットつなぎが行われる可能性があることによって、デバイス特性を安定的に確保できない問題があった。
【００１３】
本発明は、上記の事情を考慮して成されたもので。その目的とするところは、高い寸法精度を必要とする領域の位置情報を利用して、結果的に高い描画精度を達成するためのパターン形成方法及びパターン形成装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１５】
即ち本発明は、荷電粒子ビーム又は電磁波ビームを任意形状に成形したビームを位置決めし、所定時間の照射を行うショット露光を繰り返し、該ショットの集合として基板上の感光性材料膜に所望パターン形状の露光領域を形成するパターン形成方法及びパターン形成装置において、高い寸法精度が要求される領域或いはパターンに対し１回の単一のショットで露光を行い、それ以外の高い位置精度が要求される領域或いはパターンに対し２回以上のショットを繰り返す多重露光を行うことを特徴とする。
【００１６】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００１７】
(1) 多重露光の際に、同一位置に同一ショットを繰り返す多重露光を行うか、又はショット同士のつなぎ位置を切り替えながら多重露光を行うこと。
【００１８】
(2) 第１のアパーチャ開口部と第２のアパーチャ開口部との光学的重なりの組み合わせにより任意のショットを形成し、選択された領域或いはパターンを単一のショットで露光を行う際に、同一形状のパターンに関しては第１のアパーチャ開口部と第２のアパーチャ開口部の同じ組み合わせを用いること。
【００１９】
(3) 上記とは逆に、選択された領域或いはパターンに対し２回以上のショットを繰り返す多重露光を行い、それ以外の他の領域或いはパターンに対し単一のショットで露光を行うこと。
【００２０】
また本発明は、上記のパターン形成方法又はパターン形成装置を用いて露光用マスク或いは半導体装置を実現したことを特徴とする。
【００２１】
（作用）
ビームショットサイズ及びビーム位置をデジタル回路を用いて設定するパターン露光方法においては、原理的に一重の露光においては、単一のショットにより構成されたパターンは、複数のショットにより構成されたパターンの寸法精度に比べて優れていることが知られている。即ち、個々のショットはサイズと位置精度に関して誤差要因があり、複数のショットよりなるパターンでは各ショットの誤差が重複し、精度が低下する。個々のショットの位置設定精度は、同一のショットを複数回多重露光して形成した場合、平均化効果が生じる。その結果，ショットサイズよりも位置精度により制約されていたパターンの精度は向上する。この効果は、未露光部で形成される領域の精度の向上に寄与する。
【００２２】
本発明を適用することにより、特定のパターンの特定の精度の向上が達成される。半導体素子製造などにおいて求められるパターン精度は特定のパターンの寸法、或いは特定のパターンの特定の部分の寸法、或いはパターンとパターンの特定部分の距離というように限定された部分で高精度が要求されている。
【００２３】
従って、本発明を単一のショットで規則的に繰り返されるパターンに適用することにより、或いは特定のパターンを抽出して本発明を適用することにより、精度の向上が達成される。より具体的には、単一ショット幅のパターンを一重露光とし、他を多重露光とすることにより、多重露光部では寸法及び位置精度に関して均一性に優れた精度が得られ、単一ショット幅のパターンでは寸法精度のより優れたパターン形成ができる。
【００２４】
また、選択された非露出部の輪郭部分のショットに対して多重露光を適用することにより、スループットを大きく損なうことなく非露出部の寸法精度の向上が達成される。さらに、本発明は特定の部分に対してショット境界の存在しない露光を可能にし、著しく寸法精度に優れ、エッジラフネスの少ないパターン形成を可能にしている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２６】
（参考例）
図１に従って、本発明の参考例に係わるパターン形成方法を説明する。図１（ａ）は、ＶＳＬＩにおけるメモリセルアレイパターンの平面設計図を示している。１１はアクティブエリア、１２はゲートパターンである。注目すべきはゲートパターン１２であり、アクティブエリア１１は別の層であるが、アクティブエリア１１とゲートパターン１２との位置関係を明確にするために、アクティブエリアパターンも点線にて示している。
【００２７】
ハッチングで示したアクティブエリア１１はその周囲の素子分離領域にて素子分離されている。１つのアクティブエリア１１に対して２本のゲート線が重なっており、２つのトランジスタを形成するようなレイアウトとなっている。
【００２８】
実際にゲートパターンをウェハ上に形成する際には、この平面設計図を元にフォトマスクを作成し、そのフォトマスクに光を照射してウェハ上にその像を転写した。フォトマスクを作成する際には、石英基板の一主面上に遮光膜を堆積し、その上にレジストを塗布、電子ビーム又はレーザビームによるマスク描画装置を用いて上記手法に従って描画を行い、レジスト現像、下地遮光膜エッチングを行うことによって形成した。
【００２９】
マスク描画装置ではデバイスパターンを描画できる程度の大きさの図形に分割し、その図形毎にショットした。従って、図１（ａ）に示したゲートパターン１２はその１ショットに対応する図形要素１３で図形分割されている。この図形要素１３をマスク描画装置にてショットしたところ、装置誤差によって本来ショットされるべき位置からずれた。
【００３０】
図１（ｂ）には、実際にゲートパターンの図形要素がフォトマスク上にショットされた様子を示している。アクティブエリアとゲートパターンの位置関係を明確にするために、図１（ａ）と同様にアクティブエリアパターンも点線にて示している。本参考例においては、全てのショットが素子分離領域上でつながれるように図形分割したことが特徴である。
【００３１】
図１（ｃ）は、本参考例の方法によって作成されたフォトマスクの平面図である。図中１６の領域がゲートパターンである。この場合、ネガ型レジストを用いたため、現像後にはショットされた露光部にレジストが残り、このレジストパターンをマスクにして下地の遮光膜を加工してパターンを形成した。アクティブエリアパターンとゲートパターンとの位置関係を明確にするために、図１（ａ）（ｂ）と同様に、アクティブエリアパターンを点線にて示している。ゲートパターンのショットつなぎの部分で寸法が変動していることが分る。
【００３２】
図１（ｄ）はこのフォトマスクを用いて光露光を行った結果得られたウェハ上のゲートパターンの平面図である。この場合、ポジ型レジストを用いたため、現像後には未露光部にレジストが残った。図中１７がレジストが残っている部分である。このレジストパターンをマスクにして下地を加工した。また前工程にて形成されたアクティブエリアパターンも重ねて表示している。図中１８がアクティブエリアである。なお、ゲート長は０．１５μｍである。
【００３３】
本参考例においても図１（ｃ）に示したように、ショットのつなぎが原因で生じたマスク寸法変動に対応した箇所で、ウェハ上のゲートパターンの寸法が変動した。しかし、この寸法変動の原因であるショットつなぎは全て素子分離領域上にて行われている。このため、アクティブエリアの中での寸法変動は極めて小さく、その結果、スペックであるところの±０．０１０５μｍ以下の寸法精度がチップ全面で達成できた。
【００３４】
このように本参考例によれば、マスク描画においてゲートパターンを形成する際に、ショットのつなぎ合わせを半導体装置の素子分離領域に対応した位置で行うことにより、アクティブエリアの中でのゲートパターンの寸法変動を抑えることができ、これによりデバイス特性のばらつきを抑えることができる。
【００３５】
（第１の実施形態）
次に、本発明を可変成形電子ビームを用いるレクチル製作に適用した実施形態について説明する。
【００３６】
まず、石英基板上にクロム・クロム酸化物の薄膜が積層された遮光膜を有する０．２５インチ厚、６インチ方形のブランクスにネガ型電子ビームレジストＳＡＬ６０５（Shipley 社製）を０．５μｍ膜厚で塗布し、所定のベーキング処理を施した。次いで、加速電圧１５ＫｅＶで動作する可変成形電子ビーム（ＶＳＢ）露光装置にて、露光を行った。
【００３７】
この露光は、２つのアパーチャを組み合わせ、第１のアパーチャを通過したビームを第２のアパーチャに位置決めして照明することにより、最大２．５５μｍの方形、或いは短辺が最大２．５５μｍの直角三角形を発生できる可変成形ビームを用いて行った。さらに、パターン毎に露光量を変える機能を用い、単一ショット部は８μＣ／ｃｍ2 で、残りのパターンは２μＣ／ｃｍ2 で露光した。その後、２μＣ／ｃｍ2 で露光した部分に対して多重露光を２μＣ／ｃｍ2 ずつ３回繰り返し、全体を８μＣ／ｃｍ2 の露光量に統一した。
【００３８】
次いで、露光装置から基板を取り出し、所定のベーキング処理を施した。次いで、専用現像液を用いてパドル現像処理を８０秒行い、超純水によるリンス処理を行った後、乾燥し、レジストパターンを形成した。次いで、１１５℃で１５分のベーキング処理を行った。次いで、平行平板型の高周波プラズマエッチング装置を用いて酸素と窒素の１５対８５の混合ガスでデスカムエッチングを行った。このデスカムエッチングは、真空度１００ｍTorrで５０Ｗのパワーで４５秒行った。
【００３９】
次いで、平行平板型のマグネトロン高周波プラズマエッチング装置を用い、塩素，酸素及びアルゴンの９５対５対１００の混合ガスを用いて７０℃に基板を保持したエッチング処理を行った。エッチングはパワー１５０Ｗで行い、１５分行った。次いで、レジストをオゾンを反応主体とするエッチング処理により除去した。
【００４０】
このようにして製作したマスクを図２に示す。図２（ａ）に示したａの幅とｂで示されるパターンの間隔を端から１００箇所測定し、ばらつきとして３σでそれぞれ１２．８ｎｍ，３２ｎｍの値を得た。測定は図２（ｂ）のように繰り返されるパターンで行った。なお、図においてハッチング部分が、露光・現像・エッチングにより島状に残った遮光膜を示している。
【００４１】
測定個所はそれぞれ単一のショットで露光したＡ部分の幅ａと、４重描画を行ったＣ部分どうしの間隔ｂである。Ａ部分は必ず領域の中央付近でショットの境界が発生しないように、中央部分に優先的にショットを配置してデータを作成した。
【００４２】
このように本実施形態によれば、高い寸法精度が要求されるＡ領域は単一ショットの描画で形成し、高い位置精度が要求されるＣ領域は４回の多重描画により形成することにより、パターンの特定部分の寸法精度を維持しながら、パターン間隔を高精度に設定することができる。
【００４３】
以上、半導体装置製造用のフォトマスク、特にトランジスタのゲート層の露光を例にとってそのパターン形成方法、パターン形成装置、マスクそのもの、それらによって形成された半導体製造装置について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明の主旨は、高い寸法精度が必要とされる露光部に対しては単一ショットで露光し、高い寸法精度が必要な未露光部に対しては多重露光を行うことであるから、その実施形態として、Ｘ線露光用マスク、電子ビーム転写用マスク、さらにはマスクを介さずウェハ上に直接パターンを描画する直接描画技術に対してもその効果はなんら変わらない。
【００４４】
（第２の実施形態）
次に、本発明を可変成形電子ビームを用いるレクチル製作に適用した実施形態について説明する。
【００４５】
第１の実施形態と同様の工程により、ポジ型ビームレジスト ZEP-7000B（日本ゼオン製）を塗布した露光基板を準備した。特定の未露光部を形成する露光部のみ８重の多重描画を行い、他の領域は１回の描画を行った。処理時間は、全体を１回で描画した場合、約３７分であったものが、上述した部分的に８重描画を行った場合は約４１分３０秒かかった。露光量は１０μＣ／ｃｍ2 とした。露光装置から基板を取り出し、専用現像液を用いてスプレー現像処理を３６０秒行い、リンス処理を行った後、乾燥し、レジストパターンを形成した。
【００４６】
以下、第１の実施形態と同様の処理を行ってエッチング加工を施し、マスクを製作した。このようにして製作したマスクを図３に示す。図３（ａ）に示したａの幅とｂで示されるパターンの間隔を端から１００箇所測定し、ばらつきとして３σでそれぞれ１８．０ｎｍ，２１．３ｎｍの値を得た。測定は図３（ｂ）のように繰り返されるパターンで行った。なお、図においてハッチング部分が、露光・現像・エッチングにより島状に開口部が形成された遮光膜を示している。
【００４７】
測定個所はそれぞれ単一のショットで露光したＡ部分の幅ａと、８重描画を行ったＣ部分どうしの間隔ｂである。Ａ部分は必ず領域の中央付近でショットの境界が発生しないように、中央部分に優先的にショットを配置してデータを作成した。
【００４８】
以上、半導体装置製造用のフォトマスク、特にトランジスタのゲート層の露光を例にとってそのパターン形成方法、パターン形成装置、マスクそのもの、それらによって形成された半導体製造装置について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明の主旨は、高い寸法精度が必要とされる露光部に対しては単一ショットで露光し、高い寸法精度が必要な未露光部に対しては多重露光を行うことであるから、その実施形態として、Ｘ線露光用マスク、電子ビーム転写用マスク、さらにはマスクを介さずウェハ上に直接パターンを描画する直接描画技術に対してもその効果はなんら変わらない。
【００４９】
また、第１及び第２の実施形態を通して本発明の主旨の説明を試みたが、本発明の意図するところは、多重描画と単一の描画及び、或いは単一のショットで露光する部分と複数のショットで露光する部分を組み合わせることにより、要求精度を達成する方法を提供するもので、露光に当たってポジ型のレジストとネガ型のレジストを使い分けることにより、より自由な組み合わせで、特定部分の寸法精度の向上を達成できる技術の提供にある。また、多重露光を行う際には、露光毎に、電子ビーム露光装置のビーム副偏向装置によるビーム偏向最大値（サブフィールド）によってカバーする領域をずらすと、より大きな効果が得られる。
【００５０】
また、パターンを描画するための装置としては、電子ビーム描画装置に限らずイオンビーム描画装置を用いることもでき、更に荷電粒子ビーム以外に光ビームを使用したレーザ描画装置を用いることも可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、高い寸法精度が必要とされる領域に対しては単一ショットで露光し、高い位置精度が必要とされる領域に対しては多重露光を行うことによって、実質的に高精度のパターン形成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考例に係わるパターン形成方法を説明するための図。
【図２】  第１の実施形態によって作成されたマスクを示す図。
【図３】  第２の実施形態によって作成されたマスクを示す図。
【図４】  従来のパターン形成方法を説明するための図。
【符号の説明】
１１…設計上のアクティブエリア
１２…設計上のゲートパターン
１３…図形要素
１６…マスク上のゲートパターン
１７…ウェハ上のレジスト残り部分
１８…ウェハ上のアクティブエリア
【図１】
0003927144.tif 000002
【図２】
0003927144.tif 000003
【図３】
0003927144.tif 000004
【図４】
0003927144.tif 000005