(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも１つの透過性の膜が積層された下地膜構造上にレジスト膜がさらに積層された積層膜構造を、第１の波長の露光光で露光してレジストパターンを形成するに際し、
前記少なくとも１つの透過性の膜の中の、前記レジスト膜の直下の膜の屈折率と前記レジスト膜の屈折率とを比較し、
前記少なくとも１つの透過性の膜から選ばれた第１の膜の膜厚を増加させた場合の、前記露光光に対する前記下地膜構造の反射率の変化を求め、
前記直下の膜の屈折率が前記レジスト膜の屈折率よりも大きい時には、前記下地膜構造の反射率が極大から極小に向けて変化する範囲に、前記直下の膜の屈折率が前記レジスト膜の屈折率よりも小さい時には、前記下地膜構造の反射率が極小から極大に向けて変化する範囲に、前記第１の膜の膜厚を設定することを特徴とする膜構造の設計方法。
【請求項２】
請求項１に記載の膜構造の設計方法によって設計された積層膜構造を露光して形成したレジストパターンを用いて、前記下地膜構造を加工することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レジスト膜ひいてはその下地の透過性膜を所望寸法（形状）に加工するための膜構造の設計方法、および、この膜構造の設計方法を適用した半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程では、例えば縮小投影露光装置を用いて、フォトリソグラフィー技術を利用してフォトマスクに応じたレジストパターンを形成し、その後、エッチング装置を用いて、このレジストパターンをマスクとして、その下地膜をエッチングすることにより、半導体基板上に、フォトマスクに応じた下地膜の微細パターンが形成される。
【０００３】
レジストパターンを形成する場合、図４に示すように、通常、半導体基板１４の上全面に下地透過性膜１６が積層され、この下地透過性膜１６の上全面にレジスト膜１８が形成される。そして、フォトマスクとしてレチクル２０を使用し、光源からレチクル２０を通して露光光を照射することにより、レチクル２０上のパターンがレンズ２２を通してレジスト膜１８上に縮小投影され、転写される。すなわち、レジスト膜１８が露光される。
【０００４】
レジスト膜１８上に照射される露光光は、レジスト膜１８中、さらには下地透過性膜１６中にも透過すると共に、空気、レジスト膜１８、下地透過性膜１６および半導体基板１４との間のそれぞれの界面で反射光を生じる。そして、これらの露光光（入射光）とそれぞれの界面からの複数の反射光とが合成された複雑な定在波を生じながらレジスト膜１８の所定領域を感光し、レチクル２０上の設計パターンがレジスト膜１８上に再現される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、レジスト膜１８がポジ型である場合、レチクル２０の遮光部２４に対応する部分が感光されないため、インヒビター濃度は、この遮光部２４に対応する部分では高く、それ以外の透過（感光）領域に向かうに従って徐々に低くなるように分布する。そして、露光工程の後、ＰＥＢ（Post Exposure Bake）工程、現像工程を経て、インヒビター濃度の高い領域にはレジストパターンが形成され、インヒビター濃度の低い領域は現像工程で溶解され、除去される。
【０００６】
しかし、下地透過性膜１６の膜厚や屈折率に応じて、それぞれの界面からの複数の反射光が互いに多重干渉し、ハレーションによるレジストパターンのプロファイルの劣化が生じやすい。例えば、反射光の状況によってレジスト膜１８中の光強度分布が変動して、図５に示すように、現像工程後に下地透過性膜１６の上に形成されるレジストパターン２６の下端部に裾引きが発生する。この結果、その後のエッチング工程で形成される下地透過性膜１６の加工寸法がばらつく。すなわち、ＣＤ（クリティカルディメンジョン）ロス（マスク寸法に対する加工寸法の差）の変動が発生するという問題点があった。
【０００７】
この問題に対して、例えば特開平２−２６４４３３号公報、特開平５−３４３３１４号公報、特開平６−２１６０２３号公報、特開平１０−２７０３２９号公報等のように、レジスト膜と下地透過性膜との間に反射防止膜を敷設し、下地透過性膜からの反射を最小限に抑える方法が提案されている。
【０００８】
しかし、これらの文献はいずれも、単に、下地透過性膜からの反射を抑えることを目的としたものであり、レジストパターンのプロファイルの劣化（裾引き）については考慮されていなかった。
【０００９】
本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、レジストパターンの下端部の裾引き形状を無くし、下地透過性膜を高精度にエッチングすることができる膜構造の設計方法、および、この膜構造の設計方法を適用した半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基板上に少なくとも１つの透過性の膜が積層された下地膜構造上にレジスト膜がさらに積層された積層膜構造を、第１の波長の露光光で露光してレジストパターンを形成するに際し、
前記少なくとも１つの透過性の膜の中の、前記レジスト膜の直下の膜の屈折率と前記レジスト膜の屈折率とを比較し、
前記少なくとも１つの透過性の膜から選ばれた第１の膜の膜厚を増加させた場合の、前記露光光に対する前記下地膜構造の反射率の変化を求め、
前記直下の膜の屈折率が前記レジスト膜の屈折率よりも大きい時には、前記下地膜構造の反射率が極大から極小に向けて変化する範囲に、前記直下の膜の屈折率が前記レジスト膜の屈折率よりも小さい時には、前記下地膜構造の反射率が極小から極大に向けて変化する範囲に、前記第１の膜の膜厚を設定することを特徴とする膜構造の設計方法を提供するものである。
【００１３】
また、本発明は、上記のいずれかに記載の膜構造の設計方法によって設計された積層膜構造を露光して形成したレジストパターンを用いて、前記下地膜構造を加工することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面に示す好適実施例に基づいて、本発明の膜構造の設計方法および半導体装置の製造方法を詳細に説明する。
【００１５】
本発明者は、レジストパターンのプロファイル（外形）とレジスト膜および下地透過性膜の膜厚との関係に着目し、これらの関係を調査した結果、レジスト膜および下地透過性膜の屈折率の違い、ならびに、下地透過性膜の膜厚の変化による反射率の周期的な変化に応じてレジストパターンのプロファイルの変化（下端部での裾引きのありなし）が見られることを見い出した。
【００１６】
この知見に基づいて、本発明法では、まず、下地透過性膜の屈折率とレジスト膜の屈折率とを比較する。そして、下地透過性膜の膜厚を増加（変化）させた場合の、所定波長の露光光に対する下地透過性膜の反射率の変化を求める。
【００１７】
下地透過性膜の屈折率がレジスト膜の屈折率よりも大きい場合、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）膜では、下地透過性膜の反射率が極小から極大に向けて変化する範囲の膜厚でレジストパターンのプロファイルが悪化して下端部での裾引きを生じ、極大から極小に向けて変化する範囲の膜厚でプロファイルが良好となり裾引きを生じない。従って、この場合には、下地透過性膜の膜厚を、その反射率が極大から極小に向けて変化する範囲の膜厚に設定する。
【００１８】
これとは逆に、下地透過性膜の屈折率がレジスト膜の屈折率よりも小さい場合、例えばＳｉＯ2 （２酸化シリコン）膜では、前述の場合とは極性が１８０゜反転する。すなわち、下地透過性膜の反射率が極小から極大に向けて変化する範囲の膜厚でレジストパターンのプロファイルが良好となり、極大から極小に向けて変化する範囲の膜厚で悪化して下端部に裾引きが生じる。従って、この場合には、下地透過性膜の膜厚を、その反射率が極小から極大に向けて変化する範囲の膜厚に設定する。
【００１９】
なお、下地透過性膜が２層以上積層されている場合には、レジスト膜の屈折率とレジスト膜直下の下地透過性膜の屈折率とを比較する。そして、膜厚を決定しようとする下地透過性膜について、その膜厚を変化させた場合の露光光に対する下地透過性膜全体（下地膜構造）の反射率の変化を求め、レジスト膜の屈折率とレジスト膜直下の下地透過性膜の屈折率との比較結果に応じて、膜厚を決定しようとする下地透過性膜の膜厚をレジストパターンのプロファイルが良好になる範囲に設定する。
【００２０】
この方法で設定された膜厚が、他の要因を考慮すると好ましくない場合には、２層以上積層された下地透過性膜の中の他の下地透過性膜の膜厚を変化させた上で、再び、膜厚を決定しようとする下地透過性膜の膜厚変化による反射率変化を求め、プロファイルが良好になる範囲に膜厚を設定すればよい。
【００２１】
なお、半導体装置製造に標準的に使用される各種の下地透過性膜の光学的特性は明らかになっているので、このような膜厚変化に対する反射率変化をシミュレーションで求めることが可能である。従って、下地透過性膜の膜厚をさまざまに変化させた実験を行う必要はなく、迅速に膜厚を決定することができる。
【００２２】
一方、レジスト膜の屈折率は空気の屈折率よりも必然的に大きいため、レジスト膜およびその下地透過性膜全体（積層膜構造）の反射率が極小から極大に向けて変化する範囲の膜厚でレジストパターンのプロファイルが悪化して下端部での裾引きを生じ、極大から極小に向けて変化する範囲の膜厚でプロファイルが良好となり裾引きを生じない。従って、この場合には、レジスト膜の膜厚を、積層膜構造の反射率が極大から極小に向けて変化する範囲の膜厚に設定する。
【００２３】
上記のように、レジスト膜および下地透過性膜の膜厚を設定することにより、レジストパターンの下端部での裾引きを無くし、略垂直、ないしは図１に示すように、その下端部に食い込みのあるレジストパターン１２が形成される。
【００２４】
このように、本発明の膜構造の設計方法を適用することにより、レジストパターンの下端部を裾引きではなくむしろ食い込みがあるように形成することができる。これにより、方向性を有するイオンを用いた異方性エッチング技術を利用して下地透過性膜を高精度にエッチングすることができる。また、本発明の半導体装置の製造方法は、本発明の膜構造の設計方法によって設計された積層膜構造を露光して形成したレジストパターンを用いて下地膜構造を加工するので、半導体装置の下地透過性膜の高精度の加工が可能である。
【００２５】
ここで、反射率の変動を低減し、定在波効果の影響、ハレーションの影響を低く抑えるためには、当然のことながら、下地透過性膜の反射率が極小となるように、その膜厚を設定するのが有効である。
【００２６】
しかし、下地透過性膜の反射率が極小点となるように膜厚を設定すると、実際に形成される膜厚のばらつき（製造ばらつき）や、露光時の光学定数（露光光の波長、膜の屈折率等）のばらつきにより、結局、レジストパターンのプロファイルが悪化する領域を含んでしまう。このため、ＣＤロスの変動により、逆に寸法制御性が悪化するという現象が発生する。従って、エッチング後の下地透過性膜の仕上り寸法を予測できないという問題がある。
【００２７】
また、レジストパターンの下端部の裾引きは、狭部の抜け性（現像工程でのレジスト膜の除去のしやすさ）も悪化させるため、歩留り低下に直結する。
【００２８】
従って、下地透過性膜の反射率が極小となるように膜厚を設定するよりもむしろ、本発明法に従って、上記のばらつきを考慮しても、常時、レジストパターンのプロファイルが良好な領域に収まるように膜厚を設定することが実際には好ましい。これにより、たとえＣＤロスを最小にすることはできないとしても、一定とすることができる。その結果、少なくともレジストパターン寸法から下地透過性膜の加工仕上り寸法を予測することができるようになる。これにより、先行処理による確認により、ＣＤロスを最小、もしくは適切な値とする露光条件設定が可能となる。
【００２９】
あるいは、ばらつき範囲の膜厚とそれに応じた露光条件のデータ収集をあらかじめ行っておくことにより、成膜データから適正露光条件を見い出すことも可能になる。また、レジストパターンの下端部の裾引きが解消されることにより、パターン下端寸法で規定した適正露光量を低減することができ、これにより露光処理効率の向上が図られ、ＴＡＴ（ターンアラウンドタイム）の短縮、生産性の向上等にも寄与できる。
【００３０】
さらに、露光時の焦点深度も広がる。このため、プロセスマージンも増大し、寸法制御安定性に富み、品質レベルも向上させることができるという利点がある。
【００３１】
ここで、露光時のレジスト膜中には、露光光源からの入射光（露光光）と、レジスト膜の上下界面からの反射光と、下地透過性膜の下面からの反射光とが存在し、それらが相互に多重干渉し合って複雑な定在波を形成する。そして、この定在波のレジスト膜中の膜厚方向の強度分布に従って、フォトマスクのエッジ部分に対応する部分のレジスト膜中に、その膜厚方向のインヒビター濃度の分布が発生する。
【００３２】
レジスト膜と下地透過性膜との屈折率の大小関係によって、また、反射率が極大から極小に向かって変化する範囲と、極小から極大に向かって変化する範囲とで定在波の強度分布が異なり、従って、インヒビター濃度分布も異なる。露光後のＰＥＢ（Post Exposure Bake）によるインヒビターの拡散によっても、この濃度分布は完全には解消されない。
【００３３】
従って、レジスト膜と下地透過性膜の屈折率の大小関係、および、反射率が極大から極小に向かって変化する範囲か、極小から極大に向かって変化する範囲かによって、ＰＥＢ後のインヒビター濃度分布（特に、下地透過性膜との界面付近の濃度分布）が変化し、これに応じて、レジストパターンの下端部に裾引きが発生したり、発生しなかったりする、言い換えると、食い込みが発生しなかったり、発生したりすると推定される。
【００３４】
（実施例）
Ｓｉ（シリコン）基板上に、いずれも透過性の膜である１３ｎｍのＳｉＯ2 （２酸化シリコン）膜、１００〜２００ｎｍのＳｉＮ（窒化シリコン）膜を堆積し下地膜構造とした。その上に、ライン＆スペースが０．５μｍ間隔のレジストパターンを形成した。レジストは、ＪＳＲ（株）製のＰＦＲ−ＩＸ８２５Ｇを用い、膜厚は１．０４μｍとした。この場合、レジスト膜直下の下地透過性膜はＳｉＮ膜であり、その屈折率はレジスト膜の屈折率より大きい。
【００３５】
ＳｉＮ膜の膜厚と上記の下地膜構造の反射率との関係のシミュレーション結果を図２のグラフに示す。同図に示すグラフにおいて、横軸はＳｉＮ膜の膜厚（ｎｍ）、縦軸は、下地膜構造の反射率である。このグラフに示すように、評価区間において、ＳｉＮ膜の膜厚＝１１０ｎｍ付近で反射率の極小値、１５５ｎｍ付近で極大値、２００ｎｍ付近で極小値というように、下地膜構造の反射率は、ＳｉＮ膜厚の変化に対して周期的に変化することが分かる。
【００３６】
また、評価区間において、レジスト膜中のＰＥＢ工程後のインヒビター濃度分布をシミュレーションした。その結果、反射率が極小から極大に向けて変化する区間で裾引き傾向、極大から極小に向けて変化する区間で裾引き解消（食い込み）傾向があることが分かった。
【００３７】
また、各代表として、ＳｉＮ膜厚＝１５０ｎｍ（極小〜極大区間）、１７０ｎｍ（極大〜極小区間）において、ｉ線ステッパーを用いてレジスト膜をパターニングした。
【００３８】
ＳｉＮ膜厚＝１５０ｎｍ，１７０ｎｍの場合について、レジスト膜の膜抜け感度（Ｅｔｈ）は、それぞれ１１３，１０１ｍＪ／ｃｍ2 、レジストパターンが設計寸法通りに仕上る適正露光量（Ｅｏｐｔ）は、それぞれ３００，２５０ｍＪ／ｃｍ2 となり、ＳｉＮ膜厚＝１７０ｎｍの場合には、ＳｉＮ膜厚＝１５０ｎｍの場合に対して約１６．７％の感度向上が認められた。
【００３９】
また、ＳｉＮ膜厚＝１５０ｎｍ，１７０ｎｍの場合について、パターン寸法が設計寸法の１０％以内に収まる焦点深度は、それぞれ１．２μｍ、１．６μｍとなり、ＳｉＮ膜厚＝１７０ｎｍの場合には、ＳｉＮ膜厚＝１５０ｎｍの場合に対して約３３％拡大した。
【００４０】
また、レジストパターンのプロファイルについて、ＳｉＮ膜＝１５０ｎｍでは、レジストパターンの下端部での裾引きが顕著であった。特に、ライン先端部では、スカム（カス）を含め、０．０７〜０．０８μｍ余計に裾引きが生じており、大幅なＣＤロスの変動が予想されると共に、設計忠実度を保てないことが分かった。一方、１７０ｎｍでは裾引きは無く、パターンエッジは明確であった。
【００４１】
また、ＳｉＮ膜厚＝１５０ｎｍの時の、レジスト膜厚とレジスト膜を含めた下地膜構造（積層膜構造）の反射率との関係を図３のグラフに示す。同図に示すグラフにおいて、横軸はレジスト膜の膜厚（ｎｍ）、縦軸は、積層膜構造の反射率である。このグラフに示すように、評価区間において、レジスト膜の膜厚＝９２６ｎｍ付近で反射率の極小値、９８０ｎｍ付近で極大値、１０３５ｎｍ付近で極小値というように、積層膜構造の反射率はレジスト膜厚の変化に対して周期的に変化することが分かる。
【００４２】
ここで、９８０〜１０８０ｎｍの区間において、レジスト膜中のＰＥＢ後のインヒビター濃度分布をシミュレーションした。その結果、反射率が極小から極大に向けて変化する区間で裾引き傾向が顕著となり、極大から極小に向けて変化する区間では裾引きが緩和されることがわかった。このように、レジスト膜の膜厚設定も、下地透過性膜の膜厚設定と同様にパターンプロファイルの改善に効果があることが分かった。
【００４３】
本発明の膜構造の設計方法は、下地膜が露光光に対して透過性を有する場合、その種類によらず、広く適用可能である。通常用いられる反射防止膜は、ある程度の透過性を有するため、反射防止膜を含んだ下地膜構造もしくは積層膜構造に対しても、同様に適用できる。露光光源の種類、その波長も問わず、例えば所定のバンド幅を有するレーザー光等においても十分効果を発揮することができる。また、本発明の膜構造の設計方法は、半導体装置の製造工程はもちろん、フォトリソグラフィー技術を利用して膜構造を加工する他の装置の製造工程にも適用可能である。
【００４４】
なお、下地透過性膜は、上記実施例のように、シリコン窒化膜（上層）／シリコン酸化膜（下層）に限定されず、１層でもよいし、２層以上何層であってもよく、その組合せも何ら限定されない。
【００４５】
本発明の膜構造の設計方法および半導体装置の製造方法は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明の膜構造の設計方法および半導体装置の製造方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳細に説明した様に、本発明によれば、レジストパターンの下端部での裾引きを完全に解消することができるので、下地透過性膜の加工寸法制御性を向上させることができる。また同時に、レジストパターンの下端寸法で規定した露光感度も向上し、露光処理の高速化が図られ、生産性が向上される。さらに、露光時の焦点深度も広がるため、プロセスマージンも広がる。このため、半導体装置等のフォトリソグラフィー技術を利用して製造される装置の膜構造の設計や、製造に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の膜構造の設計方法を適用して形成されたレジストパターンの一実施例の断面図である。
【図２】  ＳｉＮ膜の膜厚と下地膜構造の反射率との関係を表す一実施例のグラフである。
【図３】  レジスト膜厚と積層膜構造の反射率との関係を表す一実施例のグラフである。
【図４】  縮小投影露光装置の一例の概念図である。
【図５】  従来のレジストパターンの一例の断面図である。
【符号の説明】
１０  下地透過性膜
１２  レジストパターン
１４  半導体基板
１６  下地透過性膜
１８  レジスト膜
２０  レチクル
２２  レンズ
２４  遮光部
２６  レジストパターン
【図１】
0003913528.tif 000002
【図２】
0003913528.tif 000003
【図３】
0003913528.tif 000004
【図４】
0003913528.tif 000005
【図５】
0003913528.tif 000006