(57)【要約】【課題】  本発明は、半導体デバイスの製造のための露光方法において、マスクパターンを露光する際の基板の反射防止特性とエッチング耐性とを両立できるようにする。【解決手段】  たとえば、下層膜のエッチング材としての役割を持つような材料から中間膜の候補材料を選定し、その複素屈折率を測定する。次いで、二重極照明のσ値から、結像に関わる光のフォトレジストへの入射角範囲を決定する。次いで、フォトレジストと中間膜との界面の反射率を計算し、入射角範囲内の反射率の最大値および平均値を求める。次いで、実際に露光を行い、露光マージンを求める。こうして、量産可能な露光マージンが得られたときの中間膜の材料についての、入射角範囲内の反射率の最大値および平均値を調べることによって、実際に中間膜として適用できるかどうかを判断する。【選択図】      図１
2009259976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光学系内の有効光源面から発した波長λの露光光をフォトマスクに照射し、前記フォトマスクを通過した光を、開口数ＮＡの投影レンズを介して、基板上に投影する露光方法であって、
前記基板表面には反射防止膜および前記反射防止膜上のフォトレジストが形成され、
前記フォトマスクのパターン面にはピッチＰの周期パターンが形成され、
前記投影レンズおよび前記基板の間には屈折率ｎの媒質が存在し、
前記基板の前記フォトレジストが形成された表面に入射する光の前記媒質中での前記基板表面の法線に対する入射角度θが下記数１の式（１）により定まる範囲であるときに、前記フォトレジスト膜と前記反射防止膜との界面における前記波長λの露光光に対する反射率が所望の値以下になるように、前記反射防止膜の屈折率、消衰係数、および、膜厚を選定することを特徴とする露光方法。
【数１】
2009259976.tif 000007
【請求項２】
前記露光光の前記入射角度θが下記数２の式（２）で定まる入射角度θとなるときに、前記フォトレジスト膜と前記反射防止膜との界面における前記波長λの露光光に対する反射率が極小となることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
【数２】
2009259976.tif 000008
【請求項３】
前記ピッチＰの周期パターンは、下記数３の式（３）で表されるｋ１ファクタが０．５未満となることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
【数３】
2009259976.tif 000009
【請求項４】
前記露光光中において、電気ベクトルの振動方向が前記フォトレジスト膜に入射する際の入射面と直交する光の方が、電気ベクトルの振動方向が前記フォトレジスト膜に入射する際の入射面と平行な光よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
【請求項５】
前記請求項１に記載の露光方法を用いる工程を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、露光方法およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法に関するもので、特に、半導体デバイスの製造工程の一つであるリソグラフィ技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体露光装置を用いたリソグラフィ工程において、フォトマスクの回路パターンは、照明光学系、フォトマスク、および、投影光学系の設計に応じて、基板上に塗布されたフォトレジストに転写される。その後、エッチング工程によって、フォトレジストに転写された回路パターンは基板に転写される。
【０００３】
もし、リソグラフィ工程での露光の際に、フォトレジストとそのすぐ下の膜とで作られる界面にて光の反射が生じると、フォトレジスト内で定在波が形成される。すると、フォトレジストに転写される回路パターンが、設計上で期待している回路パターンに対して忠実でなくなってしまう。そこで、回路パターンの忠実性を確保するために、フォトレジストと基板との間に反射防止膜を設ける技術が広く用いられている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
上述の文献では、光の入射角が０°から必要とされる最大入射角に至るまで、反射防止膜の反射率が所定の値以下であることを要求している。しかしながら、たとえばハーフピッチが所定のサイズ以下の微細な回路パターンを形成する場合、このような反射防止膜の設計を行っていては不十分である。その理由は、反射防止膜は、反射防止機能と同時に、その直下の層をエッチングする際のマスク材としての役割を果たす必要があるが、反射防止機能を理想に近づけると材料の選択の余地が厳しくなり、エッチング工程まで含めた場合のプロセスの確立が困難になるためである。
【０００５】
一方、使用するフォトマスクによっては、回路パターンの種類が限られ、結像に関わる光の入射角に所定の角度範囲（たとえば、０°近辺の入射角）が含まれないようなケースがある。このような場合、反射防止膜の設計においては、必要とする光の入射角に対応した角度範囲だけを考えれば十分である。
【０００６】
一般に、フォトレジストとそのすぐ下の膜とで作られる界面での光の反射率は、光の入射角に依存する。これに対し、投影光学系から基板に入射する光のうちで、回路パターンの結像に関わる光は、回路パターンが微細になるほど入射角が０°からずれる。すなわち、ハーフピッチが所定のサイズ以下の回路パターンを転写するためには、結像に関わる入射角範囲をもつ入射光の反射率が小さければ、反射防止膜の機能としては十分となる。
【特許文献１】特開２００６−７３７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、マスクパターンを露光する際の反射防止特性とエッチング耐性とを両立させることができ、より微細な半導体デバイスを製造することが容易に可能となる露光方法およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明の一態様によれば、照明光学系内の有効光源面から発した波長λの露光光をフォトマスクに照射し、前記フォトマスクを通過した光を、開口数ＮＡの投影レンズを介して、基板上に投影する露光方法であって、前記基板表面には反射防止膜および前記反射防止膜上のフォトレジストが形成され、前記フォトマスクのパターン面にはピッチＰの周期パターンが形成され、前記投影レンズおよび前記基板の間には屈折率ｎの媒質が存在し、前記基板の前記フォトレジストが形成された表面に入射する光の前記媒質中での前記基板表面の法線に対する入射角度θが下記数４の式（４）により定まる範囲であるときに、前記フォトレジスト膜と前記反射防止膜との界面における前記波長λの露光光に対する反射率が所望の値以下になるように、前記反射防止膜の屈折率、消衰係数、および、膜厚を選定することを特徴とする露光方法が提供される。
【数４】
2009259976.tif 000003
【発明の効果】
【０００９】
上記の構成により、マスクパターンを露光する際の反射防止特性とエッチング耐性とを両立させることができ、より微細な半導体デバイスを製造することが容易に可能となる露光方法およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的なものであり、各図面の寸法および比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係および／または比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。特に、以下に示すいくつかの実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。この発明の技術思想は、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１１】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にしたがった露光方法の一例を示すものである。なお、本実施形態では、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリなどの製造に用いられる、光露光による微細パターンの形成に適した反射防止膜の設計方法について説明する。
【００１２】
反射防止膜として、たとえばフォトレジストの下に塗布される塗布型中間膜を、転写すべき回路パターンの種類に応じて設計する場合、まずは、図２に示すようなピッチＰが８８ｎｍのライン・アンド・スペースパターン（周期パターン）を含むフォトマスクＰＭを用意し、以下の条件で露光する。
【００１３】
露光装置（図示していない）は、屈折率ｎが１．４３７の水（媒質）を用いた液浸露光方式であり、露光光の波長λを１９３ｎｍ、投影光学系としての投影レンズ（投影倍率Ｍ）の開口数ＮＡｐを１．３とする。周期パターンのピッチＰ、液浸水の屈折率ｎ、露光光の波長λ、および、投影レンズの開口数ＮＡｐより、ｋ１ファクタは０．２９である。
【００１４】
すなわち、ピッチＰの周期パターンは、投影レンズの射出側の開口数をＮＡｐとしたとき、下記数５の式（５）により表されるｋ１ファクタが０．５未満となる。
【数５】
2009259976.tif 000004
【００１５】
ただし、露光光は、その電気ベクトルの主な振動方向が、フォトレジストに入射する際の入射面と直交する光である。すなわち、露光光中において、電気ベクトルの振動方向がフォトレジスト膜に入射する際の入射面と直交する光（Ｓ偏光）の方が、電気ベクトルの振動方向がフォトレジスト膜に入射する際の入射面と平行な光（Ｐ偏光）よりも多い。
【００１６】
照明には、図３に示すような二重極照明ＤＬを用いる。二重極照明ＤＬは、投影レンズの開口数ＮＡｐを単位とする、半径１の円形である。極（有効光源）の中心位置を定めるσ値（σ値は、投影レンズの開口数ＮＡｐを単位とし、σ０とする）は、周期パターンのピッチＰから定まる最適値（σ０＝λ／（２×Ｐ×ＮＡｐ））とする。また、極の半径を定めるσ値（σｒ）は０．１５とする。
【００１７】
照明光の偏光度は０．９（縦偏光９０％、横偏光１０％）とする。
【００１８】
図４に示すように、露光の対象となる被加工基板１１の表面上には、下層膜１２、中間膜１３、フォトレジスト１４、保護膜１５が、下から順に積層されているものとする。被加工基板１１の表面はシリコン（Ｓｉ）である。下層膜１２は、複素屈折率をｎ−ｉｋとしたときのｎが１．３６、ｋが０．４２であり、厚さｄが２３０ｎｍである。中間膜１３は、厚さｄが４５ｎｍである。フォトレジスト１４は、複素屈折率をｎ−ｉｋとしたときのｎが１．６９、ｋが０．０３であり、厚さｄが１００ｎｍである。保護膜１５は、複素屈折率をｎ−ｉｋとしたときのｎが１．５２、厚さｄが９０ｎｍである。
【００１９】
ここで、フォトレジスト１４および中間膜１３のそれぞれの屈折率、消衰係数、および、膜厚は、たとえば、被加工基板１１に入射する光の、液浸水中での基板表面の法線に対する入射角度をθとしたとき、フォトレジスト１４と中間膜１３との界面における波長λの露光光に対する反射率が、周期パターンのピッチＰに対して、入射光が下記数６の式（６）により定まる所定の入射角度の範囲のときに、１％以下になるように選ばれる。
【数６】
2009259976.tif 000005
【００２０】
次に、図１を参照して、中間膜１３を決定する方法について具体的に説明する。
【００２１】
まず、下層膜１２のエッチング材としての役割を持つような材料から中間膜１３の候補材料を選定し、その複素屈折率を測定する（ステップＳＴ１）。
【００２２】
次いで、二重極照明ＤＬのσ値から、結像に関わる光のフォトレジスト１４への入射角範囲を決定する（ステップＳＴ２）。
【００２３】
次いで、フォトレジスト１４と中間膜１３との界面の反射率を計算し、上記の入射角範囲内の反射率の最大値および平均値を求める（ステップＳＴ３）。なお、この計算では、積層膜系に入射した光が、積層膜系の表面および内部に存在する各界面で多重反射を生じることによる干渉効果を考慮している。
【００２４】
すなわち、フォトレジスト１４と中間膜１３との界面における波長λの露光光に対する反射率は、下記数７の式（７）で表される、周期パターンのピッチＰに応じて定まる入射角度θに対して極小となる。これにより、フォトレジスト１４内での定在波の形成が抑制され、設計上で期待した通りの回路パターンを形成することが可能となる。
【数７】
2009259976.tif 000006
【００２５】
次いで、上記した条件にて実際に露光を行い、露光マージンを求める（ステップＳＴ４）。こうして、量産可能な露光マージンが得られたときの中間膜１３の材料についての、上述の入射角範囲内の反射率の最大値および平均値がいくらであったかを調べる。
【００２６】
以上の方法により、量産可能な露光マージンを得るための中間膜１３の、入射角範囲内の反射率の最大値および平均値の上限が求められる。なお、中間膜１３の材料を変更する必要が生じた場合には、材料の複素屈折率を測定することで、量産可能な露光マージンが得られるかどうかを事前に知ることができる。
【００２７】
上記の手順にしたがい、実際に中間膜１３の材料の選定を行ったところ、以下のような結果が得られた。
【００２８】
たとえば、中間膜１３の候補材料は２つあり、「中間膜候補１」，「中間膜候補２」とすると、「中間膜候補１」の複素屈折率はｎ＝１．６２，ｋ＝０．１０であり、「中間膜候補２」の複素屈折率はｎ＝１．５８，ｋ＝０．１７であった。
【００２９】
ライン・アンド・スペースパターンのピッチＰが８８ｎｍの場合では、極の中心位置を定めるσ値（σ０）は０．８４３となる。σｒを０．１５とした場合、結像に関わる光のフォトレジスト１４への入射角範囲は４４．１°〜５６．２°であった。なお、最適入射角度は４９．８°である。
【００３０】
フォトレジスト１４と中間膜１３との界面の反射率を計算すると、たとえば図５に示すようになる。この図から、上記した入射角範囲内の反射率の最大値および平均値（水中での値に換算）は、「中間膜候補１」では１．３１％，１．５７％、「中間膜候補２」では０．０９％，０．２４９％であった。
【００３１】
中間膜１３を、「中間膜候補１」，「中間膜候補２」を用いて形成し、実際に露光を行ったところ、「中間膜候補１」では必要とされるレジスト寸法精度が得られず、「中間膜候補２」で必要とされるレジスト寸法精度が確保できた。
【００３２】
こうしたことにより、「中間膜候補２」を中間膜１３に用いたリソグラフィ工程およびエッチング工程が確立された。また、中間膜１３の材料としては、入射角範囲内の反射率の最大値および平均値が１％，０．２４９％を超えないようにする必要があることがわかり、中間膜１３の材料を変更する必要が生じた際には、上述の反射率の計算を行うことによって、実際に中間膜１３として適用できるかどうかの判断が可能となった。
【００３３】
本実施形態によれば、光露光による微細パターンの形成に適した中間膜を設計できるようになる。すなわち、露光されるフォトマスクの回路パターンの種類に応じた光の入射角範囲に対して、フォトレジストの下地からの反射を十分に抑制できるような反射防止特性（機能）を有して、中間膜を設計できるようになる。これにより、フォトレジスト内での定在波の形成を抑制でき、設計上で期待した通りの回路パターンを形成することが可能となる。しかも、反射防止機能を持たせるべき入射角範囲を定めることによって、中間膜の材料として不必要な制限がなくなり、同時にエッチング耐性を満足する材料の選定に幅を持たせられるようになるなど、反射防止特性とエッチング耐性とを両立させることが容易に可能となる。したがって、このような露光方法を、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリなどの半導体デバイスの製造に採用することで、より微細な半導体デバイスの製造が可能となるものである。
【００３４】
なお、ピッチＰの周期パターンは、フォトマスクのパターン面の少なくとも１箇所に存在すればよい。
【００３５】
［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態にしたがった露光方法を説明するために示すものである。なお、本実施形態は、周期パターンのハーフピッチを１８０ｎｍ以上とした場合の例である。
【００３６】
すなわち、ハーフピッチが１８０ｎｍ以上の周期パターンの場合、入射角が０度から３０度までの範囲に対して、反射防止膜である中間膜の反射率を１％以内に抑えれば十分である。
【００３７】
そこで、この場合の中間膜の材料として、上述の第１の実施形態で示した「中間膜候補１」，「中間膜候補２」の膜構成について考える。図６（ａ），（ｂ）は、露光光の入射角と中間膜候補の膜厚とをパラメータとした場合の、レジストボトム反射率を示すものである。本図から、所定の膜厚を設定することで、「中間膜候補１」，「中間膜候補２」ともに、入射角が０度から３０度までの範囲に対して、反射率が１％以内となることがわかる。よって、ハーフピッチが１８０ｎｍ以上の周期パターンの場合には、最終的に、よりコストの低い材料（たとえば、「中間膜候補１」）を採用することが可能である。
【００３８】
なお、本実施形態においては、フォトレジストおよび下層膜が中間膜に要求する条件として、下層膜のエッチング耐性との関係から、中間膜の膜厚は最低でも３０ｎｍ以上の厚さが必要であり、フォトレジストのエッチング耐性との関係から、最低でも６０ｎｍ以下の厚さである必要があるが、本図より、中間膜候補１の膜厚は３５ｎｍ程度とすればよいことが確認できた。
【００３９】
このような露光方法を、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリなどの半導体デバイスの製造に採用するようにした場合にも、低コストにて、より微細な半導体デバイスの製造が可能である。
【００４０】
また、周期パターンは、フォトマスクのパターン面の少なくとも１箇所に存在すればよい。
【００４１】
その他、本願発明は、上記（各）実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記（各）実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。たとえば、（各）実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも１つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも１つ）が得られる場合には、その構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態にしたがった、露光方法の一例を説明するために示すフローチャート。
【図２】露光方法を説明するために、フォトマスクの構成例を示す図。
【図３】露光方法を説明するために、二重極照明の構成例を示す図。
【図４】露光方法を説明するために、被加工基板上の膜構成（積層膜系）を示す断面図。
【図５】露光方法を説明するために、フォトレジストと中間膜との界面における露光光の反射率特性を示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態にしたがった、露光光の入射角と中間膜候補の膜厚とをパラメータとした場合のレジストボトム反射率を示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１１…被加工基板、１２…下層膜、１３…中間膜、１４…フォトレジスト、１５…保護膜、ＰＭ…フォトマスク、Ｐ…周期パターンのピッチ、ＤＬ…二重極照明。
【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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