(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
斜入射照明を使用してレジストに転写パターンを形成する半導体装置の製造方法において、
所定の光の透過率の四隅の領域と、前記四隅の領域間に形成され前記四隅の領域よりも光の透過率が低い４つの領域と、前記四隅の領域および前記４つの領域の内側に前記４つの領域よりも光の透過率が低く中心に向かって光の透過率が低くなるが前記中心および前記中心付近ではある程度以上の光が透過するように形成された領域と、を有するフィルタを用いて、光源中心および前記光源中心付近にある程度以上の光量を有する斜入射照明を行う第１の工程と、
前記第１の工程で転写されたパターンをエッチングする第２の工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の工程および第２の工程によって、メモリ素子および論理素子を同一基板上に同時に形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１の工程および第２の工程によって、論理素子を基板上に形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の工程では、密なパターンよりも疎なパターンが細くなるように転写パターンを形成することを特徴とする請求項１記載の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】
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に斜入射照明によってパターン形成を行う半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、メモリ素子、論理演算素子、ＣＣＤ素子、ＬＣＤ駆動素子等の各種の半導体装置の製造におけるパターン形成のためのフォトリソグラフィ工程においては、解像度および焦点深度を向上させるために、斜入射照明が用いられるようになってきている。斜入射照明による露光方法は、パターン密度が高い領域のパターン（以後、密なパターンと呼ぶ）に対して著しい効果があるため、この場合に適用されることがほとんどである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した斜入射照明には、４重極照明、輪帯照明といった種々の種類があるが、これらの技術に共通の特徴として、密なパターンにおいては解像度および焦点深度が向上する一方で、パターン密度が低い領域のパターン（以後、疎なパターンと呼ぶ）においては、焦点変動によって転写パターンの線幅に大きな変化が生じるという問題があった。このため、斜入射照明は、疎なパターンの形成には著しく不利であると認識されてきた。したがって、疎なパターンから構成される素子、あるいは密なパターンと疎なパターンとが混在する素子には、斜入射照明が用いられることがなかった。
【０００４】
一方、エッチング時においては、フォトマスクからの転写により基板上のレジストに形成されたパターン（以後、転写パターンと呼ぶ）の線幅と、その後のエッチング処理によってできたパターン（以後、エッチングパターンと呼ぶ）の線幅との間に、いわゆるエッチング変換差が生じる。このエッチング変換差は、ローディング効果と呼ばれる物理現象によって起こるが、密なパターンと、疎なパターンとでその度合いが異なる。具体的には、疎なパターンにおいては、エッチングパターンが転写パターンよりも太く形成され、一方、密なパターンにおいては、エッチングパターンが転写パターンとほぼ等しく形成される。
【０００５】
このような疎なパターンと密なパターンのエッチング変換差を補償するために、従来は、マスクパターンの幅を設計寸法に対して適宜変更するようにしていた。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、斜入射照明を用いながらも、焦点変動による転写パターンの線幅の変化量を小さくできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、疎なパターンと密なパターンのエッチング変換差を補償することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、斜入射照明を使用してレジストに転写パターンを形成する半導体装置の製造方法において、所定の光の透過率の四隅の領域と、前記四隅の領域間に形成され前記四隅の領域よりも光の透過率が低い４つの領域と、前記四隅の領域および前記４つの領域の内側に前記４つの領域よりも光の透過率が低く中心に向かって光の透過率が低くなるが前記中心および前記中心付近ではある程度以上の光が透過するように形成された領域と、を有するフィルタを用いて、光源中心および前記光源中心付近にある程度以上の光量を有する斜入射照明を行う第１の工程と、前記第１の工程で転写されたパターンをエッチングする第２の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００９】
このような半導体装置の製造方法では、第１の工程において、光源中心および光源中心付近にある程度以上の光量を有する斜入射照明を行う。これにより、焦点変動に対して疎なパターンの線幅変動が極めて小さいという実測結果が得られる。
【００１０】
また、第１の工程において、密なパターンよりも疎なパターンを細くなるように転写パターンを形成することにより、第２の工程でエッチングを行う際のローディング効果による疎なパターンと密なパターンのエッチング変換差を補償できる。
【００１１】
よって、疎なパターンから構成される素子、または疎なパターンと密なパターンが混在する素子においても良好な電気特性が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一形態を図面を参照して説明する。
図１は本形態の半導体装置の製造方法の基本手順を示すフローチャートである。
〔Ｓ１〕フィルタもしくはプリズムを用いることにより、光源中心および光源中心付近にある程度以上の光量を有する斜入射照明を行う。このとき、密なパターンよりも疎なパターンが細くなるように転写パターンを形成することが好ましい。
〔Ｓ２〕第１の工程で転写されたパターンのエッチングを行う。
【００１３】
次に、上記方法のより具体的な例について説明する。
図２は本形態の半導体装置の製造方法におけるフォトリソグラフィ工程を行うための露光装置の概略構成を示す図である。露光装置１０は、ｉ線ステッパであり、その光源１１には、水銀ランプが使用される。光源１１から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ１２で分離され、プリズムユニット１３で適度な角度で絞られ、さらに、フライアイレンズ１４を通ることにより、後述の変形照明、またはハーフトーン輪帯照明となる。そして、この光は、照明レンズ系１５を介してレチクル１６のマスクパターンを透過し、結像レンズ系１７で集光され、ウェハ１８上に塗布されたレジストに斜入射照明される。
【００１４】
なお、変形照明、またはハーフトーン輪帯照明の形成は、ビームスプリッタ１２およびプリズムユニット１３を用いる代わりに、光源中心および光源中心付近にある程度以上の光量を透過させる形状のフィルタを用いてもよい。
【００１５】
また、図２ではｉ線ステッパの露光装置の例を示したが、本発明は、これに限らず、ｇ線ステッパ、ＫｒＦエキシマレーザステッパ、ＡｒＦエキシマレーザステッパなどの他のタイプの露光装置でもよい。
【００１６】
次に、本形態の露光装置１０で使用する斜入射照明の具体的な形状について説明する。ただし、ここでは、平面的に分かりやすくするために、斜入射照明をフィルタで形成すると仮定して、そのフィルタの形状を示す。もちろん、プリズムユニット１３などを用いる場合でも、結果的にほぼ同じ照明が得られる。
【００１７】
図３は本形態の露光装置１０で使用する斜入射照明用のフィルタ形状の例を示す図であり、（Ａ）は変形照明用のフィルタ形状の一例を示す図、（Ｂ）は輪帯照明用のフィルタ形状の一例を示す図である。まず、図（Ａ）の変形照明用のフィルタ２１は、外側の四隅に光の透過率が１．０の領域２１ａが形成されている。また、各領域２１ａ間を結ぶ４つの領域２１ｂは、領域２１ａの次に透過率が高く（例えば透過率０．６）なるように設定されている。さらに、領域２１ｂの内側には、順に中心に向かうように領域２１ｃ，２１ｄ，２１ｅが形成されている。これら領域２１ｃ，２１ｄ，２１ｅは、内側のものほど透過率が低くなるように、例えば領域２１ｃが０．５、領域２１ｄが０．４、領域２１ｅが０．３に設定されている。
【００１８】
このようなフィルタ２１を用いることにより、外側から徐々に光量が少なく、ただし中心部でもある程度以上の光量を有する変形照明が得られる。もちろん、プリズムユニット１３などを用いる場合でも、その制御の仕方によって、結果的にほぼ同じ形状の変形照明を形成することができる。
【００１９】
一方、図（Ｂ）の輪帯照明用のフィルタ２２は、輪帯部２２ａで透過率がほぼ１．０となっている。そして、中心部２２ｂがハーフトーン、すなわち、所定の光量のみを透過させるようになっている。この中心部２２ｂの透過率は、後述の実測例で示すように、例えば０．３５に設定されている。
【００２０】
このようなフィルタ２２を用いることにより、中心部でもある程度以上の光量を有する輪帯照明が得られる。もちろん、プリズムユニット１３などを用いる場合でも、その制御の仕方によって、結果的にほぼ同じ形状の輪帯照明を形成することができる。
【００２１】
次に、実測値に基づいて、本形態の半導体装置の製造方法の効果について説明する。
なお、以下に示す実験例では、すべて図２で示した露光装置１０を用い、光学条件は、レンズ開口数ＮＡ＝０．５７、パーシャルコヒーレンシσ＝０．６７に設定した。また、基板には、メモリ素子用のゲートパターン加工用のものを使用し、レジスト塗布前に基板からのレジスト内への光の反射を防止するために、Ｓｉ０2 膜とＳｉＯＮ膜をそれぞれ２７０ｎｍ、３０ｎｍの厚さに形成した。そして、評価対象パターンには、０．３４μｍのラインパターンを用いた。
【００２２】
まず、参考例として、斜入射照明を用いない従来の通常照明による実験結果を示す。図４は従来の通常照明による露光実験結果を示す図である。ここで、横軸はラインアンドスペースパターンのスペース幅を示し、縦軸はスペース幅に対する転写パターンの線幅を示す。また、特性Ｌ01，Ｌ02，Ｌ03，Ｌ04，Ｌ05は、デフォーカス量をそれぞれ０．６μｍ、０．４μｍ、０．２μｍ、０．０μｍ、−０．２μｍとしたときのものである。
【００２３】
図から分かるように、従来の方法では、スペース幅が０．５μｍより大きなパターンのフォーカスに対するばらつきが大きい。なお、従来の製造方法では、ジャストフォーカス（０．０μｍ）近傍において、密なパターンと疎なパターンの転写パターンの線幅は、ほぼ等しく形成されている。
【００２４】
図５は斜入射照明を使用した第１の露光実験結果を示す図である。ここで、横軸はラインアンドスペースパターンのスペース幅を示し、縦軸はスペース幅に対する転写パターンの線幅を示す。また、特性Ｌ11，Ｌ12，Ｌ13，Ｌ14，Ｌ15は、デフォーカス量をそれぞれ０．６μｍ、０．４μｍ、０．２μｍ、０．０μｍ、−０．２μｍとしたときのものである。この実験では、図３（Ａ）で示した変形照明用のフィルタ２１を使用した。結果、図５から分かるように、スペース幅が０．５μｍより大きなパターンのフォーカスに対するばらつきが、図４と比較して小さくなった。
【００２５】
また、第１の実験では、ジャストフォーカス（０．０μｍ）近傍において、密なパターンの転写パターンより、疎なパターンの転写パターンの線幅が、ほぼ０．０３μｍ細く形成されている。これにより、エッチング処理におけるローディング効果による、密なパターンと疎なパターン間のエッチング変換差の違い（ここでは、疎なパターンに対する変換差の値が０．０３μｍと見なしている）を補償できる。
【００２６】
なお、この実験では、露光処理がなされた基板を、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってエッチング処理した。ここで、被エッチング材料は、ウェハ基体上に予め形成されているポリシリコンである。エッチングは、塩素および酸素からなる混合ガスで５００ｍＰａの圧力で約３０秒間行った。
【００２７】
図６は斜入射照明を使用した第２の露光実験結果を示す図である。ここで、横軸はラインアンドスペースパターンのスペース幅を示し、縦軸はスペース幅に対する転写パターンの線幅を示す。また、特性Ｌ21，Ｌ22，Ｌ23，Ｌ24，Ｌ25は、デフォーカス量をそれぞれ０．６μｍ、０．４μｍ、０．２μｍ、０．０μｍ、−０．２μｍとしたときのものである。この実験では、図３（Ｂ）で示した輪帯照明用のフィルタ２２を使用した。そして、フィルタ２２の中心部２２ｂの透過率を０．３５とし、その直径を光源の直径の１／２とした。結果、図７から分かるように、スペース幅が０．５μｍより大きなパターンのフォーカスに対するばらつきが、図４と比較して小さくなった。
【００２８】
また、第２の実験では、第１の実験と同様に、ジャストフォーカス（０．０μｍ）近傍において、密なパターンの転写パターンよりも疎なパターンの転写パターンの線幅が、ほぼ０．０３μｍ細く形成されている。これにより、エッチング処理におけるローディング効果による、密なパターンと疎なパターン間のエッチング変換差の違い（ここでは、疎なパターンに対する変換差の値が０．０３μｍと見なしている）を補償できる。
【００２９】
また、この実験では、露光処理がなされた基板を、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってエッチング処理した。ここで、被エッチング材料は、ウェハ基体上に予め形成されているポリシリコンである。エッチングは、塩素および酸素からなる混合ガスで５００ｍＰａの圧力で約３０秒間行った。
【００３０】
図７は斜入射照明を使用した第３の露光実験結果を示す図である。ここで、横軸はラインアンドスペースパターンのスペース幅を示し、縦軸はスペース幅に対する転写パターンの線幅を示す。また、特性Ｌ31，Ｌ32，Ｌ33，Ｌ34，Ｌ35は、デフォーカス量をそれぞれ０．６μｍ、０．４μｍ、０．２μｍ、０．０μｍ、−０．２μｍとしたときのものである。この実験では、図３（Ｂ）で示した輪帯照明用のフィルタ２２を使用した。そして、フィルタ２２の中心部２２ｂの透過率を０．２０とし、その直径を光源の直径の１／２とした。結果、図７から分かるように、スペース幅が０．５μｍより大きなパターンのフォーカスに対するばらつきが、図４と比較して小さくなった。
【００３１】
また、第３の実験では、第１、第２の実験と同様に、ジャストフォーカス（０．０μｍ）近傍において、密なパターンの転写パターンよりも疎なパターンの転写パターンの線幅が、ほぼ０．０３μｍ細く形成されている。これにより、エッチング処理におけるローディング効果による、密なパターンと疎なパターン間のエッチング変換差の違い（ここでは、疎なパターンに対する変換差の値が０．０３μｍと見なしている）を補償できる。
【００３２】
また、この実験では、露光処理がなされた基板を、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってエッチング処理した。ここで、被エッチング材料は、ウェハ基体上に予め形成されているポリシリコンである。エッチングは、塩素および酸素からなる混合ガスで５００ｍＰａの圧力で約３０秒間行った。
【００３３】
次に、上記各第１〜第３の実験で形成した基板に対して、焦点深度０．４μｍ、露光量裕度２０ｍＪ／ｃｍ2 で、いわゆるＥＤ（Exposure Defocus）ウィンドウ内における線幅変動量を測定した。
【００３４】
図８はラインアンドスペースのラインに対するＥＤウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。ここでは、ライン部分およびスペース部分ともに０．３４μｍ、すなわち、密なパターンの場合の線幅変動量を示す。図から分かるように、密なパターンでは、従来の通常照明によるもの、第１〜第３の実験すべてにおいて線幅変動量がほぼ等しい。
【００３５】
図９は密なゲートパターンに対するＥＤウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。ここでは、メモリセル内のゲート長０．３４μｍのラインパターンに対する転写パターンの、いわゆる密なパターンの場合の線幅変動量を示す。図から分かるように、通常照明に対して第１〜第３の実験では、線幅変動量が改善されている。特に第２の実験では０．０１μｍ程度改善されている。
【００３６】
図１０は疎なラインパターンに対するＥＤウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。ここでは、ライン部分０．３４μｍのいわゆる疎なパターンの場合の線幅変動量を示す。また、本パターンは、論理素子のゲートパターンに対応する。図から分かるように、通常照明に対して第１〜第３の実験では、線幅変動量が改善されている。特に光源中心部分の透過率が０．３５である第２の実験においては、線幅変動量が０．０３５μｍであり、通常照明に対して約半分の変動量になっている。
【００３７】
図１１は疎な周辺パターンに対するＥＤウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。ここでは、メモリ素子の周辺部分における０．３４μｍのライン部分、いわゆる疎なパターンの場合の線幅変動量を示す。図から分かるように、通常照明に対して第１〜第３の実験では、線幅変動量が改善されている。特に光源中心部分の透過率が０．３５である第２の実験においては、線幅変動量が０．０２５μｍであり、通常照明に対して約４０％の変動量になっている。
【００３８】
次に、上記第１〜第３の実験で形成した基板に対して、ライン部分の疎なパターンの設計線幅を０．３０μｍ〜０．４０μｍまで変化させ、これに対する露光後の実際の線幅の測定結果を示す。
【００３９】
図１２はライン部分の疎なパターンの設計線幅を０．３０μｍ〜０．４０μｍまで変化させたときの露光後の実際の線幅の測定結果を示す図であり、（Ａ）は従来の通常照明の基板の測定結果を示す図、（Ｂ）は第１の実験の基板の測定結果を示す図、（Ｃ）は第２の実験の基板の測定結果を示す図、（Ｄ）は第３の実験の基板の測定結果を示す図である。ここで、各図の横軸は、パターンの線幅の設計値であり、縦軸は基板形成後の実測値である。
【００４０】
また、それぞれの図の、特性Ｍ01，Ｍ11，Ｍ21，Ｍ31は、デフォーカス量が０．６μｍのときの結果、特性Ｍ02，Ｍ12，Ｍ22，Ｍ32は、デフォーカス量が０．４μｍのときの結果、特性Ｍ03，Ｍ13，Ｍ23，Ｍ33は、デフォーカス量が０．２μｍのときの結果、特性Ｍ04，Ｍ14，Ｍ24，Ｍ34は、デフォーカス量が０．０μｍのときの結果、特性Ｍ05，Ｍ15，Ｍ25，Ｍ35は、デフォーカス量が−０．２μｍのときの結果である。
【００４１】
図から分かるように、第１〜第３の実験における斜入射照明の疎なパターンに対する特性は、通常照明と遜色がない。また、デフォーカス量に対して線幅変動量が小さいという特徴は、０．３０μｍ〜０．４０μｍの範囲においても十分に保たれている。
【００４２】
以上のように、本形態では、図３のような光源中心および光源中心付近にある程度以上の光量を透過させる形状のフィルタ２１，２２などを使用して、斜入射照明を行うようにしたので、焦点変動に対して疎なパターンの線幅変動を極めて小さくすることができる。
【００４３】
また、本形態では、密なパターンよりも疎なパターンが細くなるように転写パターンを形成するようにしたので、エッチング工程で生じるローディング効果によるエッチング変換差を補償できる。
【００４４】
次に、本形態の製造方法を実際のデバイス製造に適用したデータについて説明する。まず、斜入射照明として図３（Ｂ）で示した輪帯照明用のフィルタ２２の中心部２２ｂの透過率を０．３５とし、その直径を光源の直径の１／２として、メモリ素子としてゲート長０．３４μｍ、また論理素子としてゲート長０．３４μｍを同一基板に混在させた素子を作成した。メモリ素子のゲート部分は、密なパターンであり、一方、論理素子のゲート部分は疎なパターンである。フィルタ２２による露光、エッチングの結果、同一ゲート長０．３４μｍのメモリ素子と論理素子を、歩留り１００％で形成できた。
【００４５】
さらに、同一条件のフィルタ２２を使用して、論理素子としてゲート長０．３４μｍの素子を作成した。論理素子のゲート部分は疎なパターンである。フィルタ２２による露光、エッチングの結果、ゲート長のばらつきの小さい論理素子を、歩留り１００％で形成できた。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、光源中心および光源中心付近にある程度以上の光量を有する斜入射照明を行うようにしたので、焦点変動に対して疎なパターンの線幅変動を極めて小さくできる。
【００４７】
また、本発明では、密なパターンよりも疎なパターンが細くなるように転写パターンを形成することにより、エッチングを行う際のローディング効果による疎なパターンと密なパターンのエッチング変換差を補償できる。
【００４８】
よって、疎なパターンから構成される素子、または疎なパターンと密なパターンが混在する素子においても良好な電気特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本形態の半導体装置の製造方法の基本手順を示すフローチャートである。
【図２】本形態の半導体装置の製造方法におけるフォトリソグラフィ工程を行うための露光装置の概略構成を示す図である。
【図３】本形態の露光装置で使用する斜入射照明用のフィルタ形状の例を示す図であり、（Ａ）は変形照明用のフィルタ形状の一例を示す図、（Ｂ）は輪帯照明用のフィルタ形状の一例を示す図である。
【図４】従来の通常照明による露光実験結果を示す図である。
【図５】斜入射照明を使用した第１の露光実験結果を示す図である。
【図６】斜入射照明を使用した第２の露光実験結果を示す図である。
【図７】斜入射照明を使用した第３の露光実験結果を示す図である。
【図８】ラインアンドスペースのラインに対するＥＤウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。
【図９】密なゲートパターンに対するＥＤウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。
【図１０】疎なラインパターンに対するＥＤウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。
【図１１】疎な周辺パターンに対するＥＤウィンドウ内における転写パターンの線幅変動量を示す図である。
【図１２】ライン部分の疎なパターンの設計線幅を０．３０μｍ〜０．４０μｍまで変化させたときの露光後の実際の線幅の測定結果を示す図であり、（Ａ）は従来の通常照明の基板の測定結果を示す図、（Ｂ）は第１の実験の基板の測定結果を示す図、（Ｃ）は第２の実験の基板の測定結果を示す図、（Ｄ）は第３の実験の基板の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１０……露光装置、１１……光源、１２……ビームスプリッタ、１３……プリズムユニット、１４……フライアイレンズ、１５……照明レンズ系、１６……レチクル、１７……結像レンズ系、１８……ウェハ、２１……フィルタ、２２……フィルタ。
【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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