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JP2003209048A - パターン形成方法 - Google Patents

パターン形成方法

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JP2003209048A
JP2003209048A JP2002008531A JP2002008531A JP2003209048A JP 2003209048 A JP2003209048 A JP 2003209048A JP 2002008531 A JP2002008531 A JP 2002008531A JP 2002008531 A JP2002008531 A JP 2002008531A JP 2003209048 A JP2003209048 A JP 2003209048A
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phase shift
exposure
pattern
shift mask
distance
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JP2002008531A
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Tadashi Fujimoto
匡志 藤本
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NEC Electronics Corp
Original Assignee
NEC Electronics Corp
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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
る。 【解決手段】 本発明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。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W
2が400nm未満のパターンからなる密集パターン1
62用としている。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。

Description

【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4
4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1
00nm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40
0nm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46
1と密集パターン462とに分けると、孤立パターン4
61と密集パターン462とを同じ位相シフトマスク4
0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】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、と
してもよい(請求項5)。この場合は、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、としてもよい(請求項
7)。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
8)。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、N
D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−0.5μ
m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16
2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】また、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40
0nm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C
D−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

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、 ことを特徴とするパターン形成方法。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【請求項5】 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、 請求項1、2、3又は4記載のパターン形成方法。
  6. 【請求項6】 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、4又は5記載のパターン形成方法。
  7. 【請求項7】 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。
  8. 【請求項8】 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6又は7記載のパターン形成方法。
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