JP2959496B2

JP2959496B2 - Ｏｐｃマスク

Info

Publication number: JP2959496B2
Application number: JP30926396A
Authority: JP
Inventors: 伸二石田; 直生安里
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: JPH10148928A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投影露光装置用の
フォトマスク、特に半導体製造工程で微細パターン形成
のために用いられるフォトマスクに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、半導体素子の製造工程において
は、半導体基板上にパターンを形成するために、主に光
リソグラフィ技術を用いている。光リソグラフィでは、
露光装置によりフォトマスク（透明領域と遮光領域から
なるパターンが形成された露光用原板であり、縮小率が
１：１でない場合は特にレチクルとも呼ばれるが、ここ
ではいずれもフォトマスクと呼ぶ）のパターンを感光性
樹脂が塗布された半導体基板上に転写し、現像により感
光性樹脂による所定のパターンを形成する。この感光性
樹脂のパターンは、リソグラフィの次の工程であるエッ
チングあるいは不純物導入（イオン注入）におけるマス
クとなる（エッチングに耐えるという意味において感光
性樹脂はレジストとも呼ばれる）。

【０００３】これまでの光リソグラフィ技術において
は、おもに露光装置の開発、とりわけ投影レンズ系の高
ＮＡ化により半導体素子の微細化へ対応してきた。ここ
で、ＮＡ（開口数）とは、レンズがどれだけ広がった光
を集められるかに対応し、この値が大きいほどより広が
った光を集められ、高ＮＡは、レンズの性能がよいこと
になる。また、一般にレーリ（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）の式
としてよく知られているように、限界解像度Ｒ（解像で
きる限界の微細パターンの寸法）とＮＡとの間には、Ｒ
＝Ｋ₁×λ／ＮＡ（ここで、Ｋ₁は感光性樹脂の性能等の
プロセスに依存する定数）の関係があり、ＮＡを大きく
するほど限界解像度はより微細になった。

【０００４】しかし、露光装置の高ＮＡ化により解像力
は向上するものの、逆に焦点深度（焦点位置のずれが許
容できる範囲）は減少し、焦点深度の点で更なる微細化
が困難となってきた。ここでも実際の物理的説明は省く
が、先と同様レーリの式として、焦点深度ＤＯＦとＮＡ
との間には、ＤＯＦ＝Ｋ₂×λ／ＮＡ²（ここで、Ｋ₂は
プロセスに依存する定数）の関係が成り立つことが知ら
れている。すなわち、ＮＡを大きくするほど焦点深度は
狭くなり、わずかな焦点位置のずれも許容できなくな
る。

【０００５】そこで、様々な超解像手法が検討されるよ
うになってきた。一般に、超解像手法とは、照明光学
系，フォトマスク、および投影レンズ系瞳面における光
の透過率および位相を制御することにより、結像面での
光強度分布を改善する手法である。

【０００６】また各種超解像手法のなかでも、照明光学
系の最適化による解像特性の向上、いわゆる変形照明法
は、実現性が高く、近年、特に注目を集めている。

【０００７】また他にも、フォトマスク側の改善による
超解像手法である、位相シフトマスクの検討も盛んに行
われている。位相シフトマスクとしては、渋谷−レベン
ソン（Ｌｅｖｅｎｓｏｎ）方式と呼ばれる、周期的なパ
ターンにおいて透明領域を透過する光の位相を交互に１
８０度変える方式が初めに提案された。しかし、この方
式では、隣接した透明領域の位相をすべて異ならせるこ
とが必要であった。このため、複雑な半導体素子のパタ
ーンにおいて、マスクの設計が非常に困難となってい
た。また、孤立したパターンには適用できないという問
題もあった。そのため、その後、補助パターン，リム、
あるいはハーフトーン方式等のほかの方式が提案されて
きた。これら各種の位相シフトマスクでは、マスク上の
近接する透明部分の光の位相をお互いに１８０度ずら
し、その位相が１８０度異なる光の干渉で遮光領域の光
強度をさらに低下させ、像のコントラストを改善してい
る。

【０００８】また、以上の超解像手法とは別に、感光性
樹脂パターンの２次元形状を改善する光近接効果補正が
現在注目されている。これは、超解像手法により光リソ
グラフィの限界は延びるものの、この限界近くでは、近
接効果によるパターン形状の変形により、半導体素子の
性能が低下する問題が発生してきたためである。ここ
で、近接効果とは、転写される感光性樹脂パターンの形
状が、そのパターンの周辺に存在する他のパターンの影
響を受けて変形する現象である。

【０００９】光リソグラフィにおいて、この近接効果を
補正する手段としては、解像力を向上させる高ＮＡ化が
有効であるが、これは先に述べたように焦点深度の点で
問題がある。そこで、目的のパターンが得られるよう
に、マスクパターンを修正する手法が提案されている。
これが、光近接効果補正（オプティカルプロキシミテ
ィコレクション：ＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｘｉｍｉｔ
ｙｅｆｆｅｃｔＣｏｒｅｃｔｉｏｎ）である。ま
た、そのためのマスクは、ＯＰＣと呼ばれている。

【００１０】一般に、光近接効果として、１）ラインア
ンドスペースパターンと孤立パターンの寸法差、２）ラ
インパターンの長辺方向の縮み、３）パターンコーナー
部の丸まり等に分類される。ここでは、２）ラインパタ
ーンの縮みを補正するためのＯＰＣマスクについて説明
する。

【００１１】図５に通常のフォトマスクとＯＰＣマスク
との１つのパターン部分を比較して示す。同図（ａ）
は、通常のフォトマスクのマスクパターンを示す平面図
である。図５（ａ）に示すパターンは、２本のラインパ
ターン１２，１２が向き合ったパターンであり、このよ
うなパターンでは、ラインパターン１２の線幅に露光量
を合わせると、ラインパターン１２の先端部による転写
パターンが細り、かつラインパターン１２による転写パ
ターンの寸法に縮みが生じる。

【００１２】同図（ｂ），（ｃ），（ｄ）および（ｅ）
が各種ＯＰＣマスクを示す平面図である。同図（ｂ）
は、マスクバイアイと呼ばれる単にラインパターン１２
の寸法のみを変える補正であり、（ｃ）は、ラインパタ
ーン１２の先端部の角部にハット（あるいはハンマーヘ
ッド）と呼ばれる部分的な四角形パターン１２ａを付加
する補正であり、（ｄ）は、ラインパターン１２の先端
部にシェリフと呼ばれる微細な突起１２ｂを付加する補
正である。また図５（ｅ）は、半透明膜５を用いて光強
度を下げる方法である（例えば、特開平７−５６７５
等）。すなわち、図５（ｅ）の場合、ラインパターン１
２の先端部が向き合う位置の両側に膜厚１０ｎｍ程度の
極薄いクロムからなる半透明膜５が設けられ、半透明膜
５を用いて透過率を４０％程度落とし、補正するように
している。

【００１３】図５（ｂ）〜（ｅ）に示すマスクでは、光
強度が高くなりすぎる部分の光を一部カットし、転写さ
れるパターンを太らせ、設計に近い感光性樹脂によるパ
ターンを形成することができるようになっている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＯＰＣマスクには、以下のような問題があった。特に、
図５（ｃ），（ｄ）に示すシェリフあるいはハットを有
するＯＰＣマスクでは、シェリフあるいはハットによる
補正効果が高いものの、マスク作製および検査を行う上
で実用化が困難とされている。

【００１５】すなわち図５（ｃ），（ｄ）に示す複雑な
微細パターンを付加するＯＰＣマスクにおいては、マス
クパターン設計の段階でデータ量が大きくなる。また、
シェリフあるいはハットの付加パターンは、半導体素子
の設計より微細なグリッドサイズ（ＣＡＤ上の最小刻
み）で設計され、そのため、マスク描画において描画時
間の増加が問題となっていた。

【００１６】マスク描画には、通常電子線描画装置が用
いられるが、この描画の際の電子ビームの径は、アドレ
スサイズ（描画データの最小刻み、通常の５倍マスクで
は設計グリッドの５倍）により決定される。すなわち、
このように微細なアドレスサイズの付加パターンを含ん
だマスクを描画するためには、電子ビーム径を通常の１
／２に絞らなければならず、描画時間は４倍になってい
た（ビーム径が１／２となると、従来１回で露光してい
た面積を露光するのに４回露光しなければならな
い。）。

【００１７】また、シェリフあるいはハットの付加パタ
ーンは、解像度の点でも電子線描画の限界に近い寸法で
あるため、設計データ通りに形成することができていな
かった。一般に、先の例で示した突起状のシェリフや微
細ラインの補助パターンでは、その寸法は細る傾向があ
る。そのため、設計データ通りにマスクが作製できれ
ば、効果が得られるＯＰＣマスクも、その効果が十分得
られていなかった。

【００１８】また、描画装置のバッティングエラー（フ
ィールド継ぎのずれ）もＯＰＣマスクでは、さらに大き
な問題となっていた。電子線描画装置は、その電子線ビ
ームを電磁偏向させて移動しパターンを描画している
が、その振り幅は数ｍｍであり、その電磁偏向のみで描
画できる範囲をフィールドと呼んでいる。そして、マス
ク全体を描画するためには、このフィールド内を描画し
た後、マスクステージを移動させ次のフィールドの描画
を続ける。この際に隣接するフィールド間でパターンの
位置ずれが生じる。このフィールド間のずれを、特にマ
スク描画では、バッティングエラーと呼んでいる。例え
ば、連続したラインパターンでも、フィールド継ぎの部
分にずれが発生する、あるいは線幅が異常となるといっ
た問題があった。

【００１９】そして、特に図５（ｃ），（ｄ）に示すＯ
ＰＣマスクにおいては、この微細な付加パターンがフィ
ールドの継ぎ部分に位置すると、パターン形状の変形が
さらに顕著になってしまっていた。また、このように付
加パターンの寸法精度が低いため、検査工程では、この
付加パターンが欠陥として検出されてしまうという問題
があった。

【００２０】ＤＲＡＭのように繰り返しパターンが多い
半導体素子のマスクにおいては、マスク上の２点を比較
する、いわゆるダイツウダイ方式での検査がある程度可
能なため、付加パターンが変形していても検査可能であ
る。しかし、ロジック系の素子では、マスクと設計デー
タを比較する、いわゆるダイツウデータベース方式の検
査しかできないため、付加パターンの変形はすべて欠陥
として検出され、またその数が極端に多いため、一般の
修正すべき欠陥と区別することが困難となるという問題
があった。

【００２１】また、図５（ｅ）に示す半透明膜を用いた
補正方法では、半透明膜５を成膜する工程が増加し、こ
の工程での欠陥数の増加が問題となっていた。通常、こ
の半透明膜５と遮光膜と同様に、スパッタ法により成膜
されるが、スパッタ法自体のゴミの付着の問題と、成膜
する膜厚が極端に薄いことによるピンホールの発生の問
題が生じていた。

【００２２】さらに、従来のＯＰＣマスクは、焦点位置
のずれがないときの形状を改善するが、焦点位置が変化
した場合には、通常マスクより形状の悪化が激しいとい
う問題があった。これは、微細パターンあるいは半透明
膜により転写像のコントラストが低下するためである。
よって、前述の図５（ｃ）および（ｄ）に示す位相シフ
トマスクのようなフォーカス特性の改善効果はなかっ
た。

【００２３】本発明の目的は、従来のＯＰＣマスクに代
えて、所定寸法の感光性樹脂パターンを安定して得るＯ
ＰＣマスクを提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係るＯＰＣマスクは、透明基板上に遮光パ
ターンを有するＯＰＣマスクであって、前記遮光パター
ンは、透明照明により感光性樹脂に所定形状のパターン
を転写するものであって、ハーフトーン部を有し、前記
ハーフトーン部は、遮光パターン近傍の透明領域に設け
られ、透過光の位相を１０〜９０°の範囲に変化させる
ものである。

【００２５】また前記ハーフトーン部は、遮光パターン
近傍の透明領域に設けられた段差部から構成されたもの
である。

【００２６】また前記ハーフトーン部は、遮光パターン
近傍の透明領域に設けられた透明膜から構成されたもの
である。

【００２７】

【作用】例えば、位相が反転した（位相差＝１８０度）
光の干渉により急峻状暗部が形成されることは良く知ら
れているが、位相差の若干異なる（位相差＝１０〜９０
度）光同士の干渉では、感光性樹脂に転写されない程度
の暗部を形成することができる。なお、この位相差を露
光条件に合わせ適当に選択される。

【００２８】本発明においては、この位相変化部分の暗
部形成効果を用い、転写される感光性樹脂パターンの形
状を改善している。また、この１８０度以外の位相差に
よる干渉では、焦点位置の＋／−の変化により、光強度
が非対称的に変化する。よって、この非対称性を利用し
て、フォーカス特性を調整することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図によ
り説明する。

【００３０】（実施形態１）図１（ａ）は、本発明の実
施形態１を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ
−Ａ線断面図である。図に示す実施形態１では、露光装
置として、縮小率１／５（マスクパターン寸法：結像面
上パターン寸法＝５：１），ＮＡ＝０．６，５０％輪帯
照明（最大σ＝０，７），ｉ線（波長λ＝３６５ｎｍ）
の縮小投影露光装置を用いている。

【００３１】図１において、パターン寸法はすべて半導
体基板上での寸法で示すものであり、実際のマスク上で
は、その５倍の寸法となるように設定している。

【００３２】図に示す本発明の実施形態１に係るフォト
マスクにおいて、透明基板１に形成される複数のパター
ンの１つのパターン部分は、０．３μｍ線幅の２本のラ
インパターン１２，１２を０．３μｍの間隔に向き合わ
せて形成した配置になっている。ラインパターン１２は
通常のフォトマスクと同じクロム（膜厚：８０ｎｍ）お
よび酸化クロム（膜厚：２０ｎｍ）の遮光膜２から形成
されている。

【００３３】さらに本発明では、ラインパターン１２の
先端部１２₁側の基板１を深さ６５ｎｍでエッチングし
て基板１に段差部３を形成している。ここで、段差部３
上には、ラインパターン１２をなす遮光膜２が設けられ
ておらず、ラインパターン１２は、段差部３の対向する
口縁３ａ，３ａを起端としてそれぞれ直線状に形成され
ている。石英製基板１のｉ線に対する屈折率ｎは１．４
７であり、基板１に設けた段差部３により３０度の位相
差が生じる。

【００３４】次に、本発明の実施形態１に係るフォトマ
スクの効果について説明する。図２はラインパターン間
のスペース寸法のフォーカス位置依存性を示す図であ
る。ここで、フォーカス位置＝０μｍは、フォーカス面
が感光性樹脂表面に位置するときであり、フォーカス面
が上に移動するときを“＋”、フォーカス面が下に移動
するときを“−”にフォーカスとしている。この感光性
樹脂パターンのシミュレーションからも明らかなよう
に、本フォトマスクによりラインパターン端部の縮みを
防止し、広いフォーカス範囲で、設計寸法に近いパター
ンが得られている。

【００３５】位相差を更に大きくすれば、その遮光効果
も高まるが、通常のパターンレイアウトであれば、本発
明の実施形態と同じく３０度程度の位相差で十分縮みを
防止できる。また、９０度以上の位相差では光強度が低
下しすぎて、近接したパターン間が分離しなくなる。ま
た、位相差の＋／−はフォーカス特性の傾きに影響し、
位相差の＋／−によっては通常のマスク以上にフォーカ
ス特性を傾かせてしまう場合もある。本発明の実施形態
では、ラインパターンの端部はエッチングした方が良
く、反対に透明膜を付けて＋の位相差を生じさせると、
通常マスク以上にフォーカス特性が傾いてしまう。

【００３６】また、マスク製造においては、遮光パター
ンは通常フォトマスクと同じであり、容易に製造でき
る。そして、段差部作製には重ね合わせを用いた２回目
の描画が加わるが、段差部の寸法も十分大きいので、安
定して形成できる。一方、マスク検査においては、位相
差３０度程度の段差部は、マスク検査装置では全く検出
されないので、遮光パターンを従来マスクと同じ精度で
検査できる。なお、位相差３０度の段差部の欠陥は、転
写結果にほとんど影響しないので、検査の必要はない。

【００３７】なお、以上はｉ線露光について説明した
が、露光波長には制限はなく、ＫｒＦエキシマレーザー
光あるいはＸ線等の他の波長でも同様に、若干の位相差
により光強度を低下させる感光性樹脂のパターンを変化
させることができる。

【００３８】（実施形態２）図３は、本発明の実施形態
２を示す平面図である。図３（ａ）は、位相変化を生じ
させる段差部３を、ラインパターン１２の先端部１２₁
間に設け、かつ両側に突き出して設けている。図３
（ｂ）は、段差部３をラインパターン１２の先端部１２
₁側に食い込ませて設けており、図３（ｃ）は、段差部
３をラインパターン１２の先端部１２₁の両側に配置し
て設けており、図３（ｄ）は、図３（ｃ）の段差部３を
それぞれ前方に突き出して設けている。

【００３９】（実施形態３）図４は、本発明の実施形態
３を示す図である。図４（ａ），（ｂ）に示す実施形態
３では、透明基板１に段差部３を形成する代わりに、遮
光膜２の両側に透明膜４のパターンを部分的に形成して
位相差を生じさせている。透明膜４はＳＯＧ（スピン・
オン・グラス）のスピンコート法を用いれば、比較的容
易に形成できる。また、実施形態３では、例えば染料入
りのＳＯＧを用いて若干の光吸収を持たせ、位相差に合
わせ透過率も制御することにより、更に所望のレジスト
平面形状を得ることができるという利点を有している。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ハ
ーフトーン位相シフトマスクとマスクの露光量差（光強
度分布の差）を利用して、マスクパターンを部分的にハ
ーフトーン部にすることにより、目的のパターン形状に
転写されるようにしている。そのため、従来のＯＰＣの
ように複雑なパターン形状を用いる必要はなく、マスク
作製および検査が容易になっている。また、焦点位置の
変動による寸法変化も従来のマスクより小さく、寸法精
度向上および焦点深度拡大の効果も有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施形態１に係るフォトマス
クを示す平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図
である。

【図２】本発明および従来のフォトマスクにより得られ
る感光性樹脂パターンのシミュレーション結果（スペー
ス寸法と焦点位置の関係）を示す図である。

【図３】本発明の実施形態２に係るフォトマスクを示す
平面図である。

【図４】本発明の実施形態３に係るフォトマスクを示す
平面図である。

【図５】従来のＯＰＣマスクを示す平面図である。

【符号の説明】

１透明基板２遮光膜３段差部４透明膜５半透明膜１２ラインパターン

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上に遮光パターンを有するＯＰ
Ｃマスクであって、前記遮光パターンは、透明照明によ
り感光性樹脂に所定形状のパターンを転写するものであ
って、ハーフトーン部を有し、前記ハーフトーン部は、遮光パターン近傍の透明領域に
設けられ、透過光の位相を１０〜９０°の範囲に変化さ
せるものであることを特徴とするＯＰＣマスク。
【請求項２】前記ハーフトーン部は、遮光パターン近
傍の透明領域に設けられた段差部から構成されたもので
あることを特徴とする請求項１に記載のＯＰＣマスク。
【請求項３】前記ハーフトーン部は、遮光パターン近
傍の透明領域に設けられた透明膜から構成されたもので
あることを特徴とする講求項１に記載のＯＰＣマスク。