JPH04296858A

JPH04296858A - ホトマスク

Info

Publication number: JPH04296858A
Application number: JP3063321A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Harasaki; 原崎　克彦
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1991-03-27
Filing date: 1991-03-27
Publication date: 1992-10-21
Anticipated expiration: 2013-03-11
Also published as: US5441835A; JP2725899B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は投影露光装置で利用する
ホトマスク（レティクル）に関するものであり、特に微
細な種々のパターンをウエハ面上の異なる位置に効率良
く転写するのに適したホトマスクに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】設計寸法の縮小、加工パターンの微細化
に伴い縮小投影露光法によるフォトリングラフィ技術は
解像度の限界に近づいている。この解像限界を向上する
方法としては位相シフト法がある。この方法によれば理
論的には従来の透過型マスクと比較した場合、解像限界
が２倍程度向上する。位相シフト法については例えば、
ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅ
ｖｉｃｅｓ　　誌、第ＥＤ−３１　巻，第６号，１９８
４年、第７５３〜７６３　ページに論じられている（図
２５参照）。しかしながらこの位相シフト法にも問題が
ある。それは実際のＬＳＩ　のパターンのような複雑な
マスクパターンに対応するのが難しい点である。位相シ
フト法は、規則的なラインアンドスペースパターンへの
適用は容易であるが、孤立パターンや非周期的パターン
、複数の組合せパターンなどへの適用は難しい。これま
でに複数の組合せパターンについては、例えば平成２年
（１９９０年）秋季、第５１回応用物理学会学術講演会
、予稿集４９１，４９２　ページ（講演番号２７ｐ−Ｚ
Ｇ−４，５）に論じられているような多段型位相シフト
法が提案されている。また孤立パターンについては、例
えば公開特許公報（Ａ）昭６２−６７５１４号に示され
るような補助パターン法が提案されている。しかしなが
ら、どれも容易な方法ではない。位相シフト法としては
、この他に透過部の周囲だけに位相シフトを配置するタ
イプがある（図２４参照）。これは自己整合型と呼ばれ
るタイプで、孤立パターンの解像に有効とされている。図２４において、自己整合型の位相シフトレチクルは、
光源側からウエハ側に順に、レチクルであるガラス（２
４１）と、Ｃｒ（クロム）膜（２４２）を介して配設さ
れた位相シフタ（２４３）とからなる。この自己整合型
位相シフタを用いた方法については例えば、平成２年秋
季、第５１回応用物理学会学術講演会、予稿集　４９２
ページ（講演番号２７ｐ−ＺＰ−２）に論じられている
。しかしこれらの自己整合型位相シフタにおいても、同
一透光部内での光の干渉効果を利用するため光強度の勾
配の低下が問題となり、微細なパターンへの適用は難し
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】加工パターンが微細化
し、露光波長と同程度ないしそれ以下のサイズになると
レティクル透光部を透過する光の量は減少し、透過光の
成分は垂直入射成分に対して斜め入射成分の効果が無視
できなくなる（図２３参照）。図２３は光学系の配置を
示し、図２３において、光源（２２１）からの光はコン
デンサレンズ（２２２）を通過した集束光は焦点位置か
らの見込み角θｃ　の範囲でホトマスク（２４１）に入
射し、幅Δの透光部を介して見込み角θｐ　で透過光と
して出射され、光軸方向（図示Ａで示す矢印方向）に沿
ってプロジェクションレンズ（２２３）の面に投影され
、最終的にウエハ上の投影面に投影される。図２２はそ
の投影系の概略を示している。図２２において、符号（
２２５）はウエハの投影面を示し、波Ｂはその投影像の
光強度を示す。ホトマスク２００　として上記自己整合
型位相シフトレチクルを用いた場合、投影面上の光強度
は減少し広がり、光強度コントラスト勾配は低下、レジ
ストパターンの解像は不可能となる。この位相シフト法
では隣接する透過光の位相差を利用するため、孤立パタ
ーンや非周期的なパターン、複数の組合せパターンへの
適用は難しい。本発明の目的は、実際の露光工程に現れ
るようなＬＳＩ　パターンの作製において、上記問題点
を解決できるホトマスク（レティクル）の提供を目的と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明は、光源からの
露光用の光を入射し、さらに、出射光を投影光学系を介
してウエハ上の所定のレジスト膜に投影してレジスト膜
をパターン形成するホトマスクであって、集光系を通過
した上記入射光が透過する複数の光透過部と、その各光
透過部を覆うようウエハが配置される側に突出して形成
され、それによって上記入射光を、屈折効果によりウエ
ハ上の投影面に結像しうる透過光として出射させる透明
材質又は半透明材質の凸型形状部とを有するホトマスク
である。すなわち、この発明は、ホトマスク透光部中央
に光を透過する材料を用いて凸型形状（球面または非球
面）を作製し、光の屈折効果により透過光のより多くの
伝播成分を投影レンズ（または投影光学系）に集め、投
影面上の光強度および光強度コントラストを向上させる
ことにより解決される。すなわち、解像力の向上により
微細なパターンを転写することが可能になる。この凸型
形状は自己整合タイプであるため、孤立パターンや非周
期的なパターンへの適用が容易であり、実際のＬＳＩ　
パターンに利用することが可能である。また、この発明
は別の観点から、「請求項６」のホトマスクが提供され
、さらに、これらのホトマスクを有する機構として、「
請求項７」が提供される。

【０００５】

【作用】光の透過部中央の凸型形状は、屈折効果により
透過部近傍のより多くの光の伝播成分を投影レンズ（ま
たは投影光学系）に集める。すなわち、透過部の材料と
凸型形状（曲率Ｃまたは部分曲率Ｃｐ）を露光装置に対
して最適化してやることにより、投影像の光強度分布を
改善できる。上述したけれども、再度図２３に一般の投
影露光装置におけるレティクル付近の光学系の概念図を
示す。集光系（コンデンサレンズ）２２２　により集め
られた光源２２１　からの光はレティクル２４１　の下
端付近に焦点面をつくる。この時焦点位置からのコンデ
ンサーレンズ２２２　の側の見込み角Θｃ　とプロジェ
クションレンズ２２４の側の見込み角Θｐ　は露光装置
の光学系によって定まっており、投影光学系にわたす光
強度には上限が存在する。図２１にレティクルを透過する光の概念図を示す。従来
のレティクルの場合、微細なΔの幅を透過できる光は垂
直入射成分（２１１）がほとんどであるのに対し、透過
部中央に凸型形状部（２１２）を加えたレティクルでは
曲率Ｃ（ないし部分曲率Ｃｐ）に対応した見込み立体角
Φ分の光の斜め入射成分（２１３）を光の投影像に利用
できる。この効果はレティクルのパターンサイズが小さ
くなる程、顕著になる。さらにこの発明で凸型形状部を
用いた際の集光レンズを通ってマスクに入射する光の垂
直入射成分と斜め入射成分が凸型形状部を通って投影レ
ンズからウエハ上に投影される過程を従来例と比較しな
がら図２０〜図１３を用いて説明する。従来、例えば上
述したように自己整合型位相シフタ（２００）を用いた
場合を図１６〜図２０に示す。図２０において、マスク（２０１）に入射する集束光の
斜め入射成分（１），（２），（３）　が上述した見込
み角θｃ　より大きい範囲のものである場合は、透過光
としてプロジェクションレンズ（２２４）面に投影され
る各入射成分（１），（２），（３）　に対応する透過
光成分は符号（１ａ）（２ａ）（３ａ）に示す位置に投
影される。従って、透過部の開口（２０２）における中
央位置（点Ｐ１　で示す）を通る成分（１），（２），
（３）　のうち、成分　（３）のみしかＰ１　点の結像
に寄与しないことになるのが分かる。なお、符号（２０
３）はＣｒ　面である。一方、この発明では、開口部（
１４１）の中央位置（点Ｐ２　で示す）を通る集束光の
斜め入射成分（１１）（１２）（１３）は、図１４に示
すように、凸型形状部（１４２）があることから、これ
ら入射成分（１１）（１２）（１３）はすべてプロジェ
クションレンズ（１４３）の投影面における点Ｑで示す
位置に投影され、入射成分（１１）（１２）（１３）す
べてがＰ２　点の結像に寄与することになるのが分かる
。なお、符号（１４４）はＣｒ　面である。これは、凸
型形状部（１４２）の屈折効果によるものであり、従来
の自己整合型位相シフトレチクル（図２４，図１８，図
１７，図１６参照）（２００）では、レチクル（２００
）内の点Ｐ２，Ｐ３，Ｐ３　で示す位置を通過した透過
光は見込み各θｐ　で出射されて透過光となる。一方、
凸型形状部（１４２）を用いた本発明では、図１３に示
すように開口部（１４１）の点Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６　を通
過した透過光は、θｐ　＋β（β＞０）やθｐ　＋β’
（β’　＞０）の見込み角を有して出射され、点Ｐ４，
Ｐ５，Ｐ６　の結像に寄与する成分が点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ
３　のそれに比して角度β，β’　だけ大きな範囲に存
在することになる。さらに、集束光の垂直入射成分につ
いて考えると。図９に示すように、光源（９１）からプ
ロジェクションレンズ（９２）を通って集光された光の
本マスク（１００）に対する垂直入射成分は、そのマス
ク内の開口部（１４１）に形成された凸型形状部（１４
２）に入射した後、屈折効果により出射して透過光とな
り、プロジェクションレンズ（１４３）を通って最終的
にウエハ（９３）上に投影される。この際、開口部（１
４１）内の点Ｐ７，Ｐ８，Ｐ９，Ｐ１０，　Ｐ１１の位
置を通過した上記垂直入射成分は、まず、プロジェクシ
ョンレンズ（１４３）面で点Ｐ１２，　Ｐ１３，　Ｐ１
４，，　１５，　Ｐ１６に投影されて縮小された光像（
９９）となり、次に、ウエハ（９３）上の点Ｐ１７，　
Ｐ１８，　Ｐ１９，　Ｐ２０，　Ｐ２１に投影される。このようにして垂直入射成分がウエハ上に投影され、こ
れらが図１４で上述した斜め入射成分のウエハ上に投影
されたものとの重ね合わせで投影面であるウエハ上への
相対光強度Ｉ（Ｘ）が決定される。この際、投影面上の
光強度コントラストは、図９に示すようにマスクエッジ
部における傾き（ｄＩ（Ｘ）／ｄＸＭ　）　の大きさで
定義され、透過光の縮小された光像（９９）が形成され
ることから光強度コントラストを従来より大きくでき、
良好なパターニングが可能となる。図８に投影面上（ウ
エハ）　０．３μｍ径のコンタクトホール作製工程に本
発明を適用した場合について、透過像面積の大体の値を
示す。ここで、投影系入射面における透過像については
、光軸（光の伝播方向）に垂直な平面に投影された像と
している。図８において、マスク（８１）上に　０．３
μｍ長の正方形の開口部（図７参照）を覆う一辺Ｄの正
方形の透光部（８２）が形成されている。その大きさは
、例えば、一辺Ｄが１．６６μｍであり、面積Ｓ１　は
１．６６×１．６６＝　２．７□μｍ２　である。そし
て、間隔ＬＭＰが５ｃｍ位で投影光学系（８３）の上面
（８３ａ）が配置され、その上面での投影入射像（８４
）は、例えば、２．２５〜２．７６μｍ２　である。さらに、間隔Ｌｐｗが１ｃｍ位でウエハ上の投影面（８
５）が配置され、その投影面での投影像（８６）は０．
９〜０．１１μｍ２　である。なお、投影光学系８３は
　１／５縮小光学系を用いた。これらのことから、光強
度コントラストが向上していることがわかる。図１０は
、凸型形状部を用いたマスク（曲線Ｈで示す）と従来例
のマスク（曲線Ｊで示す）と、マスクなし（曲線Ｋ）の
相対光強度Ｉ（Ｘ）の比較を示している。なお、図１０
は、図１２に示すようにウエハ（Ｓｉ）（９３）上のレ
ジスト（８０）の厚みＲを１μｍ程度、パターン幅Ｗを
０．３３μｍ程度に設定したときのデータである。図１０で横軸Ｘ（μｍ）は図１２のレジスト膜（８０）
の横方向の座標を示す。中心Ｏはパターン幅Ｗの真中の
点（Ｗ／２の位置）にある。また、図１１は現像液１１
１　で現像してコンタクトホール７０を形成するための
レジスト高さＲの変化量を従来例のもの（曲線Ｆで示す
）と比較している。本実施例（曲線Ｅで示す）のものは
　０．３μｍ幅のコンタクトホール（７０）が形成され
ているのが分かり、一方、従来では、　０．４μｍ程度
しかレジスト膜が除去できないでコンタクトホールが形
成されていないことがわかる。さらに図１５はその露光
時を示し、図１２は現像時をそれぞれ具体的に示してい
る。図１２において、符号（１２１）は非露光部、（１
２２）は露光部をそれぞれ示し、現像時間経過とともに
符号ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅとレジスト膜（８０）の表面形
状が変化していくのがわかる。この発明では、凸型形状
部として図１に示す正方形パターン（７１）や図２に示
す矩形パターン（６１）や図５に示すように矩形を組み
合わせたパターン（５１）が挙げられる。また、この発
明では、分布屈折率レンズ１０１　として図４，図３０
に示すものが挙げられる。図３の屈折率分布は、この屈
折率の最大点（ｎｍａｘ　）を中心にとって概念的に屈
折率の分布状態を示したもので、屈折率の最小点（ｎ０
）はレンズの端部に相当する。この発明では、凸型形状
の曲率または複数の部分曲率の値は基本的に中心位置で
の断面形状で定義する。例えば図１に示す正方形パター
ンでは、ほぼ中心対称な形状であるとして点線で示す中
心断面の曲率Ｃｓ　と凸型形状部の幅Ｗで定め（図６参
照）、これらの値を変化させる。図２の長方形パターン
では、中心軸■，■　（点線）に関してほぼ対称な形状
であるとして、長編側の曲率ＣＬ　と幅ＷＬ　と短辺側
のＣＳ　とＷＳ　で定め（図７参照）、これらの値を変
化させます。また、図５に示すような複合型のパターン
については、基本的な対称軸を定め（図では■と■）こ
の軸に関してほぼ対称な形状をとるものとして扱い（図
２６，図２７参照）、更に接合位置の断面（■，■）で
形状を定義し（図２８，図２９参照）、曲率Ｃ２，Ｃ３
，シフタ部幅Ｗ２，Ｗ３　、これらの値を変化させる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いて説明する。図
１，図２，図５，図４に本発明を適用したレティクルの
等高線図と断面図を示す。図１は一辺Ｓの正方形（コン
タクト）パターンである。レチクル透過部に透明または
半透明の材質（ＳｉＯ２，　ＳＯＧ，など）を用いて凸
型形状を作製した。この凸型形状はある製造誤差範囲内
での曲率Ｃまたは部分曲率Ｃｐ　で定義する。例えば図
１では、全体での曲率Ｃによって形状を定義している。図２に単純な矩形パターンにおける適用例を示す。矩形
パターンの長辺方向の長さをＬ、短辺方向の長さをＳと
すると、中央断面での凸型形状は長辺側断面形状■（図
３１参照）と短辺側断面形状■（図７参照）によって定
義する。すなわち長辺側の断面形状を曲率ＣＬ　で短辺
側の断面形状をＣＳ　で定義している。図５に二つの矩
形パターンの接合パターンを示す。中央部凸型形状は、
この場合長辺側においては縦方向断面形状■（図２６）
と横方向断面形状■（図２７）と縦方向断面形状■によ
って定義される。おのおのの断面形状は同様に曲率Ｃま
たは部分曲率ＣＰ　によって定義される。例えば第４図
では■においては部分曲率ＣＬＵとＣＬＤ、■において
は部分曲率ＣＳＬとＣＳＲで定義している。また、図２
８，２９は■，■における接合位置での断面を示す。図
４，図３０，図３に凸型形状部分と同様な光学的効果を
持つ分布屈折レンズ（平面型）（１０１）を透光部（１
０２）に作製した様子を示す。これはレンズ内の連続し
た屈折率分布（ｎ０　〜ｎｍａｘ　）で透過光を屈折さ
せ凸型形状部と同様な働きをするもので、一般的にはマ
イクロレンズとして知られている。図１０，図１１は上
記凸型形状を作製したホトマスクを用いた場合の投影面
上における光強度分布のシミュレーション結果である。Ｈが本発明の凸型形状を用いた結果で、Ｋが従来法（位
相シフトなし）による結果、Ｊは従来の自己整合型位相
シフタによる結果を示す。ここで露光条件としては、波
長λ＝３６５ｎｍ　，開口数ＮＡ＝０．４５，コヒーレ
ント・ファクタο＝０．５０，とし、０．３０μｍ径の
コンタクトホールをターゲットとした。ただしここで、
Ｈは設計０．４０μｍ□に凸型形状を作製したタイプ（
図１のタイプ）、Ｋは設計０．３０μｍ□の従来法、Ｊ
は周辺部シフタ幅０．０６μｍ（位相差π、中央透光部
０．３４μｍ□（位相差０）の自己整合型である。図１
０，図１１より、微細な露光パターンについては透光部
中央に凸型形状を作製することにより、投影面上の光強
度および（目標寸法位置での）光強度コントラストは透
光部に作製した凸型形状の曲率Ｃまたは部分曲率ＣＰ　
の値によって変化し、これらの最適値は利用する露光装
置および操作環境によって異なる。

【０００７】

【発明の効果】ホトマスクの光透過部に作製した上述の
凸型形状により、投影像の光強度および光強度コントラ
ストが向上し、リソグラフィ工程における解像力が向上
する。この結果、実際のＬＳＩ　における微細なパター
ン、特に孤立パターンや非周期的パターン、複数の組合
せパターンの一括転写に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例を示す構成説明図であ
る。

【図２】この発明の第２の実施例を示す構成説明図であ
る。

【図３】この発明の第３の実施例における屈折率分布を
示す特性図である。

【図４】この発明の第３の実施例を示す構成説明図であ
る。

【図５】この発明の第４の実施例を示す構成説明図であ
る。

【図６】上記第１の実施例における要部構成説明図であ
る。

【図７】上記第２の実施例における要部構成説明図であ
る。

【図８】上記第１の実施例における透過像の面積比を示
す構成説明図である。

【図９】この発明において、透過先の垂直入射成分の伝
播過程を示す構成説明図である。

【図１０】上記第１の実施例と、従来例と、ホトマスク
を用いない例の３つの例で測定された相対光強度の分布
図である。

【図１１】上記第１の実施例と従来例との現像後のコン
タクトホールの穴開け状態を示す特性図である。

【図１２】上記第１の実施例における現像時の時間的推
移を示す構成説明図である。

【図１３】この発明において、プロジェクションレンズ
側からみた見込み角θＰ　，　θＰ＋Ｂ　を示す構成説
明図である。

【図１４】この発明において、透過光の斜め入射成分の
伝播過程を示す構成説明図である。

【図１５】この発明において、露光を説明するための構
成説明図である。

【図１６】従来例の自己整合型位相シフタにおける光強
度分布を示す分布図である。

【図１７】従来例の要部構成説明図である。

【図１８】従来例の構成説明図である。

【図１９】従来例におけるプロジェクションレンズ側か
らみた見込み角θＰ　を示す構成説明図である。

【図２０】従来例の光の斜め入射成分の伝播過程を示す
構成説明図である。

【図２１】露光される透過光の伝播過程を一般的に示す
要部構成説明図である。

【図２２】この発明における投影系の全体の機構を示す
構成説明図である。

【図２３】光学系の全体の配置を示す構成説明図である
。

【図２４】従来例の自己整合型位相シフトレチクルを示
す構成説明図である。

【図２５】ＩＢＭ型位相シフトレチクルを示す構成説明
図である。

【図２６】上記第４の実施例における要部構成説明図で
ある。

【図２７】上記第４の実施例における要部構成説明図で
ある。

【図２８】上記第４の実施例における接合位置を示す要
部構成説明図である。

【図２９】上記第４の実施例における接合位置を示す要
部構成説明図である。

【図３０】上記第３の実施例を示す要部構成説明図であ
る。

【図３１】上記第２の実施例における要部構成説明図で
ある。

【符号の説明】

５１　　　Ｌ字型接合パターン（凸型形状部）６１　　
　長方形パターン（凸型形状部）７０　　　コンタクト
ホール７１　　　正方形パターン（凸型形状部）８０　　　レ
ジスト膜９１　　　光源９２　　　集光レンズ９３　　　ウエハ１００　　　ホトマスク１０１　　　分布屈折率レンズ１０２　　　光透光部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　光源からの露光用の光を入射し、さら
に、出射光を投影光学系を介してウエハ上の所定のレジ
スト膜に投影してレジスト膜をパターン形成するホトマ
スクであって、集光系を通過した上記入射光が透過する
複数の光透過部と、その各光透過部を覆うようウエハが
配置される側に突出して形成され、それによって上記入
射光を、屈折効果によりウエハ上の投影面に結像しうる
透過光として出射させる透明材質又は半透明材質の凸型
形状部とを有するホトマスク。
【請求項２】　　凸型形状部が曲率や複数の部分曲率あ
るいはこれらの組合せによって定義される曲面を有する
請求項１によるホトマスク。
【請求項３】　　複数の凸型形状部は、同一形状の曲面
を有するか、少なくとも２つは異なる形状の曲面を有す
る請求項２によるホトマスク。
【請求項４】　　投影面に結像しうる透過光が、入射光
の垂直入射成分と、入射光の、集光系の側の見込み角以
内の範囲に含まれる斜めの入射成分と、さらに入射光の
、上記見込み角以上の範囲に含まれる斜め入射成分の屈
折効果により形成される請求項１によるホトマスク。
【請求項５】　　光透過部が、正方形パターンや矩形パ
ターンあるいは２つの矩形パターンの接合パターンから
なる請求項１によるホトマスク。
【請求項６】　　光源からの露光用の光を入射し、さら
に、出射光を投影光学系を介してウエハ上の所定のレジ
スト膜に投影してレジスト膜をパターン形成するホトマ
スクであって、上記入射光が透過する複数の光透過部と
、その各光透過部を覆うよう配設され、それによって上
記入射光を、屈折効果によりウエハ上の投影面に結像し
うる透過光として出射させる分布屈折率レンズとを有す
るホトマスク。
【請求項７】　　光源からの露光用の光を集光する集光
系と、その集光系からの入射光を複数の光透過部を介し
て屈折効果によりウエハ上の投影面に結像しうる透過光
を形成するための凸型形状部又は分布屈折率レンズを有
するホトマスクと、そのホトマスクからの透過光をウエ
ハ上に投影させるための投影光学系と、光源からその投
影光学系を介して光軸に沿って伝播された上記透過光を
光軸に垂直な面にウエハ投影面が平行に配置されるよう
ウエハを支持するための支持部とからなる投影露光機構
。