JPH08130183A - 位相シフトマスクを用いた露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 透過光が干渉して光強度が高まるいわゆるサ
ブピークををもたらす近接効果の問題を解決して、位相
シフトマスクを用いた露光技術についてその位相シフト
効果を十分に発揮でき、更なる微細化等のマスク設計の
自由度も向上させた位相シフトマスクを用いた露光方法
を提供する。 【構成】 互いに位相を異ならしめて露光光を透過する
部分を有する位相シフトマスクを用いた露光方法におい
て、被露光面にフォトレジストを形成した被露光材を位
相シフトマスクを用いて露光する第１の露光工程（Ｉ）
と、その後被露光面にフォトレジストを形成するレジス
ト形成工程（ＩＩ）と、位相シフトマスクと同じ露光用
パターンを備えた露光マスクを用いて露光する第２の露
光工程（ＩＩＩ）を有する位相シフトマスクを用いた露
光方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位相シフトマスクを用
いた露光方法に関する。本発明は、例えば、微細化・集
積化した半導体装置のパターン形成用のフォトレジスト
露光のための技術として利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】従来より互いに位相を異ならしめて（理
想的には位相を１８０°反転させて）光を透過する部分
を設けて解像力の良い露光を行ういわゆる位相シフトマ
スク技術が知られている。

【０００３】ところで、超解像技術であるか否かを問わ
ず、被露光パターンを形成するために露光用パターンを
ある程度以上接近して配置することは、近接効果の影響
を受けるため、困難であった。例えばいわゆる１：１の
ホールパターンを形成しようとすると、近接効果のため
露光用パターン間の中央部に光強度の強い部分が現れ、
レジストの膜減りが起こってしまう。これは位相シフト
法を用いても回避することはできない。それどころか近
接効果はさらに激しくなり、位相シフト法に特有のサブ
ピーク強度が干渉効果によって高められ、やはりレジス
トの膜減りを引き起こすため、通常法よりもパターンを
接近させて配置することが困難であった。

【０００４】例えば、光透過部と、半遮光部（ハーフト
ーン部と称される）とを備えた位相シフトマスクが知ら
れている。この種のものは、ハーフトーン型位相シフト
マスクと称されている。この種の位相シフトマスクは、
通常、光透過部をなす開口部と、若干の光透過率を持つ
半遮光部とから成り、この２つの部分の透過光には１８
０°の位相差が与えられるように位相シフト材料から成
る位相シフト部（シフターと称される）が設けられてい
る。こうして位相の異なる光の干渉効果により解像度を
向上するとともに、開口部以外の透過率を例えば数〜数
十％におさえることで、この部分の解像もしくはレジス
トの膜減りを防いでいる。

【０００５】ところが従来のこのようなハーフトーン型
位相シフトマスクでは、２つ以上のパターンが接近した
場合、回析光が干渉して光強度が解像限界以上になる部
分が出現する。即ち、従来の一般的なハーフトーン型位
相シフトマスクの構造を図９（平面）及び図１０（断
面）に示すが、これは、ホールパターン用であれば、透
明基板１である石英基板上の全面に形成された半遮光膜
（ハーフトーン膜）１ａとその下（もしくは上）に形成
されるシフター部２ａから成る半遮光部１１と、ハーフ
トーン半透過部もシフターもない光透過部１０ａ，１０
ｂである開口部で構成されている。この構造では、前記
したように近接効果により高強度の部分ができる。即ち
図１１に示すとおり、光透過部１０ａ，１０ｂからの光
分布である光ピーク１０Ａ，１０Ｂの間に、ないことが
望ましいピーク（サブピーク１０Ｃ）が発生してしま
う。これはハーフトーン型位相シフトマスクの実用化の
大きな障害となっている。この問題は、露光用パターン
（光透過部）を近接して配置しようとする場合に、いず
れの場合でも生ずる問題である。

【０００６】上記のように、位相シフト技術は、解像
度、焦点深度を向上させる技術として注目されているに
も拘らず、例えばホール等の孤立パターンに適用する場
合には、方法によらず、必ずメインの光強度のピークの
ほかに、サブピークが出現してしまう。このサブピーク
の強度は位相シフト効果を高めようとするほど上昇し、
不要なパターンを形成してしまうため、位相シフト効果
は大幅に制限されていた。

【０００７】なお図１１は、ＴＲＥＰＴＯＮによるシミ
ュレーション結果であるが、条件はＮＡ：０．４５、
σ：０．５のＫｒＦエキシマレーザ光源（λ＝２４８ｎ
ｍ）を使用した。ハーフトーンマスクのパラメータは半
遮光部１１であるハーフトーン部の透過率１０％、光透
過部１０ａ，１０ｂをなす開口部のサイズはウェハ上
０．３７μｍで、０．３μｍホールパターンの形成を前
提としたものである。ホール間距離は中心間で１．０μ
ｍである（サイズは全てウェハ上のものである）。

【０００８】上述のように位相シフト露光技術にあっ
て、従来、このような近接効果のために、位相シフト効
果を十分に高めることができず、よってかかる近接効果
の問題点を解消した位相シフトマスク技術が望まれてい
る。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、上記技術の問題点を解決し
て、透過光が干渉して光強度が高まるいわゆるサブピー
クをもたらす近接効果の問題を解決して、位相シフトマ
スクを用いた露光技術についてその位相シフト効果を十
分に発揮でき、また近接効果の問題の解決により更なる
微細化等のマスク設計の自由度も向上させた位相シフト
マスクを用いた露光方法を提供しようとすることを目的
としている。

【００１０】

【目的を達成するための手段】本出願の請求項１の発明
は、互いに位相を異ならしめて露光光を透過する部分を
有する位相シフトマスクを用いた露光方法において、被
露光面にフォトレジストを形成した被露光材を位相シフ
トマスクを用いて露光する第１の露光工程と、その後被
露光面にフォトレジストを形成するレジスト形成工程
と、前記位相シフトマスクと同じ露光用パターンを備え
た露光マスクを用いて露光する第２の露光工程を有する
ことを特徴とする位相シフトマスクを用いた露光方法で
あって、これにより上記目的を達成するものである。

【００１１】本出願の請求項２の発明は、第２の露光工
程で用いる露光マスクが、互いに位相を異ならしめて露
光光を透過する部分を有さない（通常の）露光マスクで
あることを特徴とする請求項１に記載の位相シフトマス
クを用いた露光方法であって、これにより上記目的を達
成するものである。

【００１２】本出願の請求項３の発明は、第２の露光工
程で用いる露光マスクが、互いに位相を異ならしめて露
光光を透過する部分を有する位相シフトマスクであり、
かつ、該位相シフトマスクにおける透過光が干渉して光
強度が高まるサブピークの光強度が第１の露光工程で用
いる位相シフトマスクのサブピークの光強度より小さい
条件で構成されていることを特徴とする請求項１に記載
の位相シフトマスクを用いる露光方法であって、これに
より上記目的を達成するものである。

【００１３】本出願の発明において、位相シフトマスク
における「互いに位相を異ならしめて露光光を透過する
部分」とは、必ずしも露光光を１００％（またはそれに
近く）透過する必要はなく、いわゆるハーフトーン部の
ように露光光の透過率が低い部分であってもよい。ま
た、位相を異ならしめるのは、１８０℃位相反転させる
のが位相シフト効果上望ましいが、それに限られるもの
ではない。

【００１４】本発明は、各種の位相シフト露光方法に適
用でき、例えばアウトリガー、リム、ハーフトンなどの
各種の任意の位相シフト技術に具体化できる。

【００１５】請求項２の発明において、「互いに位相を
異ならしめて露光光を透過する部分を有さない露光マス
ク」とは、位相シフトマスクでない通常の露光マスク、
即ち光透過パターンと光遮光パターンを有する構成をと
る一般の通常の露光マスクを言う。

【００１６】本発明の構成について、後記詳述する本発
明の一実施例を示す図１及び図２ないし図５の例示を用
いて説明すると、次のとおりである。

【００１７】本発明は、図１に示すように、被露光面に
フォトレジストを形成した被露光材を位相シフトマスク
を用いて露光する第１の露光工程Ｉと、その後被露光面
にフォトレジストを形成するレジスト形成工程ＩＩと、
前記位相シフトマスクと同じ露光用パターンを備えた露
光マスクを用いて露光する第２の露光工程ＩＩＩを有す
るものである。

【００１８】本発明は、図２ないし図５に示すように、
互いに位相を異ならしめる露光光を透過する部分（図２
の３ａと３ｂ，３ｃ）を有する位相シフトマスク３を用
いた露光方法において、被露光面にフォトレジスト２１
を形成した被露光材１（図示例ではＳｉ半導体ウェー
ハ）を位相シフトマスク３を用いて露光する第１の露光
工程（図２）と、その後被露光面にフォトレジスト２２
を形成するレジスト形成工程（図３）と、前記位相シフ
トマスクと同じ露光用パターンを備えた露光マスク４を
用いて露光する第２の露光工程（図４）を有する露光方
法である。

【００１９】

【作用】本発明によれば、いわゆるサブピークにより図
２に示したように必要なパターン形成部分以外のレジス
ト２１にこのサブピークにより露光された潜像２１ｂ，
２１ｃが形成されても、その後のレジスト形成工程でこ
の潜像２１ｂ，２１ｃが必要なパターン形成用の潜像２
１ａも含めてレジスト２２（２層目のレジスト）でおお
われ、その後第２の露光用マスク４で露光（図４）し
て、必要なパターン形成部のみを露光してここにのみ潜
像を形成してサブピークによる潜像２１ｂ，２１ｃはレ
ジスト２２でおおって露光されないようにしておくの
で、現像することにより、図５に示すようにサブピーク
の影響のないレジストパターン２０を形成することがで
きる。

【００２０】

【実施例】以下本発明の実施例について詳述する。但し
当然のことではあるが、本発明は以下の実施例により限
定を受けるものではない。

【００２１】実施例１ この実施例は、本発明を、微細化集積化した半導体装置
のパターン形成用フォトレジストの露光に用いたもの
で、特にこの実施例では、第１の露光用位相シフトマス
クとしてハーフトーンマスクを用いるとともに、第２の
露光用マスクとしては、位相シフト効果をもたない通常
のクロムマスクを用いて本発明を具体化した。

【００２２】図１及び図２ないし図６を参照する。本実
施例においては、図１に示すように、被露光面にフォト
レジストを形成した被露光材を位相シフトマスクを用い
て露光する第１の露光工程Ｉ（図２参照）と、その後被
露光面にフォトレジストを形成するレジスト形成工程Ｉ
Ｉ（図３参照）と、前記位相シフトマスクと同じ露光用
パターンを備えた露光マスクを用いて露光する第２の露
光工程ＩＩＩ（図４参照）を有するものである。

【００２３】本実施例について、工程順に断面図を示し
たものである図２ないし図５を用いて説明すると、次の
とおりである。この実施例は、互いに位相を異ならしめ
て露光光を透過する部分（図２の３ａで示す本例の光透
過部と、３ｂ，３ｃで示す本例の半遮光部が、互いに位
相を異ならしめる部分になっている）を有する位相シフ
トマスク３を用いた露光方法において、被露光面にフォ
トレジスト２１を形成した被露光材１（ここではＳｉ半
導体ウェーハ）を位相シフトマスク３を用いて露光する
第１の露光工程（図２）と、その後被露光面に更にフォ
トレジスト２２を形成するレジスト形成工程（図３）
と、前記位相シフトマスク３と同じ露光用パターンを備
えた露光マスク４（ここでは通常の一般的な露光用マス
ク）を用いて露光する第２の露光工程（図４）を有する
露光方法である。

【００２４】更に詳しく本実施例を説明する。最初、被
露光材１であるウエーハ上にレジスト２１をスピンコー
トして、位相シフトマスク３を用いて露光を行うこと
は、通常のプロセスと同様に一般的な手法で行った。こ
の例では位相シフトマスク３として、図６に平面図でも
示すように、光透過部３ａ（これがホール形成用の開口
パターンである）と、半遮光部３ｂ，３ｃ（ハーフトー
ンクロムから成る半遮光膜３２により形成した）を有す
るハーフトーン型の位相シフトマスクを使用した。この
マスクの基板３１としては、透明基板である石英基板を
用いた。光透過部３ａと、半遮光部３ｂ，３ｃとは互い
に１８０°位相反転して露光光を透過する構成になって
いる。通常のプロセスではこの後、ＰＥＢ（露光後ベー
ク）を行い、現像してパターンを形成する。しかしこの
実施例においては、本出願の請求項１，２の発明を適用
して、潜像（メインパターンの潜像２１ａ及びサブピー
クによる潜像２１ｂ，２１ｃ）が形成されたこの被露光
材１（ウエーハ）上に、図３に示すとおり、さらにレジ
スト２２をスピンコートする。この被露光材１（ウエー
ハ）をもう一度露光する。この時に使用されるマスク４
は、位相シフト法を用いていないことを除けば、最初の
露光に使用したマスク３と全く同じである。図７にこの
マスク４の平面図を示す。図７中、４ａは開口パターン
である光透過部で、第１の露光で用いた位相シフトマス
ク３の開口パターンと同形である。４ｂ，４ｃはクロム
部から成る遮光部で、これは位相シフトマスク３の半遮
光部３ａ，３ｂと同形である。図４中、４１は透明基板
である石英基板、４２は遮光膜（クロム膜）である。

【００２５】なお位相シフト法では、パターンにバイア
スを掛ける必要が生じる場合があるので、この場合はサ
イズ的に２枚目のマスク４はやや１枚目のマスク３と異
なってしまう場合もあるが、いずれの場合でも、露光用
パターンは同じパターン形状をとるもので、パターンの
存在する位置は同じである。

【００２６】このように第１の露光工程Ｉで用いたマス
ク３と同じ露光用パターンを備えたマスクを使用して第
２の露光工程ＩＩを行うが、この２度目の露光によって
潜像が形成される状態は図４に示すとおりとなる。即
ち、この工程での露光で形成される潜像２２ａは、石英
基板４１に遮光膜２１（クロム膜）が形成された遮光部
４ｂ，４ｃ以外の開口であるパターン４ａに対応する部
分のみである。

【００２７】この状態でＰＥＢを行った後現像処理を施
すと、形成されるパターンは図５のとおりとなり、サブ
ピークの影響は排除される。

【００２８】なお図示では２枚目のマスク４の像が１枚
目の潜像２１ａにぴったりと重なるように示したが、実
際にはそのステッパーの合わせ誤差範囲内でずれること
になる。しかしここでは２枚目のマスク４の像がサブピ
ークの位置即ち潜像２１ａの位置に重なりさえしなけれ
ばよい。一般に本実施例のような構成で、サブピークの
出現する位置はパターンセンターから０．４μｍ以上は
離れているため、現在のステッパーの重ね合わせ精度を
もってすれば、問題となることはない。

【００２９】上記のように、従来は例えば特に孤立パタ
ーンに位相シフト法を適用する場合に、位相シフト効果
妨げの原因となるサブピークの発生があったのを、本実
施例ではその影響を消すことが可能となり、今まで以上
の解像度、焦点深度の向上が実現できるようになった。

【００３０】また、サブピークの影響を消すことによ
り、近接効果の低減にも寄与することができるため、今
までよりもパターン同士の距離を縮めることが可能とな
り、レイアウトの自由度もアップする。

【００３１】実施例２ この実施例は、実施例１の変形例である。実施例１で
は、第２の露光工程のマスク４として通常のマスク（特
に一般的なクロムマスク）を用いたが、ここでは第２の
露光工程のマスク４としても位相シフトマスクを用い
た。

【００３２】本実施例では、第２の露光工程で用いる露
光マスクについても、互いに位相を異ならしめて露光光
を透過する部分を有する位相シフトマスクとしたが、該
位相シフトマスクにおける透過光が干渉して光強度が高
まるサブピークの光強度が第１の露光工程で用いる位相
シフトマスクのサブピークの光強度より小さい条件で構
成されたものを用いた。

【００３３】即ち、位相シフトマスクではサブピーク強
度は調整することが可能であるので、位相シフト効果を
低減させる設計にして、サブピーク強度をほとんど影響
のないレベルに落とした条件で作成された位相シフトマ
スクを、第２の露光工程のマスク４として使用した。

【００３４】本実施例も、本実施例１と同じ効果をもた
らす。

【００３５】実施例３ 実施例１ではハーフトーン型の位相シフトマスクを用い
たが、ここではアウトリガー型の位相シフトマスクを使
用して、本発明を具体化する。

【００３６】アウトリガー型位相シフトマスクでは、図
１２に示すように、パターン（メインのパターンを１０
Ａ，１０Ｂで示す）同士が近接したときに２つの補助シ
フター１０Ｃ，１０Ｄの透過光が干渉するため、図１２
に符号Ａで示す部分において近接効果による解像が生じ
てしまうおそれが大きく、よってパターンレイアウトに
著しい制限が加わるという欠点があった。

【００３７】この実施例では、本発明の適用により、上
記アウトリガー型位相シフトマスクの問題が解消でき、
パターンレイアウトの制限が緩和でき、設計の自由度が
高まる。

【００３８】これまでの検討では、アウトリガー型位相
シフトマスクでは、ＫｒＦエキシマレーザ光を用いて
０．３μｍホールパターンを形成する場合、補助シフタ
ーを最適位置に配置すると、隣り合うホールの中心間の
距離はウエーハ上でせいぜい１．２μｍまでしか近づけ
ることはできず、これ以上近づける場合には接近した補
助シフターの近接効果でサブピークの光強度が上昇し、
膜減りを起こしたり解像してしまう場合があることが判
明している。

【００３９】本実施例は、本発明を用いて、実施例１と
同様の露光方法を採用することによって、これを例えば
１μｍ程度まで近づけることも可能とした。

【００４０】即ち、本実施例では、互いに位相を異なら
しめる露光光を透過する部分を有する位相シフトマスク
としてアウトリガー型の位相シフトマスクを用い、実施
例１と同様にして被露光面にフォトレジストを形成した
被露光材（ここでもＳｉウエーハを使用）をこの位相シ
フトマスクを用いて露光する第１の露光工程を行い、そ
の後被露光面にフォトレジストを形成するレジスト形成
工程を行う。その後上記したアウトリガー型位相シフト
マスクと同じ露光用パターンを備えた通常の露光マスク
を用いて露光する第２の露光工程を行う。

【００４１】この露光後の状態を示すのが図８である。
レジスト２１には、アウトリガー型位相シフトマスクの
メインの開口パターンによる潜像２１Ａ，２１Ａ′のほ
か、近接効果によるサブピークに基づく潜像２１Ｂ，２
１Ｃ，２１Ｃ′ができるが、特にこの場合、メインパタ
ーンに対応する潜像２１Ａ，２１Ａ′の間の潜像２１Ｂ
が解像され得る程度に露光されてしまう。

【００４２】しかし更にレジスト２２を形成し、第２の
露光工程を同一パターンの通常マスクで露光することに
より、この第２層のレジスト２２にはメインパターン形
成のための潜像２１Ａ，２１Ａ′のみが形成される。よ
ってこれを例えば実施例１と同様の手順で現像すること
によって、近接効果の影響のない露光が実現される。

【００４３】このように本実施例では、近接効果により
大幅な膜減りの起きる補助シフターの部分で、膜減りを
防止することが可能となり、アウトリガー型位相シフト
法のレイアウト自由度を大きくすることができるように
なった。

【００４４】上述のように、この実施例により、近接効
果の問題が大きかったアウトリガー型位相シフトマスク
について、その問題を解決でき、よって設計の自由度も
大巾に向上させることができた。上記の如く、本実施例
も、実施例１と同様の効果を奏するものである。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、透過光が干渉して光強
度が高まるいわゆるサブピークをもたらす近接効果の問
題を解決して、位相シフトマスクを用いた露光技術につ
いてその位相シフト効果を十分に発揮でき、また近接効
果の問題の解決により更なる微細化等のマスク設計の自
由度も向上させた位相シフトマスクを用いた露光方法を
提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の工程を示すフロー図である。

【図２】実施例１の工程を順に断面図で示すものである
（１）。

【図３】実施例１の工程を順に断面図で示すものである
（２）。

【図４】実施例１の工程を順に断面図で示すものである
（３）。

【図５】実施例１の工程を順に断面図で示すものである
（４）。

【図６】実施例１の第１の露光用の位相シフトマスクの
平面図である。

【図７】実施例１の第２の露光用のマスクの平面図であ
る。

【図８】実施例３の説明図であって、潜像の状態を示す
図である。

【図９】従来のハーフトーン型位相シフトマスクを示す
平面図である。

【図１０】従来のハーフトーン型位相シフトマスクを示
す断面図である。

【図１１】従来のハーフトーン型位相シフトマスクの問
題点を示す図である。

【図１２】従来のアウトリガー型位相シフトマスクの問
題点を示す図である。

【符号の説明】

１ 被露光材（ウエーハ） ２１ レジスト ２１ａ，２１Ａ，２１Ａ′ メインパターンの潜像 ２１ｂ，２１ｃ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｃ′ サブピー
クの潜像 ２２ （第２の）レジスト ２２ａ，２２Ａ，２２Ａ′ 第２の露光用マスクによる
メインパターンの潜像 ３ 第１の露光用の位相シフトマスク ３ａ 光透過部 ３ｂ，３ｃ 半遮光部 ４ 第２の露光用マスク ４ａ 光透過部 ４ｂ，４ｃ 遮光部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに位相を異ならしめて露光光を透過す
   る部分を有する位相シフトマスクを用いた露光方法にお
   いて、 被露光面にフォトレジストを形成した被露光材を位相シ
   フトマスクを用いて露光する第１の露光工程と、 その後被露光面にフォトレジストを形成するレジスト形
   成工程と、 前記位相シフトマスクと同じ露光用パターンを備えた露
   光マスクを用いて露光する第２の露光工程を有すること
   を特徴とする位相シフトマスクを用いた露光方法。
2. 【請求項２】第２の露光工程で用いる露光マスクが、互
   いに位相を異ならしめて露光光を透過する部分を有さな
   い露光マスクであることを特徴とする請求項１に記載の
   位相シフトマスクを用いた露光方法。
3. 【請求項３】第２の露光工程で用いる露光マスクが、互
   いに位相を異ならしめて露光光を透過する部分を有する
   位相シフトマスクであり、かつ、該位相シフトマスクに
   おける透過光が干渉して光強度が高まるサブピークの光
   強度が第１の露光工程で用いる位相シフトマスクのサブ
   ピークの光強度より小さい条件で構成されていることを
   特徴とする請求項１に記載の位相シフトマスクを用いる
   露光方法。