JP2917879B2

JP2917879B2 - フォトマスク及びその製造方法

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Publication number: JP2917879B2
Application number: JP30835895A
Authority: JP
Inventors: 伸二石田; 直生安里
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 1999-07-12
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: KR100265549B1; JPH09127677A; US5827623A

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と、このフォトマスクを
設計するための製造方法に関する。

【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の方法とし
て、主に光リソグラフィ技術を用いている。光リソグラ
フィ技術では、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
ンをフォトレジスト（感光性樹脂）の塗布された半導体
基板上に転写し、現像によりフォトレジストの所定のパ
ターンを形成する。このフォトレジストのパターンは、
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。

【０００３】これまでの光リソグラフィ技術において
は、主に露光装置の開発、とりわけ投影レンズ系の高Ｎ
Ａ化により半導体素子パターン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、レンズの性能は良いことにな
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
限度の微細パターンの寸法）とＮＡとの間には、Ｒ＝Ｋ₁×λ／ＮＡＫ₁はフォトレジスト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
微細になってきていた。

【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、逆に焦点深度は減少し、この点で更
なる微細化が困難になってきた。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Ｄ
ＯＦとＮＡとの間には、ＤＯＦ＝Ｋ₂×λ／ＮＡ² 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
を大きくする程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。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。この変形照明法について説明する前に、ま
ず通常の露光装置（一般にはステッパと呼ばれる）の照
明光学系に関して簡単に説明しておく。半導体素子形成
のためのリソグラフィ工程においては、パターン寸法の
半導体基板の露光領域全面において形成されるパターン
寸法を制御するためには、フォトマスク上の露光領域全
面が均一な強度で照明される必要がある。そのため、光
源である水銀ランプからでた光をコールドミラーおよび
干渉フィルター等を通して単一波長とした後に、照明均
一性を得るための光学素子であるフライアイレンズに導
いている。フライアイレンズは、同型の単体レンズを複
数並列に束ねた光学素子であり、フライアイレンズの各
単体レンズがそれぞれ焦点を結び独立した点光源を形成
し、この点光源群でフォトマスクを照明することにより
フォトマスク上の照明均一性を向上させている。この点
光源群は、水銀ランプを１次光源と呼ぶのに対して、２
次光源と呼ばれることもある。また、このようにフライ
アイレンズを通して照明すると、おおもとの光源である
水銀ランプでの発光状態はフォトマスクの照明状態には
関係が無くなる。

【０００６】このフライアイレンズで形成される点光源
の形状および強度分布のみが実質的にフォトマスクの照
明状態を決定し、露光特性に影響を及ぼしている。よっ
て、この点光源群は有効光源とも呼ばれる。そこで、こ
の有効光源の形状を制御し解像特性を改善することが提
案された。これが一般に変形照明法と呼ばれる手法であ
る。この有効光源の形状を変化させる手段としては、通
常、フライアイレンズの直後に様々な形状の絞りあるい
はフィルタを配置している。なお、この手法は有効光源
の形状（絞りの形状）により区別され、たとえば、絞り
の中央部を遮光して、リング型の照明光源を用いる照明
法は輪帯照明法と呼ばれている。

【０００７】この変形照明法の効果について簡単に説明
する。図８と図９に通常照明と輪帯照明の照明状態を比
較して示す。通常の照明方法では、図８（ａ）に示すよ
うな円形開口の絞り１０１Ａが用いられ、このとき同図
（ｂ）に示すようにフライアイレンズ１０２からの光が
絞り１０１Ａにより絞られてフォトマスク１０３を照明
し、投影レンズ系１０４により半導体基板１０５に投影
されるが、フォトマスク１０３にほぼ垂直に入射する光
が存在する。フォトマスク１０２のパターンを解像する
ためには、最低でもその回折光のうち、０次光と＋１次
光あるいは−１次光を集めることが必要であるが、パタ
ーンが微細になると回折角が大きくなり投影レンズ系１
０４に入らなくなる。そのため、微細パターンにおいて
は、垂直に入射する光は解像には寄与しないノイズ成分
となり、像面での光強度分布のコントラストを低下させ
てしまう。しかし、図９（ａ）に示すようなリング形の
開口部を有する絞り１０１Ｂを用いると、同図（ｂ）の
ようにフォトマスク１０３に斜めからのみ光が入射し、
その分、＋１あるいは−１次回折光のいずれかが投影レ
ンズ系１０４に入るようになり、照明光の大部分がパタ
ーンを解像させるのに役立つようになる。このように照
明光のうち解像に寄与しない垂直入射成分を除去するこ
とにより解像度および焦点深度を向上させることができ
る。

【０００８】また、上記変形照明法の他にも、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１８０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り、例えればパターンを２色
で同じ色が近くにこないように色分けする必要があっ
た。これは、複雑な半導体素子のパターンでは、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
等の他の方式が提案されてきた。

【０００９】次に、これらの適用するパターンに制限の
少ない位相シフトマスクの各方式について簡単に説明す
る。比較のため、図１０に通常のフォトマスクを示す。
通常のマスクでは同図（ａ）の平面図と、同図（ｂ）の
ＢＢ線断面図に示すように、石英等の透明基板１上に７
０〜１００ｎｍ厚のクロム（Ｃｒ）および酸化クロム
（ＣｒＯ）の遮光膜２が成膜され、選択的に遮光膜２を
除去し、開口部２０１が形成されている。そして、同図
（ｃ）に示すように、マスクを透過する光の振幅は開口
部２０１（透明部）で一定値、それ以外の部分（遮光
部）で零となる。一般に、光学系を通した結像はフーリ
エ変換で説明されるが、透過照明により照明されフーリ
エ変換されたマスクパターンは、投影レンズ系でフーリ
エ逆変換され結像面上に再び元のマスクパターンが形成
される。しかしこのとき、投影レンズ系はローパスフィ
ルターとして働くので、フーリエ変換の高次の成分は無
くなる。よって、マスク透過直後は矩形性を有する光の
振幅も、結像面ではその矩形性を失い、振幅の２乗で与
えられる光強度の分布も同図（ｄ）に示すような分布と
なる。

【００１０】まず、補助パターン方式位相シフトについ
て図面を用いて説明する。この方式は半導体基板上に転
写するメインパターンの近傍に解像しない微細パターン
を設け、さらにメインパターンと微細パターンを透過す
る光に１８０度の位相差を生じさせる方式である。そし
て、位相の異なる光同士の干渉によりメインパターンの
近傍に暗部を形成し、メインパターンの光強度分布を改
善する。この解像しない微細パターンは、位相シフトマ
スクに限らず一般に、補助パターンと呼ばれる。

【００１１】図１１に、この補助パターン方式の位相シ
フトマスクを示す。同図（ａ）は平面図であり、同図
（ｂ）はそのＣＣ線の断面図である。また、ここでマス
クパターンは孤立スペースとした。同図に示すように、
石英等の透明基板１上に、クロム等の遮光膜２が成膜さ
れている。そして、メインパターンとして限界解像度以
上の寸法の第１の開口２０１が形成され、その左右に補
助パターンとして限界解像度以下の寸法の第２の開口２
０２が形成されている。また、第２の開口２０２上に
は、ＳｉＯ₂等の透明膜４が部分的に形成されている。
光の波長λは伝場する物質中ではλ／ｎ（ｎは物質の屈
折率）となるので、空気中（ｎ＝１）と透明膜を透過す
る光には位相差が生じ、透明膜４の膜厚ｔを、ｔ＝λ／２（ｎ₁−１） λは露光光の波長、ｎ₁は透明膜４の屈折率とすることにより、その位相差を１８０度とすることが
できる。

【００１２】なお、この位相差を生じさせる透明膜は、
位相シフターあるいは単にシフターと呼ばれる。よっ
て、マスク透過直後の光の振幅分布は同図（ｃ）に示す
ようにメインパターンの左右に正負が反転した微細な部
分が追加された分布となる。そして、結像面（半導体基
板上）での振幅分布は、通常マスクと同様に、波形の高
周波成分はなくなるものの、メインパターンと補助パタ
ーンの間で振幅がゼロの部分ができ、従来よりメインパ
ターンの振幅分布が急峻となる。そして、この振幅の２
乗で与えられる強度分布も、同図（ｄ）に示すように良
好な形状となり、解像度および焦点深度を向上すること
ができる。

【００１３】次に、リム方式の位相シフトマスク、例え
ば、特開平１−１９１３４７１号公報に記載のシフトマ
スクについて説明する。リム方式は遮光領域の外周の微
少な範囲の透過光の位相を１８０度異ならせることによ
り、位相が１８０度異なった同士の干渉により遮光領域
の境界での光強度分布をより急峻にする方式である。図
１２にリム方式の位相シフトマスクを示す。同図（ａ）
は平面図であり、同図（ｂ）はそのＤＤ線の断面図であ
る。また、ここではマスクパターンは孤立ラインとし
た。同図に示すように、石英等の透明基板１上に、クロ
ム等の遮光膜２により開口２０１が形成されている。さ
らにその上には透明膜４（シフタ）が形成され、開口２
０１の境界部の光の位相を反転させている。このように
遮光領域の境界に沿って一定の幅で形成されたシフタは
リムと呼ばれている。そして、このマスクの透過光の振
幅分布は同図（ｃ）に示すように、メインパターン周辺
に逆方向の波形が付加された形状になる。そして、同図
（ｄ）に示すように、結像面上での光強度分布の傾きを
大きくすることができる。

【００１４】位相シフトマスクの説明の最後に、例えば
特開平４−１３６８５４号公報に記載されているような
ハーフトーン方式（減衰方式）について説明する。この
方式は本来遮光領域となっていた部分にわずかに透過性
を持たせて光を一部漏洩させ、その漏れた光の位相を１
８０度反転させることによりパターン境界部での光強度
分布を改善する手法である。図１３にハーフトーン方式
の位相シフトマスクを示す。同図（ａ）の平面図および
同図（ｂ）のＥＥ線断面図に示すように、透明基板１上
に酸化窒化クロム等の半透明膜３により、透明領域と半
透明領域からなるパターンを有している。この半透明膜
３の透過率は一般に３〜１５％程度とし、また、透明領
域と半透明領域を透過する光の位相は１８０度反転する
ようにしている。ここでも半透明膜３の膜厚ｔ₂を、ｔ₂＝λ／２（ｎ₂−１）と設定している。ここに、ｎ₂は半透明膜３の屈折率。

【００１５】そして、同図（ｃ）に示すように、漏光の
位相を制御することにより、半透明膜３のエッジ部での
位相の異なった光同士の打ち消し合い、同図（ｄ）に示
すように前記パターンの光強度分布を改善することがで
きる。ただし、このハーフトーン方式のマスクには、マ
スク全面で光が漏れているため、このフォトマスクを用
いて半導体基板上に露光を行った場合、隣接する露光露
光領域の境界部では複数回のこの漏れた光が重なるた
め、パターンの異常（感光性樹脂の膜べり）が生じる問
題が指摘されている。そこで、特開平６−２８２０６３
号公報に示されているように、露光領域周辺部の半透明
領域上に遮光膜により遮光領域の枠（以下これを遮光帯
と呼ぶ）を形成する手法が提案されており、これにより
露光領域境界部の膜べりを防止している。

【００１６】さらに、前述の変形照明法とこのハーフト
ーンマスクの組み合わせも検討されている。これは、従
来照明法では０次光および±１次光によりパターンを解
像していたのに対して、変形照明では０次光と＋１ある
いは−次光のいずれか一つでパターンを解像しているた
め、従来に比べパターンのコントラストが低下してしま
うためである。ただし、焦点位置を変化させたときのコ
ントラスト低下は変形照明の方が少なく焦点深度は広が
る。そこで、ハーフトーンマスクを用いて、０次光を低
下させる。すなわち、０次光は平均の強度なので逆位相
の光を漏らすと低下する。このようにして、０次と１次
回折光の強度を適当に合わせると像のコントラストを改
善することができ、より広い焦点深度が得られる。

【００１７】なお、超解像手法のうち、投影レンズの瞳
面に透過率および位相を制御するフィルタを挿入する瞳
フィルタ法は専用の露光装置の開発が必要であり、まだ
実用化のめどがたっていない。そこで、ここでは説明を
省略する。

【００１８】また、以上の超解像手法とは別に、感光性
樹脂のパターンの２次元形状を改善する光近接効補正が
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ある他のパターンの影響を受
け変形する現象である。また、その要因は異なるが電子
線露光においても同様に近接効果と呼ばれる現象がある
ので、これと区別して光近接効果と呼ばれることもあ
る。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：ＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｘｉｍｉｔｙＣｏｒ
ｅｃｔｉｏｎ）である。また、そのためのマスクはＯＰ
Ｃマスクと呼ばれている。

【００１９】次に、このＯＰＣマスクについて図面を用
いて説明する。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。そして、具体的
なＯＰＣマスクの事例としてよく報告されるのは（１）
ロジック系半導体素子およびＳＲＡＭのゲートパターン
の長辺方向の縮みと、（２）ＤＲＡＭ容量パターンの長
辺方向の縮みおよび丸まりである。ここでは、（２）Ｄ
ＲＡＭ容量パターンの変形を例にとって説明する。ま
ず、図１４（ａ）にその容量パターンを示す。このパタ
ーンは同図に示すように長方形のパターンがｘ−ｙ方向
に一定のピッチで配列されたものである。図１４（ｂ）
には、このパターンを通常のフォトマスクにより転写し
た場合の得られるフォトレジストのパターンを示す。同
図に示すように、コーナ部の丸まりおよび長辺方向の縮
みが生じ、半導体素子は設計どうりの性能を得られなく
なる。

【００２０】このパターンの近接効果を補正するために
マスクパターンを意図的に変形させる。図１５に通常の
フォトマスクとＯＰＣマスクの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
パターンの平面図であり、同図（ｂ），（ｃ），（ｄ）
および（ｅ）が各種ＯＰＣマスクの平面図である。同
（ｂ）はマスクバイアスとよばれる単にマスク寸法のみ
を変える補正であり、（ｃ）はハンマーヘッドと呼ばれ
る部分的なマスクバイアスを付加する補正、（ｄ）はシ
ェリフと呼ばれる微細な突起を付加する補正、（ｅ）は
補助パターンと呼ばれる微細パターンを周辺に配置する
補正である。これら、（ｂ）〜（ｅ）のＯＰＣマスクで
は、近接効果を打ち消し、設計に近い感光性樹脂パター
ンを形成することができる。

【００２１】次に、このＯＰＣマスクのマスク設計方法
について説明する。これには、大きく分けて２つの手法
が提案されている。すなわち、たとえば上記（ｂ）〜
（ｅ）に示したようなＯＰＣマスクの各種方式の内、ど
の方式を使用するかは最終的には個人の判断となるが、
その方式を選択した場合の補正量は主に次のような手法
で求められている。まず、第１の方法はシュミレーショ
ンを用いる設計方法である。この方法は、各種ＯＰＣマ
スクの方式に合わせマスクパターンを徐々に補正したと
きに得られる感光性樹脂の形状をシュミレーションし、
この２次元光強度分布より簡易的に現像後の感光性樹脂
パターンの形状を求め、最も設計パターンに近くなる補
正量を求めるものである。

【００２２】現在、感光性樹脂の現像工程まで含めた３
次元形状シュミレーションを行えば、正確に感光性樹脂
パターンを予測できるが、この３次元現像シュミレーシ
ョンには膨大な時間がかかり、ＯＰＣマスクのようにマ
スクパターンを徐々に変えて計算を繰り返すことが実用
的ではないため、２次元光強度分布の計算結果より、い
かに正確な感光性樹脂パターンを予測するかが課題とな
っている。まず、最も簡便な方法として、２次元光強度
分布において、あるスライスレベル以上の光強度の部分
が完全に現像され、それ以下の部分がパターンとして残
ると仮定する手法（エクスポージャスレッシュホルド
モデル：ＥｘｐｏｓｕｒｅＴｈｒｅｓｈｏｌｄｍ
ｏｄｅｌ）がある。この手法は、簡単であるがｇ／ｉ線
のノボラック系感光性樹脂では、精度良く感光性樹脂の
形状が予測できることが知られている。また、簡便な現
像モデルを用いる方法もいくつか提案されている。例え
ば、ランプドモデル（ｌａｍｐｅｄｍｏｄｅｌ）と
呼ばれるまず最も光強度の高い部分で現像が垂直に進
み、続いて水平に現像が進むとするモデルがある。

【００２３】また、第２のＯＰＣマスク設計方法とし
て、データベースを用いる手法がある。これは、あらか
じめ必要と思われるケースにつき、その補正量を実験に
より求めておき、実際にＯＰＣマスクの補正をかけたい
パターンを、このデータベース上の最も近いケースに当
てはめて補正するものである。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の超解像手法のみでは、微細パターンを形成するこ
とは可能となっても、フォトレジストパターンの変形が
生じ、半導体素子の性能が低下するという問題が生じて
いた。その一例を図面を用いて説明する。図１６はＤＲ
ＡＭ容量パターンの通常マスクおよびハーフトーン方式
位相シフトマスクのシュミレーション結果である。ここ
で、露光条件は、露光波長λ＝３６５ｎｍ，ＮＡ＝０．
６，輪帯照明（σ＝０．６の５０％遮光）とした。ま
た、ハーフトーンマスクの半透明膜の透過率Ｔは８％と
した。そして、得られた２光強度分布より、短辺方向の
寸法が設計寸法（図中の点線）となる光強度をスライス
レベルとして形状を求めている。同図に示すように焦点
位置の変化によるパターンの変形はハーフトーンの方が
小さく、焦点深度の点では位相シフトマスクの効果が得
られている。しかし、ハーフトーンマスクにおいても長
辺方向の縮みが生じ、目的の感光性樹脂パターンを得る
ことはできない。

【００２５】また、他の方式を用いても、ＯＰＣほどの
形状の補正ができず、また特にハーフトーン以外の位相
シフトマスクには、マスク作製および検査が困難である
という問題がある。例えば、補助パターンをｉ線露光装
置（ＮＡ＝０．６、コヒーレントファクターσ＝０．
５、縮小倍率＝５倍）において用いる場合、マスク上で
０．５μｍ程度のパターンが必要となる。これは、現状
のマスク描画装置で安定してパターン形成できる限界以
下である。通常マスクパターン描画には電子線描画装置
が用いられ、その限界解像度は０．３μｍ程度である
が、この電子描画装置においては、パターン寸法により
適正露光量が大きく異なる。そのため、メインのパター
ンに露光量を合わせると、補助パターンでは露光量が足
りず寸法が大幅に細くなってしまう。補助パターンの寸
法が細くなると、十分な焦点深度拡大効果が得られなく
なる。また、補助パターンに露光量を合わせると、メイ
ンパターン部でオーバー露光となり、マスク寸法精度が
悪化してしまっていた。

【００２６】さらに、マスクパターンを何とかパターニ
ングしたとしても、次の検査工程で問題が生じていた。
すなわち、マスク検査装置において、この補助パターン
がすべて疑似欠陥として検出されてしまっていた。その
ため、実際には検査装置の検出感度を下げ、補助パター
ン部分で欠陥が検出されないようにして検査するしかな
く、マスクの信頼性が極端に低下されてしまっていた。
これは、リム方式においても同様であり、さらにリム方
式はシフタの側壁が透明領域に位置するため、このシフ
タの側壁のエッチング角度も感光性樹脂の形状に影響を
及ぼす。しかし、このシフタのエッチング形状を検査す
ることが困難であった。

【００２７】そのため、ＯＰＣマスクが必要となるが、
従来のＯＰＣマスクには以下のような問題があった。特
に、シェリフあるいは補助パターンのような積極的なＯ
ＰＣは、その補正効果は高いもののマスク作製および検
査の問題の実用化が困難とされている。まず、これらの
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、これら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。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にしなければならず、描画時間は４倍になってい
た。つまり、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。また、これら付加パターンは、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、設計データどうり
に形成することができていなかった。

【００２８】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、設計データどう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。また、描画装置のバッティングエ
ラー（フィールドつなぎのずれ）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
子ビームを電磁偏向で振って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つなぎの部
分でずれが発生する、あるいは線幅が異常となるといっ
た問題があった。そして、特にこのＯＰＣ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つなぎ部
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。

【００２９】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
て検出されてしまっていた。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。

【００３０】このように、従来のＯＰＣマスクは半導体
素子のパターンよりさらに微細な付加パターンを必要と
し、マスク作製および検査が困難であった。また、これ
ら従来のＯＰＣマスクはマスク作製精度を考慮していな
かったので、設計どうりのパターンが作製できれば大き
な効果が得られたが、現状のマスク作製精度ではマスク
パターン自体が設計どうり形成されないので、結果とし
て目的の感光性樹脂パターンを得ることができなかっ
た。

【００３１】本発明の目的は、マスク作製が容易な、位
相シフトマスクの効果を部分的に用いる新たなＯＰＣ手
法を用いることにより、目的とするフォトレジストのマ
スクパターンを得ることを可能にしたフォトマスクとこ
のフォトマスクの製造方法を提供することにある。

【００３２】

【課題を解決するための手段】本発明のフォトマスク
は、長辺と短辺を有する長方形パターンを転写するフォ
トマスクであって、長方形パターンの長辺方向の先端部
を、透過する光としない光に１８０度の位相差を生じさ
せる半透明膜のみで構成し、長方形パターンの先端部以
外の領域は全て遮光膜を設けたことを特徴とする。

【００３３】また、本発明のフォトマスクの製造方法
は、形成しようとするフォトマスクの遮光膜パターンの
各辺を複数範囲に分割して各辺の中点を選択する工程
と、２次元光強度分布を用いて選択された中点のうち最
も光強度が低くなる点とその光強度値を求める工程と、
この求められた光強度を用いて前記２次元光強度分布を
スライスしてそのスライス形状を求める工程と、求めら
れたスライス形状と前記形成しようとするフォトマスク
のパターンとを比較して一定の値以上に寸法が小さい辺
部を求める工程と、この辺においてその端部から一定範
囲を前記遮光膜に代えて半透明膜として構成する工程と
を含んでいる。

【００３４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。なお、ここ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，輪帯照明（最大σ＝
０．６／半径比５０％遮光），ｉ線（波長λ＝３６５ｎ
ｍ）の縮小投影露光装置を用いるものとしている。ま
た、対象とするパターンは、先に示したＤＲＡＭ容量パ
ターンである。図１に本発明のフォトマスクを示す。な
お、以下においてパターン形状の寸法（膜厚等は除く）
はすべて半導体基板上での寸法で示すものとする。すな
わち実際のマスク上ではその５倍となっている。同図
（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡＡ線の縦
断面図である。まず、マスク構造は、同図に示すように
石英の透明基板１上に半透明膜３が成膜され、さらに半
透明膜の上には５０ｎｍ膜厚のクロムの遮光膜２が形成
されている。ここで、半透明膜３の光学定数（ｎ，ｋ）
および膜厚は所定の値に制御され、その透過率は８％、
また位相差は１８０度となっている。そして、マスクパ
ターンは従来のパターンであるが、同図（ａ）に示すよ
うに、長辺方向の先端０．２μｍが半透明膜３により半
透明部（ハーフトーン部）とされている。

【００３５】したがって、このフォトマスクを用いて露
光を行うことにより、詳細が後述されるように、長辺方
向の先端の半透明部３を透過した光は、この部分を透過
しない光と位相が１８０度相違されることになり、両光
が干渉して互いに打ち消しあうことで、半透明部３の境
界部にコントラストの高い暗部が形成され、遮光膜３の
境界部とあいまってフォトマスクの輪郭に沿って光強度
の急峻な部分が形成されることになる。したがって、こ
のフォトマスクを用いることで、遮光膜２と半透明膜３
とを含めたフォトマスクのパターンが好適に転写される
ことになる。

【００３６】次に、本フォトマスクの効果について説明
する。図２は２次元光強度分布のシュミレーション結果
である。同図（ａ）が図１に示した本発明のフォトマス
ク、同図（ｂ）が従来のフォトマスクをそれぞれ用いて
パターン転写を行ったシュミレーション結果であり、い
ずれも短辺方向の寸法が目標寸法となる光強度の値で等
高線表示した結果である。また、焦点位置Ｆは０．０〜
１．０μｍの範囲で、０．２μｍ刻みで結果を示した。
同図（ｂ）に示す従来フォトマスクの場合、ベストフォ
ーカス位置（Ｆ＝０．０μｍ）で、長辺方向の寸法が短
くなり、また焦点位置がずれるとその縮みが非常に顕著
になってしまう。一方、同図（ａ）に示す本発明のフォ
トマスクにおいては、ベストフォーカス位置で、長辺方
向の寸法が目標寸法となっており、また焦点位置が変化
した場合の形状変化も非常に小さくなっている。

【００３７】次に、このフォトマスクの形成方法、すな
わちフォトマスクの設計方法について説明する。まず、
対象とするパターンの各辺の中点を求める。この場合、
長い辺については当該辺を複数範囲に分割し、その中点
を選択する。ここでは、パターンが比較的短いので、図
３（ａ）に示すように、その長辺も分割せず、Ａ〜Ｄの
４つの位置について計算する。そして、まず２次元光強
度分布を行い、最も光強度の低くなる点およびその値を
求める。ここでは、最も光強度が低い点はＢ，Ｄとな
り、その光強度は０．３である。よって、この点で目標
寸法となるように露光量を合わせたときのフォトレジス
トのパターン形状として、２次元光強度分布を光強度
０．３でスライスしたときの形状が求められる（図２
（ａ）の焦点位置Ｆ＝０μｍ）。

【００３８】次に、図２（ａ）に示したように、予測さ
れるフォトレジストのパターンが、ある一定の値以上に
寸法が小さくなる辺において、その端から一定範囲をハ
ーフトーン部に変更する。一般に、ＤＲＡＭにおける寸
法精度は目標寸法の±１０％が必要とされているので、
この光近接効果による寸法誤差はその１／４の±２．５
％を許容範囲とし、これ以上寸法が小さくなる部分をハ
ーフトーンに変更するものとする。なお、図３（ｂ）に
示すように、長辺を３分割し、各辺Ａ〜Ｈでハーフトー
ン部分の寸法を選択した方がより正確な補正が可能であ
るが、このパターンでは、このように長辺先端部だけ変
更で十分な効果が得られた。

【００３９】次に、図３（ｃ）のように、長辺先端部に
配置するハーフトーン部の透過率を選択する必要があ
る。現在、コンタクトホール開口用のハーフトーン位相
シフトマスクにおいて、透過率８％が一般的であり、品
質のよいマスクブランクが入手できるので、まずは透過
率は８％とする。もし、この透過率で不具合が生じた場
合は、透過率を変更する。そして、この寸法の小さくな
る部分を徐々にハーフトーン部に変更していき、目標の
形状となるようにする。ここで、ハーフトーン部の寸法
の刻みは、設計のグリッドサイズおよび電子線露光装置
の重ね合わせ精度により設定される。ここで、電子線露
光装置の重ね合わせ精度が関係するのは、後述するフォ
トマスク製造方法において、重ね合わせ露光を行い、ハ
ーフトーン部を形成するためであり、重ね合わせ精度よ
り細かく最適化しても意味がないためである。

【００４０】例えば、重ね合わせ精度が０．０２μｍ
（マスク上は０．１μｍ）であれば、ハーフトーン部の
寸法はその２倍の０．０４μｍ以上の刻みで最適化する
ことになる。また、マスク設計のＣＡＤ上のグリッドサ
イズが０．０２５μｍとすると、ここではハーフトーン
部の寸法増加は、０．０４μｍ以上でこのグリッドにの
る０．０５μｍとし、各ハーフトーン部の寸法で得られ
る形状をシュミレーションする。図４に短辺寸法が目標
寸法となる（位置Ｂ，Ｄで目標の形状となる）ときの、
長辺方向の寸法をハーフトーン部寸法Ｗの関数として示
す。この実施形態の条件では、ハーフトーン部の寸法Ｗ
を０．１５μｍとすることにより、長辺寸法も目標寸法
となり、良好なフォトレジストパターンが得られる。ま
た、この寸法を０．１５μｍ以上としても長辺寸法の変
動は少なく、よってはじめに設定した透過率８％が妥当
であったことが判る。

【００４１】ここで、ハーフトーン部の寸法をいくら大
きくしても目標寸法にならない場合は、透過率の設定が
低すぎることになる。反対にハーフトーン部の寸法が小
さくとも目標寸法となってしまい、ハーフトーン部の寸
法により得られる感光性樹脂の寸法が大きく変動する場
合は透過率が高すぎることとなる。一般の露光条件では
透過率４〜１０％程度が妥当であった。また、図５には
長辺寸法のフォーカス特性（フォーカス位置と寸法の関
係）を示す。同図には、ハーフトーン寸法が０（従来マ
スク）および０．３μｍの場合を示す。同図に示すよう
に、ハーフトーン部の寸法を０．３μｍとすることによ
り、フラットなフォーカス特性が得られた。よって、ハ
ーフトーン部寸法Ｗは０．３μｍとし、重ね合わせ精度
分（０．０２μｍ）以上のマージン（０．０５μｍ）を
持たせた、図３（ｄ）に示す斜線領域をハーフトーン部
製造用のパターンとした。

【００４２】次に、本フォトマスクの製造方法について
図面を用いて説明する。図６にその作製工程の縦断面図
を示す。まず、同図（ａ）に示すように、石英の透明基
板１の上に、酸化窒化クロム（ＣｒＯＮ，膜厚１２０ｎ
ｍ）の半透明膜（透過率８％、位相差１８０度）３を成
膜し、さらにその上に酸化ルテニュウム（ＲｕＯ，膜厚
５０ｎｍ）の遮光膜（透過率０．０２％）２を成膜す
る。ここで、ＣｒＯＮの屈折率は２．３であったので、
その膜厚ｔはｔ＝λ／２（ｎ−１）の式より、ｔ＝３６
５／２（２．３−１）＝１３０ｎｍと設定されている。
よって、半透明膜３を透過する光と透過しない光には１
８０度の位相差が生じる。また、このときの透過率は８
％となっている。

【００４３】次に、同図（ｂ）に示すように、全面にフ
ォトレジストを塗布し、電子線描画により、マスクパタ
ーンの描画を行う。次に、同図（ｃ）に示すように、現
像により所定のフォトレジストパターン５を形成した
後、酸素を含むガスを用いたドライエッチングにより遮
光膜２をエッチングし、つづいて塩素を含むガスを用い
たドライエッチングにより半透明膜３をエッチングす
る。次に、同図（ｄ）に示すように、一旦前記フォトレ
ジスト５を剥離して除去した後、再び別のフォトレジス
ト６を塗布し、前記と同様の電子線描画をより先に求め
たハーフトーンの描画を行う。

【００４４】次に、同図（ｅ）に示すように、再び現像
を行い、所定のフォトレジストパターン６を形成した
後、再び酸素を含むガスを用いたドライエッチングによ
り遮光膜２をエッチングする。そして、同図（ｆ）に示
すように、フォトレジスト６を剥離し、洗浄を行い本発
明のフォトマスクが製造できる。

【００４５】このフォトマスクでは、その製造において
電子線描画およびエッチング工程が２回必要になるが、
それでも従来のＯＰＣマスクに比べるとマスク描画のア
ドレスを小さくする必要がないので製造時間は短くな
る。また、検査においても、従来の位相シフト対応検査
装置により可能であり、従来ＯＰＣのような問題は生じ
ない。例えば、ＫＬＡ社のマスク検査装置３３１ＰＳＭ
ではハーフトーン部の透過率が４０％程度まで検査可能
となっている。

【００４６】次に、第２の実施形態としてもう一つの別
のマスクの補正方法について図面を用いて説明する。な
おここでも、先の実施例と同様の露光条件とする。ただ
し、半導体素子としては、ＳＲＡＭのゲートパターンに
ついて補正を行うものとする。図７に示すＳＲＡＭのセ
ルにおいてよく問題になるトランジスタの長辺寸法の縮
みを補正する。そのために、まず遮光膜２の先端部をハ
ーフトーン部３に変更し、かつその透過率および寸法を
ふり、各適正値を求めておく。ここでも、透過率は８
％，寸法は０．２μｍが適正値であった。

【００４７】そこで、「線幅が０．３５μｍ以下のライ
ンパターンは、先端０．２μｍをハーフトーンとする」
という条件に基づきマスクパターンを補正する。その結
果は図７に示したとうりである。そして、この際のハー
フトーン部３の形成のための重ね合わせ描画データは、
先の例と同様に重ね合わせマージンを考慮し、同図に示
すようにパターン外部に０．０５μｍ太らせる。

【００４８】なお、この第２の実施形態においては、あ
らかじめ実験的にハーフトーン部３の最適値を決定して
いるので、半導体基板段差部からの反射および段差によ
る感光性樹脂の膜厚変化による影響も考慮してマスクパ
ターンの補正ができる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明のフォトマス
クは、長辺と短辺を有する長方形パターンを転写するフ
ォトマスクであって、長方形パターンの長辺方向の先端
部を、透過する光としない光に１８０度の位相差を生じ
させる半透明膜のみで構成し、長方形パターンの先端部
以外の領域は全て遮光膜を設けることで、半透明膜を透
過した光としない光とが互いに干渉して打ち消しあい、
半透明膜の端部における光強度を急峻なものにでき、目
的のパターン形状を転写することが可能となる。このた
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、マスク製造および検査を容易に行うことが
でき、しかも、焦点位置の変動による寸法変化も従来の
フォトマスクより小さくでき、寸法精度向上および焦点
深度拡大の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態のフォトマスクを平面図
とそのＡＡ線断面図である。

【図２】本発明と従来の各フォトマスクの２次元光強度
分布シミュレーション結果のパターン図である。

【図３】本発明のフォトマスクの設計方法を説明するた
めの図である。

【図４】本発明のフォトマスクの設計方法の補正量とフ
ォトレジストパターン寸法の関係を示す図である。

【図５】本発明のフォトマスクのフォーカス特性を示す
図である。

【図６】本発明のフォトマスクの製造方法を工程順に示
す断面図である。

【図７】本発明の第２実施形態におけるフォトマスクの
一例のパターン図である。

【図８】従来の超解像手法の１つである変形照明法の通
常照明の説明図である。

【図９】従来の超解像手法の１つである変形照明法の輪
帯照明の説明図である。

【図１０】従来の通常フォトマスクとその光強度分布の
説明図である。

【図１１】従来の超解像手法の１つである補助パターン
方式位相シフトマスクの説明図である。

【図１２】従来の超解像手法の１つであるリム方式位相
シフトマスクの説明図である。

【図１３】従来の超解像手法の１つであるハーフトーン
方式位相シフトマスクの説明図である。

【図１４】ＤＲＡＭ容量のマスクパターンと転写された
フォトレジストパターンを示す図である。

【図１５】従来の各種ＯＰＣマスクの平面図である。

【図１６】従来のフォトマスクにおける転写像（２次元
光強度分布）の変形を示すシミュレーション図である。

【符号の説明】

１透明基板２遮光膜３半透明膜（ハーフトーン部）４透明膜５，６フォトレジスト１０１Ａ，１０１Ｂ絞り１０２フライアイレンズ１０３フォトマスク１０４投影レンズ１０５半導体基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03F 1/00 - 1/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】長辺と短辺を有する長方形パターンを転
写するフォトマスクにおいて、前記長方形パターンの前
記長辺方向の先端部を、透過する光としない光に１８０
度の位相差を生じさせる半透明膜のみで構成し、前記長
方形パターンの前記先端部以外の領域は全て遮光膜を設
けたことを特徴とするフォトマスク。
【請求項２】前記半透明膜の膜厚ｔがｔ＝λ／２（ｎ
−１）〔ただしλはパターン転写用光の波長、ｎは半透
明膜の屈折率〕である請求項１に記載のフォトマスク。
【請求項３】形成しようとするフォトマスクの遮光膜
パターンの各辺を複数範囲に分割して各辺の中点を選択
する工程と、２次元光強度分布を用いて選択された中点
のうち最も光強度が低くなる点とその光強度値を求める
工程と、この求められた光強度を用いて前記２次元光強
度分布をスライスしてそのスライス形状を求める工程
と、求められたスライス形状と前記形成しようとするフ
ォトマスクのパターンとを比較して一定の値以上に寸法
が小さい辺部を求める工程と、この辺においてその端部
から一定範囲を前記遮光膜に代えて半透明膜として構成
する工程とを含むことを特徴とするフォトマスクの製造
方法。