JP5784657B2

JP5784657B2 - フォーカス位置調整装置、レチクル、フォーカス位置調整プログラムおよび半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5784657B2
Application number: JP2013036348A
Authority: JP
Inventors: 説田　雄二; 雄二説田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2033-02-26
Also published as: US20140240683A1; JP2014165398A; US8910096B2

Description

本発明の実施形態は、フォーカス位置調整装置、レチクル、フォーカス位置調整プログラムおよび半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置では、演算回路、記憶回路および周辺回路が同一半導体チップ上に混載され、これらの間でプロセス段差が発生することがある。一方、半導体装置の微細化に伴って焦点深度が低下している。このような場合、露光時におけるベストフォーカスを全ての領域で確保するのが困難となり、プロセスマージンが不足して不良品が発生することがあった。

特開２０１０−４０９６８号公報

本発明の一つの実施形態は、プロセス段差に伴うベストフォーカス位置の変動を緩和することが可能なフォーカス位置調整装置、レチクル、フォーカス位置調整プログラムおよび半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、段差見積部と、アシストパターン発生部と、球面収差換算部とが設けられている。段差見積部は、被加工層の段差を見積る。アシストパターン発生部は、前記被加工層の段差に基づいて、露光時の球面収差に対する感度が異なるアシストパターンをマスクパターンに付加する。球面収差換算部は、前記被加工層の段差を前記球面収差に換算する。

図１は、第１実施形態に係るレチクルに形成されたマスクパターンおよびアシストパターンの概略構成を示す平面図である。図２は、第１実施形態に係るレチクルに形成されたマスクパターンおよびアシストパターンのスペースとベストフォーカス位置の関係を示す図である。図３（ａ）は、プロセス段差に伴うベストフォーカス位置の変動を球面収差にて緩和させない時のレチクルおよび露光対象の概略構成を示す断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の工程で形成されたレジストパターンを示す断面図である。図４は、図３（ａ）の工程におけるプロセス段差に伴うベストフォーカス位置を示す図である。図５（ａ）は、プロセス段差に伴うベストフォーカス位置の変動を球面収差にて緩和させた時のレチクルおよび露光対象の概略構成を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の工程で形成されたレジストパターンを示す断面図である。図６は、図５（ａ）の工程におけるプロセス段差に伴うベストフォーカス位置を示す図である。図７（ａ）は、第２実施形態に係るフォーカス位置調整装置およびその周辺装置の概略構成を示すブロック図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のフォーカス位置調整装置が用いられる露光装置の概略構成を示す断面図、図７（ｃ）および図７（ｄ）は図７（ａ）のフォーカス位置調整装置が用いられる半導体装置の製造方法を示す断面図である。図８は、図７（ａ）のフォーカス位置調整装置のプロセス段差の見積もりに用いられるレイアウト構成の一例を示す平面図である。図９は、第３実施形態に係る露光方法の一例を示すフローチャートである。図１０は、図７（ａ）のフォーカス位置調整装置のハードウェア構成を示すブロック図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態に係るパターン生成方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るレチクルに形成されたマスクパターンおよびアシストパターンの概略構成を示す平面図である。
図１において、レチクル１には、マスクパターン２が形成され、マスクパターン２にはアシストパターン３、４が付加されている。なお、マスクパターン２は露光時における解像限界以上の寸法に設定し、アシストパターン３、４は露光時における解像限界以下の寸法に設定することができる。また、マスクパターン２およびアシストパターン３、４はＣｒなどの遮光膜で構成することができる。ここで、アシストパターン３、４は、被加工層の段差に基づいて、露光時の球面収差に対する感度を設定することができる。なお、例えば、マスクパターン２とアシストパターン３との間隔ＳＰを調整することで、露光時の球面収差に対する感度を変化させることができる。

図２は、第１実施形態に係るレチクルに形成されたマスクパターンおよびアシストパターンのスペース（ＳＰ）とベストフォーカス位置の関係を示す図である。なお、Ｌ１は球面収差の値を０ｍλ（無収差）、Ｌ２は球面収差の値を３０ｍλ、Ｌ３は球面収差の値を６０ｍλとした場合を示す。

図２において、球面収差がない場合（Ｌ１）は、マスクパターン２とアシストパターン３との間隔ＳＰを変化させても、ベストフォーカス位置は変化しない。一方、球面収差がある場合（Ｌ２もしくはＬ３）は、マスクパターン２とアシストパターン３との間隔ＳＰを変化させると、ベストフォーカス位置が変化する。そして、マスクパターン２とアシストパターン３との間隔ＳＰには、ベストフォーカス位置が球面収差の変化に鈍感な範囲Ｒ１と、ベストフォーカス位置が球面収差の変化に敏感な範囲Ｒ２がある。

このため、マスクパターン２とアシストパターン３との間隔ＳＰを範囲Ｒ２に設定し、球面収差を変化させることにより、ベストフォーカス位置を変化させることができる。一方、マスクパターン２とアシストパターン３との間隔ＳＰを範囲Ｒ１に設定した場合、球面収差を変化させた場合においても、ベストフォーカス位置が変化しないようにすることができる。またＲ２の領域が一番収差に対して敏感であるが、マスクのＳＰに制限がある場合などには、Ｒ２以外の範囲を適宜使うこともあり得る。

この結果、間隔ＳＰが範囲Ｒ１に設定されたアシストパターン３と、例えば間隔ＳＰが範囲Ｒ２に設定されたアシストパターン３とを同一のレチクル上に混在させ、被加工層の段差に応じて球面収差を変化させることにより、被加工層の高低に対応したベストフォーカス位置を同一のレチクル上に設定することができる。従って、被加工層に高低差がある場合においても、被加工層に高低差ごとにレチクルを使い分けることなく、被加工層の全ての領域でプロセスマージンを確保することが可能となり、不良品を低減することができる。

図３（ａ）は、第１実施形態に係るプロセス段差に伴うベストフォーカス位置の変動を球面収差にて緩和させない時のレチクルおよび露光対象の概略構成を示す断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の工程で形成されたレジストパターンを示す断面図、図４は、図３（ａ）の工程におけるプロセス段差に伴うベストフォーカス位置を示す図である。
図３（ａ）において、レチクル２１には、マスクパターン２２Ａ、２２Ｂが形成されている。マスクパターン２２Ａにはアシストパターン２３Ａ、２４Ａが付加され、マスクパターン２２Ｂにはアシストパターン２３Ｂ、２４Ｂが付加されている。なお、マスクパターン２２Ａとアシストパターン２３Ａとの間隔ＳＡは、マスクパターン２２Ｂとアシストパターン２３Ｂとの間隔ＳＢと等しくすることができる。
本願の説明においては、ポジ型レジストを用いレジストパタンで残しパタンを形成することを例に説明をするが、ポジ型レジストで抜きパタンを形成する場合は、レチクルの抜き残しを反転させることで、レジストの抜き残しも反転形成されるが、今回の説明では省略する。

一方、半導体基板１１上には、コアパタン１２および周辺パターン１３が形成されている。コアパタン１２および周辺パターン１３上には、層間絶縁膜１４が形成され、層間絶縁膜１４上には、下層樹脂膜１５が形成されている。下層樹脂膜１５上には、レジスト膜１６が形成されている。ここで、コアパタン１２と周辺パターン１３との間には高低差があり、この高低差に対応してレジスト膜１６に段差Ｄ１が発生している。下層樹脂膜１５は段差をある程度緩和させる事が出来るが、それだけでは十分では無く、コアパタン１２と周辺パタン１３には段差Ｄ１が残存する。また下層樹脂膜１５の代わりに反射防止膜を用いることも出来る。何れの形態においても露光はレジスト膜１６に対して行う。

そして、レチクル２１を介してレジスト膜１６に露光した後、そのレジスト膜１６を現像することにより、図３（ｂ）に示すように、マスクパターン２２Ａ、２２Ｂがそれぞれ転写されたレジストパターン１６Ａ、１６Ｂが下層樹脂膜１５上に形成される。

ここで、図４に示すように、レジスト膜１６の段差Ｄ１に起因して、マスクパターン２２Ａのベストフォーカス位置ＬＡと、マスクパターン２２Ｂのベストフォーカス位置ＬＢが乖離する。このため、露光時のフォーカス位置をマスクパターン２２Ａのベストフォーカス位置ＬＡに合わせると、マスクパターン２２Ｂの位置ではフォーカスズレが発生し、レジストパターン１６Ｂの寸法がマスクパターン２２Ｂと乖離する。

図５（ａ）は、プロセス段差に伴うベストフォーカス位置の変動を球面収差にて緩和させた時のレチクルおよび露光対象の概略構成を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の工程で形成されたレジストパターンを示す断面図、図６は、図５（ａ）の工程におけるプロセス段差に伴うベストフォーカス位置を示す図である。
図５（ａ）において、レチクル３１には、マスクパターン３２Ａ、３２Ｂが形成されている。マスクパターン３２Ａにはアシストパターン３３Ａ、３４Ａが付加され、マスクパターン３２Ｂにはアシストパターン３３Ｂ、３４Ｂが付加されている。なお、マスクパターン３２Ａとアシストパターン３３Ａとの間隔ＳＡは、マスクパターン３２Ｂとアシストパターン３３Ｂとの間隔ＳＢと異ならせることができる。

そして、レチクル３１を介してレジスト膜１６を露光した後、そのレジスト膜１６を現像することにより、図５（ｂ）に示すように、マスクパターン３２Ａ、３２Ｂがそれぞれ転写されたレジストパターン１６Ａ、１６Ｂ´が下層樹脂膜１５上に形成される。

ここで、図６に示すように、レジスト膜１６の段差Ｄ１に起因するベストフォーカス位置ＬＢの変動が緩和されるようにマスクパターン３２Ｂとアシストパターン３３Ｂとの間隔ＳＢを調整し、レジスト膜１６の段差Ｄ１に対応した球面収差が発生するように露光条件を設定する。この結果、マスクパターン３２Ｂでは、ベストフォーカス位置をＬＢからＬＢ´にシフトさせることができ、マスクパターン３２Ａのベストフォーカス位置ＬＡと、マスクパターン３２Ｂのベストフォーカス位置ＬＢ´とを一致させることができる。このため、露光時のフォーカス位置をマスクパターン３２Ａのベストフォーカス位置ＬＡに合わせた場合においても、マスクパターン３２Ｂの位置でもベストフォーカスに設定することができ、レジストパターン１６Ｂ´の寸法がマスクパターン３２Ｂと乖離するのを防止することができる。

例えば、レジスト膜１６の段差Ｄ１が４０ｎｍであるとすると、図２を参照し、マスクパターン３２Ａとアシストパターン３３Ａとの間隔ＳＡを１３０ｎｍ、マスクパターン３２Ｂとアシストパターン３３Ｂとの間隔ＳＢを２２０ｎｍのマスクで有れば球面収差の値を６０ｍλの値に設定する。この結果、マスクパターン３２Ａ、３２Ｂ間でベストフォーカス位置を４０ｎｍだけ異ならせることができ、レジスト膜１６の段差Ｄ１に起因するベストフォーカス位置の変動をレチクル３１に吸収させることができる。

（第２実施形態）
図７（ａ）は、第２実施形態に係るフォーカス位置調整装置およびその周辺装置の概略構成を示すブロック図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のフォーカス位置調整装置が用いられる露光装置の概略構成を示す断面図、図７（ｃ）および図７（ｄ）は図７（ａ）のフォーカス位置調整装置が用いられる半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図７（ａ）において、フォーカス位置調整装置４１には、段差見積部４１ａと、アシストパターン発生部４１ｂと、球面収差換算部４１ｃとが設けられている。段差見積部４１ａは、被加工層Ｔの段差を見積ることができる。アシストパターン発生部４１ｂは、被加工層Ｔの段差に基づいて、露光時の球面収差に対する感度が異なるアシストパターン３３Ａ、３４Ａ、３３Ｂ、３４Ｂをマスクパターン３２Ａ、３２Ｂにそれぞれ付加することができる。球面収差換算部４１ｃは、被加工層Ｔの段差を球面収差に換算することができる。また、フォーカス位置調整装置４１の周辺装置には、ＣＡＤシステム４２およびマスクデータ作成部４３が設けられている。また、図７（ｂ）において、露光装置４４には、光源Ｇ、レチクル３１、レンズＬおよび球面収差制御部４４Ａが設けられている。球面収差制御部４４Ａは、露光装置４４の球面収差を制御することができる。なお、露光装置４４の球面収差を制御する方法としては、例えば、レンズＬの温度や圧力を調整する方法を挙げることができる。

そして、ＣＡＤシステム４２において、半導体集積回路の設計レイアウトデータＮ１が作成され、フォーカス位置調整装置４１に送られる。そして、段差見積部４１ａにおいて、設計レイアウトデータＮ１に基づいて被加工層Ｔの段差が見積られる。そして、アシストパターン発生部４１ｂにおいて、被加工層Ｔの段差に基づいて、球面収差に対する感度が異なるアシストパターン３３Ａ、３４Ａ、３３Ｂ、３４Ｂが付加されたマスクパターン３２Ａ、３２Ｂが生成され、そのパターンデータＤ１がマスクデータ作成部１３に送られる。また、球面収差換算部４１ｃにおいて、被加工層Ｔの段差が球面収差に換算され、その値Ｄ２が露光装置４４に送られる。

そして、マスクデータ作成部４３において、パターンデータＤ１で指定されるレイアウトパターンに対応したマスクデータが作成される。そして、レチクル３１には、マスクデータ作成部４３にて作成されたマスクデータで特定されるマスクパターン３２Ａ、３２Ｂおよびアシストパターン３３Ａ、３４Ａ、３３Ｂ、３４Ｂが形成される。また、球面収差制御部４４Ａにおいて、フォーカス位置調整装置４１から送られた球面収差の値Ｄ２に対応するように露光装置４４の球面収差が制御される。

一方、下地層Ｋ上には被加工層Ｔが形成され、被加工層Ｔ上にはレジスト膜Ｒが塗布されている。なお、下地層Ｋは、例えば、半導体基板であってもよいし、層間絶縁膜であってもよいし、配線層であってもよい。被加工層Ｔは、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などの絶縁体膜であってもよいし、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンなどの半導体膜であってもよいし、ＡｌまたはＣｕなどの金属膜であってもよい。ここで、被加工層Ｔには高低差があり、その高低差に対応した段差が発生している。

そして、図７（ｂ）に示すように、光源Ｇからは紫外光などの露光光が出射され、レチクル３１およびレンズＬを介してレジスト膜Ｒに入射することで、レジスト膜Ｒが露光される。この時、球面収差制御部４４Ａにおいて、被加工層Ｔ上のレジスト膜Ｒの段差に対応した球面収差が発生するように露光条件が設定される。

次に、図７（ｃ）に示すように、レジスト膜Ｒが露光された後、そのレジスト膜Ｒが現像されることで、レチクル３１のマスクパターン３２Ａ、３２Ｂにそれぞれ対応したレジストパターンＲＡ、ＲＢが被加工層Ｔ上に形成される。

次に、図７（ｄ）に示すように、レジストパターンＲＡ、ＲＢをマスクとして被加工層Ｔを加工することで、レジストパターンＲＡ、ＲＢにそれぞれ対応した加工パターンＴＡ、ＴＢが下地層Ｋ上に形成される。

ここで、レジスト膜Ｒの段差に起因するベストフォーカス位置の変動が緩和されるようにマスクパターン３２Ａ、３２Ｂにそれぞれアシストパターン３３Ａ、３４Ａ、３３Ｂ、３４Ｂを付加し、レジスト膜Ｒの段差に対応した球面収差が発生するように露光条件を設定することで、マスクパターン３２Ａ、３２Ｂ間でレジスト膜Ｒ上のフォーカス位置を最適化することができ、加工パターンＴＡ、ＴＢの寸法精度を向上させることができる。

図８は、図７（ａ）のフォーカス位置調整装置のプロセス段差の見積もりに用いられるレイアウト構成の一例を示す平面図である。
図８において、レイアウト領域５０において、１層目には素子領域５１が設けられ、２層目には素子領域５２が設けられ、３層目には素子領域５３が設けられている。ここで、素子領域５１、５２、５３が互いに重なっている領域５４では、それ以外の領域に比べて高さが高くなると見なすことができる。このため、領域５４では、図５のマスクパターン３２Ｂにアシストパターン３３Ｂ、３４Ｂを付加し、それ以外の領域では、図５のマスクパターン３２Ａにアシストパターン３３Ａ、３４Ａを付加するようにしてもよい。これにより、領域５４とそれ以外の領域との段差に起因するベストフォーカス位置のズレを緩和することができ、寸法精度を向上させることができる。

このように、前工程で使用されているレイヤの論理処理を行い、ＣＭＰ段差シミュレーションにて段差を予測し、その予測結果に基づいてマスクパターンにアシストパターンのＳＰを定義して配置発生してもよい。

また、上述した実施形態では、高さの低い方のフォーカス位置を高さの高い方のベストフォーカス位置にシフトさせる方法について説明したが、高さの高い方のフォーカス位置を高さの低い方のベストフォーカス位置にシフトさせるようにしてもよい。あるいは、高さの低い方のフォーカス位置と、高さの高い方のフォーカス位置とをその中間の高さのベストフォーカス位置にシフトさせるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、１段の段差がある場合のフォーカス位置の調整方法について説明したが、２段以上の段差がある場合においても適用してもよい。また、上述した実施形態では、球面収差に正の値を加担させる方法について説明したが、球面収差に負の値を加担させるようにしてもよい。これにより、球面収差に正の値を加担させた場合に対して、ベストフォーカス位置を反対方向にシフトさせることができる。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係る露光方法の一例を示すフローチャートである。
図９において、段差誘発レイヤがあるかどうかを判断し（Ｓ１）、段差誘発レイヤがない場合は、図３に示すように、アシストパターンを発生させる（Ｓ２）。そして、そのアシストパターンに基づいてレチクルを作成し（Ｓ３）、そのレチクルを介してレジスト膜を露光する（Ｓ１０）。

一方、段差誘発レイヤがある場合は、段差誘発レイヤを論理合成し（Ｓ４）、段差のある領域および段差の値を算出する（Ｓ５）。そして、その段差の値を球面収差に換算し（Ｓ６）、その球面収差を露光装置に反映させる（Ｓ７）。また、図５に示すように、その段差に起因するフォーカスズレが緩和されるようにアシストパターンを発生させる（Ｓ８）。そして、そのアシストパターンに基づいてレチクルを作成し（Ｓ９）、そのレチクルを介してレジスト膜を露光する（Ｓ１０）。

図１０は、図７（ａ）のフォーカス位置調整装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
図１０において、フォーカス位置調整装置４１には、ＣＰＵなどを含むプロセッサ６１、固定的なデータを記憶するＲＯＭ６２、プロセッサ６１に対してワークエリアなどを提供するＲＡＭ６３、人間とコンピュータとの間の仲介を行うヒューマンインターフェース６４、外部との通信手段を提供する通信インターフェース６５、プロセッサ６１を動作させるためのプログラムや各種データを記憶する外部記憶装置６６を設けることができ、プロセッサ６１、ＲＯＭ６２、ＲＡＭ６３、ヒューマンインターフェース６４、通信インターフェース６５および外部記憶装置６６は、バス６７を介して接続されている。

なお、外部記憶装置６６としては、例えば、ハードディスクなどの磁気ディスク、ＤＶＤなどの光ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカードなどの可搬性半導体記憶装置などを用いることができる。また、ヒューマンインターフェース６４としては、例えば、入力インターフェースとしてキーボードやマウスやタッチパネル、出力インターフェースとしてディスプレイやプリンタなどを用いることができる。また、通信インターフェース６５としては、例えば、インターネットやＬＡＮなどに接続するためのＬＡＮカードやモデムやルータなどを用いることができる。

ここで、外部記憶装置６６には、フォーカス位置調整プログラム６６Ａがインストールされている。フォーカス位置調整プログラム６６Ａは、レジスト膜の段差に起因するベストフォーカス位置の変動が緩和されるようにマスクパターンにアシストパターンを付加させ、レジスト膜の段差に対応した球面収差が発生するように露光条件を設定させることができる。

そして、フォーカス位置調整プログラム６６Ａがプロセッサ６１にて実行されると、レジスト膜の段差に基づいてパターンデータＤ１および球面収差の値Ｄ２が算出され、マスクデータ作成部４３および露光装置４４にそれぞれ送られる。

なお、プロセッサ６１に実行させるフォーカス位置調整プログラム６６Ａは、外部記憶装置６６に格納しておき、プログラムの実行時にＲＡＭ６３に読み込むようにしてもよいし、フォーカス位置調整プログラム６６ＡをＲＯＭ６２に予め格納しておくようにしてもよいし、通信インターフェース６５を介してフォーカス位置調整プログラム６６Ａを取得するようにしてもよい。また、フォーカス位置調整プログラム６６Ａは、スタンドアロンコンピュータに実行させてもよいし、クラウドコンピュータに実行させてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１レチクル、２マスクパターン、３，４アシストパターン、４１フォーカス位置調整装置、４１ａ段差見積部、４１ｂアシストパターン発生部、４１ｃ球面収差換算部、４２ＣＡＤシステム、４３マスクデータ作成部、４４露光装置、４４Ａ球面収差制御部、Ｋ下地層、Ｔ被加工層、Ｒレジスト膜、Ｇ光源、Ｌレンズ、６１プロセッサ、６２ＲＯＭ、６３ＲＡＭ、６４ヒューマンインターフェース、６５通信インターフェース、６６外部記憶装置、６６Ａフォーカス位置調整プログラム、６７バス

Claims

被加工層の段差を見積る段差見積部と、
前記被加工層の段差に基づいて、露光時の球面収差に対する感度が異なるアシストパターンをマスクパターンに付加するアシストパターン発生部と、
前記被加工層の段差を前記球面収差に換算する球面収差換算部とを備えることを特徴とするフォーカス位置調整装置。
第１のマスクパターンと、
前記第１のマスクパターンに付加された第１のアシストパターンと、
第２のマスクパターンと、
前記第２のマスクパターンに付加され、前記第１のアシストパターンに対して露光時の球面収差に対する感度が異なる第２のアシストパターンとを備えることを特徴とするレチクル。
前記第１のマスクパターンと前記第１のアシストパターンとの間隔が、前記第２のマスクパターンと前記第２のアシストパターンとの間隔と異なることを特徴とする請求項２に記載のレチクル。
被加工層の段差を見積るステップと、
前記被加工層の段差に基づいて、露光時の球面収差に対する感度が異なるアシストパターンをマスクパターンに付加するステップと、
前記被加工層の段差を前記球面収差に換算するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とするパターン生成プログラム。
被加工層上のレジスト膜を塗布する工程と、
被加工層の段差に応じて球面収差に対する感度が異なるアシストパターンが付加されたマスクパターンを介して前記レジスト膜を露光する工程と、
前記露光されたレジスト膜を現像することで前記マスクパターンを前記レジスト膜に転写する工程と、
前記マスクパターンが転写された前記レジスト膜をマスクとして前記被加工層を加工する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。