JP4580656B2

JP4580656B2 - 二重露光フォトマスクおよび露光方法

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Publication number: JP4580656B2
Application number: JP2004019631A
Authority: JP
Inventors: 伸ニ石田; 誠司松浦
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: JP2005215135A

Description

本発明は、半導体集積回路の製造の際、露光工程で用いられる二重露光フォトマスクおよび露光方法に関する。

半導体集積回路において、Ｄｙｎａｍｉｃ―ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）およびＳｔａｔｉｃ−ＲＡＭ等のメモリデバイスの記憶素子形成領域ではゲート電極のパターン間隔をできるだけ小さくしているためパターンの配置密度が高く、ピッチが密になっている。反対に、その周辺回路におけるトランジスタのゲート電極の形成間隔は記憶素子形成領域に比べて大きいところが多く、ゲート電極のパターンのピッチが疎になっている。

以下では、２００ｎｍ以下のピッチを密ピッチと称し、３００ｎｍ以上のピッチを疎ピッチと称する。そして、２００ｎｍより大きく３００ｎｍ未満のピッチを中間ピッチと称する。また、密ピッチで形成されたパターンを密ピッチパターンと称する。疎ピッチ、中間ピッチのパターンについても同様に、それぞれ疎ピッチパターン、中間ピッチパターンと称する。

一方、ロジックＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）およびシステムＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）などのデバイスにおいて、ゲート電極部分を含むパターンであるゲートパターンは密ピッチおよび疎ピッチのパターンが混在しており、メモリデバイスのように密ピッチパターンと疎ピッチパターンの形成領域を明確に分けられない。そのため、露光工程で密ピッチと疎ピッチのレジストパターンを形成するための手段の一つとして、二重露光法がある。

二重露光法とは、１回目の露光でレベンソン型位相シフトマスク（以下、単に位相シフトマスクと称する）を用いてパターンを形成し、続いて、２回目の露光でトリムマスクを用いて不要な部分を取り除くものである（例えば、特許文献１参照）。このように、２枚のフォトマスクを有する二重露光フォトマスクを用いる。

図４は従来の二重露光フォトマスクを用いてレジストパターンを形成するための露光方法を示す模式図である。ここでは、密ピッチと疎ピッチの他に中間ピッチが混在するゲートパターンの場合を示す。

図４に示すように、従来の二重露光フォトマスクは、各ピッチのパターンを形成するための位相シフトマスク４００と、不要な部分を除去するためのトリムマスク４１０とを有する。位相シフトマスク４００には、各ピッチについてゲートパターンとなる、図４の縦方向に伸びる微細ライン４１２が形成され、「０」と「π」の位相シフタが微細ライン４１２を挟むように形成されている。トリムマスク４１０には、各ピッチのゲートパターンの周辺でレジストパターンとして形成したくない部分に開口部４１４が設けられている。

また、微細ライン４１２における長手方向に垂直な方向の長さを幅とすると、フォトマスク上の各ピッチにおける微細ライン４１２の幅を同じ寸法に形成している。

次に、上記位相シフトマスク４００とトリムマスク４１０を用いた二重露光方法について説明する。

第１の露光処理として、微細ライン４１２が目標寸法になるように露光条件を設定して位相シフトマスク４００を用いて露光する。続いて、第２の露光処理としてトリムマスク４１０を用いて露光し、位相シフタの配置が不十分のためにそのままレジストが残ってしまう部分が感光する。その後、現像処理をすることで、図４の右側に示すように、微細ライン４１２のレジストパターンを形成するとともに、必要のない部分のレジストが残らないようにしている。

ここでは、密ピッチの微細ライン４１２を形成するための露光条件で１回目の露光をしたため、図４の右側に示すように、密ピッチではレジストパターンがほぼ目標通りの寸法で形成されている。これに対して、疎ピッチでは目標寸法よりも細く形成され、中間ピッチではレジストパターンが消失してしまった。その理由は近接効果の影響により仕上がり寸法がピッチに著しく依存するためである。

次に、レジスト寸法のピッチ依存性について説明する。

図５はレジスト寸法のピッチ依存性を示すグラフである。露光条件は、光源波長１９３ｎｍ（ＡｒＦ）、ＮＡ＝０．７３、σ＝０．４である。また、密ピッチパターンの微細ラインの幅がレジストパターン寸法で７０ｎｍになるように露光量を設定している。グラフの縦軸はレジスト寸法を示し、横軸はピッチを示す。

図５に示すように、露光量を密ピッチパターンに合わせたため、ピッチが１８０ｎｍではレジスト寸法が７５ｎｍでほぼ目標通りに仕上がっている。これに対して、ピッチが３００ｎｍ以上の疎ピッチパターンでは仕上がり寸法は６０ｎｍ以下で、著しく細くなっている。また、ピッチが２００〜３００ｎｍの中間ピッチでは寸法細りが最も激しいため、レジストパターンが倒れたり、消失してしまったりしている。

このように異なるピッチが混在するデバイスでは、目標通りの寸法に仕上がる密ピッチのマスクパターンをそのままにして、目標寸法よりも細くなる中間ピッチおよび疎ピッチのマスクパターンを予め太らせていた。このように、マスクパターンを予め太らせる方法をバイアスＯＰＣ（ＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｘｉｍｉｔｙＣｏｒｒｅｃｔ：光近接効果補正）という。
特開２００３−１４９７８７号公報

レジストパターンが目標寸法よりも細くなってしまう場合、上述のバイアスＯＰＣは有効ではあるが、ランダムレイアウトへの適用可能性やマスク製造精度の観点から問題になっている。中間ピッチおよび疎ピッチのパターン全てについてフォトマスクの寸法を調整しようとすると、大変複雑で困難であった。

本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、異なるピッチのパターンが混在しても各パターンに対応して目標寸法のレジストパターンを形成可能な二重露光フォトマスクおよび露光方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の二重露光フォトマスクは、所定のピッチのパターンとなる密ピッチパターンと、該密ピッチパターンよりもピッチの大きいパターンである中間ピッチパターンと、該中間ピッチパターンよりもピッチの大きいパターンである疎ピッチパターンとをレジストに形成するための露光工程で用いられる二重露光フォトマスクであって、
前記中間ピッチパターンの隣り合う第１および第２のパターンのうち該第１のパターンと前記密ピッチパターンとが形成され、前記第２のパターンの形成部位と前記疎ピッチパターンの形成部位とがマスキングされた第１のフォトマスクと、
前記第２のパターンと前記疎ピッチパターンとが形成され、前記第１のパターンの形成部位と前記密ピッチパターンの形成部位とがマスキングされた第２のフォトマスクと、
を有する構成である。

本発明では、第１のフォトマスクを用いて露光処理を行うと密ピッチパターンがレジストに転写されるが、疎ピッチパターン形成領域のレジストは感光しない。また、第２のフォトマスクを用いて露光処理を行うと疎ピッチパターンがレジストに転写されるが、密ピッチパターン形成領域のレジストは感光しない。そのため、密ピッチパターンと疎ピッチパターンのレジストパターンを別々に形成可能となる。

また、上記本発明の二重露光フォトマスクにおいて、前記第１のフォトマスクの前記密ピッチパターンの形成部位および前記第１のパターンの形成部位に位相シフタが設けられたこととしてもよい。

本発明では、密ピッチパターンのピッチが解像度より小さいパターンであっても、位相シフタが設けられているため、超解像技術を利用したパターンが形成可能となる。

また、上記本発明の二重露光フォトマスクにおいて、前記第２のフォトマスクの前記疎ピッチパターンの形成部位および前記第２のパターンの形成部位に位相シフタが設けられたこととしてもよい。

本発明では、疎ピッチパターンのピッチが解像度より小さいパターンであっても、位相シフタが設けられているため、超解像技術を利用したパターンが形成可能となる。

さらに、上記本発明の二重露光フォトマスクにおいて、前記露光工程における露光処理の光源波長をλ、レンズの開口数をＮＡとし、ｋ×（λ／ＮＡ）で示される解像度でピッチを表わすと、
前記密ピッチパターンのピッチは前記ｋが０．８以下の値であり、
前記中間ピッチパターンのピッチは前記ｋが０．８よりも大きく、１．３未満の値であり、
前記疎ピッチパターンのピッチは前記ｋが１．３以上の値であることとしてもよい。

一方、上記目的を達成するための本発明の露光方法は、上記本発明のいずれかの二重露光フォトマスクを用いた露光方法であって、
前記第１のフォトマスクで前記密ピッチパターンおよび前記第１のパターンのそれぞれをそれぞれの目標寸法に前記レジストに形成するための露光量で露光するステップと、
前記第２のフォトマスクで前記疎ピッチパターンおよび前記第２のパターンのそれぞれをそれぞれの目標寸法に前記レジストに形成するための露光量で露光するステップと、を有するものである。

本発明では、第１のフォトマスクを用いて密ピッチパターンに合わせた露光量で露光するため、密ピッチパターンのレジストパターンが目標通りの寸法に仕上がり、第２のフォトマスクを用いて疎ピッチパターンに合わせた露光量で露光するため、疎ピッチパターンのレジストパターンが目標通りの寸法に仕上がる。そのため、ピッチの異なるパターンがあってもパターンに対応して目標通りの寸法にレジストパターンが形成される。

本発明では、２回の露光処理で各ピッチのパターンが所望の寸法となるようにそれぞれ露光量を設定しているため、各ピッチのパターンについてレジストパターンを目標通りの寸法に形成できる。

また、各ピッチにおいてフォトマスクに形成されるゲートパターンの寸法を同じにできるため、各ピッチについてパターンに対応した補正をかける必要がない。そのため、パターン設計の手間が従来よりも軽減する。

さらに、フォトマスクの各パターン形成領域に位相シフタを設ければ、超解像技術を利用したパターンが形成可能となる。

本発明の二重露光フォトマスクは、密ピッチパターン形成のための第１のフォトマスクと疎ピッチパターン形成のための第２のフォトマスクとを有することを特徴とする。

本発明の二重露光フォトマスクについて説明する。

図１は本発明の二重露光フォトマスクを用いてレジストパターンを形成するための露光方法を示す模式図である。ここでは、密ピッチと疎ピッチのパターンが混在するゲートパターンの場合を示す。

図１に示すように、本発明の二重露光フォトマスクは、密ピッチパターンを形成するための第１のフォトマスク１００と、疎ピッチパターンを形成するための第２のフォトマスク１１０とを有する。第１のフォトマスク１００には、密ピッチパターンの微細ライン１１２が形成され、「０」と「π」の位相シフタ１１４が微細ライン１１２を挟むように形成されている。第１のフォトマスク１００における疎ピッチパターン形成部位は、疎ピッチパターンの微細ライン１１６が感光しないように微細ライン１１６形成部位を覆うマスキングパターン１１８が形成されている。また、疎ピッチパターン周辺の不要な部分を除去するための位相シフタ１２０が設けられている。

第２のフォトマスク１１０には、疎ピッチパターンの微細ライン１１６が形成され、「０」と「π」の位相シフタ１２２が微細ライン１１６を挟むように形成されている。第２のフォトマスク１１０における密ピッチパターン形成部位は、密ピッチパターンの微細ライン１１２が感光しないように微細ライン１１２形成部位を覆うマスキングパターン１２４が形成されている。また、密ピッチパターン周辺の不要な部分を除去するための位相シフタ１２６が設けられている。

フォトマスク上で密ピッチパターンの微細ライン１１２と疎ピッチパターンの微細ライン１１６の幅を等しい長さに形成している。

なお、図１では、密ピッチパターンおよび疎ピッチパターンでは複数の微細ラインが形成されるが、本実施例では微細ラインを代表してそれぞれ１本だけ示している。また、不要な部分を除去するための位相シフタ１２０、１２６は「０」および「π」のうちいずれであってもよい。

本発明の二重露光フォトマスクは、上述したように、２枚のフォトマスクのうち、一方のフォトマスクには密ピッチパターン形成のためのパターンが形成され、疎ピッチパターン形成部位はマスキングされている。そして、他方のフォトマスクは疎ピッチパターン形成のためのパターンが形成され、密ピッチパターン形成部位はマスキングされている。

そのため、第１のフォトマスク１００を用いて露光処理を行うと密ピッチパターンがレジストに転写されるが、疎ピッチパターン形成領域のレジストは感光しない。また、第２のフォトマスク１１０を用いて露光処理を行うと疎ピッチパターンがレジストに転写されるが、密ピッチパターン形成領域のレジストは感光しない。そのため、密ピッチパターンと疎ピッチパターンのレジストパターンを別々に形成可能となる。

次に、上記第１のフォトマスク１００と第２のフォトマスク１１０を用いた露光方法について説明する。

なお、露光条件は、光源波長１９３ｎｍ（ＡｒＦ）、ＮＡ＝０．７３、σ＝０．４とした。また、微細ライン１１２および微細ライン１１６の幅についてのレジストパターンの目標寸法を従来と同様に７０ｎｍとする。

第１の露光処理として、密ピッチパターンの微細ライン１１２のレジストパターンが目標寸法になるように、露光量が２５±２ｍＪ／ｃｍ²となる露光条件に設定して第１のフォトマスク１００を用いて露光する。その際、疎ピッチパターンの周辺では、位相シフタの配置が不十分のためにそのままレジストが残ってしまう部分が感光する。

続いて、第２の露光処理として、疎ピッチパターンの微細ライン１１６のレジストパターンが目標寸法になるように、露光量が２０±２ｍＪ／ｃｍ²の露光条件に設定して第２のフォトマスク１１０を用いて露光する。その際、密ピッチパターンの周辺では、位相シフタの配置が不十分のためにそのままレジストが残ってしまう部分が感光する。

その後、現像処理をすることで、図１の右側に示すように、密ピッチパターンの微細ライン１１２のレジストパターン１１３が目標通りの寸法に形成されるとともに、疎ピッチパターンの微細ライン１１６のレジストパターン１１７も目標通りの寸法に形成される。

本発明では、上述したように、１回目の露光処理と２回目の露光処理で、それぞれの微細ラインパターンが所望の寸法となるように露光量を設定しているため、種々のピッチの微細ラインパターンについて、全てのパターンのレジスト仕上がり寸法を等しい値に形成できる。

また、各ゲートパターン周辺の位相シフタの配置が不十分なためにそのままではレジストが残ってしまう領域については、密ピッチパターン周辺は２回目の露光時にトリミングし、疎ピッチパターン周辺は１回目の露光時にトリミングすることによって、レジストが残らない。

また、フォトマスクの各パターン形成領域に位相シフタを設けているため、超解像技術を利用したパターンが形成可能となる。

本実施例は、中間ピッチパターンをレジストに形成するために本発明の二重露光フォトマスクおよびその露光方法を適用したものである。

本実施例の二重露光フォトマスクについて説明する。

図２は本発明の二重露光フォトマスクを用いてレジストパターンを形成するための露光方法を示す模式図である。ここでは、中間ピッチのゲートパターンの場合を示す。そして、中間ピッチパターンを形成する２本のゲートパターンのうち、図２の左側に形成する方を第１の微細ラインとし、図２の右側に形成する方を第２の微細ラインと称する。

図２に示すように、本実施例の二重露光フォトマスクは、第１の微細ライン１５２を形成するための第１のフォトマスク１５０と、第２の微細ライン１６２を形成するための第２のフォトマスク１６０とを有する。

第１のフォトマスク１５０には、第１の微細ライン１５２が形成され、「０」と「π」の位相シフタ１５４が第１の微細ライン１５２を挟むように形成されている。第１のフォトマスク１５０における第２の微細ライン１６２形成部位は、その領域が感光しないように第２の微細ライン１６２形成部位を覆うマスキングパターン１５６が形成されている。また、第２の微細ライン１６２周辺の不要な部分を除去するための位相シフタ１５８が設けられている。

第２のフォトマスク１６０には、第２の微細ライン１６２が形成され、「０」と「π」の位相シフタ１６４が第２の微細ライン１６２を挟むように形成されている。第２のフォトマスク１６０における第１の微細ライン１５２形成部位は、その領域が感光しないように第１の微細ライン１５２形成部位を覆うマスキングパターン１６６が形成されている。また、第１の微細ライン１５２周辺の不要な部分を除去するための位相シフタ１６８が設けられている。

フォトマスク上で第１の微細ライン１５２と第２の微細ライン１６２の幅を等しい長さに形成している。

上記第１のフォトマスク１５０と第２のフォトマスク１６０を用いた露光方法については、第１の露光処理および第２の露光処理の露光量を２０〜２５ｍＪ／ｃｍ²とし、その他については実施例１と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

実施例１で説明した露光方法を行うことにより、図２の右側に示すように、第１の微細ライン１５２のレジストパターン１７２と第２の微細ライン１６２のレジストパターン１７４は目標通りの寸法に仕上がる。これは、中間ピッチパターンはピッチが密ピッチと疎ピッチの間であることと一般的に露光量にマージンがあることのため、露光条件が密ピッチパターンと疎ピッチパターンのいずれの場合でも最適なレジスト寸法が形成されるためである。

また、本実施例における中間ピッチパターンは疎ピッチのゲートパターンが複数並んだものとして考えることができる。そのため、実施例１のフォトマスクに本実施例の中間ピッチパターンを追加してもよい。この場合、第１の露光処理で密ピッチパターンを形成する露光条件で露光し、第２の露光処理で疎ピッチパターンを形成する露光条件で露光すれば、中間ピッチパターンのレジスト寸法も目標通りに仕上がる。

次に、実施例１および実施例２を組み合わせたパターンを有する、本発明の二重露光フォトマスクを用いた露光方法によるレジスト寸法のピッチ依存性について説明する。

図３はレジスト寸法のピッチ依存性を示すグラフである。露光条件は、光源波長１９３ｎｍ（ＡｒＦ）、ＮＡ＝０．７３、σ＝０．４である。また、微細ラインの幅についてのレジストパターンの目標寸法を７０ｎｍとしている。グラフの縦軸はレジスト寸法を示し、横軸はピッチを示す。

図３に示すように、ピッチが２００ｎｍより小さい密ピッチパターンでレジスト寸法が目標通りになっているだけでなく、ピッチが３００ｎｍより大きい疎ピッチパターンもほぼ目標の寸法に仕上がっている。また、従来の露光方法ではパターンが消失していた中間ピッチパターン（ピッチが２００〜３００ｎｍ）でもレジスト寸法がほぼ目標通りに仕上がっている。

その理由は、第１の露光処理で露光量を密ピッチパターンに合わせて密ピッチパターンを形成し、第２の露光量で疎ピッチパターンを形成しており、また、中間ピッチパターンでは第１の露光処理および第２の露光処理のいずれの露光量でも目標寸法に仕上がるためである。

なお、実施例１および実施例２において、第１の露光処理と第２の露光処理の順番は逆であってもよい。また、密ピッチパターン、疎ピッチパターン、および中間ピッチパターンの組み合わせは上記実施例１と実施例２の場合に限られない。例えば、密ピッチパターンと中間ピッチパターンの組み合わせであってもよい。

また、ピッチを２００ｎｍ以下、２００〜３００ｎｍ、および３００ｎｍ以上の３つに分類したが、厳密に区分するものではない。一般的に露光工程における光源波長をλとし、レンズの開口数をＮＡとすると、解像度はｋ×（λ／ＮＡ）となる。解像度を用いて各ピッチを表わすと、密ピッチはｋが０．８以下の値であり、中間ピッチはｋが０．８よりも大きく１．３未満の値であり、疎ピッチはｋが１．３以上の値となる。

また、中間ピッチと疎ピッチと分けていたが、実施例２で説明したように、中間ピッチも疎ピッチとして形成可能なため、ピッチが密ピッチよりも大きければ疎ピッチとしてもよい。この場合、解像度「ｋ×（λ／ＮＡ）」において、密ピッチはｋが０．８以下の値であり、疎ピッチはｋが０．８よりも大きい値となる。

また、ゲートパターン形成のために位相シフタを設けて、ゲートパターン形成領域を位相シフトマスクの構造にしていたが、位相シフタを設けなくてもよい。

本発明の二重露光フォトマスクおよび露光方法を説明するための模式図である。実施例２の二重露光フォトマスクおよび露光方法を説明するための模式図である。本発明の露光方法によるレジスト寸法のピッチ依存性を示すグラフである。従来の二重露光フォトマスクおよび露光方法を説明するための模式図である。従来の露光方法によるレジスト寸法のピッチ依存性を示すグラフである。

符号の説明

１００、１５０第１のフォトマスク
１１０、１６０第２のフォトマスク
１１２、１１６微細ライン
１１３、１１７レジストパターン
１１４、１２０、１２２、１２６位相シフタ
１１８、１２４マスキングパターン
１５２第１の微細ライン
１５４、１５８、１６４、１６８位相シフタ
１５６、１６６マスキングパターン
１６２第２の微細ライン
１７２、１７４レジストパターン
４００位相シフトマスク
４１０トリムマスク
４１２微細ライン
４１４開口部

Claims

所定のピッチのパターンとなる密ピッチパターンと、該密ピッチパターンよりもピッチの大きいパターンである中間ピッチパターンと、該中間ピッチパターンよりもピッチの大きいパターンである疎ピッチパターンとをレジストに形成するための露光工程で用いられる二重露光フォトマスクであって、
前記中間ピッチパターンの隣り合う第１および第２のパターンのうち該第１のパターンと前記密ピッチパターンとが形成され、前記第２のパターンの形成部位と前記疎ピッチパターンの形成部位とがマスキングされた第１のフォトマスクと、
前記第２のパターンと前記疎ピッチパターンとが形成され、前記第１のパターンの形成部位と前記密ピッチパターンの形成部位とがマスキングされた第２のフォトマスクと、
を有する二重露光フォトマスク。
前記第１のフォトマスクの前記密ピッチパターンの形成部位および前記第１のパターンの形成部位に位相シフタが設けられた請求項１記載の二重露光フォトマスク。
前記第２のフォトマスクの前記疎ピッチパターンの形成部位および前記第２のパターンの形成部位に位相シフタが設けられた請求項１または２記載の二重露光フォトマスク。
前記露光工程における露光処理の光源波長をλ、レンズの開口数をＮＡとし、ｋ×（λ／ＮＡ）で示される解像度でピッチを表わすと、
前記密ピッチパターンのピッチは前記ｋが０．８以下の値であり、
前記中間ピッチパターンのピッチは前記ｋが０．８よりも大きく、１．３未満の値であり、
前記疎ピッチパターンのピッチは前記ｋが１．３以上の値である請求項２または３記載の二重露光フォトマスク。
請求項１から４のいずれか１項記載の二重露光フォトマスクを用いた露光方法であって、
前記第１のフォトマスクで前記密ピッチパターンおよび前記第１のパターンのそれぞれをそれぞれの目標寸法に前記レジストに形成するための露光量で露光するステップと、
前記第２のフォトマスクで前記疎ピッチパターンおよび前記第２のパターンのそれぞれをそれぞれの目標寸法に前記レジストに形成するための露光量で露光するステップと、を有する露光方法。