JP4950411B2 - 光学リソグラフィー用ボルテックス位相シフトマスク - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、種々の基板に、マスクの特徴部分(features)を、極度に高解像度で描写するためのリソグラフィー用マスクの分野である。本発明の技術分野は、特に、マスクパターンの少なくとも一部がマスクの表面と相互作用した光の位相変化により定められる位相シフトマスクの分野である。

フォトリソグラフィー
本発明は、集積回路、磁性デバイス、マイクロマシン等のその他マイクロデバイスの製造用のマイクロリソグラフィーの分野に関する。この分野において最終製品は、まず種々のパターンが「レジスト」材料に形成され、個々のパターンはその後製品の属性を決める段階的な方法で製造される。「レジスト」材料は一般的には高分子組成物であり、光やその他の形態の放射線に対し感度を有する。パターンは、レジスト材料の領域ごとに異なる放射線量で露光することによりレジストに形成される。ブライト(bright)な（高放射線量）領域では、レジスト中で化学変化が起こり、ディム(dim)（低放射線）領域よりも、薬浴中での溶解や、ガスやプラズマによるエッチング除去がされ易く（ポジ型レジストの場合）なったり、され難く（ネガ型レジストの場合）なったりする。レジスト上への放射フラックスが少なすぎる場合は、レジストは未露光であると言え、レジストが「現像」（すなわち溶解またはエッチング）されると、一般的にポジ型レジストの未露光部は全部は溶解除去されず、ネガ型レジストは一部のみが溶解除去される。露光用の放射フラックスが十分な場合は、レジストの露光部および未露光部は、現像されると、一方の領域は全てが溶解除去され、他方の領域はウエハ製造の次の工程用の保護膜として残存する。放射フラックスが強すぎると、レジストは過露光され、露光された部分は ブルーム（bloom out）し、線を超えてエッチングされる傾向にあり、例えば、適量な露光の場合よりも広くなる。良いレジストとするためには、そのような過小露光および過剰露光フラックスの間に、 「マニュファクチャリング・ウィンドウ」（manufacturing window）が存在する。

パターニングされたレジストおよび工程
上記ブライトおよびディム領域は、通常はマスクやレチクルからレジストへ対応する特徴部分(features)を転写する露光機を用いて形成される。マスクやレチクルは、石英やレジストを露光するのに用いられる放射線に対して透過性のあるその他の材料の板であるマスク基板から形成され、クロムのような不透明な材料でコーティングされている。クロムはパターン状にエッチング除去されてマスクが形成される。（これらには限定されないが）紫外線やＸ線などの放射線を用いることができ、マスクの透明および不透明の領域が、均一に照射された際に明暗のパターンを形成する。この技術において最も一般的に行なわれる方法では、平面の基板上のレジストフィルムに映写レンズがマスクパターンの像を形成する。その像は、レジストパターンを形成する高放射線量および低放射線量領域を含む。この工程にある形態の光が用いられた場合、それはフォトリソグラフィーと呼ばれる。

波面工学
レジストに形成されるパターンはマスクのパターンと同一ではなく、マイクロリソグラフィー工程における不完全さにも係わらず、最終的に製造されるデバイス用の所望のパターンを得る方法は、「波面工学」と呼ばれる。この目的で用いられる種々のデバイスの中に、位相シフトマスク（ＰＳＭ）があり、干渉により所望の遮光領域を作り出す。位相シフトマスクは、本発明の発明者により、"Improving resolution in photolithography with a phase shifting mask," M. D. Levenson, N. S. Viswanathan, and R. A. Simpson, IEEE Trans. Electron Devices ED-29, 1828-1836(1982) と題される論文の中で最初に公表された。その後、「位相シフトマスク」という文言を含む何百もの特許や何千もの論文が発行された。位相シフトマスクは、従来のフォトリソグラフィーよりも細い線幅の特徴部分の生産を可能にし、フォトレジストの低放射線量部分は高放射線量部分よりも大幅に細い。しかし、上記のような細い線幅特徴部分のピッチはλ／Ｎ．Ａ．に制限され、この場合のλはレジストを露光するのに用いられる光の波長であり、Ｎ．Ａ．はレジストを露光するのに用いられる光学システムの開口数である。

現在、減衰（attenuated）ＰＳＭのような弱いＰＳＭ，および交互開口(alternating-aperture)ＰＳＭのような強いＰＳＭの２種類のＰＳＭが用いられている。上記２つの差は、弱いＰＳＭは明るい特徴部分の１種類のみを有するのに対し、強いＰＳＭは光位相のみが１８０°以下の範囲で異なること以外は同一の２種類の明るい特徴部分を有する。例えば、Ｍ．渋谷による日本国特許昭和６２−０５０８１１、M. D. Levenson 等によるIEEE Trans. Elec. Dev. ED-29, 1828-1836(1982)、 M. D. Levenson 等によるMicrolithography World 6-12(March/April 1992)を参照。典型的には、狭く「暗い」線は、マスクと相互作用する光の位相を１８０°シフトさせるマスクの近接する２つの領域から位相シフトが生じる位相シフト法により形成することができる。マスクの上記２つの領域は、マスク上の直線である境界により区切られており、マスクがレジストに描画されると、２つの明るい領域の間に、少し照射、またはまったく照射されていない極細の線ができる。そのような細い線は、例えば、半導体デバイスのゲートラインとして価値がある。しかし、そのラインの長さは、そのラインの幅よりも大幅に大きい。

面積や直径ができるだけ小さい孔を有するレジストの特徴部分が求められている。そのような孔は、例えば、半導体デバイスの下層にある導線やその他の部品との接点を形成するために用いられる。図１は、そのような孔を形成する方法である３つの関連技術によって形成された光の強度のスケッチを示す図である。Ｔマスクは、通常のマスク基板に孔の開いたクロムの覆いをしたものであり、曲線１０で表される強度を形成する。光パターンの最小の直径は回折によって定まる。クロム中の孔が一定の点を超えて小さくなってもパターンの直径は小さくならない。減衰ＰＳＭ（曲線１４）やリムシフト(rimshift)ＰＳＭ（曲線１２）の技術はより小さい直径の明るい領域をもたらす。

米国特許第５，８０７，６４９号は、位相シフトマスクを用いてフォトレジストを露光し、第２のマスクを用いて位相シフトマスクが残した望まない暗い領域を露光するダブル露光システムを開示している。米国特許第５，６２０，８１６号は、クロムレス位相エッジシフトマスクを用いて列および／またはコラム状に走る線を除くフォトレジストの全てを露光し、その後特注生産したマスクを用いて線および／またはコラムの望まない部分を露光するダブル露光システムを開示する。一度露光されたレジストに残る暗い線と垂直に走る暗い線の同一または他のクロムレス位相エッジマスクを用いて露光した場合、最初の露光において未露光だったレジストの一部の領域が露光され、極小の直径の未露光点の配列ができる。これらの関連技術においては、一回の露光により極小の未露光フォトレジスト領域の形成方法は開示されていない。

ＰＳＭデザイン
従来型および位相シフトマスクに用いられるパターンを形成するための種々の自動電子デザイン（ＥＤＡ）機器が知られている。それに加え、これらのパターンを改変するＯＰＣ機器は、露光システムの現状を説明する。位相シフトマスクの開口パターンは、少なくとも交互開口ＰＳＭを用いた最初の露光と合わせてレジストフィルムの２回目の露光に従来の遮蔽マスクを用いない場合は、最終的なサーキットパターンと厳密に対応している必要がないことが知られている。このような２回目の露光は位相の衝突による変則性を消滅させる。ニューメリカルテクノロジーズ株式会社は、特に米国特許第５，８５８，５８０号において、一方の位相が０°であり、他方の位相が１８０°である、一対の小さい開口(シフター)からなる交互開口ＰＳＭと共に、最終的な回路の特徴部分に幾何的に類似した遮蔽マスクを用いたイン−フェーズ(In-Phase)デザイン・システムが、この開口の間で最も細く暗い特徴部分(features)の輪郭を明瞭にすることを明示した。

本発明の発明者により発行された関連の米国特許は、それぞれ２００１年９月１１日および２００１年６月２６日に発行された米国特許第６，２８７，７３２号および第６，２５１，５４９号である。本発明の発明者による関連米国特許は、２００１年９月６日に米国特許出願第０９／９４７，３３６号として出願された “Generic phase shift mask” と題された出願および、２００２年２月２５日に米国特許出願第１０／０８３，０４９号として出願された "Photolithography method and apparatus" である。上記の参考文献、米国特許および米国特許出願を参考としてここに組み入れる。

（発明の目的）
本発明は、デバイス上に極小領域の特徴部分を形成するための装置、方法、およびシステムを提供することを目的とする。

本発明は、デバイス上に極小領域の特徴部分を形成するための特徴部分を有する位相シフトマスク基板を提供することを目的とする。
本発明は、デバイス上に極小領域の特徴部分を形成するための特徴部分を有する位相シフトマスクを提供することを目的とする。

本発明は、デバイス上に極小領域の特徴部分を形成するための特徴部分を有する位相シフトマスク基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、デバイス上に極小領域の特徴部分を形成するための特徴部分を有するジェネリック位相シフトマスク基板の使用方法を提供することを目的とする。
本発明は、λがフォトリソグラフィックシステムによって用いられる光の波長であり、ＮＡがフォトリソグラフィックシステムの開口数である場合に、λ／ＮＡ未満のピッチを有する小領域特徴部分の２次元配列のフォトリソグラフィック露光を行う方法を提供することを目的とする。

（発明の概要）
本発明は、デバイス上に極小領域特徴部分を形成するシステム、装置、および方法である。位相シフトマスク基板は、そのマスク基板上のある領域が、ある一点の周りで位相シフト変化を有し、その点の周りの領域と相互作用する光は、その点に対応する一番目の領域において、鋭く、かつ深い最小の光強度となるようにシフトされた光の位相を有し、一番目の領域を取り囲む、環状の二番目の領域では、全体の環状の領域において最小光強度よりもはるかに大きい光強度になるよう製造される。位相シフトは、その点を交差する線に沿って測定した場合に、約１８０°位相が急にシフトし、二番目の環状の領域に対応するマスク上の領域を横切るいかなる他の線に沿って測定した場合には、１３０°未満または２３０°より大きい値でゆっくり又は急に位相がシフトするように、その点の周りで渦巻き状（螺旋状）パターンで変化する。特に、最も好ましい態様は、表面から基板へエッチングされた、位相シフトを形成する各段の高さが１３０°未満、または１３０°より大幅に少なく、最下段から１段目への位相シフトが約２３０°より大きい、１回転の階段状の「段」を持つ基板を有する。

（発明の詳細な説明）
図２は、本発明の好ましい態様を示す斜視図である。位相シフトマスク基板の平らな表面２０は、その上にエッチングされた特徴部分２１を有する。特徴部分２１の円形縁２２は、表面２０へのカッティングを示す。図は、中心線２５の周りを廻るらせん状のスロープ２３を示す。スロープは、位相シフトマスク基板のオリジナルの表面２０において、オリジナルの表面２０において生じる位相シフトに対して、位相シフトが０°である線２４から始まり、中心線２５の周りを時計回りに進む。スロープは、カットの深さに従って、位相シフトマスク上に当たる光に位相シフトを与える。最初の表面２０に対して位相シフトが９０°、１８０°、２７０°、および３６０°を図に印を付けた箇所に示す。位相シフトは、中心線２５が位相シフトマスク基板の表面２１と交差する点に対応する点において光が深い最小強度を有する、特徴部分２１に対応する光パターンを形成する。らせん状のスロープの１つの領域から他の領域への鋭い位相変化はないので、交差点を囲む領域には暗い線は形成されず、らせん状スロープ２３の底２６とらせん状のスロープの頂部２４との間の鋭い位相変化は３６０°であり、これも暗い線を形成しない。縁２２は、最初の表面２０とスロープ２３との間の位相シフトが１８０°に近いとき、照度パターン中に暗い線を形成する。得られた未露光フォトレジストは、後の工程において露光されてもよい。

図２の特徴部分は、全環状領域を通じて露光の最小の強度よりもはるかに大きい強度の環状領域に囲まれた最小強度の孤立した領域を形成する。

図３は、図２の特徴部分によって形成された、中心線２５の周りを計測した極角θの関数としての位相シフトを示す。好ましい態様においては、図２に示すスパイラルは、中心線２５をほぼ取り囲む線２７の一端からもう一端へのほぼ７２０°の位相変化を起こし、線２６を交差するときに、強度変化は、依然とても小さい。通常は、図２に示すスパイラルは線２７の一端からもう一端への、ほぼｍ×３６０°（ｍは整数）の位相変化を起こし、線２６を交差するときに、強度変化は、依然とても小さい。

図２および図３に示し説明するようなスパイラルパターンは、ＣＤレコーディングを複製するのに似た方法または、表面特徴部分を形成する技術において知られている他の方法によって位相シフトマスク基板に形成される。

図４は、表面が数々の６角形の平らで平行な領域に形成された位相シフトマスク基板の平面図を示す。図４においては、０°、１２０°、及び２４０°の位相シフトを起こす３レベルがある。６角形の３つの境界の各交点４０は、表面と相互作用する光の照射パターンにおいて深い最小値を形成する。図２のらせん状のスロープの代わりに、３つの段（踏み板）を有するらせん階段が各点に形成される。隣接する点は２つの段を共有し、２つの隣接する点のスパイラルの向き（時計回り、または反時計回りに下降する）は逆である。図４に示される２つの隣接した位相シフト領域間の位相境界４２は、点４０に対応する理論的な強度は０なのに対し、完全な干渉光の最大強度の約２５％の理論的強度を有する、そのパターン状の暗い線を生じる。実際は、最小強度は約２％であり、それは光学システムにおける散乱に起因する。このように、位相シフト領域間の境界４２に対応する暗い線が、点４０に対応する領域に対して、暗い線は印刷されずに、暗い点が印刷されるように十分に露光されることを確実にするために、レジストは過露光されなければならない。

光学システムにおける、光の点や線の解像力やフォーカシングのスペックは、最大強度の半値全幅の形で提供されることが多い。本件の場合は、ある点における強度は最小Ｉｍｉｎであり、最大強度Ｉｍａｘはその点を取り囲む環状領域において発生する。強度は、環状領域を通して一様ではない。例えば、その点を中心に有する環状領域中に描かれた環状線に沿っては、マスク上の位相変化に対応する環状線上の点において強度は、強度Ｉ´ｍｉｎに下がる。最小強度の「全幅」のスペックは、いまだに最大強度または、定義された線に沿って測定された最小強度のどちらかが参考にされることがある。本明細書では、最小強度の全幅は、線に沿って測定された最小強度の半分（Ｉ´ｍｉｎ／２）において測定された最小強度の全幅として定義されている。本発明の最小強度の全幅はλ／２Ｎ．Ａ．未満であることが好ましい。

図５は、点４０の周りで測定された極角θの関数としての、点４０の周囲に生じた位相シフトを示す。位相シフトが、点４０をほぼ取り囲む線に沿って測定された場合、線に沿った距離に対してプロットすると、図５と類似するように見える。図２に示されたスパイラルは、線２７の一端からもう一端へのほぼ７２０°の位相変化をし、線２６と交差する際の強度変化はとても小さい。

図６（ａ）は、位相シフトマスク基板が数々の正方形の平らで平行な領域に形成されている本発明の最も好ましい態様を示す。図６（ａ）においては、０°、９０°、１８０°、および２７０°の位相シフトを起こす４つのレベルがある。４つの正方形の角の交点は、フォトレジストに投影された強度を相殺する位相シフトを起こし、正方形の角に対応する点における強度の深い最小を生じる結果となる。境界６２における位相シフトはたった９０°であり、一方、１２０°の位相シフトが図４の境界４２において形成されるので、境界６２に対応する線における強度は、図４の線の強度の２５％よりも大幅に大きい。また、図６（ａ）は、図６（ａ）に示された正方形の角を覆う、光学的に不透明な領域６０も示す。不透明な領域は、図６（ａ）のマスク基板の正方形の角に対応するレジストの領域における光の強度を減少させる。隣接する不透明な領域６０は、スパイラル階段の２段を共有し、隣接する領域６０の各対のスパイラルの向きは、ここでも逆である。

図６（ｂ）は、領域６０の周りのスパイラル階段の４段階を示す斜視図である。

図７は、不透明な領域６０の中心の周りで測定された極角θの関数としての、不透明な領域６０に関して形成された位相シフトを示す。

図８は、図６のマスクによって形成された光の強度プロファイルの計算結果を示す。水平または垂直に走る暗い線は人為的に生成したもので無視されるべきである。図６の領域６０に対応する最小８０は、強度が最小８０の強度よりも実質的に大きい環状領域８２に囲まれている。

図９は、４つの異なる位相シフト段階を利用した、６角形の格子上に最小強度を形成するために用いられるパターンの他の態様を示す。不透明な領域９０は、レジスト上に所望の最小強度に対応する、位相シフトマスク基板の６角形の格子点を示す。交差点９２に対応する領域も最小強度を有し、所望の未露光レジストの６角形のパターンを形成するために、２番目のマスクを用いて２回目の露光がされなければならない。

図１０は、図９の態様の不透明な領域９０の中心の周りで測定された極角θの関数としての、点４０の周囲に生じた位相シフトを示す。

上記に開示されたことを踏まえた、本発明の多数の改良や態様が可能なことは明らかである。そのため、添付された特許請求項の範囲の範囲内において、具体的に述べられたものとは別の方法で本発明を実施することができることを理解されなければならない。

図１は、従来のフォトリソグラフィーマスクによって形成された光の強度を示す。 図２は好ましい形態を示す斜視図である。 図３は、極角θの関数として、図２の位相シフトを示す。 図４は、位相シフトマスク基板を示す平面図である。 図５は、極角θの関数として、ある点に関して形成された位相シフトを示す。 図６Ａは、本発明の最も好ましい態様を示す。

図６Ｂは、領域６０の周りのスパイラル階段の４段階を示す斜視図である。
図７は、不透明な領域６０に関して形成された位相シフトを示す。 図８は、強度プロファイルの計算結果を示す。 図９は、他のパターン態様を示す。 図１０は、不透明な領域９０に関して形成された位相シフトを示す。

Claims (1)

1. 表面および前記表面に形成された複数の表面パターンを有する位相シフトマスクであって、
   前記表面は、前記表面パターンにより定められるパターンにおいて光の位相を変化させるように波長λおよび強度Ｉ_０の光と相互作用するための表面であり、
   前記表面と相互作用した後の光強度は、少なくとも一部が前記表面パターンにより引き起こされた位相変化により定められ、
   前記光が、前記表面が像平面上に像を形成するように、開口数（Ｎ．Ａ．）を有するリソグラフィーシステムのレンズを通過すると、像平面に像を形成する光強度は、複数の点の像を有し、各々の点の像は、強度Ｉ_ｍｉｎの最小強度を有し、前記最小強度となる点を取り囲む環状領域の全体を通じて、Ｉ_ｍｉｎとの強度差が、ホールの形成に必要な強度差となるような大きな強度を有する環状領域によって取り囲まれており、
   前記最小強度となる点を交差する線に沿って測定された、前記表面と相互作用した後の、前記環状領域において発生する光強度をＩ´ _ｍｉｎ とした場合、前記Ｉ´ _ｍｉｎ の半分において測定された、光強度の全幅はλ／２・Ｎ．Ａ．未満であり、
   前記位相変化は、前記最小強度となる点の周りを計測した極角の増加に比例して増加し、かつ、前記最小強度となる点の周りでらせん状の連続的な位相変化をし、
   前記らせん状の連続的な位相変化は、ほぼ３６０°の位相変化をする部分を含み、
   前記最小強度となる点を交差する線に沿って測定した位相変化は約１８０°である位相シフトマスク。

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