JP2017054091A - マスク及びパターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度なパターンを容易に形成可能なマスク及びパターン形成方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、基板と、第１、第２パターン部と、を含むマスクが提供される。基板は、第１面を含む。第１パターン部は、複数の第１光学部材を含む。複数の第１光学部材は、第１面に設けられ、第１面に沿う第１方向に並ぶ。複数の第１光学部材の光透過率は、基板の光透過率よりも低い。隣り合う２つの第１光学部材の間の距離は、第１距離である。第２パターン部は、複数の第２光学部材を含む。複数の第２光学部材は、第１面に設けられ、第１方向に並ぶ。複数の第２光学部材の光透過率は、基板の光透過率よりも低い。隣り合う２つの第２光学部材の間の距離は、第１距離とは異なる第２距離である。第１光が前記第１パターン部に入射し第１パターン部を透過する光の第１位相は、第１光が第２パターン部に入射し第２パターン部を透過する光の第２位相とは異なる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、マスク及びパターン形成方法に関する。

繰り返しパターンを有するマスクに光を照射することで、開口比に応じた光強度で被転写基板を露光し、被転写基板に中間調の露光領域（グレー領域）を形成することができる。このようなグレー領域の形成に用いるマスクにおいては、高精度なパターンを容易に形成できることが望まれる。

特開２００６−３５０３５２号公報

本発明の実施形態は、高精度なパターンを容易に形成可能なマスク及びパターン形成方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、基板と、第１パターン部と、第２パターン部と、を含むマスクが提供される。前記基板は、第１面を含み、光透過性を有する。前記第１パターン部は、複数の第１光学部材を含む。前記複数の第１光学部材は、前記第１面に設けられ、前記第１面に沿う第１方向に並ぶ。前記複数の第１光学部材の光透過率は、前記基板の光透過率よりも低い。隣り合う２つの前記第１光学部材の間の距離は、第１距離である。前記第２パターン部は、複数の第２光学部材を含む。前記複数の第２光学部材は、前記第１面に設けられ、前記第１方向に並ぶ。前記複数の第２光学部材の光透過率は、前記基板の前記光透過率よりも低い。隣り合う２つの前記第２光学部材の間の距離は、前記第１距離とは異なる第２距離である。第１光が前記第１パターン部に入射し前記第１パターン部を透過する光の第１位相は、前記第１光が前記第２パターン部に入射し前記第２パターン部を透過する光の第２位相とは異なる。

第１の実施形態に係るマスクを例示する模式図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係るマスクを例示する模式図である。 第２の実施形態に係るマスクを例示する模式的部分断面図である。 参考例に係るマスクを例示する模式的断面図である。 第３の実施形態に係る露光装置を例示する模式図である。 第３の実施形態に係るパターン形成方法を例示するフローチャート図である。 第３の実施形態に係る照明光学系及び投影光学系を例示する模式図である。 第４の実施形態に係る照明光学系及び投影光学系を例示する模式図である。 第５の実施形態に係るマスクを例示する模式的断面図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係るマスクを例示する模式図である。
図１は、マスク及び半導体ウェーハを例示する模式的断面図である。
図２（ａ）は、図１のＡ部を拡大した模式的部分断面図である。
図２（ｂ）は、図１のＡ部を拡大した模式的部分平面図である。

実施形態に係るマスク１１０は、基板１０と、第１パターン部２１と、第２パターン部２２と、第１部材３１と、を含む。

基板１０は、第１面１０ａを含む。基板１０は、光透過性を有する。基板１０には、例えば、石英や合成石英などが用いられる。

第１パターン部２１は、第１面１０ａに設けられる。第１パターン部２１は、複数の第１光学部材２１ａを含む。複数の第１光学部材２１ａは、第１面１０ａに沿う第１方向に離間して並び、光遮蔽性を有する。第１光学部材２１ａには、例えば、クロム（Ｃｒ）などが用いられる。第１光学部材２１ａの光透過率は、基板１０の光透過率よりも低い。第１光学部材２１ａは、リソグラフィにおいてマスク１１０に照射される第１光Ｌ１を遮蔽する部分である。第１光Ｌ１は、マスク１１０に照射される光である。第１光Ｌ１は、マスク１１０へ入射する入射光である。隣り合う２つの第１光学部材２１ａの間の距離は、第１距離ｓ１である。複数の第１光学部材２１ａのそれぞれの間に、第１光Ｌ１が入射する。

第２パターン部２２は、第１面１０ａに設けられる。第２パターン部２２は、第１パターン部２１の隣に位置する。第２パターン部２２は、複数の第２光学部材２２ａを含む。複数の第２光学部材２２ａは、第１方向に離間して並び、光遮蔽性を有する。第２光学部材２２ａには、例えば、クロム（Ｃｒ）などが用いられる。第２光学部材２２ａの光透過率は、基板１０の光透過率よりも低い。第２光学部材２２ａは、リソグラフィにおいてマスク１１０に照射される第１光Ｌ１を遮蔽する部分である。隣り合う２つの第２光学部材２２ａの間の距離は、第２距離ｓ２である。第２距離ｓ２は、第１距離ｓ１と異なる。この例においては、第２距離ｓ２は、第１距離ｓ１よりも長い。

ここで、第１面１０ａと直交する方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向と交差する１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向と交差する１つの方向をＹ軸方向とする。第１方向は、例えば、Ｘ軸方向である。

マスク１１０は、例えば、半導体ウェーハＷｆの上に、階段形状のグレー領域を形成するグレーティングマスクとして機能する。

半導体ウェーハＷｆの上には、レジストＲが設けられている。半導体ウェーハＷｆは、例えば、３次元積層型半導体記憶素子に用いられる。３次元積層型半導体記憶素子においては、半導体ウェーハＷｆの端部を階段構造にして配線を行う。このとき、レジストＲを階段形状にして、半導体ウェーハＷｆを一度でエッチングすることが実施されている。レジストＲの階段形状は、マスク１１０のマスクパターンに応じて形成される。

マスク１１０は、第１光Ｌ１が入射されると、マスクパターンに応じた光Ｌを出射する。光Ｌは、マスク１１０を透過する透過光である。光Ｌは、０次回折光Ｌ_０と、＋１次回折光Ｌ_＋１と、−１次回折光Ｌ_−１と、を含む。マスク１１０は、０次回折光Ｌ_０のみが半導体ウェーハＷｆに到達するように、パターニングされている。このため、レジストＲには、マスクパターンの開口比に応じて、第１グレー領域ｒ１と、第２グレー領域ｒ２と、が形成される。つまり、第１グレー領域ｒ１は、第１パターン部２１を透過した０次回折光Ｌ_０の光強度に応じた厚さとなる。第２グレー領域ｒ２は、第２パターン部２２を透過した０次回折光Ｌ_０の光強度に応じた厚さとなる。光強度が大きいほど、グレー領域の厚さが薄くなる。

ここで、図２（ａ）に表すように、隣り合う２つの第１光学部材２１ａのＸ軸方向における中心間の距離を、第１パターンピッチｐ１とする。隣り合う２つの第２光学部材２２ａのＸ軸方向における中心間の距離を、第２パターンピッチｐ２とする。この例においては、第１パターンピッチｐ１と第２パターンピッチｐ２とは等しい。第１光学部材２１ａの光透過率、及び、第２光学部材２２ａの光透過率を共にｔとする。第１パターン部２１の第１規格化パターン間隔ａ１を、ｓ１／ｐ１とする。第２パターン部２２の第２規格化パターン間隔ａ２を、ｓ２／ｐ２とする。

第１パターン部２１から出射された０次回折光Ｌ_０の光強度Ｉ_０１は、以下の式１で表すことができる。

Ｉ_０１＝｜Ａ_０１｜^２ …（１）
Ａ_０１＝ａ１（１＋ｔ）−ｔ

第２パターン部２２から出射された０次回折光Ｌ_０の光強度Ｉ_０２は、以下の式２で表すことができる。

Ｉ_０２＝｜Ａ_０２｜^２ …（２）
Ａ_０２＝ａ２（１＋ｔ）−ｔ

なお、第１パターン部２１から出射された＋１次回折光Ｌ_＋１及び−１次回折光Ｌ_−１のそれぞれの光強度Ｉ_１±１は、以下の式３で表すことができる。

Ｉ_１±１＝｜Ａ_１±１｜^２ …（３）
Ａ_１±１＝（１＋ｔ）ｓｉｎ（ａ１π）／π

第２パターン部２２から出射された＋１次回折光Ｌ_＋１及び−１次回折光Ｌ_−１のそれぞれの光強度Ｉ_２±１は、以下の式４で表すことができる。

Ｉ_２±１＝｜Ａ_２±１｜^２ …（４）
Ａ_２±１＝（１＋ｔ）ｓｉｎ（ａ２π）／π

式１により、第１パターン部２１から出射された０次回折光Ｌ_０の光強度Ｉ_０１は、第１規格化パターン間隔ａ１、つまり、第１距離ｓ１によって決まる。式２により、第２パターン部２２から出射された０次回折光Ｌ_０の光強度Ｉ_０２は、第２規格化パターン間隔ａ２、つまり、第２距離ｓ２によって決まる。第２距離ｓ２は、第１距離ｓ１よりも長い。つまり、光強度Ｉ_０２は、光強度Ｉ_０１よりも大きい。このため、第２グレー領域ｒ２の厚さは、第１グレー領域ｒ１の厚さよりも薄くなる。

このように、規格化パターン間隔（ａ１、ａ２）、つまり、隣り合う２つの光学部材（２１ａ、２２ａ）の間の距離（ｓ１、ｓ２）を変化させることで、半導体ウェーハＷｆ上に、階段形状のグレー領域（ｒ１、ｒ２）を形成することが可能となる。

実施形態においては、第１光Ｌ１が第１パターン部２１に入射し第１パターン部２１を透過する光Ｌの第１位相ｐｈ１は、第１光Ｌ１が第２パターン部２２に入射し第２パターン部２２を透過する光Ｌの第２位相ｐｈ２とは異なる。第１位相ｐｈ１は、第１パターン部２１の透過光（光Ｌ）の位相である。第２位相ｐｈ２は、第２パターン部２２の透過光（光Ｌ）の位相である。

第２パターン部２２は、光透過性の第１部材３１を含む。第１部材３１の少なくとも一部は、複数の第２光学部材２２ａの間に設けられている。隣り合う２つの第２光学部材２２ａの間に、第１部材３１の少なくとも一部が設けられる。第１部材３１には、例えば、ＳｉＯ_２などのシリコン酸化物が用いられる。この例においては、第１部材３１は、複数の第２光学部材２２ａを覆っている。第１部材３１は、複数の第２光学部材２２ａを覆わなくてもよい。第１部材３１を設けることにより、第１位相ｐｈ１と第２位相ｐｈ２とを異ならせている。

第１部材３１の厚さｄ１は、第１位相ｐｈ１と第２位相ｐｈ２との位相差に基づいて定めることができる。この位相差は、例えば、４５度以上、１８０度以下が望ましい。この理由について、図１のグラフ４０に基づいて説明する。

グラフ４０は、マスク１１０を用いて半導体ウェーハＷｆを露光したときのウェーハ面の位置と光強度との関係を表している。縦軸は光強度Ｉを示し、横軸は半導体ウェーハＷｆのウェーハ面上の位置ｘを示す。

マスク１１０は、半導体ウェーハＷｆの上に、第１グレー領域ｒ１と第２グレー領域ｒ２とを形成する。このとき、第１グレー領域ｒ１と第２グレー領域ｒ２との境目の境界部分ｅｄにおいては、グラフ４０に示すボケ量Ｗが存在する。ボケ量Ｗは、λ／ＮＡで近似することができる。λは第１光Ｌ１の波長（ナノメートル：ｎｍ）を示し、ＮＡ（Numerical Aperture）は投影光学系の開口数を示す。

ボケ量Ｗが大きいと、境界部分ｅｄがなだらかに変化する。このため、第１グレー領域ｒ１と第２グレー領域ｒ２との境界がはっきりしない。半導体ウェーハＷｆの端部は、段差の凹凸がはっきりした階段状にならない。このため、半導体ウェーハＷｆの端部において領域の区別がつかなくなる可能性がある。従って、ボケ量Ｗを小さくすることが望ましい。

本発明者らは、ボケ量Ｗを小さくするために、マスクパターンの透過光に位相差を付与することが有効であることを見い出した。

グラフ４０は、マスク１１０の第１位相ｐｈ１と第２位相ｐｈ２との間で位相差を変化させて、ボケ量Ｗの変化の様子をシミュレーションした結果を示す。第１光Ｌ１は、照明を小さくし、Ｚ軸方向に沿ってマスク１１０に入射される。位相差特性４１は、位相差が０度の場合を示す。位相差特性４２は、位相差が４５度の場合を示す。位相差特性４３は、位相差が９０度の場合を示す。位相差特性４４は、位相差が１３５度の場合を示す。位相差特性４５は、位相差が１８０度の場合を示す。

このように、第１位相ｐｈ１と第２位相ｐｈ２との間の位相差を大きくするに従い、ボケ量Ｗは小さくなる。すなわち、位相差を、４５度以上、１８０度以下とすることで、ボケ量Ｗを小さくすることが可能となる。

ここで、第１光Ｌ１の波長をλ（ｎｍ）、第１部材３１の屈折率をｎ１、第１位相ｐｈ１と第２位相ｐｈ２との間の位相差をｐｈ（度）とする。第２パターン部２２においては、第１光Ｌ１が厚さｄ１（ｎｍ）の第１部材３１を進む光学的距離（光路長）は、ｄ１×ｎ１となる。真空の屈折率を１とすれば、第１パターン部２１においては、第１光Ｌ１が隣り合う２つの第１光学部材２１ａの間を進む距離はｄ１となる。従って、第１部材３１の厚さｄ１は、以下の式５により求めることができる。

ｄ１＝ｐｈ・λ／｛３６０（ｎ１−１）｝ …（５）

式５において、位相差を１８０度にしたい場合、ｐｈ＝１８０とすればよい。位相差を１３５度にしたい場合、ｐｈ＝１３５とすればよい。位相差を９０度にしたい場合、ｐｈ＝９０とすればよい。位相差を４５度にしたい場合、ｐｈ＝４５とすればよい。このようにして、所望の位相差に応じて、第１部材３１の厚さｄ１を決定することができる。第１部材３１の厚さｄ１は、式５で求まる値の、例えば、０．８倍以上、１．２倍以下が望ましい。

このように、実施形態によれば、ボケ量Ｗを小さくし、第１グレー領域ｒ１と第２グレー領域ｒ２との境界部分ｅｄを、段差の凹凸がはっきりした階段構造にすることができる。これにより、高精度なパターンを、容易に形成することができる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係るマスクを例示する模式的部分断面図である。
実施形態に係るマスク１１１には、第１部材３１の代わりに、溝部３２が設けられている。

第２パターン部２２は、基板１０に設けられた溝部３２を含む。溝部３２のＸ軸方向における位置は、隣り合う２つの第２光学部材２２ａの間である。溝部３２のＸ軸方向における位置は、複数の第２光学部材２２ａの２つのそれぞれのＸ軸方向における位置の間にある。溝部３２は、基板１０をエッチングにより掘り込むことで形成される。

溝部３２の深さｄ２は、第１位相ｐｈ１と第２位相ｐｈ２との位相差に基づいて定めることができる。この位相差は、第１の実施形態と同様に、例えば、４５度以上、１８０度以下が望ましい。

ここで、第１光Ｌ１の波長をλ（ｎｍ）、基板１０の屈折率をｎ２、第１位相ｐｈ１と第２位相ｐｈ２との間の位相差をｐｈ（度）とする。第１パターン部２１においては、第１光Ｌ１が厚さｄ２（ｎｍ）の基板１０を進む光学的距離（光路長）は、ｄ２×ｎ２となる。真空の屈折率を１とすれば、第２パターン部２２においては、第１光Ｌ１が深さｄ２（ｎｍ）の溝部３２を進む距離はｄ２となる。従って、溝部３２の深さｄ２は、以下の式６により求めることができる。

ｄ２＝ｐｈ・λ／｛３６０（ｎ２−１）｝ …（６）

式６において、位相差を１８０度にしたい場合、ｐｈ＝１８０とすればよい。位相差を１３５度にしたい場合、ｐｈ＝１３５とすればよい。位相差を９０度にしたい場合、ｐｈ＝９０とすればよい。位相差を４５度にしたい場合、ｐｈ＝４５とすればよい。このようにして、所望の位相差に応じて、溝部３２の深さｄ２を決定することができる。溝部３２の深さｄ２は、式６で求まる値の、例えば、０．８倍以上、１．２倍以下が望ましい。

このように、実施形態によれば、ボケ量Ｗを小さくし、第１グレー領域ｒ１と第２グレー領域ｒ２との境界部分ｅｄを、段差の凹凸がはっきりした階段構造にすることができる。これにより、高精度なパターンを、容易に形成することができる。

図４は、参考例に係るマスクを例示する模式的断面図である。
参考例に係るマスク１９９は、基板１０と、第１パターン部２１と、第２パターン部２２と、を含む。

マスク１９９においては、第１部材３１及び溝部３２はいずれも設けられていない。すなわち、第１パターン部２１の透過光の第１位相ｐｈ１と、第２パターン部２２の透過光の第２位相ｐｈ２とは、同相である。

グラフ５０は、マスク１９９を用いて半導体ウェーハを露光したときのウェーハ面の位置と光強度との関係を表している。縦軸は光強度Ｉを示し、横軸は半導体ウェーハのウェーハ面上の位置ｘを示す。

マスク１９９は、半導体ウェーハの上に、第１グレー領域と第２グレー領域とを形成する。このとき、第１グレー領域と第２グレー領域との境目の境界部分においては、グラフ５０に示すボケ量Ｗが存在する。ボケ量Ｗは、λ／ＮＡで近似することができる。λは第１光Ｌ１の波長（ｎｍ）を示し、ＮＡは投影光学系の開口数を示す。

グラフ５０は、投影光学系の開口数ＮＡを変化させて、ボケ量Ｗの変化の様子をシミュレーションした結果を示す。第１光Ｌ１は、照明を小さくし、Ｚ軸方向に沿ってマスク１９９に入射される。開口数特性５１は、開口数ＮＡが０．６３０の場合を示す。開口数特性５２は、開口数ＮＡが０．３１５の場合を示す。開口数特性５１のボケ量Ｗは、開口数特性５２のボケ量Ｗよりも小さい。つまり、ボケ量Ｗを小さくするには、投影光学系の開口数ＮＡを大きくすることが有効である。

しかしながら、投影光学系の開口数は、露光装置の仕様によって決まる。このため、一旦露光装置の仕様が決まってしまうと、変更することは難しく、容易にパターン形成することができない。

これに対して、実施形態によれば、マスクを加工して、半導体ウェーハの各領域に対応して位相差を付与するだけでよい。このため、露光装置の仕様によらず、高精度なパターンを、容易に形成することが可能となる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係るパターン形成方法に用いられる露光装置について説明する。

半導体装置を製造する際のリソグラフィ工程においては、高い解像性が必要な場合、例えば、波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを光源とする深紫外(ＤＵＶ)光がマスクの照明光源として用いられる。微細なパターンを形成するために、実際に形成するパターンの４倍サイズのマスク（レチクル）と、縮小投影光学系から構成される露光装置と、が用いられる。

図５は、第３の実施形態に係る露光装置を例示する模式図である。
図５に表すように、露光装置２００は、照明光学系２０１と、ステージ２０２と、マスク保持部２０３と、投影光学系２０４と、制御部２０５と、を含む。

ステージ２０２は、半導体ウェーハＷｆが載置されるステージである。ステージ２０２は、例えば、真空吸着によって半導体ウェーハＷｆをステージ２０２の上に吸着保持する。ステージ２０２は、Ｚ軸方向およびＸ−Ｙ平面に沿って移動可能である。

マスク保持部２０３は、マスク１１０を保持する。これにより、マスク１１０と半導体ウェーハＷｆとは、互いに離間して配置される。マスク保持部２０３は、Ｚ軸方向およびＸ−Ｙ平面に沿って移動可能である。これにより、半導体ウェーハＷｆとマスク１１０との相対的な位置関係が調整可能である。

マスク１１０は、基板１０と、第１パターン部２１と、第２パターン部２２と、を含む。基板１０は、所定の波長を有する第１光Ｌ１を透過する。第１パターン部２１は、複数の第１光学部材２１ａを含む。第２パターン部２２は、複数の第２光学部材２２ａを含む。

基板１０には、例えば、石英や合成石英などが用いられる。複数の第１光学部材２１ａ及び複数の第２光学部材２２ａには、例えば、クロム（Ｃｒ）が用いられる。複数の第１光学部材２１ａ及び複数の第２光学部材２２ａは、リソグラフィにおいてマスク１１０に照射される第１光Ｌ１を遮る部分である。

複数の第１光学部材２１ａ及び複数の第２光学部材２２ａのそれぞれは、ラインアンドスペースの周期的パターンを形成しているが、周期的パターンは島状のパターンであってもよい。

隣り合う２つの第１光学部材２１ａの間の第１距離ｓ１は、隣り合う２つの第２光学部材２２ａの第２距離ｓ２とは異なる。この例においては、第２距離ｓ２は、第１距離ｓ１よりも長い。

複数の第１光学部材２１ａのそれぞれの間を透過する光Ｌの第１位相ｐｈ１は、複数の第２光学部材２２ａのそれぞれの間を透過する光Ｌの第２位相ｐｈ２とは異なる。第１位相ｐｈ１は、第１パターン部２１の透過光の位相である。第２位相ｐｈ２は、第２パターン部２２の透過光の位相である。

複数の第２光学部材２２ａのそれぞれの間には、光透過性の第１部材３１の少なくとも一部が設けられている。第１部材３１には、例えば、ＳｉＯ_２などのシリコン酸化物が用いられる。この例においては、第１部材３１は、複数の第２光学部材２２ａを覆っている。第１部材３１は、複数の第２光学部材２２ａを覆わなくてもよい。第１部材３１を設けることにより、第１位相ｐｈ１と第２位相ｐｈ２とを異ならせている。第１部材３１の代わりに、図３に示す溝部３２を設けるようにしてもよい。

照明光学系２０１は、光源２０１ａと、光学部２０１ｂと、を含む。光源２０１ａには、例えば、ＡｒＦエキシマレーザおよびＫｒＦエキシマレーザのいずれかが用いられる。これらの光源２０１ａから出射される照明光の波長は、例えば、１９０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下である。光源２０１ａとして、高圧水銀ランプや他のレーザ光源を用いてもよい。

光学部材２０１ｂは、レンズ、ミラー、絞り、偏光素子、光学拡散板、および光学フィルタの少なくともいずれかを含む。例えば、光学部２０１ｂには、ハエの目レンズ、光学拡散板、および振動ミラーの少なくともいずれかを用いることができる。

ハエの目レンズは、平面内に複数のレンズを並べた光学部材である。

光学拡散板は、入射した光を複数の方向に拡散する光学部材である。すなわち、光学拡散板に入射した入射光の一部は、１つの方向に進行し、入射光の別の一部は、１つの方向とは異なる別の方向に進行する。

振動ミラーは、入射した光が反射される方向を切り替えることができる反射部材である。すなわち、振動ミラーは、入射光を１つの方向に向けて反射する第１状態と、入射光を１つの方向とは異なる別の方向に向けて反射する第２状態と、を有する。ハエの目レンズ、光学拡散板、振動ミラーなどの光学部材を用いることにより、例えば、光源を点光源から面光源に変換するとともに光源の輝度ムラを抑制することができる。例えば、照明光学系２０１の開口数を調整することができる。

照明光学系２０１は、光源２０１ａから出射された第１光Ｌ１を、光学部２０１ｂを介してマスク１１０に照射する。

投影光学系２０４は、マスク１１０と半導体ウェーハＷｆとの間に設けられる。投影光学系２０４は、例えば、投影レンズを含む。投影光学系２０４は、マスク１１０から出射された、０次回折光Ｌ_０、＋１次回折光Ｌ_+１及び−１次回折光Ｌ_-１のうち、０次回折光Ｌ_０のみを選択的に透過させる。

図６は、第３の実施形態に係るパターン形成方法を例示するフローチャート図である。
実施形態に係るパターン形成方法は、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０３を含む。

ステップＳ１０１において、実施形態に係るマスク１１０と、半導体ウェーハＷｆと、を配置する。ステップＳ１０２において、マスク１１０を透過した光Ｌを半導体ウェーハＷｆに照射する。

すなわち、ステップＳ１０２において、照明光学系２０１からの第１光Ｌ１を、マスク１１０の第１パターン部２１及び第２パターン部２２に入射させる。
マスク１１０により、第１パターン部２１を透過する光Ｌの第１位相ｐｈ１と、第２パターン部２２を透過する光Ｌの第２位相ｐｈ２と、を異ならせ、第１位相ｐｈ１の光Ｌ及び第２位相ｐｈ２の光Ｌのそれぞれの光像の０次回折光Ｌ_０、＋１次回折光Ｌ_+１及び−１次回折光Ｌ_-１を、投影光学系２０４に出射する。
投影光学系２０４により０次回折光Ｌ_０のみを選択的に透過させる。
投影光学系２０４を透過した０次回折光Ｌ_０は、半導体ウェーハＷｆに照射される。

そして、ステップＳ１０３において、０次回折光Ｌ_０が照射された領域に応じて半導体ウェーハＷｆの上にパターンが形成される。実施形態に係るパターン形成方法は、このようなフォトリソグラフィ工程に関する。

ここで、半導体ウェーハＷｆ上にグレー領域を形成するための光学条件、すなわち、＋１次回折光Ｌ_＋１と、−１次回折光Ｌ_−１と、を結像に寄与させないための投影光学系２０４及び照明光学系２０１の条件について説明する。

図７は、第３の実施形態に係る照明光学系及び投影光学系を例示する模式図である。
図７の例は、第１光Ｌ１と第１面１０ａとの間の角度が９０度である場合について示す。なお、図を見易くするために、第１パターン部２１の第１光学部材２１ａ、第１部材３１（または溝部３２）は図示しない。

＋１次回折光Ｌ_＋１と、−１次回折光Ｌ_−１と、を結像に寄与させないための投影光学系２０４及び照明光学系２０１の条件は、１次回折光Ｌ_＋１、Ｌ_−１の光軸の中心が投影光学系２０４の開口数ＮＡ１と照明光学系２０１の開口数ＮＡ２の和よりも大きい。すなわち、以下の条件を満たす。

ＮＡ１＋ＮＡ２＜ｓｉｎθ …（７）
ｓｉｎθ＝λ／ｐ２

式７において、ｐ２は第２光学部材２２ａの第２パターンピッチ（ｎｍ）を示す。第２パターンピッチｐ２は、隣り合う２つの第２光学部材２２ａのＸ軸方向における中心間の距離である。λは第１光Ｌ１の波長（ｎｍ）を示す。ＮＡ１は投影光学系２０４の開口数を示す。ＮＡ２は照明光学系２０１の開口数を示す。

式７より、以下の式８が導出される。

ｐ２＜λ／［{１+（ＮＡ２／ＮＡ１）}ＮＡ１］ …（８）

開口数ＮＡ２の開口数ＮＡ１に対する比をσ１（すなわち、ＮＡ２／ＮＡ１）とすると、以下の式（９）が得られる。

ｐ２＜λ／｛（１+σ１）ＮＡ１｝ …（９）

式８、式９を満たすように、第２光学部材２２ａの第２パターンピッチｐ２を決定する。同様に、第１光学部材２１ａの第１パターンピッチｐ１を決定すればよい。第１パターンピッチｐ１は、隣り合う２つの第１光学部材２１ａのＸ軸方向における中心間の距離である。これにより、＋１次回折光Ｌ_＋１と、−１次回折光Ｌ_−１と、を結像させず、０次回折光Ｌ_０のみを半導体ウェーハＷｆに照射できる。半導体ウェーハＷｆ上にグレー領域を形成することができる。

上述の実施形態においては、マスク１１０に対して垂直に照明する場合を例示して説明した。しかしながら、マスク１１０においては、第１パターン部２１及び第２パターン部２２のいずれかの片側にのみ、位相差を付けると、フォーカス位置によって横方向にパターン位置がずれる場合がある。これを回避するために、以下に説明するように、照明光学系２０１の照明を、例えば、ダイポール照明とすることが望ましい。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態に係る照明光学系及び投影光学系を例示する模式図である。
図８の例においては、第１光Ｌ１が第１面１０ａに対して傾斜する。さらに、第１面１０ａに垂直な第１軸ａｘ１に対して第１光Ｌ１と対称な第２光Ｌ２が、第１パターン部２１及び第２パターン部２２に入射する場合について示す。なお、図を見易くするために、第１パターン部２１の第１光学部材２１ａ、第１部材３１（または溝部３２）は図示しない。

照明光学系２０１は、第１面１０ａに垂直な第１軸ａｘ１に対して傾斜する第１光Ｌ１と、第１軸ａｘ１に対して第１光Ｌ１と対称な第２光Ｌ２と、をマスク１１０に入射させる。照明光学系２０１は、例えば、ダイポール照明である。ダイポール照明を用いて、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２をマスク１１０に斜めに入射させる。なお、この例においては、２方向からの入射としたが、光源形状を、例えば、輪状や楕円状などにして、中心を避けて多方向から照射するようにしてもよい。

ここで、ダイポール照明を用いた場合に、半導体ウェーハＷｆ上にグレー領域を形成するための光学条件、すなわち、＋１次回折光Ｌ_＋１と、−１次回折光Ｌ_−１と、を結像に寄与させないための投影光学系２０４及び照明光学系２０１の条件について説明する。

＋１次回折光Ｌ_＋１と、−１次回折光Ｌ_−１と、を結像に寄与させないための投影光学系２０４及び照明光学系２０１の条件は、１次回折光Ｌ_＋１、Ｌ_−１の光軸の中心が投影光学系２０４の開口数ＮＡ１、照明光学系２０１の開口数ＮＡ２、及び、照明光学系２０１の開口数のオフセットＮＡ_ｏｆｆの和よりも大きい。オフセットＮＡ_ｏｆｆとは、照明光源の中心位置の光軸からのずれ量をＮＡに換算した量である。すなわち、以下の条件を満たす。

ＮＡ１＋ＮＡ２＋ＮＡ_off＜ｓｉｎθ …（１０）
ｓｉｎθ＝λ／ｐ２

式１０において、ｐ２は第２光学部材２２ａの第２パターンピッチ（ｎｍ）を示す。第２パターンピッチｐ２は、隣り合う２つの第２光学部材２２ａのＸ軸方向における中心間の距離である。λは第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２の波長（ｎｍ）を示す。ＮＡ１は投影光学系２０４の開口数を示す。ＮＡ２は照明光学系２０１の開口数を示す。ＮＡ_ｏｆｆは照明光学系２０１の開口数のオフセットを示す。

式１０より、以下の式１１が導出される。

ｐ２＜λ／［｛１+（ＮＡ２／ＮＡ１）+（ＮＡ_ｏｆｆ／ＮＡ１）｝ＮＡ１］ …（１１）

開口数ＮＡ２の開口数ＮＡ１に対する比をσ１（ＮＡ２／ＮＡ１）、オフセットＮＡ_ｏｆｆの開口数ＮＡ１に対する比をσ_ｏｆｆ（ＮＡ_ｏｆｆ／ＮＡ１）とすると、以下の式１２が得られる。

ｐ２＜λ／｛（１+σ１＋σ_ｏｆｆ）ＮＡ１｝ …（１２）

式１１、式１２を満たすように、第２光学部材２２ａの第２パターンピッチｐ２を決定する。同様に、第１光学部材２１ａの第１パターンピッチｐ１を決定すればよい。第１パターンピッチｐ１は、隣り合う２つの第１光学部材２１ａのＸ軸方向における中心間の距離である。これにより、＋１次回折光Ｌ_＋１と、−１次回折光Ｌ_−１と、を結像させず、０次回折光Ｌ_０のみを半導体ウェーハＷｆに照射できる。半導体ウェーハＷｆ上にグレー領域を形成することができる。

このように、実施形態によれば、ダイポール照明にすることで、フォーカス位置がずれたときの像面において光強度の左右のバランスを略均等にすることができる。このため、フォーカス位置がずれても、パターン位置がすれることを抑制することができる。

図９は、第５の実施形態に係るマスクを例示する模式的断面図である。
マスク１１２は、基板１０と、第１パターン部２１と、第２パターン部２２と、第３パターン部２３と、第４パターン部２４と、を含む。第３パターン部２３及び第４パターン部２４のそれぞれには、光遮蔽性を有する複数の光学部材が周期的に設けられている。

第１〜第４の実施形態においては、第１パターン部２１と第２パターン部２２を含むマスクを例示して説明したが、パターン部の数は３つ以上でもよい。この場合、第１部材３１または溝部３２を交互に設けるようにしてもよい。図９に表すように、４つのパターン部を含む場合、例えば、２つ目の第２パターン部２２と、４つ目の第４パターン部２４に、第１部材３１を設ける。第２パターン部２２及び第４パターン部２４のそれぞれには、第１部材３１の代わりに溝部３２を設けるようにしてもよい。

また、光量を変えたい部分においては、パターンピッチが変わらないようにしてパターンの幅を変えるとよい。パターンピッチとは、例えば、隣り合う２つの第１光学部材２１ａのＸ軸方向における中心間の距離である。パターンピッチとは、例えば、隣り合う２つの第２光学部材２２ａのＸ軸方向における中心間の距離である。パターンピッチを変えないことで、パターン位置がずれることを抑制することができる。

実施形態によれば、高精度なパターンを容易に形成可能なマスク及びパターン形成方法が提供できる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、基板、第１パターン部及び第２パターン部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述したマスク及びパターン形成方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのマスク及びパターン形成方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

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。

１０…基板、 １０ａ…第１面、 ２１〜２４…第１〜第４パターン部、 ２１ａ、２１ｂ…第１、第２光学部材、 ３１…第１部材、 ３２…溝部、 ４０、５０…グラフ、 ４１〜４５…位相差特性、 ５１、５２…開口数特性、 １１０、１１１、１９９…マスク、 ２００…露光装置、 ２０１…照明光学系、 ２０１ａ…光源、 ２０１ｂ…光学部、 ２０２…ステージ、 ２０３…マスク保持部、 ２０４…投影光学系、 ２０５…制御部、 Ｌ…光、 Ｌ１、Ｌ２…第１、第２光、 Ｌ_０…０次回折光、 Ｌ_＋１…＋１次回折光、 Ｌ_−１…−１次回折光、 ＮＡ１、ＮＡ２…開口数、 Ｒ…レジスト、 Ｗ…ボケ量、 Ｗｆ…半導体ウェーハ、 ａ１、ａ２…第１、第２規格化パターン間隔、 ｄ１…厚さ、 ｄ２…深さ、 ｅｄ…境界領域、 ｎ１、ｎ２…屈折率、 ｐ１、ｐ２…第１、第２パターンピッチ、 ｒ１、ｒ２…第１、第２グレー領域、 ｔ…光透過率、 ｓ１、ｓ２…第１、第２距離

Claims (8)

1. 第１面を含み光透過性を有する基板と、
   前記第１面に設けられ前記第１面に沿う第１方向に並ぶ複数の第１光学部材を含む第１パターン部であって、前記複数の第１光学部材の光透過率は、前記基板の光透過率よりも低く、隣り合う２つの前記第１光学部材の間の距離は、第１距離である、前記第１パターン部と、
   前記第１面に設けられ前記第１方向に並ぶ複数の第２光学部材を含む第２パターン部であって、前記複数の第２光学部材の光透過率は、前記基板の前記光透過率よりも低く、隣り合う２つの前記第２光学部材の間の距離は、前記第１距離とは異なる第２距離である、前記第２パターン部と、
   を備え、
   第１光が前記第１パターン部に入射し前記第１パターン部を透過する光の第１位相は、前記第１光が前記第２パターン部に入射し前記第２パターン部を透過する光の第２位相とは異なるマスク。
2. 前記第２パターン部は、光透過性の第１部材を含み、
   前記第１部材の少なくとも一部が、前記複数の第２光学部材の間に設けられた、請求項１記載のマスク。
3. 前記第１部材の厚さをｄ１（ナノメートル）、前記第１部材の屈折率をｎ１、前記第１光の波長をλ（ナノメートル）、前記第１位相と前記第２位相との間の位相差をｐｈ（度）としたときに、前記ｄ１は、ｐｈ・λ／｛３６０（ｎ１−１）｝の０．８倍以上１．２倍以下である、請求項２記載のマスク。
4. 前記第２パターン部は、前記基板に設けられた溝部を含み、
   前記溝部の前記第１方向における位置は、隣り合う２つの前記第２光学部材の間である、請求項１記載のマスク。
5. 前記溝部の深さをｄ２（ナノメートル）、前記基板の屈折率をｎ２、前記第１光の波長をλ（ナノメートル）、前記第１位相と前記第２位相との間の位相差をｐｈ（度）としたときに、前記ｄ２は、ｐｈ・λ／｛３６０（ｎ２−１）｝の０．８倍以上１．２倍以下である、請求項４記載のマスク。
6. 前記第１光と前記第１面との間の角度が９０度であり、
   隣り合う２つの前記第２光学部材の前記第１方向における中心間の距離がｐ２(ナノメートル）であり、
   前記第１光の波長がλ（ナノメートル）であり、
   投影光学系の開口数がＮＡ１であり、
   照明光学系の開口数がＮＡ２であるとき、前記ｐ２は、
   λ／［{１+（ＮＡ２／ＮＡ１）}ＮＡ１］よりも小さい、請求項１〜５のいずれか１つに記載のマスク。
7. 前記第１光は前記第１面に対して傾斜し、
   前記第１面に垂直な第１軸に対して前記第１光と対称な第２光が、前記第１パターン部及び前記第２パターン部に入射し、
   隣り合う２つの前記第２光学部材の前記第１方向における中心間の距離がｐ２（ナノメートル）であり、
   前記第１光及び前記第２光の波長がλ（ナノメートル）であり、
   投影光学系の開口数がＮＡ１であり、
   照明光学系の開口数がＮＡ２であり、
   前記照明光学系の前記開口数のオフセットがＮＡ_ｏｆｆであるとき、前記ｐ２は、
   λ／［｛１+（ＮＡ２／ＮＡ１）+（ＮＡ_ｏｆｆ／ＮＡ１）｝ＮＡ１］よりも小さい、請求項１〜５のいずれか１つに記載のマスク。
8. 第１面を含み光透過性を有する基板と、
   前記第１面に設けられ前記第１面に沿う第１方向に並ぶ複数の第１光学部材を含む第１パターン部であって、前記複数の第１光学部材の光透過率は、前記基板の光透過率よりも低く、隣り合う２つの前記第１光学部材の間の距離は、第１距離である、前記第１パターン部と、
   前記第１面に設けられ前記第１方向に並ぶ複数の第２光学部材を含む第２パターン部であって、前記複数の第２光学部材の光透過率は、前記基板の前記光透過率よりも低く、隣り合う２つの前記第２光学部材の間の距離は、前記第１距離とは異なる第２距離である、前記第２パターン部と、
   を備えたマスクを用いたパターン形成方法であって、
   前記マスクと、半導体ウェーハと、を配置する工程と、
   照明光学系からの第１光を、前記第１パターン部及び前記第２パターン部に入射させる工程と、
   前記マスクにより、前記第１パターン部を透過する光の第１位相と、前記第２パターン部を透過する光の第２位相と、を異ならせ、前記第１位相の前記光及び前記第２位相の前記光のそれぞれの光像の０次光、＋１次光及び−１次光を、投影光学系に出射する工程と、
   前記投影光学系により前記０次光のみを透過させる工程と、
   前記０次光を、前記半導体ウェーハに照射し、前記半導体ウェーハの上にパターンを形成する工程と、
   を備えたパターン形成方法。
   

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