专利名称：相移掩模及用它的图形的形成方法和电子器件的制造方法
技术领域：
本发明涉及中间色调型的相移掩模、使用该种相移掩模的图形的形成方法和电子器件的制造方法。
背景技术：
近年来，半导体集成电路中的高集成化和微细化是惊人的。与之相随，在半导体衬底(以下仅称为晶片)上所形成的电路图形的微细化也正在取得急剧的进展。
尤其是，光刻技术被广泛地认为是一种图形形成中的基本技术。因而，迄今已对其进行了各种开发和改进。然而，图形的微细化永无止境，提高图形的分辨率的要求仍在进一步增强。
这种光刻技术指的是将光掩模(原图)上的图形复制到涂敷在晶片上的光致抗蚀剂上，并用该复制了的光致抗蚀剂对供刻蚀的下层覆膜进行构图的技术。
在对该光致抗蚀剂进行图形复制时，要对光致抗蚀剂进行显影处理，通过该显影处理，受光照部分的光致抗蚀剂被除去的类型称为正型光致抗蚀剂，未受光照部分的光致抗蚀剂被除去的类型称为负型光致抗蚀剂。
一般来说，使用了缩小曝光方法的光刻技术中的分辨极限R(nm)被表示为R＝k1·λ/(NA)这里，λ为所使用的光的波长(nm)，NA为透镜的投影光学系统的数值孔径，k1是与成像条件和抗蚀剂工艺有关的常数。
从上式可知，为了实现分辨极限R的提高，即为了得到微细图形，要考虑采用减小k1值和λ值、增大NA值的方法。也就是说，在减小与抗蚀剂工艺有关的常数的同时，波长可继续缩短、NA可继续增高。
其中，要缩短光源的波长在技术上很难，这就使得在同一波长下增高NA成为必要。然而，如增高NA，则光的焦深δ(δ＝k2·λ/(NA)2)变浅，存在招致所形成图形的形状、尺寸精度恶化的问题。
因此，通过改进光掩模，而不是改进光源或透镜来进行实现图形微细化的研究。最近，作为使图形分辨率提高的光掩模，相移掩模正日益引人注目。
作为这样的相移掩模，例如通过用最佳尺寸的组合来构成半透明相移部和透过部，在特开平10-293392号公报中公开了形成有效的暗部的相移掩模。
然而，在应用现有的相移掩模形成孔图形的情况下，特别是在形成比曝光波长小的尺寸的图形时，掩模尺寸的微细变化被反映为晶片上所形成的抗蚀剂图形的尺寸的很大变化。因此，存在形成所希望尺寸的孔图形变得困难的问题。也就是说，由于必须有尺寸误差非常小的掩模图形，所以有在掩模制造方面要求先进的技术、掩模成本增大的问题。
另外，在用现有的孔图形形成方法所形成的图形中，存在因尺寸不均匀引起的半导体集成电路制造中的成品率降低的问题，或者如为了避免这一点而增大图形配置间隔，则存在集成度降低的问题。
另外，为了消除图形尺寸的不均匀本身，则存在高精度掩模成为必要、成本增高的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述这样的问题而进行的，其目的在于以不降低集成度并且以低成本提供可形成尺寸均匀性优越的图形的相移掩模、使用该种相移掩模的图形的形成方法和电子器件的制造方法。
本发明的相移掩模包括由透过曝光光的材料构成的基板和具有在该基板上形成的并且露出基板的一部分表面的开口部的中间色调遮光膜。透过中间色调遮光膜的曝光光的相位与透过开口部的曝光光的相位不同。采用透过中间色调遮光膜的曝光光的光强相对于透过开口部的曝光光的光强之比所定义的透光率为15％以上、25％以下。基于曝光光的波长λ/数值孔径NA被定为1的测量，开口部的尺寸为0.26以上、0.45以下。
按照本发明的相移掩模，基于曝光光的波长λ/数值孔径NA被定为1的测量，开口部的尺寸为0.26以上、0.45以下，从而相对于开口部的尺寸变化而言，能减小在光致抗蚀剂中所形成的图形的尺寸变化(MEF)。
当透光率(I2/I1)不足15％时，MEF增大。另外，如透光率(I2/I1)超过25％，则无法进行相移掩模的缺陷检查。即，如假定透光率(I2/I1)在15％以上但不足25％，则可进行掩模制造中的缺陷检查，并可利用该掩模进行MEF小的复制。
本发明的上述和其它的目的、特征、方面和优点可从结合附图而被理解的涉及本发明的如下的详细说明中变得明白。
图1是概略地示出本发明实施例1中的相移掩模的结构的剖面图。
图2是概略地示出使用了本发明的一个实施例中的相移掩模的投影曝光装置的结构图。
图3是用于说明通常照明的图。
图4是用于说明变形照明的图。
图5是示出十字极照明光阑的结构的平面图。
图6是示出环带照明光阑的结构的平面图。
图7是示出4极照明光阑的结构的平面图。
图8～图10是按工序顺序示出采用本发明的一个实施例中的相移掩模并且光致抗蚀剂为负型时的图形形成方法的概略剖面图。
图11、图12是按工序顺序示出采用本发明的一个实施例中的相移掩模并且光致抗蚀剂为正型时的图形形成方法的概略剖面图。
图13是示出以图1所示的相移掩模的开口部为孤立图形、该孤立图形的尺寸W＝280nm时利用成像系统所形成的光学图像的图。
图14是示出以图1所示的相移掩模的开口部为孤立图形、该孤立图形的尺寸W＝200nm时利用成像系统所形成的光学图像的图。
图15是示出以图1所示的相移掩模的开口部为孤立图形、该孤立图形的尺寸W＝120nm时利用成像系统所形成的光学图像的图。
图16是示出以图1所示的相移掩模的开口部为孤立图形、该孤立图形的尺寸W＝40nm时利用成像系统所形成的光学图像的图。
图17是示出在图13～图16中所使用的十字极照明光阑的结构的平面图。
图18是示出图1所示的相移掩模中使开口部的尺寸W(掩模宽度)变化时的光学图像变化的图。
图19是以由限制水平决定的图像的尺寸(在光致抗蚀剂上所形成的图形的尺寸，图像CD)为所形成的开口部的尺寸(掩模宽度)的函数而绘制的图。
图20(A)、图20(B)、图20(C)是在重视图形通用性的光学条件下改变图形间距时绘制图像尺寸、MEF和焦深(DOF)各自的变化的图。
图21是示出在本发明的一个实施例中的相移掩模上孤立图形和密集图形混在一起的状态的概略平面图。
具体实施例方式
以下，根据
本发明的实施例。
参照图1，相移掩模5具有透明基板1和中间色调遮光膜2。透明基板1由使曝光光透过而对曝光光透明的材料构成。中间色调遮光膜2具有在透明基板1上形成并且露出透明基板1的一部分表面的开口部2a。
中间色调遮光膜2被构成为形成透过该中间色调遮光膜2的曝光光的相位与透过开口部2a的曝光光的相位不同的相位(例如相差180度的相位)。另外，用透过中间色调遮光膜2的曝光光的光强I2与透过开口部2a的曝光光的光强I1之比(I2/I1)所定义的透光率为15％以上、25％以下。另外，基于曝光光的波长(λ)/数值孔径(NA)被定为1的测量，开口部2a的尺寸为0.26以上、0.45以下。
这里，开口部2a的尺寸W意味着开口部2a的平面形状为矩形时该矩形1边的尺寸。
下面说明使用了图1所示的相移掩模的图形形成方法。
参照图2，该投影曝光装置将相移掩模5上的图形缩小后投射到晶片20表面的光致抗蚀剂23上。另外，投影曝光装置具有从光源11到相移掩模5的图形的照明光学系统和从相移掩模5的图形到晶片20的投影光学系统。
照明光学系统具有作为光源的汞灯11、反射镜12、聚光透镜18、蝇眼透镜13、光阑14、聚光透镜16a、16b、16c、盲光阑15和反射镜17。另外，投影光学系统具有投影透镜19a、19b和光阑25。
在该曝光工作中，首先，从汞灯11发出的光11a仅有其中的例如i线(波长365nm)被反射镜12反射，变成单波长的光。其次，光11a通过聚光透镜18，入射到蝇眼透镜13的各蝇眼结构透镜13a上，然后通过光阑14。
这里，光11b示出由1个蝇眼结构透镜13a建立的光程，光11c示出由蝇眼透镜13建立的光程。
通过光阑14的光11a通过聚光透镜16a、盲光阑15和聚光透镜16b，被反射镜17以规定角度反射。
被反射镜17反射的光11a在透过聚光透镜16c后，均匀照射形成了规定图形的相移掩模5的整个面。其后，光11a被投影透镜19a、19b按规定的倍率缩小，对晶片20表面的光致抗蚀剂23曝光。
在本实施例中，相移掩模5的照明不是通常照明，而是靠变形照明进行的。在通常照明的情况下，如图3所示，曝光光被垂直照射到相移掩模5上，依靠0次光和±1次光这3个光束对晶片20曝光。但是，如相移掩模5的图形变得微细，则由于衍射角增大，在垂直照明下，±1次光不进入透镜中，有可能不进行解像。
因此，如图4所示，依靠变形照明，照明光束被倾斜地入射到相移掩模5上。由此，只能用被相移掩模5衍射的0次光和+1次光或-1次光这2个光束曝光，从而可得到高分辨率。
在这种变形照明中，如图5所示具有4个透射部14a的十字极照明光阑，或如图6所示具有带状透射部14a的环带照明光阑，或如图7所示具有4个透射部14a、并且具有将十字极照明旋转了45度的形状的4极照明光阑均可用作图2的光阑14。由此，十字极照明或环带照明或4极照明均可作为变形照明而实现。
再有，在应用十字极照明时，被配置于晶片面内的沿X、Y坐标的正交网格上的高密集图形的配置成为可能。另外，在应用环带照明的情况下，与图形配置依赖性小的通用图形形成成为可能。另外，在应用4极照明时，在晶片面内，沿X、Y坐标，在对用十字极照明形成的图形配置旋转了45度的状态下在正交网格上所配置的高密集图形的配置成为可能。
参照图8，利用这样的变形照明对相移掩模5进行了照明的曝光光又对晶片20表面的光致抗蚀剂23进行曝光。通过对被曝光后的光致抗蚀剂23进行显影而构图。在该显影中，当光致抗蚀剂23为负型时，如图9所示，只有输入了规定值以下的曝光能量的部分的光致抗蚀剂23才被除去，从而光致抗蚀剂23被构图。以该被构图后的光致抗蚀剂23为掩模，刻蚀下层的被刻蚀膜22，从而可使该被刻蚀膜22形成孔图形22a。其后，可用例如灰化等方法除去光致抗蚀剂23，如图10所示，可制造在半导体衬底21上形成了其中具有微细的孔图形22a的被刻蚀膜22的半导体器件。
另外，在上述显影中，在光致抗蚀剂23为正型的情况下，如图11所示，只有输入了规定值以上的曝光能量的部分的光致抗蚀剂23才被除去，从而光致抗蚀剂23被构图。以该被构图后的光致抗蚀剂23为掩模，刻蚀下层的被刻蚀膜22，从而可使该被刻蚀膜22形成点图形22a。其后，可用例如灰化等方法除去光致抗蚀剂23，如图12所示，可制造在半导体衬底21上形成了由微细的点图形构成的被刻蚀膜22的半导体器件。
再有，无论在光致抗蚀剂23是负型还是正型的任何情况下，光致抗蚀剂23的曝光最好基于波长λ/数值孔径NA被定为1的测量，用开口直径为10以上的大尺寸开口图形，在光致抗蚀剂23感光时溶解性反转的转变曝光量的10倍以上、40倍以下的曝光量下进行。其原因是，在除此以外的范围的曝光量下，很难得到良好的分辨率。
按照本实施例的相移掩模，用光致抗蚀剂形成的图形(孔图形图9，点图形图11)的尺寸变化相对于用掩模形成的图形(开口部2a)的尺寸变化(MEF掩模误差增强因子)可以减小。以下，说明这种情况。
各曲线中的参数是焦点。作为光学条件，曝光光的波长为248nm，数值孔径NA为0.80，照明为十字极照明(σin/σout＝0.70/0.85)。该十字极照明的光阑14的形状是具有如图17所示的4个透光部14a的形状，另外，相移掩模5的透射率(I1/I2)为20％。
当相移掩模5的开口部的尺寸W大时，大体对应于用现有的中间色调型相移掩模形成图形的情形。这时，如图13所示，开口部2a的透射光的强度远远大于具有消除开口部2a的透射光的相位关系的中间色调遮光膜2的透射光的强度。因此，在对应于开口部2a的区域，形成了比其它区域明亮的部分(光强高的部分)。
如果减小开口部2a的尺寸W，则如图14所示，开口部2a的透射光的强度变小，中间色调遮光膜2的透射光造成的光强的消除相对地增大。由此，形成了与中间色调遮光膜2的透射光的强度大致相同的强度的像。这时，像的对比度很小，用光致抗蚀剂形成图形变得困难。
如果进一步减小开口部2a的尺寸W，则开口部2a的透射光强度与中间色调遮光膜2的透射光强度变得大致相等。这时，由于相互的相位成为反相的关系(也就是说，两者的相位相差180度的关系)，如图15所示，在对应于开口部2a的区域，作为比其它区域暗得多的点而形成图像。如应用负型光致抗蚀剂形成该图像，则可用光致抗蚀剂形成孔图形。
如果进一步减小开口部2a的尺寸W，则如图16所示，此次透过开口部2a的光的强度变得小于中间色调遮光膜2的透射光的强度，二者抵消的效果变小，从而暗点的暗度变得很弱(即变得明亮)。
如果进一步减小开口部2a的尺寸W，则与不存在开口部2a的情况实质上变得相同，图像的反差消失。
在这里的光学条件下，可以得知，如图15所示，暗点像表现出优越的聚焦特性。
如上可知，在中间色调型的相移掩模中，以开口部2a的某尺寸为界，当使尺寸比该边界尺寸增大或减小时，在对应于开口部2a的区域所形成的暗点像的暗度变弱(即变得明亮)。
从图18的光学图像变化可知，如上所述，光学图像强度的极小值在开口部2a的某尺寸W(这里，掩模宽度为100～120nm)处变得最小，在开口部2a的尺寸W比它大(80nm)或比它小(140nm)时，光学图像强度的极小值均增大。
这样，如以某恒定的曝光量用开口部2a的尺寸W不同的掩模图形对光致抗蚀剂进行曝光，则光致抗蚀剂上所形成的图形的尺寸与其中图像变得小于图中的限制水平的部分的尺寸大体一致，这是由于在该限制水平的强度下分开了光致抗蚀剂的溶解/非溶解状态的缘故。即，无论增大或减小掩模的开口部2a的尺寸W，光致抗蚀剂上所形成的图形的尺寸都要减小。特别是，在像强度的极小值成为最小的开口部2a的尺寸W的情形下，光致抗蚀剂上所形成的图形的尺寸与该开口部2a的尺寸W无关(微分为零)。
从图19可知，像的尺寸在开口部2a的某尺寸下成为极大。即，作为使开口部2a的尺寸成为极大的值，如进行图形形成，则即使开口部2a的尺寸因掩模制造误差而发生变动，也可使像的尺寸几乎不变。再有，参数是限制水平(与曝光量成反比的量)。
在目前的掩模制造技术的能力(技术状态)下，因开口部2a的尺寸的制造误差造成的分布在(作为从×4掩模中的值换算成晶片上的值)的范围内为5nm以下。因此，如果假定使开口部2a的尺寸为极大的值，则可知，即使开口部2a的尺寸因制造误差而变动5nm，图像的尺寸的变化也变得极小(1～2nm以下)。
这样，因用掩模形成的图形的尺寸变动而造成的图像的尺寸变动的比例被称为MEF(掩模误差增强因子)，用下式定义。
MEF＝ΔCD晶片/ΔCD掩模在此式中，“ΔCD(临界尺寸)晶片”是图像的尺寸变动，“ΔCD掩模”是用掩模形成的图形换算为在晶片上图形的尺寸变动。
按照现有的方法在形成微细孔图形时，该MEF的值增大，用掩模形成的图形的微小尺寸变动被反映为图像的尺寸的大的变动，使得本来应为恒定尺寸的图形的尺寸有大的分布。由此可知，对器件的成品率及性能有恶劣的影响，这成为微细图形形成中的大问题。
与此相对照，在本实施例中，通过将开口部2a的尺寸定为80nm以上、140nm以下，可减小上述的MEF，从而可形成几乎不受开口部2a的尺寸影响的图形，可得到优越的制造成品率及器件性能。
再有，如果开口部2a的尺寸在100nm以上、120nm以下，则即使开口部2a的尺寸因制造误差而变动5nm，也可将图像的尺寸的变化压低到5nm左右，这是很理想的。
上述开口部2a的尺寸(为80nm以上、140nm以下，最好为100nm以上、120nm以下)是曝光光的波长λ为248nm、数值孔径NA为0.80的情况，但在其它波长λ和数值孔径NA的情下，也有可减小MEF的恰当的开口部2a的尺寸。
因此，为求得这样的适当的开口部的尺寸，可从下式求得当基于波长λ/数值孔径NA被定为1进行测量时的开口部2a的尺寸W0。
开口部2a的尺寸波长λ/数值孔径NA＝80nm以上、140nm以下248/0.80＝W0∶1如上所述，由于(248/0.80)×W0＝80nm以上、140nm以下，所以W0为0.26以上、0.45以下。
另外，关于开口部2a的尺寸的最佳范围(100nm以上、120nm以下)，也与上述一样，如换算为基于波长λ/数值孔径NA被定为1进行测量时的尺寸W1，则该尺寸W1为0.32以上、0.39以下。
如上所述，在各波长和各数值孔径NA中，在基于波长λ/数值孔径NA被定为1进行测量时，如开口部2a的尺寸为0.26以上、0.45以下，最好为0.32以上、0.39以下，则可减小MEF。
再有，当透光率(I2/I1)不足15％时，图19中所示的曲线的曲率变大，从而MEF增大。另外，如透光率(I2/I1)超过25％，则无法进行相移掩模的检查。
掩模尺寸为恒定值120nm，不必进行用于使图像尺寸恒定的掩模的图形尺寸的微调(所谓光接近效果校正(OPC)。
从图20A、B、C可知，由于不进行OPC，在图形间距小的密集部，图像尺寸变大，但在从图形间距极大的孤立图形到图形间距为300nm的范围内，在MEF＜1、DOF＞0.45下图形的形成成为可能。
再有，作为在图20A、B、C中的光学条件，曝光光的波长为248nm，数值孔径NA为0.80，照明为十字极照明(比图13～图16的光强弱的变形照明)。另外，相移掩模5的透射率(I2/I1)为20％。
此外，按照使用了本实施例的相移掩模的图形的形成方法，通过调整掩模的图形尺寸和限制水平(曝光量)，可形成极为密集的孔图形。例如，本申请发明人研究了当改变焦点时按0.1微米规则的DRAM(动态随机存取存储器)的存储节点接触的图形的光学图像的变化。再有，相邻孔的中心间距定为200nm。
其结果是，即使焦点偏离最佳焦点±0.3微米，也能得到良好的光学图像。由此，按照使用了本实施例的相移掩模的图形的形成方法，可知在极为密集的图形中，也能得到＞0.6微米的DOF。
另外，在本实施例的相移掩模中，孤立图形和密集图形两者可混合存在。
参照图21，说明上述“孤立图形”、“密集图形”的意义。图21是本发明的一个实施例的相移掩模中示出孤立图形和密集图形混合存在的形态的概略平面图。参照图21，孤立图形是指在用数值孔径NA/波长λ进行测量时在从该孤立图形2a的中心算起半径R1为3的距离处其它图形不存在的图形。另外，由多个图形构成的密集图形是指在用数值孔径NA/波长λ进行测量时在从1个图形2a的中心算起半径R2为1的距离处其它图形2a存在的图形。
再有，以上说明了例如半导体器件的制造方法作为图形的形成方法，但除此以外，本发明也可应用于液晶显示器件、薄膜磁头等的电子器件的制造方法。
尽管已对本发明进行了详细的说明，但这只是例示性的而非限定性的，发明的精神和范围可被明确地理解为仅由所附的权利要求的范围来限定。
权利要求
1.一种相移掩模，其特征在于包括由透过曝光光的材料构成的基板(1)；以及在上述基板(1)上形成、并且具有露出上述基板(1)的一部分表面的开口部(2a)的中间色调遮光膜(2)，透过上述中间色调遮光膜(2)的曝光光的相位与透过上述开口部(2a)的曝光光的相位不同，由透过上述中间色调遮光膜(2)的曝光光的光强对透过上述开口部(2a)的曝光光的光强之比所定义的透光率为15％以上、25％以下，上述开口部(2a)的尺寸在基于曝光光的波长λ/数值孔径NA被定为1进行测量时为0.26以上、0.45以下。
2.一种使用了相移掩模的图形的形成方法，其特征在于利用变形照明来照明权利要求1所述的上述相移掩模。
3.如权利要求2所述的使用了相移掩模的图形的形成方法，其特征在于上述变形照明是十字极照明。
4.如权利要求2所述的使用了相移掩模的图形的形成方法，其特征在于上述变形照明是环带照明。
5.如权利要求2所述的使用了相移掩模的图形的形成方法，其特征在于上述变形照明是4极照明。
6.如权利要求2所述的使用了相移掩模的图形的形成方法，其特征在于，包括利用对上述相移掩模(5)进行照明的曝光光，使涂敷在晶片上的负型光致抗蚀剂(23)曝光的工序；以及使已曝光的上述光致抗蚀剂(23)显影的工序。
7.如权利要求6所述的使用了相移掩模的图形的形成方法，其特征在于在基于波长λ/数值孔径NA被定为1进行测量时，用开口直径为10以上的大尺寸开口图形，在上述光致抗蚀剂(23)感光时溶解性反转的转变曝光量的10倍以上、40倍以下的曝光量下使上述光致抗蚀剂(23)曝光。
8.如权利要求2所述的使用了相移掩模的图形的形成方法，其特征在于，包括利用对上述相移掩模(5)进行照明的曝光光，使涂敷在晶片上的正型光致抗蚀剂(23)曝光的工序；以及使已曝光的上述光致抗蚀剂(23)显影的工序。
9.如权利要求8所述的使用了相移掩模的图形的形成方法，其特征在于在基于波长λ/数值孔径NA被定为1进行测量时，用开口直径为10以上的大尺寸开口图形，在上述光致抗蚀剂(23)感光时溶解性反转的转变曝光量的10倍以上、40倍以下的曝光量下使上述光致抗蚀剂(23)曝光。
10.一种电子器件的制造方法，其特征在于利用权利要求2的图形形成方法制造具有孔图形(22a)或点图形(22)的电子器件。
全文摘要
本发明的相移掩模包括在基板1上形成、并且具有露出基板1的一部分表面的开口部2a的中间色调遮光膜2。透过中间色调遮光膜2的曝光光的相位与透过开口部2a的曝光光的相位相差180度。由透过中间色调遮光膜2的曝光光的光强对透过开口部2a的曝光光的光强之比所定义的透光率为15％以上、25％以下。开口部2a的尺寸在基于曝光光的波长λ/数值孔径NA被定为1进行测量时为0.26以上、0.45以下。由此，得到一种不使集成度降低并且以低成本即可形成尺寸均匀性优越的图形的相移掩模、使用了该相移掩模的图形形成方法和电子器件的制造方法。
文档编号G03F1/76GK1525245SQ20031010147
公开日2004年9月1日 申请日期2003年10月20日 优先权日2003年2月18日
发明者中尾修治 申请人:株式会社瑞萨科技