DE10055280B4

DE10055280B4 - Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling, Phasenverschiebungs-Photomaske und Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE10055280B4
Application number: DE10055280A
Authority: DE
Inventors: Akihiko Chichibu Isao; Susumu Chichibu Kawada; Shuichiro Chichibu Kanai; Nobuyuki Yoshioka; Kazuyuki Maetoko
Original assignee: Ulvac Coating Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Ulvac Coating Corp; Renesas Electronics Corp
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: US6569577B1; KR100669871B1; TW460746B; JP2001201842A; KR20010051529A; DE10055280A1

Abstract

Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling mit einer Halbton-Phasenverschiebungsschicht, wobei diese Halbton-Phasenverschiebungsschicht aus drei Lagen besteht und der Brechungsindex n₂ der mittleren Lage der Schicht kleiner als der Brechungsindex n₁ ihrer oberen und der Brechungsindex n₃ ihrer unteren Lage ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen aus einer mehrlagigen Phasenverschiebungsschicht bestehenden Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling, ferner eine Phasenverschiebungs-Photomaske sowie, ein Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit Hilfe der Maske. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Phasenverschiebungs-Photomaske und einen Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling vom Dämpfungs-(Halbton)-Typ zur Verwendung bei der Herstellung der Photomaske sowie ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements mit Hilfe der Maske.
Als Phasenverschiebungs-Photomasken vom Dämpfungstyp wurden solche vorgeschlagen, die einlagige Schichten besitzen (siehe z. B. JP 7-140635 A ) sowie solche, die zweilagige Schichten besitzen (siehe z. B. JP 8-74031 A ) Die Schichtstruktur einer Phasenverschiebungs-Photomaske vom Dämpfungstyp mit einer einlagigen Schicht ist in 1 dargestellt, diejenige einer Photomaske mit einer zweilagigen Schicht in 2.
Im Zuge der jüngsten Entwicklung der Verfahren zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen wurden die Muster der integrierten Halbleiterschaltungen immer feiner, was wiederum zu einer Verringerung der Wellenlänge des für die Belichtung benutzten Lichts führte. Aus diesem Grund wurden für Phasenverschiebungs-Photomasken vom Dämpfungstyp, die die Intensität der die gewünschte Wellenlänge aufweisenden Lichtstrahlen für die Belichtung dämpfen, folgende Eigenschaften gefordert:

(1) Die Phasendifferenz (PS) sollte der folgende Bedingung genügen: PS = 175° bis 180°;
(2) der Transmissionsfaktor (Transmittanz) (T_exp) bei der Wellenlänge (λ_exp) der für die Belichtung benutzten Lichtstrahlen sollte der folgenden Bedingung genügen: T_exp = 2% bis 30%;
(3) die Transmittanz (T_insp) bei der Prüfwellenlänge (λ_insp) sollte der folgenden Bedingung genügten: T_insp < etwa 40% bis 50% (z. B. λ_insp = 365 nm, wenn λ_exp = 193 nm);
(4) Der Reflexionsfaktor (R_exp) bei der Belichtungswellenlänge sollte vorzugsweise der folgenden Bedingung genügen: R_exp < etwa 20%; und
(5) die Schichtdicke d ist vorzugsweise gering.

Wenn bei der oben beschriebenen herkömmlichen Phasenverschiebungsschicht, die Belichtungswellenlänge (λ_exp) reduziert wird (z. B. λ_exp = 193 nm für die Belichtung mit einem ArF-Excimerlaser), ist die Transmittanz (T_exp) bei der Belichtungswellenlänge (λ_exp) niedriger als die oben geforderte Transmittanz. Wenn die Transmittanz (T_exp) jedoch erhöht wird, um die geforderte Transmittanz bei der Belichtungswellenlänge sicherzustellen, wird die Transmittanz bei der Wellenlänge für die Fehlerprüfung extrem hoch. Für den Fall der zweilagigen Schicht von 2 und für den Fall des oben beschriebenen herkömmlichen Verfahrens wird z. B. die Transmittanz bei der Belichtungswelle reduziert, da der Brechungsindex (n₁ – ik₁) der oberen Schicht, die mit der Umgebung, z. B. Luft (Brechungsindex: n₀) oder anderen Gasen, in Kontakt kommt, größer ist als der Brechungsindex (n₂ – ik₂) der unteren Schicht. Deshalb läßt sich z. B. bei der Wellenlänge eines ArF-Excimerlasers keine zufriedenstellende Transmittanz erreichen. Wenn umgekehrt die Transmittanz bei der Belichtungswellenlänge vergrößert wird, wird die Transmittanz bei der Wellenlänge für die Prüfung (z. B. λ_insp = 365 nm) für die üblicherweise verwendete Phasenverschiebungs-Photomaske extrem hoch, so daß die Fehlerprüfung unmöglich wird. Wie oben dargelegt wurde, können die vorangehend beschriebenen herkömmlichen Verfahren mit der rapiden Weiterentwicklung der Herstellverfahren für integrierte Halbleiterschaltungen nicht Schritt halten.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die Anstrengungen der Hersteller von Fehlerprüfeinrichtungen darauf gerichtet sind, die Wellenlänge der für die Fehlerprüfung verwendeten Lichtstrahlen zu verringern. Deshalb kann auch dann kein Problem auftreten, wenn die Transmittanz bei der Prüfwellenlänge (365 nm) bis zu einem gewissen Grade anwächst. Die Probleme, die mit einer erheblichen Vergrößerung der Transmittanz verbunden sind, können jedoch erst in ferner Zukunft gelöst werden.
US 5 935 735 A beschreibt eine Halbton Phasenverschiebungsmaske des Erfinders Okubu et al., die ein transparentes Substrat und einen Halbtonfilm umfasst. Der Halbtonfilm ist auf dem Substrat geformt und besteht aus einer Zirconium Komponente.
US 5 686 209 A beschreibt eine Phasenverschiebungsmaske des Erfinders Iwamatsu et al., die zum Belichten eines Musters dient. Die Maske selbst umfasst ein Substrat, zwei Arten von reflektierenden Materialschichten, ein Licht aussendendes Medium, das auf der reflektierenden Materialschicht ausgebildet ist.
US 5 750 290 A beschreibt eine Photomaske des Erfinders Yasuzato et al. Die Maske umfasst ein transparentes Substrat, eine Licht abschirmende Schicht aus Ruthenium und eine Reflexion verhindernde Schicht aus Rutheniumoxid.
US 5 789 116 A beschreibt eine Halbton Phasenverschiebungsmaske des Erfinders Kim, die eine hohe Lichtdurchlässigkeit aufweist. Die Maske ist aufgebaut aus einem für ein Belichtungslicht transparentes Substrat, einem halbtransparenten Phasenverschiebungsmuster auf dem transparenten Substrat und einer transparenten Phasenverschiebungsfuge in dem transparenten Substrat.
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Phasenverschiebungs-Photomaske anzugeben, mit der die beschriebenen Probleme der herkömmlichen Verfahren gelöst werden können und die eine ausreichende Transmittanz für kürzere-Belichtungswellenlängen und damit die Verwendung von solchen kürzeren Belichtungswellenlängen ermöglicht und die andererseits eine geeignete Transmittanz für die Wellenlänge bei der Fehlerprüfung besitzt und dadurch eine zufriedenstellende Prüfung ermöglicht.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Phasenverschiebungs-Photomaskenrohlings für die Verwendung bei der Herstellung einer solchen Photomaske.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements anzugeben, das von der genannten Photomaske Gebrauch macht.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben verschiedene Studien durchgeführt, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, die bei den herkömmlichen Verfahren auftreten. Sie haben herausgefunden, daß diese Probleme wirksam gelöst werden können, indem man den Brechungsindizes der Schichten oder Lagen Beachtung schenkt und die Struktur einer mehrlagigen Phasenverschiebungsschicht optimiert. Auf diese Weise ist die vorliegende Erfindung zustande gekommen.
Nach einem Beispiel sind Phasenverschiebungs-Photomaskenrohlinge vorgesehen mit einer Halbton-Phasenverschiebungsschicht, wobei diese Halbton-Phasenverschiebungsschicht aus zwei Lagen besteht und der Brechungsindex der oberen Lage der Schicht kleiner ist als derjenige der unteren Lage der Schicht. Der Photomaskenrohling ermöglicht die Herstellung einer Phasenverschiebungs-Photomaske, deren Transmittanz bei der Belichtungswellenlänge hoch und deren Reflexionsfaktor klein ist.
Nach einem Aspekt der Erfindung sind Phasenverschiebungs-Photomaskenrohlinge vorgesehen mit einer Halbton-Phasenverschiebungsschicht, die drei Lagen aufweist, wobei der Brechungsindex der mittleren Lage der Schicht kleiner ist als derjenige der oberen und der unteren Lage der Schicht. Auf diese Weise hat die resultierende Phasenverschiebungs-Photomaske eine niedrige Transmittanz bei der Wellenlänge für die Fehlerprüfung, was wiederum die Prüfung ermöglicht. Falls die Phasenverschiebungsschicht drei Lagen aufweist, kann die Schicht z. B. folgende Grundstruktur haben: Luft oder andere Gase/n₁, k₁, d₁/n₂, k₂, d₂/n₃, k₃, d₃/transparentes Substrat (hierin bedeuten: n₁, n₂ und n₃ die Brechungsindizes der oberen, mittleren bzw. unteren Lage; k₁, k₂ und k₃ die Auslöschungskoeffizienten der oberen, mittleren bzw. unteren Lage; d₁, d₂ und d₃ die Dicken der oberen, mittleren bzw. unteren Lage).
Falls die Halbton-Phasenverschiebungsschicht gemäß einem Beispiel drei Lagen aufweist, ist es auch möglich, den Brechungsindex der oberen Lage der Schicht auf einen Wert zu verringern, der kleiner ist als derjenige ihrer mittleren Lage. In diesem Fall ermöglicht der Photomaskenrohling auch die Herstellung einer Phasenverschiebungs-Photomaske, deren Transmittanz bei der Belichtungswellenlänge hoch und deren Reflexionsfaktor klein ist.
Der Halbton-Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling gemäß einem weiteren Beispiel kann ferner eine Halbton-Phasenverschiebungsschicht aufweisen, die wenigstens vier Lagen umfaßt, wobei der Brechungsindex der obersten Lage der Schicht kleiner ist als derjenige der Lage unmittelbar unter der obersten Lage. Auf diese Weise ermöglicht der Photomaskenrohling die Herstellung einer Phasenverschiebungs-Photomaske, deren Transmittanz bei der Belichtungswellenlänge hoch ist.
Die Halbton-Phasenverschiebungsschicht ist eine MoSiON-Schicht. Sie kann jedoch auch eine MoSiN-Schicht oder eine MoSiO-Schicht sein.
Die Phasenverschiebungs-Photomaske gemäß der Erfindung umfaßt den oben beschriebenen Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling, auf welchem nach dem herkömmlichen Verfahren ein auf ein Wafer-Substrat zu übertragendes Muster ausgebildet wird. Durch das Belichten eines Halbleiterwafers durch die Phasenverschiebungs-Photomaske läßt sich ein Halbleiterbauelement mit einem feinen Muster herstellen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, das ein feines Muster aufweist, wobei das Verfahren den Verfahrensschritt umfaßt, daß ein Wafer-Substrat durch eine Phasenverschiebungs-Photomaske belichtet wird, die aus dem oben beschriebenen Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling hergestellt ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements vorgesehen, das ein feines Muster aufweist, wobei das Verfahren den Verfahrensschritt umfaßt, daß ein Wafersubstrat durch eine Phasenverschiebungs-Photomaske belichtet wird, auf der ein auf das Wafersubstrat zu übertragendes Muster ausgebildet ist, um ein Halbleiterbauelement mit feinem Muster zu erzeugen, wobei die genannte Phasenverschiebungs-Photomaske einen Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling aufweist, welche umfaßt: eine dreilagige Halbton-Phasenverschiebungsschicht, bei der der Brechungsindex der mittleren Lage kleiner ist als derjenige ihrer oberen und ihrer unteren Lage.
Bei dem Verfahrensschritt des Waferbelichtens kann außer dem oben erwähnten ArF-Excimerlaser (λ_exp = 193 nm) auch ein F₂-Laser (λ_exp = 157 nm) oder ein KrF-Excimerlaser (λ_exp = 248 nm) benutzt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine herkömmliche Phasenverschiebungs-Photomaske vom Dämpfungstyp mit einer einlagigen Phasenverschiebungsschicht,
2 zeigt einen Querschnitt durch eine Phasenverschiebungs-Photomaske vom Dämpfungstyp mit einer zweilagigen Phasenverschiebungsschicht,
3 zeigt einen Querschnitt durch eine Phasenverschiebungs-Photomaske vom Dämpfungstyp mit einer dreilagigen Phasenverschiebungsschicht,
4 zeigt eine Graphik, in der die Beziehung zwischen den Dicken (d₁, d₂) der Lagen einer zweilagigen Phasenverschiebungsschicht dargestellt ist,
5 zeigt eine Graphik, in der die Beziehung zwischen den Dicken (d₁, d₂, d₃) der Lagen einer dreilagigen Phasenverschiebungsschicht dargestellt ist,
6 zeigt eine Graphik, in der die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Durchflußraten der in dem Reaktionszerstäubungsschritt verwendeten Reaktionsgase (N₂ = /(Ar + N₂O) in Volumenprozent) und optischen Konstanten (Brechungsindex n und Auslöschungskoeffizient k) dargestellt ist.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben, wobei zum Vergleich auch herkömmliche Verfahren erläutert werden. In den folgenden Ausführungsbeispielen wird Luft (n₀ = 1) als atmosphärisches Gas benutzt.
Ausführungsbeispiel 1
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Optimierung der Struktur von zweilagigen und dreilagigen Schichten gemäß der Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen (1 bis 5) beschrieben und dabei mit dem herkömmlichen Verfahren verglichen.
Im Fall einer einlagigen Schicht, wie sie in 1 dargestellt ist, kann die Phasendifferenz (PS) zwischen den durch eine Phasenverschiebungsschicht f hindurchtretenden Lichtstrahlen F und den durch eine Öffnung q der Phasenverschiebungsschicht hindurchtretenden Lichtstrahlen [Q] durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden: PS = 2π(n₁ – n₀)d₁/λ (1).
Die Filmdicke d₁ ⁰, bei der PS gleich 180 Grad (π) wird, ist durch die folgende Beziehung gegeben d₁ ⁰ = λ_exp/2(n₁ – n₀) (2).
In diesen Gleichungen bezeichnet n₁ den Brechungsindex der Phasenverschiebungsschicht, n₀ den Brechungsindex von Luft (n₀ = 1), d₁ die Dicke der Phasenverschiebungsschicht und λ_exp die Belichtungswellenlänge.
Bei der zweilagigen Schicht, wie sie in 2 dargestellt ist, kann die Phasendifferenz (PS) zwischen den durch die Phasenverschiebungsschicht hindurchtretenden Lichtstrahlen F und den durch eine Öffnung der Phasenverschiebungsschicht hindurchtretenden Lichtstrahlen Q durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden: PS = PS₁ + PS₂ (3), wobei PS₁ und PS₂ durch die folgenden Beziehungen gegeben sind: PS₁ = 2π(n₁ – n₀)d₁/λ_exp (4) bzw. PS₁ = 2π(n₂ – n₀)d₂/λ_exp (5).
Aus den Gleichungen (3), (4) und (5) ergibt sich die folgende Forderung zur Erfüllung der Bedingung PS = π: d₁/d₁ ⁰ + d₂/d₂ ⁰ = 1 (6), wobei d₁ ⁰ und d₂ ⁰ durch die folgenden Gleichungen gegeben sind: d₁ ⁰ = λ_exp/2(n₁ – n₀) (7) bzw. d₂ ⁰ = λ_exp/2(n₂ – n₀) (8).
In den vorangehenden Gleichungen sind PS₁ und PS₂ die Phasendifferenzen der oberen bzw. unteren Lage der Schicht; n₁ und n₂ sind die Brechungsindizes der oberen bzw. der unteren Lage der Schicht; d₁ ⁰ und d₂ ⁰ sind die Dicken der oberen bzw. der unteren Lage der Schicht, bei denen die Phasendifferenzen der oberen bzw. unteren Lage gleich 180 Grad sind, und λ_exp ist die Belichtungswellenlänge.
Bei der in 3 dargestellten dreilagigen Schicht kann die Phasendifferenz (PS) zwischen den durch die Phasenverschiebungsschicht hindurchtretenden Lichtstrahlen F und den durch eine Öffnung der Phasenverschiebungsschicht hindurchtretenden Lichtstrahlen Q durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden: PS = PS₁ + PS₂ + PS₃ (9), wobei PS₁, PS₂ und PS₃ durch die folgenden Beziehungen gegeben sind PS₁ = 2π(n₁ – n₀)d₁/λ_exp (10), PS₂ = 2π(n₂ – n₀)d₂/λexp (11), PS₃ = 2π(n₃ – n₀)d₃/λ_exp (12).
Aus den Gleichungen (10) bis (12) ergibt sich die folgende Forderung zur Erfüllung der Bedingung PS = π: d₁/d₁ ⁰ + d₂/d₂ ⁰ + d₃/d₃ ⁰ = 1 (13), wobei d₁ ⁰, d₂ ⁰ und d₃ ⁰ durch die folgenden Gleichungen gegeben sind: d₁ ⁰ = λ_exp/2(n₁ – n₀) (14), d₂ ⁰ = λ_exp/2(n₂ – n₀) (15), d₂ ⁰ = λ_exp/2(n₃ – n₀) (16).
In den vorangehenden Gleichungen bezeichnen PS₁, PS₂ und PS₃ die Phasendifferenzen der oberen, der mittleren bzw. der unteren Lage der Schicht, n₁, n₂ und n₃ die Brechungsindizes der oberen, der mittleren bzw. der unteren Lage der Schicht, n₀ den Brechungsindex von Luft (n₀ = 1), d₁, d₂ und d₃ die Dicken der oberen, der mittleren bzw. der unteren Lage der Schicht, d₁ ⁰, d₂ ⁰ und d₃ ⁰ die Dicken der oberen, der mittleren bzw. der unteren Lage der Schicht, bei denen die Phasendifferenzen dieser Schichten jeweils gleich 180° und λ_exp die Belichtungswellenlänge.
Das Symbol n_s in 1 bis 3 bezeichnet den Brechungsindex eines Substrats. Das Symbol k₁ in 1 bezeichnet den Auslöschungskoeffizienten der oberen Lage der Phasenverschiebungsschicht. Die Symbole k₁ und k₂ in 2 bezeichnen die Auslöschungskoeffizienten der oberen bzw. der unteren Lage der Schicht. Die Symbole k₁, k₂ und k₃ in 3 bezeichnen die Auslöschungskoeffizienten der oberen, der mittleren bzw. der unteren Lage der Schicht.
In den unten angegebenen Tabellen 1 und 2 bezeichnet RR den Reflexionsfaktor (den relativen Reflexionsfaktor) einer Schicht, bezogen auf den Reflexionsfaktor einer in Vakuum abgelagerten Aluminiumschicht, PSO bezeichnet die Phasendifferenz einer Schicht ohne Berücksichtigung einer Absorption durch die Schicht, und PS bezeichnet die Phasendifferenz einer Schicht bei Berücksichtigung der Absorption durch die Schicht.
Vorangehend wurden die Bedingungen beschrieben, die erfüllt sein müssen, damit in den Fällen der einlagigen, der zweilagigen und der dreilagigen Schicht die Phasendifferenz (PS) = π ist. Im folgenden wird die Optimierung der Strukturen der zweilagigen und der dreilagigen Schicht erläutert.
Zunächst wird die Optimierung einer zweilagigen Phasenverschiebungsschicht beschrieben. Die obige Gleichung (6) zeigt, daß, wie in 4 dargestellt, eine lineare Beziehung besteht zwischen den (in Angström, Å, gemessenen) Dicken d₁ bzw. d₂ der die Phasenverschiebungsschicht bildenden Lagen, bei denen die Phasendifferenz gleich π ist. Die optischen Eigenschaften der Schicht an den Punkten F₁₁, F₁₂, F₂₁ bis F₂₇ entlang der geraden Linie werden berechnet und die so gewonnenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgelistet. In diesem Zusammenhang wurden die in Tabelle 4 dargestellten für MoSiON-Bedampfungsschichten (getempert bei 350°C für 3 Stunden) beobachteten Werte, Q:11, Q:13 als optische Konstanten einer Phasenverschiebungsschicht verwendet. In Tabelle 1 ist f₁ eine Phasenverschiebungsschicht (eine herkömmliche Schicht) mit einer Struktur, in der der Brechungsindex der oberen Lage der Schicht größer ist als derjenige ihrer unteren Lage, f₂ ist eine Phasenverschiebungsschicht (eine Schicht gemäß der Erfindung) mit einer Struktur, bei der der Brechungsindex der oberen Lage der Schicht niedriger ist als derjenige ihrer unteren Lage. Die in der Tabelle 1 aufgelisteten Daten zeigen deutlich, daß die Transmittanz T₁₉₃ von f₂ bei einer Belichtungswellenlänge von 193 nm kleiner ist als diejenige von f₁. Außerdem ist der Reflexionsfaktor RR₁₉₃ von f₂ bei einer Belichtungswellenlänge von 193 nm kleiner als derjenige von f₁. Diese Tendenz ist für die Phasenverschiebungsschicht sehr vorteilhaft.
Dementsprechend ist eine Phasenverschiebungsschicht, bei der der Brechungsindex der oberen Lage kleiner ist als derjenige der unteren Lage einer Phasenverschiebungsschicht überlegen, bei der der Brechungsindex der oberen Lage größer ist als derjenige der unteren Lage, wie bei der Schicht f₁ (einer herkömmlichen Schicht).
Im folgenden wird die Optimierung der Struktur der dreilagigen Phasenverschiebungsschicht beschrieben. Die (in Angström, Å, gemessenen) Dicken d₁, d₂ und d₃ der drei Lagen der dreilagigen Phasenverschiebungsschicht, die eine Phasendifferenz von π ergeben, sind als Punkte auf einer Ebene angegeben, die von drei Punkten F₁₁, F₁₂ und F₁₃ aufgespannt wird, wie dies in 5 dargestellt ist. Die optischen Eigenschaften der Phasenverschiebungsschicht wurden an Punkten F₃₁, F₃₂, F₃₃ und F₃₄ auf der Ebene bestimmt, und die so gewonnenen Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengefaßt. Zum Vergleich enthält die Tabelle 2 auch die optischen Eigenschaften, die an den Punkten F₁₁, F₁₂ und F₁₃ für die einlagige Phasenverschiebungsschicht berechnet wurden, sowie diejenigen, die an Punkten F₂₁, F₂₂ und F₂₃ für die zweilagige Phasenverschiebungsschicht berechnet wurden. Die Einzelheiten der Grundstruktur F_3j (j = 1~4) der Phasenverschiebungsschichten f₁ bis f₆, die in der Tabelle 2 aufgelistet sind, sind in der Tabelle 3 dargestellt. In diesem Zusammenhang wurden die in der Tabelle 4 dargestellten Werte, die für MoSiON-Bedampfungsschichten beobachtet wurden, Q:11, Q:25, Q:13 als optische Konstanten einer Phasenverschiebungsschicht verwendet.
Aus den in Tabelle 2 aufgelisteten Daten lassen sich folgende Schlüsse ableiten: Von den Schichten f₁ bis f₆ haben die Schichten f₂, f₄ und f₆ bei einer Belichtungswellenlänge von 193 nm hohe Transmittanzen T₁₉₃, und die Schichten f₃ und f₅ haben bei einer Fehlerprüfwellenlänge von 365 nm niedrige Transmittanzen T₃₆₅. Darüber hinaus ist der Reflexionsfaktor RR₁₉₃ der Schichten f₁ und f₃ bei einer Belichtungswellenlänge von 193 nm größer als derjenige, der für die Schichten f₂, f₄, f₅ und f₆ beobachtet wird.

Um bei einer Phasenverschiebungsschicht, die mit Licht einer Wellenlänge von 193 nm belichtet werden soll, die Transmittanz bei der Belichtungswellenlänge zu vergrößern, sollten vorzugsweise die Schichten f₂, f₄ oder f₆ gewählt werden, oder der Brechungsindex der oberen Lage der Schicht sollte vorzugsweise kleiner sein als derjenige ihrer mittleren Schicht. Um darüber hinaus die Transmittanz bei der Fehlerprüfwellenlänge zu reduzieren, sollten vorzugsweise die Schichten f₃ und f₅ gewählt werden, oder der Brechungsindex der mittleren Lage der Schicht sollte vorzugsweise kleiner sein als derjenige ihrer oberen und unteren Lage. Tabelle 1

Zahl der Schichten	Basis-Struktur	Substituierte Schicht	Gesamtschichtdicke	193 (nm)				248 (nm)	365 (nm)
			Gesamtschichtdicke	RR	T	PS	PSO	T	T
			Å	%	%	°	°	%	%
1	F₁₁	f₁	1402.6	8.33	10.57	178.7	180.0	27.82	86.52
1	F₁₂	f₂	773.8	18.37	4.14	175.6	180.0	12.93	38.97
2	F₂₁	f₁	1321	19.79	8.08	178.4	180.0	23.31	72.40
		f₂	"	9.90	8.66	177.6	180.0	24.59	72:12
	F₂₂	f₁	1280	24.13	7.44	176.8	180.0	21.83	66.34
		f₂	"	10.47	8.10	176.9	180.0	23.76	66.26
	F₂₃	f₁	1200	23.70	6.99	175.3	180.0	20.13	57.64
		f₂	"	7.47	7.67	177.1	180.0	22.26	59.20
	F₂₄	f₁	1078	16.35	6.37	176.6	180.0	18.41	51.35
		f₂	"	8.54	6.73	176.7	180.0	18.69	57.90
	F₂₅	f₁	1000	17.72	5.43	177.4	180.5	17.04	49.17
		f₂	"	"	"	"	"	"	"
	F₂₆	f₁	915	19.51	4.89	177.0	180.0	15.75	46.42
		f₂	"	3.21	5.50	178.4	180.0	16.84	51.85
	F₂₇	f₁	834	19.10	4.56	176.0	180.0	14.14	42.41
		f₂	"	9.58	4.98	175.0	180.0	14.74	43.96

In F₂₁ bis F₂₇, j = 1 bis 7
F_2jf₁: Luft/Q₁₁, n₁ – ik₁, d₁/Q₁₃, n₂ – ik₂, d₂/n_s
F_2j f₂: Luft/Q₁₃, n₂ – ik₂, d₂/Q₁₁, n₁ – ik₁, d₁/n_s Tabelle 2

Zahl der Schichten	Basis-Struktur	Substituierte Schicht	Gesamtschichtdicke	193 (nm)				248 (nm)	365 (nm)
			Gesamtschichtdicke	RR	T	PS	PSO	T	T
			Å	%	%	°	°	%	%
1	F₁₁	f₁	774	18.37	4.14	175.6	180.0	12.92	38.96
	F₁₂	f₁	1062	12.65	3.67	177.3	180.1	12.04	31.88
	F₁₃	f₁	1403	8.33	10.56	178.8	180.0	27.81	86.51
2	F₂₁	f₁	950	19.44	3.74	175.7	180.0	11.96	33.38
	F₂₁	f₂	"	12.21	3.91	176.0	180.0	12.21	34.36
	F₂₂	f₁	1275	12.51	7.02	177.4	180.0	20.10	54.32
	F₂₂	f₂	"	7.40	7.23	178.5	180.1	21.01	55.17
	F₂₃	f₁	1159	20.57	6.90	175.5	180.0	19.58	54.74
	F₂₃	f₂	"	5.64	7.57	177.2	180.0	21.13	57.90
3	F₃₁	f₁	1095	19.15	5.78	176.5	180.0	17.36	49.45
		f₂	"	9.51	6.19	177.0	180.0	18.20	50.49
		f₃	"	20.12	5.65	175.2	180.0	16.89	40.39
		f₄	"	11.65	6.08	177.1	180.0	17.75	56.70
		f₅	"	12.97	5.87	175.8	180.0	17.04	42.26
		f₆	"	8.19	6.20	177.0	180.0	17.81	55.01
	F₃₂	f₁	1144	20.75	5.61	177.1	180.0	17.51	50.11
		f₂	"	9.18	6.10	177.9	180.0	18.39	51.25
		f₃	"	24.08	5.33	175.6	180.0	16.94	41.27
		f₄	"	11.23	6.05	177.2	180.0	17.92	55.95
		f₅	"	13.94	5.66	175.6	180.0	17.61	41.16
		f₆	"	8.27	6.09	177.4	180.0	18.16	53.95
	F₃₃	f₁	1193	16.90	5.78	178.4	180.0	18.01	50.99
		f₂	"	11.05	6.08	178.4	180.0	18.52	51.58
		f₃	"	18.25	5.52	178.4	180.0	17.62	46.07
		f₄	"	9.76	6.18	177.8	180.0	18.34	54.82
		f₅	"	13.37	5.75	176.9	180.0	18.02	44.82
		f₆	"	8.39	6.15	178.0	180.0	18.49	53.52
	F₃₃	f₁	1258	19.13	6.99	177.3	180.0	20.32	57.26
		f₂	"	15.00	7.46	176.4	180.1	20.82	57.26
		f₃	"	21.07	6.50	177.3	180.0	19.79	55.38
		f₄	"	7.27	7.72	178.5	180.0	22.25	58.44
		f₅	"	18.08	6.62	176.1	180.1	19.70	55.10
		f₆	"	9.04	7.45	178.0	180.0	22.10	57.77

Tabelle 3 λ = 193 nm

Beispiele von Schichtstrukturen

f₁: Luft, n₀/Q₁, n₁ – ik₁, d₁/Q₂, n₂ – ik₂, d₂/Q₃, n₃ – ik₃/Substrat, n_s
f₂: Luft, n₀/Q₂, n₂ – ik₂, d₂/Q₁, n₁ – 1k₁, d₁/Q₃, n₃ – ik₃/Substrat, n_s
.
.
.
f₆: Luft, n₀/Q₃, n₃ – ik₃, d₃/Q₂, n₂ – ik₂, d₂/Q₁, n₁ – ik₁/Substrat, n_s

Tabelle 4 MoSiON-Bedampfungsschicht (bei 350°C 3 Stunden getempert)

	Ar	N₂O	Ar	N₂O	Wellenlänge (nm)
	Ar	N₂O	Ar	N₂O	193		248		365
Q	SCCM	SCCM	Vol%	Vol%	n	k	n	k	n	k
11	12	20	37.5	62.5	2.247	0.5882	2.147	0.4628	2.164	0.2996
12	12	25	32.43	67.57	2.134	0.4952	2.044	0.3916	2.038	0.2860
25	12	30	28.57	71.43	1.909	0.4564	1.969	0.3643	1.999	0.2648
13	12	40	23.08.	76.92	1.688	0.2333	1.745	0.1648	1.663	0.00737

In den vorangehenden Ausführungsbeispielen wurde die Optimierung der Strukturen der zweilagigen und dreilagigen Schichten beschrieben. Die Struktur einer mehrlagigen Halbton-Phasenverschiebungsschicht mit wenigstens vier Lagen kann optimiert werden, wenn die Phasenverschiebungsschicht so ausgebildet wird, daß der Brechungsindex der obersten Lage der Schicht kleiner ist als derjenige der Lage unmittelbar unter der obersten Lage. Auf diese Weise erhält man eine Phasenverschiebungsschicht, die wie die oben erläuterten Schichten bei der Belichtungswellenlänge hohe Transmittanz haben.
Ausführungsbeispiel 2 (Herstellung des Phasenverschiebungs-Photomaskenrohlings)
Auf einem transparenten Substrat wurde mit Hilfe eines planaren DC-Magnetron-Zerstäubungsgeräts nach dem sog. LTS-(Long Throw Sputtering)-Verfahren, wie es in JP 6-220627 A und JP 8-127870 A und in der Veröffentlichung von N. Motegi, Y. Kashimoto, K. Nagatani et al., J. Vacuum Sci. Technol., 1995, Band B13 (4), Seiten 1906 bis 1909 offenbart und benutzt wird, deren Offenbarungsinhalt hiermit in die vorliegende Anmeldung übernommen wird, eine Molybdän-Silizid-Oxy-Nitrid-Schicht ausgebildet. Und zwar wurde eine MoSiON-Schicht auf einem 6025-Quarzsubstrat mit einer Größe von 6 Inch (152,4 mm) im Quadrat und einer Dicke von 0,25 Inch (6,35 mm) durch Reaktionszerstäubung abgelagert, bei dem ein MoSi₂-Target in dem Gerät angeordnet wird und Ar-Gas und N₂O-Gas verwendet wird, mit Durchflußraten und einem Durchflußratenverhältnis, wie es in Tabelle 4 spezifiziert ist, bei einem Druck im Bereich von 0,0533 bis 0,107 Pa (4–8 × 10^–4 Torr). Nach Beendigung der Schichtablagerung wurden die abgelagerten Schichten bei 350°C für 3 Stunden wärmebehandelt, um Phasenverschiebungs-Photomaskenrohlinge zu gewinnen, die zweilagige und dreilagige MoSiON-Schichten als Phasenverschiebungsschichten aufweisen. Jede resultierende Schicht besitzt eine Struktur gemäß der Erfindung, wie sie in Tabelle 1 oder 2 dargestellt ist. Die Beziehung zwischen dem Reaktionsgas-Durchflußverhältnis (N₂O/(Ar + N₂O), Gew.%) und den optischen Konstanten, die für die so erzeugten MoSiON-Bedampfungsschichten beobachtet wurden, sind in der Tabelle 4 aufgelistet und in 6 dargestellt. Wie aus den in Tabelle 4 aufgelisteten und in 6 dargestellten Daten erkennbar ist, sind der Brechungsindex n und der Auslöschungskoeffizient k um so kleiner, je höher das Verhältnis der Reaktionsgas-Durchflußraten ist. Mit anderen Worten, je höher der Grad der Oxy-Nitridierung der MoSiON-Schicht ist, um so kleiner sind der Brechungsindex n und der Auslöschungskoeffizient k.
Die gleiche Tendenz wird beobachtet, wenn die Phasenverschiebungsschicht nicht eine MoSiON-Bedämpfungsschicht ist, sondern stattdessen als MoSiN- der MoSiO-Bedampfungsschicht ausgebildet ist.
Ausführungsbeispiel 3 (Herstellung der Phasenverschiebungs-Photomaske)
Auf dem nach dem Ausführungsbeispiel 2 hergestellten Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling wurde ein Resist für Elektronenstrahlen (wie z. B. das von Nippon Zeon Co., Ltd. Lieferbare ZEP-810S) aufgebracht, um eine Resistschicht mit einer Dicke von etwa 5000 Å zu bilden. Die Resistschicht wurde dann einer Reihe bekannter Prozeduren zur Mustererzeugung unterzogen, wie Musterbelichtung, Entwicklung, Trockenätzen und Waschen, um einen Teil der Phasenverschiebungsschicht durch Ätzen zu entfernen und so eine Phasenverschiebungs-Photomaske herzustellen, auf der ein Muster aus Löchern und Punkten ausgebildet war oder die Löcher und die Phasenverschiebungsschicht aufwies. Der Verfahrensschritt des Trockenätzens wurde mit Hilfe einer HF-Ionenätzvorrichtung mit parallelen Platten durchgeführt, wobei der Abstand zwischen den Elektroden auf 60 mm und der Arbeitsdruck auf 40 Pa (0,3 Torr) eingestellt wurde und eine Gasmischung verwendet wurde (CF₄ + O₂, deren Durchflußraten etwa 95 Vol.% betrugen). Auf diese Weise ließ sich eine Photomaske herstellen die ein feines Muster aufwies.
Ausführungsbeispiel 4 (Herstellung eines Halbleiterbauelements)
Ein Wafer, auf dem eine Photoresistschicht aufgebracht war, wurde mit einem ArF-Excimerlaserstrahl durch die nach dem Ausführungsbeispiel 3 hergestellte Phasenverschiebungs-Photomaske belichtet, um so das gewünschte Muster der Photomaske auf das Wafer-Substrat zu übertragen. Sodann wurde die belichtete Photoresistschicht durch Entwickeln entfernt, um das gewünschte Muster auf dem Wafer zu erzeugen. Anschließend wurde der Wafer nach den üblichen Prozessen zur Herstellung von Halbleiterbauelementen bearbeitet, um ein Halbleiterbauelement zu erzeugen. Das so erzeugte Halbleiterbauelement besaß ein feines Muster.
Wie oben im Einzelnen erläutert wurde, ist die Dämpfungs-(Halbton)-Phasenverschiebungsschicht beispielsweise so ausgebildet, daß sie eine zweilagige Struktur hat und der Brechungsindex der oberen Lage der Schicht kleiner ist als derjenige ihrer unteren Lage. Deshalb besitzt die aus der Schicht angefertigte Phasenverschiebungs-Photomaske hohe Transmittanz bei der Belichtungswellenlänge und einen niedrigen Reflexionsfaktor.
Die Dämpfungs-Phasenverschiebungsschicht kann erfindungsgemäß auch so ausgebildet sein, daß sie eine dreilagige Struktur aufweist und der Brechungsindex der mittleren Lage der Schicht kleiner ist als derjenige ihrer oberen und ihrer unteren Lage. Deshalb hat die resultierende Phasenverschiebungs-Photomaske bei der Fehlerprüfwellenlänge niedrige Transmittanz und kann so auf das Vorhandensein von Fehlern geprüft werden.
Die Phasenverschiebungsschicht gemäß einem Beispiel der Erfindung kann auch so ausgebildet sein, daß sie eine mehrlagige Struktur mit wenigstens drei Lagen besitzt und der Brechungsindex der obersten Lage der Schicht kleiner ist als derjenige der Schicht unmittelbar unter der obersten Lage. Deshalb hat die aus der Schicht angefertigte Phasenverschiebungs-Photomaske hohe Transmittanz bei der Belichtungswellenlänge und einen niedrigen Reflexionsfaktor.
Der Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling gemäß der Erfindung eignet sich in besonderer Weise zur Herstellung einer Phasenverschiebungs-Photomaske, die mit einem ArF-Excimerlaserstrahl belichtet werden soll. Die resultierende Photomaske erlaubt die Herstellung eines Halbleiterbauelements, das ein sehr feines Muster aufweist.

Claims

Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling mit einer Halbton-Phasenverschiebungsschicht, wobei diese Halbton-Phasenverschiebungsschicht aus drei Lagen besteht und der Brechungsindex n₂ der mittleren Lage der Schicht kleiner als der Brechungsindex n₁ ihrer oberen und der Brechungsindex n₃ ihrer unteren Lage ist.
Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling nach Anspruch 1, bei dem die Halbton-Phasenverschiebungsschicht eine MoSiON-Schicht ist.
Phasenverschiebungs-Photomaske hergestellt aus dem Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling nach Anspruch 1 oder 2, auf der ein auf ein Wafersubstrat zu übertragendes Muster ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit dem Verfahrensschritt, daß ein Wafersubstrat durch die Phasenverschiebungs-Photomaske nach Anspruch 3 belichtet wird, um ein Halbleiterbauelement mit feinem Muster zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit dem Verfahrensschritt, daß ein Wafersubstrat durch eine Phasenverschiebungs-Photomaske belichtet wird, auf der ein auf ein Wafersubstrat zu übertragendes Muster ausgebildet ist, um ein Halbleiterbauelement mit feinem Muster zu erzeugen, wobei die genannte Phasenverschiebungs-Photomaske einen Phasenverschiebungs-Photomaskenrohling aufweist, welche umfaßt: eine dreilagige Halbton-Phasenverschiebungsschicht, bei der der Brechungsindex n₂ der mittleren Lage der Schicht kleiner ist als der Brechungsindex n₁ ihrer oberen und der Brechungsindex n₃ ihrer unteren Lage.