JP2001188335A

JP2001188335A - 露光用マスク、及びそれを用いたパターン形成方法

Info

Publication number: JP2001188335A
Application number: JP37431999A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Yoneda; 郁男米田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ハーフトーン型位相シフトマスクにおい
て、マスク材料に照射される高エネルギー露光光によっ
て引き起こされるマスク材料劣化の影響を排除し、簡便
な手段により露光用マスクの耐用寿命を延ばすことを目
的としている。【解決手段】この発明の露光マスクは、石英などの透
明基板３００上に形成された露光パターンの暗部領域３
０１と明部領域３０２を有するハーフトーン膜３０３か
らなっている。暗部領域の透過光と明部領域の透過光の
位相差を約１８０度とし、また暗部領域と明部領域の透
過光強度の比が、０．０３〜０．１５：１となるように
両領域の厚みを設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造の際の
リソグラフィ技術において用いられる露光用マスクに関
し、特にハーフトーン型位相シフトマスクの改良に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】現在の半導体集積回路の製造には、光学
的なリソグラフィ技術を用いて回路パターンを形成して
いるが、高集積化の要求の高まりに伴って回路パターン
の微細化が進んでおり、露光に用いる波長と同等以下の
解像寸法が求められてきている。ところで、パターンが
微細になると、露光用マスクを通過した光が回折などに
よりウェハ上に結像できなくなるため、光リソグラフィ
技術は限界にあると考えられてきた。ところで、近年通
常用いられる露光用マスクの遮光部に、遮光膜に代えて
レジストが感光しない程度の半透明膜を設けたハーフト
ーン型位相シフトマスクなど、種々の位相シフト技術が
開発されてきた。このハーフトーン型位相シフトマスク
では、半透明膜を通過した光の位相が開口部からの透過
光の位相に対して反転するような厚さに形成されてお
り、半透明膜を透過した光と開口部を透過した光の位相
が反転しているため、境界部近傍の光強度が０に近くな
り、レジスト上に形成される光学像のコントラストが高
くなり、パターン転写性能が向上する。

【０００３】図１に従来のハーフトーン型位相シフトマ
スクの断面図を示す。この図の例では、石英基板１００
の上に半透明膜であるハーフトーン膜１０１が形成され
ている。図中、ハーフトーン膜は単層であるよう図示し
ているが、２層以上の多層膜の例もある。ハーフトーン
膜の材質は例えば、ＳｉＮｘ、ＴｉＳｉＯＮｘ、ＣｒＦ
ｘ、ＷＳｉ、ＭｏＳｉＮ、ＭｏＳｉＯＮ、ＮｉＳｉＮ、
ＮｉＳｉＯＮ、ＺｒＳｉＯ、などが開発されてきた。

【０００４】近年半導体デバイスに対して、より微細化
への要求が強まり、上記の位相シフトマスク開発と平行
して、露光波長そのものを短波長化する技術開発が進ん
できた。以前のｇ線、ｉ線に代わり、ＫｒＦエキシマレ
ーザー（波長＝２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー
（波長＝１９３ｎｍ）を露光光源とする露光装置開発が
その例である。このような露光波長の短波長化により、
露光光のエネルギーが増大し、露光装置の硝材、フォト
マスク、また、露光光学系の雰囲気中の物質などと様々
な光反応を起こす事態になってきた。

【０００５】まず、ハーフトーン型位相シフトマスクに
おいて、長期間に渡る露光光とハーフトーン膜材料との
光反応によって、ハーフトーン型位相シフトマスクの透
過光位相シフト量や、透過率などの光学特性が変化し、
パターン転写性能を低下させることが解ってきた。例え
ば、ハーフトーン型位相シフトマスクではハーフトーン
膜中の化学結合状態が不安定であるために、露光光のエ
ネルギーにより結合が変化して位相と透過率が変化する
場合がある。これに対しては、ハーフトーン膜に予め露
光光と同様なレーザー光を照射して、膜表面の結合状態
の変化を進行させておき、結合が安定した時点でパター
ン転写露光に用いる方法、或いは、ハーフトーン膜の光
学定数の変化の方向に対して、逆の振る舞いを示す物質
を添加したハーフトーン膜を用いることで、お互いの光
学定数変化をキャンセルし、位相・透過率変動を防止す
る方法（特開平９−１８９９９０）が開示されてきた。
しかしながら、前者の方法ではハーフトーン膜成膜時
に、結合安定化後の位相・透過率のシフト量を見込んだ
光学定数制御が要求されるため精度向上にコストを要す
る欠点があった。また、後者の方法でも、光学定数変化
の“平衡状態”を維持することは難しかった。

【０００６】一方、露光光学系の雰囲気中やハーフトー
ン膜内部に含まれる酸素が露光波長のエネルギーによっ
て酸化作用が極めて強いオゾンに変化し、これがハーフ
トーン膜を変質させ、位相・透過率を長期間に渡って変
化させて、パターン転写性能を低下させることが知られ
ている。特に、波長２４０ｎｍ以下の短波長紫外光では
その作用は著しい。これに対しては、露光光学系全部、
またはフォトマスク近傍の雰囲気を窒素に置換してしま
う方法（特開平７−５７９８９、及び特開平１１−１６
８０２）が開示されている。しかし、完全に酸素を取り
除くことは難しい。また、図２に見られるようにハーフ
トーン膜２０１の表面にオゾンに対して化学的に安定な
透明膜２０２を“キャップ”してしまう方法（特許番号
２９２４７９１号）も知られている。しかしながらこの
方法でも膜中の化学結合状態の変化については何も考慮
されておらず、オゾン対策としては不十分である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、リソグラフ
ィ技術の上記現状に鑑みてなされたものであり、露光用
マスク材料に照射される高エネルギー光によって引き起
こされるマスク材料劣化の影響を排除し、簡便な手段に
より露光用マスクの耐用寿命を向上させることを目的と
している。特にハーフトーン型位相シフトマスクにおい
て、位相シフタ膜の紫外光領域での露光波長に対する照
射耐性を向上させることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ハーフト
ーン膜の照射耐性を低下させる原因の一つは、露光雰囲
気中の酸素が露光光によって強い酸化作用を持つオゾン
に変化し、このオゾンがハーフトーン膜の表面を改質す
るためであるとの知見を得て種々検討した結果、露光用
マスクの明部及び暗部の両方でオゾンによるハーフトー
ン膜の改質を同時に起こさせることで、露光光照射によ
る露光用マスクの光学特性変化による解像度などの露光
精度低下を防止し、寿命を延長させることができること
に着想し本発明を完成するに至ったものである。

【０００９】すなわち、本発明は、透明基板上に、紫外
光領域の露光波長に対して透明または半透明な少なくと
も１層以上の膜からなる第１の領域と、前記紫外光領域
の露光波長に対して透明または半透明な少なくとも１層
以上の膜からなり、露光波長に対する前記第１の領域と
の位相差が概ね１８０度となる第２の領域を有し、露光
波長での前記第１の領域と前記第２の領域との透過光強
度の比が、概ね０．０３〜０．１５：１であることを特
徴とする露光用マスクである。

【００１０】また、第２の本発明は、透明基板上に、紫
外光領域の露光波長に対して透明または半透明な少なく
とも１層以上の膜からなる第１の領域と、前記透明基板
のみで構成されるか、或いは透明または半透明の少なく
とも１層以上の膜からなる第２の領域を有し、露光波長
に対する前記第１の領域と第２の領域との位相差が概ね
１８０度となり、露光波長での前記第１の領域と前記第
２の領域との透過光強度の比が、概ね０．０３〜０．１
５：１であり、前記第１の領域、または前記第１及び第
２の領域の少なくとも一部の膜が雰囲気中及び膜中に存
在するオゾンと高い化学反応性を有する物質を含むこと
を特徴とする露光用マスクである。

【００１１】この露光用マスクにおいて、前記の露光用
マスクの膜に含まれるオゾンと高い化学反応性を有する
物質は、紫外光照射により、塩素、臭素、水素、及びそ
のイオン化物の少なくとも一部を発生する物質である。
また、前記オゾンと高い化学反応性を有する物質の膜中
の含有量は１００〜１０００ｐｐｍの範囲である。

【００１２】さらに、第３の本発明は、透明基板上に、
紫外光領域の露光波長に対して透明または半透明な少な
くとも１層以上の膜からなる第１の領域と、前記紫外光
領域の露光波長に対して透明または半透明な少なくとも
１層以上に膜からなり、露光波長に対する前記第１の領
域との位相差が概ね１８０度となる第２の領域を有し、
露光波長での前記第１の領域と前記第２の領域との透過
光強度の比が、概ね０．０３〜０．１５：１である露光
用マスクを用いて被加工基体表面に形成されたレジスト
上に紫外光露光を行うことを特徴とするパターン形成方
法である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の典型的な露光用マ
スクについて、図３を参照しながら説明する。図中３０
０は、石英などの透明基板である。この透明基板上に、
ハーフトーン膜３０３が形成されている。このハーフト
ーン膜３０３は、露光用マスクの露光パターンに対応し
て、露光光の大部分を透過する明部３０２と、同じく被
加工基体であるウェハ上のレジストを感光させない強度
の露光光を透過する暗部３０１を有しており、かつ暗部
が、明部と暗部を透過する紫外光の位相差を約１８０度
変化させるに十分な厚さを持っているものである。

【００１４】本発明の透明基板上のハーフトーン膜材料
としては、公知のハーフトーン膜材料を用いることがで
きる。具体的には、ＳｉＮｘ、ＴｉＳｉＯＮｘ、ＣｒＦ
ｘ、ＷＳｉ、ＭｏＳｉＮ、ＭｏＳｉＯＮ、ＮｉＳｉＮ、
ＮｉＳｉＯＮ、ＺｒＳｉＯなどの材料が挙げられる。

【００１５】このようなハーフトーン膜において、明部
と暗部の厚さは、次のようにして決定される。すなわ
ち、従来のハーフトーン型位相シフトマスクでは、図１
に示すように、暗部はハーフトーン膜１０１で形成さ
れ、明部は膜が形成されていない領域であるため、暗部
のハーフトーン膜が露光光の位相を１８０度回転させる
に必要十分な厚さとする必要があった。

【００１６】一方、本発明では、暗部、明部共にハーフ
トーン膜が存在することにより、明部と暗部の位相差を
１８０度とするために、両領域のハーフトーン膜の厚み
の差分で位相差１８０度を実現するようにハーフトーン
膜材料及びその厚みを設定する必要がある。また同時
に、ハーフトーン膜暗部ではレジスト材料を感光させな
いように感光感度よりも下回る透過光強度となるように
厚みを設定する。一方、明部では、レジスト材料を感光
させるために感光感度を上回る透過光強度を確保するこ
とが必要である。このような要素を考慮してハーフトー
ン膜の材質及び厚みが決定される。

【００１７】本発明において、暗部と明部の透過光強度
の比は、０．０３〜０．１５：１の範囲が望ましい。暗
部と明部の透過光強度の比がこの範囲を下回った場合、
位相が反転した光の強度が不十分なため、境界部近辺の
光強度が十分０に近づかなくなり、レジスト上に形成さ
れる光学像のコントラスト向上が望めなくなる。また、
暗部と明部の透過光強度の比が上記範囲を超えた場合、
暗部の光強度が大きくなるため、サイドロブが生じる恐
れが強くなる。このような範囲の透過光強度比のハーフ
トーン膜を得るためには、暗部と明部の厚みの差は、５
００〜１０００ｎｍが必要であり、またレジストの感
度、露光エネルギー強度にもよるが暗部の厚みは、５０
０〜１１００ｎｍ程度の範囲が必要である。

【００１８】以下、上記本発明の典型的なハーフトーン
型位相シフトマスクの製造方法について図面を用いて説
明する。図７が、本発明のハーフトーン型位相シフトマ
スクの製造法の一例を示す工程の流れ図である。まず、
石英などの透明基板３００上にハーフトーン膜材料の均
一な厚さの膜３１３を形成する。このハーフトーン膜は
反応性スパッタ法、ＣＶＤ法、メッキ法などで成形でき
るが、特に反応性スパッタ法が望ましい。次いでハーフ
トーン膜３１３上にレジスト膜３１４を形成する（図７
（ａ））。次いで、レジスト膜に所望パターンを描画
し、現像後（図７（ｂ））、該レジストパターン３０４
を用いてハーフトーン膜の明部領域を、ハーフトーン膜
の一部が残存するようにその表層をエッチング除去し
（図７（ｃ））、本発明のハーフトーン型位相シフトマ
スクを作成する。この際、エッチングの終点は、ハーフ
トーン膜の明部と暗部との厚さの差分が、位相を１８０
度変化させ、かつ露光光透過率が所定の範囲に収まるよ
う制御する。エッチングは、通常の半導体リソグラフィ
技術で用いられている異方性エッチング技術を用いるこ
とができるが、リアクティブイオンエッチング技術が、
操作性、生産性等の点からもっとも好ましい。エッチン
グガスとしては、ＣＦ_４やＣＦ_４とＯ_２との混合ガスな
どを用いることができる。またエッチング量の測定は、
触針式段差計、光学的位相測定器、ＡＦＭなどを用いて
行うことができる。

【００１９】上記の本発明の実施の形態では、ハーフト
ーン膜の明部と暗部とを共に単一の層として形成した例
を挙げたが、層を２回以上に分けて形成してもよいし、
２種以上の材料を積層して形成してもよい。ただし、本
発明においては少なくとも明部と暗部の両表面層は同一
の材料で構成することが望ましい。これにより本発明の
露光用マスクを用いて露光を行った場合、ハーフトーン
膜材料の光学特性の劣化が明部と暗部で概ね均一に進行
するため、その差分の変化は、小さいものになるためで
ある。

【００２０】次に、本発明の露光用マスクの変形例を図
４に示す。この変形例は、暗部と明部を別工程で成膜す
るものである。石英などの透明基板４００上に、露光用
マスクの暗部に相当する領域４０１及び露光用マスクの
明部に相当する領域４０２が形成されている。暗部領域
４０１は、暗部内層ハーフトーン膜４０３と、暗部表面
ハーフトーン膜４０４が積層されて構成されている。ま
た、マスクの明部領域４０２には、明部表面ハーフトー
ン膜４０５が配置されている。暗部内層ハーフトーン膜
の材料と暗部表面ハーフトーン膜材料とは同一であって
もまた異なっていてもよい。また、明部表面ハーフトー
ン膜材料と、暗部表面ハーフトーン膜材料とは同一のも
のであることが、同時に成膜できるため、また両領域の
光学特性の経時的な劣化の差分の変化率を低減化するた
めに望ましい。また、このような露光用マスクは、暗部
の表面層と内部層を異なる材料で形成することができる
ため、例えば表面層は耐オゾン性が優れた耐久性のある
材料を用い、また、内層は成膜性に優れた材料を用いる
などハーフトーン膜設計の自由度が増し、より作成しや
すい露光用マスクが実現できる。

【００２１】次に、上記変形例の露光用マスクの製造方
法を図８により説明する。透明基板４００の表面にスパ
ッタ法により第１のハーフトーン膜材料層４１３を形成
する。この第１のハーフトーン膜材料層４１３の厚さ
は、透過する露光光の位相を約１８０度回転させる厚さ
とする。次いで該第１のハーフトーン膜材料層４１３の
表面にレジスト膜４１６を塗布し（図８（ａ））、パタ
ーン露光及び現像処理を行ってレジストパターン４０６
を形成する（図８（ｂ））。次いで、エッチングを行
い、マスクの明部に相当する第１のハーフトーン膜材料
層をエッチング除去して、マスクの暗部に相当する領域
である暗部内層ハーフトーン膜４０３を形成する（図８
（ｃ、ｄ））。次いで、暗部領域及び明部領域の全表面
にスパッタ法により第２のハーフトーン膜材料を成膜し
て、暗部表面ハーフトーン膜４０４及び明部表面ハーフ
トーン膜４０５を形成する（図８（ｅ））。このような
工程により、暗部表面層と明部表面層とが同一のハーフ
トーン膜材料からなる露光用マスクを容易に製作するこ
とができる。

【００２２】また、本発明の露光用マスクの他の変形例
を図５に示す。この変形例は、ハーフトーン型位相シフ
トマスクが配置されている雰囲気中の酸素に起因するオ
ゾンのみならず、ハーフトーン膜中に含まれている酸素
に起因するオゾンによるハーフトーン膜材料の劣化を効
果的に防止できるものである。透明基板５００の全面
に、第１のハーフトーン膜材料層である下層膜５０３が
形成される。この第１のハーフトーン膜材料層下層膜５
０３上に、マスクの暗部領域に第２のハーフトーン膜材
料からなる暗部中間ハーフトーン膜５０４が形成されて
おり、この暗部中間ハーフトーン膜５０４の上に、第３
のハーフトーン膜材料からなる暗部表面ハーフトーン膜
５０５が形成されている。また、マスクの明部に相当す
る領域の下層膜上には、明部領域表面層である明部表面
ハーフトーン膜５０６が形成されている。

【００２３】この明部表面ハーフトーン膜５０６は、暗
部表面ハーフトーン膜５０５と同じ材料で構成すること
が望ましい。また、下層膜５０３、暗部表面ハーフトー
ン膜５０５、明部表面ハーフトーン膜５０６には、それ
ぞれオゾン反応性物質を添加することが望ましい。オゾ
ン反応性物質とは、ハーフトーン膜材料中に添加され、
露光光照射により発生するオゾンと高い反応性を有する
かあるいはオゾンを分解する際の触媒活性を有する物質
で、例えば塩素、臭素等のハロゲン元素、水素、あるい
は、金属ハロゲン化物等の物質をいう。これらの物質
は、ハーフトーン膜材料中に、１００〜１０００ｐｐｍ
程度添加することが望ましい。添加量がこの範囲を上回
ると、膜形成時に位相と透過率を所望値にあわせ込むこ
とが困難になるなどの問題が生じ、またこの範囲を下回
ると、オゾン分解の機能を果たし得ない。オゾン反応性
物質の添加は、ハーフトーン膜をスパッタにより行う際
に、原料にオゾン反応性物質を混合しておくことにより
実現できる。

【００２４】本変形例のマスクの製造方法を図９を用い
て説明する。透明基板５００の表面にスパッタ法等の成
膜法によりハーフトーン膜材料からなる下層膜５０３を
形成する。次いで、下層膜５０３の上に、ハーフトーン
膜材料からなる第２の層５１４を形成する。次いで、該
ハーフトーン膜材料からなる第２の層５１４上にレジス
ト膜５１７を形成し（図９（ａ））、パターン露光及び
現像処理を行い、暗部レジストパターン５０７を形成す
る（図９（ｂ））。この暗部レジストパターン５０７を
マスクとして、第２のハーフトーン膜材料層５１４をエ
ッチング除去して、マスクの暗部領域である暗部中間ハ
ーフトーン膜５０４を形成する（図９（ｃ））。次い
で、暗部領域及び明部領域の全表面に第３のハーフトー
ン膜材料をスパッタ法により成膜して暗部表面層である
暗部表面ハーフトーン膜５０５及び明部表面層である明
部表面ハーフトーン膜５０６を形成する（図９
（ｄ））。

【００２５】この変形例において、第１のハーフトーン
膜材料と第３のハーフトーン膜材料とは同じ材料であっ
ても差し支えない。また、これらの材料にオゾン反応性
物質が含有されていてもよい。第１のハーフトーン膜材
料層５０３にオゾン反応性物質が含有されていると、前
述したようにハーフトーン膜材料層中に含まれる酸素原
子に起因するオゾンに作用してハーフトーン膜材料の劣
化を防止する効果を有する。また、第３のハーフトーン
膜材料中のオゾン反応性物質は、雰囲気中に存在する酸
素に起因するオゾンによってハーフトーン膜材料が劣化
するのを防止するよう作用する。

【００２６】また、本発明の露光用マスクの他の変形例
を図６に示す。この露光用マスクは、多数の半導体チッ
プをウェハ上に搭載する際に、隣接する半導体チップの
分離を確実にするため、あるいはチップ製造の際の位置
あわせのためのマークとして機能する遮光部を形成する
ものである。すなわち、透明基板６００の表面に明部領
域６０２と暗部領域６０１を有するハーフトーン膜６０
３が形成されている。そして、このマスクの回路パター
ンの周辺部に遮光層６０４が形成されている。この遮光
層６０４が、上記チップ間の分離及び位置決めのための
マークとして機能するものである。

【００２７】本変形例の製造方法を図１０に示す。透明
基板６００の表面にスパッタ法により第１のハーフトー
ン膜材料層６１３を形成する。次いで、第１のハーフト
ーン膜材料層６１３の上に、遮光膜６１４を形成する。
次いで、該遮光膜６１４の表面にレジスト層６１７を形
成し（図１０（ａ））、パターン露光及び現像処理を行
い、暗部レジストパターン６０７を形成する（図１０
（ｂ））。この暗部レジストパターン６０７をマスクと
して、遮光膜６１４及び第１のハーフトーン膜材料層６
１３を明部領域の厚さを残してエッチング除去して、マ
スクの暗部領域６０１及び明部領域６０２を形成する
（図１０（ｃ））。次いでこの全表面にレジスト膜を形
成し位置決め部パターンを露光、現像処理により形成し
（図１０（ｄ））、このレジストパターン６０８をマス
クとして遮光膜をエッチング除去して遮光部６０４を形
成する（図１０（ｅ））。

【００２８】以上、図３〜６を用いて本発明の露光用マ
スクの実施の形態について説明してきたが、本発明はこ
れらに限られるものではなく、露光用マスクの明部領域
に暗部領域の表面と同一の材料が存在している限り種々
の変更が可能である。例えば、透明基板の全面に形成さ
れたオゾンと高い化学反応性を有する物質を含有する下
層膜上に図３に示した一体に成形されたハーフトーン膜
を形成するような種々の変形が可能である。

【００２９】また、上記本発明の実施形態では、露光用
マスクを形成する材料としてハーフトーン膜材料を用い
たマスクの例を示したが、本発明は、このようなハーフ
トーン型位相シフトマスクに限らず、露光光照射により
経時的な光学特性の劣化が生じる材料を用いた露光用マ
スクであれば適用することができる。このような材料の
例としては、透過型位相シフトマスク等各種の位相シフ
トマスクがある。

【００３０】次に、本発明の露光用マスクを用いたパタ
ーン形成方法について説明する。本発明のパターン形成
方法は、透明基板上に、紫外光領域の露光波長に対して
半透明な少なくとも１層以上の膜からなる第１の領域
と、前記紫外光領域の露光波長に対して透明または半透
明な少なくとも１層以上に膜からなり、該露光波長に対
する前記第１の領域との位相差が概ね１８０度となる第
２の領域を有し、該露光波長での前記第１の領域と前記
第２の領域との透過光強度の比が、０．０３〜０．１
５：１である露光用マスクを用い、シリコンウェハ等の
被加工基体に形成されたレジスト膜を、紫外光で露光
し、現像してパターンを形成するものである。

【００３１】本発明においては、ハーフトーン膜の光透
過率が従来公知のハーフトーン膜より数％低いため、照
射紫外光の強度を若干高めに設定するか、あるいは感光
感度の高いレジストを使用する必要があるが、それ以外
には従来公知のパターン形成技術を採用できる。すなわ
ち、レジストの種類としては、特に限定されるものでは
なく、一般に使用されているポジ型、あるいはネガ型の
レジストを用途に応じて選択して用いることができる。
また、使用紫外光としては、ｇ線、ｉ線や、ＸｅＦ、Ｘ
ｅＣｌ、ＫｒＦ、ＫｒＣｌ、ＡｒＦ、Ｆ_２等のエキシマ
レーザーを用いることができるが、特に短波長の紫外光
を用いた場合に本発明の効果が顕著になる。

【００３２】次に図面を用いて本発明の作用について説
明する。図１１（ａ）が従来のハーフトーン型位相シフ
トマスクの例であり、図１１（ｂ）が本発明のハーフト
ーン型位相シフトマスクの例である。図１１（ａ）にお
いて、１１０１は、石英等の透明基板であり、その上に
ハーフトーン膜からなるパターン１１０２が形成されて
いる。透明基板の下方から紫外露光光が照射されると、
マスク近傍に存在する酸素分子が励起され、オゾンに変
化する。このオゾンは活性が高く、ハーフトーン膜表面
１１０３でオゾンとハーフトーン膜材料が反応し、変質
してしまう。その結果、ハーフトーン膜の位相シフト量
及び紫外光透過率等の光学特性が変化することとなる。
従来例においては、紫外露光光照射により、明部と暗部
の光位相シフト量が１８０度からずれてしまうことから
明部透過光と暗部透過光の光の干渉が減少し、解像度が
低下することになる。これに対して、図１１（ｂ）の本
発明のハーフトーン型位相シフトマスクでは、露光光照
射により生成したオゾンによって、暗部ハーフトーン膜
表面１１０３の材料は、従来例と同様に変質して位相シ
フト量が変化するものの、マスクの明部１１０４におい
ても同様に位相シフト量が変化するため、両者の差分で
ある位相シフト量はほとんど変わることはない。従っ
て、紫外露光光照射によっても光位相シフト量は１８０
度付近に維持されることから、従来例のような解像度低
下を招くこともない。

【００３３】また、前述のように紫外露光光照射によっ
てハーフトーン膜の紫外光透過率が上昇すると、この露
光用マスクを使用してパターン形成を行った場合にサイ
ドロブが発生することになる。その機構について、図を
用いて説明する。図１２は、従来のハーフトーン型位相
シフトマスクを用いてコンタクトホールを形成する工程
を説明するための図であり、図１３は、従来のハーフト
ーン型位相シフトマスクを長時間使用し、ハーフトーン
膜にオゾンによる変質が発生したマスクを使用してコン
タクトホールを形成する工程を説明するための図であ
る。

【００３４】図１２（ａ）は、露光マスクを上方から見
た図であり、コンタクトホール形成のための開口部であ
る明部と暗部からなるパターンが形成されている。図１
２（ｂ）は、この露光用マスクについてＡ−Ａ’線で切
断した断面図であり、透明基板上にハーフトーン膜が形
成されている。このマスクに紫外光を照射すると、図１
２（ｃ）に見られるように明部から透過する紫外光に対
応する正の振幅のピークと、暗部を透過し、位相が１８
０度変化した負のピークを有している。そして光の強度
は振幅の自乗に相当することからこれらの光を合成する
と、図１２（ｄ）の光の波形が得られ、点線の感度を有
するレジストにこの紫外光を照射すれば、暗部透過光は
レジストを感光させないから、図１２（ｅ）のサイドロ
ブの見られない転写精度のよいコンタクトホールのパタ
ーンが得られる。

【００３５】これに対して、長時間紫外光を照射して劣
化した従来例のハーフトーン型位相シフトマスクを用い
てコンタクトホールの形成を行った場合、明部では透過
光の振幅は図１２の初期状態と異ならないものの、暗部
ではハーフトーン膜の透過率が上昇していることから、
負のピーク値（絶対値）が大きくなっている。従って、
前述したように暗部の紫外照射光強度が増加し、レジス
トの感度を上回るピークが発生してしまう。これによ
り、レジスト上に形成されるパターンには図１３（ｅ）
に見られるようにサイドロブが発生することになる。そ
して、かかるハーフトーン型位相シフトマスクにおいて
は明部を通過する紫外光についてはその振幅に変化はな
く、暗部を通過する紫外光についてのみ振幅に変化が生
じることから、レジスト材料の感度を調整してサイドロ
ブを回避しようとしても、暗部と明部との透過高強度の
差は減少する一方であるため、調整には限界がある。

【００３６】一方、本発明のハーフトーン膜を用いた場
合には、紫外光の長時間照射によって暗部透過光の振幅
は上昇するものの、明部に存在するハーフトーン膜の透
過率も併せて上昇し、明部透過光の振幅も上昇すること
から明部と暗部の透過光強度の差は小さくなることはな
い。従って、ハーフトーン膜を長時間紫外光照射した
後、露光量の補正やレジストの感度補正によりサイドロ
ブの生じないパターン形成が可能になる。

【００３７】

【実施例】（実施例１、比較例１）以下、本発明の第１
の実施例を図を用いて説明する。図３は本発明の第１の
実施例の露光用マスクの断面図であり、図７がその作成
工程を示す図である。

【００３８】図７（ａ）に示すような透明基板３００、
ハーフトーン膜３１３、レジスト３１４からなるハーフ
トーンブランクスを用意した。透明基板としては１５２
ｍｍ（６インチ）角、７．３ｍｍ（０．２５インチ）厚
の石英基板、レジスト３１４は５００ｎｍ厚のフォトレ
ジストとし、ハーフトーン膜はＭｏＳｉＮからなる厚さ
７５ｎｍの膜を用いた。この膜は、１９３ｎｍの露光波
長に対する位相変化は１９３度、透過率５．３％であっ
た。次にレジスト３１４にレーザー描画機を用いて所望
パターンを描画した後、ベーク、現象の処理を経て、図
７（ｂ）に示したレジストパターン３０４を得た。この
レジストパターンをエッチングマスクとして、ハーフト
ーン膜明部領域３０２にハーフトーン膜３０３が５ｎｍ
残るように制御しながらハーフトーン膜３１３をＲＩＥ
装置でエッチングした（図７（ｃ））。この時、エッチ
ングの終点検知には、触針式段差計で測定して行った。
エッチング条件はＣＦ_４＝１００ｓｃｃｍ、圧力３．４
Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗであった。所望量のエッチン
グが終了した後、過酸化水素水：濃硫酸＝１：４に混合
した溶液中でレジストを酸化除去することによりレジス
ト３０４を除去した（図７（ｄ））。

【００３９】以上の工程によって、図３のＭｏＳｉＮ膜
を用いたハーフトーン膜３０３を形成した。得られたハ
ーフトーン型位相シフトマスクにおいては、明部３０２
のハーフトーン膜の膜厚は５ｎｍ、暗部３０１の膜厚は
７５ｎｍであった。また、露光波長１９３ｎｍに対する
石英基板３００、ハーフトーン膜明部３０２、暗部３０
１の空気に対する透過率はそれぞれ９０％、８２％、
５．３％であった。この結果、明部３０２を透過した波
長１９３ｎｍの露光光に対する暗部３０１の露光光の透
過率は６．２％となった。また、明部３０２を透過した
波長１９３ｎｍ露光光と暗部３０１を透過した露光光と
の位相差は１８０度であった。

【００４０】比較のため、図１に見られる従来公知のハ
ーフトーン型位相シフトマスクを用意した。すなわち、
実施例１と同様にＭｏＳｉＮをハーフトーン膜材料とし
て使用し、ハーフトーン膜１０１の膜厚を７０ｎｍとし
た露光マスクを作成した。この露光マスクは、露光波長
１９３ｎｍの露光光に対して実施例１と同様に、１８０
度の位相差を有していた。さらに、暗部の明部に対する
初期透過率は６．２％であった。また、後述する照射耐
性評価のための紫外光照射試験終了後の透過率は６．８
％に変化していた。これはＡｒＦエキシマレーザーの露
光により、露光光学系の雰囲気中の酸素がオゾンに変化
し、これがハーフトーン膜表面近傍の膜質を変化させた
ためである。

【００４１】以上のようにして得られたハーフトーン型
位相シフトマスクの露光波長に対する照射耐性を調べる
ため、次の紫外光照射試験を行った。すなわち、光源と
して露光波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを用
い、総照射量１２．２ｋＪ／ｃｍ^２となるようにエキシ
マレーザーを照射した。なお、比較のため従来の露光用
マスクに対して１０ｋＪ／ｃｍ^２のエキシマレーザーを
照射した。本発明の露光用マスクの方が総照射量が大き
いのは、本発明の露光用マスクは明部の露光光透過率が
従来例の８２％であるため、従来例に対する総照射量を
０．８２倍となるように調整したものである。これらの
結果を表にまとめて示す。

【００４２】

【表１】

【００４３】（実施例２）本実施例は、本発明の図６に
示すハーフトーン膜上に遮光膜を形成したブランクスを
使用した場合のハーフトーン型位相シフトマスクに関す
るものである。本実施例の露光用マスクの製造工程を示
す図１０を用いて説明する。石英などの透明基板６００
上に反応性スパッタ法により、ＭｏＳｉＯＮからなるハ
ーフトーン膜材料層６１３を形成した。この層の厚さ
は、５５ｎｍとした。次いで、ハーフトーン膜材料層の
上にＣｒＯ／Ｃｒからなる膜である遮光膜を反応性スパ
ッタ法で形成した。この遮光膜の膜厚は１００ｎｍとし
た。次いで、該遮光膜上にレジスト膜６１７を形成し、
レジスト膜上に常法に従い、レジストパターン６０７を
形成した後、まず遮光膜６１４をエッチングした。エッ
チングはＣ１_２／Ｏ_２＝８０／２０ｓｃｃｍ、圧力６．
８Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗの条件でのＲＩＥ法により
行った。その後、このＣｒ遮光膜６２４及びレジスト６
０７をエッチングマスクとして、実施例１と同じ方法で
ハーフトーン膜６０３をエッチングした（図１０
（ｃ））。

【００４４】ハーフトーン膜６０３のエッチング後、一
度レジスト６０７を除去してから、再度、レジストを塗
布・ベークして、フォトマスクの露光領域内のレジスト
が溶解するように描画を行い、ベーク・現象を行ってレ
ジストパターン６０８を得た。このレジストパターン６
０８をエッチングマスクとして遮光膜６２４をウェット
エッチングし、最後にレジストパターン６０８を酸化除
去した。このようにして作成されたハーフトーン型位相
シフトマスクの特性を、表に併せて示す。この方法によ
ってハーフトーン位相シフト機能を全く損なわずに、位
置決めマークをマスク上に作成できることが明らかとな
った。

【００４５】（実施例３）次に、ハーフトーン膜暗部
と、明部を別工程で形成したハーフトーン型位相シフト
マスクの例を示す。図４が本実施例の露光用マスクの断
面図であり、図８がその作成工程を示す図である。ま
ず、図８（ａ）に示すような透明基板４００、ハーフト
ーン膜４１３、レジスト４１６からなるハーフトーンブ
ランクスを用意した。透明基板としては１５２ｍｍ（６
インチ）角、７．３ｍｍ（０．２５インチ）厚の石英基
板、レジスト３１４は５００ｎｍ厚のフォトレジストと
し、ハーフトーン膜はＭｏＳｉＮからなる厚さ７０ｎｍ
の膜を用いた。この膜は、１９３ｎｍの露光波長に対す
る位相変化は１８０度、透過率５．５％であった。次に
レジスト４１６にレーザー描画機を用いて所望パターン
を描画した。その後、ベーク、現象の処理を経て、図８
（ｂ）に示したレジストパターン４０６を得た。このレ
ジストパターンをエッチングマスクとして、ハーフトー
ン膜明部領域４０２にはハーフトーン膜３０３が残らな
いように完全にハーフトーン膜をＲＩＥ装置でエッチン
グ除去した（図８（ｃ））。エッチング条件はＣＦ_４＝
１００ｓｃｃｍ、圧力３．４Ｐａ、ＲＦパワー１００Ｗ
であった。エッチングが終了した後、過酸化水素水：濃
硫酸＝１：４に混合した溶液中でレジストを酸化除去す
ることによりレジスト４０６を除去した（図８
（ｄ））。次いで、パターン形成された暗部領域及び明
部領域の全面にわたって、ハーフトーン膜４０３と同じ
材料を用いてハーフトーン膜材料層をスパッタ法により
成膜した（図８（ｅ））。この際、暗部領域表面層４０
４及び明部領域表面層４０５の膜厚は５ｎｍとした。

【００４６】こうして得られたハーフトーン型位相シフ
トマスクの露光波長に対する照射耐性を実施例１と同様
に調べた。その結果、本発明のハーフトーン型位相シフ
トマスクでは露光波長１９３ｎｍの初期透過率は明部で
７３．８％、暗部で４．８％であり、明部に対する暗部
の透過率が６．２％であった。評価終了後の透過率は明
部、暗部それぞれ８１．２％、５．２％と変化していた
が、明部に対する暗部の透過率は６．４％であり、透過
率変化は０．２％に抑えられていた。これは、露光によ
って生じたオゾンにより明部・暗部両方のハーフトーン
膜の透過率が変化したものの明部・暗部の透過率比が変
わらなかったためであると言える。照射後の位相変化に
ついていも同様に従来例のハーフトーン型位相シフトマ
スクでは変化が大きく、本実施例のハーフトーン型位相
シフトマスクでは明部と暗部との間の位相差の変化は非
常に小さかった。これらの結果を、表に併せて示す。

【００４７】（実施例４）続いて本発明のオゾンと高い
化学反応性を有する物質を含有させたハーフトーン膜材
料を用いた実施例を説明する。本実施例では、ハーフト
ーン膜材料として、ＭｏＳｉＮを用いて、図４に示す構
造の露光マスクを準備した。

【００４８】まず、図８の製造工程に従って暗部内層ハ
ーフトーン膜４０３を形成した。得られたハーフトーン
膜４０３の透過率は６．２％、位相差は１８０度であっ
た。次いで、同じ材質のハーフトーン膜材料にオゾンと
高い反応性を示す物質として臭素を用いスパッタ方法に
より暗部表面ハーフトーン膜４０４及び明部表面ハーフ
トーン膜４０５を形成した。臭素の含有量はおよそ５０
０ｐｐｍであった。このハーフトーン膜４０４及び４０
５の膜厚は５ｎｍとした。この結果、明部４０２でのハ
ーフトーン膜の膜厚は５ｎｍ、暗部４０１での膜厚は７
５ｎｍとなった。この時、露光波長１９３ｎｍに対する
石英基板４００、ハーフトーン膜明部４０２、暗部４０
１の透過率はそれぞれ９０％、８８％、５．５％であっ
た。また、明部４０２を透過した波長１９３ｎｍの露光
光に対する暗部４０１の露光光の透過率は６．２％とな
った。さらに、明部４０２を透過した波長１９３ｎｍの
露光光と暗部４０１を透過した露光光との位相差は１８
０度であった。

【００４９】このハーフトーン型位相シフトマスクを用
いて実施例１に記載した照射耐性の評価試験を行った。
光源として露光波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ
ーを用い、総照射量は本発明のフォトマスクに対して１
１．４ｋＪ／ｃｍ_２とした。

【００５０】本実施例の露光用マスクの評価試験終了後
の透過率は、明部、暗部それぞれ８７．１％、５．６％
と変化していたが、明部に対する暗部の透過率は６．４
％となった。照射後の位相変化について、本実施例のハ
ーフトーン型位相シフトマスクでは明部と暗部との間の
位相差の変化は非常に小さかった。これらの結果を表に
併せて示す。

【００５１】本実施例では、オゾンと反応する物質をハ
ーフトーン膜に添加してスパッタした膜を用いたが、ハ
ーフトーン膜ではなく、透明膜にオゾンと反応する物質
を添加してもよい。

【００５２】以上の実施例１ないし実施例４において
は、露光光照射試験前後での暗部と明部の透過率比の変
化は、０．２％程度であったが、比較例における透過率
比の変化は、０．６％と高いことが判明した。

【００５３】（実施例５、比較例２）実施例１及び比較
例１で作成した露光マスクを用いたコンタクトホールの
パターン形成についての実施例及び比較例を説明する。
露光マスクのパターンは、マスクは６００ｎｍｘ６００
ｎｍの開口部を有し、非開口部のライン幅は６００ｎｍ
であった。このマスクを用いて、波長１９３ｎｍのＡｒ
Ｆエキシマレーザーを用いて、照射光強度１１ｍＪ／ｃ
ｍ^３でシリコンウェハ上に形成されたレジスト上に露光
マスクのパターンを転写した。次いで、実施例１に記載
した紫外光照射試験の条件で紫外光を照射した後、再度
同様のパターンを形成した。その結果、比較例１の露光
マスクでは透過率、位相変化が大きいため、コンタクト
ホールパターン近傍にサイドロブを生じてしまい、コン
トラストが低下してしまった。これは、露光量補正、現
像時間補正で修正することが不可能であった。一方、本
実施例のマスクでは紫外光照射試験以前の露光量、現像
時間と比べて若干の補正が必要であったが、コンタクト
ホールパターンにサイドロブなどを生じることなく、高
いコントラストでパターンを形成し続けることができ
た。

【００５４】

【発明の効果】ハーフトーン型位相シフトマスクのパタ
ーン明部にも暗部と同質の膜を付加したことにより、紫
外光領域での露光によるハーフトーン膜の位相・透過率
に変化が生じても、明部と暗部の位相差・透過光強度の
比は変わらなかった。この結果、ハーフトーン型位相シ
フトマスクの寿命が延び、１枚のマスクで露光できる半
導体チップの総数が増大して、チップ１個当たりのコス
トを低減する効果が得られた。また、ハーフトーン型位
相シフトマスクの膜にオゾン分解性の高い物質を付加し
たことにより、露光時に発生したマスク表面および膜中
のオゾンを分解することができたため、ハーフトーン膜
の寿命をさらに延長することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、従来の露光用マスクの一例を示した
断面図である。

【図２】図２は、従来の他の露光用マスクの例を示し
た断面図である。

【図３】図３は、本発明の露光用マスクの一例を示す
断面図である。

【図４】図４は、本発明の露光用マスクの他の例を示
す断面図である。

【図５】図５は、本発明の露光用マスクの他の例を示
す断面図である。

【図６】図６は、本発明の露光用マスクの他の例を示
す断面図である。

【図７】図７は、図３の本発明の露光用マスクの作成
工程を示した断面図である。

【図８】図８は、図４の本発明の露光用マスクの作成
工程を示した断面図である。

【図９】図９は、図５の本発明の露光用マスクの作成
工程を示した断面図である。

【図１０】図１０は、図６の本発明の露光用マスクの
作成工程を示した断面図である。

【図１１】図１１は、露光によるハーフトーン膜の変
質を説明する図である。

【図１２】図１２は、従来の露光用マスクを用いたパ
ターン形成を説明するための図である。

【図１３】図１３は、図１２の露光用マスクが変質し
て転写パターンにサイドロブを生じる場合を説明する図
である。

【符号の説明】

１００…石英基板、１０１…ハーフトーン膜、２００…
石英基板、２０１…ハーフトーン膜、２２…透明膜、３
００…石英基板、３０１…暗部、３０２…明部、３０３
…ハーフトーン膜、３１３…ハーフトーン膜材料層、３
１４…レジスト膜、４００…石英基板、４０１…暗部、
４０２…明部、４０３…暗部内層ハーフトーン膜、４０
４…暗部表面ハーフトーン膜、４０５…明部表面ハーフ
トーン膜、４１３…ハーフトーン膜材料層、４１６…レ
ジスト膜、５００…石英基板、５０１…暗部、５０２…
明部、５０３…下層膜、５０４…暗部中間ハーフトーン
膜、５０５…暗部表面ハーフトーン膜、５０６…明部表
面ハーフトーン膜、５１４…ハーフトーン膜材料層、５
１７…レジスト膜、６００…石英基板、６０１…暗部、
６０２…明部、６０３…ハーフトーン膜、６０４…遮光
部、６０７暗部レジストパターン…、６０８…レジスト
パターン、６１３…ハーフトーン膜材料層、６１４…遮
光膜、６１７…レジスト膜、１１０１…透明基板、１１
０２…暗部ハーフトーン膜透過率不変部、１１０３…暗
部ハーフトーン膜透過率変化部、１１０４…明部ハーフ
トーン膜透過率変化部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上に、紫外光領域の露光波長に対
して半透明な少なくとも１層以上の膜からなる第１の領
域と、前記紫外光領域の露光波長に対して透明または半
透明な少なくとも１層以上の膜からなり、該露光波長に
対する前記第１の領域との位相差が概ね１８０度となる
第２の領域を有し、該露光波長での前記第１の領域と前
記第２の領域との透過光強度の比が、０．０３〜０．１
５：１であることを特徴とする露光用マスク。
【請求項２】透明基板上に、紫外光領域の露光波長に対
して半透明な少なくとも１層以上の膜からなる第１の領
域と、前記透明基板のみで構成されるか、或いは透明ま
たは半透明な少なくとも１層以上の膜からなる第２の領
域を有し、該露光波長に対する前記第１の領域と第２の
領域との位相差が概ね１８０度となり、該露光波長での
前記第１の領域と前記第２の領域との透過光強度の比
が、０．０３〜０．１５：１であり、前記第１の領域、
または前記第１および第２の領域の少なくとも一部の膜
がオゾンと高い化学反応性を有する物質を含むことを特
徴とする露光用マスク。
【請求項３】請求項２記載の露光用マスクにおいて、前
記オゾンと高い化学反応性を有する物質が、紫外光照射
によって、塩素、臭素、水素、及びそのイオン化物の少
なくとも一部を発生する物質であることを特徴とする露
光用マスク。
【請求項４】請求項３記載の露光用マスクにおいて、前
記膜中に前記オゾンと高い化学反応性を有する物質を１
００〜１０００ｐｐｍの割合で含有していることを特徴
とする露光用マスク。
【請求項５】透明基板上に、露光光照射により光学特性
において劣化を生ずる材料層を少なくとも表面に有す
る、露光光に対して不透明もしくは半透明な材料からな
る第１の領域と、前記露光光照射により光学特性におい
て劣化を生ずる材料層を表面に有し、前記第１の領域よ
り膜厚が薄く、露光光に対して半透明もしくは透明な材
料層からなる第２の領域を有することを特徴とする露光
用マスク。
【請求項６】被加工基体上にレジスト膜を形成する工程
と、透明基板上に、紫外光領域の露光波長に対して半透
明な少なくとも１層以上の膜からなる第１の領域と、前
記紫外光領域の露光波長に対して透明または半透明な少
なくとも１層以上に膜からなり、該露光波長に対する前
記第１の領域との位相差が概ね１８０度となる第２の領
域を有し、該露光波長での前記第１の領域と前記第２の
領域との透過光強度の比が、０．０３〜０．１５：１で
ある露光用マスクを用いて前記レジスト膜上に紫外光に
よるパターン露光を行う工程と、前記レジスト膜を現像
処理する工程からなることを特徴とするパターン形成方
法。