JP2003505740A - 高解像度光学リソグラフィー用マスク - Google Patents

高解像度光学リソグラフィー用マスク

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JP2003505740A JP2001512999A JP2001512999A JP2003505740A JP 2003505740 A JP2003505740 A JP 2003505740A JP 2001512999 A JP2001512999 A JP 2001512999A JP 2001512999 A JP2001512999 A JP 2001512999A JP 2003505740 A JP2003505740 A JP 2003505740A
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ユアン, アール. マルドナド,
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Abstract

(57)【要約】 短い波長の光、例えば157nmの光を使用する高解像度光学リソグラフィー用の光学的マスク(100)は、所望の波長に対して透明である材料の膜(102)を使用する。これらの薄い膜は、シリコン・ウェーハ(104)といった支持構造体によって引張り応力下で保持される。膜が薄いので、被覆するリソグラフィー・パターンの生成時の膜材料の加熱は、低減される。これは、フッ化カルシウムが高い熱膨張係数を持っているのでフッ化カルシウムといった材料がマスクの透明媒体として使用されるときに、特に有利である。このようにして膜は、マスクの生成時に、歪みをほとんど受けない。このリソグラフィー・パターンは、パラジウムといった吸収性の材料の薄い層を使って生成される。この吸収性材料と膜の両者とも薄いので電子ビーム書込みによるリソグラフィー・パターンの生成時に後方散乱は殆どなく、したがって近接修正も不必要になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (技術分野) 本発明は、光学リソグラフィー用マスク、特に高解像度光学リソグラフィー用
マスクに関する。
【0002】 (背景技術) 集積回路といった半導体素子は、素子基板の表面にパターンを複写することに
よって製造される。複写プロセスは一般的には、電子ビーム、X線、光線といっ
た照明源を使用して素子基板にマスク上のパターンをリソグラフィー的に転写す
ることを含んでいる。
【0003】 膜(membrane)マスクは、X線リソグラフィーで使用されるものとして周知で
ある。膜マスクは、フレームによって支持される膜を使用する。これらの膜は一
般的に、シリコン、ドープト・シリコン、炭化シリコン、窒化シリコン、ダイヤ
モンド、または類似の材料で作られる。X線の波長は基板に素早く吸収されるの
で、X線が基板を透過できるように薄い膜が必要である。一般にこれらの膜は、
厚さが5μm(ミクロン)未満であり、したがって一般にその製造には細心の注
意を要し、費用もかかる。更にX線マスクに使われるX線吸収フィルムは、入射
放射線を吸収し、それらを反射しない。
【0004】 従来の光学リソグラフィーは厚い基板を容易に透過する波長を使用するので、
膜マスクは、光学リソグラフィーでは使用されない。したがって光の波長に関し
て敏感な膜マスクを生成する費用と面倒とを被る必要がない。
【0005】 光学リソグラフィーでは、従来のマスクは、使用される光の波長に対して透明
であるガラスまたは石英の比較的厚い基板を被覆する、クロムといった不透明の
パターンを含んでいる。入射光は、不透明な材料によって吸収され、また反射さ
れ、そして基板を透過してマスクのパターンを有する素子基板(あるいは被覆し
ているフォトレジスト層)を露光する。
【0006】 従来の光学マスクのガラスまたは石英の基板は、自立しており、すなわち支持
フレームなしで自立しており、その厚さは一般に数ミリメートルである。厚いシ
リコンまたは石英の基板は、比較的長い波長、例えば193nmあるいは248
nm(ナノメートル)の光に対しては十分に透明である。しかしながら、高解像
度光学リソグラフィーのためには、より短い波長、例えば157nmの光が使用
される。厚いガラスまたは石英の基板は、短波長の光に関して所望の透過率を持
っていない。現在、157nmに対して透明な厚い材料を開発する努力は、光学
的透過性を増加させるための、材料修正(ドーピング)または溶融シリカのOH
除去に集中されている。
【0007】 短波長において少なくとも部分的に透明である材料は、フッ化カルシウム(C
aF2)である。不都合なことにCaF2は、通常のガラスや石英の約40倍とい
う高い熱膨張係数を持っている。例えば電子ビーム書込みを使って被覆パターン
を生成するときに、一般に多量の熱が基板に伝達される。したがって高い熱膨張
係数を有する基板は、被覆パターンの生成時に歪むであろう。その結果、もし通
常の光学的マスクのガラスまたは石英の基板がCaF2基板に置き換えられると
、電子ビーム書込みは、CaF2基板を加熱して、CaF2基板を歪ませ、被覆パ
ターンを歪ませる結果を招くであろう。この歪みは、将来の素子生成の基本ルー
ルのために修正が困難になる可能性がある。
【0008】 したがって被覆パターンを生成するときに歪まない高解像度の、すなわち短波
長の光学リソグラフィー用に使用できるマスクが必要とされている。
【0009】 (発明の開示) 光学的マスク構造は、157nmといった所望の波長の光に対して少なくとも
部分的に透過性である膜を含んでいる。この光学マスクは、半導体素子といった
素子を生成するためにリソグラフィー・システムで使うことができる。この膜は
、引張り応力の下でそれを保持する基板上に支持される。リソグラフィー・パタ
ーンは、この膜を覆っている。好都合にもこの膜は、十分に薄くなっており、か
つ被覆パターンの生成時の加熱によって引き起こされる膜の歪みを減少させるよ
うに支持フレームに取り付けられる。これは、CaF2が高い熱膨張係数を有す
る膜として使用される場合に、特に有利である。加えて、膜が薄いので、例えば
電子ビーム書込みで被覆パターンを生成するときに、この膜は電子の後方散乱を
ほとんど引き起こさないであろう。更にパラジウムといった吸収性材料の薄層は
、膜を被覆するパターンの材料として使用される。吸収体が薄いので、電子の後
方散乱は、ほとんど発生しない。したがって、被覆パターンの生成時に近接効果
補正は、ほとんど、あるいはまったく不必要になる。
【0010】 光学マスクは、例えばシリコンまたは溶融シリカの基板を備えることによって
製造されるが、この基板の上に例えばCaF2またはドーピングされたOHフリ
ーの溶融シリカといった膜材料の層が形成される。シリコンまたは溶融シリカは
、膜領域を画成するために膜材料に対してエッチバックされる。膜材料の上に吸
収性または反射性の材料の層が堆積され、それが膜領域の上に所望のリソグラフ
ィー・パターンからパターン化されてエッチングされる。膜材料の層は、被覆層
のパターニング時の膜領域の加熱と歪みとが減少するように十分に薄く堆積され
る。
【0011】 (発明を実施するための最良の形態) 図1は、本発明の一実施例による高解像度光学リソグラフィー用の膜マスク構
造100の上面(平面)図を示す。図2は、図1に示すA−A’線による、マス
ク構造100の横断面図を示す。マスク構造100は、破線で示す厚いフレーム
106に取り付けられた基板104によって引張り応力の下で支持された数個の
比較的小さな膜102からなる。吸収体108は、リソグラフィー的に転写され
るべき所望のパターンを画成する膜102を覆っている。
【0012】 膜102は、所望の光の波長において透過性である材料で作られる。したがっ
て短波長、例えば157nmに適した膜102用の材料には、CaF2、フッ素
(F)をドープした溶融シリカ、OHフリーの溶融シリカ、あるいはこれらの材
料の組合せが含まれる。所望の光の波長で十分に透明である限りは、他の材料も
使用できることは無論である。
【0013】 膜102は、例えば1μmから20μm(ミクロン)の間の厚さを持っている
。薄い膜102を使用することは好都合にも、結晶の均質性、光学的吸収性、平
坦性といった従来の光学リソグラフィー・マスクにおける厚い材料の使用に関連
した問題を回避する。薄い膜の使用は更に、皮膜パターンの生成に関連する歪み
問題を改善する。膜102が薄いので、吸収体108の所望のパターンの電子ビ
ーム書込み時に、電子は膜102によって完全には吸収されず、大部分は膜10
2を透過するであろう。したがって熱が厚い基板に伝達されるときに、薄い膜に
は、より少ない熱が伝達される。このようにして、膜がCaF2といった高い熱
膨張係数を有する材料から作られるとき、膜102には熱はほとんど伝わらず、
それによって有害な歪みを限定する。膜102の選択された厚さは、膜102の
安定性、すなわち歪みのないこと、強度、フィルム表面の粗さの要件、ならびに
所望波長の透過性の最大化といった要因によって決定される。
【0014】 図1、2に示すようなマスク構造100に多数の膜102を使用することは、
膜サイズ対厚さ比の関数であるマスク操作(強度)と安定性(パターン配置と照
射損傷)との要件を満たすために有利である。このようにして例えば、もし非常
に薄い膜が所望であれば、安定性を増加させるために、膜のサイズは、強度要件
を満たすために小さくしてもよい。本発明の他の実施例では、マスク構造100
は、単一の大きな膜を使用する。単一の膜マスクは、つなぎ誤差を限定するとい
った露光ツールの考慮の上から有利である。
【0015】 支持基板104は、シリコンまたは溶融シリカ(ドープされている、あるいは
ドープされていない)ウェーハ、または低い熱膨張係数を有する他の材料で作ら
れる。この支持基板104の厚さと膜102間の幅は、膜102に十分な支持を
与えるように選択される。例えば膜102間の幅は、0.1mmから5mmまで
の範囲にある。膜102は、引張り応力下にあるので、膜102の熱膨張係数は
、支持基板104によって決定される。応力のレベルは、例えば5−10×10 8 dynes/cm2の範囲にあればよい。
【0016】 支持基板104は、支持基板104と類似の熱膨張特性を有する比較的厚いフ
レーム106に取り付けられる。フレーム106は、溶融シリカまたは、例えば
「Pyrex(パイレックス)」という商標で知られるガラス材料で作ることも
できる。
【0017】 不透明な吸収体108は、良好なエッチング特性と、所望の波長での高い光学
吸収性と低い反射性とを有する材料で作られる。例えば、157nm波長の光に
関して十分な特性を持っているという理由で、100から500オングストロー
ム厚さのパラジウム(Pd)フィルムを使用することもできる。吸収体108を
形成するために他の材料も使用できることは無論である。更に吸収体108は、
応力誘発歪みを最小にするために基板と比較して低いヤング率を持つべきである
【0018】 所望であれば、吸収体108は、反射性の材料で置き換えが可能であることは
無論である。しかしながら反射性のシステムは、作ることが困難である。更に5
00オングストロームのPdといった吸収体108として薄いフィルムを使用す
ることは、電子ビーム書込み時に後方散乱ほとんどなく、したがって近接誤差補
正がほとんど、あるいはまったく必要とされないので、有利である。更に、膜1
02が薄いので膜102も電子ビームの後方散乱をほとんど発生させず、これが
近接誤差補正を不必要にする。
【0019】 多数の膜102が使用される場合には、各膜が、吸収体108によって画成さ
れるリソグラフィー・パターンを持つことができる。リソグラフィー処理時に各
膜上のパターンは、順次に走査され、ステップ移動し、他の膜パターンに揃えら
れて素子基板上に完全なパターンを画成する。光学ツール/マスク・システムは
、つなぎ誤差を最小にするように設計しなくてはならない。しかしながらもし単
一の膜が使用されるのであれば、全リソグラフィー・パターンは、その単一の膜
上に生成できる。このようにしてリソグラフィー・プロセスは、単一の膜の使用
によって単純化される。
【0020】 膜構造100を生成するために使われる製造ステップは、図3の流れ図に示さ
れ、またその結果得られる構造は,図4Aから4Eに示されている。第1のステ
ップ122で、例えば酸化シリコンのエッチング停止フィルム140は、図4A
に示すように基板104上に堆積、あるいは成長させられる。フィルム140は
、基板104上で膜領域を画成するために使用される。
【0021】 次のステップ124では、従来のリソグラフィー方法とエッチング手法とを使
用して、フィルム140は、基板104の一方の面からは膜領域が除去され、基
板104の他方の面からは全部が除去される。その結果得られる構造は、図4B
に示す。
【0022】 次のステップ126では例えば1から20μmのCaF2またはその他適当な
材料のフィルム142が基板104上に堆積される。フィルム142は、化学堆
積(CVD)、スパッタリング、その他適当な手法を使用して堆積することがで
きる。しかしながら一旦フィルム142が堆積されると、特にCVDによって堆
積されると、フィルム142の表面は、所望の表面粗さの要件を満たすために例
えば化学機械研磨(CMP)を使って研磨することが必要である。
【0023】 次のステップ128では、通常のリソグラフィー手法を使って基板104の膜
領域をエッチングして膜102を画成する。基板104は、反応性イオン・エッ
チング(RIE)または他のいかなる従来のエッチング方法を使用してエッチン
グしてもよい。その結果得られた構造は、図4Cに示す。
【0024】 基板104上に残ったフィルム140はその後、ステップ130で剥離され、
それから基板104は支持リング106に陽極接合される。その後ステップ13
2で、膜フィルム142の上に吸収体フィルム144が堆積される。ステップ1
32は、もっと早期に、例えばステップ128またはステップ130に先立って
行ってもよいことは理解すべきである。この結果得られた構造は、図4Dに示す
【0025】 それからステップ134で吸収体フィルム144は、通常のリソグラフィーと
エッチングの手法を使ってパターニングされてエッチングされる。その結果得ら
れた構造は、図4Eに示す。吸収体パターンの歪みは、第一に次式のように吸収
体のヤング率および厚さと、基板のヤング率および厚さとの比によって決定され
る。
【0026】
【式1】 ここでEaとEsは、それぞれ吸収体108と膜102のヤング率であり、ta
とtsは、それぞれ吸収体と膜102の厚さである。
【0027】 図5は、マスク構造100を使ってパターンを素子基板152に転写する従来
のNX縮小光学リソグラフィー・ツール150の関連部分の側面図を示す。図5
に示すようにリソグラフィー・ツール150は、マスク構造100を照明する光
源154と、マスク構造100を通過する光を素子基板152上に集束させる投
影レンズ系156とを含んでいる。マスク構造100はまた、通常のマスク・ス
テージ(図示せず)といった適当な支持体上に位置している。投影レンズ系15
6は簡略化のために図5の単一レンズとして図5に示されているが、一般には多
数のレンズが使われていることは理解すべきである。更に、レンズ系156の一
部は、光源154とマスク構造100との間に配置してもよい。素子基板152
は、矢印159によって示すように移動可能なステージ158の上に配置されて
いる。動作時にステージ158は、素子基板152上に所望のパターンを完成す
るために各膜パターンを他の膜パターンに整列させるように素子基板152を移
動させる。光学リソグラフィー・ツール150は、その動作が当業者によく知ら
れている従来のいかなる光学リソグラフィー・ツールでもよい。
【0028】 膜マスク構造の他の実施例を生成するために使用される製造ステップは、結果
的に図7Aから7Eに示す構造が得られる図6の流れ図に示されている。図6に
示す第1のステップ202では、膜領域224を画成するために、溶融シリカ基
板220の上にレジスト層222が従来のように堆積されてパターニングされる
。その後、次のステップ204で、膜領域224は、フッ素または他の適当なド
ーパント226といったドーパントをドープされる。膜領域224は、打ち込み
、拡散、その他適当ないかなる方法によってドープしてもよい。図7Aは、ドー
パント226をドープされた基板220の膜領域224を示す。このドーパント
は、所望の、例えば10μmの膜にとって適当な深さにまで配置される。レジス
ト222はその後取り除かれる。図7Bは、所望の膜厚に比例する深さで膜領域
224にドーパント打ち込み226を有する基板220を示す。しかしながら、
所望であれば基板220の全厚さにドープしてもよいことは、理解すべきである
。更に、膜領域224だけにドーピングすることとは反対に、溶融シリカ基板2
20の全面にドーピングすることもできる。
【0029】 次のステップ206で基板220は、エッチングされて、所望の厚さの膜22
8を画成する。図7Cに示すように溶融シリカの基板220は、ドープされた溶
融シリカの膜228を残してエッチングされる。基板220のエッチングは、所
望であれば図3と図4Aから4Cに述べた仕方で行ってもよい。好都合にも、膜
228は、溶融シリカに適当にドーピングすることによって形成されるので、引
張り応力下にある。代替として、ドーピングの代わりに、溶融シリカ表面からO
Hラジカルを除去してもよい。
【0030】 それからステップ207で基板220は、支持リング230に陽極接合される
。ステップ208で、膜228の上に吸収体フィルム232が堆積される。ステ
ップ208は更に早期に、例えばステップ206に先立って行ってもよいことは
理解すべきである。この結果得られた構造は図7Dに示す。
【0031】 その後ステップ210で、吸収体フィルム232は、通常のリソグラフィーと
エッチングの手法を使ってパターニングされてエッチングされる。吸収体の上に
は、反射防止膜を配置してもよい。この結果得られた構造は、図7Eに示す。
【0032】 図8は、本発明の他の実施例による高解像度光学リソグラフィー用のマスク構
造300の横断面図を示す。マスク構造300は、所望の波長、例えば157n
mで光学的に透明である材料の約1から2mm厚さの薄いプレート302を含ん
でいる。例えばプレート302は、フッ化カルシウムCaF2またはその他適当
な材料から製造することができる。プレート302は、前述のように、良好なエ
ッチング特性と、所望の波長における高い光吸収性と低い反射性とを有する材料
から作られる不透明なパターン306を支持する。
【0033】 引張り応力下で保持される、図2に示す膜102とは異なり、プレート302
は、剛性であって、支持リング304で支持されている。支持リング304は、
プレート302の座屈を防止するためにプレート302より僅かに大きな熱膨張
を有する材料で作られる。
【0034】 支持リング304に取り付けられたプレート302を有する膜構造300を使
用することは好都合にも、自立する薄い基板の取扱いとマスク歪みとに関連する
問題を改善する。
【0035】 本発明は特定の実施例に関連して説明してきたが、当業者であれば、本開示を
吟味した後に、これらの実施例の種々の代用、修正および組合せが可能であるこ
とを認識するであろう。上述の特定の実施例は、単に例示的なものである。本発
明の範囲から逸脱せずに種々の翻案および修正が可能である。付属のクレームの
精神と範囲は、前述の説明に限定すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例による高解像度光学リソグラフィー用の膜マスク構造の上面
(平面)図である。
【図2】 図1に示すA−A’線による、マスク構造の横断面図である。
【図3】 図1に示すマスク構造を生成するために使用される製造の流れ図である。
【図4】 本発明の一実施例による製造の種々の段階における膜マスクの簡略化された横
断面図である。
【図5】 膜マスク構造を使用する従来のNX縮小光学リソグラフィー・ツールの側面図
である。
【図6】 図7Aから7Eに示す膜マスク構造を生成するために使用される製造の流れ図
である。
【図7】 本発明の他の実施例による製造の種々の段階における膜マスクの簡略化された
横断面図である。
【図8】 本発明の他の実施例による高解像度光学リソグラフィー用のマスク構造の横断
面図である。
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Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光学的マスク構造であって、 光に対して少なくとも部分的に光学的に透過性である膜と、 前記膜を支持する支持基板であって、前記膜を引張り応力の下で保持し、前記
    膜の厚さより大きい厚さを有する前記支持基板と、 前記膜を覆う不透明で部分的に反射性の材料のパターンとを含む光学的マスク
    構造。
  2. 【請求項2】 前記支持基板に取り付けられた支持リングを更に含む請求項
    1に記載の光学的マスク構造。
  3. 【請求項3】 前記膜は、フッ化カルシウムまたはOHフリーの溶融シリカ
    またはドーピングされた溶融シリカを含む請求項1に記載の光学的マスク構造。
  4. 【請求項4】 前記膜は、1μmから20μmまでの間の厚さを有する請求
    項1に記載の光学的マスク構造。
  5. 【請求項5】 前記支持構造によって支持された多数の膜を更に含む請求項
    1に記載の光学的マスク構造。
  6. 【請求項6】 前記膜を覆う材料の前記パターンは、光を吸収し、また部分
    的に反射する材料を含む請求項1に記載の光学的マスク構造。
  7. 【請求項7】 前記光吸収性の材料は、パラジウムである請求項6に記載の
    光学的マスク構造。
  8. 【請求項8】 前記膜は、約157nmの波長を有する光に対して少なくと
    も部分的に透過性である請求項1に記載の光学的マスク構造。
  9. 【請求項9】 膜と前記支持構造は、一体的に構成される請求項1に記載の
    光学的マスク構造。
  10. 【請求項10】 前記支持構造は溶融シリカを含み、前記膜はOHフリーの
    溶融シリカまたはドーピングされた溶融シリカを含む請求項9に記載の光学的マ
    スク構造。
  11. 【請求項11】 光学的リソグラフィー・システムであって、 光を生成する照明源と、 前記光に対して少なくとも部分的に光学的に透過性である膜と、 前記膜を引張り応力の下で保持する、前記膜を支持する支持基板と、 前記膜を覆う不透明な材料のパターンとを含む 光学的マスク構造と、 前記光学的マスクを透過した光を基板上に集束させるように配置された投影レ
    ンズとを含む光学的リソグラフィー・システム。
  12. 【請求項12】 前記照明源は、約157nmの波長を有する光を生成する
    請求項11に記載のシステム。
  13. 【請求項13】 前記膜は、1μmから20μmまでの間の厚さを有する請
    求項11に記載のシステム。
  14. 【請求項14】 前記膜は、フッ化カルシウムまたはOHフリーの溶融シリ
    カまたはドーピングされた溶融シリカを含み、また前記膜を覆う材料の前記パタ
    ーンは、パラジウムを含む請求項11に記載の素子。
  15. 【請求項15】 光学的マスクを生成する方法であって、前記方法が、 基板を備えるステップと、 所望の波長で少なくとも部分的に透過性である膜材料を前記基板上に形成する
    ステップと、 膜を画成するように前記膜材料に対する前記基板の領域をエッチングするステ
    ップと、 前記膜の上に第2の材料の層を堆積するステップと、 前記膜の上に所望のパターンで前記第2の材料の前記層をパターニングするス
    テップと、 前記膜の上に前記所望のパターンを形成するように前記第2の材料の前記層を
    エッチングするステップとを含み、 前記膜は、前記第2の材料の前記層を前記パターニングするときに前記膜の加
    熱と歪みとを減少させるために十分に薄い前記方法。
  16. 【請求項16】 前記基板上に膜材料を形成するステップは、前記基板の上
    に膜材料の層を堆積するステップを含む請求項15に記載の方法。
  17. 【請求項17】 前記基板上に膜材料を形成するステップは、前記膜材料を
    形成するためにドーピングを行うか、あるいは基板表面からOHラジカルを除去
    するステップを含む請求項15に記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記膜材料の層は、1μmから20μmまでの厚さに堆積
    される請求項15に記載の方法。
  19. 【請求項19】 前記膜材料は、フッ化カルシウムまたはドーピングされた
    溶融シリカを含む請求項15に記載の方法。
  20. 【請求項20】 前記第2の材料は、パラジウムを含む請求項15に記載の
    方法。
  21. 【請求項21】 前記基板を支持リングに接合するステップを更に含む請求
    項15に記載の方法。
  22. 【請求項22】 前記膜材料の層の上に第2の材料の前記層を堆積すること
    に先立って前記膜材料の層を研磨するステップを更に含む請求項15に記載の方
    法。
  23. 【請求項23】 光学的マスク構造であって、 光に対して少なくとも部分的に光学的に透過性である剛性のプレートであって
    、第1の値の熱膨張係数を有する前記剛性のプレートと、 前記プレートに取り付けられる支持リングであって、前記第1の値の熱膨張係
    数よりも大きい第2の値の熱膨張係数を有する前記支持リングと、 前記剛性のプレートを覆う不透明な材料のパターンとからなることを特徴とす
    る光学的マスク構造。
  24. 【請求項24】 前記剛性のプレートは、約157nmの波長を有する光に
    対して少なくとも部分的に透過性である請求項23に記載の光学的マスク構造。
  25. 【請求項25】 前記剛性のプレートは、フッ化カルシウムまたはドーピン
    グされた溶融シリカを含む請求項23に記載の光学的マスク構造。
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