JP2006267466A - 位相シフトマスクとその位相差測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 位相差測定用パターンの占有面積を小さくし、位相シフトマスクの転写領域に複数の位相差測定用パターンを配置して、パターン精度を向上させる。
【解決手段】
光学的に転写されるパターンが、シフター部１と非シフター部２とが交互に配置され、位相差測定用パターン１００を含む位相シフトマスクにおいて、該位相差測定用パターン１００が転写領域内に複数配置されているように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位相シフトマスクとその位相差測定方法とに係わり、特にマスクの転写領域内に配置する位相差測定用パターンの構成に関する。

近年、半導体装置の高集積化や大チップ化に伴い、マスク・レチクルも微細で、かつ高精度な加工を必要とするようになってきている。それに対応して、通常のリソグラフィーのパターニング精度の限界を超える手段の一つとして、位相シフトマスクがある。

位相シフトマスクの構成や製造方法に対しては、いろいろな方式が提案されている。例えば、エッジ強調方式は、遮光膜パターンの周辺に位相シフタを配置した構成になっている。ここで位相シフタとは、露光した光が透過した時に位相が反転する透明膜のことで、パターンコントラストを向上させることができる（例えば、特許文献１参照）。

ハーフトーン方式は、遮光膜自体に透光性を持たせ、しかも位相が反転する機能を持たせることによって、位相シフタと同等な効果が得られる膜とする。この膜に対して、エッジ強調的な機能をもたせた方式である。エッジ強調方式よりも構成が簡単であり、実用化されている。

レベンソン方式は、繰り返しパターンの透光部に交互に位相シフタを配置し、位相シフタの配置部と未配置部との透過光同士の干渉によって、分離解像度を向上させる方式である。

現在の位相シフトマスクの主流は、ハーフトーン方式とレベンソン方式の二方式であるが、本発明は、レベンソン方式の位相シフトマスクの位相差測定パターン及び測定方法に関する。

図５、図６、図７は、レベンソン方式のマスクの製造工程を示したもので、３図を通してアルファベットで連番になっている。

図５（Ａ）はマスクブランク３０１の構成を示している。多くの場合、石英基板６の上に、例えば、クロムなどの金属膜あるいは金属酸化物膜からなる遮光膜、ここではクロム膜３が被着された構成になっている。さらに、クロム膜３の上に第１のレジスト膜７１を被着した構成になっている。

図５（Ｂ）の工程において、マスクブランク３０１に対して、電子線あるいはレーザービームによって第１のレジスト膜７１にパターンを描画し、そのあと現像を行なって第１のレジストパターン７１１を得る。

次いで、図５（Ｃ）の工程において、第１のレジストパターン７１１をマスクにして、クロム膜３をドライエッチングあるいはウェットエッチングによってエッチングし、クロムパターン３３を得る。近年では、高精度なパターンを得るために、電子線による描画とドライエッチングによるエッチングが主流となっている。

図５（Ｄ）の工程において、第１のレジストパターン７１１を除去し、クロムパターン３３が形成される。ここで、クロムパターン３３の検査を行う。

図５（Ｅ）の工程においては、クロムパターン３３の検査のために、再び、クロムパターン３３の上に第２のレジスト膜７２を形成し、さらに、チャージアップ防止のため第２のレジスト膜７２の上に導電性膜８を形成する。ここで、次の描画工程を電子線を使わずにレーザービームで行う場合は、導電性膜８は不要である。

図６（Ｆ）の描画工程においては、クロムパターン３３の上に位相反転パターンを形成する透光部の部位のみに石英基板６が露出するように電子線によるオーバーレイ描画を行う。そして、描画された導電性膜８を除去し、第２のレジスト膜７２の現像を行って第２のレジストパターン７２１を得る。

次いで、図６（Ｇ）の工程で、第２のレジストパターン７２１をマスクにして露出している石英基板６をドライエッチングを行い、ウェーハプロセスにおける露光波長およびシフタ−アンダーカット量によって決まる所望の深さまでエッチングを行うと石英段差パターン６１が形成される。

ここで、石英段差パターン６１を形成するためのエッチングの深さは、図示してない反射型位相差測定装置でモニタする。反射型位相差測定装置とは、基板裏面からの反射光で位相差を測定する装置で、レジストパターンがついた状態で位相差を測定する装置のことであるが、保証装置ではない。

次いで、図６（Ｈ）の工程で、第２のレジストパターン７２１を除去し、石英段差パターン６１のエッチング量を図示してない透過型位相差測定装置で測定する。

次いで、図６（Ｉ）において、再び、第３のレジスト膜７３および導電性膜８を形成する。

次いで、図６（Ｊ）において、図６（Ｆ）と同様の工程を経て、第３のレジストパターン７３１を得る。

次いで、図７（Ｋ）の工程で、第３のレジストパターン７３１をマスクにして、ウェーハプロセスにおける露光波長およびシフタ−アンダーカット量により決まる所望の深さまで反射型位相差測定装置により位相差をモニタしながらエッチングを行う。このエッチングは、フッ酸によるウェットエッチングで行い、石英段差パターン７１の側壁にアンダーカット９を形成する。

図７（Ｌ）において、第３のレジストパターン７３１を除去し、レベンソン方式の位相シフトマスク２００を得る。ここで、石英基板６をエッチングしてない透光パターンをシフタ−部１、石英基板６をエッチングして位相反転機能を持たせた透光パターンを非シフタ−部２と呼ぶこととする。

ところで、位相シフトマスクの位相差の保証用の測定装置であるが、現在、レーザーテック社のＭＰＭが業界の標準装置となっている。レベンソンマスクの位相差測定パターンおよび測定方法を説明する。

図８は、従来の位相差測定パターンの説明図で、図８（Ａ）は位相差測定用パターン１００をクロム膜３の側から見た外観図、図８（Ｂ）はその断面構造を示している。

ここで、基本となる構造は、デバイスパターンと同様にレベンソン方式の構造をとっている。

すなわち、シフタ−部１と非シフタ−部２とが交互に配置されている。ただし、パターンのサイズは位相差測定装置の光学倍率や測定可能サイズの関係上数μｍとされている。

また、アンダーカットは図示していないが、アンダーカット形成前後で測定への影響はパターンサイズ的に無視できる。

さらに、レーザーテック社のＭＰＭは透過光による測定を行うが、測定原理上シヤリングと呼ばれる透過光を実像に対して、横方向へ一定距離ずらしたシヤリング像の二つに分けて、それぞれの透過光を干渉させて測定している。

図９は、従来の位相差測定用パターンによる位相差測定の説明図である。図９に基づいて、シヤリングについて説明する。

図９において、１１は実像シフタ−部、１２はシヤリング像シフタ−部、２１は実像非シフタ−部、２２はシヤリング像非シフタ−部、３１は実像クロム膜、３２はシヤリング像クロム膜を示す。

図９（Ａ）は、図８の位相差測定用パターン１００をＭＰＭ上で観察されるイメージで、実像とシヤリング像とが合成されたイメージを示している。図９（Ｂ）と図９（Ｃ）とは、それぞれ実像５１とシヤリング像５２との位置関係の断面図を模式的に示したものである。

ここで、注目すべきところは、実像の非シフター部２１とシヤリング像のシフター部１２、および実像のシフター部１１とシヤリング像の非シフター部２２の位置が一致していなければならないことである。

すなわち、位相差測定用パターン１００を設計する際には、ＭＰＭのシヤリング量に合致したピッチで、実像５１とシヤリング像５２のそれぞれの非シフター部２１、２２と、シフター部１０、１１とを配置しなければならない。

ＭＰＭでシヤリング量を変えることは可能であるが、光学的な調整が必要であり、そのための工数もかかる。従って、シヤリング量は固定されるのが通常である。また、ＭＰＭでの測定は、シヤリング像シフタ−部１２と実像非シフタ−部２１との重なり部位４１と、実像シフタ−部１１とシヤリング像非シフタ−部２２との重なり部位４２との２箇所を透過した光を比較することによって、位相差を測定している。

そこで、図９（Ｄ）に示したように、重なり部位４１と重なり部位４２とが少なくとも１組必要になる。よって、位相差測定用パターン１００は、ＭＰＭのシヤリング量に合致したピッチでシフタ−部１と非シフタ−部２とが交互に配置されたパターンが横方向に少なくとも３個必要となる。ただし、図９（Ａ）において、シフタ−部１と非シフタ−部２とが入れ代わっていても測定上は問題ない。

なお、図９（Ｄ）において、符号４３は、実像シフタ−部１１とシヤリング像クロム膜３２との重なり部位、４４は実像クロム膜３１とシヤリング像のシフタ−部１２との重なり部位をそれぞれ示している。
特開平８−２９７３５７号公報

近年、デバイスの要求により、マスクパターンも高密度化、大チップ化、あるいは、複数の異なるチップを配置する要求がなされている。また、位相シフトマスクの位相差の精度も厳しくなってきており、一つのマスク内の複数配置されたチップ毎の位相差の保証も必要となってきている。

そのため、位相差測定装置の業界標準装置、例えば、レーザーテック社製ＭＰＭでの測定による位相差を保証するために、位相差測定パターンをマスク内に配置することが必要になってきている。

図８（Ａ）で示した位相差測定用パターン１００は、ＭＰＭのシヤリング量が１０μｍの場合、非シフタ−部２とシフタ−部１との配置ピッチは１０μｍ、開口部の横方向のサイズは非シフタ−部２とシフタ−部１との干渉を避けるためにピッチの１／２以下が望ましい。また、測定可能領域（透過光を装置側で取り込み、測定に使用する領域のことで、０．２５μｍから数μｍに設定可能）よりも大きいことが望ましい。さらに、縦方向のサイズは、測定可能領域よりも大きければ測定する上で特に制限はない。

ここでは、測定可能領域を０．５μ×０．５μｍと設定し、横方向のサイズはピッチの１／２の５μｍにしてある。縦方向のサイズはシフタ−部１と非シフタ−部２とを区別するためにサイズを変える場合があるが、ここでは同一サイズにしてある。

図１０は、従来の位相差測定パターンを示している。図８（Ａ）で示したパターンと、そのパターンを９０°回転させたパターンを近傍に配置している。

図中、Ｓ３＝Ｐ５＝２５μｍ、Ｐ６＝Ｐ８＝５μｍ、Ｐ７＝１０μｍである。つまり、幅が５μｍで長さが任意のパターンをシフタ−部１と非シフタ−部２を交互に並べた組と、９０°回転させた組とを配置した位相差測定用パターン１００で、大きな占有面積を占めている。

９０°回転させたパターンを配置しているのは、ＭＰＭ以外の測定装置、例えば、図６（Ｆ）と図６（Ｇ）に示した第２のレジストパターン７２１、および図７（Ｋ）に示した第３のレジストパターン７３１とが、クロムパターン３３の上にある状態で、マスクの石英基板６の側からの反射光による位相差測定装置などでステージ移動可能範囲に横方向と縦方向に差があり通常方向では測定できない測定箇所を、マスクを９０°回転させて測定可能とするために配置している。

実際の位相差保証領域は最大１３２ｍｍ×１１０ｍｍ程度となる。この領域内に位相差測定パターンを配置する訳である。しかし、ここで不具合となってくるのは、位相差測定パターンの占有する面積の大きさである。

図１０に示した位相差測定用パターン１００では、約５０μｍ×２５μｍを占めているので、デバイスパターン内に複数個配置することは困難である。良くても、デバイスパターンの四隅に配置するのが限界の場合もある。

このような四隅配置では、プロセスによる位相差のばらつきをモニタすることができず、デバイスパターン内を完全に保証することができない。

もう一つの不具合は、図６（ｆ）と図６（Ｇ）および図７（Ｋ）で示したマスクを９０°回転させて測定した場合、同一箇所をＭＰＭで測定する場合も同様に９０°回転して測定しなければならず、工数の増加を伴っている。

そこで、本発明では、レベンソン方式の位相シフトマスクの位相差測定用パターンをデバイスパターンの領域内に複数配置し、デバイスパターン内で位相差をモニタしながら非シフター部を形成し、かつ、デバイスパターン内で位相差を保証するために必要な小面積化した位相差測定用パタ−ンとその測定方法を提供する。

上で述べた課題は、光学的に転写されるパターンが、シフター部と非シフター部とが交互に配置され、位相差測定用パターンを含む位相シフトマスクにおいて、該位相差測定用パターンが転写領域内に複数配置されているように構成された位相シフトマスクによって解決される。

つまり、位相シフトマスクにおいて、転写領域内に位相差測定用パターンを複数配置するようにしている。それによって、従来のような位相差測定用パターンをマスクの周縁部に配置していた位相シフトマスクに較べて、転写されるパターンの精度を確認し格段に向上させることができる。

次いで、少なくとも２×２に配置された矩形パターンで構成され、シフター部と非シフター部とが交互に配置されている位相差測定パターンを、シヤリング機能を有する透過型位相差測定装置で測定するに際して、実像の非シフター部とシヤリング像のシフター部とが重なった部位と、実像のシフター部とシヤリング像の非シフター部とが重なった部位の上下２箇所を測定するように構成された位相シフトマスクの位相差測定方法によって解決される。

つまり、位相差測定用パターンを、少なくとも２×２に配置された矩形パターンで構成し、シフター部と非シフター部とが交互に配置するようにしている。そして、シヤリング機能を有する透過型位相差測定装置を用いて測定するに際しては、実像の非シフター部とシヤリング像のシフター部とが重なった部位と、実像のシフター部とシヤリング像の非シフター部とが重なった部位の上下２箇所を測定するようにしている。

その結果、従来に較べて占有面積の小さな位相差測定用パターンによって位相シフトマスクの評価ができるので、この位相差測定用パターンを位相シフトマスクの転写領域内の複数配置し、転写されるパターンの精度を確認し格段に向上させることができる。

本発明になる位相差測定パターンによれば、従来の位相差測定パターンに比べ、占有面積を従来の１／５にすることができる。その結果、デバイスパターン内に配置できる位相差測定パターンの数を増やすことができ、デバイスパターン内での位相差のモニタが高精度で行うことができる。

従って、今後、ますます高密度化するデバイスの要求を満たす位相シフトマスクの供給が可能となる。

図１は本発明の位相差測定用パターンの説明図、図２は本発明の位相差測定用パターンを９０°回転させて測定したときの説明図、図３は本発明の第一の実施例の説明図、図４は本発明の第二の実施例の説明図である。

実施例の提示に先立って、図１によって、本発明の位相差測定用パターンについて説明する。

図１は、本発明の位相差測定用パターンの説明図で、図１（Ａ）は、位相差測定用パターン１００の寸法諸元を示したものである。図１０と同様に、ＭＰＭのシヤリング量が１０μｍ、測定可能領域が０．５×０．５μｍの場合の位相差測定用パターン１００を示している。

ここでは、開口部の横方向寸法：Ｓ１も、縦方向寸法：Ｓ２も同一寸法で、Ｓ１＝Ｓ２＝５μｍ（ここでは、シヤリング量の１／２の５μｍ）である。ピッチは、横方向寸法：Ｐ１も、縦方向寸法：Ｐ２も、Ｐ１＝Ｐ２＝１０μｍで、２×２で配置している。

図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の４つの開口パターンの上段の２つの開口パターンの断面を示し、図１（Ｄ）は、下段の開口パターンの断面を模式的に示したものである。

この四つの開口パターンの非シフタ−部２とシフタ−部１は、図１（Ｃ）と図１（Ｄ）に示したように交互に配置している。すなわち、図１（Ｂ）のように配置している。

図１（Ｅ）は、図１（Ｆ）で示した実像５１とシヤリング像５２とが重なった部位を示しており、図１（Ｆ）は、２×２に配置された四つの開口パターンの上段と下段の二つの開口パターンのそれぞれの実像５１とシヤリン３像５２の断面図を模式的に示したものである。

ここで、ＭＰＭで位相差を測定する場合に必要とする実像シフタ−部１１とシヤリング像非シフタ−部２２との重なり部位４１と、シヤリング像シフタ−部１２と実像非シフタ−部２１との重なり部位４２の二つの部位が、図９に示したと同様に、部位４１、４２として実現しており、位相差の測定が可能なことが分かる。

図２は、図１で示した位相差測定用パターン１００のマスクを９０°回転してＭＰＭで測定する場合の説明図である。位相差測定用パターン１００の寸法諸元は図１と同一である。

図１と比較してみると、実像シフタ−部１１とシヤリング像非シフタ−部２２との重なり部位４１と、シヤリング像シフタ−部２２と実像非シフタ−部１１との重なり部位４２との位置関係が逆になっているだけである。

この結果から、本発明の位相差測定用パターン１００を用いれば、一つの位相差測定用パターン１００を用いて通常方向の測定も９０°回転方向の測定も双方可能であることが分かる。

また、本発明の位相差測定用パターン１００の占有面積は、１５×１５μｍであるが、この値は図１０で示した従来の位相差測定用パターンの１／５で、非常に小面積に抑えることができる。
〔実施例１〕
図３は、本発明の第一の実施例の説明図である。図３（Ａ）は、第一の実施例における位相差測定用パターン１００の寸法諸元を示したものである。ここでは、開口部の横方向寸法：Ｓ１も、縦方向寸法：Ｓ２も同一寸法で、Ｓ１＝Ｓ２＝５μｍ（ここでは、シヤリング量の１／２の５μｍ）である。ピッチは、横方向寸法：Ｐ１も、縦方向寸法：Ｐ２も、Ｐ１＝Ｐ２＝１０μｍである。

図３（Ｂ）には、２×２で配置された矩形パターンの位相差測定用パターン１００を示す。ＭＰＭのシヤリング量１０μｍ分のピッチ、矩形パターンのサイズはシヤリング量の１／２（５μｍ）に構成しており、非シフタ−部２を左上と右下、シフター部１を右上と左下に配置したパターンを示す。

図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）に示した位相差測定用パターン１００の一変形パターンで、第２のシフタ−部１０はシフタ−部１の矩形サイズを若干大きめ（１μｍ程度）にし、シフター部１と非シフター部２が一目見て判断できるようにしたものである。

図３（Ｄ）と（Ｅ）は、図３（Ｂ）、（Ｃ）のシフタ−部１と非シフタ−部２および第２のシフタ−部１２とのそれぞれの配置を逆にしたものである。

なお、これらの構成は、ＭＰＭのシヤリング量、測定可能領域の設定によって如何様にも変化させることがでてきる。
〔実施例２〕
図４は、本発明の第二の実施例の説明図である。図４（Ａ）は、第二の実施例における位相差測定用パターン１００の寸法諸元を示したものである。ここでは、開口部の横方向寸法：Ｓ１も、縦方向寸法：Ｓ２も同一寸法で、Ｓ１＝Ｓ２＝５μｍ（ここでは、シヤリング量の１／３の５μｍ）である。ピッチは、横方向寸法：Ｐ３も、縦方向寸法：Ｐ４も、Ｐ３＝Ｐ４＝１５μｍである。

図４（Ｂ）には、２×２で配置された矩形パターンの位相差測定用パターン１００を示す。ＭＰＭのシヤリング量１５μｍ分のピッチ、矩形パターンのサイズはシヤリング量の１／３（５μｍ）に構成しており、非シフタ−部２を左上と右下、シフター部１を右上と左下に配置したパターンを示す。

図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に示した位相差測定用パターン１００の一変形パターンで、第２のシフタ−部１２はシフタ−部１の矩形サイズを若干大きめ（１μｍ程度）にし、シフター部１と非シフター部２が一目見て判断できるようにしたものである。

図４（Ｄ）と図４（Ｅ）は、図４（Ｂ）と図４（Ｃ）のシフタ−部１と非シフタ−部２および第２のシフタ−部１０とのそれぞれの配置を逆にしたものである。

なお、これらの構成は、ＭＰＭのシヤリング量、測定可能領域の設定によって如何様にも変化させることができる。

ここで、矩形で例示したシフタ−部や非シフタ−部のパターン寸法は、本発明の目的からすれば、占有面積をできるだけ小さくすることが望ましいが、一義的に決まるものではなく種々の変形が可能である。

また、位相差の測定に関しては、レーザテック社のＭＰＭを例示したが、これに限定するものではなく、シヤリング機能を有する透過型位相差測定装置であれば種々の変形が可能である。

本発明の位相差測定用パターンの説明図である。 本発明の位相差測定用パターンを９０°回転させて測定した場合の説明図である。 本発明の第一の実施例の説明図である。 本発明の第二の実施例の説明図である。 レベンソンマスクの製造工程の説明図（その１）である。 レベンソンマスクの製造工程の説明図（その２）である。 レベンソンマスクの製造工程の説明図（その３）である。 従来の位相差測定用パターンの説明図である。 従来の位相差測定用パターンによる位相差測定の説明図である。 従来の位相差測定用パターンの課題の説明図である。

符号の説明

１ シフタ−部
１１ 実像シフタ−部 １２ シヤリング像シフタ−部
２ 非シフタ−部
２１ 実像非シフタ−部 ２２ シヤリング像非シフタ−部
３ クロム膜
３１ 実像クロム膜 ３２ シヤリング像クロム膜
４１ シヤリング像シフタ−部１２と実像非シフタ−部２１との重なり部位
４２ 実像シフタ−部１１とシヤリング像非シフタ−部２２との重なり部位
４３ 実像シフタ−部１１とシヤリング像クロム膜３２との重なり部位
４４ 実像クロム膜３１とシヤリング像のシフタ−部１２との重なり部位
５１ 実像 ５２ シヤリング像
１００ 位相差測定用パターン

Claims (3)

1. 光学的に転写されるパターンが、シフター部と非シフター部とが交互に配置され、位相差測定用パターンを含む位相シフトマスクにおいて、
   該位相差測定用パターンが転写領域内に複数配置されている
   ことを特徴とする位相シフトマスク。
2. 該位相差測定用パターンが、少なくとも２×２に配置された矩形パターンで構成されており、該シフター部と該非シフター部とが交互に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の位相シフトマスク。
3. 少なくとも２×２に配置された矩形パターンで構成され、シフター部と非シフター部とが交互に配置されている位相差測定パターンを、シヤリング機能を有する透過型位相差測定装置で測定するに際して、
   実像の非シフター部とシヤリング像のシフター部とが重なった部位と、実像のシフター部とシヤリング像の非シフター部とが重なった部位との上下２箇所を測定する
   ことを特徴とする位相シフトマスクの位相差測定方法。

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