JP2007059806A - ドライエッチング方法及びフォトマスクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パターンの寸法ばらつきを改善するドライエッチング方法及びフォトマスクの製造方法を提供すること。
【解決手段】真空中に多層膜を有するエッチング対象物を配置し、前記真空中に反応ガスを導入し、前記反応ガスのプラズマを発生させ、前記多層膜を順次エッチングするドライエッチング方法であって、上層膜側から数えて第ｎ層（ｎは２以上の自然数）の膜（３）のエッチングと第ｎ＋１層の膜（２）のエッチングとの間に、第ｎ−１層の膜（４）のパターン寸法をほとんど変化させずに前記第ｎ層の膜のテーパ部分を選択的に除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ドライエッチング方法及びフォトマスクの製造方法に関する。

従来例に係るパターン形成前のフォトマスク基板（フォトマスクブランクス）の基本構成を説明する。

図１２及び図１３は、フォトマスク基板の構成を示す断面図である。フォトマスク基板は、石英からなる透明基板上にパターン形成用の薄膜をスパッタ法などにより堆積させ、さらにレジストなどのエッチングマスク材をスピンコータなどにより塗布することにより形成される。

図１２に示すような透明基板１上にＭｏＳｉＯＮ（ＭｏＳｉ）膜などの半透明膜２とＣｒ遮光膜（Ｃｒ堆積膜）３を順次成膜したものが、ハーフトーン型位相シフトマスクの作製に用いられる。図１３に示すような透明基板１上に直接Ｃｒ遮光膜３を成膜したものは、Ｃｒマスクや石英掘り込み型位相シフトマスクの作製に用いられる。ここでは、特にハーフトーン型位相シフトマスクの作製について述べるが、Ｃｒマスクや石英掘り込みマスクでも同様に作製できる。

図１４は、レジスト被覆率変化が大きなマスクの例を示す上面図であり、図１５はその断面図である。図１４、図１５では、左側のパターン５１周辺のレジスト４の被覆率が大きく、右側のパターン５２周辺のレジスト４の被覆率が小さくなっている。従来のフォトマスク基板では、特にＣｒ堆積膜３のドライエッチングにおいて、塩素、酸素の混合ガスを用い、塩素、酸素比を５：１〜３：１程度に設定して所望のパターンを形成していた。図１４、図１５に示すようにパターン周辺のレジスト被覆率が大きく変わる場合に、レジストパターンの被覆率に依存したパターン寸法のばらつきが生じてしまっていた。

図１６〜１８、図１９〜２１は、従来のエッチングの問題点を示すマスクの断面図である。エッチングによりＣｒ堆積膜３の側壁形状を垂直化するには、反応ガスの酸素比率を高めることが有効である。しかしこの場合、レジストの寸法細りが大きくなるため、エッチング変換差が大きくなるといった問題や、レジスト寸法細りの大きさがレジストの被覆率に依存して異なってしまうといった問題があった。

例えばレジスト被覆率の大きな領域では、レジスト寸法細りは小さいが、レジスト被覆率の小さな領域では、レジスト寸法細りは大きくなるため、図１６に示すようにレジスト４の寸法ばらつきは、そのままＣｒ堆積膜３の寸法ばらつきとして転写される。さらに図１７、１８に示すようにＣｒ堆積膜３の寸法ばらつきは、Ｃｒパターンをマスクとしてエッチングする半透明膜２の寸法ばらつきとして転写される。

一方、レジストパターンの寸法細りを低減するために酸素比率を低く設定すると、レジストパターンの被覆率に依存してＣｒ堆積膜３の側壁角度が変化し、マスクパターンの寸法のばらつきを増大させてしまうという問題があった。例えば、図１９に示すように、レジスト被覆率の小さな領域（右側）ではＣｒ堆積膜３の側壁は垂直化しやすいが、レジスト被覆率の大きな領域（左側）ではテーパ形状になりやすいという問題があった。

そして図２０に示すように、Ｃｒ堆積膜３の形状ばらつきに起因する寸法のばらつきは、そのまま半透明膜２の寸法ばらつきとして転写され、図２１に示すように、半透明膜２に寸法ばらつきを生じさせる（ａ＞ｂ）。

以上のように従来のエッチング方法では、レジスト寸法細りとＣｒ堆積膜の側壁形状とを同時に制御することは困難であり、これらはマスクパターンの寸法ばらつきの原因になっていた。

なお、特許文献１には、Ｃｒマスクの製造において、酸素を含む塩素等のハロゲン系のガスに少なくとも水素を含むガスを添加した混合ガスを用いてエッチングすることが開示されている。

特許文献２には、Ｃｒ系ハーフトーン位相シフトマスクの金属薄膜のドライエッチングについて開示されている。
特開２０００−１１４２４６号公報 特開２０００−１３８２０１号公報

本発明の目的は、パターンの寸法ばらつきを改善するドライエッチング方法及びフォトマスクの製造方法を提供することにある。

本発明の一形態のドライエッチング方法は、真空中に多層膜を有するエッチング対象物を配置し、前記真空中に反応ガスを導入し、前記反応ガスのプラズマを発生させ、前記多層膜を順次エッチングするドライエッチング方法であって、上層膜側から数えて第ｎ層（ｎは２以上の自然数）の膜のエッチングと第ｎ＋１層の膜のエッチングとの間に、第ｎ−１層の膜のパターン寸法をほとんど変化させずに前記第ｎ層の膜のテーパ部分を選択的に除去する。

本発明の他の形態のフォトマスクの製造方法は、透明基板上に位相シフタ膜と遮光膜を含む多層膜を有するフォトマスク基板の前記遮光膜上のレジストを露光させ、前記レジストを露光部分と未露光部分の溶解速度に差異をつけて現像し、前記フォトマスク基板を真空中に配置し、前記真空中に反応ガスを導入し、前記反応ガスのプラズマを発生させ、前記多層膜を順次エッチングし、前記遮光膜のエッチングと前記位相シフタ膜のエッチングとの間に、前記レジストのパターン寸法をほとんど変化させずに前記遮光膜のテーパ部分を選択的に除去する。

本発明によれば、パターンの寸法ばらつきを改善するドライエッチング方法及びフォトマスクの製造方法を提供できる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態のフォトマスク基板のドライエッチング方法を説明する。

本第１の実施の形態では、ハーフトーン型位相シフトマスクを作製する際のＣｒ膜のエッチング工程において、Ｃｒ膜のエッチングを下地が露出するまでの第１工程と下地が露出してからの第２工程に分け、特に第２工程のエッチング中の酸素比率に制限を加える。

以下、ハーフトーン型位相シフトマスクの作製手順について述べる。

図１２に示したようなフォトマスク基板を準備して、そのレジスト膜４（上層膜側から数えて第ｎ−１層の膜：ｎは２以上の自然数）に電子ビーム描画装置（またはレーザー描画装置）などによりパターンデータを露光させ、ベーク工程、現像工程を経てフォトマスク基板上にレジストパターンを形成した。なお現像工程では、レジスト膜４を露光部分と未露光部分の溶解速度に差異をつけて現像する。

次に、誘導結合型（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ；ＩＣＰ）のドライエッチング装置により、レジストパターンをマスクにしてＣｒ膜３（遮光膜：第ｎ層の膜）のエッチングを行った。ドライエッチング装置では、真空中に多層膜を有するエッチング対象物（フォトマスク基板）を配置し、真空雰囲気中に反応ガスを導入し、反応ガスのプラズマを発生させ、多層膜を順次エッチングする。

このときＣｒ膜３のエッチングの第１工程は、バイアスパワー３５Ｗ、ＩＣＰパワー７００Ｗ、エッチング圧力０．６７Ｐａ、塩素ガス流量５０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量１０ｓｃｃｍ、ヘリウムガス流量２０ｓｃｃｍで、下地膜（半透明膜２：位相シフタ膜：第ｎ＋１層の膜）が露出するまで行った。

下地膜が露出したことの判定は、反射型のプロセスエンドポイントモニタで行ったが、被エッチング膜（Ｃｒ膜３）の反射強度とエッチング量の関係をあらかじめ調べ、エッチング時間を決定しておけば、必ずしもプロセスエンドポイントモニタは必要ではない。プロセスエンドポイントモニタには、基板表面の被エッチング膜に対してほぼ垂直に可視光を照射し、その反射強度の変化からエッチングエンドを判定するものを使用した。

図１〜４は、本第１の実施の形態のエッチング手順を示すマスクの断面図である。まず、図１に示す第１工程のエッチングを行った。第１工程では、プロセス条件は上記条件に限定されることはないが、レジストの後退が小さいこと、特にレジストパターンの疎密による後退量の差が小さいこと、Ｃｒ膜３のエッチング断面が順テーパ形状であることが必要とされるため、ＩＣＰパワーとバイアスパワーの比を４０以下、エッチング圧力を０．４〜１Ｐａの範囲に設定して、下地膜（半透明膜２）が露出するまでエッチングすることが望ましい。

ひきつづき図２に示す第２工程のエッチングを、バイアスパワー３５Ｗ、ＩＣＰパワー７００Ｗ、エッチング圧力０．６７Ｐａ、塩素ガス流量６０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量０ｓｃｃｍ、ヘリウムガス流量２０ｓｃｃｍで行った。このとき、レジストパターンの横方向の寸法縮小速度は０．６ｎｍ／ｍｉｎ程度に過ぎないため、第２工程のエッチング時間が数分間ならば、レジストの縮小による寸法変動は無視できる。これに対して、Ｃｒ膜３のテーパ部は、酸素ガス流量が０ｓｃｃｍでもエッチングされる。これらの現象を利用することにより、図２のようにレジストのパターン寸法をほとんど変化させること無く、Ｃｒ膜３のテーパ部を選択的に除去できるようになった。

なお、第１工程の後にプラズマ処理を停止し、反応ガスの真空引きを行ってから第２工程に移行してもよい。また、プラズマ処理を停止することなく、そのまま第２工程に移行してもよい。

以上のように、本第１の実施の形態のドライエッチング方法をＣｒエッチング工程に適用することにより、パターン面内の疎密に依存するＣｒ寸法ばらつきの小さいマスクの作製が可能になった。

ひきつづき図３に示すように、Ｃｒ膜３パターンをマスクとしてＭｏＳｉ膜（半透明膜２）をエッチングすることにより、図４に示すような寸法ばらつきの小さなハーフトーン型位相シフトマスクが作製された。

図５は、酸素／塩素流量比率とレジスト寸法縮小速度の関係を示す図である。本第１の実施の形態では第２工程の酸素ガス流量を０ｓｃｃｍとしたが、この条件に限定されるわけではなく、図５に示すように酸素流量が塩素流量の１０％以下であれば、レジストパターンの寸法縮小速度は１ｎｍ／ｍｉｎ程度に抑えられるため、同様の効果が得られる。

なお、本第１の実施の形態ではハーフトーン型位相シフトマスクの作製について述べたが、Ｃｒエッチングの第１、第２工程を行うことにより、Ｃｒマスクや石英掘り込みマスクの作製でも同様の効果が得られる。すなわち本第１の実施の形態は、Ｃｒ膜のエッチングに特徴を有し、その後のエッチング工程の方法によってその効果が左右されるものではない。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、実際のマスク上のパターン寸法の評価結果について説明する。

図１２に示したようなフォトマスク基板を準備して、そのレジスト膜４に電子ビーム描画装置などによりパターンデータを露光させ、ベーク工程、現像工程を経てフォトマスク基板上にレジストパターンを形成した。このとき、図１４、図１５に示したように１枚のフォトマスク基板上の領域をレジスト被覆率１００％（図１４、図１５の左側）と０％（図１４、図１５の右側）の２領域に分割し、それぞれの領域の中心に同一の寸法測定チップ（ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｉｔｃｈパターン）を配置した評価パターンを用いた。

まず、従来の方法について説明する。レジストパターン形成後、誘導結合型（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ；ＩＣＰ）のドライエッチング装置により、レジストパターンをマスクにしてＣｒ膜３を塩素ガス流量５０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量１０ｓｃｃｍ、ヘリウムガス流量２０ｓｃｃｍ、エッチング圧力０．６７Ｐａ、誘導結合に用いるコイルの印加電力７００Ｗ、エッチング対象の基板を載置する電極の印加電力３５Ｗの条件で、エッチングを２２０ｓｅｃ行った。その後のＣｒ膜３の断面ＳＥＭ観察像から求めた寸法測定結果を図６の（ａ）（ｂ）に示す。

図６の（ａ）（ｂ）において、Ｃｒ ｔｏｐは、Ｃｒ膜の表面側の断面寸法、Ｃｒ ｂｏｔｔｏｍはＣｒ膜と下地膜（ＭｏＳｉ膜）との界面付近の断面寸法を意味する。ｔｏｐとｂｏｔｔｏｍの寸法差が小さいほど、Ｃｒ膜の側壁形状が垂直に近いことを示す。

このとき従来方法では、図６の（ｂ）に示すように、周辺のレジスト被覆率が小さな領域ではＣｒ膜の側壁はほぼ垂直の形状が得られているが、図６の（ａ）に示すように、周辺のレジスト被覆率が大きな領域ではＣｒ膜の側壁形状は順テーパ形状になっていた。図６の（ａ）では、レジスト被覆率に依存したｂｏｔｔｏｍ寸法の差は２５ｎｍにもなっており、図７に示すように、下地膜２のエッチング時にはＣｒ膜３のｂｏｔｔｏｍがエッチングマスクになるため、このレジスト被覆率の大小による寸法ばらつきは、そのまま下地膜の断面寸法のばらつきとして転写されてしまっていた。

次に、本実施の形態の方法について説明する。レジストパターン形成後、誘導結合型（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ；ＩＣＰ）のドライエッチング装置により、レジストパターンをマスクにしてＣｒ膜３を塩素ガス流量５０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量１０ｓｃｃｍ、ヘリウムガス流量２０ｓｃｃｍ、エッチング圧力０．６７Ｐａ、誘導結合に用いるコイルの印加電力７００Ｗ、エッチング対象の基板を載置する電極の印加電力３５Ｗの条件で、エッチングを１６０ｓｅｃ行った。

その後、一旦、真空チャンバー内の反応ガスを排気し、高真空状態にした後、再び真空チャンバー内に塩素ガスを６０ｓｃｃｍ、酸素ガスを０ｓｃｃｍ、ヘリウムガスを２０ｓｃｃｍ導入し、エッチング圧力０．６７Ｐａ、誘導結合に用いるコイルの印加電力７００Ｗ、エッチング対象の基板を載置する電極の印加電力３５Ｗの条件で、エッチングを１８０ｓｅｃ行った。その後のＣｒ膜３の断面ＳＥＭ観察像から求めた寸法測定結果を図８の（ａ）（ｂ）に示す。

図８の（ａ）（ｂ）において、Ｃｒ ｔｏｐは、Ｃｒ膜の表面側の断面寸法、Ｃｒ ｂｏｔｔｏｍはＣｒ膜と下地膜（ＭｏＳｉ膜）との界面付近の断面寸法を意味する。図８の（ａ）に示す周辺のレジスト被覆率が大きな場合と図８の（ｂ）に示す周辺のレジスト被覆率が小さな場合とを比べると、周辺のレジスト被覆率の大小に関わらずＣｒ膜の側壁はほぼ垂直な形状が得られており、レジスト被覆率が大きな領域とレジスト被覆率が小さな領域との間のＣｒ膜のｂｏｔｔｏｍ寸法の差は、１０ｎｍ程度に抑えられていた。

また、隣接するパターン同士の距離と寸法の関係を調べるスルーピッチ（ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｉｔｃｈ）パターン比較において、レジスト被覆率が大きな領域と小さな領域の両方で、図９に示す隣接するパターンとの距離Ｓ（スペース：ｓｐａｃｅ）の依存性が改善されていた。

その後、Ｃｒ膜パターンをマスクにして下地膜（ＭｏＳｉ膜）をエッチングし、レジストとＣｒ膜を剥離した後、下地膜パターンの寸法測定を行った結果を図１０、１１に示す。

図１０に示すように従来方法では、レジスト被覆率が１００％の領域と０％の領域との寸法差が最大２０ｎｍあり、またスペースの大小に起因する寸法差は７ｎｍ弱ある。これ対して、図１１に示すように本実施の形態の方法では、レジスト被覆率が１００％の領域と０％の領域との寸法差は最大９ｎｍであり、またスペースの大小に起因する寸法差は２ｎｍ程度にまでばらつきが低減された。

この結果、レジストパターンの被覆率の影響を受けにくい下地膜（ＭｏＳｉ膜）パターンの形成が可能になり、マスクパターンの疎密に依存しない高い寸法精度を有するフォトマスクの作製が可能になった。

なお、第２工程のエッチング時間は、第１工程後のＣｒ膜のテーパ形状と第２工程の酸素／塩素流量比率に依存する。Ｃｒ膜の側壁の順テーパの角度が大きいと必要なエッチング時間は長くなり、Ｃｒ膜の側壁が垂直に近いほど短くてよい。またエッチング時間は、酸素流量が小さいと長くなり、酸素流量が大きいと短くてよい。このように、エッチング時間は一意に決めることができないが、本実施の形態に示した評価パターンを用いることで最適条件を求めることが可能になる。

なお、多層膜を構成する要素は、Ｃｒ、ＭｏＳｉＯＮ、石英に限られるものではなく、例えば、Ｔａ化合物やＳｉ、ＳｉＯ_２、Ｒｕなどでもよく、積層膜の組成に応じて、使用する反応ガスも塩素、酸素、ヘリウムに限ることはない。

また、第１層目のＣｒ膜のエッチング後、可能であればプラズマを止めることなく酸素流量を所望の流量に減らしてエッチングを行ってもよい。本実施の形態では、酸素を添加しない工程を付加する場合について説明したが、酸素添加量をレジストパターンの寸法縮小速度に影響しない少量にすることもできる。その場合の酸素添加量の目安として、酸素流量５ｓｃｃｍ以下、塩素／酸素ガス比１０％以下、レジストパターンの寸法縮小速度１ｎｍ／ｍｉｎ以下のいずれかの条件を満たしていることが望ましい。

以上のように本実施の形態によれば、従来ではマスクパターンの疎密によって生じていたＣｒ遮光膜のテーパ形状差に起因するマスクパターンの寸法ばらつきが改善される。Ｃｒ遮光膜をマスクとして形成される位相シフタ膜のパターン寸法のばらつきが改善されるため、パターン寸法精度の高いフォトマスクの製造が可能になる。本実施の形態のドライエッチング方法により、所望の回路パターンに忠実な多層膜基板のエッチングが可能になる。

なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。

第１の実施の形態のエッチング手順を示すマスクの断面図。 第１の実施の形態のエッチング手順を示すマスクの断面図。 第１の実施の形態のエッチング手順を示すマスクの断面図。 第１の実施の形態のエッチング手順を示すマスクの断面図。 第１の実施の形態に係る酸素／塩素流量比率とレジスト寸法縮小速度の関係を示す図。 第２の実施の形態に係る寸法測定結果を示す図。 第２の実施の形態に係る下地膜のエッチング時を示す図。 第２の実施の形態に係るＣｒ膜の断面寸法を示す図。 第２の実施の形態に係る隣接するパターンとの距離の依存性を示す図。 第２の実施の形態に係る従来方法によるＭｏＳｉ膜（位相シフタ）パターンの寸法ばらつきを示す図。 第２の実施の形態に係る本実施の形態によるＭｏＳｉ膜（位相シフタ）パターンの寸法ばらつきを示す図。 従来例に係るフォトマスク基板の構成を示す断面図。 従来例に係るフォトマスク基板の構成を示す断面図。 従来例に係るレジスト被覆率変化が大きなマスクの例を示す上面図。 従来例に係るレジスト被覆率変化が大きなマスクの例を示す断面図。 従来例に係るエッチングの問題点を示すマスクの断面図。 従来例に係るエッチングの問題点を示すマスクの断面図。 従来例に係るエッチングの問題点を示すマスクの断面図。 従来例に係るエッチングの問題点を示すマスクの断面図。 従来例に係るエッチングの問題点を示すマスクの断面図。 従来例に係るエッチングの問題点を示すマスクの断面図。

符号の説明

１…透明基板 ２…半透明膜 ３…Ｃｒ遮光膜 ４…レジスト ５１，５２…パターン

Claims (5)

1. 真空中に多層膜を有するエッチング対象物を配置し、前記真空中に反応ガスを導入し、前記反応ガスのプラズマを発生させ、前記多層膜を順次エッチングするドライエッチング方法であって、
   上層膜側から数えて第ｎ層（ｎは２以上の自然数）の膜のエッチングと第ｎ＋１層の膜のエッチングとの間に、第ｎ−１層の膜のパターン寸法をほとんど変化させずに前記第ｎ層の膜のテーパ部分を選択的に除去することを特徴とするドライエッチング方法。
2. 前記第ｎ層の膜のエッチングを前記第ｎ＋１層の膜が露出するまで行った後、前記第ｎ層の膜のテーパ部分を選択的に除去することを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
3. 前記第ｎ層の膜のテーパ部分を選択的に除去する際に用いる前記反応ガス中の塩素に対する酸素の比率を１０％以下にすることを特徴とする請求項１または２に記載のドライエッチング方法。
4. 前記多層膜は、遮光膜層を有し、フォトマスク基板を構成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のドライエッチング方法。
5. 透明基板上に位相シフタ膜と遮光膜を含む多層膜を有するフォトマスク基板の前記遮光膜上のレジストを露光させ、
   前記レジストを露光部分と未露光部分の溶解速度に差異をつけて現像し、
   前記フォトマスク基板を真空中に配置し、前記真空中に反応ガスを導入し、前記反応ガスのプラズマを発生させ、前記多層膜を順次エッチングし、
   前記遮光膜のエッチングと前記位相シフタ膜のエッチングとの間に、前記レジストのパターン寸法をほとんど変化させずに前記遮光膜のテーパ部分を選択的に除去することを特徴とするフォトマスクの製造方法。

Images