JP2007171790A

JP2007171790A - フォトマスク及びフォトマスクを備えた露光装置

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Publication number: JP2007171790A
Application number: JP2005372310A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Suzuki; 貴之鈴木; Genichi Otsu; 元一大津; Tadashi Kawazoe; 忠川添
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】多数の被処理体に対し転写パターンを形成することができ、作業性の面及びコストの面で優れたフォトマスク及びこのフォトマスクを用いた露光装置を提供すること。
【解決手段】フォトマスク１には量子ドットが含まれ、被処理体１０と対向する面に、被処理体に転写すべきパターンに応じた形状で凸部が配置されている。露光に際して、フォトマスク１のマスク基板の上面から、例えば高圧水銀ランプ等の光源２０からｉ線（波長３６５ｎｍ）が照明光学系３０を介して照射され、フォトマスク１に形成された凸部２の近傍に近接場光がしみだし、凸部２の直下に位置する被処理体表面のレジスト層１１が露光される。なお、被処理体のレジスト層は、フォトマスクから出射する伝播光に感光しないような特性を有する材質で構成されている。また、凸部を設ける代わりに、被処理体に転写すべきパターンに応じた形状で局所的に量子ドットを含ませるようにしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は光リソグラフィに用いられるフォトマスク及びこのフォトマスクを備えた露光装置に関する。

近年の光情報通信の大容量化に伴い、半導体デバイスの更なる高集積化・高密度化が進められ、ナノメートルオーダーという極めて微細な集積回路パターンを形成する必要がある。このような微細な回路パターンを形成するには、光リソグラフィ技術が基本技術と認識されていることから、幅広く研究が進められてきているが、集積回路パターンの解像度の更なる向上を図ることが課題とされている。
光リソグラフィ技術とは、シリコン酸化膜等の基板表面にレジスト層を塗布し、所定のパターンが描かれたマスクを介して露光することにより当該パターンを転写し、これに現像処理を施すことにより得られたレジストパターンに基づき基板にエッチング等の加工を行う方法である。

光リソグラフィの解像度Ｒは以下の（１）式に示すとおりである。
Ｒ＝ｋλ／ＮＡ・・・・・（１）
ここで、λは光源の波長であり、ＮＡはレンズの開口数であり、ｋはプロセス定数である。（１）式から、リソグラフィの解像度を上げるためには、波長λを小さくすることと、開口数ＮＡを大きくすることが重要である。しかし、開口数ＮＡを大きくすると焦点深度がＮＡの２乗に反比例して小さくなるため、微細化の流れとしては、波長λを小さくすることが求められるようになった。そこで、露光波長は、ｇ線（４３６ｎｍ）からｉ線（３６５ｎｍ）へと短波長化され、現在では、エキシマレーザ（２４８ｎｍ、１９３ｎｍ）がその主流となっている。

しかし、光を用いるリソグラフィーでは光の回折限界が解像度の限界となるため、波長が１９３ｎｍのＡｒエキシマレーザを用いても線幅１００ｎｍの微細化がリソグラフィの限界と言われている。今後、線幅４５ｎｍ以下という更なる微細化が要求されることが予見され、従来の光を用いるリソグラフィーでは、このような微細化に対応することは極めて困難であると考えられる。
そこで、照射する光の波長よりも十分小さな径の開口からしみだす近接場光を光源とし、フォトレジストを感光させて現像することにより、微細なパターンを形成する、という近接場光リソグラフィーが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、ＳｉＯ₂ガラスマスク基板上に、１００ｎｍの線幅のスリットパターンを有するクロム層を形成して遮光膜とした構造が記載され、パターンの高解像度化を目的としている。

図５は、近接場光リソグラフィーによるパターンの転写方法を示す図である。
同図の（ａ）に示すように、基板１０上に感光性材料からなるレジスト層１１を塗布する。また、光透過性材料からなるマスク基板１ａ上に、例えばクロム等の金属からなる微小な開口が形成された遮光膜１ｂを形成したものをマスク１とする。
その後、（ｂ）に示すように、マスク基板１ａ上の遮光膜１ｂを基板１に対向させてマスクをレジスト層１１に密着させる。
その状態で、（ｃ）に示すように、マスク基板１ａの裏面から、例えばｉ線（３６５ｎｍ）などの光を照射すると、遮光膜１ｂが存在しない開口部分から近接場光がしみだすことによってレジスト層１１が露光され、露光された部分のレジスト層１１が感光する。感光後、（ｄ）に示すように、マスク１を基板１０から取り外し、レジスト層１１を現像液で現像することにより、露光された部分のみが現像液に可溶となり、ポジ型パターンを形成する。尚、露光された部分が現像液に不溶となるような感光性材料からなるレジスト層を塗布することにより、ネガ型パターンを形成しても良い。
特開２００３−１５１８８１号

しかしながら、上記の近接場光リソグラフィーによるパターン転写方法によれば、以下の問題が生ずることが判明した。
近接場光リソグラフィーでは、マスク基板の遮光膜は、近接場光の伝播距離が極めて短いことにより、マスク基板と被処理体表面のレジスト層とを密着させて使用する。
このため、被処理体を新たなものと交換するたびにレジスト層との間で密着・剥離が幾度も繰り返されることになる。
また、マスク基板の遮光膜がクロム等の金属材料からなる場合、遮光膜が光源からの光を吸収することにより、遮光膜が高温状態となる。従って、多数回にわたる露光を行なった後には、機械的摩擦或いは熱疲労等が原因となって、遮光膜に部分剥離、クラック及び損耗等が生じることにより、遮光膜としての機能が著しく損なわれるおそれがある。

さらに、このような遮光膜は、多層構造を有するとともに、近接場光を生じるための開口を電子線等で描画することによって形成することから作製に要するコストが極めて高いものである。
従って、多数の被処理体を迅速に露光する場合、マスク基板上に遮光膜を形成することは、遮光膜の機能が損なわれる毎に新たなマスク基板に交換する必要が生じるとともに、遮光膜が高価であることも相俟って、作業性及びコストの面から好ましくない。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、マスク基板上に遮光膜を設けずに、多数の被処理体に対し迅速に転写パターンを形成することができ、作業性の面及びコストの面でも優れたフォトマスク及びこのフォトマスクを用いた露光装置を提供することである。

上記課題を本発明においては、次のように解決する。
（１）被処理体を近接場光により露光するためのフォトマスクにおいて、光透過性材料からなるマスク基板の被処理体と対向する面に、局所的に被処理体と当接乃至近接する凸部を形成し、この凸部を被処理体に転写すべきパターンに応じた形状となるように配置する。そして、少なくとも、上記凸部の表面に照射された光を吸収して光を放出する１００ｎｍ以下のサイズの微粒子を含ませる。
上記微粒子のサイズはド・ブロイ波長程度であるのが望ましく、微粒子中の電子が三次元的に閉じ込められて移動が制限され孤立した状態、いわゆる量子ドットの状態としてマスク基板中に存在している。以下では、光を吸収して、光を放出する上記微粒子を量子ドットという。
（２）被処理体を近接場光により露光するためのフォトマスクにおいて、光透過性材料からなるマスク基板の被処理体と対向する面に、量子ドットを局所的に含ませ、該量子ドットが局所的に含まれる領域を被処理体に転写すべきパターンに応じた形状となるように配置する。
（３）上記（１）（２）において、前記マスク基板は、波長３６５ｎｍの光に対する光透過率が６０％以下とする。
（４）近接場光により被処理体を露光する露光装置において、上記（１）（２）または（３）のフォトマスクを用いる。

上記量子ドットに光が入射すると、量子ドットは光を吸収し内部の電子が励起されて光を放出する。
したがって、光源から放出されマスク基板に入射した光は、上述したように量子ドットに吸収され、量子ドットから放出された光はマスク基板内部に放出され、また他の量子ドットに吸収される。マスク基板内に多数の量子ドットが含まれていると、上記のような挙動が幾度となく繰り返され、上記量子ドットの周囲１００ｎｍ程度の範囲には近接場光も発生する。
したがって、マスク基板の被処理体と対向する面に、局所的に被処理体と当接乃至近接する凸部を形成し、少なくとも、この凸部の表面から近接場光が到達する距離内に量子ドットを含ませることにより、この凸部において、量子ドットの周囲に放出された近接場光がしみだし、この近接場光によって凸部の直下に当接するレジスト層が露光される。マスク基板に設けられた上記凸部の高さＨは、凹部にも量子ドットが含まれ、この量子ドットからも近接場光がしみだしている場合、この近接場光が被処理体に届かない距離であることが必要である。

同様に、上記凸部を設けずに、光透過性材料からなるマスク基板の被処理体と対向する側の面から近接場光が到達する距離内に、局所的に量子ドットを含ませることにより、この局所的に量子ドットが含まれる領域において、量子ドットの周囲に放出された近接場光がしみだし、この近接場光によって上記局所的に量子ドットを含ませた領域の直下に当接するレジスト層が露光される。
なお、被処理体のレジスト層は、フォトマスクから出射する伝播光（光源から放射されマスク基板１ａに入射した伝播光および量子ドットから放出される伝播光）に感光しないような特性を有する材質で構成する必要がある。
すなわち、本発明のフォトマスクには遮光膜が設けられていないので、フォトマスクに入射した伝播光の一部、あるいは、量子ドットから放出される伝播光もフォトマスクから出射する。このため、このような波長の光に感光するレジストを用いた場合、近接場光以外の光により被処理体全体が露光されてしまう。
しかし、近接場光であれば、レジスト層は感光のために必要なエネルギーを受け取ることができるので、レジスト層として上記伝播光に感光しないような特性を有する材質を用いることで近接場光のみによる露光が可能となり、伝播光に影響されずに露光を行なうことができる。

ところで、前記特許文献１にも記載されるように、近接場光リソグラフィーによるパターン転写方法においては、干渉の影響によりマスク開口に入射する光に強度分布が生じ、正確にパターンを転写することができないという問題が生じる。
したがって、近接場光リソグラフィーに使用されるフォトマスクにおいてはこの干渉の影響を抑制する必要があるが、本発明のようにマスク基板に量子ドットを含ませることにより、以下のようにして、この干渉の影響を抑制することができる。
上述したように、量子ドットに光が入射すると、量子ドットは光を吸収し内部の電子が励起されて光を放出する。したがって、マスク基板中に量子ドットを含ませ、マスク基板の光の透過率を適切に選定することにより、光源から照射された光がマスク基板の被処理体に対向する面に直接到達することは少なくなる。
光の干渉は、波長および位相のそろった光が重なり合うことにより発生するが、上記のようにマスク基板が量子ドットを含む場合、量子ドットから放出される光は波長も位相も異なっているため、量子ドットから放出される光とマスク基板に入射する光、あるいは量子ドットから放出される光同士により干渉が発生することはなく、マスク基板に入射する光透過率を選定し、光源からの光がマスク基板の被処理体に対向する面に直接到達する量を少なくすれば、光干渉を抑制することができる。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）光透過性材料からなるマスク基板の被処理体と対向する面に、局所的に被処理体と当接乃至近接する凸部を形成し、上記凸部の表面から近接場光が到達する距離内に量子ドットを含ませることにより、遮光膜を設けずに、近接場光により多数の被処理体に対し迅速に転写パターンを形成することが可能となる。
このため、フォトマスクの耐久性を向上させることができ、作業性の向上、コストの低減化を図ることができる。
（２）光透過性材料からなるマスク基板の被処理体と対向する面から近接場光が到達する距離内に、量子ドットを局所的に含ませることにより、遮光膜を設けずに、近接場光により多数の被処理体に対し迅速に転写パターンを形成することが可能となる。
このため、上記（１）と同様、フォトマスクの耐久性を向上させることができ、作業性の向上、コストの低減化を図ることができる。
（３）マスク基板中に含ませる量子ドットの量を選定し、入射光に対する透過率を所定の値とすれば、マスク基板に入射する光がマスク基板の被処理体に対向する面に直接到達する量を少なくすることができ、光の干渉を抑制することができる。このため、正確にパターンを転写することが可能となる。

図１は、本発明の露光装置の実施形態を示す概略構成図である。
露光装置は、高圧水銀ランプ等の光源２０と、光源２０から放出された光をフォトマスク１へ導くための照明光学系３０と、光透過性材料からなるマスク基板を備えたフォトマスク１とを備える。
フォトマスク１には後述するように量子ドットが含まれ、被処理体１０と対向する面には、被処理体に転写すべきパターンに応じた形状に配置された凸部２が形成されている。なお、後述するように凸部２を形成する代わりに、被処理体に転写すべきパターンに応じた形状となるように、マスク基板１ａに局所的に量子ドットを含ませるようにしてもよい。
露光に際して、後述する本発明のフォトマスク１のマスク基板の上面から、例えば高圧水銀ランプ等の光源２０から放射されるｉ線（波長３６５ｎｍ）が照明光学系３０を介して照射され、後述するように、マスク基板１ａにおける凸部あるいは量子ドットが含まれた箇所から近接場光がしみだし、量子ドットの直下に位置する被処理体の表面に形成されたレジスト層１１が露光される。
なお、図１ではフォトマスク１と被処理体１０を表現上の理由で離間して示しているが、露光に際し、フォトマスク１と被処理体１０は密着させる。

図２は、本発明の第１の実施例のフォトマスクの断面図である。
光透過性材料からなるマスク基板１ａには、量子ドット３がマスク基板の全体に均一に含まれ、局所的に凸部２が形成されている。マスク基板１ａに設けられた凸部２は、被処理体１０のレジスト層１１における露光すべき箇所に対応して、所望のパターンを形成している。なお、上記量子ドット３は、少なくとも、上記凸部の表面から近接場光が到達する距離内に配置される。
マスク基板１ａに形成された凸部２は、半導体ウェハー等の被処理体に当接することにより、フォトマスク１と被処理体１０が密着する。
マスク基板１ａは、ガラス等の光透過性材料にＣｕＣｌ、ＧａＡｓ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等（量子ドットを形成する材料となる）をドープした構成である。すなわち、マスク基板１ａは、多数の大小様々な量子ドットが含まれることによって構成される量子ドットグループを備える。なお、マスク基板１ａとしてはガラス以外にもＮａＣｌ等を用いても良い。

このようなマスク基板１ａは、以下のようにして作製される。
ガラスを形成する母材からなる粉末材料（例えばＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃等）と量子ドットを形成する材料を粉末にしたもの（例えばＣｕＣｌ）とを十分に混合し、例えば電気炉等で加熱溶融させ、一定時間保持後に自然冷却することで、量子ドットをガラス中にランダムに分散させる。このガラスを切削加工することにより、所望の転写パターンに対応して量子ドットが含まれた凸部を形成することができる。
また、その他の方法として、ゾル・ゲル反応を用いたゾル・ゲル法によるガラス生成（『山根正之、安井至、和田正道、国分可紀、井良平、近藤敬、小川晋永、編「ガラス工学ハンドブック」；朝倉書店』等参照）時に、化学的にＣｕＣｌや他の化合物半導体（ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ等）の量子ドットを分散導入する方法を採用しても良い。

ここで、量子ドットの発光機構に関して説明する。
量子ドットのＣｕＣｌは、数ｎｍから数１０ｎｍのサイズでガラス中に分散され、実質的に点であるとみなすことができる。また、それぞれの量子ドットは孤立した状態で存在している。このような状況下では、ＣｕＣｌ中の電子が三次元的に閉じ込められることにより、電子は離散的なエネルギー準位をとるようになる。この時、離散的なエネルギー準位の準位間のエネルギー差はＣｕＣｌのサイズに依存している。
ＣｕＣｌに光が照射された場合、ＣｕＣｌは照射された光を吸収し、ＣｕＣｌ内の電子は吸収した光のエネルギーにより励起される。励起された電子が、励起状態にとどまる時間は短く、吸収から数ナノ秒のうちに光（伝播光）を放出し元の電子状態へと戻る。
この伝播光の波長は、先に述べたエネルギー準位間のエネルギー差に従ったエネルギーの波長になる。またこの時、ＣｕＣｌの周囲１００ｎｍ程度の範囲には近接場光も発生する。本発明は、この量子ドット（ＣｕＣｌ）の周囲に発生する近接場光を露光に使用する点に特徴がある。

マスク基板１ａ内には、多数の量子ドットが含まれているため、上記のような挙動が幾度となく繰り返された後、マスク基板の凸部２において量子ドットの周囲に放出された近接場光がしみだし、この近接場光によって凸部２の直下に当接するレジスト層を露光する。
なお、前述したように、被処理体１０のレジスト層１１を構成する感光分子としては、量子ドットであるＣｕＣｌから放射される伝播光や光源から放射される伝播光は吸収しないが、ＣｕＣｌの発生する近接場光であればエネルギー移動によって感光のために必要なエネルギーを受け取ることができる材料を用いる。
光源の光は量子ドットによる吸収のためマスク基板１ａの凸部２が設けられた側の面にはほとんど到達せず、光源が波長３６５ｎｍの光を主に放出する高圧水銀ランプの場合、量子ドットの発光によって放射される伝播光の波長は、例えば３８０ｎｍである。
図３に上記近接場光がしみだす様子を示す。同図に示すように、凸部の表面から近接場光が到達する距離内に量子ドット３が含まれていると、光源から放射されマスク基板１ａ内に入射した光が上記量子ドット３に吸収され、量子ドット３から放出される近接場光がマスク基板１ａの凸部から外部にしみ出す。そして、この近接場光によって凸部２の直下に当接するレジスト層が露光される。

ここで、光の干渉は、波長および位相のそろった光が重なり合うことにより発生する。上記のようにマスク基板が量子ドットを含む場合、量子ドットから放出される光は波長も位相も異なっているため、量子ドットから放出される光とマスク基板に入射する光、あるいは量子ドットから放出される光同士により干渉が発生することはない。
したがって、マスク基板１ａの光透過率を選定し、光源からの光がマスク基板の被処理体に対向する面に直接到達する量を少なくすれば、光干渉を抑制することができる。
実験により、上記量子ドットを含むマスク基板の透過率と、該マスク基板を用いて露光したときの線幅変化の関係を調べたところ、例えば線幅が４５ｎｍのパターンを実現する際に許容される線幅の誤差である５ｎｍ以内を実現するには、波長３６５ｎｍの光に対する上記マスク基板の透過率を６０％以下にするのが望ましいことが分かった。

レジスト層１１は上述したように、量子ドットから放射される伝播光に感光しないような特性を有するレジストを使用することが必要であり、具体的には、表１に示すとおりである。表１は伝播光の波長とレジストの感光特性との関係を示す。

ここで、量子ドットから放射される伝播光の波長は、量子ドットの種類・サイズ等により定まり、量子ドットが例えば前記ＣｕＣｌの場合、サイズが１０〜２０ｎｍのとき、波長３８０ｎｍの伝播光が放射される。したがって、この場合のレジストは、表１からわかるように電子線露光用（ＥＵＶ用）レジスト、ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ用レジストを使用するのがよい。
マスク基板１ａに設けられた凸部の高さＨは、凹部における量子ドットからの近接場光が被処理体に届かないようにするため、１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましく、例えば１５０ｎｍである。各凸部間の距離Ｌは、所望の集積回路パターンの微細な線幅を実現するという観点から、例えば光源が波長３６５ｎｍの光を主に放出する高圧水銀ランプである場合、３６５ｎｍよりも短いことが必要であり、２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であって例えば１００ｎｍである。

以上のような本発明の露光装置によれば、フォトマスクにおけるマスク基板が、マスク基板と別体の遮光膜を具備せず、大小様々な量子ドットが含まれるとともに、半導体ウェハー等の被処理体と当接する凸部が形成される構成を有し、凸部に含まれる量子ドットから放出される近接場光によって被処理体の露光を行なうものであることから、従来構造のフォトマスクの如く、露光するたびに遮光膜と被処理体が密着・剥離を繰り返して遮光膜が損耗することがない。これにより、多数の被処理体を露光する場合であっても、遮光膜が損耗するたびにマスク基板を新たなものに交換する必要がないことから、作業性の改善により露光処理を迅速に行なうことができるとともに、コストを大幅に削減することができる。
しかも、近接場光によってレジスト層を露光するため、光源がｉ線を放射する高圧水銀ランプである場合にも、線幅４５ｎｍ以下という極めて微細な転写パターンを作製することができる。これにより、微細な転写パターンを作製するために、短波長の光を放射する新規な光源を必要とせず、既存の露光装置を継続して使用できることから、コスト面で有利である。

本発明において、マスク基板は前記した図２に示すようにマスク基板の被処理体側の面に凸部が形成された構成に限るものではなく、具体的には、図４に示すように、凸部が形成されていない平板状のマスク基板において局所的に量子ドットを含ませる構造としても良い。
図４において、フォトマスクの被処理体に対向する面は平面状であり、マスク基板１ａには、局所的に量子ドットを含ませた領域が設けられ、この領域の形状が、被処理体のレジスト層において露光すべき箇所に対応する所望のパターンとなるようにされている。
なお、上記量子ドット３は、前記と同様、少なくとも上記凸部の表面から近接場光が到達する距離内に配置される。
上記構造とすれば、被処理体と対向する面が平面状であるので、前記図２に示したフォトマスクより、一層、耐久性を向上させることができる。

なお、図４では、露光させるパターンの形状に合わせて量子ドットを含ませているが、前記したように、干渉による影響を抑制する場合には、フォトマスクの被処理体に対向する面に近いレジストを露光させない一部の領域を除いて、フォトマスク全体に量子ドットを含ませ、３６０ｎｍの光に対する光透過率が６０％以下になるようにしてもよい。
また、前記図２に示したフォトマスクではマスク基板全体に量子ドットを含ませるようにしているが、前記干渉の影響を考慮する必要がない場合には、凸部以外の箇所に量子ドットを含ませず、凸部にのみ量子ドットを含ませる構造としても良い。

本発明の実施例の露光装置の概略構成を示す図である。本発明の実施例のフォトマスクの断面図である。本発明の実施例のフォトマスク内における光の伝播の様子を説明するための概念図である。フォトマスクの他の構成例を示す図である。近接場光リソグラフィーによるパターンの転写方法を示す図である。

符号の説明

１フォトマスク
１ａマスク基板
２凸部
３量子ドット
１０被処理体
１１レジスト層
２０光源
３０照明光学系

Claims

光源から放出された光が照射され、被処理体を近接場光により露光するためのフォトマスクであって、
上記フォトマスクは、光透過性材料からなるマスク基板を備え、該マスク基板は、被処理体と対向する側の面に、局所的に被処理体と当接乃至近接する凸部が形成され、
上記マスク基板は、少なくとも上記被処理体に対向する面に形成された凸部の表面に、照射された光を吸収して光を放出する１００ｎｍ以下のサイズの微粒子が含まれている
ことを特徴とするフォトマスク。
光源から放出された光が照射され、被処理体を近接場光により露光するためのフォトマスクであって、
上記フォトマスクは、光透過性材料からなるマスク基板を備え、該マスク基板は、少なくとも、被処理体と対向する面に、照射された光を吸収して光を放出する１００ｎｍ以下のサイズの微粒子が局所的に含まれている
ことを特徴とするフォトマスク。
前記マスク基板は、波長３６５ｎｍの光に対する光透過率が６０％以下である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフォトマスク。
光源から放出された光が照射されるフォトマスクを有し、近接場光により被処理体を露光する露光装置であって、
上記フォトマスクは、請求項１，２又は請求項３に記載のフォトマスクである
ことを特徴とする露光装置。