JP2007171791A - フォトマスク及びフォトマスクを備えた露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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ける干渉の影響を抑制することにより、正確な転写パターンの形成が可能とすること。
【解決手段】フォトマスク１には、波長３６５ｎｍの光に対する透過率が６０％以下のとなるような、量子ドットが含まれ、被処理体１０と対向する面には遮光膜２が形成されている。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に形成された遮光膜２の開口の近傍に近接場光がしみだし、開口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。フォトマスクに量子ドットが含まれているので、干渉の影響を抑制することが可能となり、転写パターンにムラが生じるのを防止することができる。
【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２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２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２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号公報

しかしながら、上記近接場光リソグラフィーによるパターン転写方法は、干渉の影響により、マスク開口に入射する光に強度分布（バラツキ）が生じることにより、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ことが判明した。詳細には、図６に示すとおりである。図６は、この現象を説明するための図である。
マスク１を遮光膜２がレジスト層１１に対向するように重ね、密着させた状態でマスク基板１ａの裏面から光を照射させるため、図６に示すように、平行光線のうちの一方の光線と他方の光線がマスク基板１ａに入射すると、一方の光線がマスク基板１ａと遮光膜２との境界面で一部反射して入射側に戻り、さらに、入射側のマスク基板１ａと空気層との境界面で再反射することにより、他方の光線と重なって干渉を生じる。

このような干渉により、光強度の強弱ができてしまい、露光部分が開口径程度と小さいため、わずかな光強度分布が生じても、転写パターンにムラが生じることが判明した。
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、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ける干渉の影響を抑制することにより、正確な転写パターンの形成が可能とすることである。

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、波長３６５ｎｍの光に対する光透過率が６０％以下となるようにする。
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）近接場光により被処理体を露光する露光装置において、上記フォトマスクを用いる。

上記量子ドットを含むマスク基板に光が入射すると、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。マスク基板に含まれる量子ドットのサイズは様々であるので、このとき放出される光の波長、位相は、量子ドット毎に異なったものとなる。
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るとともに、他の量子ドットに吸収される。マスク基板内には、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る。このため、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の透過率を調整し、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。
そして、マスク基板の被処理体に対向する面に、被処理体に転写すべきパターンに応じた形状の例えば１００ｎｍ以下の線幅の開口を有する遮光膜を設けておくことで、量子ドットから放出された光が遮光膜の開口エッジ部分に伝播し、この開口から近接場光がしみだし、この近接場光により、フォトマスクに密着した被処理体のフォトレジストを感光させることができる。
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。

本発明においては、光透過性材料からなるマスク基板に、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、波長３６５ｎｍの光に対する光透過率が６０％以下となるようにしたので、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ける干渉の影響を抑制することが可能となり、転写パターンにムラが生じるのを防止することができる。

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。
本発明の露光装置は、同図に示すように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と対向する面には遮光膜２が形成されている。
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、フォトマスク１に形成された遮光膜２の開口の近傍に近接場光がしみだし、開口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、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、本発明の実施例のフォトマスクの断面図である。
フォトマスク１は、光透過性材料からなるマスク基板１ａ上に、転写すべき所望のパターンに応じて成膜された遮光膜２が形成されている。遮光膜２は、所望のパターンに応じて１００ｎｍ以下程度の微細な開口を有する。
このような遮光膜は、マスク基板の表面に、例えば真空蒸着によりＣｒ（クロム）からなる蒸着膜を形成し、蒸着膜の表面に塗布した電子線レジストに対し電子線ビーム等を照射することにより所望のパターンが形成される。
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は複数の大小様々な量子ドット３からなる量子ドットグループを備えて構成されている点に特徴がある。マスク基板１ａとしては、ガラス以外にＮａＣｌ等を用いても良い。

このようなマスク基板は、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 、Ｂ₂ Ｏ₃ 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、寺井 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することもできる。

本実施例のフォトマスクによれば、マスク基板１ａに、例えばＣｕＣｌ等の量子ドット３が含まれ、各量子ドット３から放出される伝播光の波長及び位相が異なることにより、光の干渉の影響により転写パターンにムラが生じるという従来の問題点を良好に解決することができる。
その理由は、以下のように考えられる。
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を放出し元の電子状態へと戻る。この時放出される光の波長は、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。
フォトマスク内に存在するＣｕＣｌのサイズはさまざまであり、それゆえに各ＣｕＣｌから放出される光の波長もそれぞれ異なっている。例えば量子ドットがＣｕＣｌの場合、そのサイズが１０〜２０ｎｍのとき、３８０ｎｍの伝播光を発生する。また、個々のＣｕＣｌは孤立した状態であるため、放出される光の位相もそれぞれ異なっている。
ＣｕＣｌから放出された光は、一部がフォトマスク外部へと放出され、一部は再びＣｕＣｌに吸収される。こうして、光源からフォトマスクへ照射された光はＣｕＣｌに吸収されることによって弱められる。そのため、フォトマスク中にＣｕＣｌを含ませることによって、ＣｕＣｌを含ませない場合に比べ、光源から照射された光が直接フォトマスクの遮光膜の開口に到達して近接場光を発生させることは少なくなる。一方、ＣｕＣｌから放出された光が遮光膜の開口部に到達して近接場光を発生させるようになる。

光の干渉が発生するには、波長および位相のそろった光が重なり合う必要があるところ、光源からの光を直接使用する場合、この条件を満たしてしまうため、干渉が発生することがある。その一方で、ＣｕＣｌを含んだフォトマスクの場合、光源からの光が直接使用されるのではなく、ＣｕＣｌに光が吸収された後、個々のＣｕＣｌのサイズに従った波長の光が放出され、それらの光は位相もそれぞれ異なっているため、ＣｕＣｌから放出された光によって干渉が発生することはなくなる。
ここでは、量子ドットとしてＣｕＣｌを選択した場合について説明したが、前記したＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ等を量子ドットとしてフォトマスクを作製した場合についても同様である。

図３は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１のマスク基板１ａに入射した光は、同図に示すように、例えばＣｕＣｌからなる量子ドット３に吸収され、量子ドットは吸収から数ナノ秒のうちに光を放出し元の電子状態へと戻る。なお、図３では、図示の便宜上、量子ドットの下方にのみ光がでているように示しているが、実際は量子ドットを中心に放射状に光が放出されている。
マスク基板１ａ内で、上記のように量子ドット３による光の吸収／放出が行われながら、図３に示すようにマスク基板１ａ内を進み、マスク基板１ａの遮光膜２が設けられた面に到達する。なお、フォトマスク内に入射した光の一部は直接伝播光Ａとしてマスク基板１ａの遮光膜２が設けられた面に到達するが、フォトマスク内に入射した光の多くは量子ドット３に吸収されるので、上記伝播光がマスク基板１ａの遮光膜２が設けられた面に到達することは少なく、前記干渉の発生は抑制される。
一方、量子ドット３からでた伝播光はマスク基板１ａから出射して遮光膜２に伝播し図３に示すように遮光膜２の開口部付近から近接場光がしみだす。
そして、この近接場光により被処理体が露光される。なお、マスク基板１ａに入射した例えば３６５ｎｍの光の一部は遮光膜２の開口部付近に到達するが、遮光膜２の開口が上記光の波長より短く、例えば１００ｎｍ以下であれば、３６５ｎｍの光は開口から放出されない。

ここで、本発明に係るマスク基板は、波長３６５ｎｍにおける光透過率が６０％以下となるようにマスク基板中の量子ドットの密度を調整されている。これによる技術的意義を説明するために行なった実験について以下に説明する。
〔実験条件〕
波長３６５ｎｍの光を放出する光源は高圧水銀ランプとする。マスク基板は、縦が５0 ｍｍ、横が５０ｍｍ、厚みが０．５ｍｍの硼珪酸ガラス（ＳｉＯ₂ 、Ｂ₂ Ｏ₃ ）を用い、ＣｕＣｌからなる量子ドットの密度を０％〜０．５％の範囲で０．０５％毎に変化させたものを１１種類用意した。
各マスク基板に対し、高圧水銀ランプから放出された３６５ｎｍの光を照射して、マスク基板を透過した光の光強度Ｉ₁ をシリコンフォトダイオードによって測定し、マスク基板を透過させずに測定した光強度Ｉ₀ との比（Ｉ₁ ／Ｉ₀ ）を求め、これを光透過率とした。さらに、各マスク基板の線幅変化をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により測定した。その結果を図４に示す。

図４は、本発明に係るマスク基板について、波長３６５ｎｍの光に対する光透過率（％）と線幅変化（ｎｍ）の関係を示す図である。線幅変化は上記光透過率の異なる１１種類のマスクを用いて露光した被処理物に形成された線幅の変化を調べたものである。
図４に示すように、線幅変化は、マスク基板の光透過率が低いほど低下する傾向にある。これは、量子ドットの密度を高めることによってマスク基板の光透過率を低下させることにより、光の干渉が生じる原因となる、遮光膜とマスク基板との境界面で反射され、さらに、マスク基板における光源と対向する側の面で反射された光源から放射された光が、殆どレジスト層に照射されなくなることによる。

ここで、線幅が４５ｎｍという微細な集積回路パターンを実現するには、一般的に許容される線幅の誤差は５ｎｍ以内であることが知られている（例えば、INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS 2003 EDITION 、第７頁、Table77b、『CD control（3sigma）（nm）』の列を参照）。
従って、マスク基板における波長３６５ｎｍの光に対する光透過率が６０％以下となる条件、すなわちマスク基板の量子ドット密度を０．２％とすることにより、図４に示すようにマスク基板の線幅変化が５ｎｍ以内に抑えられ、線幅が４５ｎｍという微細な集積回路パターンを実現することが可能となる。

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。 本発明のマスク基板の、波長３６５ｎｍの光に対する光透過率（％）と線幅変化（ｎｍ）の関係を示す図である。 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。 干渉の影響を説明する図である。

符号の説明

１ フォトマスク
１ａ マスク基板
２ 遮光膜
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 (2)

1. 光源から放出された光を照射して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、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み、波長３６５ｎｍの光に対する光透過率が６０％以下である
   ことを特徴とするフォトマスク。
2. 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。
   
   
   
   
   

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