JP2007271712A

JP2007271712A - フォトマスク、露光装置及びパターン形成方法

Info

Publication number: JP2007271712A
Application number: JP2006094292A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tanaka; 聡田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】開口比変動を抑えて、寸法変動の小さなパターン形成を実現するフォトマスクを提供する。
【解決手段】露光光の波長に対して透過性を有するマスク基板１００と、マスク基板１００上に設けられ、露光光の波長に対して遮光性及び半透過性のいずれかを有するマスクパターン１１０と、マスクパターン１１０の膜厚より薄くマスクパターン１１０の間に充填され、露光光に対する屈折率が空気より大きく、露光光の波長に対し透過性を有する充填材１２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置に関し、特に微細パターン形成に使用されるフォトマスク、露光装置及びパターン形成方法に関する。

近年のＬＳＩ微細化に伴い、露光に用いるマスクパターン寸法は1．０μｍを下回るサイズになってきている。また、パターンがウェハ上に設計通りに転写できなくなる光近接効果（ＯＰＥ）も顕在化してきている。そこで、ＯＰＥが生じないように、転写後形状を所望の設計パターン通りに仕上げるための技術である光近接効果補正（ＯＰＣ）が必要である。ＯＰＣの導入により、ウェハ上のクリティカル・ディメンジョン（ＣＤ）変動を抑制することが可能となり、より微細なパターンまでウェハ上に設計通り忠実に仕上げられるようになってきている。

露光技術としては位相シフトマスクの使用や、輪帯照明等に代表される軸外照明を用いて、転写パターンの解像性向上や焦点深度向上効果を得ている。また、現在露光装置の高ＮＡ化も加速しており、０．８０を超える装置も実用化されている。更に液浸露光技術も急速に発展してきており、ＮＡ＞１．０となる露光装置の供給も現実的なものとなってきている。

現在の露光装置においてはマスクパターンからウェハ上へ転写するパターンの縮小率（１／M）は１／４で設定されているものが主流となっている。投影露光装置の投影光学系のＮＡ_projと照明光学系のＮＡ_illumとの間には以下の式（１）に示す関係がある。

σＮＡ_proj＝Ｍ・ＮＡ_illum・・・・・（１）
ここでσはコヒーレンスファクターと呼ばれる値で、有効光源位置での大きさを示すパラメータとして一般に定義される量である。現在、高ＮＡ化に伴いσの最大値も１．０に近い値まで使用可能な状態となってきている。

マスク上の寸法としては、以下の式（３）で示される。ここで、ＣＤは、
ＣＤ＝ｋ₁・λ／ＮＡ・・・・・（２）
で定義される。

ＣＤ_mask＝４×ＣＤ
＝４×ｋ₁・λ／ＮＡ・・・・・（３）
ウェハ上のＮＡ_proj＝１．２を想定し、解像限界を示すパラメータとして一般的に使用されるｋ₁＝０．２８を仮定する。ＮＡ_proj＝１．２とｋ₁＝０．２８を式（３）に代入すると、
ＣＤ_mask ＝４×０．２８×１９３／１．２＝０．１８μｍ・・・・・（４）
となる。また、マスク面への最大入射角度θ［deg］は、
θ＝asin（NA_illum）
＝asin（σNA_proj／Ｍ）
＝asin（１．２／４）
＝１７．５［deg］・・・・・（５）
となる。

この結果、斜入射時にマスク厚みによる影となる部分を除外した実効開口寸法Dは、以下の式（６）で示される。

D₀−D＝ｄtanθ
D＝D₀−dtanθ・・・・・（６）
ｄはマスク遮光膜厚であり、ｄ＝８０ｎｍとすると、
D＝０．１８−０．０８０×ｔａｎ（１５°）
＝０．１６μｍ・・・・・（７）
開口比は、以下の式（８）で示すように、
開口比＝Ｄ／Ｄ₀
＝０．８６・・・・・（８）
となり、実効開口比が１５％近く変動することとなる。

つまり、マスクが立体構造であるために、マスクパターン寸法は入射角依存で開口比が変動し、ＯＰＥ変動に対する寄与が無視できなくなる。したがって、ＯＰＣ適用時にも開口比変動を考慮しなくてはならない。このような開口比変動よる影響を評価する手法として、マスク面での厳密電磁場計算を実行して、マスク面からの回折光分布を正確に求め、それを用いて投影光学計算を行うことで評価されている（非特許文献１参照。）。しかし、ＯＰＣ技術には計算速度が求められてきており、厳密磁場計算として有限差分時間領域法（Finite Difference Time Domain；ＦＤＴＤ法）では計算コストがかかりすぎるため、現実的に十分な予測精度を持った補正が実現できていない。
トム．ブイ．ピスター（Tom V Pistor），「フォトマスクにおける斜入射の影響のモデリング（Modeling Oblique Incidence Effects in Photomasks）」，オプティカル・マイクロリソグラフィ・XIII（Optical Microlithography XIII），エスピーアイイー（SPIE）第４０００巻，２０００年，ｐ．２２８−２３７

本発明は、開口比変動を抑えて、寸法変動の小さなパターン形成を実現するフォトマスク、露光装置及びパターン形成方法を提案することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、露光光の波長に対して透過性を有するマスク基板と、マスク基板上に設けられ、露光光の波長に対して遮光性及び半透過性のいずれかを有するマスクパターンと、マスクパターンの膜厚より薄くマスクパターンの間に充填され、露光光に対する屈折率が空気に対する屈折率より大きく、且つ露光光の波長に対し透過性を有する充填材とを備えるフォトマスクであることを要旨とする。

本願発明の他の態様によれば、露光光を集光させる集光光学系と、露光光の波長に対して透過性を有するプレートと、プレート上に配置され、フォトマスクを支持し、露光光に対する屈折率が空気より大きく、露光光の波長に対し透過性を有する充填材をフォトマスクのマスクパターン側とプレートの間に充填する充填手段を備えたマスク支持部と、フォトマスクを通過した露光光を集光し、露光対象上に結像させる投影光学系とを備える露光装置であることを要旨とする。

本願発明の更に他の態様によれば、露光光の波長に対して透過性を有するプレート上にフォトマスクを設置するステップと、フォトマスクのマスクパターンとプレートの間に露光光に対する屈折率が空気より大きく、露光光の波長に対し透過性を有する充填材を充填するステップと、フォトマスクに斜入射照明するように露光光を集光するステップと、フォトマスクを通過した露光光を集光してウェハ上にフォトマスクのパターンを結像するステップとを含み、ウェハ上にパターンを形成するパターン形成方法であることを要旨とする。

本発明によれば、開口比変動を抑えて、寸法変動の小さなパターン形成を実現するフォトマスク、露光装置及びパターン形成方法を提案することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（フォトマスク）
本発明の実施の形態に係るフォトマスクは、図１に示すように、露光光の波長に対して透過性を有するマスク基板１００と、マスク基板１００上に設けられ、露光光の波長に対して遮光性及び半透過性のいずれかを有するマスクパターン１１０と、マスクパターン１１０の膜厚より薄くマスクパターン１１０の間に充填され、露光光に対する屈折率が空気より大きく、露光光の波長に対し透過性を有する充填材１２０とを備える。マスク基板１００には、透過性に優れた溶融石英、及び蛍石等の透明な材料が用いられる。

マスクパターン１１０は、膜厚ｄにより透過率及び位相差が規定される。膜厚ｄの下限値は、十分な遮光性能を実現する値に規定される。膜厚ｄの上限は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の異方性エッチングによるパターンの加工性によって規定される。また、マスクパターン１１０は、高いレベルでの寸法精度が要求されるため、レジストとのエッチング選択比などの関係によっても膜厚ｄが規定される。一般的にマスクパターン１１０の膜厚ｄは、７０〜１００ｎｍ程度が選択される。マスクパターン１１０の材料としては、クロム（Ｃｒ）、酸化クロム（ＣｒＯ）、及び珪化モリブデン（ＭｏＳｉ）等が用いられる。

マスクパターン１１０には、ハーフトーン型位相シフトマスク（以下、「ＨＴマスク」と記載する）等の位相シフトマスクを用いることができる。ＨＴマスクの膜厚は、ハーフトーン膜（ＨＴ膜）の屈折率、消衰係数、透過率、位相差等の設定条件により定められる。特にＨＴマスクを用いる場合、所望の位相差が１８０度であるため、以下の式（９）が得られる。

2π｛n_HT d/λ−n₀d/λ｝=π [rad] ・・・・・（９）
膜厚ｄは、ＨＴ膜の屈折率ｎ_HTを２．２、空気中の屈折率ｎ₀を１．０とすると、
d=λ/2(n_HT - n₀)
=193 / 2.4
=80 nm ・・・・・（１０）
となる。

図２に示すような、充填材１２０を具備していないフォトマスクにおいて、ＮＡ_proj＝１．２、σ＝１．０の位置から斜入射照明された場合の開口比は、式（８）で示したように０．８６程度となる。これに対して、実施の形態に係るフォトマスクの開口比は、充填材１２０の屈折率をマスク基板１００と同じ屈折率ｎ’（ｎ’＝１．５と仮定）すると以下のように求めることができる。スネルの法則より、
θ’＝asin（（1/n’）sinθ）・・・・・（１１）
が得られる。充填材１２０の膜厚ｄ’とし、実施の形態に係るフォトマスクの開口寸法Ｄ’は、式（６）より、
D’＝D₀−｛d’tanθ’＋（d−d’）tanθ｝・・・・・（１２）
となる。ｄ’=ｄの場合は、
D’＝ D₀−dtanθ’＝０．１６６μｍ・・・・・（１３）
となり、開口比は、
Ｄ’／Ｄ₀＝０．１６６／０．１８
＝０．９２・・・・・（１４）
と求められる。ｄ’=０．５dの場合は、
D’＝ D₀−0.5d（tanθ’＋tanθ）＝０．１６２μｍ・・・・・（１５）
となり、開口比は、
Ｄ’／Ｄ₀＝０．１６２／０．１８
＝０．９０・・・・・（１６）
と求められる。したがって、図３（ａ）、（ｂ）に示すようにｄ’≦ｄであれば開口比の変動量は、充填材１２０のないフォトマスクに比べて小さくすることができる。一方、図３（ｃ）に示すようにｄ’＞ｄである場合は、点線で囲まれた箇所にて不要な回折、反射等が発生するため好ましくない。ここで生じる回折光や反射光はマスクパターン１１０面近傍であるため、像形成に対して影響度が高く問題になる。開口比変動量は１０％以下になることが好ましく、充填材１２０の屈折率ｎ’の範囲は１．２＜ｎ’＜１．７であることが好ましい。屈折率の異なる２層間での反射率はＦｒｅｓｎｅｌ係数により振幅反射率Ｒ₁₂は、以下の式で求められる。

Ｒ₁₂＝（ｎ₁−ｎ₂）／（ｎ₁＋ｎ₂）・・・・・（１７）
薄膜内での多重反射による効果を無視し、マスク基板・充填材境界での反射による影響を見積もると、振幅反射率Ｒ₁₂＜０．１となる充填材屈折率の範囲はおおよそ、ｎ＝１．２〜１．８で与えられる。理想的にはマスク基板と同一の屈折率を有する充填材を用いることで反射による影響を最小化することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るフォトマスクによれば、充填材１２０に空気より屈折率が大きい材料を用いて、マスクパターン１１０間を膜厚ｄ’で充填することにより、開口比を１に近づけることができる。つまり、実施の形態に係るフォトマスクは、開口比変動を押さえることができるので、マスク立体構造の影響を受けにくく、寸法変動の小さいパターンを形成することが可能となる。

マスクパターン１１０の形成方法を図４〜図８を参照しながら説明する。まず、図４に示すように、図１に示した透過性に優れるマスク基板１００を用意する。次に、図５に示すように、用意したマスク基板１００上にスパッタ法又は物理的蒸着法（ＰＶＤ法）等によりＣｒ等のパターン膜１１１を形成する。そして、図６に示すように、パターン膜１１１上に感光性樹脂等であるレジスト１１２を塗布する。図７に示すように、電子線又はレーザ描画装置等でマスクパターンデータを用いてパターンをレジスト１１２に描画・感光し、現像処理することによってレジスト１１２の一部を選択的に除去する。そして、図８に示したレジスト１１２をエッチングマスクとして、ＲＩＥ等の異方性エッチングによって、レジスト１１２を除去して、図６に示すようなマスクパターン１１０が形成される。

充填材１２０は、スピンオングラス（ＳＯＧ）等によってマスク基板１００上のマスクパターン１１０間に充填される。充填材１２０の材料は、マスク基板１００と同じ材料、酸化ケイ素（Ｓｉ_xＯ_y）、窒化ケイ素（Ｓｉ_xＮ_y）等の露光光の波長に対して透過性の高い材料が用いられる。また、充填材１２０は、マスク基板１００等との界面での反射を抑えるように複数層を有するような構造であっても差し支えない。

（変形例）
本発明の実施の形態の変形例に係るフォトマスクは、図９に示すように、図１に示したフォトマスクと比して、マスク基板１００の形状が異なる点が異なる。マスク基板１００の形状が異なるのに伴い、マスクパターン１１０の形状も異なる。他は図１に示したフォトマスクと実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。

図９に示したフォトマスクは、サイドウォール・クロム・オールタネイティング・アパーチャ（Sidewall Cr Alternating Aperture；ＳＣＡＡ）型位相シフトマスクと呼ばれるマスクである。「ＳＣＡＡ型位相シフトマスク」とは、隣り合う開口を通過する光の位相差が１８０度となるようにマスク基板１００に段差を形成し、段差側壁部をＣｒで覆っている。ＳＣＡＡ型位相シフトマスクは、露光特性として解像力向上効果が得られる。例えば、図１０に示すような一般的なＳＣＡＡ型位相シフトマスクにおいて、マスクパターン１１０で遮蔽する箇所は、グラフの点線で囲まれた箇所が示すように、負の干渉効果を発生する。マスクパターン１１０で遮蔽する箇所では、光振幅を打ち消しあうため、露光光が達しない。つまり、露光光の通過部と遮蔽部の差が明確になり解像力が向上する。しかし、図１０で示したＳＣＡＡ型位相シフトマスクでは、これまで述べてきたようにＣｒの膜厚影響を受けて、開口比変動が照明入射角依存で起きる。

これに対し、図９に示したＳＣＡＡ型位相シフトマスクの利点は、開口近傍に立体形状差がないため、形状差起因の光学像変化が生じにくい。実施の形態の変形例に係るフォトマスクによれば、開口比変動の影響を軽減することができ、より高精度なパターン転写を行うことが可能となる。

（露光装置）
本発明の実施の形態に係る露光装置は、図１１に示すように、露光光を集光させる集光光学系２１と、露光光の波長に対して透過性を有するプレート３２と、プレート３２上に配置され、フォトマスク１０を支持し、空気より屈折率が大きく、露光光の波長に対し透過性を有する充填材１２０をフォトマスク１０のマスクパターン１１０側とプレート３２の間に充填する充填手段３３を備えたマスク支持部３０と、フォトマスク１０を通過した露光光を集光し、露光対象のウェハ２６上に結像させる投影光学系とを備える。

集光光学系２１は、光源２０から出射された露光光を反射させて光軸を変える反射鏡２１１と、集光スポットを配列するフライアイレンズ２１２と、照射面の大きさを制御する照明絞り２１３と、露光光を集光するコンデンサレンズ２１４とを備える。

充填手段３３は、図１２及び図１３に示すように、充填材供給部３４と充填材排出部３６を備える。充填材供給部３４は、マスク支持部３０に充填材１２０を供給する。充填材１２０が充填材供給部３４から供給されると、図１４に示すように、マスクパターン１１０とプレート３２の間に充填材１２０が充填される。

充填材排出部３６は、マスクパターン１１０とプレート３２の間で不要となった充填材１２０を排出する。マスクパターン１１０面から充填材１２０とプレート３２の境界面までの距離は、十分遠方にありフラウンホーファ距離以上ため、像形成に対する影響度は小さい。充填材１２０には、露光光の波長に対して透過性を有する液体を用いることができる。また、充填材１２０に用いる液体は、温度制御されていることが好ましい。一般的に屈折率は温度依存性を有し、ｄｎ／ｄＴという尺度で記述されることが多い。充填材中で温度分布が生じると充填材１２０の屈折率分布が生じ、光路長に変動が生じる結果としていわゆる収差が発生したのと同等の効果がでてしまい、像形成に悪影響をもたらす。ウェハ側でのいわゆる液浸露光技術における液浸剤である水温管理と同等の制御が好ましい実施形態と考えられる。

一般的に、フォトマスク１０はマスクパターン１１０面を保護するために、光学的に透明なペリクル（防塵保護膜）とペリクルを支持するペリクル支持材を接着する。しかし、実施の形態に係る露光装置で用いるフォトマスク１０は、マスクパターン１１０とプレート３２の間に充填材１２０が供給されるため、ペリクルとペリクル支持材は接着しない。

投影光学系２５は、フォトマスク１０を通過した露光光の径を縮小する縮小レンズ２５１と、露光光のＮＡを規定する開口絞り２５２と、露光光を集光する対物レンズ２５３とを備える。マスクパターン１１０面から投影光学系２５の間に充填材１２０及びプレート３２が存在することによる収差成分は、事前に影響を評価し、投影光学系２５の収差調整機構によりキャンセルできるように光学系を設計することが可能である。また充填材１２０とプレート３２との境界はマスク基板１００に対して平行平坦に形成することでその面での反射の影響を制御しやすくし、且つマスクパターン１１０と共役な位置から十分に離した位置に設計することで、多少の分布があったとしてもパターン転写像形成位置から離れた個所での影響なので、ペリクル位置での強度分布同様影響を小さくすることが可能となる。

以下に、実施の形態に係る露光装置を用いてマスクパターン１１０をウェハ２６上に露光転写するパターン形成方法を説明する。

（イ）まず、図１２に示したように、マスク支持部３０にフォトマスク１０を設置する。充填手段３３を用いて、マスクパターン１１０とプレート３２の間に充填材１２０を充填する。

（ロ）図１１に示したように、光源２０から軸外照明によって、露光光を出射する。そして、露光光は集光光学系２１によって、フォトマスク１０に斜入射照明するように集光される。射入射照明であっても、マスクパターン１１０とプレート３２の間に充填材１２０が充填されているために、開口比は１に近づき開口比変動を押さえることができる。

（ハ）フォトマスク１０を通過した露光光を集光してウェハ２６上に結像することで、マスクパターン１１０をウェハ２６上に寸法変動の小さい露光転写をすることができる。

本発明の実施の形態に係る露光装置によれば、充填材１２０に空気より屈折率が大きい材料を用いて、マスクパターン１１０とプレート３２の間を充填することにより、開口比を１に近づけることができる。つまり、実施の形態に係る露光装置は、入射角依存による開口比変動を押さえることができるので、マスク立体構造の影響を受けにくく、寸法変動の小さいパターンを形成することが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、図１２及び図１３に示した露光装置は一例に過ぎず、フォトマスク１０の下方にプレート３２を設置して、マスクパターン１１０とプレート３２の間に充填材１２０を供給および排出できる機構を具備する装置であれば他の構成であっても構わない。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係るフォトマスクの模式的断面図である。従来のフォトマスクの模式的断面図である。本発明の実施の形態係るフォトマスクで充填材の厚さの影響を示すための断面図である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの形成方法を示す工程断面図である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの形成方法の図２の次の段階を示す工程断面図である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの形成方法の図３の次の段階を示す工程断面図である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの形成方法の図４の次の段階を示す工程断面図である。本発明の実施の形態に係るフォトマスクの形成方法の図５の次の段階を示す工程断面図である。本発明の実施の形態の変形例に係るフォトマスクの模式的断面図である。従来のＳＣＡＡ型位相シフトマスクを説明するための断面図である。本発明の実施の形態に係る露光装置の模式図である。本発明の実施の形態に係る露光装置のマスク支持部の断面図である。本発明の実施の形態に係る露光装置のマスク支持部の平面図である。本発明の実施の形態に係る露光装置のマスク支持部に供給される充填材を説明するための断面図である。

符号の説明

１０…フォトマスク
２０…光源
２１…集光光学系
２５…投影光学系
２６…ウェハ
３０…マスク支持部
３２…プレート
３３…充填手段
３４…充填材供給部
３６…充填材排出部
１００…マスク基板
１１０…マスクパターン
１１１…パターン膜
１１２…レジスト
１２０…充填材
２１１…反射鏡
２１２…フライアイレンズ
２１４…コンデンサレンズ
２５１…縮小レンズ
２５３…対物レンズ

Claims

露光光の波長に対して透過性を有するマスク基板と、
前記マスク基板上に設けられ、前記露光光の波長に対して遮光性及び半透過性のいずれかを有するマスクパターンと、
前記マスクパターンの膜厚より薄く前記マスクパターンの間に充填され、前記露光光に対する屈折率が空気に対する屈折率より大きく、且つ前記露光光の波長に対し透過性を有する充填材
とを備えることを特徴とするフォトマスク。
前記充填材の屈折率は、１．２より大で、且つ１．７より小であることを特徴とする請求項１に記載のフォトマスク。
露光光を集光させる集光光学系と、
前記露光光の波長に対して透過性を有するプレートと、
前記プレート上に配置され、フォトマスクを支持し、前記露光光に対する屈折率が空気より大きく、前記露光光の波長に対し透過性を有する充填材を前記フォトマスクのマスクパターン側と前記プレートの間に充填する充填手段を備えたマスク支持部と、
前記フォトマスクを通過した露光光を集光し、露光対象上に結像させる投影光学系
とを備えることを特徴とする露光装置。
前記充填材は、前記露光光の波長に対して透過性を有する液体であることを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
露光光の波長に対して透過性を有するプレート上にフォトマスクを設置するステップと、
前記フォトマスクのマスクパターンと前記プレートの間に前記露光光に対する屈折率が空気より大きく、前記露光光の波長に対し透過性を有する充填材を充填するステップと、
前記フォトマスクに斜入射照明するように前記露光光を集光するステップと、
前記フォトマスクを通過した前記露光光を集光してウェハ上に前記フォトマスクのパターンを結像するステップ
とを含み、前記ウェハ上にパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。