JP2008311462A - パターン転写方法およびフォトマスク - Google Patents

Abstract

【課題】フォトマスク面に非垂直入射する露光光成分などに起因して生じるパターン解像度の低下を抑制すること。
【解決手段】透明基板１１の主面の、遮光性膜１２の非形成領域（透光部）を充填するように、屈折率が１よりも大きな高屈折率媒質１３が設けられている。ここで、高屈折率媒質１３は、ＳＯＧ、酸化ケイ素、窒化珪素、酸窒化珪素などである。このような高屈折率媒質１３を設けると、透明基板１１と高屈折率媒質１３との界面での屈折角が従来に比較して小さくなり、遮光性膜１２によって遮られる露光光量を低減させることができる。この効果は、露光光の透明基板１１への入射角（θ）が大きいほど顕著となる。その結果、フォトマスク面に非垂直入射する露光光成分などに起因して生じるパターン解像度の低下を抑制することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体集積回路等の製造などで用いられるパターン転写方法およびフォトマスクに関する。

ＩＣ、ＬＳＩ又はＶＬＳＩ等の半導体集積回路の製造をはじめとして、広範囲な用途に用いられているフォトマスクは、例えば、透光性基板上にクロムを主成分とする遮光膜が形成されたフォトマスクブランクを用い、この遮光膜に紫外線や電子線等を露光光とするフォトリソグラフィ法により所定のパターンを形成したものである。近年では、半導体集積回路の高集積化等の市場要求に伴ってパターンの微細化が急速に進行し、露光工程でのレジスト解像度を高めるための露光波長の短波長化やレンズの開口数の増大により対応がなされてきた。

しかしながら、露光波長の短波長化は装置や材料のコスト増大を招く結果となるという問題がある。また、レンズの開口数の増大は解像度の向上という利点の反面、焦点深度の減少を招く結果、プロセスの安定性が低下し、製品の歩留まりに悪影響を及ぼすという問題がある。このような問題の解決に対して有効なパターン転写法のひとつに「位相シフトマスク」をフォトマスクとして用いる「位相シフト法」が知られている（特許文献１）。

これらのフォトマスクは、透明基板上に遮光性膜を形成したフォトマスクブランクの遮光性膜上にレジストを塗布し、当該レジストを露光・現像して所定のパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして上記遮光性膜をエッチングした後にレジストを除去することによって作製される。

従来、フォトマスクのパターンをシリコンウエーハなどの被転写基板に転写する際には、空気中での露光が行われていたが、形成すべきパターン線幅が狭くなるにつれて、より高ＮＡ(高開口数)での露光を実現するために被転写基板の上に純水や高屈折率の液体を供給して露光する方法が実用化されるようになってきた。また、更なる解像度の向上を目的として、露光装置の光源にも工夫がなされ、二重極照明や四重極照明、輪帯照明などの変形照明などが用いられるようになってきており、このような露光光源を用いた場合には、フォトマスクに入射する露光光にはフォトマスク面に非垂直入射する成分が含まれることとなる。また、フォトマスクのパターン面にはパターン面へのパーティクルの付着を防止するためにペリクル膜を設けられる。
特開平７−１４０６３５号公報

図１に断面概略図を示したように、透明基板１上にＣｒやＭｏＳｉなどの遮光性膜２のパターンが形成されたフォトマスクの遮光部には、遮光性膜２の膜厚に相当する段差が生じている。また、パターンの微細化に伴って、パターンの幅とのパターンの段差の比は大きくなる。そして、透明基板１の屈折率は一般に、フォトマスクの露光雰囲気の屈折率（通常は１）よりも大きいために、フォトマスクに照射される光の入射角（θ）が大きくなればなるほど、フォトマスクの遮光部の段差が透過部を透過した光（の一部）を遮る現象が顕著となり、コントラスト比が低下するなどして解像度が低下してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、フォトマスク面に非垂直入射する露光光成分などに起因して生じるパターン解像度の低下を抑制可能なパターン転写方法およびフォトマスクを提供することにある。

かかる課題を解決するために、本発明のパターン転写方法は、フォトマスクのパターン形成面を屈折率が１よりも大きな媒質で覆った状態で露光することを特徴とする。

前記媒質は液体若しくは固体であり、例えば、純水、ＳＯＧ、酸化ケイ素、窒化珪素、酸窒化珪素などである。

本発明のフォトマスクは、透明基板の主面に遮光性膜がパターニングされており、該遮光性膜の非形成領域に屈折率が１よりも大きな媒質が充填されていることを特徴とする。

前記媒質は、例えば、ＳＯＧ、酸化ケイ素、窒化珪素、酸窒化珪素などである。

本発明によれば、屈折率が１よりも大きな媒質（高屈折率媒質）により、透明基板と高屈折率媒質との界面での屈折角が従来に比較して小さくなるので、遮光性膜によって遮られる露光光量を低減させることができる。この効果は、露光光の透明基板への入射角が大きいほど顕著となる。

その結果、フォトマスク面に非垂直入射する露光光成分などに起因して生じるパターン解像度の低下を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明のフォトマスクの構造について説明する。

［本発明のフォトマスク］：図２は、本発明のフォトマスクの構造を説明するための断面概略図で、露光光に対して透明な石英やフッ化カルシウムなどの透明基板１１の主面にパターニングされた遮光性膜１２が設けられている。そして、透明基板１１の主面全面が、遮光性膜１２を覆うように、屈折率が１よりも大きな（ｎ＞１）高屈折率媒質１３で被覆されている。このフォトマスクでは、遮光性膜１２形成領域が遮光部、遮光性膜非形成領域が透光部となる。なお、高屈折率媒質１３は、透光部を埋める（充填する）ように設けられている必要があるが、必ずしも遮光性膜１２を覆う必要はない。

一般に、露光光の出射面が接することとなる媒質（フォトマスクのパターン面が接している媒質）は空気や窒素であってその屈折率は１（ｎ＝１）であるから、図１に図示した構造の従来のフォトマスクでは、遮光部の段差が透光部を透過した光（の一部）を遮って解像度が低下してしまうという問題が生じる。しかし、本発明のように、屈折率が１よりも大きな高屈折率媒質１３を設けた場合には、透明基板１１と高屈折率媒質１３との界面での屈折角が従来に比較して小さくなり、その結果、遮光性膜１２によって遮られる露光光量を低減させることができる。この効果は、露光光の透明基板１１への入射角（θ）が大きいほど顕著となる。

遮光性膜１２の膜厚や組成は、いわゆる「遮光膜」として用いるときは光学濃度で３以上となるようにし、ハーフトーン型の遮光性膜とする場合には、所定の透過率（例えば、１〜５０％）の透過率となるように膜厚や組成を決める。このような遮光性膜１２としては、クロムやモリブデンシリサイド、ジルコニアシリサイド、タングステンシリサイドなどの金属シリサイドやこれらに窒素や酸素を含んだ膜が例示される。また、透過率は０．１％以下などとして遮光性の高い膜としてもよいし、ハーフトーン型位相シフト膜として用いる場合などでは、実質的に露光に寄与しない程度（例えば、１〜３０％程度）の透過率の膜であってもよい。なお、遮光性膜１２の形成は、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの公知の手法によることができる。

透明基板１１として石英を用いた場合、遮光性膜１２としてクロムを主成分とする膜を用いると、エッチングを行う際に透明基板１１との間でエッチング選択性をもたせることができるという利点がある。

露光波長が２００ｎｍ以下（例えば、１９３ｎｍなど）の場合には、金属シリサイドを主成分とする膜（酸素や窒素を含ませることもできる）を用いると、反射率を所定の値まで低減させること、遮光性膜の薄膜化、パターン微細化のために有利なフッ素系エッチングが可能、といった利点がある。

また、遮光性膜１２に適度な透過率（例えば、１〜３０％）をもたせ、透光部を透過した露光光と遮光部を透過した露光光との位相の差を所定の値（例えば、１８０度）とすることによって、位相シフト効果をもたせることができる。この場合、通常のハーフトーン型位相シフトマスクと同様に遮光部の位相変化を透光部の位相変化よりも大きくすることもできるが、これとは逆に、透光部における位相変化を遮光部の位相変化よりも大きくすることもできる。特に、高屈折率媒質の屈折率が大きいときには、遮光部の厚みを薄くすることができるため、透光部における位相変化の方を遮光部よりも大きくする構成の方が好ましい。

高屈折率媒質１３としては、ＳＯＧ、酸化ケイ素、窒化珪素、酸窒化珪素などを用いる。その厚みは、例えば１ｍｍ以上とすれば、ぺリクル膜が必要でなくなるという利点がある。また、遮光性膜１２の上に設けられる高屈折率媒質の厚みが１０〜４０ｎｍとなるように高屈折率媒質１３を形成して反射防止膜としての機能をもたせたり、遮光性膜１２に対する保護膜として機能させるようにしてもよい。

［本発明のパターン転写方法］：図３は本発明のパターン転写方法を説明するための図で、ここで用いるフォトマスクは、図１で示したものと同様の従来型のフォトマスクで、透明基板１１の主面に遮光性膜１２が設けられている。

このフォトマスクのパターン形成面が高屈折率媒体１３で覆われるようにした状態で、レジスト１４が塗布された被転写基板１５にパターン焼付けのための露光を行う。図３に示した高屈折率媒体１３は、通常の露光環境である空気や窒素よりも屈折率が高い（屈折率が１よりも大きな）液体（例えば、純水）で、図３（Ａ）には、この高屈折率媒体１３中に被転写基板１５も一緒に浸漬させた状態で露光を行う状態が図示されているが、フォトマスクのパターン形成面（遮光性膜１２）と被転写基板１５（上のレジスト１４）が共に高屈折率媒体１３中にある必要はなく、フォトマスクのパターン形成面が高屈折率媒体１３に接していればよい。

例えば、フォトマスク（のパターン形成面）のみを高屈折率媒体１３に浸漬してもよく（図３（Ｂ））、あるいは、フォトマスクのパターン形成面側にレンズなどの光学素子１６を設けてこれらの間を高屈折率媒体１３で充填させたり（図３（Ｃ））、さらには、フォトマスク（のパターン形成面）と被転写基板（上のレジスト１４）を別々の高屈折率媒体に浸漬させたり、フォトマスク（のパターン形成面）のみを高屈折率媒体に浸漬させた状態で通常の液浸露光機のように被転写基板の露光部分のみを液浸させるなどの構成にしてもよい。

また、高屈折率媒体１３は、フォトマスクのパターン形成面を覆ってさえいればよく、パターン形成面を薄く覆う程度でもよい。なお、高屈折率媒体１３は液体である必要はなく、ＳＯＧ、酸化ケイ素、窒化珪素、酸窒化珪素などの固体であってもよく、この場合にも、当該固体の薄膜がパターン上を覆っていればよい。

このようなパターン転写方法の場合には、従来のフォトマスクを用いた場合にも、透明基板１１と高屈折率媒質１３との界面での屈折角が従来法でパターン転写する場合に比較して小さくなり、その結果、遮光性膜１２によって遮られる露光光量を低減させることができる。また、この効果は、露光光の透明基板１１への入射角（θ）が大きいほど顕著となる。

なお、高屈折率媒質１３の屈折率は、１よりも大きく、かつ、遮光性膜１２のそれよりも大きいことが好ましく、さらには、透明基板１１の屈折率よりも大きいと、より好ましい。

図４は、フォトマスクのパターン面を高屈折率の固体で覆う場合の本発明のフォトマスクの製造プロセスを説明するための図で、本実施例で得られるフォトマスクは、遮光性膜としてＭｏＳｉＮの遮光層（６０ｎｍ）と反射防止層（４０ｎｍ）を積層させたバイナリマスクである。本実施例では、遮光層と反射防止層の厚みをそれぞれ上記の値としているが、これらの膜厚はそれぞれ、３０〜６０ｎｍおよび１０〜４０ｎｍなどとするようにしてもよい。

先ず、石英基板１１の主面に遮光性膜１２を備えたフォトマスクブランクを準備する（図４（Ａ））。本実施例の遮光性膜１２は、ＭｏＳｉＮの遮光層（６０ｎｍ）と反射防止層（４０ｎｍ）を積層させたものであるが、一般的には、ＣｒやＭｏＳｉなどの金属シリサイド、またはこれらに酸素または窒素を含ませた膜などであり、その成膜は、Ａｒガス中に窒素ガスを添加させた雰囲気中で金属ターゲットをスパッタすることで行われる。

なお、膜中に酸素を含ませる場合にはＡｒガス中に酸素ガスを添加させた雰囲気中で、また、酸素と窒素を含ませるときにはＡｒガス中に酸素（含有）ガスと窒素（含有）ガスを添加させた雰囲気中でスパッタ成膜を行う。さらに、膜中に炭素を含ませる場合には、炭素含有ガスを添加させた雰囲気中でスパッタ成膜を行う。このような酸素（含有）ガスや窒素（含有）ガス或いは炭素含有ガスとしては、Ｏ_２、Ｎ_２、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ_２、ＣＨ_４、などが例示される。

また、遮光性膜１２は遮光層と反射防止層の２層構造にしてもよいし、さらに石英基板１１側に反射防止層や密着改善層を形成した３層以上の構成としてもよい。また、膜中での組成を徐々に変化させることによって、表面の酸化度や窒化度をあげることで反射率を低減させるようにしてもよい。さらに、パターン形成の補助膜となるエッチングマスク層や、エッチングストッパを形成してもよい。これら多層は単一元素から多層を形成しても、異元素を含む層を形成してもよい。

次に、遮光性膜１２の上からレジスト１４を塗布し（図４（Ｂ））、ＥＢ描画装置で所定のパターンを露光・現像して、所定のレジストパターン１４を得る（図４（Ｃ））。レジスト１４は、電子線用でもＫｒＦ線用でもＡｒＦ線用でもよく、ポジ型でもネガ型でもよい。なお、化学増幅型である必要はないが、本実施例では、電子線用の化学増幅型ポジレジストを用いている。

このレジストパターン１４をマスクとして、遮光性膜１２をエッチングしてパターニングを行う（図４（Ｄ））。この場合のエッチングは、ウエット、ドライどちらの手法でも可能であるが、微細なパターンを形成するにはドライエッチングが好ましい。

本実施例では、遮光性膜１２は金属シリサイド膜であるので、ＣＦ４やＳＦ６などのフッ素を含んだエッチングガスを用いてドライエッチングを行っている。遮光性膜１２としてＣｒ膜を用いた場合には、塩素ガスと酸素ガスを混合したものをエッチングガスとして用いることができる。また、なお、このようなエッチングガスには、ＨｅやＡｒなどの不活性ガスを含んでいてもよい。

なお、遮光性膜１２は、上述の２層積層膜に、さらに石英基板１１側に密着改善層などを形成して３層以上の積層構造としてもよい。また、膜中の組成を厚み方向に徐々に変化させて膜表面の酸化度や窒化度を高めることにより、反射率を低減させるようにしてもよい。さらに、パターン形成の補助膜となるエッチングマスク層やエッチングストッパを形成してもよい。

そして、遮光性膜１２のパターニング後にレジストマスク１４を除去すると、石英基板１１の主面にパターニングされた遮光性膜を備えた従来型のフォトマスクが得られる（図４（Ｅ））。

これに続いて、遮光性膜１２を覆うように、屈折率が１よりも大きな高屈折率媒質１３であるＳＯＧ膜（ｎ＝１．４）を透明基板１１の主面全面に形成する（図４（Ｆ））。ＳＯＧ膜の厚みは約１３０ｎｍである。

そして、ＳＯＧ膜１３を平坦化処理して、透光部と遮光部とを備えた、本発明のフォトマスクを得た（図４（Ｇ））。なお、上述のように、遮光性膜１２の厚みは約１００ｎｍであり、ＳＯＧ膜１３の塗布厚は約１３０ｎｍであるから、遮光性膜１２の上には約３０ｎｍの高屈折率媒質が設けられることとなる。この部分は、反射防止膜として、また、遮光性膜１２に対する保護膜として、機能することとなる。

石英基板上にＣｒＯＮからなる厚さ７０ｎｍの遮光膜と厚さ３０ｎｍ反射防止膜を積層した遮光部をもち、０．２μｍ幅の孤立透過部（遮光膜と反射防止膜が形成されていない部分）をもつフォトマスクを、フォトマスクへの入射角（θ）が４５度となる２極照明を光源とするＡｒＦエキシマレーザ露光装置にセットする。そして、当該フォトマスクと被露光物（被転写シリコン基板：不図示）側の光学系までの空間を純水（屈折率１．４４）で満たして露光を行う（図５（Ａ））。なお、比較のため、フォトマスクと被露光物側の光学系までの空間を窒素雰囲気（屈折率１）とした状態での露光も行う（図５（Ｂ））。

フォトマスクのパターン形成面を被露光物であるシリコン基板側に向けて、フォトマスクに４５度の角度で光を入射させると、フォトマスクの被露光物側の光学系との間の空間が窒素（屈折率１）である場合（図５（Ｂ））、マスク基板から被露光物側の空間に出る光の角度が４５度となることから、減衰作用をうける領域を計算すると透過パターンに入ってきた光の幅のうち０．１μｍ分の光量は遮光膜及び反射防止膜により減衰作用を受けることになる。この場合、マスクの透光部に入射する光の幅（０．２μｍ）を１００％とすると、透過パターンを透過する光の幅の５０％に相当する部分だけが減衰作用を受けずに透過できることになり、減衰を受ける５０％の幅に相当する部分はコントラスト低下の原因となる。

これに対して、フォトマスクの被露光物側の光学系とフォトマスクの間を純水（屈折率１．４４）で満たした場合（図５（Ａ））、フォトマスクから被露光物側の空間に出る光の角度が約３０度となるため、減衰作用を受ける透過パターンの幅は０．０６μｍとなり、０．１４μｍ分の光（即ち、７０％の光の幅に相当する光量）は減衰作用を受けずに透過できることになり、コントラスト低下の原因となる減衰を受ける光の幅の割合が３０％に低下する。つまり、本発明の場合には、コントラスト低下の原因となる減衰を受ける光の幅の割合を５０％から３０％に減少させることができる。

従来のフォトマスクの構造を説明するための断面概略図である。 本発明のフォトマスクの構造を説明するための断面概略図である。 本発明のパターン転写方法を説明するための図である。 本発明のフォトマスクの製造プロセスを説明するための図である。 本発明のパターン転写方法を従来のパターン転写方法と比較して示すための図である。

符号の説明

１、１１ 基板
２、１２ 遮光性膜
１３ 高屈折率媒体
１４ レジスト
１５ 被転写基板
１６ 光学素子

Claims (7)

1. フォトマスクのパターン形成面を屈折率が１よりも大きな媒質で覆った状態で露光することを特徴とするパターン転写方法。
2. 前記媒質が液体である請求項１に記載のパターン転写方法。
3. 前記媒質が純水である請求項２に記載のパターン転写方法。
4. 前記媒質が固体である請求項１に記載のパターン転写方法。
5. 前記媒質がＳＯＧ、酸化ケイ素、窒化珪素、酸窒化珪素の何れかである請求項４に記載のパターン転写方法。
6. 透明基板の主面に遮光性膜がパターニングされており、該遮光性膜の非形成領域に屈折率が１よりも大きな媒質が充填されていることを特徴とするフォトマスク。
7. 前記媒質は、ＳＯＧ、酸化ケイ素、窒化珪素、酸窒化珪素の何れかである請求項６に記載のフォトマスク。

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