JP2011054719A - 反射型フォトマスク、露光量制御方法及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンタミネーション膜が成長する環境下でも、より高精度に露光量の制御を行うことができる反射型フォトマスクの露光量制御方法及び露光装置を提供する。
【解決手段】反射型フォトマスクの吸収膜が反射率測定領域を有して、複数の波長を反射率測定領域に照射する露光量制御方法であって、反射率測定領域に照射する複数の波長λにおける露光前の初期反射率Ｒ０（λ）と反射型フォトマスクを用いて、露光を繰り返した後の反射率測定領域に照射する複数の波長λにおける露光後の反射率Ｒ（λ）との少なくとも２つの波長について取得する反射率取得工程を備えることを特徴とする露光量制御方法。
【選択図】図６

Description

本発明は、反射型フォトマスク、露光量制御方法及び露光装置に関する。より詳しくは、極端紫外領域の波長の光を光源としてパターン転写を行う際に適用可能な反射型フォトマスク、露光量制御方法及び露光装置に関する。

半導体集積回路は、性能及び生産性を向上させるために微細化、高集積化が進んでいる。また、回路パターンを形成するためのリソグラフィ技術についても、より微細なパターンを高精度に形成するための技術開発が進められている。これに伴い、パターン形成に使用される露光装置の光源についても短波長化が進められ、波長１３．５ナノメートル（ｎｍ）の極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ光。以下、「ＥＵＶ光」と称する。）を用いた装置及びパターン転写のプロセスが開発されている。

ＥＵＶ光は気体分子による吸収が大きいため、光が通過する領域は真空排気された状態とする必要がある。真空環境下でＥＵＶ光のような高エネルギーのビームを固体表面に長時間照射すると、固体表面に吸着した有機物が反応して炭素を主成分とする膜が形成される。この膜は、カーボンコンタミネーション膜などと呼ばれ、光の照射時間とともに成長していくことが知られている（以下、この膜を単に「コンタミネーション膜」と称する。）。コンタミネーション膜は、露光装置内の照明光学系や投影光学系で用いられる反射ミラーの表面や、転写パターンが形成されたマスクの表面上で時間とともに成長していくために、光源から発せられる光の強度が同じであっても、実際にウェハ上に届く光の強度は露光を繰り返すうちに徐々に変化する。

このような露光光強度の変動を抑えるためには、反射ミラーやマスク上に形成されたコンタミネーション膜の成長速度を低く抑えたり、付着したコンタミネーション膜を洗浄等により除去したりする必要がある。

上記の方法によって、付着したコンタミネーション膜を除去したり、コンタミネーション膜の成長速度を抑えて洗浄頻度を下げたりすることは可能であるが、コンタミネーション膜を全く付着させること無く露光を続けることはきわめて困難である。したがって、転写されるパターン寸法の変動を小さくするためには、露光装置の光学系のミラーやマスク上のコンタミネーション膜の成長に応じて最適な露光量を計算し、光源から発せられる光の強度の補正等を行って制御するのが好ましい。

そこで、例えば特許文献１乃至特許文献３には、マスクのコンタミネーション膜の成長に応じて最適な露光量を得る方法が提案されている。特許文献１には、マスクの使用履歴と最適露光量との間の関係をあらかじめ求めておき、これにもとづいて補正を行う方法が記載されている（特許文献１参照）。

特許文献２には、赤外領域の光の吸収によりコンタミネーション量を計測する方法が記載されている。コンタミネーション膜の膜厚を計測することができれば、露光波長におけるコンタミネーション膜の屈折率の値を用いて多層膜上の反射率の変化量を計算することができる（特許文献２参照）。

また、特許文献３には、マスクのパターン寸法が設計値と異なる場合に、マスクのパターン寸法を補正するための最適露光量を計算して補正を行う方法が記載されている（特許文献３参照）。

特開２００３−２２９３５８号公報 欧州特許出願公開第１４５２８５１号明細書 特開２００７−１４１９４９号公報

しかしながら、コンタミネーション膜の付着量は累積露光量だけではなく真空中の残留ガス成分などによって大きく変動する。残留ガス成分の発生源は露光装置の部材、レジストなどさまざまであり、残留ガス成分の内容は常に変動している。したがって、特許文献１に記載の方法では、これらの多くの変動要因をすべて考慮して最適露光量を求めるのはきわめて困難であるという問題がある。

また、特許文献２に記載の方法では、パターンの側壁にもコンタミネーション膜が堆積した場合には、吸収体のパターン線幅が大きくなったのと同様の影響がさらに加わることになるため、最適な露光量を得るためには十分でないという問題がある。また、コンタミネーション膜の堆積による最適露光量の変動は、コンタミネーション膜の厚さだけではなく、露光光の波長における光学定数によっても異なる。したがって、コンタミネーション膜の厚さのみから露光量の補正を行うのは困難な場合がある。

さらに、特許文献３に記載の方法では、パターン線幅の変動を考慮しているものの、未だ十分ではないという問題がある。すなわち、吸収膜のパターンが吸収係数の大きい材料からなるのに対して、コンタミネーション膜の主成分である炭素は比較的吸収係数が小さいため、吸収膜のパターン側壁に堆積したコンタミネーション膜による寸法変動量とマスクパターンそのものの寸法変動量とでは転写寸法に及ぼす影響は必ずしも同じではない。したがって、露光量をより高精度に制御するためには、更なる補正が必要となる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、コンタミネーション膜が成長する環境下でも、より高精度に露光量の制御を行うことができる反射型フォトマスク、露光量制御方法及び露光装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、反射型フォトマスクの吸収膜が反射率測定領域を有して、複数の波長を反射率測定領域に照射する露光量制御方法であって、反射率測定領域に照射する複数の波長λにおける露光前の初期反射率Ｒ０（λ）と反射型フォトマスクを用いて、露光を繰り返した後の反射率測定領域に照射する複数の波長λにおける露光後の反射率Ｒ（λ）との少なくとも２つの波長について取得する反射率取得工程を備えることを特徴とする露光量制御方法としたものである。

本発明の請求項２に係る発明は、複数の波長における反射率変化量からコンタミネーション膜の膜厚と光学定数を算出し、コンタミネーション膜の膜厚と光学定数に基づいて露光量補正係数を算出することを特徴とする請求項１に記載の露光量制御方法としたものである。

本発明の請求項３に係る発明は、露光に使用する前の反射率測定領域の初期反射率Ｒ０と露光に使用した後の反射率Ｒとを取得し、反射率測定領域の反射率の変化量に基づいて、露光量補正係数を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の露光量制御方法としたものである。

本発明の請求項４に係る発明は、反射率測定領域は、吸収膜の一部を除去して、露光光を反射する多層膜の表面が露出した領域に、多層膜の最表面の膜厚と組成および反射率の中心波長の少なくとも一つを異なる状態とした複数の領域を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の露光量制御方法としたものである。

本発明の請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の露光量制御方法を使用することを特徴とする露光装置としたものである。

本発明の請求項６に係る発明は、基板と、基板上に形成された露光光を反射する多層膜と、多層膜上に露光光に対する吸収係数の大きい材料で形成された吸収パターン領域と反射率測定領域とを有する吸収膜と、を備え、反射率測定領域は、吸収膜の一部を除去して、多層膜の表面が露出した領域に、多層膜の最表面の膜厚と組成及び反射率の中心波長の少なくとも一つを異なる状態とした複数の領域を有することを特徴とする反射型フォトマスクとしたものである。

本発明によれば、コンタミネーション膜が成長する環境下でも、より高精度に露光量の制御を行い、高精度のパターン転写を行う反射型フォトマスク、露光量制御方法及び露光装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態のコンタミネーション膜厚とＥＵＶ光の相対反射率との関係を計算した結果を示す図である。 本発明の第１の実施の形態のコンタミネーション膜厚とＥＵＶ光の相対反射率との関係を計算した結果を示す図である。 本発明の第１の実施の形態のコンタミネーション膜厚とＥＵＶ光の相対反射率との関係を計算した結果を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る反射型フォトマスクの一例を示す概略断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る反射型フォトマスクの他の一例を示す概略断面図である。 本発明の第２の実施の形態のコンタミネーション膜厚とＥＵＶ光の相対反射率との関係を計算した結果を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る反射型フォトマスクの別の一例を示す概略断面図である。 本発明の第２の実施の形態のコンタミネーション膜厚とＥＵＶ光の相対反射率との関係を計算した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ、説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１実施の形態の露光量制御方法について、図１乃至図３を参照して説明する。

まず本発明の第１の実施の形態において、反射型フォトマスクについて説明して、次に、その反射型フォトマスクを用いた露光量制御方法について説明する。本発明の第１の実施の形態の反射型フォトマスクは、基板と、基板上に形成されたＥＵＶ光を反射する多層膜と、多層膜上に形成されたＥＵＶ光に対する吸収係数の大きい材料で吸収パターン領域及び反射率測定領域を設けた吸収膜とを備える。

次に、本発明の第１の実施の形態の反射型フォトマスクを用いた露光量制御方法について説明する。本発明の第１の実施の形態の反射型フォトマスクを用いた露光量制御方法においては、多層膜上へのコンタミネーション膜の膜厚と光学定数を、複数の波長（λ）における反射率低下量に基づいて算出している。

図１は、多層膜上にコンタミネーション膜が堆積した場合を想定して、３種類の波長のＥＵＶ光について、初期反射率に対する相対反射率（Ｒ／Ｒ０）を種々のコンタミネーション膜厚（ｎｍ）に対して計算した一例である。ここで、図１において、縦軸は相対反射率［Ｒ／Ｒ０］を示し、横軸はコンタミネーション膜厚［ｎｍ］を示す。また、コンタミネーション膜の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３と仮定して光学定数を推定した。

図１に示すように、コンタミネーション膜の堆積によるＥＵＶ光反射率の変化は膜厚に対して単調に減少するのではなく、干渉効果による振動を伴う。このため例えば波長１３．２ｎｍの値にだけ注目して、相対反射率が０．９４を得たとしても、コンタミネーション膜厚が３ｎｍなのか７ｎｍ〜８ｎｍなのか判別することができない。これに対して、波長が１３．５ｎｍの場合や１３．８ｎｍの場合にはコンタミネーション膜厚が３ｎｍの場合と８ｎｍの場合で明確に異なっている。したがって、複数の波長における相対反射率の変化を取得することによってコンタミネーション膜厚を正しく推定することが可能となる。

コンタミネーション膜厚に対する露光量の補正は、露光装置の条件等に依存する。このためコンタミネーション膜厚に対する露光量の補正値は一意には定まらないが、実験やシミュレーションによってコンタミネーション膜厚に対する露光量の補正値のテーブルを用意することにより、精度の高い補正を行うことができる。

反射型フォトマスクのコンタミネーション膜が最適露光量に及ぼす影響として、コンタミネーション膜の膜厚を正確に計測する必要があるのは前述した通りであるが、シミュレーションにより露光量の補正テーブルを作成する際には、コンタミネーション膜の光学定数を適切に設定する必要がある。

ＥＵＶ光やこれよりも波長の短いＸ線においては、複素屈折率の実部の値の１との差や、虚部すなわち消衰係数の値は物質の密度にほぼ比例することが知られており、コンタミネーション膜の密度も真空状態や照射される光の強度によって変動する。したがって、使用する露光装置におけるコンタミネーション膜の光学特性を把握することは正確に露光量補正を行うために重要である。

図２は、図１と同様の計算を、コンタミネーション膜の密度が１．０ｇ／ｃｍ^３と仮定して行った結果を示したものである。図２において、縦軸は相対反射率［Ｒ／Ｒ０］を示し、横軸はコンタミネーション膜厚［ｎｍ］を示す。図３は、図１と同様の計算を、カーボンコンタミネーション膜の密度が２．０ｇ／ｃｍ^３と仮定して行った結果を示したものである。図３において、縦軸は相対反射率［Ｒ／Ｒ０］を示し、横軸はコンタミネーション膜厚［ｎｍ］を示す。

ここで、図１乃至図３に示したコンタミネーション膜厚が約７ｎｍの点に着目すると、３つの波長の相対反射率がほぼ同じ値となっている。これに対して、コンタミネーション膜厚が約４ｎｍの点に着目すると、３つの波長の反射率の差が密度によって異なっていることがわかる。

したがって、コンタミネーション膜の膜厚と密度の種々の条件について複数の波長での相対反射率の値を計算により求めてテーブルを作成し、使用したマスクの複数の波長での反射率から表面に付着したコンタミネーション膜の膜厚と光学定数を正確に推定することができる。

このような反射率の計測は、露光装置内に分光したＥＵＶ光を導入して、露光装置内で行ってもよいし、露光装置外にマスクを取り出して、反射率計測装置を使用して行ってもよい。

本発明の第１の実施の形態の露光量制御方法は、吸収膜の反射率測定領域に複数の波長を照射して反射率低下量を算出することで、コンタミネーション膜の膜厚と光学定数を正確に把握でき、露光量を制御できる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る反射型フォトマスクについて説明する。本発明の第２の実施の形態においては、反射型フォトマスクの吸収膜をパターニングして除去した領域の一部について、多層膜の最表面の膜厚と組成及び反射率の中心波長の少なくとも一つが異なる状態とした複数の領域を有することを特徴とする。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る反射型フォトマスクの一例を示す概略断面図である。図４に示した、本発明の第２の実施の形態に係る反射型フォトマスクは、熱膨張係数が非常に小さい平坦な基板１０と、基板１０上にＥＵＶ光を反射する反射多層膜２０と、反射多層膜２０上にＥＵＶ光に対する吸収係数の大きい材料で吸収パターン領域及び反射率測定領域を設けた吸収膜とを備える。

図５は、本発明の第２の実施の形態の反射型フォトマスクの他の一例を示す概略断面図である。図５に示した反射型フォトマスクは、多層膜２０の最表面２１の膜厚が異なる領域を備える。この反射型フォトマスクの他の構成は、前述した図４に示す反射型フォトマスクの構成と同様のため説明は省略する。

図６は、多層膜２０上にコンタミネーション膜が付着した場合のＥＵＶ光の反射率の変化を計算により求めた一例を示したものである。多層膜２０の最表面２１をシリコンとして、このシリコン層の膜厚を１１ｎｍとした場合と、７．５ｎｍとした場合について比較している。ＥＵＶ光の波長は１３．５ｎｍとして計算している。

前述したように反射型フォトマスクのコンタミネーション膜による最適露光量の変動をＥＵＶ光反射率でモニタする場合、例えば多層膜２０の最表面２１のシリコン層の膜厚が１１ｎｍの場合、コンタミネーション膜が６ｎｍから９ｎｍの範囲にわたってほとんど変化しないために、この膜厚領域ではコンタミネーション膜の厚さを正確に求めることが困難となる。一方、多層膜２０の最表面２１のシリコン層の膜厚が７．５ｎｍの場合にはコンタミネーション膜厚が６ｎｍから９ｎｍの範囲で単調に減少し、他の膜厚で同じ反射率となる点は存在しない。

このように多層膜２０の最表面２１の厚さが異なる領域を複数備えた反射型フォトマスクを用いることにより、反射型フォトマスクに堆積したコンタミネーション膜の厚さを正確に求めることが可能となる。

前記した反射型フォトマスクの例は、多層膜２０の最表面２１の厚さが異なる場合であるが、多層膜２０の最表面２１の膜の組成が異なるようにしてもよい。図７は、本発明の第２の実施の形態の別の例を示したものである。多層膜２０は、モリブデンとシリコンとを交互に積層している。多層膜２０の最表面２１はシリコン層の上にルテニウム膜２２を２．５ｎｍの厚さに形成した場合について、一部の領域のルテニウム膜２２を除去してシリコン層を露出した構造となっている。

図８は、多層膜２０の最表面２１がルテニウム膜２２の部分とシリコンの部分についてコンタミネーション膜が堆積した場合の反射率の変化を示したものである。図８は、図６と同様に、コンタミネーション膜厚に対する反射率変化が小さくなる膜厚領域が異なるため、両者の反射率を併用することによって正確にコンタミネーション膜厚を求めることができる。

このような本発明の第２の実施の形態において、ＥＵＶ反射率を計測するための複数の領域はウェハに転写するパターン領域と同じ量のコンタミネーション膜が付着している場合に最も効果的である。したがって、反射率計測領域はデバイスの回路以外のスクライブ領域に形成してもよいし、また、回路パターン周辺で露光光は照射されるが、ウェハ上の隣接チップにはかからないようにウェハ面では遮光される領域に形成してもよい。

露光装置内で計測する場合には、ウェハステージ近傍に光強度を計測する装置を設置することにより、露光光源の光を用いて計測することができる。

また、多層膜２０の最表面２１の膜厚や組成を部分的に変える方法としては、電子、イオン、光等のビームと反応性ガスを用いた既知の手法を用いることができる。また、重ね露光技術を用いたリソグラフィ技術によって加工してもよい。

本説明においては、多層膜２０の一部を除去する場合について説明しているが、ビームとガスを併用した既知の手法により、選択的に膜を付加してもよい。また、選択的に表面を酸化させるような既知の手法により組成を変化させてもよい。

また、反射率の中心波長を変える方法としては、選択的に電子や光等のビームを照射して局所的に加熱し、多層膜２０の界面でのミキシングを促進させることによって、多層膜２０の周期長を短くすることができることが知られており、この方法を適用することによって中心波長を短波長側にシフトさせることができる。このことにより、前記複数の波長で反射率を計測するのと同様の効果が得られる。

また、反射率の中心波長を変える方法は多層膜最表面の膜厚や組成を変える方法と併用してもよい。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるわけではない。

まず、石英ガラス基板を準備し、石英ガラス基板上に厚さ４．２ｎｍのシリコン膜と２．８ｎｍのモリブデン膜とを交互に４０対の多層膜を積層した。次に、多層膜上に厚さ１１ｎｍのシリコン膜、クロムを主成分とする厚さ１０ｎｍのバッファ層を積層した。次に、バッファ層上にタンタルを主成分とする厚さ７０ｎｍの吸収層を形成した、ＥＵＶマスクブランクスを用意した。

次に、用意したＥＵＶマスクブランクスに、電子線リソグラフィ技術を用いて吸収層をパターン加工し、パターンの検査及び修正を行った。その後、吸収層のパターン開口部に露出したバッファ層をエッチング除去して、吸収膜の反射率計測領域を有する反射型のＥＵＶ光露光用マスクを得た。

この反射型のＥＵＶ光露光用マスクに設けた反射率計測領域でＥＵＶ光に対する反射率を計測したところ、波長１３．２ｎｍ、１３．５ｎｍ、１３．８ｎｍにおける反射率（初期反射率Ｒ０（λ））はそれぞれ、３１．９％、６１．０％、４７．７％であった。

この反射型のＥＵＶ光露光用マスクパターンをセットしたＥＵＶ露光装置を用いて、シリコンウェハ上に転写露光を繰り返した後に、反射率計測領域にてＥＵＶ光に対する反射率を計測したところ、波長１３．２ｎｍ、１３．５ｎｍ、１３．８ｎｍにおける反射率（Ｒ（λ））はそれぞれ、２９．２％、５８．０％、４７．４％であった。

波長１３．２ｎｍ、１３．５ｎｍ、１３．８ｎｍについて、Ｒ／Ｒ０を計算するとそれぞれ０．９２、０．９５、０．９９が得られる。この結果から、コンタミネーション膜の膜厚は約５ｎｍ、光学定数は０．９７４−０．００４７ｉ（ｉは虚数単位）と推定することができた。

この結果をもとに、シミュレーションにより作成した補正テーブルから、最適露光量として、初期値の１．１４倍という結果を得た。この補正値を用いることによって、１３．５ｎｍでの相対反射率の変化からＲ０／Ｒで計算される１．０５倍という値よりも良好な結果を得た。

この露光量補正値を用いることにより、良好な転写結果を得た。

前述した実施例１と同様のＥＵＶマスクブランクスを用意し、電子線リソグラフィ技術を用いて吸収層をパターニングして反射率計測領域を形成し、吸収層のパターンの欠陥検査を実施してバッファ層をエッチング除去した。その後に、反射率計測領域の一部を露出させたレジストパターンを形成し、ドライエッチングにより多層膜の最表面のシリコンの一部をエッチングし、多層膜の最表面層の膜厚が１１ｎｍと７ｎｍの異なる２つの領域を有するＥＵＶマスクを作製した。

このＥＵＶマスクを使用して、ＥＵＶ光が照射された後の波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光の反射率を計測して初期反射率との比であるＲ／Ｒ０を計測したところ、２つの領域のいずれにおいても０．９４であった。

この結果をもとに、シミュレーションにより作成した補正テーブルから、最適露光量として、初期値の１．１２倍という結果を得た。この補正値を用いることによって、１３．５ｎｍでの相対反射率の変化からＲ０／Ｒで計算される１．０６倍という値よりも良好な結果を得た。

この露光量補正値を用いることにより、良好な転写結果を得た。

本発明は、露光プロセス条件を効率よく最適化して半導体集積回路等の製造を行うことができる。

１０…基板、２０…多層膜、２１…多層膜の最表面、２２…ルテニウム膜、３０…吸収膜、４０…吸収パターン領域、５０…反射率測定領域

Claims (6)

1. 反射型フォトマスクの吸収膜が反射率測定領域を有して、複数の波長を前記反射率測定領域に照射する露光量制御方法であって、
   前記反射率測定領域に照射する複数の波長λにおける露光前の初期反射率Ｒ０（λ）と前記反射型フォトマスクを用いて、露光を繰り返した後の前記反射率測定領域に照射する複数の波長λにおける露光後の反射率Ｒ（λ）との少なくとも２つの波長について取得する反射率取得工程を備えることを特徴とする露光量制御方法。
2. 前記複数の波長における反射率変化量からコンタミネーション膜の膜厚と光学定数を算出し、
   前記コンタミネーション膜の膜厚と前記光学定数に基づいて露光量補正係数を算出することを特徴とする請求項１に記載の露光量制御方法。
3. 露光に使用する前の前記反射率測定領域の初期反射率Ｒ０と露光に使用した後の反射率Ｒとを取得し、
   前記反射率測定領域の反射率の変化量に基づいて、露光量補正係数を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の露光量制御方法。
4. 前記反射率測定領域は、前記吸収膜の一部を除去して、前記露光光を反射する多層膜の表面が露出した領域に、前記多層膜の最表面の膜厚と組成および反射率の中心波長の少なくとも一つを異なる状態とした複数の領域を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の露光量制御方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の露光量制御方法を使用することを特徴とする露光装置。
6. 基板と、
   前記基板上に形成された露光光を反射する多層膜と、
   前記多層膜上に露光光に対する吸収係数の大きい材料で形成された吸収パターン領域と反射率測定領域とを有する吸収膜と、を備え、
   前記反射率測定領域は、前記吸収膜の一部を除去して、前記多層膜の表面が露出した領域に、前記多層膜の最表面の膜厚と組成及び反射率の中心波長の少なくとも一つを異なる状態とした複数の領域を有することを特徴とする反射型フォトマスク。