JP2014191176A - フォトマスクブランクス、フォトマスク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁界（ＥＭＦ）効果の影響を低減してＥＭＦバイアスの値を小さくし、遮光層の厚みを薄くしても露光光に対して高い遮光性を有し、パターン加工性に優れ、ウェハ上のハーフピッチ４０ｎｍ以降のリソグラフィ技術に適したバイナリ型フォトマスクブランクス、フォトマスク及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ＡｒＦエキシマレーザ露光光に用いられ、透明基板上にマスクパターンを形成するための遮光膜を有するフォトマスクブランクスであって、上記遮光膜は、遮光層単層もしくは遮光層上に反射防止層を設けた二層構造からなり、露光光に対する光学濃度が２．８以上、かつ膜厚が５０ｎｍ以下であり、遷移金属を含まない単一の金属材料の膜から構成されていることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体素子の製造に用いられるフォトマスクブランクス、フォトマスク及びその製造方法に関し、特に、高ＮＡ露光装置を使用し、マスクパターンをウェハ上に転写するとき、ウェハ上のパターンのハーフピッチが４０ｎｍ以降のリソグラフィ技術に用いられるバイナリ型のフォトマスクブランクス、フォトマスク及びその製造方法に関する。

半導体素子の高集積化・微細化は、デザインルール４５ｎｍノードから３２ｎｍノードへと進展し、さらに２２ｎｍノード以下の半導体素子の開発が進められている。これらの半導体素子の高集積化・微細化を実現するために、現在、露光波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いた光学式の投影露光装置により、フォトマスクを用いてウェハ上にパターン転写するフォトリソグラフィ技術が行なわれている。フォトリソグラフィ技術においては、露光装置での高解像技術として、投影レンズの開口数（ＮＡ）を大きくした高ＮＡ露光技術、投影レンズと露光対象の間に高屈折率媒体を介在させて露光を行なう液浸露光技術、変形照明搭載露光技術などの開発、実用化が急速に進められている。

そこで解像度を上げるために、超解像技術（ＲＥＴ技術：Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）が近年提案されている。このような超解像技術として、露光光学系の特性に応じてマスクパターンに補助パターンやバイアス（マスク線幅などの補正量）を与えてマスクパターンを最適化する方法、あるいは変形照明法（斜入射照明法とも称する）と呼ばれる方法などがある。変形照明法には、通常、瞳フィルタを用いた輪帯照明、二重極（ダイポール：Ｄｉｐｏｌｅとも称する）の瞳フィルタを用いた二重極照明および四重極（クォードラポール：Ｃ−ｑｕａｄとも称する）の瞳フィルタを用いた四重極照明などが用いられている。

一方、フォトリソグラフィ技術に用いられるフォトマスク（レチクルとも称する）における解像度向上策としては、透明基板上にクロムなどで遮光膜を形成し、光を透過させる部分と遮光する部分でパターンを構成した従来のバイナリ型のフォトマスク（以後、バイナリマスクとも言う）の微細化、高精度化とともに、光の干渉を利用した位相シフト効果により解像度向上を図るレベンソン型位相シフトマスク、光を透過させる部分と半透過させる部分で構成されたハーフトーン型位相シフトマスク、クロムなどの遮光層を設けないクロムレス型位相シフトマスクなどの位相シフトマスクの開発、実用化が進行している。

半導体素子は、フォトマスク（以下、マスクとも称する）を使用したいわゆるリソグラフィ工程を繰り返すことによって製造される。パターニング前のフォトマスク基板はフォトマスクブランクス（以後、ブランクスとも言う）として知られており、バイナリ型フォトマスク（バイナリマスク）ブランクスは透明基板上に、クロム（Ｃｒ）を主成分とする遮光膜からなる構造が代表的である。高精度な半導体素子を実現するために、フォトマスクブランクスは低欠陥で、エッチング制御性を向上させるための膜組成・膜構造、低応力、並びに露光波長に対する低反射率化といった種々の性能が要求される。これらの要求を満たすためにクロムを主成分とするフォトマスクブランクスにおいては、各種の膜組成、層構造、並びに成膜方法が提案・実用化されてきている。

ところで、ウェハ上のパターンのハーフピッチ（ｈｐ）４０ｎｍ以降のリソグラフィに用いられるバイナリマスクにおいては、リソグラフィに用いるＡｒＦ露光光の波長１９３ｎｍよりもフォトマスク上の転写されるマスクパターンの線幅の方が小さくなり、微細パターンを形成するために斜入射照明法や瞳フィルタなどを用いた超解像技術を採用していったことにより、マスクパターン領域の遮光膜パターンの膜厚が厚いと、電磁界（ＥＭＦ：Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｆｉｅｌｄ）効果に起因するマスクパターン線幅の補正量であるバイアス（ＥＭＦバイアスと言う）の値が大きくなるという問題が生じてきている。

ここで、本発明で用いているフォトマスクのＥＭＦバイアスについて、図１３に示すバイナリ型フォトマスクのパターンの断面模式図を例にして説明する。図１３では、透明基板１３１上に単層の遮光層１３３よりなる遮光膜のマスクパターンが示されている。通常、マスクは４倍体のレチクルが用いられるので、マスクパターンのライン部の寸法（ラインＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）と称する）は、目標とするウェハ上の線幅寸法（ターゲットＣＤと称する）の４倍の数値ｘ（ｎｍ）に、補正値であるバイアスｄ（ｎｍ）を加えた値として示される（ｘ＝ターゲットＣＤ×４）。

バイアス（ｄ）＝２×ａ
図１３において、バイアスｄの値が＋の場合はラインＣＤが広がる方向であり、ｄの値が−の場合はラインＣＤが狭くなる方向を意味する。ただし、本発明では、＋の場合には特に＋の表示はしていない。

電磁界（ＥＭＦ）効果に係るＥＭＦバイアスは、ウェハ上のレジストへの転写パターン線幅の重要な寸法（ＣＤ）精度に大きな影響を与える。このため、フォトマスクの作製に際し、電磁界効果のシミュレーションを行い、電磁界（ＥＭＦ）効果による影響を抑制するため、フォトマスクパターンの補正を行う必要がある。このマスクパターンの補正計算は、ＥＭＦバイアスが大きいほど複雑化する。また、補正後のマスクパターンもＥＭＦバイアスが大きいほど複雑化していき、フォトマスク作製に大きな負荷がかかる。例えば、バイアス値が大きくなり、隣接するパターンとの関係でパターン補正できなくなるという問題も生じている。ＥＭＦバイアスの値は、０に近い値ほど補正が小さくてフォトマスク製造が容易になり、マスク製造歩留りが向上することになる。ところが、従来のクロム（Ｃｒ）を主成分とする遮光膜では、電磁界（ＥＭＦ）効果の影響を低減した遮光層厚が薄くて光学濃度の高いマスクパターンを形成するのが困難となっている。

上記の電磁界（ＥＭＦ）効果に起因する課題に対して、マスク材料からの見直しが行われており、近年、クロム系以外のバイナリマスク材料として、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）系材料を用いたバイナリ型フォトマスクブランクス、及びそれを用いたバイナリ型フォトマスクが開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−７８４４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるような上記のモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）系材料を用いたバイナリ型フォトマスクは、マスク洗浄において、あるいはＡｒＦエキシマレーザ露光において、洗浄耐性（耐洗浄性とも言う）や耐光性が十分でなく、マスクパターンの寸法（ＣＤ寸法）変化が生じるという問題があった。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、電磁界（ＥＭＦ）効果の影響を低減してＥＭＦバイアスの値を小さくし、遮光層の厚みを薄くしても露光光に対して高い遮光性を有し、パターン加工性が良く、耐光性、洗浄耐性に優れ、ウェハ上のハーフピッチ４０ｎｍ以降のリソグラフィ技術に適したバイナリ型フォトマスクブランクス、フォトマスク及びその製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１の発明に係るフォトマスクブランクスは、ＡｒＦエキシマレーザ露光光が適用されるバイナリ型フォトマスクを作製するために用いられ、透明基板上にマスクパターンを形成するための遮光膜を有するフォトマスクブランクスであって、前記遮光膜は、遮光層単層もしくは遮光層上に反射防止層を設けた二層構造からなり、前記遮光層は、前記露光光に対する光学濃度が２．８以上、かつ膜厚が５０ｎｍ以下であり、遷移金属を含まない単一の金属材料の膜から構成されていることを特徴とするものである。

本発明の請求項２の発明に係るフォトマスクブランクスは、請求項１に記載のフォトマスクブランクスにおいて、前記遮光層は、フッ素を含むエッチングガスに対して、荷電粒子の照射を受けない状態におけるエッチング速度が０．２ｎｍ／秒以上であることを特徴とするものである。

本発明の請求項３の発明に係るフォトマスクブランクスは、請求項１または請求項２に記載のフォトマスクブランクスにおいて、前記遮光層は、屈折率ｎが１．０以下、かつ消衰係数ｋが２．０以上の単一の金属材料の膜から構成され、前記遮光膜を透過した露光光と前記遮光膜の膜厚と同じ距離だけ空気中を透過した露光光との間での位相差が５０度以下であることを特徴とするものである。

本発明の請求項４の発明に係るフォトマスクブランクスは、請求項１から請求項３までのうちのいずれか１項に記載のフォトマスクブランクスにおいて、前記遮光層は、シリコンの膜から構成されていることを特徴とするものである。

本発明の請求項５の発明に係るフォトマスクブランクスは、請求項１から請求項４までのうちのいずれか１項に記載のフォトマスクブランクスにおいて、前記遮光層は、前記ＡｒＦエキシマレーザ露光光に対する耐光性及び同一洗浄条件における洗浄耐性が、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）を遮光層として用いた場合よりも大きいことを特徴とするものである。

本発明の請求項６の発明に係るフォトマスクブランクスは、請求項１から請求項５までのうちのいずれか１項に記載のフォトマスクブランクスにおいて、前記反射防止層は、金属の酸化物または窒化物または酸窒化物から構成されていることを特徴とするものである。

本発明の請求項７の発明に係るフォトマスクブランクスは、請求項１から請求項６までのうちのいずれか１項に記載のフォトマスクブランクスの前記遮光膜上に、前記遮光膜をエッチングするときのハードマスク層を積層したことを特徴とするものである
本発明の請求項８の発明に係るフォトマスクの製造方法は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のフォトマスクブランクスにおける前記遮光膜を、ドライエッチングによりパターニングするエッチング工程を有することを特徴とするものである。

本発明の請求項９の発明に係るフォトマスクの製造方法は、請求項８に記載のフォトマスクの製造方法において、前記遮光膜上に、前記遮光膜をドライエッチングするときのハードマスク層を積層し、エッチングガスによるサイドエッチングを用いて前記遮光膜のラインパターン寸法を、フォトマスク上で４０ｎｍ以下にすることを特徴とするものである。

本発明の請求項１０の発明に係るフォトマスクは、ＡｒＦエキシマレーザ露光光が適用されるバイナリ型のフォトマスクであって、前記フォトマスクは、透明基板上にマスクパターンを設けた遮光膜を有し、前記遮光膜は、遮光層単層もしくは遮光層上に反射防止層を設けた二層構造からなり、前記遮光層は、前記露光光に対する光学濃度が２．８以上、かつ膜厚が５０ｎｍ以下であり、遷移金属を含まない単一の金属材料の膜から構成されていることを特徴とするものである。

本発明の請求項１１の発明に係るフォトマスクは、請求項１０に記載のフォトマスクにおいて、前記遮光層は、屈折率ｎが１．０以下、かつ消衰係数ｋが２．０以上の単一の金属材料の膜から構成され、前記遮光膜を透過した露光光と前記遮光膜の膜厚と同じ距離だけ空気中を透過した露光光との間での位相差が５０度以下であることを特徴とするものである。

本発明の請求項１２の発明に係るフォトマスクは、請求項１０または請求項１１に記載のフォトマスクにおいて、前記遮光層は、シリコンの膜から構成されていることを特徴とするものである。

本発明の請求項１３の発明に係るフォトマスクは、請求項１０から請求項１２までのうちのいずれか１項に記載のフォトマスクにおいて、前記反射防止層は、金属の酸化物または窒化物または酸窒化物から構成されていることを特徴とするものである。

本発明のフォトマスクブランクスによれば、洗浄耐性、耐光性に優れ、パターニング時のエッチング速度が速く、電磁界（ＥＭＦ）効果の影響が低減され、遮光層の厚みを薄くしても露光光に対して高い遮光性を有し、ウェハ上のハーフピッチ４０ｎｍ以降のリソグラフィ技術に適したバイナリ型フォトマスクブランクスを得ることができる。

本発明のフォトマスクの製造方法によれば、フォトマスクブランクスの遮光膜がパターン加工性に優れ、フッ素を含むエッチングガスに対してエッチング速度が速いので、高精度の微細なパターンを容易に形成したフォトマスクを得ることができる。

本発明のフォトマスクによれば、マスクパターンが５０ｎｍ以下の膜厚であっても高い遮光性を有し、電磁界（ＥＭＦ）効果の影響が低減され、洗浄耐性、耐光性が大きく、ＣＤユニフォーミティに優れた高解像パターンを有するバイナリ型のフォトマスクを得ることが可能となる。

遮光膜がシリコン膜の遮光層単層で構成された本発明のバイナリ型フォトマスクブランクス（図１（ａ））及びそれを用いて製造された本発明のフォトマスク（図１（ｂ））を示す断面模式図である。 遮光層上に遮光層をエッチングするときのハードマスク層を積層した本発明のバイナリ型フォトマスクブランクスを示す断面模式図である。 遮光膜が、遮光層と、該遮光層上に反射防止層を設けた二層構造からなる本発明のバイナリ型フォトマスクブランクス（図３（ａ））及びそれを用いて製造された本発明のフォトマスク（図３（ｂ））を示す断面模式図である。 遮光層と、該遮光層上に反射防止層を設けた二層構造からなる遮光膜上に、遮光膜をエッチングするときのハードマスク層を積層した本発明のバイナリ型フォトマスクブランクスを示す断面模式図である。 本発明において、遮光層の厚みを変えたときのウェハ上のパターンピッチ（ｎｍ）とＥＭＦバイアス（ｎｍ）との関係を示す図である。 本発明のバイナリマスクと従来のバイナリマスクにおいて、ウェハ上のパターンピッチ（ｎｍ）とＥＭＦバイアス（ｎｍ）との関係を示す図である。 本発明のバイナリマスクと従来のバイナリマスクにおいて、ウェハ上のパターンピッチ（ｎｍ）と最大の露光裕度（％）との関係を示す図である。 本発明のバイナリマスクと従来のバイナリマスクにおいて、ウェハ上のパターンピッチ（ｎｍ）とＭＥＥＦとの関係を示す図である。 本発明のバイナリマスクと従来のバイナリマスクの洗浄後のパターンのＣＤ変動量（ｎｍ）を示す図である。 本発明のシリコン膜で構成された遮光層よりなるバイナリ型フォトマスクの各種パターンの上面からのＳＥＭ写真像である。 本発明の一実施形態に係るバイナリマスクブランクス及びバイナリマスクの製造工程を説明する断面模式図である。 本発明においてマスクの転写特性評価に用いた四重極（Ｃ―ｑｕａｄ）の瞳フィルタの平面模式図である。 バイアスを説明するためのバイナリマスクのパターンの断面模式図である。

（フォトマスクブランクス及びフォトマスク）
本発明のフォトマスクブランクスは、ＡｒＦエキシマレーザ露光光が適用されるバイナリ型フォトマスクを作製するために用いられ、透明基板上にマスクパターンを形成するための遮光膜を有し、上記遮光膜は、遮光層単層もしくは遮光層上に反射防止層を設けた二層構造からなり、上記遮光膜は、露光光に対する光学濃度が２．８以上で、かつ膜厚が５０ｎｍ以下であり、遷移金属を含まない単一の金属材料の膜から構成されているブランクスである。

また、本発明のフォトマスクは、ＡｒＦエキシマレーザ露光光が適用されるバイナリ型のフォトマスクであって、透明基板上にマスクパターンを設けた遮光膜を有し、上記遮光膜は、遮光層単層もしくは遮光層上に反射防止層を設けた二層構造からなり、上記遮光層は、露光光に対する光学濃度が２．８以上で、かつ膜厚が５０ｎｍ以下であり、遷移金属を含まない単一の金属材料の膜から構成されているフォトマスクである。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るバイナリ型フォトマスクブランクス、フォトマスク及びその製造方法について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明のフォトマスクブランクスの第１の実施形態の一例として、遮光膜が、遮光層単層よりなるフォトマスクブランクス（図１（ａ））およびそれを用いて製造された本実施形態のフォトマスク（図１（ｂ））を示す断面模式図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態のフォトマスクブランクス１０は、透明基板１１とその上に設けられた遮光膜としての単層の遮光層１２からなり、遮光層１２は、ＡｒＦエキシマレーザの露光光に対する光学濃度が２．８以上であり、かつ膜厚が５０ｎｍ以下で、遷移金属を含まない単一の金属材料の膜から構成されているものである。

本実施形態において、透明基板１１としては、露光光を高透過率で透過する光学研磨された合成石英ガラス、蛍石、フッ化カルシウムなどを用いることができるが、通常、多用されており品質が安定し、短波長の露光光の透過率の高い合成石英ガラスがより好ましい。

本実施形態において、遷移金属を含まない単一の金属材料の膜は、スパッタリング法などの通常の成膜方法で形成することができる。単一の金属材料の膜は、例えば、スパッタリング時に該単一の金属材料のターゲットを用いて成膜することができ、実質的に他の元素を含まない単一の金属材料の膜から構成される。本発明においては、遮光層は、単一の金属材料の膜形成以外に、他の金属の混入、あるいは酸化物や窒化物などの形成は意図しておらず、成膜時に酸素や窒素ガスの導入は行なわない。しかし、成膜された膜の表面などに装置内に残存していた微量の酸素などが意図せずに取り込まれている場合は、実質的に本発明の単一の金属材料よりなる遮光層として含まれるものである。

本実施形態において、遮光層１２は、フッ素を含むエッチングガスに対して、荷電粒子の照射を受けない状態におけるエッチング速度が０．２ｎｍ／秒以上である。遮光層１２はフッ素系ガスを用いたエッチングにおいて、従来のモリブデンシリサイド系のバイナリ型フォトマスクブランクスよりも早いエッチング速度を示し、パターン加工が容易であり、レジストの薄膜化も可能なので、解像力の向上ができる。

本実施形態において、遮光層１２は、屈折率ｎが１．０以下、かつ消衰係数ｋが２．０以上の金属材料の膜から構成されており、より好ましくは、遮光層１２はシリコンの膜から構成されているものである。

本実施形態において、遮光層中に含まない遷移金属としては、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）などが挙げられるが、特に、モリブデン（Ｍｏ）が遮光層中に含まない遷移金属として挙げられる。

上記のように、モリブデンはシリコンとモリブデンシリサイド化合物（ＭｏＳｉ）を形成し、バイナリ型フォトマスクブランクスとして用いられている。しかしながら、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）系材料を用いたバイナリ型フォトマスクは、洗浄耐性や耐光性が十分でなく、マスク洗浄やＡｒＦエキシマレーザ露光において、マスクパターンの寸法（ＣＤ寸法）変化が生じたりする。したがって、本発明のバイナリ型フォトマスクブランクスは、遮光層にモリブデンなどの遷移金属を含まない単一の金属材料の膜から構成されているものであり、より好ましくは遮光層がシリコン膜から構成されるものである。

本発明のバイナリ型フォトマスクブランクスより作製したフォトマスクの特性を調べるため、シミュレーションによりＥＭＦバイアスを従来のバイナリ型フォトマスクと比較して評価し、さらに最大の露光裕度（Ｍａｘ．ＥＬ：Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｌａｔｉｔｕｄｅ）、ＭＥＥＦ（Ｍａｓｋ Ｅｒｒｏｒ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆａｃｔｏｒ：マスク誤差増大因子）についても評価した。

露光裕度（ＥＬ（％））は、ウェハ上のフォトレジスト膜パターンの寸法が許容される限界内に収まるような露光エネルギーの範囲であり、フォトリソグラフィにおける露光量（ドーズ量）の変動に対する裕度を示す値である。すなわち、フォトレジスト膜によるレジストパターンの線幅寸法の変動量が所定の許容範囲内に入るような露光エネルギーの範囲である。露光裕度が大きければ、半導体素子製造のフォトリソグラフィ工程における歩留が向上することになる。

ＭＥＥＦは、下記の数式（１）で表されており、マスク寸法変化量（ΔマスクＣＤ）に対するウェハ上のパターン寸法変化量（ΔウェハＣＤ）の比で示される。ＣＤはマスクやウェハの重要な寸法を示す。数式（１）の数値４はマスクの縮小比であり、一般的な４倍マスクを用いた場合を例示している。数式（１）が示すように、ＭＥＥＦの値は小さい方が、マスクパターンがウェハパターンに忠実に転写されることになり、ＭＥＥＦの値が小さくなればウェハ製造歩留りが向上する。また、その結果として、ウェハ製造に用いるマスク製造歩留りも向上することになる。

ＭＥＥＦ＝ΔウェハＣＤ／ΔマスクＣＤ／４ ・・・ （１）
（シミュレーション条件）
シミュレーションは、下記の条件により行なった。シミュレーション・ソフトウェアとして、ＥＭ−Ｓｕｉｔｅ Ｖｅｒｓｉｏｎ ｖ６．００（商品名：Ｐａｎｏｒａｍｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製）を用い、３次元（３Ｄとも記す）シミュレーション条件としては、シミュレーション・モードには３次元電磁界シミュレーションのＴＥＭＰＥＳＴ（ＥＭ−Ｓｕｉｔｅオプション）によるＦＤＴＤ法（時間領域差分法、有限差分時間領域法とも言う）を用い、グリッドサイズは１ｎｍ（４倍マスクにおいて）とした。２次元（２Ｄとも記す）シミュレーション条件としては、シミュレーション・モードにキルヒホッフ（Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ）法を用いた。
（リソグラフィ条件）
２次元及び３次元シミュレーションにおけるリソグラフィ条件として、露光光源はＡｒＦエキシマレーザで露光波長は１９３ｎｍ、投影レンズの開口数（ＮＡ）は本実施形態では１．３５とした。照明系は瞳フィルタを用いた斜入射光による露光とし、図１２に示す四重極（Ｃ−ｑｕａｄ）の瞳フィルタを用いた四重極照明を設定した。Ｃ−ｑｕａｄの４つの光透過部１２１は、ＸＹ軸上に瞳中心からの開口角が２０度の扇型をなし、縦・横のマスクパターンを高解像で転写し得るように、マスクパターンに対し光透過部１２１が０度、９０度の配置（ＸＹポーラリゼーション）をとり、瞳フィルタの半径を１としたとき、瞳中心からの距離の外径（外σ）を０．９８、内径（内σ）を０．８とした。４つの光透過部１２１以外の箇所は遮光部１２２（斜線部分）としている。

マスクパターンはラインアンドスペースパターンで、ウェハ上に転写したときのスルーピッチ（フルピッチ）は８０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で変えており、ターゲットとするラインＣＤはウェハ上で４０ｎｍとした。

本実施形態のバイナリマスクは、遮光膜が単層の遮光層からなり、遷移金属を含まない単一の金属材料のシリコンの薄膜から構成されているマスクである。

本実施形態において、投影レンズの開口数（ＮＡ）１．３５は、微細な半導体デバイス用のマスクパターン転写に用いられていることにより、一例として用いたものであり、もとより本発明はそれに限定されることはなく、他の開口数のレンズを用いることが可能である。

また、本実施形態の照明系として四重極照明を用いたのは、四重極照明は縦・横のパターンが同時に解像でき、普遍性が高くて一般的なマスクパターン転写に適用できるからである。ただし、四重極照明は実施形態の好ましい一例として用いたものであり、本発明のバイナリ型のフォトマスクにおいては、四重極照明以外の他の変形照明系、例えば、輪帯照明、二重極照明などにおいても同様に露光裕度の改善効果が得られるものである。
（ＥＭＦバイアス）
図５は、本発明のバイナリマスクにおいて、遮光層のシリコン薄膜の厚みを１６ｎｍから８０ｎｍまで変えたときのウェハ上のラインアンドスペースパターンのパターンピッチ（ｎｍ）とＥＭＦバイアス（ｎｍ）との関係を示す。図５には、各膜厚における露光光に対する光学濃度（ＯＤ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）も付記する。

図５に示されるように、遮光層の膜厚３２ｎｍ以下では露光光に対する光学濃度が２．２以下と不足しており、一方、膜厚６０ｎｍでは光学濃度は４．３と高いが、ＥＭＦバイアスの値がマイナス側に大きくなり不適である。図５から、光学濃度２．８以上を確保し、ＥＭＦバイアスの値を適正な範囲にするには、遮光層の膜厚が４０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲が好ましいことが判る。図５には、膜厚５０ｎｍのデータは記載されていないが、膜厚４５ｎｍと６０ｎｍの場合の間にあることは容易に推測される。

図６は、本発明のシリコン薄膜を遮光層とするバイナリマスク（シリコンバイナリマスクとも言う；実線で示す）とモリブデンシリサイド膜を遮光層とする従来のバイナリマスク（ＭｏＳｉバイナリマスクとも言う；破線で示す）において、シミュレーションにより求めたウェハ上のパターンピッチ（ｎｍ）８０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲におけるウェハ上のＥＭＦバイアス（ｎｍ）の値を示す図である。遮光層の膜厚は、いずれも４５ｎｍである。

図６に示されるように、パターンピッチ８０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲におけるＥＭＦバイアスは、パターンピッチが１５０ｎｍを越えた領域では、従来のＭｏＳｉバイナリマスクはバイアス値が増加していき、ピッチ３００ｎｍで３ｎｍと大きな値を示すのに対し、本発明のシリコンバイナリマスクはピッチ３００ｎｍで１ｎｍとＭｏＳｉバイナリマスクの１／３の小さい値にとどまっている。上記のように、シリコンバイナリマスクは、高密度ピッチの広い範囲においてＥＭＦバイアスが小さく、より好ましいマスクであることを示している。
（ＥＬ）
図７は、本発明のシリコン膜を遮光層とするバイナリマスク（シリコンバイナリマスク）とモリブデンシリサイド膜を遮光層とする従来のバイナリマスク（２種類；マスクＡとマスクＢ）（ＭｏＳｉバイナリマスク）において、シミュレーションにより求めたウェハ上のパターンピッチ（ｎｍ）とウェハ上のＣＤが±１０％内に入る最大の露光裕度（Ｍａｘ．ＥＬ（％））との関係を示す図である。遮光層の膜厚は、いずれも４５ｎｍである。

図７に示されるように、パターンピッチ８０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲において、ＭｏＳｉバイナリマスクに比べて、本発明のシリコンバイナリマスクの最大の露光裕度（Ｍａｘ．ＥＬ（％））は同等以上の大きい値を示している。上記のように、シリコンバイナリマスクは、高密度ピッチの広い範囲において露光裕度（ＥＬ（％））の大きい、フォトリソグラフィにより好ましいマスクであることを示している。
（ＭＥＥＦ）
図８は、本発明のシリコン膜を遮光層とするバイナリマスク（シリコンバイナリマスク）とモリブデンシリサイド膜を遮光層とする従来のバイナリマスク（２種類；マスクＡとマスクＢ）（ＭｏＳｉバイナリマスク）において、シミュレーションにより求めたウェハ上のパターンピッチ（ｎｍ）８０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲におけるＭＥＥＦの値を示す図である。遮光層の膜厚は、いずれも４５ｎｍである。

図８に示されるように、パターンピッチ８０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲において、ＭｏＳｉバイナリマスクに比べて、本発明のシリコンバイナリマスクは、ピッチ１２０ｎｍ以下及び１５０ｎｍ〜３００ｎｍの領域において、より小さいＭＥＥＦの値を示している。上記のように、シリコンバイナリマスクは、高密度ピッチの広い範囲においてＭＥＥＦの値が小さく、マスクパターンがウェハパターンに忠実に転写されることになり、ウェハ製造歩留りが向上し、フォトリソグラフィに好適なマスクであることを示している。
（洗浄耐性）
次に、本発明のシリコン膜を遮光層とするバイナリマスク（シリコンバイナリマスク）と、モリブデンシリサイド膜を遮光層とする従来のバイナリマスク（２種類；マスクＡとマスクＢ）（ＭｏＳｉバイナリマスク）とのマスク洗浄における耐性を、薬液を用いた実際のマスク洗浄ラインにより同一の洗浄条件で洗浄し、マスクパターンの寸法変動量により比較した。比較するマスクパターンは３種類とした。

図９は、本発明のマスク（シリコンバイナリマスク）と従来のマスクＡとマスクＢ（いずれもモリブデンシリサイド膜を遮光層とするバイナリマスク）の洗浄後のパターンのＣＤ変動量（ΔＣＤ（Ｗ+）〔ｎｍ〕と記す）を示す。図９において、比較した３種類のマスクパターンのうち、ＩＳは孤立スペースパターン、ＬＳはラインアンドスペースパターン、ＩＬは孤立ラインパターンを示す。図９に示すように、本発明のマスク（シリコンバイナリマスク）は従来のマスク（ＭｏＳｉバイナリマスク）と比較し、洗浄後のパターンのＣＤ変動量が低く抑えられ、洗浄耐性が２倍以上の高い性能を有しているマスクであることが示された。
（そのほかの特性）
図１０は、本発明の単層のシリコン遮光層から構成されるシリコンバイナリマスクの各種パターン（左上から時計回りで順に、孤立ホールパターン；孤立スペースパターン；孤立ラインパターン；ラインアンドスペースパターン）の上面からのＳＥＭ写真像であり、いずれもマスク上で４０ｎｍを目標としたパターンを示す。図１０に各種パターンの寸法計測値が示されるように、本発明のシリコンバイナリマスクは、どのパターンも解像力４０ｎｍ程度を示し、パターン加工特性に優れたマスクであることを示している。
（第２の実施形態）
図２は、本発明のフォトマスクブランクスの第２の実施形態の一例として、透明基板２１上に設けられた遮光膜としての単層の遮光層２２上に、該遮光層２２をエッチングするときのハードマスク層２４を積層したフォトマスクブランクス２０である。図２において、透明基板２１、遮光層２２は、上記の図１における透明基板１１、遮光層１２と同じ材料が用いられるので、説明は省略する。

ハードマスク層２４は、遮光層２２とエッチングの選択比が十分に取れる耐エッチング性を有する必要があるとともに、エッチング完了後には必要に応じて容易に取り除くことができる材料が好ましい。また、マスクパターンの光学検査時の検出感度を上げるために検査用反射防止層を兼ねられれば、後述する反射防止層の成膜とエッチング工程が短縮されて、より好ましい。ハードマスク層２４の材料としては、例えば、酸化タンタル（ＴａＯ）、酸窒化タンタル（ＴａＯＮ）、酸化硼化タンタル（ＴａＯＢ）などの酸素を含むタンタル化合物、あるいはクロム（Ｃｒ）、酸化クロム（ＣｒＯ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、酸窒化クロム（ＣｒＯＮ）などのクロム系材料などが用いられる。ハードマスク層２４の膜厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の範囲が好ましい。

ハードマスク層２４を設けることにより、フォトマスク製造時のレジスト膜厚をより薄くすることが可能となり、微細なマスクパターン形成が容易となる。マスクパターン形成後は、ハードマスク層２４はエッチング除去され、図１（ｂ）と同様のフォトマスクが形成される。したがって、本実施形態のバイナリ型フォトマスクブランクスより作製したフォトマスクは、上記の第１の実施形態で説明したフォトマスクと同じ特性を示す。
（第３の実施形態）
図３（ａ）は、本発明のフォトマスクブランクスの第３の実施形態の一例として、透明基板３１に設けられた遮光層３２上に、ＡｒＦエキシマレーザ露光時における露光光の反射による影響を低減させる反射防止層３６を設けて遮光膜を二層構造としたフォトマスクブランクス３０の一例である。図３（ａ）において、透明基板３１、遮光層３２は、上記の図１における透明基板１１、遮光層１２と同じ材料が用いられるので、説明は省略する。

反射防止層３６は、遮光層３２の光学濃度を維持しながら、露光波長に対して低反射率を示すことにより、コントラストの高いマスク画像をウェハ上に転写することができる。さらに、マスク画像を構成する反射防止層３６を、紫外から可視領域にかけても低反射率とすることにより、検査・計測で使用する可能性のある１９３ｎｍ〜４００ｎｍ程度の波長域での反射率変動が緩やかになり、検査・計測において安定した検査・計測が可能となる。本発明において、反射防止層３６は、金属の酸化物または窒化物または酸窒化物から構成されている。反射防止層３６として、遮光層３２のエッチング時にエッチングされない膜を用いる場合には、例えば遮光層３２にシリコン膜を用いた場合、シリコン膜をエッチングするフッ素系ガスでエッチングされない酸化クロム（ＣｒＯ）や窒化クロム（ＣｒＮ）または酸窒化クロム（ＣｒＯＮ）系材料などを用いることができる。

また、遮光層３２にシリコン膜を用いた場合であっても、反射防止層３６としてシリコンの酸化物（ＳｉＯｘ）または窒化物（ＳｉＮ）または酸窒化物（ＳｉＯＮ）を用いることにより、遮光層３２に続けてガス雰囲気を変えて反射防止層３６を成膜してブランクスを作製し、マスクパターン形成時には、反射防止層３６と遮光層３２を連続してフッ素系ガスでエッチングすることを可能とし、遮光膜の成膜工程とエッチング工程を短縮化することができる。

反射防止層３６の膜厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の範囲が好ましい。

マスクパターン形成後は、図３（ｂ）に示す反射防止層パターン３７を有するフォトマスク３５が形成される。

本実施形態のバイナリ型フォトマスクブランクスより作製したフォトマスクは、遮光層上に反射防止層を設けて遮光膜を二層構造としたマスクパターンを有するマスクであり、遮光膜の光学濃度に寄与する割合の高い遮光層は、上記の第１の実施形態のフォトマスクと同じ遮光層を形成するものであり、本実施形態のフォトマスクは、第１の実施形態で説明したフォトマスクのマスク特性とほぼ同様のマスク特性を示し、かつ反射防止効果を有するものである。
（第４の実施形態）
図４は、本発明のフォトマスクブランクスの第４の実施形態の一例として、透明基板４１上に設けられた遮光膜としての単層の遮光層４２上に、ＡｒＦエキシマレーザ露光時における露光光の反射による影響を低減させる反射防止層４６を設けて遮光膜を二層構造とし、さらに該遮光膜をエッチングするときのハードマスク層４４を積層したフォトマスクブランクス４０の一例である。図４において、透明基板４１、遮光層４２、反射防止層４６及びハードマスク層４４は、上記の図１における透明基板１１、遮光層１２、図３における反射防止層３６及び図２におけるハードマスク層４４と同じ材料が用いられるので、説明は省略する。

本実施形態においては、フォトマスク３５の製造において、上記のように、遮光膜の上に、遮光膜をエッチングするときのハードマスク層４４を積層したフォトマスクブランクスを用いることにより、フォトマスク製造時のレジスト膜厚をより薄くすることが可能となり、微細なマスクパターン形成が容易となる。マスクパターン形成後は、ハードマスク層４４はエッチング除去され、図３（ｂ）と同様のフォトマスクが形成される。したがって、本実施形態のバイナリ型フォトマスクブランクスより作製したフォトマスクは、上記の第３の実施形態で説明したフォトマスクと同じ特性を示す。
（フォトマスクの製造方法）
次に、本発明のフォトマスクの製造方法について、図２に示すフォトマスクブランクスを用いた場合を例にして説明する。図１１は、本発明の一実施形態に係る図２に示すフォトマスクブランクスを用いたフォトマスクの製造工程を説明する断面模式図である。

図１１（ａ）に示すように、透明基板２１上に、スパッタリング法などによりシリコンなどの遷移金属を含まない単一の金属材料をターゲットとして遮光層２２を形成し、次に、遮光層２２上にクロムなどのハードマスク層２４を形成し、フォトマスクブランクス２０を作製する。

次に、図１１（ｂ）に示すように、フォトマスクブランクス２０のハードマスク層２４上に電子線レジストなどを塗布してレジスト層２６を設け、電子線描画装置などのパターン描画装置を用いて所定のマスクパターンを描画し、現像して、図１１（ｃ）に示すように、レジストパターン２６ａを形成する。

次に、図１１（ｄ）に示すように、レジストパターン２６ａをマスクとして、下層のハードマスク層２４をエッチングしてハードマスクパターン２８を形成し、次いで、レジストパターン２６ａを剥離除去した後、ハードマスクパターン２８をマスクにして遮光層２２をドライエッチングし、図１１（ｅ）に示すように、遮光層パターン２３を形成する。

次に、ハードマスクパターン２８をエッチング除去し、図１１（ｆ）に示すように、透明基板２１上に遷移金属を含まない単一の金属材料の膜から構成される遮光層パターン２３を設けたバイナリ型のフォトマスクが得られる。

本発明においては、上記のフォトマスクの製造方法において、遮光層２２上に、該遮光層２２をドライエッチングするときのハードマスク層２４を積層し、ハードマスクパターン２８を形成後、遮光層２２をドライエッチングする際に、エッチングガスによるサイドエッチングを用いて、遮光層２２のスペース寸法が大きくなる、すなわちライン寸法が小さくなる方向に入ることにより、フォトマスク上で４０ｎｍ以下の微小なラインパターンを形成することが可能となる。

以下、実施例によりさらに詳しく説明する。

（実施例１）
光学研磨した６インチ角、０．２５インチ厚の透明な合成石英基板上に、不純物イオンを含まないシリコン結晶をターゲットとし、平行平板型ＤＣマグネトロンスパッタリング装置を用いてＡｒガス雰囲気下でシリコン膜を４５ｎｍ成膜して遮光層としたバイナリ型フォトマスクブランクスを作製した。成膜は露光波長１９３ｎｍの光学濃度（ＯＤ）がほぼ３になるよう膜厚を最適化した。
遮光層シリコンの光学濃度は大塚電子社製ＭＣＰＤ３０００で測定し、光学定数はエリプソメーター（ジェー・エー・ウーラム社製）の測定より得た。また、遮光膜の膜厚は成膜前に基板上にレジスト塗布した部位上の遮光膜を成膜後にレジスト剥膜することにより除去して段差を形成させ、ＡＦＭ装置（エスアイアイ ナノテクノロジー社製）を用いて計測した。

次に、上記のブランクス上に電子線レジストを塗布し、プリベーク後、電子線描画装置にてパターン露光し、レジスト専用の現像液により現像し、所望形状のレジストパターンを形成した。

次に、上記のレジストパターンをマスクとして、ドライエッチング装置によりフッ素系ガスを用いて遮光膜をドライエッチングし、パターニングした。最後にレジストをＯ₂プラズマでアッシングして除去し、単層構造で良好な断面形状の微細なバイナリ型の遮光膜パターンを有するＡｒＦエキシマレーザ用バイナリ型フォトマスク（シリコンマスク）を得た。

上記のシリコンマスクは、露光光における光学濃度が３．１で、ラインアンドスペースのスルーピッチ８０ｎｍ〜３００ｎｍにおけるＥＭＦバイアス及びＭＥＥＦの値が小さく、露光裕度（ＥＬ）の最大値が大きく、ウェハ上に良好な転写パターンを形成できた。また、このシリコンマスクは、高い洗浄耐性、耐光性を示した。
（実施例２）
実施例１と同様にして、露光波長１９３ｎｍ用のブランクスとして、６インチ角の透明な合成石英基板上に、Ａｒガス雰囲気下でスパッタリングによりシリコン膜を４０ｎｍ成膜して遮光層とし、続いて、クロムをスパッタリングして５ｎｍ成膜したバイナリ型フォトマスクブランクスを作製した。クロム膜は、シリコン遮光層をエッチングするときのハードマスク層とするものである。

次に、上記のブランクス上に電子線レジストを塗布し、プリベーク後、電子線描画装置にてパターン露光し、現像し、所望形状のレジストパターンを形成した。

次に、上記のレジストパターンをマスクとして、ドライエッチング装置により塩素と酸素の混合ガスでハードマスク層のクロム膜をエッチングし、次にレジストパターンをＯ₂プラズマでアッシングして除去した後、フッ素系ガスを用いて遮光膜をドライエッチングし、パターニングした。

次に、塩素と酸素の混合ガスでハードマスク層のクロム膜パターンをエッチングして除去し、シリコン膜の単層構造で良好な断面形状の微細なバイナリ型の遮光膜パターンを有するＡｒＦエキシマレーザ用バイナリ型フォトマスクを得た。

このシリコンマスクも実施例１と同様に良好なマスク特性を示した。

１０、２０、３０、４０ フォトマスクブランクス
１１、２１、３１，４１ 透明基板
１２、２２、３２、４２ 遮光層
１３、２３、３３ 遮光層パターン
２４、４４ ハードマスク層
１５、３５ フォトマスク
２６ レジスト層
２６ａ レジストパターン
２８ ハードマスクパターン
３６ 反射防止層
３７ 反射防止層パターン
１２１ 光透過部
１２２ 遮光部
１３１ 透明基板
１３３ 遮光層パターン

Claims (13)

1. ＡｒＦエキシマレーザ露光光が適用されるバイナリ型フォトマスクを作製するために用いられ、透明基板上にマスクパターンを形成するための遮光膜を有するフォトマスクブランクスであって、
   前記遮光膜は、遮光層単層もしくは遮光層上に反射防止層を設けた二層構造からなり、
   前記遮光層は、前記露光光に対する光学濃度が２．８以上、かつ膜厚が５０ｎｍ以下であり、遷移金属を含まない単一の金属材料の膜から構成されていることを特徴とするフォトマスクブランクス。
2. 前記遮光層は、フッ素を含むエッチングガスに対して、荷電粒子の照射を受けない状態におけるエッチング速度が０．２ｎｍ／秒以上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ブランクス。
3. 前記遮光層は、屈折率ｎが１．０以下、かつ消衰係数ｋが２．０以上の単一の金属材料の膜から構成され、
   前記遮光膜を透過した露光光と前記遮光膜の膜厚と同じ距離だけ空気中を透過した露光光との間での位相差が５０度以下であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のフォトマスクブランクス。
4. 前記遮光層は、シリコンの膜から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのうちのいずれか１項に記載のフォトマスクブランクス。
5. 前記遮光層は、前記ＡｒＦエキシマレーザ露光光に対する耐光性及び同一洗浄条件における洗浄耐性が、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）を遮光層として用いた場合よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項４までのうちのいずれか１項に記載のフォトマスクブランクス。
6. 前記反射防止層は、金属の酸化物または窒化物または酸窒化物から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのうちのいずれか１項に記載のフォトマスクブランクス。
7. 請求項１から請求項６までのうちのいずれか１項に記載のフォトマスクブランクスの前記遮光膜上に、前記遮光膜をエッチングするときのハードマスク層を積層したことを特徴とするフォトマスクブランクス。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のフォトマスクブランクスにおける前記遮光膜を、ドライエッチングによりパターニングするエッチング工程を有することを特徴とするフォトマスクの製造方法。
9. 請求項８に記載のフォトマスクの製造方法において、
   前記遮光膜上に、前記遮光膜をドライエッチングするときのハードマスク層を積層し、エッチングガスによるサイドエッチングを用いて前記遮光膜のラインパターン寸法を、フォトマスク上で４０ｎｍ以下にすることを特徴とするフォトマスクの製造方法。
10. ＡｒＦエキシマレーザ露光光が適用されるバイナリ型のフォトマスクであって、
    前記フォトマスクは、透明基板上にマスクパターンを設けた遮光膜を有し、
    前記遮光膜は、遮光層単層もしくは遮光層上に反射防止層を設けた二層構造からなり、
    前記遮光層は、前記露光光に対する光学濃度が２．８以上、かつ膜厚が５０ｎｍ以下であり、遷移金属を含まない単一の金属材料の膜から構成されていることを特徴とするフォトマスク。
11. 前記遮光層は、屈折率ｎが１．０以下、かつ消衰係数ｋが２．０以上の単一の金属材料の膜から構成され、
    前記遮光膜を透過した露光光と前記遮光膜の膜厚と同じ距離だけ空気中を透過した露光光との間での位相差が５０度以下であることを特徴とする請求項１０に記載に記載のフォトマスク。
12. 前記遮光層は、シリコンの膜から構成されていることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のフォトマスク。
13. 前記反射防止層は、金属の酸化物または窒化物または酸窒化物から構成されていることを特徴とする請求項１０から請求項１２までのうちのいずれか１項に記載のフォトマスク。

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