JP2015052802A - マスクパターン転写方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光してフォトマスクが有するマスクパターンをウェハ上に縮小転写する転写方法において、露光裕度を向上させることができるマスクパターン転写方法を提供する。【解決手段】 透明基板の一主面上に、屈折率が０．２〜３、消衰係数が０〜３の中間層と、透明層から構成される薄膜層を有し、薄膜層上に設けた遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクを用い、フォトマスクに入射した露光光のうち、マスクパターンで反射した露光光が、中間層で再反射し、マスクパターンで反射しなかった露光光と干渉することにより、フォトマスクから出射する露光光の光強度を向上させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子のパターン形成に用いられるフォトリソグラフィ技術に使用され、特に、高ＮＡ露光装置を使用し、フォトマスクのマスクパターンをウェハ上に縮小転写するフォトリソグラフィ技術に用いられるマスクパターン転写方法に関する。

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。

フォトリソグラフィ技術においては、投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）Ｒは、以下の数式（１）に示されるように、露光に用いる光の波長λに比例し、投影光学系のレンズの開口数（ＮＡ）に反比例するため、半導体素子の微細化への要求に伴い、露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進んでいるが、短波長化及び高ＮＡ化だけでこの要求を満足するには限界となっている。ｋ₁はプロセスに依存する定数（プロセス定数、あるいはｋ₁ファクターとも言う。）である。
Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡ ・・・ （１）

そこで解像度を上げるために、定数ｋ₁（ｋ₁＝解像線幅×レンズの開口数／露光波長）の値を小さくすることによって微細化を図る超解像技術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線幅オフセット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呼ぶ。）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（渋谷・レベンソン型とも称する。）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。上記の各種フォトマスクの中で、バイナリマスクは汎用性が高く使い易いマスクであり、微細化、高精度化に対応したマスクとしての開発が進められ、比較的安価なこともあり、現在でも広く使われている。

図１３は、従来のバイナリマスクの製造方法の一例を示す工程断面図である（特許文献１参照。）。従来のバイナリマスクは、図１３（Ｄ）に示すように、透光性基板１３１上に遮光膜１３２でマスクパターンが形成されており、必要に応じてさらに反射防止膜１３３が設けられていた。

特開２００２−２４４２７４号公報

しかしながら、半導体素子のパターン寸法の微細化に伴い、露光波長１９３ｎｍの半導体のフォトリソグラフィにおいては、図１３に示すような従来のバイナリマスクパターンでは露光裕度が足りない状況が生じており、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低下するという問題が生じている。露光裕度（ＥＬ：Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｌａｔｉｔｕｄｅ）は、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り、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。

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、瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光して、フォトマスクが有するマスクパターンをウェハ上に縮小転写する転写方法において、半導体素子のフォトリソグラフィ工程における露光裕度を向上させることができるマスクパターン転写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に係る発明は、瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光して、フォトマスクが有するマスクパターンをウェハ上に縮小転写する転写方法であって、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、露光光の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、ウェハ上に転写される最小のパターン寸法をＲ、定数をｋ₁としたときに、Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡの関係が成り立ち、前記ｋ₁が０．５５以下であり、前記フォトマスクが、前記露光光を透過する透明基板の一主面上にエッチング加工しない薄膜層を２層または２層以上有し、前記薄膜層上に設けた遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクであって、前記薄膜層が、前記透明基板上に設けた中間層と、前記中間層上に設けた前記露光光を透過する透明層とから少なくとも構成され、前記中間層の屈折率が０．２〜３の範囲にあり、前記中間層の消衰係数が０〜３の範囲にあり、 前記フォトマスクに入射した前記露光光のうち、前記マスクパターンで反射した前記露光光が、前記中間層で再反射し、前記マスクパターンで反射しなかった前記露光光と干渉することにより、前記フォトマスクから出射する前記露光光の光強度を向上させたことを特徴とするマスクパターン転写方法である。

また、本発明の請求項２に係る発明は、瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光して、フォトマスクが有するマスクパターンをウェハ上に縮小転写する転写方法であって、
ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、露光光の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、ウェハ上に転写される最小のパターン寸法をＲ、定数をｋ₁としたときに、Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡの関係が成り立ち、前記ｋ₁が０．５５以下であり、前記フォトマスクが、前記露光光を透過する透明基板の一主面上にエッチング加工しない薄膜層を２層または２層以上有し、前記薄膜層上に設けた遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクであって、前記薄膜層が、前記透明基板上に設けた中間層と、前記中間層上に設けた前記露光光を透過する透明層とから少なくとも構成され、前記中間層の屈折率が２．２〜２．５の範囲にあり、前記中間層の消衰係数が０．４〜１．１の範囲にあり、前記フォトマスクに入射した前記露光光のうち、前記マスクパターンで反射した前記露光光が、前記中間層で再反射し、前記マスクパターンで反射しなかった前記露光光と干渉することにより、前記フォトマスクから出射する前記露光光の光強度を向上させたことを特徴とするマスクパターン転写方法である。

また、本発明の請求項３に係る発明は、瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光して、フォトマスクが有するマスクパターンをウェハ上に縮小転写する転写方法であって、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、露光光の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、ウェハ上に転写される最小のパターン寸法をＲ、定数をｋ₁としたときに、Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡの関係が成り立ち、前記ｋ₁が０．５５以下であり、前記フォトマスクが、前記露光光を透過する透明基板の一主面上にエッチング加工しない薄膜層を２層または２層以上有し、前記薄膜層上に設けた遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクであって、前記薄膜層が、前記透明基板上に設けた中間層と、前記中間層上に設けた前記露光光を透過する透明層とから少なくとも構成され、前記フォトマスクに入射した前記露光光のうち、前記マスクパターンで反射しなかった前記露光光に対して、前記マスクパターンで反射し前記中間層で再反射した前記露光光の光路差が、前記透明層内における前記露光光の波長に等しく、前記マスクパターンで反射した前記露光光が、前記中間層で再反射し、前記マスクパターンで反射しなかった前記露光光と干渉することにより、前記フォトマスクから出射する前記露光光の光強度を向上させたことを特徴とするマスクパターン転写方法である。

本発明によれば、半導体素子の微細パターン形成において、フォトマスクに入射する露光光を干渉させることにより露光裕度の向上が図れ、半導体素子のフォトリソグラフィ工程における歩留まり向上が可能となる。

本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクの一例を示すマスクパターンの部分断面図である。 図１に示したバイナリ型のフォトマスクの転写特性向上の説明図である。 本発明のマスクパターン転写方法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。 本発明のマスクパターン転写方法の転写特性評価として、フォトマスクの中間層の屈折率ｎ、消衰係数ｋとＮＩＬＳの増減率との関係を示す図である。 本発明のマスクパターン転写方法の転写特性評価として、フォトマスクの中間層の屈折率ｎ、消衰係数ｋとＭＥＥＦの増減率との関係を示す図である。 本発明のマスクパターン転写方法の転写特性評価として、フォトマスクの中間層の屈折率ｎ、消衰係数ｋと光強度の閾値の増減率との関係を示す図である。 本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクにおいて、中間層の膜厚を固定し、透明層の膜厚を１０〜１００ｎｍまで変えたときのフォトマスクの説明用断面図である。 本発明のマスクパターン転写方法の転写特性評価において、フォトマスクの中間層の膜厚を固定し、透明層の膜厚を１０〜１００ｎｍまで変えたときのＮＩＬＳの増減率を示す図である。 本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクにおいて、透明層の膜厚を固定し、中間層の膜厚を４〜４０ｎｍまで変えたときのフォトマスクの説明図である。 本発明のマスクパターン転写方法の転写特性評価において、フォトマスクの透明層の膜厚を固定し、中間層の膜厚を４〜４０ｎｍまで変えたときのＮＩＬＳの増減率を示す図である。 本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクのプロセス定数ｋ₁を変えたときのＮＩＬＳ値の変化を示す図である。 本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクの製造方法の一例を示す工程断面図である。 従来のバイナリ型のフォトマスクの製造方法を示す工程断面図である。

上記のように、半導体素子の微細化に伴い、半導体製造のフォトリソグラフィにおいて、開口レンズの高ＮＡ化が進み、マスクに入射する照明光の入射角度が大きくなって斜入射光が用いられ、瞳フィルタを用いた変形照明法によるフォトリソグラフィ技術が一般的に用いられるようになっている。

本発明においては、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、変形照明による投影露光に用いられるフォトマスクにおいて、露光裕度（ＥＬ）の影響の度合いを調べるために、ＮＩＬＳ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｉｍａｇｅ Ｌｏｇ−Ｓｌｏｐｅ：正規化画像対数勾配）を指標とし、マスクパターンの転写特性を評価した。好ましいフォトマスク構成については、さらにＭＥＥＦ〔Ｍａｓｋ Ｅｒｒｏｒ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆａｃｔｏｒ：マスク誤差増大因子）、光強度の閾値（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）についても評価した。

ＮＩＬＳは、下記の数式（２）で表される。ＮＩＬＳの値が大きいと、光学像は急峻となりレジストパターンの寸法制御性は向上する。一般的に、ＮＩＬＳは２以上が好ましいが、半導体素子の微細化に伴い、１．０程度以上でも解像するようなレジストプロセスが求められてきている。ここで、Ｉは光強度、ｘは位置を示し、（ｄＩ／ｄｘ）は空間像の勾配、Ｗは所望のパターン寸法、Ｉ_thはＷを与える光強度の閾値（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）である。
ＮＩＬＳ＝（ｄＩ／ｄｘ）／（Ｗ×Ｉ_th） ・・・ （２）

ＮＩＬＳと露光裕度（ＥＬ）は数式（３）の一次関数で関連付けられる。なお、定数ａとｂはレジストプロセスなどによって変わる値である。数式（３）が示すように、ＮＩＬＳの値が大きいほど露光裕度は向上する。
ＥＬ（％）＝ａ・（ＮＩＬＳ−ｂ） ・・・ （３）

ＭＥＥＦは、下記の数式（４）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（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）を示す。数式（４）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（４）が示すように、ＭＥＥＦの値は小さい方（１付近）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 ・・・ （４）

本発明においては、マスクパターンの転写特性を見積もるために、バイナリ型のフォトマスクが効果を示す条件をシミュレーションにより求めた。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、シミュレーション・モードには三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称する。）を用い、グリッドサイズは１ｎｍ（４倍マスクにおいて）とした。

（リソグラフィ条件）
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、純水を用いた液浸露光とした。照明系は変形照明とし、図３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。Ｃｑｕａｄの４つの光透過部は、ＸＹ軸上に瞳中心からの開口角が３０度の扇型（ポーラリゼーションはＸＹ）をなし、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０．８１とした。遮光膜よりなるマスクパターンは１対１のライン＆スペースで、ウェハ上に転写したときのピッチは８０ｎｍ、ターゲットＣＤは４０ｎｍとした。バイナリマスクの遮光膜は、表面低反射膜を設けたクロム（Ｃｒ）２層膜とした。露光光のフォトマスクへの入射角は約１６度とし、透明層は真空製膜した二酸化シリコンとし、屈折率は１．５６３と設定した。

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。

（フォトマスク）
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のフォトマスクについて詳細に説明する。

図１は、本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクの一例を示すマスクパターンの部分断面図である。図１に示すように、露光光を透過する透明基板１１の一主面上にエッチング加工しない薄膜層を２層または２層以上形成し、上記の薄膜層上に露光光に対して実質的に不透明な遮光膜でマスクパターン１４を形成したバイナリ型のフォトマスク１０である。本発明において、露光光に対して実質的に不透明な遮光膜とは、露光波長において、１回の露光により露光光を透過して感光性レジストを感光させない遮光膜パターンを意味するものであり、通常は透過率０．１％以下が望ましいとされている。

上記のエッチング加工しない薄膜層は、透明基板１１上に設けた所定の屈折率と消衰係数とを有する中間層１２と、この中間層１２上に設けた露光光を透過する透明層１３とから少なくとも構成されており、中間層１２は消衰係数や膜厚などにしたがって所定の透過率で露光光を透過する。本発明においては、透明基板１１側からフォトマスク１０に入射した露光光のうち、上記の遮光膜マスクパターン１４の透明層１３側で反射した露光光が、所定の屈折率と消衰係数とを有する中間層１２の表面で再反射し、再反射した露光光がマスクパターン１４で反射しなかった露光光と干渉することにより、フォトマスク１０から出射する露光光の光強度を向上させるものである。本発明における中間層１２と透明層１３の作用効果については後述する。

（透明層の膜厚を変えたときの転写特性）
本発明の転写特性を評価する手順としては、まずフォトマスクの中間層の膜厚を固定し、透明層の膜厚を変えたときの転写特性としてのＮＩＬＳの増減率を評価した。図７は、本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクの転写特性評価において、中間層７２の膜厚ｄ１を２０ｎｍに固定し、透明層７３の膜厚ｄ２を１０〜１００ｎｍまで変えたときのフォトマスク７０の説明図である。

図８は、上記のシミュレーション条件、リソグラフィ条件により、図７に示すフォトマスク７０の転写特性をシミュレーションにより評価した結果である。図８において、中間層７２の膜厚ｄ１は２０ｎｍ、消衰係数ｋは０．５とし、横軸に中間層７２の屈折率ｎ、縦軸に透明層７３の膜厚ｄ２をとり、透明層７３の膜厚ｄ２を０〜１００ｎｍまで変えたときのＮＩＬＳの増減率（％）を示す図である。増減率は、中間層７２、透明層７３が設けられていない透明基板上に表面低反射膜を設けた２層クロムの遮光膜でマスクパターンを形成した従来のバイナリ型のフォトマスクの場合を基準にして比較している。

図８に示されるように、ＮＩＬＳの増減率は透明層７３の膜厚ｄ２に関係しており、透明層７３の膜厚ｄ２が２０ｎｍおよび８０ｎｍの場合において、ＮＩＬＳの増減率は５．０〜１０．０％の増加率となり、図８においては最も高い転写特性の向上が示されている。膜厚２０ｎｍと８０ｎｍとの周期ピッチは６０ｎｍである。真空成膜で形成する透明層の膜厚は薄い方が、製造がより容易であり製造コストが低減できるので、本実施形態においては、透明層の膜厚ｄ２は２０ｎｍが最適であると設定した。

（中間層、透明層の作用効果）
ここで、本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクにおける中間層１２、透明層１３の作用効果について説明する。図２は、図１に示したバイナリ型のフォトマスク１０の転写特性向上の説明図であり、図１と図面寸法は異なるが、同じ部位には同じ符号を用いている。図２（ａ）はマスクパターンの部分断面図であり、図２（ｂ）は、さらに矩形枠で示す図２（ａ）の一部分を拡大した図である。 図２（ｂ）において、フォトマスク１０に約１６度の入射角で斜め入射した露光光のうち、破線で示す露光光１５は透明層１３上に設けられた遮光膜マスクパターン１４で反射し、次いで中間層１２で再反射し、遮光膜マスクパターン１４で反射しなかった直線で示す露光光１６と干渉することにより、光強度を向上させた露光光１７としてフォトマスク１０から出射させることができる。

図８において、透明層の膜厚を変えたときの転写特性向上のＮＩＬＳ増加率の周期ピッチが６０ｎｍであることから、図２において、マスクパターン１４で反射しなかった露光光１６に対して、マスクパターン１４で反射し中間層１２で再反射した露光光１５の光路差は、下記の数式（５）で示される。
光路差＝２×６０ｎｍ／ｃｏｓ（１６°）＝１２４ｎｍ ・・・ （５）

透明層１３を二酸化シリコン（屈折率を１．５６３とする）で形成すると、上記の数式（５）に示された光路差１２４ｎｍは、透明層１３内での露光光の波長１２４ｎｍ（１９３．４ｎｍ／１．５６３）に等しい。したがって、マスクパターン１４で反射し中間層１２で再反射する露光光１５の光路差を透明層１３内における露光光の波長に等しくすることにより、干渉による出射光１７の光強度の向上が最大となる。上記の数式（２）に示されるように、出射光１７の光強度が大きくなることにより、ＮＩＬＳも増加し、マスクパターン転写における露光裕度が向上する。本発明者は、本発明のマスクパターン転写方法における転写特性向上の要因を、上記の干渉による作用効果に基づくものと推察している。

（中間層の膜厚を変えたときの転写特性）
次に、透明層の膜厚を固定し、中間層の膜厚を変えたときの転写特性としてのＮＩＬＳの増減率を評価した。図９は、本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクの転写特性評価において、透明層９３の膜厚ｄ２を上記の最適値２０ｎｍに固定し、中間層９２の膜厚ｄ１を４〜４０ｎｍまで変えたときのフォトマスク９０の説明図である。

図１０は、上記のシミュレーション条件、リソグラフィ条件により、図９に示すフォトマスク９０の転写特性をシミュレーションにより評価した結果である。図１０において、透明層９３の膜厚ｄ２は２０ｎｍ、中間層の消衰係数ｋは０．５とし、横軸に中間層９２の屈折率ｎ、縦軸に中間層９２の膜厚ｄ１をとり、中間層９２の膜厚ｄ１を０〜４０ｎｍまで変えたときのＮＩＬＳの増減率（％）を示す図である。増減率は、中間層９２、透明層９３が設けられていない透明基板上に表面低反射膜を設けた２層クロムの遮光膜でマスクパターンを形成した従来のバイナリ型のフォトマスクの場合を基準にして比較している。

図１０に示されるように、中間層９２の厚みに対する転写特性ＮＩＬＳの周期性は見られず、中間層９２の膜厚ｄ１が１０ｎｍ程度から４０ｎｍの範囲、より好ましくは１２ｎｍから３６ｎｍの範囲において、ＮＩＬＳの増減率は５．０〜１０．０％の増加率となる。一方、所定の屈折率と消衰係数を有する中間層９２の膜厚ｄ１を厚くすると出射光の光強度が減少するために、中間層９２の厚みは薄い方がより好ましい。そこで本実施形態では、中間層の膜厚ｄ１は１２ｎｍが適切であると設定した。

（中間層、透明層の膜厚を最適化したときの転写特性）
上記のように、中間層および透明層の膜厚を最適化して、中間層１２ｎｍ、透明層２０ｎｍに設定した後に、中間層の屈折率ｎと消衰係数ｋと転写特性との関係をシミュレーションにより評価した。

図４は、転写特性としてＮＩＬＳの増減率（％）を示す図である。増減率は、中間層、透明層が設けられていない透明基板上に表面低反射膜を設けた２層クロムの遮光膜でマスクパターンを形成した従来のバイナリ型のフォトマスクの場合を基準にして比較している。

図４に示すように、本発明のフォトマスクは、中間層の屈折率ｎが０．２〜３、消衰係数ｋが０〜３の範囲のすべての領域において、ＮＩＬＳの増減率が従来のフォトマスクに比較して同等以上に増加する。さらに、ＮＩＬＳの増減率が従来のフォトマスクに比較して５％以上増加し転写特性が向上する領域が広く存在する。

図５は、転写特性としてＭＥＥＦの増減率（％）を示す図である。増減率は、上記と同様に中間層、透明層が設けられていない透明基板上に表面低反射膜を設けた２層クロムの遮光膜でマスクパターンを形成した従来のバイナリ型のフォトマスクの場合を基準にして比較している。

図５に示すように、本発明のフォトマスクは、中間層の屈折率ｎが０．２〜３、消衰係数ｋが０〜３の範囲の領域において、ｎ＝１．６〜２．５かつｋ＝０〜０．２５の領域、およびｎ＝２．４〜３かつｋ＝２．４〜３の領域の２箇所を除いて、ＭＥＥＦの増減率が従来のフォトマスクに比較して同等以下に減少する。さらに、ＭＥＥＦの増減率が従来のフォトマスクに比較して−５〜−２５％減となり、転写特性が向上する領域が広く存在する。

図６は、転写特性として光強度の閾値（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）の増減率（％）を示す図である。光強度の増減率は、中間層、透明層が設けられていない透明基板上に表面低反射膜を設けた２層クロムの遮光膜でマスクパターンを形成した従来のバイナリ型のフォトマスクの場合の光強度の増減率を１００％として比較している。光強度の閾値は、閾値が低すぎるとスループットが悪化し、ウェハプロセスへの適用が困難となる。そこで、光強度の閾値の増減率は３０％以上の領域が好ましい。

図６に示すように、本発明のマスクパターン転写方法に用いるフォトマスクは、中間層の屈折率ｎが０．２〜３、消衰係数ｋが０〜３の範囲のすべての領域において、光強度の閾値の増減率が従来のフォトマスクに比較して同等以下に減少する。さらに、より好ましい光強度の閾値の増減率を従来のバイナリ型のフォトマスクの中位の閾値である３０〜６０％の範囲とすると、中間層の屈折率ｎが０．２〜３、消衰係数ｋが０〜３．０の範囲において、中位の光強度の閾値となり転写特性が向上する領域が存在する。

上記のＮＩＬＳ、ＭＥＥＦおよび光強度の閾値の評価結果から明らかなように、透明基板上にエッチング加工しない薄膜層を２層または２層以上形成し、上記の薄膜層上に設けた遮光膜でマスクパターンを形成し、上記薄膜層が、透明基板上に設けた所定の屈折率と消衰係数とを有する中間層と、中間層上に設けた露光光を透過する透明層とから少なくとも構成され、フォトマスクに入射した露光光のうち、上記マスクパターンで反射した露光光が、中間層で再反射し、マスクパターンで反射しなかった露光光と干渉することにより、フォトマスクから出射する露光光の光強度を向上させたことを特徴とする本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクは、従来のバイナリ型のフォトマスクに比較し、ＮＩＬＳが高く、ＭＥＥＦが低く、中位の光強度の閾値を示し、露光裕度を向上させたフォトマスクである。

上記のＮＩＬＳ、ＭＥＥＦおよび光強度の閾値の評価結果から、本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型フォトマスクは、中間層の屈折率ｎが０．２〜３、消衰係数ｋが０〜３の範囲にあるのが好ましい。

さらに、本発明者は上記の屈折率ｎ、消衰係数ｋの範囲において、実際の薄膜材料の屈折率と消衰係数と対比することにより、転写特性としてのＮＩＬＳが高く、ＭＥＥＦが低く、中位の閾値となるバイナリ型フォトマスクのより好ましい形態として、中間層の屈折率ｎが２．２〜２．５、消衰係数ｋが０．４〜１．１の範囲を選定した。

（フォトマスク構成材料）
次に、本発明のマスクパターン転写方法に用いるフォトマスクを構成する材料について説明する。
図１に示すバイナリ型のフォトマスク１０を構成する透明基板１１としては、従来公知の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ている合成石英ガラスがより好ましい。

図１に示すフォトマスク１０を構成する中間層１２は、上記のように、所定の屈折率と消衰係数とを有する薄膜層であり、露光光を所定の透過率で透過し、遮光膜マスクパターンで反射した露光光を再反射する機能を有する。中間層１２はエッチング加工しない。中間層１２としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）などの金属元素の薄膜、あるいは上記金属元素の窒化物、酸化物、または酸化窒化物を主成分とする薄膜、あるいはモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）、窒化モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉＯＮ）などのモリブデンシリサイド化合物の薄膜などが挙げられる。中間層１２における露光光の透過率は高い方が光強度の低下が少ないので、消衰係数ｋは小さい値の薄膜が好ましく、モリブデンシリサイド膜がより好ましい。上記のように、中間層１２の膜厚は１２ｎｍが好ましい。

図１に示す本発明のフォトマスク１０を構成する透明層１３としては、露光光を高透過率で透過する材料で、露光光に対して透明層１３の消衰係数ｋが０〜１．０の範囲にある薄膜が好ましい。例えば、真空製膜した二酸化シリコンあるいはフッ化カルシウム、塗布焼成型の二酸化シリコンなどが挙げられる。透明層１３はエッチング加工しない。透明層１３の屈折率（ｎ）をｎ＝１．５６３とした場合、膜厚を２０ｎｍと薄くして露光光透過率をより高くし高品質の薄膜層を形成するには、真空製膜した二酸化シリコンがより好ましい。たとえば、本発明のバイナリ型フォトマスクの好ましい形態として、透明層１３に二酸化シリコン、透明基板１１に合成石英を用いることにより、中間層１２がＳｉＯ₂にサンドイッチされた構造とすることができ、高品質のフォトマスクを形成することができる。

本発明において、エッチング加工しない薄膜層は２層に限定されず、２層以上の多層にすることも可能である。例えば、中間層を２層以上の薄膜とする構成や、透明層を２層以上の薄膜とする構成にしてもよい。透明層を２層にして、遮光膜側の透明層に耐ドライエッチング性の機能を付与してエッチング停止層を兼ねさせることもできる。また中間層と透明層の双方を２層以上の多層構成にすることも可能である。

図１に示すフォトマスク１０を構成する遮光膜マスクパターン１４としては、従来公知の単層もしくは２層以上の遮光膜をパターン形成することができる。遮光膜としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などから選択された金属元素のいずれか１種を主成分とする薄膜、あるいは上記金属元素の窒化物、酸化物、または酸化窒化物のいずれかを主成分とする薄膜、あるいはモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）薄膜などが挙げられる。上記の遮光膜マスクパターン１４の膜厚は、３０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の範囲で用いられ、遮光膜表面に反射防止膜を積層した２層膜とすることもできる。

（フォトマスクの適用領域）
次に、本発明のマスクパターン転写方法に用いるフォトマスクが適するフォトリソグラフィ領域を、下記の数式（１）のプロセス定数ｋ₁を指標として、ｋ₁の値を変化させたときのＮＩＬＳの値をシミュレーションにより求めた。ここで、Ｒは投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）、λは
露光波長、ＮＡはレンズの開口数である。
Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡ ・・・ （１）

シミュレーション条件は、上記と同様であり、露光光源はＡｒＦエキシマレーザで露光波長λは１９３ｎｍ、ＮＡは１．３５とし、純水を用いた液浸露光とした。照明系は、図３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つの光透過部は、ＸＹ軸上に瞳中心からの開口角が３０度の扇型（ポーラリゼーションはＸＹ）をなし、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０．８１とした。遮光膜よりなるマスクパターンは１対１のライン＆スペースで、ウェハ上に転写したときのピッチは８０ｎｍ、ターゲットＣＤは４０ｎｍとした。バイナリマスクの遮光膜は、表面低反射膜を設けたクロム（Ｃｒ）２層膜とした。露光光のフォトマスクへの入射角は約１６度とし、中間層は膜厚２０ｎｍのモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）膜とした。中間層のＭｏＳｉ膜の屈折率ｎは２．４、消衰係数ｋは０．５とした。透明層は真空製膜した二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）とし、屈折率は１．５６３と設定した。

図１１は、シミュレーションにより求めた本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクのプロセス定数ｋ₁（ｋ₁ファクター：factor）を０．２８〜０．９まで変えたときのＮＩＬＳ値の変化を示す図である。図１１（ａ）は全体図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の矩形で囲んだ部分の拡大図である。図１１において、実線で示すＮＩＬＳ（ｓａｎｄ）が、本発明の透明層ＳｉＯ₂膜と透明基板（合成石英；ＳｉＯ₂）に挟まれたサンドイッチ構造の中間層を有するフォトマスクのＮＩＬＳ値であり、破線で示すＮＩＬＳ（Ｒｅｆ）が、比較とする透明層と中間層を有しない従来のフォトマスクのＮＩＬＳ値である。

図１１（ｂ）に示されるように、本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクは、ｋ１≦０．５５の領域において、従来のバイナリ型のフォトマスクよりも高いＮＩＬＳ値を示す。したがって、本発明のマスクパターン転写方法に用いるバイナリ型のフォトマスクは、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、露光光の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、ウェハ上に転写される最小のパターン寸法をＲ、定数をｋ₁としたときに、Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡの関係が成り立ち、上記ｋ₁が０．５５以下であり、瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光するフォトリソグラフィ技術に用いられるマスクである。

（フォトマスクの製造方法）
次に、本発明のマスクパターン転写方法に用いるフォトマスクの製造方法について図面を用いて説明する。

このフォトマスクの製造方法は、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、変形照明による投影露光に用いられるフォトマスクの製造方法であり、上記のフォトマスクは、露光光を透過する透明基板の一主面上にエッチング加工しない薄膜層を２層または２層以上形成し、上記薄膜層上に設けた露光光に対して実質的に不透明な遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクである。

図１２は、本発明のマスクパターン転写方法に用いるフォトマスクの製造方法の一例を示す工程断面図である。先ず、図１２（ａ）に示すように、透明基板１１上に所定の屈折率と消衰係数とを有する中間層１２を真空成膜で形成し、この中間層１２上に、フォトマスクに入射した露光光のうち、遮光膜よりなるマスクパターンで反射した露光光が、上記の中間層１２で再反射し、遮光膜マスクパターンで反射しなかった露光光と干渉することにより、フォトマスクから出射する露光光の光強度が向上するような膜厚で透明層１３を真空成膜で形成し、上記の透明層１３上に遮光膜１４ａを真空成膜で形成したフォトマスクブランクスを準備する。

中間層１２は、上記のフォトマスク構成材料で説明した材料が用いられ、膜厚は１０ｎｍ程度から４０ｎｍの範囲、より好ましくは１２ｎｍ〜３６ｎｍの範囲で用いられるが、光強度の減少を抑制するために、１２ｎｍと薄い方がさらに好ましい。

次に、図１２（ｂ）に示すように、上記のフォトマスクブランクスの遮光膜１４ａ上に、電子線レジスト１８ａを塗布する。

次に、図１２（ｃ）に示すように、上記電子線レジスト１８ａを電子線描画装置でパターン描画して、上記遮光膜１４ａ上に、被転写体に対する転写パターンとなる遮光膜によるマスクパターンを形成するためのレジストパターン１８を形成する。

次に、レジストパターン１８をマスクにして、遮光膜１４ａをドライエッチングし、図１２（ｄ）に示すように、遮光膜のマスクパターン１４を形成した後、レジストパターン１８を酸素プラズマなどで除去し、図１２（ｅ）に示すように、バイナリ型のフォトマスク１０を形成する。

上記の遮光膜１４ａのドライエッチングに際し、クロム（Ｃｒ）系の材料からなる遮光膜のドライエッチングには、塩素と酸素との混合系のガスが用いられ、酸素を含むタンタル化合物、あるいは酸窒化シリコンからなる遮光膜のドライエッチングには、フッ素系ガス、例えば、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃などのガスを用いたプラズマでドライエッチングできる。

遮光膜のパターンエッチングにおいて、透明層１３が二酸化シリコンで形成されている場合には、遮光膜のエッチングにフッ素系ガスを用いると、二酸化シリコンもエッチングされてしまうので、遮光膜は塩素と酸素との混合系のガスでエッチングされるクロム（Ｃｒ）系の材料とする。あるいは上記のように、二酸化シリコンの透明層の上に露光光の透過率が高いフッ素系ガスに耐性のあるエッチング停止層を設け、透明層を保護することも可能である。この場合、エッチング停止層としてクロム系の材料からなる薄膜層を用いることができる。

次に、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

光学研磨された大きさ６インチ角（厚さ０．２５インチ）の合成石英基板の一方の主面上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、ＭｏＳｉのターゲットを用いてＡｒガス雰囲気下で、ＭｏＳｉ膜を２０ｎｍ成膜し中間層とした。エリプソメータ（ジェー・エー・ウーラム社製ＶＵＶ−ＶＡＳＥ）の測定より得た中間層ＭｏＳｉ膜の屈折率ｎは２．４、消衰係数ｋは０．５であった。

次に、中間層としたＭｏＳｉ膜上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、ＳｉＯ₂のターゲットを用いて、ＳｉＯ₂膜を１２ｎｍの厚さに成膜し、透明層とした。透明層ＳｉＯ₂膜の屈折率ｎは１．５６３であった。

次に、透明層としたＳｉＯ₂膜上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ｃｒターゲットを用いて、遮光膜としてクロム膜を５０ｎｍの厚さに成膜し、続いてクロム酸化膜を２０ｎｍ成膜して表面低反射層とし、２層構成の遮光膜としたマスクブランクスを形成した。

次に、このマスクブランクスを用い、遮光膜上に電子線レジストを塗布し、電子線描画装置でパターン描画し、現像して、ウェハ上に転写されたときにハーフピッチ４０ｎｍのライン／スペースパターンとなるレジストパターンを形成した。

次に、レジストパターンをマスクにして、クロム遮光膜を塩素と酸素の混合ガスを用いてエッチングし、遮光膜パターンを形成し、次いで、レジストパターンを酸素プラズマで除去して、バイナリ型のフォトマスクを形成した。

次に、上記のバイナリ型のフォトマスクを用いてフォトレジストを塗布したシリコンウェハに、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、投影レンズの口径ＮＡが１．３５で、図２に示した四重極瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光し、現像し、ウェハ上にピッチ８０ｎｍ（ハーフピッチ４０ｎｍ）、ターゲットＣＤ４０ｎｍのレジストパターンを形成した。本実施例のフォトリソグラフィ技術におけるプロセス定数ｋ₁は、上記の数式（１）より算出すると、ｋ₁＝０．２８である。

本実施例のバイナリ型のフォトマスクを用いることにより、従来の透明基板上に表面低反射層を有する遮光膜クロムを用いたバイナリ型のフォトマスクによる転写露光に比べ、露光時の露光裕度を示すＮＩＬＳは１０％向上し、ウェハのフォトリソグラフィ工程の歩留が高められた。

１０、７０、９０ フォトマスク
１１、７１、９１ 透明基板
１２、７２、９２ 中間層
１３、７３、９３ 透明層
１４ａ 遮光膜
１４、７４、９４ 遮光膜マスクパターン
１５ マスクパターンで反射した露光光
１６ マスクパターンで反射しなかった露光光
１７ 出射光
１８ａ レジスト
１８ レジストパターン
１３１ 透光性基板
１３２ 遮光膜
１３３ 反射防止膜
１３４ レジスト膜

Claims (3)

1. 瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光して、フォトマスクが有するマスクパターンをウェハ上に縮小転写する転写方法であって、
   ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、露光光の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、ウェハ上に転写される最小のパターン寸法をＲ、定数をｋ₁としたときに、
   Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡ
   の関係が成り立ち、前記ｋ₁が０．５５以下であり、
   前記フォトマスクが、前記露光光を透過する透明基板の一主面上にエッチング加工しない薄膜層を２層または２層以上有し、前記薄膜層上に設けた遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクであって、
   前記薄膜層が、前記透明基板上に設けた中間層と、前記中間層上に設けた前記露光光を透過する透明層とから少なくとも構成され、
   前記中間層の屈折率が０．２〜３の範囲にあり、前記中間層の消衰係数が０〜３の範囲にあり、
   前記フォトマスクに入射した前記露光光のうち、前記マスクパターンで反射した前記露光光が、前記中間層で再反射し、前記マスクパターンで反射しなかった前記露光光と干渉することにより、前記フォトマスクから出射する前記露光光の光強度を向上させたことを特徴とするマスクパターン転写方法。
2. 瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光して、フォトマスクが有するマスクパターンをウェハ上に縮小転写する転写方法であって、
   ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、露光光の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、ウェハ上に転写される最小のパターン寸法をＲ、定数をｋ₁としたときに、
   Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡ
   の関係が成り立ち、前記ｋ₁が０．５５以下であり、
   前記フォトマスクが、前記露光光を透過する透明基板の一主面上にエッチング加工しない薄膜層を２層または２層以上有し、前記薄膜層上に設けた遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクであって、
   前記薄膜層が、前記透明基板上に設けた中間層と、前記中間層上に設けた前記露光光を透過する透明層とから少なくとも構成され、
   前記中間層の屈折率が２．２〜２．５の範囲にあり、前記中間層の消衰係数が０．４〜１．１の範囲にあり、
   前記フォトマスクに入射した前記露光光のうち、前記マスクパターンで反射した前記露光光が、前記中間層で再反射し、前記マスクパターンで反射しなかった前記露光光と干渉することにより、前記フォトマスクから出射する前記露光光の光強度を向上させたことを特徴とするマスクパターン転写方法。
3. 瞳フィルタを用いた変形照明により液浸露光して、フォトマスクが有するマスクパターンをウェハ上に縮小転写する転写方法であって、
   ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、露光光の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、ウェハ上に転写される最小のパターン寸法をＲ、定数をｋ₁としたときに、
   Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡ
   の関係が成り立ち、前記ｋ₁が０．５５以下であり、
   前記フォトマスクが、前記露光光を透過する透明基板の一主面上にエッチング加工しない薄膜層を２層または２層以上有し、前記薄膜層上に設けた遮光膜でマスクパターンを形成したバイナリ型のフォトマスクであって、
   前記薄膜層が、前記透明基板上に設けた中間層と、前記中間層上に設けた前記露光光を透過する透明層とから少なくとも構成され、
   前記フォトマスクに入射した前記露光光のうち、前記マスクパターンで反射しなかった前記露光光に対して、前記マスクパターンで反射し前記中間層で再反射した前記露光光の光路差が、前記透明層内における前記露光光の波長に等しく、
   前記マスクパターンで反射した前記露光光が、前記中間層で再反射し、前記マスクパターンで反射しなかった前記露光光と干渉することにより、前記フォトマスクから出射する前記露光光の光強度を向上させたことを特徴とするマスクパターン転写方法。

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