JP2017058703A - マスクブランク、位相シフトマスク及び位相シフトマスクの製造方法、並びに半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】透光性基板1上に、位相シフト膜2を備えているマスクブランク10である。この位相シフト膜2は、少なくとも遷移金属とケイ素を含有する位相シフト層22と、該位相シフト層22へ照射される露光光を減衰させるケイ素層21とを有しており、該ケイ素層21は位相シフト層22の基板側に接して形成されている。このマスクブランク10は、波長200nm以下のレーザー露光光が適用される位相シフトマスクを作製するために用いられる。
【選択図】図1
Description
また、上記特許文献2では、ケイ素と遷移金属の総和における遷移金属の遷移金属の割合が9原子%以下で、かつ、窒化が不十分な不完全窒化物膜を使用した光半透過膜の例が記載されている。この特許文献2では、遷移金属と窒素の結合、遷移金属とケイ素の結合をそれぞれ制御し、露光光照射に伴う遷移金属の酸化を防止し、耐光性を高めようとしている。
本発明者は、繰返し使用によって透過率や位相差変化が生じた位相シフトマスクの光半透過膜パターンを調べた結果、MoSi系膜の表層側にSiとO、若干のMoを含む変質層が出来ており、これが透過率や位相差の変化、線幅の変化(太り)の主な原因のひとつであることが判明した。そして、このような変質層が生じる理由(メカニズム)は次のように考えられる。すなわち、従来のスパッタ成膜されたMoSi系膜(光半透過膜)は構造的には隙間があり、成膜後にアニールしたとしてもMoSi膜の構造の変化が小さいため、フォトマスクの使用過程においてこの隙間にたとえば大気中の酸素(O2)や水(H2O)、酸素(O2)がArFエキシマレーザーと反応することによって発生するオゾン(O3)等が入り込んで、光半透過膜を構成するSiやMoと反応する。つまり、このような環境で光半透過膜を構成するSiとMoは露光光(特にArFなどの短波長光)の照射を受けると励起され遷移状態となり、Siが酸化及び膨張する(SiよりもSiO2の体積が大きいため)と共に、Moも酸化して光半透過膜の表層側に変質層が生成される。そしてフォトマスクの繰返し使用により、露光光の照射を累積して受けると、Siの酸化及び膨張がさらに進行すると共に、酸化されたMoは変質層中を拡散し、表面に析出して、例えばMoO3となって昇華し、その結果、変質層の厚みが次第に大きくなる(MoSi膜中での変質層の占める割合が大きくなる)ものと考えられる。このような変質層が発生し、さらに拡大していく現象は、光半透過膜を構成するSiやMoの酸化反応のきっかけとなるこれらの構成原子が励起され遷移状態となるのに必要なエネルギーを有するArFエキシマレーザー等の短波長の露光光の場合に顕著に確認される。
すなわち、上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
波長200nm以下のレーザー露光光が適用される位相シフトマスクを作製するためのマスクブランクであって、透光性基板上に、位相シフト膜を備えており、前記位相シフト膜は、少なくとも遷移金属とケイ素を含有する位相シフト層と、該位相シフト層へ照射される露光光を減衰させるケイ素層とを有しており、前記ケイ素層は前記位相シフト層の前記基板側に接して形成されていることを特徴とするマスクブランク。
前記ケイ素層の膜密度は、2.1g/cm3以上2.5g/cm3以下であることを特徴とする構成1に記載のマスクブランク。
(構成3)
前記ケイ素層の膜厚は、3nm以上20nm以下であることを特徴とする構成1又は2に記載のマスクブランク。
前記ケイ素層の露光光透過率は、30%以上70%以下であることを特徴とする構成1乃至3のいずれかに記載のマスクブランク。
(構成5)
前記位相シフト層は、さらに窒素と酸素のいずれか一方または両方を含有することを特徴とする構成1乃至4のいずれかに記載のマスクブランク。
前記位相シフト層の遷移金属は、モリブデンであることを特徴とする構成1乃至5のいずれかに記載のマスクブランク。
(構成7)
前記位相シフト層の膜厚は、100nm以下であることを特徴とする構成1乃至6のいずれかに記載のマスクブランク。
前記位相シフト膜の前記基板とは反対側の表面に、クロムを主成分とする遮光膜を有することを特徴とする構成1乃至7のいずれかに記載のマスクブランク。
(構成9)
前記遮光膜の前記位相シフト膜とは反対側の表面に、ケイ素を含有するハードマスク膜を有することを特徴とする構成8に記載のマスクブランク。
構成1乃至9のいずれかに記載のマスクブランクにおける前記位相シフト膜をパターニングする工程を含むことを特徴とする位相シフトマスクの製造方法。
(構成11)
波長200nm以下のレーザー露光光が適用される位相シフトマスクであって、透光性基板上に、位相シフト膜パターンを備えており、前記位相シフト膜パターンは、少なくとも遷移金属とケイ素を含有する位相シフト層と、該位相シフト層へ照射される露光光を減衰させるケイ素層とを有しており、前記ケイ素層は前記位相シフト層の前記基板側に接して形成されていることを特徴とする位相シフトマスク。
構成10に記載の位相シフトマスクの製造方法により製造された位相シフトマスク、または構成11に記載の位相シフトマスクを用い、リソグラフィー法により前記位相シフトマスクの転写パターンを半導体基板上にパターン転写する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
したがって、本発明によれば、波長200nm以下の露光光に対する遷移金属シリサイド系位相シフト膜の耐光性に優れ、かつ品質安定性に優れたマスクブランクを得ることができる。
また、この位相シフトマスクを用いたパターン転写により、パターン精度の優れた高品質の半導体装置を製造することができる。
前述のように、本発明者は、変質層の発生、拡大を抑える方策として、MoSi膜などの位相シフト膜へ照射される露光光を減衰させることに着目して鋭意検討した結果、以下の構成を有する本発明によって前記の課題を解決できることを見出したものである。
図1に示されるとおり、本発明に係るマスクブランクの一実施の形態10は、透光性基板1上に、位相シフト膜2を備えた構造を有する。ここで、上記位相シフト膜2は、少なくとも遷移金属とケイ素を含有する位相シフト層22と、該位相シフト層22へ照射される露光光を減衰させるケイ素層21とを有しており、上記ケイ素層21は上記位相シフト層の基板1側に接して形成されている。すなわち、本実施の形態では、透光性基板1上に、ケイ素層21、位相シフト層22がこの順に積層された位相ソフト膜2を有している。
上記位相シフト層22は、少なくとも遷移金属とケイ素を含有する材料で形成されるが、本発明に適用可能な上記位相シフト層22の構成は特に限定される必要はなく、例えば従来から使用されている位相シフト型マスクにおける位相シフト膜の構成を適用することができる。
上記位相シフト層22の好ましい膜厚は、材質によっても異なるが、特に位相シフト機能、光透過率の観点から適宜調整されることが望ましい。また、本発明においては、上記位相シフト膜2が、ケイ素層21と位相シフト層22の積層構造からなるため、ケイ素層21の位相差、光透過率も考慮して、位相シフト膜2全体の位相シフト機能、光透過率の観点からも、上記位相シフト層22の膜厚を調整することが望ましい。通常は、たとえば100nm以下、さらに好ましくは80nm以下の範囲であることが好適である。
上記ケイ素層21が位相シフト層22の基板側、つまり露光光が照射される側に存在することにより、このマスクブランクを用いて作製された位相シフトマスクにおいて、位相シフト層22には減衰した露光光が照射されることになるため、位相シフト層22に含まれる遷移金属が露光光によって励起され難くなり、遷移金属シリサイドを含む位相シフト層22の酸化、変質を効果的に抑制することができる。したがって、波長200nm以下の露光光に対する遷移金属シリサイド系位相シフト膜の耐光性に優れ、かつ品質安定性に優れたマスクブランクを得ることができる。
また、ケイ素層であることにより透光性基板1(例えば合成石英ガラス)とのドライエッチング選択性も確保される。
上記ケイ素層21の露光光透過率は、膜厚によっても異なるが、例えば30%以上70%以下であることが好ましい。この範囲であると、上層の位相シフト層22の露光光透過率を調整しやすくなる。
本発明に係るマスクブランクは、図2に示されるように、透光性基板1上に、上記ケイ素層21と位相シフト層22の積層からなる位相シフト膜2を有し、この位相シフト膜2の上に、さらに遮光膜3とハードマスク膜4を設けた構成のマスクブランク11としてもよい。たとえば、マスク周辺領域に遮光帯を備えたハーフトーン型位相シフトマスクの作製に使用することができる。
上記透光性基板1、ケイ素層21と位相シフト層22の積層からなる位相シフト膜2についてはすでに説明したとおりであるので、ここでは重複した説明は省略する。
上記遮光膜3は、遷移金属シリサイド系材料で形成されている位相シフト層22とのエッチング選択性を確保するため、クロムを含有する材料で形成される。
上記クロムを含有する材料としては、例えばクロム(Cr)単体、あるいはクロムに酸素、窒素、炭素などの元素を添加したクロム化合物(例えばCrN,CrC,CrO,CrON,CrCN,CrOC,CrOCNなど)が挙げられる。
上記遮光膜3の膜厚は特に制約される必要はないが、所定の遮光性を確保する観点から、通常、例えば30nm以上80nm以下の範囲であることが好ましい。なお、遮光膜3は、位相シフト膜2の積層構造での露光光に対する光学濃度(OD)が2.0よりも大きいことが求められ、2.5以上であると好ましく、2.8以上であるとより好ましく、3.0以上であるとさらに好ましい。
なお、ケイ素と酸素を含有する材料で形成されたハードマスク膜4は、有機系材料のレジスト膜との密着性が低い傾向があるため、ハードマスク膜4の表面をHMDS(Hexamethyldisilazane)処理を施し、表面の密着性を向上させることが好ましい。
また、図1〜図3には図示していないが、マスクブランクの表面にレジスト膜を有する形態のものも本発明のマスクブランクに含まれる。
図4及び図5(図4の続き)は、本発明のマスクブランクを用いた位相シフトマスクの製造工程を示すマスクブランク等の断面概略図である。なお、ここでは前述の図2に示す実施形態のマスクブランク11を用いて説明する。
次に、このレジスト膜5に対して、所定のパターンを電子線描画し、描画後、現像することにより、所定のレジストパターン5aを形成する(図4(b)参照)。このレジストパターン5aは最終的な転写パターンとなる位相シフト膜2に形成されるべき所望のデバイスパターンを有する。
最後に、残存するレジストパターン6aを除去することにより、位相シフトマスク(たとえばハーフトーン型位相シフトマスク)20が出来上がる(図5(i)参照)。
本発明によれば、波長200nm以下の露光光に対する遷移金属シリサイド系位相シフト膜の耐光性に優れ、かつ品質安定性に優れた位相シフトマスクを得ることができる。
(構成1A)
透光性基板上に位相シフト膜を備えたマスクブランクであって、
前記位相シフト膜は、ArFエキシマレーザーの露光光を2%以上の透過率で透過させる機能と、前記位相シフト膜を透過した前記露光光に対して前記位相シフト膜の厚さと同じ距離だけ空気中を通過した露光光との間で150度以上180度以下の位相差を生じさせる機能とを有し、
前記位相シフト膜は、透光性基板側からケイ素層と位相シフト層がこの順に積層した構造を含み、
前記位相シフト層は、その表層部分を除きケイ素および窒素からなる材料またはケイ素および窒素からなる材料に酸素を除く非金属元素および半金属元素から選ばれる1以上の元素を含有する材料で形成され、
前記位相シフト層は、前記ケイ素層よりも厚さが厚いことを特徴とするマスクブランク。
前記ケイ素層の膜密度は、2.1g/cm3以上2.5g/cm3以下であることを特徴とする構成1Aに記載のマスクブランク。
(構成3A)
前記位相シフト層の膜密度は、2.5g/cm3よりも大きく3.0g/cm3以下であることを特徴とする構成1A又は2Aに記載のマスクブランク。
前記位相シフト層の厚さは、前記ケイ素層の厚さの5倍以上であることを特徴とする構成1A乃至3Aのいずれかに記載のマスクブランク。
(構成5A)
前記ケイ素層の厚さは、3nm以上12nm未満であることを特徴とする構成1A乃至4Aのいずれかに記載のマスクブランク。
前記位相シフト層の膜厚は、80nm以下であることを特徴とする構成1A乃至5Aのいずれかに記載のマスクブランク。
(構成7A)
前記位相シフト層は、窒素含有量が50原子%よりも大きいことを特徴とする構成1A乃至6Aのいずれかに記載のマスクブランク。
前記位相シフト膜の前記基板とは反対側の表面に、クロムを含有する材料からなる遮光膜を有することを特徴とする構成1A乃至7Aのいずれかに記載のマスクブランク。
(構成9A)
前記遮光膜の前記位相シフト膜とは反対側の表面に、ケイ素を含有する材料からなるハードマスク膜を有することを特徴とする構成8Aに記載のマスクブランク。
構成1A乃至9Aのいずれかに記載のマスクブランクにおける前記位相シフト膜をパターニングする工程を含むことを特徴とする位相シフトマスクの製造方法。
透光性基板上に位相シフト膜パターンを備えた位相シフトマスクであって、
前記位相シフト膜パターンは、ArFエキシマレーザーの露光光を2%以上の透過率で透過させる機能と、前記位相シフト膜パターンを透過した前記露光光に対して前記位相シフト膜の厚さと同じ距離だけ空気中を通過した露光光との間で150度以上180度以下の位相差を生じさせる機能とを有し、
前記位相シフト膜パターンは、透光性基板側からケイ素層と位相シフト層がこの順に積層した構造を含み、
前記位相シフト層は、その表層部分を除きケイ素および窒素からなる材料またはケイ素および窒素からなる材料に酸素を除く非金属元素および半金属元素から選ばれる1以上の元素を含有する材料で形成され、
前記位相シフト層は、前記ケイ素層よりも厚さが厚いことを特徴とする位相シフトマスク。
前記ケイ素層の膜密度は、2.1g/cm3以上2.5g/cm3以下であることを特徴とする構成11Aに記載の位相シフトマスク。
(構成13A)
前記位相シフト層の膜密度は、2.5g/cm3よりも大きく3.0g/cm3以下であることを特徴とする構成11A又は12Aに記載の位相シフトマスク。
前記位相シフト層の厚さは、前記ケイ素層の厚さの5倍以上であることを特徴とする構成11A乃至13Aのいずれかに記載の位相シフトマスク。
(構成15A)
前記ケイ素層の厚さは、3nm以上12nm未満であることを特徴とする構成11A乃至14Aのいずれかに記載の位相シフトマスク。
前記位相シフト層の膜厚は、80nm以下であることを特徴とする構成11A乃至15Aのいずれかに記載の位相シフトマスク。
(構成17A)
前記位相シフト層は、窒素含有量が50原子%よりも大きいことを特徴とする構成11A乃至16Aのいずれかに記載の位相シフトマスク。
前記位相シフト膜パターンの前記基板とは反対側の表面に、クロムを含有する材料からなる遮光膜パターンを有することを特徴とする構成11A乃至17Aのいずれかに記載の位相シフトマスク。
構成10Aに記載の位相シフトマスクの製造方法により製造された位相シフトマスクを用い、リソグラフィー法により前記位相シフトマスクの転写パターンを半導体基板上にパターン転写する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(構成20A)
構成11A乃至18Aのいずれかに記載の位相シフトマスクを用い、リソグラフィー法により前記位相シフトマスクの転写パターンを半導体基板上にパターン転写する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(実施例1)
本実施例は、波長193nmのArFエキシマレーザーを露光光として用いるハーフトーン型位相シフトマスクの製造に使用するマスクブランク及び位相シフトマスクの製造に関する。
本実施例に使用するマスクブランク12は、図3に示すような、透光性基板(ガラス基板)1上に、ケイ素層21と位相シフト層22の積層からなる位相シフト膜2、3層積層構造の遮光膜3、ハードマスク膜4を順に積層した構造のものである。このマスクブランク12は、以下のようにして作製した。
次に、ケイ素層21と位相シフト層22の積層からなる位相シフト膜2を形成した。
まず、枚葉式RFスパッタリング装置内に上記合成石英基板1を設置し、シリコン(Si)ターゲットを用い、アルゴン(Ar)ガス(圧力=5×10−2Pa)をスパッタリングガスとし、RFスパッタリングにより、合成石英基板上に、ケイ素(Si)層21を8nmの厚さで形成した。形成したSi層21の屈折率は0.95、波長193nmの露光光に対する消衰係数は2.70であった。
以上のようにして形成した2層構造の位相シフト膜2は、総膜厚が83nm、波長193nmの露光光に対する位相差が176.3度、透過率が6.08%であった。
以上のようにして本実施例のマスクブランク12を作製した。
まず、上記マスクブランク12の上面にHMDS処理を行い、スピン塗布法によって、電子線描画用の化学増幅型レジスト(富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ社製 PRL009)を塗布し、所定のベーク処理を行って、膜厚80nmのレジスト膜5を形成した(図4(a)参照)。
上記レジストパターン5aを除去した後、上記ハードマスク膜パターン4aをマスクとして、上層3C、中間層3B及び下層3Aの積層膜からなる遮光膜3のドライエッチングを連続して行い、遮光膜パターン3aを形成した(図4(d)参照)。ドライエッチングガスとしてはCl2とO2の混合ガス(Cl2:O2=4:1(流量比))を用いた。
最後に、残存するレジストパターン6aを除去し、ハーフトーン型位相シフトマスク20を作製した(図5(i)参照)。
なお、上記位相シフト膜パターン2aの透過率、位相差はマスクブランク製造時と殆ど変化はなかった。
得られた位相シフトマスク20に対してマスク検査装置によってマスクパターンの検査を行った結果、設計値から許容範囲内で微細パターンが形成されていることが確認された。また、得られた位相シフトマスク20に対して、ArFエキシマレーザーを総照射量30kJ/cm2となるように連続照射した。前述したように、照射量30kJ/cm2(エネルギー密度 約25mJ/cm2)というのは、位相シフトマスクを略100,000回使用したことに相当し、通常の位相シフトマスクの使用頻度で略3カ月使用したことに相当する。
この実施例2のマスクブランクは、位相シフト膜2の位相シフト層22を形成する材料にSiN膜を適用したこと以外については、実施例1のマスクブランクと同様の手順で製造した。
具体的には、枚葉式RFスパッタ装置内に透光性基板1を設置し、ケイ素(Si)ターゲットを用い、アルゴン(Ar)ガスをスパッタリングガスとするRFスパッタリングにより、透光性基板1の表面に接してケイ素層21を8nmの厚さで形成した。続いて、ケイ素(Si)ターゲットを用い、アルゴン(Ar)および窒素(N2)の混合ガスをスパッタリングガスとする反応性スパッタリング(RFスパッタリング)により、ケイ素層21上に、ケイ素および窒素からなる位相シフト層22(SiN膜 Si:N=43原子%:57原子%)を63nmの厚さで形成した。以上の手順により、透光性基板1の表面に接してケイ素層21と位相シフト層22が積層した位相シフト膜2を71nmの厚さで形成した。この位相シフト膜2は、位相シフト層22の厚さがケイ素層21の厚さの7.9倍ある。なお、位相シフト層22の組成は、X線光電子分光法(XPS)による測定によって得られた結果である。
以上の手順により、透光性基板1上に、ケイ素層21とSiNの位相シフト層22とからなる位相シフト膜2、遮光膜3およびハードマスク膜4が積層した構造を備える実施例2のマスクブランク12を製造した。
得られた実施例2の位相シフトマスク20に対してマスク検査装置によってマスクパターンの検査を行った結果、設計値から許容範囲内で微細パターンが形成されていることが確認された。また、得られた位相シフトマスクに対して、ArFエキシマレーザーを総照射量40kJ/cm2となるように間欠照射する照射処理を行った。この照射処理前後における位相シフトパターン2aのCD変化量は1.5nmであった。
上記実施例1に使用したマスクブランクにおいて、ケイ素層の形成を省き、基板1の表面に、MoSiON層を位相シフト膜として形成したこと以外は、実施例1と同様にして遮光膜及びハードマスク膜を形成し、比較例のマスクブランクを作製した。
なお、上記MoSiON膜が形成された透光性基板に対して加熱処理を施した。具体的には、大気中で加熱温度を400℃、加熱時間を2時間の加熱処理を行った。なお、このMoSiON膜は、ArFエキシマレーザーにおいて、透過率は6.11%、位相差は175.6度となっていた。また、TEM(透過型電子顕微鏡)を用いて加熱処理後のMoSiON膜の断面を詳しく観察したところ、MoSiON膜の表層部分に特に変化はなく、被膜のようなものは形成されていなかった。
2 位相シフト膜
21 ケイ素層
22 位相シフト層
3 遮光膜
4 ハードマスク膜
5,6 レジスト膜
10,11,12 マスクブランク
20 位相シフトマスク
Claims (12)
- 波長200nm以下のレーザー露光光が適用される位相シフトマスクを作製するためのマスクブランクであって、
透光性基板上に、位相シフト膜を備えており、
前記位相シフト膜は、少なくとも遷移金属とケイ素を含有する位相シフト層と、該位相シフト層へ照射される露光光を減衰させるケイ素層とを有しており、前記ケイ素層は前記位相シフト層の前記基板側に接して形成されていることを特徴とするマスクブランク。 - 前記ケイ素層の膜密度は、2.1g/cm3以上2.5g/cm3以下であることを特徴とする請求項1に記載のマスクブランク。
- 前記ケイ素層の膜厚は、3nm以上20nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のマスクブランク。
- 前記ケイ素層の露光光透過率は、30%以上70%以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のマスクブランク。
- 前記位相シフト層は、さらに窒素と酸素のいずれか一方または両方を含有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のマスクブランク。
- 前記位相シフト層の遷移金属は、モリブデンであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のマスクブランク。
- 前記位相シフト層の膜厚は、100nm以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のマスクブランク。
- 前記位相シフト膜の前記基板とは反対側の表面に、クロムを主成分とする遮光膜を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のマスクブランク。
- 前記遮光膜の前記位相シフト膜とは反対側の表面に、ケイ素を含有するハードマスク膜を有することを特徴とする請求項8に記載のマスクブランク。
- 請求項1乃至9のいずれかに記載のマスクブランクにおける前記位相シフト膜をパターニングする工程を含むことを特徴とする位相シフトマスクの製造方法。
- 波長200nm以下のレーザー露光光が適用される位相シフトマスクであって、
透光性基板上に、位相シフト膜パターンを備えており、
前記位相シフト膜パターンは、少なくとも遷移金属とケイ素を含有する位相シフト層と、該位相シフト層へ照射される露光光を減衰させるケイ素層とを有しており、前記ケイ素層は前記位相シフト層の前記基板側に接して形成されていることを特徴とする位相シフトマスク。 - 請求項10に記載の位相シフトマスクの製造方法により製造された位相シフトマスク、または請求項11に記載の位相シフトマスクを用い、リソグラフィー法により前記位相シフトマスクの転写パターンを半導体基板上にパターン転写する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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