JP3273986B2

JP3273986B2 - 光露光用マスク板及びその製造方法

Info

Publication number: JP3273986B2
Application number: JP3870593A
Authority: JP
Inventors: 隆史福島; 悛公高木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 2002-04-15
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JPH06250381A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置等の製造に
利用される光露光用マスク板及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体分野に於いて、集積度が増すに従
って、加工技術が微細化している。ミクロン・オーダー
の微細なパターンを形成するために、半導体基板上に塗
布された感光性樹脂（レジスト）にマスク・パターンを
縮小転写（１／５倍等）する光露光技術が使用されてい
る。現在量産がなされている１Ｍｂｉｔ（メガビット）
ＤＲＡＭ（ダイナミック・ラム）や４ＭｂｉｔＤＲＡＭ
における最少線幅はそれぞれ１．２μｍ、０．８μｍが
採用されている。これらを生産する光露光装置（ステッ
パ）は大部分がｇ線と呼ばれる超高圧水銀ランプから発
する４３６nmの輝線を用いており、一部でｉ線と呼ばれ
る同ランプから発する３６５nmの輝線の利用が始まって
いる。

【０００３】将来量産が予定されている６４ＭｂｉｔＤ
ＲＡＭ、及び２５６ＭｂｉｔＤＲＡＭでは、要求されて
いる最少線幅はそれぞれ０．３μｍ、０．２μｍであ
る。これらの半導体装置を量産するためにはより解像度
の高い光露光技術の開発が求められている。露光光の短
波長化により解像度の向上を図るためｇ線に代えてｉ
線、更に２４８nmのクリプトン・フッ素（ＫｒＦ）エキ
シマーレーザーの利用が検討されている。

【０００４】これらの露光装置では石英等の透明基板上
に通常金属薄膜で形成された不透明パターンを配置した
マスクに裏面より光を照射し、マスクを透過した光束を
投影レンズを介して縮小して基板上に結像している。基
板上での光像のコントラストはパターンサイズが波長に
近づくにつれ、パターン端での光の回折により悪くな
り、レンズの開口数（ＮＡ）と波長によって決まる限界
解像度より遙かに悪い解像度しか実現できていない。最
近マスク上のパターン構造を改良し光像のコントラスト
を高め、実用解像度を飛躍的に改良する次の３つの位相
シフト法が提案されている。

【０００５】上記位相シフト法は、位相シフトマスクが
使用される。第１の例を図５に示す。１１は露光波長に
対して透明な石英基板であり、１２は露光光を遮るクロ
ム薄膜である。１３は露光光に対して透明な薄膜（位相
シフト膜）であり、その膜厚Ｔｓは屈折率ｎと露光波長
λと次の関係にある。Ｔｓ＝λ／｛２・（ｎ−１）｝（１）この条件は薄膜１３を透過した露光光の位相がちょうど
半波長だけずれる様に設定されている。開口部１４、１
５は通常マスクの開口部に対応しており、開口部１５が
位相シフト膜１３を伴って配置されている。

【０００６】本位相シフトマスクでは開口部１４を透過
した光と開口部１５を透過した光の位相が１８０度異な
るため、開口部１４から回折した光波と開口部１５から
回折した光波が打ち消し合い、投影面では開口部１４、
１５それぞれの光の染みだしが抑制され、投映像のコン
トラストが改善される。次に第２の例を図６を用いて示
す。

【０００７】図６において２１は露光波長に対して透明
な石英基板であり、２２は露光光を遮るクロム薄膜であ
る。２３は位相シフト膜となるレジスト膜であり、その
膜厚は（１）式の関係を満たしている。本マスクの作製
工程では電子ビーム描画装置で図示しないレジストで開
口部２４を形成した後、クロム膜２２をエッチングし、
開口部２４でのクロム膜を除去した後、位相シフト膜で
あるレジスト２３を塗布し、透明基板２１側から遠紫外
線によりクロム膜２２をマスクとして露光することによ
り位相シフト膜２３に開口部２４を形成する。その後、
位相シフト膜２３下のクロム膜をエッチングすることで
クロム膜２２の開口部は２４より大きくなり、クロム膜
の周辺部にはレジスト膜が覆いかぶさった領域２５が形
成される。

【０００８】領域２５を透過した光と領域２４を透過し
た光の位相は１８０度異なり、投影像において両者が重
なる場合には互いに打ち消し合うため、領域２４から周
辺部への光の染みだしは抑制される。従って、結像面で
の光の強度分布は非常にシャープとなり、実用解像度を
向上する事ができる。第３の例を図７を用いて示す。

【０００９】図７において、３１は露光波長に対して透
明な石英基板であり、３３は位相シフト膜となる透明膜
であり、その膜厚は（１）式の関係を満たしている。本
マスクの作成工程では位相シフト膜３３の上に図示しな
いレジストを塗布し電子ビーム描画装置で所望のパター
ンを描画した後、通常の方法による現像によりレジスト
パターン３６を得る（図７ａ）。このようにして得られ
たレジストパターン３６をマスクとして位相シフト膜３
３を加工する（図７ｂ）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の位相シフト
法の第１の方法は、位相シフトマスクがレジストに投影
されるパターンのコントラストを改善するため、実用解
像度は大幅に向上する。しかし図５のごときマスクを製
造するためには電子ビーム描画装置によりクロムパター
ンを形成するための第１のレジスト像を描画した後、位
相シフト膜を規定するための第２のレジスト像を形成し
なければならない。長時間を要する電子ビーム描画を２
度行う必要がある上に第１のパターンに第２のパターン
を高精度に重ね合わせる必要があり、マスク作製は技術
的に難度が増すと同時にコストが高くなってしまうとい
う問題がある。

【００１１】第２の方法は、電子ビーム露光装置の描画
回数は増えないが、マスク作製工程は繁雑である。ま
た、位相シフト膜として残されたレジスト膜は脆い材料
であるため、マスク上のゴミを除去するための洗浄を実
施することが困難であり、実用的な方法ではない。

【００１２】第３の方法は、位相シフト膜３３を透過し
た光と透明基板を透過した光の位相は１８０°異なり、
レジスト面上での光強度は位相シフト部と透明基板の境
界部分に暗部が生じる。特に位相シフト膜３３の幅を制
御することによりマスク透過後の光の位相及びレジスト
面上での光強度をそれぞれに従来の不透明な遮光膜を利
用したマスクと同等の効果が得られる。このようなシフ
ター遮光方式位相シフトマスクを、レジストｉ線ステッ
パによる露光に用いると投影メモリ面上０．２０μｍ
（マスク面上１．０μｍ）幅の位相シフト膜を用いると
シフターが遮光部として作用する。今、０．５５μｍピ
ッチのライン＆スペースパターンの解像を考えると隣合
うシフターの間隔がレジスト面上に換算して０．３５μ
ｍとなり、光源波長の３６５nmと同程度となり、０．６
μｍピッチのライン＆スペースパターンは従来マスクと
同様に解像がほとんど不可能であることが判る。

【００１３】また、同様にＫｒＦエキシマレーザを光源
とするステッパによる露光に用いると、投影面上０．１
５μｍ（マスク面上０．７５μｍ）幅のシフターを用い
るとシフターが遮光部として作用する。今、０．４μｍ
ピッチのライン＆スペースの解像を考えると隣合うシフ
ターの間隔が投影面上に換算して０．２５μｍとなり、
光源波長の２４８nmと同程度となり、０．４μｍピッチ
のライン＆スペースパターンは従来マスクと同様に解像
がほとんど不可能であることが判る。従って本マスク
は、作成方法は簡便ではあるが解像力の向上は約１０％
〜２０％程度で十分でないという問題がある。

【００１４】この発明は、上記問題を解決するためにな
されたものであって、作製方法が容易で耐久性があり解
像力の高い光露光用マスク板及びその製造方法を提供し
ようとするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、可視
光または紫外光に対して透明な基板内に、底部に高低差
が３〜１０ｎｍである微細な凹凸を有する溝を設けて前
記光に対して半透明な領域を形成し、かつこの半透明な
領域と残る透明な領域との透過光に対する位相差を実質
的に１８０°にした光露光用マスク板が提供される。

【００１６】上記透明な基板は、例えばＳｉＯ₂系化合
物等から作成することができる。ＳｉＯ₂系化合物とし
ては、例えばガラス、石英等がある。上記半透明な領域
は、非露光領域を形成するためものであって、露光光の
実質的な光透過率が透明な領域の光透過率に対して１０
〜９０％である。この光透過率は、露光光の入射面に形
成される極微細な凹凸によって入射光（露光光）が散乱
する結果達成される。

【００１７】この凹凸は、凸部の数が通常１０００〜５
０００ヶ／mm²であり凹凸の高低差が通常３〜１０ｎｍ
である。上記透明な領域は、露光領域を形成するための
ものであって、露光光の入射面が平滑である。上記半透
明な領域と透明な領域とをそれぞれ通過する光は、解像
度を高めるために、それぞれの領域の境界付近で回折光
が互いに干渉して消去しあうのがよく、位相差が実質的
に１８０°であるのがよい。

【００１８】位相差が実質的に１８０°となるために
は、半透明な領域と透明な領域とが、入射光（露光光）
の入射方向に式（１）ｍλ／｛２・（ｎ−１）｝（１）（ただしｍは正の奇数、λは露光光の波長、ｎは基板の
屈折率である）に相当する距離の光路差を有するのがよ
い。

【００１９】この発明の光露光用マスク板は、例えば次
のようにして製造することができる。すなわち、表面に
レジストパターンが形成されたＳｉＯ₂系の基板に、Ｃ
ＨＦ ₃またはＣＦ₄とＨ₂の混合気体からなる第１のエ
ッチングガスを用いてエッチングしおよそ式（Ｉ）ｍλ／｛２（ｎ−１）｝（Ｉ）（ただしｍは正の奇数、λは光の波長、ｎは基板の屈折
率である）の距離に相当する深さの溝を予備形成し、こ
の後に第１のエッチングガスに０．５〜１０ｖｏｌ％の
炭化水素ガスを混合した第２のエッチングガスを用いて
再びエッチングして式（Ｉ）に相当する深さで底面に光
を反射する微細な凹凸を形成して溝を完成させ光露光用
マスク板を製造する。

【００２０】上記第１のエッチングガスは、基板に溝を
予備形成するためのものであって、ＣＨＦ₃又はＣＦ₄
とＨ₂の混合ガスが用いられる。このガスに少量のＯ₂
を混合することもできる。予備形成された溝は、底面が
平滑であり深さがおよそ式（Ｉ）ｍλ＝｛２（ｎ−１）｝（１）（ただしｍは正の奇数、λは光の波長、ｎは基板の屈折
率である）の距離に相当するが、具体的には式（Ｉ）の
距離に相当するよりも通常１０〜５０nm浅く設定され
る。

【００２１】上記第２のエッチングガスは、溝の底面に
光反射性の凹凸を形成して溝を完成するためのものであ
って、第１のエッチングガスに０．５〜１０ｖｏｌ％、
好ましくは１〜２ｖｏｌ％の炭化水素ガスを混合して作
製される。炭化水素ガスは、例えばメタン、エタン等を
用いることができる。混合する炭化水素の量は、１０ｖ
ｏｌ％以上では凹凸が大きく不均一となるので好ましく
ない０．５ｖｏｌ％未満では凹凸が小さく光透過率を十
分に下げることができないので好ましくない。

【００２２】このエッチングは、通常１０〜５０nmの深
さだけ行なわれ、溝の深さを式（Ｉ）の距離に相当する
ようにして溝を完成する。得られた光露光用マスク板
は、投影露光装置に配置し、例えば表面に感光性材料が
形成されたウェハ等にこのマスク板を透過した光が露光
されるようにして用いられる。

【００２３】

【作用】本発明により得られる光露光用マスクの作用を
図１を用いて説明する。図１（ａ）は、透明基板及び位
相シフト領域の境界付近を拡大した模式図で１は基板の
溝以外の領域、２は溝の領域（位相シフト領域）、３は
溝の深さ、４は微細な凹凸である。

【００２４】位相シフト領域の深さ３は式（Ｉ）に従い
表１に示すように露光光の波長及び透明基板の屈折率に
よって最適値が存在し、これは溝以外の透明領域と光反
射性の凹凸を有する溝の半透明領域を通過する光の位相
が１８０°異なる条件であるが実際には、実質的な位相
差が１８０°であればよいから、位相シフト領域の深さ
３は下記の表１に示す深さの奇数倍であってもかまわな
い。

【００２５】

【表１】このマスクの位相シフト領域２を通った光は微細な凹凸
４により散乱され、結果として位相シフト領域２の透過
率は、溝以外の透明基板領域１と比較すると小さくな
る。このようにマスクを通過した光の振幅分布は、図１
（ｂ）に示すように溝以外の透明領域１と通過した光の
位相が正であるのに対し、位相シフト領域２を通過した
光の位相は反転し負の符号となる。この光をレンズを通
し試料基板上に投影すると、図１（ｃ）に示すように、
溝以外の透明基板領域１と位相シフト領域２の境界で位
相反転しているため、その直下で光強度がほぼ０とな
る。そのため光強度分布の広がりが押さえられ、コント
ラストの高い微細なパターンが形成できる。

【００２６】

【実施例】

実施例１本発明の実施例を図２にしたがって説明する。石英製の
基板１の上に電子ビーム用レジストを塗布し、電子ビー
ム描画装置により所望のパターンを描画し、現像後レジ
ストパターン６を得る（図２ａ）。

【００２７】続いて、レジストパターン６をマスクとし
て、通常の反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）により
位相シフト領域３を形成する（図２ｂ）。さらに、エッ
チング条件を炭化水素系ガスを添加した条件に変えてエ
ッチングし位相シフト領域３の底部に極微細な凹凸４を
形成する（図２ｃ）。このようにして形成した位相シフ
ト領域３の深さは、先の（Ｉ）式より露光光の波長によ
り先の表１に示す値となるようにエッチング時間により
調整する。

【００２８】なお、第１のエッチング深さは、第２のエ
ッチング深さが１０nmから５０nmになるように調整す
る。その後レジストを除去し、光露光用マスク板９を完
成する（図２ｄ）。本実施例では、電子ビーム用レジス
トを用い、電子ビーム描画によりパターンを形成したが
フォトレジストを用い、光露光法によりパターンを形成
しても同様の結果を得ることが可能である。

【００２９】表１に示す位相シフト領域の深さは、本実
施例に示す方法では、レジストパターン６及び基板のエ
ッチングにより形成した位相シフト領域３の端部を垂直
に近い角度にて形成することが好ましい。

【００３０】実施例２本発明の第２の実施例を図３にしたがって説明する。石
英製のマスク基板１の上に厚さ１００nm程度の金属薄膜
７を堆積し、さらにその上に電子ビーム用レジスト８を
塗布する（図３ａ）。電子ビーム描画装置により所望の
パターンを描画し、現像後レジストパターン８’を得る
（図３ｂ）

【００３１】続いて、レジストパターン７をマスクとし
て、通常の反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）あるい
は液相エッチング法により金属薄膜７をエッチングしパ
ターンを形成する（図３ｃ）。続いて、レジストパター
ン８’及び金属薄膜パターン７’をマスクとしてＲＩＥ
により位相シフト領域３を形成する。さらに、エッチン
グ条件を変えて位相シフト領域３の底部に極微細な凹凸
４を形成する（図３ｄ）。このようにして形成した位相
シフト領域３の深さは、表１に示す値となるようにエッ
チング時間により調整する。その後、レジスト及び金属
薄膜を剥離して所望の光露光用マスク板を得る（図３
ｅ）。

【００３２】なお、第１のエッチング深さ及び第２のエ
ッチング深さの関係及び実質的な位相シフト領域の深さ
は、実施例１と同様である。本実施例にしたがってＫｒ
Ｆエキシマレーザ（光源波長＝２４８nm）ステッパ用の
光露光用マスク板の製造工程では、石英製基板上に金属
薄膜として厚さ１００nmのＣｒ膜を堆積し、パターン形
成用レジストとしては５００nmのポジ型レジストを用い
た。本実施例ではレジスト及び金属薄膜をマスクとした
位相シフト領域の形成はＲＩＥ法で行った。これらのプ
ロセス技術はＩＣ製造工程において公知の技術である。

【００３３】以上の材料及び工程で作成された光露光用
マスクを用いた場合のレジスト面上での０．２μｍライ
ンアンドスペースパターンの光強度分布の計算結果を図
４に示す。透明性位相シフトマスクを用いた場合より半
透明位相シフトを用いた場合にコントラストが向上する
ことが伺える。実際にこのマスクを用いてＮＡ＝０．４
５のＫｒＦエキシマレーザステッパで露光量の最適化を
行った上で露光テストを行った。従来のマスクでは０．
２５μｍのラインアンドスペースの解像が限界であった
のに本マスクでは０．２μｍのラインアンドスペースを
解像することができ１０％以上の解像度向上を確認し
た。

【００３４】本実施例の作成工程としては上記材料、手
法以外に多様な材料、手法を用いることができる。位相
シフト領域を形成するためのマスク材料としては、本実
施例で使用したＣｒの他にＡｌ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｕ等の金
属、Ａｌ−Ｓｉ，Ｗ−Ｓｉ等の合金すなわち、透明性基
板とエッチングの選択比が実現可能な材料であればいず
れも利用できる。

【００３５】また、位相シフト領域の深さを表１に従っ
て決定することで露光光源の波長が代わっても対応する
ことが可能である。例えば上記の実施例に従いｉ線（３
６５nm）ステッパでは位相シフト領域の深さを３９７nm
に設定することで同様の結果が得られている。

【００３６】

【発明の効果】この発明によれば、微細なパターンを高
い解像度で転写することができ、作製が容易で耐久性に
富む光露光用マスク板及びその製造方法を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の作用の説明図である。

【図２】この発明の実施例で作製した光露光用マスク板
の製造工程説明図である。

【図３】この発明の実施例で作製した光露光用マスク板
の製造工程説明図である。

【図４】この発明の光露光用マスク板を用いて光露光し
たときの試料基板上の相対光強度の説明図である。

【図５】従来の光露光用マスク板の説明図である。

【図６】従来の光露光用マスク板の説明図である。

【図７】従来の光露光用マスク板の説明図である。

【符号の説明】

１石英製の基板３位相シフト領域４微細な凹凸６レジストパターン７金属薄膜８レジスト層９光露光用マスク板

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】可視光または紫外光に対して透明な基板
内に、底部に高低差が３〜１０ｎｍである微細な凹凸を
有する溝を設けて前記光に対して半透明な領域を形成
し、かつこの半透明な領域と残る透明な領域との透過光
に対する位相差を実質的に１８０°にしたことを特徴と
する光露光用マスク板。
【請求項２】半透明な領域が、透明な領域に対して１
０〜９０％の光透過率である請求項１の光露光用マスク
板。
【請求項３】微細な凹凸において、凸部の数が１００
０〜５０００ヶ／ｍｍ²である請求項１の光露光用マス
ク板。
【請求項４】表面にレジストパターンが形成されたＳ
ｉＯ₂系の基板に、ＣＨＦ₃またはＣＦ₄とＨ₂の混合
気体からなる第１のエッチングガスを用いてエッチング
し、およそ式（Ｉ）ｍλ／｛２（ｎ−１）｝（Ｉ）（ただしｍは正の奇数、λは光の波長、ｎは基板の屈折
率である）の距離に相当する深さの溝を予備形成し、この後に第１
のエッチングガスに０．５〜１０ｖｏｌ％の炭化水素ガ
スを混合した第２のエッチングガスを用いて再びエッチ
ングして式（Ｉ）に相当する深さで底面に光を反射する
微細な凹凸を形成して溝を完成させ光露光用マスク板を
製造することを特徴とする光露光用マスク板の製造方
法。
【請求項５】ＳｉＯ₂系の基板が、金属薄膜を堆積し
たＳｉＯ₂系の基板上にレジストパターンを形成し、前
記レジストパターンをマスクとして金属薄膜をエッチン
グしてパターンを形成することで、レジストパターン及
び金属薄膜パターンをマスクとする請求項４に記載の光
露光用マスク板の製造方法。