JP3292909B2

JP3292909B2 - パタン位置歪の算出方法

Info

Publication number: JP3292909B2
Application number: JP2660496A
Authority: JP
Inventors: 政利小田; 真吾内山; 維人松田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2002-06-17
Anticipated expiration: 2016-02-14
Also published as: JPH09218032A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、Ｘ線を用いて半
導体やガラス材料などからなる基板上に集積回路パタン
を形成するＸ線露光における、Ｘ線マスクのパタン位置
歪の算出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路では、大容量化や高性能
化を達成するために、使用されるパタンの幅は微細化の
一途をたどっており、近年では０．３〜０．４μｍ幅の
パタンが用いられている。これまで一般に用いられてき
たパタン形成方法は、紫外線露光方法と呼ばれるもの
で、集積回路製造で広く用いられ高い実績を上げてい
る。しかし、この手法では、パタン幅が露光光源として
用いる紫外線の波長（約０．３５μｍ）以下になると、
回折現象が大きくなり、パタン形成が著しく困難になっ
てしまう。そこで、エキシマレーザなどの遠紫外光を露
光光源として用いる研究もなされているが、この手法で
も０．２μｍ以下のパタン形成は困難なものとされてい
る。

【０００３】そこで、波長０．５〜１．５ｎｍの軟Ｘ線
を用いるＸ線露光技術が注目されている。Ｘ線は波長が
短いことから回折現象も小さく、これを露光光源として
用いれば、０．１μｍ以下のパタンでも容易に転写する
ことができる。近年、小型ＳＯＲ（Synchrotron Orbita
l Radiation ：シンクロトロン軌道放射）装置の開発に
より、強力なＸ線源がある程度容易に入手できる見通し
が得られたことから、Ｘ線露光技術はにわかに脚光を浴
びている。

【０００４】Ｘ線露光技術の最大の問題は、マスクの製
造にある。紫外線露光では、マスクに用いるガラス基板
が充分に厚く（約６ｍｍ）できるので歪が生じにくい。
また、遮光パタンは、０．１μｍ以下の厚さのクロムな
どの金属膜で構成できる。そして、通常では、転写する
パタンを縮小投影露光系を介して１／５程度に縮小して
転写するようにしている。従って、紫外線露光では、マ
スクパタンの精度は大きな問題とならなかった。

【０００５】しかし、Ｘ線露光の場合、効果的なレンズ
はないので、マスクパタンは等倍で基板に転写される。
転写時に発生する精度低下を考慮すると、Ｘ線マスクの
パタンは、転写パタンに要求される精度より高精度に形
成しなければならない。ところが、Ｘ線マスクの構造を
みると、マスクの吸収体は０．５〜１μｍ近くの厚さで
ないとＸ線を充分に遮光できない。一方、Ｘ線マスクの
基板は、１〜２μｍの薄さでないとＸ線を充分に透過し
ない。

【０００６】このため、紫外線露光用のマスクパタン
（遮光パタン）より、数倍厚い吸収体を寸法精度良く加
工する技術が必要である。また、吸収体や基板に内部応
力が存在すると、このように薄いマスク基板は容易に変
形し、正確な位置にパタンを形成することができないの
で、このことに関する対策も必要である。

【０００７】以下、一般的なＸ線マスクの製造に関して
図７を用いて説明する。まず、シリコンからなるウエハ
１１の表面と裏面にマスク基板となるＸ線透過膜１２を
堆積形成し、続いてその表面に形成したＸ線透過膜１２
の上に吸収体となる金属膜１３を形成する。そして、金
属膜１３上にこのエッチングマスクとなる酸化膜１４を
形成する（図７（ａ））。次に、この酸化膜１４上に電
子ビーム露光によるリソグラフィ技術で所望のパタン形
状のレジストパタン１５を形成し（図７（ｂ））、これ
をマスクとして酸化膜１４をエッチングして酸化膜マス
ク１４ａを形成する。

【０００８】次いで、レジストパタン１５を除去した
後、その酸化膜マスク１４ａをマスクとして金属膜１３
をエッチングして吸収体パタン１３ａを形成する（図７
（ｃ））。次に、裏面よりウエハ１１をエッチングして
くり貫き（図７（ｄ））、これを補強フレーム１６に固
定する（図７（ｅ））。この裏面よりウエハ１１をエッ
チングしてくり貫く工程は、レジストパタン１５を形成
する前におこなうようにしても良い。

【０００９】以上のようにして製造されるＸ線マスクの
吸収体パタンの寸法精度は、電子ビーム露光技術とドラ
イエッチング技術の発展により次第に向上しており、
０．１μｍ以下のパタンを高精度に加工できるようにな
ってきた。しかし、形成したパタンの位置精度について
は、応力制御技術の開発が精力的に行われているにもか
かわらず、大きな精度向上の進展がなされていない。最
近、そのパタンの位置精度を改善する一つの有力な方法
が提案された。これは、一度通常の方法でＸ線マスクを
作製し、生じた位置ずれを測定し、次にＸ線マスクを作
製するときに、この位置ずれが相殺できるだけ位置をず
らしてパタンを形成する方法である。

【００１０】実際、この方法を用いると、従来発生して
いた０．１μｍの位置ずれを０．０６μｍ以下に抑制す
ることができる。しかし、この方法では、２回以上のマ
スク作製をおこなう必要があるので、最終的なマスクを
作製するまでに、長時間を要するという問題があった。
そして、この方法においても、位置ずれを０．０５μｍ
以下にするのは困難であった。それは、吸収体およびマ
スク基板の応力がマスク毎にばらついているため、発生
する位置ずれがマスク毎に異なるためである。

【００１１】そこで、マスク基板のみの応力および吸収
体堆積後の応力を測定し、これらの応力によりパタンの
位置ずれをシミュレートし、その結果を考慮することが
できれば上述した問題は解消され、高いパタン位置精度
のマスクを短期間で作製することができる。ここで、パ
タン位置ずれを正確にシミュレーションする方法が大き
な問題となる。もしこの方法が開発されれば、Ｘ線マス
クの精度が大きく改善され、Ｘ線リソグラフィの実用化
が急速に進展する可能性がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、吸収体やマ
スク基板の平均的な応力以外に、極めて微小な応力の不
均一があり、これがＸ線マスクのパタン位置精度に大き
な影響を生じることが知られている。吸収体膜の面内の
２点間に応力勾配があると、これが形成されているマス
ク基板は変形する。実際、マスク基板や吸収体の薄膜
を、スパッタ法，ＣＶＤ法で堆積すると、応力は堆積面
内で不均一となり、この応力分布に従ってマスクが変形
する。しかし、応力が不均一であっても、その分布を正
確に測定することができ、かつ吸収体がパタン形成され
ていない平坦な膜であるとき、このマスク基板の変形は
力の釣り合いの微分方程式を解くことで容易に求めるこ
とができる。

【００１３】しかし、実際のＸ線マスクでは、吸収体が
所定の形状にエッチング加工され、その結果、応力を持
つ膜が部分的に除去される。エッチングされた部分が少
ない、すなわち、パタン密度が小さい領域では、吸収体
を堆積した状態での応力分布がそのまま保持される。し
かし、エッチングされた部分が多い、すなわち、パタン
密度が大きい領域では、エッチングしてパタン形成され
たことによって応力分布が大きく変化する。以下、パタ
ン密度とは、吸収体に所定のパタンが形成されること
で、吸収体が除去された部分の面積和の全面積に占める
割合を示すこととする。

【００１４】以上のことにより、パタン形成された吸収
体を持つマスクは、パタン密度に応じてパタンの位置ず
れ量が異なる。パタンの位置ずれをシミュレーションす
るときは、この影響を考慮に入れなければならない。し
かし、集積回路のパタンは非常に複雑であり、個々のパ
タンの形状をすべて考慮したシミュレーションは不可能
であり、このことがシミュレーションの大きな障害とな
っていた。

【００１５】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、より簡単に、パタンの位
置ずれをシミュレートできるようにすることを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明のパタン位置歪
の算出方法は、吸収体に形成されるパタンの密度分布に
対応して吸収体の膜厚が分布しているものとしてパタン
の変位状態を算出するようにした。変位状態の算出にお
いては、吸収体の有る無いといった境界が存在しない。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。まず、この発明の概略について説明
する。この発明は、パタン密度により発生するマスクの
変形を算出するものであり、個々のパタンで発生する変
形を積み重ねるのではなく、吸収体にはパタンが形成さ
れていないと想定し、パタン密度に応じて吸収体の膜厚
が変化しているとして、マスクの変形を算出するように
したものである。

【００１８】吸収体にパタンを形成したときに、その領
域では、吸収体の応力とその膜としての剛性が変化す
る。図１は、Ｘ線マスクの構成を示す断面図であり、１
はＸ線を透過するマスク基板、２はパタン形成されＸ線
を吸収する吸収体、３はマスク基板１を支持するシリコ
ンウエハである。厚さｔの吸収体２が残された領域ａで
は、吸収体２の応力をσとするとｔ×σの力がマスク基
板に作用する。しかし、吸収体２がエッチングされた領
域ｂには、マスク基板１に作用する力はない。

【００１９】領域ａと領域ｂの外側の点Ｘ，Ｙからこの
領域をみると、領域ｂがないときにはｔ×σの力が全体
に作用しているが、領域ｂがあるときにはその大きさに
反比例して、マスク基板１に加わるｔ×σの力が減少し
たように見える。一方、膜としての剛性についても、領
域ａでは吸収体２とマスク基板１の２層膜として剛性を
持っているが、領域ｂではマスク基板１のみでの剛性し
かない。このため、Ｘ，Ｙ点からみると、領域ｂが大き
くなればなるほど剛性が減少したように見える。

【００２０】領域ｂが形成されたときの応力と剛性の変
化をＸ，Ｙ点からみると、図２に示すように、領域ａと
領域ｂ全域では、吸収体２の厚さが均一に減少した吸収
体２ａがあるものと等価であると考えられる。そして、
このときの膜厚の減少率は、領域ａと領域ｂとを含めた
全域において、領域ｂが占める比率に等しいと近似でき
る。

【００２１】例えば、マスク基板１上のある領域内にお
いて、吸収体２がエッチング除去されることで形成され
た抜きパタン面積が、その領域全面積の３０％に当たる
場合、領域全部の吸収体膜厚が３０％減少したと考える
ことができる。図１では、ＸＹ間で領域ｂが１カ所であ
るが、領域ａと領域ｂとが任意の比率で繰り返されてい
る場合でも、領域ｂの合計が全体に占める比率，すなわ
ちパタン密度に対応するだけ、吸収体２の膜厚が均一に
薄くなったと考えることができる。

【００２２】ところで、図１において、ＸＹ間の領域に
おけるパタン歪を、従来通りに計算するときには、領域
ａと領域ｂの境界毎に境界条件の式を用いながら、釣り
合いの微分方程式を解く必要がある。このため、領域ａ
と領域ｂが非常に小さく、数多く繰り返されている場合
には、解を得るために非常に多くの手間がかかり困難を
極める。従って、集積回路パタンのように微細で複雑な
場合には、境界条件を用いる方法は非現実的である。

【００２３】しかし、その歪を計算する領域内で、抜き
パタンがあって境界があるのではなく、全体に膜厚が均
一に減少していると考えれば、境界条件の式を用いるこ
とが無く、非常に簡単に釣り合いの微分方程式を解くこ
とができる。この方法を用いると、どのように複雑なパ
タンであっても、パタン密度さえ明らかになればその密
度に対応して膜厚が変化したものとして取り扱うことが
できる。

【００２４】以下、この発明のパタン位置歪の算出方法
について、より詳細に説明する。ここでは、簡単なパタ
ンで構成された２０×２０ｍｍのチップが、３０×３０
ｍｍのＸ線透過領域（有効領域）を持つＸ線マスクに関
して説明する。２０×２０ｍｍの領域は、図１，２にお
いてＸＹ間の領域に相当する。この２０×２０ｍｍのチ
ップには、図３の平面図に示すような、マスク基板３１
上に０．５ｍｍ角の抜きパタン３２が、１ｍｍおきにマ
トリクス状に複数形成されている。抜きパタン３２は、
吸収体がなくＸ線が透過する部分である。なお、３３
は、やはり１ｍｍおきに配置された位置測定用の十字マ
ークである。この十字マーク３３は、設計上は正方配置
する４つの抜きパタン３２の中心に位置しているもので
ある。

【００２５】このＸ線マスクは、マスク基板３１とし
て、シリコンウエハ（図示せず）上に気相成長法により
形成したＳｉＮを用いた。この膜厚は２μｍとした。こ
のとき、高精度そり測定器により、ＳｉＮ膜が形成され
たシリコンウエハのそりを測定したところ、このＳｉＮ
膜の応力は、ウエハ面内でほぼ均一であり、６．８×１
０⁸ｄｙｎ／ｃｍ²であることが判った。そして、このマ
スク基板３１上に、抜きパタン３２を形成するための吸
収体膜として０．６５μｍの膜厚のＴａ膜をＲＦスパッ
タにより堆積した。このＴａ膜形成直後のそりを上述と
同様にして測定して、Ｔａ膜の応力分布を求めた。

【００２６】また、このＴａ膜には、この上にＥＣＲプ
ラズマＣＶＤにより堆積形成したシリコン酸化膜に形成
したパタンをマスクとしたエッチング処理により、パタ
ン形成した。シリコン酸化膜のパタン形成は、以下に示
すようにしておこなう。まず、このシリコン酸化膜上に
電子線レジストを塗布し、これに電子ビームで所望のパ
タンを描画し、これを現像することでレジストパタンを
形成する。そして、このレジストパタンをマスクとし
て、シリコン酸化膜を選択的にエッチング除去する。こ
のエッチングは反応性イオンエッチングによりおこなっ
た。また、図３には示していないが、表面にマスク基板
３１を形成したシリコンウエハは、裏面より濃度３０％
の水酸化カリウム溶液によるエッチングをおこない、図
１，２に示すように、有効領域に対応する部分を開放し
た。

【００２７】以上のことにより、図３に示すＸ線マスク
が作製されるが、まず、この形成した抜きパタン３２に
ついて、その密度を求める。これは、上述した電子ビー
ム露光の際に用いた描画データを用いて、パタン密度を
求めるようにすればよい。この実施の形態の場合は、抜
きパタン３２がマスク基板３１の有効領域に対して２５
％を占めている。この実施の形態の場合は、このように
電子ビームの描画データを用いるまでもなく、図３から
も容易にパタン密度が求められるが、実際の集積回路パ
タンは複雑であり、電子ビーム描画データよりパタン密
度を求めることとなる。

【００２８】そして、以下の式に示す差分法により、抜
きパタン３２の代表位置座標（ｘ，ｙ）がマスク歪によ
りどれだけ移動するかの移動量を示す変位（ｕ，ｖ）
を、各パタンそれぞれについて計算した。

【００２９】（∂²ｕ／∂ｘ²＋∂²ｕ／∂ｙ²）＋（１＋
ν）／（１−ν）×∂／∂ｘ（∂ｕ／∂ｘ＋∂ｖ／∂
ｙ）−１／（１−ν）×∂／∂ｘ（ｐ／Ｇ）＝０（∂²ｖ／∂ｘ²＋∂²ｖ／∂ｙ²）＋（１＋ν）／（１−
ν）×∂／∂ｙ（∂ｕ／∂ｘ＋∂ｖ／∂ｙ）−１／（１
−ν）×∂／∂ｙ（ｐ／Ｇ）＝０Ｇ＝（Ｅ₁ｔ₁＋Ｅ₂ｔ₂）／（ｔ₁＋ｔ₂）／｛２（１＋
ν）｝、ｐ＝（σｔ₁）／（ｔ₁＋ｔ₂）

【００３０】上式において、Ｅ₁ は吸収体（Ｔａ膜）の
ヤング率，ｔ₁ は吸収体の膜厚、Ｅ₂ はマスク基板３１
のヤング率，ｔ₂ はマスク基板３１の膜厚、νはポアッ
ソン比、σは吸収体の応力である。この吸収体の応力σ
は、前述した測定により得られたＴａ膜（吸収体）の応
力分布を用いる。また、抜きパタン３２の代表位置座標
（ｘ，ｙ）としては、実際には、近隣（図３中右下）の
十字マーク３３の中心位置座標を用いる。

【００３１】そして、この実施の形態においては、吸収
体の膜厚ｔ₁ は、測定された膜厚ではなく、パタン密度
２５％分が減少したとして、０．６５μｍ×（１−０．
２５）＝０．４９μｍとする。すなわち、パタンが形成
されているチップ領域（２０×２０ｍｍの領域）では吸
収体の膜厚が０．４９μｍとし、その外側の有効領域
（３０×３０ｍｍの領域）では吸収体の膜厚が０．６５
μｍとして計算する。

【００３２】なお、この実施の形態では、チップ領域内
で抜きパタン３２が均一に配置されているが、実際の集
積回路では、パタン密度は場所によって異なるので、パ
タン密度が異なる領域毎にｔ₁ を計算する。そして、最
後に、マスク基板３１の応力でこれが形成されているシ
リコンウエハの収縮を考慮して、この影響を上述の計算
結果に加味する。すなわち、ウエハ面内でほぼ均一なＳ
ｉＮ膜の応力６．８×１０⁸ｄｙｎ／ｃｍ²を、上式によ
る結果に加味する。

【００３３】図４は、上式において、ｔ₁ が有効領域全
域で一定として、マスクの歪による各抜きパタン３２の
変位計算の結果を矢印で示す平面図である。また、図５
は、ｔ₁ をパタン密度に応じて変化させた、すなわちチ
ップ領域では吸収体の膜厚が０．４９μｍとなっている
として、マスクの歪による各抜きパタン３２の変位計算
の結果を矢印で示す平面図である。同図において、矢印
線のもと（出発点）が抜きパタン３２（十字マーク３
３）の設計値上の座標であり、矢印の先がマスクのたわ
みによって移動した先の座標を示している。なお、黒点
は、変位がなかったことを示している。

【００３４】一方、図６は、上述したＸ線マスクの十字
マーク３３の中心位置座標を、パタン位置測定器で実際
に測定した結果を示す平面図である。この図６において
も、矢印線のもとは抜きパタン３２（十字マーク３３）
の設計値上の座標であり、矢印の先が測定の結果得られ
た座標を示している。この図６を、図４および図５と比
較すると、より図５にその傾向が近い。

【００３５】そして、以上の結果を踏まえて、形成する
抜きパタン３２の位置を修正したＸ線マスクを作製し
た。すなわち、マスク歪が、図５に示すようになるもの
と想定し、その歪量（パタン変位量）だけ形成するパタ
ン位置をそれぞれ補正し、この描画データを用いてパタ
ン形成をおこなった。その結果、その修正マスクのパタ
ン位置の状態を測定したら、マスク全領域の最大歪が３
５ｎｍと非常に小さいものとなった。図６の状態では、
最大歪が０．２μｍを越えているが、この修正マスクで
は、これがほとんど補正された状態となっている。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明では、吸
収体に形成されるパタンの密度分布に対応して吸収体の
膜厚が分布しているものとしてパタンの変位状態を算出
するようにした。このため、この発明によれば、複雑な
パタン配置形状であっても、解を得るために非常に多く
の手間がかかること無く、より簡単に、パタンの位置ず
れをシミュレートできるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｘ線マスクの構成を示す断面図である。

【図２】応力と剛性の変化を吸収体２の厚さが均一に
減少したものとしたＸ線マスクの構成を示す断面図であ
る。

【図３】Ｘ線マスクの構成を示す平面図である。

【図４】マスクの歪による各パタンの変位計算の結果
を矢印で示す平面図である。

【図５】マスクの歪による各パタンの変位計算の結果
を矢印で示す平面図である。

【図６】マスクの歪による各パタンの変位状態をパタ
ン位置測定器で実際に測定した結果を示す平面図であ
る。

【図７】一般的なＸ線マスクの製造を説明するための
断面図である。

【符号の説明】

１…マスク基板、２，２ａ…吸収体、３…シリコンウエ
ハ、３１…マスク基板、３２…抜きパタン、３３…十字
マーク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−335217（ＪＰ，Ａ) 特開平９−306812（ＪＰ，Ａ) 特開平７−307280（ＪＰ，Ａ) 特開平８−203817（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−200530（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 15/00 G03F 1/16 H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周辺を支持体で支えられ、Ｘ線を良く透
過する材料からなるマスク基板と、Ｘ線を遮断する吸収
体からなり前記基板上に形成されたパタンとから構成さ
れたＸ線マスクの前記パタン位置の変位状態をシミュレ
ートするパタン位置歪算出方法において、前記パタンの密度分布に対応して前記吸収体の膜厚が分
布しているものとして前記パタンの変位状態を算出する
ことを特徴とするパタン位置歪の算出方法。