JP3684206B2

JP3684206B2 - Photo mask

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Publication number: JP3684206B2
Application number: JP2002110658A
Authority: JP
Inventors: 郁男米田; 信一伊藤; 秀樹金井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2016-05-20
Also published as: JP2002333702A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応性ガスプラズマを利用して被加工材表面のエッチングを行うプラズマエッチング方法に係り、特に、半導体素子の製造プロセスの内、リソグラフィプロセスにおいて使用されるフォトマスクを作成する際のプラズマエッチング方法、及びこの方法を適用したフォトマスクの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ａ．位相シフトマスク
図９に、リソグラフィプロセスにおいて使用されるステッパの概要を示す。フォトマスク１４４はステッパにセットされ、光源１４１から発射された光は、フライアイレンズ１４２及びコンデンサレンズ１４３を通って平行光線となってフォトマスク１４４に入射し、更に投影レンズ１４５を通ってウエハ１４６の表面に収束する。これによって、フォトマスク１４４上に形成されている遮光膜によるパターン１４４ａが、ウエハ１４６上に塗布されているレジスト１４６ａに縮小転写される。
【０００３】
最近の半導体素子の高集積化を志向した微細加工技術に対する要求の高度化に伴い、ステッパの光学系及びフォトマスクについて、パターン解像力の向上、露光焦点深度の増大などを目指した改良の試みが盛んに行われている。
【０００４】
その中で、フォトマスクに関しては、マスクパターン面上の一部に位相シフタを設け、光学像の一部を位相反転させて非反転部と重ね合わることによって、解像力を向上させ、且つ焦点深度を増加させる位相シフトマスクが開発されている。この様な位相シフトマスクとして、レベンソンマスク、ハーフトーンマスク、シフタエッジマスク、自己整合マスクなどが発表されている。これらの位相シフトマスクの中で、解像力、焦点深度の改善効果が最も大きいのは、レベンソンマスクである。
【０００５】
レベンソンマスクの構造の一例を図１０に示す。図１０は、特開昭６２−１８９４６８号公報に開示されている基板掘り込み型レベンソンマスクである。図１０において、１５１は石英ガラス製のマスク基板、１５２は遮光膜、１５４は位相シフタを表しており、マスク基板１５１を、所定のパターンに合わせて下式で与えられる深さｄだけ掘り込むことによって位相シフタ１５４が形成されている、
ｄ＝λ／２（ｎ−１）・・・（１）
ここで、ｎはマスク基板の屈折率、λは露光波長を表す。
【０００６】
図１１に、基板掘り込み型レベンソンマスクの製造工程の概要を示す。先ず、図１１（ａ）に示す様に、遮光膜１５２によってパターンが形成されたマスク基板１５１の光透過部１５６の一つ置きに、図１１（ｂ）に示す様に、レジスト１５３のパターンを形成する。このレジストのパターンをマスクに用いて、マスク基板をエッチングすることにより位相シフタ１５４が形成される。その後、レジスト１５３を除去して、図１１（ｃ）に示す様な基板掘り込み型レベンソンマスクを得る。
【０００７】
位相シフタにより与えられる位相差は、１８０度近傍の所定の目標値に均一化されている必要がある。図１２は、透過光の強度分布に与えるフォーカスの条件の影響を示したものであり、縦軸は透過光の強度、横軸はウエハ表面上の位置、１５４は位相シフタ部、１５５は非シフタ部を表す。
【０００８】
図１２に示す様に、位相差が目標値（例えば１８０度）から外れた場合、露光の際、デフォーカス部分において、互いに隣接する開口部を透過した光の間でその強度に差が生じる。これによって、ウエハ上のデバイスパターンによる段差部において互いに隣接する開口部の間でパターン寸法に違いが生じ、デバイス特性を劣化させる要因となる。位相シフタにより得られる位相差は基板掘込み深さｄに比例する。この基板掘り込み深さはエッチング速度に依存するため、マスク基板面内でのエッチング速度を均一にする必要がある。
【０００９】
ｂ．プラズマエッチング
マスク基板のエッチングには、Ｓｉウエハのエッチングと同様に、異方性を備え微細パターンのエッチングが可能な、反応性イオンエッチングなどのプラズマエッチングが用いられる。プラズマエッチングは、反応室内で高周波電圧によって反応性ガスをプラズマ状態に解離させるとともに、反応室内にセットされた被加工材（マスク基板）に高周波電圧を印加して、被加工材の表面に電圧を励起させ、反応性ガスプラズマ中の電子あるいはイオンなどの荷電粒子を引き込むことによって、物理的及び化学的に被加工材の表面をエッチングするものである。プラズマエッチングにおいて、エッチング速度は被加工材の表面電圧の上昇に従って増大する。
【００１０】
ｃ．エッチング速度の不均一性（マスクパターンに起因するもの）
被加工材の表面でレジストなどの耐エッチング性被膜（エッチングマスク）によるパターンで覆われている非エッチング領域と、耐エッチング性被膜が取り除かれているエッチング領域とでは、プラズマエッチングの過程において、その材質の違いに起因して、電子あるいはイオンなどの荷電粒子による帯電量に差が生ずる。この様子を、図１３及び図１４に示す。
【００１１】
図１３は、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜のパターン１８６に隣接して、微細パターンの被エッチング部１８７が配置されている領域でのマスク基板表面の近傍における電位の分布の状態を示し、図１４は、微細パターンのみが配置されている領域１８８での電位の分布の状態を示す。図中、１８１はマスク基板、１８２は耐エッチング性被膜、１８９は等電位面を表す。
【００１２】
図１３に示される様に、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜１８６の近傍では、当該被膜１８６に蓄積された電荷によって電位分布が影響を受けるので、マスク基板の表面電圧が上昇する。他方、当該被膜１８６から離れるに従って、前記電荷による影響が小さくなり、マスク基板の表面電圧が低下する。この様に、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜の周辺部において、マスク基板の表面電圧に差が生ずる。エッチング速度はマスク基板の表面電圧に依存するので、その結果、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜の周辺部において、エッチング速度に差が現れる。他方、図１４に示される様に、微細パターンのみが配置され、それらの間のサイズの差が小さい領域では、耐エッチング性被膜１８２上の電荷蓄積量の差も小さくなり、領域内での表面電圧の差はほとんど問題にならない。
【００１３】
以上の様な現象に起因して、例えば、図１５に示される様な、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜１８６の近傍に存在する位相シフタ２０７と、当該被膜１８６から遠く離れた位置に存在する位相シフタ２０８とを較べると、当該被膜１８６の近傍の位相シフタ２０７の部分の方が表面電位が高いので、エッチング速度が大きくなる。この結果、当該被膜１８６から離れた位置にある位相シフタ２０８の位相差を、目標値通り１８０度に加工した場合、当該被膜１８６の近傍の位相シフタ２０７の位相差は１８０度よりも大きくなり、前者の位相シフタ２０８と較べて、焦点深度が低下すると言う問題が生じる。
【００１４】
ｄ．エッチング速度の不均一性（マスク基板の厚みに起因するもの）
以上のマスクパターンの配置の粗密による影響に加えて、マスク基板が厚い場合には、以下で説明する様に、マスク基板の中心部と周縁部との間でエッチング速度に差が現れる。
【００１５】
従来のフォトマスクでは、マスク基板として、例えば一辺５インチのものが使用されていた。ところが、現在では、より露光有効面積の大きい一辺６インチのものが主流になりつつある。マスク基板の大型化に伴い、ステッパ装着時のマスク基板の自重による撓みが増大し、その結果、投影露光像にパターンサイズの変動、パターンの歪み等が生じるため露光時の焦点深度が低下する問題がある。このため、実際には、上記の撓みを減少させるべくマスク基板の厚みを増加させている。
【００１６】
マスク基板の自重による撓みωは、マスク基板を平板と仮定したとき、一辺の長さをａ、厚さをｈ、自重をＰ、ヤング率をＥ、αを撓み係数とすると、次式で表される。
【００１７】
ω＝α・Ｐ・ａ⁴／（Ｅ・ｈ³）・・・（２）
従って、厚さの異なる（ｈ₁，ｈ₂）２枚の基板の間での撓み（ω₁，ω₂）の比は、次式で表される。
【００１８】
ω₁／ω₂＝（ｈ₁／ｈ₂）² ・・・（３）
従来、フォトマスクを作成する場合、マスク基板として、ステッパに装着した時の自重による撓みに対して十分な強度を持つ厚い透光性基板を用い、その表面にマスクパターンを直接、形成していた。
【００１９】
プラズマエッチングにおいては、前述の様に、エッチング速度はマスク基板の表面電圧の増加に従って増大する。他方、高周波電圧は物体を透過する際に減衰を生じる。例えば、図１６に示す様に、０．２５インチ厚及び０．０９インチ厚の石英基板について、その基板の表面電圧を比較すると、同じ高周波電圧パワーを与えた場合、０．２５インチ厚の石英基板の基板表面電圧は、０．０９インチ厚の石英基板の基板表面電圧の２分の１程度しかならない。
【００２０】
この様に、マスク基板の厚みの増加に伴って高周波電圧の透過率が低下すると、マスク基板の上方の空間部に存在する反応ガスのプラズマ中の反応性イオンを、マスク基板の表面に引き付ける力が減少する結果、エッチング速度が低下する。
【００２１】
図１７は、マスク基板に高周波電圧を印加した場合の、エッチング速度に対する高周波電圧の透過率の影響を示したものである。図中、ａ、ｂ、ｃは、それぞれ、マスク基板がない場合、マスク基板が薄く高周波電圧の透過率が高い場合、マスク基板が厚く高周波電圧の透過率が小さい場合における、マスク基板の中心付近でのエッチング速度に対応している。これに対して、マスク基板の周縁部付近では、マスク基板を透過する高周波電圧よりもマスク基板の周囲に形成される高周波電場の寄与が大きいので、エッチング速度は、中心部と比較してマスク基板の厚さの影響を受けにくい。
【００２２】
以上の様な、マスク基板の中心部と周縁部との間のエッチング速度の差は、マスク基板が薄い場合には、余り問題にはならない。一方、マスク基板が厚くなった場合には、マスク基板の中心部と周縁部との間のエッチング速度の差が拡大するので、大きな問題となる。即ち、マスク基板が厚い場合、基板の周縁部における基板表面電圧が相対的に高めになるので、エッチング速度が相対的に増大し、マスク基板面内でのエッチング量の均一性が損なわれる。
【００２３】
更に、図１８に示す様に、マスク基板３１の周囲に、マスク基板よりも導電率が高い部材３７が配置される様な構造の反応室３５を有するプラズマエッチング装置においては、マスク基板の周縁部付近に高周波電圧の通過経路としてマスク基板の底面から表面に透過する経路４１の他に、マスク基板の周囲を透過する経路４２が存在する。高周波電圧は、導電率の高い物質を透過し易いので、印加された高周波電圧パワーは経路４２に集中する。これにより、経路４２を透過する高周波電圧は、マスク基板が存在しない場合の透過率１００％よりも大きくなるので、マスク基板の中心部と周縁部との間での基板表面電圧の差が、更に拡大する。これに伴って、マスク基板の中心部と周縁部との間でのエッチング速度の差が拡大し、その結果、マスク基板面内でのエッチング量の均一性が損なわれ、加工寸法精度を低下させる原因となる。
【００２４】
以上の様に、プラズマエッチングによって位相シフトマスクを加工する場合、マスク基板の厚さの影響によって、マスク基板の中心部付近に配置された位相シフタと、マスク基板の周縁部付近に配置された位相シフタとの間で、得られる位相差に差が生ずると言う問題がある。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の様な問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、プラズマエッチングによって被加工材の表面にパターンを加工する際に、被加工材の表面におけるエッチング速度の均一性を改善して、エッチング形状の精度を向上させる方法を提供することにある。特に、位相シフトマスクの作成の際に、マスク基板の面内で、位相シフタの位相差の均一性を確保することが可能なプラズマエッチング方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマエッチング方法は、
表面に遮光膜、半透明膜あるいはレジストによるパターンが形成された透光性基板の、前記遮光膜、前記半透明膜あるいは前記透光性基板を反応性ガスプラズマを利用してエッチングする際に、前記透光性基板の厚さを、前記透光性基板を透過する高周波電圧の透過率が８０％以上になる様に設定する。
【００２７】
図１に、石英基板の厚さと高周波電圧透過率との関係の一例を示す。図１に示す様に、石英基板の場合、その厚さを１ｍｍ以下とすれば、透過率として８０％以上の値が得られる。
【００２８】
なお、透光性基板（マスク基板）を上記の様に薄くした場合、曲げ剛性が大幅に不足するので、プラズマエッチングの終了後、その裏面に透光性の支持板を接合してフォトマスクとする。一例として、６インチ角のフォトマスクの場合、石英基板の厚さを１ｍｍとし、透光性の支持板の厚さを５．３ｍｍとすると、石英基板単体で構成されたフォトマスクの自重による撓みは０．７４μｍであるのに対し、前記支持板を裏面に接合したフォトマスクの撓みは０．０２μｍとなる。この様に、フォトマスクの撓みを小さく押さえることにより、このフォトマスクを用いたリソグラフィプロセスにおける、露光光学像の焦点深度を大きくすることができる。
【００２９】
また、本発明の第二のプラズマエッチング方法は、
導電性ステージの上に被加工材を載せて、反応性ガスプラズマを利用して被加工材の表面をエッチングする際に、前記被加工材の周囲の前記導電性ステージの上に絶縁シールドを配置するとともに、前記被加工材の厚さを、前記被加工材を透過する高周波電圧の透過率が、前記絶縁シールドを透過する高周波電圧の透過率とほぼ等しくなる様に設定することを特徴とする。具体的には、前記被加工材を透過する高周波電圧の透過率が、前記絶縁シールドを透過する高周波電圧の透過率の８０％以上、１２０％以下になる様に、前記被加工材の板厚を設定する。
【００３０】
例えば、図２に示す様なプラズマエッチング装置において、高周波電圧のパワーが透過する経路を、コンデンサで構成された回路でモデル化し、石英基板３１（被加工材）の比誘電率をε_r、厚さをＤ_r、絶縁シールド３６の比誘電率をε_s、厚さをＤ_sとすると、石英基板３１の厚さＤ_rを、
Ｄ_r＝（ε_r／ε_s）・Ｄ_s ・・・（４）
とした場合に、石英基板３１及び絶縁シールド３６を透過する高周波電圧のパワーが等しくなる。一例として、絶縁シールド３６を厚さ２ｍｍのアルミナ（比誘電率ε_s＝８．５）で作成した場合、石英基板（比誘電率＝３．８）の厚さを１ｍｍ程度に設定すればよい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３２】
［例１］
マスク基板の板厚を調整することによって高周波電圧の透過率を増大させ、プラズマエッチングの際、マスク基板面内でエッチング速度の均一化を図る例について説明する。
【００３３】
図３に、先に示したプラズマエッチング装置（図２）を用いて、石英基板のプラズマエッチングを行った場合の、石英基板の厚さと基板表面電圧との関係を示す。プラズマエッチングの条件としては、反応性ガスとしてＣｌ₂ガスを用い、その流量を２５ｓｃｃｍ、反応室内の圧力を０．５ｍＴｏｒｒ、印加する高周波電圧の周波数を１３．５６ＭＨｚとし、高周波のパワーを６０、７５及び１００Ｗの３水準とした。図３に示す様に、高周波パワーが、それぞれ、６０、７５、１００Ｗの時、厚さが６．４ｍｍの石英基板では、基板表面電圧（Ｖ_dc）は、それぞれ、１５、２０、３０Ｖ程度となった。一方、厚さが１ｍｍの石英基板では、基板表面電圧（Ｖ_dc）は、それぞれ、６０、８０、１２０Ｖ程度まで増加した。石英基板の厚さを１ｍｍとすることにより、石英基板を透過する際の高周波電圧の減衰量が減少して、印加した高周波電圧のパワーが、十分に、基板表面に達して、基板表面電圧が増加することがわかる。
【００３４】
［例２］
次に、厚さの異なる石英基板を用いてプラズマエッチングを行い、基板面内でのエッチング速度の分布を測定した。石英基板は、６インチ角で、板厚は１ｍｍ及び６．４ｍｍである。図４に、使用した電子ビーム励起プラズマエッチング装置の概要を示す。図中、３１は石英基板、３２は導電性ステージ（サセプタ）、３３は高周波電源、３４は反応性ガスプラズマ、３５は反応室、９７は電子ビーム、９８はビームラインを表す。エッチングの条件としては、反応ガスをＣＦ₄、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応チャンバ内の圧力を０．５ｍＴｏｒｒ、印加する高周波電圧のパワーを６０Ｗとした。
【００３５】
図５に、エッチング速度の面内分布を示す、図中、横軸は基板のエッジからの距離、縦軸はエッチング速度を表す。従来、フォトマスクに使用されている厚さ６．４ｍｍ、一辺１５２ｍｍの正方形の石英基板の場合、基板周縁部でのエッチング速度が、中心部のエッチング速度に較べて４０％程度も大きくなっている。一方、本発明に基く厚さ１ｍｍの石英基板の場合、石英基板の中心部のエッチング速度が増大した結果、基板周縁部と中心部とのエッチング速度の差は３％まで縮小して、基板全体でのエッチング速度の均一性が改善されている。
【００３６】
［例３］
次に、上記のプラズマエッチング方法を、基板掘り込み型レベンソンマスクの作成に適用した例について説明する。
【００３７】
６インチ角、厚さ６．４ｍｍ及び１ｍｍの石英基板を用いて、上記と同じエッチングの条件で、位相シフタの加工を行った。基板掘り込み型レベンソンマスクの作成プロセスの概要は、先に示したもの（図１１）と同一である。露光波長を２４８ｎｍとし、位相シフタの目標エッチング量を２４５ｎｍに設定した。
【００３８】
エッチング時間は、厚さ１ｍｍの石英基板については８分、厚さ６．４ｍｍの石英基板については１１分とした。なお、装置安定性に起因するエッチング速度変動によるエッチング量のずれをなくすため、マスク基板中心付近にエッチング量モニター用のパターンを配置し、このエッチング量を段差測定器で測定し、中心部のエッチング量を目標値に一致させた。
【００３９】
フォトマスクの中心部における目標の位相シフト量を１８０°に設定したとき、厚さ１ｍｍの石英基板を用いた場合、基板中心部と周縁部との間の位相シフト量のずれは２．６°であった。一方、厚さ６．４ｍｍの石英基板を用いた場合、基板中心部と周縁部との間の位相シフト量のずれは７２°であった。
【００４０】
次に、上記の様にして作成されたフォトマスクを用いてラインアンドスペースパターンの露光を行った。
【００４１】
なお、厚さ１ｍｍの石英基板のフォトマスクをそのまま露光装置にセットすると、先に述べた様に、マスク基板の自重による撓みが大きく、焦点深度が低下する。例えば、６インチ角、厚さ１ｍｍのフォトマスクの露光領域を１２０ｍｍ角としたとき、露光領域内での基板の撓み量はおよそ０．５８μｍとなり、その撓み量分の露光焦点深度が低下する。そこで、厚さ１ｍｍの石英基板については、厚さ５．３ｍｍの透光性基板を接合して、自重による撓みを抑えた。図６に、このフォトマスクの断面図を示す。図中、１１は厚さ１ｍｍの石英基板、１２は遮光膜、１１６は補強用の透光性の支持板を表す。
【００４２】
透光性の支持板１１６の材質は、撓みに対して十分な剛性を有し、且つ、石英基板１１との界面で露光光の反射を抑えることができる材質を選ぶ必要がある。基板の自重による撓みωは、一辺の長さをａ、板厚をｈ、自重をＰ、Ｅをヤング率、αを撓み係数とすると、次式で表される。
【００４３】
ω＝α・Ｐ・ａ⁴／（Ｅ・ｈ³）・・・（５）
上式から、支持板１１６としては、その密度をρとした場合、（ρ／Ｅ）の値が石英基板１１と同等かあるいはそれ以下である材料で構成されていることが望ましい。
【００４４】
また、界面での反射を抑えるために、支持板１１６の光学定数ｎ（屈折率）、ｋ（消衰係数）については、石英基板１１のそれとの違いが１％以内であることが望ましい。更に、石英基板１１に支持板１１６を接合する方法についても、界面での反射を十分、抑えることが可能な接合方法を採用する必要がある。この例では、両基板を圧着する方法を採用した。具体的には、両基板界面を真空中で接合し、これを大気中に取り出す真空接合法を用いた。
【００４５】
この様にして接合されたフォトマスクを用いて、露光波長２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．７５、σ＝０．３の露光装置でサイズ０．１５μｍのラインアンドスペ−スパターンの投影露光を行ったところ、マスク全面で１．７μｍの焦点深度が得られた。一方、従来方式の厚さ６．４ｍｍの石英基板を用いたフォトマスクを用いて同様のラインアンドスペ−スパターンを投影露光した場合には、マスク基板周縁部において位相シフト効果が低下して、ウエハ上の段差部ではパターンを解像することが不可能であった。
【００４６】
次に、本発明の方法に基くプラズマエッチング方法によって位相シフタを加工したフォトマスクを用いて、ＤＲＡＭのチップの露光を行った。
【００４７】
作成したフォトマスクは、１Ｇ−ＤＲＡＭのメモリセル部配線層のフォトマスクである。厚さ１ｍｍの石英基板を用いて、メモリセル部のビット線・ワード線を構成する０．１５μｍデザインルール周期パターン部に位相シフタを設けた。なお、位相シフタのエッチングには、先に示した電子ビーム励起プラズマエッチング装置（図４）を用いた。エッチングの条件としては、反応ガスをＣＦ₄、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応チャンバ内の圧力を０．５Ｔｏｒｒ、ＲＦバイアスを６０Ｗとし、エッチング時間を８分間とした。位相シフタの加工の後、石英基板の裏面に、厚さ５．３ｍｍの石英製の透光性支持板を接合した。
【００４８】
このフォトマスクを用いてＤＲＡＭのチップの露光を行ったところ、チップ全面で、メモリセル部のビット線・ワード線のパターンを寸法精度良く解像することができ、デバイスの電気的特性を向上することができた。なお、従来方式のフォトマスクを用いた場合には、チップ周縁部での寸法制御性が悪く、段差部で絶縁性が低下したりあるいは逆に導通したりして、均一な電気的特性は得られなかった。
【００４９】
［例４］
マスク基板の周囲の導電性ステージ上に絶縁シールドすることによって、プラズマエッチングの際、マスク基板面内でエッチング速度の均一化を図る例について説明する。
【００５０】
先に図２に示したプラズマエッチング装置を用いて、絶縁シールド３６として厚さ２ｍｍのアルミナ製の板を使用し、被加工材３１として厚さ１ｍｍの石英基板を用いてエッチングを行った場合の石英基板の表面近傍での電位分布状態の模式図を、図７に示す。なお、プラズマエッチングの条件としては、反応性ガスとしてＣＦ₄ガスを用い、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応室内の圧力を０．５ｍＴｏｒｒとし、高周波電圧のパワーを６０Ｗとした。
【００５１】
以上の様に、石英基板３１の周囲の導電性ステージ上に絶縁シールド３６を配置してプラズマエッチングを行った場合、導電性ステージから反応チャンバの上部に透過する高周波電圧が、導電性ステージ上で、石英基板３１が載せられた部分と、その周囲に配置された絶縁シールド３６の部分とで等しくなるため、電位分布３９が全面で一様になる。その結果、エッチング速度の面内均一性が改善され、更に、露光光に対する位相の制御性が向上し、露光光学像の焦点深度を大きくすることができる。
【００５２】
なお、比較のために、絶縁シールドを使用しない従来のエッチング装置の場合の、石英基板３１の表面近傍での電位分布状態の模式図を、図８に示す。石英基板３１の周囲に導電率が高い部材３７が配置されている場合、石英基板の周縁部の電圧が増大するので、電位分布３９が不均一になる。
【００５３】
［例５］
次に、上記のプラズマエッチング方法を、基板掘り込み型レベンソンマスクの作成に適用した例について説明する。
【００５４】
プラズマエッチング装置は、先に示したもの（図２）と同一である。絶縁シールド３６として厚さ２ｍｍのアルミナ板（比誘電率８．５）を使用し、マスク基板３１として厚さ１ｍｍの石英基板を使用した。作成したフォトマスクはレベンソンマスクである。エッチングの条件としては、反応性ガスをＣＦ₄、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応チャンバ内圧力を０．５ｍＴｏｒｒ、印加する高周波電圧のパワーを６０Ｗとし、露光波長２４８ｎｍに対する位相シフタ深さ２４５ｎｍを得るため、エッチング時間を７分３０秒に設定した。
【００５５】
この条件で位相シフタのエッチングを行った結果、厚さ１ｍｍの石英基板の全面で、目標位相差１８０°に対して、誤差を１．８°以内に抑えることができた。このマスク基板に、厚さ５．３ｍｍの透光性支持板を接合して、剛性を補った。この様にして得られたフォトマスクを用いて、０．１５μｍサイズのラインアンドスペースパターンを、露光波長２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．７５、σ＝０．３の露光装置により投影露光した結果、焦点深度１．９μｍを得た。
【００５６】
なお、本発明に基くプラズマエッチング方法は、以上に示した例に限定されるものではない。
【００５７】
エッチングマスクとなるレジスト上に形成する被膜の種類については、他のＳｉＯ₂膜（スパッタ膜）や、エッチングガスに対する反応がマスク基板材と類似している他の膜でも良い。
【００５８】
また、エッチングマスクもレジストに限定されるものではなく、水酸基、カルボン酸基、アルデヒド骨格を有する有機樹脂などを用いても良い。
【００５９】
また、レジストのシリル化に気相シリル化材ＴＭＤＳを用いたが、この他、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）、ＤＭＳＤＥＡ（ジエチルアミノジメチルアミン）、ＴＭＳＤＥＡ（ジエチルアミノトリメチルシラン）、ＴＭＳＤＭＡ（ジメチルアミノトリメチルシラン）、ＤＭＳＤＭＡ（ジメチルシリルジメチルアミン）、など他の気相シリル化材を用いても良い。また、ＨＭＣＴＳ（ヘキサメチルシクロトリシラザン）、（Ｂ）ＤＭＡＤＭＳ（ビス−ジメチルアミノジメチルシラン）、（Ｂ）ＤＭＡＭＳ（ビス−ジメチルアミノメチルシラン）などの溶液中に浸して液相シリル化処理を行っても良い。上記の例では、エッチングマスクの処理はシリル化のみによって行ったが、位相シフタのプラズマエッチング前に、シリル化されたレジスト表面をオゾン、一酸化炭素など酸化性ガス雰囲気中に曝すなどの処理を付加し、表面を酸化しても良い。
【００６０】
マスク基板の厚さを調整して、エッチング量の面内均一性を向上させる方法におけるマスク基板等の板厚、あるいは支持基板の接合方法についても上記の例に限定されるものではない。
【００６１】
例えば、接合する透光性支持板の厚さについては、接合する透光性支持板の厚さについて、マスク基板を接合する前のフォトマスク中央部パターンの焦点深度をｄ、透光性基板を接合した後のフォトマスクの撓みをω、基板の１辺の長さをａ、露光有効エリアの長さをｂとすると、
露光波長が２４８ｎｍ以下の場合、
ｄ−ω×ｂ／ａ＞１．０μｍ、
露光波長が２４８ｎｍ以上の場合、
ｄ−ω×ｂ／ａ＞１．５μｍ、
の関係を満足する様に、透光性の支持板の厚さを選択するのが好ましい。
【００６２】
また、透光性支持板を接合する方法としては、例えば、屈折率が透光性基板のそれと近い接着剤を、マスク基板の裏面全面に塗布し接着する方法でもある。または露光用マスクの露光領域外のみに接着剤を塗布して接着する方法もある。またはクリップでとめる方法もある。
【００６３】
被加工材の周囲に絶縁シールドを配置して、エッチング量の面内均一性を向上させる方法における絶縁シールドの材質についてもアルミナに限定されるものではない。例えば蛍石の様な、比誘電率が３．８以上の材料ならば使用することができる。
【００６４】
本発明に基くプラズマエッチング方法が適用されるプラズマエッチング装置についても、図２に示される平行平板型ＲＩＥ、あるいは図４に示される電子ビーム励起プラズマエッチング装置に限定されるものではなく、他の種類のＲＩＥ装置など、プラズマ中の荷電粒子を彼加工材の表面に引き付けて異方性エッチングを行う装置において、本発明の方法を適用できる。
【００６５】
また、本発明に基くプラズマエッチング方法を適用して作成されるフォトマスクの例として、基板掘り込み型レベンソンマスクを示したが、他の種類のフォトマスクを作成する場合にも、本発明の方法を適用できる。例えば、透光性膜からなる位相シフタを基板上に堆積させた後、シフタパターンをエッチングして作成されるレベンソンマスク、あるいは、上記の例によって作成されたレベンソンマスクに、更に、光透過部の石英基板全てにウェットエッチング或いは異方性エッチングを付加したレベンソンマスク等を作成する際にも、本発明の方法を適用できる。更に、レベンソンマスクのみでなく、シフタエッジ型、ハーフトーン型などのマスクを作成する際にも、本発明の方法を適用できる。
【００６６】
露光に使用する光源に関しても、上記の例で用いたＫｒＦエキシマレーザー光源（波長２４８ｎｍ）のみでなく、例えばｇ線、ｉ線等の、他の波長で露光を行うフォトマスクに対しても、本発明の方法により作成されたフォトマスクを適用することができる。
【００６７】
更に、本発明のプラズマエッチング方法は、石英基板などマスク基板のエッチングに限定されるものではない。この他に、被加工材として、Ｓｉウエハなどの半導体基板、液晶基板などを用いた場合にも、本発明を適用できる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明のプラズマエッチング方法の様に、マスク基板として、従来と比較して板厚が薄い基板を使用すれば、基板中央部と基板周縁部との間のエッチング速度の均一性が向上し、高精度のフォトマスクを作成することができる。その結果、投影露光光学像の焦点深度を大幅に改善することができる。
【００６９】
また、上記の方法に加えて、本発明による第二のプラズマエッチング方法の様に、マスク基板の周囲の導電性ステージの上に絶縁シールドを配置して、マスク基板を透過する高周波電圧と、当該絶縁シールドを透過する高周波電圧を同等に調整すれば、更に、高精度のフォトマスクを作成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】石英基板の厚さと高周波電圧の透過率の関係を示す図。
【図２】被加工材の周囲に絶縁シールドが配置されたプラズマエッチング装置の概要を示す図。
【図３】石英基板の厚さと表面電圧の関係を示す図。
【図４】電子ビーム励起プラズマエッチング装置の概要を示す図。
【図５】基板周縁部からの距離とエッチング速度の関係を示す図。
【図６】マスク基板の裏面に透光性の支持板を接合したフォトマスクの断面図。
【図７】本発明の方法に基くプラズマエッチングの際のマスク基板の近傍の電位分布を示す図。
【図８】従来の方法に基くプラズマエッチングの際のマスク基板の近傍の電位分布を示す図。
【図９】ステッパの概略構成図。
【図１０】基板掘り込み型レベンソンマスクの概略図。
【図１１】基板掘り込み型レベンソンマスクの作成の工程を示す図。（ａ）〜（ｃ）は各工程における断面図を表す。
【図１２】レベンソンマスクの光学像の一例を示した図。
【図１３】マスク基板表面近傍の等電位面を示す図。
【図１４】マスク基板表面近傍の等電位面を示す図。
【図１５】実際のフォトマスクのパターンの一例を示す図。
【図１６】高周波電圧パワーと基板表面電圧の関係の一例を示す図。
【図１７】高周波電圧の透過率とエッチング速度の関係の一例を示す図。
【図１８】プラズマエッチング装置において、マスク基板等を透過する高周波電圧の状況を説明する図。
【符号の説明】
１１・・・マスク基板、１２・・・遮光膜、３１・・・石英基板、３２・・・導電性ステージ、３３・・・高周波電源、３４・・・反応性ガスプラズマ、３５・・・反応室、３６・・・絶縁シールド、３７・・・導電性部材、３９・・・等電位面、９７・・・電子ビーム、９８・・・ビームライン、１１６・・・透光性の支持板、１４１・・・光源、１４２・・・フライアイレンズ、１４３・・・コンデンサレンズ、１４４・・・フォトマスク、１４４ａ・・・遮光膜パターン、１４５・・・投影レンズ、１４６・・・ウエハ、１４６ａ・・・レジスト、１５１・・・マスク基板、１５２・・・遮光膜、１５３・・・レジスト、１５４・・・位相シフタ、１５５・・・非シフタ部、１５６・・・開口部、１８１・・・マスク基板、１８２・・・遮光膜、１８６・・・比較的大きな面積のエッチングマスク、１８７、１８８、２０７、２０８・・・微細パターン、１８９・・・等電位面。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma etching method in which a reactive material plasma is used to etch a surface of a workpiece, and in particular, a plasma used to create a photomask used in a lithography process among semiconductor device manufacturing processes. The present invention relates to an etching method and a photomask manufacturing method to which this method is applied.
[0002]
[Prior art]
a. Phase shift mask
FIG. 9 shows an outline of a stepper used in the lithography process. The photomask 144 is set on a stepper, and the light emitted from the light source 141 passes through the fly-eye lens 142 and the condenser lens 143 to become parallel rays and enters the photomask 144, and further passes through the projection lens 145 to the wafer 146. Converge on the surface. As a result, the pattern 144 a of the light shielding film formed on the photomask 144 is reduced and transferred to the resist 146 a applied on the wafer 146.
[0003]
As the recent demand for microfabrication technology aiming at higher integration of semiconductor devices has advanced, attempts have been made to improve stepper optics and photomasks with the aim of improving pattern resolution and increasing the exposure depth of focus. Has been done.
[0004]
Among them, with respect to photomasks, a phase shifter is provided on a part of the mask pattern surface, and a part of the optical image is phase-inverted and overlapped with a non-inversion part to improve resolution and increase the depth of focus. Increasing phase shift masks have been developed. As such a phase shift mask, a Levenson mask, a halftone mask, a shifter edge mask, a self-alignment mask, and the like have been announced. Among these phase shift masks, the Levenson mask has the greatest effect of improving resolution and depth of focus.
[0005]
An example of the structure of the Levenson mask is shown in FIG. FIG. 10 shows a substrate digging type Levenson mask disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 62-189468. In FIG. 10, reference numeral 151 denotes a quartz glass mask substrate, 152 denotes a light shielding film, 154 denotes a phase shifter, and the mask substrate 151 is dug by a depth d given by the following equation in accordance with a predetermined pattern. A phase shifter 154 is formed by
d = λ / 2 (n−1) (1)
Here, n represents the refractive index of the mask substrate, and λ represents the exposure wavelength.
[0006]
FIG. 11 shows an outline of the manufacturing process of the substrate digging type Levenson mask. First, as shown in FIG. 11A, a pattern of a resist 153 is formed on every other light transmitting portion 156 of the mask substrate 151 on which a pattern is formed by the light shielding film 152, as shown in FIG. Form. The phase shifter 154 is formed by etching the mask substrate using the resist pattern as a mask. Thereafter, the resist 153 is removed to obtain a substrate digging type Levenson mask as shown in FIG.
[0007]
The phase difference given by the phase shifter needs to be equalized to a predetermined target value near 180 degrees. FIG. 12 shows the influence of the focus condition on the intensity distribution of transmitted light. The vertical axis indicates the intensity of the transmitted light, the horizontal axis indicates the position on the wafer surface, 154 indicates the phase shifter portion, and 155 indicates the non-shifter. Represents a part.
[0008]
As shown in FIG. 12, when the phase difference deviates from a target value (for example, 180 degrees), a difference in intensity occurs between the light transmitted through the openings adjacent to each other in the defocused portion during exposure. As a result, a difference in pattern dimension occurs between openings adjacent to each other in the stepped portion due to the device pattern on the wafer, which causes deterioration of device characteristics. The phase difference obtained by the phase shifter is proportional to the substrate digging depth d. Since the substrate digging depth depends on the etching rate, it is necessary to make the etching rate uniform within the mask substrate surface.
[0009]
b. Plasma etching
For etching the mask substrate, plasma etching such as reactive ion etching, which has anisotropy and can etch a fine pattern, is used, similarly to the etching of a Si wafer. In plasma etching, a reactive gas is dissociated into a plasma state by a high-frequency voltage in a reaction chamber, and a high-frequency voltage is applied to a workpiece (mask substrate) set in the reaction chamber to apply a voltage to the surface of the workpiece. The surface of the workpiece is etched physically and chemically by exciting and drawing charged particles such as electrons or ions in the reactive gas plasma. In plasma etching, the etching rate increases as the surface voltage of the workpiece increases.
[0010]
c. Etch rate non-uniformity (due to mask pattern)
In the process of plasma etching, a non-etched region covered with a pattern of an etching-resistant film (etching mask) such as a resist on the surface of the workpiece and an etched region where the etching-resistant film has been removed. Due to the difference in material, a difference occurs in the charge amount due to charged particles such as electrons or ions. This situation is shown in FIG. 13 and FIG.
[0011]
FIG. 13 shows the state of potential distribution in the vicinity of the mask substrate surface in the region where the etched portion 187 of the fine pattern is disposed adjacent to the pattern 186 of the etching-resistant film having a relatively large area. FIG. 14 shows the state of potential distribution in the region 188 where only the fine pattern is arranged. In the figure, 181 represents a mask substrate, 182 represents an etching resistant film, and 189 represents an equipotential surface.
[0012]
As shown in FIG. 13, in the vicinity of the etching-resistant film 186 having a relatively large area, the potential distribution is affected by the electric charge accumulated in the film 186, so that the surface voltage of the mask substrate increases. On the other hand, as the distance from the film 186 increases, the influence of the electric charge is reduced, and the surface voltage of the mask substrate is lowered. As described above, a difference occurs in the surface voltage of the mask substrate in the peripheral portion of the etching-resistant film having a relatively large area. Since the etching rate depends on the surface voltage of the mask substrate, as a result, a difference appears in the etching rate in the periphery of the etching resistant film having a relatively large area. On the other hand, as shown in FIG. 14, in a region where only fine patterns are arranged and the difference in size between them is small, the difference in charge accumulation amount on the etching resistant film 182 is also small, and the surface in the region is reduced. The voltage difference is hardly a problem.
[0013]
Due to the above phenomenon, for example, as shown in FIG. 15, the phase shifter 207 exists in the vicinity of the etching-resistant film 186 having a relatively large area, and exists at a position far from the film 186. Compared with the phase shifter 208, the portion of the phase shifter 207 in the vicinity of the coating 186 has a higher surface potential, so that the etching rate is increased. As a result, when the phase difference of the phase shifter 208 located away from the coating 186 is processed to 180 degrees as the target value, the phase difference of the phase shifter 207 in the vicinity of the coating 186 becomes larger than 180 degrees, Compared with the former phase shifter 208, there arises a problem that the depth of focus is lowered.
[0014]
d. Etch rate non-uniformity (due to mask substrate thickness)
In addition to the influence of the density of the arrangement of the mask pattern described above, when the mask substrate is thick, a difference appears in the etching rate between the central portion and the peripheral portion of the mask substrate as described below.
[0015]
In the conventional photomask, for example, a mask substrate having a side of 5 inches is used. However, at present, the one having a larger exposure effective area of 6 inches per side is becoming mainstream. As the mask substrate becomes larger, the deflection due to the weight of the mask substrate when the stepper is mounted increases, and as a result, variations in pattern size, pattern distortion, etc. occur in the projected exposure image, resulting in a decrease in the depth of focus during exposure. There is. For this reason, the thickness of the mask substrate is actually increased in order to reduce the above-described bending.
[0016]
When the mask substrate is assumed to be a flat plate, the deflection ω due to the weight of the mask substrate is represented by the following equation, where the length of one side is a, the thickness is h, the weight is P, the Young's modulus is E, and α is the deflection coefficient. Is done.
[0017]
ω = α ・ P ・ a ^Four / (E ・ h ^Three ) ... (2)
Therefore, the thickness is different (h ₁ , H ₂ ) Deflection between two substrates (ω ₁ , Ω ₂ ) Is expressed by the following equation.
[0018]
ω ₁ / Ω ₂ = (H ₁ / H ₂ ) ² ... (3)
Conventionally, when creating a photomask, a mask substrate is directly formed on the surface of a thick transparent substrate having sufficient strength against bending due to its own weight when mounted on a stepper. .
[0019]
In plasma etching, as described above, the etching rate increases as the surface voltage of the mask substrate increases. On the other hand, the high frequency voltage is attenuated when passing through the object. For example, as shown in FIG. 16, when comparing the surface voltages of 0.25 inch and 0.09 inch thick quartz substrates, when the same high frequency voltage power is applied, quartz of 0.25 inch thickness is obtained. The substrate surface voltage of the substrate is only about one-half of the substrate surface voltage of a 0.09 inch thick quartz substrate.
[0020]
As described above, when the transmittance of the high-frequency voltage decreases as the thickness of the mask substrate increases, the force that attracts reactive ions in the plasma of the reactive gas existing in the space above the mask substrate to the surface of the mask substrate. As a result, the etching rate decreases.
[0021]
FIG. 17 shows the influence of high-frequency voltage transmittance on the etching rate when a high-frequency voltage is applied to the mask substrate. In the figure, a, b, and c indicate the vicinity of the center of the mask substrate when there is no mask substrate, when the mask substrate is thin and the transmittance of the high-frequency voltage is high, and when the mask substrate is thick and the transmittance of the high-frequency voltage is small. It corresponds to the etching rate at. On the other hand, in the vicinity of the peripheral portion of the mask substrate, the contribution of the high-frequency electric field formed around the mask substrate is larger than the high-frequency voltage transmitted through the mask substrate. Not easily affected by the thickness of the.
[0022]
The difference in etching rate between the central portion and the peripheral portion of the mask substrate as described above is not a problem when the mask substrate is thin. On the other hand, when the mask substrate becomes thick, the difference in etching rate between the central portion and the peripheral portion of the mask substrate increases, which is a serious problem. That is, when the mask substrate is thick, the substrate surface voltage at the peripheral edge of the substrate is relatively high, so that the etching rate is relatively increased and the uniformity of the etching amount within the mask substrate surface is impaired.
[0023]
Further, as shown in FIG. 18, in a plasma etching apparatus having a reaction chamber 35 having a structure in which a member 37 having higher conductivity than the mask substrate 31 is disposed around the mask substrate 31, the peripheral portion of the mask substrate. In addition to a path 41 that passes from the bottom surface of the mask substrate to the surface as a high-frequency voltage passing path, there is a path 42 that passes around the mask substrate. Since the high-frequency voltage easily passes through a substance having high conductivity, the applied high-frequency voltage power is concentrated on the path 42. As a result, the high-frequency voltage transmitted through the path 42 becomes larger than the transmittance of 100% when the mask substrate is not present, so that the difference in substrate surface voltage between the center portion and the peripheral portion of the mask substrate is further increased. Expanding. Along with this, the difference in the etching rate between the central portion and the peripheral portion of the mask substrate is enlarged, and as a result, the uniformity of the etching amount in the mask substrate surface is impaired, and the processing dimensional accuracy is lowered. Cause.
[0024]
As described above, when a phase shift mask is processed by plasma etching, the phase shifter disposed near the center of the mask substrate and the phase disposed near the peripheral edge of the mask substrate are affected by the thickness of the mask substrate. There is a problem that a difference occurs in the obtained phase difference with the shifter.
[0025]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems. An object of the present invention is to provide a method for improving the etching shape accuracy by improving the uniformity of the etching rate on the surface of the workpiece when processing the pattern on the surface of the workpiece by plasma etching. It is in. In particular, an object of the present invention is to provide a plasma etching method capable of ensuring the uniformity of the phase difference of the phase shifter in the plane of the mask substrate when producing the phase shift mask.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The plasma etching method of the present invention comprises:
When etching the light-shielding film, the semi-transparent film or the light-transmitting substrate using a reactive gas plasma on a light-transmitting substrate having a light-shielding film, a semi-transparent film or a resist pattern formed on the surface, The thickness of the translucent substrate is set so that the transmissivity of the high-frequency voltage transmitted through the translucent substrate is 80% or more.
[0027]
FIG. 1 shows an example of the relationship between the thickness of the quartz substrate and the high frequency voltage transmittance. As shown in FIG. 1, in the case of a quartz substrate, if the thickness is 1 mm or less, a transmittance of 80% or more can be obtained.
[0028]
Note that when the light-transmitting substrate (mask substrate) is made thin as described above, the bending rigidity is greatly insufficient. Therefore, after the plasma etching is completed, a light-transmitting support plate is bonded to the back surface of the photomask. To do. As an example, in the case of a 6-inch square photomask, if the thickness of the quartz substrate is 1 mm and the thickness of the translucent support plate is 5.3 mm, the photomask composed of the quartz substrate alone is bent by its own weight. Is 0.74 μm, while the deflection of the photomask having the support plate bonded to the back surface is 0.02 μm. In this way, by suppressing the deflection of the photomask to a small extent, the depth of focus of the exposure optical image in the lithography process using this photomask can be increased.
[0029]
The second plasma etching method of the present invention is
An insulating shield is placed on the conductive stage around the workpiece when the workpiece is placed on the conductive stage and the surface of the workpiece is etched using reactive gas plasma. And the thickness of the workpiece is set such that the transmittance of the high-frequency voltage that passes through the workpiece is substantially equal to the transmittance of the high-frequency voltage that passes through the insulating shield. . Specifically, the plate thickness of the workpiece is set so that the transmittance of the high-frequency voltage that passes through the workpiece is 80% or more and 120% or less of the transmittance of the high-frequency voltage that passes through the insulating shield. Set.
[0030]
For example, in a plasma etching apparatus as shown in FIG. 2, a path through which high-frequency voltage power is transmitted is modeled by a circuit composed of capacitors, and the relative permittivity of the quartz substrate 31 (workpiece) is expressed as ε. _r , Thickness D _r The dielectric constant of the insulation shield 36 is ε _s , Thickness D _s Then, the thickness D of the quartz substrate 31 _r The
D _r = (Ε _r / Ε _s ) ・ D _s ... (4)
In this case, the power of the high-frequency voltage transmitted through the quartz substrate 31 and the insulating shield 36 becomes equal. As an example, the insulating shield 36 is made of alumina having a thickness of 2 mm (relative permittivity ε _s = 8.5), the thickness of the quartz substrate (relative dielectric constant = 3.8) may be set to about 1 mm.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0032]
[Example 1]
An example will be described in which the transmittance of the high-frequency voltage is increased by adjusting the thickness of the mask substrate, and the etching rate is made uniform in the mask substrate surface during plasma etching.
[0033]
FIG. 3 shows the relationship between the thickness of the quartz substrate and the substrate surface voltage when plasma etching of the quartz substrate is performed using the plasma etching apparatus (FIG. 2) described above. The plasma etching conditions include Cl as reactive gas. ₂ Gas was used, the flow rate was 25 sccm, the pressure in the reaction chamber was 0.5 mTorr, the frequency of the applied high-frequency voltage was 13.56 MHz, and the high-frequency power was three levels of 60, 75, and 100 W. As shown in FIG. 3, when the high-frequency power is 60, 75, and 100 W, respectively, the quartz substrate having a thickness of 6.4 mm has a substrate surface voltage (V _dc ) Were about 15, 20, and 30 V, respectively. On the other hand, in a quartz substrate having a thickness of 1 mm, the substrate surface voltage (V _dc ) Increased to about 60, 80, and 120V, respectively. By setting the thickness of the quartz substrate to 1 mm, the attenuation amount of the high-frequency voltage when passing through the quartz substrate is reduced, and the power of the applied high-frequency voltage reaches the substrate surface sufficiently, so that the substrate surface voltage is reduced. It can be seen that it increases.
[0034]
[Example 2]
Next, plasma etching was performed using quartz substrates having different thicknesses, and the etching rate distribution in the substrate surface was measured. The quartz substrate is 6 inches square, and the plate thickness is 1 mm and 6.4 mm. FIG. 4 shows an outline of the used electron beam excitation plasma etching apparatus. In the figure, 31 is a quartz substrate, 32 is a conductive stage (susceptor), 33 is a high frequency power source, 34 is a reactive gas plasma, 35 is a reaction chamber, 97 is an electron beam, and 98 is a beam line. As etching conditions, the reaction gas is CF. _Four The flow rate was 15 sccm, the pressure in the reaction chamber was 0.5 mTorr, and the power of the applied high-frequency voltage was 60 W.
[0035]
FIG. 5 shows the in-plane distribution of the etching rate. In the figure, the horizontal axis represents the distance from the edge of the substrate, and the vertical axis represents the etching rate. Conventionally, in the case of a square quartz substrate having a thickness of 6.4 mm and a side of 152 mm used for a photomask, the etching rate at the peripheral edge of the substrate is about 40% larger than the etching rate at the center. . On the other hand, in the case of a quartz substrate having a thickness of 1 mm according to the present invention, as a result of an increase in the etching rate at the central part of the quartz substrate, the difference in etching rate between the peripheral part of the substrate and the central part is reduced to 3%. The uniformity of the etching rate is improved.
[0036]
[Example 3]
Next, an example in which the above plasma etching method is applied to the creation of a substrate digging type Levenson mask will be described.
[0037]
Using a 6-inch square, 6.4 mm and 1 mm thick quartz substrate, the phase shifter was processed under the same etching conditions as described above. The outline of the process for producing the substrate digging type Levenson mask is the same as that shown above (FIG. 11). The exposure wavelength was 248 nm, and the target etching amount of the phase shifter was set to 245 nm.
[0038]
The etching time was 8 minutes for a 1 mm thick quartz substrate and 11 minutes for a 6.4 mm thick quartz substrate. In order to eliminate variations in the etching amount due to fluctuations in the etching rate due to the stability of the apparatus, an etching amount monitor pattern is placed near the center of the mask substrate, and this etching amount is measured with a step measuring device to etch the central portion. The amount was matched to the target value.
[0039]
When the target phase shift amount at the center portion of the photomask is set to 180 °, when a quartz substrate having a thickness of 1 mm is used, the shift in the phase shift amount between the substrate center portion and the peripheral portion is 2.6 °. Met. On the other hand, when a quartz substrate having a thickness of 6.4 mm was used, the phase shift amount between the central portion and the peripheral portion of the substrate was 72 °.
[0040]
Next, the line and space pattern was exposed using the photomask prepared as described above.
[0041]
Note that if a photomask of a quartz substrate having a thickness of 1 mm is set in an exposure apparatus as it is, as described above, the deflection of the mask substrate due to its own weight is large, and the depth of focus is lowered. For example, when the exposure area of a 6-inch square and 1 mm thick photomask is 120 mm square, the amount of deflection of the substrate in the exposure area is about 0.58 μm, and the exposure depth of focus is reduced by the amount of deflection. Therefore, a quartz substrate having a thickness of 1 mm was bonded with a translucent substrate having a thickness of 5.3 mm to suppress bending due to its own weight. FIG. 6 shows a cross-sectional view of this photomask. In the figure, 11 is a quartz substrate having a thickness of 1 mm, 12 is a light shielding film, and 116 is a translucent support plate for reinforcement.
[0042]
As the material of the translucent support plate 116, it is necessary to select a material that has sufficient rigidity against bending and can suppress reflection of exposure light at the interface with the quartz substrate 11. The deflection ω due to the weight of the substrate is expressed by the following equation, where a is the length of one side, h is the plate thickness, P is the weight, E is the Young's modulus, and α is the deflection coefficient.
[0043]
ω = α ・ P ・ a ^Four / (E ・ h ^Three (5)
From the above equation, it is desirable that the support plate 116 is made of a material having a value of (ρ / E) equal to or lower than that of the quartz substrate 11 when the density is ρ.
[0044]
In order to suppress reflection at the interface, it is desirable that the optical constants n (refractive index) and k (extinction coefficient) of the support plate 116 are different from those of the quartz substrate 11 within 1%. Further, as a method of bonding the support plate 116 to the quartz substrate 11, it is necessary to adopt a bonding method that can sufficiently suppress reflection at the interface. In this example, a method of crimping both substrates was adopted. Specifically, a vacuum bonding method was used in which the interface between both substrates was bonded in a vacuum and this was taken out into the atmosphere.
[0045]
Using the photomask bonded in this manner, a line and space pattern having a size of 0.15 μm was projected and exposed with an exposure apparatus having an exposure wavelength of 248 nm, NA = 0.75, and σ = 0.3. A depth of focus of 1.7 μm was obtained on the entire mask surface. On the other hand, when a similar line and space pattern is projected and exposed using a photomask using a conventional 6.4 mm thick quartz substrate, the phase shift effect is reduced at the periphery of the mask substrate. It was impossible to resolve the pattern at the stepped portion on the wafer.
[0046]
Next, the DRAM chip was exposed using a photomask having a phase shifter processed by a plasma etching method based on the method of the present invention.
[0047]
The created photomask is a photomask for the memory cell portion wiring layer of the 1G-DRAM. Using a quartz substrate having a thickness of 1 mm, a phase shifter was provided in a 0.15 μm design rule periodic pattern portion constituting the bit line / word line of the memory cell portion. For the etching of the phase shifter, the electron beam excitation plasma etching apparatus (FIG. 4) described above was used. As etching conditions, the reaction gas is CF. _Four The flow rate was 15 sccm, the pressure in the reaction chamber was 0.5 Torr, the RF bias was 60 W, and the etching time was 8 minutes. After processing the phase shifter, a translucent support plate made of quartz having a thickness of 5.3 mm was bonded to the back surface of the quartz substrate.
[0048]
When the DRAM chip is exposed using this photomask, the bit line / word line pattern of the memory cell portion can be resolved with high dimensional accuracy on the entire surface of the chip, and the electrical characteristics of the device are improved. I was able to. Note that when a conventional photomask is used, the dimensional controllability at the periphery of the chip is poor, and the insulation is reduced at the stepped portion or conversely conductive, so that uniform electrical characteristics can be obtained. I couldn't.
[0049]
[Example 4]
An example in which the etching rate is made uniform in the mask substrate surface during plasma etching by insulating shield on the conductive stage around the mask substrate will be described.
[0050]
When the plasma etching apparatus shown in FIG. 2 is used to etch using a 2 mm thick alumina plate as the insulation shield 36 and a 1 mm thick quartz substrate as the workpiece 31. A schematic diagram of the potential distribution state in the vicinity of the surface of the quartz substrate is shown in FIG. The plasma etching conditions include CF as a reactive gas. _Four Gas was used, the flow rate was 15 sccm, the pressure in the reaction chamber was 0.5 mTorr, and the power of the high-frequency voltage was 60 W.
[0051]
As described above, when the insulating shield 36 is disposed on the conductive stage around the quartz substrate 31 and plasma etching is performed, the high-frequency voltage transmitted from the conductive stage to the upper part of the reaction chamber is generated on the conductive stage. Since the portion on which the quartz substrate 31 is placed is equal to the portion of the insulating shield 36 disposed around the portion, the potential distribution 39 is uniform over the entire surface. As a result, the in-plane uniformity of the etching rate is improved, the controllability of the phase with respect to the exposure light is improved, and the depth of focus of the exposure optical image can be increased.
[0052]
For comparison, FIG. 8 shows a schematic diagram of a potential distribution state in the vicinity of the surface of the quartz substrate 31 in the case of a conventional etching apparatus that does not use an insulation shield. When the member 37 having a high conductivity is disposed around the quartz substrate 31, the voltage at the peripheral edge of the quartz substrate increases, so that the potential distribution 39 becomes non-uniform.
[0053]
[Example 5]
Next, an example in which the above plasma etching method is applied to the creation of a substrate digging type Levenson mask will be described.
[0054]
The plasma etching apparatus is the same as that shown above (FIG. 2). A 2 mm thick alumina plate (relative dielectric constant 8.5) was used as the insulation shield 36, and a 1 mm thick quartz substrate was used as the mask substrate 31. The created photomask is a Levenson mask. Etching conditions include reactive gas CF _Four The etching time was set to 7 minutes 30 seconds in order to obtain a flow rate of 15 sccm, a reaction chamber internal pressure of 0.5 mTorr, an applied high frequency voltage power of 60 W, and a phase shifter depth of 245 nm for an exposure wavelength of 248 nm.
[0055]
As a result of etching the phase shifter under these conditions, the error could be suppressed within 1.8 ° with respect to the target phase difference of 180 ° on the entire surface of the quartz substrate having a thickness of 1 mm. The mask substrate was joined with a translucent support plate having a thickness of 5.3 mm to supplement the rigidity. Using the photomask thus obtained, a line and space pattern having a size of 0.15 μm was projected and exposed by an exposure apparatus having an exposure wavelength of 248 nm, NA = 0.75, and σ = 0.3. 1.9 μm was obtained.
[0056]
Note that the plasma etching method according to the present invention is not limited to the examples described above.
[0057]
For the type of film to be formed on the resist to be the etching mask, other SiO ₂ A film (sputtered film) or another film whose reaction to the etching gas is similar to the mask substrate material may be used.
[0058]
The etching mask is not limited to a resist, and an organic resin having a hydroxyl group, a carboxylic acid group, an aldehyde skeleton, or the like may be used.
[0059]
In addition, the gas phase silylation material TMDS was used for the silylation of the resist. Other gas phase silylating materials such as DMSDMA (dimethylsilyldimethylamine) may be used. In addition, it is immersed in a solution such as HMCTS (hexamethylcyclotrisilazane), (B) DMADMS (bis-dimethylaminodimethylsilane), or (B) DMAMS (bis-dimethylaminomethylsilane) to perform a liquid phase silylation treatment. May be. In the above example, the etching mask was processed only by silylation. However, before the phase shifter plasma etching, the silylated resist surface was exposed to an oxidizing gas atmosphere such as ozone or carbon monoxide. It may be added to oxidize the surface.
[0060]
The plate thickness of the mask substrate or the like in the method of improving the in-plane uniformity of the etching amount by adjusting the thickness of the mask substrate, or the bonding method of the support substrate is not limited to the above example.
[0061]
For example, regarding the thickness of the translucent support plate to be joined, the depth of focus of the photomask central pattern before joining the mask substrate is set to d, and the translucent substrate is attached to the thickness of the translucent support plate to be joined. When the bending of the photomask after bonding is ω, the length of one side of the substrate is a, and the length of the exposure effective area is b,
When the exposure wavelength is 248 nm or less,
d−ω × b / a> 1.0 μm,
When the exposure wavelength is 248 nm or more,
d−ω × b / a> 1.5 μm,
It is preferable to select the thickness of the translucent support plate so that the above relationship is satisfied.
[0062]
Moreover, as a method of joining the translucent support plate, for example, an adhesive having a refractive index close to that of the translucent substrate is applied and adhered to the entire back surface of the mask substrate. Alternatively, there is a method of applying and bonding an adhesive only outside the exposure area of the exposure mask. There is also a method to stop with a clip.
[0063]
The material of the insulation shield in the method for improving the in-plane uniformity of the etching amount by arranging an insulation shield around the workpiece is not limited to alumina. For example, a material having a relative dielectric constant of 3.8 or more such as fluorite can be used.
[0064]
The plasma etching apparatus to which the plasma etching method according to the present invention is applied is not limited to the parallel plate RIE shown in FIG. 2 or the electron beam excited plasma etching apparatus shown in FIG. The method of the present invention can be applied to an apparatus that performs anisotropic etching by attracting charged particles in plasma to the surface of the workpiece, such as the RIE apparatus.
[0065]
Further, as an example of a photomask created by applying the plasma etching method according to the present invention, a substrate digging type Levenson mask has been shown. However, the method of the present invention is also applicable when creating other types of photomasks. Can be applied. For example, a Levenson mask created by depositing a phase shifter made of a translucent film on a substrate and then etching the shifter pattern, or a Levenson mask created according to the above example, The method of the present invention can also be applied when creating a Levenson mask or the like in which wet etching or anisotropic etching is added to all quartz substrates. Furthermore, the method of the present invention can be applied not only to creating a Levenson mask but also to a shifter edge type or halftone type mask.
[0066]
Regarding the light source used for the exposure, not only the KrF excimer laser light source (wavelength 248 nm) used in the above example but also a photomask for exposure at other wavelengths such as g-line and i-line. Photomasks created by the inventive method can be applied.
[0067]
Furthermore, the plasma etching method of the present invention is not limited to etching a mask substrate such as a quartz substrate. In addition, the present invention can also be applied to a case where a semiconductor substrate such as a Si wafer, a liquid crystal substrate, or the like is used as a workpiece.
[0068]
【The invention's effect】
As in the plasma etching method of the present invention, if a substrate having a thinner plate than the conventional substrate is used as the mask substrate, the uniformity of the etching rate between the central portion of the substrate and the peripheral portion of the substrate is improved. An accurate photomask can be created. As a result, the depth of focus of the projection exposure optical image can be greatly improved.
[0069]
Further, in addition to the above method, as in the second plasma etching method according to the present invention, an insulating shield is disposed on the conductive stage around the mask substrate, and the high-frequency voltage transmitted through the mask substrate, If the high-frequency voltage that passes through the insulating shield is adjusted to be equal, a highly accurate photomask can be created.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the thickness of a quartz substrate and the transmittance of a high-frequency voltage.
FIG. 2 is a diagram showing an outline of a plasma etching apparatus in which an insulation shield is arranged around a workpiece.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of a quartz substrate and the surface voltage.
FIG. 4 is a diagram showing an outline of an electron beam excitation plasma etching apparatus.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the distance from the peripheral edge of the substrate and the etching rate.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a photomask in which a translucent support plate is bonded to the back surface of a mask substrate.
FIG. 7 is a diagram showing a potential distribution in the vicinity of a mask substrate during plasma etching based on the method of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a potential distribution in the vicinity of a mask substrate during plasma etching based on a conventional method.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a stepper.
FIG. 10 is a schematic view of a substrate digging Levenson mask.
FIG. 11 is a diagram showing a process of creating a substrate digging type Levenson mask. (A)-(c) represents sectional drawing in each process.
FIG. 12 is a diagram showing an example of an optical image of a Levenson mask.
FIG. 13 is a diagram showing an equipotential surface in the vicinity of the mask substrate surface;
FIG. 14 is a diagram showing an equipotential surface in the vicinity of the mask substrate surface;
FIG. 15 shows an example of an actual photomask pattern.
FIG. 16 is a diagram showing an example of the relationship between high-frequency voltage power and substrate surface voltage.
FIG. 17 is a diagram showing an example of a relationship between a high frequency voltage transmittance and an etching rate;
FIG. 18 is a diagram for explaining a state of a high-frequency voltage that passes through a mask substrate or the like in a plasma etching apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Mask substrate, 12 ... Light shielding film, 31 ... Quartz substrate, 32 ... Conductive stage, 33 ... High frequency power supply, 34 ... Reactive gas plasma, 35 ... Reaction Chamber, 36 ... insulating shield, 37 ... conductive member, 39 ... equipotential surface, 97 ... electron beam, 98 ... beam line, 116 ... translucent support plate, 141 ... light source, 142 ... fly eye lens, 143 ... condenser lens, 144 ... photomask, 144a ... light-shielding film pattern, 145 ... projection lens, 146 ... wafer, 146a ... resist, 151 ... mask substrate, 152 ... light-shielding film, 153 ... resist, 154 ... phase shifter, 155 ... non-shifter, 156 ... opening, 181, ... .Mask substrate, 182 Shielding film, 186 ... etching mask having a relatively large area, 187,188,207,208 ... fine pattern, 189 ... equipotential surface.

Claims

A light shielding film is formed on the surface, and a quartz substrate having a thickness of 1 mm or less in which a phase shifter is processed by plasma etching on the surface side, and a translucent support plate bonded to the back surface of the quartz substrate. A photomask characterized by that.