JP3854241B2 - フォーカスモニタ用マスクの製造方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォーカスモニタ用マスクの製造方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の微細化に伴い、フォトリソグラフィにおけるフォーカスモニタ技術が重要となってきている。
【０００３】
フォーカスモニタ技術として、フォトマスク上に、リファレンス用のモニタマークと、リファレンス用のモニタマークに対応したパターン形状を有する他のモニタマークを形成しておき、ウエハ上に転写された両マークの寸法差からデフォーカスの方向及び量を求める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、リファレンス用のモニタマークは、開口部を通過する露光光と開口部の周囲を通過する露光光との位相差が１８０度であり、他のモニタマークは、開口部を通過する露光光と開口部の周囲を通過する露光光との位相差が９０度に設定されている。このような２種類のマークをウエハ上に転写すると、両マークの寸法差或いは寸法比がデフォーカス量に比例するという関係が得られる。そこで、このような比例関係を予め求めてデータ化しておけば、実際に露光したときに得られる寸法差或いは寸法比を測定することでデフォーカスの方向と量をモニタすることができる。
【０００４】
上記他のモニタマークに上記９０度の位相差を与える方法には、開口部のクオーツ基板（透光性基板）をエッチングする方法と、開口部の周囲のハーフトーン膜（位相シフト膜）をエッチングする方法がある。いずれの方法も、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置を用いてエッチングを行う。
【０００５】
しかしながら、ＦＩＢ装置は、水平及び垂直の２方向にしかビームをスキャンすることができない。モニタマークは、楔形や菱形など、開口部のエッジが斜め方向に延びている部分を有しているため、このようなＦＩＢ装置を用いてクオーツ基板やハーフトーン膜をモニタマークのパターン形状通りに加工することは極めて困難である。加工精度を上げるためには、加工倍率を上げてスキャンピッチを短くしたり、ビーム径を縮小したりする必要があるが、そのようにすると加工時間が長くなるという問題が生じる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１００３９２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来は、イオンビーム等の荷電ビームを用いて高精度のモニタマークを短時間で形成することが困難であった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題に対してなされたものであり、荷電ビームを用いて高精度のモニタマークを短時間で形成することが可能なフォーカスモニタ用マスクの製造方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法は、透光性基板の表面領域に、第１の開口部と、前記第１の開口部に対応したパターン形状を有し且つ前記透光性基板上のハーフトーン膜と該ハーフトーン膜上の遮光膜との積層膜に囲まれた第２の開口部と、を形成する工程と、前記第２の開口部のエッジの部分、前記第２の開口部の内側の部分及び前記第２の開口部の外側の部分を含む第１の領域に荷電ビームを照射して、第２の開口部の内側の透光性基板をエッチングする工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法は、透光性基板の表面領域に、第１の開口部と、前記第１の開口部に対応したパターン形状を有し且つ前記透光性基板上のハーフトーン膜に囲まれた第２の開口部と、を形成する工程と、前記第２の開口部のエッジの部分、前記第２の開口部の内側の部分及び前記第２の開口部の外側の部分を含む第１の領域に荷電ビームを照射して、第２の開口部の外側のハーフトーン膜をエッチングし、ハーフトーン膜を薄くする工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１２】
（実施形態１）
まず、第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法について説明する。
【００１３】
まず、図１〜図３に示すように、クオーツ基板（透光性基板）１上にＭｏＳｉ膜（ハーフトーン膜、位相シフト膜）２及びＣｒ膜（遮光膜）３が形成されたフォトマスク用の基板を加工して、フォーカスモニタ用の３種類のパターンを形成する。なお、図１（ａ）、図２（ａ）及び図３（ａ）はパターンの平面図であり、図１（ｂ）、図２（ｂ）及び図３（ｂ）はパターンの断面図である。
【００１４】
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、リファレンス領域の構成を模式的に示した図であり、ハーフトーン膜２からなる周囲部１２に囲まれた５つの菱形状の開口部（開口パターン）１１が形成される。開口部１１を通過する露光光の位相と、周囲部１２を通過する露光光の位相との位相差は１８０度である。
【００１５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、マイナス位相シフト領域（説明の簡単化のため、本明細書ではこのように呼ぶ）の構成を模式的に示した図であり、ハーフトーン膜２及び遮光膜３からなる周囲部２２に囲まれた５つの開口部２１が形成される。開口部２１のパターン形状は、リファレンス領域の開口部１１のパターン形状に対応した形状である。マイナス位相シフト領域では、後の工程で透光性基板１をエッチングすることにより、周囲部２２を通過する露光光の位相は、開口部２１を通過する露光光の位相から９０度を減じたものとなる。
【００１６】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、プラス位相シフト領域（説明の簡単化のため、本明細書ではこのように呼ぶ）の構成を模式的に示した図であり、ハーフトーン膜２からなる周囲部３２に囲まれた５つの開口部３１が形成される。開口部３１のパターン形状は、リファレンス領域の開口部１１のパターン形状に対応している。プラス位相シフト領域では、後の工程でハーフトーン膜２をエッチングして薄くすることにより、周囲部３２を通過する露光光の位相は、開口部３１を通過する露光光の位相に９０度を加えたものとなる。
【００１７】
なお、図２及び図３に示した２つのモニタパターンのうち、いずれか一方のみを設けるようにしてもよいが、これらの２つのモニタパターンは後述する加工が施された後で互いに逆の特性を示すことから、２つのモニタパターンを設けることでモニタ感度を２倍にすることができる。
【００１８】
以下、具体的な工程例を説明する。ここでは、フォトリソグラフィ工程で使用する露光光源として、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーを想定して説明する。
【００１９】
まず、クオーツ基板上に厚さ１００ｎｍのＭｏＳｉ膜及び厚さ５９ｎｍのＣｒ膜が順次形成された基板を用意する。この基板上にレジストを塗布した後、ＥＢ（電子ビーム）描画、現像及びエッチングを行う。さらに、レジストを塗布し、枠部分にＣｒ膜を残すための描画、現像及びエッチングを行う。その際、リファレンス領域及びプラス位相シフト領域のＣｒ膜はエッチングし、マイナス位相シフト領域のＣｒ膜はエッチングせずに残すことで、図１〜図３に示すような３種類のパターンが得られる。なお、これらのフォーカスモニタ用のパターンは、素子形成領域の外側の例えばダイシング領域に形成される。
【００２０】
その後、欠陥修正工程と平行して、図２及び図３に示したフォーカスモニタパターンの追加加工を行う。これにより、通常のマスク製造工程の順序等を変えることなく、フォーカスモニタパターンの追加加工が可能である。以下、図２に示したパターンに対する追加加工及び図３に示したパターンに対する追加加工それぞれについて説明する。
【００２１】
まず、図２に示したパターンに対する追加加工、すなわち透光性基板１の開口部２１に対応した部分をエッチングする工程について、図４〜図７を用いて説明する。
【００２２】
まず、図４に示すように、開口部２１の内側であって開口部２１のエッジから離間した領域にビーム照射領域４２を設定し、図５に示すように、Ｇａイオンビーム（荷電ビーム）５１を照射する。これにより、ビーム照射領域５１内の透光性基板１がエッチングされ、穴４が形成される。
【００２３】
次に、図６に示すように、開口部２１のエッジの部分、開口部２１の内側の部分及び開口部２１の外側の部分を含む領域にビーム照射領域４３を設定する。すなわち、開口部２１の幅よりも幅の広いビーム照射領域４３を設定し、図７（ａ）に示すように、Ｇａイオンビーム５２を照射する。より具体的には、ビーム照射領域４３の幅は、開口部２１の幅に対し、少なくともハーフトーン膜の位相効果が得られるだけの幅を加えたものである。これにより、図７（ｂ）に示すように、開口部２１に対応した部分の透光性基板１がエッチングされるとともに、開口部２１の周囲の遮光膜３がエッチングされる。その結果、開口部２１に対応した穴５が形成されるとともに、開口部２１の周囲のハーフトーン膜２の表面が露出する。穴５の深さは、露光光の位相に換算して９０度である。
【００２４】
Ｇａイオンビームによるエッチングは、物理的スパッタリングが主体であるがが、Ｃｒ膜３のエッチングレートよりもクオーツ基板１のエッチングレートの方が高いことが、実験により確認されている。そのため、Ｃｒ膜３がハーフトーン膜２に対するマスクとして有効に機能している。また、クオーツ基板１の側面でのエッチレートが底面のエッチングレートよりも高く、サイドエッチングが速く進む。このような理由により、側面が開口部２１に整合し、且つ底面がある程度平坦な、図７（ｂ）に示すような穴５を形成することができる。穴５の底面を完全にフラットにすることは難しいが、フォーカスモニタへの影響度は低いと考えられる。
【００２５】
開口部２１を通過する露光光の位相と、周囲部２２を通過する露光光の位相との位相差が９０度となるようにするためには、穴５の深さを所定の深さにする必要がある。また、図６及び図７に示した２回目のエッチング工程では、ハーフトーン膜２の膜厚を維持するために、ハーフトーン膜２の表面が露出した時点でエッチングを終了する必要がある。本実施形態では、図４及び図５に示した１回目のエッチング工程において、ビーム照射領域４２にのみＧａイオンビーム５２を照射することで、透光性基板１のみをエッチングして予め穴４を形成しておく。そのため、穴４の深さを最適化しておけば、ハーフトーン膜２の表面が露出した時点で、穴５の深さを所定の深さにすることができる。
【００２６】
このように、本実施形態では、２回目のエッチング工程において遮光膜３をハーフトーン膜２に対するマスクとして機能させることで、ＦＩＢ装置ように水平及び垂直の２方向にしかビームをスキャンすることができない装置を用いても、斜め方向に延びた開口部のエッジを確実にトレースすることができる。また、１回目のエッチング工程において開口部２１に予め穴４を形成しておくことにより、ハーフトーン膜２がほとんどエッチングされることなく、穴５の深さを所定の深さにすることが可能となる。したがって、高精度のモニタマークを短時間で形成することが可能である。
【００２７】
以下、具体的な工程例を説明する。
【００２８】
まず、図４及び図５に示した１回目のエッチング工程について説明する。ＦＩＢマスク修正装置には、例えばセイコーインスツルメンツ社製の“SIR3000X”を用いることができる。
【００２９】
図４に示すように、開口部２１の先端から約１／３程度の領域が２０μｍ角の観察領域４１に含まれるように、ステージ位置を調整する。観察領域とは、加工の前段階においてイオンビームを走査したときに生じる二次イオン又は二次電子によるイメージング像の領域である。ビーム照射領域４２を規定するためのテンプレートには、例えばG-Copy型と呼ばれる照射エリアテンプレートを用いる。テンプレートは、開口部２１のエッジの内側に完全に収まり、且つできるだけ大きなサイズとなるようにする。本例では、先端に近い部分（開口部２１の幅が相対的に狭い部分）では４ピクセル幅、先端から遠い部分（開口部２１の幅が相対的に広い部分）では６ピクセル幅にしている。観察領域が２０μｍ角の場合、１ピクセルは６２．５ｎｍ角である。なお、図４では２つのテンプレートしか描いていないが、実際には５つのテンプレートすべてが２０μｍ角の観察領域４１に収まるようにする。本工程では、開口部２１のエッジから離間した位置にイオンビームを照射するため、倍率が低く（視野サイズ２０μｍ角）、位置合わせ精度が悪くても、問題は生じない。
【００３０】
次に、中間アパーチャー開放、プローブ電流６５ｐＡ、ビーム滞留時間２００μ秒／ピクセル、加速電圧２０ｋＶの条件で、テンプレート領域にＧａイオンビームを照射し、図５に示すような穴４を形成する。穴４の深さは６０ｎｍとする。穴４の深さは照射ビームのドーズ量に比例し、深さ６０ｎｍを得るために必要なドーズ量は、１１０ＣＳＴ（１ＣＳＴ＝１．６×１０13イオン／ｃｍ2 ）である。
【００３１】
穴４の深さを６０ｎｍとする理由を説明する。９０度の位相差を生じさせるためには、露光光として波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーを用いた場合、最終的に必要な穴の深さが１３７ｎｍ程度であることが実験的にわかっている。通常のクオーツエッチャーなどで加工した場合には、最終的に必要な穴の深さは１２２ｎｍ程度であるが、それよりも深くするのは、クオーツ基板１に注入されたＧａイオンによってクオーツ基板１の屈折率が高くなるためである。本工程において穴４の深さを６０ｎｍとすることで、最終的に必要な穴の深さ、すなわち図７の穴５の深さを１３７ｎｍとすることができる。
【００３２】
次に、図６及び図７に示した２回目のエッチング工程について具体的に説明する。
【００３３】
１回目のエッチング工程と同様、図６に示すように、開口部２１の先端から約１／３程度の領域が２０μｍ角の観察領域４１に含まれるように、ステージ位置を調整する。ビーム照射領域４３を規定するためのテンプレートには、開口部２１よりも幅の広いものを用いる。本例では、開口部２１のエッジの外側を０．５μｍ程度カバーするものを用いる。次に、１回目のビーム照射条件と同様の条件でＧａイオンビームを照射し、図７に示すような穴５を形成する。穴５の深さはすでに述べたように１３７ｎｍであり、照射ビームのドーズ量は１３５ＣＳＴでとする。
【００３４】
なお、クオーツ基板１にはＧａイオンが注入されているため、透過率の低下が生じる。そのため、解像に必要な露光ドーズ量が変化する。この問題を回避するためには、Ｃｒ膜をわずかに残した状態で、ヨウ素などのハロゲンガス雰囲気或いはＸｅＦ2 雰囲気でイオンビームの照射を行うとよい。これにより、Ｇａに起因した透過率の低下を抑えることが可能である。
【００３５】
なお、上述した例では、波長２４８ｎｍの露光光を想定して説明したが、波長１９３ｎｍの露光光の場合には、穴５の深さは９５ｎｍ程度でよい。したがって、１回目のエッチング工程における、Ｇａビームイオンのドーズ量は５０ＣＳＴ程度でよい。
【００３６】
次に、図３に示したパターンに対する追加加工、すなわち開口部３１の周囲のハーフトーン膜２をエッチングして薄くする工程について、図８及び図９を用いて説明する。
【００３７】
まず、開口部３１のエッジの部分、開口部３１の内側の部分及び開口部３１の外側の部分を含む領域にビーム照射領域４４を設定する。続いて、図９（ａ）に示すように、ハーフトーン膜２のエッチングレートに対する透光性基板１のエッチングレートの比を下げる所定のガス雰囲気（例えば、ヨウ素ガス雰囲気）中において、ビーム照射領域４４にＧａイオンビーム５３を照射する。これにより、図９（ｂ）に示すように、透光性基板１がほとんどエッチングされることなく、開口部３１の周囲のハーフトーン膜２が選択的にエッチングされ、ハーフトーン膜２の膜厚が薄くなる。エッチングによって除去されるハーフトーン膜２の厚さは、露光光の位相に換算して９０度である。
【００３８】
開口部３１を通過する露光光の位相と、周囲部３２を通過する露光光の位相との位相差が９０度となるようにするためには、透光性基板１をほとんどエッチングすることなく、ハーフトーン膜２の厚さを所定の厚さ（エッチング前の半分の厚さ）にする必要がある。本実施形態では、所定のガス雰囲気中でイオンビーム照射を行うことにより、ビーム照射領域４４を開口部３１の内側及び外側の両方の部分を含むように設定しても、透光性基板１がほとんどエッチングされることなく、ハーフトーン膜２の厚さを所定の厚さにすることが可能となる。したがって、ＦＩＢ装置ように水平及び垂直の２方向にしかビームをスキャンすることができない装置を用いても、高精度のモニタマークを短時間で形成することが可能である。
【００３９】
以下、具体的な工程例を説明する。
【００４０】
すでに述べたクオーツ基板のエッチング工程と同様、図８に示すように、開口部３１の先端から約１／３程度の領域が２０μｍ角の観察領域４１に含まれるようにステージ位置を調整し、さらにビーム照射領域４４の設定を行う。
【００４１】
次に、図９（ａ）に示すように、処理チャンバー内にヨウ素ガスを導入し、処理チャンバー内の圧力を２×１０-3Ｐａに設定する。続いて、中間アパーチャー開放、プローブ電流６５ｐＡ、ビーム滞留時間５μ秒／ピクセル、加速電圧２０ｋＶ、ドーズ量２０ＣＳＴの条件で、ビーム照射領域４４にＧａイオンビームを照射する。このようなヨウ素ガスを用いたガスアシストエッチングにより、クオーツ基板１のエッチレートが著しく下がり、ＭｏＳｉ膜２のみが選択的にエッチングされる。なお、ガスアシスト効果を増すために、対物レンズの電圧を変化させてビームをぼかすようにしてもよい。
【００４２】
このようにして、図９（ｂ）に示すように、クオーツ基板１がほとんどエッチングされることなく、ＭｏＳｉ膜２が選択的にエッチングされ、ＭｏＳｉ膜２の膜厚がエッチング前の膜厚（１００ｎｍ）の半分（５０ｎｍ）になる。なお、エッチング後のクオーツ基板１の透過率は約５０％、ＭｏＳｉ膜２の透過率は約２０％、開口部３１のサイドエッチング幅は約４０ｎｍであった。
【００４３】
なお、上述した例では、露光波長２４８ｎｍの場合を想定して説明したが、露光波長１９３ｎｍの場合にはＭｏＳｉ膜の厚さが薄いため、Ｇａイオンビームのドーズ量を１６ＣＳＴ程度に減らすことができる。
【００４４】
以上のようにして得られたフォーカスモニタマークを、フォーカス位置を変化させながらウエハ上に転写し、転写されたモニタマークの長手方向の寸法を測定する。そして、モニタマークの寸法差をフォーカス位置に対応させてデータ化しておくことで、実際にデバイスパターンを転写する際にフォーカス位置を特定することができる。
【００４５】
（実施形態２）
次に、第２の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法について説明する。
【００４６】
本実施形態は、第１の実施形態に対し、図２に示したパターンに対する追加加工工程、すなわち透光性基板１の開口部２１に対応した部分をエッチングする工程を変更したものである。第１の実施形態では、２回のエッチング（Ｇａイオン照射）を行うことで所定の深さを有する穴５を形成したが、本実施形態では、１回のエッチングによって所定の深さを有する穴５を形成する。以下、図１０及び図１１を参照して、本実施形態を説明する。
【００４７】
まず、図１０（ａ）に示すように、開口部２１のエッジの部分、開口部２１の内側の部分及び開口部２１の外側の部分を含む領域にＧａイオンビーム５４を照射する。このとき設定されるビーム照射領域は、第１の実施形態で示した図６の場合と同様である。本実施形態では、遮光膜（Ｃｒ膜）３のエッチングレートに対する透光性基板（クオーツ基板）１のエッチングレートの比（選択比）を上げる所定のガス雰囲気（例えば、ＸｅＦ2 ガス雰囲気）中において、ビーム照射領域４４（図６参照）にＧａイオンビーム５４を照射する。これにより、図１０（ｂ）に示すように、開口部２１に対応した部分の透光性基板１がエッチングされるとともに、開口部２１の周囲の遮光膜３がエッチングされる。その結果、開口部２１に対応した穴５が形成されるとともに、開口部２１の周囲の遮光膜３の厚さが薄くなる。穴５の深さは、露光光の位相に換算して９０度である。
【００４８】
Ｇａイオンビームによるエッチングは物理的作用が主体であるため、上述したようなガスを用いない場合には、エッチングの選択比を高めることは難しい。ＸｅＦ2 ガス雰囲気中でＧａイオンビーム照射を行うことにより、選択比を高めることができる。したがって、遮光膜（Ｃｒ膜）３をハーフトーン膜（ＭｏＳｉ膜）２に対するマスクとして確実に機能させることができ、１回のエッチングによって所定の深さを有する穴５を形成することができる。
【００４９】
具体的には、露光波長２４８ｎｍの場合には選択比が２．０６程度以上、露光波長１９３ｎｍの場合には選択比が１．４６程度以上であれば、１回のエッチングによって所定の深さを有する穴５を形成することが可能である。
【００５０】
次に、図１１に示すように、遮光膜３をエッチングして、開口部２１の周囲のハーフトーン膜２の表面を露出させる。具体的には、フォーカスモニタマークが形成されている領域以外をレジストパターンで覆い、フォーカスモニタマークが形成されている領域の遮光膜３をウエットエッチングなどによって選択的に除去すればよい。レジストパターンの露光には、レーザー修正機のような簡易露光装置を用いればよい。
【００５１】
このように、本実施形態では、所定のガス雰囲気中でＧａイオンビームを照射することにより、遮光膜をハーフトーン膜に対するマスクとして確実に機能させることができ、１回のエッチングによって所定の深さを有する穴を形成することができる。したがって、ＦＩＢ装置ように水平及び垂直の２方向にしかビームをスキャンすることができない装置を用いても、斜め方向に延びた開口部のエッジを確実にトレースすることができ、高精度のモニタマークを短時間で形成することが可能である。
【００５２】
なお、適当なガスを用いる或いはガス雰囲気を調整するなどによって、選択比を適当な値に設定することも可能である。また、後述するように、位相差が９０度でなくてもフォーカスモニタを行うことは可能でるため、最終的に必要とされる穴５の深さを変更することも可能である。これらの場合には、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、穴５の深さが所望の深さになった時点で、ハーフトーン膜２の表面を露出させることができる。したがって、図１１に示したような遮光膜３のエッチング工程を省略することが可能であり、工程の簡略化をはかることができる。
【００５３】
以上、第１及び第２の実施形態について説明したが、これらの実施形態は以下のような変更が可能である。
【００５４】
上述した第１及び第２の実施形態では、開口部を通過する露光光の位相と周囲部を通過する露光光の位相の位相差を９０度としたが、位相差は９０度には限定されない。
【００５５】
図１３は、位相差を変化させた時のデフォーカスと寸法差の関係を示したものである。この図からわかるように、位相差が６０度、９０度及び１２０度において傾きがほぼ一定であることがわかる。図１４は、位相差を９０度に設定したときの、位相精度と感度ばらつき（感度の低下量に対応）との関係を示したものである。すなわち、位相差を９０度に設定した場合の位相誤差量を横軸に、感度ばらつき量を縦軸に示したものである。この図から、位相精度が３０度より大きくなると、感度ばらつき量が急激に増加することがわかる。以上のことから、位相差は、６０度以上１２０度以下の範囲であればよい。
【００５６】
また、上述した第１及び第２の実施形態では、菱形状のフォーカスモニタマークを用いたが、楔型のマークを用いてもよい。要するに、開口部の少なくとも一部が、一方向に向かってパターン幅がしだいに狭くなっているようなパターンであればよい。
【００５７】
また、上述した第１及び第２の実施形態では、３種類のモニタマークのサイズ関係については特に言及しなかったが、各モニタマーク間の露光量を一定にする観点から、以下のような関係を有していることが望ましい。マイナス位相シフト用の開口部２１のサイズは、リファレンス用の開口部１１のサイズよりも大きいことが望ましい。すでに述べたように、Ｇａイオンビーム照射によって透光性基板１の透過率が低下するため、露光量も低下する。開口部２１のサイズを大きくすることで、露光量を増大させることができる。プラス位相シフト用の開口部３１のサイズは、リファレンス用の開口部１１のサイズよりも小さいことが望ましい。プラス位相シフト領域では、開口部３１の周囲のハーフトーン膜がエッチングされるため、露光量が増加する。開口部３１のサイズを小さくすることで、露光量を低下させることができる。
【００５８】
また、理想的には、フォーカスモニタは、露光時の露光ドーズ量によらず、フォーカス位置のみで寸法特性が決まるような性質を持つが、実際にはドーズ量の影響を受ける場合がある。このような場合は、ドーズ量をモニタするためのパターンを併用して正確なドーズ量を把握し、それを転写結果にフィードバックすることで、影響を減らすことが可能である。
【００５９】
（実施形態３）
本実施形態は、第１及び第２の実施形態で説明したようなマスクを用いた半導体装置の製造方法に関するものである。以下、図１５に示したフローチャートを参照して説明する。
【００６０】
まず、露光装置にマスクをセットする（Ｓ１）。続いて、セットされたマスクを用いて露光処理を行い、ウエハ（半導体基板）上のレジストにパターンを転写し（Ｓ２）、さらにレジストの現像処理を行う（Ｓ３）。次に、現像処理によって得られたレジストパターンについて、各フォーカスモニタマークの寸法を測定し（Ｓ４）、それらの寸法差を求める（Ｓ５）。すなわち、現像処理によって得られたレジストパターンについて、リファレンス領域に形成されたフォーカスモニタマークとマイナス位相シフト領域に形成されたフォーカスモニタマークとの寸法差、リファレンス領域に形成されたフォーカスモニタマークとプラス位相シフト領域に形成されたフォーカスモニタマークとの寸法差、或いは、プラス位相シフト領域に形成されたフォーカスモニタマークとマイナス位相シフト領域に形成されたフォーカスモニタマークとの寸法差を求める。続いて、予め求めておいた較正曲線に基づき、得られた寸法差に対応したデフォーカス量を求める（Ｓ６）。
【００６１】
上述した処理を、例えばあるロットの所定枚数のウエハに対して行い、得られたデフォーカス量の平均値をそのロットのデフォーカス量として決定する。そして、平均デフォーカス量に基づいて、露光装置のフォーカス位置を修正する（Ｓ７）。その後、フォーカス位置が修正された露光装置により、上記マスクを用いて、その次のロットのウエハにパターンを転写する（Ｓ８）。
【００６２】
上述した処理を各ロットについて行うことにより、常に最適なフォーカス位置で各ロットの処理を行うことができ、半導体装置の歩留まりや特性を向上させることが可能となる。
【００６３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、荷電ビームを用いて透光性基板やハーフトーン膜を正確かつ効率的にエッチングすることができ、高精度のモニタマークを短時間で形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図３】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図４】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図５】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図６】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図７】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図８】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図９】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図１０】 本発明の第２の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図１１】 本発明の第２の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図１２】 本発明の第２の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法の変更例を説明するための図である。
【図１３】デフォーカス量と寸法差との関係について示した図である。
【図１４】位相精度と感度ばらつきとの関係について示した図である。
【図１５】本発明の実施形態に係るマスクを半導体装置の製造に適用した場合の工程を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１…透光性基板、 ２…ハーフトーン膜、
３…遮光膜、 ４、５…穴、
１１、２１、３１…開口部、 １２、２２、３２…周囲部
４１…観察領域
４２、４３、４４…ビーム照射領域
５１、５２、５３、５４…Ｇａイオンビーム
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォーカスモニタ用マスクの製造方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の微細化に伴い、フォトリソグラフィにおけるフォーカスモニタ技術が重要となってきている。
【０００３】
フォーカスモニタ技術として、フォトマスク上に、リファレンス用のモニタマークと、リファレンス用のモニタマークに対応したパターン形状を有する他のモニタマークを形成しておき、ウエハ上に転写された両マークの寸法差からデフォーカスの方向及び量を求める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、リファレンス用のモニタマークは、開口部を通過する露光光と開口部の周囲を通過する露光光との位相差が１８０度であり、他のモニタマークは、開口部を通過する露光光と開口部の周囲を通過する露光光との位相差が９０度に設定されている。このような２種類のマークをウエハ上に転写すると、両マークの寸法差或いは寸法比がデフォーカス量に比例するという関係が得られる。そこで、このような比例関係を予め求めてデータ化しておけば、実際に露光したときに得られる寸法差或いは寸法比を測定することでデフォーカスの方向と量をモニタすることができる。
【０００４】
上記他のモニタマークに上記９０度の位相差を与える方法には、開口部のクオーツ基板（透光性基板）をエッチングする方法と、開口部の周囲のハーフトーン膜（位相シフト膜）をエッチングする方法がある。いずれの方法も、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置を用いてエッチングを行う。
【０００５】
しかしながら、ＦＩＢ装置は、水平及び垂直の２方向にしかビームをスキャンすることができない。モニタマークは、楔形や菱形など、開口部のエッジが斜め方向に延びている部分を有しているため、このようなＦＩＢ装置を用いてクオーツ基板やハーフトーン膜をモニタマークのパターン形状通りに加工することは極めて困難である。加工精度を上げるためには、加工倍率を上げてスキャンピッチを短くしたり、ビーム径を縮小したりする必要があるが、そのようにすると加工時間が長くなるという問題が生じる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１００３９２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来は、イオンビーム等の荷電ビームを用いて高精度のモニタマークを短時間で形成することが困難であった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題に対してなされたものであり、荷電ビームを用いて高精度のモニタマークを短時間で形成することが可能なフォーカスモニタ用マスクの製造方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法は、透光性基板の表面領域に、第１の開口部と、前記第１の開口部に対応したパターン形状を有し且つ前記透光性基板上のハーフトーン膜と該ハーフトーン膜上の遮光膜との積層膜に囲まれた第２の開口部と、を形成する工程と、前記第２の開口部のエッジの部分、前記第２の開口部の内側の部分及び前記第２の開口部の外側の部分を含む第１の領域に荷電ビームを照射して、第２の開口部の内側の透光性基板をエッチングする工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法は、透光性基板の表面領域に、第１の開口部と、前記第１の開口部に対応したパターン形状を有し且つ前記透光性基板上のハーフトーン膜に囲まれた第２の開口部と、を形成する工程と、前記第２の開口部のエッジの部分、前記第２の開口部の内側の部分及び前記第２の開口部の外側の部分を含む第１の領域に荷電ビームを照射して、第２の開口部の外側のハーフトーン膜をエッチングし、ハーフトーン膜を薄くする工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１２】
（実施形態１）
まず、第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法について説明する。
【００１３】
まず、図１〜図３に示すように、クオーツ基板（透光性基板）１上にＭｏＳｉ膜（ハーフトーン膜、位相シフト膜）２及びＣｒ膜（遮光膜）３が形成されたフォトマスク用の基板を加工して、フォーカスモニタ用の３種類のパターンを形成する。なお、図１（ａ）、図２（ａ）及び図３（ａ）はパターンの平面図であり、図１（ｂ）、図２（ｂ）及び図３（ｂ）はパターンの断面図である。
【００１４】
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、リファレンス領域の構成を模式的に示した図であり、ハーフトーン膜２からなる周囲部１２に囲まれた５つの菱形状の開口部（開口パターン）１１が形成される。開口部１１を通過する露光光の位相と、周囲部１２を通過する露光光の位相との位相差は１８０度である。
【００１５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、マイナス位相シフト領域（説明の簡単化のため、本明細書ではこのように呼ぶ）の構成を模式的に示した図であり、ハーフトーン膜２及び遮光膜３からなる周囲部２２に囲まれた５つの開口部２１が形成される。開口部２１のパターン形状は、リファレンス領域の開口部１１のパターン形状に対応した形状である。マイナス位相シフト領域では、後の工程で透光性基板１をエッチングすることにより、周囲部２２を通過する露光光の位相は、開口部２１を通過する露光光の位相から９０度を減じたものとなる。
【００１６】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、プラス位相シフト領域（説明の簡単化のため、本明細書ではこのように呼ぶ）の構成を模式的に示した図であり、ハーフトーン膜２からなる周囲部３２に囲まれた５つの開口部３１が形成される。開口部３１のパターン形状は、リファレンス領域の開口部１１のパターン形状に対応している。プラス位相シフト領域では、後の工程でハーフトーン膜２をエッチングして薄くすることにより、周囲部３２を通過する露光光の位相は、開口部３１を通過する露光光の位相に９０度を加えたものとなる。
【００１７】
なお、図２及び図３に示した２つのモニタパターンのうち、いずれか一方のみを設けるようにしてもよいが、これらの２つのモニタパターンは後述する加工が施された後で互いに逆の特性を示すことから、２つのモニタパターンを設けることでモニタ感度を２倍にすることができる。
【００１８】
以下、具体的な工程例を説明する。ここでは、フォトリソグラフィ工程で使用する露光光源として、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーを想定して説明する。
【００１９】
まず、クオーツ基板上に厚さ１００ｎｍのＭｏＳｉ膜及び厚さ５９ｎｍのＣｒ膜が順次形成された基板を用意する。この基板上にレジストを塗布した後、ＥＢ（電子ビーム）描画、現像及びエッチングを行う。さらに、レジストを塗布し、枠部分にＣｒ膜を残すための描画、現像及びエッチングを行う。その際、リファレンス領域及びプラス位相シフト領域のＣｒ膜はエッチングし、マイナス位相シフト領域のＣｒ膜はエッチングせずに残すことで、図１〜図３に示すような３種類のパターンが得られる。なお、これらのフォーカスモニタ用のパターンは、素子形成領域の外側の例えばダイシング領域に形成される。
【００２０】
その後、欠陥修正工程と平行して、図２及び図３に示したフォーカスモニタパターンの追加加工を行う。これにより、通常のマスク製造工程の順序等を変えることなく、フォーカスモニタパターンの追加加工が可能である。以下、図２に示したパターンに対する追加加工及び図３に示したパターンに対する追加加工それぞれについて説明する。
【００２１】
まず、図２に示したパターンに対する追加加工、すなわち透光性基板１の開口部２１に対応した部分をエッチングする工程について、図４〜図７を用いて説明する。
【００２２】
まず、図４に示すように、開口部２１の内側であって開口部２１のエッジから離間した領域にビーム照射領域４２を設定し、図５に示すように、Ｇａイオンビーム（荷電ビーム）５１を照射する。これにより、ビーム照射領域５１内の透光性基板１がエッチングされ、穴４が形成される。
【００２３】
次に、図６に示すように、開口部２１のエッジの部分、開口部２１の内側の部分及び開口部２１の外側の部分を含む領域にビーム照射領域４３を設定する。すなわち、開口部２１の幅よりも幅の広いビーム照射領域４３を設定し、図７（ａ）に示すように、Ｇａイオンビーム５２を照射する。より具体的には、ビーム照射領域４３の幅は、開口部２１の幅に対し、少なくともハーフトーン膜の位相効果が得られるだけの幅を加えたものである。これにより、図７（ｂ）に示すように、開口部２１に対応した部分の透光性基板１がエッチングされるとともに、開口部２１の周囲の遮光膜３がエッチングされる。その結果、開口部２１に対応した穴５が形成されるとともに、開口部２１の周囲のハーフトーン膜２の表面が露出する。穴５の深さは、露光光の位相に換算して９０度である。
【００２４】
Ｇａイオンビームによるエッチングは、物理的スパッタリングが主体であるがが、Ｃｒ膜３のエッチングレートよりもクオーツ基板１のエッチングレートの方が高いことが、実験により確認されている。そのため、Ｃｒ膜３がハーフトーン膜２に対するマスクとして有効に機能している。また、クオーツ基板１の側面でのエッチレートが底面のエッチングレートよりも高く、サイドエッチングが速く進む。このような理由により、側面が開口部２１に整合し、且つ底面がある程度平坦な、図７（ｂ）に示すような穴５を形成することができる。穴５の底面を完全にフラットにすることは難しいが、フォーカスモニタへの影響度は低いと考えられる。
【００２５】
開口部２１を通過する露光光の位相と、周囲部２２を通過する露光光の位相との位相差が９０度となるようにするためには、穴５の深さを所定の深さにする必要がある。また、図６及び図７に示した２回目のエッチング工程では、ハーフトーン膜２の膜厚を維持するために、ハーフトーン膜２の表面が露出した時点でエッチングを終了する必要がある。本実施形態では、図４及び図５に示した１回目のエッチング工程において、ビーム照射領域４２にのみＧａイオンビーム５２を照射することで、透光性基板１のみをエッチングして予め穴４を形成しておく。そのため、穴４の深さを最適化しておけば、ハーフトーン膜２の表面が露出した時点で、穴５の深さを所定の深さにすることができる。
【００２６】
このように、本実施形態では、２回目のエッチング工程において遮光膜３をハーフトーン膜２に対するマスクとして機能させることで、ＦＩＢ装置ように水平及び垂直の２方向にしかビームをスキャンすることができない装置を用いても、斜め方向に延びた開口部のエッジを確実にトレースすることができる。また、１回目のエッチング工程において開口部２１に予め穴４を形成しておくことにより、ハーフトーン膜２がほとんどエッチングされることなく、穴５の深さを所定の深さにすることが可能となる。したがって、高精度のモニタマークを短時間で形成することが可能である。
【００２７】
以下、具体的な工程例を説明する。
【００２８】
まず、図４及び図５に示した１回目のエッチング工程について説明する。ＦＩＢマスク修正装置には、例えばセイコーインスツルメンツ社製の“SIR3000X”を用いることができる。
【００２９】
図４に示すように、開口部２１の先端から約１／３程度の領域が２０μｍ角の観察領域４１に含まれるように、ステージ位置を調整する。観察領域とは、加工の前段階においてイオンビームを走査したときに生じる二次イオン又は二次電子によるイメージング像の領域である。ビーム照射領域４２を規定するためのテンプレートには、例えばG-Copy型と呼ばれる照射エリアテンプレートを用いる。テンプレートは、開口部２１のエッジの内側に完全に収まり、且つできるだけ大きなサイズとなるようにする。本例では、先端に近い部分（開口部２１の幅が相対的に狭い部分）では４ピクセル幅、先端から遠い部分（開口部２１の幅が相対的に広い部分）では６ピクセル幅にしている。観察領域が２０μｍ角の場合、１ピクセルは６２．５ｎｍ角である。なお、図４では２つのテンプレートしか描いていないが、実際には５つのテンプレートすべてが２０μｍ角の観察領域４１に収まるようにする。本工程では、開口部２１のエッジから離間した位置にイオンビームを照射するため、倍率が低く（視野サイズ２０μｍ角）、位置合わせ精度が悪くても、問題は生じない。
【００３０】
次に、中間アパーチャー開放、プローブ電流６５ｐＡ、ビーム滞留時間２００μ秒／ピクセル、加速電圧２０ｋＶの条件で、テンプレート領域にＧａイオンビームを照射し、図５に示すような穴４を形成する。穴４の深さは６０ｎｍとする。穴４の深さは照射ビームのドーズ量に比例し、深さ６０ｎｍを得るために必要なドーズ量は、１１０ＣＳＴ（１ＣＳＴ＝１．６×１０13イオン／ｃｍ2 ）である。
【００３１】
穴４の深さを６０ｎｍとする理由を説明する。９０度の位相差を生じさせるためには、露光光として波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーを用いた場合、最終的に必要な穴の深さが１３７ｎｍ程度であることが実験的にわかっている。通常のクオーツエッチャーなどで加工した場合には、最終的に必要な穴の深さは１２２ｎｍ程度であるが、それよりも深くするのは、クオーツ基板１に注入されたＧａイオンによってクオーツ基板１の屈折率が高くなるためである。本工程において穴４の深さを６０ｎｍとすることで、最終的に必要な穴の深さ、すなわち図７の穴５の深さを１３７ｎｍとすることができる。
【００３２】
次に、図６及び図７に示した２回目のエッチング工程について具体的に説明する。
【００３３】
１回目のエッチング工程と同様、図６に示すように、開口部２１の先端から約１／３程度の領域が２０μｍ角の観察領域４１に含まれるように、ステージ位置を調整する。ビーム照射領域４３を規定するためのテンプレートには、開口部２１よりも幅の広いものを用いる。本例では、開口部２１のエッジの外側を０．５μｍ程度カバーするものを用いる。次に、１回目のビーム照射条件と同様の条件でＧａイオンビームを照射し、図７に示すような穴５を形成する。穴５の深さはすでに述べたように１３７ｎｍであり、照射ビームのドーズ量は１３５ＣＳＴでとする。
【００３４】
なお、クオーツ基板１にはＧａイオンが注入されているため、透過率の低下が生じる。そのため、解像に必要な露光ドーズ量が変化する。この問題を回避するためには、Ｃｒ膜をわずかに残した状態で、ヨウ素などのハロゲンガス雰囲気或いはＸｅＦ2 雰囲気でイオンビームの照射を行うとよい。これにより、Ｇａに起因した透過率の低下を抑えることが可能である。
【００３５】
なお、上述した例では、波長２４８ｎｍの露光光を想定して説明したが、波長１９３ｎｍの露光光の場合には、穴５の深さは９５ｎｍ程度でよい。したがって、１回目のエッチング工程における、Ｇａビームイオンのドーズ量は５０ＣＳＴ程度でよい。
【００３６】
次に、図３に示したパターンに対する追加加工、すなわち開口部３１の周囲のハーフトーン膜２をエッチングして薄くする工程について、図８及び図９を用いて説明する。
【００３７】
まず、開口部３１のエッジの部分、開口部３１の内側の部分及び開口部３１の外側の部分を含む領域にビーム照射領域４４を設定する。続いて、図９（ａ）に示すように、ハーフトーン膜２のエッチングレートに対する透光性基板１のエッチングレートの比を下げる所定のガス雰囲気（例えば、ヨウ素ガス雰囲気）中において、ビーム照射領域４４にＧａイオンビーム５３を照射する。これにより、図９（ｂ）に示すように、透光性基板１がほとんどエッチングされることなく、開口部３１の周囲のハーフトーン膜２が選択的にエッチングされ、ハーフトーン膜２の膜厚が薄くなる。エッチングによって除去されるハーフトーン膜２の厚さは、露光光の位相に換算して９０度である。
【００３８】
開口部３１を通過する露光光の位相と、周囲部３２を通過する露光光の位相との位相差が９０度となるようにするためには、透光性基板１をほとんどエッチングすることなく、ハーフトーン膜２の厚さを所定の厚さ（エッチング前の半分の厚さ）にする必要がある。本実施形態では、所定のガス雰囲気中でイオンビーム照射を行うことにより、ビーム照射領域４４を開口部３１の内側及び外側の両方の部分を含むように設定しても、透光性基板１がほとんどエッチングされることなく、ハーフトーン膜２の厚さを所定の厚さにすることが可能となる。したがって、ＦＩＢ装置ように水平及び垂直の２方向にしかビームをスキャンすることができない装置を用いても、高精度のモニタマークを短時間で形成することが可能である。
【００３９】
以下、具体的な工程例を説明する。
【００４０】
すでに述べたクオーツ基板のエッチング工程と同様、図８に示すように、開口部３１の先端から約１／３程度の領域が２０μｍ角の観察領域４１に含まれるようにステージ位置を調整し、さらにビーム照射領域４４の設定を行う。
【００４１】
次に、図９（ａ）に示すように、処理チャンバー内にヨウ素ガスを導入し、処理チャンバー内の圧力を２×１０-3Ｐａに設定する。続いて、中間アパーチャー開放、プローブ電流６５ｐＡ、ビーム滞留時間５μ秒／ピクセル、加速電圧２０ｋＶ、ドーズ量２０ＣＳＴの条件で、ビーム照射領域４４にＧａイオンビームを照射する。このようなヨウ素ガスを用いたガスアシストエッチングにより、クオーツ基板１のエッチレートが著しく下がり、ＭｏＳｉ膜２のみが選択的にエッチングされる。なお、ガスアシスト効果を増すために、対物レンズの電圧を変化させてビームをぼかすようにしてもよい。
【００４２】
このようにして、図９（ｂ）に示すように、クオーツ基板１がほとんどエッチングされることなく、ＭｏＳｉ膜２が選択的にエッチングされ、ＭｏＳｉ膜２の膜厚がエッチング前の膜厚（１００ｎｍ）の半分（５０ｎｍ）になる。なお、エッチング後のクオーツ基板１の透過率は約５０％、ＭｏＳｉ膜２の透過率は約２０％、開口部３１のサイドエッチング幅は約４０ｎｍであった。
【００４３】
なお、上述した例では、露光波長２４８ｎｍの場合を想定して説明したが、露光波長１９３ｎｍの場合にはＭｏＳｉ膜の厚さが薄いため、Ｇａイオンビームのドーズ量を１６ＣＳＴ程度に減らすことができる。
【００４４】
以上のようにして得られたフォーカスモニタマークを、フォーカス位置を変化させながらウエハ上に転写し、転写されたモニタマークの長手方向の寸法を測定する。そして、モニタマークの寸法差をフォーカス位置に対応させてデータ化しておくことで、実際にデバイスパターンを転写する際にフォーカス位置を特定することができる。
【００４５】
（実施形態２）
次に、第２の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法について説明する。
【００４６】
本実施形態は、第１の実施形態に対し、図２に示したパターンに対する追加加工工程、すなわち透光性基板１の開口部２１に対応した部分をエッチングする工程を変更したものである。第１の実施形態では、２回のエッチング（Ｇａイオン照射）を行うことで所定の深さを有する穴５を形成したが、本実施形態では、１回のエッチングによって所定の深さを有する穴５を形成する。以下、図１０及び図１１を参照して、本実施形態を説明する。
【００４７】
まず、図１０（ａ）に示すように、開口部２１のエッジの部分、開口部２１の内側の部分及び開口部２１の外側の部分を含む領域にＧａイオンビーム５４を照射する。このとき設定されるビーム照射領域は、第１の実施形態で示した図６の場合と同様である。本実施形態では、遮光膜（Ｃｒ膜）３のエッチングレートに対する透光性基板（クオーツ基板）１のエッチングレートの比（選択比）を上げる所定のガス雰囲気（例えば、ＸｅＦ2 ガス雰囲気）中において、ビーム照射領域４４（図６参照）にＧａイオンビーム５４を照射する。これにより、図１０（ｂ）に示すように、開口部２１に対応した部分の透光性基板１がエッチングされるとともに、開口部２１の周囲の遮光膜３がエッチングされる。その結果、開口部２１に対応した穴５が形成されるとともに、開口部２１の周囲の遮光膜３の厚さが薄くなる。穴５の深さは、露光光の位相に換算して９０度である。
【００４８】
Ｇａイオンビームによるエッチングは物理的作用が主体であるため、上述したようなガスを用いない場合には、エッチングの選択比を高めることは難しい。ＸｅＦ2 ガス雰囲気中でＧａイオンビーム照射を行うことにより、選択比を高めることができる。したがって、遮光膜（Ｃｒ膜）３をハーフトーン膜（ＭｏＳｉ膜）２に対するマスクとして確実に機能させることができ、１回のエッチングによって所定の深さを有する穴５を形成することができる。
【００４９】
具体的には、露光波長２４８ｎｍの場合には選択比が２．０６程度以上、露光波長１９３ｎｍの場合には選択比が１．４６程度以上であれば、１回のエッチングによって所定の深さを有する穴５を形成することが可能である。
【００５０】
次に、図１１に示すように、遮光膜３をエッチングして、開口部２１の周囲のハーフトーン膜２の表面を露出させる。具体的には、フォーカスモニタマークが形成されている領域以外をレジストパターンで覆い、フォーカスモニタマークが形成されている領域の遮光膜３をウエットエッチングなどによって選択的に除去すればよい。レジストパターンの露光には、レーザー修正機のような簡易露光装置を用いればよい。
【００５１】
このように、本実施形態では、所定のガス雰囲気中でＧａイオンビームを照射することにより、遮光膜をハーフトーン膜に対するマスクとして確実に機能させることができ、１回のエッチングによって所定の深さを有する穴を形成することができる。したがって、ＦＩＢ装置ように水平及び垂直の２方向にしかビームをスキャンすることができない装置を用いても、斜め方向に延びた開口部のエッジを確実にトレースすることができ、高精度のモニタマークを短時間で形成することが可能である。
【００５２】
なお、適当なガスを用いる或いはガス雰囲気を調整するなどによって、選択比を適当な値に設定することも可能である。また、後述するように、位相差が９０度でなくてもフォーカスモニタを行うことは可能でるため、最終的に必要とされる穴５の深さを変更することも可能である。これらの場合には、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、穴５の深さが所望の深さになった時点で、ハーフトーン膜２の表面を露出させることができる。したがって、図１１に示したような遮光膜３のエッチング工程を省略することが可能であり、工程の簡略化をはかることができる。
【００５３】
以上、第１及び第２の実施形態について説明したが、これらの実施形態は以下のような変更が可能である。
【００５４】
上述した第１及び第２の実施形態では、開口部を通過する露光光の位相と周囲部を通過する露光光の位相の位相差を９０度としたが、位相差は９０度には限定されない。
【００５５】
図１３は、位相差を変化させた時のデフォーカスと寸法差の関係を示したものである。この図からわかるように、位相差が６０度、９０度及び１２０度において傾きがほぼ一定であることがわかる。図１４は、位相差を９０度に設定したときの、位相精度と感度ばらつき（感度の低下量に対応）との関係を示したものである。すなわち、位相差を９０度に設定した場合の位相誤差量を横軸に、感度ばらつき量を縦軸に示したものである。この図から、位相精度が３０度より大きくなると、感度ばらつき量が急激に増加することがわかる。以上のことから、位相差は、６０度以上１２０度以下の範囲であればよい。
【００５６】
また、上述した第１及び第２の実施形態では、菱形状のフォーカスモニタマークを用いたが、楔型のマークを用いてもよい。要するに、開口部の少なくとも一部が、一方向に向かってパターン幅がしだいに狭くなっているようなパターンであればよい。
【００５７】
また、上述した第１及び第２の実施形態では、３種類のモニタマークのサイズ関係については特に言及しなかったが、各モニタマーク間の露光量を一定にする観点から、以下のような関係を有していることが望ましい。マイナス位相シフト用の開口部２１のサイズは、リファレンス用の開口部１１のサイズよりも大きいことが望ましい。すでに述べたように、Ｇａイオンビーム照射によって透光性基板１の透過率が低下するため、露光量も低下する。開口部２１のサイズを大きくすることで、露光量を増大させることができる。プラス位相シフト用の開口部３１のサイズは、リファレンス用の開口部１１のサイズよりも小さいことが望ましい。プラス位相シフト領域では、開口部３１の周囲のハーフトーン膜がエッチングされるため、露光量が増加する。開口部３１のサイズを小さくすることで、露光量を低下させることができる。
【００５８】
また、理想的には、フォーカスモニタは、露光時の露光ドーズ量によらず、フォーカス位置のみで寸法特性が決まるような性質を持つが、実際にはドーズ量の影響を受ける場合がある。このような場合は、ドーズ量をモニタするためのパターンを併用して正確なドーズ量を把握し、それを転写結果にフィードバックすることで、影響を減らすことが可能である。
【００５９】
（実施形態３）
本実施形態は、第１及び第２の実施形態で説明したようなマスクを用いた半導体装置の製造方法に関するものである。以下、図１５に示したフローチャートを参照して説明する。
【００６０】
まず、露光装置にマスクをセットする（Ｓ１）。続いて、セットされたマスクを用いて露光処理を行い、ウエハ（半導体基板）上のレジストにパターンを転写し（Ｓ２）、さらにレジストの現像処理を行う（Ｓ３）。次に、現像処理によって得られたレジストパターンについて、各フォーカスモニタマークの寸法を測定し（Ｓ４）、それらの寸法差を求める（Ｓ５）。すなわち、現像処理によって得られたレジストパターンについて、リファレンス領域に形成されたフォーカスモニタマークとマイナス位相シフト領域に形成されたフォーカスモニタマークとの寸法差、リファレンス領域に形成されたフォーカスモニタマークとプラス位相シフト領域に形成されたフォーカスモニタマークとの寸法差、或いは、プラス位相シフト領域に形成されたフォーカスモニタマークとマイナス位相シフト領域に形成されたフォーカスモニタマークとの寸法差を求める。続いて、予め求めておいた較正曲線に基づき、得られた寸法差に対応したデフォーカス量を求める（Ｓ６）。
【００６１】
上述した処理を、例えばあるロットの所定枚数のウエハに対して行い、得られたデフォーカス量の平均値をそのロットのデフォーカス量として決定する。そして、平均デフォーカス量に基づいて、露光装置のフォーカス位置を修正する（Ｓ７）。その後、フォーカス位置が修正された露光装置により、上記マスクを用いて、その次のロットのウエハにパターンを転写する（Ｓ８）。
【００６２】
上述した処理を各ロットについて行うことにより、常に最適なフォーカス位置で各ロットの処理を行うことができ、半導体装置の歩留まりや特性を向上させることが可能となる。
【００６３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、荷電ビームを用いて透光性基板やハーフトーン膜を正確かつ効率的にエッチングすることができ、高精度のモニタマークを短時間で形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図３】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図４】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図５】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図６】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図７】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図８】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図９】 本発明の第１の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図１０】 本発明の第２の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図１１】 本発明の第２の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法を説明するための図である。
【図１２】 本発明の第２の実施形態に係るフォーカスモニタ用マスクの製造方法の変更例を説明するための図である。
【図１３】デフォーカス量と寸法差との関係について示した図である。
【図１４】位相精度と感度ばらつきとの関係について示した図である。
【図１５】本発明の実施形態に係るマスクを半導体装置の製造に適用した場合の工程を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１…透光性基板、 ２…ハーフトーン膜、
３…遮光膜、 ４、５…穴、
１１、２１、３１…開口部、 １２、２２、３２…周囲部
４１…観察領域
４２、４３、４４…ビーム照射領域
５１、５２、５３、５４…Ｇａイオンビーム
Claims (12)
- 透光性基板の表面領域に、第１の開口部と、前記第１の開口部に対応したパターン形状を有し且つ前記透光性基板上のハーフトーン膜と該ハーフトーン膜上の遮光膜との積層膜に囲まれた第２の開口部と、を形成する工程と、
前記第２の開口部のエッジの部分、前記第２の開口部の内側の部分及び前記第２の開口部の外側の部分を含む第１の領域に荷電ビームを照射して、前記第２の開口部の外側の遮光膜をマスクとして第２の開口部の内側の透光性基板をエッチングする工程と、
を備えたことを特徴とするフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 前記第１の領域に荷電ビームを照射する工程の前に、前記第２の開口部の内側であって第２の開口部のエッジから離間した第２の領域に荷電ビームを照射して、前記第２の領域の透光性基板をエッチングする工程をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１に記載のフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 前記第１の領域に荷電ビームを照射する工程において、前記第２の開口部の外側の遮光膜がエッチングされ、前記第２の開口部の外側のハーフトーン膜の表面が露出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 前記第１の領域に荷電ビームを照射する工程の後、前記第２の開口部の外側の遮光膜をエッチングして、前記第２の開口部の外側のハーフトーン膜の表面を露出させる工程をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 前記第１の領域への荷電ビームの照射によって透光性基板がエッチングされた前記第２の開口部の内側の領域を通過する露光光と、前記ハーフトーン膜の表面が露出した前記第２の開口部の外側の領域を通過する露光光との位相差は、６０度以上１２０度以下である
ことを特徴とする請求項３又は４に記載のフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 前記第１の領域に荷電ビームを照射する工程は、前記遮光膜のエッチングレートに対する前記透光性基板のエッチングレートの比を高めるガス雰囲気中で行われる
ことを特徴とする請求項１に記載のフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 前記第２の開口部のサイズは、前記第１の開口部のサイズよりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載のフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 透光性基板の表面領域に、第１の開口部と、前記第１の開口部に対応したパターン形状を有し且つ前記透光性基板上のハーフトーン膜に囲まれた第２の開口部と、を形成する工程と、
前記第２の開口部のエッジの部分、前記第２の開口部の内側の部分及び前記第２の開口部の外側の部分を含む第１の領域に荷電ビームを照射して、第２の開口部の外側のハーフトーン膜をエッチングし、ハーフトーン膜を薄くする工程と、
を備え、
前記ハーフトーン膜のエッチングは、前記透光性基板に対して前記ハーフトーン膜を選択的にエッチングすることが可能なガス雰囲気中で行われる
ことを特徴とするフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 前記第２の開口部の内側の領域を通過する露光光と、前記ハーフトーン膜がエッチングされた前記第２の開口部の外側の領域を通過する露光光との位相差は、６０度以上１２０度以下である
ことを特徴とする請求項８に記載のフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 前記第２の開口部のサイズは、前記第１の開口部のサイズよりも小さい
ことを特徴とする請求項８に記載のフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 前記第２の開口部の少なくとも一部は、一方向に向かってパターン幅がしだいに狭くなっている
ことを特徴とする請求項１又は８に記載のフォーカスモニタ用マスクの製造方法。 - 請求項１又は８に記載の製造方法によって形成されたマスクを用いて露光装置により基板上にパターンを転写する工程と、
前記転写されたパターンに含まれる前記第１の開口部に対応した第１のマークパターン及び前記第２の開口部に対応した第２のマークパターンの寸法を求める工程と、
前記求められた寸法に基づいてデフォーカス量を求める工程と、
前記求められたデフォーカス量に基づいて前記露光装置のフォーカスを調整する工程と、
前記フォーカスが調整された露光装置により前記マスクを用いて半導体基板上にパターンを転写する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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