JP4262091B2 - 減衰位相シフト反射マスクにより半導体ウェハ上にパターンを形成するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、半導体の製造に関し、特に減衰位相シフト反射リソグラフィに関する。

現在、半導体の製造の際に、パターン化された層を形成するために透過性光学フォトリソグラフィが使用されている。フォトリソグラフィ中、半導体デバイスのフィーチャの分解能は光源の波長に正比例するので、デバイスの寸法が小さくなるにつれて光源の波長を短くする必要がある。約７０ナノメートル以下にデバイスの寸法をパターン化するための１つの選択肢は、極紫外線（ＥＵＶ）領域内の波長を有する光源を使用する方法である。本明細書においては、ＥＵＶ領域は、約４〜２５ナノメートル、より詳細には、１３〜１４ナノメートルの間の特徴的な波長を有する。ＥＵＶ領域内の波長に露光した場合に、ＥＵＶ放射線を透過する材料を発見することは困難であるので、ＥＵＶは、透過モードとは対照的に反射モードで動作する。それ故、ＥＵＶマスクは、本来反射性のものであり、電子投影リソグラフィまたはイオン投影リソグラフィのような光学フォトリソグラフィまたは他の技術の選択子用のマスクのように透過性のものではない。

減衰位相シフトの概念は、透過性光学フォトリソグラフィの小さなフィーチャの解像度を改善するために使用されてきたもので、ＥＵＶリソグラフィにも使用することができる。透過性光学フォトリソグラフィの場合には、マスク基板の厚さは、位相シフト減衰層を形成するために変化する。しかし、ＥＵＶマスクの厚さを変更すると、マスクの反射特性も変化するため、望ましくない。この問題の１つの解決方法は、マスクとしてフォトレジストを使用する減衰位相シフト層を形成する方法である。しかし、実際には、パターン転写プロセス中にマスク層としてフォトレジストを使用すると、パターン・エラーが発生し、そのためマスクを検査し修正しなければならなくなる。この場合、減衰位相シフト層を修正すると、下に位置する反射層に損傷を与えるばかりでなく、位相シフト特性も変化し、そのため、マスクの反射性が劣化し、それによりマスクが使用できなくなる。

それ故、マスクの反射層に損傷を与えないで、フォトレジスト・パターン転写の後で検査および修正を行うことができる減衰位相シフトＥＵＶマスクを形成するためのプロセスが必要とされている。

一実施形態のおいては、複数の交互になったモリブデン層およびシリコン層からなる反射層と減衰位相シフト層とを含むマスク基板が、ハードマスク層およびバッファ層を通して、あるパターンをフォトレジスト層から位相シフト層に転写することにより形成される。必要な場合には、ハードマスク層を修正することができる。減衰位相シフト反射マスクを使用して、所望のパターンを有する減衰位相シフト反射マスクから、半導体ウェハ上のフォトレジストに放射線を反射することにより、半導体ウェハ上にフォトレジスト層をパターン化して、フォトレジスト上に所望のパターンを露光する。図を参照すれば、本発明をよりよく理解することができる。

本発明は、例示としてのものであって、添付の図面により制限されるものではない。図
面中、類似の参照符号は類似の要素を示す。
当業者であれば、図面内の要素は、図をわかり易くまたはっきりさせるためのものであって、正確に縮尺したものでないことを理解することができるだろう。例えば、本発明のいくつかの実施形態の理解を助けるために、図面内の要素の中のあるものの寸法は他の要素に対して誇張されている。

図１は、マスク基板１０および反射層２０を含む減衰位相シフトマスク１００を形成するための出発点を示す。マスク基板１０は、低熱膨張（ＬＴＥ）材料である。この材料は、本明細書においては、＋／−２２℃において、ケルビン度当たり約３０ｐｐｍ（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ）以下である低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、本明細書においては、約５０ナノメートルのポリスチレン・ラテックス（ＰＳＬ）球相当より大きい欠陥がほぼゼロ未満である低い欠陥密度を有し、本明細書においては、約５０ナノメートルの山−谷の平面度より小さい低い表面粗さを有する。さらに、マスク基板１０は、マスクの製造プロセスおよび半導体デバイスの製造プロセス中、上に重なる層すべてを機械的に支持できなければならない。一実施形態の場合には、マスク基板はコーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）によって提供されるＵＬＥ（登録商標）ゼロ膨張ガラスのような高品質のシリカであってもよい。

反射層２０は、多層の積層体であり、好適には７ｎｍの周期性を有するシリコン層およびモリブデン層の４０対からなる積層体を含むことが好ましい。この場合、モリブデン層はマスク面に接触していて、シリコン層は反射層２０の最上面の層である。シリコンおよびモリブデン多層積層体を成膜するために、イオン・ビーム成膜（ＩＢＤ）、マグネトロン・スパッタリング、電子ビーム蒸着等も使用することができる。任意で、反射材料のキャッピング層を反射層２０上に形成することができる。

図２は、反射層２０、減衰位相シフト層３０、バッファ層４０、および修正可能な層（以下、「修正可能層」とする）、すなわちハードマスク層５０を形成した後のマスク１００である。減衰位相シフト層３０は、スパッタ成膜により反射層２０上に形成されたクロムまたはクロミウムであり得る。一般的に、減衰位相シフト層３０の厚さは約４０〜５０ｎｍで、この層は１８０度の位相シフトを行い、６〜１０％の減衰を行う。バッファ層４０は、シリコンおよび酸素を含む。より詳細に説明すると、バッファ層４０は、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）により成膜された酸窒化シリコンである。一般的に、バッファ層４０の厚さは約３０〜５０ｎｍである。一実施形態においては、バッファ層４０上には、スパッタ成膜により形成された、厚さ約５０〜８０ｎｍの窒化タンタル・シリコンの層である修正可能層５０上が存在する。さらに、反射層２０上に形成された複数の層は、多層の反射特性を劣化させる相互拡散が反射層２０内で起こらないようにするために、約１５０℃以下の温度で行われる任意のプロセスにより形成することができる。

図３は、修正可能層５０上に第１のフォトレジスト層６０が成膜され、パターン化されて、パターン化されたフォトレジスト層（以下、「パターン化フォトレジスト層」とする）６０が形成された後のマスク１００を示す。図８のところでの後の説明を読めばよりよく理解することができるように、パターン化フォトレジスト層６０内に形成された開口は、第２のフォトレジスト層が陽画のフォトレジストである場合には、半導体ウェハ上に形成される第２のフォトレジスト層内に形成される開口に対応する。第２のフォトレジストが陰画のフォトレジストである場合には、パターン化フォトレジスト層６０内に形成された開口は、第２のフォトレジスト層の露光後に残る第２のフォトレジスト層の部分に対応する。

図４は、パターン化フォトレジスト層６０がパターン化され、第１のマスクとしてパターン化フォトレジスト層６０を使用して、修正可能層５０がエッチングされて、パターン
化された修正可能層（以下、「パターン化修正可能層」とする）５５が形成された後のマスク１００を示す。すなわち、フォトレジスト層からの所望のパターンは、修正可能層５０に転写される。Ｃｌ_２のような塩素を含む化学薬品を反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）のようなプラズマ・エッチング・プロセス中に使用して、修正可能層５０の一部を除去することができる。修正可能層５０をエッチングした後で、パターン化フォトレジスト層６０がアッシュ・プロセスのような従来の方法により除去される。

図５は、パターン化修正可能層５５が形成された後のマスク１００を示す。次に、パターン化修正可能層５５は、約３６５〜１９３ｎｍの範囲内の深紫外線波長の光により検査される。パターン化修正可能層５５を所望のパターンと比較して、パターン化修正可能層５５の任意の部分が不適当に追加されていたり、または喪失しているかが判定される。何らかの欠陥が検出された場合には、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）により、パターン化修正可能層５５の一部を除去するか、またはタンタル、タングステン、プラチナ等のような金属７０を追加することにより、パターン化修正可能層５５を修正して、所望のパターンと一致させ、パターン化された修正済みの層（以下「パターン化修正済層」とする）を形成する。パターン化修正済層は、修正後および追加した場合には金属７０を追加した後のパターン化修正可能層５５を含む。

図６は、パターン化修正可能層５５を検査および修正した後のマスク１００を示す。パターン化修正済層を第２のマスクとして使用し、バッファ層４０をエッチングして、パターン化されたバッファ層（以下、「パターン化バッファ層」とする）４５を形成する。バッファ層４０は、ＣＨＦ_３のようなフッ素をベースとする化学薬品により、減衰位相シフト層３０に対して選択的にエッチングされ、パターン化バッファ層４５が形成される。湿式エッチングまたはプラズマ・エッチングのような乾式エッチングを使用することができる。バッファ層４０をパターン化した後で、修正可能層５０が塩素を含む化学薬品を使用する乾式エッチングで除去される。

図７は、パターン化バッファ層４５を第３のマスクとして使用し、減衰位相シフト層３０を反射層２０に対して選択的にエッチングして、パターン化された減衰位相シフト層（以下、「パターン化減衰位相シフト層」とする）３５を形成した後のマスク１００である。換言すれば、修正可能層５０からの所望のパターンが減衰位相シフト層に転写されて、減衰位相シフト反射マスク１００を形成する。パターン化減衰位相シフト層３５および反射層２０およびマスク基板１０は、減衰位相シフト反射マスク１００を形成する。減衰位相シフト層３０は、Ｃｌ_２およびＯ_２のような塩素および酸素を含む化学薬品により乾式エッチングされる。減衰位相シフト層３０をエッチングした後で、パターン化バッファ層４５が、フッ素を含む化学薬品を使用する乾式エッチングまたは湿式エッチングにより除去される。

図８は、半導体ウェハまたはデバイス１５０をパターン化するために、減衰位相シフト反射マスク１００を使用するフォトリソグラフィ・システム２１０である。フォトリソグラフィ・システム２１０は、レーザ１１０、プラズマ源１２０、集光光学系１３０、減衰位相シフト反射マスク１００、縮小光学系１４０および半導体デバイス１５０を含む。種々の光源がＥＵＶ放射線を供給することができるが、図面にはレーザ生成プラズマ源１２０を示す。この光源は、キセノン・ガス・ジェットのような超音波ガス・ジェットを作動させるために、Ｎｄ：ＹＡＧのような高電力パルス・レーザ１１０を使用する。キセノン原子クラスタは高温に加熱され、その結果プラズマ源１２０が形成される。プラズマ源１２０から、ＥＵＶ領域内の波長を有する放射線が放射され、集光光学系１３０により焦光され、コリメートされた光または放射線１３５，１３７になる。コリメートされた光１３５はマスク１００の直交軸に対して通常、約５度である、ある角度でマスク１００上に投影され、反射される。減衰位相シフト層３０から反射した光１３５は、マスク１００の反
射層２０を露光する開口１３８からの反射光１３７からの反射光の強度の約６〜１０％である。換言すれば、減衰位相シフト層の厚さは、シフト減衰層を通して、反射層から反射する放射線に対して少なくとも９０％減衰して、放射線を反射させるのに十分な厚さである。反射層２０と減衰位相シフト層３０との間の界面からの反射光１３５は、光１３７に対して位相が１８０度ずれている。反射光は、マスク１００上のパターンを縮小するために、光を反射する収縮光学系１４０を介して進む。通常、縮小光学系１４０は、マスク１００上のパターンを４倍または５倍縮小する。縮小光学系１４０から、光１３５，１３７は、半導体デバイス１５０上の第２のフォトレジスト層を照射する。半導体デバイス１５０は、第２のフォトレジスト層および半導体基板１６０を備える。半導体基板１６０は、好適には、単結晶シリコンであることが好ましいが、ガリウムヒ素、ゲルマニウム等のような任意の他の半導体材料であってもよい。半導体基板１６０は、半導体基板１６０内または第２のフォトレジスト層の下に形成された、任意の数の層または構造を有することができる。第２のフォトレジスト層が陽画である場合には、位相シフトしていない光１３５が第１の領域１８０を露光し、位相シフトした光１３７はフォトレジストの第２の領域１７０を露光しない。陰画のフォトレジストを使用する場合には、反対のシナリオとなる。

上記減衰位相シフト反射マスクを形成することにより、減衰位相シフト層を損傷しないで、マスクの検査および修正を行うことができる。さらに、小さな直径の半導体ウェハ上でフォトレジストをパターン化するために、欠陥のない層を含むマスクが形成される。

上記以外の他の材料も減衰位相シフトマスク１００上の層を形成するために使用することができる。例えば、反射層２０は、ベリリウムおよびモリブデンの多層積層体または適当な反射率を有する任意の他の１つの層または複数の層を含むことができる。減衰位相シフト層３０は、ルテニウムおよびゲルマニウムを含むことができ、または複数の層を含むことができる。例えば、位相シフト層３０は、クロムまたはクロミウム層上の酸化クロムまたは酸化クロミウム層であってもよい。酸化タンタル・シリコン、窒化タンタル、タングステン、窒化チタン等のような任意の耐熱性の金属を含む材料を修正可能層５０に使用することができる。

上記明細書においては、特定の実施形態を参照しながら本発明を説明してきた。しかし、通常の当業者であれば、下記の特許請求の範囲に記載する本発明の範囲から逸脱することなしに、種々の修正および変更を行うことができることを理解することができるだろう。従って、本明細書および図面は、本発明を制限するものではなく例示としてのものであると見なすべきであり、このようなすべての修正は本発明の範囲に含まれる。

特定のいくつかの実施形態を参照しながら、有利な点、他の利点およびいくつかの問題に対する解決方法を説明してきた。しかし、上記の有利な点、利点およびいくつかの問題に対する解決方法、および任意の有利な点、利点または解決方法をもっと優れたものにすることができる任意の要素は、任意またはすべての請求項の重要な、必要なまたは本質的な機能または要素と見なすべきではない。本明細書においては、「備える」、「備えている」またはその任意の他の派生語は、プロセス、方法、物品または一連の要素を備える装置が、これらの要素だけを含んでいるだけでなく、明示していない他の要素またはこのようなプロセス、方法、物品または装置に固有な他の要素を含むことができるように、非排他的な含有物をカバーするために使用している。

本発明のある実施形態による反射層を形成した後のマスク基板の一部を示す図。 減衰位相シフト層、バッファ層、およびハードマスク層を形成した後の図１のマスクを示す図。 パターン化されたフォトレジスト層形成後の図２のマスクを示す図。 ハードマスク層をパターン化した後の図３のマスクを示す図。 ハードマスク層を修正した後の図４のマスクを示す図。 バッファ層をパターン化した後の図５のマスクを示す図。 減衰位相シフト層をパターン化した後の図６のマスクを示す図。 半導体デバイスをパターン化するために図７のマスクを使用する方法を示す図。

Claims (2)

1. 減衰位相シフト反射マスクを用いて、半導体ウェハ上に第１のフォトレジスト層をパターン化するための方法であって、
   反射層（２０）を有するマスク基板（１０）を提供する工程と、
   前記反射層（２０）上に減衰位相シフト層（３０）を成膜する工程と、
   前記減衰位相シフト層（３０）上にバッファ層（４０）を成膜する工程と、
   前記バッファ層（４０）上に修正可能層（５０）を成膜する工程と、
   前記修正可能層（５０）上に第２のフォトレジスト層（６０）を成膜する工程と、
   前記第２のフォトレジスト層（６０）をパターン化して、パターン化フォトレジスト層（６０）を形成する工程と、
   前記パターン化フォトレジスト層（６０）を第１のマスクとして使用し、前記修正可能層（５０）をエッチングして、パターン化された修正可能層（５５）を形成する工程と、
   前記パターン化フォトレジスト層（６０）を除去する工程と、
   前記パターン化された修正可能層（５５）を検査し、修正して、パターン化された修正済層（５５，７０）を形成する工程と、
   前記パターン化された修正済層（５５，７０）を第２のマスクとして使用し、前記バッファ層（４０）をエッチングして、パターン化されたバッファ層（４５）を形成する工程と、
   前記パターン化された修正済層（５５，７０）を除去する工程と、
   前記パターン化されたバッファ層（４５）を第３のマスクとして使用して、前記減衰位相シフト層（３０）をエッチングする工程と、
   前記パターン化されたバッファ層（４５）を除去して、減衰位相シフト反射マスク（１００）を形成する工程と、
   半導体ウェハ（１４０）に第１のフォトレジスト（１７０，１８０）を塗布する工程と、
   前記半導体ウェハ（１４０）上の前記第１のフォトレジスト（１７０，１８０）に、前記減衰位相シフト反射マスク（１００）から放射線を反射させて、前記フォトレジスト上に露光パターンを形成する工程とを含み、
   さらに、前記バッファ層（４０）をエッチングした後で、前記パターン化されたバッファ層（４５）を検査する工程と、
   前記パターン化されたバッファ層（４５）が欠陥を有している場合に、前記パターン化されたバッファ層（４５）を修正する工程とを含む方法。
2. 前記バッファ層（４０）はプラズマ強化化学蒸着により成膜された酸窒化シリコンである請求項１に記載の方法。

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