JP4483355B2 - 極限紫外線露光用マスクブランク及びマスク並びに転写方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造プロセス中の、波長１０〜１５ｎｍ程度のいわゆるＥＵＶ（Extreme Ultra Violet＝極限紫外線）露光を用いたフォトリソグラフィ工程で使用される、極限紫外線露光用マスク（以下、ＥＵＶマスク）、及びそのマスクを作製するためのブランク、並びにそのマスクを用いたパターン転写方法に関するものである。

半導体集積回路の微細化技術は常に進歩しており、微細化のためのフォトリソグラフィ技術に使用される光の波長は次第に短くなってきている。光源としては、現状、これまで使用されて来たＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）からＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）に切り替わりつつあり、さらにその次にはＦ２エキシマレーザ（波長１５７ｎｍ）の使用が提案され、開発が行われている。

しかしながら、Ｆ２エキシマレーザをもってしても、将来的な５０ｎｍ以下の線幅を有するデバイスを作製するためのリソグラフィ技術として適用するには、露光機やレジストの課題もあり、容易ではない。このため、エキシマレーザ光より波長が一桁以上短い（１０〜１５ｎｍ）極限紫外線を用いた、ＥＵＶリソグラフィの研究開発が進められている。

ＥＵＶ露光では、上述のように波長が短いため、物質の屈折率がほとんど真空の値に近く、材料間の光吸収の差も小さい。このため、ＥＵＶ領域では従来の透過型の屈折光学系が組めず、反射光学系となり、従ってマスクも反射型マスクとなる。図２は従来のＥＵＶマスクの例を断面で示した説明図である。これまで開発されてきた一般的なＥＵＶマスクは、Ｓｉウェハーやガラス基板１１上に、例えばＭｏとＳｉからなる２層膜を４０対ほど積層した多層膜１２および多層膜１２を保護するキャッピング層１３を高反射領域とし、その上に低反射領域として吸収膜１５および緩衝膜１４のパターンを形成した構造であった。緩衝膜１４は、吸収膜のパターニングや欠陥修正の際に、キャッピング層や多層膜へのダメージを軽減する役割を果たす。

高反射領域の多層膜１２は、屈折率差が大きく、吸収がなるべく小さな２種類の膜を交互に積層し、隣接する２層から成る層対の厚さを露光波長の略２分の１として、２層膜を４０対程度成膜したものである。この結果、各層対からの僅かな反射成分が干渉して強め合い、直入射に近い６°程度の斜め入射のＥＵＶ光に対して比較的高い反射率を得ることが可能となる。

ＥＵＶマスクの転写特性を左右するもっとも基本的な特性は、露光光に対する高反射領域と低反射領域の反射率の比、すなわちコントラストである。コントラストは便宜上次のＯＤ（Optical density）の値で評価される。

ＯＤ＝−log₁₀（Ｒａ／Ｒｍ）
ここで Ｒａ：低反射領域の反射率 Ｒｍ：高反射領域の反射率
ＯＤは転写特性上２〜３位が好適である。

公知文献を以下に示す。
小川「ＥＵＶリソグラフィの反射型マスク用多層膜」（光技術コンタクト、 Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．５、２００１、日本オプトメカトロニクス協会）ｐ．２９２ 特開２００２−１２２９８１号公報

ＥＵＶ露光は波長が短く、反射光を使った露光であり、光がマスク面に対して斜めに入射するため、斜影効果と呼ばれる、パターンの影が反射光強度分布に影響を与え、転写ウェハ上の線幅精度が悪くなってしまうという問題があり、吸収膜の微細なパターニング（エッチング）の観点からも、吸収膜の薄膜化が望まれていた。また、吸収膜膜厚のわずかな誤差や面内ばらつきによってＯＤ値が変化しやすいという問題があった。ＯＤ値が不安定になると、マスクパターンをウェハー上に転写したときの線幅精度が劣化するという問題を引き起こすことになる。

本発明は、かかる問題に対する対策を提供するものであり、露光光に対するＯＤ値が吸収膜膜厚による影響をうけにくいよう、吸収膜材料を規定した、ＥＵＶ露光用マスクブランク及びそれを用いたマスク並びに転写方法を提供することを課題とする。

本発明の請求項１に係る発明は、基板上に、露光光の高反射部となる多層膜が形成され、前記多層膜上に露光光の低反射部となる吸収膜が形成された極限紫外線露光用マスクブランクにおいて、前記吸収膜は、膜厚とコントラストの特性から、前記吸収膜の露光光に対する反射率が極小値付近となるよう、前記吸収膜の膜厚が設定されており、前記吸収膜が２層以上の薄膜からなり、吸収膜の最上層を構成する薄膜が、Ｓｉであるか、若しくはＳｉを主たる構成元素とする材料であることを特徴とする極限紫外線露光用マスクブランクである。

本発明の請求項２に係る発明は、前記吸収膜の最上層を構成する薄膜のうちのＳｉを主たる構成元素とする材料において、全原子数に対するＳｉの原子数比が９０％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の極限紫外線露光用マスクブランクである。

本発明の請求項３に係る発明は、請求項１または２のいずれか１項に記載の極限紫外線露光用マスクブランクを用い、前記多層膜上の露光光の低反射部となる吸収膜にパターンが形成されたことを特徴とする極限紫外線露光用マスクである。

本発明の請求項４に係る発明は、請求項３に記載の極限紫外線露光用マスクを露光装置に設置し、前記マスクを用いたリソグラフィ法による露光転写を行ない、パターン形成を行なうことを特徴とするパターン転写方法である。

本願のＥＵＶマスクブランク及びマスクでは、吸収膜の膜厚がわずかにばらついても、ＯＤ値の変化が小さく、結果として、多層膜反射部と吸収膜との反射率の比で表せるコントラストにバラツキが無くなり、パターン転写に必要な十分な強度の反射光が安定して得られる。

更に、本発明のパターン転写方法によると、試料基板上に形成されたレジストに対し、精度良いパターン露光が長期間可能となり、その結果、電子デバイス等のパターンの製造を、高い歩留まりで行う事が出来る。

以下本発明を実施するための形態について説明する。

図３は、本願発明のマスクに係る吸収膜と緩衝膜の組み合せを変えて、吸収膜膜厚に対してＯＤ値を計算して求めた、膜厚とコントラストの特性の例である。横軸が吸収膜の膜厚（単位Å）、縦軸がＯＤ値である。吸収膜としてはＴａＮまたはＣｒ、緩衝膜としてはＳｉＯ₂またはＲｕを用いている。吸収膜／緩衝膜の組み合わせとして、ＴａＮ／ＳｉＯ₂、Ｃｒ／ＳｉＯ₂、ＴａＮ／Ｒｕを例示した。これらは現在、主として提案されている材料である。ＥＵＶ光は波長１３．５ｎｍ、斜め６°入射、多層膜はＭｏとＳｉの４０対、キャッピング層はＳｉ１１０Å厚、緩衝膜膜厚は図３（ａ）で２００Å、（ｂ）では５００Åとして計算している。

図３から分かるように、ＥＵＶ露光は波長が短く、反射光を使った露光であるために、膜材料や緩衝膜膜厚に依らず、ＯＤ値は周期的に変化しており、吸収膜の膜厚のわずかな誤差や面内ばらつきによる影響を受け易い。
この影響を低減する第一の方法は、吸収膜膜厚を図でＯＤ値が極値になるような膜厚付近に設定することである。その際、ＯＤ値は大きい方が膜厚を薄くできるので、ＯＤ値の極大値に合わせることになる。ＯＤ値が極大ということは、ＯＤ値の定義式より、吸収膜を含む低反射領域の反射率を極小値になるよう、膜厚を設定することである。ＯＤ値は極値から１割程度の低下までは、パターン転写精度に影響が出ない。従って吸収膜の膜厚は、それぞれＯＤ極値から１割程度減少したＯＤ値に対応する膜厚の範囲内になるようにすればよい。

しかしながら図３から分かるように、ＯＤ値の極大値付近の幅は狭く、膜厚の変化によりＯＤ値は変化しやすく、膜厚の制御には厳しい精度が求められる。この負担を軽減したほうが好ましい。この方法として、吸収膜の上層膜として反射防止効果を持つ膜を付け、反射率を低下させる方法が考えられる。しかし、ＥＵＶ波長では材料の屈折率がほとんど真空の値（＝１）に近く似通っており、光吸収はいずれも大きく材料間の差は小さい。このため完全な反射防止効果を満たす材料を見付けることは容易ではない。

ところで薄膜材料の光学特性は光学定数、すなわち屈折率（１−δ）と消衰係数（β）によって計算できる。計算で確認したところ、Ｓｉがそのような反射率低減効果を付与するための上層膜材料として有望であることが分かった（図４）。

図４は吸収膜の上層膜としてのＳｉの膜厚を変えてＯＤ値を計算した例である。吸収
膜の下層膜はＴａＮの８００Å厚、緩衝膜はＳｉＯ₂の３００Å厚としている。なお、
吸収膜の下層膜を使わず、すべてＳｉのみで吸収膜とすることは、Ｓｉのβが小さいた
めにＯＤ値が上がらず、吸収膜に大きな膜厚を要することとなるので不可である。

図４を図３と比べると分かるように、図４では膜厚変化に対するＯＤ値の変化幅が小さい。従って膜厚むらに対して安定したＯＤ値が得られ、線幅精度の向上につながる。

以上のことから、Ｓｉに近い光学定数の材料を使えば、Ｓｉと同様の効果が期待できる。

図５は各種材料の１３．５ｎｍにおける光学定数を図示したものである。図から分かることは、Ｓｉの光学定数はかなり特殊であるということである。すなわち屈折率（１−δ）が大きく、消衰係数（β）が小さい。確認した結果、単体の材料でＳｉと同等の効果を得ることは難しいことが分かった。

ところでＥＵＶマスクにおける成膜工程では通常スパッタリング法が用いられるが、特にＳｉのスパッタリングにおいては、Ｓｉの導電性が低いために、パーティクルなどの膜欠陥が発生しやすい場合があることが知られている。これに対する対策として、Ｓｉに金属を混ぜた材料を使う方法がある。金属を混ぜることによって光学定数はＳｉとは異なってくるが、ある程度以上Ｓｉの割合を大きくすれば、Ｓｉの光学定数に十分近くなり、本目的に合うはずである。

図６は、金属に対するＳｉの組成比を変えていったときの光学定数の様子を表した図で
ある。このようにＳｉ組成比の増加とともにＳｉの光学定数に近づいていく。

次にＺｒＳｉｘを例に、Ｓｉ組成比を変えたときの光学定数を使って、図４と同じ条件でＯＤ値を計算した結果を図７に示す。図で（ａ）は、吸収膜上層がＺｒＳｉ₂の場合、（ｂ）は吸収膜上層がＺｒＳｉ₉の場合、（ｃ）は吸収膜上層がＺｒＳｉ₄₉の場合を示す。

図７において、ＺｉＳｉ₂の場合はまだＯＤ値の変化幅が大きく良くないが、ＺｉＳｉ₉以降ではかなり小さくなり、本目的に合うと考えられる。従って、Ｓｉ組成比の好適な範囲は全原子数に対するＳｉの原子数比がおよそ９０％以上である。

本発明のＥＵＶマスクブランクやマスクは、基本的には従来どおりのマスク作製プロセスに準拠して作製できる。図１は本発明のＥＵＶマスクの例を断面で示した説明図である。すなわち、Ｓｉウェハーやガラス基板１上に、例えばＭｏとＳｉからなる多層膜２、およびＳｉなどからなるキャッピング層３を、通常のマグネトロンスパッタリング法やイオンビームスパッタリング法などにより、積層して高反射領域とする。その上に低反射領域として、まず通常のマグネトロンスパッタリング法などにより緩衝膜４を形成する。その後吸収膜として、図１（ａ）においては単層膜の吸収膜５、図２（ｂ）の場合は２層以上の多層膜からなる吸収膜６、７を成膜する。このときそれぞれの吸収膜は露光光に対する反射率が極小値付近となるような膜厚に設定する。このようにして本発明のＥＵＶマスク用ブランクが完成する。以下、通常のマスク作製プロセスに従って、パターニングを行い、本発明のＥＵＶマスクを作製する。すなわち、前記ブランク上に電子線レジストを塗布し、ベーキングを行った後、通常の電子線描画を行い、現像してレジストパターンを形成する。その後、このレジストパターンをマスクにして、吸収膜５（図１（ａ））、または吸収膜６、７（図１（ｂ））をドライエッチング等によりパターニングを行う。その後、緩衝膜のドライエッチングやウェットエッチングを行い、パターニングとともにキャピング層上の緩衝膜を剥離する。最後にレジストを剥離して、本発明のマスクが完成する。

このようにして本発明のＥＵＶマスクブランクやマスク（図１（ａ）、（ｂ））が出来上がるが、マスクの仕様、目的によっては、緩衝膜４と吸収膜下層膜７を同一の材料で形成したマスクブランク、マスクとすることも可能である。

このように作製したＥＵＶマスクは、吸収膜の膜厚がわずかにばらついても、ＯＤ値の変化が小さく、結果として、多層膜反射部と吸収膜との反射率の比で表せるコントラストにバラツキが無くなり、パターン転写に必要な十分な強度の反射光が安定して得られる。

本発明によるフォトマスクを用いたパターン転写方法は、例えば、先ず被加工層を表面
に形成した基板上にフォトレジスト層を設けたのち、本発明によるフォトマスクを介して反射した極限紫外線を選択的に照射する。

次いで、現像工程において不必要な部分のフォトレジスト層を除去し、基板上にエッチングレジスト層のパターンを形成させたのち、このエッチングレジスト層のパターンをマスクとして被加工層をエッチング処理し、次いで、エッチングレジスト層のパターンを除去することにより、フォトマスクパターンに忠実なパターンを基板上に転写する方法である。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明のＥＵＶマスクの例を断面で示した説明図である。 従来のＥＵＶマスクの例を断面で示した説明図である。 本発明のマスクブランクの例の膜厚とコントラストの特性図である。 本発明のマスクブランクの例の吸収膜上の上層膜であるＳｉの膜厚を変えてＯＤ値を計算した特性図である。 各種材料の１３．５ｎｍにおける光学定数を示した図である。 金属に対するＳｉの組成比を変えていったときの光学定数を表した図である。 ＺｒＳｉｘのマスクブランクの例の膜厚とコントラストの特性図である。

符号の説明

１・・・・基板
２・・・・高反射多層膜
３・・・・キャッピング層
４・・・・緩衝膜
５・・・・吸収膜
６・・・・吸収膜上層膜
７・・・・吸収膜下層膜
１１・・・・基板
１２・・・・高反射多層膜
１３・・・・キャッピング層
１４・・・・緩衝膜
１５・・・・吸収膜

Claims (4)

1. 基板上に、露光光の高反射部となる多層膜が形成され、前記多層膜上に露光光の低反射部となる吸収膜が形成された極限紫外線露光用マスクブランクにおいて、
   前記吸収膜は、膜厚とコントラストの特性から、前記吸収膜の露光光に対する反射率が極小値付近となるよう、前記吸収膜の膜厚が設定されており、
   前記吸収膜が２層以上の薄膜からなり、吸収膜の最上層を構成する薄膜が、Ｓｉであるか、若しくはＳｉを主たる構成元素とする材料であること
   を特徴とする極限紫外線露光用マスクブランク。
2. 前記吸収膜の最上層を構成する薄膜のうちのＳｉを主たる構成元素とする材料において、全原子数に対するＳｉの原子数比が９０％以上であること
   を特徴とする請求項１に記載の極限紫外線露光用マスクブランク。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の極限紫外線露光用マスクブランクを用い、前記多層膜上の露光光の低反射部となる吸収膜にパターンが形成されたこと
   を特徴とする極限紫外線露光用マスク。
4. 請求項３に記載の極限紫外線露光用マスクを露光装置に設置し、前記マスクを用いたリソグラフィ法による露光転写を行ない、パターン形成を行なうこと
   を特徴とするパターン転写方法。