JP4997902B2

JP4997902B2 - ハーフトーンマスク

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Publication number: JP4997902B2
Application number: JP2006269109A
Authority: JP
Inventors: 泰久北畑; 泰考森川; 寿文横山; 俊安達; 登山　　伸人; 友一稲月; 貴規須藤; 隆治長井
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: JP2008089835A

Description

本発明は、半導体素子のパターン形成に用いられるフォトリソグラフィ技術、特に、高ＮＡ露光装置を使用し、露光波長とほぼ同程度のサイズのマスクパターンをウェハ上に縮小転写するとき、ウェハ上の最小ハーフピッチ（本明細書において、ハーフピッチは全てウェハ上の寸法にて表記する。以後、単にハーフピッチと記す。）６０ｎｍ以下の最先端のフォトリソグラフィ技術に用いられるハーフトーンマスクに関する。

ハーフピッチ６５ｎｍから４５ｎｍへと進展する半導体素子の高集積化・超微細化を実現するために、フォトリソグラフィにおいては、露光装置での高解像技術として、投影レンズの開口数を高くした高ＮＡ化技術、投影レンズと露光対象の間に高屈折率媒体を介在させて露光を行なう液浸露光技術、変形照明搭載露光技術などの開発が急速に進められている。
一方、フォトリソグラフィに用いられるフォトマスク（レチクルとも称する。）における解像度向上策としては、光を通過させる部分と遮光する部分で構成された従来のバイナリマスクの微細化、高精度化とともに、光の干渉を利用した位相シフト効果により解像度向上を図るレベンソン型（渋谷・レベンソン型とも称する。）位相シフトマスク、光を透過させる部分と半透過させる部分で構成されたハーフトーン型位相シフトマスク（以後、ハーフトーンマスクと記す。）、クロムなどの遮光層を設けないクロムレス型位相シフトマスクなどの位相シフトマスクの開発、実用化が進行している。

フォトリソグラフィ技術においては、投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系のレンズの開口数（ＮＡ）に反比例するため、半導体素子の微細化への要求に伴い、露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進んでいるが、短波長化及び高ＮＡ化だけでこの要求を満足するには限界となっている。

そこで解像度を上げるために、プロセス定数ｋ₁（ｋ₁＝解像線幅×投影光学系の開口数／露光光の波長）の値を小さくすることによって微細化を図る超解像技術が近年提案されている。このような超解像技術として、露光光学系の特性に応じてマスクパターンに補助パターンや線幅オフセットを与えてマスクパターンを最適化する方法、あるいは変形照明法（斜入射照明法とも称する。）と呼ばれる方法等がある。変形照明法には、通常、瞳フィルタを用いた輪帯照明、二重極（二極、２点、またはダイポールとも称する。）照明および四重極（四極、４点またはクォードラポールとも称する。）照明等が用いられている。

また、フォトマスクを使用してパターンを転写するフォトリソグラフィ技術においては、パターンをウェハ上に良好に結像するための所定の偏光状態があることも知られている。

上記のように、ハーフピッチ６０ｎｍ以下のフォトリソグラフィでは、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、高ＮＡレンズで液浸露光するフォトリソグラフィ技術が有望視されているが、同じプロセス定数ｋ₁であっても、高ＮＡ光学系による「ベクトル効果」と呼ばれる偏光依存性が顕著になる問題のために、結像性能が劣化してウェハ上のフォトレジスト内（以下、レジスト内と記す）での光学像のコントラストが低下してしまい、ウェハ上のフォトレジストの微細パターンが解像しないという問題が生じている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）をフォトマスクパターン（以後、マスクパターンと記す）の形成材料とした従来のハーフトーンマスクの光学像のコントラストとマスクパターンのライン部の補正値であるバイアス（後段で説明する）との関係を図１９に示す。図１９において、マスクパターンの膜厚は６８ｎｍ、屈折率は２．３〜２．４、消衰係数は０．５８〜０．５９の範囲である。図１９に示されるように、従来のハーフトーンマスクでは、バイアス調整後の光学像のコントラストは最大で０．５８の値であった。

上記の高ＮＡ化によるレジスト内での光学像のコントラスト低下の問題に対処するために、フォトマスクにおいては、フォトマスク材料やマスクパターンの断面形状などの立体構造を変更する方法などが考えられている。
しかしながら、ハーフピッチ６０ｎｍ以下のフォトリソグラフィにおいては、レジスト内での光学像のコントラストに関係する種々のパラメータが複雑に関係し、また超微細パターンゆえに実験での実証も困難であり、コントラスト向上効果が大きいフォトマスクのパラメータおよびそれに基づくフォトマスク構造を容易に見出すことができないという問題があった。

また、上記のコントラスト低下の問題の解決策として、マスクパターンの遮光膜の膜厚を厚くしたバイナリマスクが提案されているが、この遮光膜を厚くした厚膜バイナリマスクは厚膜ゆえにマスクパターン形成時の加工性が良くなく、マスクパターンの断面形状が台形状となり、使用するパターンに制約があるという問題があった。一方、ハーフトーンマスクは種々のパターンに適用できるが、高ＮＡ化によるレジスト内での光学像のコントラスト低下の問題に対処するための好適なマスク構成が未だ見出されていないという問題があった。
特開２００４−１１１６７８号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、ハーフピッチ６０ｎｍ以下のフォトリソグラフィにおいて、フォトマスクの持つ結像性能を向上させ、光学像のコントラストが向上した良好な微細画像をウェハ上に形成するため、種々のパターンに適用でき、光学像のコントラストの高いハーフトーンマスクを提供するものである。

本発明者は、本発明のハーフトーンマスクが対象とするハーフピッチ６０ｎｍ以下のフォトリソグラフィでは、例えば、四重極照明のそれぞれの開口部からの照明光について、投影光学系の瞳を通過してウェハに到達するハーフトーンマスクの回折光強度のバランスを最適化することで、コントラストが高い光学像をウェハ上にて得ることができるものと考え、ハーフトーンマスクとして実現可能な範囲において、透明基板上に半透明または透明膜よりなるマスクパターンを有するハーフトーンマスクにおいて、半透明または透明膜の構成、膜厚、およびマスクパターンのライン部のバイアスを変化させ、光学像のコントラストが高い条件を見出し、本発明を完成させたものである。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係るハーフトーンマスクは、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、高ＮＡレンズで四重極偏光照明により液浸露光するフォトリソグラフィに用いられるフォトマスクにおいて、該フォトマスクが透明基板上に２層の半透明または透明膜より構成されるマスクパターンを有するハーフトーンマスクであって、前記２層の半透明または透明膜が、前記透明基板側より、クロム、タンタル、タンタルハフニウム、モリブデンシリサイドのいずれかを主成分とする材料よりなる下層半透明膜と、酸化シリコンまたは酸窒化シリコンのいずれかを主成分とする材料よりなる上層半透明または透明膜とで構成され、前記２層の半透明または透明膜の総膜厚が１２０ｎｍ〜２２０ｎｍの範囲であり、前記下層半透明膜の屈折率が１．４〜２．２、消衰係数が１．６〜３．０の範囲であり、前記上層半透明または透明膜の屈折率が１．６〜１．９、消衰係数が０〜０．１の範囲であり、前記ハーフトーンマスクを前記フォトリソグラフィに用いたときの光学像のコントラストが０．５８を超え０．７４以下の値であることを特徴とするものである。

請求項２の発明に係るハーフトーンマスクは、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、高ＮＡレンズで四重極偏光照明により液浸露光するフォトリソグラフィに用いられるフォトマスクにおいて、該フォトマスクが透明基板上に２層の半透明または透明膜より構成されるマスクパターンを有するハーフトーンマスクであって、前記２層の半透明または透明膜が、前記透明基板側より、酸化シリコンまたは酸窒化シリコンのいずれかを主成分とする材料よりなる下層半透明または透明膜と、クロム、タンタル、タンタルハフニウム、モリブデンシリサイドのいずれかを主成分とする材料よりなる上層半透明膜とで構成され、前記２層の半透明または透明膜の総膜厚が１２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であり、前記下層半透明または透明膜の屈折率が１．６〜１．９、消衰係数が０〜０．１の範囲であり、前記上層半透明膜の屈折率が１．４〜２．２、消衰係数が１．６〜３．０の範囲であり、前記ハーフトーンマスクを前記フォトリソグラフィに用いたときの光学像のコントラストが０．５８を超え０．６６以下の値であることを特徴とするものである。

請求項３の発明に係るハーフトーンマスクは、請求項１または請求項２に記載のハーフトーンマスクにおいて、前記ハーフトーンマスクが、ウェハ上の最小ハーフピッチ６０ｎｍ以下の半導体デバイス用のマスクパターンを有することを特徴とするものである。

本発明のハーフトーンマスクは、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、高ＮＡレンズで四重極偏光照明により液浸露光するハーフピッチ６０ｎｍ以下のフォトリソグラフィにおいて、種々のパターンに適用でき、レジスト内での光学像のコントラストが向上し、従来のハーフトーンマスクのコントラスト０．５８を超え、良好な微細画像をウェハ上に形成することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のハーフトーンマスクの一例を示す断面模式図である。図１に示すように、本発明のハーフトーンマスクは、透明基板１１上に下層半透明または透明膜１２と上層半透明または透明膜１３の２層の半透明または透明膜より構成されるマスクパターン１４を有するハーフトーンマスクであって、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、高ＮＡレンズで四重極偏光照明により液浸露光するフォトリソグラフィに用いられ、レジスト内での光学像のコントラストが少なくとも０．５８を超える値を示すハーフトーンマスクである。

本発明においては、ハーフトーンマスクの２層の半透明または透明膜の構成と各々の膜厚を最適化することにより、ハーフトーンマスクの有する結像性能を高め、レジスト内での光学像のコントラストの向上を図るものである。そのために、露光における照明条件と評価条件を設定し、三次元リソグラフィシミュレーションを使用して２層構成のハーフトーンマスクの最良の形態を求めた。

本発明において、透明基板の露光光透過領域の光の透過率を１００％としたとき、半透明膜は、露光光の光透過率が１〜８５％の範囲にある薄膜であり、透明膜は、露光光の光透過率が８５％を超える範囲にある薄膜を意味するものである。

次に、本発明で用いているバイアスについて、図１を例にして定義する。透明基板１１上の下層半透明または透明膜１２と上層半透明または透明膜１３の２層構成の半透明または透明膜よりなるマスクパターン１４のライン部ｘの寸法の補正値であるバイアスｄｎｍは、下記のように定義する。
バイアス（ｄ）＝２×ａ
図１において、マスクは４倍体のレチクルであるので、ｘは目標とする線幅寸法（ターゲットＣＤ（ＣｒｉｔｉｃａｌＤｉｍｅｎｓｉｏｎ）と称する）の４倍の数値を示す。図１において、バイアスｄの値が＋の場合はｘが広がる方向であり、ｄの値が−の場合はｘが狭くなる方向を意味する。ただし、＋の場合には特に＋の表示はしていない。

本発明のハーフトーンマスクのマスクパターンの寸法として、ハーフピッチ６５ｎｍ前後の半導体デバイス用のマスクパターンを用いた場合には、投影レンズにＮＡが１未満のＮＡの小さいレンズを用いて露光を行うことが可能なので、高ＮＡレンズによる露光を対象にした本発明のハーフトーンマスクの影響度合いは小さく、本発明によるハーフトーンマスクと従来技術によるハーフトーンマスクとの差は顕著ではないと考えられる。したがって、本発明は高ＮＡレンズによる露光が必要なハーフピッチ４５ｎｍを含めて、ハーフピッチ６０ｎｍ以下の半導体デバイス用のマスクパターンを有するハーフトーンマスクに適用するのが好ましい。

（リソグラフィ条件）
ハーフトーンマスクの照明条件として、本発明では、ハーフピッチ６０ｎｍ以下のフォトリソグラフィにおいて、露光波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用い、投影レンズの開口数（ＮＡ）を１．３とし、純水を用いた液浸露光を用いた。ただし、実施形態の一例としてＮＡ＝１．３の高ＮＡレンズを用いた場合について説明するが、本発明のハーフトーンマスクにおいては、ＮＡが１以上の高ＮＡレンズであればＮＡ＝１．３と同様にコントラスト向上効果が得られるものであり、例えば高屈折率液体を用いた液浸露光においてもコントラスト向上効果が得られる。

本発明のハーフトーンマスクを用いる場合、照明系としては、図２に示すような四重極方位角（Ａｚｉｍｕｔｈａｌ）偏光照明を設定した。図２に四重極照明に用いた瞳フィルタの上面模式図を示す。図２に示すように、四重極瞳フィルタは４つの透光部２１を備え、４つの透光部２１は、瞳フィルタの中心から所定の等距離に瞳フィルタの直径上に対称の扇状形状をなし、縦・横のマスクパターンを高解像で転写し得るように、マスクパターンに対し透光部２１が０度、９０度の配置をとり、この４つの透光部２１以外の箇所は遮光部２２（斜線部分）としている。
図２では、一例として四重極瞳フィルタの寸法を記載しており、瞳径を１とした時に開口部の外径０．９５、内径０．７、角度：２０°の扇状形状の瞳を示す。

図２に示すような、四重極照明を用いたのは、四重極照明は、縦・横のパターンが同時に解像でき、二重極照明に比べて普遍性が高くて一般的なマスクパターン転写に適用できるからである。また、図２に示すように、ある点での電場の振幅方向が瞳の中心と結ぶ線分と９０°の方向にある、方位角（Ａｚｉｍｕｔｈａｌ）偏光照明とし、解像力の向上を図っている。図２では、四重極瞳の４つの透光部２１は扇型の形状をしているが、他の形状、例えば、円形、矩形、楕円形等とすることもできる。

（評価方法）
ハーフトーンマスクの評価方法として、本発明においては、上記のフォトリソグラフィにおけるマスクパターンの転写特性を見積もるために、シミュレーション・ソフトウェアとしてＥＭ−Ｓｕｉｔｅ（商品名：ＰａｎｏｒａｍｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製）を用いた。また、ハーフトーンマスクの三次元電磁界シミュレーションにはＴＥＭＰＥＳＴｐｒ２（ＥＭ−Ｓｕｉｔｅオプション）によるＦＤＴＤ法（時間領域差分法、有限差分時間領域法とも称する。）で、Ｎｏｎ−ｃｏｎｓｔａｎｔｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔモデルを用いた。マスク中の電磁場解析のシミュレーショングリッドは、マスク寸法上で２ｎｍとし、解像性能評価にはＡｅｒｉａｌｉｎＲｅｓｉｓｔモデルを使用し、レジスト内での光学像のコントラストを求めた。また、レジストの屈折率は１．７２とした。ＦＤＴＤ法は、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式を時間と空間について差分化し、その差分方程式を領域内の電磁場が安定するまで、磁界と電界について交互に計算する方法で、高精度で、ハーフトーンマスク構造による影響などの各種現象の再現が可能な方法である。

本発明においては、上記のシミュレーションを用いることにより、従来のハーフトーンマスクを用いた場合のレジスト内での光学像のコントラストの最大値０．５８を超える値を得ることが可能な２層構成の新しいハーフトーンマスク構造を求めた。ハーフトーンマスク構造としては、コントラストに大きな影響を与える要素として、ハーフトーンマスク材料とその構成、２層構成の半透明膜の各々の膜厚を設定し、光学像のコントラストが０．５８を超える値の範囲を求める。コントラストが最大となるパターンバイアスは膜ごとに異なるため、図１に示すライン部のパターンバイアスが−４０ｎｍ〜４０ｎｍの範囲での最大コントラストを比較する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態のハーフトーンマスクは、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、高ＮＡレンズで四重極偏光照明により液浸露光するフォトリソグラフィに用いられるフォトマスクにおいて、透明基板上に２層構成の半透明または透明膜よりなるマスクパターンを有するハーフトーンマスクであって、上記の２層の半透明または透明膜が、透明基板側より、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タンタルハフニウム（ＴａＨｆ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）のいずれかを主成分とする材料よりなる下層半透明膜と、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）のいずれかを主成分とする材料よりなる上層半透明または透明膜とで構成され、このハーフトーンマスクを上記のフォトリソグラフィに用いたときの光学像のコントラストが０．５８を超えるハーフトーンマスクである。

本発明において、上記のクロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タンタルハフニウム（ＴａＨｆ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）は、少量の酸素や窒素などが添加されていてもよい。また、タンタルハフニウム（ＴａＨｆ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）の金属合金、および酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）は、必ずしも化学量論的な組成比でなくてもよい。
上記の下層半透明膜および上層半透明または透明膜は、通常のスパッタリング法などの成膜方法により透明基板上に形成してマスクブランクスとして得ることができる。また、マスクパターンは、上記のマスクブランクス上に電子線レジストなどを塗布し、電子線などで描画し、ドライエッチングする従来公知の方法で形成し、ハーフトーンマスクとして得ることができる。

本発明のハーフトーンマスクの下層および上層膜とするの代表的な屈折率（ｎと記す）、消衰係数（ｋと記す）を表１に示す。

また、本発明の第１の実施形態におけるハーフトーンマスクの下層半透明膜および上層半透明または透明膜の材料構成および膜厚を変えたとき、各々のハーフトーンマスクを用いたリソグラフィにおける光学像のコントラストとの関係を図３〜図１０に示す。図３〜図１０は、いずれの図も縦軸に光学像のコントラスト、横軸に上層半透明または透明膜の膜厚（単位：ｎｍ）を示し、下層半透明膜の膜厚（単位：ｎｍ）を３段階の範囲で変えたときのコントラスト曲線を示す。また、各図の右上に、下層半透明膜および上層半透明または透明膜の屈折率（ｎ）と消衰係数（ｋ）の値を、（ｎ，ｋ）＝（下層半透明膜の屈折率，消衰係数）／（上層半透明または透明膜の屈折率，消衰係数）、として示す。

第１の実施形態においては、下層半透明膜が主として透過率を制御し、上層半透明または透明膜が主として位相差を制御する機能を有する。本実施形態では、コントラストが０．５８を超えるハーフトーンマスクであるためには、２層の半透明または透明膜の各々の膜厚の合計を総膜厚とすれば、総膜厚が７０ｎｍ〜２２０ｎｍの範囲であり、下層半透明膜の屈折率（ｎ）が１．４〜２．２、消衰係数（ｋ）が１．６〜３．０の範囲であり、上層半透明または透明膜の屈折率（ｎ）が１．６〜１．９、消衰係数（ｋ）が０〜０．１の範囲であるのが好ましい。

（実施例１）
図３は、マスクパターンが下層半透明膜にクロム（Ｃｒ）、上層半透明または透明膜に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図３において、下層半透明膜の膜厚と上層半透明または透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例２）
図４は、マスクパターンが下層半透明膜にクロム（Ｃｒ）、上層半透明または透明膜に酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図４において、下層半透明膜の膜厚と上層半透明または透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例３）
図５は、マスクパターンが下層半透明膜にタンタル（Ｔａ）、上層半透明膜に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図５において、下層半透明膜の膜厚と上層半透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例４）
図６は、マスクパターンが下層半透明膜にタンタル（Ｔａ）、上層半透明または透明膜に酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図６において、下層半透明膜の膜厚と上層半透明または透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例５）
図７は、マスクパターンが下層半透明膜にタンタルハフニウム（ＴａＨｆ）、上層半透明または透明膜に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図７において、下層半透明膜の膜厚と上層半透明または透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例６）
図８は、マスクパターンが下層半透明膜にタンタルハフニウム（ＴａＨｆ）、上層半透明または透明膜に酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図８において、下層半透明膜の膜厚と上層半透明または透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例７）
図９は、マスクパターンが下層半透明膜にモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）、上層半透明または透明膜に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図９において、下層半透明膜の膜厚と上層半透明または透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例８）
図１０は、マスクパターンが下層半透明膜にモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）、上層半透明または透明膜に酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図１０において、下層半透明膜の膜厚と上層半透明または透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態のハーフトーンマスクは、ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、高ＮＡレンズで四重極偏光照明により液浸露光するフォトリソグラフィに用いられるフォトマスクにおいて、透明基板上に２層構成の半透明または透明膜より構成されるマスクパターンを有するハーフトーンマスクであって、上記の２層の半透明または透明膜が、透明基板側より、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）のいずれかを主成分とする材料よりなる下層半透明または透明膜と、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タンタルハフニウム（ＴａＨｆ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）のいずれかを主成分とする材料よりなる上層半透明膜とで構成され、このハーフトーンマスクを上記のフォトリソグラフィに用いたときの光学像のコントラストの値が０．５８を超えるハーフトーンマスクである。

本発明において、上記のタンタルハフニウム（ＴａＨｆ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）の金属合金、および酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）は必ずしも化学量論的な組成比でなくてもよい。また、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タンタルハフニウム（ＴａＨｆ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）は、少量の酸素や窒素などが添加されていてもよい。
上記の下層半透明または透明膜および上層半透明膜は、通常のスパッタリング法などの成膜方法により透明基板上に形成してマスクブランクスとして得ることができる。また、マスクパターンは、上記のマスクブランクス上に電子線レジストなどを塗布し、電子線などで描画し、ドライエッチングする従来公知の方法で形成し、ハーフトーンマスクとして得ることができる。

本発明の第２の実施形態におけるハーフトーンマスクの下層半透明または透明膜および上層半透明膜の材料構成および膜厚を変えたとき、各々のハーフトーンマスクを用いたリソグラフィにおける光学像のコントラストとの関係を図１１〜図１８に示す。図１１〜図１８は、いずれの図も縦軸に光学像のコントラスト、横軸に上層半透明膜の膜厚（単位：ｎｍ）を示し、下層半透明または透明膜の膜厚（単位：ｎｍ）を３段階で変えたときのコントラスト曲線を示す。また、各図の右上に、下層半透明または透明膜および上層半透明膜の屈折率（ｎ）と消衰係数（ｋ）の値を、（ｎ，ｋ）＝（下層半透明または透明膜の屈折率，消衰係数）／（上層半透明膜の屈折率，消衰係数）、として示す。

第２の実施形態においては、下層半透明または透明膜が主として位相差を制御し、上層半透過膜が主として透過率を制御する機能を有する。本実施形態では、コントラストが０．５８を超えるハーフトーンマスクであるためには、２層の半透明または透明膜の各々の膜厚の合計を総膜厚とすれば、総膜厚が１２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であり、下層の半透明または透明膜の屈折率（ｎ）が１．５〜１．９、消衰係数（ｋ）が０〜０．１の範囲であり、上層の半透明膜の屈折率（ｎ）が１．４〜２．２、消衰係数（ｋ）が１．６〜３．０の範囲であるのが好ましい。

（実施例９）
図１１は、マスクパターンが下層半透明または透明膜に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、上層半透明膜にクロム（Ｃｒ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図１１において、下層半透明または透明膜の膜厚と上層半透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例１０）
図１２は、マスクパターンが下層半透明または透明膜に酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、上層半透明膜にクロム（Ｃｒ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図１２において、下層半透明または透明膜の膜厚と上層半透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例１１）
図１３は、マスクパターンが下層半透明または透明膜に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、上層半透明膜にタンタルハフニウム（ＴａＨｆ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図１３において、下層半透明または透明膜の膜厚と上層半透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例１２）
図１４は、マスクパターンが下層半透明または透明膜に酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、上層半透明膜にタンタル（Ｔａ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図１４において、下層半透明または透明膜の膜厚と上層半透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例１３）
図１５は、マスクパターンが下層半透明または透明膜に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、上層半透明膜にタンタルハフニウム（ＴａＨｆ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図１５において、下層半透明または透明膜の膜厚と上層半透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例１４）
図１６は、マスクパターンが下層半透明または透明膜に酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、上層半透明膜にタンタルハフニウム（ＴａＨｆ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図１６において、下層半透明または透明膜の膜厚と上層半透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例１５）
図１７は、マスクパターンが下層半透明または透明膜に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、上層半透明膜にモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図１７において、下層半透明または透明膜の膜厚と上層半透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

（実施例１６）
図１８は、マスクパターンが下層半透明または透明膜に酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、上層半透明膜にモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）よりなる２層構成のハーフトーンマスクである。図１８において、下層半透明または透明膜の膜厚と上層半透明膜の膜厚を適切に選択することにより、コントラストが０．５８を超える光学像が得られることが示された。

上記の実施例１〜実施例１６に示すように、本発明の２層構成のハーフトーンマスクを用いることにより、レジストの光学像のコントラストが０．５８を超えて向上し、良好な微細画像をウェハ上に形成することが可能となった。

本発明のフォトマスクの一例を示す断面模式図である。本発明で用いた四重極方位角（Ａｚｉｍｕｔｈａｌ）偏光照明の瞳フィルタの上面模式図である。本発明の第１の実施形態の実施例１におけるハーフトーンマスクの下層半透明膜および上層半透明または透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第１の実施形態の実施例２におけるハーフトーンマスクの下層半透明膜および上層半透明または透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第１の実施形態の実施例３におけるハーフトーンマスクの下層半透明膜および上層半透明または透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第１の実施形態の実施例４におけるハーフトーンマスクの下層半透明膜および上層半透明または透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第１の実施形態の実施例５におけるハーフトーンマスクの下層半透明膜および上層半透明または透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第１の実施形態の実施例６におけるハーフトーンマスクの下層半透明膜および上層半透明または透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第１の実施形態の実施例７におけるハーフトーンマスクの下層半透明膜および上層半透明または透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第１の実施形態の実施例８におけるハーフトーンマスクの下層半透明膜および上層半透明または透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第２の実施形態の実施例９におけるハーフトーンマスクの下層半透明または透明膜および上層半透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第２の実施形態の実施例１０におけるハーフトーンマスクの下層半透明または透明膜および上層半透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第２の実施形態の実施例１１におけるハーフトーンマスクの下層半透明または透明膜および上層半透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第２の実施形態の実施例１２におけるハーフトーンマスクの下層半透明または透明膜および上層半透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第２の実施形態の実施例１３におけるハーフトーンマスクの下層半透明または透明膜および上層半透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第２の実施形態の実施例１４におけるハーフトーンマスクの下層半透明または透明膜および上層半透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第２の実施形態の実施例１５におけるハーフトーンマスクの下層半透明または透明膜および上層半透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。本発明の第２の実施形態の実施例１６におけるハーフトーンマスクの下層半透明または透明膜および上層半透明膜の膜厚を変えたときのコントラストを示す。従来のハーフトーンマスクのマスクパターンのバイアスとレジスト内での光学像のコントラストとの関係を示す図である。

符号の説明

１１透明基板
１２下層半透明または透明膜
１３上層半透明または透明膜
１４マスクパターン
２１透光部
２２遮光部

Claims

ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、高ＮＡレンズで四重極偏光照明により液浸露光するフォトリソグラフィに用いられるフォトマスクにおいて、該フォトマスクが透明基板上に２層の半透明または透明膜より構成されるマスクパターンを有するハーフトーンマスクであって、
前記２層の半透明または透明膜が、前記透明基板側より、クロム、タンタル、タンタルハフニウム、モリブデンシリサイドのいずれかを主成分とする材料よりなる下層半透明膜と、酸化シリコンまたは酸窒化シリコンのいずれかを主成分とする材料よりなる上層半透明または透明膜とで構成され、
前記２層の半透明または透明膜の総膜厚が１２０ｎｍ〜２２０ｎｍの範囲であり、前記下層半透明膜の屈折率が１．４〜２．２、消衰係数が１．６〜３．０の範囲であり、前記上層半透明または透明膜の屈折率が１．６〜１．９、消衰係数が０〜０．１の範囲であり、
前記ハーフトーンマスクを前記フォトリソグラフィに用いたときの光学像のコントラストが０．５８を超え０．７４以下の値であることを特徴とするハーフトーンマスク。
ＡｒＦエキシマレーザを露光光源とし、高ＮＡレンズで四重極偏光照明により液浸露光するフォトリソグラフィに用いられるフォトマスクにおいて、該フォトマスクが透明基板上に２層の半透明または透明膜より構成されるマスクパターンを有するハーフトーンマスクであって、
前記２層の半透明または透明膜が、前記透明基板側より、酸化シリコンまたは酸窒化シリコンのいずれかを主成分とする材料よりなる下層半透明または透明膜と、クロム、タンタル、タンタルハフニウム、モリブデンシリサイドのいずれかを主成分とする材料よりなる上層半透明膜とで構成され、
前記２層の半透明または透明膜の総膜厚が１２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であり、前記下層半透明または透明膜の屈折率が１．６〜１．９、消衰係数が０〜０．１の範囲であり、前記上層半透明膜の屈折率が１．４〜２．２、消衰係数が１．６〜３．０の範囲であり、
前記ハーフトーンマスクを前記フォトリソグラフィに用いたときの光学像のコントラストが０．５８を超え０．６６以下の値であることを特徴とするハーフトーンマスク。
前記ハーフトーンマスクが、ウェハ上の最小ハーフピッチ６０ｎｍ以下の半導体デバイス用のマスクパターンを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハーフトーンマスク。