JP5089362B2

JP5089362B2 - フォトマスクおよび露光方法

Info

Publication number: JP5089362B2
Application number: JP2007321793A
Authority: JP
Inventors: 英雄金子
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-12-13
Also published as: JP2009145539A

Description

本発明は、半導体集積回路等の製造などに用いられるフォトマスクおよび露光方法に関する。

ＩＣ、ＬＳＩ又はＶＬＳＩ等の半導体集積回路の製造をはじめとして、広範囲な用途に用いられているフォトマスクは、例えば、透光性基板上にクロムを主成分とする遮光膜が形成されたフォトマスクブランクを用い、この遮光膜に紫外線や電子線等を露光光とするフォトリソグラフィ法により所定のパターンを形成したものである。近年では、半導体集積回路の高集積化等の市場要求に伴ってパターンの微細化が急速に進行し、露光工程でのレジスト解像度を高めるための露光波長の短波長化やレンズの開口数の増大により対応がなされてきた。

しかしながら、露光波長の短波長化は装置や材料のコスト増大を招く結果となるという問題がある。また、レンズの開口数の増大は解像度の向上という利点の反面、焦点深度の減少を招く結果、プロセスの安定性が低下し、製品の歩留まりに悪影響を及ぼすという問題がある。このような問題の解決に対して有効なパターン転写法のひとつに「位相シフトマスク」をフォトマスクとして用いる「位相シフト法」が知られている（特許文献１）。

これらのフォトマスクは、透明基板上に遮光性膜を形成したフォトマスクブランクの遮光性膜上にレジストを塗布し、当該レジストを露光・現像して所定のパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして上記遮光性膜をエッチングした後にレジストを除去することによって作製される。

従来、フォトマスクのパターンをシリコンウエーハなどの被転写基板に転写する際には、空気中での露光が行われていた。しかし、形成すべきパターン線幅が狭くなるにつれて、より高ＮＡ(高開口数)での露光を実現するために被転写基板の上に純水や高屈折率の液体を供給して露光する方法が実用化されるようになってきた。

また、更なる解像度の向上を目的として、露光装置の光源にも工夫がなされ、二重極照明や四重極照明、輪帯照明などの変形照明などが用いられるようになってきている。このような露光光源を用いた場合には、フォトマスクに入射する露光光にはフォトマスク面に非垂直入射する成分が含まれることとなる。
特開平７−１４０６３５号公報

一般に、遮光性膜には、Ｃｒや金属シリサイド、またはこれらに酸素、窒素、炭素の何れかを含ませたものが用いられており、また、単層構造であるか複数層の積層構造であるかにかかわらず、反射率低減のための反射防止膜を形成した遮光性膜も用いられている。

図１は、従来の遮光性膜が抱える技術的な問題を説明するためのフォトマスクの断面概略図で、この図に示したように、透明基板１上に遮光性膜２のパターンが形成されたフォトマスクの遮光部には、遮光性膜２の膜厚に相当する段差が生じている。パターンを微細化すると、パターン幅（ｗ）とパターン段差（ｄ）との比（ｄ／ｗ）は大きくなる。

また、フォトマスクに照射される光の入射角（θ）が大きくなればなるほど、フォトマスクの遮光部の段差によって透光部を透過した光（の一部）が遮られる現象が顕著となり、コントラスト比が低下するなどして解像度が低下してしまうという問題が生じる。

本発明者は既に、上述のような問題を解決するために、基板に凹部を形成して当該凹部内に遮光性膜を形成したり、透光部に露光波長における屈折率が１より大きな透光性膜を形成する手法（特願2007-158326）、或いは、屈折率が１より大きい液体や固体の媒体でマスクのパターン面を覆う（特願2007-158327）などによってパターン部での光の侵入角度を小さくしてフォトマスクの透光部を透過した光（の一部）が遮光部の段差によって遮られる程度を低減させる発明を考案しているが、パターンの微細化に対応するためにはさらなる改善が必要である。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、フォトマスク面に非垂直入射する露光光成分などに起因して生じるパターン解像度の低下を抑制可能なフォトマスクを提供することにある。

かかる課題を解決するために、本発明のフォトマスクは、透明基板上に透光部と遮光部を備えたフォトマスクであって、前記遮光部は、その側面に入射した露光光を前記透光部側へと全反射させるパターニングされた光学膜であることを特徴とする。

第１の態様においては、前記遮光部は、前記透明基板の一方主面に設けられた凹部内に形成されている。

また、第２の態様においては、前記遮光部は前記透明基板の一方主面上にパターニングされた低透過率膜であり、前記透光部は前記透明基板の一方主面上の非遮光部に設けられた高透過率膜である。

本発明においては、前記透光部の屈折率をｎ_ｔ、前記遮光部の屈折率をｎ_ｆ、前記透明基板に入射する露光光の入射角をθとしたとき、ｎ_ｆ＜ｎ_ｔ・ｓｉｎ（π／２−ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ／ｎ_ｔ））の関係式を満足することが好ましい。

前記遮光部は、例えば、アルミニウム、銅、またはモリブデンの金属膜若しくは合金膜又はこれらに窒素や酸素を含んだ膜である。特に、アルミニウム膜は全反射となるための入射角範囲が広く、また、透過部の材質の選択の幅が広がるので好ましい。なお、ここに言うアルミニウム膜には全反射条件を満足する範囲において、酸素や窒素、あるいはその他の元素を含んでいるものも含まれる。

また、前記透光部となる高透過率膜は、例えば、酸化珪素膜、窒化珪素膜、または酸化窒化珪素膜である。

本発明によれば、フォトマスクの遮光性膜を、その側面により反射される露光光が透光部側へと全反射するような光学膜としたので、フォトマスクの表面に角度θで入射した露光光の透明基板中での光路上に遮光性膜の側面があった場合にも、当該露光光成分は遮光性膜の側面で透光部側へと全反射され、遮光性膜によって遮蔽されることなく露光に寄与することとなる。その結果、従来構造のフォトマスクであれば遮光性膜によって遮蔽されていた露光光量を大幅に低減することが可能となる。

従って、本発明のフォトマスクを用い、その表面に斜め入射する光成分（非垂直入射成分）を含む照射光により露光を行なうこととすれば、フォトマスク面に非垂直入射する露光光成分などに起因して生じるパターン解像度の低下を抑制することが可能となる。特に、二重極照明や四重極照明、輪帯照明などの変形照明のように斜入射照明系においては効果が大きい。

以下、図面を参照して本発明のフォトマスクの構造について説明する。

［本発明のフォトマスクの態様（その１）］：図２は、本発明のフォトマスクの第１の態様を説明するための断面概略図で、露光光に対して透明な石英やフッ化カルシウムなどの透明基板１１の主面に掘り込み形成された凹部がパターニングされており、この凹部に遮光性膜１２が設けられている。この遮光性膜１２の形成領域が遮光部となり、遮光性膜１２の非形成領域が透光部となる。

このフォトマスクの遮光性膜１２は、その側面により反射される露光光が透光部側へと全反射するような光学膜となっている。つまり、フォトマスクの表面に角度θで入射した露光光の透明基板１１中での光路上に遮光性膜１２の側面があった場合にも、当該露光光成分は遮光性膜１２の側面で透光部側へと全反射され、遮光性膜１２によって遮蔽されることなく露光に寄与することとなる。

このような全反射を得るためには、フォトマスクへの露光光の入射角をθ、透光部の屈折率（図２の場合は透明基板１１の屈折率）をｎ_ｔとしたとき、下記の条件を満足する屈折率ｎ_ｆの遮光性膜１２を用いることが好ましい。

（式１）ｎ_ｆ＜ｎ_ｔ・ｓｉｎ（π／２−ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ／ｎ_ｔ））

例えば、露光波長が１９３ｎｍで透光部の材料（石英）の屈折率（ｎ_ｔ）が１．５６であるとすると、フォトマスク表面への露光光の入射角が６０°である場合には、遮光性膜の屈折率（ｎ_ｆ）は１．３０以下であることが好ましい。

このような光学膜としては、アルミニウム、銅、モリブデンなどの金属膜やこれらの金属を含む合金膜、或いはこれらに窒素や酸素を含んだ膜などが例示される。

遮光性膜１２は、その透過率が０．１％以下といった極めて遮光性の高い膜としてもよいし、実質的に露光に寄与しない程度（例えば、１〜３０％程度）の透過率の膜であってもよい。なお、遮光性膜１２の形成は、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの公知の手法によることができる。

また、遮光性膜１２の表面（フォトマスクの露光光出射面側）に反射防止膜を設けてもよい。なお、この場合には、反射防止膜もその側面が露光光全反射条件を満たす光学膜であることが好ましい。

遮光部を形成する凹部の基板掘込量は、少なくとも遮光性膜１２の厚みの深さあればよいが、露光光の出射面を平坦な面とするためには、遮光性膜１２の厚みと同程度の深さであることが好ましい。

また、遮光性膜１２に適度な透過率（例えば、１〜３０％）をもたせ、透光部を透過した露光光と遮光部を透過した露光光との位相の差を所定の値（例えば、１８０度）とすることによって、位相シフト効果をもたせるようにしてもよい。

なお、遮光性膜１２に位相シフト効果をもたせる場合、遮光性膜１２中を伝播した露光光の位相変化量δφが、露光時にフォトマスクのパターン面が接している媒質中を遮光性膜１２と同じ距離（厚み）だけ伝播した光の位相変化量δφ_０よりも小さく（δφ＜δφ_０）なるように膜設計すると、基板掘込量を低く抑えることができる。

［本発明のフォトマスクの態様（その２）］：図３は、本発明のフォトマスクの第２の態様を説明するための断面概略図で、露光光に対して透明な石英やフッ化カルシウムなどの透明基板１１の主面にパターニングされた遮光性膜１２が形成されており、透明基板主面の非遮光性膜領域に、露光波長における屈折率が１より大きい透光性膜１３（例えばＳｉＯ_２膜）が設けられている。遮光性膜１２の形成領域は遮光部となり、透光性膜１３の形成領域が透光部となる。この場合も、従来構造であれば遮光性膜１２によって遮られることとなる露光光の透過光量を大幅に低減することができる。

この態様のフォトマスクの場合、透光性膜１３の屈折率を透明基板材料の屈折率よりも大きくすると、図２に示した第１の態様のフォトマスクに比較して、フォトマスクのパターン形成面側での光の屈折角を更に小さくすることができ、その結果、コントラストを改善することができる。

この態様のフォトマスクの場合も、遮光性膜１２の側面により反射される露光光を透光部側へと全反射させるためには、フォトマスクへの露光光の入射角をθ、透光部の屈折率（図３の場合は透光性膜１３の屈折率）をｎ_ｔとしたとき、上記の式（１）を満足することが好ましい。

例えば、露光波長が１９３ｎｍで透光部の材料（ＳｉＯ_２）の屈折率（ｎ_ｔ）が１．５０であるとすると、フォトマスク表面への露光光の入射角が６０°である場合には、遮光性膜の屈折率（ｎ_ｆ）は１．２０以下であることが好ましい。

このような光学膜としては、アルミニウム、銅、モリブデンなどの金属膜やこれらに窒素や酸素を含んだ膜などが例示される。中でもアルミニウム膜は、全反射を起こす露光光の入射角の範囲が広く、また、透過部の材質の選択の幅が広がるので遮光性膜として好ましい。なお、ここに言うアルミニウム膜には全反射条件を満足する範囲において、酸素や窒素、あるいはその他の元素を含んでいる膜も含まれる。

この態様のフォトマスクにおいても、遮光性膜１２は、その透過率が０．１％以下といった極めて遮光性の高い膜としてもよいし、実質的に露光に寄与しない程度（例えば、１〜３０％程度）の透過率の膜であってもよい。なお、遮光性膜１２の形成は、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの公知の手法によることができる。

透光性膜１３は、上述の遮光性膜１２よりも透過率の高い膜であればよい。露光光の透過度の高い膜としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜などが例示される。特に、窒化珪素膜は屈折率が大きいので好ましい。なお、露光波長が短くなると透過率が減少するため、その場合には適度に酸素を添加し、酸化窒化珪素膜とするとよい。

透光性膜１３の厚みは遮光性膜１２と同程度以上であればよいが、露光光の出射面を平坦にするためには、遮光性膜１２の厚みと同程度の膜厚であることが好ましい。

また、透光性膜１３の膜厚を調整し、かつ、遮光性膜１２に適度な透過率（例えば、１〜３０％）をもたせ、透光部を透過した露光光と遮光部を透過した露光光との位相の差を所定の値（例えば、１８０度）とすることによって、位相シフト効果をもたせることができる。

なお、遮光性膜１２に位相シフト効果をもたせる場合、遮光性膜１２中を伝播した露光光の位相変化量δφが、露光時にフォトマスクのパターン面が接している媒質中を遮光性膜１２と同じ距離（厚み）だけ伝播した光の位相変化量δφ_０よりも小さく（δφ＜δφ_０）なるように膜設計すると、透光性膜１３の膜厚を薄くすることができる。

［本発明のフォトマスクの態様（その３）］：本発明のフォトマスクの第３の態様のものの外観は図１に示したものと同様であり、透明基板１１の主面にパターニングされた遮光性膜１２によって遮光部が形成され、遮光性膜１２が除去された領域が透光部とされている。

この場合の遮光性膜１２も、その側面により反射される露光光が透光部側へと全反射するような光学膜となっている。従って、フォトマスクの表面に角度θで入射した露光光の透明基板１１中での光路上に遮光性膜１２の側面があった場合にも、当該露光光成分は遮光性膜１２の側面で透光部側へと全反射され、遮光性膜１２によって遮蔽されることなく露光に寄与することとなる（図４）。

このフォトマスクをそのまま露光機にセットしてマスクのパターン面が接する媒質が空気や窒素の状態のままで露光を行ってもよいし、マスクのパターン面を屈折率が１よりも大きな媒体（例えば、純水）で覆ったり、浸漬したり、或いは塗布したりした状態で露光を行なうようにしもよい。

この態様のフォトマスクの場合も、遮光性膜１２の側面により反射される露光光を透光部側へと全反射させるためには、フォトマスクへの露光光の入射角をθ、透光部の屈折率（図４の場合は空気の屈折率）をｎ_ｔとしたとき、上記の式（１）を満足することが好ましい。

例えば、露光波長が１９３ｎｍで透光部の媒質（空気や窒素）の屈折率（ｎ_ｔ）が１であるとすると、フォトマスク表面への露光光の入射角が６０°である場合には、遮光性膜の屈折率（ｎ_ｆ）は０．５以下であることが好ましい。

このような光学膜としてはアルミニウムが例示される。

また、この態様のフォトマスクにおいても、遮光性膜１２は、その透過率が０．１％以下といった極めて遮光性の高い膜としてもよいし、実質的に露光に寄与しない程度（例えば、１〜３０％程度）の透過率の膜であってもよい。なお、遮光性膜１２の形成は、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの公知の手法によることができる。

なお、上述の第１乃至３の態様の遮光部と透光部を相互に組み合わせてフォトマスクを構成するようにしてもよい。また、何れの態様においても、遮光性膜１２の表面（フォトマスクの露光光出射面側）に反射防止膜を設けてもよく、その場合には、反射防止膜の側面も露光光全反射条件を満たすことが好ましい。

図５は、上述の第１の態様のフォトマスクの製造プロセスを説明するための図で、本実施例で得られるフォトマスクは、遮光性膜としてＡｌの遮光層（厚み６０ｎｍ）を積層させたバイナリマスクである。

先ず、石英基板１１の主面にレジスト１４を塗布する（図５（Ａ））。レジスト１４は、電子線用でもＫｒＦ線用でもＡｒＦ線用でもよく、ポジ型でもネガ型でもよい。また、化学増幅型である必要はないが、本実施例では、電子線用の化学増幅型ポジレジストを用いている。

このレジスト１４に、ＥＢ描画装置で所定のパターンを露光し、現像して、所定のレジストパターン１４を得る（図５（Ｂ））。

このレジストパターン１４をマスクとして、石英基板１１をエッチングして凹部１５を形成する（図５（Ｃ））。このエッチングは、ウエット系、ドライ系のどちらでも可能であるが、微細なパターンを形成するにはドライエッチングが好ましく、本実施例では、ＣＦ_４（四フッ化炭素）やＳＦ_６（六フッ化硫黄）といったフッ素を含んだエッチングガスを用いてエッチングを行っている。なお、このようなエッチングガスには、ＨｅやＡｒなどの不活性ガスを含んでいてもよい。

エッチング深さは、バイナリマスクとする場合は、遮光性膜が所定の遮光度となる厚みと同程度に形成すればよい。本実施例でのエッチング深さは概ね６０ｎｍである。

形成した凹部１５に、遮光性膜１２としてのＡｌを成膜する（図５（Ｄ））。その成膜は、Ａｒガス中でＡｌターゲットをスパッタすることで行っている。

なお、遮光性膜１２は、上記の膜に、さらに石英基板１１側に反射防止層や密着改善層を形成したり表面に反射防止膜を形成したりして３層以上の積層構造としてもよい。また、膜中の組成を厚み方向に徐々に変化させて膜表面の酸化度や窒化度を高めることにより、反射率を低減させるようにしてもよい。

そして、遮光性膜の形成後にレジストマスク１４を除去すると、石英基板１１の主面にパターニングされた遮光性膜を備えたフォトマスクが得られる（図５（Ｅ））。

このフォトマスクの表面から、波長１９３ｎｍの露光光を入射角６０°で入射させると、パターニングされた遮光性膜の側面では全反射され、遮光性膜で遮蔽される露光光量をほとんどゼロにすることができる。石英基板上にＣｒ膜をパターニングして遮光性膜とした従来のフォトマスクの場合には、Ｃｒ遮光性膜の（側面の）反射率が４０％以下であるためにＣｒ遮光性膜の側面に照射された露光光の６０％以上が遮蔽される結果となり、露光光量の大きな損失となる。

なお、本実施例では、石英基板１１をエッチングして凹部１５を形成する際にレジストマスクを用いたが、例えば金属膜（パターン補助膜）をマスクとして用いてもよい。

図６は、上述の第２の態様のフォトマスクの製造プロセスを説明するための図で、本実施例で得られるフォトマスクも実施例１と同様に、遮光性膜としてＡｌを６０ｎｍ積層させたバイナリマスクである。

先ず、石英基板１１の主面にレジスト１４を塗布する（図６（Ａ））。本実施例でも、電子線用の化学増幅型ポジレジストを用いている。

このレジスト１４に、ＥＢ描画装置で所定のパターンを露光し、現像して、所定のレジストパターン１４を得る（図６（Ｂ））。

このレジスト１４をマスクとし、石英基板１１の露出部分に、遮光性膜１２としてＡｌ（厚み６０ｎｍ）を積層させる。この成膜も、Ａｒガス中に窒素ガスを添加させた雰囲気中で金属ターゲットをスパッタすることで行っている。

なお、遮光性膜１２は、上記の２層積層膜に、さらに石英基板１１側に反射防止層や密着改善層を形成して３層以上の積層構造としてもよい。また、膜中の組成を厚み方向に徐々に変化させて膜表面の酸化度や窒化度を高めることにより、反射率を低減させるようにしてもよい。

そして、遮光性膜の形成後にレジストマスク１４を除去すると、石英基板１１の主面にパターニングされた遮光性膜１２が得られる（図６（Ｄ））。

さらに、上述と同様の手法により、遮光性膜１２上にレジストパターン１４を形成し（図６（Ｅ））、石英基板１１の露出部分に酸化ケイ素膜を約６０ｎｍの厚みでスパッタ成膜して透光性膜１３を得る（図６（Ｆ））。なお、この酸化ケイ素膜に代えて、窒化珪素膜や酸化窒化珪素膜であってもよいことは上述のとおりである。

そして最後に、レジストマスク１４を除去すると、石英基板１１の主面に、パターニングされた遮光性膜１２と透光性膜１３を備えたフォトマスクが得られる（図６（Ｇ））。

なお、本実施例では遮光性膜１２を先に形成する例を示したが、透光性膜１３を先に形成するようにしてもよい。

以上、実施例により本発明のフォトマスクを説明したが、上述の遮光部と透光部を相互に組み合わせた態様のフォトマスクとしてもよいことは既に説明したとおりである。そして、本発明のフォトマスクを用い、その表面に斜め入射する光成分（非垂直入射成分）を含む照射光により露光を行なうこととすれば、フォトマスク面に非垂直入射する露光光成分などに起因して生じるパターン解像度の低下を抑制することが可能となる。特に、二重極照明や四重極照明、輪帯照明などの変形照明のように斜入射照明系においては効果が大きい。

本発明は、従来構造のフォトマスクであれば遮光性膜によって遮蔽されていた露光光量を大幅に低減することにより、フォトマスク面に非垂直入射する露光光成分などに起因して生じるパターン解像度の低下を抑制することを可能とする。

従来のフォトマスクの構造を説明するための断面概略図である。第１の態様のフォトマスクの構造を説明するための断面概略図である。第２の態様のフォトマスクの構造を説明するための断面概略図である。第３の態様のフォトマスクの構造を説明するための断面概略図である。第１の態様のフォトマスクの製造プロセスを説明するための図である。第２の態様のフォトマスクの製造プロセスを説明するための図である。

符号の説明

１、１１基板
２、１２遮光性膜
１３透光性膜
１４レジスト
１５凹部

Claims

透明基板上に透光部と遮光部を備えたフォトマスクの表面に斜め入射する光成分を含む露光光を用いて前記フォトマスクに形成されたパターンをフォトリソグラフィにより転写させる露光方法であって、
前記フォトマスクの前記遮光部は、その側面に入射した露光光を前記透光部側へと全反射させるパターニングされた光学膜であり且つ前記透明基板の一方主面に設けられた凹部内に形成されており、
前記透光部の屈折率をｎ _t 、前記遮光部の屈折率をｎ _f 、前記透明基板に入射する露光光の入射角をθとしたとき、下記の関係式を満足する、
ことを特徴とする露光方法。
ｎ _f ＜ｎ _t ・ｓｉｎ（π／２−ｓｉｎ ^-1 （ｓｉｎθ／ｎ _t ））
前記遮光部は、アルミニウム、銅、またはモリブデンの金属膜若しくは合金膜又はこれらに窒素や酸素を含んだ膜である請求項１に記載の露光方法。