JP5239799B2 - ハーフトーン型位相シフトマスク - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子のパタン形成に用いられるフォトリソグラフィ技術に使用される位相シフトマスクのパタンの転写特性を向上させた位相シフトマスク、特に、ウェハ上の最小ハーフピッチ５５ｎｍ以下のフォトリソグラフィ技術に用いられるハーフトーン型位相シフトマスクに関する。

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技術においては、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露光技術、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技術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、単にハーフトーンマスクとも記す。）（例えば、特許文献１、特許文献２参照）、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ンに補助パタンや線幅オフセットを与えてマスクパタ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。）と呼ばれる方法などがある。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（ダイポール：Ｄｉｐｏｌｅとも称する。）の瞳フィルタを用いた二重極照明および四重極（クォードラポール：Ｃｑｕａｄとも称する。）の瞳フィルタを用いた四重極照明などが用いられている。

図２９は、照明光学系に四重極（Ｃｑｕａｄ）の瞳フィルタを用いた四重極照明のときのマスクパタンにより生ずる回折光の模式図である。マスクパタンがラインとスペース（ライン／スペース）のパタンであって、照明光をマスクに照射したとき、マスクパタンによる回折光が０次光（０ｔｈ）と１次光（１ｓｔ）の２光束干渉光と解像に寄与しない光（ＹＴＥ）よりなる場合を示す。

ところで、従来、マスクパタンの転写特性の評価は、マスクパタンの平面的な特性を主にして、透過率や位相差で表現する方法により予測されていた。近年は、フォトマスクの転写特性の評価に、コントラスト（Ｃｏｎｔｒａｓｔ）やマスク誤差増大因子（Ｍａｓｋ Ｅｒｒｏｒ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆａｃｔｏｒ、以後ＭＥＥＦとも記す）が用いられている（例えば、特許文献３参照）。コントラストは、従来、ウェハ上の光強度の頂点をＩ_top、光強度の底の値をＩ_bottomとして、下記の数式（１）で表される。コントラストが高いと（ｍａｘ．１）、露光量裕度が広くなり、ラインのエッジ・ラフネスが良化し、フォトリソグラフィ工程の歩留まりが改善される。
コントラスト＝（Ｉ_top−Ｉ_bottom）／（Ｉ_top＋Ｉ_bottom） …（１）

ＭＥＥＦは、従来、下記の数式（２）で表されており、マスク寸法変化量（ΔマスクＣＤ）に対するウェハ上のパタン寸法変化量（ΔウェハＣＤ）の比で示される。ＣＤはマスクやウェハの重要な寸法（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）を示す。数式（２）の数値４はマスクの縮小比であり、一般的な４倍マスクを用いた場合を例示している。数式（２）が示すように、ＭＥＥＦの値は小さい方（１付近）が、マスクパタンがウェハパタンにより忠実に転写されることになり、ＭＥＥＦの値が小さくなればウェハ製造歩留りが向上し、その結果、ウェハ製造に用いるマスク製造歩留りも向上することになる。
ＭＥＥＦ＝ΔウェハＣＤ／ΔマスクＣＤ／４ …（２）

しかし、半導体素子の微細化・高密度化が進むにつれて、フォトリソグラフィ技術におけるマスクの転写画像の解像性に、マスクの立体構造が与える影響が大きくなってきており、問題を生じている。具体的に述べると、マスク基板面に垂直方向のマスクパタンの厚みによる立体的な効果（以後、「マスク立体効果」と記す）のために、従来のマスクを透過率と位相差のみで表現するモデル（本明細書では、以後、「薄いマスクモデル」（Ｔｈｉｎ Ｍａｓｋ Ｍｏｄｅｌ）と称する）を用いた見積から、転写画像のコントラストやＭＥＥＦの値が大きく変化しているという問題が生じている。
特開平４−１３６８５４号公報 特開平６−３３２１５２号公報 特開平９−２３６９０６号公報

本発明者は、マスク立体効果によるコントラストやＭＥＥＦの影響の度合いを、まず従来のフォトマスクを用いてシミュレーションにより調べた。マスクパターンの転写特性を見積もるためのシミュレーション・ソフトウェアとしては、ＥＭ−Ｓｕｉｔｅ（商品名：Ｐａｎｏｒａｍｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製）を用いた。また、フォト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−ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔモデルを用いた。

図２３および図２４は、従来の一般的なモリブデンシリサイド系の露光波長１９３ｎｍにおける透過率６％のハーフトーンマスク（６％ＨＴと記す）およびクロム遮光膜のバイナリマスク（Ｃｒバイナリと記す）におけるコントラスト（縦軸）とウェハ上のハーフピッチ（横軸；ｎｍ）との関係を示すものである。それぞれのマスクパタンには４倍マスクにおけるマスクバイアス値を加えた場合も示す。同様に、図２５および図２６は、６％ＨＴおよびＣｒバイナリにおけるマスク誤差増大因子（ＭＥＥＦ；縦軸）とウェハ上のハーフピッチ（横軸；ｎｍ）との関係を示し、それぞれのマスクパタンには４倍マスクにおけるマスクバイアス値を加えた場合を示す。比較のため、上記の従来の薄いマスクモデル（Ｔｈｉｎ Ｍａｓｋ Ｍｏｄｅｌ）によるコントラスト、ＭＥＥＦのシミュレーション値を図２３〜図２６の各図に破線で記入してある。

コントラストは、図２３、図２４に示されるように、ウェハ上のハーフピッチ３５〜６５ｎｍにおいて、ハーフトーンマスクでは薄いマスクモデルよりも低下し、一方、Ｃｒバイナリマスクでは薄いマスクモデルよりも向上している。ＭＥＥＦは、図２５、図２６に示されるように、ウェハ上のハーフピッチ３５〜６５ｎｍにおいて、ハーフトーンマスクでは薄いマスクモデルよりも悪化する傾向を示しているが、Ｃｒバイナリマスクではほぼシミュレーション値と一致している。上記のように、ハーフトーンマスクのコントラスト、ＭＥＥＦの値は従来の薄いマスクモデルの見積から乖離していることがわかり、その大きな要因はマスクの立体効果の影響によるものとみられている。
上記のように、３５〜６５ｎｍハーフピッチ・ノードにおいて、ハーフトーンマスクはマスクの転写特性を示すコントラスト、ＭＥＥＦが共に悪化するという問題があった。

ハーフトーンマスクの立体効果による影響について、さらに説明する。ハーフトーンマスクは、図２７に示す従来のハーフトーンマスクの断面模式図のように、一般的に、透明な石英基板２７１上に露光光を所定の透過率で透過し位相を変える半透明膜（以後、ハーフトーン膜２７２と称する）を位相シフト膜としてパターンを形成し、ハーフトーン膜２７２を透過した透過光２７４と透明な石英基板２７１を透過した透過光２７３との位相差が１８０°となる構造にしたマスクである。位相差計算には幾何光学のフレネル公式が用いられる。露光光の波長に対し十分に大きなパタンを持つ従来のマスクのような場合には、位相差１８０°が最も高いコントラストを備えているものである。

しかし、半導体素子の微細化に伴い露光における高ＮＡ化が増すに従い、図２８に示すように、マスクに入射する照明光の入射光線の角度が大きくなり、斜入射が用いられるようになっている。特にウェハ上のハーフピッチ６５ｎｍ以下の微細パタンでは、入射光角度は１０°を超える。この時、図２８（ａ）に示す露光光の波長に対し十分大きいパタン２８２ａの場合には、フレネル公式から位相差を計算できるが、図２８（ｂ）に示すように露光光の波長寸法程度の微細パタン２８２ｂの場合には、空気との界面の影響を受けるために、実効的な位相差を得ることが難しい。そのような状況下では上記に説明したように、計算上位相差が１８０°のマスクパタンの膜構造が最良な転写特性（コントラスト、ＭＥＥＦ）を有するとは限らないという問題を生じる。ここで言う計算上位相差とは、十分に大きいパタン部と開口部の位相差が、垂直入射換算とした結果を表す。一般的に、位相差は垂直入射で定義されており、位相差顕微鏡などを用いた位相差検査においても大きいパタンで垂直入射で計測されている。

そこで、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、本発明の目的は、ウェハ上にハーフピッチ５５ｎｍ以下の細密パタンを形成するためのハーフトーン型位相シフトマスクにおいて、マスク立体効果がマスクパタン転写特性に与える影響を良い方向に制御し、高いコントラストを維持し、ＭＥＥＦの値が小さい良好なマスク転写画像が得られるハーフトーン型位相シフトマスクを提供することである。

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型位相シフトマスクは、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技術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露光光を所定の透過率で透過し位相を変える単層の半透明膜でマスクパタンを形成したハーフトーン型位相シフトマスクであって、前記マスクパタンが、ウェハ上に転写されたときにハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍノードの範囲となるパタンであり、前記半透明膜のマスクパタンを透過した透過光と前記透明基板を透過した透過光との位相差が１６１°以上１７２°以下であり、前記マスクパタンを形成する半透明膜が、膜厚５８ｎｍ〜６６ｎｍの範囲であり、屈折率が２〜２．６、より好ましくは２．３〜２．６の範囲であり、消衰係数が０．３〜０．９の範囲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型位相シフトマスクは、請求項１に記載のハーフトーン型位相シフトマスクにおいて、前記マスクパタンが、１：１ライン／スペースからラインバイアスを−３０ｎｍ〜−１０ｎｍの範囲としたパタンであり、前記マスクパタンをウェハ上に転写したときにハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍノードの範囲のパタン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型位相シフトマスクは、請求項１に記載のハーフトーン型位相シフトマスクにおいて、前記マスクパタンが、１：１ライン／スペースからラインバイアスを−５０ｎｍ〜−３０ｎｍの範囲としたパタンであり、前記マスクパタンをウェハ上に転写したときにハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍノードの範囲のパタンであることを特徴とするものである。

請求項４の発明に係るハーフトーン型位相シフトマスクは、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技術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露光光を所定の透過率で透過し位相を変える単層の半透明膜でマスクパタンを形成したハーフトーン型位相シフトマスクであって、前記半透明膜のマスクパタンを透過した透過光と前記透明基板を透過した透過光との位相差が１６１°以上１７２°以下であり、前記マスクパタンが、１：１ライン／スペースからラインバイアスを−３０ｎｍ〜−１０ｎｍの範囲としたパタンであり、前記マスクパタンをウェハ上に転写したときにハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍノードの範囲のパタンであることを特徴とするものである。

請求項５の発明に係るハーフトーン型位相シフトマスクは、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技術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露光光を所定の透過率で透過し位相を変える単層の半透明膜でマスクパタンを形成したハーフトーン型位相シフトマスクであって、前記半透明膜のマスクパタンを透過した透過光と前記透明基板を透過した透過光との位相差が１６１°以上１７２°以下であり、前記マスクパタンが、１：１ライン／スペースからラインバイアスを−５０ｎｍ〜−３０ｎｍの範囲としたパタンであり、前記マスクパタンをウェハ上に転写したときにハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍノードの範囲のパタンであることを特徴とすとするものである。

本発明の位相差１６１°以上１７２°以下のハーフトーン型位相シフトマスクを用いることにより、マスクパタン転写特性に与えるマスクの立体効果の影響を良い方向に制御し、ウェハ上に転写したハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍノードのパタンを、従来の位相差１８０°のマスクよりもＭＥＥＦ値が小さく、高いコントラストを維持した良好な微細パタンとして得ることが可能となる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るハーフトン型位相シフトマスクについて、従来のハーフトン型位相シフトマスクと比較しながら詳細に説明する。

本発明においては、ハーフトーンマスクの単層の半透明膜の構成と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、ＭＥＥＦ値と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ハーフトーンマスクの最良の形態を求めた。

本発明のハーフトーンマスクのマスクパタンの寸法として、ウェハ上のハーフピッチ６０ｎｍ前後の半導体デバイス用のマスクパタ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５５ｎｍ以下の半導体デバイス用のマスクパタ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、ウェハ上に転写したときにハーフピッチ５５ｎｍノード以下のパタンを形成する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ＭＥＥＦの改善効果が得られるものである。

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２９に示すような四重極の瞳フィルタを用いた四重極照明を設定した。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。

（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：Ｐａｎｏｒａｍｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ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−ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ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Ａｅｒｉａｌ ｉｎ Ｒｅｓｉｓｔモデルを使用し、ＭＥＥＦと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。

本発明のハーフトンマスクは、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技術に用いられ、マスクパタンが、ウェハ上に転写されたときにハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍノードの範囲となるパタンが設けられており、マスクパタンを透過した透過光と前記透明基板を透過した透過光との位相差は１６１°以上１７２°以下である。

図１は、本発明のハーフトンマスクの一実施形態を示す部分断面模式図であり、合成石英基板などの透明基板１１上に、露光光を所定の透過率で透過し位相を変える単層の半透明膜（ハーフトーン膜とも記す）１２でマスクパタンを形成したハーフトンマスク１０を示す。図１においては、ライン／スペースパタンを設けた場合を例示しており、ハーフトーン膜１２は膜厚６０ｎｍ、屈折率（ｎ）２．５、消衰係数（ｋ）０．５、ＡｒＦ露光光（１９３ｎｍ）の透過率１１％、位相差１６８°であり、ハーフトーン膜１２のマスクパタンのない部分の透明基板の表面は４ｎｍの深さに均一に掘り込まれている。

本発明において、マスクパタンのない部分の透明基板表面の掘り込み深さは、０〜１０ｎｍの範囲の深さが好ましい。ハーフトーン膜１２をドライエッチングしてマスクパタンを形成する際に、通常、透明基板表面も僅かにエッチングされる。エッチングの深さは、下限は好ましくは０ｎｍであり、上限は１０ｎｍである。１０ｎｍを超えるとマスク特性に良くない影響を生じてくる。そこで、本発明のハーフトンマスクでは、エッチング深さを０〜１０ｎｍの範囲の所定の深さに制御し、あらかじめこの深さを含めて位相差を設定するものである。以下の実施形態では、いずれのハーフトンマスクも所定のエッチング深さを４ｎｍとしているが、もとより０〜１０ｎｍの範囲であれば、他のエッチング深さを用いてもよい。

次に、本発明で用いているバイアスについて、図１を例にして説明する。透明基板１１上のハーフトーン膜１２よりなるマスクパタンのライン部の寸法（ラインＣＤ）の補正値であるバイアスｄ（ｎｍ）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、ラインＣＤは目標とする線幅寸法（ターゲットＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）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＋の場合はラインＣＤが広がる方向であり、ｄの値が−の場合はラインＣＤが狭くなる方向を意味する。ただし、＋の場合には特に＋の表示はしておらず、以下の本実施形態ではいずれも−の場合を好ましい例として挙げている。

図２は、図１との比較のために、従来のハーフトンマスク２０の部分断面模式図を示すものである。合成石英基板などの透明基板２１上に、露光光を所定の透過率で透過し位相を変える単層のハーフトーン膜２２でマスクパタンを形成し、図２においては図１と同様に、ライン／スペースパタンを設けた場合を例示しており、ハーフトーン膜２２は膜厚６８ｎｍ、屈折率（ｎ）２．３９、消衰係数（ｋ）０．６、ＡｒＦ露光光（１９３ｎｍ）の透過率５．９３％、位相差１７５．５°であり、ハーフトーン膜２２のマスクパタンのない部分の透明基板の表面は４ｎｍの深さに均一に掘り込まれている。

図１に示す本発明のハーフトンマスク１０と、図２に示す従来のハーフトンマスク２０との各々のＭＥＥＦを図３に、コントラストを図４に示す。図３、図４ともにマスクパタン（４倍マスク）のラインバイアスが−３５ｎｍにおけるウェハ上のハーフピッチ（１倍：横軸）に対するＭＥＥＦ値（縦軸）を示す。図３、図４の従来品Ａはハーフトーン膜の膜厚が６４ｎｍ、従来品Ｂはハーフトーン膜２２の膜厚が６８ｎｍの場合を示す。

図３に示されるように、本発明のハーフトーンマスク１０は、ハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍノードの範囲において、ＭＥＥＦは従来品Ａ、Ｂよりも小さい値となり改善されている。一方、図４に示すコントラストは従来品Ａ、Ｂとほぼ同じである。したがって、本発明のハーフトーンマスク１０は、ウェハ上のハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍの範囲において、ＭＥＥＦ値が小さい良好な転写画像を得ることができる。

図１に示す本発明のハーフトーンマスク１０を構成する半透明膜１２としては、材料として特に限定されるわけではないが、例えば、モリブデンシリサイド化合物を主成分とするモリブデンシリサイド酸化膜（ＭｏＳｉＯ）、モリブデンシリサイド窒化膜（ＭｏＳｉＮ）、モリブデンシリサイド酸化窒化膜（ＭｏＳｉＯＮ）などの半透過膜が挙げられる。

半透明膜１２の形成は、従来公知の方法が適用でき、例えばモリブデンシリサイド酸化膜（ＭｏＳｉＯ）の場合は、モリブデンとシリコンとの混合ターゲット（Ｍｏ：Ｓｉ＝１：２ｍｏｌ％）を用い、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気で、反応性スパッタリング法により形成することができる。

ハーフトーン膜１２は、例えばモリブデンシリサイド化合物よりなるハーフトーン膜の場合には、ＣＦ₄ 、ＣＨＦ₃ 、Ｃ₂ Ｆ₆などのガス、あるいはこれらの混合ガス、あるいはこれらのガスに酸素を混合したガスをエツチングガスとして用いることによりドライエッチングを行い、パタン形成することができる。
以下、実施形態により、本発明を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図５は、本発明の第１の実施形態のハーフトーンマスクの一例を示す断面模式図である。ハーフトーンマスク５０は、透明基板５１上に単層ハーフトーン膜５２が設けられ、一例として、屈折率（ｎ）は２．４、消衰係数（ｋ）は０．６とした。本実施形態においては、ハーフトーン膜５２の膜厚ｔ１を変え、マスクパタンのラインＣＤのバイアス（以後、ラインバイアスと記す）を変えたとき、上記のＭＥＥＦおよびコントラストに関して効果的なウェハ上のハーフピッチ・ノードの範囲を求めた。

図６〜図９は、ハーフトーン膜５２の膜厚ｔ１が６２ｎｍ、６６ｎｍ、７０ｎｍにおけるとき、ラインバイアスを−４５ｎｍ、−３５ｎｍ、−２５ｎｍ、−１５ｎｍと変えたときのウェハ上のハーフピッチに対するＭＥＥＦの値を示す。ＭＥＥＦの改善効果は、膜厚ｔ１が６２ｎｍ、６６ｎｍにおいては、ラインバイアス−４５ｎｍ、−３５ｎｍのときはハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍの範囲で、ラインバイアス−２５ｎｍ、−１５ｎｍのときはハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍの範囲で認められる。一方、膜厚ｔ１が７０ｎｍの場合は、上記のハーフピッチの範囲では、膜厚６２ｎｍ、６６ｎｍの場合に比べてＭＥＥＦの値は大きくなり、転写特性は悪いことが示されている。

図１０〜図１３は、ハーフトーン膜５２の膜厚ｔ１が５８ｎｍ、６２ｎｍ、６６ｎｍ、７０ｎｍにおけるとき、ラインバイアスを−４５ｎｍ、−３５ｎｍ、−２５ｎｍ、−１５ｎｍと変えたときのウェハ上のハーフピッチに対するコントラストの値を示す。図１０〜図１３から明らかなように、膜厚５８ｎｍの場合はコントラストが低下するが、膜厚６２ｎｍ〜７０ｎｍにおいては、ラインバイアスに依存せずにコントラストはほぼ同じである。

図６〜図１３に示したハーフトーン膜５２を有するハーフトーンマスクは、透明基板への掘り込みをいずれも４ｎｍとし、計算上の位相差は、膜厚ｔ１が５８ｎｍ、６２ｎｍ、６６ｎｍ、７０ｎｍの順に１５１°、１６１°、１７１°、１８３°となる。

表1は、膜厚ｔ１の各々の膜厚における転写特性を示すＭＥＥＦおよびコントラストの良否を比較判定し、○×で表したものである。ＭＥＥＦとコントラストの両方が良い（○）場合を実施例とし、少なくとも一方が悪い（×）場合を比較例としている。上記のように、ＭＥＥＦの値は小さいほど、コントラストの値は高いほど、より良好なパタンが形成されことを示すものである。

表１および図６〜図１３の結果に示されるように、ｎ２．４、ｋ０．６で膜厚６２ｎｍ、６６ｎｍのハーフトーン膜を有するハーフトーンマスクは、計算上の位相差が各々１６１°、１７１°としたとき、ラインバイアス−４５ｎｍ、−３５ｎｍのときはハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍの範囲で、ラインバイアス−２５ｎｍ、−１５ｎｍのときはハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍの範囲で、高いコントラストを維持しＭＥＥＦは改善され、良好なマスク転写画像が得られる。

（第２の実施形態）
図１４は、本発明の第２の実施形態のハーフトーンマスクの一例を示す断面模式図である。ハーフトーンマスク１４０は、透明基板１４１上に単層ハーフトーン膜１４２が設けられ、一例として、屈折率（ｎ）は２．５、消衰係数（ｋ）は０．５とした。本実施形態においては、ハーフトーン膜１４２の膜厚ｔ２を変え、マスクパタンのラインバイアスを変えたとき、上記のＭＥＥＦおよびコントラストに関して効果的なウェハ上のハーフピッチ・ノードの範囲を求めた。

図１５〜図１８は、ハーフトーン膜１４２の膜厚ｔ２が５８ｎｍ、６２ｎｍ、６６ｎｍにおけるとき、ラインバイアスを−４５ｎｍ、−３５ｎｍ、−２５ｎｍ、−１５ｎｍと変えたときのウェハ上のハーフピッチに対するＭＥＥＦの値を示す。ＭＥＥＦの改善効果は、膜厚ｔ２が５８ｎｍ、６２ｎｍにおいては、ラインバイアス−４５ｎｍ、−３５ｎｍのときはハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍの範囲で、ラインバイアス−２５ｎｍ、−１５ｎｍのときはハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍの範囲で認められる。一方、膜厚ｔ２が６６ｎｍの場合は、上記のハーフピッチの範囲では、膜厚５８ｎｍ、６２ｎｍの場合に比べてＭＥＥＦの値は大きくなり、転写特性は悪いことが示されている。

図１９〜図２２は、ハーフトーン膜１４２の膜厚ｔ２が５４ｎｍ、５８ｎｍ、６２ｎｍ、６６ｎｍにおけるとき、ラインバイアスを−４５ｎｍ、−３５ｎｍ、−２５ｎｍ、−１５ｎｍと変えたときのウェハ上のハーフピッチに対するコントラストの値を示す。図１９〜図２２から明らかなように、膜厚５４ｎｍの場合はコントラストが低下するが、膜厚５８ｎｍ〜６６ｎｍにおいては、ラインバイアスに依存せずにコントラストはほぼ同じである。

図１９〜図２２に示したハーフトーン膜１４２を有するハーフトーンマスクは、透明基板への掘り込みをいずれも４ｎｍとし、計算上の位相差は、膜厚ｔ２が５４ｎｍ、５８ｎｍ、６２ｎｍ、６６ｎｍの順に１５０°、１６１°、１７２°、１８３°となる。

表２は、膜厚ｔ２の各々の膜厚における転写特性を示すＭＥＥＦおよびコントラストの良否を比較判定し、○×で表したものである。ＭＥＥＦとコントラストの両方が良い（○）場合を実施例とし、少なくとも一方が悪い（×）場合を比較例としている。上記のように、ＭＥＥＦの値は小さいほど、コントラストの値は高いほど、より良好なパタンが形成されことを示すものである。

表２および図１５〜図２２の結果に示されるように、ｎ２．５、ｋ０．５で膜厚５８ｎｍ、６２ｎｍのハーフトーン膜を有するハーフトーンマスクは、計算上の位相差が各々１６１°、１７２°としたとき、ラインバイアス−４５ｎｍ、−３５ｎｍのときはハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍの範囲で、ラインバイアス−２５ｎｍ、−１５ｎｍのときはハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍの範囲で、高いコントラストを維持しＭＥＥＦは改善され、良好なマスク転写画像が得られる。

表１および表２、図５〜図２２に示されるように、本発明のハーフトーンマスクは、マスクパタンが、ウェハ上に転写されたときにハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍノードの範囲となるパタンであり、半透明膜のマスクパタンを透過した透過光と透明基板を透過した透過光との位相差が１６１°以上１７２°以下の範囲にあるマスクである。位相差１６１°未満ではコントラストが低下し、一方、１７２°を超えるとＭＥＥＦが大きくなり、良好な転写画像が得られなくなるからである。

また本発明のハーフトーンマスクは、マスクパタンを形成する半透明膜が、膜厚５８ｎｍ〜６６ｎｍの範囲であり、屈折率が２〜２．６の範囲、より好ましくは２．３〜２．６の範囲であり、消衰係数が０．３〜０．９の範囲であるマスクである。上記のように、膜厚５８ｎｍ未満ではコントラストが低下し、膜厚６６ｎｍを超えるとＭＥＥＦが大きくなり、良好な転写画像が得られず、通常用いられる半透明膜の屈折率２〜２．６、消衰係数０．３〜０．９の範囲においては、上記の膜厚の範囲を好ましい範囲とするものである。

本発明のハーフトーンマスクは、マスクパタンが、１：１ライン／スペースからラインバイアスを−３０ｎｍ〜−１０ｎｍの範囲とし、マスクパタンをウェハ上に転写したときにハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍノードの範囲のパタンで良好な転写画像が得られるものである。また、マスクパタンが、１：１ライン／スペースからラインバイアスを−５０ｎｍ〜−３０ｎｍの範囲とし、マスクパタンをウェハ上に転写したときにハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍノードの範囲のパタンで良好な転写画像が得られるものである。

本発明のハーフトンマスクの一実施形態を示す部分断面模式図である。 従来のハーフトンマスクの部分断面模式図である。 図１に示す本発明のハーフトーンマスクと図２に示す従来のハーフトーンマスクのＭＥＥＦを示す。 図１に示す本発明のハーフトーンマスクと図２に示す従来のハーフトーンマスクのコントラストを示す。 本発明の第１の実施形態のハーフトーンマスクの一例を示す断面模式図である。 第１の実施形態で、ラインバイアスを−４５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するＭＥＥＦを示す図である。 第１の実施形態で、ラインバイアスを−３５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するＭＥＥＦを示す図である。 第１の実施形態で、、ラインバイアスを−２５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するＭＥＥＦを示す図である。 第１の実施形態で、ラインバイアスを−１５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するＭＥＥＦを示す図である。 第１の実施形態で、ラインバイアスを−４５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するコントラストの値を示す図である。 第１の実施形態で、ラインバイアスを−３５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するコントラストの値を示す図である。 第１の実施形態で、ラインバイアスを−２５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するコントラストの値を示す図である。 第１の実施形態で、ラインバイアスを−１５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するコントラストの値を示す図である。 本発明の第２の実施形態のハーフトーンマスクの一例を示す断面模式図である。 第２の実施形態で、ラインバイアスを−４５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するＭＥＥＦを示す図である。 第２の実施形態で、ラインバイアスを−３５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するＭＥＥＦを示す図である。 第２の実施形態で、、ラインバイアスを−２５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するＭＥＥＦを示す図である。 第２の実施形態で、ラインバイアスを−１５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するＭＥＥＦを示す図である。 第２の実施形態で、ラインバイアスを−４５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するコントラストの値を示す図である。 第２の実施形態で、ラインバイアスを−３５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するコントラストの値を示す図である。 第２の実施形態で、ラインバイアスを−２５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するコントラストの値を示す図である。 第２の実施形態で、ラインバイアスを−１５ｎｍとしたときのウェハ上のハーフピッチに対するコントラストの値を示す図である。 従来の透過率６％のハーフトーンマスク（６％ＨＴ）におけるコントラストとウェハ上のハーフピッチとの関係を、シミュレーションにより求めた図である。 従来のクロム遮光膜のバイナリマスク（Ｃｒバイナリ）におけるコントラストとウェハ上のハーフピッチとの関係を、シミュレーションにより求めた図である。 従来の透過率６％のハーフトーンマスク（６％ＨＴ）におけるＭＥＥＦとウェハ上のハーフピッチとの関係を、シミュレーションにより求めた図である。 従来のクロム遮光膜のバイナリマスク（Ｃｒバイナリ）におけるＭＥＥＦとウェハ上のハーフピッチとの関係を、シミュレーションにより求めた図である。 位相差を説明するための従来のハーフトーンマスクの断面模式図である。 斜入射における微細パタンの影響を説明するためのハーフトーンマスクの断面模式図である。 照明光学系に四重極の瞳フィルタを用いたときのマスクパタンにより生ずる回折光の模式図である。

符号の説明

１０、５０、１４０ 本発明のハーフトンマスク
１１、５１、１４１ 透明基板
１２、５２、１４２ 半透明膜（ハーフトーン膜）
２０ 従来のハーフトンマスク
２１ 透明基板
２２ 半透明膜（ハーフトーン膜）
２７１、２８１ 透明な石英基板
２７２、２８２ａ、２８２ｂ 半透明膜（ハーフトーン膜）
２７３、２８３ 石英基板を透過した透過光
２７４、２８４、２８５ ハーフトーン膜を透過した透過光
２８２ 大きいパタン
２８５ 微細パタン

Claims (5)

1. 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技術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露光光を所定の透過率で透過し位相を変える単層の半透明膜でマスクパタンを形成したハーフトーン型位相シフトマスクであって、
   前記マスクパタンが、ウェハ上に転写されたときにハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍノードの範囲となるパタンであり、
   前記半透明膜のマスクパタンを透過した透過光と前記透明基板を透過した透過光との位相差が１６１°以上１７２°以下であり、
   前記マスクパタンを形成する半透明膜が、膜厚５８ｎｍ〜６６ｎｍの範囲であり、屈折率が２〜２．６、より好ましくは２．３〜２．６の範囲であり、消衰係数が０．３〜０．９の範囲であることを特徴とするハーフトーン型位相シフトマスク。
2. 前記マスクパタンが、１：１ライン／スペースからラインバイアスを−３０ｎｍ〜−１０ｎｍの範囲としたパタンであり、前記マスクパタンをウェハ上に転写したときにハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍノードの範囲のパタンであることを特徴とする請求項１に記載のハーフトーン型位相シフトマスク。
3. 前記マスクパタンが、１：１ライン／スペースからラインバイアスを−５０ｎｍ〜−３０ｎｍの範囲としたパタンであり、前記マスクパタンをウェハ上に転写したときにハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍノードの範囲のパタンであることを特徴とする請求項１に記載のハーフトーン型位相シフトマスク。
4. 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技術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露光光を所定の透過率で透過し位相を変える単層の半透明膜でマスクパタンを形成したハーフトーン型位相シフトマスクであって、
   前記半透明膜のマスクパタンを透過した透過光と前記透明基板を透過した透過光との位相差が１６１°以上１７２°以下であり、
   前記マスクパタンが、１：１ライン／スペースからラインバイアスを−３０ｎｍ〜−１０ｎｍの範囲としたパタンであり、前記マスクパタンをウェハ上に転写したときにハーフピッチ３８ｎｍ〜５５ｎｍノードの範囲のパタンであることを特徴とするハーフトーン型位相シフトマスク。
5. 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技術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露光光を所定の透過率で透過し位相を変える単層の半透明膜でマスクパタンを形成したハーフトーン型位相シフトマスクであって、
   前記半透明膜のマスクパタンを透過した透過光と前記透明基板を透過した透過光との位相差が１６１°以上１７２°以下であり、
   前記マスクパタンが、１：１ライン／スペースからラインバイアスを−５０ｎｍ〜−３０ｎｍの範囲としたパタンであり、前記マスクパタンをウェハ上に転写したときにハーフピッチ４４ｎｍ〜５２ｎｍノードの範囲のパタンであることを特徴とするハーフトーン型位相シフトマスク。

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