JP6079110B2 - 反射型フォトマスク - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路等の作製において極端紫外線（Extreme Ultra Violet；以下「ＥＵＶ」と略記する。）等を用いた転写に使用される反射型フォトマスクに関する。

半導体デバイスの微細化は年々進んでおり、それに伴いフォトリソグラフィ技術に使用される光の短波長化も進行している。すなわち、従来光源として使用されてきたＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）からＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）に移行するとともに、近年は、ＡｒＦエキシマレーザを使用する液浸露光法や２重露光法の研究が活発に行われている。一方で、エキシマレーザよりも波長が一桁以上短い（１０ｎｍ〜１５ｎｍ）ＥＵＶ光を用いた反射型光学系によるＥＵＶリソグラフィの研究開発が進められている。

光源の短波長化とともに、半導体ウェハーにパターンを転写する際に使用されるフォトマスクにも微細化、高精度化の要求がますます強くなってきている。フォトマスクは、従来からＡｒＦ露光までは光透過型が用いられている。しかし、ＥＵＶ光に対しては、材料の屈折率差が小さく屈折型光学系が使えず、反射型光学系となるため、ＥＵＶ露光用フォトマスクも反射型が用いられる。

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上に、２層膜を４０〜５０対（ペア）程度積層した多層膜部分を高反射領域とし、その上に低反射領域として金属性の吸収膜パターンを形成した構造であった。高反射領域は、屈折率差が大きく、吸収がなるべく小さな２種類の膜（例えばＭｏとＳｉ）を交互に積層して、多層膜としたものである。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ＥＵＶ光（入射角が小さいＥＵＶ光）に対して比較的高い反射率を得ることが可能になる。また通常、多層膜の保護膜という意味で、多層膜の最上層（吸収膜に近い層）に、ＥＵＶ光に対する透明性が高いＳｉなどからなる膜を、キャッピング膜として使用する。また、吸収膜とキャッピング膜の間には、吸収膜の加工の際のキャッピング膜へのダメージを軽減する意味で緩衝（バッファー）膜が使用されることがある。なお、キャッピング膜及び緩衝膜については、本発明への本質的な影響はないので、後述する本発明の説明から省略している。

反射型マスクを用いて半導体基板上に転写回路パターンを形成する際、一枚の半導体基板上には、複数の回路パターンのチップが形成される。隣接するチップ間において、チップの外周部が重なる領域が存在する場合がある。これは、ウェハー１枚あたりに取れるチップを出来るだけ増加したいという生産性向上のために、チップを高密度に配置するためである。この場合、この領域については、複数回（最大で４回）に亘り露光（多重露光）されることになる。この転写パターンのチップの外周部は、反射型マスク上でも外周部であり、通常、吸収膜の部分である。しかしながら、上述したように吸収膜上でのＥＵＶ光の反射率は、０．５〜２％程度あるために、多重露光によりチップ外周部が感光してしまう問題があった。このため、反射型マスク上のチップ外周部は、ＥＵＶ光の遮光性の高い領域（以下、「遮光枠」と呼ぶ。）にする必要性が出てきた。

このような問題を解決するために、反射型マスクの吸収膜から多層膜までを掘り込んだ溝を形成することで多層膜の反射率を低下させることにより、露光光源の波長に対する遮光性の高い遮光枠を設けた反射型マスクが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−２１２２２０号公報

しかしながら、吸収膜と多層膜を単に掘り込んだだけの遮光枠では、次のような問題が生じる。これについて図を用いて説明する。図５は、一般的な、遮光枠５付きのＥＵＶ用の反射型マスク（基板は６インチ角、厚さは０．２５インチ）の一例の平面の模式図である。遮光枠５の幅は、２．５ｍｍである。図５において反射型マスクの中心座標を（Ｘ、Ｙ）＝（０、０）とした場合に、遮光枠５のうち、中心座標より左側を縦方向に延びる遮光枠エッジ（遮光枠５とその内外の吸収膜及び多層膜との境界）のＸ座標は、遮光枠５の外側エッジ（左側エッジ）がＸ＝−６１．５ｍｍ、内側エッジ（右側エッジ）がＸ＝−５９．０ｍｍとなっている。このようなＥＵＶマスクにおいては、通常、遮光枠エッジ付近に位置合わせ用マークなどの吸収膜パターンが形成される。

図６の断面の模式図を用いて説明すると、図６（ａ）は、成膜前の基板２のみの状態で、基板２はほぼ平坦である。平坦な基板２に多層膜３、及び吸収膜などが成膜されると、それらの内部応力により基板２は曲がり、平面度を持つようになる。基板２を曲げようとする曲げモーメントは、膜厚に比例する。多層膜３は、他の膜に比べ膜厚が厚い（全層で通常３００ｎｍ程度）。そのため、成膜後の平面度には、特に多層膜３の影響が支配的となる。さらに、多層膜３に作用するのは通常圧縮応力であるため、反射型マスクは、図６（ｂ）に示すように、上に凸の平面度δを持つようになる。尚、図６（ｂ）では、説明の簡略化のため、吸収膜パターンのうち、位置合わせ用マーク４のみを記載し、それ以外の吸収膜パターンは省略している。

図６（ｂ）の状態から遮光枠５を形成すると、遮光枠５の部分のみ多層膜３が除去されるため、膜の曲げモーメントの作用する領域が変化して平面度が小さくなる（より平坦に近づく）とともに、応力分布（バランス）が変化する。図６（ｃ）のように平面度が小さくなると、吸収膜パターン４は、図６（ｂ）の位置から、図６（ｃ）の位置へそれぞれｄ１、ｄ２の量だけマスク中心側へ変位する。尚、平面度の変化以外にも、遮光枠の形成によるパターンの変位の要因はある。しかし、この要因については後述する。このように、遮光枠５の形成に伴って吸収膜パターン４が変位すると、最終的な吸収膜パターン４が設計上の位置からずれることになり、複数回に亘る露光で作製される転写回路パターンの位置合わせに支障が生じる、という問題が発生する。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、遮光枠の形成に伴う吸収膜パターンの変位を考慮した吸収膜パターンの位置設計を容易化することにある。

上述の課題を解決するために、本発明は、基板と、基板の表面に形成された多層反射膜と、多層反射膜の上に形成された吸収膜とを備え、吸収膜に形成された回路パターン領域の外側の少なくとも一部に、吸収膜、および多層反射膜を除去することにより、多層反射膜に比べてＥＵＶ光の反射率が低い遮光枠が形成され、遮光枠の側壁となる多層反射膜の壁面は、テーパー形状のテーパー部を有し、遮光枠の延伸方向に直交するテーパー部の幅は、５μｍ以上であることを特徴とする反射型マスクである。

本発明は、多重露光防止のための遮光枠の側壁となる多層膜の壁面がテーパー形状のテーパー部を有し、好ましくは、遮光枠の延伸方向に直交するテーパー部の幅は、５μｍ以上となっているので、遮光枠の形成に伴う応力分布の急激な変化に起因する吸収膜パターンの変位への影響が緩和される。また、吸収膜パターンが位置合わせ用吸収膜パターンである場合には、遮光枠の形成によるその吸収膜パターンの変位が、設計段階で補正可能な直線的な変位成分のみとなり、転写回路パターンの位置合わせに支障が生じる、という問題を解決することができる。

本発明の実施の形態における反射型マスクの基本構造（左半分）を示す断面の模式図 実施例の反射型マスクにおける、遮光枠外側エッジ近傍の変位の総和を示す特性図 実施例の反射型マスクにおける、遮光枠内側エッジ近傍の変位の総和を示す特性図 従来の反射型マスクの基本構造（左半分）を示す断面の模式図 一般的な遮光枠付きのＥＵＶ用の反射型マスクの平面の模式図 成膜に伴う平面度の変化と、遮光枠の形成に伴う平面度変化及びパターン変位を説明するための断面の模式図 遮光枠の形成前後の膜応力の作用方向とパターン変位を説明するための断面の模式図 遮光枠の形成前後の曲げモーメントの作用方向を説明するための断面の模式図 遮光枠エッジ近傍の急激な応力変化の要因を除く、その他の要因による変位の総和を計算した特性図 遮光枠エッジ近傍の急激な応力変化をモデル化した式を説明するための特性図 従来の反射型マスクにおける、遮光枠エッジ近傍の変位の総和を示す特性図

図１に示すように、本発明の実施の形態における反射型マスクは、多重露光防止のための遮光枠５の側壁となる多層膜３の壁面が、テーパー形状のテーパー部１０を有している。このテーパー部１０は、遮光枠５の延伸方向に直交する幅が、好ましくは、５μｍ以上となっている。図１を用いて説明すると、テーパー形状を有する側壁の長さｗ１、ｗ２は、遮光枠エッジ（遮光枠の最内端）から５μｍ以上となっている。図１（ａ）は、遮光枠５の底面から外側へ広がる順テーパーの場合を示し、図１（ｂ）は、遮光枠５の底面から外側へ窄まる逆テーパーの場合を示している。図１（ａ）の場合と図１（ｂ）の場合の作用及び効果は同じである。

以下、本発明の有効性を説明する前準備として、まず遮光枠５の形成後に吸収膜パターン４の変位が発生する要因について図を用いて説明する。吸収膜パターン４の変位が発生する第１の要因は、全体的な平面度変化による変位である。この第１の要因については、図６を用いて説明済みであるため説明を省略する。

続いて、第２の要因について説明する。第２の要因は、水平（Ｘ、Ｙ）方向に作用する二軸応力の変化である。Ｘ方向について示せば、遮光枠５の形成前の多層膜３における各部への膜応力の作用方向は、図７（ａ）に示すようになり、遮光枠５の形成後の多層膜３における各部への膜応力の作用方向は、図７（ｂ）に示すようになる。図７では、説明の都合上、Ｆに添字を付けて区別しているが、大きさはＦ０＝Ｆ１＝Ｆ２＝Ｆ３であり、作用する領域のみが異なっている。ここで特徴的なことは、遮光枠５の形成後は、遮光枠部分の多層膜３が消失するため、遮光枠５の外側領域の中心（Ｘ＝−６８.１２５ｍｍ）より右側では、マスク中心方向に向かう応力Ｆ２が生じる、ということである。その結果、遮光枠５の外側領域の中心（Ｘ＝−６８.１２５ｍｍ）より右側では、ｄ３という右側へ変位する成分が発生する。他方、遮光枠５の内側領域については、遮光枠５の形成前後でマスク中心（Ｘ＝０）から遮光枠５の内側エッジ（Ｘ＝−５９．０ｍｍ）に至るまで、二軸応力の大きさ及び方向に変化はないので、ニ軸応力の変化による変位は生じない。

続いて、第３の要因について説明する。第３の要因は、遮光枠５の形成後に、遮光枠エッジ部（エッジ近傍領域）に、図８（ｂ）に示す曲げモーメントＭ１、Ｍ２が発生することである。図８（ａ）のＭ０は、遮光枠５の形成前の曲げモーメントである。図８では、説明の都合上、Ｍに添字を付けて区別しているが、大きさはＭ０＝Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍ３であり、作用する領域のみ異なっている。すなわち、Ｍ１、Ｍ２が作用することにより、遮光枠５のエッジ近傍の平面度が変化し、吸収膜パターン４の変位の要因となる。ここで特徴的なことは、Ｍ１による変位は、図６の場合と同様にマスク中心（図８（ｂ）において右側）へ向かう変位成分であるが、Ｍ２は逆に左側へ向かう変位成分である、ということである。

以上、遮光枠５の外側領域については、第１の要因、第２の要因、及び第３の要因、遮光枠５の内側領域については第１の要因と第３の要因により、遮光枠５の形成前後で吸収膜パターン４の変位が発生する。遮光枠５の外側、及び遮光枠５の内側のそれぞれについて、材料力学の弾性理論に基づき変位量（位置変位）を計算し、総和を求めた結果を図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す。遮光枠５の外側については、その中心（Ｘ＝−６８．１２５ｎｍ）から遮光枠エッジ（Ｘ＝−６１．０ｎｍ）まで範囲、遮光枠５の内側については遮光枠エッジ（Ｘ＝−５９．０ｎｍ）からマスク中心（Ｘ＝０）までの範囲について変位量を示している。このように、遮光枠５の外側と遮光枠５の内側では、共に基準（Ｘ＝０）からの距離Ｘに対して直線的に変位量が変化する。

図９（ａ）及び図９（ｂ）の変位は、遮光枠エッジのごく近傍（遮光枠エッジから２０μｍ程度までの範囲）を除けば、ほぼ実験による測定結果に一致し、妥当な計算結果となる。しかしながら、遮光枠エッジのごく近傍（エッジ近傍領域）については、第４の要因（変位要因）として、遮光枠エッジのごく近傍における、遮光枠５の形成によって多層膜３が消失することによる急激な応力変化の影響を考慮する必要がある。

遮光枠エッジのごく近傍における応力変化を表わすモデル式として、次式を用いることができる。
式１：σ＝−σ０／（ｂ−ａ）^N・（Ｘ−ａ）^N＋σ０
式１において、σは応力、ｂは遮光枠エッジの座標、ａは第４の要因による応力変化が始まる座標、σ０はもともとの膜応力（遮光枠形成前の膜応力）、Ｎは応力の変化の程度をモデル化するために導入したパラメータを表す。
式１を用いれば、ａ点で応力変化（減衰）が始まり、遮光枠エッジで応力＝０となり、Ｎが大きいほど、遮光枠エッジごく近傍で急激に応力が変化するモデルとなる。図１０は、式１を図示した図表である。図１０の縦軸はσである。遮光枠５の外側エッジ（Ｘ＝−６１．５ｍｍ）の１００μm手前から応力が変化するときに、Ｎ＝１、２、５、１０として計算した結果が示されている。

式１において、Ｎの数と、ａの座標を変化させて、遮光枠エッジごく近傍のパターン変位を調べた。その結果、かなり大きなＮ（従って急激な応力変化）とした場合に、遮光枠エッジへ近づくにつれてパターン変位が小さくなる現象が生じ、測定結果に近くなることが分かった。実際のマスクでは、遮光枠５の側壁はほぼ垂直に形成され、「突然に」多層膜が消失するため、これは妥当な結果であると言える。図１１（ａ）は、遮光枠５の外側について、応力変化の条件としてＮ＝７０とし、応力変化の範囲をＸ＝−６１．７〜−６１．５ｍｍ（遮光枠の外側エッジ）とした場合の第４の要因による変位を、第１の要因、第２の要因、及び第３の要因による変位に加えて、変位の総和を求めた結果である。図１１（ｂ）は、遮光枠の内側について、応力変化の条件としてＮ＝５０とし、応力変化の範囲をＸ＝−５９．０（遮光枠内側エッジ）〜−５８．８７ｍｍとした場合の第４の要因による変位を、第１の要因、第２の要因、及び第３の要因による変位に加えて、変位の総和を求めた結果である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、測定結果に近い結果となり、図１１（ａ）の場合、遮光枠の外側エッジから１３μm付近、図１１（ｂ）の場合、遮光枠の内側エッジから８μm付近から変位の曲線的な変化が始まることが分かる。

このように、第１から第４の要因を考慮することで、実際に起こるパターン変位を模擬することができる。実際にＥＵＶマスクを作製する場合には、正しい位置にパターンを形成する必要があるので、遮光枠５の形成により発生するパターン変位をあらかじめ盛り込み、その分だけ補正したマスクパターンの位置設計を行う必要がある。この際、第１から第３までの要因による変位は、直線的な変位であるため補正しやすい。しかし、第４の要因に対しては、曲線的な変位であるとともに、構造に関連した応力の微妙な変化に影響されやすい、局所的な変位である。そのため、パターンの位置補正を行う上での障害となる。本発明のＥＵＶマスクにおいては、第４の要因である、応力の急激な変化によるパターン変位を考慮する必要がない量にすることができる。

＜実施例＞
以下、本発明に基づいてＥＵＶマスクを設計した例を示す。図４は、従来の遮光枠付きＥＵＶマスクの基板と多層膜のみを示した断面の模式図である。このＥＵＶマスクの場合は、これまで詳細に説明したように、遮光枠の外側エッジから１５μｍ程度以内の範囲７、内側エッジから１０μｍ程度以内の範囲７では、急激な応力変化によって曲線的なパターン変位が生じ（図１１（ａ）、（ｂ）参照）、これらの領域を位置合わせマーク等の吸収膜パターン作製に用いることができない。

本発明の主旨は、膜応力がパターン変位に及ぼす影響は、膜応力と膜厚の積として影響するので、急激な応力変化を緩和するために、膜厚を遮光枠エッジ近傍で徐々に薄く変化させ、テーパー構造をもたせることである（図１（ａ）、（ｂ）参照）。そこで、図１（ａ）において、膜厚が位置座標Ｘに対して直線的に変化するとし、テーパー部１０の幅ｗ１、ｗ２を変化させて、パターン変位を計算した。遮光枠５の外側エッジごく近傍の結果を図２、遮光枠５の内側エッジごく近傍の結果を図３に示す。図２、図３は、図１１と同様に、第１から第４の要因によるパターン変位の総和を表わしている。また、図２の応力変化の条件は図１１（ａ）と同じであり、図３の応力変化の条件は図１１（ｂ）と同じである。

図２は、遮光枠５の外側エッジごく近傍の結果である。図２（ａ）に示すテーパー部の幅ｗ１＝５μｍの場合は、まだ１ｎｍ程度の曲線的な位置変位が残っているのに対し、図２（ｂ）に示すｗ１＝１０μｍの場合は、位置変位はほぼ直線的なレベルに留まっている。尚、図１（ａ）は、順テーパー、図１（ｂ）は逆テーパーの場合を示している。どちらの場合も、膜厚の変化量としては同じであるので、同じ結果が得られる。

図３は、遮光枠５の内側エッジごく近傍の結果である。図３（ａ）に示すテーパー部の幅ｗ２＝１μｍの場合は、まだ１ｎｍ程度の曲線的な位置変位が残っているのに対し、図３（ｂ）に示すｗ２＝５μｍの場合は、位置変位はほぼ直線的なレベルに留まっている。尚、図２と同様に、図１（ａ）に示す順テーパーの場合と図１（ｂ）に示す逆テーパーの場合では、膜厚の変化量としては同じであるため、同じ結果が得られる。

このように、実施例では、多重露光防止のための遮光枠５の側壁となる多層膜３の壁面がテーパー形状のテーパー部１０を有し、好ましくは、テーパー部１０の幅は５μｍ以上となっている。そのため、遮光枠５の形成に伴う応力分布の急激な変化によるパターン変位への影響が緩和される。その結果、遮光枠５の形成による位置合わせ用吸収膜パターン等のパターン変位が直線的な変化に留まるので、遮光枠５の形成により発生するパターン変位を盛り込んだ補正を含むパターン位置設計の難度を軽減することができる。

本発明は、半導体集積回路等の製造に際して使用されるＥＵＶ露光用等の反射型フォトマスクのうち、吸収膜から多層反射膜までを掘り込んだ遮光枠を有する反射型フォトマスクなどに有用であり、複数回に亘る転写露光における回路パターンの位置合わせ精度を高精度に維持したまま、多重露光を防止することができる反射型フォトマスクに使用することができる。

１ 実施の形態の反射型マスクの基本構造（左半分）
２ 反射型マスク基板
３ 多層反射膜
４ 吸収膜パターン
５ 遮光枠
６ 従来の反射型マスクの基本構造（左半分）
７ 位置座標に対して曲線的な位置変位が発生する領域
１０ テーパー部

Claims (1)

1. 基板と、
   前記基板の表面に形成された多層反射膜と、
   前記多層反射膜の上に形成された吸収膜とを備え、
   前記吸収膜に形成された回路パターン領域の外側の少なくとも一部に、前記吸収膜、および前記多層反射膜を除去することにより、前記多層反射膜に比べてＥＵＶ光の反射率が低い遮光枠が形成され、
   前記遮光枠の側壁となる多層反射膜の壁面は、テーパー形状のテーパー部を有し、
   前記遮光枠の延伸方向に直交する前記テーパー部の幅は、５μｍ以上であることを特徴とする反射型マスク。