JP6929656B2 - マスクブランク、転写用マスク、転写用マスクの製造方法および半導体デバイスの製造方法 - Google Patents
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透光性基板上に、転写パターンを形成するための薄膜を備えたマスクブランクであって、
前記薄膜は、下層と上層がこの順に積層した構造を有し、
前記下層は、ケイ素と窒素とからなる材料、または半金属元素および非金属元素から選ばれる1以上の元素とケイ素と窒素とからなる材料で形成され、
前記下層は、前記透光性基板側から前記上層側に向かって窒素含有量が増加する組成傾斜構造を有し、
前記上層は、ケイ素と酸素とからなる材料、または半金属元素、貴ガス、ハロゲン、炭素、リン、硫黄およびセレンから選ばれる1以上の元素とケイ素と酸素とからなる材料で形成されている
ことを特徴とするマスクブランク。
前記下層は、ケイ素と窒素とからなる材料で形成されていることを特徴とする構成1記載のマスクブランク。
前記上層は、ケイ素と酸素とからなる材料で形成されていることを特徴とする構成1または2に記載のマスクブランク。
前記上層は、酸素含有量が50原子%以上であることを特徴とする構成1から3のいずれかに記載のマスクブランク。
前記下層における前記上層側の領域は、窒素含有量が50原子%以上であることを特徴とする構成1から4のいずれかに記載のマスクブランク。
前記上層は、厚さが2nm以上であることを特徴とする構成1から5のいずれかに記載のマスクブランク。
前記下層の厚さは、前記上層の厚さよりも厚いことを特徴とする構成1から6のいずれかに記載のマスクブランク。
前記上層は、前記下層の表面に接して設けられていることを特徴とする構成1から7のいずれかに記載のマスクブランク。
前記薄膜は、位相シフト膜であることを特徴とする構成1から8のいずれかに記載のマスクブランク。
前記位相シフト膜は、ArFエキシマレーザーの露光光を1%以上の透過率で透過させる機能と、前記位相シフト膜を透過した前記露光光に対して150度以上200度以下の位相シフトを生じさせる機能とを有することを特徴とする構成9記載のマスクブランク。
前記位相シフト膜上に、遮光膜を備えることを特徴とする構成9または10に記載のマスクブランク。
透光性基板上に、転写パターンを有する薄膜を備えた転写用マスクであって、
前記薄膜は、下層と上層がこの順に積層した構造を有し、
前記下層は、ケイ素と窒素とからなる材料、または半金属元素および非金属元素から選ばれる1以上の元素とケイ素と窒素とからなる材料で形成され、
前記下層は、前記透光性基板側から前記上層側に向かって窒素含有量が増加する組成傾斜構造を有し、
前記上層は、ケイ素と酸素とからなる材料、または半金属元素、貴ガス、ハロゲン、炭素、リン、硫黄およびセレンから選ばれる1以上の元素とケイ素と酸素とからなる材料で形成されている
ことを特徴とする転写用マスク。
前記下層は、ケイ素と窒素とからなる材料で形成されていることを特徴とする構成12記載の転写用マスク。
前記上層は、ケイ素と酸素とからなる材料で形成されていることを特徴とする構成12または13に記載の転写用マスク。
前記上層は、酸素含有量が50原子%以上であることを特徴とする構成12から14のいずれかに記載の転写用マスク。
前記下層における前記上層側の領域は、窒素含有量が50原子%以上であることを特徴とする構成12から15のいずれかに記載の転写用マスク。
前記上層は、厚さが2nm以上であることを特徴とする構成12から16のいずれかに記載の転写用マスク。
前記下層の厚さは、前記上層の厚さよりも厚いことを特徴とする構成12から17のいずれかに記載の転写用マスク。
前記上層は、前記下層の表面に接して設けられていることを特徴とする構成12から18のいずれかに記載の転写用マスク。
前記薄膜は、位相シフト膜であることを特徴とする構成12から19のいずれかに記載の転写用マスク。
前記位相シフト膜は、ArFエキシマレーザーの露光光を1%以上の透過率で透過させる機能と、前記位相シフト膜を透過した前記露光光に対して150度以上200度以下の位相シフトを生じさせる機能とを有することを特徴とする構成20記載の転写用マスク。
前記位相シフト膜上に、遮光帯パターンを含むパターンを有する遮光膜を備えることを特徴とする構成20または21に記載の転写用マスク。
構成1から11のいずれかに記載のマスクブランクを用いた転写用マスクの製造方法であって、ドライエッチングにより前記薄膜に転写パターンを形成する工程を備えることを特徴とする転写用マスクの製造方法。
構成12から22のいずれかに記載の転写用マスクを用い、半導体基板上のレジスト膜に転写パターンを露光転写する工程を備えることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
構成23記載の転写用マスクの製造方法により製造された転写用マスクを用い、半導体基板上のレジスト膜に転写パターンを露光転写する工程を備えることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
図1に示すマスクブランク100は、透光性基板1上に、位相シフト膜(転写パターンを形成するための薄膜)2、遮光膜3およびハードマスク膜4がこの順に積層された構造を有する。位相シフト膜2は、下層21と上層22がこの順に積層した構造を有し、下層21は、ケイ素と窒素とからなる材料、または半金属元素および非金属元素から選ばれる1以上の元素とケイ素と窒素とからなる材料で形成され、下層21は、透光性基板1側から上層22側に向かって窒素含有量が増加する組成傾斜構造を有し、上層22は、ケイ素と酸素とからなる材料、または半金属元素、貴ガス、ハロゲン、炭素、リン、硫黄およびセレンから選ばれる1以上の元素とケイ素と酸素とからなる材料で形成されていることを特徴とする。
下層21は、ケイ素に加え、いずれの半金属元素を含有してもよい。この半金属元素の中でも、ホウ素、ゲルマニウム、アンチモンおよびテルルから選ばれる1以上の元素を含有させると、スパッタリングターゲットとして用いるケイ素の導電性を高めることが期待できるため、好ましい。
下層21における上層22側の領域(すなわち、下層21の上側の領域)は、その領域内の平均の窒素含有量が50原子%以上であると好ましく、52原子%以上であるとより好ましい。窒素含有量が50原子%以上であると、位相シフト膜2に求められる透過率を確保しつつ、より薄い厚さで求められる位相差を確保することができる。一方、下層21における上層22側の領域は、その領域内の平均の窒素含有量が、Si3N4の混合比に相当する57原子%以下であると好ましく、55原子%以下であるとより好ましい。窒素をSi3N4の混合比よりも多く含有させようとすると、下層21をアモルファスや微結晶構造にすることが困難になる。また、下層21の表面粗さが大幅に悪化する。なお、窒化ケイ素系材料は、窒素含有量が増加するにしたがって、屈折率nが大きくなり、消衰係数kが小さくなる傾向がある。ここで、下層21における上層22側の領域とは、下層21の上層22側の表面から透光性基板1側に向かって10nmの厚さの位置までの領域のことをいう。
組成傾斜構造は、XPSなどを用いて確認することができる。
このようなメカニズムでヘイズが生成するため、位相シフト膜の表面に供給される窒素が多いほどヘイズの発生量が多くなると推測される。したがって、後述する実施例および比較例で行った位相シフト膜から溶出するイオン成分測定において、アンモニウムイオンが多く検出されるほど、位相シフト膜の表面に供給されていた窒素が多いといえるため、ヘイズ発生量が多くなると推測される。
上層22は、ケイ素に加え、いずれの半金属元素を含有してもよい。この半金属元素の中でも、ホウ素、ゲルマニウム、アンチモンおよびテルルから選ばれる1以上の元素を含有させると、スパッタリングターゲットとして用いるケイ素の導電性を高めることが期待できるため、好ましい。
上層22は、酸素に加え、非金属元素として、貴ガス、ハロゲン、炭素、リン、硫黄およびセレンを含有してもよい。貴ガスは、スパッタリングで薄膜を成膜する際に成膜室内に存在することによって成膜速度を大きくし、生産性を向上させることができる元素である。このスパッタリングで必要とされる貴ガスとして好ましいものとしては、アルゴン、クリプトン、キセノンが挙げられる。また、位相シフト膜2の応力を緩和するために、原子量の小さいヘリウム、ネオンを上層22に積極的に取りこませることができる。
上層22は、屈折率nが2.0未満であると好ましく、1.9以下であるとより好ましく、1.8以下であるとさらに好ましい。一方、上層22は、屈折率nが1.4以上であると好ましく、1.5以上であるとより好ましい。また、上層22は、消衰係数kが0.1以下であると好ましい。一方、上層22は、消衰係数kが0以上であると好ましい。
下層21と上層22とがこの順に積層した構造で位相シフト膜2を構成した場合、位相シフト膜2として求められる光学特性であるArF露光光に対する所定の位相差と所定の透過率を満たすには、下層21および上層22が、それぞれ上記の屈折率nと消衰係数kの範囲でなければ実現が困難である。
下層21は、ケイ素ターゲットまたはケイ素に半金属元素および非金属元素から選ばれる1以上の元素を含有する材料からなるターゲットを用い、窒素系ガスと貴ガスを含むスパッタリングガス中での反応性スパッタリングによって形成される。反応性スパッタリングによって下層21を形成する際、下層21が、透光性基板1側から上層22側に向かって、窒素含有量が連続的に徐々に増加する組成傾斜構造の場合には、窒素が徐々に増えるように貴ガスの流量に対する窒素系ガスの流量の比を調整する。下層21が、窒素含有量が階段状に段階的に増加する組成傾斜構造の場合には、窒素が段階的に増えるように貴ガスの流量に対する窒素系ガスの流量の比を調整する。
下層21および上層22を形成する際にスパッタリングガスとして用いる貴ガスの種類に制限はないが、アルゴン、クリプトン、キセノンを用いることが好ましい。また、位相シフト膜2の応力を緩和するために、原子量の小さいヘリウム、ネオンを下層21および上層22に積極的に取りこませることができる。
[マスクブランクの製造]
主表面の寸法が約152mm×約152mmで、厚さが約6.25mmの合成石英ガラスからなる透光性基板1を準備した。この透光性基板1は、端面および主表面が所定の表面粗さに研磨され、その後、所定の洗浄処理および乾燥処理を施されたものであった。
別の透光性基板の主表面に対して、同条件で下層21のみを形成し、分光エリプソメーター(J.A.Woollam社製 M−2000D)を用いてこの下層21の光学特性を測定したところ、波長193nmにおける屈折率nが2.56、消衰係数kが0.44であった。測定された屈折率nおよび消衰係数kは、下層21全体の平均値である。
別の透光性基板の主表面に対して、同条件で上層22のみを形成し、分光エリプソメーター(J.A.Woollam社製 M−2000D)を用いてこの上層22の光学特性を測定したところ、波長193nmにおける屈折率nが1.55、消衰係数kが0であった。
次に、この実施例1のマスクブランク100を用い、以下の手順で実施例1の位相シフトマスク200を製造した。
[マスクブランクの製造]
比較例1のマスクブランクでは、位相シフト膜が、組成傾斜している窒化ケイ素系材料からなる層(実施例1の下層)のみからなる。比較例1のマスクブランクは、位相シフト膜を形成する工程以外は、実施例1のマスクブランク100と同様の手順で製造した。
枚葉式RFスパッタ装置内に透光性基板を設置し、ケイ素(Si)ターゲットを用い、クリプトン(Kr)、ヘリウム(He)および窒素(N2)の混合ガスをスパッタリングガスとし、反応性スパッタリング(RFスパッタリング)により、透光性基板1上に、ケイ素と窒素とからなる位相シフト膜を61nmの厚さで形成した。位相シフト膜を形成する際、クリプトン(Kr)の流量に対する窒素(N2)の流量の比を徐々に増やしていった。実施例1と同様に、位相シフト膜の組成を測定したところ、位相シフト膜における透光性基板側の領域は、組成がSi:N=30原子%:70原子%(すなわち、窒素含有量が30原子%)であり、透光性基板と反対側の領域は、組成がSi:N=55原子%:45原子%(すなわち、窒素含有量が55原子%)であった。また、位相シフト膜は、透光性基板側から透光性基板と反対側に向かって窒素含有量が連続的に徐々に増加する組成傾斜構造であることを確認した。また、実施例1と同様に光学特性を測定したところ、屈折率nが2.56、消衰係数kが0.44であった。
次に、この比較例1のマスクブランクを用い、実施例1と同様の手順で、比較例1の位相シフトマスクを製造した。
製造した比較例1のハーフトーン型の位相シフトマスクに対してマスク検査装置によってマスクパターンの検査を行ったところ、プログラム欠陥を配置していた箇所の位相シフトパターンに黒欠陥の存在が確認された。このため、EB欠陥修正によりその黒欠陥部分を除去した。位相シフトパターンは、位相シフト膜が、透光性基板側から透光性基板と反対側に向かって窒素含有量が連続的に徐々に増加する組成傾斜構造であるため、位相シフトパターンの側壁での段差の発生が抑制されており、側壁の垂直性も良好であった。また、位相シフト膜における透光性基板側の領域の窒素含有量は30原子%であるため、位相シフトパターンの透光性基板側での修正レートが速く、位相シフトパターンの透光性基板側のEB欠陥修正が早期に終わる。このため、EB欠陥修正時に透光性基板の表面へのエッチングを最小限にとどめることができた。
しかし、上述したIC−MSでの測定において、アンモニウムイオンが30ppb検出されたことから、比較例1の位相シフトマスクは、ArF露光光による露光転写を繰り返し行った後、位相シフト膜のパターン表面に、アンモニアを含んだヘイズが、露光転写に影響を及ぼすほど十分に発生してしまうと予想される。このため、EB欠陥修正を行った後の比較例1の位相シフトマスクを露光装置のマスクステージにセットし、半導体デバイス上のレジスト膜への露光転写を繰り返し行った後では、最終的に半導体デバイス上に形成される回路パターンに、回路パターンの断線や短絡が発生することが予想される。
[マスクブランクの製造]
比較例2のマスクブランクでは、位相シフト膜が、組成傾斜していない窒化ケイ素系材料からなる層のみからなる。比較例2のマスクブランクは、位相シフト膜を形成する工程以外は、実施例1のマスクブランク100と同様の手順で製造した。
枚葉式RFスパッタ装置内に透光性基板を設置し、ケイ素(Si)ターゲットを用い、クリプトン(Kr)、ヘリウム(He)および窒素(N2)の混合ガスをスパッタリングガスとし、反応性スパッタリング(RFスパッタリング)により、透光性基板1上に、ケイ素と窒素とからなる位相シフト膜を62nmの厚さで形成した。実施例1と同様に、位相シフト膜の組成を測定したところ、位相シフト膜の組成はSi:N=55原子%:45原子%(すなわち、窒素含有量が55原子%)であった。また、実施例1と同様に光学特性を測定したところ、屈折率nが2.56、消衰係数kが0.35であった。
その後、位相シフト膜が形成された透光性基板に対し、大気中において加熱温度550℃、処理時間1時間の条件で加熱処理を行った。加熱処理後の位相シフト膜に対し、実施例1と同様に透過率および位相差を測定したところ、透過率は18.8%、位相差は177.7度度であった。また、加熱処理後の位相シフト膜に対し、実施例1と同様にIC−MSでの測定を行ったところ、アンモニウムイオンは33.8ppb検出され、硫酸イオンは検出されなかった。
次に、この比較例2のマスクブランクを用い、実施例1と同様の手順で、比較例2の位相シフトマスクを製造した。
製造した比較例2のハーフトーン型の位相シフトマスクに対してマスク検査装置によってマスクパターンの検査を行ったところ、プログラム欠陥を配置していた箇所の位相シフトパターンに黒欠陥の存在が確認された。このため、EB欠陥修正によりその黒欠陥部分を除去した。位相シフト膜の窒素含有量は55原子%であるため、位相シフトパターンの修正レートが遅く、EB欠陥修正時に透光性基板の表面へのエッチングが進んでいた。
また、上述したIC−MSでの測定において、アンモニウムイオンが33.8ppb検出されたことから、比較例2の位相シフトマスクは、ArF露光光による露光転写を繰り返し行った後、位相シフト膜のパターン表面に、アンモニアを含んだヘイズが、露光転写に影響を及ぼすほど十分に発生してしまうと予想される。このため、EB欠陥修正を行った後の比較例2の位相シフトマスクを露光装置のマスクステージにセットし、半導体デバイス上のレジスト膜への露光転写を繰り返し行った後では、最終的に半導体デバイス上に形成される回路パターンに、回路パターンの断線や短絡がより発生しやすいと予想される。
2 位相シフト膜
21 下層
22 上層
2a 位相シフトパターン
3 遮光膜
3a,3b 遮光パターン
4 ハードマスク膜
4a ハードマスクパターン
5a 第1のレジストパターン
6b 第2のレジストパターン
100 マスクブランク
200 位相シフトマスク
Claims (23)
- 透光性基板上に、転写パターンを形成するための薄膜を備えたマスクブランクであって、
前記薄膜は、下層と上層がこの順に積層した構造を有し、
前記下層は、ケイ素と窒素とからなる材料、または半金属元素および非金属元素から選ばれる1以上の元素とケイ素と窒素とからなる材料で形成され、
前記下層は、前記透光性基板側から前記上層側に向かって窒素含有量が増加する組成傾斜構造を有し、
前記下層における前記透光性基板側の領域は、窒素含有量が20原子%以上35原子%以下であり、前記下層における前記上層側の領域は、窒素含有量が50原子%以上であり、
前記上層は、ケイ素と酸素とからなる材料、または半金属元素、貴ガス、ハロゲン、炭素、リン、硫黄およびセレンから選ばれる1以上の元素とケイ素と酸素とからなる材料で形成されている
ことを特徴とするマスクブランク。 - 前記下層は、ケイ素と窒素とからなる材料で形成されていることを特徴とする請求項1記載のマスクブランク。
- 前記上層は、ケイ素と酸素とからなる材料で形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のマスクブランク。
- 前記上層は、酸素含有量が50原子%以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のマスクブランク。
- 前記上層は、厚さが2nm以上であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のマスクブランク。
- 前記下層の厚さは、前記上層の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のマスクブランク。
- 前記上層は、前記下層の表面に接して設けられていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のマスクブランク。
- 前記薄膜は、位相シフト膜であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のマスクブランク。
- 前記位相シフト膜は、ArFエキシマレーザーの露光光を1%以上の透過率で透過させる機能と、前記位相シフト膜を透過した前記露光光に対して150度以上200度以下の位相シフトを生じさせる機能とを有することを特徴とする請求項8記載のマスクブランク。
- 前記位相シフト膜上に、遮光膜を備えることを特徴とする請求項8または9に記載のマスクブランク。
- 透光性基板上に、転写パターンを有する薄膜を備えた転写用マスクであって、
前記薄膜は、下層と上層がこの順に積層した構造を有し、
前記下層は、ケイ素と窒素とからなる材料、または半金属元素および非金属元素から選ばれる1以上の元素とケイ素と窒素とからなる材料で形成され、
前記下層は、前記透光性基板側から前記上層側に向かって窒素含有量が増加する組成傾斜構造を有し、
前記下層における前記透光性基板側の領域は、窒素含有量が20原子%以上35原子%以下であり、前記下層における前記上層側の領域は、窒素含有量が50原子%以上であり、
前記上層は、ケイ素と酸素とからなる材料、または半金属元素、貴ガス、ハロゲン、炭素、リン、硫黄およびセレンから選ばれる1以上の元素とケイ素と酸素とからなる材料で形成されている
ことを特徴とする転写用マスク。 - 前記下層は、ケイ素と窒素とからなる材料で形成されていることを特徴とする請求項11記載の転写用マスク。
- 前記上層は、ケイ素と酸素とからなる材料で形成されていることを特徴とする請求項11または12に記載の転写用マスク。
- 前記上層は、酸素含有量が50原子%以上であることを特徴とする請求項11から13のいずれかに記載の転写用マスク。
- 前記上層は、厚さが2nm以上であることを特徴とする請求項11から14のいずれかに記載の転写用マスク。
- 前記下層の厚さは、前記上層の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項11から15のいずれかに記載の転写用マスク。
- 前記上層は、前記下層の表面に接して設けられていることを特徴とする請求項11から16のいずれかに記載の転写用マスク。
- 前記薄膜は、位相シフト膜であることを特徴とする請求項11から17のいずれかに記載の転写用マスク。
- 前記位相シフト膜は、ArFエキシマレーザーの露光光を1%以上の透過率で透過させる機能と、前記位相シフト膜を透過した前記露光光に対して150度以上200度以下の位相シフトを生じさせる機能とを有することを特徴とする請求項18記載の転写用マスク。
- 前記位相シフト膜上に、遮光帯パターンを含むパターンを有する遮光膜を備えることを特徴とする請求項18または19に記載の転写用マスク。
- 請求項1から10のいずれかに記載のマスクブランクを用いた転写用マスクの製造方法であって、ドライエッチングにより前記薄膜に転写パターンを形成する工程を備えることを特徴とする転写用マスクの製造方法。
- 請求項11から20のいずれかに記載の転写用マスクを用い、半導体基板上のレジスト膜に転写パターンを露光転写する工程を備えることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
- 請求項21記載の転写用マスクの製造方法により製造された転写用マスクを用い、半導体基板上のレジスト膜に転写パターンを露光転写する工程を備えることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
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