JPH05257264A - 露光用マスク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パタ−ンの種類やパタ−ン寸法に対する露光
状態の依存性を低減し、転写装置の解像限界を向上させ
ると共に一定の光量で忠実なパタ−ン転写できる露光マ
スクおよびその製造方法を提供する。 【構成】 この露光マスクは、ステッパ−などの露光装
置に用いられる。マスクは、透明のガラス基板１とその
表面に形成された金属酸化膜３０の遮光膜からなる。こ
の遮光膜は、所定の光透過率を有し、露光用の光の位相
をシフトできるという特徴を持っている。この遮光膜
は、金属膜を透明基板１に堆積させ、これを熱酸化して
酸化膜３０を形成する。透過光の位相をシフトするの
で、光の強度分布の幅がシャ−プになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路装置の
製造に用いられる露光マスクおよびその製造方法に係
り、とくに、リソグラフィ技術に用いられる高解像度の
マスクに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体装置の高集積
化、微細化傾向は著しいものがある。その半導体装置の
製造に際してリソグラフィ技術は、加工の要としてとく
に重要である。一般的なリソグラフィ工程を説明する
と、まず、加工すべき材料上にフォトレジストを約１μ
ｍ程度塗布してから、これを乾燥する。ネガフィルムに
相当するフォトマスクの回路パタ−ンを光学的にフォト
レジスト上に結像させてフォトレジストを感光させる。
現像処理で、感光部か未感光部のいずれかのフォトレジ
スト膜を除去する。被加工材料をエッチング液または高
周波放電を加えたエッチングガス中にさらしてこの材料
をエッチングする。不要になったフォトレジストを剥離
液で除去する。イオン注入処理をこの技術で実施する場
合は、現像処理を行ってから、上方よりイオン照射を行
い、フォトレジストパタ−ンに応じた注入領域をシリコ
ンウェ−ハなどに形成する。通常よく使われている、い
わゆるステッパ−などを用いて露光する投影露光方式で
は、フォトマスクの回路パタ−ンは縮小して利用する。

【０００３】現在最も一般的に使用されているリソグラ
フィ用露光装置の上記ステッパ−について図８を参照し
て説明する。形成しようとするパタ−ンを５倍程度に拡
大したパタ−ンをＣｒ膜などによるパタ−ンとして形成
したレティクルという露光用ガラスマスク１１を用い、
ランプ１５から発生した紫外線１２を、集光装置１６で
集光し、収束レンズ１７で収束してからこのガラスマス
ク１１に通す。ガラスマスク１１を通った紫外線１２
は、縮小レンズ１３で縮小して半導体基板１４上に像を
形成し、この半導体基板１４上に塗布されたフォトレジ
ストを露光することによりレジストマスクパタ−ンを形
成する。このリソグラフィ工程によって形成されたレジ
ストマスクパタ−ンの精度が、製造される半導体装置の
あらゆるパタ−ンの精度を左右するために、露光装置の
精度は、厳しく管理される必要がある。特に、近年の半
導体装置は、大容量化、高集積化の要請から、パタ−ン
の微細化および露光エリアの増大化が進んできており、
露光装置、とくに、レティクルの精度は、より厳しいも
のになってきている。

【０００４】リソグラフィ技術において、例えば光源に
対しては、ｇ線、ｉ線、エキシマレーザ、Ｘ線など種々
の光源の採用が検討されており、また、レジストに対し
ても新レジスト材料の開発やＲＥＬのような新レジスト
処理が検討され、さらには、ＳＲＥＰ・ＣＥＬイメージ
・リバース法なども研究が進められている。これに対
し、マスク製作技術に対しては、最近位相シフト法（１
９８８年秋季応物学会４ａ−Ｋ−７、８(497頁) 参照）
が提案されている。

【０００５】この従来の位相シフト法について図９を参
照して説明する。まず、図９（ａ）に示すように、スパ
ッタリング法により石英ガラス基板１の上にクロム（Ｃ
ｒ）あるいは酸化クロム（Ｃｒ₂ Ｏ₃ ）からなる遮光
膜、すなわち、マスク層２を１０００オングストロ−ム
（以下、Ａと略記する）程度堆積し、この上に、レジス
トパターン２１をパターニングする。上記のように、酸
化クロムは、マスク層に利用されるが、この材料は、酸
化度をコントロ−ルするのが難しく、完全な遮光膜にす
るには、十分な準備が必要である。

【０００６】次いで、図９（ｂ）に示すように、このレ
ジストパターンをマスクとしてウエットエッチング法ま
たは反応性イオンエッチング法などにより、このマスク
層２をパターニングする。この後、図９（ｃ）に示すよ
うに、フォトレジストやＳＯＲＤ膜（シリカが過飽和状
態にある弗酸溶液から析出するＳｉＯ₂ 膜）からなる位
相シフタ４０を形成する。ここではラインアンドスペー
ス部では１つおきに開口部を位相シフタ４０で覆うよう
にする。また、孤立スペース部は、それ単独では解像し
ないような材料からなる補助パターン９を開口部の両側
に形成し、その上を位相シフタ４０で覆うようにする。
このマスクを用いて露光を行うと、図１０に示すよう
に、各開口部を通った光は、破線で示すように互いの位
相が反転しているため、マスク層の下の部分での光強度
が大幅に低下し、全体としての光は実線で示すように、
強度分布からみて、従来のマスクを用いた場合に比べて
半分近い寸法までの解像が可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな位相シフタ法を用いたフォトリソグラフィのマスク
製造工程においては、以下に示すようないろいろな問題
があった。その第１は、マスクパターンの形成後に、ラ
インアンドスペース部では開口部の１つおきに位相シフ
タ４０を配置すると共に孤立スペース部では補助パター
ン９と位相シフタ４０とを配置しなければならず、少な
くともマスクパターンと位相シフタ４０との２回のパタ
ーン形成工程および相互のアライメントが必要となると
いう問題である。そして、マスク描画用電子ビーム露光
装置では、通常アライメント機能は具備していないた
め、直描電子ビ−ム（ＥＢ）露光装置のようなアライメ
ント可能な露光装置を新しく完成させなければならない
ことになるが、これは、極めて大掛かりな作業と時間お
よび資金を必要とする。第２は、マスクパターンのＥＢ
データおよびシフタリソグラフィデータに大量で複雑な
データ処理が必要であるという問題である。第３は、補
助パターン９の形成にマスク加工における微細な加工が
必要であるという問題である。

【０００８】さらに第４は、補助パターン９を通った光
は十分にキャンセルされないでパターンに歪みが生じる
という問題である。そして第５は、その他のパターンと
して孤立ライン部、孤立島部などにおいて同じ解像状態
を得ることができない、すなわち、パタ−ン各部の大き
さによって解像度が変化するという問題である。また、
前記従来技術のように、遮光膜に位相シフタを別体に形
成するのではなく、遮光膜にこの位相シフタを兼ね備え
た特性を有する材料を用いることも考えられるが、位相
シフタを形成するには、その作用を損なわないために均
一な膜を高い精度で形成する必要があるので、その実現
は困難であるのが現状である。本発明は、このような事
情によってなされたもので、パターンの種類やパターン
寸法に対する露光状態の依存性を低減し、転写装置の解
像限界を向上させると共に一定の光量で忠実なパターン
転写を行なうことのできる露光マスクおよびその製造方
法を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、透明ガラス基
板上に、従来の透光性材料とは異なり、所定の光透過率
を有し、露光照射される光の位相をシフトさせる金属酸
化膜の遮光膜からなるマスクパターンを配設することを
特徴としている。すなわち、本発明の露光用マスクは、
透明基板と、この透明基板上に形成され、所定の光透過
率を有し、露光照射する光の位相をシフトさせる金属酸
化物の遮光膜から構成されているマスクパタ−ンとを備
えていることを特徴としている。前記金属酸化物は、Ｓ
ｎＯ₂ 、ＺｎＯ、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ か
ら選ぶことができる。また、遮光膜の厚さは、０．０５
μｍ以上０．５０μｍ以下にすることが可能であり、前
記遮光膜の光透過率を１％から１０％の範囲にすること
も可能である。

【００１０】さらに、本発明の露光用マスクの製造方法
は、透明基板上に金属薄膜を形成する工程と、前記金属
薄膜をエッチングして金属パタ−ンを形成する工程と、
前記金属パタ−ンを熱酸化して金属酸化膜からなるマス
クパタ−ンを形成する工程とを備えていることを特徴と
している。そして、前記金属薄膜は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓ
ｎ、Ｔｉ、Ｔａの少なくとも１つの材料からなることを
特徴とすることが可能である。また、前記金属薄膜の厚
さを５０００Ａ以下にすることが可能である。また、透
明な石英ガラス基板上に厚さ０．１μｍのＳｎ薄膜を形
成する工程と、前記Ｓｎ薄膜をエッチングして前記石英
ガラス基板上にＳｎ薄膜のパタ−ンを形成する工程と、
前記パタ−ンを熱酸化して、Ｓｎ薄膜からなるマスクパ
タ−ンを形成する工程とを備えていることを特徴として
いる。

【００１１】

【作用】遮光膜に光の位相をシフトさせる特性を与えた
ので、位相シフタを別体で形成する必要が無くなり構造
が簡単になる。また、遮光膜は、金属薄膜を酸化させて
つくるために均一な膜が高精度に形成される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図５を参照し
て説明する。図１は、本発明の露光用マスクの要部を示
した断面図である。図２は、マスクの位置による光の強
度分布を示す説明図である。この実施例では、この露光
用マスクを、例えば、縮小投影転写装置に使用する。マ
スクは、透明基板１と、その上に形成され、所定のパタ
−ンを有する遮光膜３０からなっている。透明基板１
は、照射される露光光に対して透明であるならどの様な
材料でも使用可能であるが、ここでは、石英ガラスを用
いている。この上に形成され、所定のパタ−ンを有する
遮光膜３０は、例えば、ＳｎＯ₂ 薄膜からなる。従来の
遮光膜は、例えば、Ｃｒのように光の透過率は、ほぼ０
％であった。しかし、このＳｎＯ₂ 薄膜は、光透過率
が、０％ではなく、所定の割合で光透過率を有してい
る。この遮光膜の光透過率は、約１〜１０％程度であ
る。透過光は、ここで１８０度反転されるが、その反転
角度は、完全に１８０度でなくても良い。大体１７０〜
１９０度の範囲で反転されれば、本発明を効率良く実施
する事ができる。

【００１３】この様に、マスクパタ−ンに光の位相シフ
ト効果のある金属酸化膜を用いているので、図２に示す
ように、光の一部は、マスクパタ−ンを透過し、この透
過光は、反転する。したがって、マスクの所定の部分に
対するウェ−ハ上の透過光の強度分布は、図の点線で示
され、さらに、遮光膜である金属酸化膜を通過した透過
光は、位相が反転して負の領域（−領域）に強度分布が
移動する。従って、金属酸化膜とこれが形成されていな
い部分の境界領域では、点線で示すそれぞれの強度分布
が合成されて、この領域の実際の強度は、実線で示され
るように低下する。その結果、解像度は上がって、ほぼ
マスクパタ−ン通りの描画が精密にできるようになる。
この様に、解像度が向上するのは、露光されるウェ−ハ
のどの部分も同じであり、ラインアンドスペ−ス部に限
らず、孤立スペ−ス部においても同様である。この様
な、位相シフト効果のある遮光膜は、透過性も備えてい
るのでハ−フト−ン膜という。

【００１４】つぎに、図３および図４に示す製造工程断
面図を参照して実施例の露光用マスクの製造方法を説明
する。まず、石英ガラス基板１の上に、例えば、スパッ
タリング法により、厚さ０．１μｍのＳｎ薄膜２０を形
成する（図３（ａ））。ついで、この基板１上にｇ線ま
たはｉ線に感応するノボラックベースのフォトレジスト
膜２１を０．８μｍ塗布し、これを約９０℃、１０分程
べーキングする（図３（ｂ））。その後、例えば、レー
ザー露光装置を用い、所定パターンのマスクを用いて照
射量９０〜１００ｍＪのレ−ザ光３でフォトレジスト膜
２１を描画する（図４（ａ））。ついで、露光されたフ
ォトレジスト膜２１をアルカリ現像液で現像して照射さ
れた部分を除去して、フォトレジストパターンを形成す
る（図４（ａ））。ついで、この所定のパタ−ンを有す
るフォトレジスト膜２１をマスクにして、下地のＳｎ薄
膜を、例えば、フッ素ガス４を利用した反応性イオンエ
ッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion Etching）によりパタ
ーニングを実行する（図４（ｂ））。

【００１５】このパタ−ニングが終了してから、フォト
レジスト膜２１を硫酸で剥離し、石英ガラス基板１を洗
浄した後、さらに、２５０℃程度に設定した酸化炉中の
加熱装置５により所定時間、例えば、数分間石英ガラス
基板１を昇温加熱する（図４（ｃ））。この加熱処理に
よってＳｎ薄膜２０は、酸化されてＳｎＯ₂ 膜３０に変
化する。酸化膜に変化しても、その膜厚は、余り影響さ
れず、Ｓｎ薄膜の当初の厚さ０．１μｍより目立って厚
くなることはない。酸化炉の温度は、図５に示すような
あらかじめ求めておいた加熱温度ー光透過率曲線にした
がって決められる。この曲線から所望の透過率を得る事
ができる温度を設定する事ができる。酸化炉を使う代わ
りに酸素雰囲気中での赤外加熱でも同様の効果が得られ
る。この酸化炉の温度は、２２０〜２５０℃程度に設定
しておけば、金属薄膜は、酸化され、光透過率が大体１
〜１０％程度の遮光膜が得られる。したがって、加熱温
度を適宜決めれば、所望の光透過率の遮光膜、すなわ
ち、ハ−フト−ン膜が容易に得られる。

【００１６】本発明では、光透過率を特定の範囲に限定
する必要はない。したがって、光透過率が、１％以下で
も、１０％以上でもこの遮光膜は、位相シフタとしての
作用も奏することができるが、１％以下では、位相シフ
タとしての作用を十分期待する事ができず、また、１０
％以上になると、遮光作用が悪くなってパタ−ンエッジ
が明確に形成されなくなるので、遮光膜の光透過率は、
上記の範囲が有利である。金属薄膜を酸化するための加
熱温度も、本発明においては、とくに限定する必要はな
いが、２２０℃以下になると光透過率は急激に低下して
しまい、２１０℃付近では０％に近くなってしまう。２
５０℃以上になると、図示のように、加熱温度−光透過
率曲線の形状は、急峻になり、この範囲では、加熱温度
によって遮光膜の光透過率を任意にコントロ−ルするこ
とは、かなり困難を伴うので、この加熱温度を上記の範
囲に設定することは、本発明において有利である。また
これらの加熱手段で酸化するに要する時間は、数秒から
数分のごく短い間である。前記実施例では、１〜２分で
あった。この様に、金属薄膜は、短時間で酸化膜に変化
するので、酸化雰囲気や加熱温度などの諸条件を正確に
設定しないと所望の光透過率を得ることは難しい。

【００１７】つぎに、本発明の露光用マスクに形成され
た遮光膜の膜厚について図６を参照して説明する。図
は、光の振幅透過率と遮光膜の膜厚との関係を示す特性
図であり、縦軸は、遮光膜の振幅透過率（％）を表し、
横軸は、遮光膜の膜厚（μｍ）を表している。当然なこ
とであるが、この振幅透過率は、遮光膜が薄くなるに従
って大きくなり、この膜厚が大体０．０５〜０．５０μ
ｍのときに、振幅透過率は、約１〜２５％にすることが
できる。膜厚は、薄すぎると透過率が急上昇して調節が
難しくなり、厚くても透過率は低くなり過ぎてハ−フト
−ン膜の役をなさなくなる。したがって、遮光膜の膜厚
は、上記範囲にあることは、本発明においては、有利で
ある。

【００１８】本発明を実施することにより、露光工程で
の解像限界を向上させることができる。図７は、ｇ線露
光（波長４３６ｎｍ）でパタ−ン形成を行ったときの解
像限界を説明するものであって、縦軸は、パタ−ンの明
暗の相違を表すコントラスト（％）を示し、横軸は、シ
リコンウェ−ハ上のパタ−ンの幅の寸法（μｍ）を示し
ている。従来の露光方法で行われるパタ−ンのコントラ
スト−寸法特性は、点線で示される曲線Ｂで表される。
本発明の方法による上記特性は、実線で示される曲線Ａ
で表される。この従来の方法は、位相シフト層を遮光膜
に形成しない構造のものによるが、曲線Ｂに示すよう
に、パタ−ン寸法が０．５μｍ程度以下になると、コン
トラストが急速に低下する。一方、本発明の露光方法に
よれば、曲線Ｂに示すように、０．４μｍ程度以下から
コントラストが低下する。即ち、本発明によるｇ線露光
での解像限界は、０．５μｍから０．４μｍへ従来より
著しく向上している。

【００１９】上記方法で作成して得られたＳｎＯ₂ 膜３
０は、通常の露光用マスクの遮光膜として用いられる
が、同時に、光の位相をシフトし、かつ、１８０度反転
することができるので、位相シフタとしても使用される
ハ−フト−ン膜である。また、本発明では露光用の光
は、ｇ線やｉ線（３６５ｎｍ）に限らず、エキシマレ−
ザ光やＸ線などを使用することもできる。さらに、前記
実施例で使用された位相シフト作用のある遮光膜は、Ｓ
ｎＯ₂ 膜であるが、本発明に適用される前記遮光膜は、
その他にもＺｎＯ、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅
などの金属酸化膜があり、ＳｎＯ₂ 膜と同じ様にハ−フ
ト−ン膜として本発明において用いることができると同
時に、本発明の製造方法を利用して形成することができ
る。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の露光用マ
スクは、マスクパターン部を透過する露光用の光の位相
を反転する位相シフタとしての作用を有しているので、
透過光が、マスクパタ−ンを透過してこない光と合成さ
れ、光の強度分布をシャープに低下させる。その結果、
パターン密度に依存することなく遮光膜である金属酸化
膜に忠実で高精度のパターン形成を行うことができる。
また、マスク基板上の金属薄膜を熱酸化することにより
容易に金属酸化膜からなる遮光膜を形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の露光用マスクの断面図。

【図２】本発明の露光用マスクの作用を説明するウェ−
ハ上の光強度分布図。

【図３】図１に示す露光用マスクの製造工程断面図。

【図４】図１に示す露光用マスクの製造工程断面図。

【図５】加熱酸化温度と金属酸化膜の透過率の関係を示
す特性図。

【図６】振幅透過率と遮光膜の膜厚との関係を示す特性
図。

【図７】パタ−ンのコントラストとパタ−ン寸法との関
係を示す特性図。

【図８】露光用マスクを使用を説明する露光装置の断面
図。

【図９】従来例の露光用マスクの製造工程図。

【図１０】従来の露光用マスクの作用を説明するウェ−
ハ上の光強度分布図。

【符号の説明】

１ 石英ガラス基板 ２ マスク層（遮光膜） ３ レーザー光 ４ 反応性ガス ５ 加熱装置 ９ 補助パタ−ン １１ 露光用マスク（レティクル） １２ 紫外線 １３ 縮小レンズ １４ シリコン半導体基板 １５ ランプ １６ 集光装置 １７ 収束レンズ ２０ 金属薄膜 ２１ フォトレジスト膜 ３０ 金属酸化膜（遮光膜） ４０ 位相シフタ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板と、 この透明基板上に形成され、所定の光透過率を有し、露
   光照射する光の位相をシフトさせる金属酸化物の遮光膜
   から構成されているマスクパタ−ンとを備えていること
   を特徴とする露光用マスク。
2. 【請求項２】 前記金属酸化物は、ＳｎＯ₂ 、ＺｎＯ、
   Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ から選ばれることを
   特徴とする請求項１に記載の露光用マスク。
3. 【請求項３】 遮光膜の厚さは、０．０５μｍ以上０．
   ５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の
   露光用マスク。
4. 【請求項４】 前記遮光膜の光透過率が１％から１０％
   の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の露光用
   マスク。
5. 【請求項５】 透明基板上に金属薄膜を形成する工程
   と、 前記金属薄膜をエッチングして金属パタ−ンを形成する
   工程と、 前記金属パタ−ンを熱酸化して金属酸化膜からなるマス
   クパタ−ンを形成する工程とを備えていることを特徴と
   する露光用マスクの製造方法。
6. 【請求項６】 前記金属薄膜は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔ
   ｉ、Ｔａの少なくとも１つの材料からなることを特徴と
   する請求項５に記載の露光用マスクの製造方法。
7. 【請求項７】 前記金属薄膜の厚さは、５０００オング
   ストロ−ム以下である事を特徴とする請求項５に記載の
   露光用マスクの製造方法。
8. 【請求項８】 透明な石英ガラス基板上に厚さ０．１μ
   ｍのＳｎ薄膜を形成する工程と、 前記Ｓｎ薄膜をエッチングして前記石英ガラス基板上に
   Ｓｎ薄膜のパタ−ンを形成する工程と、 前記パタ−ンを熱酸化して、Ｓｎ薄膜からなるマスクパ
   タ−ンを形成する工程とを備えていることを特徴とする
   露光用マスクの製造方法。