JPH0548464B2

JPH0548464B2 -

Info

Publication number: JPH0548464B2
Application number: JP23099582A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hatano; Takayuki Kato; Masanari Shindo; Shigeru Mano
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1982-12-29
Filing date: 1982-12-29
Publication date: 1993-07-21
Also published as: JPS5928156A

Description

【発明の詳細な説明】１産業上の利用分野本発明は露光マスクの製造方法に関し、特に、
半導体装置等の製造に使用されるハードマスクと
称されるホトマスクの製造方法に関するものであ
る。

２従来技術従来、無機薄膜材料を用いたハードマスクが露
光処理に使用されているが、表面強度が大きくて
繰返し使用が可能である点で有用視されている。

この種のハードマスクとしては、高真空（〜
10^-6Torr）中で電子ビーム蒸着法等により形成
されたアモルフアスシリコン（以下、ａ−Siと称
する。）を遮光膜とするものが知られている。こ
のａ−Si膜はシースル−性が良好であつて半導体
加工時に下地パターンが透けて見える（即ち、可
視光に対してはある程度透明である。）という性
質と同時に、半導体加工用の特定波長（例えば
3800Åや4300Å）の露光ビームに対しては遮光性
を示すものである。この遮光性の程度は、次の光
学濃度（optical density）で示される。

光学濃度＝log（Io／Ｉ）（但、Ioは入射光の光量、Ｉは透過光の光量）ところが、上記の通常使用されているａ−Si膜
の光学濃度はせいぜい1.2〜1.4であつて、一定量
の入射光は透過してしまうので、完全な露光マス
クとはなり得ない。従つて、遮光性を充分にする
にはａ−Si膜の膜厚を大きくすることが考えられ
るが、この場合には、マスク素材から所定のマス
クパターンにａ−Si膜をエツチング加工する際に
その膜厚を大きくすると、エツチング精度が悪く
なり、特にウエツトエツチング時にサイドエツチ
ングが進行しすぎてマスクパターンが不良となり
易い。

他方、ａ−Siの製膜時においては、ベルジヤー
内又は成膜槽内に残留する酸素（O₂）がａ−Si
膜中に混入し、これが原因してａ−Si膜の酸化等
によりその膜質が低下してしまう。この結果、ａ
−Si膜の光学濃度が低下し、ホトマスクとしての
遮光性が悪くなることが分つた。この現象は、ベ
ルジヤー内又は成膜槽内をかなり高真空にしても
10^-10〜10^-11Torr程度の酸素が不可避的に残留す
るために、従来のものでは実用的生産レベルにお
いて避けることができないのである。

加えて、上記の如きマスクパターンへのエツチ
ング加工時においては、支持体（基板）上に形成
したａ−Si膜上にフオトレジストを塗布し、これ
を所定パターンに露光、現像してマスクを形成
し、更に下地のａ−Si膜をCF₄ガスプラズマ中で
マスクパターンにプラズマエツチングする方法が
知られている。ところがこの加工方法は、エツチ
ング速度が0.1〜0.2μm厚のａ−Si膜について例え
ば10分／100cm²と遅く、生産性が悪い。また、エ
ツチングに時間を要するために、長時間エツチン
グする結果、フオトレジストがプラズマにより損
傷を受け、そのパターン精度が劣化してしまう。

３発明の目的本発明の目的は、上記プラズマエツチングの如
き加工におけるエツチング速度を向上させ、パタ
ーン精度を高めることにある。

本発明の別の目的は、光学濃度の高い露光マス
クを得ることにある。

４発明の構成及び作用効果即ち、本発明は、活性化又はイオン化された水
素ガスを供給しながらアモルフアス半導体材料を
光学的に透明な支持体上に堆積させることによつ
て、0.5〜20原子％の水素原子を含有し、かつ、
特定波長光に対して遮光性があり、可視光は透過
させるアモルフアス半導体層を前記支持体上に
3000Åより薄い膜厚に形成し、次いでフツ化炭素
ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いてエツチング
するに際して、混合ガスをプラズマエツチング装
置のエツチング槽内に導入し、高周波電圧による
グロー放電でプラズマラジカルを発生せしめ、こ
のラジカルをシールド間メツシユチユーブの網目
から反応室内へ導入して前記水素原子含有アモル
フアス半導体層を所定のマスクパターンにエツチ
ングし、この所定パターンの水素原子含有アモル
フアス半導体層のみからなる遮光層を有する露光
マスクを作成する露光マスクの製造方法に係るも
のである。

本発明の方法によれば、プラズマ中でのエツチ
ングに際し、エツチヤントガス（フツ化炭素ガ
ス）に酸素ガスを混在せしめているために、後で
詳述する理由によりプラズマ中の原子状フツ素の
濃度を増加させ、これによつてエツチング速度を
大幅に向上させることができる。しかも、エツチ
ングされるべきアモルフアス半導体層には水素原
子が含有されるようにしているので、エツチング
時に生じるフツ素の欠乏したフツ化炭素（CF_x）
の重合物が堆積するのを上記水素によつて効果的
に防止してエツチング速度を効果的に早めること
ができると共に、0.5〜20原子％と特定量の水素
原子の含有によつてアモルフアス半導体層自体の
光学濃度を高め、所望の遮光マスク特性を発揮さ
せることができる。しかもこの場合、アモルフア
ス半導体層はそれ自体のみで遮光層を形成するか
ら、他の遮光層（例えばCr層）との組み合せは
全く不要であり、従つて、精度の良いパターンと
マスク特性の遮光マスクとなる。また、上記水素
原子は、アモルフアス半導体層の製膜時に活性化
又はイオン化された水素ガスの供給によつて導入
しているので、供給された水素はエネルギー的に
賦活され、アモルフアス半導体元素とすぐに反応
して同アモルフアス半導体層中に十分に取込ま
れ、上記した効果（エツチング速度の向上、光学
濃度の向上等）を容易に得ることができる。

そして、上記アモルフアス半導体層はその製膜
時に3000Åより薄い膜厚に形成しているので、こ
のように薄くしても上記水素原子の含有によつて
十分な光学濃度を示すと同時に、アモルフアス半
導体層のエツチング時にサイドエツチング等が生
じず、エツチングの加工精度又はシヤープネスが
大幅に向上する。

更に、上記アモルフアス半導体層は可視光を透
過させるので、露光マスクの使用時にマスク下に
ある被加工物のパターンを外部から観察できるこ
とになり、マスク合せをより正確に行うことがで
きる。

５実施例以下、本発明を実施例について図面参照下に詳
細に説明する。

第１図〜第６図は、本発明によるホトマスクに
加工される各種のホトマスク素材を例示するもの
である。

第１図のマスク素材１は、光学的に透明な石英
板（SiO₂板）２上に水素原子含有アモルフアス
シリコン（以下、ａ−Si：Ｈと称する。）層３が
設けられたものである。基板としてのSiO₂板２
の厚みは0.5〜３mm（望ましくは１〜2.5mm）であ
り、またａ−Si：Ｈ層３の膜厚は3000Åより薄く
（望ましくは700Å以上）、例えば1000Åである。
このマスク素材１は、後述の方法で製造され、か
つ所望の露光マスクに加工される。

第１図の例では、ａ−Siと熱膨張係数の近いも
のが選択可能な非石英板（例えば、ソーダライ
ム、ホウ珪酸系）を基板として用いることもでき
る。

第２図は、ソーダライム、ホウ珪酸系等の非石
英板１２上にまずSiO₂膜４が厚さ100〜5000Å
（望ましくは100〜3000Å）に形成され、この上に
ａ−Si：Ｈ層３が設けられている。この場合
SiO₂膜４は、基板１２からａ−Si：Ｈ層３へNa
等の不純物が混入してａ−Si：Ｈ層３が汚染され
るのを防止するものである。

以上の第１図及び第２図のマスク素材はいずれ
も反射防止手段を設けてはいないが、後述する半
導体表面の加工時に同表面からの反射光が更にマ
スク面で反射されて半導体表面上のホトレジスト
膜を不測に感光せしめないように、反射防止膜を
設けておくのがよい。

第３図は、ａ−Si：Ｈ層３上に、酸素原子を含
有するａ−Si：Ｈ又は酸素原子を含有するａ−Si
からなる反射防止膜５を設け、この反射防止膜に
よつて反射光をマスクの層中へ導びくようにし、
マスク面で再反射されることを防止した例を示し
ている。反射防止膜５の膜厚は、露光時の使用波
長に応じて、反射が最小となるような値に設定さ
れる。

第４図は、上記の如き反射防止膜５をａ−Si：
Ｈ層３と基板２又は１２との間にも設けた例を示
す。

上記した各例の露光マスク素材（又は後述の露
光マスク）の外形は、処理されるべき半導体ウエ
ハのサイズに応じ、第５図の如くに正方形状であ
つてよく、また第６図の如くにウエハと同形であ
つてもよい。また、他の形状として、第７図及び
第８図に示す如く、周辺に位置合せ用の切欠き又
は直線部１ａを有するものが使用可能である。或
いは同様の目的で四角形の各角部を直線状又は円
弧状に除去したもの、四角形の一対の対向辺を円
弧状に曲げたものでもよく、更には単なる円形で
もよい。

上記に例示した露光マスク素材１は、所定量
（0.3〜25原子％）の水素原子を含有したａ−Si：
Ｈ層３を具備しているために、従来のａ−Si系シ
ースルーマスクに比較して使用波長での光学濃度
が大幅に向上している。即ち、第１３図に示すデ
ータ（使用波長は4300Å、ａ−Si：Ｈ層の厚みは
1000Å）によれば、水素含有量に応じて光学濃度
が変化し、特に0.3〜25原子％の範囲では従来の
Siマスクの光学濃度（1.2〜1.4）以上となり、0.5
〜20原子％では２〜４倍にも向上することが分
る。水素含有量が少ない範囲で光学濃度が急激に
高くなつていることは注目すべきであり、本発明
に従つてａ−Si中に水素原子を積極的に導入する
ことの優位性が顕著に表われている。なお、ａ−
Si：Ｈ層中の水素含有量は、同質の膜を高抵抗Si
ウエハー上に形成してその膜の赤外線吸収スペク
トルによつて求めた（この場合のウエハ厚みは例
えば〜500μm、ａ−Si：Ｈの膜厚は例えば１〜
5μm）。またａ−Si：Ｈ層自体は後記（第１１図）
の蒸着法で製膜したものを用いた。なお、上記赤
外線吸収スペクトルの一例を第１４図に示した
が、赤外吸収の積分強度Ｉ＝∫α（ω）／ωdωを、特定の赤外吸収帯（例えば1900〜2250cm^-1）にわた
るSi−Ｈの伸縮振動に注目して求める。そして、
水素濃度Ｎ（cm^-3）は、Ｎ＝Ｋ×Ｉ（Ｋは定数）関
係式から求めると、図示の例では10原子％程度と
見積られる。但、これは一例であり、また他の公
知の方法に基いて水素濃度を求めることもでき
る。

このように、ａ−Si：Ｈ層は所定量の水素原子
の含有によつて高い光学濃度を示すものとなつて
いるから、その膜厚を薄くすることができ、次に
述べるエツチングの加工精度又はシヤープネスが
大幅に向上する。

即ち、例えば、ウエツト処理によるエツチング
の場合、第９Ａ図の如くに、ａ−Si：Ｈ層３上に
公知ホトレジスト６（例えば、ネガ型のホトレジ
スト）を一様に塗布し、次いで第９Ｂ図の如く
に、予め製作した露光マスク７を配して露光す
る。露光ビーム８はマスク７の非マスク部９を通
して下地のホトレジスト６を所定パターンに感光
せしめる。

次にホトレジスト６の例えば非露光部分（ポジ
型の場合は露光部分）を現像で除去し、第９Ｃ図
の如きパターンに残す。そして、第９Ｄ図の如
く、ホトレジスト６をマスクにして下地のａ−
Si：Ｈ層３をプラズマエツチングし、パターニン
グする。

第９Ｅ図は、こうして製作された露光マスク１
１を示している。

このマスク１１は、第９Ｆ図の如く、例えば、
シリコンウエハ１０の一主面に公知の熱酸化技術
で形成したSiO₂膜１３上にホトレジスト１４を
塗布し、このホトレジスト上に露光マスク１１を
配する。この際、マスク１１のａ−Si：Ｈ層３は
可視光に対し透明であるから、ウエハ１０の表面
上に既に何らかのパターン（例えば素子分離用フ
イールドSiO₂膜等）が存在している場合には、
そのパターンを観察でき、従つてマスク合せをよ
り正確に行なうことができる。次に、使用波長が
3000〜4400Åの例えば紫外光１５を例えば200W
程度の超高圧水銀灯より照射し、マスク層３の存
在しない非マスク部分下のホトレジスト１４を選
択的に露光する。ａ−Si：Ｈからなるマスク層３
は上記使用波長域では光１５を通さず、充分な遮
光性を示す。更に、第９Ｇ図の如く、現像処理後
のホトレジスト１４をマスクに、下地のSiO₂膜
１３をフツ酸、フツ化アンモニウム水溶液等でエ
ツチングし、ウエハ１０上に所望のパターンに残
す。こうしてSiO₂膜１３に例えば電極又は配線
被着用のコンタクトホール１６を形成できる。

上記した露光マスクの製造プロセスにおいて、
特に第９Ｄ図のエツチング段階で、プラズマエツ
チングによりドライプロセス（エツチヤントガス
は例えばCF₄＋O₂からなる混合ガス：O₂は例え
ば10％）でａ−Si：Ｈ層３をエツチングすること
が極めて重要である。これを以下に説明する。

このドライエツチングに際しては、例えば第１
０図に示す如きプラズマエツチング装置を使用す
るが、ここで１７は基板２を保持するホルダ、１
８はシールド用メツシユチユーブ、１９はプラズ
マ発生室、２０は高周波電極、２１は高周波電源
である。例えば、CF₄等のエツチヤントガスとO₂
との混合ガス２２をエツチング槽２３内に導入
し、高周波電圧によるグロー放電でプラズマラジ
カルを発生せしめ、このラジカルをメツシユチユ
ーブ１８の網目から反応室２４内の基板２へ導入
する。これによつて、基板２上のａ−Si：Ｈ層を
上述した如くにしてプラズマエツチングする。な
お、このプラズマエツチングは図示した装置に限
らず、公知の平行平板型のプラズマエツチング装
置でも可能であり、またプラズマエツチング以外
にも反応性スパツタエツチング等の他のドライエ
ツチングを適用することもできる。

こうしたプラズマ中でのドライエツチング時
に、例えばCF₄とO₂との混合ガスを用いているた
めに、CF₄からはエツチングに関与するフツ素ラ
ジカルが生じる一方、同時に生じるフツ素の欠乏
したCF_xがＯと反応し、この反応時に更にフツ素
ラジカルが付加的に生じる。この結果、エツチン
グ速度が大幅に向上し、例えば0.1〜0.2μm厚のａ
−Si膜で１分／100cm²にもなる。また、上記の
CF_xがａ−Si膜中の水素原子と反応してその重合
化が阻止されることもエツチング速度を向上させ
るのに寄与している。

また、上記のホトマスクによれば、アモルフア
ス半導体（特に、ａ−Si）層中に所定量の水素原
子を含有せしめたので、その製膜時に同半導体層
への残留酸素の混入が大幅に減少しており、これ
によつてマスク層としてのアモルフアス半導体層
の光学濃度が特に紫外域で向上し、露光処理時の
遮光性を二分に高めることができる。従つて、従
来のものより薄い膜厚にしても、所望の光学濃度
のホトマスクとなるので、ホトマスクへの加工の
ためのエツチング時に上記アモルフアス半導体層
のエツチング精度（加工のシヤープネス）が改善
され、所望のパターン精度又は微細パターンを得
ることが可能となる。

アモルフアス半導体層の水素原子含有量は上記
のことから、0.3〜25原子％（層中の全原子数に
対する水素原子数の割合）であるのが必須不可欠
であることが分つた。また、上記アモルフアス半
導体の一例としてａ−Siを用いれば、ドライエツ
チング（例えば、フレオンガスをエツチヤントガ
スとするプラズマエツチング）を良好に行なうこ
とができるが、これは、本発明によつてａ−Si膜
を薄くできるために更に結果が向上する。即ち、
上記のａ−Si：Ｈ層３の膜厚は例えば1000Å程度
と薄くできるために、そのエツチング加工精度が
極めて良好となる。従つて、従来回避できなかつ
たサイドエツチングを防止して、露光マスクとし
てのパターン精度を格段に向上させることができ
る。即ち、設計線幅からのシフト量（サイドエツ
チ量）は、従来は0.3±0.2μmであつたが、本発明
では0.1±0.1μmであり、精度が大幅に向上する。
従つて、この露光マスクは、特に、半導体IC、
LSI等における微細化プロセスに非常に有用であ
る。

次に、本発明による露光マスクに加工されるべ
き露光マスク素材の製造装置を説明する。

第１１図は、上述したａ−Si：Ｈ層３を製膜す
るための真空蒸着装置を示す。即ち、真空槽を形
成するベルジヤー３０にバタフライバルブ３２を
有する排気路３８を介して真空ポンプ（図示せ
ず）を接続し、これにより当該ベルジヤー３０内
を予め例えば10^-5〜10^-7Torr（例えば５×10^-6
Torr）の高真空状態としておき、当該ベルジヤ
ー３０内には基板２を配置してこれをヒーター３
４により温度150〜500℃、好ましくは200〜450℃
（例えば300℃）に加熱すると共に、放電管３７付
きのガス導入管３６により活性化又はイオン化さ
れた水素ガスを例えば５×10^-6Torrでベルジヤ
ー３０内に導入しながら、基板２と対向するよう
前記ベルジヤー３０内に配されたシリコン蒸発源
２５からシリコンを加熱蒸発せしめる。この加熱
手段は電子銃加熱装置２６による電子ビーム２７
又は抵抗加熱方式によつてもよい。また、基板２
の背後電極３１には負のバイアス電圧、例えば−
10kv以下の直流電圧３５を印加してもよい。

前記水素ガス放電管３７は、第１２図に示すよ
うに、ガス入口４１を有する筒状の一方の電極部
材４２と、この一方の電極部材４２を一端に設け
た、放電空間４３を囲繞する例えば筒状ガラス製
の放電空間部材４４と、この放電空間部材４４の
他端に設けた、出口４５を有するリング状の他方
の電極部材４６とより成り、前記一方の電極部材
４２と他方の電極部材４６との間に直流又は交流
の電圧が印加されることにより、ガス入口４１を
介して供給された水素ガスが放電空間４３におい
てグロー放電を生じ、これにより電子エネルギー
的に賦活された水素原子若しくは分子より成る活
性水素及びイオン化された水素イオンが出口４５
より排出される。この図示の例の放電空間部材４
４は二重管構造であつて冷却水を流過せしめ得る
構造を有し、４７，４８が冷却水入口及び出口を
示す。４９は一方の電極部材４２の冷却用フイン
である。上記の水素ガス放電管３７における電極
間距離は10〜15cmであり、印加電圧は500〜
800V、放電空間４３の圧力は10^-2Torr程度とさ
れる。

このような蒸着装置においては、水素ガスを放
電により活性化して導入し、かつ基板２に吸収用
の負電圧を印加すると共に基板２を加熱している
ために、基板２上に堆積する厚さ例えば約1500Å
のａ−Si膜中に水素原子が効果的かつ充分に取込
まれ、しかも膜中に入り込もうとするベルジヤー
内の残留酸素が効果的に排除される。従つて、得
られたａ−Si：Ｈ膜の酸化が防止され、その遮光
性が向上すると共に、上記したプラズマエツチン
グ速度が良くなる。また、基板２の加熱温度は公
知のCVD装置の場合に比べて低温でよく、或い
は基板２は加熱せずに常温で操作しても差支えな
い。いずれにしても、この蒸着装置を用いれば、
大きな製膜速度で所望量の水素を含むａ−Siを堆
積させることができる。

なお、上述した酸素含有ａ−Si層５又はSiO₂
層４（第２図、第３図等参照）を形成するには、
第１１図のベルジヤー内にO₂を導入すればよい
が、この場合水素ガスは供給停止するか或いは供
給量を減らす。SiO₂層４は更に、酸素導入下で
のSiO、SiO₂の蒸着によつて形成してよい。尚、
シリコンの代りに、ゲルマニウムを用いるか、シ
リコンとゲルマニウムの同時蒸着等によつて得ら
れる膜にも、前記装置の使用により、水素を含有
させ、光学濃度を向上させることができる。

以上述べた例においては、プラズマエツチング
に使用するガスとしてCF₄以外のフツ化炭素ガス
を使用してよいし、また混合する酸素の量も種々
変化させることができ、２〜50％としてよい。

また、ホトマスクの遮光層として、上述したシ
リコンの代りに、シリコンとゲルマニウムの混合
物、あるいはゲルマニウム単体等を用いて、前記
方法により製膜すると、水素を含有した光学濃度
の高いシリコンとゲルマニウムの混合物、又はゲ
ルマニウムの膜が得られる。また、この遮光層の
製膜には、上述の蒸着法以外にも、スパツタ法等
が適用可能である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明を例示するものであつて、第１
図、第２図、第３図、第４図は露光マスク素材の
各例の断面図、第５図、第６図、第７図、第８図
は露光マスク素材又は露光マスクの各例の外形を
示す平面図、第９Ａ図〜第９Ｅ図は露光マスクへ
の加工方法を工程順に示す断面図、第９Ｆ図及び
第９Ｇ図は露光マスクを用いて半導体を加工する
ときの主要工程の各断面図、第１０図はプラズマ
エツチング装置の概略断面図、第１１図は真空蒸
着装置の概略断面図、第１２図はガス放電管の断
面図、第１３図はａ−Si中の水素原子含有量とそ
の光学濃度との関係を示すグラフ、第１４図はａ
−Si：Ｈ膜の赤外線吸収スペクトル図である。なお、図面に示された符号において、１……露
光マスク素材、２……基板、３……ａ−Si：Ｈ
層、４，１３……SiO₂膜、５……反射防止膜、
１１……露光マスク、６，１４……ホトレジス
ト、８，１５……露光ビーム、２０……高周波電
極、２２……CF₄＋O₂、である。

Claims

【特許請求の範囲】

１活性化又はイオン化された水素ガスを供給し
ながらアモルフアス半導体材料を光学的に透明な
支持体上に堆積させることによつて、0.5〜20原
子％の水素原子を含有し、かつ、特定波長光に対
して遮光性があり、可視光は透過させるアモルフ
アス半導体層を前記支持体上に3000Åより薄い膜
厚に形成し、次いでフツ化炭素ガスと酸素ガスと
の混合ガスを用いてエツチングするに際して、混
合ガスをプラズマエツチング装置のエツチング槽
内に導入し、高周波電圧によるグロー放電でプラ
ズマラジカルを発生せしめ、このラジカルをシー
ルド間メツシユチユーブの網目から反応室内へ導
入して前記水素原子含有アモルフアス半導体層を
所定のマスクパターンにエツチングし、この所定
パターンの水素原子含有アモルフアス半導体のみ
からなる遮光層を有する露光マスクを作成する露
光マスクの製造方法。