JPH11305417A - 露光方法および反射型マスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】極端紫外光リソグラフィ技術において、位相シ
フト法を可能とする。 【解決手段】反射型マスクにおいて、第１の多層膜を有
する第１の反射領域と、第１の多層膜と中間層および第
２の多層膜を有する第２の反射領域とを形成し、２つの
反射領域の段差をｈ、照射光の波長をλ、入射角をθ、
ｎを正の整数とするとき、０.８＜（４×cosθ×ｈ）／
（(２ｎ−１）×λ）＜１.２を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路等
の製造工程におけるリソグラフィ技術に係り、特に反射
型位相シフトマスクを用いた極端紫外光リソグラフィ技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の量産リソグラフィ技術
として、紫外光または遠紫外光によるリソグラフィ技術
が用いられている。この方法は、透過型マスクに配置さ
れたパターンを、屈折レンズから成る結像光学系を用い
てウェハに転写するものである。この場合、解像度は、
露光波長と結像光学系の開口数（ＮＡ）に依存する。例
えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光とＮＡ
０.６ の結像光学系を用いて、解像度０.２５μｍ が得
られている。さらに、半導体集積回路の微細化を進める
ために、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光を用
いるリソグラフィ技術が開発されているが、解像度は
０.１３μｍ 程度が実用限界である。

【０００３】一方、露光波長を極端紫外光領域内の３〜
２０ｎｍまで短波長化すれば、0.1μｍ以下の解像度を
実現することが可能となる。極端紫外光領域では、全て
の物質の屈折率が１に極めて近いので、屈折レンズの代
わりに、反射鏡で結像光学系を構成する必要がある。近
年、光学定数の異なる２種類の薄膜を交互に多数積層し
た多層膜を用いて、高い反射率が得られるようになっ
た。そこで、多層膜反射鏡を用いる極端紫外光リソグラ
フィ技術が注目されている。極端紫外光領域では、全て
の物質の吸収係数が大きいので、透過型マスクの代わり
に、多層膜を用いた反射型マスクが必要である。

【０００４】ところで、極端紫外光リソグラフィ技術に
おいても、紫外光または遠紫外光リソグラフィ技術と同
様に、位相シフト法による高解像度化が可能であり、反
射型位相シフトマスクの構造がいくつか提案されてい
る。

【０００５】図８（ａ）は、特開平4−118914 号公報に
記載されている反射型位相シフトマスクを示す。基板８
１の上に、位相を１８０°変化させるための段差８２を
設けておき、この上に極端紫外光を反射する多層膜８３
を形成する（基板段差型）。また、多層膜の上に吸収体
８４を設け、非反射領域を形成している。

【０００６】図８（ｂ）は、特開平5−134385 号公報に
記載されている反射型位相シフトマスクを示す。基板８
１の上に、極端紫外光を反射する多層膜８３を形成し、
多層膜の最表面層を変質させて、位相を１８０°変化さ
せるための段差８２を設ける（表面段差型）。また、多
層膜の上に吸収体８４を設け、非反射領域を形成してい
る。

【０００７】図８(ｃ)は、特開平6−177018 号公報に記
載されている反射型位相シフトマスクを示す。基板８１
の上に、極端紫外光を反射する多層膜８３１と多層膜８
３２を形成する。この２つの多層膜には段差がないが、
薄膜の積層順序が反転しているので、反射光の位相は１
８０°異なる（多層膜反転型）。また、多層膜が形成さ
れていない基板部分８５は、非反射領域となる。

【０００８】図８(ｄ)は、特開平6−177019 号公報に記
載されている反射型位相シフトマスクを示す。基板８１
の上に、極端紫外光を反射する多層膜８３３と多層膜８
３４を形成する。この２つの多層膜は層数が異なるの
で、段差があり、反射光の位相が１８０°変化する（層
数変化型）。また、多層膜が形成されていない基板部分
８５は、非反射領域となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】基板段差型の反射型位
相シフトマスクでは、段差を有する基板上に多層膜を積
層するので、段差端面で多層膜の界面構造が乱れ、反射
率や位相差が局所的に変動する問題がある。また、多層
膜反転型の反射型位相シフトマスクにおいても、パター
ン状の多層膜を有する基板上に再度多層膜を積層するの
で、パターン端面で多層膜の界面構造が乱れ、反射率や
位相差が局所的に変動する問題がある。

【００１０】また、表面段差型の反射型位相シフトマス
クでは、段差を設けることにより、多層膜の反射率が変
化する問題がある。一方、層数変化型の反射型位相シフ
トマスクでは、平滑な基板上に多層膜を積層するので、
多層膜の界面構造は乱れない。また、多層膜の層数を所
定の条件に制御することにより、理論的には、位相が１
８０°異なり、強度が等しい反射光が得られる。しか
し、マスクの製作において、多層膜を所定の層数だけエ
ッチングする必要があり、多層膜の層数の高精度な制御
は実際には困難である。さらに、エッチングに曝された
多層膜の表面が荒れるので、反射率が低下する問題もあ
る。

【００１１】このように、従来の反射型位相シフトマス
クでは、上記の問題があり、所望の解像度を達成するこ
とが困難であった。

【００１２】本発明の目的は、極端紫外光リソグラフィ
技術において、位相シフト法を用いた高解像度の露光方
法を提供することである。また、本発明の他の目的は、
高解像度の露光が可能な反射型位相シフトマスクを提供
することである。さらに、本発明の他目的は、前記露光
方法を用いて製造した半導体集積回路を提供することで
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の露光方法では、反射型マスクに極端紫外光
または真空紫外光を照射する工程と、上記反射型マスク
のパターンを結像光学系を介して試料に転写する工程と
を含む露光方法において、上記反射型マスクに少なくと
も、第１の多層膜を有する第１の反射領域と、上記第１
の多層膜と中間層および第２の多層膜を有する第２の反
射領域とが形成され、上記第１の反射領域と上記第２の
反射領域との段差をｈ、上記照射光の波長をλ、入射角
をθ、ｎを正の整数とするとき、数６を満たすようにし
たものである。

【００１４】

【数６】 ０.８＜(４×cosθ×ｈ)／((２ｎ−１)×λ)＜１.２ …（６） また、本発明の反射型マスクは、極端紫外光または真空
紫外光が照射される反射型マスクにおいて、少なくと
も、第１の多層膜を有する第１の反射領域と、上記第１
の多層膜と中間層および第２の多層膜を有する第２の反
射領域とが形成され、上記第１の反射領域と上記第２の
反射領域との段差をｈ、上記照射光の波長をλ、入射角
をθ、ｎを正の整数とするとき、数７を満たすようにし
たものである。

【００１５】

【数７】 ０.８＜(４×cosθ×ｈ)／((２ｎ−１)×λ)＜１.２ …（７）

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明は、反射型マスクに極端紫
外光または真空紫外光を照射する工程と、上記反射型マ
スクのパターンを結像光学系を介して試料に転写する工
程とを含む露光方法において、上記反射型マスクに少な
くとも、第１の多層膜を有する第１の反射領域と、上記
第１の多層膜と中間層および第２の多層膜を有する第２
の反射領域とが形成され、上記第１の反射領域と上記第
２の反射領域との段差をｈ、上記照射光の波長をλ、入
射角をθ、ｎを正の整数とするとき、数８を満たすこと
を特徴とする。

【００１７】

【数８】 ０.８＜(４×cosθ×ｈ)／((２ｎ−１)×λ)＜１.２ …（８） また、特に望ましい形態は、数９の関係を満たすことを
特徴とする。

【００１８】

【数９】 （４×cosθ×ｈ）／（(２ｎ−１）×λ）＝１ …（９） 本反射型マスクにおいては、第１と第２の多層膜は、そ
れぞれ平滑な平面上に積層されるので、多層膜の界面構
造が乱れることはない。したがって、第１と第２の反射
領域のそれぞれの面内において、一様な反射率と位相変
化が得られる。また、第１と第２の多層膜の層数および
中間層の膜厚を適切に制御して、第１と第２の反射領域
の反射率を同一とし、かつ振幅反射率の位相（入射光に
対する反射光の位相差）を同一とすることができる。と
ころで、段差ｈを有する２つの平面に光が入射すると、
それぞれの反射光の位相差は数１０で与えられる。

【００１９】

【数１０】 Φ＝４πｈ／λ×cosθ …（１０） 数９を数１０に代入すると、Φ＝（２ｎ−１）πとな
り、反射光の位相が１８０°異なることが分かる。した
がって、第１と第２の反射領域で反射された光は振幅が
等しく、位相が１８０°異なる。そこで、第１と第２の
反射領域を近接または隣接させ、結像光学系を介して試
料に転写すると、２つの反射領域の境界では光が打ち消
し合うので、解像度が向上する。なお、位相差が厳密に
180°でなくとも、数８を満たすならば、高解像度化の
効果を得ることができる。

【００２０】本発明のマスクの製造方法においては、第
１の多層膜、中間層、および第２の多層膜を順に積層
し、中間層を障壁層として第２の多層膜をパターンに応
じてエッチングする。したがって、第１と第２の多層膜
の層数を高精度に制御することができる。また、このエ
ッチングにおいて、第１の多層膜は中間層により保護さ
れるので、反射率が維持される。

【００２１】図１（ｂ）は、本発明の反射型マスクの構
造に関する第１の実施例を示す。基板１は、溶融石英で
あり、表面粗さ０.２ｎｍ に超平滑研磨されている。第
１の反射領域は、第１の多層膜２で形成される。また、
第２の反射領域は、第１の多層膜２と中間層３および第
２の多層膜４で形成される。

【００２２】第１と第２の多層膜は、膜厚２.７ｎｍの
Ｍｏ薄膜と、膜厚４.０ｎｍのＳｉ薄膜とを交互に積層
したものであり、周期長（薄膜対の厚さ）は６.７ｎｍ
である。第１と第２の多層膜の層対数（薄膜対の数）は
それぞれ５０層対と１７層対であり、表面はいずれもＳ
ｉ薄膜である。中間層は、膜厚６.７ｎｍのＳｉＯ₂薄膜
である。

【００２３】さらに、第２の多層膜の上に、吸収体５で
非反射領域が形成されている。吸収体は、膜厚１００ｎ
ｍのＷ薄膜である。

【００２４】この反射型マスクに、波長λ＝１３ｎｍの
極端紫外光を入射角θ＝５°で照射すると、後述するよ
うに、第１と第２の反射領域の反射率は同一であり、か
つ振幅反射率の位相も同一である。また、第１と第２の
反射領域の段差ｈは６.７nm＋６.７ｎｍ×１７＝１２
０.６ｎｍである。ここでｎ＝１９とすると、（４×cos
θ×ｈ）／（（２ｎ−１）×λ）＝０.９９９であるの
で、それぞれの反射光は位相が１８０°異なる。したが
って、図１（ａ）に示すような反射光の振幅分布が得ら
れる。

【００２５】なお、上記実施例において、第１と第２の
多層膜の層対数をそれぞれ５０層対と１６層対とし、中
間層の膜厚を１３.４ｎｍ とした場合も、反射光の振幅
分布は同一であった。また、第１と第２の多層膜の層対
数をそれぞれ５０層対と１７層対とし、中間層の膜厚を
５.５ｎｍ から８ｎｍまで変化させた場合も、反射光の
振幅分布は実質的に同一であった。

【００２６】次に、第１と第２の反射領域における反射
特性を説明する。Ｍｏ，Ｓｉ、およびＳｉＯ₂の各薄膜
の膜厚をそれぞれ２.７ｎｍ，４.０ｎｍ、および６.７
ｎｍとする。基板上に、Ｍｏ，Ｓｉ，…を交互に各５０
層、ＳｉＯ₂ を１層、さらにＭｏ，Ｓｉ，…を交互に積
層したときの、反射率および振幅反射率の位相を、図２
に示す。

【００２７】反射率は、初めは積層数と共に増加し、積
層数約８０以上で飽和する。なお、厳密には、表面の薄
膜が交互にＭｏまたはＳｉと代わることに伴い、反射率
は微小に振動する。積層数１００（基板上に５０層対の
多層膜）では、反射率は71.6％である。積層数１０１
（表面の薄膜はＳｉＯ₂）では、反射率は６２.８％に減
少するが、さらに積層数を増加すると、反射率は再び増
加する。積層数１３５（ＳｉＯ₂薄膜上に１７層対の多
層膜）では、反射率は７１.４％であり、積層数１００
の場合と実質的に同一である。振幅反射率の位相は、表
面の薄膜がＭｏとＳｉの場合とで異なり、それぞれ約−
２.７radと約−０.３radである。積層数が１００と１３
５では（表面の薄膜はＳｉ）、位相はそれぞれ−０.３
４８radと−０.３５２radであり、実質的に同一であ
る。このように、前記実施例の反射型マスクでは、第１
と第２の反射領域の反射率は同一であり、かつ振幅反射
率の位相も同一である。

【００２８】図３は、本発明の反射型マスクに関して、
製造方法の実施例を示す。溶融石英の基板１の上に、マ
グネトロンスパッタ法により、周期長６.７ｎｍ で５０
層対のＭｏ／Ｓｉ多層膜２，厚さ６.７ｎｍのＳｉＯ₂
中間層３，周期長６.７ｎｍで１７層対のＭｏ／Ｓｉ多
層膜４，厚さ１０ｎｍのＳｉＯ₂ 中間層６、および厚さ
１００ｎｍのＷ吸収体５を順に積層した（図３ａ）。

【００２９】次に、電子線描画法によりレジストパター
ン７を形成した（図３ｂ）。このレジストをエッチング
マスクとして、ＳＦ₆ ガスを用いた反応性イオンエッチ
ング（ＲＩＥ）により、吸収体を加工した（図３ｃ）。
エッチングに際して、多層膜４は中間層６により保護さ
れている。また、吸収体パターンの一部には、合わせマ
ーク（図示せず）を形成した。この後、酸素プラズマア
ッシングにより、レジストを除去した（図３ｄ）。次
に、前記の合わせマークを用いた電子線描画法により、
再度レジストパターン８を形成した（図３ｅ）。

【００３０】このレジストをエッチングマスクとして、
ＣＨＦ₃ ガスを用いたＲＩＥにより中間層６を加工し
（図３ｆ）、ＳＦ₆ ガスを用いたＲＩＥにより多層膜４
を加工した（図３ｇ）。エッチングに際して、多層膜２
は中間層４により保護されており、多層膜４を完全に除
去することができた。次に、酸素プラズマアッシングに
よりレジストを除去し、さらに、フッ酸を用いたウェッ
トエッチングにより露出している中間層を除去し、所望
の反射型マスクを得た（図３ｈ）。

【００３１】図４に示す極端紫外光露光装置に前記の反
射型マスクを装着して、パターン転写を行った。反射型
マスクには、半導体集積回路の周期的パターンが描かれ
ており、マスク上のパターン寸法は０.２５μｍであ
る。

【００３２】まず、露光装置の構成を説明する。反射型
マスク４２とウェハ４５は、それぞれマスクステージ４
３とウェハステージ４６に装着されている。反射型マス
クとウェハとの相対位置をアライメント装置４７を用い
て検出し、制御装置４８により駆動装置４９１，４９２
を介して位置合わせする。光源４０から放射された波長
１３ｎｍの極端紫外光は、照明光学系４１を介して反射
型マスクを照射する。コヒーレンスファクタは、０.３
である。反射型マスクに描かれたパターンは、結像光学
系４４を介してウェハ上のレジストに転写される。

【００３３】結像光学系の倍率は１／５、ＮＡは０.０
８ である。また、結像光学系は光軸のまわりに回転対
象な構成となっており、光軸から等距離にある円弧領域
にて、収差が十分に補正されている。具体的には、ウェ
ハ上で長手方向（円周方向）３０mm，幅方向（半径方
向）１mmの円弧領域にて、回折限界の解像度が得られ
る。そこで、マスクステージとウェハステージとを５：
１の速度比で同期走査し、反射型マスク全面のパターン
をウェハ上に転写した。この結果、ウェハ上の３０×３
０mmの領域にて、０.０５μｍ のパターンを転写でき
た。なお、通常の（位相シフトでない）反射型マスクで
は、ウェハ上で０.１μｍ が解像限界であった。

【００３４】次に、本発明の反射型マスクの構造に関す
る第２の実施例を、図５に示す。第１の反射領域は、第
１の多層膜２で形成される。また、第２の反射領域は、
第１の多層膜２と中間層３および第２の多層膜４で形成
される。第１と第２の多層膜はＭｏ薄膜とＳｉ薄膜とか
ら成り、周期長は６.７ｎｍ 、層対数はそれぞれ５０層
対と１７層対である。また、中間層は厚さ６.７ｎｍの
ＳｉＯ₂薄膜である。ここで、波長１３ｎｍの極端紫外
光を入射角５°で照射すると、マスク位置において、図
に示すような反射光の振幅分布が得られる。この場合、
ウェハ上では、第１の反射領域と第２の反射領域との境
界に対応する位置で、光強度が急激にゼロとなる。そこ
で、この構造の反射型マスクに、半導体集積回路の孤立
線パターンを描画し、ウェハ上で寸法０.０５μｍのパ
ターンを転写できた。

【００３５】次に、本発明の反射型位相シフトマスクを
用いて半導体集積回路を製造した例を、図６を用いて説
明する。反射型位相シフトマスクには、位相が１８０°
異なる反射領域が隣接して形成されている（図６ａ）。
ｐ型基板７７上に、通常の方法でフィールド酸化膜７６
を形成し、その上に酸化膜７５，多結晶シリコン膜７４
を形成した。その後、レジスト塗布、前記マスクを用い
た露光、および現像処理により、レジストパターン７３
１，７３２を形成した（図６ｂ）。前記レジストパター
ンをマスクとして、酸化膜７５，多結晶シリコン膜７４
をドライエッチングで加工し、レジストを除去して、多
結晶Ｓｉ／ＳｉＯ₂ ゲート７８１，７８２を形成した
(図６ｃ)。その後、イオン打ち込みにより高濃度ｎ＋層
７９１，７９２，７９３を形成した（図６ｄ）。図６ｅ
は、形成したゲートの平面図である。以後、通常の電極
形成工程や配線工程を経て、高密度の半導体集積回路を
製造することができた。

【００３６】図７は、本発明の他の実施例の反射型位相
シフトマスクにおいて、パターンレイアウトの一部を示
す。図において、７０は非反射領域、７１から７５は配
線パターン等に対応する反射領域、７６１，７６２は補
助パターンの反射領域である。一方、ウェハには、キャ
パシタ等からなるメモリマット部と周辺回路部が形成さ
れており（図示せず）、両者の間には０.５〜１μｍの
段差がある。

【００３７】本実施例では、ウェハ表面の段差に応じ
て、異なる位相差を与えた。すなわち、メモリマット部
の反射領域７１に対して補助パターン７６１，７６２は
位相差１８０°、周辺回路部の反射領域７２に対して反
射領域７３は位相差２００°、メモリマット部の反射領
域７４に対して反射領域７５は位相差２００°を与え
た。その結果、位相差に応じて最適な結像面が移動し、
所望のパターンを形成することができた。このように、
ウェハ表面の段差に応じて、位相差を１８０°より大き
くまたは小さく設定することにより、微細なパターンを
形成できる。

【００３８】なお、本発明は前述の実施例に限定される
ものではなく、多層膜の構成材料としては、Ｃｒ，Ｎ
ｉ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｗ，Ｒｅなどの重元素とＢｅ，
Ｂ，Ｃ，Ｓｉなどの軽元素を組み合わせてもよい。ま
た、ＲＩＥのガスとしては、フッ素系や塩素系の適当な
ガスを用いることができる。さらに、露光波長は１３ｎ
ｍに限定されず、極端紫外光領域と真空紫外光領域の任
意の波長に適用できることは言うまでもない。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように、極端紫外光または
真空紫外光を用いたリソグラフィ技術において、位相シ
フト法が可能となるので、半導体集積回路製造における
解像度向上の効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の反射型位相シフトマスクの
断面図および反射特性図。

【図２】多層膜における積層数と反射特性の関係を示す
測定図。

【図３】本発明の反射型位相シフトマスクの製造方法工
程を示す断面図。

【図４】極端紫外光露光装置の構成を示す説明図。

【図５】本発明の他の実施例の反射型位相シフトマスク
の断面図および反射特性図。

【図６】本発明の反射型位相シフトマスクを用いた半導
体集積回路の製造工程を示す断面図および平面図。

【図７】本発明の反射型位相シフトマスクのパターンレ
イアウトを示す平面図。

【図８】従来の反射型位相シフトマスクの構造を示す断
面図。

【符号の説明】

１…基板、２…第１の多層膜、３…中間層、４…第２の
多層膜、５…吸収体。

フロントページの続き (72)発明者 瀬谷 英一 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】反射型マスクに極端紫外光または真空紫外
   光を照射する工程と、上記反射型マスクのパターンを結
   像光学系を介して試料に転写する工程とを含む露光方法
   において、上記反射型マスクに少なくとも、第１の多層
   膜を有する第１の反射領域と、上記第１の多層膜と中間
   層および第２の多層膜を有する第２の反射領域とが形成
   され、上記第１の反射領域と上記第２の反射領域との段
   差をｈ、上記照射光の波長をλ、入射角をθ、ｎを正の
   整数とするとき、数１を満たすことを特徴とする露光方
   法。 【数１】 ０.８＜(４×cosθ×ｈ)／((２ｎ−１)×λ)＜１.２ …（１）
2. 【請求項２】前記露光方法において、上記第１の多層膜
   と上記第２の多層膜の周期長をｄ、上記中間層の膜厚を
   ｔ、ｍを正の整数とするとき、数２を満たすことを特徴
   とする露光方法。 【数２】 ０.８＜ｔ／（ｍ×ｄ）＜１.２ …（２）
3. 【請求項３】極端紫外光または真空紫外光が照射される
   反射型マスクにおいて、少なくとも、第１の多層膜を有
   する第１の反射領域と、上記第１の多層膜と中間層およ
   び第２の多層膜を有する第２の反射領域とが形成され、
   上記第１の反射領域と上記第２の反射領域との段差を
   ｈ、上記照射光の波長をλ、入射角をθ、ｎを正の整数
   とするとき、数３を満たすことを特徴とする反射型マス
   ク。 【数３】 ０.８＜(４×cosθ×ｈ)／((２ｎ−１)×λ)＜１.２ …（３）
4. 【請求項４】前記反射型マスクにおいて、上記第１の多
   層膜と上記第２の多層膜の周期長をｄ、上記中間層の膜
   厚をｔとするとき、数４を満たすことを特徴とする反射
   型マスク。 【数４】 ０.８＜ｔ／（ｍ×ｄ）＜１.２ …（４）
5. 【請求項５】極端紫外光または真空紫外光が照射される
   反射型マスクの製造方法において、少なくとも、第１の
   多層膜と中間層および第２の多層膜とを積層して第２の
   反射領域を形成する工程と、上記第２の多層膜と上記中
   間層とを除去して第１の反射領域を形成する工程とを含
   み、上記第１の反射領域と上記第２の反射領域との段差
   をｈ、上記照射光の波長をλ、入射角をθ、ｎを正の整
   数とするとき、数５を満たすことを特徴とする反射型マ
   スクの製造方法。 【数５】 ０.８＜(４×cosθ×ｈ)／((２ｎ−１)×λ)＜１.２ …（５）
6. 【請求項６】請求項１または２に記載の露光方法により
   製造されたことを特徴とする半導体集積回路。