JPS60168145A - Ｘ線露光マスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野ン 本発明は微細パターンの転写を可能とするＸ線露光装置
忙使用するＸ線露光マスクの構造に関するものである。

（発明の背景） 近年、半導体集積回路の集積度の向上は目ざましく１μ
ｍあるいはそれ以下の寸法の微細パターンを半導体基板
（以下ウェハと証す）上に形成する必璧性が高１ってき
ており、数Ｘ〜数１ＯＡの波長範囲の露光光線、すなわ
ち軟Ｘ線を使用するＸ線露光が有力な手段として考えら
れている。

Ｘ線露光マスク（以下、単にマスクと呼ぶ）（１）は従
来第１図に示すように、マスク補強枠２と、この枠２に
太鼓の皮のように張られた透明膜３と、この透明膜３に
金やタンタル等のＸ線吸収率の高い重金属で形成されて
、所定の回路パターンや位置合せマークとなるパターン
層４とで構成される。

透明膜３は露光に使用するＸ線に対して透過率が高いこ
とが必要とされるが、さらにマスクとパターンが転写さ
れる感光基板、すなわちウェハとの高精度な位置合せを
光学的に行なう場合には、位置合せ用の光線に対しても
良好な透過率を有することが必要である。さて、微細な
パターンを転写する場合、マスクに形成されたパターン
とウェハ上に形成されたパターンとを精度良く重ね合せ
ることが重要である。特にＸａ露光光は、一般に点光源
状のＸ線源を使用するため、マスクとウエハの間隔を′
ｎＩ密に調節することが重要である。゛第２図はそのよ
うなＸ線露光の原理を示す配置図である。マスク１上の
露光中心０からＲの距離にあるパターン５はＸ線源６か
らのＸ線７によシウエハ８上で露光中心Ｏ′からずれ量
Ｂだけ増えた距離（Ｒ十Ｂ　）だけ離れた位置に転写さ
れる。Ｘ線源４とマスク１の間隔をり、マスクエとウェ
ハ８の間隔（ギヤング）をＳとすると、ずれ量ＢはＢ−
Ｒ・Ｓ、！：なり、間隔Ｓが微小量ΔＳだけ変化すると
、ずれ−３ＢもΔＢだけ変化し、その変化量△Ｂは、Δ
Ｂ＝五ΔＳとなる。

ここでＤ＝２００ｍ、Ｒ−２０ｍ＋ｎ、ΔＳ＝２μｍ　
とするとΔＢ　＝　０．２μｍとなり微細なパターンの
転写時には無視で＠ない値である。

そこでマスク１とウェハ８の間隔を検出して、所定値に
なるように調整するために、スペーサを使用する方法、
容量型のギャップセンサーを使用する方法、光学的セン
サーを使用する方法等が考えられている。特に光学的な
センサーを用いた場合はミクロン単位の精密な間隔検出
が可能である。

このような光学的なセンサーの一例として、二重焦点顕
微鏡が提案されている。この二重焦点顕微鏡によるマス
ク１とウェハ８の間隔検出は、例えば可視光線をマスク
１、ウェハ８の各々に照射し、それぞれからの反射光を
二重焦点顕微鏡で観察し、反射光の結像位置産求めるこ
とによって行なわれる。また、第１図のような構造のマ
スクｌで、透明膜３を厚さ１μｍで形成すると波長４０
０〜９００ナノメータ（ｎｍ）の範囲の光に対して最高
９９％に達する透過率を実現することが可能である。

しかし透明膜３が薄いため、その膜の２面（両面）の間
で反射による干渉を生じ透過率の高い波長では反射率が
１％以下となってしまう現象が生じる。

一般に反射率が小さくなる波長λ（ｎｍ）ｔｉ透明膜３
の屈折率をＮ、厚さをｔ（ｎｍ）とするとＮｔ λ”’−（ｍ＝　１．２．３・・・・・・）となる。

上式かられかるように、反射率が小さくなる波長はｍの
値に応じて周期的に生じるが、裏際には透明膜３の屈折
率Ｎと厚さｔの制御が難かしく、ある一定の波長に対す
るマスクエの反射率および透過率は大きく変動すること
になシ、間隔検出が不安定になると伝う欠点もあった。

間隔調整が高精度に行なわれないことによって、先に説
明した通り転写時のパターンの位置合せ（重ね合せ）精
度が低下するばかりでなく、ウェハ８上に転写されるＸ
線パターン像の寸法（倍率）精度も低下し、微細なパタ
ーンの重ね焼きが事実上行なえないという重大な問題が
生じてしまう。

（発明の目的） 本発明は上記のような欠点を解決し、高精度の重ね合せ
転写を容易に達成し得るＸ線露光マスクを提供すること
を目的とする。

（発明の概要） 本発明は、Ｘ線露光マスクの構造において、露光のため
のＸ線と、感光基板との相対的な位置を検出するための
光線とに対して透明な透明膜と、この透明膜にＸ線を遮
断する材料で形成されたパターン層と、透明膜の少なく
とも光線の照射を受ける領域に形成されて、光線に対し
て所定の反射率と透過率とを有する光反射性薄膜とを設
けることを技術的要点としている。

（実施例） 第３図は本発明の第１の実施例によるＸ線露光マスク１
′の模式的な断面図である。

このマスク１′は第１図のマスクと同様にマスク補強枠
としてのシリコン基板２、透明膜としてのシリコン窒化
膜３、及び金（Ａｕ）等の重金属によるパターン層４を
有すると共に、シリコン窒化膜３のパターン層４側の面
に形成されて、マスクとウェハの間隔検出のための光線
に対して所定の反射率と透過率とを持った金属薄膜（光
反射性薄膜）３ａを有する。このマスク１′は、厚さ数
百ミクロン（μｍ）のシリコン基板２の両表面に数千オ
ングストローム凶すいし数ミクロン（μｒｒＬ）の厚さ
のシリコン窒化膜３，３′をフリダマＣＶＤ法又は減圧
ＣＶＤ法により形成し、シリコン窒化膜３の表面にＰＪ
′ｒ望の回路パターンや位置合せ用のマークとなるパタ
ーン層４を形成した後、シリコン基板２のパターン層４
に対応する所定領域をシリコン窒化膜３′を保護膜とし
て、シリコン窒化膜３が露出するまで蝕刻除去、いわゆ
るバックエツチングすることによって得られる。このシ
リコン窒化膜３は従来報告されている他の透明膜に比べ
て、Ｘ線及び可視光に対する透過率が太きいだけでなく
、￥回度、表面の平滑性、熱膨張率、耐薬品性、耐湿性
、及び寸法安定性等の点でも優れている。また金属薄膜
３ａはチタン（Ｔｉ入入口ロムＣｒ）、ニッケル（Ｎｉ
）、タンタル（’ｌ’ａ入タングステン（ト）、あるい
はモリブデン（ＭＯ）等のいずれかの金属を、スパッタ
リング法、又は真空蒸着法等によｐシリコン窒化膜３と
パターン層４の表面に数十オングストローム（Ａ）の厚
さに堆積したものである。この金属薄膜３ａは間隔検出
のための光線（可視光）に対して数％ないし十数チ程度
の反射率を有するとともに、数十チ以上の透過率を有し
、Ｘ線に対する透過率も大きい。尚、第３図において、
矢印ｌはｘ緘又は間隔検出、位置ずれ検出の光線の入射
方向を示す。光線を矢印ｌのように照射すると、その光
線はシリコン窒化膜３の表面と金属薄膜３ａの表面とで
反射される。例えばシリコン窒化膜３の屈折率を１．８
とすると、シリコン窒化膜３の表面での反射率は約８％
になる。そして金属薄膜３ａの表面での反射率を約２０
チとし、簡略化のためシリコン窄化膜３内での吸収を無
視すると、総合的な反射率は約９〜２５％になる。−例
として本発明者は、シリコン窒化膜３の厚さを約１ミク
ロン（μｍ）にし、金属薄膜３ａを厚さ約５０オングス
トローム（５）のチタン（Ｔｉ）で構成したマスクを製
作し実験したところ、波長７８０ナノメータ（ｎｍ）の
光線に対して反射率が約１６％、透過率が約７０　％に
なることを確認している。

さて、第４図は第３図に示したマスク１′を使用するの
に適した光学的センサーの一例を示す光学配置図である
。また第５図はマスク１′に形成されたパターン層４中
のマーク１６と、ウェハ８上に形成されたマーク１７と
、位置ずれや間隔の検出のための光線によるスポット光
との位置関係を示す平面図である。半導体レーザ光源９
からのレーザ光はシリントールレンズを含むレンズ系１
０によ−って平行光束に整形され、振動ミラー１１に入
射する。

振動ミラー１１で反射されたレーザ光はレンズ系１２を
通り、二重焦点対物レンズ１３に入射する。二重焦点対
物レンズ１３は偏光方向により異なった屈折率を持つ方
解石などの光学素子を利用したもので、入射したレーザ
光を光軸方向に所定間隔Ｓだけ離れた２つの結像面にそ
れぞれスポット光１４　、１５として結像する。スポッ
ト光１４　、１５は結像面上では２次元的な位置ずれが
なく形成され、両スポント光を形成するレーザ光の偏光
方向は互いに異なっている。また両スポット光１４　、
１５は第５図に示すように、レンズ系１０内のシリンド
リカルレンズの働きで細長い隋円形に整形されると共に
、振動ミラー１１によって、第５図中の矢印Ａで示す範
囲を、スポット光の長手方向と直交する方向に振動走査
する。一方、第３図に示したマスク１′に設けられたマ
ーク１６は第５図に示すようにスポット光１４゜１５の
長手方向に一致した方向に複数の微小線要素を規則的に
配列した回折格子状のパターンであり、ウェハ８に設け
られたマーク１７はマーク１６と同様な回折格子状のパ
ターンである。尚、マーク１６はスポット光１４　、１
５の長手方向に２つに分割されて設けられ、マーク１６
と１７が一直線に並んだときマスク５′とウェハ８のス
ポット光の走査方向における位置合せが達成されたこと
になる。また、マスク１′のパターン層４中でマーク１
６の周辺の所定領域内には重金属の形成が祭止された透
明窓部３５が設けられる。この透明窓部３５はスポット
光１４．１５０走査距離と長手方向の長さとによって決
まる領域よりも大きく定められている。

さて、そのスポット光１４，１５がマーク１６　、１７
と重なると、各マークからは散乱反射光（回折光）が生
じる。その回折光は第４図に示した二重焦点対物レンズ
１３．ハーフミラ−３０、３１を介して回折光検出ユニ
ット１８に入射する。また、マスク１′とウェハ８から
の正反射光は二重焦点対物レンズ１３、ハーフミラ−３
０、３１を介して正反射光検出ユニット１９に入射する
。回折光検出ユニット１８内には、集光レンズ囚で集光
された回折光と正反射光のうち、正反射光を遮断する空
間フィルター２１が、゛スポット光１４　、１５の結像
位置と略共役な位置に配置されている。偏光ビームスプ
リッタ２５はマスク１′（マーク１６）からの回折光と
ウェハ８（マーク１７）からの回折光とを偏光方向によ
シ分離する。分離された回折光はそれぞれ集光レンズ２
２によって受光素子２３と２４とに集光される。受光素
子２３　、２４は受光した回折光の強度に応じた光電信
号を出力する。そして、受光素子２３．２４がスポット
光１４゜１５の歩金に対して同時に光電信号を出力した
とき、マスク１′とウェハ８の走査方向の位置合せが完
了したことになる。一方、正反射光検出ユニット１９内
には、正反射光を結像するレンズ２６と、マスク１′か
らの正反射光とウェハ８からの正反射光とを偏光方向に
より分離する偏光ビームスプリンタ２７と、分離された
各正反射光を受光する一次元フオドアレイ２８　、２９
とが設けられている。−次元フオドアレイ部、２９はス
ポット光１４　、１５と共役な位置に配置され、フォト
アレイ測はマスク１′の透明窓部３５中におけるスポッ
ト光１４の結像状態を検出し、フォトアレイ２９はウェ
ハ８におけるスポット光１５の結像状態を検出する。よ
ってスポット光１４　、１５のフォトアレイ２８　、２
９上での結像状態が各々最もシャープになった時、スポ
ット光１４　、１５の結像面が各々マスク１′とウェハ
８に一致し、マスク１′とウェハ８が所定の間隔Ｓに設
定されたと判断する。

この間隔の検出はスポット光１４　、１５が第５図のよ
うに透明窓部３５内の左端、又は右端に位置したとき行
なわれる。

ところで、マスク１′の透明窓部３５内にもマーク１６
を除いてレーザ光に対して所定の反射率と透過率とを有
するように金属薄膜３ａが形成されているので、マスク
１′からの正反射光はＳ／Ｎよくフォトアレイ四に受光
される。このため、スポット光１４によるマスク１′の
光軸方向の位置ずれが精度よく検出され、マスク１′と
ウェハ８とは精密に間隔Ｓに設定される。

以上のようなスポット光を使用した光電的センサーの場
合、マスク１′とウェハ８の間隔検出の感度を向上させ
るには、スポット光１４　、１５のサイズを小さくする
ことが望ましいが、それよりも妥スク１′の透明窓部３
５内からの正反射光が大幅に強度変動することなく生じ
ることが必要である。

本実施例のマスク１′においては、シリコン窒化膜３自
体にネ射率、透過率の大幅な変動があっても、金属薄膜
３ａ　を形成したことにより、総合的な反射率、透過率
はある一定の幅の値に制御されたことになる。このため
特に、フォトアレイ２８による信号処理系の負担が低減
し、例えば微弱な正反射光でも検出可能なように感度（
アンプの増幅率等）を設定してしまい、正反射光が強く
なったときに飽和して検出不能を起したり、逆に正反射
光が強い状態で感度を設定してしまい、正反射光が微弱
になったと！Ｓ／Ｎ比が悪化して必要な精度が得られな
い等の問題点が解消され、光電的センサーの製造、調整
が容易になるという利点もある。

さて第６図は本発明の第２の実施例によるマスク１′を
示す萌面図である。第１の実施例によるマスク１′では
金属薄膜３ａ　をシリコン窒化膜３のパターン層４側の
面（パターン面）に堆積したが、第６図のマスク１′で
はシリコン窒化膜３のパターン／＃４と反対側の面、す
なわちパターン面の裏側に金属薄膜３ａを形成したもの
である。

このようにシリコン窒化膜３の光線入射側の面に金属薄
膜３ａを設けても、第１の実施例と同様にマスク１′と
ウェハ８との間隔検出は極めて安定して行なえるという
効果がある。ただし、金属薄膜３ａ　とパターン層４と
はシリコン窒化膜３の厚さ分だけ離れているので、実際
の間隔設定にあたっては、スポット光１４の金属薄膜３
ａ上での結像状態が最もシャープになったときのマスク
１′の光軸方向の位置から、マスク１′をシリコン窒化
膜３の厚さ分だけ上方（ウェハ８から離れる方向）に設
定すればよい。

上記各実施例のマスク１′において金属薄膜３ａはシリ
コン窒化膜３の表面全てに形成したが、第５図に示した
透明窓部３５内のみに形成してもよい。

このようにすれば、本来Ｘ線に対して透明であるべき部
分、例えば回路パターンの部分に金属薄膜３ａ７！＋′
−ないから、金Ｍ４薄ｍ３ａによるＸ線の減衰がなく、
結党時間を長くすることがないという利点がある。

舊た上記各実施例においては金属薄膜３ａをシリコン窒
化膜３０表面に堆積したが、透明薄膜と透明薄膜との間
に金属薄膜３ａを形成した積層構造としても同様の効果
が得られる。

ところで、ウェハ８の表面（感光剤の表面、やその下地
面）の反射率は半導体装置の製造プロセスによって犬さ
く変化する。そこで実施例に示したマスク１′を用いた
場合、金属薄膜３ａからの正反射光が光電的センサーの
フォトアレイ２８にとって所定の光強度以上になるよう
に反射率を調整するとともに、ウェハ８からの正反射光
が光電的センサーのフォトアレイ２９にとって太きすぎ
ず、又小さすぎないように調整することができる。例え
ば第３図に示したマスク１′の場合、金属薄膜３ａを設
けた部分の反射率をＭｒ、透過率をＭｃとし、ウェハ８
の表面の反射率をｗｒ　とすると、マスク１′からの正
反射光と、ウェハ８からの正反射光とがほぼ同程度にな
る条件は、式（１） ％式％（１） によって表わされる。具体的に説明すると、露光すべき
ウェハ８の表面の反射率ｗｒがわかっていれば、式（１
）の条件をできるだけ満足するように金属薄膜３ａの厚
さやその材料を制御することによって、フォトアレイ四
、２９の受光強度が揃い、信号処理回路の調整が簡単に
なるという利点がある。

いずれにしろ、反射率Ｍｒを透過率Ｍｃよりも小さく定
めることによって、マスク１′からの正反射光とウェハ
８からの正反射光とは大幅に変動して発生することがな
いので、安定した間隔検出が可能になる。また上記実施
例では光反射性薄膜としてＴｉ　等の単体の金属薄膜を
用いたが、これに限らず合金やＳ　ｉ　、Ｇｅ　、Ｇａ
Ａｓ　等の半導体、あるい　・はＳｉ　と金属との化合
物であるシリサイド等を、所定の反射率と透過率をもつ
ように薄膜として形成してもよい。

筒、上記各朶施例においてマスクの透明膜は窒化シリコ
ンとしたが、Ｘ線とその他の光線（可視光）に対して透
過率が大きく反射率が小さい材料、例えば酸化シリコン
、窒化ホウ累等の無機材料による膜や、ポリイミド、マ
イラー等の有機材料による単一膜、あるいは複合膜とし
ても全く同様の効果が得られる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、透明膜の厚さや屈折率の
変動によって、透明膜自体の反射率、透過率に変動があ
っても、光反射性薄膜（金属薄膜）を形成することによ
って、反射率が大きく、変動幅が小さなＸ線露光マスク
が得られる。このため、マスクと感光基板（ウェハ）と
の相対的な位置（間隔）を光学的に検出する際、必要か
つ十分な光強度が安定して得られるので、正確な位置合
せが可能となり、精密な重ね合せ転写が再現性よく達成
されるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＸ線露光マスクの断面図、第２図はＸ線
露光の原理を説明する配置図、第３図は本発明の第１の
実施例によるＸ線露光マスクの断面図、第４図は光学的
センサーの光学配置図、第５図はマスクやウェハ上のマ
ークとスポット光との位置関係を示す平面図、第６図は
本発明の第２の実施例によるｘｍｇ光マスクの断面図で
ある。 〔主要部分の符号の説明〕 ｌ、１′・・・Ｘ線露光マスク、　２・・・シリコン基
板（マスク補強枠）、３・・・シリコン窒化膜、４・・
・パターン層、３ａ・・・金属薄膜（光反射性薄膜）出
願人　日本光学工業株式会社 代理人　渡　辺　隆　男

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 露光のためのＸ線を透過すると共に、該Ｘ線に感光する
   感光基板との相対的な位置を検出するための光線を透過
   する透明膜と；該透明膜に前記Ｘ線を遮断する材料で形
   成された所定のパターン層と；前記透明膜の少なくとも
   前記光線の照射を受ける領域に形成されると共に、前記
   光線に対して所定の反射率と透過率とを有する光反射性
   薄膜とを備えたことを特徴とするＸ線露光マスク。