JP2004207593A - 極限紫外線露光用マスク及びブランク並びにパターン転写方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＵＶ露光による転写解像性を向上するために、従来のエキシマレーザ露光等で用いられているハーフトーンマスクの原理を、反射光学系を用いたＥＵＶ露光においても適用可能とするＥＵＶ露光用マスク、およびそれを作製するためのブランク並びにそのマスクを用いたパターン形成方法を提供する。
【解決手段】基板３上に、露光光の高反射領域となる多層膜２が形成され、前記多層膜上に低反射領域となる薄膜のパターン１が形成された極限紫外線露光用マスクにおいて、前記低反射領域である薄膜が２層膜からなり、該２層膜は、露光波長において、前記多層膜に対する反射率が５乃至２０％であり、２層膜からの反射光と多層膜からの反射光との位相差が１７５乃至１８５度であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセス中の、極限紫外線露光を用いたフォトリソグラフィ工程で使用される、極限紫外線露光用マスク、及びそのマスクを作製するためのブランク、並びにそのマスクを用いたパターン転写方法に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】
半導体集積回路の微細化技術は常に進歩しており、微細化のためのフォトリソグラフィ技術に使用される光の波長は次第に短くなってきている。また、光の短波長化とは別にＩＢＭのLevensonらによって位相シフトマスクを利用した解像度向上技術が提唱され、公知となっている（特許文献１や、原理では特許文献２に記載されている）。位相シフトマスクでは、マスクパターンの透過部を、隣接する透過部とは異なる物質若しくは形状とすることにより、それらを透過した光に１８０度の位相差を与えている。従って両透過部の間の領域では、１８０度位相の異なる透過回折光同士が打ち消し合い、光強度が極めて小さくなって、マスクコントラストが向上し、結果的に転写時の焦点深度が拡大するとともに転写精度が向上する。尚、位相差は原理上１８０度が最良であるが、実質１７５〜１８５度程度であれば解像度向上効果は得られる。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭58-173744号公報
【特許文献２】
特公昭62-50811号公報
【０００４】
位相シフトマスクの一種であるハーフトーン型は、マスクパターンを構成する材料として光吸収性の薄膜を用い、透過率を数％程度（通常５〜２０％程度）まで減衰させつつ、通常の基板透過光と１８０度の位相差を与えることで、パターンエッジ部の解像度を向上させる位相シフトマスクである。光源としては、現状、これまで使用されて来たＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）からＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）に切り替わりつつあり、さらにその次にはＦ２エキシマレーザ（波長１５７ｎｍ）の使用が提案され、開発が行われている。
【０００５】
しかしながら、Ｆ２エキシマレーザをもってしても、将来的な５０ｎｍ以下の線幅を有するデバイスを作製するためのリソグラフィ技術として適用するには、露光機やレジストの課題もあり、容易ではない。このため、エキシマレーザ光より波長が一桁以上短い（１０〜１５ｎｍ）極限紫外線（Extreme UV、以下ＥＵＶと略記)を用いた、ＥＵＶリソグラフィの研究開発が進められている。
【０００６】
ＥＵＶ露光では、上述のように波長が短いため、物質の屈折率がほとんど真空の値に近く、材料間の光吸収の差も小さい。このため、ＥＵＶ領域では従来の透過型の屈折光学系が組めず、反射光学系となり、従ってマスクも反射型マスクとなる。これまで開発されてきた一般的なＥＵＶマスクは、Ｓｉウェハーやガラス基板上に、例えばＭｏとＳｉからなる２層膜を４０層ほど積層した多層膜部分を高反射領域とし、その上に低反射領域（吸収領域）として金属膜のパターンを形成した構造であった。しかし、もともとＥＵＶ露光は、光学系のＮＡ（開口数）が小さいうえに、反射型マスク特有の課題として、表面凹凸の影響を受けやすい、などの理由により、目標とする微細な線幅を解像することは容易ではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、ＥＵＶ露光による転写解像性を向上するために、従来のエキシマレーザ露光等で用いられているハーフトーンマスクの原理を、反射光学系を用いたＥＵＶ露光においても適用可能とするＥＵＶ露光用マスク、およびそれを作製するためのブランク並びにそのマスクを用いたパターン形成方法を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、請求項１の発明は、基板上に、露光光の高反射領域となる多層膜が形成され、前記多層膜上に低反射領域となる薄膜のパターンが形成された極限紫外線露光用マスクにおいて、前記低反射領域である薄膜が２層膜からなり、該２層膜は、露光波長において、前記多層膜に対する反射率が５乃至２０％であり、２層膜からの反射光と多層膜からの反射光との位相差が１７５乃至１８５度であることを特徴とする極限紫外線露光用マスクとしたものである。
【０００９】
本発明の請求項２の発明は、前記２層膜は、露光波長に対する消衰係数が０．０１以上の薄膜と、０．０１以下の薄膜からなることを特徴とする請求項１記載の極限紫外線露光用マスクとしたものである。
【００１０】
本発明の請求項３の発明は、前記２層膜の材料は、ＲｕとＴａ、ＭｏとＣｒ、ＲｕとＣｒ、ＭｏとＴａのいずかの組み合せであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の極限紫外線露光用マスクとしたものである。
【００１１】
本発明の請求項４の発明は、請求項１〜３いずれか１項に記載の極限紫外線露光用マスクを、前記２層膜のパターニングにより作製するための、基板上に、露光光の高反射領域となる前記多層膜が形成され、前記多層膜上の全面に低反射領域となる前記２層膜が形成された極限紫外線露光用マスクブランクとしたものである。
【００１２】
本発明の請求項５の発明は、請求項１〜３いずれか１項に記載の極限紫外線露光用マスクを露光装置に設置し、前記マスクを用いたリソグラフィ法による露光転写を行ない、パターン形成を行なうことを特徴とするパターン転写方法としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を用いて説明する。図１（ａ）は本発明のＥＵＶ露光用マスクの実施形態の例を断面で示した説明図である。基板３上に、露光光の高反射領域となる多層膜２が形成され、前記多層膜２上に低反射領域となる薄膜のパターン１が形成されている。この薄膜は２層膜からなり、露光波長において、多層膜に対する２層膜の反射率が５乃至２０％、２層膜からの反射光と多層膜からの反射光との位相差が１７５乃至１８５度となっている。
２層膜の反射率は、多層膜に対する反射率であり、多層膜からの反射光をＲｍとし、２層膜からの反射光をＲ２とすれば、Ｒ２／Ｒｍ×１００（％）となる。以下、反射率は全て多層膜に対する反射率を意味する。
図１（ｂ）は本発明の極限紫外線露光用マスクブランクの実施形態の例を断面で示した説明図である。基板３上に、露光光の高反射領域となる多層膜２が形成され、多層膜２上の全面に低反射領域となる２層膜１‘が形成されている。図１（ｂ）のブランクをパターニングすることにより図１（ａ）のマスクが得られる。
【００１４】
本願発明のマスクの上方より極限紫外線を露光し、その反射光をウェハー上に照射するのであるが、このときの転写解像性の向上について以下に説明する。
従来のエキシマレーザ用のハーフトーンマスクでは、露光波長である紫外線に対して、ハーフトーン膜の透過率が一般的には５から２０％、同じく反射率は２５％以下という分光学的条件を満足することが望ましい。この理由として、まず露光波長でのハーフトーン膜の透過率が低すぎる（５％以下）と、隣接した透過パターン部を透過した光の回折光が重なり合ったとき、打ち消しあい効果が小さくなる。逆に透過率が高すぎる（２０％以上）場合は、露光条件によってはレジストの解像限界を越えてしまい、ハーフトーン膜を光が透過した領域に余分なパターンが出来てしまうからである。また、反射率が高い（２５％以上）と、投影露光を行う際にマスクとウェハーとの間の多重反射によって転写精度が劣化することがある。
【００１５】
ＥＵＶマスクのような反射型マスクにおいても、位相シフト効果による解像度向上の原理は同じであるので、上記の「透過率」が「反射率」に置き換わるだけで、その適正値はほとんど同じである。すなわち高反射領域に対する低反射領域の反射率は５〜２０％であることが望ましい。
【００１６】
ハーフトーンマスクの条件は、上記の透過率（反射率）とともに、実質１７５〜１８５の位相差をもつことである。従来のエキシマレーザ用ハーフトーンマスクは透過型であるので、５〜２０％の透過率と１７５〜１８５度の位相差を同時に持たせることは比較的容易である。しかし、ＥＵＶマスクにおいては、前述したように（段落番号０００６）、ＥＵＶ波長（１０〜１５ｎｍ）での屈折率、光吸収の特異性に起因して、目標である反射率と位相差を同時に持つハーフトーンマスクを作製することは容易ではない。
【００１７】
本発明では理論的計算と考察により、目標とする反射率（５〜２０％）と位相差（１７５〜１８５度）を両立させたＥＵＶ露光用ハーフトーンマスクを作製するための材料的な条件を見出した。以下、実施例に従って説明する。
【００１８】
＜実施例１＞
図２は、本発明の第１の実施例の、反射率と位相差を示した説明図である。この例では、薄膜の上層がＲｕ、下層がＴａである。図の横軸がＲｕ膜厚、縦軸がＴａ膜厚をÅ単位で表している。ａの線は、反射率が８％となる条件を満足する。ｂの線は、薄膜からの反射光（薄膜内の多重反射を総計した）と、多層膜からの反射光との位相差が１８０度となる条件を満足する。従って、両線の交点の膜厚で２層膜を作製すれば反射率８％、位相差１８０度のＥＵＶハーフトーンマスクが得られる。尚、波長１３ｎｍ（典型的なＥＵＶ露光の波長）における屈折率ｎ，消衰係数ｋは表１の通りであった（消衰係数ｋは材料の光吸収の指標となる特性値である）。
【００１９】
【表１】

【００２０】
図３は、本実施例の反射率と位相差をＲｕの膜厚に対して示した図である。この場合、図２の交点からＴａ膜厚を２８０Åとしている。図から位相差が１７５〜１８５度となるＲｕの膜厚は、４１０〜４５０Å、そのときの反射率は、６．９〜８．８％となる。このような２層膜の低反射領域（位相シフター）を設けることによって反射率、位相差の適正なＥＵＶ露光用ハーフトーンマスクが作製できる。
【００２１】
＜実施例２＞
次に第２の実施例について説明する。この例では、薄膜の上層がＭｏ、下層がＣｒである。波長１３ｎｍ（典型的なＥＵＶ露光の波長）における屈折率ｎ，消衰係数ｋは表２の通りである。
【００２２】
【表２】

【００２３】
図４は、本実施例の反射率と位相差をＭｏの膜厚に対して示した図である。この場合、Ｃｒの膜厚を３４０Åとしてある。図から位相差が１７５〜１８５度となるＭｏの膜厚は、４１０〜４７０Å、そのときの反射率は、６．９〜８．５％となる。このような２層膜の位相シフターを設けることによって、反射率、位相差の適正なＥＵＶ露光用ハーフトーンマスクが作製できる。
【００２４】
＜比較例１＞
以上のような２層膜の実施の形態の例に対して、これを単層とした場合について反射率と位相差を検討する。
１）消衰係数ｋ＞０．０１の膜の膜厚ｖｓ．反射率、位相差
【００２５】
▲１▼Ｔａの場合
図５は、図１の薄膜としてＴａ単体を利用した膜のマスクについて、反射率（図ａ）と位相差（図ｂ）を膜厚に対して示した図である。図ｂから位相差が１８０度となる膜厚を求め、図ａより反射率を求めると、２％に達せず、良好な位相シフター用薄膜として利用できない。
【００２６】
▲２▼Ｃｒの場合
図６は、Ｃｒ単体の場合で、反射率（図ａ）と位相差（図ｂ）を膜厚に対して示した図である。図ｂから位相差が１８０度となる膜厚をもとめ、図ａより反射率を求めると、４％に達せず、同様に良好な位相シフターとして利用できない。このようにｋ＞０．０１の単層膜では位相差１８０度のとき、ハーフトーンマスクの位相シフターとして利用するには、適正な反射率領域（５〜２０％）よりも低すぎる。
【００２７】
＜比較例２＞
１）消衰係数ｋ＜０．０１の膜の膜厚ｖｓ．反射率、位相差
【００２８】
▲１▼Ｒｕの場合
図７は、図１の薄膜としてＲｕ単体を利用した膜のマスクについて、反射率（図ａ）と位相差（図ｂ）を膜厚に対して示した図である。図ｂから位相差が１８０度となる膜厚を求め、図ａより反射率を求めると、４０％を超える値となり、良好な位相シフターとして利用できない。
【００２９】
▲２▼Ｍｏの場合
図８は、Ｍｏ単体の場合で、反射率（図ａ）と位相差（図ｂ）を膜厚に対して示した図である。図ｂから位相差が１８０度となる膜厚を求め、図ａより反射率を求めると、５５％を超える値となり、同様に良好な位相シフターとして利用できない。
このようにｋ＜０．０１の単層膜では位相差１８０度のとき、ハーフトーンマスクとして適正な反射率領域（５〜２０％）よりも高すぎる。
ゆえにｋ＞０．０１の膜とｋ＜０．０１の膜を組み合わせるのがよい。前述の実施例１、２は、これを満足するものである。
【００３０】
なお、その他にこれを満足する２層膜として、ＲｕとＣｒ、ＭｏとＴａのいずかの組み合せの膜が好ましく利用できる。
さらに、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａの酸化物または窒化物を好ましく利用できる。これらの酸化物や窒化物は上記条件ｋ＜０．０１を、さらに満たしやすいものである。すなわち、請求項３に記載の２層膜の内１層が、酸化物または窒化物であるものもＥＵＶマスクに利用できる。
【００３１】
本発明のＥＵＶマスクは、従来どおりのマスク作製プロセスに準拠して作製できる。すなわち、Ｓｉウェハーやガラス基板上に、例えばＭｏとＳｉからなる多層膜を、通常のマグネトロンスパッタリング法やイオンビームスパッタリング法などにより、４０層ほど積層して高反射領域とする。その上に低反射（吸収）領域として、通常のマグネトロンスパッタリング法などにより２層膜（位相シフター）を作製し、本発明のＥＵＶハーフトーンマスク用ブランクが完成する。以下、通常のマスク作製プロセスに従って、２層膜のパターニングを行い、本発明のＥＵＶハーフトーンマスクを作製する。すなわち、前記ブランク上に電子線レジストを塗布し、ベーキングを行った後、通常の電子線描画を行い、現像してレジストパターンを形成する。その後、このレジストパターンをマスクにして、低反射用２層膜のドライエッチングを行った後、レジストを剥離して、本発明のハーフトーンマスクが完成する。尚、２層膜のうちの下層膜はドライエッチングや、パターン欠陥修正の際に、多層膜へのダメージを緩和する膜（バッファー膜）としての機能を持たせることもできる。
【００３２】
このように作製したＥＵＶ露光用ハーフトーンマスクは目標の透過率（５〜２０％）と位相差（１７５〜１８５度）を満たし、ＥＵＶ露光における転写精度の向上に有効である。
【００３３】
本発明によるフォトマスクを用いたパターン転写方法は、例えば、先ず被加工層を表面に形成した基板上にフォトレジスト層を設けたのち、本発明によるフォトマスクを介して反射した極限紫外線を選択的に照射する。
【００３４】
次いで、現像工程において不必要な部分のフォトレジスト層を除去し、基板上にエッチングレジスト層のパターンを形成させたのち、このエッチングレジスト層のパターンをマスクとして被加工層をエッチング処理し、次いで、エッチングレジスト層のパターンを除去することにより、フォトマスクパターンに忠実なパターンを基板上に転写する方法である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のＥＵＶ露光用マスクでは、以上のような構成、作用をもつから、従来のエキシマレーザ露光等で用いられているハーフトーンマスクの原理を、ＥＵＶ露光および反射光学系においても適用可能とし、ＥＵＶ露光とハーフトーン効果により転写解像性を向上したＥＵＶ露光用マスク及びブランク、並びにそれを用いた転写方法とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の極限紫外線露光用マスクの実施形態の例を断面で示した説明図である。
（ｂ）本発明の極限紫外線露光用マスクブランクの実施形態の例を断面で示した説明図である。
【図２】本願発明の第１の実施の形態例の反射率と位相差を示した説明図である。
【図３】本願発明の第１形態例の反射率と位相差をＲｕの膜厚に対して示した図である。
【図４】本願発明の第２の実施形態例の反射率と位相差をＭｏの膜厚に対して示した図である。
【図５】Ｔａ単体膜のマスクについて、反射率と位相差を膜厚に対して示した図である。
【図６】Ｃｒ単体膜のマスクについて、反射率と位相差を膜厚に対して示した図である。
【図７】Ｒｕ単体膜のマスクについて、反射率と位相差を膜厚に対して示した図である。
【図８】Ｍｏ単体膜のマスクについて、反射率と位相差を膜厚に対して示した図である。
【符号の説明】
１…低反射薄膜パターン
１‘…低反射薄膜
２…高反射多層膜
３…基板

Claims (5)

1. 基板上に、露光光の高反射領域となる多層膜が形成され、前記多層膜上に低反射領域となる薄膜のパターンが形成された極限紫外線露光用マスクにおいて、前記低反射領域である薄膜が２層膜からなり、該２層膜は、露光波長において、前記多層膜に対する反射率が５乃至２０％であり、２層膜からの反射光と多層膜からの反射光との位相差が１７５乃至１８５度であることを特徴とする極限紫外線露光用マスク。
2. 前記２層膜は、露光波長に対する消衰係数が０．０１以上の薄膜と、０．０１以下の薄膜からなることを特徴とする請求項１記載の極限紫外線露光用マスク。
3. 前記２層膜の材料は、ＲｕとＴａ、ＭｏとＣｒ、ＲｕとＣｒ、ＭｏとＴａのいずかの組み合せであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の極限紫外線露光用マスク。
4. 請求項１〜３いずれか１項に記載の極限紫外線露光用マスクを、前記２層膜のパターニングにより作製するための、基板上に、露光光の高反射領域となる前記多層膜が形成され、前記多層膜上の全面に低反射領域となる前記２層膜が形成された極限紫外線露光用マスクブランク。
5. 請求項１〜３いずれか１項に記載の極限紫外線露光用マスクを露光装置に設置し、前記マスクを用いたリソグラフィ法による露光転写を行ない、パターン形成を行なうことを特徴とするパターン転写方法。

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