JPH03266842A - 反射型ホトリソグラフィ方法、反射型ホトリソグラフィ装置および反射型ホトマスク - 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】 「概要］ 高分解能を実現することのできる反射形ホトリソグラフ
ィ方法、反射型ホトリソグラフィ装！および反射型ホト
マスクに間し、 物質の透過率によって制限を受けないホトリソグラフィ
方法を提供することを目的とし、光源から供給される露
光用の光を凹凸のパターンを有する反射型ホトマスクに
照射し、位相差のある反射光を形成する工程と、位相差
のある反射光を基板上のホトレジスト層に結像させる工
程と、ホトレジスト層を照射光強度に依存して現像する
工程とを含むように構成する。

［産業上の利用分野コ 本発明は、半導体産業等で用いられるリングラフィに関
し、特に高分解能を実現することのできる反射形ホトリ
ソグラフィ方法、反射型ホトリソグラフィ装置および反
射型ホトマスクに関する。

半導体産業においては、ＩＣの微細化に伴い、ますます
微細なパターンを形成することか要求されている。微細
なパターンを形成するためには、分解能を向上させるこ
とか必要である０分解能は、開口数に反比例し、波長に
比例する性質を有する。

開口数を増加することには制限があるため、使用する光
の波長を減少させることか期待される。しかし、波長を
短くすると、種々の制限が生じる。

［従来の技術］ 従来のホトリソグラフィにおいては、透過型レンズを用
い、透過型マスクをホトレジスト層上に転写することに
よってパターンを形成していた。

ところが、解像力を向上させようとして、短波長の光を
使用しようとすると、レンズ材料、マスクの基板材料に
制限を受けるようになる。すなわち、紫外光領域で波長
が次第に短くなると、物質の電子遷移領域が始まり、光
透過率が急激に低下する。

また、不純物や格子欠陥等により色中心等が発生する。

遠紫外領域においては、好適な光透過材料が入手できな
くなる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上説明したように、従来の透過型ホトリソグラフィに
よっては、透明物質の制約により約１８０ｎｍ以下の光
を用いたホトリソグラフィは実際上実現することができ
ず、ホトリソグラフィの解像限界は、約０．２〜０．２
５μｍになってしまう。

本発明の目的は、物質の透過率によって制限を受けない
ホトリソグラフィ方法を提供することである。

本発明の他の目的は、物質の光透過率によって制限を受
けないホトリソグラフィを実施する反射型ホトリソグラ
フィ装置を提供することである。

また、本発明の他の目的は、上述のホトリソグラフィに
用いる反射型ホトマスクを提供することである。

１課題を解決するための手段］ 第１図は本発明の原理説明図である０図中、１は反射型
ホトマスクであり、下面か反射面を形成する６反射面は
相対的に凹んだ第１の位相領域２と、相対的に突出した
第２の位相領域３を有する。

光源７から発した光は、照明用反射鏡６によって反射型
ホトマスク１上に照射される９反射型ホトマスク１の反
射面は、凹凸を有するので、凹凸に応じた位相差、たと
えばπラジアンの位相差のある反射光１２を形成する。

この位相差のある反射光１２は、結像用反射鏡５によっ
て反射、集光され、基板４上に形成されたホトレジスト
層８に結像する。なお、基板４は真空チャック等の支持
手段１３によって保持されている。

１作用］ 反射型ホトマスク１は、相対的に凹んだ第１の位相領域
２と相対的に突出した第２の位相領域３とを有するので
、反射光１２の同第１の位相領域２で反射された光は、
第２の位相領域３で反射された光よりも長い光路長を進
行しており、遅れた位相を有する。

第１の位相領域２と第２の位相領域３とで反射した光が
、πの位相差を持つと、第１図（Ｂ）の■の領域と■の
領域のように、反射光の振幅が逆相になる。なお、反射
型ホトマスク１の反射面に反射率の低い非反射領域かあ
る場合には、■の領域のように、反射光の振幅の絶対値
が小さくなる。

ホトレジスト層８が露光される際、ホトレジスト層８が
感じるのは、照射した反射光の強度である０反射光の強
度は反射光の振幅の二乗に比例するので、反射光の強度
分布は、第１図（Ｃ）に示すようになる。すなわち、逆
相領域■、■は、それぞれほぼ等しい光強度を示すが、
その境界においては、光強度かＯに低下する０位相差が
π以下であれば光強度は中間値まで低下する。このよう
に、位相の興なる光を、回折させ、互いに干渉させると
、光の振幅、位相に応じて反射光の強度を低減させるこ
とができる。同一振幅で逆相の光を干渉させれば、光強
度をＯに低下させることができる。また、反射光の振幅
自体が異なる場合には、振幅の差に応じて光強度に差が
生じる。

このように、凹凸を有する反射面を用いた反射型ホトマ
スクを利用することにより、結像面上に明暗パターンを
形成することができる。

［実施例］ ます、本発明の実施例による反射型ホトリソグラフィ方
法を説明する。第１図（Ａ）に示すように、光源７から
供給される露光用の光１１を凹凸のパターンを有する反
射型ホトマスク１に照射し、反射させることによって位
相差のある反射光１２を形成する。たとえば、はぼ垂直
入射の場合、約λ／４の高度差をもつ凹凸パターンを形
成すると、約λ／２（πラジアン）の位相差が生じる。

高度を何段階か設定し、Ｏ１π／２、π、３π／４等の
位相差を生じさせてもよい、相対的に凹んだ第１の位相
領域２と、相対的に突出した第２の位相領域３とか同一
の反射率を有する時は、第１の位相領域２から反射する
光と、第２の位相領域３から反射する光とは、同一の光
振幅を有する。このように、位相差を有する反射光１２
を結像用反射鏡５を用いて、半導体基板等の基板４上に
形成したホトレジスト層８上に結像させる０反射光１２
をホトレジスト層８上に結像する際に、隣接する第１の
位相領域２と第２の位相領域３とから反射した光は互い
に回折し、一部オーバラツプする。

これにより、光の干渉が生じ、光強度分布のパターンが
発生する。すなわち、反射光の振幅と位相により光強度
分布のパターンが形成される。このように、露光したホ
トレジスト層８を一定の露光レベルを開鎖として現像す
れば、白黒パターンを得ることかできる。たとえば、ポ
ジ型レジストを用いた場合、光強度かあるレベル以下に
低下した領域のみをパターンとして残すことかできる。

このような反射型ホトリソグラフィ方法を実施するのに
必要な反射型ホトリソグラフィ装置の基本構成要素は、
第１図（Ａ＞に示すように、光源７から供給される露光
用の光１１を反射型ホトマスク１上に照射するための照
明用反射！ｉ６と、凹凸パターンを有する反射型ホトマ
スク１と、反射型ホトマスク１から反射された反射光を
像面上に結像させるための結像用反射鏡５と、半導体ウ
ェハ等の基板４を支持するための真空チャック等の支持
手段１３である。

用いる光源としては、重水素ラングやエキシマレーザ、
特に波長１９３ｎｎのＡｒＦエキシマレーザや波長的１
５７ｎｍの弗素エキシマレーザ等を用いることができる
０反射鏡はたとえば鏡面に研磨したガラス基板にＡ１膜
を蒸着して形成できる０反射光学系は色収差がないので
単波長でない光を用いることもできる、たとえば波長の
１０％位の波長領域であれば有効な干渉を保持したまま
利用することができる。

以下、反射型ホトマスク１についてより詳細に説明する
。

第２図は反射型ホトマスクの第１の形態を示す。

第２図＜Ａ）は構成を示す０反射型ホトマスク１は上面
を反射面としている０反射面は、一定の平面上に配置さ
れた第１の位相領域２と第１の位相領域よりも約１／４
波長（λ／４）上に配置された第２の位相領域３を有す
る。第１の位相領域２と第２の位相領域３の高さが２約
λ／４異なるため光がほぼ垂直に入射し、反射すると、
第１の位相領域２で反射した光は、第２の位相領域３で
反射した光よりも（λ／４）Ｘ２＝（λ／２）だけ遅れ
ることになり、πの位相差が生じる。

第２図（Ｂ）は、第２図（Ａ）に示すような構成を有す
る反射型ホトマスクからの反射光を結像させた場合の反
射光強度の分布を示す、第１の位相領域２と第２の位相
領域３との境界においては、位相差πの光が混ざり合い
、結果として反射光強度がＯに低下する位１が生じる。

このようにして、振幅が等しく、位相が逆相の光を用い
ることによって、極めて細い黒パターン（光強度かない
、あるいは低い領域）を得ることかできる。このような
黒パターンはポジレジストを用いて現像すると、現像後
に残る領域である。

なお、反射型ホトマスク１の構成は、第３図（Ａ＞、（
Ｂ）に示すような構造とすればよい。

第３図（Ａ）の構成においては、使用する波長の光に対
して反射率の高い金属の基板１を用い、その一つの表面
を鏡面研磨して反射面１５を形成する。この反射面１５
をホトレジスト等で覆い、マスクパターンを形成した後
、エツチングによって約λ／４掘り下げ、その後マスク
パターンを除去する。このようにして凹凸を有する反射
面１５を形成することができる。なお、エッチした面と
エッチしなかった面の反射率を同等とするためには、エ
ッチされた面が鏡面となるように留意する。

第３図（Ｂ）の構成においては、基板として鏡面加工し
た石英基板を用い、石英基板に第３図（Ａ）の金属基板
の場合と同様のパターンを形成する。その後、パターン
を形成した面の上に反射率の高い金属の反射膜２０を蒸
着、メツキ等によって堆積し、反射面１５を形成する。

第４図（Ａ）、（Ｂ）は、反射型ホトマスクの第２の形
態を示す、第４図（Ａ）は、構成を断面で示す０反射型
ホトマスク１の反射面１５には幅の細い溝１６が形成さ
れている。湧１６の幅は、溝の両側端部１７に対応する
干渉による光強度変調か結像面上で互いに重なり合う範
囲内の、福である。より典型的には、両側端部１７に対
応する像面上の２つの黒パターンが重なり合って１つの
黒パターンとしてしか認められない幅である。従って、
溝１６の底面で反射した光が結像する領域においても、
光強度が強くなることがなく、清１６に対応する位置に
反射光強度の低い黒パターンが形成される。

第５図（Ａ）、（Ｂ）は、反射型ホトマスクの第３の形
態を示す、第５図（Ａ）はその構成を断面で示す６反射
型ホトマスク１の反射面１５は、幅の狭い突出部１８を
有する。この突出部１８の幅は、その両側端部１７に対
応する像面上の干渉パターンか互いに重なって分布する
範囲の幅である。すなわち、第４図（Ａ）の構成の溝部
１６に対応した領域が、第５図（Ａ）では突出部となっ
ている。このような構成を有する反射型ホトマスク１か
ら反射した反射光強度は、第５図（Ｂ）に示すようにな
る。すなわち、突出部１８に対応した部分に黒パターン
が形成される。

なお、第４図（Ａ）に示す構成と、第５図（Ａ）に示す
構成を組み合わせて用いることもできる。

すなわち、基準となる面から約λ／４凹んた渭と約１／
４波長した突出部とを有するパターンを構成してもよい
。

また、反射光がπの位相差を持つ場合について主に説明
してきたが、反射光がπの他、π／２や３π／４のよう
な他の位相差を有するように、溝部または突出部を構成
することもできる。このような中間の位相差は、特に第
２図に示すような位相差πの領域の境界で黒パターンを
形成する場合間いた図形を形成するのに有効である。

第６図（Ａ）、（Ｂ）は反射型ホトマスクの第４の形態
を示す、第６図（Ａ）において、反射型ホトマスク１の
基体は石英等の光を透過する材料で形成されている。基
体の一表面に凹凸パターンか形成され、反射面１５を形
成している。この反射面１５の表面上に反射膜２０か形
成されている。

反射面１５には幅の広い凹んだ領域２１かあり、この凹
んだ領域２１においては、その周辺部にのみ反射膜２０
か形成され、その他の領域では基体の表面か露出してい
る０周辺部の反射膜２０の幅は像面上で光強度の強い白
パターンを作らない幅に制限される。このような反射面
に光が入射すると、反射膜２０のある領域では光が強く
反射され、反射膜２０のない領域では光がほとんど反射
しない。

第６図（Ａ）の反射型ホトマスクからの反射光強度の分
布を第６図（Ｂ）に示す０幅の狭い清２２の部分におい
ては、清に対応して１つの領域で反射光強度が低下して
いる。また、面積の広い凹部２１においては、その周辺
部においては限られた幅の反射膜２０か形成されている
ため、逆相の反射光か干渉して、反射光強度は低下して
いる。

より内側の領域においては、反射膜２０か存在しないの
で、反射光自体が存在せず反射光強度は低いまま保たれ
る。

このように、ある程度以上幅の広い領域においては、反
射光自体か発生しないように非反射面を形成することに
より、幅の広い黒パターン（反射光強度の低いパターン
）を形成することかできる。

第７図（Ａ）、（Ｂ）は、反射型ホトマスクの第５の形
態を示す、第７図（Ａ）の構成において、反射型ホトマ
スク１の基体は、光を透過する材料で形成され、反射面
１５には凹凸パターンか形成され、その上に部分的に反
射膜２０が形成されている。第６図（Ａ＞の構成の、溝
に対応した部分か第７図（Ａ）においては突出部となっ
ている。

幅の広い領域２４ではその周辺部にのみ反射膜が形成さ
れ、中央部分は反射膜２０の存在しない非反射領域とな
っている。このような構成から反射される反射光強度の
分布を第７図（Ｂ）に示す。

すなわち、反射光強度は幅の狭い突出部２３に対応した
部分で黒パターンを形成し、また幅の広い領域２４にお
いては、先ず凹凸を有する境界部での反射光の干渉によ
って、反射光強度か低下している。更に内側の部分に進
むと、反射光自体が存在しなくなるので、反射光強度は
低いまま保たれている。すなわち、第６図（Ａ）の反射
型ホトマスクと、第７図（Ａ）の反射型ホトマスクはほ
ぼ同等の機能を果たす、なお、第６図（Ａ）の構成と、
第７図（Ａ）の構成を組み合わせて使用することかでき
ることも自明であろう。

なお、第６図（Ａ）、第７図（Ａ）の構成においては、
基体の表面を露出させることによって非反射面を形成し
ていた。しかしながら、透明材料の面であっても通常は
ある程度の反射率を有する。

透明材料の基体を露出する場合にも、若干の反射光か発
生する。この反射光をさらに低減するために、反射防止
膜を利用することができる。

第８図（Ａ）、（Ｂ）は、反射光の低減のため反射防止
膜を用いた構成を示す。

第８図（Ａ）においては、所望のパターンに対応して凹
部か形成されている。第８図（Ｂ）においては、所望の
パターンに対応して突出部か形成されている。凹部およ
び突出部の高さは、それぞれλ／４とすればよい、基板
２５は使用する光の波長において透明な材料で形成する
。この透明基板２５の上に厚さがλ／４に相当する反射
防止膜２６か形成されている６反射防止膜２６の材料は
、基板２５の屈折率と空気ないしは真空の屈折率の中間
の屈折率を有するものを選ぶ、好ましくは、透明基板２
５の屈折率の１層２乗の値に近いものを選ぶ、たとえば
石英基板の場合、ＭｇＦ２で反射防止膜２６を形成する
。なお、１層構成の代りに、３層、５層等の多層構成を
用いてもよい、これらの場合には、各層の屈折率はそれ
ぞれ反射光が最も低くなるように選択する６反射防止膜
２６の上に反射率の高い金属の反射膜２０が形成されて
いる。この反射膜２０は、幅の広い領域においては所定
幅の周辺部を残して工・ｙチングによって除去されてい
る。

第８図（Ａ）、（Ｂ）に示す反射型ホトマスクの機能は
、反射防止膜２６を露出する部分を除いて、第６図（Ａ
）、第７図（Ａ）の構成のものと同様である。

反射防止膜２６が露出している領域においては、基体２
５からの反射光と反射防止膜２６表面からの反射光とが
互いに相殺し、反射光が低減される。

半導体装置のパターンを形成する際の反射型ホトマスク
のパターンの例を以下に説明する。

第９図（Ａ＞、（Ｂ）、（Ｃ）は、コンタクトホールの
パターンを説明するための図である。第９図（Ａ＞は平
面図、第９図（Ｂ）は断面図を示す。

石英基板３３の表面に、矩形の突出部３１が形成されて
おり、この突出部３１およびその周辺部の所定幅の領域
を覆ってアルミニウムからなる反射膜３２が形成されて
いる。このようなパターンからの反射光を用いて、ホト
レジストを現像すると、第９図（Ｃ）に示すような現像
パターンが得られる。すなわち、アルミニウム反射膜３
２の突出した部分の中央部分に対応して強い反射光が得
られ、アルミニウム反射膜３２の突出部の周辺部からの
反射光と下のレベルの部分からの反射光は互いに干渉を
生じ、光強度が低下する。このため突出部３１の中央部
に対応して矩形の白パターン（反射光強度の強い領域）
３５が得られる。その周辺においては、反射光はあるか
干渉によって反射光強度が低下しており、黒パターン（
反射光強度の低い領域）となる、さらに外側の領域にお
いては、石英基板３３が直接露出しているため反射光強
度自体が低く、黒パターンとなる。

第１０図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、メタル配線のパタ
ーンを説明するための図である。

第１０図（Ａ）は平面図、第１０図（Ｂ）は断面図であ
る０石英基板３８の表面上には突出部３６が形成されて
いる。突出部３６の中央部分に矩形拡大部が形成され、
その中央部分においては、石英基板３８の表面が露出し
ている。その他の表面はアルミニウム膜３７によって覆
われている。

このような反射パターンにより形成される像を現像する
と、第１０図（Ｃ）に示すような現像パターンか得られ
る。すなわち、上と下の幅の狭いパターン３９ａ、３９
ｂにおいては、両側の低い面からの反射光と高い面から
の反射光が干渉し、光強度が低下して１本の黒パターン
が形成される。

また中央部の矩形拡大部においては、その周辺部におい
ては干渉により上下の幅の狭いパターンと同様の黒パタ
ーンが形成され、その中央部においては、石英基板３８
が露出しており反射光自体か低減しているため黒パター
ンとなる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したか、本発明はこ
れらに制限されるものではない、たとえば、本発明は特
に波長２００ｍｍ以下の遠紫外光を用いたホトリソグラ
フィにおいて有効であるが、より長い波長の光のホトリ
ソグラフィに用いることもできる。その他種々の変更、
改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろ
う。

「発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、光源からの光を
反射することのみによってホトレジスト上にパターンを
形成することかできるので、用いる材料の光透過率によ
って用いる光の波長か制限されることがなくなる。

このため、特に１８０ｎ１１以下の短波長の光を用いた
リングラフィの実現か容易となる。

０．２μｍ以下のパターンを光を用いて作成することも
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図であり、第１図（Ａ）は構
成を示す概略図、第１図（Ｂ）は反射光の振幅の分布を
示すグラフ、第１図（Ｃ）は反射光の強度の分布を示す
グラフ、 第２図は反射型ホトマスクの第１の形態を説明するため
の図であり、第２図（Ａ）は構成を示す断面図、第２図
（Ｂ）は反射光強度の分布を示すグラフ、 第３図は反射型ホトマスクの構造を説明するための図で
あり、第あ３図（Ａ）は金属基板の場合の断面図、第３
図（Ｂ）は石英基板の場合の断面図、 第４図は反射型ホトマスクの第２の形態を説明するため
の図であり、第３図（Ａ）は構成を示す断面図、第３図
（Ｂ）は反射光強度の分布を示すグラフ、 第５図は反射型ホトマスクの第３の形態を説明するため
の図であり、第５図＜Ａ）は構成を示す断面図、第５図
（Ｂ）は反射光強度の分布を示すグラフ、 第６図は反射型ホトマスクの第４の形態を説明するため
の図であり、第６図（Ａ）は構成を示す断面図、第６図
（Ｂ）は反射光強度の分布を示すグラフ、 第７図は反射型ホトマスクの第５の形態を説明するため
の図であり、第７図（Ａ）は構成を示す断面図、第７図
（Ｂ）は反射光強度の分布を示すグラフ、 第８図（Ａ＞、（Ｂ）は反射光の低減を行うための構成
を示す断面図、 第９図はコンタクトホールのパターンを説明するための
図であり、第９図（Ａ）は平面図、第９図（Ｂ）は断面
図、第９図（Ｃ）は現像パターンを示す平面図、 第１０図はメタル配線のパターンを説明するための図で
あり、第１０図（Ａ）は平面図、第１０図（Ｂ）は断面
図、第１０図（Ｃ）は現像パターンを示す平面図である
。 反射型ホトマスク 第１の位相領域 第２の位相領域 基板 結像用反射鏡 照明用反射鏡 （遠紫外）光源 ホトレジスト層 １ ２ ３ ５ ６ ７ ８ ２１、２４ ６ ３１、３６ ３２、３７ 露光用の光 位相差のある反射光 支持手段 反射面 溝部 両側端部 突出部 広い領域 反射防止膜 突出部 Ａ１膜 第１図 （Ａ）構成 （Ｂ）反射光強度 （Ｂ）石英基板 反射型ホトマスクの構造 第３図 （Ａ）構成 （Ｂ）反射光強度 （Ｂ）反射光強度 （Ｂ）反射光強度 （Ｂ）反射光強度 （Ａ） （Ｂ） ２６二反射防止膜 反射光の低減 第８図 ０ （Ａ）平面図 （Ｃ）現像パターン （Ｂ）断面図 コンタクトホールのパターン 第９図 ６ （Ａ）平面図 （Ｃ）現像パターン （Ｂ）断面図 メタル配線のパターン 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）、光源（７）から供給される露光用の光（１１）
   を凹凸のパターン（２、３）を有する反射型ホトマスク
   （１）に照射し、位相差のある反射光（１２）を形成す
   る工程と、 前記位相差のある反射光（１２）を基板（４）上のホト
   レジスト層（８）に結像させる工程と、前記ホトレジス
   ト層（８）を照射光強度に依存して現像する工程と を含むホトリソグラフィ方法。 （２）、光源（７）から供給される露光用の光（１１）
   を所定の面上に照射するための照射用反射鏡（６）と、 前記所定面上に配置され、凹凸のパターン （２、３）を有する反射型ホトマスク（１）と、前記反
   射型ホトマスク（１）から反射した位相差を有する反射
   光（１２）を所定の像面上に結像させるための結像用反
   射鏡（５）と、 ホトレジスト層（８）を形成した基板（４）を前記所定
   の像面に保持するための支持手段（１３）と を有する反射型ホトリソグラフィ装置。 ３）、基板の一面に光を反射する反射面を有する反射型
   ホトマスクであって、反射面が 相対的に凹んでいる第１の位相領域（２）と、相対的に
   突出している第２の位相領域（３）とを有する反射型ホ
   トマスク。 ４）、請求項３記載の反射型ホトマスクであって、前記
   第１の位相領域（２）と前記第２の位相領域（３）のう
   ちの少なくとも一方が、像面上で両端に対応する干渉パ
   ターンが分離されない幅の部分を有することを特徴とす
   る反射型ホトマスク。 ５）、請求項３ないし４記載の反射型ホトマスクであっ
   て、 前記第１の位相領域（２）と前記第２の位相領域（３）
   が高反射率を有し、前記反射面がさらに低反射率を有す
   る非反射領域を含むことを特徴とする反射型ホトマスク
   。 （６）、請求項５記載の反射型ホトマスクであって、前
   記基板が少なくとも一部光を透過する材料で形成され、
   さらに前記非反射領域で基板上に形成された反射防止膜
   を有することを特徴とする反射型ホトマスク。