JP2005257962A - 位相シフトマスク及び位相シフトマスクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 遮光パターンの倒れや剥れを発生させることなく、位相シフタである掘り込み溝を透過した露光光に依存して形成されるレジストパターンのライン幅Ｌ_１とその他の透明領域を透過した露光光に依存して形成されるレジストパターンのライン幅Ｌ_２との寸法差の違いを改善することを目的とする。
【構成】 露光光を透過する２つの領域を有し、一方の領域を透過する前記露光光の位相を反転させる凹部が他方の領域に形成された透明基板１と、複数の膜厚にて形成され、端部が前記凹部上にかからないように、前記透明基板上に形成された、前記露光光を遮光する遮光膜２とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位相シフトマスク、或いは位相シフトマスクの製造方法に関する。特に、光リソグラフィ装置に用いられる位相シフトマスクの構造と、その製造方法、および、露光方法に関するものである。

最近の半導体技術においては、半導体集積回路パターンの微細化が進み、回路素子や配線のデザインルールが１００ｎｍ以下のレベルになってきている。この場合に使用されるフォトリソグラフィにおいては、例えばＦ_２レーザー光（波長：１５７ｎｍ）などの短波長光を使用して、フォトマスク上の集積回路パターンを半導体ウエハ上に転写している。

図１１は、従来のフォトマスクとその光振幅、および、光強度分布について示す図である。
図１１（ａ）は、フォトマスクとしてのバイナリーマスク１０１の断面形状を示しており、透明基板１上に遮光膜２からなる遮光パターンが設けられている。図１１（ｂ）は、光強度振幅を示しており、図１１（ｃ）は、光強度分布を示している。図１１（ｂ）に示されるように、かかる形状のフォトマスクは、遮光領域において、光強度振幅が重なり合う。したがって、図１１（ｃ）に示されるように、遮光領域における光強度分布は増幅されてしまう。これは、隣接するパターンの回折光による影響であり、この影響により、光コントラストが悪くなり、解像度が悪くなる原因となる。そのため、露光光の波長以下のパターンサイズを加工することは非常に困難となる。

ここで、この限界を超えるひとつの手段として、位相シフト技術がある。
本手法は、透過領域の所定スペース部分をもう一方の透過領域のスペース部分とは異なる光路長にして、ウエハ上での光の位相を両パターン間で１８０度シフトさせることによって、ウエハ上での光コントラストを向上させ、従来のフォト露光装置を用いたレジスト解像度を大幅に改善する手法である。

図１２は、位相シフトマスクとその光振幅、および、光強度分布について示す図である。
図１２では、位相シフトマスクの断面形状を示しており、透明基板１上に遮光膜２からなる遮光パターンが設けられており、遮光パターンに隣り合った透過領域の一方は、透明基板１が掘り込まれ、凹部となった領域（位相シフタ３）になっている。この位相シフタ３領域を透過した露光光が、位相差１８０度を有するように、この掘り込み量ｄは、露光光の波長λと透明基板１の屈折率ｎに依存し、次式で表される。
掘り込み量ｄ＝λ／２（ｎ−１）

位相シフトマスク１００は、隣り合う露光光の透過領域において、お互いに位相が１８０度反転しているため、遮光領域における光強度分布は相殺し合い、光強度が０となる。したがって、遮光領域には、暗い領域が生じ、透明領域と遮光領域との光コントラストは向上する。このように、位相シフタ３を設けることにより、そこから出てくる露光光の位相が１８０度シフトし、遮光領域は、回折光による影響が打ち消され、光コントラストが向上し、解像度が向上する。このような位相シフトマスクを使用し、露光を行えば、レジスト解像度を向上することができるとされている。以上が、位相シフト技術により解像度が向上できる原理である（例えば、非特許文献１参照）。
また、本構造の位相シフトマスクについては、別途文献に開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、以下のような問題が発生する。
図１３は、図１２の位相シフトマスクを用いてウエハに転写されたパターンを説明するための概念図である。
実際、本構造の位相シフトマスク１００を用いて、基体２１０上に塗布されたネガ型レジスト膜２２０を備えたウエハ２００に露光した場合、図１３に示すように、位相シフタ３である掘り込み溝を透過した露光光に依存して形成されるレジスト膜２２０のライン幅Ｌ_１とその他の透明領域を透過した露光光に依存して形成されるレジスト膜２２０のライン幅Ｌ_２との寸法差が大きく違ってしまい、問題となる。そこで、最近では、ドライエッチングとウエットエッチングとの両工程を用いて掘り込み溝をサイドにも形成する構造が一般的である。

図１４は、ドライエッチングとウエットエッチングとの両工程を用いて掘り込み溝をサイドにも形成する構造である位相シフトマスクの断面構造を示す図である。
図１４に示す位相シフタ３の掘り込み溝をサイドにも形成する構造を使用することにより、位相シフタ３を透過した１８０度の位相を有する露光光に依存する加工寸法、すなわち、図１３におけるウエハ２００上のレジスト膜２２０のライン幅Ｌ_１と、その他の透明領域を透過した０度の位相を有する露光光に依存する加工寸法、すなわち、図１３におけるウエハ２００上のレジスト膜２２０のライン幅Ｌ_２との相違を調整することが可能とされている。

図１５は、図１４における位相シフトマスクとその光振幅、および、光強度分布について示す図である。
図１５（ａ）は、図１４における位相シフトマスクを示している。図１５（ｂ）は、光強度振幅を示しており、図１５（ｃ）は、光強度分布を示している。図１５（ｂ）に示すように、位相シフトマスク１００は、隣り合う透光領域において、お互いに位相が反転しているため、遮光領域における光強度分布は相殺し合い、図１５（ｃ）に示すように、光強度は０となる。

図１６は、図１４の位相シフトマスクを用いてウエハに転写されたパターンを説明するための概念図である。
本構造の位相シフトマスク１００を用いて、基体２１０上に塗布されたレジスト膜２２０を備えたウエハ２００に露光した場合、図１６に示すように、位相シフタ３である掘り込み溝を透過した露光光に依存して形成されるレジスト膜２２０のライン幅Ｌ_１とその他の透明領域を透過した露光光に依存して形成されるレジスト膜２２０のライン幅Ｌ_２との寸法差の違いが改善される。

その他、半透光膜（ハーフトーン膜）の上部に半透光膜より幅を小さくして遮光膜を設けた遮光領域つきハーフトーン型位相シフトマスクや、遮光膜の代わりにハーフトーン膜を備え、ハーフトーン膜の両側でそれぞれ隣り合う透光領域と位相差１８０度を有するように途中でハーフトーン膜の膜厚を変更させたハーフトーン型位相シフトマスクの技術等が文献に開示されている（例えば、特許文献３〜５参照）。
特開平２−１４０７４３号公報 特開平８−１９４３０３号公報 特開２００１−２２０４８号公報 特開２０００−２６７２５５号公報 特開２００３−１２１９８８号公報 "ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ Ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ"， Ｖｏｌ．ＥＤ−２９， Ｎｏ．１２， ＤＥＣＥＭＢＥＲ １９８２， ｐｐ．１８２８−１８３６ ＳＰＩＥ２００３，５０４０−１１０

ここで、位相シフタ３のサイドにも掘り込みを設けた図１４における上述した位相シフトマスクにおいては、遮光パターンが微細化された時には、問題が発生する。微細化に伴って、遮光パターンのサイズが小さくなると遮光パターンの遮光膜の支えとなっている透明基板と遮光膜との接触面積が小さくなるからである。その結果として、遮光パターンの倒れや剥れが発生する。

図１７は、従来位相シフトマスクによる遮光パターンの加工サイズ依存性を示す図である。
図１７（ａ）は、例えば、露光光の波長が１５７ｎｍの場合の位相シフトマスクの構造における遮光膜２からなる遮光パターンと位相シフタ３の掘り込み部との位置関係を模式的に示している。図１７（ｂ）は、（ａ）の遮光パターンサイズを１とした場合に、遮光パターンサイズがその３／４となった場合について、遮光パターンサイズと位相シフタ３の掘り込み部との位置関係を模式的に示している。図１７（ｃ）は、（ａ）の遮光パターンサイズを１とした場合に、遮光パターンサイズがその１／２となった場合について、遮光パターンサイズと位相シフタ３の掘り込み部との位置関係を模式的に示している。図１７に示されるように、遮光パターンのサイズが徐々に小さくなってくると、位相シフタ３の掘り込み部の開口幅が遮光パターンのサイズの縮小に対応して小さくならないため、その支えとなっている透明基板１との接触面積が小さくなり、その結果として、遮光パターンの倒れや剥れが発生する。例えば、適用する露光光の波長を１５７ｎｍとし、開口数（ＮＡ）を０．８５とすると、位相シフタ３である掘り込み溝を透過した露光光に依存して形成されるウエハ面に転写されるレジストパターンのライン幅Ｌ_１とその他の透明領域を透過した露光光に依存して形成されるウエハ面に転写されるレジストパターンのライン幅Ｌ_２の寸法差を補正するのに必要なアンダーカット量は、マスク上１５０ｎｍであり（非特許文献２参照）、縮小率を１／５とすると、ウエハ上では３０ｎｍとなる。仮に６５ｎｍレベルの遮光パターンの場合においては、透明基板１が支える面積率は、ほぼ半分となってしまい、更に、４５ｎｍレベルの遮光パターンにおいては、透明基板１が支える面積率は、１／３となってしまい、遮光パターンの倒れや剥れが発生する。

本発明は、遮光パターンの倒れや剥れを発生させることなく、位相シフタである掘り込み溝を透過した露光光に依存して形成されるレジストパターンのライン幅Ｌ_１とその他の透明領域を透過した露光光に依存して形成されるレジストパターンのライン幅Ｌ_２との寸法差の違いを改善することを目的とする。

本発明の位相シフトマスクは、
露光光を透過する２つの領域を有し、一方の領域を透過する前記露光光の位相を反転させる凹部が他方の領域に形成された透明基板と、
複数の膜厚にて形成され、端部が前記凹部上にかからないように、前記透明基板上に形成された、前記露光光を遮光する遮光膜と、
を備えたことを特徴とする。

端部が前記凹部上にかからないように、遮光膜を前記透明基板上に形成することにより、遮光パターンのサイズが小さくなっても、透明基板が支える遮光膜の面積率は、変わることが無い。また、遮光膜を複数の膜厚にて形成することにより、後述するように散乱光を生じさせる。

さらに、前記遮光膜は、２つの膜厚にて形成され、一方が他方の膜厚の略１／２の膜厚にて形成されることが望ましい。一方が他方の膜厚の略１／２の膜厚にて形成されることで、ウエハ上に転写された際の光コントラストを向上させることができる。

また、前記遮光膜が、Ｃｒ（クロム）を用いて、２つの膜厚にて形成された場合、一方が１１０ｎｍ以上の膜厚にて形成され、他方が６０ｎｍ以上の膜厚にて形成されることが望ましい。一方が１１０ｎｍ以上の膜厚にて形成されることで、Ｃｒにおいては、光学濃度３以上を確保することができる。また、他方が６０ｎｍ以上の膜厚にて形成されることで、かかる他方の膜にピンホール等の欠陥を生じさせないようにすることができる。

さらに、前記遮光膜は、前記２つの領域の間に形成され、前記２つの領域の中央部にて膜厚が変更するように形成されたことを特徴とする。前記２つの領域の中央部にて膜厚が変更することで、複数の膜厚となった遮光膜の影響を所望する前記２つの領域の一方にだけ及ぼし、所望しない他方に影響を及ぼさないようにすることができる。

さらに、前記遮光膜は、薄い膜厚に形成された部分においても前記露光光の透過率が１％未満となるように形成されたことを特徴とする。前記露光光の透過率が１％未満となるように膜厚が形成されることにより、後述するように光の位相効果を考慮しないで位相シフトマスクを設計することができる。

本発明の位相シフトマスクの製造方法は、
透明基板上に露光光を遮光する遮光膜を成膜する遮光膜成膜工程と、
前記遮光膜成膜工程により成膜された遮光膜を選択的にエッチングする第１の遮光膜エッチング工程と、
前記第１の遮光膜エッチング工程によりエッチングされ前記透明基板面が現れた前記透明基板を選択的にエッチングする基板エッチング工程と、
前記第１の遮光膜エッチング工程によりエッチングされなかった前記遮光膜が複数の膜厚となるように前記遮光膜を選択的にエッチングする第２の遮光膜エッチング工程と、
を備えたことを特徴とする。

第２の遮光膜エッチング工程により、前記遮光膜を複数の膜厚とすることができる。前記遮光膜を複数の膜厚とすることで後述するように散乱光を生じさせる。

そして、前記基板エッチング工程において、エッチングされる領域とエッチングされない領域とが、前記遮光膜を挟んで交互に並ぶように選択的にエッチングする。

本発明によれば、端部が前記凹部上にかからないように、遮光膜を前記透明基板上に形成することにより、遮光パターンのサイズが小さくなっても、常に透明基板で支えられているため遮光パターンの倒れや剥れを発生させないようにすることができる。また、遮光膜の複数の膜厚にすることで、後述するように薄い膜厚部にて厚い膜厚部より散乱光を大きく生じさせ、光の回析による影響を大きくさせることができる。薄い膜厚部にて光の回析による影響を大きくさせることで、ウエハに転写された際のレジストパターンのライン幅が大きくなってしまう領域側におけるレジストパターンのライン幅を小さくすることができる。ウエハに転写された際のレジストパターンのライン幅が大きくなってしまう領域側におけるレジストパターンのライン幅を小さくすることができることから、位相シフタである掘り込み溝を透過した露光光に依存して形成されるレジストパターンのライン幅Ｌ_１とその他の透明領域を透過した露光光に依存して形成されるレジストパターンのライン幅Ｌ_２との寸法差の違いを改善することができる。

また、本発明の実施形態によれば、一方が他方の膜厚の略１／２の膜厚にて形成されることで、ウエハ上に転写された際の光コントラストを向上させることができることから、さらに解像度を向上させることができる。解像度を向上させることができるので、露光光の波長以下のパターンサイズを加工することができる。

また、本発明の実施形態によれば、前記２つの領域の中央部にて膜厚が変更することで、通常透過部と位相シフタとの両者相互に影響を及ぼさないようにすることができる。

また、本発明の実施形態によれば、前記露光光の透過率が１％未満となるように膜厚が形成されることにより、光の位相効果を考慮しないで位相シフトマスクを設計することができるので、容易に効果ある位相シフトマスクを設計することができる。また、光の位相効果を考慮しないことで、設計コストを下げることにもつながる。また、光の位相効果を考慮しないで済むので位相シフトマスクの製造品質を向上させることができる。

また、本発明の実施形態によれば、位相シフタのサイドに掘り込みを形成させないようにすることができるので、遮光パターンのサイズが小さくなっても、遮光パターンの倒れや剥れを発生させないようにすることができる。

また、本発明の実施形態によれば、エッチングされる領域とエッチングされない領域とが、前記遮光膜を挟んで交互に並ぶように選択的にエッチングすることで、ウエハ上での光の位相を両パターン間で１８０度シフトさせることによって、ウエハ上での光コントラストを向上させ、従来のフォト露光装置を用いたレジスト解像度を大幅に改善することができる。ひいては、露光光の波長以下のパターンサイズを加工することができる。

また、本発明の実施形態によれば、前記基板エッチング工程によりエッチングされた領域側での散乱光を増大させ、光の回析による影響を大きくさせることで、ウエハに転写された際のレジストパターンのライン幅が大きくなってしまう領域側における遮光膜の膜厚を薄くすることができる。

以下、実施の形態では、透明基板を掘り込む構造を有する位相シフトマスクの場合において、透明基板が遮光パターンを支える領域が小さくならないようにするために、透明基板のサイド側への掘り込み形状によってウエハ上のレジストパターン幅寸法を補正するのではなく、透明基板上の遮光膜パターンがウエハ上のレジストパターン幅寸法を補正できる機能を有する位相シフトマスクの構造を説明する。本構造を実現するために、透明基板上の遮光膜パターンが、２階調、或いは３階調以上の複数の階調の膜厚を有するような遮光膜の構造とする。本構造を適用することにより、透明基板が遮光膜パターンを支える領域が小さくなり、遮光膜パターンが倒れ、剥れてしまう現象が発生しなく、且つ、透明領域を透過した０度の位相を有する光強度プロファイルと１８０度の位相を有する光強度プロファイルとを同じにすることができる効果を実現できる。本実施の形態は、以上のマスク構造を特徴とする位相シフトマスクとその製造方法、および、露光方法を説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における位相シフトマスクの断面構成を説明するための図である。
図１において、位相シフトマスク１００は、透明基板１と遮光膜２とを備えている。
透明基板１には、凹部となる位相シフタ３が形成されている。位相シフタ３を有することで、位相０度と位相１８０度とで露光光を透過する２つの領域を有することになる。一方の領域は、凹部となっていない透明基板面のままである。他方の領域に位相シフタ３が形成されている。位相シフタ３により、凹部となっていない透明基板面である一方の領域を透過する前記露光光の位相を反転させることができる。
遮光膜２は、複数の膜厚にて形成され、端部が位相シフタ３となる前記凹部上にかからないように、前記透明基板１上に形成されている。遮光膜２は、前記露光光を遮光する。端部が位相シフタ３となる前記凹部上にかからないように、前記透明基板１上に形成されることから、常に透明基板１で支えられているため遮光膜２による遮光パターンの倒れや剥れを発生させないようにすることができる。

図２は、ウエハに転写された際のレジストパターンのライン幅と遮光膜の膜厚との関係を示す図である。
ウエハに転写された際のレジストパターンのライン幅（レジストのスペース幅）と遮光膜の膜厚（例えば、ここではクロム膜厚）との関係は、図２のようになる。（ａ）の領域は、透過領域からの光が透過しにくくレジストが解像しない領域、（ｂ）の領域は、透過領域から光を通すことが可能であり、光の回折による影響で寸法変動する領域、（ｃ）の領域は、光の透過と回折の影響によりいっきにレジストが無くなる領域である。

そして、透過領域から光を通すことが可能であり、かつ、光学濃度３以上を有する（ｂ）の領域においては、レジストのライン幅は、周辺の透過領域からの光の回折による影響で寸法変動する。遮光膜の厚さが薄いほど散乱光が大きくなるため、光の回折による影響は大きくなり、レジストのライン幅を小さくしてしまう。本実施の形態における位相シフトマスクは、この現象を応用したものである。したがって、ウエハに転写された際のレジストパターンのライン幅（レジストのスペース幅）が大きくなってしまう透過領域側の遮光膜の膜厚を薄くすることで、薄い膜厚部にてウエハに転写された際の光の回析による影響を大きくさせることができ、その結果、ウエハに転写された際のレジストパターンのライン幅が大きくなってしまう透過領域側におけるレジストパターンのライン幅を小さくすることができる。よって、凹部が形成されていない通常透過部と凹部が形成されたシフタ透過部との両者相互に相手側に影響を及ぼさないようにするためにも、図１における遮光膜２は、前記２つの領域の間に形成され、前記２つの領域の中央部にて膜厚が変更するように形成されるのが望ましい。

図３は、図１における位相シフトマスク１００の製造方法の要部を表すフローチャートである。
図３において、本実施の形態では、遮光膜２を成膜する遮光膜成膜工程（Ｓ２０２）、電子線レジストを塗布する第１の電子線レジスト塗布工程（Ｓ２０４）、電子線レジストを露光する第１の露光工程（Ｓ２０６）、露光された電子線レジストを現像する第１の現像工程（Ｓ２０８）、遮光膜２をエッチングする第１の遮光膜エッチング工程（Ｓ２１０）、電子線レジストを剥離する第１のレジスト剥離工程（Ｓ２１２）、電子線レジストを塗布する第２の電子線レジスト塗布工程（Ｓ２１４）、電子線レジストを露光する第２の露光工程（Ｓ２１６）、露光された電子線レジストを現像する第２の現像工程（Ｓ２１８）、透明基板１をエッチングする基板エッチング工程（Ｓ２２０）、遮光膜２をエッチングする第２の遮光膜エッチング工程（Ｓ２２２）、電子線レジストを剥離する第２のレジスト剥離工程（Ｓ２２４）という一連の工程を実施する。

図４は、図３のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図４では、図３の遮光膜成膜工程（Ｓ２０２）から第１のレジスト剥離工程（Ｓ２１２）までを示している。それ以降の工程は後述する。

図４（ａ）において、遮光膜成膜工程として、透明基板１上に露光光を遮光する遮光膜２を成膜する。透明基板１の材料としては、適用する露光光の波長において、透過率８０％以上の高いものを使用する。例えば、露光光の波長１５７ｎｍ以上において、８５％以上の透過率を有する改良型石英ガラスは、有効である。遮光膜２の材料としては、適用する露光光の波長において、透過率の小さいものを使用する。例えば、１５７ｎｍ以上の波長の光においては、透過率が０．５％以下であるＣｒ（クロム）が望ましい。その他、酸化鉄、ニッケル、シリコン、ゲルマニウム酸化物、ジルコン酸化物等であっても構わない。遮光膜２は、透過率が、１％未満になるような材料であればよい。また、遮光膜２の材料として、Ｃｒを用いることにより、エッチングが困難なニッケル等を材料として用いるよりもエッチングし易くすることができる。成膜する膜厚（ターゲット寸法）は、例えば、Ｃｒの場合、１１０ｎｍ以上が望ましい。１１０ｎｍ以上とすることで、光学濃度３以上とすることができる。その他の材料でも光学濃度３以上とすることができるような膜厚とすることが望ましい。また、成膜方法は、スパッタ、或いは真空蒸着等を用いればよい。その他の方法であっても構わない。

図４（ｂ）において、第１の電子線レジスト塗布工程として、透明基板１上に遮光膜２を成膜したブランクマスクの成膜された遮光膜２の上に電子線レジストを塗布し、レジスト膜４を形成する。電子線レジストは、スピン塗布法等により塗布する。電子線レジストを用いることにより、微細パターンの加工が可能となる。ここでは、電子線レジストを用いているが、紫外線等の光に対して感光性を有するレジスト膜を用いてもよい。

図４（ｃ）において、第１の露光工程として、塗布された電子線レジストを露光する。露光は、電子線描画装置を用いてレジスト膜４の選択的な領域に電子ビームを照射する。遮光膜２を露出させ、エッチングする領域に電子ビーム描画を行う。電子線レジストが解像するのに必要な電荷量を設定し、電子ビームを照射する。電子ビーム描画工程においては、電子線レジストがポジレジストの場合は、遮光膜２が残存する領域は、未描画とすればよい。

図４（ｄ）において、第１の現像工程として、露光された電子線レジストを現像する。現像は、現像液に浸けることによりおこなう。現像されることにより、レジスト膜４は、レジスト領域と無レジスト領域に区別されて、選択的にパターニングが行われる。かかる電子線レジストの現像工程においては、電子線レジストとしてポジレジストを適用した場合、電子ビームが照射された領域は、電子線レジストが現像液に溶解し、遮光膜２が露出する。電子ビームが照射されない領域は、電子線レジストが現像液に溶解しないので、電子線レジストのパターンが残存する。

図４（ｅ）において、第１の遮光膜エッチング工程として、遮光膜２を選択的に透明基板１表面までエッチングする。エッチング法は、異方性エッチング法を用いるのが望ましい。異方性エッチング法を用いることで、基板面に対し、垂直方向にエッチングすることができる。例えば、遮光膜２のドライエッチングを行う場合、平行平板型反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を適用する。例えば、遮光膜が、Ｃｒの場合、エッチングガスは、ＣＣｌ_４（テトラクロロメタン）とＯ_２（酸素）、あるいは、ＣＨ_２Ｃｌ_２（ジクロロメタン）とＯ_２を流量比率１：３に制御して適用するとよい。エッチングの際、透明基板１とのエッチング選択比は十分でなければならない。また、レジスト膜４の材料である電子線レジストは、エッチングに対する保護膜として働き、電子線レジストに覆われていない領域の遮光膜のみが除去され、透明基板１が部分的に露出する。Ｃｒ膜のドライエッチングに、ＣＣｌ_４とＯ_２、あるいは、ＣＨ_２Ｃｌ_２とＯ_２を流量比率１：３に制御して適用する場合、電子線レジストのドライエッチング耐性は十分である。また、添加ガスとして、Ａｒ（アルゴン），Ｎ_２（窒素），或いはＨＣｌ（塩酸）等のいずれかを混入させてもよい。混入させることで、パターン種の違いによる均一性を向上させることができる。例えば、ＨＣｌを混入させるとエッチングレートの均一性を向上させることができる。

図５は、反応性イオンエッチング法によるエッチングをおこなう装置の概念図である。
図５において、装置３００では、チャンバ３０６の内部にて下部電極３０２の上に位相シフトマスク１００を設置する。位相シフトマスク１００は下部リング３０９の内側に設置する。そして、上部リング３０８内のガス噴出し板３０５からチャンバ３０６の内部にエッチングガスとなる混合ガスを供給し、真空ポンプ３０７により所定のチャンバ内圧力になるように真空引きされたチャンバ３０６の内部の上部電極３０１と下部電極３０２との間に高周波電源となる上部ＲＦ電源３０３を用いてプラズマを生成させる。一方、下部ＲＦ電源３０４を用いてイオンエネルギーを制御する。このように、プラズマを生成するＲＦ電源とイオンエネルギーを制御するＲＦ電源とが独立した方式のエッチング装置が望ましい。プラズマ生成するＲＦ電源とイオンエネルギーを制御するＲＦ電源が独立しない平行平板型ＲＩＥ（位相シフトマスクが載置される側にのみＲＦ電源がある）ではエッチレートを増加させるためにＲＦパワーを上げるとイオンエネルギーも上がるために選択比を確保することが困難であるが、独立した装置ではプラズマ生成のＲＦパワーを増加し、イオンエネルギー制御をおこなうＲＦパワーを抑えることにより容易に選択比を確保することが可能となる。

ここでは、第１の遮光膜エッチング工程のエッチング条件として、例えば、プラズマ電力を２００Ｗ前後、バイアス電圧を１００Ｖ前後とするのが望ましい。そして、真空ポンプ３０７により１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下のチャンバ内圧力になるように真空引きする。チャンバ内圧力は、低い方が望ましい。

図４（ｆ）において、第１のレジスト剥離工程として、電子線レジストを剥離する。レジスト膜４の剥離液としては、硫酸と過酸化水素水を３：１の比率で混ぜ合わせた混合液を適用するとよい。この際、露出している透明基板１との剥離耐性は十分でなければならない。剥離後、図示していないが、洗浄を行う。

図６は、図３のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図６では、図３の第２の電子線レジスト塗布工程（Ｓ２１４）から第２のレジスト剥離工程（Ｓ２２４）までを示している。

図６（ｇ）において、第２の電子線レジスト塗布工程として、遮光膜２がエッチングされむき出しとなった透明基板１とエッチングされなかった遮光膜２との上に電子線レジストを塗布し、再度、レジスト膜４を形成する。電子線レジストは、スピン塗布法等により塗布すること、電子線レジストを用いることにより、微細パターンの加工が可能となること、ここでは、電子線レジストを用いているが、紫外線等の光に対して感光性を有するレジスト膜を用いてもよいこと等は上述した通りである。

図６（ｈ）において、第２の露光工程として、塗布された電子線レジストを露光する。露光は、電子線描画装置を用いてレジスト膜４の選択的な領域に電子ビームを照射する。透明基板１と遮光膜２とを選択的に露出させ、エッチングする領域に電子ビーム描画を行う。電子線レジストが解像するのに必要な電荷量を設定し、電子ビームを照射する。電子ビーム描画工程においては、電子線レジストがポジレジストの場合は、遮光膜２が最後まで完全に残存する領域は、未描画とすればよい。

図６（ｉ）において、第２の現像工程として、露光された電子線レジストを現像する。現像は、現像液に浸けることによりおこなう。現像されることにより、レジスト膜４は、レジスト領域と無レジスト領域に区別されて、選択的にパターニングが行われる。かかる電子線レジストの現像工程においては、電子線レジストとしてポジレジストを適用した場合、電子ビームが照射された領域は、電子線レジストが現像液に溶解し、透明基板１と遮光膜２とが露出する。電子ビームが照射されない領域は、電子線レジストが現像液に溶解しないので、電子線レジストのパターンが残存する。遮光膜２のパターンのうち、レジスト膜４に隠れた幅Ｗ_１と露出する幅Ｗ_２とが、等しくなるようにパターンニングするのが望ましい。等しくなるようにパターンニングすることで、遮光膜２を、中央部にて膜厚が変更するように形成することができる。中央部にて膜厚が変更するように形成することで、複数の膜厚となった遮光膜の影響を、ウエハに転写された際、２つの透過領域の所望する一方にだけ及ぼし、所望しない他方に影響を及ぼさないようにすることができる。

図６（ｊ）において、基板エッチング工程として、透明基板面が現れた前記透明基板１を選択的にエッチングする。基板エッチング工程においては、エッチングされる領域とエッチングされない領域とが、前記遮光膜２を挟んで交互に並ぶように選択的にエッチングする。エッチングされる領域には、エッチングされない領域と位相が１８０度ずれた位相シフタ３が形成される。エッチングされる領域の掘り込み量ｄは、露光光の波長λと透明基板１の屈折率ｎに依存し、次式で表される。
掘り込み量ｄ＝λ／２（ｎ−１）

エッチングされる領域とエッチングされない領域とが、前記遮光膜２を挟んで交互に並ぶように選択的にエッチングすることで、ウエハ上での光の位相を両パターン間で１８０度シフトさせることによって、ウエハ上での光コントラストを向上させ、従来のフォト露光装置を用いたレジスト解像度を大幅に改善することができる。ひいては、露光光の波長以下のパターンサイズを加工することができる。

エッチング法は、異方性エッチング法を用いるのが望ましい。異方性エッチング法を用いることで、基板面に対し、垂直方向にエッチングすることができる。垂直方向にエッチングすることにより、遮光膜２の下部にまで、透明基板１の掘り込みを形成させないようにすることができる。言い換えれば、位相シフタ３のサイドにも掘り込みを形成させないようにすることができる。位相シフタ３のサイドに掘り込みを形成させないようにすることができるので、遮光パターンのサイズが小さくなっても、遮光パターンの倒れや剥れを発生させないようにすることができる。例えば、透明基板１のドライエッチングを行う場合、図５に示した反応性イオンエッチチング装置を用いて、平行平板型反応性イオンエッチング法を適用する。例えば、透明基板１が、石英ガラスの場合、エッチングガスは、ＣＦ_４（テトラフルオロメタン）とＯ_２を流量比率２０：１に制御して適用するとよい。エッチングの際、レジスト膜４は、エッチングに対する保護膜として働き、レジスト膜４に覆われていない領域の石英ガラスがエッチングされる。石英ガラスのドライエッチングに、ＣＦ_４とＯ_２を流量比率２０：１に制御して適用した場合、電子線レジストのドライエッチング耐性は十分である。また、添加ガスとして、Ａｒ，Ｎ_２，或いはＨＣｌ等のいずれかを混入させてもよい。混入させることで、パターン種の違いによる均一性を向上させることができる。例えば、ＨＣｌを混入させるとエッチングレートの均一性を向上させることができるのは上述した通りである。

ここでは、基板エッチング工程のエッチング条件として、例えば、プラズマ電力を１００Ｗ前後、バイアス電圧を８０Ｖ前後とするのが望ましい。エッチングレートを速くしながら、かつ、エッチングされた透明基板１のガラス破片がレジストの上に乗ってしまうのを防ぐことができる。そして、真空ポンプ３０７により１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下のチャンバ内圧力になるように真空引きする。チャンバ内圧力は、低い方が望ましい。

図６（ｋ）において、第２の遮光膜エッチング工程として、前記第１の遮光膜エッチング工程によりエッチングされなかった前記遮光膜２が複数の膜厚となるように前記遮光膜２を選択的にエッチングする。ここでは、前記基板エッチング工程によりエッチングされた領域側をエッチングする。前記基板エッチング工程によりエッチングされた領域側での散乱光を増大させ、光の回析による影響を大きくさせることで、ウエハに転写された際のレジストパターンのライン幅が大きくなってしまう領域側における遮光膜の膜厚を薄くすることができる。例えば、遮光膜２の材料として、Ｃｒを用いて２つの膜厚にて形成する場合、遮光膜成膜工程で１１０ｎｍ以上の膜厚ｔ_１にて形成された遮光膜２を選択的に６０ｎｍ以上の膜厚ｔ_２に形成されるようにエッチングする。薄くなる側の膜厚ｔ_２を６０ｎｍとすることで、ピンポール欠陥を発生させないようにすることができる。遮光膜２を２つの膜厚にて形成する場合、エッチングされ、薄膜化される一方の膜厚ｔ_２が当初成膜された他方の膜厚ｔ_１の略１／２の膜厚になるように形成するのが望ましい。一方が他方の膜厚の１／２の膜厚に近づけるように形成することで、ウエハ上に転写された際の光コントラストを向上させることができる。但し、これに限るものではなく、上述したように、ウエハ上に転写された際のレジストパターンのライン幅は、遮光膜２の膜厚に左右されるため、位相シフタ３である掘り込み溝を透過した露光光に依存して形成されるレジストパターンのライン幅Ｌ_１とその他の透明領域を透過した露光光に依存して形成されるレジストパターンのライン幅Ｌ_２との寸法差の違いに応じて、膜厚をエッチング量により調整し、寸法差の違いを極力小さくするようにすればよい。また、遮光膜２は、薄い膜厚に形成された部分においても前記露光光の透過率が１％未満となるように形成されることが望ましい。透過率が１％以上となってしまうと光の位相効果を考慮しなければならなくなるためである。

遮光膜２の薄膜化を行う場合、図５に示した反応性イオンエッチチング装置を用いて平行平板型反応性イオンエッチチング（ＲＩＥ）法を適用するのが望ましい。例えば、遮光膜が、Ｃｒの場合、エッチングガスは、ＣＣｌ_４とＯ_２、あるいは、ＣＨ_２Ｃｌ_２とＯ_２を流量比率１：３に制御して適用するとよい。遮光膜２の薄膜化の際、透明基板１とのエッチング選択比は十分でなければならない。また、電子線レジストのレジスト膜４は、エッチングに対する保護膜として働き、レジスト膜４に覆われていない領域の遮光膜２のみが所定のエッチング量だけ除去される。Ｃｒ膜の薄膜化に、ＣＣｌ_４とＯ_２、あるいは、ＣＨ_２Ｃｌ_２とＯ_２を流量比率１：３に制御して適用する場合、電子線レジストのドライエッチング耐性は十分である。また、添加ガスとして、Ａｒ，Ｎ_２，或いはＨＣｌ等のいずれかを混入させてもよい。混入させることで、パターン種の違いによる均一性を向上させることができる。例えば、ＨＣｌを混入させるとエッチングレートの均一性を向上させることができるのは上述した通りである。

ここでは、第２の遮光膜エッチング工程のエッチング条件として、例えば、プラズマ電力を５０Ｗ前後、バイアス電圧を４０Ｖ前後とするのが望ましい。第１の遮光膜エッチング工程と比較して、低電力を適用し、エッチングタイムを長くし、エッチング量をコントロールしやすくすることが望ましい。エッチングレートを抑えることにより薄膜側の膜厚を精度よく形成することができる。そして、真空ポンプ３０７により１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下のチャンバ内圧力になるように真空引きする。チャンバ内圧力は、低い方が望ましい。

図６（ｌ）において、第２のレジスト剥離工程として、電子線レジストを剥離する。レジスト膜４の剥離液としては、硫酸と過酸化水素水を３：１の比率で混ぜ合わせた混合液を適用するとよい。この際、露出している透明基板１や遮光膜２との剥離耐性は十分でなければならない。剥離後、図示していないが、洗浄を行う。

図７は、投影露光装置の構成を説明するための概念図である。
本実施の形態で上述した製造方法により製造された位相シフトマスク１００を投影露光装置に設置する。図７では、この実施の形態による光リソグラフィ露光技術概念を示している。図７に示すように、露光光源２２から発する露光光が、レンズ２３を透過してミラー２５で反射され、位相シフトマスク１００を透過し、露光投影系レンズ２４に入射する。そして、この露光投影系レンズ２４の内部で収束され、ウエハ２００上のフォトレジストに露光される。

図８は、本実施の形態における位相シフトマスクとその光振幅、および、光強度分布について示す図である。
図８（ａ）は、本実施の形態における位相シフトマスク１００を示している。図８（ｂ）は、光強度振幅を示しており、図８（ｃ）は、光強度分布を示している。図８（ｂ）に示すように、位相シフトマスク１００は、隣り合う透光領域において、お互いに位相が反転しているため、遮光領域における光強度分布は相殺し合い、図８（ｃ）に示すように、光強度は０となる。したがって、遮光領域には、暗い領域が生じ、光コントラストは向上する。このように新規の位相シフトマスク１００についても、位相シフタ３により、そこから出てくる露光光の位相が１８０度シフトし、遮光パターン領域は、回折光による影響が打ち消され、光コントラストが向上し、解像度が向上する。

図９は、本実施の形態における位相シフトマスクを用いてウエハに転写されたパターンを説明するための概念図である。
図９（ａ）では、ウエハに転写されたパターンをウエハ上部から見た場合の概念図を表している。図９（ｂ）は、ウエハに転写されたパターンをウエハ断面から見た場合の概念図を表している。本構造の位相シフトマスク１００を用いて、基体２１０上に塗布されたレジスト膜２２０を備えたウエハ２００に露光した場合、位相シフタ３側の遮光膜２を薄膜化して、散乱光を大きくしているため、図９（ａ）（ｂ）に示すように、位相シフタ３である掘り込み溝を透過した露光光に依存して形成されるレジスト膜２２０のライン幅Ｌ_１とその他の透明領域を透過した露光光に依存して形成されるレジスト膜２２０のライン幅Ｌ_２との寸法差の違いが改善される。

図１０は、本実施の形態における位相シフトマスクによる遮光パターンの加工サイズ依存性を示す図である。
図１０（ａ）は、例えば、露光光の波長が１５７ｎｍの場合の位相シフトマスクの構造における遮光膜２からなる遮光パターンと位相シフタ３の掘り込み部との位置関係を模式的に示している。図１０（ｂ）は、（ａ）の遮光パターンサイズを１とした場合に、遮光パターンサイズがその３／４となった場合について、遮光パターンサイズと位相シフタ３の掘り込み部との位置関係を模式的に示している。図１０（ｃ）は、（ａ）の遮光パターンサイズを１とした場合に、遮光パターンサイズがその１／２となった場合について、遮光パターンサイズと位相シフタ３の掘り込み部との位置関係を模式的に示している。図１０に示されるように、遮光パターンサイズが徐々に小さくなっても、その支えとなっている透明基板との接触面積が小さくならず、その結果として、遮光パターンの倒れや剥れが発生しない。例えば、適用する露光光の波長を１５７ｎｍとし、開口数（ＮＡ）を０．８５、縮小率を１／５とすると、従来、寸法差を補正するのに必要であったアンダーカット量は、マスク上１５０ｎｍであり（非特許文献２参照）、ウエハ上では３０ｎｍとなってしまっていた。しかしながら、本実施の形態では、６５ｎｍレベルの遮光パターン、更に４５ｎｍレベルの遮光パターンにおいても、透明基板１は完全に遮光パターンとなる遮光膜２を支えており、遮光パターンの倒れや剥れが発生しない。

以上のように、本実施の形態では、透明基板１が遮光パターンを支える領域が小さくならないようにするために、透明基板１の掘り込み形状によってウエハ２００上寸法を補正するのではなく、透明基板上の遮光膜パターンがウエハ２００上寸法を補正できる機能を有する位相シフトマスク１００の構造とした。本機能を遮光膜２にもたせることを実現するために、透明基板上の遮光膜パターンが、２階調の膜厚を有するような遮光膜の構造とした。本構造を適用することにより、透明基板１が遮光膜パターンを支える領域が小さくなり、遮光膜パターンが倒れ、剥れてしまう現象が発生しなく、且つ、透明領域を透過した０度の位相を有する光強度プロファイルと１８０度の位相を有する光強度プロファイルが同じとすることができる効果を実現できる。更に、遮光パターンの膜厚は、２階調となっているので、位相シフタ３を透過した１８０度の位相を有する露光光に依存する加工寸法と、その他の透明領域を透過した０度の位相を有する露光光に依存する加工寸法との相違を調整できる機能を持つことができる。ここで、本実施の形態では、遮光パターンの膜厚を２階調としたが、３階調以上であっても構わない。階調数が多いほど、マスク作製上における工程数が増大するが、パターン種類別に、より正確な線幅のコントロールを可能とすることができる。

以上のように、本実施の形態における位相シフトマスクの適用により、位相シフタの掘り込み部のサイドに掘り込みを設けなくても、従来、位相シフタの掘り込み部のサイドにも掘り込みが必要であった位相シフトマスクと同様な形状を得ることができる。また、本構造の位相シフトマスクを適用することにより、マスク上において、更に微細な遮光パターンを形成することが可能であるので、ウエハ上のレジストパターンにおいても、更に微細なレジストパターンを形成することが可能である。

ここで、基体２１０は、図示しない各種の半導体素子あるいは構造を有するものとすることができる。

さらに、遮光膜２、位相シフタ３のサイズ、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての位相シフトマスクを含むフォトマスクの製造方法は、本発明の範囲に包含される。

また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれることは言うまでもない。

実施の形態１における位相シフトマスクの断面構成を説明するための図である。 ウエハに転写された際のレジストパターンのライン幅と遮光膜の膜厚との関係を示す図である。 図１における位相シフトマスク１００の製造方法の要部を表すフローチャートである。 図３のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 反応性イオンエッチング法によるエッチングをおこなう装置の概念図である。 図３のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。 投影露光装置の構成を説明するための概念図である。 本実施の形態における位相シフトマスクとその光振幅、および、光強度分布について示す図である。 本実施の形態における位相シフトマスクを用いてウエハに転写されたパターンを説明するための概念図である。 本実施の形態における位相シフトマスクによる遮光パターンの加工サイズ依存性を示す図である。 従来のフォトマスクとその光振幅、および、光強度分布について示す図である。 位相シフトマスクとその光振幅、および、光強度分布について示す図である。 図１２の位相シフトマスクを用いてウエハに転写されたパターンを説明するための概念図である。 ドライエッチングとウエットエッチングとの両工程を用いて掘り込み溝をサイドにも形成する構造である位相シフトマスクの断面構造を示す図である。 図１４における位相シフトマスクとその光振幅、および、光強度分布について示す図である。 図１４の位相シフトマスクを用いてウエハに転写されたパターンを説明するための概念図である。 従来位相シフトマスクによる遮光パターンの加工サイズ依存性を示す図である。

符号の説明

１ 透明基板
２ 遮光膜
３ 位相シフタ
４ レジスト膜
２２ 露光光源
２３ レンズ
２４ 露光投影系レンズ
２５ ミラー
２６ ウエハステージ
１００ 位相シフトマスク
１０１ バイナリーマスク
２００ ウエハ
２１０ 基体
２２０ レジスト膜
３００ 装置
３０１ 上部電極
３０２ 下部電極
３０３ 上部ＲＦ電源
３０４ 下部ＲＦ電源
３０５ ガス噴出し板
３０６ チャンバ３０６
３０７ 真空ポンプ
３０８ 上部リング
３０９ 下部リング

Claims (7)

1. 露光光を透過する２つの領域を有し、一方の領域を透過する前記露光光の位相を反転させる凹部が他方の領域に形成された透明基板と、
   複数の膜厚にて形成され、端部が前記凹部上にかからないように、前記透明基板上に形成された、前記露光光を遮光する遮光膜と、
   を備えたことを特徴とする位相シフトマスク。
2. 前記遮光膜は、２つの膜厚にて形成され、一方が他方の膜厚の略１／２の膜厚にて形成されたことを特徴とする請求項１記載の位相シフトマスク。
3. 前記遮光膜は、Ｃｒ（クロム）を用いて、２つの膜厚にて形成され、一方が１１０ｎｍ以上の膜厚にて形成され、他方が６０ｎｍ以上の膜厚にて形成されたことを特徴とする請求項１記載の位相シフトマスク。
4. 前記遮光膜は、前記２つの領域の間に形成され、前記２つの領域の中央部にて膜厚が変更するように形成されたことを特徴とする請求項１記載の位相シフトマスク。
5. 前記遮光膜は、薄い膜厚に形成された部分においても前記露光光の透過率が１％未満となるように形成されたことを特徴とする請求項１記載の位相シフトマスク。
6. 透明基板上に露光光を遮光する遮光膜を成膜する遮光膜成膜工程と、
   前記遮光膜成膜工程により成膜された遮光膜を選択的にエッチングする第１の遮光膜エッチング工程と、
   前記第１の遮光膜エッチング工程によりエッチングされ前記透明基板面が現れた前記透明基板を選択的にエッチングする基板エッチング工程と、
   前記第１の遮光膜エッチング工程によりエッチングされなかった前記遮光膜が複数の膜厚となるように前記遮光膜を選択的にエッチングする第２の遮光膜エッチング工程と、
   を備えたことを特徴とする位相シフトマスクの製造方法。
7. 前記基板エッチング工程において、エッチングされる領域とエッチングされない領域とが、前記遮光膜を挟んで交互に並ぶように選択的にエッチングすることを特徴とする請求項６記載の位相シフトマスクの製造方法。

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