JP2007093798A - フォトマスク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に作製及び検査することができ、遮光パターンの転写形状の劣化が小さく、かつ放電による遮光パターン欠陥を防止することができるフォトマスクを提供すること。
【解決手段】本発明のフォトマスクは、透明基板に設けられている相互に独立した複数の遮光パターンと、これらの遮光パターン間を電気的に接続する接続パターンを有し、前記接続パターンは、フォトリソグラフィ工程で転写されない幅であり、かつ半透明であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造におけるフォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク及びその製造方法に関する。

半導体装置の製造では、フォトマスク上のマスクパターンを、フォトリソグラフィ工程でおいて転写し、所望の素子パターンを形成する。通常これらに使用されるフォトマスクは、石英基板上に、クロム、酸化クロムなどの金属薄膜によって遮光パターンが形成されている。

フォトマスクの遮光膜が導電性を有する場合は、使用環境やマスクパターン種によっては、静電気の影響を受け、遮光膜が帯電する場合がある。独立した複数の遮光パターン間で電位差が生じると、パターンの先端や角部などの電界の集中しやすい部分間で放電が生じ、遮光パターンが溶出し、欠陥となる。このような欠陥が、半導体製品の素子パターンとして転写される場合、製品不良の原因となってしまい、問題となっていた。

この問題を解決するために、遮光パターンの間を透明導電膜で電気的に接続する技術（例えば特許文献１を参照）や、遮光パターンの間を解像限界以下の太さのダミーパターンで接続する技術（例えば特許文献２を参照）が知られている。
特開平５−２６５１８９号公報 特開２００３−２４８２９４号公報

しかし、前者の技術は、透明導電膜の形成や検査が面倒であり、という問題がある。後者の技術は、遮光パターンの転写形状の劣化を引き起こすという問題があることが本発明者達によって見出された。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡易に作製及び検査することができ、遮光パターンの転写形状の劣化が小さく、かつ放電による遮光パターン欠陥を防止することができるフォトマスクを提供するものである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のフォトマスクは、透明基板に設けられている相互に独立した複数の遮光パターンと、これらの遮光パターン間を電気的に接続する接続パターンを有し、前記接続パターンは、フォトリソグラフィ工程で転写されない幅であり、かつ半透明であることを特徴とする。

このフォトマスクは、次の特徴を有する。
（１）複数の遮光パターンが接続パターンで電気的に接続されているので、遮光パターン間の放電を防止することができ、放電による遮光パターン欠陥を防止することができる。
（２）このフォトマスクは、透明基板上に設けられた遮光膜をパターニングすることによって、相互に独立した複数の遮光パターンと、これらの遮光パターン間を電気的に接続し、かつフォトリソグラフィ工程で転写されない幅である接続パターンとを形成し、接続パターンを薄くして半透明にする工程を備える方法によって作製することができる。従って、簡易に作製することができる。
（３）接続パターンは半透明なので、比較的容易に検査を行うことができる。
（４）接続パターンはフォトリソグラフィ工程で転写されない幅であり、かつ半透明なので、接続パターンの存在に起因する遮光パターンの転写形状の劣化を小さくすることができる。

１．フォトマスクの構造
本発明のフォトマスクは、透明基板に設けられている相互に独立した複数の遮光パターンと、これらの遮光パターン間を電気的に接続する接続パターンを有し、前記接続パターンは、フォトリソグラフィ工程で転写されない幅であり、かつ半透明であることを特徴とする。

１−１．フォトリソグラフィ工程
本発明のフォトマスクは、フォトリソグラフィ工程でおいて、半導体基板等の上に塗布されたフォトレジストを露光するために用いられる。露光光の光源には、Ｆ₂レーザー（波長：１５７ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長：１９３ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー（波長：２４８ｎｍ）、ｉ線（波長：３６５ｎｍ）等種々のものを用いることができる。使用する光源の波長に応じて、フォトマスク材料や設計条件、フォトリソグラフィの条件等を適宜決定することができる。

１−２．透明基板
透明基板は、露光光に対する光透過率が高い材料を用いて形成することができる。露光光に対する透明基板の光透過率は、好ましくは８５％（さらに好ましくは９０％又は９５％）以上である。

また、種々の露光光に対して同じ基板が使用できるように、透明基板は、Ｆ₂レーザ光（波長：１５７ｎｍ）〜近赤外光（波長：６３０ｎｍ）の範囲において、高い光透過率を有することが好ましい。上記範囲における透明基板の光透過率は、好ましくは８５％（さらに好ましくは９０％又は９５％）以上である。透明基板は、石英ガラス等で形成することができる。

１−３．遮光パターン
遮光パターンの材料及び膜厚は、露光光に対する光透過率が十分に低くなるように選択する。露光光に対する遮光パターンの光透過率は、好ましくは１％（さらに好ましくは０．５％）以下である。遮光パターンは、クロム、酸化クロム又はクロムフロライドなどで形成することができる。露光光に対する遮光パターンの光透過率を低くするためには、遮光パターンの膜厚を厚くすればいい。

ここで、図１に、遮光パターンをクロムで形成した場合の、膜厚と光透過率との関係を示すグラフを示す。図１には、ＫｒＦエキシマレーザー又はｉ線についてのデータを示している。このデータは、後述のシミュレーションと同じソフトウエアを用いて取得した。
図１から明らかなように、光透過率は、膜厚が増加すると指数関数的に減少する（より具体的には、ＫｒＦエキシマレーザー：Ｔｒ＝86.9e^-0.071t、ｉ線：Ｔｒ＝13.1e^-0.0535t、但し、Ｔｒは光透過率（％）、ｔは膜厚（ｎｍ））。このグラフを見ると、ＫｒＦエキシマレーザー及びｉ線では、それぞれ、膜厚７０ｎｍ及び８０ｎｍの時に光透過率が十分に小さく（０．５％程度）なることが分かる。ＫｒＦエキシマレーザーよりも波長が短い光源を用いると、膜厚増加に対する光透過率の減少の度合いが大きくなるため、遮光に必要な膜厚はさらに小さくなると考えられる。膜厚と光透過率との関係は、遮光パターンが酸化クロム又はクロムフロライドからなる場合でも、ほぼ同様であると考えられる。従って、遮光パターンの膜厚は、好ましくは７０ｎｍ（さらに好ましくは８０ｎｍ又は９０ｎｍ）以上である。遮光パターンの膜厚は、好ましくは２００ｎｍ（さらに好ましくは１５０ｎｍ又は１００ｎｍ）以下である。必要以上に厚くする必要がないからである。

１−４．接続パターン
接続パターンは、半透明である。「半透明」とは、露光光に対する光透過率が、透明と遮光との間であることを意味する。従って、露光光に対する接続パターンの光透過率は、透明基板の光透過率よりも低く、遮光パターンの光透過率よりも高い。露光光に対する接続パターンの光透過率は、好ましくは５％（さらに好ましくは１０％、２０％、３０％、４０％又は５０％）以上である。光透過率が高い方が、遮光パターンの転写形状劣化抑制の効果が大きいからである。露光光に対する接続パターンの光透過率は、好ましくは８０％（さらに好ましくは７０％又は６０％）以下である。光透過率が高くなりすぎると、検査を行いにくくなるからである。接続パターンの光透過率は、接続パターンの材料又は膜厚等を変えることによって適宜調節することができる。

接続パターンは、遮光パターンと同じ材料で形成することが好ましい。この場合、接続パターンを作製するのが容易であり、かつその光透過率の調整が容易であるからである。この場合、単に接続パターンの膜厚を遮光パターンよりも薄くすることによって、接続パターンの光透過率を遮光パターンよりも高くすることができる。図１のグラフが示す膜厚と光透過率との関係は、接続パターンについても当てはまる。従って、上記所望の光透過率が得られるように、接続パターンの膜厚を適宜変更することができる。接続パターンの膜厚は、好ましくは６０ｎｍ（さらに好ましくは５０ｎｍ、４０ｎｍ又は３０ｎｍ）以下である。この場合、接続パターンの光透過率を遮光パターンよりも高くすることができるからである。接続パターンの膜厚は、好ましくは５ｎｍ（さらに好ましくは１０ｎｍ、１５ｎｍ又は２０ｎｍ）以上である。この場合、接続パターンの光透過率を透明基板よりも高くすることができるからである。また、遮光パターン間の放電防止のためには、接続パターンの膜厚を大きくして導電性を高めた方がいいからである。

接続パターンの線幅は、フォトリソグラフィ工程で転写されない幅である。「転写されない幅」とは、露光及び現像後に接続パターンに対応したレジストパターンが形成されないような幅である。この幅は、使用するフォトレジストの種類、露光条件、現像条件等に影響される。例えば、接続パターンの線幅が２μｍの場合であっても条件を調節することによって、接続パターンに対応した部分がレジストパターンが形成されないようにすることができる。これについては、特許文献２に詳述されている。従って、この観点から、接続パターンの線幅は、好ましくは２μｍ（さらに好ましくは１．５μｍ、１μｍ又は０．５μｍ）以下である。

また、接続パターンの線幅は、解像限界以下であることがさらに好ましい。この場合、接続パターンによる露光光の遮光の度合いが小さく、接続パターンは、フォトレジストに転写されない。解像限界は、ｋ₁×γ／ＮＡによって定まる。ｋ₁は、プロセスファクターであり、フォトレジストの種類等によって影響を受ける値であるが、通常は０．６前後の値であるので、本発明では０．６に設定する。γは、露光光の波長である。ＮＡは、露光投影系レンズの開口数であり、０．４〜０．８程度である。以上の点を総合的に考慮すると、接続パターンの線幅は、好ましくは露光波長以下であり、さらに好ましくは露光波長×０．９（さらに好ましくは０．８、０．７、０．６又は０．５）以下である。また、通常使用される最も短波長の露光光の波長がＦ₂レーザーの１５７ｎｍであることを考慮すると、接続パターンの線幅は、好ましくは０．１５μｍ（さらに好ましくは０．１μｍ）以下である。

接続パターンの線幅は、導電性を確保するという観点から、好ましくは０．０２μｍ（さらに好ましくは０．０４μｍ又は０．０６μｍ）以上であることが好ましい。

２．フォトマスクの製造方法
次に、フォトマスクの製造方法について説明する。上記フォトマスクは、この製造方法によって製造することができる。上記「フォトマスクの構造」の項で述べた内容は、その趣旨に反しない限り、ここでも当てはまる。

本発明のフォトマスクの製造方法は、透明基板上に設けられた遮光膜をパターニングすることによって、相互に独立した複数の遮光パターンと、これらの遮光パターン間を電気的に接続し、かつフォトリソグラフィ工程で転写されない幅である接続パターンとを形成し、接続パターンを薄くして半透明にする工程を備える。

２−１．遮光膜パターニング工程
この工程では、透明基板上に設けられた遮光膜をパターニングすることによって、相互に独立した複数の遮光パターンと、これらの遮光パターン間を電気的に接続し、かつフォトリソグラフィ工程で転写されない幅である接続パターンとを形成する。

遮光膜の材料・膜厚には、遮光パターンについて既に述べた材料・膜厚を採用することができる。遮光膜は、スパッタリング法や真空蒸着法等により、形成することができる。パターニングは、公知の電子ビームリソグラフィ及びエッチング技術などを用いて行うことができる。この工程により、遮光パターンと接続パターンを同時に形成する。このとき、両パターンの膜厚は、実質的に同じである。

２−２．接続パターン薄化工程
次に、接続パターンの膜厚を薄くする。薄くすることによって光透過率が上がり、接続パターンが半透明になる。接続パターンの薄化は、遮光膜のエッチングと同様の方法で行うことができる。
以上で、フォトマスクの製造が完了する。

本実施例では、フォトマスクの設計例を示す。フォトリソグラフィ工程での露光光には、ＫｒＦエキシマレーザー（波長：２４８ｎｍ）を用いることとする。

１．フォトマスク
本実施例のフォトマスクを図面を用いて説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、本実施例のフォトマスクを示す。図２（ａ）は、平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。

フォトマスク１は、相互に独立した複数の遮光パターン２と、それらの間を電気的に接続する接続パターン３とを透明基板５上に備える。

遮光パターン２及び接続パターン３は、クロムからなり、透明基板５は、石英ガラスからなる。遮光パターン２の膜厚は、７０ｎｍであり、露光光に対する光透過率は、０．５％程度である。接続パターン３の膜厚は、１０ｎｍであり、露光光に対する光透過率は、４３％程度である。露光光に対する透明基板５の光透過率は、９０％程度である。接続パターン３の線幅は、４０ｎｍである。解像限界よりもはるかに小さいので、フォトリソグラフィ工程でおいて、フォトレジストに転写されない。

フォトリソグラフィ工程では、フォトマスク１を、図３に示すような、露光光源７と、露光投影系レンズ８とを備える投影露光装置に組み込む。露光光源７からの露光光７ａをフォトマスク１に照射して、遮光パターン２以外の部分で露光光７ａを透過させる。そして、この透過させた露光光７ａを露光投影系レンズ８により、１／４又は１／５のサイズに収束させた後、ウエハ９の上に設けられた均一な厚さのフォトレジスト層（図示せず）に照射し、その後、このフォトレジスト層の現像を行うことにより、ウエハ９上にフォトレジストパターンを形成することができる。

２．フォトマスクの製造方法
次に、上記フォトマスクの製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｅ）は、フォトマスクの製造工程を示す断面図であり、各断面図は、図２（ｂ）の断面図と同じ断面についてのものである。

２−１．電子線照射工程
まず、図４（ａ）に示すように、スパッタリング法や真空蒸着法等により石英ガラスからなる透明基板５上にクロムからなる遮光膜１１を７０ｎｍの厚さで形成する。次に、遮光膜１１上にポジレジストである電子線レジストを塗布し、電子線レジスト層１３を形成する。次に、電子線レジスト層１３のうち、遮光膜１１の開口部の設計位置を覆う部分に第１電子ビーム１５を照射する。次に、遮光膜１１の接続パターン３の設計位置を覆う部分に第２電子ビーム１７を照射する。第２電子ビームは、現像工程で電子線レジスト層１３の膜厚を１／２にできるように電荷量を調節して照射する。

２−２．現像工程
次に、電子線レジスト層１３の現像を行い、図４（ｂ）に示す構造を得る。

２−３．遮光膜パターニング工程
次に、平行平板型反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)法等のドライエッチング法により、電子線レジスト層１３をマスクとして用いて、遮光膜１１のパターニングを行い、図４（ｃ）に示す構造を得る。このとき、遮光パターン２及び接続パターン３が形成され、平面図が図２（ａ）のようになる。この時点では、遮光パターン２と接続パターン３の膜厚は同じである。

遮光膜１１のエッチングには、テトラクロロメタン（ＣＣｌ₄）と酸素（Ｏ₂）を流量比率１：３に調整したエッチングガス、又はジクロロメタン（ＣＨ₂Ｃｌ₂）と酸素を流量比率１：３に調整したエッチングガスを使用できる。何れのエッチングガスも、クロムからなる遮光膜１１に対するエッチング速度を大きくすることができるので、エッチングの際に、電子線レジスト層１３や透明基板５等は、ダメージを受けにくい。

２−４．アッシング工程
次に、酸素ガスを用いて電子線レジスト層１３のアッシングを行うことにより、電子線レジスト層１３の膜厚を全体的に薄くし、接続パターン３を露出させ、図４（ｄ）に示す構造を得る。

２−５．接続パターン薄化工程
次に、時間を計りながら、接続パターン３をエッチングすることにより、接続パターン３を膜厚１０ｎｍになるまで薄くし、図４（ｅ）に示す構造を得る。接続パターン３の薄化は、遮光膜１１のエッチングと同様のエッチングガスを用いて行う。

２−６．電子線レジスト層剥離工程
最後に、硫酸と過酸化水素水とが質量比３：１で混合されてなる剥離液を用いて、電子線レジスト層１３を除去し、図２（ｂ）に示す構造を得て、フォトマスクの製造を完了する。

（シミュレーションによる検証）
遮光パターンの転写形状の劣化低減の効果を確認するためにシミュレーションを行った。シミュレーションには、KLA-Tencor社製のProlithというソフトウエアを用いた。シミュレーションの照明条件としては、露光光の波長を２４８ｎｍ、露光投影レンズの開口数（ＮＡ）を０．５、照明系のシグマ（絞り）を０．８とした。

本発明の実施例のフォトマスクのシミュレーションでは、図５に示すように、シミュレーション領域２１中において、光透過率が９０％の透明基板２３上に、２５０ｎｍ幅の遮光パターン２５を２つと、２つの遮光パターン２５の間を接続する４０ｎｍ幅の接続パターン２７とを配置した。遮光パターン２５及び接続パターン２７の光透過率は、それぞれ、０％、５０％とした。また、比較例として、接続パターン２７の光透過率を０％としたものについてもシミュレーションを行った。

実施例及び比較例のフォトマスクを用いたシミュレーションでの、フォトマスクを通過した露光光の強度分布を図６（ａ），（ｂ）に示す。図６（ａ），（ｂ）は、それぞれ、実施例、比較例についての結果を示す。図中の「大」、「小」は、それぞれ、光強度の相対値が大きい、小さいことを示している。光強度の相対値の具体的な値は、図６（ａ），（ｂ）に示している通りである。
図６（ａ），（ｂ）を比較すると、図６（ｂ）の方が、光強度が高い領域（０．５９〜０．７７の領域）が遮光パターン２５間の領域（接続パターン２７上の領域）へ大きく突出していることが分かる。このことは、実施例では接続パターン２７による光強度の低下が、比較例に比べて小さいことを示している。従って、本発明によれば、接続パターン上での光強度の低下を抑制することができることが分かる。

次に、遮光パターンの転写形状（すなわち、フォトマスク上のパターンをフォトレジスト層に転写して得られるレジストパターン２９の形状）についてのシミュレーション結果を図７（ａ），（ｂ）に示す。図７（ａ），（ｂ）は、それぞれ、実施例、比較例についての結果を示す。図７（ａ），（ｂ）から明らかなように、実施例では遮光パターンの転写形状の劣化が、比較例よりも小さいことが分かる。従って、本発明によれば、遮光パターンの転写形状の劣化を低減することができることが分かる。

本発明に係る、遮光パターンの膜厚と光透過率との関係を示すグラフである。 本発明の実施例に係る、フォトマスクの構造を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）はＩ−Ｉ断面図である。 本発明の実施例のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程を説明するための構成図である。 本発明の実施例のフォトマスクの製造工程を示す断面図である。 本発明に係るシミュレーションのための遮光パターン及び接続パターンの配置を示す平面図である。 本発明に係るシミュレーションでの、フォトマスクを通過した露光光の強度分布を示す。（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施例、比較例の結果を示す。 本発明に係るシミュレーションでの、遮光パターンの転写形状を示す。（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施例、比較例の結果を示す。

符号の説明

１：フォトマスク ２：遮光パターン ３：接続パターン ５：透明基板 ７：露光光源 ７ａ：露光光 ８：露光投影系レンズ ９：ウエハ １１：遮光膜 １３：電子線レジスト層 １５：第１電子ビーム １７：第２電子ビーム ２１：シミュレーション領域 ２３：透明基板 ２５：遮光パターン ２７：接続パターン ２９：レジストパターン

Claims (8)

1. 透明基板に設けられている相互に独立した複数の遮光パターンと、これらの遮光パターン間を電気的に接続する接続パターンを有し、
   前記接続パターンは、フォトリソグラフィ工程で転写されない幅であり、かつ半透明であることを特徴とするフォトマスク。
2. 前記接続パターンは、遮光パターンと同一材料からなり、遮光パターンよりも膜厚が薄い請求項１に記載のフォトマスク。
3. 前記接続パターンは、線幅が、露光光の波長以下である請求項１に記載のフォトマスク。
4. 前記接続パターンは、線幅が、０．１５μｍ以下である請求項１に記載のフォトマスク。
5. 前記遮光パターンは、クロム、酸化クロム又はクロムフロライドからなる請求項１に記載のフォトマスク。
6. 前記遮光パターンは、厚さが７０ｎｍ〜２００ｎｍである請求項１に記載のフォトマスク。
7. 前記接続パターンは、厚さが５ｎｍ〜６０ｎｍである請求項１に記載のフォトマスク。
8. 透明基板上に設けられた遮光膜をパターニングすることによって、相互に独立した複数の遮光パターンと、これらの遮光パターン間を電気的に接続し、かつフォトリソグラフィ工程で転写されない幅である接続パターンとを形成し、
   接続パターンを薄くして半透明にする工程を備えるフォトマスクの製造方法。