JP2008026822A - フォトマスクの製造方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 透明基板の透過率補正を高精度に行うことができ、ｈｐ４５ｎｍ以下という極微細な半導体デバイスの製造歩留まり向上をはかる。
【解決手段】 フォトマスクの製造方法であって、透明基板上に遮光膜パターンが形成されたフォトマスクを用意する工程（Ｓ４）と、パターンの寸法のマスク面内分布を測定することにより、パターン寸法マップを生成する工程（Ｓ６）と、パターン形成領域を複数の領域に区切り、該複数の各領域に透過率補正係数を決定し、透過率補正係数マップを生成する工程（Ｓ３）と、パターン寸法マップと透過率補正係数マップから各領域の透過率補正値を求める工程（Ｓ７）と、透過率補正値に基づいて、各領域に対応する透明基板の透過率を変化させる工程（Ｓ８）とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトマスクの製造方法に係わり、特に透明基板の透過率を場所により変化させるようにしたフォトマスクの製造方法に関する。また本発明は、この方法で作製されたフォトマスクを用いた半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体デバイスの微細化が進むにつれ、フォトリソグラフィ工程での微細化に対する要求が高まっている。既に、最先端のデバイスの設計ルールはハーフピッチ（ｈｐ）４５ｎｍにまで微細化し、液浸露光と偏光照明を組み合わせた露光により何とか微細化に対応している。

このような状況下で、フォトマスクに求められる寸法均一性は益々厳しくなり、マスク寸法の面内均一性が２ｎｍ（３σ）という値が必要とされている。そして、マスク寸法を補正する技術として、石英基板の透過率を変化させる技術が用いられている。これは、マスクパターン寸法の開口部が相対的に広くできてしまった場所の石英の透過率を下げることで、露光装置でウェハ上に転写する際に実質的に所望のパターン寸法にできるというものである。透過率を下げる手法は、フェムトレーザーによりガラス内部に微小な異質層を形成し、この異質層で露光光が散乱されることで透過率を下げることを可能にしている（例えば、特許文献１参照）。

この方法では、石英基板の透過率変化量をマスクの寸法面内分布に対して一定の関係にて調整している。具体的には、マスク上の寸法が所望の値よりも１ｎｍずれていたときの透過率変化量を１％とし、このマスク寸法と透過率の関係をマスク面内一定としている。即ち、マスク寸法が所望の値よりも３ｎｍ開口部が広くなってしまったところは石英の透過率を３％下げるといった具合である。

マスク寸法と透過率の関係（以降、透過率補正係数と呼ぶことにする）は、一般にはセル部と呼ばれるもっとも微細なパターンに対して合わせてある。しかし、マスク上のパターンは微細なパターンもあればそうでないパターンもあるため、セル部に合わせた透過率補正係数では過補正になってしまう領域が存在することが分かってきた。これは、微細なパターンほどマスク上の寸法変動に対してウェハ上の寸法変動が大きいためで、いわゆるマスクエラー増大要因（ＭＥＦ：Mask Error enhancement Factor）の値が大きいのである。ＭＥＦは以下の式
ＭＥＦ＝マスク倍率×ウェハ上の寸法変動／マスク上の寸法変動 …（１）
で表される。

現在のウェハ露光装置は１／４縮小転写なのでマスク倍率は通常４である。転写するパターンのサイズが露光波長に対して十分に大きければ、ＭＥＦはほぼ１になる。この場合は、マスク上の寸法変動はウェハ上の寸法変動に換算すると１／４になる。これは、ウェハ露光装置が１／４縮小転写のためである。

しかしながら、露光波長以下の微細パターンを形成している近年のリソグラフィではＭＥＦは２以上になり、マスク上の寸法変動に対してより敏感になっている。そのため、例えば微細なパターンでは１ｎｍ当たり１％の透過率補正でよかったものが、微細でないパターンでは１ｎｍ当たり０．５％でよくなっており、微細なパターンに合わせて補正すると微細でないパターンに対しては過剰に補正してしまうことになる。
国際特許出願公開番号 WO 2005/008333 A2

このように従来、マスクのパターン寸法を補正するために石英基板の透過率を変化させる方法においては、ＭＥＦの値がパターン寸法により異なることから、透過率の補正を高精度に行うことはできなかった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、透明基板の透過率補正を高精度に行うことができ、これによりｈｐ４５ｎｍ以下という極微細な半導体デバイスの製造歩留まり向上をはかり得るフォトマスクの製造方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上記の方法により作製されたフォトマスクを用いて半導体装置を製造するための半導体装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち、本発明の一態様は、フォトマスクの製造方法であって、透明基板上に遮光体パターンが形成されたフォトマスクを用意する工程と、前記パターンの寸法のマスク面内分布を測定することにより、パターン寸法マップを生成する工程と、前記パターンの形成領域を複数の領域に区切り、該複数の各領域に透過率補正係数を決定し、透過率補正係数マップを生成する工程と、前記パターン寸法マップと透過率補正係数マップから前記各領域の透過率補正値を求める工程と、前記透過率補正値に基づいて、前記各領域に対応する透明基板の透過率を変化させる工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、パターンサイズに応じて高精度に透過率を変化させたフォトマスクを実現することが可能になり、ｈｐ４５ｎｍ以下の微細パターンを有したデバイス製造歩留まりを格段に向上させることが可能になる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるフォトマスクの製造方法を説明するためのフローチャートである。なお、この図では、フォトマスクの製造に続いて半導体装置を製造するまでの工程を示している。

まず、マスク上に形成する８０ｍｍ角領域のパターンデータに対して、マスク上５００μｍ角領域毎に区切り（ステップＳ１）、各領域に対して透過率補正係数を決定する（ステップＳ２）。そして、図２に示すような透過率補正係数マップを作成した（ステップＳ３）。ここで、透過率補正係数は、パターンのサイズに依存して決定した。具体的には、５００μｍ角領域内の平均のパターンピッチを用いて透過率補正係数を求めた。パターンピッチが小さいほど大きい透過率補正係数となる。

次に、図３（ａ）に示すように、通常のマスク製造プロセスにより、透明基板としての石英基板３１上に、ＭｏＳｉＯＮによるＡｒＦ用ハーフトーン（ＨＴ）パターン３２を形成した（ステップＳ４）。このフォトマスクは、欠陥検査や欠陥修正も終えてある。そして、形成したＨＴパターンの寸法をＳＥＭにより測定した（ステップＳ５）。測定は８０ｍｍ角のパターン内を４ｍｍピッチで４４１点を測定した。この測定データから、図４に示すような８０ｍｍ角領域のパターン寸法マップを作成した（ステップＳ６）。

このパターン寸法マップは、パターン寸法値そのものではなく、所望パターンに対する実パターンの相対的な値で記述してある。これは、透過率補正の原理が透過率を下げることができても上げることはできないため、抜きパターン寸法（遮光体の無い部分の幅のパターン寸法を意味する）が最も小さい値になっているパターン測定値を基準として記述してある。即ち、本実施形態では全て正の値で記述してあり、値が大きいほど抜きパターン寸法が大きくなっていることを示すマップである。

次に、図２の透過率補正係数マップと図４のパターン寸法マップから、５００μｍ角領域の各領域に対して透過率補正値を決定した（ステップＳ７）。即ち、透過率補正係数マップとして区切った任意の５００μｍ角領域の透過率補正係数とその領域に対応するパターン寸法マップのパターン寸法差の値を掛け合わせることで、透過率補正値を計算し、図５に示すような透過率補正値マップを作成した。この補正値マップの値が下げるべき透過率の量を示している。例えば、透過率補正値が５の場合は、透過率を５％下げることを示している。なお、パターン寸法マップでは測定点が４ｍｍピッチであり５００μｍ領域と大きさが合わないが、測定点と測定点の間は内挿法により補完した。

そして、図３（ｂ）に示すように、石英基板３１にレーザー光３３を照射することにより、石英基板３１の透過率を部分的に下げた（ステップＳ８）。具体的には、レーザー透過率補正装置（国際特許出願番号 WO 2005/008333）を用いて、マスク上５００μｍ角領域毎に石英基板内にフェムト秒レーザー光照射により屈折率の異なる異質層を形成することによって、石英基板３１の透過率を下げた。このとき、透過率補正値マップを透過率補正装置（ＣＤＣ）に読み込ませ、透過率補正値マップ通りになるように透過率を下げた。

次に、通常のフォトマスク製造プロセスを用いて、洗浄、ペリクル貼り付けなどを行ってフォトマスクを完成させた（ステップＳ９）。そして、このフォトマスクを用い、図３（ｃ）に示すように、投影レンズ３４を介してウェハ３５上のレジスト３６にパターンを縮小転写する（ステップＳ１０）。具体的には、フォトマスクを液浸露光装置にセットし、ハーフピッチ４５ｎｍのデバイスパターンをウェハ３５上のレジスト３６に転写した。さらに、レジスト３６をマスクとしてウェハ３５にエッチング処理を施すことにより半導体装置を作製した（ステップＳ１１）。その結果、従来よりもパターン寸法の均一性が向上していることが確認できた。これにより、リソグラフィの余裕度が拡大し半導体装置製造歩留まりを大きく向上させることが可能になった。

このように本実施形態によれば、マスク面内の所定の領域毎の透過率補正係数マップを生成すると共に、マスク面内のパターン寸法マップを生成する。そして、透過率補正係数マップとパターン寸法マップから透過率補正領域の補正値を算出する。これにより、従来よりも格段に高精度に石英基板の透過率補正が可能になり、その結果、ｈｐ４５ｎｍ以下という極微細な半導体デバイスの製造が歩留まり良く可能になった。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係わるフォトマスクの製造方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態の基本的なプロセスは第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態と異なる点は、領域毎に定めたＭＥＦ値に基づいて透過率補正係数を決定したことにある。

本実施形態では、まず第１の実施形態と同様に、マスク上に形成する８０ｍｍ角領域のパターンデータに対して、マスク上５００μｍ角領域毎に区切り（ステップＳ１）、各領域に対してその領域内の最大のＭＥＦ値をその領域のＭＥＦ値として決定した（ステップＳ１２）。さらに、このＭＥＦ値から前記図２に示すような透過率補正係数を決定した（ステップＳ２）。ＭＥＦ値と透過率補正係数との関係は一意であり、一般には１次式で記述される。即ち、
透過率補正係数＝Ａ×ＭＥＦ値＋Ｂ …（２）
である。そして、決定した各領域の透過率補正係数から透過率補正係数マップを作成した（ステップＳ３）。

次に、通常のマスク製造プロセスによって、石英基板上にＭｏＳｉＯＮによるＡｒＦ用ＨＴパターンを形成した（ステップＳ４）。このフォトマスクは、欠陥検査や欠陥修正も終えてある。そして、形成したＨＴパターンの寸法をＳＥＭにより測定した（ステップＳ５）。測定は８０ｍｍ角のパターン内を４ｍｍピッチで４４１点を測定した。この測定データから、前記図４に示すような８０ｍｍ角領域のパターン寸法マップを作成した。

次に、図２の透過率補正係数マップと図４のパターン寸法マップから５００μｍ角領域の各領域に対して透過率補正値を決定した（ステップＳ７）。以降、第１の実施形態と同様に、レーザー透過率補正装置（ＣＤＣ）を用いて、透過率補正値マップ通りになるように透過率を下げた（ステップＳ８）。

次に、第１の実施形態と同様に、通常のフォトマスク製造プロセスを用いて、洗浄、ペリクル貼り付けなどを行いフォトマスクを完成させた（ステップＳ１０）。そして、このフォトマスクを液浸露光装置にセットし、ハーフピッチ４５ｎｍのデバイスパターンを転写した（ステップＳ１０）。さらに、レジストをマスクとしてウェハにエッチング処理を施すことにより、半導体装置を作製した（ステップＳ１１）。その結果、従来よりもパターン寸法の均一性が向上していることが確認できた。これにより、リソグラフィの余裕度が拡大し半導体装置製造歩留まりを大きく向上させることが可能になった。

このように本実施形態によれば、第１の実施形態に加え、マスク面内の所定の領域毎のＭＥＦ値を求めておき、予めＭＥＦ値と透過率補正係数の値の関係を定めておくことにより、第１の実施形態以上に精度良く石英基板の透過率補正が可能になる。その結果、ｈｐ４５ｎｍ以下という極微細な半導体デバイスの製造が歩留まり良く可能になった。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。この実施形態は、基本的には第２の実施形態と同様であるが、透過率補正のためにレーザー光の照射の代わりにイオン注入を利用している。

本実施形態では、まずマスク上に形成する８０ｍｍ角領域のパターンデータに対して、マスク上１ｍｍ角領域毎に区切り、各領域に対してＭＥＦ値を決定した。ここで、各々の領域でその領域内の最大のＭＥＦ値と平均のＭＥＦ値との中間値を、その領域のＭＥＦ値として決定した。そして、このＭＥＦ値から透過率補正係数を決定した。さらに、第２の実施形態と同じ要領で、各領域の透過率補正係数から前記図２に示すような透過率補正係数マップを作成した。

次に、通常のマスク製造プロセスにより石英基板上にＭｏＳｉＯＮによるＡｒＦ用ハーフトーン（ＨＴ）パターンを形成した。このフォトマスクは、欠陥検査や欠陥修正も終えてある。そして、形成したＨＴパターンの寸法をＳＥＭにより測定した。測定は８０ｍｍ角のパターン内を４ｍｍピッチで４４１点を測定した。この測定データから、前記図４に示すような８０ｍｍ角領域のパターン寸法マップを作成した。パターン寸法マップはパターン寸法値そのものではなく、相対的な値で記述してある。

次に、図２の透過率補正係数マップと図４のパターン寸法マップから１ｍｍ角領域の各領域に対して透過率補正値を決定した。そして本実施形態では、石英基板にイオン注入を行うことで透過率補正を行った。注入したイオン種はＧａイオンで、１ｍｍ角領域毎にイオン注入量を２×１０¹⁴〜２×１０¹⁶［ions/cm²］の範囲で変化させ、透過率補正値マップ通りになるように透過率を下げた。なお、本発明者らの実験によれば、１０¹⁵［ions/cm²］程度のＧａイオンを石英基板に注入することで１５％程度の透過率低下を確認している。

次に、通常のフォトマスク製造プロセスを用いて、洗浄、ペリクル貼り付けなどを行ってフォトマスクを完成させた。そして、このフォトマスクを液浸露光装置にセットし、ハーフピッチ４５ｎｍのデバイスパターンを転写したところ、従来よりもパターン寸法の均一性が向上していることが確認できた。これにより、リソグラフィの余裕度が拡大し半導体装置製造歩留まりを大きく向上させることが可能になった。

このように本実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、透過率補正のためにイオン注入を用いていることから、イオン注入量で透過率の低下量を簡易に且つ制御性良く設定することができる。従って、石英基板の透過率補正を更に精度良く行うことが可能になる。また、Ｇａイオンは、補正した石英基板の透過率が安定である特徴を持つ。即ち、透過率補正を行ったマスクにウェハ露光装置によるＡｒＦエキシマレーザー光を照射しても透過率変化を起こすことなく、補正した透過率を半永久的に維持できる結果が得られている。さらに、イオン注入前後のマスクの平坦度変化も２０ｎｍ以下と小さく、透過率補正を行うイオン種として非常に適したイオンである。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、ＭＥＦ値の決定に際しては、各領域内の複数のパターンの平均のＭＥＦ値、最も高いＭＥＦ値、又は平均のＭＥＦ値と最も高いＭＥＦ値の間のＭＥＦ値等を適宜選択して用いることができる。さらに、ＭＥＦ値を各領域内の代表パターン（寸法管理が厳しい重要なパターン）のＭＥＦ値としても良い。本発明者らの実験によれば、最大のＭＥＦ値を用いるとやや過補正気味になり、平均のＭＥＦ値を用いるとやや補正が足りない傾向があるので、平均のＭＥＦ値と最大のＭＥＦ値の間のＭＥＦ値を採用するのが良い場合があることを確認している。

また、実施形態では遮光体パターンの例としてハーフトーンパターンを用いた例を説明したが、通常の遮光膜のみによるパターンであっても良いのは勿論のことである。さらに、透過率を下げる方法もフェムト秒レーザーやイオン注入に限るものではなく、エネルギービームの照射により石英基板の透過率を部分的に低下させる方法であればよい。また、透明基板は必ずしも石英基板に限るものではなく、露光光に対して十分透過率の高い基板であればよい。また、透明基板の透過率を低下させるために注入するイオンは必ずしもＧａイオンに限るものではなく、他のイオン、例えばキセノンイオンを用いることも可能である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態に係わるマスク製造プロセスを示す流れ図。 透過率補正係数マップを示す図。 フォトマスクの形成からパターン転写までの工程を示す図。 パターン寸法マップを示す図。 透過率補正値マップを示す図。 第２の実施形態に係わるマスク製造プロセスを示す流れ図。

符号の説明

３１…石英基板（透明基板）
３２…ハーフトーンパターン
３３…レーザー光
３４…投影レンズ
３５…ウェハ
３６…レジスト

Claims (5)

1. 透明基板上に遮光体パターンが形成されたフォトマスクを用意する工程と、
   前記パターンの寸法のマスク面内分布を測定することにより、パターン寸法マップを生成する工程と、
   前記パターンの形成領域を複数の領域に区切り、該複数の各領域に透過率補正係数を決定し、透過率補正係数マップを生成する工程と、
   前記パターン寸法マップと透過率補正係数マップから前記各領域の透過率補正値を求める工程と、
   前記透過率補正値に基づいて、前記各領域に対応する透明基板の透過率を変化させる工程と、
   を含むことを特徴とするフォトマスクの製造方法。
2. 前記透過率補正係数マップを生成する工程において、前記フォトマスクのパターンを半導体ウェハ上に転写した際の、マスク上の寸法変動とウェハ上の寸法変動との関係を表すマスクエラー増大要因を求め、該マスクエラー増大要因を基に前記各領域の透過率補正係数を決定することを特徴とする請求項１記載のフォトマスクの製造方法。
3. 前記透明基板の透過率を変化させる工程として、レーザー光を前記透明基板に集光させて該透明基板内に異質領域を形成することを特徴とする請求項１記載のフォトマスクの製造方法。
4. 前記透明基板の透過率を変化させる工程として、イオン注入法により前記透明基板内にイオンを注入することを特徴とする請求項１記載のフォトマスクの製造方法。
5. 請求項１〜４の何れかに記載のフォトマスク製造方法により製造したフォトマスクを用い、ウェハ上に前記フォトマスクのパターンを転写することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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