JP3684206B2 - フォトマスク - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応性ガスプラズマを利用して被加工材表面のエッチングを行うプラズマエッチング方法に係り、特に、半導体素子の製造プロセスの内、リソグラフィプロセスにおいて使用されるフォトマスクを作成する際のプラズマエッチング方法、及びこの方法を適用したフォトマスクの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ａ．位相シフトマスク
図９に、リソグラフィプロセスにおいて使用されるステッパの概要を示す。フォトマスク１４４はステッパにセットされ、光源１４１から発射された光は、フライアイレンズ１４２及びコンデンサレンズ１４３を通って平行光線となってフォトマスク１４４に入射し、更に投影レンズ１４５を通ってウエハ１４６の表面に収束する。これによって、フォトマスク１４４上に形成されている遮光膜によるパターン１４４ａが、ウエハ１４６上に塗布されているレジスト１４６ａに縮小転写される。
【０００３】
最近の半導体素子の高集積化を志向した微細加工技術に対する要求の高度化に伴い、ステッパの光学系及びフォトマスクについて、パターン解像力の向上、露光焦点深度の増大などを目指した改良の試みが盛んに行われている。
【０００４】
その中で、フォトマスクに関しては、マスクパターン面上の一部に位相シフタを設け、光学像の一部を位相反転させて非反転部と重ね合わることによって、解像力を向上させ、且つ焦点深度を増加させる位相シフトマスクが開発されている。この様な位相シフトマスクとして、レベンソンマスク、ハーフトーンマスク、シフタエッジマスク、自己整合マスクなどが発表されている。これらの位相シフトマスクの中で、解像力、焦点深度の改善効果が最も大きいのは、レベンソンマスクである。
【０００５】
レベンソンマスクの構造の一例を図１０に示す。図１０は、特開昭６２−１８９４６８号公報に開示されている基板掘り込み型レベンソンマスクである。図１０において、１５１は石英ガラス製のマスク基板、１５２は遮光膜、１５４は位相シフタを表しており、マスク基板１５１を、所定のパターンに合わせて下式で与えられる深さｄだけ掘り込むことによって位相シフタ１５４が形成されている、
ｄ＝λ／２（ｎ−１） ・・・（１）
ここで、ｎはマスク基板の屈折率、λは露光波長を表す。
【０００６】
図１１に、基板掘り込み型レベンソンマスクの製造工程の概要を示す。先ず、図１１（ａ）に示す様に、遮光膜１５２によってパターンが形成されたマスク基板１５１の光透過部１５６の一つ置きに、図１１（ｂ）に示す様に、レジスト１５３のパターンを形成する。このレジストのパターンをマスクに用いて、マスク基板をエッチングすることにより位相シフタ１５４が形成される。その後、レジスト１５３を除去して、図１１（ｃ）に示す様な基板掘り込み型レベンソンマスクを得る。
【０００７】
位相シフタにより与えられる位相差は、１８０度近傍の所定の目標値に均一化されている必要がある。図１２は、透過光の強度分布に与えるフォーカスの条件の影響を示したものであり、縦軸は透過光の強度、横軸はウエハ表面上の位置、１５４は位相シフタ部、１５５は非シフタ部を表す。
【０００８】
図１２に示す様に、位相差が目標値（例えば１８０度）から外れた場合、露光の際、デフォーカス部分において、互いに隣接する開口部を透過した光の間でその強度に差が生じる。これによって、ウエハ上のデバイスパターンによる段差部において互いに隣接する開口部の間でパターン寸法に違いが生じ、デバイス特性を劣化させる要因となる。位相シフタにより得られる位相差は基板掘込み深さｄに比例する。この基板掘り込み深さはエッチング速度に依存するため、マスク基板面内でのエッチング速度を均一にする必要がある。
【０００９】
ｂ．プラズマエッチング
マスク基板のエッチングには、Ｓｉウエハのエッチングと同様に、異方性を備え微細パターンのエッチングが可能な、反応性イオンエッチングなどのプラズマエッチングが用いられる。プラズマエッチングは、反応室内で高周波電圧によって反応性ガスをプラズマ状態に解離させるとともに、反応室内にセットされた被加工材（マスク基板）に高周波電圧を印加して、被加工材の表面に電圧を励起させ、反応性ガスプラズマ中の電子あるいはイオンなどの荷電粒子を引き込むことによって、物理的及び化学的に被加工材の表面をエッチングするものである。プラズマエッチングにおいて、エッチング速度は被加工材の表面電圧の上昇に従って増大する。
【００１０】
ｃ．エッチング速度の不均一性（マスクパターンに起因するもの）
被加工材の表面でレジストなどの耐エッチング性被膜（エッチングマスク）によるパターンで覆われている非エッチング領域と、耐エッチング性被膜が取り除かれているエッチング領域とでは、プラズマエッチングの過程において、その材質の違いに起因して、電子あるいはイオンなどの荷電粒子による帯電量に差が生ずる。この様子を、図１３及び図１４に示す。
【００１１】
図１３は、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜のパターン１８６に隣接して、微細パターンの被エッチング部１８７が配置されている領域でのマスク基板表面の近傍における電位の分布の状態を示し、図１４は、微細パターンのみが配置されている領域１８８での電位の分布の状態を示す。図中、１８１はマスク基板、１８２は耐エッチング性被膜、１８９は等電位面を表す。
【００１２】
図１３に示される様に、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜１８６の近傍では、当該被膜１８６に蓄積された電荷によって電位分布が影響を受けるので、マスク基板の表面電圧が上昇する。他方、当該被膜１８６から離れるに従って、前記電荷による影響が小さくなり、マスク基板の表面電圧が低下する。この様に、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜の周辺部において、マスク基板の表面電圧に差が生ずる。エッチング速度はマスク基板の表面電圧に依存するので、その結果、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜の周辺部において、エッチング速度に差が現れる。他方、図１４に示される様に、微細パターンのみが配置され、それらの間のサイズの差が小さい領域では、耐エッチング性被膜１８２上の電荷蓄積量の差も小さくなり、領域内での表面電圧の差はほとんど問題にならない。
【００１３】
以上の様な現象に起因して、例えば、図１５に示される様な、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜１８６の近傍に存在する位相シフタ２０７と、当該被膜１８６から遠く離れた位置に存在する位相シフタ２０８とを較べると、当該被膜１８６の近傍の位相シフタ２０７の部分の方が表面電位が高いので、エッチング速度が大きくなる。この結果、当該被膜１８６から離れた位置にある位相シフタ２０８の位相差を、目標値通り１８０度に加工した場合、当該被膜１８６の近傍の位相シフタ２０７の位相差は１８０度よりも大きくなり、前者の位相シフタ２０８と較べて、焦点深度が低下すると言う問題が生じる。
【００１４】
ｄ．エッチング速度の不均一性（マスク基板の厚みに起因するもの）
以上のマスクパターンの配置の粗密による影響に加えて、マスク基板が厚い場合には、以下で説明する様に、マスク基板の中心部と周縁部との間でエッチング速度に差が現れる。
【００１５】
従来のフォトマスクでは、マスク基板として、例えば一辺５インチのものが使用されていた。ところが、現在では、より露光有効面積の大きい一辺６インチのものが主流になりつつある。マスク基板の大型化に伴い、ステッパ装着時のマスク基板の自重による撓みが増大し、その結果、投影露光像にパターンサイズの変動、パターンの歪み等が生じるため露光時の焦点深度が低下する問題がある。このため、実際には、上記の撓みを減少させるべくマスク基板の厚みを増加させている。
【００１６】
マスク基板の自重による撓みωは、マスク基板を平板と仮定したとき、一辺の長さをａ、厚さをｈ、自重をＰ、ヤング率をＥ、αを撓み係数とすると、次式で表される。
【００１７】
ω＝α・Ｐ・ａ4 ／（Ｅ・ｈ3 ）・・・（２）
従って、厚さの異なる（ｈ1 ，ｈ2 ）２枚の基板の間での撓み（ω1 ，ω2 ）の比は、次式で表される。
【００１８】
ω1 ／ω2 ＝（ｈ1 ／ｈ2 ）2 ・・・（３）
従来、フォトマスクを作成する場合、マスク基板として、ステッパに装着した時の自重による撓みに対して十分な強度を持つ厚い透光性基板を用い、その表面にマスクパターンを直接、形成していた。
【００１９】
プラズマエッチングにおいては、前述の様に、エッチング速度はマスク基板の表面電圧の増加に従って増大する。他方、高周波電圧は物体を透過する際に減衰を生じる。例えば、図１６に示す様に、０．２５インチ厚及び０．０９インチ厚の石英基板について、その基板の表面電圧を比較すると、同じ高周波電圧パワーを与えた場合、０．２５インチ厚の石英基板の基板表面電圧は、０．０９インチ厚の石英基板の基板表面電圧の２分の１程度しかならない。
【００２０】
この様に、マスク基板の厚みの増加に伴って高周波電圧の透過率が低下すると、マスク基板の上方の空間部に存在する反応ガスのプラズマ中の反応性イオンを、マスク基板の表面に引き付ける力が減少する結果、エッチング速度が低下する。
【００２１】
図１７は、マスク基板に高周波電圧を印加した場合の、エッチング速度に対する高周波電圧の透過率の影響を示したものである。図中、ａ、ｂ、ｃは、それぞれ、マスク基板がない場合、マスク基板が薄く高周波電圧の透過率が高い場合、マスク基板が厚く高周波電圧の透過率が小さい場合における、マスク基板の中心付近でのエッチング速度に対応している。これに対して、マスク基板の周縁部付近では、マスク基板を透過する高周波電圧よりもマスク基板の周囲に形成される高周波電場の寄与が大きいので、エッチング速度は、中心部と比較してマスク基板の厚さの影響を受けにくい。
【００２２】
以上の様な、マスク基板の中心部と周縁部との間のエッチング速度の差は、マスク基板が薄い場合には、余り問題にはならない。一方、マスク基板が厚くなった場合には、マスク基板の中心部と周縁部との間のエッチング速度の差が拡大するので、大きな問題となる。即ち、マスク基板が厚い場合、基板の周縁部における基板表面電圧が相対的に高めになるので、エッチング速度が相対的に増大し、マスク基板面内でのエッチング量の均一性が損なわれる。
【００２３】
更に、図１８に示す様に、マスク基板３１の周囲に、マスク基板よりも導電率が高い部材３７が配置される様な構造の反応室３５を有するプラズマエッチング装置においては、マスク基板の周縁部付近に高周波電圧の通過経路としてマスク基板の底面から表面に透過する経路４１の他に、マスク基板の周囲を透過する経路４２が存在する。高周波電圧は、導電率の高い物質を透過し易いので、印加された高周波電圧パワーは経路４２に集中する。これにより、経路４２を透過する高周波電圧は、マスク基板が存在しない場合の透過率１００％よりも大きくなるので、マスク基板の中心部と周縁部との間での基板表面電圧の差が、更に拡大する。これに伴って、マスク基板の中心部と周縁部との間でのエッチング速度の差が拡大し、その結果、マスク基板面内でのエッチング量の均一性が損なわれ、加工寸法精度を低下させる原因となる。
【００２４】
以上の様に、プラズマエッチングによって位相シフトマスクを加工する場合、マスク基板の厚さの影響によって、マスク基板の中心部付近に配置された位相シフタと、マスク基板の周縁部付近に配置された位相シフタとの間で、得られる位相差に差が生ずると言う問題がある。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の様な問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、プラズマエッチングによって被加工材の表面にパターンを加工する際に、被加工材の表面におけるエッチング速度の均一性を改善して、エッチング形状の精度を向上させる方法を提供することにある。特に、位相シフトマスクの作成の際に、マスク基板の面内で、位相シフタの位相差の均一性を確保することが可能なプラズマエッチング方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマエッチング方法は、
表面に遮光膜、半透明膜あるいはレジストによるパターンが形成された透光性基板の、前記遮光膜、前記半透明膜あるいは前記透光性基板を反応性ガスプラズマを利用してエッチングする際に、前記透光性基板の厚さを、前記透光性基板を透過する高周波電圧の透過率が８０％以上になる様に設定する。
【００２７】
図１に、石英基板の厚さと高周波電圧透過率との関係の一例を示す。図１に示す様に、石英基板の場合、その厚さを１ｍｍ以下とすれば、透過率として８０％以上の値が得られる。
【００２８】
なお、透光性基板（マスク基板）を上記の様に薄くした場合、曲げ剛性が大幅に不足するので、プラズマエッチングの終了後、その裏面に透光性の支持板を接合してフォトマスクとする。一例として、６インチ角のフォトマスクの場合、石英基板の厚さを１ｍｍとし、透光性の支持板の厚さを５．３ｍｍとすると、石英基板単体で構成されたフォトマスクの自重による撓みは０．７４μｍであるのに対し、前記支持板を裏面に接合したフォトマスクの撓みは０．０２μｍとなる。この様に、フォトマスクの撓みを小さく押さえることにより、このフォトマスクを用いたリソグラフィプロセスにおける、露光光学像の焦点深度を大きくすることができる。
【００２９】
また、本発明の第二のプラズマエッチング方法は、
導電性ステージの上に被加工材を載せて、反応性ガスプラズマを利用して被加工材の表面をエッチングする際に、前記被加工材の周囲の前記導電性ステージの上に絶縁シールドを配置するとともに、前記被加工材の厚さを、前記被加工材を透過する高周波電圧の透過率が、前記絶縁シールドを透過する高周波電圧の透過率とほぼ等しくなる様に設定することを特徴とする。具体的には、前記被加工材を透過する高周波電圧の透過率が、前記絶縁シールドを透過する高周波電圧の透過率の８０％以上、１２０％以下になる様に、前記被加工材の板厚を設定する。
【００３０】
例えば、図２に示す様なプラズマエッチング装置において、高周波電圧のパワーが透過する経路を、コンデンサで構成された回路でモデル化し、石英基板３１（被加工材）の比誘電率をεr 、厚さをＤr 、絶縁シールド３６の比誘電率をεs 、厚さをＤs とすると、石英基板３１の厚さＤr を、
Ｄr ＝（εr ／εs ）・Ｄs ・・・（４）
とした場合に、石英基板３１及び絶縁シールド３６を透過する高周波電圧のパワーが等しくなる。一例として、絶縁シールド３６を厚さ２ｍｍのアルミナ（比誘電率εs ＝８．５）で作成した場合、石英基板（比誘電率＝３．８）の厚さを１ｍｍ程度に設定すればよい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３２】
［例１］
マスク基板の板厚を調整することによって高周波電圧の透過率を増大させ、プラズマエッチングの際、マスク基板面内でエッチング速度の均一化を図る例について説明する。
【００３３】
図３に、先に示したプラズマエッチング装置（図２）を用いて、石英基板のプラズマエッチングを行った場合の、石英基板の厚さと基板表面電圧との関係を示す。プラズマエッチングの条件としては、反応性ガスとしてＣｌ2 ガスを用い、その流量を２５ｓｃｃｍ、反応室内の圧力を０．５ｍＴｏｒｒ、印加する高周波電圧の周波数を１３．５６ＭＨｚとし、高周波のパワーを６０、７５及び１００Ｗの３水準とした。図３に示す様に、高周波パワーが、それぞれ、６０、７５、１００Ｗの時、厚さが６．４ｍｍの石英基板では、基板表面電圧（Ｖdc）は、それぞれ、１５、２０、３０Ｖ程度となった。一方、厚さが１ｍｍの石英基板では、基板表面電圧（Ｖdc）は、それぞれ、６０、８０、１２０Ｖ程度まで増加した。石英基板の厚さを１ｍｍとすることにより、石英基板を透過する際の高周波電圧の減衰量が減少して、印加した高周波電圧のパワーが、十分に、基板表面に達して、基板表面電圧が増加することがわかる。
【００３４】
［例２］
次に、厚さの異なる石英基板を用いてプラズマエッチングを行い、基板面内でのエッチング速度の分布を測定した。石英基板は、６インチ角で、板厚は１ｍｍ及び６．４ｍｍである。図４に、使用した電子ビーム励起プラズマエッチング装置の概要を示す。図中、３１は石英基板、３２は導電性ステージ（サセプタ）、３３は高周波電源、３４は反応性ガスプラズマ、３５は反応室、９７は電子ビーム、９８はビームラインを表す。エッチングの条件としては、反応ガスをＣＦ4 、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応チャンバ内の圧力を０．５ｍＴｏｒｒ、印加する高周波電圧のパワーを６０Ｗとした。
【００３５】
図５に、エッチング速度の面内分布を示す、図中、横軸は基板のエッジからの距離、縦軸はエッチング速度を表す。従来、フォトマスクに使用されている厚さ６．４ｍｍ、一辺１５２ｍｍの正方形の石英基板の場合、基板周縁部でのエッチング速度が、中心部のエッチング速度に較べて４０％程度も大きくなっている。一方、本発明に基く厚さ１ｍｍの石英基板の場合、石英基板の中心部のエッチング速度が増大した結果、基板周縁部と中心部とのエッチング速度の差は３％まで縮小して、基板全体でのエッチング速度の均一性が改善されている。
【００３６】
［例３］
次に、上記のプラズマエッチング方法を、基板掘り込み型レベンソンマスクの作成に適用した例について説明する。
【００３７】
６インチ角、厚さ６．４ｍｍ及び１ｍｍの石英基板を用いて、上記と同じエッチングの条件で、位相シフタの加工を行った。基板掘り込み型レベンソンマスクの作成プロセスの概要は、先に示したもの（図１１）と同一である。露光波長を２４８ｎｍとし、位相シフタの目標エッチング量を２４５ｎｍに設定した。
【００３８】
エッチング時間は、厚さ１ｍｍの石英基板については８分、厚さ６．４ｍｍの石英基板については１１分とした。なお、装置安定性に起因するエッチング速度変動によるエッチング量のずれをなくすため、マスク基板中心付近にエッチング量モニター用のパターンを配置し、このエッチング量を段差測定器で測定し、中心部のエッチング量を目標値に一致させた。
【００３９】
フォトマスクの中心部における目標の位相シフト量を１８０°に設定したとき、厚さ１ｍｍの石英基板を用いた場合、基板中心部と周縁部との間の位相シフト量のずれは２．６°であった。一方、厚さ６．４ｍｍの石英基板を用いた場合、基板中心部と周縁部との間の位相シフト量のずれは７２°であった。
【００４０】
次に、上記の様にして作成されたフォトマスクを用いてラインアンドスペースパターンの露光を行った。
【００４１】
なお、厚さ１ｍｍの石英基板のフォトマスクをそのまま露光装置にセットすると、先に述べた様に、マスク基板の自重による撓みが大きく、焦点深度が低下する。例えば、６インチ角、厚さ１ｍｍのフォトマスクの露光領域を１２０ｍｍ角としたとき、露光領域内での基板の撓み量はおよそ０．５８μｍとなり、その撓み量分の露光焦点深度が低下する。そこで、厚さ１ｍｍの石英基板については、厚さ５．３ｍｍの透光性基板を接合して、自重による撓みを抑えた。図６に、このフォトマスクの断面図を示す。図中、１１は厚さ１ｍｍの石英基板、１２は遮光膜、１１６は補強用の透光性の支持板を表す。
【００４２】
透光性の支持板１１６の材質は、撓みに対して十分な剛性を有し、且つ、石英基板１１との界面で露光光の反射を抑えることができる材質を選ぶ必要がある。基板の自重による撓みωは、一辺の長さをａ、板厚をｈ、自重をＰ、Ｅをヤング率、αを撓み係数とすると、次式で表される。
【００４３】
ω＝α・Ｐ・ａ4 ／（Ｅ・ｈ3 ）・・・（５）
上式から、支持板１１６としては、その密度をρとした場合、（ρ／Ｅ）の値が石英基板１１と同等かあるいはそれ以下である材料で構成されていることが望ましい。
【００４４】
また、界面での反射を抑えるために、支持板１１６の光学定数ｎ（屈折率）、ｋ（消衰係数）については、石英基板１１のそれとの違いが１％以内であることが望ましい。更に、石英基板１１に支持板１１６を接合する方法についても、界面での反射を十分、抑えることが可能な接合方法を採用する必要がある。この例では、両基板を圧着する方法を採用した。具体的には、両基板界面を真空中で接合し、これを大気中に取り出す真空接合法を用いた。
【００４５】
この様にして接合されたフォトマスクを用いて、露光波長２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．７５、σ＝０．３の露光装置でサイズ０．１５μｍのラインアンドスペ−スパターンの投影露光を行ったところ、マスク全面で１．７μｍの焦点深度が得られた。一方、従来方式の厚さ６．４ｍｍの石英基板を用いたフォトマスクを用いて同様のラインアンドスペ−スパターンを投影露光した場合には、マスク基板周縁部において位相シフト効果が低下して、ウエハ上の段差部ではパターンを解像することが不可能であった。
【００４６】
次に、本発明の方法に基くプラズマエッチング方法によって位相シフタを加工したフォトマスクを用いて、ＤＲＡＭのチップの露光を行った。
【００４７】
作成したフォトマスクは、１Ｇ−ＤＲＡＭのメモリセル部配線層のフォトマスクである。厚さ１ｍｍの石英基板を用いて、メモリセル部のビット線・ワード線を構成する０．１５μｍデザインルール周期パターン部に位相シフタを設けた。なお、位相シフタのエッチングには、先に示した電子ビーム励起プラズマエッチング装置（図４）を用いた。エッチングの条件としては、反応ガスをＣＦ4 、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応チャンバ内の圧力を０．５Ｔｏｒｒ、ＲＦバイアスを６０Ｗとし、エッチング時間を８分間とした。位相シフタの加工の後、石英基板の裏面に、厚さ５．３ｍｍの石英製の透光性支持板を接合した。
【００４８】
このフォトマスクを用いてＤＲＡＭのチップの露光を行ったところ、チップ全面で、メモリセル部のビット線・ワード線のパターンを寸法精度良く解像することができ、デバイスの電気的特性を向上することができた。なお、従来方式のフォトマスクを用いた場合には、チップ周縁部での寸法制御性が悪く、段差部で絶縁性が低下したりあるいは逆に導通したりして、均一な電気的特性は得られなかった。
【００４９】
［例４］
マスク基板の周囲の導電性ステージ上に絶縁シールドすることによって、プラズマエッチングの際、マスク基板面内でエッチング速度の均一化を図る例について説明する。
【００５０】
先に図２に示したプラズマエッチング装置を用いて、絶縁シールド３６として厚さ２ｍｍのアルミナ製の板を使用し、被加工材３１として厚さ１ｍｍの石英基板を用いてエッチングを行った場合の石英基板の表面近傍での電位分布状態の模式図を、図７に示す。なお、プラズマエッチングの条件としては、反応性ガスとしてＣＦ4 ガスを用い、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応室内の圧力を０．５ｍＴｏｒｒとし、高周波電圧のパワーを６０Ｗとした。
【００５１】
以上の様に、石英基板３１の周囲の導電性ステージ上に絶縁シールド３６を配置してプラズマエッチングを行った場合、導電性ステージから反応チャンバの上部に透過する高周波電圧が、導電性ステージ上で、石英基板３１が載せられた部分と、その周囲に配置された絶縁シールド３６の部分とで等しくなるため、電位分布３９が全面で一様になる。その結果、エッチング速度の面内均一性が改善され、更に、露光光に対する位相の制御性が向上し、露光光学像の焦点深度を大きくすることができる。
【００５２】
なお、比較のために、絶縁シールドを使用しない従来のエッチング装置の場合の、石英基板３１の表面近傍での電位分布状態の模式図を、図８に示す。石英基板３１の周囲に導電率が高い部材３７が配置されている場合、石英基板の周縁部の電圧が増大するので、電位分布３９が不均一になる。
【００５３】
［例５］
次に、上記のプラズマエッチング方法を、基板掘り込み型レベンソンマスクの作成に適用した例について説明する。
【００５４】
プラズマエッチング装置は、先に示したもの（図２）と同一である。絶縁シールド３６として厚さ２ｍｍのアルミナ板（比誘電率８．５）を使用し、マスク基板３１として厚さ１ｍｍの石英基板を使用した。作成したフォトマスクはレベンソンマスクである。エッチングの条件としては、反応性ガスをＣＦ4 、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応チャンバ内圧力を０．５ｍＴｏｒｒ、印加する高周波電圧のパワーを６０Ｗとし、露光波長２４８ｎｍに対する位相シフタ深さ２４５ｎｍを得るため、エッチング時間を７分３０秒に設定した。
【００５５】
この条件で位相シフタのエッチングを行った結果、厚さ１ｍｍの石英基板の全面で、目標位相差１８０°に対して、誤差を１．８°以内に抑えることができた。このマスク基板に、厚さ５．３ｍｍの透光性支持板を接合して、剛性を補った。この様にして得られたフォトマスクを用いて、０．１５μｍサイズのラインアンドスペースパターンを、露光波長２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．７５、σ＝０．３の露光装置により投影露光した結果、焦点深度１．９μｍを得た。
【００５６】
なお、本発明に基くプラズマエッチング方法は、以上に示した例に限定されるものではない。
【００５７】
エッチングマスクとなるレジスト上に形成する被膜の種類については、他のＳｉＯ2 膜（スパッタ膜）や、エッチングガスに対する反応がマスク基板材と類似している他の膜でも良い。
【００５８】
また、エッチングマスクもレジストに限定されるものではなく、水酸基、カルボン酸基、アルデヒド骨格を有する有機樹脂などを用いても良い。
【００５９】
また、レジストのシリル化に気相シリル化材ＴＭＤＳを用いたが、この他、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）、ＤＭＳＤＥＡ（ジエチルアミノジメチルアミン）、ＴＭＳＤＥＡ（ジエチルアミノトリメチルシラン）、ＴＭＳＤＭＡ（ジメチルアミノトリメチルシラン）、ＤＭＳＤＭＡ（ジメチルシリルジメチルアミン）、など他の気相シリル化材を用いても良い。また、ＨＭＣＴＳ（ヘキサメチルシクロトリシラザン）、（Ｂ）ＤＭＡＤＭＳ（ビス−ジメチルアミノジメチルシラン）、（Ｂ）ＤＭＡＭＳ（ビス−ジメチルアミノメチルシラン）などの溶液中に浸して液相シリル化処理を行っても良い。上記の例では、エッチングマスクの処理はシリル化のみによって行ったが、位相シフタのプラズマエッチング前に、シリル化されたレジスト表面をオゾン、一酸化炭素など酸化性ガス雰囲気中に曝すなどの処理を付加し、表面を酸化しても良い。
【００６０】
マスク基板の厚さを調整して、エッチング量の面内均一性を向上させる方法におけるマスク基板等の板厚、あるいは支持基板の接合方法についても上記の例に限定されるものではない。
【００６１】
例えば、接合する透光性支持板の厚さについては、接合する透光性支持板の厚さについて、マスク基板を接合する前のフォトマスク中央部パターンの焦点深度をｄ、透光性基板を接合した後のフォトマスクの撓みをω、基板の１辺の長さをａ、露光有効エリアの長さをｂとすると、
露光波長が２４８ｎｍ以下の場合、
ｄ−ω×ｂ／ａ＞１．０μｍ、
露光波長が２４８ｎｍ以上の場合、
ｄ−ω×ｂ／ａ＞１．５μｍ、
の関係を満足する様に、透光性の支持板の厚さを選択するのが好ましい。
【００６２】
また、透光性支持板を接合する方法としては、例えば、屈折率が透光性基板のそれと近い接着剤を、マスク基板の裏面全面に塗布し接着する方法でもある。または露光用マスクの露光領域外のみに接着剤を塗布して接着する方法もある。またはクリップでとめる方法もある。
【００６３】
被加工材の周囲に絶縁シールドを配置して、エッチング量の面内均一性を向上させる方法における絶縁シールドの材質についてもアルミナに限定されるものではない。例えば蛍石の様な、比誘電率が３．８以上の材料ならば使用することができる。
【００６４】
本発明に基くプラズマエッチング方法が適用されるプラズマエッチング装置についても、図２に示される平行平板型ＲＩＥ、あるいは図４に示される電子ビーム励起プラズマエッチング装置に限定されるものではなく、他の種類のＲＩＥ装置など、プラズマ中の荷電粒子を彼加工材の表面に引き付けて異方性エッチングを行う装置において、本発明の方法を適用できる。
【００６５】
また、本発明に基くプラズマエッチング方法を適用して作成されるフォトマスクの例として、基板掘り込み型レベンソンマスクを示したが、他の種類のフォトマスクを作成する場合にも、本発明の方法を適用できる。例えば、透光性膜からなる位相シフタを基板上に堆積させた後、シフタパターンをエッチングして作成されるレベンソンマスク、あるいは、上記の例によって作成されたレベンソンマスクに、更に、光透過部の石英基板全てにウェットエッチング或いは異方性エッチングを付加したレベンソンマスク等を作成する際にも、本発明の方法を適用できる。更に、レベンソンマスクのみでなく、シフタエッジ型、ハーフトーン型などのマスクを作成する際にも、本発明の方法を適用できる。
【００６６】
露光に使用する光源に関しても、上記の例で用いたＫｒＦエキシマレーザー光源（波長２４８ｎｍ）のみでなく、例えばｇ線、ｉ線等の、他の波長で露光を行うフォトマスクに対しても、本発明の方法により作成されたフォトマスクを適用することができる。
【００６７】
更に、本発明のプラズマエッチング方法は、石英基板などマスク基板のエッチングに限定されるものではない。この他に、被加工材として、Ｓｉウエハなどの半導体基板、液晶基板などを用いた場合にも、本発明を適用できる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明のプラズマエッチング方法の様に、マスク基板として、従来と比較して板厚が薄い基板を使用すれば、基板中央部と基板周縁部との間のエッチング速度の均一性が向上し、高精度のフォトマスクを作成することができる。その結果、投影露光光学像の焦点深度を大幅に改善することができる。
【００６９】
また、上記の方法に加えて、本発明による第二のプラズマエッチング方法の様に、マスク基板の周囲の導電性ステージの上に絶縁シールドを配置して、マスク基板を透過する高周波電圧と、当該絶縁シールドを透過する高周波電圧を同等に調整すれば、更に、高精度のフォトマスクを作成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】石英基板の厚さと高周波電圧の透過率の関係を示す図。
【図２】被加工材の周囲に絶縁シールドが配置されたプラズマエッチング装置の概要を示す図。
【図３】石英基板の厚さと表面電圧の関係を示す図。
【図４】電子ビーム励起プラズマエッチング装置の概要を示す図。
【図５】基板周縁部からの距離とエッチング速度の関係を示す図。
【図６】マスク基板の裏面に透光性の支持板を接合したフォトマスクの断面図。
【図７】本発明の方法に基くプラズマエッチングの際のマスク基板の近傍の電位分布を示す図。
【図８】従来の方法に基くプラズマエッチングの際のマスク基板の近傍の電位分布を示す図。
【図９】ステッパの概略構成図。
【図１０】基板掘り込み型レベンソンマスクの概略図。
【図１１】基板掘り込み型レベンソンマスクの作成の工程を示す図。（ａ）〜（ｃ）は各工程における断面図を表す。
【図１２】レベンソンマスクの光学像の一例を示した図。
【図１３】マスク基板表面近傍の等電位面を示す図。
【図１４】マスク基板表面近傍の等電位面を示す図。
【図１５】実際のフォトマスクのパターンの一例を示す図。
【図１６】高周波電圧パワーと基板表面電圧の関係の一例を示す図。
【図１７】高周波電圧の透過率とエッチング速度の関係の一例を示す図。
【図１８】プラズマエッチング装置において、マスク基板等を透過する高周波電圧の状況を説明する図。
【符号の説明】
１１・・・マスク基板、１２・・・遮光膜、３１・・・石英基板、３２・・・導電性ステージ、３３・・・高周波電源、３４・・・反応性ガスプラズマ、３５・・・反応室、３６・・・絶縁シールド、３７・・・導電性部材、３９・・・等電位面、９７・・・電子ビーム、９８・・・ビームライン、１１６・・・透光性の支持板、１４１・・・光源、１４２・・・フライアイレンズ、１４３・・・コンデンサレンズ、１４４・・・フォトマスク、１４４ａ・・・遮光膜パターン、１４５・・・投影レンズ、１４６・・・ウエハ、１４６ａ・・・レジスト、１５１・・・マスク基板、１５２・・・遮光膜、１５３・・・レジスト、１５４・・・位相シフタ、１５５・・・非シフタ部、１５６・・・開口部、１８１・・・マスク基板、１８２・・・遮光膜、１８６・・・比較的大きな面積のエッチングマスク、１８７、１８８、２０７、２０８・・・微細パターン、１８９・・・等電位面。
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応性ガスプラズマを利用して被加工材表面のエッチングを行うプラズマエッチング方法に係り、特に、半導体素子の製造プロセスの内、リソグラフィプロセスにおいて使用されるフォトマスクを作成する際のプラズマエッチング方法、及びこの方法を適用したフォトマスクの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ａ．位相シフトマスク
図９に、リソグラフィプロセスにおいて使用されるステッパの概要を示す。フォトマスク１４４はステッパにセットされ、光源１４１から発射された光は、フライアイレンズ１４２及びコンデンサレンズ１４３を通って平行光線となってフォトマスク１４４に入射し、更に投影レンズ１４５を通ってウエハ１４６の表面に収束する。これによって、フォトマスク１４４上に形成されている遮光膜によるパターン１４４ａが、ウエハ１４６上に塗布されているレジスト１４６ａに縮小転写される。
【０００３】
最近の半導体素子の高集積化を志向した微細加工技術に対する要求の高度化に伴い、ステッパの光学系及びフォトマスクについて、パターン解像力の向上、露光焦点深度の増大などを目指した改良の試みが盛んに行われている。
【０００４】
その中で、フォトマスクに関しては、マスクパターン面上の一部に位相シフタを設け、光学像の一部を位相反転させて非反転部と重ね合わることによって、解像力を向上させ、且つ焦点深度を増加させる位相シフトマスクが開発されている。この様な位相シフトマスクとして、レベンソンマスク、ハーフトーンマスク、シフタエッジマスク、自己整合マスクなどが発表されている。これらの位相シフトマスクの中で、解像力、焦点深度の改善効果が最も大きいのは、レベンソンマスクである。
【０００５】
レベンソンマスクの構造の一例を図１０に示す。図１０は、特開昭６２−１８９４６８号公報に開示されている基板掘り込み型レベンソンマスクである。図１０において、１５１は石英ガラス製のマスク基板、１５２は遮光膜、１５４は位相シフタを表しており、マスク基板１５１を、所定のパターンに合わせて下式で与えられる深さｄだけ掘り込むことによって位相シフタ１５４が形成されている、
ｄ＝λ／２（ｎ−１） ・・・（１）
ここで、ｎはマスク基板の屈折率、λは露光波長を表す。
【０００６】
図１１に、基板掘り込み型レベンソンマスクの製造工程の概要を示す。先ず、図１１（ａ）に示す様に、遮光膜１５２によってパターンが形成されたマスク基板１５１の光透過部１５６の一つ置きに、図１１（ｂ）に示す様に、レジスト１５３のパターンを形成する。このレジストのパターンをマスクに用いて、マスク基板をエッチングすることにより位相シフタ１５４が形成される。その後、レジスト１５３を除去して、図１１（ｃ）に示す様な基板掘り込み型レベンソンマスクを得る。
【０００７】
位相シフタにより与えられる位相差は、１８０度近傍の所定の目標値に均一化されている必要がある。図１２は、透過光の強度分布に与えるフォーカスの条件の影響を示したものであり、縦軸は透過光の強度、横軸はウエハ表面上の位置、１５４は位相シフタ部、１５５は非シフタ部を表す。
【０００８】
図１２に示す様に、位相差が目標値（例えば１８０度）から外れた場合、露光の際、デフォーカス部分において、互いに隣接する開口部を透過した光の間でその強度に差が生じる。これによって、ウエハ上のデバイスパターンによる段差部において互いに隣接する開口部の間でパターン寸法に違いが生じ、デバイス特性を劣化させる要因となる。位相シフタにより得られる位相差は基板掘込み深さｄに比例する。この基板掘り込み深さはエッチング速度に依存するため、マスク基板面内でのエッチング速度を均一にする必要がある。
【０００９】
ｂ．プラズマエッチング
マスク基板のエッチングには、Ｓｉウエハのエッチングと同様に、異方性を備え微細パターンのエッチングが可能な、反応性イオンエッチングなどのプラズマエッチングが用いられる。プラズマエッチングは、反応室内で高周波電圧によって反応性ガスをプラズマ状態に解離させるとともに、反応室内にセットされた被加工材（マスク基板）に高周波電圧を印加して、被加工材の表面に電圧を励起させ、反応性ガスプラズマ中の電子あるいはイオンなどの荷電粒子を引き込むことによって、物理的及び化学的に被加工材の表面をエッチングするものである。プラズマエッチングにおいて、エッチング速度は被加工材の表面電圧の上昇に従って増大する。
【００１０】
ｃ．エッチング速度の不均一性（マスクパターンに起因するもの）
被加工材の表面でレジストなどの耐エッチング性被膜（エッチングマスク）によるパターンで覆われている非エッチング領域と、耐エッチング性被膜が取り除かれているエッチング領域とでは、プラズマエッチングの過程において、その材質の違いに起因して、電子あるいはイオンなどの荷電粒子による帯電量に差が生ずる。この様子を、図１３及び図１４に示す。
【００１１】
図１３は、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜のパターン１８６に隣接して、微細パターンの被エッチング部１８７が配置されている領域でのマスク基板表面の近傍における電位の分布の状態を示し、図１４は、微細パターンのみが配置されている領域１８８での電位の分布の状態を示す。図中、１８１はマスク基板、１８２は耐エッチング性被膜、１８９は等電位面を表す。
【００１２】
図１３に示される様に、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜１８６の近傍では、当該被膜１８６に蓄積された電荷によって電位分布が影響を受けるので、マスク基板の表面電圧が上昇する。他方、当該被膜１８６から離れるに従って、前記電荷による影響が小さくなり、マスク基板の表面電圧が低下する。この様に、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜の周辺部において、マスク基板の表面電圧に差が生ずる。エッチング速度はマスク基板の表面電圧に依存するので、その結果、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜の周辺部において、エッチング速度に差が現れる。他方、図１４に示される様に、微細パターンのみが配置され、それらの間のサイズの差が小さい領域では、耐エッチング性被膜１８２上の電荷蓄積量の差も小さくなり、領域内での表面電圧の差はほとんど問題にならない。
【００１３】
以上の様な現象に起因して、例えば、図１５に示される様な、比較的大きな面積の耐エッチング性被膜１８６の近傍に存在する位相シフタ２０７と、当該被膜１８６から遠く離れた位置に存在する位相シフタ２０８とを較べると、当該被膜１８６の近傍の位相シフタ２０７の部分の方が表面電位が高いので、エッチング速度が大きくなる。この結果、当該被膜１８６から離れた位置にある位相シフタ２０８の位相差を、目標値通り１８０度に加工した場合、当該被膜１８６の近傍の位相シフタ２０７の位相差は１８０度よりも大きくなり、前者の位相シフタ２０８と較べて、焦点深度が低下すると言う問題が生じる。
【００１４】
ｄ．エッチング速度の不均一性（マスク基板の厚みに起因するもの）
以上のマスクパターンの配置の粗密による影響に加えて、マスク基板が厚い場合には、以下で説明する様に、マスク基板の中心部と周縁部との間でエッチング速度に差が現れる。
【００１５】
従来のフォトマスクでは、マスク基板として、例えば一辺５インチのものが使用されていた。ところが、現在では、より露光有効面積の大きい一辺６インチのものが主流になりつつある。マスク基板の大型化に伴い、ステッパ装着時のマスク基板の自重による撓みが増大し、その結果、投影露光像にパターンサイズの変動、パターンの歪み等が生じるため露光時の焦点深度が低下する問題がある。このため、実際には、上記の撓みを減少させるべくマスク基板の厚みを増加させている。
【００１６】
マスク基板の自重による撓みωは、マスク基板を平板と仮定したとき、一辺の長さをａ、厚さをｈ、自重をＰ、ヤング率をＥ、αを撓み係数とすると、次式で表される。
【００１７】
ω＝α・Ｐ・ａ4 ／（Ｅ・ｈ3 ）・・・（２）
従って、厚さの異なる（ｈ1 ，ｈ2 ）２枚の基板の間での撓み（ω1 ，ω2 ）の比は、次式で表される。
【００１８】
ω1 ／ω2 ＝（ｈ1 ／ｈ2 ）2 ・・・（３）
従来、フォトマスクを作成する場合、マスク基板として、ステッパに装着した時の自重による撓みに対して十分な強度を持つ厚い透光性基板を用い、その表面にマスクパターンを直接、形成していた。
【００１９】
プラズマエッチングにおいては、前述の様に、エッチング速度はマスク基板の表面電圧の増加に従って増大する。他方、高周波電圧は物体を透過する際に減衰を生じる。例えば、図１６に示す様に、０．２５インチ厚及び０．０９インチ厚の石英基板について、その基板の表面電圧を比較すると、同じ高周波電圧パワーを与えた場合、０．２５インチ厚の石英基板の基板表面電圧は、０．０９インチ厚の石英基板の基板表面電圧の２分の１程度しかならない。
【００２０】
この様に、マスク基板の厚みの増加に伴って高周波電圧の透過率が低下すると、マスク基板の上方の空間部に存在する反応ガスのプラズマ中の反応性イオンを、マスク基板の表面に引き付ける力が減少する結果、エッチング速度が低下する。
【００２１】
図１７は、マスク基板に高周波電圧を印加した場合の、エッチング速度に対する高周波電圧の透過率の影響を示したものである。図中、ａ、ｂ、ｃは、それぞれ、マスク基板がない場合、マスク基板が薄く高周波電圧の透過率が高い場合、マスク基板が厚く高周波電圧の透過率が小さい場合における、マスク基板の中心付近でのエッチング速度に対応している。これに対して、マスク基板の周縁部付近では、マスク基板を透過する高周波電圧よりもマスク基板の周囲に形成される高周波電場の寄与が大きいので、エッチング速度は、中心部と比較してマスク基板の厚さの影響を受けにくい。
【００２２】
以上の様な、マスク基板の中心部と周縁部との間のエッチング速度の差は、マスク基板が薄い場合には、余り問題にはならない。一方、マスク基板が厚くなった場合には、マスク基板の中心部と周縁部との間のエッチング速度の差が拡大するので、大きな問題となる。即ち、マスク基板が厚い場合、基板の周縁部における基板表面電圧が相対的に高めになるので、エッチング速度が相対的に増大し、マスク基板面内でのエッチング量の均一性が損なわれる。
【００２３】
更に、図１８に示す様に、マスク基板３１の周囲に、マスク基板よりも導電率が高い部材３７が配置される様な構造の反応室３５を有するプラズマエッチング装置においては、マスク基板の周縁部付近に高周波電圧の通過経路としてマスク基板の底面から表面に透過する経路４１の他に、マスク基板の周囲を透過する経路４２が存在する。高周波電圧は、導電率の高い物質を透過し易いので、印加された高周波電圧パワーは経路４２に集中する。これにより、経路４２を透過する高周波電圧は、マスク基板が存在しない場合の透過率１００％よりも大きくなるので、マスク基板の中心部と周縁部との間での基板表面電圧の差が、更に拡大する。これに伴って、マスク基板の中心部と周縁部との間でのエッチング速度の差が拡大し、その結果、マスク基板面内でのエッチング量の均一性が損なわれ、加工寸法精度を低下させる原因となる。
【００２４】
以上の様に、プラズマエッチングによって位相シフトマスクを加工する場合、マスク基板の厚さの影響によって、マスク基板の中心部付近に配置された位相シフタと、マスク基板の周縁部付近に配置された位相シフタとの間で、得られる位相差に差が生ずると言う問題がある。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の様な問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、プラズマエッチングによって被加工材の表面にパターンを加工する際に、被加工材の表面におけるエッチング速度の均一性を改善して、エッチング形状の精度を向上させる方法を提供することにある。特に、位相シフトマスクの作成の際に、マスク基板の面内で、位相シフタの位相差の均一性を確保することが可能なプラズマエッチング方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマエッチング方法は、
表面に遮光膜、半透明膜あるいはレジストによるパターンが形成された透光性基板の、前記遮光膜、前記半透明膜あるいは前記透光性基板を反応性ガスプラズマを利用してエッチングする際に、前記透光性基板の厚さを、前記透光性基板を透過する高周波電圧の透過率が８０％以上になる様に設定する。
【００２７】
図１に、石英基板の厚さと高周波電圧透過率との関係の一例を示す。図１に示す様に、石英基板の場合、その厚さを１ｍｍ以下とすれば、透過率として８０％以上の値が得られる。
【００２８】
なお、透光性基板（マスク基板）を上記の様に薄くした場合、曲げ剛性が大幅に不足するので、プラズマエッチングの終了後、その裏面に透光性の支持板を接合してフォトマスクとする。一例として、６インチ角のフォトマスクの場合、石英基板の厚さを１ｍｍとし、透光性の支持板の厚さを５．３ｍｍとすると、石英基板単体で構成されたフォトマスクの自重による撓みは０．７４μｍであるのに対し、前記支持板を裏面に接合したフォトマスクの撓みは０．０２μｍとなる。この様に、フォトマスクの撓みを小さく押さえることにより、このフォトマスクを用いたリソグラフィプロセスにおける、露光光学像の焦点深度を大きくすることができる。
【００２９】
また、本発明の第二のプラズマエッチング方法は、
導電性ステージの上に被加工材を載せて、反応性ガスプラズマを利用して被加工材の表面をエッチングする際に、前記被加工材の周囲の前記導電性ステージの上に絶縁シールドを配置するとともに、前記被加工材の厚さを、前記被加工材を透過する高周波電圧の透過率が、前記絶縁シールドを透過する高周波電圧の透過率とほぼ等しくなる様に設定することを特徴とする。具体的には、前記被加工材を透過する高周波電圧の透過率が、前記絶縁シールドを透過する高周波電圧の透過率の８０％以上、１２０％以下になる様に、前記被加工材の板厚を設定する。
【００３０】
例えば、図２に示す様なプラズマエッチング装置において、高周波電圧のパワーが透過する経路を、コンデンサで構成された回路でモデル化し、石英基板３１（被加工材）の比誘電率をεr 、厚さをＤr 、絶縁シールド３６の比誘電率をεs 、厚さをＤs とすると、石英基板３１の厚さＤr を、
Ｄr ＝（εr ／εs ）・Ｄs ・・・（４）
とした場合に、石英基板３１及び絶縁シールド３６を透過する高周波電圧のパワーが等しくなる。一例として、絶縁シールド３６を厚さ２ｍｍのアルミナ（比誘電率εs ＝８．５）で作成した場合、石英基板（比誘電率＝３．８）の厚さを１ｍｍ程度に設定すればよい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３２】
［例１］
マスク基板の板厚を調整することによって高周波電圧の透過率を増大させ、プラズマエッチングの際、マスク基板面内でエッチング速度の均一化を図る例について説明する。
【００３３】
図３に、先に示したプラズマエッチング装置（図２）を用いて、石英基板のプラズマエッチングを行った場合の、石英基板の厚さと基板表面電圧との関係を示す。プラズマエッチングの条件としては、反応性ガスとしてＣｌ2 ガスを用い、その流量を２５ｓｃｃｍ、反応室内の圧力を０．５ｍＴｏｒｒ、印加する高周波電圧の周波数を１３．５６ＭＨｚとし、高周波のパワーを６０、７５及び１００Ｗの３水準とした。図３に示す様に、高周波パワーが、それぞれ、６０、７５、１００Ｗの時、厚さが６．４ｍｍの石英基板では、基板表面電圧（Ｖdc）は、それぞれ、１５、２０、３０Ｖ程度となった。一方、厚さが１ｍｍの石英基板では、基板表面電圧（Ｖdc）は、それぞれ、６０、８０、１２０Ｖ程度まで増加した。石英基板の厚さを１ｍｍとすることにより、石英基板を透過する際の高周波電圧の減衰量が減少して、印加した高周波電圧のパワーが、十分に、基板表面に達して、基板表面電圧が増加することがわかる。
【００３４】
［例２］
次に、厚さの異なる石英基板を用いてプラズマエッチングを行い、基板面内でのエッチング速度の分布を測定した。石英基板は、６インチ角で、板厚は１ｍｍ及び６．４ｍｍである。図４に、使用した電子ビーム励起プラズマエッチング装置の概要を示す。図中、３１は石英基板、３２は導電性ステージ（サセプタ）、３３は高周波電源、３４は反応性ガスプラズマ、３５は反応室、９７は電子ビーム、９８はビームラインを表す。エッチングの条件としては、反応ガスをＣＦ4 、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応チャンバ内の圧力を０．５ｍＴｏｒｒ、印加する高周波電圧のパワーを６０Ｗとした。
【００３５】
図５に、エッチング速度の面内分布を示す、図中、横軸は基板のエッジからの距離、縦軸はエッチング速度を表す。従来、フォトマスクに使用されている厚さ６．４ｍｍ、一辺１５２ｍｍの正方形の石英基板の場合、基板周縁部でのエッチング速度が、中心部のエッチング速度に較べて４０％程度も大きくなっている。一方、本発明に基く厚さ１ｍｍの石英基板の場合、石英基板の中心部のエッチング速度が増大した結果、基板周縁部と中心部とのエッチング速度の差は３％まで縮小して、基板全体でのエッチング速度の均一性が改善されている。
【００３６】
［例３］
次に、上記のプラズマエッチング方法を、基板掘り込み型レベンソンマスクの作成に適用した例について説明する。
【００３７】
６インチ角、厚さ６．４ｍｍ及び１ｍｍの石英基板を用いて、上記と同じエッチングの条件で、位相シフタの加工を行った。基板掘り込み型レベンソンマスクの作成プロセスの概要は、先に示したもの（図１１）と同一である。露光波長を２４８ｎｍとし、位相シフタの目標エッチング量を２４５ｎｍに設定した。
【００３８】
エッチング時間は、厚さ１ｍｍの石英基板については８分、厚さ６．４ｍｍの石英基板については１１分とした。なお、装置安定性に起因するエッチング速度変動によるエッチング量のずれをなくすため、マスク基板中心付近にエッチング量モニター用のパターンを配置し、このエッチング量を段差測定器で測定し、中心部のエッチング量を目標値に一致させた。
【００３９】
フォトマスクの中心部における目標の位相シフト量を１８０°に設定したとき、厚さ１ｍｍの石英基板を用いた場合、基板中心部と周縁部との間の位相シフト量のずれは２．６°であった。一方、厚さ６．４ｍｍの石英基板を用いた場合、基板中心部と周縁部との間の位相シフト量のずれは７２°であった。
【００４０】
次に、上記の様にして作成されたフォトマスクを用いてラインアンドスペースパターンの露光を行った。
【００４１】
なお、厚さ１ｍｍの石英基板のフォトマスクをそのまま露光装置にセットすると、先に述べた様に、マスク基板の自重による撓みが大きく、焦点深度が低下する。例えば、６インチ角、厚さ１ｍｍのフォトマスクの露光領域を１２０ｍｍ角としたとき、露光領域内での基板の撓み量はおよそ０．５８μｍとなり、その撓み量分の露光焦点深度が低下する。そこで、厚さ１ｍｍの石英基板については、厚さ５．３ｍｍの透光性基板を接合して、自重による撓みを抑えた。図６に、このフォトマスクの断面図を示す。図中、１１は厚さ１ｍｍの石英基板、１２は遮光膜、１１６は補強用の透光性の支持板を表す。
【００４２】
透光性の支持板１１６の材質は、撓みに対して十分な剛性を有し、且つ、石英基板１１との界面で露光光の反射を抑えることができる材質を選ぶ必要がある。基板の自重による撓みωは、一辺の長さをａ、板厚をｈ、自重をＰ、Ｅをヤング率、αを撓み係数とすると、次式で表される。
【００４３】
ω＝α・Ｐ・ａ4 ／（Ｅ・ｈ3 ）・・・（５）
上式から、支持板１１６としては、その密度をρとした場合、（ρ／Ｅ）の値が石英基板１１と同等かあるいはそれ以下である材料で構成されていることが望ましい。
【００４４】
また、界面での反射を抑えるために、支持板１１６の光学定数ｎ（屈折率）、ｋ（消衰係数）については、石英基板１１のそれとの違いが１％以内であることが望ましい。更に、石英基板１１に支持板１１６を接合する方法についても、界面での反射を十分、抑えることが可能な接合方法を採用する必要がある。この例では、両基板を圧着する方法を採用した。具体的には、両基板界面を真空中で接合し、これを大気中に取り出す真空接合法を用いた。
【００４５】
この様にして接合されたフォトマスクを用いて、露光波長２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．７５、σ＝０．３の露光装置でサイズ０．１５μｍのラインアンドスペ−スパターンの投影露光を行ったところ、マスク全面で１．７μｍの焦点深度が得られた。一方、従来方式の厚さ６．４ｍｍの石英基板を用いたフォトマスクを用いて同様のラインアンドスペ−スパターンを投影露光した場合には、マスク基板周縁部において位相シフト効果が低下して、ウエハ上の段差部ではパターンを解像することが不可能であった。
【００４６】
次に、本発明の方法に基くプラズマエッチング方法によって位相シフタを加工したフォトマスクを用いて、ＤＲＡＭのチップの露光を行った。
【００４７】
作成したフォトマスクは、１Ｇ−ＤＲＡＭのメモリセル部配線層のフォトマスクである。厚さ１ｍｍの石英基板を用いて、メモリセル部のビット線・ワード線を構成する０．１５μｍデザインルール周期パターン部に位相シフタを設けた。なお、位相シフタのエッチングには、先に示した電子ビーム励起プラズマエッチング装置（図４）を用いた。エッチングの条件としては、反応ガスをＣＦ4 、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応チャンバ内の圧力を０．５Ｔｏｒｒ、ＲＦバイアスを６０Ｗとし、エッチング時間を８分間とした。位相シフタの加工の後、石英基板の裏面に、厚さ５．３ｍｍの石英製の透光性支持板を接合した。
【００４８】
このフォトマスクを用いてＤＲＡＭのチップの露光を行ったところ、チップ全面で、メモリセル部のビット線・ワード線のパターンを寸法精度良く解像することができ、デバイスの電気的特性を向上することができた。なお、従来方式のフォトマスクを用いた場合には、チップ周縁部での寸法制御性が悪く、段差部で絶縁性が低下したりあるいは逆に導通したりして、均一な電気的特性は得られなかった。
【００４９】
［例４］
マスク基板の周囲の導電性ステージ上に絶縁シールドすることによって、プラズマエッチングの際、マスク基板面内でエッチング速度の均一化を図る例について説明する。
【００５０】
先に図２に示したプラズマエッチング装置を用いて、絶縁シールド３６として厚さ２ｍｍのアルミナ製の板を使用し、被加工材３１として厚さ１ｍｍの石英基板を用いてエッチングを行った場合の石英基板の表面近傍での電位分布状態の模式図を、図７に示す。なお、プラズマエッチングの条件としては、反応性ガスとしてＣＦ4 ガスを用い、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応室内の圧力を０．５ｍＴｏｒｒとし、高周波電圧のパワーを６０Ｗとした。
【００５１】
以上の様に、石英基板３１の周囲の導電性ステージ上に絶縁シールド３６を配置してプラズマエッチングを行った場合、導電性ステージから反応チャンバの上部に透過する高周波電圧が、導電性ステージ上で、石英基板３１が載せられた部分と、その周囲に配置された絶縁シールド３６の部分とで等しくなるため、電位分布３９が全面で一様になる。その結果、エッチング速度の面内均一性が改善され、更に、露光光に対する位相の制御性が向上し、露光光学像の焦点深度を大きくすることができる。
【００５２】
なお、比較のために、絶縁シールドを使用しない従来のエッチング装置の場合の、石英基板３１の表面近傍での電位分布状態の模式図を、図８に示す。石英基板３１の周囲に導電率が高い部材３７が配置されている場合、石英基板の周縁部の電圧が増大するので、電位分布３９が不均一になる。
【００５３】
［例５］
次に、上記のプラズマエッチング方法を、基板掘り込み型レベンソンマスクの作成に適用した例について説明する。
【００５４】
プラズマエッチング装置は、先に示したもの（図２）と同一である。絶縁シールド３６として厚さ２ｍｍのアルミナ板（比誘電率８．５）を使用し、マスク基板３１として厚さ１ｍｍの石英基板を使用した。作成したフォトマスクはレベンソンマスクである。エッチングの条件としては、反応性ガスをＣＦ4 、その流量を１５ｓｃｃｍ、反応チャンバ内圧力を０．５ｍＴｏｒｒ、印加する高周波電圧のパワーを６０Ｗとし、露光波長２４８ｎｍに対する位相シフタ深さ２４５ｎｍを得るため、エッチング時間を７分３０秒に設定した。
【００５５】
この条件で位相シフタのエッチングを行った結果、厚さ１ｍｍの石英基板の全面で、目標位相差１８０°に対して、誤差を１．８°以内に抑えることができた。このマスク基板に、厚さ５．３ｍｍの透光性支持板を接合して、剛性を補った。この様にして得られたフォトマスクを用いて、０．１５μｍサイズのラインアンドスペースパターンを、露光波長２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．７５、σ＝０．３の露光装置により投影露光した結果、焦点深度１．９μｍを得た。
【００５６】
なお、本発明に基くプラズマエッチング方法は、以上に示した例に限定されるものではない。
【００５７】
エッチングマスクとなるレジスト上に形成する被膜の種類については、他のＳｉＯ2 膜（スパッタ膜）や、エッチングガスに対する反応がマスク基板材と類似している他の膜でも良い。
【００５８】
また、エッチングマスクもレジストに限定されるものではなく、水酸基、カルボン酸基、アルデヒド骨格を有する有機樹脂などを用いても良い。
【００５９】
また、レジストのシリル化に気相シリル化材ＴＭＤＳを用いたが、この他、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）、ＤＭＳＤＥＡ（ジエチルアミノジメチルアミン）、ＴＭＳＤＥＡ（ジエチルアミノトリメチルシラン）、ＴＭＳＤＭＡ（ジメチルアミノトリメチルシラン）、ＤＭＳＤＭＡ（ジメチルシリルジメチルアミン）、など他の気相シリル化材を用いても良い。また、ＨＭＣＴＳ（ヘキサメチルシクロトリシラザン）、（Ｂ）ＤＭＡＤＭＳ（ビス−ジメチルアミノジメチルシラン）、（Ｂ）ＤＭＡＭＳ（ビス−ジメチルアミノメチルシラン）などの溶液中に浸して液相シリル化処理を行っても良い。上記の例では、エッチングマスクの処理はシリル化のみによって行ったが、位相シフタのプラズマエッチング前に、シリル化されたレジスト表面をオゾン、一酸化炭素など酸化性ガス雰囲気中に曝すなどの処理を付加し、表面を酸化しても良い。
【００６０】
マスク基板の厚さを調整して、エッチング量の面内均一性を向上させる方法におけるマスク基板等の板厚、あるいは支持基板の接合方法についても上記の例に限定されるものではない。
【００６１】
例えば、接合する透光性支持板の厚さについては、接合する透光性支持板の厚さについて、マスク基板を接合する前のフォトマスク中央部パターンの焦点深度をｄ、透光性基板を接合した後のフォトマスクの撓みをω、基板の１辺の長さをａ、露光有効エリアの長さをｂとすると、
露光波長が２４８ｎｍ以下の場合、
ｄ−ω×ｂ／ａ＞１．０μｍ、
露光波長が２４８ｎｍ以上の場合、
ｄ−ω×ｂ／ａ＞１．５μｍ、
の関係を満足する様に、透光性の支持板の厚さを選択するのが好ましい。
【００６２】
また、透光性支持板を接合する方法としては、例えば、屈折率が透光性基板のそれと近い接着剤を、マスク基板の裏面全面に塗布し接着する方法でもある。または露光用マスクの露光領域外のみに接着剤を塗布して接着する方法もある。またはクリップでとめる方法もある。
【００６３】
被加工材の周囲に絶縁シールドを配置して、エッチング量の面内均一性を向上させる方法における絶縁シールドの材質についてもアルミナに限定されるものではない。例えば蛍石の様な、比誘電率が３．８以上の材料ならば使用することができる。
【００６４】
本発明に基くプラズマエッチング方法が適用されるプラズマエッチング装置についても、図２に示される平行平板型ＲＩＥ、あるいは図４に示される電子ビーム励起プラズマエッチング装置に限定されるものではなく、他の種類のＲＩＥ装置など、プラズマ中の荷電粒子を彼加工材の表面に引き付けて異方性エッチングを行う装置において、本発明の方法を適用できる。
【００６５】
また、本発明に基くプラズマエッチング方法を適用して作成されるフォトマスクの例として、基板掘り込み型レベンソンマスクを示したが、他の種類のフォトマスクを作成する場合にも、本発明の方法を適用できる。例えば、透光性膜からなる位相シフタを基板上に堆積させた後、シフタパターンをエッチングして作成されるレベンソンマスク、あるいは、上記の例によって作成されたレベンソンマスクに、更に、光透過部の石英基板全てにウェットエッチング或いは異方性エッチングを付加したレベンソンマスク等を作成する際にも、本発明の方法を適用できる。更に、レベンソンマスクのみでなく、シフタエッジ型、ハーフトーン型などのマスクを作成する際にも、本発明の方法を適用できる。
【００６６】
露光に使用する光源に関しても、上記の例で用いたＫｒＦエキシマレーザー光源（波長２４８ｎｍ）のみでなく、例えばｇ線、ｉ線等の、他の波長で露光を行うフォトマスクに対しても、本発明の方法により作成されたフォトマスクを適用することができる。
【００６７】
更に、本発明のプラズマエッチング方法は、石英基板などマスク基板のエッチングに限定されるものではない。この他に、被加工材として、Ｓｉウエハなどの半導体基板、液晶基板などを用いた場合にも、本発明を適用できる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明のプラズマエッチング方法の様に、マスク基板として、従来と比較して板厚が薄い基板を使用すれば、基板中央部と基板周縁部との間のエッチング速度の均一性が向上し、高精度のフォトマスクを作成することができる。その結果、投影露光光学像の焦点深度を大幅に改善することができる。
【００６９】
また、上記の方法に加えて、本発明による第二のプラズマエッチング方法の様に、マスク基板の周囲の導電性ステージの上に絶縁シールドを配置して、マスク基板を透過する高周波電圧と、当該絶縁シールドを透過する高周波電圧を同等に調整すれば、更に、高精度のフォトマスクを作成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】石英基板の厚さと高周波電圧の透過率の関係を示す図。
【図２】被加工材の周囲に絶縁シールドが配置されたプラズマエッチング装置の概要を示す図。
【図３】石英基板の厚さと表面電圧の関係を示す図。
【図４】電子ビーム励起プラズマエッチング装置の概要を示す図。
【図５】基板周縁部からの距離とエッチング速度の関係を示す図。
【図６】マスク基板の裏面に透光性の支持板を接合したフォトマスクの断面図。
【図７】本発明の方法に基くプラズマエッチングの際のマスク基板の近傍の電位分布を示す図。
【図８】従来の方法に基くプラズマエッチングの際のマスク基板の近傍の電位分布を示す図。
【図９】ステッパの概略構成図。
【図１０】基板掘り込み型レベンソンマスクの概略図。
【図１１】基板掘り込み型レベンソンマスクの作成の工程を示す図。（ａ）〜（ｃ）は各工程における断面図を表す。
【図１２】レベンソンマスクの光学像の一例を示した図。
【図１３】マスク基板表面近傍の等電位面を示す図。
【図１４】マスク基板表面近傍の等電位面を示す図。
【図１５】実際のフォトマスクのパターンの一例を示す図。
【図１６】高周波電圧パワーと基板表面電圧の関係の一例を示す図。
【図１７】高周波電圧の透過率とエッチング速度の関係の一例を示す図。
【図１８】プラズマエッチング装置において、マスク基板等を透過する高周波電圧の状況を説明する図。
【符号の説明】
１１・・・マスク基板、１２・・・遮光膜、３１・・・石英基板、３２・・・導電性ステージ、３３・・・高周波電源、３４・・・反応性ガスプラズマ、３５・・・反応室、３６・・・絶縁シールド、３７・・・導電性部材、３９・・・等電位面、９７・・・電子ビーム、９８・・・ビームライン、１１６・・・透光性の支持板、１４１・・・光源、１４２・・・フライアイレンズ、１４３・・・コンデンサレンズ、１４４・・・フォトマスク、１４４ａ・・・遮光膜パターン、１４５・・・投影レンズ、１４６・・・ウエハ、１４６ａ・・・レジスト、１５１・・・マスク基板、１５２・・・遮光膜、１５３・・・レジスト、１５４・・・位相シフタ、１５５・・・非シフタ部、１５６・・・開口部、１８１・・・マスク基板、１８２・・・遮光膜、１８６・・・比較的大きな面積のエッチングマスク、１８７、１８８、２０７、２０８・・・微細パターン、１８９・・・等電位面。
Claims (1)
- 表面に遮光膜が形成されるとともに、表面側に位相シフタがプラズマエッチングにより加工された厚さ１ｍｍ以下の石英基板と、この石英基板の裏面に接合された透光性の支持板とを備えたことを特徴とするフォトマスク。
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