JP4528803B2 - ハーフトーン型位相シフトマスク - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路等の製造などに用いられるハーフトーン型の位相シフトマスクに関する。

ＩＣ、ＬＳＩ又はＶＬＳＩ等の半導体集積回路の製造をはじめとして、広範囲な用途に用いられているフォトマスクは、例えば、透光性基板上にクロムを主成分とする遮光膜が形成されたフォトマスクブランクを用い、この遮光膜に紫外線や電子線等を露光光とするフォトリソグラフィ法により所定のパターンを形成したものである。近年では、半導体集積回路の高集積化等の市場要求に伴ってパターンの微細化が急速に進行し、露光工程でのレジスト解像度を高めるための露光波長の短波長化やレンズの開口数の増大により対応がなされてきた。

しかしながら、露光波長の短波長化は装置や材料のコスト増大を招く結果となるという問題がある。また、レンズの開口数の増大は解像度の向上という利点の反面、焦点深度の減少を招く結果、プロセスの安定性が低下し、製品の歩留まりに悪影響を及ぼすという問題がある。このような問題の解決に対して有効なパターン転写法のひとつに「位相シフトマスク」をフォトマスクとして用いる「位相シフト法」が知られている。

図１は、位相シフト法で用いられる位相シフトマスク（ハーフトーン型位相シフトマスク）の例を説明するための断面図で、図１（Ａ）は位相シフト部が単層の「単層型」（例えば特許文献１）、図１（Ｂ）は位相シフト部を位相調整膜と透過率調整膜の２層構造とした「２層型」（例えば特許文献２）の位相シフトマスクを示している。なお、「２層型」の位相シフトマスクは、短波長露光（露光波長が２００ｎｍ以下）用のフォトマスクとして有用であることが知られている（特許文献３）。

これらの位相シフトマスクには、露光光に対して透明な基板１の一方主面上に、基板１の主面が露出している領域（透光部：Ａ）と、位相シフト膜２がパターニングされた領域（半透光部：Ｂ）とが形成され、これらの領域を透過した光は、透光部Ａの透過光の位相（φ_０）と半透光部Ｂの透過光の位相（φ_０+π）とで位相差が概ねπ（１８０°）であり、パターン境界部分における透光部と半透光部との透過光同士の干渉により回折によるコントラストの低下を改善し、転写像のコントラストを向上させることが可能となる。なお、「２層型」の位相シフト膜２は、位相調整膜２ａと透過率調整膜２ｂの２層が積層されている。

このような位相シフトマスクに関連しては、透明基板と位相シフト膜との間にエッチングストッパとしてのクロム膜を設ける構成（特許文献４）や遮光膜中を透過してきた光の位相をほぼ零にするために位相遅延膜と位相進行膜を積層させて遮光膜を形成する構成（特許文献５）なども提案されている。
特開平７−１４０６３５号公報 特開平４−１３６８５４号公報 特開２００５−０８４６８２号公報 特開２００１−３３７４３６号公報 特開２００６−２１５２９７号公報

従来のハーフトーン型位相シフトマスクでは、「単層型」にせよ「２層型」にせよ、透光部には透光部と半透光部との間に位相差を生じさせるための光学膜が設けられておらず半透光部のみで位相調整がなされる構成とされているため、パターンの深さは上記の位相調整を担う位相シフト膜の膜厚と等しいこととなる。ところが、位相シフト膜が厚い場合には、その成膜中にパーティクルやハーフピンホールなどの欠陥が増大したり、パターニングを施した後には、露光時にパターン側面から漏れ出てくる所定の位相差と異なる光が多くなり、透光部と半透光部の境界領域で本来の位相差を生じさせることが困難となるといった問題がある。特に、位相調整用にＳｉＯ_２のような高透過率の材料を用いた場合には、屈折率が小さいために、所定の位相差を得ようとすると必然的にその膜厚を厚くする必要があるため、上記問題は深刻となる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、透光部と半透光部のそれぞれにおいて伝搬光の位相調整を行い、これにより、パターンの深さを浅く形成することを可能とすることにある。

かかる課題を解決するために、本発明のハーフトーン型位相シフトマスクは、透明基板上に透光部と半透光部とを有し、前記透光部と前記半透光部のそれぞれには露光時にマスクのパターン面が接している媒質を伝播する光に対して位相を変える位相変調部が設けられており、前記位相変調部は、前記透光部と半透光部の一方の位相変調部である厚みｄ _１ の位相変調部であって前記媒質中を伝播する光に比較して大きな位相変化を付与する位相変調部１と、前記透光部と半透光部の他方の位相変調部である厚みｄ _２ の位相変調部であって前記媒質中を伝播する光に比較して小さな位相変化を付与する位相変調部２とを有し、前記位相変調部１を透過した光の位相φ_１は前記媒質中をｄ_１だけ伝播した光の位相φ_０１と次式の関係：φ_１＝φ_０１＋Δφ_１（Δφ_１＞０）を満足し、前記位相変調部２を透過した光の位相φ_２は前記媒質中をｄ_２だけ伝播した光の位相φ_０２と次式の関係：φ_２＝φ_０２＋Δφ_２（Δφ_２＜０）を満足する。

例えば、前記位相変調部２は前記半透光部に設けられ、前記位相変調部１は前記透光部に設けられている。

好ましくは、前記半透光部に透過率調整膜が設けられており、当該透過率調整膜は前記位相変調部２である。

好ましくは、前記位相変調部２を透過した光と前記位相変調部１を透過した光の位相差が実質的にπ（ラジアン）であるように構成される。

本発明において、前記位相変調部２である前記透過率調整膜は、シリコン、モリブデン、モリブデンシリサイドの少なくとも１種からなる光学膜とすることができ、前記位相変調部１は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物の少なくとも１種からなる光学膜とすることができる。

本発明においては、従来は半透過部の設計によってのみパターン深さが定まっていたものを、複数の光学膜中で受ける位相変化の差を利用してパターン深さを設計することとしたので、浅いパターン形成が可能となり、その結果、高い解像度のフォトマスクを得ることができる。

以下、図面を参照して本発明のハーフトーン型位相シフトマスクについて説明する。

図２は、本発明のハーフトーン型位相シフトマスクの基本的な構成例を説明するための断面図で、露光光に対して透明な石英やフッ化カルシウムなどの基板１１の一方主面上に、透光部Ａと半透光部Ｂとが形成され、透光部Ａと半透光部Ｂの両方に位相変調部を設け、透光部Ａと半透光部Ｂのどちらか一方の位相変調部（厚みｄ_１の位相変調部１）を透過した光の位相φ₁が、露光時にマスクのパターン面が接している媒質中をｄ_１だけ伝播した光の位相φ_０１とφ_１＝φ_０１＋Δφ_１（Δφ_１＞０）の関係を満足し、且つ、透光部Ａと半透光部Ｂの他方（厚みｄ_２の位相変調部２）を透過した光の位相φ_２が、上記媒質中をｄ_２だけ伝播した光の位相φ_０２とφ_２＝φ_０２＋Δφ_２（Δφ_２＜０）の関係を満足するように設計されている。なお、図２に示した例では、透光部Ａに設けられた光学膜１３が位相変調部１であり、半透光部Ｂに設けられた光学膜１２が位相変調部２である。

位相変調部を透過した光の振幅透過率ｔは、ｔ＝ｔ_０ｅｘｐ（−ｉδ)と表記することができる。なお、エネルギ透過率ＴはＴ＝ｔ・ｔ^*である。ここで、位相変調部の膜厚（ｄ）に相当する長さの上記媒質中（屈折率ｎ_０）を波長λの光が伝播したときの位相変化δ_０をδ_０＝φ_０とするとφ₀＝２πｎ_０ｄ／λとなるが、本発明においては、位相変調部を通過したときの位相変化δ（＝φ）が、Δφ＝φ−φ_０としたときに、位相変調部１ではΔφ＞０となり、位相変調部２ではΔφ＜０となるようにする。

位相変調部は上記関係を満足するものであればよく、膜で構成する場合には、単層構造でも多層構造でもよい。また、膜中で組成変化をもたせるようにしてもよい。例えば、組成が均一な単層膜で位相変調部を構成する場合には、当該膜の透過率ｔは次式で与えられる。

（数１）
t=t₀・exp(-i・φ)
= t_S1t₁₀・exp(-i・2πdn₁)/λ)/(1+r_S1r₁₀・exp(-4πi・dn₁/λ)

ここで、ｉは虚数単位、ｄは膜厚、ｎ_１は膜の複素屈折率(屈折率ｎ_１＝ｎ−ｉｋ（ｎ：屈折率、ｋ：消衰係数)、ｔ_S１は基板と膜の界面での振幅透過率（エネルギ透過率Ｔ_Ｓ1＝ｔ_S１・ｔ_S１ ^*）、ｔ_１0は膜と上記媒質の界面での振幅透過率（エネルギ透過率Ｔ₁₀＝ｔ_１0・ｔ_１0 ^*）、ｒ_S１は基板と膜の界面での振幅反射率、そして、ｒ_１0は膜と上記媒質の界面での振幅反射率である。

本発明では、位相変調部の膜厚（ｄ）に相当する長さの上記媒質中を光が伝播したときの位相変化を上記同様φ₀とし、Δφ＝φ-φ₀としたときに、位相変調部１ではΔφ＞０を、位相変調部２ではΔφ＜０を満足すればよい。

一般に、膜の屈折率が上記媒質より大きく、吸収係数が０に近い誘電体膜は位相変調部１として機能し、また、上記媒質よりも屈折率の小さな膜を選べば位相変調膜２として機能するが、吸収係数の大きな膜では膜の屈折率が上記媒質の屈折率より大きくても位相変調部２として上記式を満たすときに位相変調部２としての機能を有する。例えば、膜中での多重反射を無視できるとき、基板の屈折率をｎ_S、膜の屈折率をｎ_１＝ｎ−ｉｋ、膜厚をｄ、上記媒質の屈折率をｎ₀としたときに、透過光ｔ＝ｔ_０・exp(−ｉ・φ)の位相φは、φ＝２πｎｄ／λ＋ε（ここで、ε＝-tan^-1[k(n²-n_Sn₀)/{n(n_S+n)(n₀+n)+k²(n_S+n₀+n)}]である）となる。

このφがφ_０より小さければ位相変調部２として機能する。つまり、位相変調部２となるためには、Δφ＝φ−φ_０＝２π（ｎ−ｎ_０）ｄ／λ＋ε＜０を満たせばよい。

また、上式（数１）において、例えば、膜の屈折率が上記媒質より大きくても、ある程度の吸収係数をもっていると、膜厚を選ぶことで、位相変調部２として機能する。つまり、膜が厚くなるにしたがって、上式のΔφは負で絶対値が大きくなっていき、ある膜厚で極値となり、その後、Δφは負で絶対値が小さくなっていき、ついには正の値となる。位相変化量が上記媒質中を伝播するよりも位相変化量が少ない膜厚に選べば位相シフト膜２として機能し、位相変化量が上記媒質中を伝播するよりも位相変化量が大きい膜厚に選べば位相シフト膜１として機能する。

位相変調部が単層で構成する場合を例に説明したが、複数層で構成されるときも同様である。例えば、多重反射を無視できるときは、おのおのの膜の屈折率が上記媒質より大きくても、おのおのの膜界面での位相の変化の合計が負の値となり、その大きさが、多層を構成する膜内を伝播するときの位相の変化と同じ厚みの上記媒質を伝播するときの位相の変化との差よりも絶対値が大きければ位相変調部２として機能し、逆のときは位相変調部１として機能する。上記媒質や基板との接する膜の複素屈折率（ｎ_ｆ＝ｎ−ｉｋ）差が大きく、膜内での多重反射を無視できないときは膜内での多重反射も考慮する必要がある。また、吸収係数が０でない場合は界面での位相変化も考慮する必要がある。

図２に図示した光学膜１２は、膜中を伝搬する露光光に、上記媒質中を伝搬する光に対して「−β」の位相変化を付与するとともに、光透過率を所定の値に調整する透過率調整膜をも兼ねている。半透光部Ｂの光透過率は透光部Ａの１〜５０％程度であればよく、より好ましくは３〜３０％程度となるように調整する。このような光透過率調整により、半透光部Ｂを透過した後の露光光がレジストの感度以下の強度となるように調整される。

光学膜１３は、膜中を伝搬する露光光に、上記媒質中を伝搬する光に対して「＋α」だけの位相変化を付与し、その結果、透光部Ａの透過光の位相（φ_０＋α）と半透光部Ｂの透過光の位相（φ_０−β）とで位相差が所定の値（一般には、π（１８０°））となるようにするための位相調整膜であり、透過率調整膜よりも高い透過率の膜である。

これらの光学膜１２（位相変調部２を構成する位相変調膜）は、例えば露光波長が１９３ｎｍの場合には、シリコン、モリブデン、モリブデンシリサイドの膜とすることができ、上式を満たすように膜厚を選ぶことによって、位相変調部２として機能する。また、光学膜１３（位相変調部１を構成する位相変調膜）は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物の膜やこれらの膜にＭｏ，Ｔａ，Ｚｒなどの金属を含んだ膜とすることができる。

透光部Ａと半透光部Ｂをこのように構成すると、パターンの深さを浅く形成することが可能となり、その結果、高い解像度のフォトマスクを得ることができる。なお、位相変調部は透光部または半透光部において基板を掘り込むことによって形成してもよく、基板の掘り込みと位相調整膜の両方を用いてもよい。

図３及び図４は本発明の原理を説明するための図である。位相変調部内では位相変調部と上記媒質や基板などとの界面の効果や位相変調部位内の多重反射しており、必ずしもこの図のように伝播するわけではないが、位相変調部位に入る光及び出る光は図に示したような変化をするため、位相変調部位ではあたかもこれらの図に示したように光が伝播しているようになっている。

図３（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、上記媒質中に置かれた厚みｔの「位相変調部２」および「位相変調部１」中を伝搬する際にどのような位相変化を受けるかを説明するための図である。

「位相変調部２」中を伝搬することによって位相変化が小さくなる一方、「位相変調部１」中を伝搬する際には位相変化は大きくなる。そして、これらの媒体からの透過光の位相差がπ（１８０°）となるように光学膜設計を行えば、位相シフトマスク用の基板を得ることができる。例えば、位相差をπ（１８０°）とするとともに、「位相変調部２」の厚みと「位相変調部１」の厚みを等しくするように光学膜設計を行えば、原理的にはパターンの深さ（透光部と半透光部の段差）が「ゼロ」の位相シフトマスクとすることができ、極めて高い解像度のフォトマスクを得ることができる。

これに対して、図４に例示して示すように、透光部に特別な光学膜を設けず半透光部に設けた位相シフト膜のみで位相調整がなされる従来型の位相シフトマスクの場合には、位相シフト膜を「位相変調膜１」で形成する場合（図４（Ｂ））、透過光の位相と対比されるべき位相は、これら光学膜の厚みｔと同じ距離だけ上記媒質中を伝搬する光の位相である。このため、位相差がπ（１８０°）となるような位相シフト膜の膜厚を薄くすることによってしかパターンの深さ（透光部と半透光部の段差）を浅く形成することができない。

つまり、本発明においては、従来は単一膜の設計によってのみパターン深さを浅くすることが可能であったものを、透過部と半透過部のそれぞれの位相変調部で受ける位相変化の差を利用してパターン深さを浅くすることを可能とするものであり、位相シフトマスクの設計自由度を大幅に拡大するものである。

なお、一般的には露光時にマスクのパターン面が接している媒質は空気や窒素ガスなどの屈折率が１の媒質であるが、マスクパターンを、屈折率が１よりも大きい媒質中に置いて（例えば、屈折率が大きい液体中などに浸漬して）露光するような場合にも適用可能である。このような場合、従来のように半透光部のみに屈折率が上記媒質よりも大きな位相変調部を設けた構成では位相変調部と上記媒質との屈折率差が小さくなり、所定の位相変化を得るためには位相変調部はより厚くなるが、本発明の場合にはそのような不都合を改善できる。

図５は、本発明の位相シフトマスクの作製プロセスを説明するための図である。先ず、透明な石英からなる基板１１の上に、シリコン・ターゲットをＡｒでスパッタリングしてシリコン膜２０を１７ｎｍ形成する（図５（Ａ））。このシリコン膜２０は透過率調整膜として機能し、１９３ｎｍの露光波長において位相変調部２となる膜である。なお、シリコン膜２０の厚みを１７ｎｍとしたのはこの膜の透過率を約６％とするためであり、設定透過率の値に応じて膜厚は適宜設定される。

このシリコン膜に電子ビーム用化学増幅型ポジレジストを塗布してフォトリソグラフィにより所定のパターンを形成し（図５（Ｂ））、このレジストパターン２１をマスクとしてシリコン膜２０をエッチングする（図５（Ｃ））。

パターニングされたシリコン膜２０とレジスト２１の上に、位相変調部１を構成し位相調整層となる酸化シリコン膜２２を１４０ｎｍ形成する（図５（Ｄ））。なお、この成膜は、シリコン・ターゲットをＡｒガスと酸素ガスでスパッタリングして行っている。この酸化シリコン膜の１４０ｎｍという厚みは、上述のシリコン膜２０（１７ｎｍ）の透過光との位相差を露光時のマスクのパターン面が接している媒質である空気中でπ（１８０°）とするための選択の結果である。

次に、レジスト２１上の酸化シリコン膜２２ｂをリフトオフにより除去し、酸化シリコン膜２２ａよりなる「位相変調部１」である光学膜１３を備えた透光部とシリコン膜２０よりなる「位相変調部２」である光学膜１２を備えた半透光部を形成する（図５（Ｅ））。

本実施例で得られる位相シフトマスクは、パターンの深さ（透光部と半透光部の段差）が１２３ｎｍ（１４０ｎｍ−１７ｎｍ）であり、１９３ｎｍの入射光に対する半透光部の透過率６％、位相差１８０°の位相シフト膜を従来法で形成する場合（約１９０ｎｍ）に比較して約７０ｎｍ浅くすることができる。

位相シフト法で用いられる位相シフトマスクの構成例を説明するための断面図で、（Ａ）は位相シフト部が単層の「単層型」、（Ｂ）は位相シフト部が２層の「２層型」の位相シフトマスクである。 本発明のハーフトーン型位相シフトマスクの基本的な構成例を説明するための断面図である。 本発明の原理を説明するための図で、（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、媒質中に置かれた厚みｔの「位相変調部２」および「位相変調部１」中を伝搬する際にどのような位相変化を受けるかを説明するための図である。 従来型の位相シフトマスクの場合の位相シフト膜中での位相変化を説明するための図である。 本発明の位相シフトマスクの作製プロセス例を説明するための図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ 「位相変調部２」である光学膜
１３ 「位相変調部１」である光学膜
２０ シリコン膜
２１ レジスト
２２ａ、２２ｂ 酸化シリコン膜

Claims (7)

1. 透明基板上に透光部と半透光部とを有するハーフトーン型位相シフトマスクであって、
   前記透光部と前記半透光部のそれぞれには露光時にマスクのパターン面が接している媒質を伝播する光に対して位相を変える位相変調部が設けられており、
   前記位相変調部は、前記透光部と半透光部の一方の位相変調部である厚みｄ _１ の位相変調部であって前記媒質中を伝播する光に比較して大きな位相変化を付与する位相変調部１と、前記透光部と半透光部の他方の位相変調部である厚みｄ _２ の位相変調部であって前記媒質中を伝播する光に比較して小さな位相変化を付与する位相変調部２とを有し、
   前記位相変調部１を透過した光の位相φ_１は前記媒質中をｄ_１だけ伝播した光の位相φ_０１と次式の関係：φ_１＝φ_０１＋Δφ_１（Δφ_１＞０）を満足し、前記位相変調部２を透過した光の位相φ_２は前記媒質中をｄ_２だけ伝播した光の位相φ_０２と次式の関係：φ_２＝φ_０２＋Δφ_２（Δφ_２＜０）を満足することを特徴とする位相シフトマスク。
   
2. 前記位相変調部２は前記半透光部に設けられ、前記位相変調部１は前記透光部に設けられている請求項１に記載のハーフトーン型位相シフトマスク。
3. 前記半透光部に透過率調整膜が設けられている請求項１又は２に記載のハーフトーン型位相シフトマスク。
4. 前記透過率調整膜は前記位相変調部２である請求項３に記載のハーフトーン型位相シフトマスク。
5. 前記位相変調部２を透過した光と前記位相変調部１を透過した光の位相差が実質的にπ（ラジアン）であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のハーフトーン型位相シフトマスク。
6. 前記位相変調部２は、シリコン、モリブデン、モリブデンシリサイドの少なくとも１種からなる光学膜である請求項１乃至５の何れか１項に記載のハーフトーン型位相シフトマスク。
7. 前記位相変調部１は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物の少なくとも１種からなる光学膜である請求項１乃至６の何れか１項に記載のハーフトーン型位相シフトマスク。

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