JP4574343B2 - 位相シフトマスク及びパターン形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、位相シフトマスク及びパターン形成方法に関し、特に微細なパターンを確実に形成できる位相シフトマスク及びパターン形成方法に関する。

半導体装置や液晶表示装置などの高集積化に対応するため、リソグラフィ工程においては、形成すべきパターンの微細化が進んでいる。パターン微細化を目的として、例えば、露光光源の短波長化や露光レンズの高ＮＡ化など、解像性能を向上させる技術開発が行われている。ところが、要求されるパターン寸法はこれらの施策により得られるものよりもはるかに小さい。そこで、高集積微細パターンを形成するには、露光装置の解像性能を超えた微細なパターンを安定的に形成するプロセス技術が必要となる。

微細パターンを形成する技術として、位相シフトマスクを用いる方法がある。これは、透過型のマスク基板の上に透過光の位相をシフトさせるパターンを設け、フォトマスクを透過する露光光に位相差を生じさせて、その相互干渉によりパターン投影像のコントラストを向上させる方法である（例えば、特許文献１及び２、非特許文献１及び２）。
特開２００３−２１８９１号公報 特開平５−２８９３０８号公報 2002 symposiums on VLSI Technology Digest of Technical papers, "Super-resolution enhancement method with phase-shifting mask available for random patterns", Akio Misaka, Takahiro Matsuo and Masaru Sasago. 2003SPIE（5040-34), "Novel strong resolution enhancement technology with phase-shifting mask for Logic gate pattern Fabrication", Takahiro Matsuo, Akio Misaka and Masaru Sasago

図１９は、従来の位相シフトマスクの断面構造を例示する模式図である。
すなわち、この位相シフトマスクは、石英などからなる透過マスク基板１００の表面に位相シフト領域１０１が設けられ、その位相シフト領域１０１の端部に遮光膜２０１が設けられた構造を有する。位相シフト領域１０１は、透過光の位相を反転させる光学厚みを有する。また、その端部に遮光膜２０１を設けることにより、透過光のコントラストを高くすることができる。

ところが、このような従来の位相シフトマスクは、遮光膜２０１の形成が容易でなく、「ずれ」が生ずるとコントラストが低下しやすいという問題があった。すなわち、この位相シフトマスクを形成するためには、位相シフト領域１０１を形成した後、この位相シフト領域１０１の上に形成されている遮光膜をパターニングして位相シフト領域１０１の端部のみに残す必要がある。このためには、遮光膜の上にレジスト膜を形成し、遮光膜２０１のパターンに露光してレジストマスクを形成し、その後、遮光膜をエッチングすることにより、図１９に表したように、位相シフト領域１０１の端部のみに遮光膜２０１を形成する。

つまり、この位相シフトマスクを形成するためには、位相シフト領域１０１の形成と、遮光膜２０１のパターニングのために、２回の露光工程が必要である。遮光膜パターンの露光は、露光装置の解像度の範囲内でおこなわなければならず、微細な遮光膜２０１の作製は難しい。具体的には、等倍（１倍）の場合には、遮光膜２０１のサイズの下限は３０ナノメータ程度であり、これよりも微細な遮光膜は形成できない。

またさらに、位相シフト領域１０１の端部に遮光膜２０１を形成するためには、遮光膜をパターニングするレジストマスクの露光時にマスクを高精度にアラインメントする必要がある。遮光膜のパターニングの際にマスクのアライメントがずれると、図２０に例示した如く、遮光膜２０１のサイズが不均一になってしまう。すなわち、マスクのアライメントがずれると、例えば、位相シフト領域１０１の左側の遮光膜２０１の幅Ｌｃが大きくなり、右側の遮光膜２０１の幅Ｌｃは小さくなる。このように遮光膜２０１の幅Ｌｃが不均一になると、露光光のパターンも非対称になってしまう。

図２１は、位相シフトマスクを通過した露光光の強度分布を表すグラフ図である。ここでは、位相シフト領域の幅Ｌｓが１０、３０、５０、７０、８０ナノメータについて表した。また、遮光膜２０１の幅ＬｃのずれΔＬｃを３０ナノメータとした。

図２２は、位相シフトマスクを通過した露光光の強度分布が非対称となることを表すグラフ図である。すなわち、ここでは、遮光膜２０１の幅ＬｃのずれΔＬｃが、マイナス５、ゼロ、プラス５、１０、１５、２０、２５、３０ナノメータのそれぞれについて露光光の強度分布を表した。なおここで、位相シフト領域Ｌｓは、７０ナノメータとした。

図２１及び図２２から、遮光膜２０１の幅Ｌｃが不均一になると、露光光の分布も非対称となり、露光パターンが変形してしまうことか分かる。

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、従来よりも微細なパターンの形成が可能であり、また、露光光の強度の非対称などが生じない位相シフトマスク及びパターン形成方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、
透明基板の上に露光光の位相をシフトさせる位相シフト領域が形成された位相シフトマスクであって、
前記位相シフト領域の側壁に、遮光膜が設けられ、
前記位相シフト領域とその側壁に設けられた前記遮光膜とにより単一の暗パターンが形成されることを特徴とする位相シフトマスクが提供される。

ここで、前記露光光に対する前記遮光膜の透過率は１０パーセント以下であるものとすることができる。
また、前記遮光膜は、前記位相シフト領域の側壁の全面に亘って設けられたものとすることができる。
または、前記遮光膜の高さは、前記位相シフト領域の高さよりも小なるものとすることができる。
また、露光光の波長をλ、露光装置の縮小投影光学系の開口数をＮＡ、縮小投影光学系の倍率をＭ、とした時に、前記位相シフト領域の幅Ｌｓが次式

（０．１×λ／ＮＡ）×Ｍ ＜ Ｌｓ ＜ （０．４×λ／ＮＡ）×Ｍ

の範囲内にあるものとすることができる。

また、露光光の波長をλ、露光装置の縮小投影光学系の開口数をＮＡ、縮小投影光学系の倍率をＭ、とした時に、前記遮光膜の幅Ｌｃが次式

（０．０５×λ／ＮＡ）×Ｍ ＜ Ｌｃ ＜ （０．２×λ／ＮＡ）×Ｍ

の範囲内にあるものとすることができる。

また、前記位相シフト領域を透過する前記露光光の位相は、それ以外の前記透明基板を透過する前記露光光の位相から反転してなるものとすることができる。
一方、本発明の他の一態様によれば、
被加工膜が設けられた基体の上に感光体からなる層を形成する工程と、
前記のいずれかの位相シフトマスクを介して前記感光体に露光光を照射する工程と、
前記感光体を現像して前記単一の暗パターンに対応したマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンを介して前記被加工膜をエッチングする工程と、
を備えたことを特徴とするパターン形成方法が提供される。

本発明によれば、従来よりも微細なパターンの形成が可能であり、また、露光光の強度の非対称などが生じない位相シフトマスク及びパターン形成方法を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかる位相シフトマスクの断面構造を例示する模式図である。
本実施形態の位相シフトマスクは、石英などからなる透過マスク基板１００の表面にメサ型の位相シフト領域１０１が設けられ、その位相シフト領域１０１の側壁に遮光膜２０１が設けられた構造を有する。位相シフト領域１０１は、透過光の位相を反転させる光学厚みを有する。また、その側壁に遮光膜２０１を設けることにより、透過光のコントラストを高くすることができる。遮光膜２０１の材料としては、例えば、クロム（Ｃｒ）や酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）などを用いることができる。遮光膜２０１は、露光光に対する透過率が１０パーセント以下となるように形成することが望ましい。

後に詳述するように、本実施形態においては、位相シフト領域１０１の側壁に設ける遮光膜２０１の幅Ｌｃを、その膜の厚みとほぼ等しくすることができる。従って、幅Ｌｃを極めて小さく形成することが容易となり、微細なパターンを確実且つ容易に形成できる。

図２及び図３は、本実施形態の位相シフトマスクを透過させた露光光の強度分布を例示するグラフ図である。
すなわち、図２は、遮光膜２０１の幅Ｌｃを１０ナノメータとし、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓを１０、３０、５０、７０、９０ナノメータとした時の露光光の強度分布を表す。また、図３は、同じく遮光膜２０１の幅Ｌｃを１０ナノメータとし、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓを１００、１２０、１４０、１６０、１８０、２００ナノメータとした時の露光光の強度分布を表す。

図２及び図３から分かるように、遮光膜２０１の幅Ｌｃを１０ナノメータとした場合には、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓを１０ナノメータから７０ナノメータの範囲とすると、位相シフト領域１０１の直下に連続的な暗パターンを形成できる。そして、位相シフト領域Ｌｓを３０ナノメータから７０ナノメータの範囲とすると、暗パターンのコントラストを非常に高くできる。
位相シフト領域１０１の幅Ｌｓが９０ナノメータよりも大きくなると、位相シフト領域１０１の直下は連続的な暗パターンにはならず、両側の遮光膜２０１の間に明パターンが生じてしまう。

図４乃至図６は、遮光膜２０１の幅Ｌｃを変えた場合の露光光の強度分布の変化をさらに詳細に例示するグラフ図である。
すなわち、図４は、遮光膜２０１の幅Ｌｃを１０ナノメータとし、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓを１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０ナノメータとした時の露光光の強度分布を表す。また、図５は、遮光膜２０１の幅Ｌｃを２０ナノメータとし、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓを１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０ナノメータとした時の露光光の強度分布を表す。そして、図６は、遮光膜２０１の幅Ｌｃを３０ナノメータとし、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓを１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０ナノメータとした時の露光光の強度分布を表す。

遮光膜２０１の幅Ｌｃが１０ナノメータの場合、図４に表したように、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓが１０ナノメータでは、コントラストはやや低いが、幅Ｌｓがそれよりも大きくなるとコントラストは高くなる。そして、位相シフト領域１０１の直下の光強度は、幅Ｌｓがおよそ５０ナノメータの時にもっとも低くなる。そして、幅Ｌｓが８０ナノメータになると、コントラストが低下することが分かる。
遮光膜２０１の幅Ｌｃが２０ナノメータの場合は、図５に表したように、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓがおよそ１０ナノメータから５０ナノメータの範囲においてコントラストが高く、幅Ｌｓが６０ナノメータ以上においてコントラストが低下する傾向が見られる。 また、遮光膜２０１の幅Ｌｃが３０ナノメータの場合は、図６に表したように、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓがおよそ１０ナノメータから４０ナノメータの範囲においてコントラストが高く、幅Ｌｓが５０ナノメータ以上においてコントラストが低下する傾向が見られる。
図２乃至図６に例示した結果を含めて、本発明者が検討の結果、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓを次式により表される範囲内にすると位相シフト領域１０１の直下に高いコントラストの暗パターンが得られることが分かった。

（０．１×λ／ＮＡ）×Ｍ ＜ Ｌｓ ＜ （０．４×λ／ＮＡ）×Ｍ

ここで、λは露光光の波長であり、ＮＡは露光装置の縮小投影光学系の開口数であり、Ｍは縮小投影光学系の倍率である。

また同様に、遮光膜２０１の幅Ｌｃを次式により表される範囲内にすると位相シフト領域１０１の直下に高いコントラストの暗パターンが得られることが分かった。

（０．０５×λ／ＮＡ）×Ｍ ＜ Ｌｃ ＜ （０．２×λ／ＮＡ）×Ｍ

以上、図２乃至図６を参照しつつ説明したように、本実施形態によれば、遮光膜２０１の幅Ｌｃと、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓと、を適宜調整することにより、１０ナノメータ乃至７０ナノメータの範囲において、高いコントラストの暗パターンを形成できる。つまり、１０ナノメータから７０ナノメータ程度の微細なパターンを精密に形成することが可能となる。

またさらに、本実施形態によれば、遮光膜２０１の幅Ｌｃをその膜厚として規定できる。従って、図２０に関して前述したようなマスクのアライメントを調整する必要はなく、幅Ｌｃの変動によるパターンの非対称などの問題も解消できる。以下、この点に関して、位相シフトマスクの製造方法を参照しつつ説明する。

図７及び図８は、本実施形態の位相シフトマスクの製造工程の要部を表す工程断面図である。
まず、図７（ａ）及び（ｂ）に表したように、石英などのマスク基板１００の上に、レジスト層３００を塗布する。さらに、所定のマスクを用いて露光・現像処理を施し、図７（ｃ）に表したように、レジスト層３００をパターニングする。

しかる後に、図７（ｄ）に表したように、レジスト層３００をマスクとしてマスク基板１００をエッチングすることにより、位相シフト領域１０１を形成する。
レジスト層３００を除去した（図８（ａ））後に、全面に遮光膜の材料２００を堆積する。この時、位相シフト領域１０１の側壁にも遮光膜の材料２００を堆積させる。つまり、位相シフト領域１０１の側壁にも、遮光膜の材料２００が平坦部と同様の厚みで堆積される。

しかる後に、上方から異方性エッチングにより遮光膜の材料２００をエッチングする。異方性エッチングとしては、例えば、ＲＩＥ（reactive ion etching）やイオンミリングなどの方法を用いることができる。このエッチングにより、平坦部の材料２００は除去され、位相シフト領域１０１の側壁１０１のみに遮光膜２０１が形成される。

以上説明したように、本実施形態によれば、遮光膜２０１の形成に際して、リソグラフィを必要としない。つまり、マスク合わせが不要であり、図２０に関して前述したような「ずれ」の問題を解消できる。またさらに、遮光膜２０１の幅Ｌｃは、その膜厚により規定できるので、露光装置の解像限界以下の１０ナノメータ程度の極めて微細な幅Ｌｃを容易且つ安定的に実現できる。

図９は、本実施形態の変型例にかかる位相シフトマスクの断面構造を例示する模式図である。
本変型例においては、マスク基板１００にトレンチ型の位相シフト領域１０１が設けられている。すなわち、石英などからなるマスク基板１００には、露光光の位相を反転させる厚みの凹状の位相シフト領域１０１が設けられている。そして、このトレンチ型の位相シフト領域１０１の両側の側壁に、遮光膜２０１が設けられている。

本変型例においても、図１乃至図６に関して前述したものと同様の効果が得られる。すなわち、遮光膜２０１の幅Ｌｃと、位相シフト領域１０１の幅Ｌｓと、を適宜調整することにより、１０ナノメータ乃至７０ナノメータの範囲において、高いコントラストの暗パターンを形成できる。つまり、１０ナノメータから７０ナノメータ程度の微細なパターンを精密に形成することが可能となる。

またさらに、本変型例においても、遮光膜２０１の幅Ｌｃをその膜厚として規定できる。

図１０及び図１１は、本変型例の位相シフトマスクの製造工程の要部を例示する工程断面図である。これらの図については、図７及び図８に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本変型例においても、図１１（ａ）に表したようにトレンチ型の位相シフト領域１０１を形成した後、マスク基板１００の全面に遮光膜の材料２００を堆積させ（図１１（ｂ））、垂直方向に異方性エッチングを実施することにより、遮光膜２０１を形成できる（図１１（ｃ））。

このように、本変型例においても、遮光膜２０１の形成に際して、リソグラフィを必要としない。つまり、マスク合わせが不要であり、図２０に関して前述したような「ずれ」の問題を解消できる。またさらに、遮光膜２０１の幅Ｌｃは、その膜厚により規定できるので、露光装置の解像限界以下の１０ナノメータ程度の極めて微細な幅Ｌｃを容易且つ安定的に実現できる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図１２は、本発明の第２の実施の形態にかかる位相シフトマスクの断面構造を例示する模式図である。同図については、図１乃至図１１に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態においても、位相シフト領域１０１の側壁に遮光膜２０１が設けられている。ただし、その高さｄ１は、位相シフト領域１０１の高さｄ２よりも低くされている。このようにすると、さらにコントラストを高くすることが可能となる。
図１３は、位相シフト領域１０１の側壁の全面に遮光膜２０１を形成した位相シフトマスクを例示する断面図である。このようにすると、本発明の第１実施形態に関して前述したように、露光装置の解像限界以下の極めて微細なパターニングを確実且つ容易に実施できる。

但し、図１３に矢印Ｓで表したように、露光光が遮光膜２０１の側壁で反射あるいは散乱されることにより、位相の「ずれ」が生ずる場合がある。例えば、石英（屈折率ｎ＝１．４７）を用いてメサ型の位相シフト領域１０１を形成する場合、露光光にｉ線（波長λ＝０．３５６マイクロメータ）を用いる時には、高さｄ２＝λ／２（ｎ−１）＝０．３８９マイクロメータとなる。つまり、位相シフト領域１０１の高さｄ２は、３８９ナノメータとなる。このように位相シフト領域１０１の側壁は高いので、その側壁の全面に遮光膜２０１を形成すると、矢印Ｓで表した反射光や散乱光が生ずる場合があり得る。

このような反射光や散乱光が生ずると、位相シフト効果が弱められ、露光光のコントラストが低下するおそれがある。

これに対して、本実施形態によれば、図１２に例示したように、遮光膜２０１の高さｄ１を低くすることにより、遮光膜２０１の側面における光の反射や散乱を抑制できる。その結果として、反射光や散乱光による位相シフト効果の低下を抑制し、露光光のコントラストの低下を抑制して、微細なパターンをより精密に形成することが可能となる。
なお、本実施形態における遮光膜２０１の高さｄ１は、露光光を遮蔽できる厚み以上であればよい。従って、遮光膜２０１の高さｄ１と位相シフト領域１０１の高さｄ２との関係は、図１２に例示したものには限定されず、例えば、図１４に例示した如く高さｄ１が高めであってもよく、図１５に例示した如く高さｄ１が低くてもよい。要は、遮光膜２０１の露光光に対する透過率が１０パーセント以下となるようにすれば、遮光膜２０１の遮光効果は十分に得られる。

図１６及び図１７は、本実施形態の位相シフトマスクの製造方法を例示する工程断面図である。これらの図については、図７及び図８に関して前述したものと同様の工程には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態においては、図１７（ｃ）に表したように、遮光膜の材料２００を垂直方向に異方性エッチングする際に、平坦部の材料２００が除去された後にもエッチングを続け、図１７（ｄ）に表したように、遮光膜２０１の高さｄ１が所定の値になった段階でエッチングを終了する。つまり、異方性エッチングの時間を調整することにより、遮光膜２０１の高さｄ１を調節できる。

図１８は、本実施形態の変型例にかかる位相シフトマスクの断面構造を表す模式図である。
すなわち、本変型例は、トレンチ型の位相シフトマスクに本実施形態を適用した具体例である。本変型例においても、遮光膜２０１の高さｄ１を低くすることにより、遮光膜２０１の側面における光の反射や散乱を抑制できる。その結果として、反射光や散乱光による位相シフト効果の低下を抑制し、露光光のコントラストの低下を抑制して、微細なパターンをより精密に形成することが可能となる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。
しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、本発明にかかる位相シフトマスクにおいて採用する材料や寸法、また、この位相シフトマスクを用いてる実施するパターン形成プロセスにおいて採用する露光光の波長、レジストの材質、その他の薬剤、半導体の構造、処理条件などについては、当業者が公知の範囲から適宜選択したものも本発明の範囲に包含される。

本発明の実施の形態にかかる位相シフトマスクの断面構造を例示する模式図である。 本発明の実施形態の位相シフトマスクを透過させた露光光の強度分布を例示するグラフ図である。 本発明の実施形態の位相シフトマスクを透過させた露光光の強度分布を例示するグラフ図である。 遮光膜２０１の幅Ｌｃを変えた場合の露光光の強度分布の変化をさらに詳細に例示するグラフ図である。 遮光膜２０１の幅Ｌｃを変えた場合の露光光の強度分布の変化をさらに詳細に例示するグラフ図である。 遮光膜２０１の幅Ｌｃを変えた場合の露光光の強度分布の変化をさらに詳細に例示するグラフ図である。 本発明の実施形態の位相シフトマスクの製造工程の要部を表す工程断面図である。 本発明の実施形態の位相シフトマスクの製造工程の要部を表す工程断面図である。 本発明の実施形態の変型例にかかる位相シフトマスクの断面構造を例示する模式図である。 第１実施形態の変型例の位相シフトマスクの製造工程の要部を例示する工程断面図である。 第１実施形態の変型例の位相シフトマスクの製造工程の要部を例示する工程断面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる位相シフトマスクの断面構造を例示する模式図である。 位相シフト領域１０１の側壁の全面に遮光膜２０１を形成した位相シフトマスクを例示する断面図である。 高さｄ１が高めの位相シフトマスクを例示する模式図である。 高さｄ１が低めの位相シフトマスクを例示する模式図である。 第２実施形態の位相シフトマスクの製造方法を例示する工程断面図である。 第２実施形態の位相シフトマスクの製造方法を例示する工程断面図である。 第２実施形態の変型例にかかる位相シフトマスクの断面構造を表す模式図である。 従来の位相シフトマスクの断面構造を例示する模式図である。 遮光膜２０１のサイズが不均一な位相シフトマスクを表す模式図である。 位相シフトマスクを通過した露光光の強度分布を表すグラフ図である。 位相シフトマスクを通過した露光光の強度分布が非対称となることを表すグラフ図である。

符号の説明

１００ マスク基板
１０１ 位相シフト領域
２００ 遮光膜
２０１ 遮光膜
３００ レジスト層

Claims (6)

1. 透明基板の上に露光光の位相をシフトさせる位相シフト領域が形成された位相シフトマスクであって、
   前記位相シフト領域の側壁に、遮光膜が設けられ、
   前記位相シフト領域とその側壁に設けられた前記遮光膜とにより単一の暗パターンが形成され、
   前記遮光膜の高さは、前記位相シフト領域の高さよりも小なることを特徴とする位相シフトマスク。
2. 前記露光光に対する前記遮光膜の透過率は１０パーセント以下であることを特徴とする請求項１記載の位相シフトマスク。
3. 露光光の波長をλ、露光装置の縮小投影光学系の開口数をＮＡ、縮小投影光学系の倍率をＭ、とした時に、前記位相シフト領域の幅Ｌｓが次式
   （０．１×λ／ＮＡ）×Ｍ ＜ Ｌｓ ＜ （０．４×λ／ＮＡ）×Ｍ
   の範囲内にあることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載位相シフトマスク。
4. 露光光の波長をλ、露光装置の縮小投影光学系の開口数をＮＡ、縮小投影光学系の倍率をＭ、とした時に、前記遮光膜の幅Ｌｃが次式
   （０．０５×λ／ＮＡ）×Ｍ ＜ Ｌｃ ＜ （０．２×λ／ＮＡ）×Ｍ
   の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載位相シフトマスク。
5. 前記位相シフト領域を透過する前記露光光の位相は、それ以外の前記透明基板を透過する前記露光光の位相から反転してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の位相シフトマスク。
6. 被加工膜が設けられた基体の上に感光体からなる層を形成する工程と、
   請求項１〜５のいずれか１つに記載の位相シフトマスクを介して前記感光体に露光光を照射する工程と、
   前記感光体を現像して前記単一の暗パターンに対応したマスクパターンを形成する工程と、
   前記マスクパターンを介して前記被加工膜をエッチングする工程と、
   を備えたことを特徴とするパターン形成方法。

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