JPH0561183A - 露光マスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 転写装置の解像限界を向上せしめると共に、
一定の光量で忠実なパターン転写を行うことのできる露
光マスクおよびその製造方法を提供する。 【構成】 本発明の第１の露光マスクでは、ある範囲の
寸法をもつマスクパターンでは、遮光膜パターンの代わ
りに、半透明膜パターンを用いる。また本発明の第２の
露光マスクでは、露光光に対する光路長が異なるように
構成されたシフト膜と、この膜の上層または下層に形成
されたマスク基板と露光光に対して所定の透過率を有す
るように構成された透過率調整層としての半透明膜との
積層構造で構成する。本発明の第３では位相シフタを構
成する材料の振幅透過率を調整することにより、コント
ラスト向上に効果的なシフタ幅を大きくし、シフタ幅に
必要とされる精度を緩和する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、露光マスクに係り、特
にリソグラフィのマスクに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路は、高集積化、微細化の
一途を辿っている。その半導体集積回路の製造に際し、
リソグラフィ技術は加工の要として特に重要である。

【０００３】現在のリソグラフィ技術では、マスクパタ
ーンを縮小光学系を介してＬＳＩ基板上に投影露光する
方法が主に用いられているが、高圧水銀ランプを光源と
するなら最小線幅０．５μm 程度が限界である。０．５
μm 以下のパターン寸法にはＫｒＦエキシマレーザある
いは電子線を用いた直接描画技術や、Ｘ線等倍露光技術
の開発が進められているが、量産性、プロセスの多用性
等の理由から、光リソグラフィに対する期待は非常に大
きくなっている。

【０００４】このような状況の中で光源に対しては、Ｇ
線、ｉ線、エキシマレーザ、Ｘ線等種々の光源の採用が
検討されており、また、レジストに対しても新レジスト
の開発やＲＥＬのような新レジスト処理が検討され、さ
らには、ＳＲＥＰ．ＣＥＬイメージリバース法等も研究
が進められている。

【０００５】これに対し、マスク製作技術に対しては、
充分な検討がなされていなかったが、１９８２年ＩＢＭ
社のレベンソンらにより、位相シフト法が提案され、注
目されている。

【０００６】この位相シフト法は、マスクを透過する光
の位相を操作することにより投影像の分解能およびコン
トラストを向上させる技術である。

【０００７】この原理について図２０を参照しつつ説明
する。この方法では、図２０(a) に示すように、石英基
板１１上にスパッタ法等により形成したクロム（Ｃｒ）
あるいは酸化クロム（Ｃｒ₂ Ｏ₃ ）からなるマスクパタ
ーン１２の隣り合う一対の透明部の一方に透明膜１３を
形成したマスクを用い、図２０(b) に示すようにこの部
分の位相を反転させ光の振幅が２つの透過部の境界部で
打ち消し合うようにしたものである（図２０(c) ）。こ
の結果、２つの透過部の境界部の光強度は０となり、図
２０(d) に示すように、２つの透過部よりウエハ上に形
成されるパターンを分離することができる。このように
して、ＮＡ＝０．２８のｇ線ステッパで、０．７μm の
パターンを解像し、解像度が約４０％向上した。このと
き、位相を反転させるには位相シフタの膜厚ｄはシフタ
材料の屈折率をｎ、露光波長をλとするとｄ＝λ／２
（ｎ−１）の関係が必要となる。

【０００８】さらに日立の寺沢らは、レベンソンらの技
術をさらに発展させて、図２１にその原理を示すように
孤立パターンへの適用を行った。この方法では、孤立パ
ターンａの他に単独では解像しないダミーとしての補助
パターンｂを設け、この部分に位相を反転させるシフタ
１３を配設している。この方法では、ＮＡ＝０．４２の
ｉ線ステッパで、０．３μm の孤立スペースおよび０．
４μm 径のコンタクトホールが解像し、従来法に比べ解
像度が約３０％向上した。しかしながらコンタクトホー
ルについてはパターン寸法が小さくなればなるほど補助
パターンとの光強度差が小さくなるので透過部を透過す
る光強度が全体的に弱められ解像しないという限界があ
る。

【０００９】さらにまた、以上に説明した方法では、ラ
イン・アンド・スペースに対しては透過部１つおきにシ
フタを設置し、孤立パターンに対しては補助パターン用
にマスク層を加工しシフタを配置するため、マスクパタ
ーンに対するシフタの位置合わせや選択加工技術が必要
となり工程数が大幅に増大するのをはじめ、マスクの製
造工程が複雑となるという問題がある。

【００１０】このような問題に鑑み、さらに、東芝の仁
田山らは透過部あるいは遮光部の周囲に位相シフタを設
けた位相シフトマスク構造を提唱している。

【００１１】図２２にこの原理を示す。このマスクは、
図２２(a) に示すように、石英基板１１上に形成したク
ロム（Ｃｒ）と酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃ ）との積層膜か
らなるマスクパターン１２の周囲に張り出すように形成
した位相シフタ１３としての透明膜を形成したマスクを
用い、図２２(b) に示すようにこの部分の位相を反転さ
せ光の振幅が透過部両端で位相０°と位相１８０°の光
が打ち消し合い、光強度が小さくなりコントラストが向
上するようにしたものである（図２２(c) ）。この結
果、透過部両端の光強度はほぼ０となり、図２２(d) に
示すように、２つの透過部よりウエハ上に形成されるパ
ターンを分離することができる。

【００１２】このマスクは次のようにして形成される。

【００１３】まず、図２３(a) に示すように石英基板１
１上にスパッタ法等によりクロム（Ｃｒ）と酸化クロム
（Ｃｒ₂ Ｏ₃ ）との積層膜１２を１００nm程度堆積し、
この上にレジストを塗布し電子線描画を行い現像しレジ
ストパターンＲをパターニングする。

【００１４】次いで、図２３(b) に示すように、このレ
ジストパターンをマスクとしてウエットエッチング法ま
たは反応性イオンエッチング法により、このマスク層１
２をパターニングし、レジストパターンＲを剥離除去す
る。

【００１５】この後、図２３(c) に示すように、ＰＭＭ
Ａ膜１３を塗布し、バック露光を行い潜像１３Ｓを形成
する。

【００１６】そして、現像を行い、図２３(d) に示すよ
うに、ＰＭＭＡ膜パターンからなる位相シフタ１３を形
成する。

【００１７】最後に、図２３(e) に示すように、このＰ
ＭＭＡ膜パターンからなる位相シフタ１３をマスクとし
てマスク層１２のサイドエッチングを行い、マスク層１
２から位相シフタ１３が張り出すように形成されたマス
クが完成する。

【００１８】このマスクではＰＭＭＡが位相シフタとな
るわけであるが、ＰＭＭＡは透過率が高く、レジストプ
ロファイルがシャープであるため、良好な位相シフタと
なる。

【００１９】また、この方法では自己整合的に位相シフ
タのパターンを形成することができるため、マスク合わ
せや、選択加工工程が不要となり、簡単に形成すること
ができる。

【００２０】このようなマスクを用いて露光を行うと、
各開口部を通った光は、破線で示すように互いの位相が
反転しているため、マスク層の下の部分での光強度が大
幅に低下し、全体としての光は実線で示すように、強度
分布からみて、従来のマスクを用いた場合に比べ半分近
い寸法までの解像が可能となる。

【００２１】このような構造のマスクにおいて位相シフ
タの透過率を１００％と仮定し、シフタ幅の最適化を行
ったところ、パターン寸法に応じて、コントラスト向上
効果の最も大きい最適シフタ幅が異なることがわかっ
た。例えば、図１９に示すようにＮＡ＝０．４２のエキ
シマ・ステッパを用いる場合、０．３μmのライン・ア
ンド・スペースの最適シフタ幅は０．０４μm （ウェハ
上）、０．２５μm のライン・アンド・スペースの最適
シフタ幅は０．０６μm （ウェハ上）である。

【００２２】このようにパターン寸法に応じて、コント
ラスト向上効果の最も大きい最適シフタ幅を設定するこ
とにより、最大のコントラスト向上効果を得ることがで
き従来では解像し得なかった微細パターンの解像も可能
となる。

【００２３】しかしながら、この方法では、微細パター
ンの上にさらに微細なシフタパターンを設けるため、シ
フタ幅の制御が難しく、加工が極めて困難であるという
問題があった。

【００２４】またこのようなシフタパターンは透過性の
膜かあるいは反透過性の膜かのいずれかを使用しなけれ
ばならない。ところが、超ＬＳＩの製造工程で用いるマ
スクはゴミの付着が全くない状態でなければならないた
め頻繁に洗浄が必要になる。このため位相シフトマスク
も繰り返し洗浄に耐え得るだけの強度を有するものであ
る必要があるが、シフタをレジストで形成しようとする
と強度の点では全く実用に供し得るものではなかった。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の位
相シフト法を用いたフォトリソグラフィのマスクにおい
ては、微細パターンの上にさらに微細なシフタパターン
を設けるため、シフタ幅の制御やアライメントが難し
く、加工が困難であるという問題があった。

【００２６】また、超ＬＳＩの製造工程で用いるマスク
として、強度的に十分使用できるものはなかった。

【００２７】本発明は、前記実情に鑑みてなされたもの
で、転写装置の解像限界を向上せしめると共に、一定の
光量で忠実なパターン転写を行うことのできる露光マス
クおよびその製造方法を提供することを目的とする。

【００２８】

【課題を解決するための手段】そこで本発明の第１の露
光マスクでは、ある範囲の寸法をもつマスクパターンで
は、遮光膜パターンの代わりに、半透明膜パターンを用
いるようにしている。望ましくは、マスクパターンのサ
イズに応じて半透明膜パターンの振幅透過率を調整する
ようにしている。

【００２９】また望ましくは、半透明膜パターンを、露
光光で解像されないような複数の微細領域に分割された
振幅透過率の異なる複数の領域から構成している。

【００３０】望ましくは、半透明膜パターンを、微細領
域の占有面積比率によって振幅透過率を調整するように
構成している。

【００３１】望ましくは、半透明膜パターンは、イオン
注入によって振幅透過率の変化された領域を含むように
している。

【００３２】また本発明の第２の露光マスクでは、露光
光に対する光路長が異なるように構成されたシフト膜
と、この膜の上層または下層に形成されたマスク基板と
露光光に対して所定の透過率を有するように構成された
透過率調整層としての半透明膜との積層構造で構成され
るようにしている。

【００３３】本発明の第３では位相シフタを構成する材
料の振幅透過率を調整することにより、コントラスト向
上に効果的なシフタ幅を大きくし、シフタ幅に必要とさ
れる精度を緩和するようにしている。すなわちマスクパ
ターンのパターン寸法を露光条件のλ／ＮＡで除した値
が０．３４から０．６８となるとき、位相シフタの振幅
透過率を１００％以下にし、位相シフタ幅を隣接パター
ンに影響を及ぼさない程度に大きく選択できるようにし
ている。望ましくはシフタ幅を十分に大きくしておき、
パターン寸法に応じてコントラストが最大となるように
位相シフタの振幅透過率を選択するようにしている。

【００３４】

【作用】シミュレーションにより、シフタ透過率を変化
させてウェハ上に投影される光像強度分布を調べた結
果、遮光膜パターンの代わりに、所定の透過率を有する
半透明膜パターンを用いることにより、コントラストが
向上することが分かった。本発明はこの点に鑑みてなさ
れたもので、上記構成をとることにより、微細パターン
の解像が容易となる。また、位相シフタのパターニング
を遮光膜パターンとは別に行うことなく１回で形成でき
るため、パターン制御が容易である。

【００３５】望ましくは、マスクパターンのサイズに応
じて半透明膜パターンの振幅透過率を調整することによ
り、解像度を向上させることができる。

【００３６】また、一定の透過率を有し、露光光学系の
解像度以下の微細な半透明膜パターンを用いて占有面積
透過率が異なるように構成することにより実際にパター
ンサイズに応じた振幅透過率のパターンを容易に形成す
ることができる。

【００３７】また、本発明の第２の露光マスクは、露光
光に対する光路長が異なるように構成されたシフト膜
と、この膜の上層または下層に形成されたマスク基板と
露光光に対して所定の透過率を有するように構成された
透過率調整層としての半透明膜との積層構造で構成され
るようにしているため、位相をシフトさせる膜と透過率
を調整する膜とを独立に選択することができ容易に形成
可能である上、位相をシフトさせるシフト層を酸化シリ
コン膜やスピンオングラスとするなど樹脂以外の材料を
も含めて適宜選択する事が可能となり、超ＬＳＩの製造
工程で用いる場合のように繰り返し洗浄に耐え得るだけ
の強度を有するパターンを得ることができる。

【００３８】ところで、光学像はＮＡ（光学系の開口
数），λ（波長）に依存する。

【００３９】しかしながら、パターン寸法ｗを次式のよ
うに規格化した場合、 γ＝ｗ／（λ／ＮＡ） 同じ規格化寸法γをもつ光学像は相似比λ／ＮＡで完全
に相似となる。ＮＡ／λは空間周波数領域でのカットオ
フ周波数を現しており、その逆数λ／ＮＡはカットオフ
周波数を１としてそれをＮＡ／λ分割した１目盛り分の
周波数となる。このように各パターン寸法をこのλ／Ｎ
Ａで除すことにより、その寸法が空間周波数領域上で占
める位置を規格化することができる。

【００４０】この規格化寸法を用いて種々の実験を重ね
た結果、規格化寸法（露光条件のλ／ＮＡで除した値）
が０．６１以下であるマスクパターンに対して特に有効
であることがわかった。そこで、露光条件のλ／ＮＡで
除した値が０．６１以下であるマスクパターンに対して
のみ、透過率０〜５０％を有し位相が１８０°シフトす
るような半透明膜を用いてマスクパターンを形成するこ
とにより、容易に、位相シフト効果を得ることができ、
従来のマスクでは解像できないようなパターンの解像が
可能となる。なお、この半透明膜の透過率はパターン寸
法に応じてコントラストが最適となる値を選択するよう
にすればよい。

【００４１】また、本発明者らは、等間隔のライン・ア
ンド・スペ−スにおける最適な振幅透過率とシフタ幅の
関係を求めるため、光像強度分布を求めるプログラムを
用いてシミュレーションを行った。この結果からコント
ラストが極大となるシフタの振幅透過率はシフタ幅によ
って異なり、振幅透過率を小さくすればするほどシフタ
幅は大きくすることができることがわかった。そしてこ
の結果、この現象は、マスクパターンのパターン寸法を
露光条件のλ／ＮＡで除した値が０．３４から０．６８
の時に共通である事が分かった。そこでこの範囲内の各
パターン寸法においてシフタの透過率を任意に調整する
ことによりシフタ加工に十分な精度を得られる範囲のシ
フタ幅で、大きなコントラスト向上効果を得ることがで
きる。

【００４２】またシフタ幅を十分に大きくしておき、パ
ターン寸法に応じてコントラストが最大となるように位
相シフタの振幅透過率を選択するようにすれば、製造が
極めて容易となる。

【００４３】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。

【００４４】実施例１ 図１は本発明の第１の実施例の露光用マスクの断面を示
す図である。

【００４５】この露光用マスクは、５倍体マスクであ
り、透光性の石英基板１の表面に、膜厚０．２５μm 透
過率６％の半透明膜からなる１．５μm 幅のライン・ア
ンド・スペースパターンからなるマスクパターン２を配
設してなるものである。このラインアンドスペースはウ
ェハ上に転写されて０．３μm の幅のライン・アンド・
スペースパターンとなる。

【００４６】この半透明膜は、ｐ−ＴＥＲＰＨＥＮＹＬ
とＰＭＭＡとを、１：４で混合し、これをエチルセロソ
ルブアセテートに溶かしたものを回転塗布し、膜厚０．
２５μm となるようにしたのち、露光現像を行い、０．
３μm 幅のライン・アンド・スペースパターンとしたも
のである。

【００４７】このようにして形成された露光用マスク
を、ＮＡ＝０．４２の投影レンズを有するＫｒＦエキシ
マレーザステッパに装着し、シリコン基板上にＳＡＬ６
０１と指称されているネガ型レジストを塗布したウェハ
に、パターン転写（λ＝２４８nm、コヒーレンシσ＝
０．５）を行い、専用現像液で現像した。

【００４８】これにより、従来の露光マスクでは解像し
得なかった高精度の０．３μm 幅のライン・アンド・ス
ペースパターンからなるレジストパターンを得ることが
できる。

【００４９】次に、等間隔のライン・アンド・スペース
パターンにおける最適なシフタ透過率を求めるため、独
自に作成した光像強度分布を求めるプログラムを用いて
シミュレーションを行った。その結果を図２に示す。

【００５０】露光条件としてはＫｒＦエキシマレーザ
光、ＮＡ＝０．４２、λ＝２４８nm（λ／ＮＡ＝０．５
９）、コヒーレンシσ＝０．５に設定した。ここでは図
１に示したのと同様に透光性の石英基板１１上に透過率
Ｔ＝０％（クロム）、Ｔ＝６％、Ｔ＝２０％の３種類の
半透明膜からなる０．３μm 幅のライン・アンド・スペ
ースパターンからなるマスクパターン２を配設したもの
を用い、各透過率に対する光像強度分布の変化を調べ
た。

【００５１】図２(a) 乃至図２(c) はパターン寸法０．
３μm のラインアンドスペースのパターンの透過率をＴ
＝０％（クロム）、Ｔ＝６％、Ｔ＝２０％と変化させて
シミュレーションを行った結果得られた光強度分布を示
す。この結果から、Ｔ＝６％としたとき光強度分布の谷
の部分ががほぼ０となっており、Ｔ＝０％のときよりコ
ントラストが向上していることがわかる。

【００５２】さらに、次式 Ｃ＝（Ｉ_max −Ｉ_min ）／（Ｉ_max ＋Ｉ_min ） ……（式） Ｉ_max …光強度分布波形の山の光強度 Ｉ_min …光強度分布波形の谷の光強度 Ｃ …コントラスト を用いてコントラストを算出し、図３にλ／ＮＡで規格
化した寸法を用いて形成したパターンの透過率の変化に
対するコントラストの変化を示す。それぞれ曲線ａ，
ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈは０．６８（０．４０μm
）、０．６３（０．３７μm ）、０．６１（０．３６
μm ）、０．５９（０．３５μm ）、０．５１（０．３
μm ）、０．４２（０．２５μm ）、０．３９（０．２
３μm ）、０．３４（０．２０μm ）のときの、透過率
の変化に対するコントラストの変化を示す。

【００５３】ラインアンドスペースの場合、０．３７μ
m 以上のパターンでは、シフタの透過率を上げていくと
コントラストは低下するが、パターン寸法０．２５μm
では、透過率１６％、０．３μm では透過率６％、０．
３５μm では透過率３％で、コントラストが最大となっ
ている。

【００５４】この結果から、０．３６μm （規格化され
た値で０．６１）以上のパターンには、クロム等の遮光
膜を用い、それより小さいパターンには透過率を０％か
ら２０％に調整した半透明のシフタを用いることによ
り、微細パターンの解像が可能となることがわかる。

【００５５】なお、図３の結果を、それぞれの露光条件
のλ／ＮＡに乗じるようにすれば、その露光条件でのパ
ターン寸法に応じてコントラストを最大とするような半
透明膜の透過率を得ることができる。

【００５６】また、図３から、規格化されたパターン寸
法が０．６１以上のパターンには、クロム等の遮光膜を
用い、それより小さいパターンには半透明膜を用いこの
半透明膜の透過率を０〜５０％の範囲に設定したとき、
コントラストの向上をはかることができることがわか
る。ここで規格化寸法０．３９で最適透過率は５０％と
なり、０．３９より小さい０．３４では透過率を調整し
ても効果がなく、透過率が５０％より大きくしても効果
がないことがわかる。

【００５７】なお、この半透明膜に色素を添加して透過
率を調整するようにしてもよい。

【００５８】実施例２ 次に、本発明の第２の実施例について詳細に説明する。

【００５９】図４(a) および(b) は本発明の第２の実施
例の露光用マスクの要部を示す図である。

【００６０】この露光用マスクは、露光光学系の解像度
限界以下のパターンを用い、マスクパターンのサイズに
応じてこの密度（面積占有率）を調整することにより振
幅透過率を制御し、パターンサイズ毎に最適な振幅透過
率となるようにし解像限界を向上するようにしたことを
特徴とするものである。

【００６１】この露光用マスクは露光光の波長が４３６
nmの領域で用いるもので、この位相シフタとしての半透
膜パターンを透過してきた露光光は位相が１８０度反転
し、半透膜パターンを通過しない露光光と合成され、パ
ターン境界部で光強度がシャープになるようになってい
る。

【００６２】次に、この露光用マスクの製造工程につい
て説明する。

【００６３】まず、図５(a) に示すように、大きさ５イ
ンチ四方、厚さ２．４mmの透光性の溶融石英基板１の表
面にスパッタリング法により、膜厚０．０３５μm のＣ
ｒ膜３からなる半透明膜を堆積する。

【００６４】そして、図５(b) に示すように、レジスト
Ｒを塗布しＥＢ露光を用いたフォトリソグラフィ工程に
より、これをパターニングする。

【００６５】この後、図５(c) に示すように、このレジ
ストパターンＲをマスクとし，ＣＨ₂ Ｃｌ₂ とＯ₂ ガス
を主成分とする反応性ガスを用いた反応性イオンエッチ
ングによりＣｒ膜３をパターニングし、続いてＣＦ₄ を
主成分とするガスを用いたドライエッチングにより基板
１を０．４２μm 程度エッチングし溝Ｔを形成する。こ
こでこのエッチングにより彫り込まれなかった領域４が
位相調整領域となる。このときの基板１の彫り込み量は
次式に従う。

【００６６】 （ｎ₁ −１）×ｄ₁ ／λ＋（ｎ₂ −１）×ｄ₂ ／λ＝０．５ ｎ₁ ：Ｃｒの屈折率 ｄ₁ ：Ｃｒの膜厚 ｎ₂ ：石英基板の屈折率 ｄ₂ ：石英基板の彫りこみ量 さらに、図５(d) に示すように、硫酸と過酸化水素水と
の混合溶液中に浸漬することによりレジストパターンＲ
のみを選択的に除去する。

【００６７】この後、図５(e) に示すように、Ｃｒ膜３
を微細パターンに加工するためのレジストパターンＲ2
を形成する。

【００６８】そして、図５(f) に示すように、このレジ
ストパターンＲ2 をマスクとしてＣＨ₂ Ｃｌ₂ とＯ₂ と
を主成分とするドライエッチングによりＣｒ膜３からな
る半透明膜をパターニングし、続いて液相成長法により
酸化シリコン膜５をレジストパターンで囲まれた領域に
選択的に形成する。ここで酸化シリコン膜５の膜厚はＣ
ｒ膜３を透過した露光光とこの酸化シリコン膜５を透過
した露光光の位相差が０となるようにする。

【００６９】最後にレジストＲ2 を有機溶剤または酸に
よって剥離し露光マスクを完成する（図５(g) ）。

【００７０】このようにして形成された露光マスクの位
相シフタは、パターンサイズに応じてＣｒ膜３の微細パ
ターンと酸化シリコン膜５との面積占有率を調整し，最
適化したパターンとなるようにしている。

【００７１】この露光用マスクの露光に用いる露光光は
波長４３６nmであるものとして膜厚を決定した。

【００７２】このようにして形成された露光用マスク
を、ＮＡ＝０．４２の投影レンズを有するｇ線ステッパ
に装着し、被処理基板上に塗布された０．５μｍ厚さの
ノボラック系ポジレジストＰＲ−１０２４を露光したと
ころ、０．３μｍのパターンまで極めて高精度に再現性
よく得られた。

【００７３】また、ここでは半透明膜としてのＣｒ膜３
と酸化シリコン膜５との微細パターンの面積占有率を調
整することにより所望の振幅透過率を得るようにしてい
るため、パターンサイズに応じて振幅透過率を制御する
のが容易となる。

【００７４】なお、前記実施例ではＣｒ膜３と酸化シリ
コン膜５とに差があり、段差が形成されているが、酸化
クロム膜と酸化シリコン膜など屈折率の近い材料の組み
合わせを用いるようにすれば、段差をなくすことができ
光学的特性がさらに向上する。 また、半透明膜として
はＣｒに限定されるものではなく他の金属材料や他の材
料でも良い。すなわち、膜厚等を薄く設定することなど
によりどのような材料を用いても良い。また、透明膜と
しても酸化シリコンに限定されるものではなく、フッ化
カルシウム（ＣａＦ）、フッ化マグネシウム（Ｍｇ
Ｆ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等他の材料でも
良い。

【００７５】実施例３ 次に、本発明の第３の実施例について詳細に説明する。

【００７６】この例ではイオン注入により透過率をわず
かづつ変化させることができる点に着目し、振幅透過率
の微調整を行うようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００７７】溶融石英からなる透明基板表面に３０Ｋｅ
Ｖの加速電圧でシリコンイオンをイオン注入し、波長４
３６nmにおける透過率を測定した。その結果を図６(a)
に示す。ここで横軸は注入イオンドーズ量であり、縦軸
は透過率である。この図からわかるように、ドーズ量の
増加とともに透過率は単調に減少することがわかる。こ
の露光用マスクは露光光の波長が４３６nmの領域で用い
るもので、この位相シフタとしての半透膜パターンを透
過してきた露光光は位相が１８０度反転し、半透膜パタ
ーンを通過しない露光光と合成され、パターン境界部で
光強度がシャープになるようになっている。

【００７８】次に、この露光用マスクの製造工程につい
て説明する。

【００７９】まず、図７(a) に示すように、大きさ５イ
ンチ四方、厚さ２．４mmの透光性の溶融石英基板１の表
面全体に均一にドーズ量７．０×１０¹⁷／cm² 加速電圧
３０ＫｅＶでシリコンイオンをイオン注入し半透明層６
を形成する。これによりこの半透明層６の波長が４３６
nmの露光光に対する透過率は６％となる。

【００８０】この後、図７(b) に示すように、レジスト
Ｒを塗布しＥＢ露光を用いたフォトリソグラフィ工程に
より、これをパターニングする。

【００８１】この後し、図７(c) に示すように、このレ
ジストパターンＲをマスクとし，ＣＦ₄ ガスを主成分と
する反応性ガスを用いた反応性イオンエッチングにより
深さ０．４７μm 程度エッチングし溝Ｔを形成する。こ
こでこのエッチングにより彫り込まれなかった領域４が
位相調整領域となる。

【００８２】このようにして形成された露光用マスク
を、ＮＡ＝０．４２の投影レンズを有するｇ線ステッパ
に装着し、被処理基板上に塗布された０．５μｍ厚さの
ノボラック系ポジレジストＰＲ−１０２４を露光したと
ころ、０．３μｍのパターンまで極めて高精度に再現性
よく得られた。

【００８３】このようにして形成される露光マスクの位
相シフタは、パターンサイズに応じてドーズ量あるいは
加速電圧を変化させたり、収束イオンビーム法（ＦＩ
Ｂ）により描画して微細なイオン注入領域を形成し，最
適化したパターンとなるようにしてもよい。

【００８４】なお、前記実施例では、シリコンイオンを
注入したが、シリコンイオンに限定されることなく適宜
変更可能である。ただし図６(a) に示したのと同様の注
入条件でＡｕを注入した場合図６(b) に示すようにドー
ズ量を増加しても透過率は８０％で飽和してしまい、そ
れ以上の調整が不可能である。したがって注入イオンの
ドーズ量と共に透過率が単調に変化する特性が得られる
ようなイオンおよび注入エネルギーを選択する必要があ
る。

【００８５】実施例４ 次に、本発明の第４の実施例について詳細に説明する。

【００８６】この例ではレジストパターンを介してイオ
ン注入を行うことにより選択的に半透明層を形成するよ
うにしている。

【００８７】次に、この露光用マスクの製造工程につい
て説明する。

【００８８】まず、図７(a) に示すように、大きさ５イ
ンチ四方、厚さ２．４mmの透光性の溶融石英基板１にレ
ジストＲを塗布しＥＢ露光を用いたフォトリソグラフィ
工程により、これをパターニングし、このレジストパタ
ーンＲを介して表面全体に均一にシリコンイオンをイオ
ン注入し図７(b) に示すように、半透明層７を形成す
る。このとき転写パターンサイズ毎にパターン領域中に
おけるレジストパターンＲを調整しておくようにすれ
ば、領域毎に透過率を所望の値に制御することができ
る。

【００８９】次に、液相成長法により酸化シリコン膜８
をレジストパターンで囲まれた領域に選択的に形成す
る。ここで酸化シリコン膜８の膜厚は半透明層７と合わ
せて、透明基板を透過した露光光との位相差が，１８０
となるように選択する（図７(c) ）。

【００９０】最後にレジストＲを有機溶剤または酸によ
って剥離し露光マスクを完成する（図７(d) ）。

【００９１】このようにして形成された露光マスクの位
相シフタは、パターンサイズに応じて酸化シリコン膜８
と半透明層７との積層構造をなす微細パターンの面積占
有率を調整し，最適化したパターンとなるようにしてい
る。

【００９２】実施例５ 次に、本発明の第５の実施例について詳細に説明する。

【００９３】図９は本発明の第５の実施例の露光用マス
クの断面を示す図である。

【００９４】この露光用マスクは、透光性の石英基板２
１の表面に、大小寸法の異なるパターンを形成したもの
で、規格化されたパターン寸法が０．６１以上のパター
ンには、クロム等の遮光膜２２を用い、それより小さい
パターンには半透明膜２３を用いこの半透明膜の透過率
を０〜５０％の範囲に設定したものである。

【００９５】このとき、マスク表面の全てのパターン
が、極めてコントラスト良く形成されており、解像度も
大幅に増大している。

【００９６】実施例６ 次に、本発明の第６の実施例について詳細に説明する。

【００９７】図１０は本発明の第６の実施例の露光用マ
スクの断面を示す図である。

【００９８】この露光用マスクは、０．３７μm （規格
化された値で０．６１）以上のパターンには、クロムの
遮光膜（図示せず）を用い、それより小さいパターンに
は透過率を０％から２０％に調整した半透明のパターン
を用いることにより、微細パターンの解像を可能となる
ようにするものである。

【００９９】すなわち、この露光マスクは、透光性の石
英基板３１の表面に形成された振幅透過率２５％（光強
度透過率６．２５％）となるように形成されたクロム薄
膜からなる半透明膜３２と、該半透明膜３２の上層に形
成された位相シフタとなる透明な酸化シリコン膜３３と
から構成されていることを特徴とするもので、この酸化
シリコン膜３３は露光光に対して１８０°位相がずれる
ようになっている。

【０１００】位相シフタとしたこの透明な酸化シリコン
膜３３を透過してきた露光光は位相が１８０度反転し、
位相シフタ３３を通過しない露光光と合成され、パター
ン境界部で光強度がシャープになるようになっている。

【０１０１】次に、この露光用マスクの製造工程につい
て説明する。

【０１０２】まず、図１１(a) に示すように、透光性の
石英基板１の表面にスパッタリング法により、Ｃｒ薄膜
からなる半透明膜３２を形成し、さらにこの上層に露光
光に対して位相シフタとなる酸化シリコン膜３３を蒸着
する。ここで位相シフタとしての酸化シリコン膜３３の
膜厚は１８０°位相がずれるような膜厚となっている。

【０１０３】そして、図１１(b) に示すように、レジス
ト３４を塗布しＥＢ露光を用いたフォトリソグラフィ工
程により、これをパターニングし、これをマスクとして
ＣＦ₄ ガスを主成分とする反応性ガスを用いた反応性イ
オンエッチングにより酸化シリコン膜３４をパターニン
グする。

【０１０４】さらに、図１１(c) に示すように、ＣＨ₂
Ｃｌ₂ とＯ₂ とを主成分とするドライエッチングにより
Ｃｒ薄膜からなる半透明膜３２をパターニングし、レジ
スト３４を有機溶剤または酸によって剥離し露光マスク
を完成する。

【０１０５】このようにして形成された露光マスクの位
相シフタは、半透明膜３２と無機膜である酸化シリコン
膜３３とでパターンが形成されているため、超ＬＳＩの
製造工程で繰り返し洗浄が施される場合にも十分にこの
洗浄に耐え得るだけの強度を有しており、長寿命で信頼
性の高いものとなっている。

【０１０６】この露光用マスクの露光に用いる露光光は
波長４３６nmであるものとして膜厚を決定した。

【０１０７】なお、この位相シフタとして作用する部分
の酸化シリコン膜の厚さは、λ／２（ｎ−１）となるよ
うに設定する。ここで、λは露光光の波長、ｎは酸化シ
リコン膜の屈折率である。

【０１０８】このようにして形成された露光用マスク
を、ＮＡ＝０．４２の投影レンズを有するｇ線ステッパ
に装着し、被処理基板上に塗布された０．５μｍ厚さの
ノボラック系ポジレジストＰＲ−１０２４を露光したと
ころ、０．３μｍのパターンが極めて高精度に再現性よ
く得られた。

【０１０９】ちなみに、この位相シフタ層を形成しない
で他については前記実施例と全く同様にして形成した従
来の露光用マスクで露光した場合の解像力は、せいぜい
０．４μｍ程度であった。これらの比較からも、本発明
実施例の露光用マスクおよびこれを用いた露光方法によ
れば、極めて高精度のパターンを得ることができること
がわかる。

【０１１０】なお、半透明膜としてはＣｒに限定される
ものではなく他の金属材料や他の材料でも良い。すなわ
ち、膜厚等を薄く設定することなどによりどのような材
料を用いても良い。また、透明膜としても酸化シリコン
に限定されるものではなく、フッ化カルシウム（Ｃａ
Ｆ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）、酸化アルミニウ
ム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等他の材料でも良い。

【０１１１】さらに、この露光マスクにはパターン上層
または下層にフッ化マグネシウムなどの反射防止膜をス
パッタ法等により形成する事も可能である。

【０１１２】実施例７ 図１２は本発明の第７の実施例の露光用マスクの製造工
程を示す断面図である。 この露光用マスクは、透光性
の石英基板１１の表面に、膜厚１００nmのＣｒ膜パター
ンを形成すると共に膜厚０．２５μm 透過率３０％の半
透明膜からなるシフタ幅０．６μm の位相シフタ１２１
を形成したことを特徴とするものである。 まず、図１
２(a) に示すように、膜厚１００nmのＣｒ膜パターンの
形成された透光性の石英基板１１の表面に、ｐ−ＴＥＲ
ＰＨＥＮＹＬとＰＭＭＡとを、１：４で混合し、これを
エチルセロソルブアセテートに溶かしたものを回転塗布
し、膜厚０．２５μm となるようにする。この位相シフ
タの振幅透過率は３０％であった。

【０１１３】次に図１２(b) に示すように、波長２００
〜３００nmの水銀灯による裏面露光を行う。

【０１１４】そして図１２(c) に示すように専用現像液
ＴＳＫで現像を行った。

【０１１５】この後図１２(d) に示すように、マスク上
でシフタ幅が０．６μm となるように硝酸第２セリウム
アンモニウム溶液でＣｒのサイドエッチングを行いマス
クを形成した。

【０１１６】このようにして形成された露光用マスク
を、ＮＡ＝０．４２の投影レンズを有するＫｒＦエキシ
マレーザステッパに装着し、シリコン基板上にＳＡＬ６
０１と指称されているネガ型レジストを塗布したウェハ
に、パターン転写（λ＝２４８nm、コヒーレンシσ＝
０．５）を行い、専用現像液で現像した。

【０１１７】これにより、従来の露光マスクでは解像し
得なかった高精度の０．２５μm ，０．３μm 幅のライ
ン・アンド・スペースパターンからなるレジストパター
ンを得ることができる。

【０１１８】シフタの振幅透過率が１００％である従来
の場合、パターン寸法０．３μm における最適シフタ幅
はマスク上で０．２μm であるが、プロセス上±０．１
μm程度のばらつきが生じてしまう。このシフタ幅の誤
差により生じるコントラストの低下は図１３(a) に示し
たように相対値で０．０５とかなり大きい。

【０１１９】これに対し，位相シフタの振幅透過率３０
％の最適シフタ幅０．６μm では同じ±０．１μm の誤
差でもコントラストの低下は図１３(b) に示すように
０．００５と非常に小さい。

【０１２０】このようにシフタの透過率を下げてシフタ
幅を大きくすることにより、シフタ幅の誤差によるコン
トラストの低下を抑制する事ができ、結果として良好な
レジストパターンを提供することができる。

【０１２１】次に、図１４に示すように等間隔のライン
・アンド・スペ−スにおける最適な振幅透過率とシフタ
幅δの関係を求めるため、光像強度分布を求めるプログ
ラムを用いてシミュレーションを行った。なお露光条件
はＫｒＦエキシマレーザ光、ＮＡ＝０．４２，λ＝２４
８nm、コヒーレンシσ＝０．５に設定した。振幅透過率
とシフタ幅とを変化させた時の最もコントラストの高く
なった組み合わせを図１５(a) 乃至(e) に示す。この結
果から振幅透過率を小さくすればするほどシフタ幅は大
きくすることができることがわかった。

【０１２２】さらに０．３μm のライン・アンド・スペ
−スにおいてシフタ幅を固定して振幅透過率を変化させ
た場合の光像強度分布のコントラストの変化を図１６に
示す。

【０１２３】この図からコントラストが極大となるシフ
タの振幅透過率はシフタ幅によって異なる事が分かる。
またコントラストが極大となる場合のシフタの振幅透過
率とシフタ幅との関係を測定した結果を図１７に示す。
この図からシフタ振幅透過率を下げていくとシフタ幅を
大きくすることができることがわかる。

【０１２４】また０．２５μm のライン・アンド・スペ
−スにおいてシフタ幅を固定して振幅透過率を変化させ
た場合の光像強度分布のコントラストの変化を図１８に
示す。

【０１２５】またコントラストが極大となる場合のシフ
タの振幅透過率とシフタ幅との関係を測定した結果を図
１９に示す。この場合も０．３μm のライン・アンド・
スペ−スと同様であった。

【０１２６】このような実験を繰り返した結果、この現
象は、マスクパターンのパターン寸法を露光条件のλ／
ＮＡで除した値が０．３４から０．６８の時に共通であ
る事が分かった。そこでこの範囲内の各パターン寸法に
おいてシフタの透過率を任意に調整することによりシフ
タ加工に十分な精度を得られる範囲のシフタ幅で、大き
なコントラスト向上効果を得ることができる。

【０１２７】以上本発明について実施例を用いて説明し
たが、実施例の場合、位相シフタとしての透明膜は、レ
ジストとしても用いられるポリメチルメタクリレートお
よび無機膜である酸化シリコン層について説明したが、
これらに限定されるものではなく、露光光として用いら
れる波長４３６ｎｍ以下の光に対して透過率の高い材料
であれば良い。例えば無機膜としては、フッ化カルシウ
ム（ＣａＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）、酸化ア
ルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等他の材料を用いるようにし
ても良い。また、位相シフタとなるレジストとしては、
ポリメチルメタクリレート、ポリトリフルオロエチル−
α−クロロアクリレート、クロロメチル化ポリスチレ
ン、ポリジメチルグルタルイミド、ポリメチルイソプロ
ペニルケトン等の材料が考えられる。また、パターンの
厚さ等は、材料およびリソグラフィ光に応じて、適宜変
更可能である。

【０１２８】また、透光性基板および遮光膜の材料につ
いても、実施例に限定されることなく適宜変更可能であ
る。

【０１２９】加えて、位相シフタ層は必ずしも１８０度
の位相シフトを行うものである必要はなく、１８０度の
近傍でパターンエッジの光強度分布をシャープに低下さ
せる程度であれば１８０度をいくばくかはずれたもので
もよい。

【０１３０】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の露光
マスクによれば、遮光膜パターンの代わりに、半透明膜
パターンを用いることにより、コントラストが向上し、
解像度の向上をはかることができる。

【０１３１】また本発明の第２の露光マスクによれば、
露光光に対する光路長が異なるように構成されたシフト
膜と、この膜の上層または下層に形成されたマスク基板
と露光光に対して所定の透過率を有するように構成され
た透過率調整層としての半透明膜との積層構造で構成さ
れるようにしているため、位相をシフトさせる膜と透過
率を調整する膜とを独立に選択することができ、洗浄な
どに対する強度の高い露光マスクを得ることができる。

【０１３２】本発明の第３では位相シフタを構成する材
料の振幅透過率を調整することにより、コントラスト向
上に効果的なシフタ幅を大きくし、シフタ幅に必要とさ
れる精度を緩和するようにしているため、容易に高精度
でかつコントラストの高いマスクを形成することが可能
となる。

【０１３３】このようにして、本発明の露光マスクによ
れば、パターン密度に依存することなくパターンに忠実
で高精度のパターン形成を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の露光用マスクを示す図

【図２】同露光用マスクの透過率を変化させてシミュレ
ーションを行った結果得られた光強度分布を示す図

【図３】λ／ＮＡで規格化した寸法を用いて形成した透
過率の変化に対するコントラストの変化を示す図

【図４】本発明の第２の実施例の露光マスクを示す図

【図５】同露光マスクの製造工程図

【図６】注入条件と透過率との関係を示す図

【図７】本発明の第３の実施例の露光用マスクの製造工
程を示す図

【図８】本発明の第４の実施例の露光用マスクの製造工
程を示す図

【図９】本発明の第５の実施例を示す図

【図１０】本発明の第６の実施例の露光マスクを示す図

【図１１】同露光マスクの製造工程図

【図１２】本発明の第７の実施例の露光用マスクの製造
工程を示す図

【図１３】同実施例におけるシフタ幅とコントラストと
の関係を示す図、

【図１４】本発明の第８の実施例の露光用マスクを示す
図

【図１５】シフタの振幅透過率とシフタ幅に対する光強
度分布のコントラストの関係を示す図。

【図１６】シフタの振幅透過率とシフタ幅に対する光強
度分布のコントラストの関係を示す図。

【図１７】シフタの振幅透過率とシフタ幅との関係を示
す図。

【図１８】シフタの振幅透過率とシフタ幅に対する光強
度分布のコントラストの関係を示す図。

【図１９】シフタの振幅透過率とシフタ幅との関係を示
す図。

【図２０】従来例の位相シフト法の説明図。

【図２１】従来例の位相シフト法の説明図

【図２２】従来例の位相シフト法の説明図。

【図２３】従来例の位相シフト法の説明図

【図２４】従来例の位相シフト法の説明図

【符号の説明】

１ 石英基板 ２ マスクパターン ３ Ｃｒパターン ４ 位相調整領域 ５ 酸化シリコン膜 ６ イオン注入層 ７ 半透明層 ８ 酸化シリコン膜 １１ 石英基板 １２ マスクパターン、 １３ 透明膜 ２１ 石英基板 ２２ 遮光膜 ２３ 半透明膜 ３１ 石英基板 ３２ 半透明膜、 ３３ 酸化シリコン膜。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成３年１１月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】このような構造のマスクにおいて位相シフ
タの透過率を１００％と仮定し、シフタ幅の最適化を行
ったところ、パターン寸法に応じて、コントラスト向上
効果の最も大きい最適シフタ幅が異なることがわかっ
た。例えば、図２４に示すようにＮＡ＝０．４２のエキ
シマ・ステッパを用いる場合、０．３μmのライン・ア
ンド・スペースの最適シフタ幅は０．０４μm （ウェハ
上）、０．２５μm のライン・アンド・スペースの最適
シフタ幅は０．０６μm （ウェハ上）である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４６】この半透明膜は、ｐ−ＴＥＲＰＨＥＮＹＬ
とＰＭＭＡとを、１：４で混合し、これをエチルセロソ
ルブアセテートに溶かしたものを回転塗布し、膜厚０．
２５μm となるようにしたのち、露光現像を行い、１．
５μm 幅のライン・アンド・スペースパターンとしたも
のである。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００８８】まず、図８(a) に示すように、大きさ５イ
ンチ四方、厚さ２．４mmの透光性の溶融石英基板１にレ
ジストＲを塗布しＥＢ露光を用いたフォトリソグラフィ
工程により、これをパターニングし、このレジストパタ
ーンＲを介して表面全体に均一にシリコンイオンをイオ
ン注入し図８(b) に示すように、半透明層７を形成す
る。このとき転写パターンサイズ毎にパターン領域中に
おけるレジストパターンＲを調整しておくようにすれ
ば、領域毎に透過率を所望の値に制御することができ
る。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００８９】次に、液相成長法により酸化シリコン膜８
をレジストパターンで囲まれた領域に選択的に形成す
る。ここで酸化シリコン膜８の膜厚は半透明層７と合わ
せて、透明基板を透過した露光光との位相差が，１８０
となるように選択する（図８(c) ）。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００９０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００９０】最後にレジストＲを有機溶剤または酸によ
って剥離し露光マスクを完成する（図８(d) ）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 間 博顕 神奈川県川崎市幸区小向東芝町 １ 株式 会社東芝総合研究所内 (72)発明者 駒野 治樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町 １ 株式 会社東芝総合研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透光性基板と、 前記透光性基板上に配設された遮光性材料からなるマス
   クパターンとを具備した露光用マスクにおいて、 マスクパターンとして、露光光に対する光路長が異なる
   ように構成された半透明膜パターンを含むようにしたこ
   とを特徴とする露光用マスク。
2. 【請求項２】 前記マスクパターンのパターン寸法を露
   光条件のλ／ＮＡで除した値が０．６１以下であるマス
   クパターンに対しては、所定の透過率を有する半透明膜
   パターンを用い、 前記マスクパターンのパターン寸法を露光条件のλ／Ｎ
   Ａで除した値が０．６１以上であるマスクパターンに対
   しては、透過率がほとんど０となる不透明膜パターンを
   用いるようにしたことを特徴とする請求項(1) に記載の
   露光用マスク。
3. 【請求項３】 前記半透明膜パターンは、そのパターン
   サイズに応じて振幅透過率が決定されていることを特徴
   とする請求項(1) に記載の露光用マスク。
4. 【請求項４】 前記半透明膜パターンは、露光光で解像
   されないような微細領域に分割された振幅透過率の異な
   る複数の領域を有することを特徴とする請求項(1) に記
   載の露光用マスク。
5. 【請求項５】 前記半透明膜パターンは、前記微細領域
   の占有面積比率によって振幅透過率を制御するように構
   成されていることを特徴とする請求項(4) に記載の露光
   用マスク。
6. 【請求項６】 前記半透明膜パターンは、イオン注入に
   よって振幅透過率の変化された領域を含むことを特徴と
   する請求項(4) に記載の露光用マスク。
7. 【請求項７】 透光性基板と、 前記透光性基板上に配設された遮光性材料からなるマス
   クパターンとを具備した露光用マスクにおいて、 露光光に対する光路長が異なるように構成されたシフト
   膜と、 この膜の上層または下層に形成されたマスク基板と露光
   光に対して所定の透過率を有するように構成された透過
   率調整層としての半透明膜との積層構造で構成されてい
   ることを特徴とする露光用マスク。
8. 【請求項８】 透光性基板と、 前記透光性基板上に配設された遮光性材料からなるマス
   クパターンと前記マスクパターンの周囲に配設され露光
   光に対する光路長が異なるように構成された位相シフタ
   とを具備した露光用マスクにおいて、 前記マスクパターンのパターン寸法を露光条件のλ／Ｎ
   Ａで除した値が０．３４から０．６８となるとき、位相
   シフタの振幅透過率を１００％以下にし、この振幅透過
   率に応じて位相シフタ幅が大きく決定されていることを
   特徴とする露光用マスク。