JP4816225B2 - レベンソン型位相シフトマスク - Google Patents

Description

本発明は、レベンソン型位相シフトマスクに係り、特に、デフォーカス時にもπ−０差曲線の傾きのピッチによるばらつきの少ないレベンソン型位相シフトマスクに関する。

近年、半導体素子の微細化に伴い、投影露光装置にも高い解像性が求められている。そこで、フォトマスクの分野においては、転写パターンの解像性を向上させる手法として、１９８２年にＩＢＭ社のレベンソン（Ｌｅｖｅｎｓｏｎ）らにより位相シフト法が提案されている。位相シフト法の原理は、隣接する開口部を通過した透過光の位相が反転するように開口部の一方に位相シフト部を設けることによって、透過光が干渉し合う際に境界部での光強度を弱め、その結果として転写パターンの解像性及び焦点深度を向上させるものである。

このような位相シフト法により解像性を向上させたフォトマスクは、一般にレベンソン型位相シフトマスクと呼ばれる。開口部の一方に位相シフト部を設ける方法としては、現在、石英基板をエッチング等により掘り込んでシフター部を設ける掘り込み型が主流である（例えば、特許文献１参照）。

図７は、掘り込み型のレベンソン型位相シフトマスクの構造を説明する断面図である。図７において、石英基板１１の表面にはＣｒからなる遮光膜１２が形成されており、この遮光膜１２には、第１の開口部１３及び第２の開口部１４が設けられている。石英基板１１は、遮光膜１２の第２の開口部１４を通して掘り込まれており、位相差１８０度のシフター部(π部)が構成される。第１の開口部１３は、位相差０度の非シフター部(０部)を構成する。なお、これらシフター部(π部)及び非シフター部(０部)は交互に形成され、これらを通過する透過光の位相は、交互に反転する。

図７に示す掘り込み型のレベンソン型位相シフトマスクでは、掘り込まれたπ位相部の側壁における透過光の散乱が原因で、シフター部と非シフター部の露光強度にアンバランス(π-０差)が生じてしまうという問題がある。図８は、位置による露光強度の変化を示す特性図であり、π-０差 (πスペースサイズ−０スペースサイズ)が生じることを示している。

このπ-０差を防止するために、図７に示すように、π位相部にスペースバイアスＳが設けられている。なお、ピッチｐは、第１の開口部１３の開口端面と隣接する第２の開口部１４の開口端面（スペースバイアスＳを設けない場合の）までの距離である。

ジャストフォーカス時のπ―０差は、このようにスペースバイアスＳを設けることにより補正できるが、レジスト膜厚の不均一やその下地の凹凸によって生ずるデフォーカス時は、ピッチごとにπ−０差曲線の傾きが相違するため、スペースバイアスを設けることによっては補正できない。図９は、スペースバイアス量８０ｎｍの場合のデフォーカス量とπ-０差との関係を示すπ-０差曲線の傾きが、ピッチにより変化していることを示している。

π−０差曲線の傾きは、図１０に示すように、位相差（石英基板の掘り込み量）を変えることにより制御できるので、図１１に示すように、位相差を変えることにより、全ピッチを通してπ−０差曲線の傾きを小さくすることが考えられる。

しかし、π−０差曲線の傾きのピッチごとのばらつき自体は無くならない。ピッチごとに石英基板の掘り込み量を変える、即ち、狭いピッチの位相差をより小さくすることができれば、この問題を解決できるが、１つのマスクを用いて一括でエッチングして石英基板を掘り込む現状のプロセスでは、そのようなことは困難である。
特開平１１−３０８４９号公報

本発明は、以上のような事情の下になされ、π−０差曲線の傾きのピッチごとのばらつきを低減し、デフォーカス時にも全ピッチでのパフォーマンスを向上させたレベンソン型位相シフトマスクを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、露光光に対して透明な基板と、この透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、前記遮光膜には、第１の開口部と第２の開口部とが交互に形成され、前記第２の開口部から前記透明基板が所定の深さに掘り込まれて基板掘り込み部からなるシフター部が形成されており、前記第１の開口部からは前記透明基板は掘り込まれておらず非シフター部とされており、前記第１及び第２の開口部を通過する透過光の位相が交互に反転するレベンソン型位相シフトマスクにおいて、前記基板掘り込み部の側壁の上端部は前記遮光膜の第２の開口部の縁部に位置し、前記基板掘り込み部の側壁を、底面に対し所定の側壁角で傾斜させ、前記側壁角に対応して前記基板掘り込み部にスペースバイアスを設け、前記側壁角が、転写シミュレーションにより設定され、前記転写シミュレーションは、側壁角に対するシフター部と非シフター部の露光強度のピークの差を求め、その最小値に対応する側壁角を前記基板掘り込み部の最適な側壁角として決定することを特徴とするレベンソン型位相シフトマスクを提供する。

上記レベンソン型位相シフトマスクにおいて、基板掘り込み部の側壁は、順テーパ形状とすることができる。

また、側壁角の側壁を有する基板掘り込み部は、ドライエッチングのＩＣＰパワー、ＲＩＥパワー、真空度、及びガス流量からなる群から選ばれた少なくとも１種を調整することにより設定されたエッチング条件でドライエッチングすることにより形成することができる。

本発明によると、基板掘り込み部の側壁を、底面に対し所定の側壁角で傾斜させているので、基板の掘り込み量を変えること無く、ピッチごとに透過光の位相差を変えることができ、その結果、π−０差曲線の傾きのピッチごとのばらつきを低減することができる。また、転写シミュレーションを用いているので、最適な側壁角を容易に設定することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るレベンソンマスクの断面図を示す。図１において、石英基板１の表面にはＣｒからなる遮光膜２が形成されており、この遮光膜２には、第１の開口部３及び第２の開口部４が設けられている。石英基板１は、遮光膜２の第２の開口部４を通して掘り込まれており、位相差１８０度のシフター部(π部)が構成される。第１の開口部３は、位相差０度の非シフター部(０部)を構成する。なお、これらシフター部(π部)及び非シフター部(０部)は交互に形成され、これらを通過する透過光の位相は、交互に反転する。

また、シフター部(π部)には、シフター部(π部)と非シフター部(０部)の露光強度にアンバランス(π−０差)が生じるのを防止するため、スペースバイアスＳが設けられている。

図１に示すように、第２の開口部４を通して掘り込まれたシフター部(π部)の側壁は、所定の側壁角αで順テーパ状に傾斜している。

このように、シフター部(π部)の側壁が順テーパ状に傾斜していることにより、側壁が開口部の端部から掘り込み部の中央に向って張り出すため、開口部を透過する光の全体の位相差は、垂直な側壁の場合よりも小さくなる。特に、狭いピッチでは、開口部のサイズが小さくなるため、開口部全体に対する側壁部分の寄与が大きくなり、位相差はより小さくなる。つまり、掘り込み量を変えること無く、ピッチごとに透過光の位相差を変えることができる。その結果、π−０差曲線の傾きのピッチごとのばらつきを低減することができる。

図２は、このことを示す特性図である。即ち、側壁角を８２度、位相差を１８０度、スペ−スバイアス量を１０２ｎｍとした場合、デフォーカスであってもπ−０差は、ピッチ１６０〜３５０ｎｍにおいてばらつきのないことがわかる。

ただし、側壁が張り出すと、π部の露光強度が低下するため、垂直な側壁のものに比べて大きいスペースバイアスを設ける必要がある。また、最適側壁角と最適スペースバイアス量は、露光条件やフォトマスクのターゲットパターンにより変化する。

本発明では、転写シミュレーションを用いることにより、最適な側壁角とスペースバイアス量を求めている。

転写シミュレーションにより最適な側壁角とスペースバイアス量を求める手順は、次の通りである。

まず、ウェハ上への転写シミュレーションを用いて、側壁角ごとにスペースバイアス量を変化させ、ジャストフォーカスでのπ−０差を求める。これを各ピッチごとに行い、ジャストフォーカスでのπ−０差のピッチ平均を求める。その結果を図３に示す。即ち、図３では、ジャストフォーカスでのπ−０差のピッチ平均は、右上から左下に順に１５−２０ｎｍ、１０〜１５ｎｍ、５〜１０ｎｍ、０〜５ｎｍ、−５〜０ｎｍ、−１０〜−５ｎｍ、−１５〜―１０ｎｍ、−２０〜−１５ｎｍの各領域である。

これらの領域のうち、π−０差のピッチ平均が０になる領域が、図４に示すように、それぞれの側壁角における最適スペースバイアス量である。

次に、転写シミュレーションを用いて、ある側壁角とその側壁角での最適スペースバイアス量を有する構造のフェーズエラーを導く。フェーズエラーは、下記の式により表わされ、これはπ−０差曲線の傾きに相当する。

δφ＝２ｓｉｎｃ（Ｒ／２）Ｒｅ（Ａ_０／Ａ_１）
式中、ｓｉｎｃ（Ｘ）＝ｓｉｎ（πＸ）／πＸ、Ｒ：スペース／ピッチ、Ａ_０：ＴＥ０次回折、Ａ_１：ＴＥ一次回折
各ピッチにおけるフェーズエラーを求めた結果を図５に示す。フェーズエラーのピッチ平均が最も小さくなる側壁角が、最適側壁角であり、図５から、最適側壁角は８２度であることがわかる。

なお、以上のようにフェーズエラーを求めるのではなく、下記式によりπ−０曲線の傾きを求めることによっても、最適側壁角を得ることができる。

π−０曲線の傾き＝［（π−０）（デフォーカス＝１００ｎｍ）−（π−０）（デフォーカス＝−１００ｎｍ）］／２００
以上のように求めた最適側壁角の側壁を有する掘り込みを形成するには、ドライエッチング装置のＩＣＰパワー、ＲＩＥパワー、真空度、ガス流量等のドライエッチング条件を適宜調整すればよい。このようなドライエッチング条件は、実験により容易に求めることができる。

以下、本発明の一実施形態に係るレベンソン型位相シフトマスクの製造工程について、図６を参照して説明する。

図６（ａ）〜（ｇ）は、図１に示すレベンソン型位相シフトマスクを製造するプロセスを工程順に示す断面図である。
まず、石英基板２１上に、膜厚７０ｎｍのＣｒ膜２２を、Ｃｒをターゲットとして用いたスパッタリングにより成膜して、マスクブランクを作製した。スパッタリング条件は、次の通りである。

スパッタリングガス：流量３０ｓｃｃｍのＡｒ
圧力：０．２５Ｐａ
放電電力：３００Ｗ
次に、作製されたマスクブランクに、図６（ａ）に示すように、膜厚２００ｎｍのポジ型レジスト２３を塗布し、次いで、描画・現像し、図６（ｂ）に示すように、第１のレジストパターン２４を形成した。この時、レベンソンマスクのπ部に対応する部分には、上で説明した方法により求めた、１０２ｎｍのスペースバイアスを設けた。

次いで、図６（ｃ）に示すように、塩素系ガスとしてＣｌ_２とＯ_２の混合ガスを用いて、第１のレジストパターン２４をマスクとしてＣｒ膜２２をドライエッチングした。

続いて、図６（ｄ）に示すように、第１のレジストパターン２４を剥離した。

次に、膜厚４００ｎｍのポジ型レジストを塗布し、描画・現像し、図６（ｅ）に示すように、第２のレジストパターン２５を形成した。この時、描画するのはπ部のみである。

その後、図６（ｆ）に示すように、フッ素系ガスとしてＣＦ_４とＯ_２の混合ガスを用いて、第２のレジストパターン２５をマスクとしてπ部の石英基板２１をドライエッチングした。

この時のエッチングは、０部とπ部の透過光の位相差が反転する深さになるように行った。また、ドライエッチング装置のＩＣＰパワー、ＲＩＥパワー、真空度、ガス流量を適宜調整して、最適側壁角８２度となるように行った。

そして、図６（ｇ）に示すように、第２のレジストパターン２５を剥離して、レベンソン型位相シフトマスクが完成した。

本発明は、ＬＳＩなどの半導体素子の製造に用いる露光マスクとして広範に適用することが出来る。

本発明の一実施形態に係るレベンソン型位相シフトマスクを示す断面図。 デフォーカス量に対するπ−０差を示す特性図。 側壁角ごとにスペースバイアス量を変化させ、ジャストフォーカスでのπ−０差を求めた特性図。 側壁角に対する最適スペースバイアス量を示す特性図。 各ピッチにおけるフェーズエラーを示す特性図。 本発明の一実施形態に係るレベンソン型位相シフトマスクの製造工程を示す断面図。 従来の掘り込み型のレベンソン型位相シフトマスクの構造を示す断面図。 図７に示すレベンソン型位相シフトマスクの露光強度を示す特性図。 ピッチごとのデフォーカス量とπ-０差との関係を示す特性図。 位相差によるπ−０差曲線の傾きの変化を示す特性図。 位相差を変えた場合の、ピッチごとのデフォーカス量とπ-０差との関係を示す特性図。

符号の説明

１，１１，２１…透明基板、２，１２，２２…Ｃｒ膜、３，１３…第１の開口部、４，１４…第２の開口部、２３…レジスト膜、２４…第１のレジストパターン、２５…第２のレジストパターン。

Claims (3)

1. 露光光に対して透明な基板と、この透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、前記遮光膜には、第１の開口部と第２の開口部とが交互に形成され、前記第２の開口部から前記透明基板が所定の深さに掘り込まれて基板掘り込み部からなるシフター部が形成されており、前記第１の開口部からは前記透明基板は掘り込まれておらず非シフター部とされており、前記第１及び第２の開口部を通過する透過光の位相が交互に反転するレベンソン型位相シフトマスクにおいて、
   前記基板掘り込み部の側壁の上端部は前記遮光膜の第２の開口部の縁部に位置し、前記基板掘り込み部の側壁を、底面に対し所定の側壁角で傾斜させ、前記側壁角に対応して前記基板掘り込み部にスペースバイアスを設け、前記側壁角が、転写シミュレーションにより設定され、前記転写シミュレーションは、側壁角に対するシフター部と非シフター部の露光強度のピークの差を求め、その最小値に対応する側壁角を前記基板掘り込み部の最適な側壁角として決定することを特徴とするレベンソン型位相シフトマスク。
2. 前記基板掘り込み部の側壁は、順テーパ形状であることを特徴とする請求項１に記載のレベンソン型位相シフトマスク。
3. 前記側壁角の側壁を有する基板掘り込み部は、ドライエッチングのＩＣＰパワー、ＲＩＥパワー、真空度、及びガス流量からなる群から選ばれた少なくとも１種を調整することにより設定されたエッチング条件でドライエッチングすることにより形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のレベンソン型位相シフトマスク。

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