JP5766393B2 - 反射型露光用マスクおよび半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＵＶ（Extreme Ultra-Violet）露光に使用される反射型露光用マスクおよび半導体装置の製造方法に関する。

近年、素子のさらなる微細化のために、ＥＵＶ露光技術の開発が進められている。ＥＵＶ露光では、反射型露光用マスクが使用される。反射型露光用マスクは、一般に、ＥＵＶ光を反射する多層反射膜と、この多層反射膜上に設けられ、ＥＵＶ光を吸収する吸収体パターンとを備えている。この吸収体パターンは、ウェハ上に形成するべきパターンに対応したパターンを有する。

反射型露光用マスクに対してＥＵＶ光は斜めに照射される。そのため、吸収体パターンが厚いと（アスペクト比が高いと）、シャドーイング（shadowing）効果と呼ばれる現象が生じる。シャドーイング効果は、転写パターンの寸法に影響を与える。シャドーイング効果による転写パターンの寸法誤差を低減するためには、吸収体パターンを薄くする必要がある。その方法の一つとして、ハーフトーン型位相シフトマスクを用いた方法が知られている（非特許文献１）。

種々材料の光学定数（例えば、屈折率ｎ、消衰係数ｋ）をパラメータにした反射率シミュレーション、および、露光条件やマスク条件をパラメータにしたリソグラフィシミュレーションにより、以下のことが分かっている。

すなわち、吸収体パターンの材料としてＴａ系材料やＣｒ系材料を用いて、ハーフトーン型位相シフトマスクを実現する場合、多層反射膜で反射したＥＵＶ光（多層膜反射光）と吸収体パターンで吸収されずに反射したＥＵＶ光（吸収体反射光）との位相差が１８０度の時で、両者の反射率比（吸収体反射光の反射率／多層膜反射光の反射率）を、１〜３％の範囲内に収める必要があることが分かっている。

また、バッファ層の材料としてＣｒＮ系材料を用い、吸収体パターンの材料としてＴａＢＮ系材料を用いて、ハーフトーン型位相シフトマスクを実現する場合には、バッファ層と吸収体パターンとを足し合わせた厚さを従来標準の８０ｎｍから６１ｎｍへと薄くすれば良いことも分かっている。このようにハーフトーン型位相シフトマスクとなる様に吸収体パターン等を薄くすることにより、３２ｎｍＨＰ〜２２ｎｍＨＰ前後のパターン寸法に対して、シャドーイング効果を低減でき、転写像を劣化させることなくパターニングすることが可能になる。

しかし、ターゲット寸法がより微細な寸法領域に達すると、ＥＵＶ光の入射方向に対して垂直の方向に延びたラインパターンは、上記入射方向に対して平行の方向に延びたラインパターンに比べて、ウェハ上に形成される光学像のコントラスト値が低下する傾向が顕在化する。すなわち、ターゲット寸法がより微細な寸法領域に達すると、従来の反射型露光用マスクでは、十分なコントラスト値を有する光学像をウェハ上に形成することが困難になるという問題がある。

Proc. of SPIE2008 T. Kamo, "Effects of mask absorber thickness on printability in EUV Lithography with high resolution resist"

本発明の目的は、ウェハ上に形成される光学像のコントラスト値の低下を抑制できる反射型露光用マスクおよび半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様による反射型露光用マスクは、露光光が照射される主面と、前記主面内に設けられ、前記露光光に対して高反射領域となる多層反射膜と、前記多層反射膜上に設けられ、前記露光光を吸収するとともに、前記露光光に対して低反射領域となる吸収体パターンとを具備し、前記多層反射膜からの前記露光光の反射光と、前記吸収体パターンからの前記露光光の反射光との位相差が１８０度±１０度以内となる反射型露光用マスクであって、前記吸収体パターンは、主成分がＲｕであり、厚さが３０ｎｍ±３ｎｍの範囲内にあり、長手方向が互いに９０度異なる第１および第２のライン状パターンを含み、かつ、前記第１および第２のライン状パターンの長手方向の一方と、前記主面の上から見た場合の前記主面に対する前記露光光の入射方向とが一致する時に、前記ウェハ上に形成される前記第１および第２のライン状パターンの光学像のコントラスト値がともに０．６以上となることを特徴とする。

本発明の一態様による半導体装置の製造方法は、本発明の一態様による反射型露光用マスクを用いて、半導体基板を含む基板上に形成されたレジストを露光する工程と、前記露光したレジストを現像してレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをマスクに用いて前記基板をエッチングする工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、ウェハ上に形成される光学像のコントラスト値の低下を抑制できる反射型露光用マスクおよび半導体装置の製造方法を実現できるようになる。

実施形態の反射型露光用マスクの製造方法を説明するための断面図。 位相差１８０度を満足する吸収体層の厚さの等高線を示す図。 位相差１８０度の場合の反射率比の等高線を示す図。 図２から得られる吸収体膜厚４０nm以下を満足する光学定数ｎ，ｋの領域と、図３から得られる反射率比４〜４０％を満足する光学定数ｎ，ｋの領域との重なり領域を示す図。 位相差１８０度の場合の平行パターンおよび垂直パターン（ターゲット寸法３２ｎｍＨＰ）の像コントラスト値の等高線を示す図。 位相差１８０度の場合の平行パターンおよび垂直パターン（ターゲット寸法１６ｎｍＨＰ）の像コントラスト値の等高線を示す図。 平行パターンおよび垂直パターンを説明するための平面図。 Ｌ＆Ｓパターン以外のライン状パターンの一例を説明するための平面図。 Ｒｕ膜の厚さと位相差との関係を示す図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

図１（ａ）−図１（ｄ）は、本実施形態の反射型露光用マスクの製造方法を説明するための断面図である。

［図１（ａ）］
低熱膨張率のガラス基板１上にＥＵＶ（露光光）を反射する多層反射膜２（高反射領域）を形成する。多層反射膜２は、Ｍｏ膜とＳｉ膜との対を複数積層したものである。本実施形態では、Ｍｏ膜とＳｉ膜との対の積層数は４０、Ｍｏ膜の厚さは２．８ｎｍ、Ｓｉ膜の厚さは４．２ｎｍである。また、本実施形態では、ガラス基板１の主面は、多層反射膜２が形成される側の面（図１に示されたガラス基板１の上面）となる。

次に、多層反射膜２上に保護層（キャップ膜）３を形成する。ここでは、保護膜３として厚さ１１ｎｍのＳｉ膜を使用する。保護膜３は多層反射膜２を構成するＭｏ膜を酸化から保護する役割を有する。保護膜３上に、Ｒｕを主成分とする厚さ３０ｎｍの吸収体層４を形成する。このようにして反射型露光用マスクブランクスを得ることができる。なお、吸収体層４は、露光光を完全には吸収するわけではなく、露光光の一部を反射する（低反射領域）。

ここでは、反射型露光用マスクブランクス（ガラス基板１、多層反射膜２、保護膜３、吸収体層４）を形成したが、その代わりに、ガラス基板１上に多層反射膜２、保護膜３、吸収体層４が予め形成されている反射型露光用マスクブランクスを使用しても構わない。また、静電チャックによりガラス基板１を保持する場合には、ガラス基板１の裏面に静電チャック用の導電膜を形成する。

［図１（ｂ）］
吸収体層４上にレジストを塗布し、この塗布したレジストに対してＥＢ（Electron Beam）描画および現像を行うことにより、吸収体層４上にレジストパターン５を形成する。

［図１（ｃ）］
レジストパターン５をマスクに用い、塩素と酸素を主成分としたガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）プロセスにより吸収体層４をエッチングして、Ｒｕを主成分とする単層構造の吸収体パターン４Ｐを形成する。この時、保護膜３は、エッチングストッパとして機能し、多層反射膜２のエッチングを防止する。単層構造の吸収体パターン４Ｐを用いることの利点としては、マスクプロセスでの吸収体エッチング条件が簡略化できる点がある。ただし、後述する複数層で構成される吸収体であっても、適切な形状に吸収体エッチングすることができれば支障は無い。

吸収体パターン４Ｐは、図７（ａ）に示すように、第１の長手方向Ｄ１を有するライン状パターン４Ｐ１（第１のライン状パターン）と、図７（ｂ）に示すように、第１の長手方向Ｄ１と９０度異なる第２の長手方向Ｄ２を有するライン状パターン４Ｐ２（第２のライン状パターン）とを含んでいる。ライン状パターン４Ｐ１の長手方向Ｄ１と、主面の上から見た場合の該主面に対するＥＵＶ光１０の入射方向（以下、単に光入射方向という。）とは一致している。

ここでは、ライン状パターン４Ｐ１，４Ｐ２は、例えば、ラインアンドスペースパターン（Ｌ＆Ｓパターン）であるが、ライン状パターン４Ｐ１，４Ｐ２は、個々のパターンが完全なラインパターンである必要なく、例えば、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、端が矩形状のラインパターンでも構わない。すなわち、全体としてライン状であれば特に限定されない。

［図１（ｄ）］
レジストパターン５を剥離し、その後、周知の洗浄工程、マスク欠陥検査工程、修正工程および最終洗浄工程等を経て、反射型露光用マスクが完成する。

また、上記の説明には、露光時のウェハ上隣接ショットからの漏れ光に対する対策は述べられていないが、この種の対策としては、例えば、多層膜エッチングにより遮光帯を作製したり、または、高反射率吸収体上に遮光用の吸収体を付与したブランクスを用いるなど、周知の漏れ光対策技術で構わない。

図２は、ガラス基板と、ガラス基板上に設けられたＭｏ／Ｓｉ多層反射膜と、Ｍｏ／Ｓｉ多層反射膜上に設けられたＳｉ膜からなる保護層と、保護膜上に設けられた吸収体パターンとを備えた反射型露光用マスク（図１（ｄ）の構造）に関し、横軸を吸収体層の材料（吸収体材料）の屈折率ｎとし、縦軸を吸収体材料の消衰係数ｋとする二次元平面（ｎ−ｋ平面）において、Ｍｏ／Ｓｉ多層反射膜で反射したＥＵＶ光と吸収体層で反射したＥＵＶ光との位相差が１８０度となる吸収体層の厚さの等高線を示している。図２には、吸収体材料の具体例として、Ｒｕ、Ｍｏ、ＴａＮ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、ＳｉＯ₂ 、Ｇｅ、Ｓｉが示されている。

図３は、上記反射型露光用マスクにおいて、上記ｎ−ｋ平面上で位相差１８０度となる厚さを有する吸収体層を用いた場合の反射率比の等高線を示している。この反射率比は、保護層を含むＭｏ／Ｓｉ多層反射膜で反射するＥＵＶ光を反射率Ｒ１、吸収体層で反射するＥＵＶ光を反射率Ｒ２とすると、１００・Ｒ２／Ｒ１で定義される。

図２、図３より、吸収体材料としてＲｕを採用することにより、位相差１８０度を満足する吸収体層の厚さを４０ｎｍ以下にできるとともに、反射率比の範囲を４〜４０％にでき、さらに図２および現在想定している光学定数の範囲内から位相差１８０度を満足する吸収体層の厚さの下限を見積もると２０ｎｍとなる。図4に、図２から得られる吸収体膜厚４０nm以下を満足する光学定数ｎ，ｋの領域と、図３から得られる反射率比４〜４０％を満足する光学定数ｎ，ｋの領域との重なり領域２０を示す。

一方、吸収体材料としてＴａ系材料やＣｒ系材料を採用した場合、背景技術で述べた通り、ハーフトーン型位相シフトマスクのために利用可能な反射率比の範囲は１〜３％である。

このように本実施形態によれば、従来に比べて、ハーフトーン型位相シフトマスクのために利用可能な反射率比の範囲が広くなるので、ターゲット寸法が２０ｎｍＨＰ代というより微細な寸法領域に達しても、ハーフトーン型位相シフトマスクを利用してシャドウイング効果を抑制できる反射型露光用マスクを容易に実現できるようになる。上記のように利用可能な反射率比の範囲が１〜３％であれば、ターゲット寸法が１６ｎｍＨＰ以下というさらに微細な寸法領域に達しても、また、ターゲット寸法が１０ｎｍＨＰ代と極微細な寸法領域に達しても、ハーフトーン型位相シフトマスクを利用してシャドウイング効果を抑制できる反射型露光用マスクを容易に実現できるようになる。

このように本実施形態によれば、従来に比べて、ハーフトーン型位相シフトマスクのために利用可能な反射率比の範囲が広くなるので、ターゲット寸法が現状よりも微細な寸法領域に達しても、ハーフトーン型位相シフトマスクを利用してシャドウイング効果を抑制できる反射型露光用マスクを容易に実現できるようになる。

上記位相差（１８０度）および反射率比（４〜４０％）を満足する厚さを有する吸収体層を備えた反射型露光用マスクブランクスにおいて、上記吸収体層を加工して得られる吸収体パターンを有する反射型露光用マスクの像コントラスト値について調べた。

その結果を、図５（ａ）および図５（ｂ）、ならびに、図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。これらの図において、像コントラスト値はシミュレーションにより取得した。また、像コントラスト値は、ウェハ上に転写される吸収体パターンの光学像のコントラスト値であり、上記光学像の最大値（ウェハ上の光強度分布の最大値）をＩmax、上記光学像の最小値（ウェハ上の光強度分布の最小値）をＩminとすると、像コントラスト値は（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin）で定義される。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、上記吸収体パターンがターゲット寸法３２ｎｍＨＰのラインパターンである場合の、ｎ−ｋ平面上での像コントラスト値の等高線を示している。図５（ａ）は、光入射方向に対して長手方向が平行なラインパターン（平行パターン）を示しており、図５（ｂ）は、光入射方向に対して長手方向が垂直なラインパターン（垂直パターン）の例を示している。ここでは、上記ラインパターンは１：１のＬ＆Ｓパターンである。

露光条件は、開口数ＮＡ＝０．２５、コヒーレンスファクタσ＝０．８、中心波長λ＝１３．５ｎｍ（１３．４５ｎｍ〜１３．５５ｎｍ）である。

図５（ａ）および図５（ｂ）から、ターゲット寸法３２ｎｍＨＰの場合、平行パターンと垂直パターンとの間で像コントラスト値の等高線の差異は殆どみられず、垂直パターンでの像コントラスト値の劣化は充分に小さいことが分かる。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、上記吸収体パターンがターゲット寸法１６ｎｍＨＰのラインパターンである場合の、ｎ−ｋ平面上での像コントラスト値の等高線を示している。図６（ａ）は、光入射方向に対して長手方向が平行なラインパターン（平行パターン）を示しており、図６（ｂ）は、光入射方向に対して長手方向が垂直なラインパターン（垂直パターン）の例を示している。ここでは、上記ラインパターンは１：１のＬ＆Ｓパターンである。

露光条件は、開口数ＮＡ＝０．３、コヒーレンスファクタσin／σout＝０．３／０．７、中心波長λ＝１３．５ｎｍ（１３．４５ｎｍ〜１３．５５ｎｍ）である。

図６（ａ）および図６（ｂ）から、ターゲット寸法１６ｎｍＨＰの場合、平行パターンと垂直パターンとの間で像コントラスト値の等高線の差異がみられ、垂直パターンでの像コントラスト値の劣化が大きいことが分かる。

また、垂直パターンの場合、屈折率（ｎ）が約０．９２よりも小さい範囲でないと、像コントラスト値は０．６以上にならず、この屈折率範囲を図２に当てはめると、吸収体層（吸収体パターン）の厚さは４０ｎｍ強以下となる。したがって、像コントラスト値の低下の抑制およびシャドーイング効果の抑制のためには、吸収体層（吸収体パターン）の厚さは４０ｎｍ以下に設定する。

さらに、吸収体材料にＴａ系材料やＣｒ系材料を採用した場合には、像コントラスト値０．６以上を満たすことができないことが分かる。

しかし、ターゲット寸法１６ｎｍＨＰに対して反射型露光用マスクの吸収体材料としてＲｕを主成分とする厚さ２９ｎｍの吸収体層４を採用した場合には、平行パターンおよび垂直パターンの両方に対して像コントラスト値０．６以上を満たすことができる。

像コントラスト値を０．６以上とする理由は、像コントラスト値が０．６よりも小さくなると、ウェハ上の転写像のコントラストが低下して良好なウェハ上レジスト像が得られなくなるからである。なお、吸収体パターンのサイズに対応して像コントラスト値の下限は変わるが、将来、現状よりも必要となる像コントラスト値が小さくなるとは考えにくいので、現在のフォトマスクの動向から、像コントラスト値の下限を０．６としている。本実施形態のように像コントラスト値の下限を決めることにより、反射型露光用マスクの吸収体パターンに対応する光学像が転写されたウェハ上のレジストを現像した場合、上記吸収体パターンに対応するパターンを有するレジストパターンを形成できるようになる。

本実施形態の反射型露光用マスクを用いた半導体装置の製造方法は以下の通りである。

まず、半導体基板を含む基板上にレジストが塗布される。半導体基板は、例えば、シリコン基板や、ＳＯＩ基板である。

次に、上記基板の上方に実施形態の反射型露光用マスクが配置され、該反射型露光用マスクを介して上記レジストに光または荷電ビームが照射され、その後、現像が行われ、レジストパターンが作成される。

次に、上記レジストパターンをマスクにして上記基板がエッチングされ、微細パターンが形成される。

ここで、上記レジストの下地（基板の最上層）がポリシリコン膜や金属膜の場合、微細な電極パターンや配線パターンなどが形成される。上記レジストの下地（基板の最上層）が絶縁膜の場合、微細なコンタクトホールパターンやゲート絶縁膜などが形成される。上記レジストの下地が上記半導体基板の場合、微細な素子分離溝（ＳＴＩ）などが形成される。

以上述べたレジストの塗布、レジストパターンの形成、被加工基板のエッチングを繰り返して必要な微細パターンを形成し、半導体装置を製造する。本実施形態の反射型露光用マスクを用いた半導体装置の製造方法は、例えば、微細なフラッシュメモリを製造するのに適している。

なお、上記実施形態では、位相差１８０度を満足する厚さを有する吸収体パターン（吸収体層）の場合（最良な場合）について説明したが、位相差１８０度±１０度以内の範囲であればよい。位相差１８０度±１０度以内の範囲であればハーフトーンマスク効果は得られるからである。吸収体材料の主成分がＲｕの場合、図９に示すように、Ｒｕ吸収体パターン（Ｒｕ吸収体層）の厚さ（Ru thickness）を３０ｎｍ±３ｎｍ以内の範囲に設定することにより、位相差(Phase shift)を１８０度±１０度内の範囲に収めることができる。

また、上記実施形態では、像コントラスト値をシミュレーションにより取得したが、Aerial Image Measurement System と呼ばれる露光波長の光学像取得装置を用いて、実測により像コントラスト値を取得しても構わない。

さらに、上記実施形態では、Ｒｕを主成分とするＲｕ膜で構成された単層構造の吸収体パターン４Ｐを使用したが、反射率比の値を調整するために、Ｒｕ膜と、このＲｕ膜よりも薄く、Ｃｒを主成分とするＣｒ膜との積層膜で構成された多層構造の吸収体パターン、または、Ｒｕ膜と、このＲｕ膜よりも薄く、Ｔａを主成分とする材料で形成された膜との積層膜で構成された多層構造の吸収体パターンを使用しても構わない。

例えば、Ｒｕを主成分とする吸収体パターンと、この吸収体パターンよりも薄く、ＴａＮ系材料（Ｔａを主成分する材料）で形成された吸収体パターンとの積層構造のＲｕ／ＴａＮ吸収体パターンを用いても構わない。このＲｕ／ＴａＮ吸収体パターンの場合には、Ｒｕ吸収体パターンの厚さを２１ｎｍ、ＴａＮ吸収体パターンの厚さを１９ｎｍに設定することにより、位相差１８０度において反射率比を２０％にすることができる。

なお、Ｒｕを主成分とするとは、Ｒｕの単体金属の他に、Ｒｕ合金（Ｒｕを主成分とする合金）でも構わないことを意味している。Ｒｕ合金としては、例えば、ＣｒＲｕ合金、ＣｒＲｕＮ合金があげられる。

また、マスク欠陥検査工程で行われる異物欠陥検査の時に、必要なコントラストを確保するために、上記検査に使用される光の反射を防止するための反射防止膜を吸収体パターン４Ｐの表面に形成しても構わない。上記反射防止膜は、図１（ａ）の工程で、吸収体層４上に形成する。

さらにまた、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらにまた、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。

１…ガラス基板、２…多層反射膜、３…保護膜、４…吸収体層、４Ｐ…吸収体パターン、４Ｐ１…平行パターン（第１のライン状パターン）、４Ｐ２…垂直パターン（第２のライン状パターン）、５…レジストパターン、１０…ＥＵＶ光。

Claims (3)

1. 露光光が照射される主面と、
   前記主面内に設けられ、前記露光光に対して高反射領域となる多層反射膜と、
   前記多層反射膜上に設けられ、前記露光光を吸収するとともに、前記露光光に対して低反射領域となる吸収体パターンとを具備し、
   前記多層反射膜からの前記露光光の反射光と、前記吸収体パターンからの前記露光光の反射光との位相差が１８０度±１０度以内となる反射型露光用マスクであって、
   前記吸収体パターンは、主成分がＲｕであり、厚さが３０ｎｍ±３ｎｍの範囲内にあり、長手方向が互いに９０度異なる第１および第２のライン状パターンを含み、かつ、前記第１および第２のライン状パターンの長手方向の一方と、前記主面の上から見た場合の前記主面に対する前記露光光の入射方向とが一致する時に、前記ウェハ上に形成される前記第１および第２のライン状パターンの光学像のコントラスト値がともに０．６以上となることを特徴とする反射型露光用マスク。
2. 前記吸収体パターンは、ターゲット寸法が２０ｎｍＨＰ以下のパターンに対応することを特徴とする請求項１に記載の反射型露光用マスク。
3. 請求項１または２に記載の反射型露光用マスクを用いて、半導体基板を含む基板上に形成されたレジストを露光する工程と、
   前記露光したレジストを現像してレジストパターンを形成する工程と、
   前記レジストパターンをマスクに用いて前記基板をエッチングする工程と
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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