(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に金属酸化物、半導体酸化物、金属窒化物及び半導体窒化物からなる群から選ばれる比較的透明性を有する少なくとも１種の薄膜と、それよりも遮光性を有する薄膜の２層膜からなるハーフトーン型位相シフトマスク用ブランクにおいて、前記透明性の薄膜及び遮光性の薄膜に熱プロセス等のエネルギーを与えたとき、それらの薄膜の屈折率の変化方向が逆であるか、若しくはそれらの薄膜の膜厚の変化方向が逆であって、この時の前記透明性の薄膜及び前記遮光性の薄膜の屈折率と膜厚の変化量を各々Δｎt、Δｎa、Δｄt、Δｄaとし、
Ω＝(ｎt−１)×Δｄt＋Δｎt×ｄt−(ｎa−１)×Δｄa−Δｎa×ｄa
としたとき、−5.0＜Ω＜5.0なる関係を充たしていることを特徴とするハーフトーン型位相シフトマスク用ブランク。
ここで、ｎt：透明性薄膜の屈折率
ｄt：透明性薄膜の膜厚［オングストローム］
ｎa：遮光性薄膜の屈折率
ｄa：遮光性薄膜の膜厚［オングストローム］
（いずれもエネルギーを与える前の値）
【請求項２】
請求項１に記載のハーフトーン型位相シフトマスク用ブランクを用いて作製したことを特徴とするハーフトーン型位相シフトマスク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩ製造に用いるハーフトーン型位相シフトマスクに関するものである。さらに詳しくは、従来のフォトマスクと同様に投影露光装置で用いることができ、従来のフォトマスクを用いた場合に比べパターンの解像力を向上させることができるハーフトーン型位相シフトマスク用ブランク及びハーフトーン型位相シフトマスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のフォトマスクでは、微細なパターンの投影露光に際し、近接したパターンにおいては、マスクの光透過部を通過した光が回折し、干渉し合うことによって、パターン境界部での光強度を強め合い、ウェハー上のレジストが感光して、転写されたパターンが分離解像しないという問題が生じていた。この現象は線幅が露光波長に近い微細なパターンほどその傾向が強く、従来のフォトマスクと従来の露光光学系においては光源の波長以下の微細なパターンを解像することは不可能であった。
【０００３】
そこで、マスクの隣接するパターンを透過する投影光の位相に互いに１８０度の位相差をもたせることにより微細パターンの解像力を向上させるという位相シフト技術が開発された。すなわち、隣接する光透過部の片側に位相シフト部を設けることにより、透過光が回折し干渉し合う際、位相が反転しているために境界部の光強度を弱め合い、その結果転写パターンは分離解像するようになる。この関係は焦点の前後でも成り立っているため、焦点が多少ずれていても解像度は従来の露光法よりも向上し、焦点裕度が改善される。
【０００４】
上記のような位相シフト法はＩＢＭのLevensonらによって提唱され、特開昭58-173744号公報や、原理では特公昭62-50811号公報に記載されている。
パターンを遮光層で形成する場合は、遮光パターンに隣接する開口部の片側に位相シフト部を設けて位相反転させる（Levenson型位相シフトマスクまたはAlternativetype位相シフトマスク）。一方、遮光層にわずかな透光性を与え半透明膜とすると同時に、この半透明膜によって透過光の位相が反転される場合にも、同様な解像度向上効果が得られ、この場合は特に孤立パターンの解像度向上に有効である。このような半透明膜（ハーフトーン膜）をもつ位相シフトマスクを一般にハーフトーン型位相シフトマスク（またはAttenuated type位相シフトマスク）と称する。以下ハーフトーン型位相シフトマスクをハーフトーンマスクと略記する。
【０００５】
ハーフトーンマスク技術は、位相シフト効果を持たせた半透明膜をパターニングして作製される単層型ハーフトーンマスクだけでなく、比較的遮光性を有する薄膜と、それよりも透明性の大きい薄膜を別々に積層してマスクブランクとした後マスクパターンを形成する２層型、あるいは２層型から発展した多層型のハーフトーンマスクが今までに提案されている。以下、２層型を多層型の代表として述べる。
【０００６】
言うまでもなく、ハーフトーンマスクによって転写パターンの解像度向上を達成するには、単層型、多層型いずれの場合もハーフトーン層の空気層に対する位相差と、透過率の目標値をどちらも達成する必要がある。位相差については解像度向上効果を最大にするためには、位相差を事実上180度にする必要がある。一方、透過率については通常５〜１０％程度の透過率のときがもっとも解像性向上効果があると言われているが、実際は露光条件やウェハー上のレジストプロセスによっても微妙に異なってくる。
【０００７】
単層型ハーフトーンマスクの場合は空気層に対する位相差Φ（度）は一般に次式で表される。Φ＝360×（ｎ−１）×ｄ／λ・・・・・（１）
ここで、ｄ：薄膜の膜厚、ｎ：薄膜の屈折率、λ：露光波長である。より正確には薄膜干渉の影響を考慮しなければならないが、ハーフトーンマスクの実用上の位相差は（１）式の精度で十分である。
従って単層型ハーフトーンマスクの場合、ｄ＝λ／｛２（ｎ−１）｝の関係が成り立つような膜厚で半透明膜を形成することになる。
【０００８】
一般に薄膜の透過率と位相差は、その薄膜のｎ（屈折率）、ｋ（消衰係数）及びｄ（膜厚）が決まると一意に決まってしまう。従って単層型ハーフトーンマスクにおいて空気層に対する位相差が180度になるような膜厚にしたときの透過率はおのずとその膜固有の値として決まってしまう。言い換えれば単層型ハーフトーンマスクでは透過率の選択の幅を広くするには膜そのものを変更せざるを得ず、望みの透過率に直ちに対応することは不可能である。
【０００９】
一方、透明性膜と遮光性膜からなる２層型ハーフトーンマスクの空気層に対する位相差は次式で表される。
Φ＝360×｛（ｎt−１）×ｄt＋（ｎa−１）×ｄa｝／λ・・・・（２）
ここで、ｄt：透明性膜の膜厚、ｎt：透明性膜の屈折率、ｄa：遮光性膜の膜厚、ｎa：遮光性膜の屈折率、λ：露光波長である。
２層型ハーフトーンマスクにおいては各層が違ったｎ、ｋを持っているので、各々の膜厚の組み合わせを変えることで、得られる透過率の値には任意性が生じる。すなわち、あるｎt、ｎaに対してΦ＝180度を満たすｄt、ｄaの組み合わせの中から目標の透過率になるようなｄt、ｄaの組み合わせを選べばよい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように２層型ハーフトーンマスクでは、光学特性（ｎ、ｋ）の異なる２層膜を用いるので、単層型よりも作製できる透過率の自由度が大きくなる利点がある。しかしながら、各層にどのような膜を用いるかの選定においては、透明性膜と遮光性膜という以外、特に有効な基準はこれまで存在しなかった。
【００１１】
従来ハーフトーンマスク用薄膜の作製は、金属若しくは半導体をスパッタリングターゲットとし、Ａｒなどの不活性ガスに酸素（Ｏ２）や窒素（Ｎ２）などの反応性ガスを添加する、いわゆる反応性スパッタリング法により金属酸化物、半導体酸化物、金属窒化物及び半導体窒化物の薄膜を作製する方法が代表的であった。この場合、添加する酸素や窒素の量を増減することで、作製される膜のｎ、ｋが例えば図６のように分布することが知られている（文献１：日経マイクロデバイス、1994年４月号、p.76参照）
【００１２】
薄膜の構造を結晶学的な観点から分けると、単結晶膜（通常は作製困難）、多結晶膜及び非結晶（アモルファス）膜に分かれるが、反応性スパッタリングにより形成される薄膜は多くの場合非結晶膜になる。非結晶膜の特徴としては、組成比がある程度任意に変えられる（従って前記のようにｎ、ｋの分布範囲を広くできる）反面、後工程で加熱等のプロセスを経ると結晶化や雰囲気からの酸化や窒化が起こりやすい欠点がある。これらの現象が起こると、光学的なｎ、ｋあるいはｄが変化し、従って位相差や透過率が変化することが予想され、このことは微細パターン転写に関わるハーフトーンマスクにとっては致命的である。
【００１３】
上記問題に対する対策のひとつは、薄膜の組成比を異種材料や同種材料の化学量論比にすることであるが、この場合、完全に均質な膜にできれば酸化や窒化の影響は軽減されるとしても、非結晶膜である限り結晶化による影響は避けられない。また、組成比を化学量論比に限定するということは、必然的にｎ、ｋの値（２層膜の組み合わせ）を限定することになり、分光特性や洗浄液（酸、アルカリ）耐性など多くの要求特性に合うハーフトーンマスク用薄膜を開発することは困難になる。
【００１４】
別な対策として多結晶膜にする方法も考えられるが、この場合は通常表面平滑性が悪くなるとともに、結晶粒界においては酸化や窒化などの変質が起きやすく、膜質が安定しないという欠点があり、採用することは好ましくない。
【００１５】
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであり、ハーフトーン型位相シフトマスク用ブランクを構成している薄膜が非結晶膜であっても、位相差や透過率の変化を低減できるよう各層の薄膜選定に制限を設けた２層型のハーフトーン型位相シフトマスク用ブランク及びそれを用いて作製したハーフトーン型位相シフトマスクを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明において上記課題を解決するために、まず請求項１においては、透明基板上に金属酸化物、半導体酸化物、金属窒化物及び半導体窒化物からなる群から選ばれる比較的透明性を有する少なくとも１種の薄膜と、それよりも遮光性を有する薄膜の２層膜からなるハーフトーン型位相シフトマスク用ブランクにおいて、前記透明性の薄膜及び遮光性の薄膜に熱プロセス等のエネルギーを与えたとき、それらの薄膜の屈折率の変化方向が逆であるか、若しくはそれらの薄膜の膜厚の変化方向が逆であって、この時の前記透明性の薄膜及び前記遮光性の薄膜の屈折率と膜厚の変化量を各々Δｎt、Δｎa、Δｄt、Δｄaとし、
Ω＝(ｎt−１)×Δｄt＋Δｎt×ｄt−(ｎa−１)×Δｄa−Δｎa×ｄa・・（３）
としたとき、−5.0＜Ω＜5.0・・・・（４）
なる関係を充たしていることを特徴とするハーフトーン型位相シフトマスク用ブランクとしたものである。
ここで、ｎt：透明性薄膜の屈折率
ｄt：透明性薄膜の膜厚［オングストローム］
ｎa：遮光性薄膜の屈折率
ｄa：遮光性薄膜の膜厚［オングストローム］
（いずれもエネルギーを与える前の値）
【００１７】
また、請求項２においては、請求項１に記載のハーフトーン型位相シフトマスク用ブランクを用いて作製したことを特徴とするハーフトーン型位相シフトマスクとしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）、（ｂ）は本発明のハーフトーンマスク用ブランク１０の構造を示す模式部分断面図である。なお、図１のハーフトーンマスク用ブランクの上にパターニングのためのレジストを塗布したものをマスクブランクと呼ぶ場合もあるが、図では省略する。さらに、図１では２層膜について示しているが、多層膜の場合も同様である。
図１（ａ）のハーフトーンマスク用ブランクでは、透明基板側の下層膜が比較的遮光性の薄膜、上層膜が比較的透明性の薄膜となっており、図１（ｂ）のハーフトーンマスク用ブランクはこの逆の構造になっているが、図１（ａ）、（ｂ）における透明性の薄膜及び遮光性の薄膜は熱プロセス等のエネルギーを与えたとき、それらの薄膜の屈折率の変化方向が逆であるか、若しくはそれらの薄膜の膜厚の変化方向が逆であるような組み合わせになっている。ここで、熱プロセス等のエネルギーとはフォトマスク製造工程中のベーキンク、露光、プラズマエッチング工程等で発生する光、熱エネルギー及びフォトマスク使用時の露光の際に発生する光、熱エネルギー等である。
【００１９】
さらに好ましくは図１（ａ）、（ｂ）における透明性薄膜、遮光性薄膜は熱プロセス等のエネルギーを与えたとき、（４）式に示す関係が成り立つような組み合わせに選定されている。
【００２０】
図２（ａ）、（ｂ）は本発明のハーフトーンマスク用ブランク１０を用いて作製した本発明のハーフトーンマスク２０の構造を示す模式部分断面図である。さらに、図１、図２では２層膜について示しているが、多層膜の場合も同様である
。
【００２１】
ここで、本発明のハーフトーンマスク用ブランクを形成している薄膜が非結晶膜であっても、位相差や透過率の変化を低減できる理由を述べる。
既に述べたように一般に非結晶膜に熱プロセス等のエネルギーを与えると、結晶化や回りの雰囲気の作用による酸化や窒化が起こると考えられる（結晶化に伴う緻密化については例えば文献２：R.Schenker et al.,Proc.SPIE,vol.2726,(1996),pp.698を参照）。それらの影響が総合されて、巨視的な量としてのｎ、ｋやｄが変化し、さらには位相差や透過率が変化する。従って２層膜の選定において、各層を互いにそれらの影響が相殺しあうような構成にしておけば２層全体の位相差や透過率の変化を低減できると考えられる。
【００２２】
ここで光学特性をもっとも左右しているものは酸素（若しくは窒素）の量であるので、各層における酸素（若しくは窒素）の含有量に有意差（原子数％で略10％以上）をつけておくことで各層の相殺効果を発生させることができると考えられる。すなわち、このような２層構成にすることで、熱プロセス等のエネルギーが与えられたとき、界面近傍では酸素（窒素）含有量の多い側から少ない側へ酸素（窒素）の移動が起きるので、少ない側では酸化（窒化）反応、多い側では還元反応が起き、結果的に２層全体の位相差や透過率の変化を低減できる。
【００２３】
一方の薄膜を酸素（窒素）含有量の比較的多い膜にしたとき、他方の薄膜をどの程度少ない膜にするかについて基準を与えるのが本発明の請求項１及び２である。
既述のように単層膜の位相差は（１）式で与えられる。ここで熱プロセス等のエネルギーを与えた結果、屈折率と膜厚が各々ΔｎとΔｄだけ変化したとすると、変化後の位相差Φ’は
Φ’＝360×｛（ｎ＋Δｎ）−１）｝×（ｄ＋Δｄ）／λ・・・（５）
となる。従って単層膜の位相差の変化ΔΦは、微小な量Δｎ×Δｄを省略すると、（１）、（５）式より
ΔΦ＝Φ’−Φ＝360×｛(ｎ−１) ×Δｄ＋Δｎ×ｄ｝／λ・・・（６）
となる。（６）式の右辺の｛  ｝内を透明性膜と遮光性膜について差を取ったものが（３）式の右辺である。
【００２４】
上記のことから（３）式の右辺が小さいほど各層の変化の影響が相殺しあっていることになる。つまり、（３）式の右辺は光学的安定性をもたらす各層の相殺効果の程度を表す指標となる量である。（３）式の右辺を小さくするためにはまず、透明性の薄膜及び遮光性の薄膜の屈折率の変化方向が逆であるか、若しくは膜厚の変化方向が逆であるような２層膜の構成を選択する。
さらに（３）式の右辺の計算結果が−5.0Åと5.0Åの間にあるような２層膜の構成を選択することにより２層全体の位相差や透過率の変化はハーフトーンマスクに要求されるレベル内に抑えられ、熱プロセス等の影響を低減することができる（請求項１）。
【００２５】
【実施例】
２層型ハーフトーンマスク用ブランクの薄膜として、ＺｒＳｉ２をスパッタリングターゲットとし、Ａｒガスに酸素（Ｏ２）を添加した反応性スパッタリングにより作製するＺｒＳｉＯ膜を検討することにした。はじめにＯ２のガスの添加量を７通り変化させて成膜を行い、ＺｒＳｉＯ膜のｎ、ｋがどのように変化していくかを調べた。測定波長を193nmとしたときの結果を図３に示す。尚、図３中の数字はＯ２の流量(sccm)を表し、（Ａｒ＋Ｏ２）の総流量は40sccmに固定している。図３から分かるようにＯ２流量の変化に伴い、ＺｒＳｉＯ膜のｎ、ｋはほぼ連続的に変化している。図３の詳細な結果を図５の（ａ）欄に示した。
【００２６】
次に、図３の膜にそれぞれ250℃の熱処理を行い、屈折率と膜厚がどのように変化するかを調べた。熱処理時間は飽和傾向が現れ、変化がほとんどなくなるまでとした。図４（ａ）に屈折率、（ｂ）に膜厚の変化量を示す。この結果から分かるようにＯ２流量4sccmまでの膜は熱処理により屈折率は大きくなる方向へ、膜厚は小さくなる方向へ変化しているが、Ｏ２流量8sccmの膜は逆の方向へ変化している。図４の詳細なデータを図５の（ｂ）欄に示した。
【００２７】
ここで、図３中の曲線イは単層で位相差180度の膜厚のときに透過率＝５％を満たすｎ、ｋのプロットであり、曲線ロは同じく透過率＝10％を満たすｎ、ｋのプロットである。従って曲線イよりも上の領域にある膜を遮光性膜とし、曲線ロよりも下の領域にある膜を透明性膜として用いれば２層全体で透過率が５〜10％のハーフトーンマスク用ブランク及びマスクを得ることができる。以上より本実施例の場合Ｏ２流量8sccmの膜を透明性膜とし、1〜4sccmまでの膜を遮光性として用いれば透過率が５〜10％のハーフトーンマスク用ブランク及びマスクを得ることができる。
【００２８】
Ｏ２流量1〜4sccmの６種類の膜を遮光性膜とし、透明性膜にはＯ２流量8sccmの膜を用いて位相差180度、透過率８％の６種類の２層型ハーフトーンマスク用ブランク及びハーフトーンマスクを作製するとして、それぞれの２層膜について、各層の膜厚の組み合わせを計算すると図５の（ｃ）欄のようになった。
【００２９】
以上により、（３）式の右辺で用いる数字データが揃ったので、実際に（３）式の右辺を計算してみると、図５の（ｄ）欄のようになった。この結果から、最も（ｄ）欄の値が小さくなるのはＯ２流量3.0sccmの膜を遮光性膜として用いる場合である。実際に3.0sccmの膜を遮光性膜とし、8sccmの膜を透明性膜として用いた２層型ハーフトーンマスク用ブランクを作製し、２５０℃の熱処理を行ったところ、位相差の変化は0.15度、透過率の変化は0.3％であり、実用上問題のない値に低減することができた。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の２層型ハーフトーン型位相シフトマスク用ブランク及びハーフトーン型位相シフトマスクによれば、２層膜の各層はフォトマスク製造工程中のベーキンク、露光、プラズマエッチング工程等で発生する光、熱エネルギーが与えられたときに屈折率が各々逆方向に変化するか、若しくは膜厚が各々逆方向に変化するように形成されているので、２層全体として位相差や透過率の変化が相殺される。
さらに、それらの変化量の間に数値的な関係が設定されているので、結果的に２層全体の位相差や透過率の変化は極めて小さくなり、光学的に安定したハーフトーン型位相シフトマスクを得ることができる。
このように、本発明の２層型ハーフトーン型位相シフトマスク用ブランクを用いれば、化学量論比に限定された薄膜や多結晶膜を用いなくても、もっとも作製しやすい非結晶膜のままで高精度の位相差と透過率を有するハーフトーン型位相シフトマスクが収率良く得られるので、コストダウンにもつながりハーフトーン型位相シフトマスク分野において、優れた実用上の効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は、本発明のハーフトーン型位相シフトマスク用ブランクの一実施例の構造を示す模式部分断面図である。
（ｂ）は、本発明のハーフトーン型位相シフトマスク用ブランクの他の実施例の構造を示す模式部分断面図である。
【図２】  （ａ）は、本発明のハーフトーン型位相シフトマスクの一実施例の構造を示す模式部分断面図である。
（ｂ）は、本発明のハーフトーン型位相シフトマスクの他の実施例の構造を示す模式部分断面図である。
【図３】  酸化ジルコニウムシリコン膜の成膜条件（酸素流量）と屈折率ｎ及び消衰係数ｋとの関わりを示す説明図である。
【図４】  酸化ジルコニウムシリコン膜の屈折率及び消衰係数の加熱処理による変化を示す説明図である。
【図５】  酸化ジルコニウムシリコン膜を用いて作製した６種類のハーフトーン型位相シフトマスク用ブランクの各種データ及び計算結果を示す説明図である。
【図６】  一般的な金属酸化物及び半導体酸化物の屈折率ｎと消衰係数ｋの分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１……透明基板
２……透明性薄膜
２ａ……パターン化された透明性薄膜
３……遮光性薄膜
３ａ……パターン化された遮光性博膜
１０……ハーフトーン型位相シフトマスク用ブランク
２０……ハーフトーン型位相シフトマスク
【図１】
0003675224.tif 000002
【図２】
0003675224.tif 000003
【図３】
0003675224.tif 000004
【図４】
0003675224.tif 000005
【図５】
0003675224.tif 000006
【図６】
0003675224.tif 000007