(57)【要約】【課題】プロキシミティ露光により微細パターンを形成するためのフォトマスクにおいて、露光ギャップの変動の影響を小さくして、安定して微細パターンを形成できるフォトマスクの構造およびパターン露光方法を提案する。【解決手段】透過部／半透過部により規定されるスリットパターンのＬ／Ｓが５μｍ以下であり、前記半透過部は、入射光の位相を約９０°遅らせる機能を有する金属酸化物からなるハーフトーン膜であることを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光対象基板上での透過光の光量分布および透過光強度の分解能を、露光対象基板との離間距離に応じて変調可能なプロキシミティ露光用フォトマスクであって、
透過部／半透過部により規定されるスリットパターンのＬ／Ｓが５μｍ以下であり、前記半透過部は、入射光の位相を約９０°遅らせる機能を有する金属酸化物からなるハーフトーン膜であることを特徴とするプロキシミティ露光用フォトマスク。
【請求項２】
透過部／遮光部により規定されるスリットの線幅が５μｍ以下であり、透過部／遮光部の境界に、入射光の位相を約９０°遅らせる機能を有する金属酸化物からなるハーフトーン膜が形成されてスリットの線幅が規定された構成であることを特徴とするプロキシミティ露光用フォトマスク。
【請求項３】
露光対象の基板表面上に形成した感光性樹脂層に対して、請求項１または２に記載のフォトマスクを用いて、露光対象基板との離間距離を適宜変化させて、波長４３０ｎｍ以下の平行光でプロキシミティ露光を行なうことを特徴とするパターン露光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製品や液晶表示装置等の製造におけるフォトリソグラフィ法の露光工程に用いるフォトマスクに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトリソグラフィ法を用いたパターン形成方法は、従来より研究開発されており、半導体製品や液晶表示装置等の平面型表示装置の製造に多く利用されている。
フォトリソグラフィ法は、感光性樹脂であるフォトレジストを塗布した基板（被照射体）の表面を、フォトマスクを介して、露光機により平行光で選択的に露光し、露光された部分と露光されていない部分との配置からなるフォトレジストパターンを生成する技術であって、現像によりフォトレジストを除去された部位に表面処理を施す。あるいは、液晶表示装置用カラーフィルタのように、現像された後に残されたフォトレジストをそのまま利用する。露光された部分を光硬化により現像不溶性として残すネガ型の感光性樹脂と、露光された部分を光分解により現像可溶性として現像工程で除去するポジ型の感光性樹脂とがあり、これらを用途別の工程に応じて使い分けるとともに、使用するフォトマスクの光透過および非透過のパターン配置を選択する。
【０００３】
近年、最終製品の高性能化を目指して半導体製品や液晶表示装置等に用いるパターンの微細化が進む一方、露光装置による処理速度を高めるための高速化処理を含む処理能力の向上が図られている。特に、液晶関係の生産性向上のために、大型のマザー基板を扱うためのフォトマスクの大型化も進展している。このような状況に対応して、露光工程に限定しても、処理能力の高いプロキシミティ露光（近接露光）に用いる大型基板のフォトマスクパターンの高精細化のために、フォトマスク基板材料やフォトレジスト材料の特性改良や露光装置の改良と合わせて、描画プロセス技術全般の向上が図られている。
また、特許文献１に示すように、数十〜数百μｍの露光ギャップをフォトマスクパターン面と加工対象基板面との間に設けて波長４３０ｎｍ以下の略平行な光で露光するプロキシミティ露光において、２重スリットパターンをフォトマスクパターンとして形成することにより、加工対象基板面に微細な１本の細線パターンを得るというフォトマスクパターン設計上の改良をした方法が提案されている。
【０００４】
一方、特に半導体製品のフォトリソグラフィー法による製造において、高精細のパターンを高精度に安定生産する手法として、位相シフトマスクが利用されている。図１は、従来の位相シフトマスクの一例を説明するための部分模式図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示す。位相シフトマスク１１の代表例では、フォトマスク基板１０の片面上に透過部２０を残して、金属クロム膜等の遮光部３０と、ＭｏＳｉ膜等の半透過性で概ね１８０°の位相シフト領域４とからパターン形成される。位相シフト領域４は、必ずしも半透過性でなく完全透過型（レベンソン型）であっても良く、位相シフト領域に透明な膜を被着したり該当する領域のフォトマスク基板１０を掘り込んで位相シフト機能を与えることも可能である。なお、遮光部３０と位相シフト領域４との形成順は、図の上下関係に拘ることなく、位相シフトマスクの製造工程上の都合で選択する。
【０００５】
図２は、図１に示した従来の位相シフトマスクによるパターン露光方法の一例を説明するための断面模式図である。上述の位相シフトマスク１１の裏面側からの露光光６は、波長４３０ｎｍ以下の略平行な光であり、プロキシミティ露光またはレティクルタイプのフォトマスクからのステッパー露光により、両方向矢印で示す露光ギャップｈを保持して、加工対象の基板５の表面の感光層（図では省略）上に選択的に照射する。露光光６は、図の強調された表現では傾きの大きいものもあるが、本模式図は、露光ギャップｈに対して、透過部２０の幅が極めて小さい場合に適用されるので、これらの各露光光６は互いに略平行な光を表している。露光光６の内、実線矢印で表すものは基準位相の光であり、点線矢印で表すものは、概ね１８０°の位相シフトする光、すなわち基準位相の光に対して逆位相の光である。加工対象の基板５の表面に選択的に照射されるこれらの光は、相互に干渉することにより、密集した縦線群で表現する照射光の強度７の分布が得られる。結果として、図の横方向中央付近に現れる微細パターンに対応する狭い幅の領域のみに、照射光の強度７が大きく作用して、高いコントラストの実効的な露光を与える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３０９９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献１では、液晶表示装置用カラーフィルタの線幅４μｍ以下の細いブラックマトリクスパターンを、一定条件の２重スリットパターンを設けたフォトマスクを用いたプロキシミティ露光により、安定して生産できる。すなわち、プロキシミティ露光の露光ギャップの変動に対して、加工対象基板面に形成されるパターンの線幅の変動をある程度抑制した微細なパターンを得ることができる。しかし、マザー基板サイズの大型化がさらに進むと、プロキシミティ露光では、それに対応して大型のフォトマスクが必要とされ、プロキシミティ露光工程での露光ギャップの変動がますます大きくなるため、２重スリットパターンを設けたフォトマスクを用いても、形成されるパターンの線幅の変動を充分には抑えられない。同様に、図１，図２に示した従来の位相シフトマスクによるパターン露光においても、露光ギャップの変動が大きくなると、形成されるパターンの線幅の変動を充分には抑えられない。従来の位相シフトマスクでは、プロキシミティ露光での露光ギャップを５０〜１００μｍと広くとると、露光対象基板上で光が広がってしまい、パターンの中心付近でも位相差による光の打ち消し合いが起こり、露光結果は却って悪くなる現象が確認されている。
【０００８】
本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、プロキシミティ露光により微細パターンを形成するためのフォトマスクにおいて、露光ギャップの変動の影響を小さくして、さらに安定して微細パターンを形成できるフォトマスクの構造を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための手段として、
本発明によるフォトマスクは、
露光対象基板上での透過光の光量分布および透過光強度の分解能を、露光対象基板との離間距離に応じて変調可能なプロキシミティ露光用フォトマスクであって、
透過部／半透過部により規定されるスリットパターンのＬ／Ｓが５μｍ以下であり、前記半透過部は、入射光の位相を約９０°遅らせる機能を有する金属酸化物からなるハーフトーン膜であることを特徴とする。
【００１０】
また、露光対象基板上で線幅５μｍ以下の透過光を十分な光量および透過光強度を伴って結像させるプロキシミティ露光用フォトマスクであって、
透過部／遮光部により規定されるスリットの線幅が５μｍ以下であり、透過部／遮光部の境界に、入射光の位相を約９０°遅らせる機能を有する金属酸化物からなるハーフトーン膜が形成されてスリットの線幅が規定された構成であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明によるパターン露光方法は、
露光対象の基板表面上に形成した感光性樹脂層に対して、前記のフォトマスクを用いて、露光対象基板との離間距離を適宜変化させて、波長４３０ｎｍ以下の平行光でプロキシミティ露光を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のフォトマスクにより、露光パターンの解像度（スリット透過光強度の分解能）を向上して露光対象基板にＬ／Ｓが５μｍ以下の微細なパターンを形成することが可能となり、容易に製造でき、実用的なパターン露光方法への適用が簡単なフォトマスクが提供される。
また、本発明のフォトマスクを用いたプロキシミティ露光により、微細パターンを形成するに際して、露光ギャップの変動の影響を小さくでき、さらに安定して微細パターンを形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の位相シフトマスクの一例を説明するための部分模式図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示す。
【図２】従来の位相シフトマスクによるパターン露光方法の一例を説明するための断    面模式図。
【図３】本発明によるプロキシミティ露光用フォトマスクを用いた露光状態の一例を示す断面説明図。
【図４】本発明によるプロキシミティ露光用フォトマスクを用いた露光状態の他例を示す断面説明図。
【図５】シミュレーション評価の対象としたマスクの設計情報を示す説明図。
【図６】シミュレーション評価の対象としたマスクの設計情報を示す説明図。
【図７】シミュレーション評価の対象としたマスクの設計情報を示す説明図。
【図８】強度分布（光線の結像状態）についてのシミュレーション結果を示す説明図。
【図９】強度分布（光線の結像状態）についてのシミュレーション結果を示す説明図。
【図１０】露光対象基板上での露光強度（同図上側の波形）と光線の結像状態（同図下側）を対比して示すシミュレーション結果。
【図１１】露光対象基板上での露光強度（同図上側の波形）と光線の結像状態（同図下側）を対比して示すシミュレーション結果。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に従って、本発明の実施形態について説明する。
＜実施形態１＞
図３は、露光対象基板上で線幅５μｍ以下の透過光を十分な光量および透過光強度を伴って結像させるプロキシミティ露光用フォトマスクの一例を示す断面説明図である。
透過部／遮光部により規定されるスリットの線幅が５μｍ以下であり、透過部／遮光部の境界に、入射光の位相を約９０°遅らせる機能を有する金属酸化物からなるハーフトーン膜が形成された構成である。
透過部２０はガラス基板１０が露出された箇所からなり、遮光部３０を構成するクロムなどの層をパターニングして形成される。
透過部２０の両側に、入射光の位相を約９０°遅らせる機能を有する金属酸化物からなるハーフトーン膜（半透過部）２１が形成され、透過部２０の線幅が規定される。ハーフトーン膜２１の材料として、酸化錫インジウム，酸窒化モリブデンシリサイドが代表的である。
【００１５】
透過部，半透過部，遮光部の光学特性を、便宜的に以下の様に定義し、以降の説明でも共通させることとする。
透過部：透過率１００％，位相差０
半透過部：透過率２０％，位相差９０°
遮光部：透過率０％
【００１６】
パターン露光時の光路を同図に概念的に示す。
同図上側よりフォトマスクに入射した光は、透過部２０，半透過部２１を通過して、同図下側にスリット光として透過射出する際、半透過部２１は入射光の位相を約９０°遅らせた透過光（透過率２０％）を生成し、それによって、露光対象基板において隣接して照明される境界において同位相での光干渉効果が低下するように作用するため、同図に示すように、透過部２０の真下に高い強度で集光するかのように射出する。
【００１７】
＜実施形態２＞
図４は、露光対象基板上で線幅５μｍ以下の透過光を十分な光量および透過光強度を伴って結像させるプロキシミティ露光用フォトマスクの他例を示す断面説明図である。
図３との相違は、透過部／半透過部により規定されるスリットパターンのＬ／Ｓ（ライン＆スペース）が５μｍ以下であり、遮光部３０で規定された広幅の開口内に、半透過部２１を図示のように配置して、それぞれ開口幅が５μｍ以下の複数の透過部２０を隣接配置してなるスリットパターンである点にある。
【００１８】
パターン露光時の光路を同図に概念的に示す。
図３と同様に、同図上側よりフォトマスクに入射した光は、透過部２０，半透過部２１を通過して、同図下側に３本のスリット光として射出する際、半透過部２１は入射光の位相を約９０°遅らせた透過光（透過率２０％）を生成し、それによって、露光対象基板において隣接して照明される境界において同位相での光干渉効果が低下するように作用するため、同図に示すように、３箇所の透過部２０それぞれの真下に高い強度で集光するかのように射出する。
【００１９】
フォトマスクを作製するには、先ず、フォトマスク基板１０を準備する。
フォトマスク基板１０として、波長４３０ｎｍ以下の短波長光に対する透過率が高く、温度変化に対する寸法安定性に影響する熱膨張率が低く、パターン形成プロセスでの物理的、化学的各種耐性に優れ、平滑性の良い加工が可能で、内部の光学的な欠陥の少ない合成石英が、好ましい材料として挙げられる。
【００２０】
次に、フォトマスク基板上の片面に遮光部およびハーフトーン部（位相シフト領域）をパターン形成する。
図１の構成では、位相シフト領域４を構成する層を先に形成する場合を示しているが、遮光部の形成順序は限定されず、露光工程の位置合わせの適合性から逆順も可能である。
遮光部を構成する材料としては金属クロム膜，ハーフトーン部（位相シフト領域）を構成する材料としてはＭｏＳｉハーフトーン膜を挙げることができる。
上記各層は、成膜をスパッタリング法により行い、フォトリソグラフィー法や電子線リソグラフィー法によるレジスト層のパターン形成と、開口部のドライまたはウェットのエッチング法により、所望のパターンを形成できる。また、必要に応じて、エッチングレジストとして他種の金属膜等を用いることができる。
【００２１】
上記のように作製したフォトマスクを用いるパターン露光方法において、露光光源として、高圧水銀灯のｈ線（波長４０５ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）や各種レーザー光源を、波長４３０ｎｍ以下の平行光として用いることができる。
露光方式として、フォトマスク１の表面と加工対象の基板５の表面との露光ギャップｈを数十μｍ〜数百μｍ、望ましくは９０μｍ程度に設定したプロキシミティ露光を使用できる。
ここで、上述のＭｏＳｉハーフトーン膜を用いる位相シフト領域は、例えば波長４３０ｎｍ以下から近紫外域の短波長光に対して透過率２０％，位相差９０°程度に制御できる。
【００２２】
以下、本発明および従来構造によるフォトマスクを用いて、露光対象基板との離間距離を適宜変化させて、波長４３０ｎｍ以下の平行光でプロキシミティ露光を行なった場合について、シミュレーション結果に基づき、露光ギャップの変動が線幅の変動に与える影響を検討する。
【００２３】
＜シミュレーション条件＞
シミュレーター：Layout Lab（GenISys製）
露光光線λ： （365nm：313nm）=（100：35）
コリメーション角度： 2.0°  
露光ギャップ（離間距離）：30〜120μm（10μｍ刻みで変化）    
【００２４】
＜使用マスク＞
（１）ハーフトーン膜なし
（２）ハーフトーン膜あり（位相シフト量＝180°）
（３）ハーフトーン膜あり（位相シフト量＝90°）
（１）（２）の従来構造，（３）の本発明構造のそれぞれについて、3.5μｍ幅の透過部スリットが１本，Ｌ／Ｓ＝3.5μｍで3.5μｍ幅の透過部スリットが３本のマスクを評価対象とした。図５〜図７に、各マスクの設計情報を示す。
【００２５】
＜図５＞
（１）−１：１本の透過部スリットの境界が遮光部にて規定
（２）−１：１本の透過部スリットの境界がハーフトーン膜（位相差180°）にて規定
（３）−１：１本の透過部スリットの境界がハーフトーン膜（位相差90°）にて規定
＜図６＞
（１）−２：３本の透過部スリットの境界が遮光部にて規定
（２）−２：３本の透過部スリットの境界がハーフトーン膜（位相差180°）にて規定
（３）−２：３本の透過部スリットの境界がハーフトーン膜（位相差90°）にて規定
＜図７＞
（３）−３：中央の２本の透過部スリットの境界がハーフトーン膜（位相差90°）にて規定され、両端の２本の透過部スリットの境界がハーフトーン膜（位相差90°）と遮光部にて規定された構成
（３）−４：４本の透過部スリットの境界がハーフトーン膜（位相差90°）にて規定
【００２６】
図８は、3.5μｍ幅の透過部スリットを１本有する３タイプのマスクについて、上記シミュレーション条件に基づいて、露光対象の基板表面上に形成した感光性樹脂層に対して、露光対象基板との離間距離を30〜120μmまで10μｍ刻みで変化させて、プロキシミティ露光を行なった場合の、露光対象基板上での強度分布（光線の結像状態）についてのシミュレーション結果を示す説明図である。
【００２７】
同図によると、周囲を遮光部（透過率0％）により開口部（透過率100％のスリット）が規定された構成の（１）−１タイプのマスクでは、離間距離が80μｍになると、光線の結像状態が不鮮明になり、90μｍ以上からは結像が確認されなくなっている。
周囲を半透過部（透過率20％）からなるハーフトーン膜（位相差180°）により開口部（透過率100％のスリット）が規定された構成の（１）−２タイプのマスクでは、80μｍ以上からは結像が確認されなくなっている。
周囲を半透過部（透過率20％）からなるハーフトーン膜（位相差90°）により開口部（透過率100％のスリット）が規定された構成の（１）−３タイプのマスクでは、離間距離90μｍまでは鮮明な光線の結像状態（以降では、明線とも称する）が維持されている。
【００２８】
図９は、Ｌ／Ｓ＝3.5μｍで隣接する透過部スリットを３本有する３タイプのマスクについて、上記シミュレーション条件に基づいて、露光対象の基板表面上に形成した感光性樹脂層に対して、露光対象基板との離間距離を30〜120μmまで10μｍ刻みで変化させて、プロキシミティ露光を行なった場合の、露光対象基板上での強度分布（光線の結像状態）についてのシミュレーション結果を示す説明図である。
【００２９】
同図によると、遮光部（透過率0％）に3本の開口部（透過率100％のスリット）を、Ｌ／Ｓ＝3.5μｍで隣接して規定した構成の（１）−２タイプのマスクでは、離間距離が50μｍになると、光線の結像状態が不鮮明になり、60μｍ以上からは結像が確認されなくなっている。
周囲を遮光部（透過率0％）で規定された開口部内に、Ｌ／Ｓ＝3.5μｍで透過率20％の半透過部からなるハーフトーン膜（位相差180°）／透過率100％のスリットを交互に配置し、周囲をハーフトーン膜により３本の開口部（透過率100％のスリット）が規定された構成の（２）−２タイプのマスクでは、離間距離が60μｍになると、光線の結像状態が不鮮明になり、70μｍでは明線が２本であり、80μｍでは明線２本の外側に不鮮明な線が２本となり、90μｍ，100μｍでは不鮮明な線が２本となり、110μｍ以上からは結像が確認されなくなっている。
周囲を遮光部（透過率0％）で規定された開口部内に、Ｌ／Ｓ＝3.5μｍで透過率20％の半透過部からなるハーフトーン膜（位相差90°）／透過率100％のスリットを交互に配置し、周囲をハーフトーン膜により３本の開口部（透過率100％のスリット）が規定された構成の（３）−２タイプのマスクでは、100μｍまでは３本の明線が確認されるが、110μｍ，120μｍでは不鮮明な２本の線が確認される。
【００３０】
図１０は、（１）−２タイプのマスク（従来技術）についてのシミュレーション結果を、露光対象基板上での露光強度（同図上側の波形）と光線の結像状態（同図下側）を、離間距離が30〜120μmまで10μm刻みで変化させた場合について対比させて示す説明図である。（図９に対応）
【００３１】
図１１は、（３）−３タイプ，（３）−４タイプのマスク（本発明）についてのシミュレーション結果を、露光対象基板上での露光強度（同図上側の波形）と光線の結像状態（同図下側）を、離間距離が30〜120μmまで10μm刻みで変化させた場合について対比させて示す説明図である。
【００３２】
図１０では、30，40μmの離間距離での露光の場合のみに３本の明線が結像しているが、図１１では、30μmの離間距離では７本もの線が結像している。
（３）−３タイプ，（３）−４タイプのマスクでは、透過率100％のスリットが４本，透過率20％のスリットがその間に３本の計７本のスリットがあると見なせるため、露光対象基板に近接した場合には、全７本の線で結像しているが、離間距離が50μm以上になると、概ね100μmまでは、３本の明線として結像する状態が維持される。
【００３３】
以上のシミュレーション結果より、Ｌ／Ｓが５μm以下のスリットパターンをプロキシミティ露光により明線として安定して露光結像させたい場合には、透過部／遮光部により規定されるスリットパターン→透過部／半透過部（位相差180°）により規定されるスリットパターン→透過部／半透過部（位相差90°）により規定されるスリットパターン、とマスクと露光対象基板の離間距離による変動を受けずに確実に結像される条件が増加していることが分かる。
従って、大型のフォトマスクを用いて微細なパターンのプロキシミティ露光を行う場合に、高精細パターンの安定した再現性を得る上で有効となる。
【符号の説明】
【００３４】
４・・・位相シフト領域（ハーフトーン膜）
６・・・露光光
７・・・照射光の強度
１０・・・フォトマスク基板（ガラス）
１１・・・位相シフトマスク
２０・・・透過部
２１・・・半透過部（ハーフトーン膜）
３０・・・遮光部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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