JPH0437422B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 １ 産業上の利用分野 本発明は露光マスクの製造方法に関し、特に、
半導体装置等の製造に使用されるハードマスクと
称されるホトマスクの製造方法に関するものであ
る。

２ 従来の技術 従来、無機薄膜材料を用いたハードマスクが露
光処理に使用されているが、表面強度が大きくて
繰返し使用が可能である点で有用視されている。

この種のハードマスクとしては、アモルフアス
シリコン（以下、ａ−Siと称する。）を遮光膜と
するものが知られている。このａ−Si膜はシース
ルー性が良好であつて半導加工時に下地パターン
が透けて見える（即ち、可視光に対してはある程
度透明である。）という性質と同時に、半導体加
工用の特定波長（例えば3800〓や4300Å）の露光
ビームに対しては遮光性を示すものである。

この遮光性の程度は、次の光学濃度（optical
density）で示される。

光学濃度＝log（Io／Ｉ） （但、Ioの入射光の光量、Ｉは透過光の光量） ところが、上記の通常使用されているａ−Si膜
の光学濃度はせいぜい1.2〜1.4であつて、一定量
の入射光は透過してしまうので、完全な露光マス
クとはなり得ない。従つて、遮光性を充分にする
にはａ−Si膜の膜厚を大きくすることが考えられ
るが、この場合には、マスク素材から所定のマス
クパターンにａ−Si膜をエツチング加工する際に
その膜厚を大きくすると、エツチング精度が悪く
なり、特にウエツトエツチング時にサイドエツチ
ングが進行しすぎてマスクパターンが不良となり
易い。

上記の如きａ−Siハードマスクを製造する方法
として真空蒸着法やスパツタリング法が知られて
いる。

真空蒸着法では、蒸着槽内を高真空に排気した
後にシリコンを電子ビーム等で加熱、蒸発せし
め、上方に置かれた基板上にａ−Si膜を形成す
る。また、スパツタリング法では、シリコンをタ
ーゲツトとし、不活性ガス（Ar）中でターゲツ
トに高周波電圧を印加して、基板上にａ−Si膜を
堆積させる。しかしながら、いずれの方法におい
ても、シリコンは非常に活性であるために槽内を
高真空に排気したり、或いは不活性ガス中で成膜
しても、槽内に残留ガスとして必ず存在する酸素
ガスと結合し、一部分は酸化珪素となつてしま
う。このために、フオトマスクとしての光学濃度
が低下したり、更にはドライエツチング速度の低
下を招く。また、特に真空蒸着法による場合に
は、槽内の構造が複雑なためにクリーン度を維持
することが困難であり、形成された薄膜は高集積
度のLSI（大規模集積回路）等に製造されるフオ
トマスク素材には適さない。

３ 発明の目的 本発明の目的は、マスク層の酸化を防止し、光
学濃度が高くかつエツチング速度の大きい露光マ
スク素材を製造できる方法を提供することにあ
る。

本発明の別の目的は、成膜装置内の構造が簡素
化され汚染の少ないスパツタリング装置を使用す
ることによつて、ごみの付着やピンホール等の欠
陥の少ない高品位の露光マスクを得ることにあ
る。

４ 発明の構成及び作用効果 本発明は、光学的に透明なマスク基体と、シリ
コン及び／又はゲルマニウムからなるターゲツト
とをスパツタリング装置内に配置し、炭化水素ガ
ス及び／又はアンモニアガスを１〜50容量％含む
雰囲気中で前記ターゲツトに電圧を印加して、前
記ターゲツトをスパツタすると同時に前記炭化水
素ガス及び／又はアンモニアガスを分解せしめ、
これによつて生じたイオン化又は活性化された水
素をスパツタされたシリコン及び／又はゲルマニ
ウムと反応させ、水素を含むシリコン及び／又は
ゲルマニウムからなるアモルフアス半導体層を前
記マスク基体上に形成し、次いで、前記水素含有
アモルフアス半導体層を所定のマスクパターンに
エツチングし、この所定パターンの水素含有アモ
ルフアス半導体層のみからなる遮光層を有する露
光マスクを作成する露光マスクの製造方法に係る
ものである。

本発明の方法によれば、Si及び／又はGeから
なるマスク層としてのアモルフアス半導体層をス
パツタリング法で形成する際に、炭化水素ガス及
び／又はアンモニアガスを含む雰囲気を使用して
いるために、その分解により生じる水素（特に活
性化又はイオン化された水素）の還元作用によつ
てアモルフアス半導体層の酸化を効果的に防止
し、かつ同半導体層中に一定量の水素が取込まれ
ることから光学濃度を上昇させることができる。
従つて、露光マスクへの加工時のエツチング速度
が向上すると共に、マスク層を薄くしても充分な
光学濃度を示すためにエツチング精度も良好とな
る。更に、スパツタリング法によつて製膜してい
るので、装置内の構造が簡素であつて汚染源も少
なく、ごみ付着やピンホール等の欠陥の少ない高
品位のマスク素材を作成することができる。ま
た、使用する炭化水素ガス、アンモニアガスはそ
れ自体安定であつて、安全性の面で有利である。

５ 実施例 以下、本発明を実施例について図面参照下に詳
細に説明する。

第１図は本実施例で使用するスパツタリング装
置の一例を示すものである。この装置によれば、
真空槽１０内にターゲツト１１と透明なマスク基
板２とが対向配置され、ターゲツト１１と基板２
のホルダー７との間には高周波又は直流の高電圧
８が印加され、かつホルダー７は内蔵ヒーター
（図示せず）によつて基板２を所定温度に加熱で
きるように構成されている。また、真空槽１０に
は、ArとCH₄との混合ガス９の導入管１３と排
ガス１４の導出管１５とが設けられ、導出管１５
を真空ポンプ（図示せず）に接続することによつ
て槽内を所定の真空度に保持している。

次に、第１図のスパツタリング装置を用いて基
板２上にアモルフアス半導体膜を形成する方法を
説明する。

まず真空槽１０内を例えば１×10^-6Torrまで
排気し、基板２を例えば300℃に加熱しながらAr
とCH₄とを例えば80：20の比率で導入して槽内の
圧力を１×10^-3Torrに設定し、ターゲツト１１
（例えば高純度Siターゲツト）に例えば13.56M
Hz、750Wの高周波の高電圧を印加する。これに
よつて、ターゲツト１１と基板２との間にグロー
放電を生ぜしめ、Ar⁺により陰極のターゲツト１
１中のSiを叩き出して基板２上ａ−Siとして付着
せしめ、かつこれと同時に上記グロー放電でCH₄
の分解により生じたイオン化又は活性化された水
素をSiと反応させてａ−Si膜中に導入する。基板
２上に従つて、水素原子を所定濃度で含有したａ
−Si（以下、ａ−Si：Ｈと称する）層を形成し、
フオトマスク素材を作成できる。

真空槽に導入するCH₄は未だ活性化又はイオン
化されていないCH₄であるが、導入管１３にガス
放電管（図示せず）を接続し、予め活性化又はイ
オン化した状態でCH₄を導入してもよい。また、
CH₄の導入量は上記した比率に限らず、導入ガス
（即ち真空槽内の雰囲気）の１〜50容量％に設定
することが必須不可欠である。このCH₄量が１容
量％未満では水素導入の効果に乏しくなり、また
50容量％を越えると却つてａ−Si膜の光学濃度が
低下する。

上記した如く、本実施例によるマスク素材の製
造方法は、ａ−Siをスパツタリング法で製膜する
際にCH₄を含む雰囲気を使用しているために、真
空槽内に残留酸素が存在していてもこの酸素の作
用をCH₄の分解により生じる水素の還元作用によ
つて防止することができる。この結果、ａ−Si槽
の酸化現象を阻止して光学濃度を向上させ得る上
に、後記のドライエツチング時の加工性（エツチ
ング速度）を良好にすることができる。また、ス
パツタリング法によるために、真空槽内の構造が
簡素であり、汚染も少なく、高品位のマスク素材
の作成が可能となる。

第２図〜第９図には、上記の方法で作成された
各種のフオトマスク素材が示されている。

第２図のマスク素材１は、光学的に透明な石英
板（SiO₂板）２上にａ−Si：Ｈ層３が設けられ
たものである。基板としてのSiO₂の厚みは0.5〜
３mm（望ましくは１〜2.5mm）であり、またａ−
Si：Ｈ層３の膜厚は300〜5000Å（望ましくは700
〜3000Å）である。このマスク素材１は、後述の
方法で所望の露光マスクに加工される。第２図の
例では、ａ−Siと熱膨張係数の近いものが選択可
能な非石英板（例えば、ソーダライム、ホウ珪酸
系）を基板として用いることもできる。

第３図は、ソーダライム、ホウ珪酸系等の非石
英板１２上にまずSiO₂膜４が厚さ100〜5000Å
（望ましくは200〜3000Å）に形成され、この上に
ａ−Si：Ｈ層３が設けられている。この場合、不
純物が混入してａ−Si：Ｈ層３が汚染されるのを
防止するものである。

第４図は、ａ−Si：Ｈ層３と基板２との間に透
明導電膜（例えばITO：Indium Tin Oxide）５
を境界膜として介在せしめた例を示す。この透明
導電膜５の存在によつて、後述するマスクパター
ンへのドライエツチング時の放電下で基板上の電
位を安定に保持し、かつ後述する半導体加工時に
半導体ウエハと密着させたときに同ウエハ表面上
での放電を防止し、マスクエツジの損傷を防ぐ作
用を有している。つまり、透明導電膜５を通じて
の電荷の移動によつて、電荷の蓄積又は固定現象
を防ぐことができる。

第５図は、第３図及び第４図の例を組合せたも
のであつて、ａ−Si：Ｈ層３と基板２との間に透
明導電膜５及びSiO₂膜４を設けている。

以上の第２図〜第５図のマスク素材はいずれも
反射防止手段を設けてはいないが、後述する半導
体表面の加工時に同表面からの反射光が更にマス
ク面で反射されて半導体表面上のホトレジスト膜
を不測に感光せしめないように、反射防止膜を設
けておくのがよい。

第６図は、ａ−Si：Ｈ層３上に、酸素原子を含
有するａ−Si：Ｈ又は酸素原子を含有するａ−Si
からなる反射防止膜６を設け、この反射防止膜に
よつて反射光をマスクの層中に導びくようにし、
マスク面で再反射されることを防止した例を示し
ている。反射防止膜５の膜厚は、露光時の使用波
長に応じて、反射が最小となるような値に設定さ
れる。

第７図は、上記の如き反射防止膜６をａ−Si：
Ｈ層３と基板２又は１２との間にも設けた例を示
す。

上記した各例の露光マスク素材（又は後述の露
光マスク）の外形は、処理されるべき半導体ウエ
ハのサイズに応じ、第８図の如くに正方形状であ
つてよく、また第９図の如くにウエハと同形であ
つてもよい。

上記に例示したマスク素材１は、所定量（特に
0.1〜30原子％）の水素原子を含有したａ−Si：
Ｈ層３を具備しているために、従来のａ−Si系シ
ースルーマスクに比較して使用波長での光学濃度
が大幅に向上している。即ち、第１０図に示すデ
ータ（使用波長は4300Å、ａ−Si：Ｈ層の厚みは
1000Å）によれば、水素含有量に応じて光学濃度
が変化し、特に0.3〜25原子％の範囲では従来の
マスクの光学濃度（1.2〜1.4）以上となり、0.5〜
20原子％では２〜４倍にも向上することが分る。
水素含有量が少ない範囲で光学濃度が急激に高く
なつていることは注目すべきであり、本発明に従
つてａ−Si中に水素原子を積極的に導入すること
の優位性が顕著に表われている。なお、ａ−Si：
Ｈ層中の水素含有量は、同質の膜の高抵抗Siウエ
ハ−上に形成してその膜の赤外線吸収スペクトル
によつて求めた（この場合のウエハ厚みは例えば
500μｍ、ａ−Si：Ｈ膜厚は例えば１〜5μｍ）。

上記赤外線吸収スペクトルの一例を第１１図に
示したが、赤外吸収の積分強度Ｉ＝∫ｄ（ｗ）／ｗdw を、特定の赤外線吸収帯（例えば1900〜2250cm
^-1）にわたるａ−Siの伸縮振動に注目して求め
る。そして、水素濃度Ｎ（cm^-3）は、Ｎ＝Ｋ×１
（Ｋは定数）関係式から求めると、図示の例では
10原子％程度と見積られる。但、これは一例であ
り、また他の公知の方法に基いて水素濃度を求め
ることもできる。

このように、ａ−Si：Ｈ層は所定量の水素原子
の含有によつて高い光学濃度を示すものとなつて
いるから、その膜厚を薄くすることができ、次に
述べるエツチング加工精度又はシヤープネスが大
幅に向上する。

即ち、第１２Ａ図の如くに、ａ−Si：Ｈ層３上
に公知のホトレジスト２８を一様に塗布し、次い
で第１２Ｂ図の如くに、予め製作した露光マスク
１７を配して露光する。露光ビーム１８はマスク
７の非マスク部１９を通して下地のホトレジスト
２８を所定パターンに感光せしめる。

次にホツトレジスト２８の例えば非露光部分を
エツチングで除去し、第１２Ｃ図の如きパターン
に残す。そして、第１２Ｄ図の如く、ホトレジス
ト２８をマスクにしてプラズマエツチング等で下
地のａ−Si：Ｈ層３をエツチングし、パターニン
グする。この際、上述の透明導電膜５が存在して
いれば、プラズマによる電荷が集中し難くなり、
電位の安定性を保持できる。

第１２Ｅ図は、こうして製作された露光マスク
２１を示している。

この露光マスクの製造プロセスにおいて、特に
第１２Ｄ図のエツチング段階で、プラズマエツチ
ング法等のドライプロセスでａ−Si：Ｈ層３をエ
ツチングする際、上記したようにａ−Si：Ｈ層３
膜厚は例えば1000Å程度と薄くできるために、そ
のエツチング加工精度が極めて良好となる。従つ
て、従来回避できなかつたサイドエツチングを防
止して、露光マスクとしてのパターン精度を格段
に向上させることができる。また、このエツチン
グにフツ酸系のエツチヤントを用いたウエツトプ
ロセスを適用した場合、上記のサイドエツチング
が進行し易いが、これも本発明による方法で形成
された水素含有ａ−Si層においては充分に防止す
ることができる。

本発明による露光マスクは、特に、半導体IC、
LSI等における微細化プロセスに非常に有用であ
る。半導体製造は本発明による露光マスクを適用
した例を概略的に述べると、第１２Ｆ図の如く、
シリコンウエハ３０の一主面に公知の熱酸化技術
で形成したSiO₂膜２３上にホトレジスト２４を
塗布し、このホトレジスト上に露光マスク２１を
配する。この際、マスク２１のａ−Si：Ｈ層３は
可視光に対しある程度透明であるから、ウエハ３
０の表面上に既に何らかのパターン（例えば素子
分離用のフイールドSiO₂膜等）が存在している
場合には、そのパターンを観察でき、従つてマス
ク合せをより正確に行なうことができる。また、
上述した透明導電膜５を設けておけば、マスク２
１上での電荷の蓄積を少なくし、ウエハ３０との
間での放電をなくし、マスク破壊、ウエハの静電
破壊を防げる。次に、使用波長が3000〜4400Åの
例えば紫外光２５を200W程度の超高圧水銀灯よ
り照射し、マスク層３の存在しない非マスク部分
下のホツトレジスト２４を選択的に露光する。

ａ−Si：Ｈからなるマスク層３は上記使用波長
域では光２５を通さず、充分な遮光性を示す。更
に、第１２Ｇ図の如く、現像処理のホトレジスト
２４をマスクに、下地のSiO₂膜２３をプラズマ
エツチング（ドライプロセス）や、フツ酸、フツ
化アンモニウム水溶液（ウエツトプロセス）等で
エツチングし、ウエハ３０上に所望のパターンに
残す。

こうしてSiO₂膜２３に例えは電極又は配線被
着用のコンタクトホール２６を形成できる。

第１３図は、第１２Ｄ図のエツチング工程で使
用可能なプラズマエツチング装置を示すものであ
つて、３７は基板２を保持するホルダ、３８はシ
ールド用メツシユチユーブ、３９はプラズマ発生
室、４０は高周波電極、４１は高周波電源であ
る。例えば、CF₄等のエツチヤントガス３２をエ
ツチング槽３３内に導入し、高周波電圧によつて
プラズマラジカルを発生せしめ、このラジカルを
メツシユチユーブ３８の網目から反応室３４内の
基板２へ導入する。これによつて、基板２上のａ
−Si：Ｈ層を上述した如くにしてプラズマエツチ
ングする。なお、このプラズマエツチングは図示
した装置に限らず、公知の平行平板型のプラズマ
エツチング装置でも可能であり、またプラズマエ
ツチング以外にも反応性イオンエツチング等の他
のドライエツチングを適用することもできる。

第１４図は、上記のドライエツチング工程にお
けるａ−Siのエツチング速度を示すものである
が、破線で示す従来法（CH₄を含まない雰囲気中
でのスパツタリング）に比べ、本発明に基くスパ
ツタリング法による場合には実線で示す如くにエ
ツチング速度が大幅に向上することが分る。

これは、本発明のスパツタリング法はCH₄を含
む雰囲気で実施しているためにａ−Si膜の酸化が
効果的に防止されていることを意味している、な
お、上記ドライエツチング条件としては、エツチ
ヤントガスにCF₄＋10％O₂を使用（ガス圧は
40Pa＝12Torr）し、高周波は100Wとした。

なお、上述した例において、マスクのシースル
ー性を重視しない場合には、シリコンにゲルマニ
ウムを添加して（添加量が増すにつれて光学濃度
が上る。）光学濃度をさらに上げる（ターゲツト
は高純度Siと高純度Geとの混合ターゲツト）と
か、あるいはシリコンに代え膜をゲルマニウムで
作製する（ターゲツトは高純度Ge）ことも価値
がある。

また、スパツタリング時に印加する電圧は上述
の高周波電圧に代えて直流電圧を印加することが
できる。この場合には、例えば、ターゲツトとし
てリン等をドープ下低純度Si（比抵抗は10³Ω−cm
以下）を用い、1.5KWの直流高電圧を印加する
ことができる。但、上記したと同様に、Siに代え
て低純度Geをターゲツトに用いたり、或いは低
純度Siと低純度Geとの混合ターゲツトを用いる
ことも勿論可能である。更に、水素を供給する導
入ガスとして、上記のCH₄以外にもC₂H₆、C₃H₈
等の炭化水素ガス又はアンモニアガスが使用可能
であり、或いは炭化水素ガスとアンモニアガスと
の双方を同時に供給してもよい。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであつて、第
１図はスパツタリング装置の概略図断面図、第２
図、第３図、第４図、第５図、第６図、第７図は
露光マスク素材の各例の断面図、第８図、第９図
は露光マスク素材又は露光マスクの各例の外形を
示す平面図、第１０図はａ−Si中の水素原子含有
量とその光学濃度との関係を示すグラフ、第１１
図はａ−Si：Ｈの赤外線吸収スペクトル図、第１
２Ａ図〜第１２Ｅ図は露光マスクの製造方法を工
程順に示す断面図、第１２Ｆ図及び第１２Ｇ図は
露光マスクを用いて半導体を加工するときの主要
工程の各断面図、第１３図はプラズマエツチング
装置の概略断面図、第１４図はドライエツチング
のエツチング速度を比較して示すグラフである。 なお、図面に示された符号において、１……露
光マスク素材、２……基板、３……ａ−Si：Ｈ
層、５……透明導電膜、６……SiO₂膜、７……
基板ホルダー、８……電源、９……Ar＋CH₄混
合ガス、１０……真空槽、１１……ターゲツト、
１７……マスク、２１……露光マスク、２８……
フオトレジスト、３２……エツチヤントガス、４
０……高周波電極である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光学的に透明なマスク基体と、シリコン及
   び／又はゲルマニウムからなるターゲツトとをス
   パツタリング装置内に配置し、炭化水素ガス及
   び／又はアンモニアガスを１〜50容量％含む雰囲
   気中で前記ターゲツトに電圧を印加して、前記タ
   ーゲツトをスパツタすると同時に前記炭化水素ガ
   ス及び／又はアンモニアガスを分解せしめ、これ
   によつて生じたイオン化又は活性化された水素を
   スパツタされたシリコン及び／又はゲルマニウム
   と反応させ、水素を含むシリコン及び／又はゲル
   マニウムからなるアモルフアス半導体層を前記マ
   スク基体上に形成し、次いで、前記水素含有アモ
   ルフアス半導体層を所定のマスクパターンにエツ
   チングし、この所定パターンの水素含有アモルフ
   アス半導体層のみからなる遮光層を有する露光マ
   スクを作成する露光マスクの製造方法。