JP2002261003A

JP2002261003A - 転写マスクブランクス、転写マスクおよび露光方法

Info

Publication number: JP2002261003A
Application number: JP2001393038A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takahashi; 進一高橋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2002-09-13

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコンメンブレンの応力を容易に適当な値
にすることができ、パターンの反りやパターン変形を容
易に抑制することができる転写マスクブランクスおよび
転写マスクを提供する。【解決手段】ストラットを有する支持基板と、パタ
ーンが形成されるシリコンメンブレンと、前記支持基
板と前記シリコンメンブレンの間に酸化シリコン層を有
する転写マスクブランクスであって、前記シリコンメ
ンブレン内のリン濃度の平均値が、５×１０¹⁸ａｔｏｍ
／ｃｍ³から１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｍ³の間にあり、か
つ前記シリコンメンブレン内のリン濃度の均一性が２０
％以内であることを特徴とする転写マスクブランクスと
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は主に、半導体集積回
路製作における電子あるいはイオン等の荷電粒子線によ
るリソグラフィー装置で使用する転写マスク及び転写マ
スクブランクスに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、集積回路の高集積化に伴い、長年
微細パターンを形成する手段の主流であった光を用いた
露光方式（フォトリソグラフィー技術）に代わって、荷
電粒子線、例えば電子線やイオンビーム、あるいはＸ線
を利用する新しい露光方式が検討され、実用化されてい
る。このうち、電子線を利用してパターンを形成する電
子線露光は、電子線そのものを数ｎｍにまで絞ることが
できるため、０．１μｍ以下の微細パターンを形成でき
る点に大きな特徴を有している。

【０００３】しかし、従来からある電子線露光方式は一
筆書き方式であったため微細パターンになればなるほど
絞った電子線で描画せねばならず、描画時間が長くなり
スループットに大きく影響を与えることになった。

【０００４】そこで考え出されたのが、転写マスクを利
用して小領域（サブフィールド）を一括して露光してい
く方式である。転写マスクとしては、厚さ２μｍ程度の
メンブレン状のシリコンに電子線透過部の開口を開けた
散乱ステンシルマスクがあり、複数のサブフィールドに
区分されている。一回に電子線によって露光されるサブ
フィールドの大きさは１ｍｍ角程度であるため、半導体
チップ全体を露光するためには、各サブフィールドを電
子線にてステップ的に走査して、サブフィールドの開口
に応じたパターンを感応基板上でつなぎ合わせる。

【０００５】この転写マスクは以下のような方法で一般
的に作製されている。図５に一般的なシリコンメンブレ
ンからなる転写マスクブランクスおよび転写マスクの作
製方法を図示した。シリコン支持基板１、シリコンメン
ブレンを形成するシリコン活性層２、シリコン支持基板
１とシリコン活性層２の間に酸化シリコン層３を有する
ＳＯＩウエハーを用意する（図５（ａ））。通常のＳＯ
Ｉウエハーのシリコン活性層２は圧縮応力を持っている
ために、自立薄膜化（メンブレン化）した際に弛んでし
まう。そのため、シリコン活性層２にボロン等の不純物
を拡散（熱拡散法又はイオン注入法）して、シリコンメ
ンブレンの応力を制御する。ボロンを拡散させたシリコ
ン活性層２は、シリコンメンブレン層を形成する（図５
（ｂ））。シリコンエッチング用のマスクとして、レジ
スト５をシリコン支持基板１に塗布し、リソグラフィー
工程を経て、サブフィールドに対応する部分６のパター
ニングを行う（図５（ｃ））。エッチングによってサブ
フィールドに対応する部分６のシリコン支持基板部１を
除去することにより、外周部のシリコン支持基板１なら
びに格子状のストラット７を形成する。このエッチング
は、エッチングストップ層である酸化シリコン層３まで
行われる（図５（ｄ））。サブフィールドに対応する部
分６の酸化シリコンをエッチングによって除去し、転写
マスクブランクスを完成させる（図５（ｅ））。最終的
には、シリコンメンブレン上にレジストを塗布して感応
基板に転写すべき微細パターンを電子線描画装置等の露
光装置を用いて転写し、レジストをエッチング用マスク
としてシリコンメンブレンを除去することによりパター
ン開口８を作製し、転写マスクを完成させる（図５
（ｆ））。

【０００６】ところで、ボロンを拡散したシリコンメン
ブレンを有するウエハを用いて、前述した作製方法（図
５）に従って作製した転写マスクブランクスは、深さ方
向のボロン濃度の不均一分布によって生じる深さ方向の
応力の不均一によるメンブレンの反りや、高い引っ張り
応力によるパターンの変形などが重大な問題となる。

【０００７】この問題を解決するため、シリコンメンブ
レン中のボロンの平均濃度および深さ方向に対するボロ
ン濃度分布を適当な範囲内にして、メンブレンの反りや
パターンの変形などを抑制することができる（特開平１
２−２０６６７５号参照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シリコ
ンメンブレンの応力を制御するための不純物としてボロ
ンを使用した場合、ボロン濃度をわずかに変化させただ
けで、シリコンメンブレンの応力が大きく変化してしま
うので、適当な応力値に制御しにくいという問題があっ
た。

【０００９】本発明は、かかる問題に鑑みてなされたも
のであり、シリコンメンブレンの応力を容易に適当な値
にすることができ、パターンの反りやパターン変形を容
易に抑制することができる転写マスクブランクスおよび
転写マスクを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は鋭意研究の結
果、シリコンメンブレンの応力を制御するための不純物
としてリンを使用し、その許容条件を見出した。

【００１１】すなわち、できるだけ引っ張り応力を小さ
くするという観点から、リン濃度の平均値を略５×１０
¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ³から１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｍ³の間
とした。さらにこの平均濃度範囲内でリンが拡散された
場合の濃度分布によるメンブレンの反りの許容範囲を検
討したところ、リン濃度の均一性が２０％以内、好まし
くは１５％以内の範囲内では、反りが生じないことを見
出した。リン濃度の均一性は次式で定義した。

【００１２】リン濃度の均一性（％）＝（リン濃度の最
大値−リン濃度の最小値）×１００／（リン濃度の平均
値×２）そこで本発明は第一に「ストラットを有する支持基板
と、パターンが形成されるシリコンメンブレンと、前記
支持基板と前記シリコンメンブレンの間に酸化シリコン
層を有する転写マスクブランクスであって、前記シリコ
ンメンブレン内のリン濃度の平均値が、５×１０¹⁸ａｔ
ｏｍ／ｃｍ ³から１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｍ³の間にあ
り、かつ前記シリコンメンブレン内のリン濃度の均一性
が２０％以内であることを特徴とする転写マスクブラン
クス（請求項１）」を提供する。

【００１３】また、本発明は第二に「ストラットを有す
る支持基板と、感応基板に転写すべきパターンが形成さ
れたシリコンメンブレンと、前記支持基板と前記シリコ
ンメンブレンの間に酸化シリコン層を有する転写マスク
であって、前記シリコンメンブレン内のリン濃度の平均
値が、５×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ ³から１×１０²⁰ａｔ
ｏｍ／ｃｍ³の間にあり、かつ前記シリコンメンブレン
内のリン濃度の均一性が２０％以内であることを特徴と
する転写マスク（請求項２）」を提供する。

【００１４】また、本発明は第三に「前記酸化シリコン
層の厚さが１μｍから２μｍの間にあることを特徴とす
る請求項１に記載の転写マスクブランクス（請求項
３）」を提供する。

【００１５】また、本発明は第四に「前記酸化シリコン
層の厚さが１μｍから２μｍの間にあることを特徴とす
る請求項２に記載の転写マスク（請求項４）」を提供す
る。

【００１６】また、本発明は第五に「荷電粒子線源から
発生する荷電粒子線を所定のパターンを有する転写マス
ク上に照射し、前記パターンの像を感応基板上に投影結
像する荷電粒子線露光方法であって；前記転写マスク
は、ストラットを有する支持基板と、感応基板に転写す
べきパターンが形成されたシリコンメンブレンと、前記
支持基板と前記シリコンメンブレンの間に酸化シリコン
層を有し、前記シリコンメンブレン内のリン濃度の平均
値が、５×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ ³から１×１０²⁰ａｔ
ｏｍ／ｃｍ³の間にあり、かつ前記シリコンメンブレン
内のリン濃度の均一性が２０％以内であることを特徴と
する荷電粒子線露光方法（請求項５）」を提供する。

【００１７】

【発明の実施の形態】第１の実施形態の転写マスクブラ
ンクスは、図５（ｅ）に示すようにリンを拡散させたシ
リコン活性層２からなるシリコンメンブレンと、このメ
ンブレンを支持する外周部のシリコン支持基板１および
格子状のストラット７により構成されている。

【００１８】図２は、転写マスクブランクスのシリコン
メンブレン中に、本発明によるリン（Ｐ）または従来技
術のボロン（Ｂ）を不純物として拡散させ、その不純物
濃度に対する応力を示した図である。図２において、横
軸は不純物濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）を表わし、縦軸
は応力（ＭＰａ）を表わす。また、図２において、●は
本発明によるリン（Ｐ）を不純物として拡散させた場合
の応力変化を示し、▲は従来技術のボロン（Ｂ）を不純
物として拡散させた場合の応力変化を示す。シリコンメ
ンブレンの応力は不純物の濃度に応じて変化している
が、不純物濃度の変化に対する応力の変化量は、本発明
によるリンの方が従来技術のボロンよりも小さくなって
いることがわかる。すなわち、不純物濃度が１０¹⁹ａｔ
ｏｍ／ｃｍ ³の場合ではボロン（Ｂ）を不純物として拡
散させた場合とリン（Ｐ）を不住運物として拡散させた
場合とで応力はほぼ同じであるのに対し、不純物濃度を
１０ ²⁰ａｔｏｍ／ｃｍ³にした場合には、本発明による
リン（Ｐ）を不純物として拡散させた場合の方が応力の
変化量が小さいことがわかる。つまり、リン濃度が多少
変化したとしてもシリコンメンブレンの応力はあまり変
わらないということがわかる。したがって、シリコンメ
ンブレンに拡散させる不純物としてリン（Ｐ）を使用す
ることにより、シリコンメンブレンの応力を容易に適当
な値にすることができ、パターンの反りやパターン変形
を容易に抑制することができる。

【００１９】そこで、シリコンメンブレンにリンを拡散
させ、シリコンメンブレン中のリン濃度の平均値を５×
１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ³から１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｍ³
の間とし、かつ前記シリコンメンブレン内のリン濃度を
均一化し、リン濃度の均一性を２０％以内として、図５
に示す作製方法で転写マスクブランクスを作製した。

【００２０】シリコンメンブレンにリンを拡散させ、シ
リコンメンブレン中のリン濃度の平均値を５×１０¹⁸ａ
ｔｏｍ／ｃｍ³から１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｍ³の間と
し、かつ前記シリコンメンブレン内のリン濃度を均一化
し、リン濃度の均一性を２０％以内とする方法として
は、例えば開管拡散方式がある。これは、拡散炉中で液
体のＰＯＣｌ₃を気化させ、窒素ガスと共に流すことに
より、ウエハー表面にリンガラスを形成し、その後、８
５０℃で４０分間熱拡散する方式である。

【００２１】図３は、転写マスクブランクスのシリコン
メンブレン中の深さ方向に対するリン濃度の分布を示し
た図である。縦軸がリン濃度であり、横軸が深さであ
り、メンブレンの最表面（リンの拡散面）を０としてい
る。この図からメンブレンの最表面から少し深い部分が
最もリン濃度が大きく、深くなるに従ってリン濃度が小
さくなることがわかる。このときのリン濃度の均一性は
９０％程度である。この場合、リン濃度の大きなメンブ
レン表面付近では、メンブレン内側に比べて引っ張り応
力が大きくなり、シリコンメンブレンにパターンを形成
した際にメンブレンが表面側に反れ、パターンが反れて
しまう。この時の反り量は約５μｍで実用には適さない
という問題が残る。

【００２２】次に、従来技術で説明した図５の作製方法
に活性ガス（例えば、Ｎ₂等）雰囲気中でアニール処理
を行う工程を加えることによって、本発明の実施形態の
転写マスクブランクスを作製した。このとき、例えば１
１５０℃で８時間アニール処理を行うことにより、５０
ＭＰａ程度の内部応力が１０ＭＰａ以下に低減すること
ができる。

【００２３】温度、時間サイクルなどのアニール処理の
条件は、シリコンメンブレンの膜厚、リンの拡散量によ
って決定される。また、酸化シリコン層を適当な厚さ
（例えば、１〜２μｍ）にすることにより、この酸化シ
リコン層が障壁となって、シリコン活性層中のリン濃度
を均一に分布させることができる。

【００２４】図１は、本発明の実施形態の転写マスクブ
ランクスのシリコンメンブレン中の深さ方向に対するリ
ン濃度の分布を示した図である。縦軸がリン濃度であ
り、横軸が深さであり、メンブレンの最表面（リンの拡
散面）を０としている。シリコンメンブレン中にはリン
が濃度２．５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³でほぼ均一に
分布しており、深さに対するリン濃度の均一性は２０％
以内となっている。ここで、リン濃度の均一性とは下記
式により定義される。

【００２５】リン濃度の均一性（％）＝（リン濃度の最
大値−リン濃度の最小値）×１００／（リン濃度の平均
値×２）その結果、引っ張り応力が約１０ＭＰａ以下に抑えら
れ、シリコンメンブレンにパターンを形成した後でも、
パターンの変形が１０ｎｍ以下に抑制されている。ま
た、深さ方向への引っ張り応力の分布が低く抑えられ、
パターンが反ってしまうという問題も解消されている。
この反り量は０．３μｍ以下であり十分実用に供するこ
とが可能である。

【００２６】次に、図４を参照しつつ、本発明の荷電粒
子線露光方法について説明する。

【００２７】図４は、本発明の荷電粒子線露光方法を実
施する荷電粒子線露光装置の一種である電子線露光装置
の概略図である。光学系の最上流に配置されている電子
銃１２１は下方に向けて電子線を放射する。電子銃１２
１の下方にはコンデンサレンズ系１２２が備えられてい
る。

【００２８】コンデンサレンズ系１２２の下には、照明
ビーム成形開口１２３が備えられている。このビーム成
形開口１２３の像は、照明レンズ１２５によって転写マ
スク１２６に結像される。そのためビーム成形開口１２
３は、転写マスク１２６の１つのサブフィールド（単位
露光パターン領域）を照明する照明ビームのみを通過さ
せることができる。

【００２９】ビーム成形開口１２３の下方には、ブラン
キング偏向器やブランキング開口（共に図示せず）、照
明ビーム偏向器１２４等が配置されている。転写マスク
１２６へ照明ビームを照射する必要が無い場合、ブラン
キング偏向器は、照明ビームを偏向させてブランキング
開口の非開口部に当て、照明ビームが転写マスク１２６
に当たらないようにする。照明ビーム偏向器１２４は、
主に照明ビームを図４のＸ方向に順次走査して、照明光
学系の視野内にある転写マスク１２６の各サブフィール
ドの照明を行う。

【００３０】また、ビーム成形開口１２３の下方には、
照明レンズ１２５が配置されている。このレンズ１２５
は、電子線を平行ビーム化して転写マスク１２６に当
て、転写マスク１２６上にビーム成形開口１２３を結像
させる。

【００３１】転写マスク１２６は、本発明による転写マ
スクであり、光軸垂直面内（Ｘ−Ｙ面内）に広がってお
り、前述したように多数のサブフィールドを有する。転
写マスク１２６上には、全体として一個の半導体デバイ
スチップをなすパターン（チップパターン）が形成され
ている。

【００３２】転写マスク１２６の周辺部は、ＸＹ方向に
移動可能な転写マスクステージ１２７上に保持されてい
る。照明光学系の視野を越えて各サブフィールドを照明
するためには、転写マスク１２６を機械的に移動させ
る。なお、照明光学系の視野内で各サブフィールドを照
明するため、上述のように偏向器１２４で電子線を偏向
することができる。

【００３３】転写マスク１２６の下方には投影レンズ１
２８及び１３３、偏向器１２９等が設けられている。そ
して、転写マスク１２６のあるサブフィールドに照明ビ
ームが当てられ、転写マスク１２６のパターン部を通過
した電子線は、投影レンズ１２８及び１３３によって縮
小されるとともに、各レンズ及び偏向器１２９により偏
向されて感応基板１７の処理面１７Ａ（上面）の所定位
置に結像される。この面１７Ａ上には、適当なレジスト
（図示せず）が塗布されており、このレジストに電子ビ
ームのドーズが与えられ、転写マスク１２６上のパター
ンが縮小されて感応基板１７上に転写される。

【００３４】以上の荷電粒子線露光方法により、パター
ンの反りやパターン変形が抑制された転写マスクを用い
て、所望のパターンを感応基板上に転写することができ
た。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる転
写マスクブランクスによれば、シリコンメンブレンの応
力を制御するための不純物としてリンを使用したので、
不純物濃度の変化に対するシリコンメンブレンの応力の
変化量が小さくなり、応力を容易に適当な値にすること
ができる。

【００３６】また、シリコンメンブレン中のリン濃度の
平均値を５×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ ³から１×１０²⁰ａ
ｔｏｍ／ｃｍ³の範囲に設定したので、シリコンメンブ
レンの引っ張り応力が低く抑制され、シリコンメンブレ
ンに感応基板へ転写すべきパターンを形成した後におい
ても、面内でのパターンの変形を最低限に抑制すること
を可能とする。

【００３７】さらに、深さ方向に対してリン濃度の均一
性を２０％以内の範囲内にしたので、シリコンメンブレ
ンの深さ方向の引っ張り応力強度の不均一な分布が抑制
されるために、メンブレンの反りが生じず、シリコンメ
ンブレンに感応基板へ転写すべきパターンを形成した後
においてもパターンの反りを抑制することができる。

【００３８】つまり、深さ方向への応力の不均一分布に
よるパターンの反りや、高い引っ張り応力によるパター
ンの変形などが抑制された結果、集積回路の超微細化に
伴う、１０数ｎｍ程度のパターン精度、位置歪み精度の
要求を満たす、転写マスクブランクスおよび転写マスク
を提供することを可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の転写マスクブランクスのシ
リコンメンブレン中の深さ方向に対するリンの濃度分布
を示す図である。

【図２】転写マスクブランクスのシリコンメンブレン中
に、本発明によるリンまたは従来技術のボロンを不純物
として拡散させ、その不純物濃度に対する応力を示した
図である。

【図３】従来技術によって作製した転写マスクブランク
スのシリコンメンブレン中の深さ方向に対するリンの濃
度分布を示す図である。

【図４】本発明の荷電粒子線露光方法を実施する荷電粒
子線露光装置の一種である電子線露光装置の概略図であ
る。

【図５】従来の転写マスクブランクスおよび転写マスク
の作製方法を説明する図である。

【符号の説明】

１・・・シリコン支持基板２・・・シリコン活性層３・・・酸化シリコン層５・・・レジスト６・・・サブフィールドに対応する部分７・・・ストラット８・・・パターン開口１７・・・感応基板１７Ａ・・・処理面１２１・・・電子銃１２２・・・コンデンサレンズ系１２３・・・ビーム成形開口１２４・・・照明ビーム偏向器１２５・・・照明レンズ１２６・・・転写マスク１２７・・・転写マスクステージ１２８、１３３・・・投影レンズ１２９・・・偏向器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ストラットを有する支持基板と、パターンが形成されるシリコンメンブレンと、前記支持基板と前記シリコンメンブレンの間に酸化シリ
コン層を有する転写マスクブランクスであって、前記シリコンメンブレン内のリン濃度の平均値が、５×
１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ ³から１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｍ³
の間にあり、かつ前記シリコンメンブレン内のリン濃度
の均一性が２０％以内であることを特徴とする転写マス
クブランクス。
【請求項２】ストラットを有する支持基板と、感応基板に転写すべきパターンが形成されたシリコンメ
ンブレンと、前記支持基板と前記シリコンメンブレンの間に酸化シリ
コン層を有する転写マスクであって、前記シリコンメンブレン内のリン濃度の平均値が、５×
１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ ³から１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｍ³
の間にあり、かつ前記シリコンメンブレン内のリン濃度
の均一性が２０％以内であることを特徴とする転写マス
ク。
【請求項３】前記酸化シリコン層の厚さが１μｍから
２μｍの間にあることを特徴とする請求項１に記載の転
写マスクブランクス。
【請求項４】前記酸化シリコン層の厚さが１μｍから
２μｍの間にあることを特徴とする請求項２に記載の転
写マスク。
【請求項５】荷電粒子線源から発生する荷電粒子線を
所定のパターンを有する転写マスク上に照射し、前記パ
ターンの像を感応基板上に投影結像する荷電粒子線露光
方法であって；前記転写マスクは、ストラットを有する支持基板と、感応基板に転写すべきパターンが形成されたシリコンメ
ンブレンと、前記支持基板と前記シリコンメンブレンの間に酸化シリ
コン層を有し、前記シリコンメンブレン内のリン濃度の平均値が、５×
１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ ³から１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｍ³
の間にあり、かつ前記シリコンメンブレン内のリン濃度
の均一性が２０％以内であることを特徴とする荷電粒子
線露光方法。