JP2003188092A - マスクおよびその製造方法と半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】応力制御されたパターン精度の高いマスクおよ
びその製造方法と、微細パターンを高精度に転写できる
半導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】所定のパターンで孔１２を有する薄膜の初
期内部応力分布を、薄膜の材質、膜厚分布およびパター
ンのデータから計算する工程と、応力が平衡となるため
に計算点が移動する第１の変位量を計算する工程と、荷
電粒子線を遮断するダミー孔１３をダミーパターンで付
加したとき、応力が平衡となるために計算点が移動する
第２の変位量を計算する工程と、第２の変位量が許容範
囲となるダミーパターンを決定する工程と、所定の入射
角範囲の荷電粒子線が透過する孔を、薄膜に形成する工
程と、薄膜を孔と異なる角度で貫通するダミー孔を、決
定されたダミーパターンで形成する工程とを有するマス
クの製造方法、それにより作製されるマスク、およびそ
のようなマスクを用いる半導体装置の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リソグラフィー等
に用いられるマスクおよびその製造方法と、半導体装置
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣやＬＳＩ等の半導体装置の製造工程
の一つに、半導体基板上に微細な回路パターンを形成す
るリソグラフィー工程がある。半導体装置の性能は、装
置内にどれだけ多くの回路を設けたかによってほぼ決定
される。半導体装置の集積度は、基板上に形成される回
路パターンサイズに大きく左右される。近年、半導体装
置の微細化および高集積化が著しく進んでいる。

【０００３】半導体基板上に集積回路パターンを形成す
る方法としては、これまで紫外光を用いたフォトリソグ
ラフィー法が一般的であった。しかしながら、回路パタ
ーンの微細化が進むにつれて光の解像限界が懸念され始
め、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子ビームやＸ
線を用いた、より高解像度のリソグラフィー技術が検討
されている。

【０００４】例えば、荷電粒子ビームを用いた露光技術
によれば、ビーム径をｎｍオーダーに絞ることが可能で
あり、１００ｎｍ以下の微細パターンを容易に形成でき
る。なかでも電子線描画技術は比較的古くから実用化さ
れている。しかしながら、このように極めて細く絞った
電子ビームを走査して描画する直接描画法により、大面
積あるいは大きなパターンを形成するには、膨大な時間
を必要とする。したがって、単位時間当たりの処理量
（スループット）が低いという問題があった。

【０００５】そのため、半導体集積回路の製造における
リソグラフィー方法としては、依然として紫外光を光源
としたフォトリソグラフィー法が用いられることが多
い。電子線直接描画法は、フォトリソグラフィー用レチ
クル（マスク）の製造や、フォトリソグラフィーではデ
ザインルールを満たすのが難しいような次世代デバイス
の試作等、スループットの低さが比較的問題となりにく
い、限定された用途に使用されていた。

【０００６】スループットが低いという問題を解決する
ため、それまでのようにガウシアン形状の電子ビームで
直接描画するのではなく、可変成形した電子ビームを用
いて所定のパターンを描画する方法が１９８０年代に出
現した。さらに、１９９０年代にはブロック露光やセル
プロジェクション方式と呼ばれる、部分一括パターンを
縮小してウェハ上に描画するリソグラフィー技術が出現
した（サイエンスフォーラムより1994年11月刊「ＵＬＳ
Ｉリソグラフィ技術の革新」p.177)。

【０００７】これらの技術進歩により、電子線直接描画
のスループットは飛躍的に向上している。さらに、ルー
セント・テクノロジー等が開発したＳＣＡＬＰＥＬ（sc
attering with angular limitation in projection ele
ctron-beam lithography／S.T. Stanton他 Proceeding
s of SPIE 3676 p.194 (1999）参照）や、ＩＢＭがニコ
ンと共同で開発しているＰＲＥＶＡＩＬ（projection e
xposure with variable axis immersion lenses/A High
-Throughput Electron Beam Approach to 'Suboptical'
Lithography, Hans C. Pfeiffer, JJAP Vol. 34 (199
5) p.6658-6662参照）等の電子線縮小描画（電子線リソ
グラフィー）によれば、さらにスループットを上げるこ
とも可能である。

【０００８】しかしながら、これらの電子線縮小描画に
おいては、電子ビームを収束させて鮮明な像を形成する
ために、電子ビームのエネルギーを高くする必要があ
る。ブロック露光やセルプロジェクション方式での電子
ビームのエネルギーは５０ｋｅＶが一般的であったが、
電子線縮小描画では電子ビームのエネルギーが１００ｋ
ｅＶとなる。このような高エネルギーでは電子線光学系
を制御するための機構も大がかりとなる。したがって、
装置のコストも増大する。

【０００９】また、高エネルギー電子線の場合、電子が
レジスト内でエネルギーをほとんど放出しないままレジ
ストを通過するため、電子数当たりのレジスト感度が小
さくなる。したがって、同じ感度のレジストを用いる場
合には、電子ビームのエネルギーが高いほど、必要とさ
れる電子ビーム電流量は大きくなり、ビーム内の電子密
度が高くなる。

【００１０】ビーム内の電子密度がより高くなると、ビ
ームの焦点がぼけ、パターン解像度が低下する問題が起
こる。また、電子ビームを用いる描画では、下側の基板
からレジストへの後方散乱の結果、形成されるパターン
が歪むという問題（近接効果）がある。電子ビーム電流
量が大きくなるほど、近接効果の影響は大きくなる。

【００１１】さらに、電子ビーム電流量が高くなるほ
ど、マスク、レジストおよび基板が加熱されやすくな
り、形成されるパターンの歪みが大きくなる。したがっ
て、パターンに要求される精度を維持するためには、電
子ビーム電流量を制限する必要があり、スループットは
低下する。

【００１２】スループットに影響を与えずに、近接効果
を抑制するため、低エネルギーの電子ビームによりパタ
ーンを形成する露光方法が開発された。低エネルギーの
電子ビームを用いると、近接効果が実質的に減少するこ
とが報告されている（’Lowvoltage alternative for e
lectron beam lithography' J. Vac. Sci. Technol.B 1
0(6), Nov/Dec (1992) p.3094-3098) 。

【００１３】低エネルギーの電子ビームを用いたリソグ
ラフィー技術として、特許第２９５１９４７号に開示さ
れた技術を利用したＬＥＥＰＬ（low energy E-beam pr
oximity projection lithography）の開発が進められて
いる。ＬＥＥＰＬで用いられる電子ビームのエネルギー
は約１〜４ｋｅＶ、好適には約２ｋｅＶである。ＬＥＥ
ＰＬにおいて、マスクはレジストで被覆されたウェハか
ら約５０μｍ離れた位置に配置される。

【００１４】ＬＥＥＰＬは等倍近接露光であり、ウェハ
に例えば線幅１００ｎｍ以下の微細パターンを形成する
ためには、マスクにも１００ｎｍ以下のパターンを形成
する必要がある。高エネルギーの電子ビームを用いるリ
ソグラフィーの場合には、薄膜（メンブレン）上の一部
に電子ビームを散乱する重金属部分を設け、メンブレン
を透過する電子ビームによりパターンを転写することも
可能である。

【００１５】しかしながら、ＬＥＥＰＬの場合は電子ビ
ームのエネルギーが低く、電子がメンブレンを透過しな
いため、メンブレンに孔を設けたステンシルマスクが用
いられる。電子ビームは孔部分のみ透過して、パターン
が転写される。ＬＥＥＰＬ用ステンシルマスクに例えば
１００ｎｍ以下の微細パターンを高精度に形成するに
は、孔のアスペクト比は低いことが好ましい。したがっ
て、メンブレンを薄くすることが要求される。

【００１６】例えば、セルプロジェクション方式で５０
ｋｅＶの電子ビームを用いる電子線描画装置（日立製HL
900D）の場合、マスクのメンブレン厚は一般に１０μｍ
である。それに対し、ＬＥＥＰＬに用いられるマスクの
メンブレン厚は１／１０以下の５００ｎｍ程度である。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記のＬＥＥＰＬ用マ
スクのような薄いマスクは、孔の形成によりメンブレン
内の応力が変化し、マスクが変形し易い。マスクが変形
すると、ウェハ上に転写される回路パターンに変形や位
置ずれが生じる。特に、マスク中の開口パターンのコー
ナーが角の場合は、角に応力が集中して開口パターンが
変形する。

【００１８】これにより、ウェハ上に形成される回路パ
ターンが本来の所望のパターンから変形し、最終的に得
られる半導体装置の性能や信頼性が悪化する。場合によ
っては、マスク中の開口パターンの角部分から亀裂が生
じ、マスクが使用不可能となることもある。また、マス
クの開口パターンが長いライン状の場合は、メンブレン
内の応力の不均一が影響してパターンが変形し、例えば
ラインの中央付近でライン幅が変化することがある。

【００１９】本発明は上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、したがって本発明は、パターン変位を低減で
きるマスクおよびその製造方法を提供することを目的と
する。また、本発明は微細パターンを高精度に転写でき
る半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のマスクは、薄膜と、前記薄膜に形成された
孔であって、前記薄膜に対し所定の入射角範囲で入射す
る荷電粒子線が透過する前記孔と、前記薄膜を前記孔と
異なる角度で貫通し、前記薄膜に対し前記入射角範囲で
入射する荷電粒子線を遮断するダミー孔とを有し、前記
ダミー孔は、前記薄膜の内部応力による前記孔の変位を
小さくするように、前記薄膜に配置されていることを特
徴とする。

【００２１】あるいは、本発明のマスクは、第１の薄膜
と、前記第１の薄膜に形成された、荷電粒子線が透過す
る第１の孔であって、所望の転写パターンの一部が拡張
された形状を有する前記第１の孔と、前記第１の薄膜に
重ねられた第２の薄膜と、前記第２の薄膜に形成され
た、荷電粒子線が透過する第２の孔であって、前記転写
パターンの他の一部が拡張され、前記第１の孔との重な
り部分が前記転写パターンに一致する形状を有する前記
第２の孔と、前記第１の薄膜に前記第１の孔と離れて、
かつ前記第２の孔と重ならないように形成された第１の
ダミー孔とを有し、前記第１のダミー孔は、前記第１の
薄膜の内部応力による前記第１の孔の変位を小さくする
ように、前記第１の薄膜に配置されていることを特徴と
する。

【００２２】これにより、薄膜の内部応力に起因する孔
の位置ずれや歪みが低減され、マスクのパターン精度が
向上する。また、局所的な応力集中に起因する亀裂が、
薄膜に発生しにくくなり、マスクの機械的強度も向上す
る。

【００２３】上記の目的を達成するため、本発明のマス
クの製造方法は、所定のパターンで孔を有する薄膜の初
期内部応力分布を、少なくとも前記薄膜の材質、膜厚分
布および前記パターンのデータを用いて計算する工程
と、前記薄膜の内部応力が力学的平衡状態をとるために
前記薄膜上の複数の計算点が移動する第１の変位量を計
算する工程と、前記薄膜に荷電粒子線が透過しないダミ
ー孔をダミーパターンで付加したとき、前記薄膜の内部
応力が力学的平衡状態をとるために前記計算点が移動す
る第２の変位量を計算する工程と、前記第２の変位量の
最大値が許容範囲となるダミーパターンを決定する工程
と、前記薄膜に対し所定の入射角範囲で入射する荷電粒
子線が透過する前記孔を、前記薄膜に形成する工程と、
前記薄膜を前記孔と異なる角度で貫通し、前記薄膜に対
し前記入射角範囲で入射する荷電粒子線を遮断する前記
ダミー孔を、決定されたダミーパターンで前記薄膜に形
成する工程とを有することを特徴とする。

【００２４】あるいは、上記の目的を達成するため、本
発明のマスクの製造方法は、所定の転写パターンの一部
が拡張された第１のパターンで第１の孔を有する第１の
薄膜の初期内部応力分布を、少なくとも前記第１の薄膜
の材質、膜厚分布および前記第１のパターンのデータを
用いて計算する工程と、前記薄膜の内部応力が力学的平
衡状態をとるために前記薄膜上の複数の計算点が移動す
る第１の変位量を計算する工程と、前記第１の薄膜にダ
ミーパターンでダミー孔を付加したとき、前記第１の薄
膜の内部応力が力学的平衡状態をとるために前記計算点
が移動する第２の変位量を計算する工程と、前記第２の
変位量の最大値が許容範囲となるダミーパターンを決定
する工程と、前記転写パターンの他の一部を拡張し、前
記第１のパターンと重ね合わせたときの重なり部分が前
記転写パターンに一致する第２のパターンを作成する工
程と、前記第１の薄膜に、荷電粒子線が透過する前記第
１の孔を前記第１のパターンで形成し、決定されたダミ
ーパターンで前記ダミー孔を形成する工程と、前記第１
の薄膜に重ねられる第２の薄膜に、荷電粒子線が透過す
る第２の孔を前記第２のパターンで形成する工程とを有
することを特徴とする。

【００２５】これにより、薄膜に孔を形成することによ
る局所的な応力集中が緩和され、孔の位置ずれや歪みを
低減することが可能となる。また、応力集中により薄膜
に亀裂が発生するのも防止される。本発明のマスクの製
造方法によれば、パターン精度が高いマスクを製造でき
る。また、マスクの破損も防止されるため、マスクの歩
留りが向上する。

【００２６】さらに、上記の目的を達成するため、本発
明の半導体装置の製造方法は、感光面にマスクを介して
荷電粒子線を露光する工程を有する半導体装置の製造方
法であって、前記マスクとして、薄膜と、前記薄膜に所
定のパターンで形成された孔であって、前記薄膜に対し
所定の入射角範囲で入射する荷電粒子線が透過する前記
孔と、前記薄膜を前記孔と異なる角度で貫通し、前記薄
膜に対し前記入射角範囲で入射する荷電粒子線を遮断す
るダミー孔とを有し、前記ダミー孔は、前記薄膜の内部
応力による前記孔の変位を小さくするように、前記薄膜
に配置されているマスクを用いることを特徴とする。

【００２７】あるいは、本発明の半導体装置の製造方法
は、感光面にマスクを介して荷電粒子線を露光する工程
を有する半導体装置の製造方法であって、前記マスクと
して、第１の薄膜と、前記第１の薄膜に形成された、荷
電粒子線が透過する第１の孔であって、所望の転写パタ
ーンの一部が拡張された形状を有する前記第１の孔と、
前記第１の薄膜に重ねられた第２の薄膜と、前記第２の
薄膜に形成された、荷電粒子線が透過する第２の孔であ
って、前記転写パターンの他の一部が拡張され、前記第
１の孔との重なり部分が前記転写パターンに一致する形
状を有する前記第２の孔と、前記第１の薄膜に前記第１
の孔と離れて、かつ前記第２の孔と重ならないように形
成された第１のダミー孔とを有し、前記第１のダミー孔
は、前記第１の薄膜の内部応力による前記第１の孔の変
位を小さくするように、前記第１の薄膜に配置されてい
るマスクを用いることを特徴とする。

【００２８】これにより、リソグラフィー工程において
マスクのパターン変位が低減され、微細パターンが高精
度に転写される。したがって、半導体装置をより高集積
化できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のマスクおよびそ
の製造方法と半導体装置の製造方法の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。以下、本発明をリソグラ
フィー技術の一つであるＬＥＥＰＬに適用した例で説明
する。

【００３０】（実施形態１）図１はＬＥＥＰＬに用いる
露光システムの概略図である。この露光システム１にお
いて、電子ビーム２は電子銃３から出射される。露光シ
ステム１は電子銃３の他、コンデンサレンズ４、アパー
チャー５、一対のメインデフレクター６、７、一対の微
調整用デフレクター８、９を有する。

【００３１】コンデンサレンズ４は電子ビーム２を平行
なビームにする。アパーチャー５はステンシルマスク１
０に向かう電子ビーム２を制限する。メインデフレクタ
ー６、７は電子ビーム２が平行なままステンシルマスク
１０に垂直に入射するように、電子ビーム２を偏向させ
る。

【００３２】電子ビーム２はラスターまたはベクトル走
査モードのいずれかでステンシルマスク１０に入射する
が、いずれの場合も電子ビーム２の偏向にメインデフレ
クター６、７が用いられる。微調整用デフレクター８、
９はメインデフレクター６、７によって偏向された電子
ビーム２をさらに微調整する。

【００３３】ＬＥＥＰＬに用いられるステンシルマスク
１０の厚さｄ₁ は約５００ｎｍであるが、マスク材料に
応じて変更することもできる。ステンシルマスク１０の
材料としては、例えば石英やダイヤモンド、ダイヤモン
ドライクカーボン（ＤＬＣ）等が用いられる。あるい
は、既存の半導体プロセスを比較的容易に適用できる単
結晶シリコンを、ステンシルマスク１０の材料として用
いることもできる。

【００３４】ステンシルマスク１０とウェハ１１との距
離ｄ₂ は約５０μｍである。ステンシルマスク１０には
所定のパターンで孔１２が形成されている。電子ビーム
２が孔１２を透過することにより、ステンシルマスク１
０に形成されたパターンが、ウェハ１１上に等倍で転写
される。

【００３５】図２（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の
マスクを説明するための図であり、半導体装置の回路パ
ターン形成用の孔の最も単純な例を示す。図２（ａ）に
示すように、メンブレン１４に矩形の角部を丸めた形状
で孔１２が形成されている。孔１２から十分に離れた箇
所では、複数の平行な矢印Ｆで模式的に示したように、
孔１２の両側で孔１２から遠ざかる方向に一様に引っ張
り応力Ｆがかかると見なせる。

【００３６】引っ張り応力Ｆは、孔１２部分では応力を
伝える媒質がないため、孔１２を回避するように、孔１
２の長手方向の端部において応力の集中が起こる。図２
（ａ）の例では、孔１２の両端のＡ点に最も応力が集中
する。この応力集中により、孔１２が変形したり、最悪
の場合はＡ点を起点としてメンブレン１４に亀裂が発生
したりする。

【００３７】そこで、本実施形態のマスクによれば、図
２（ｂ）に示すように、回路パターン形成用の孔１２の
両側のメンブレン１１に、応力集中を緩和するためのダ
ミー孔１３を形成する。図２（ａ）の場合と同様に、孔
１２およびダミー孔１３から十分に離れた箇所では、複
数の平行な矢印Ｆで模式的に示したように、これらの孔
１２、１３から遠ざかる方向に一様に引っ張り応力Ｆが
かかると見なせる。

【００３８】孔１２およびダミー孔１３部分では応力を
伝える媒質がないため、孔１２およびダミー孔１３を回
避するように、孔１２の長手方向の両端部Ａおよびダミ
ー孔１３の長手方向の両端部Ｂで応力の集中が起こる。
図２（ｂ）の場合、応力集中がＡ点とＢ点の両方に分散
する。これにより、図２（ａ）に示す場合と比較して、
Ａ点での応力集中が緩和される。

【００３９】図２では、本実施形態のマスクによる応力
緩和を説明するため、最も単純なパターンの例を示し
た。次に、より複雑な実際の回路パターン用の孔につい
て、ダミー孔の形状および位置を設計する方法を説明す
る。任意の初期内部応力分布σに対して、孔を設けたと
きのマスクの面内変位が計算できる（例えば、M. Oda e
t al., Jpn. J. Appl. Phys. 31, 4189 (1992)参照）。

【００４０】メンブレンをＸ−Ｙ平面とみなした場合、
初期内部応力分布σ（ｘ，ｙ）は孔部分においてゼロと
なり、孔以外のメンブレン部分においては、ある内部応
力値σ₀ をもつ。この内部応力値σ₀ はダミー孔を設け
ることにより変化する。したがって、ダミー孔の形状お
よび位置を適切に設定することにより、マスク内の特定
の箇所の応力集中を緩和させることも可能である。

【００４１】内部応力値σ₀ はメンブレンの組成や合成
法だけでなく、膜厚分布にも依存するため、一般に定数
ではなく、メンブレン上での位置（ｘ，ｙ）に依存した
関数である。メンブレンの内部応力分布σ₀ （ｘ，ｙ）
は、マスクブランクスの反りをレーザー干渉計や静電容
量センサーで計測することにより、実験的に決定できる
（M. Oda et al., Jpn. J. Appl. Phys. 34, 6729 (199
5)）。ステンシルマスクの場合、孔の箇所の応力はゼロ
になるため、初期内部応力分布σ（ｘ，ｙ）は次式
（Ｉ）で表される。

【００４２】

【数１】

【００４３】初期内部応力分布σ（ｘ，ｙ）を与えられ
たマスクは、応力のバランスをとるために変形して力学
的平衡状態に至る。メンブレンの各位置でのｘ、ｙ方向
の変位をそれぞれｕ（ｘ，ｙ）、ｖ（ｘ，ｙ）とする
と、これらの変位量は文献に記載された偏微分方程式を
解くことにより計算できる（M. Oda et al., Jpn. J. A
ppl. Phys. 31, 4189 (1992)：式（１）および
（２））。この偏微分方程式自体は弾性力学の教科書に
記述されている周知のものである。応力制御していない
メンブレンのパターン変位ｕ（ｘ，ｙ）、ｖ（ｘ，ｙ）
は許容できないほど大きい。

【００４４】本実施形態においては、ダミー孔の形成に
よりメンブレンの初期内部応力を変化させ、変位量を最
小化する。ダミー孔のパターン（ダミーパターン）を変
化させて、初期内部応力分布σ（ｘ，ｙ）と力学的平衡
状態での変位量ｕ（ｘ，ｙ）、ｖ（ｘ，ｙ）をシミュレ
ーション計算する。変位量ｕ（ｘ，ｙ）、ｖ（ｘ，ｙ）
が許容範囲であれば、そのダミーパターンを回路パター
ンに追加して応力制御を行う。これにより、メンブレン
の内部応力に起因するパターン歪みを低減できる。

【００４５】以上の手順を、図３のフローチャートに示
した。図３に示すように、ステップ１（ＳＴ１）では回
路パターンにダミーパターンＤ_i を付加したときの初期
内部応力分布σ（ｘ，ｙ）の変化を計算する。ここで、
ｉは０以上の任意の整数であり、ｉ＝０のときはダミー
パターンを付加しない場合に対応する。ダミーパターン
を付加したときの初期内部応力分布σ_i は、次式（II）
で表される。

【００４６】

【数２】

【００４７】ステップ２（ＳＴ２）では、ＳＴ１で得ら
れた初期内部応力分布σ_i が力学的平衡状態となるため
のパターン変位を計算する。メンブレンの各位置での
ｘ、ｙ方向の変位ｕ（ｘ，ｙ）、ｖ（ｘ，ｙ）がシミュ
レーションにより求められる。

【００４８】ステップ３（ＳＴ３）では、ダミーパター
ンＤ_i を付加したときの力学的平衡状態に至るまでの変
位量ｕ、ｖが許容範囲かどうか判断する。この判断は、
変位量ｕ、ｖの最大値が許容範囲かどうかに基づいて行
う。例えば、ゲートパターンのように最も細い線幅で形
成されるパターンに対し、線幅の最大変位量が許容範囲
かどうか判断する。例えば、設計線幅を５０ｎｍとし、
許容範囲をその±１０％とすると、変位後の線幅が５３
ｎｍであれば許容されるが、５６ｎｍであれば許容され
ない。また、パターン精度の尺度として、次式（III)で
表される信頼度因子Ｒを定義する。

【００４９】

【数３】

【００５０】ここで、Ｎは計算点数であり、ｕ_i 、ｖ_i
は各計算点での変位量である。Ｒはマスク変位の平均値
である。平均値Ｒだけでなく、ｕ_i 、ｖ_i の分散もパタ
ーン精度の尺度として併用し、特定の点で許容できない
大きな変位が起こらないように監視してもよい。計算点
数Ｎは要求される精度と計算時間とのバランスを考慮し
て決定すればよい。許容範囲は、Ｒが極小となる初期内
部応力分布（最適初期内部応力分布）を含む範囲で適宜
設定する。

【００５１】パターン変位が許容範囲であれば、次のス
テップ４（ＳＴ４）に進み、そのダミーパターンＤ_i を
回路パターンに付加する。ステップ３で許容範囲となら
なかった場合は、ダミーパターンを変更して、ステップ
１以降を繰り返す。以上のようにして、パターン変位が
許容範囲となるまで、計算と判断を繰り返す。

【００５２】上記のダミーパターンを形成することによ
り、パターンの変形は抑制されるが、ダミーパターンは
本来の回路パターン以外のパターンである。したがっ
て、ダミーパターンが所望の回路パターンとともにウェ
ハ上のレジストに転写されるのは防ぐ必要がある。

【００５３】これを防ぐには、例えば、図４（ａ）およ
び（ｂ）に示すように、メンブレン１４の表面に対する
角度を回路パターン用の孔１２とダミー孔１３とで変化
させればよい。図４（ａ）は図２（ｂ）に示すメンブレ
ン１４を、孔１２およびダミー孔１３を横切るように中
央で分割したときの斜視図である。図４（ｂ）は図４
（ａ）の楕円Ａで囲まれた部分の断面図である。

【００５４】図４（ａ）および（ｂ）に示すように、回
路パターン描画用の孔１２はメンブレンの表面に対して
ほぼ垂直な方向に形成されている。したがって、孔１２
の側壁は露光用の荷電粒子ビーム（ＬＥＥＰＬでは電子
ビームＢ）の径路とほぼ平行である。

【００５５】一方、ダミー孔１３はメンブレンの表面に
対して傾くように形成される。ダミー孔１３の方向とメ
ンブレンの法線方向とのなす角度θが所定の角度より大
きいとき、電子ビームＢはダミー孔１３で遮られ、メン
ブレン１１を透過しない。したがって、電子ビームＢは
孔１２のみを選択的に透過し、回路パターンのみが露光
される。ダミー孔１３の側壁の対向する部分が平行であ
ると仮定し、メンブレン厚をｔ、メンブレン表面に平行
な方向におけるダミー孔１３の径をｄとすると、上記の
角度θがａｒｃｔａｎ（ｄ／ｔ）より大きくなるように
すればよい。

【００５６】図５（ａ）は、図４に示すようなメンブレ
ンを含むステンシルマスクの断面図である。図５（ａ）
に示すように、ステンシルマスク２１のメンブレン１４
には、回路パターン用の孔１２とダミー孔１３とが一定
の角度をなすように形成されている。

【００５７】メンブレン１４の周囲には、メンブレン１
４を支持するための支持枠（フレーム）２２が形成され
ている。フレーム２２とメンブレン１４との間のシリコ
ン酸化膜２３は、ステンシルマスク２１の作製過程でエ
ッチングストッパー層あるいはメンブレン１４を補強す
るための層として用いられる。

【００５８】上記のステンシルマスク２１は、例えば、
図５（ｂ）に示すＳＯＩ（siliconon insulatorまたはs
emiconductor on insulator）ウェハ２４を用いて作製
できる。ＳＯＩウェハ２４はシリコンウェハ２５上にシ
リコン酸化膜２３を介して、メンブレン１４としてのシ
リコン層を有する。図５（ａ）のフレーム２２はシリコ
ンウェハ２５にエッチングを行って形成される。

【００５９】次に、図５（ｃ）に示すように、ＳＯＩウ
ェハ２４の表面にシリコン窒化膜２６を、例えば化学気
相成長（ＣＶＤ；chemical vapor deposition)により形
成する。シリコン窒化膜２６はシリコンウェハ２５にエ
ッチングを行うためのエッチングマスクとして用いられ
る。また、シリコン窒化膜２６はシリコンウェハ２５に
エッチングを行う際に、メンブレン１４の保護膜として
も用いられる。シリコン窒化膜２６は、他の材料からな
る層に変更することもできる。

【００６０】次に、図６（ｄ）に示すように、シリコン
ウェハ２５の裏面側に形成されたシリコン窒化膜２６
を、フレーム２２（図５（ａ）参照）のパターンに加工
する。この工程では、リソグラフィーによりレジストを
形成してから、レジストをマスクとしてドライエッチン
グを行う。

【００６１】次に、図６（ｅ）に示すように、シリコン
窒化膜２６をマスクとしてシリコンウェハ２５にエッチ
ングを行い、フレーム２２を形成する。このエッチング
は、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）あるいはテトラメ
チルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）を含む溶液
を用いたウェットエッチングとする。あるいは、ドライ
エッチングによりフレーム２２を形成してもよい。

【００６２】次に、図６（ｆ）に示すように、メンブレ
ン１４上のシリコン窒化膜２６を、例えばドライエッチ
ングにより除去する。次に、図７（ｇ）に示すように、
メンブレン１４上にレジスト２７を塗布し、レジスト２
７に回路パターンを転写する。

【００６３】次に、図７（ｈ）に示すように、レジスト
２７をマスクとしてメンブレン１４にドライエッチング
を行い、回路パターン用の孔１２を形成する。このエッ
チングには例えば塩素系ガス等のハロゲンガスを用いる
ことができる。その後、レジスト２７を除去する。

【００６４】次に、図７（ｉ）に示すように、メンブレ
ン１４上にレジスト２８を塗布してから、フレーム２２
を傾斜させて露光および現像を行い、ダミーパターンを
レジスト２８に転写する。したがって、レジスト２８の
断面はメンブレン１４の表面に対して垂直とならず、傾
斜した状態となる。

【００６５】次に、図８（ｊ）に示すように、レジスト
２８をマスクとしてメンブレン１４にドライエッチング
を行う。このとき、フレーム２２を傾斜させる角度は、
レジスト２８に露光を行うとき（図７（ｉ）参照）と同
じにする。これにより、回路パターン用の孔１２と平行
でないダミー孔１３が形成される。このエッチングには
例えば塩素系ガス等のハロゲンガスを用いることができ
る。ダミー孔１３の形成後、レジスト２８を除去する。
その後、フレーム２２をマスクとしてシリコン酸化膜２
３にエッチングを行うことにより、図５（ａ）に示すス
テンシルマスク２１が得られる。

【００６６】あるいは、図８（ｊ）に示す工程で、メン
ブレン１４に孔１２とダミー孔１３が形成された後、フ
レーム２２が形成されていない部分のシリコン酸化膜２
３をすべて除去するかわりに、孔１２およびダミー孔１
３部分のシリコン酸化膜２３のみ選択的に除去してもよ
い。

【００６７】この場合、図８（ｊ）に示す工程後、例え
ばＨ₂ とＣＦ_x の混合ガスを用いてシリコン酸化膜２３
に開口部を形成する。孔１２直下のシリコン酸化膜２３
に開口部を形成する工程では、メンブレン１４の表面を
水平にする。これにより、孔１２直下のシリコン酸化膜
２３には孔１２に連続し、かつメンブレン１４の表面に
対して垂直な開口部が形成される。

【００６８】一方、ダミー孔１３直下のシリコン酸化膜
２３に開口部を形成する工程では、図８（ｊ）に示す工
程と同様にフレーム２２を傾斜させる。これにより、ダ
ミー孔１３に連続し、かつダミー孔１３と同じ方向に延
びる開口部をシリコン酸化膜２３に形成できる。

【００６９】あるいは、例えばメンブレン厚が５００ｎ
ｍで、シリコン酸化膜２３の厚さが２０ｎｍというよう
に、メンブレン１４に対してシリコン酸化膜２３が十分
に薄い場合には、図４（ｂ）の角度θを表すａｒｃｔａ
ｎ（ｄ／ｔ）において、メンブレン厚ｔに対するシリコ
ン酸化膜２３の厚さの寄与を無視できる。したがって、
この場合には、ダミー孔１３部分のシリコン酸化膜２３
に開口部を形成する際に、フレーム２２を傾斜させる必
要がない。孔１２部分とダミー孔１３部分のシリコン酸
化膜２３に同一の工程で開口部を形成できる。

【００７０】シリコン酸化膜２３に形成される開口部の
方向を、孔１２とダミー孔１３にそれぞれ合わせ、孔１
２部分とダミー孔１３部分で互いに異なるようにした場
合も、孔１２部分とダミー孔１３部分で揃えた場合も、
シリコン酸化膜２３は電子ビームを遮断しない。したが
って、シリコン酸化膜２３によりメンブレン１４を補強
できる。

【００７１】上記の本実施形態のステンシルマスクによ
れば、メンブレンに孔を設けることによる局所的な応力
集中と、それに起因するパターン変位やメンブレンの破
損を防止できる。本実施形態の半導体装置の製造方法
は、上記の本実施形態のステンシルマスクを用いてＬＥ
ＥＰＬを行う工程を含む。本実施形態の半導体装置の製
造方法によれば、リソグラフィー工程においてマスクの
パターン変位が低減されることから、微細パターンが高
精度に形成される。

【００７２】（実施形態２）本実施形態のステンシルマ
スクは、２枚のステンシルマスクから構成され、これら
のマスクには異なるパターンで孔が形成される。２枚の
ステンシルマスクは重ね合わされ、図１のＬＥＥＰＬ用
露光システムのステンシルマスク１０と同様に配置され
る。２枚のステンシルマスクは互いに接するように重ね
られても、間隔をあけて重ねられても、いずれでもよ
い。

【００７３】図９は本実施形態のステンシルマスクのメ
ンブレン部分を拡大した斜視図である。本実施形態のス
テンシルマスク３１は第１のマスク３２と第２のマスク
３３から構成される。本実施形態のステンシルマスク３
１をＬＥＥＰＬに用いた場合、電子ビームは第１のマス
ク３２の孔と第２のマスク３３の孔とが重なる部分のみ
透過する。これにより、ウェハ上のレジストには合成パ
ターン３４が転写される。

【００７４】合成パターン３４は、所望のデバイスパタ
ーンに対応する。図９の例では、第１のマスク３２には
合成パターン形成用の孔３５とダミー孔３６が形成され
る。一方、第２のマスク３３には合成パターン形成用の
孔３７が形成される。合成パターン３４は一方向に長い
ため、合成パターン３４のみを１枚のステンシルマスク
に形成した場合、メンブレンで局所的な応力集中が起こ
る。

【００７５】これを緩和するため、第１のマスク３２に
は所望の合成パターン３４を長手方向にさらに延ばした
合成パターン形成用の孔３５と、応力集中を緩和するダ
ミー孔３６を形成する。第１のマスク３２におけるダミ
ー孔３６の形状および位置は、実施形態１と同様に決定
できる。

【００７６】一方、第２のマスク３３には、長手方向に
おける端部が合成パターン３４と一致し、かつ長手方向
と直交する方向（幅方向とする。）に拡張された形状
で、合成パターン形成用の孔３７が形成される。合成パ
ターン形成用の孔３７は、合成パターン３４あるいは合
成パターン形成用の孔３５に比較すると、幅方向の長さ
に対する長手方向の長さの比が小さい。

【００７７】これにより、第２のマスク３３では局所的
な応力集中が起こりにくく、ダミー孔は必ずしも設ける
必要がない。但し、第１のマスク３２のダミー孔３６と
重ならなければ、ダミー孔を適宜設けることも可能であ
る。その場合、第２のマスク３３においても、実施形態
１と同様の手順で計算を行い、ダミー孔の形状および位
置を決定する。また、第１のマスク３２と第２のマスク
３３はどちらを電子銃側（あるいはウェハ側）に配置し
てもよい。

【００７８】本実施形態のステンシルマスクのように、
２枚のマスクのパターンが重なる部分のみ電子ビームが
透過する構成の場合、例えばＬ字型パターンのように、
パターン内部に向かって突出する部分を有するパターン
を１対のマスクで転写できない。そのような場合は、所
望のデバイスパターンを相補分割し、さらに別の１対の
マスクに相補パターンを形成する。本実施形態のステン
シルマスクを複数用いて多重露光を行うことにより、任
意の形状のパターンを転写できる。

【００７９】上記の本実施形態のステンシルマスクによ
れば、メンブレンに孔を設けることによる局所的な応力
集中と、それに起因するパターン変位やメンブレンの破
損を防止できる。本実施形態の半導体装置の製造方法
は、上記の本実施形態のステンシルマスクを用いてＬＥ
ＥＰＬを行う工程を含む。本実施形態の半導体装置の製
造方法によれば、リソグラフィー工程においてマスクの
パターン変位が低減されることから、微細パターンが高
精度に形成される。

【００８０】本発明のマスクおよびその製造方法と半導
体装置の製造方法の実施形態は、上記の説明に限定され
ない。例えば、マスクの材料や構成は適宜変更できる。
具体的には、メンブレンにチャージアップを防止するた
めの導電層を設けたり、上記以外の方法でマスクを作製
したりしてもよい。

【００８１】また、上記の実施形態のステンシルマスク
の膜厚等を適宜変更し、ＬＥＥＰＬ以外の電子ビームリ
ソグラフィー、あるいはイオンビームリソグラフィー等
の荷電粒子ビームリソグラフィー等に適用することもで
きる。本実施形態のマスクは、荷電粒子ビームを用いる
リソグラフィー以外の半導体装置製造プロセス、例えば
イオン注入等にも用いることができる。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

【００８２】

【発明の効果】本発明のマスクによれば、応力集中に起
因するパターン変位が低減される。本発明のマスクの製
造方法によれば、応力集中が緩和され、パターン変位が
低減されたマスクを製造することが可能となる。本発明
の半導体装置の製造方法によれば、微細パターンを高精
度に転写できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明のマスクが用いられる露光装置の
概略図である。

【図２】図２は本発明の実施形態１に係り、図２（ａ）
はダミー孔のないマスクの上面図、図２（ｂ）はダミー
孔を有するマスクの上面図である。

【図３】図３は本発明のマスクの製造方法におけるダミ
ー孔の設計手順を示すフローチャートである。

【図４】図４（ａ）は本発明のマスクの斜視図であり、
図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部分の断面図である。

【図５】図５（ａ）は本発明の実施形態１に係るマスク
の断面図であり、図５（ｂ）および（ｃ）は本発明の実
施形態１に係るマスクの製造方法の製造工程を示す断面
図である。

【図６】図６（ｄ）〜（ｆ）は本発明の実施形態１に係
るマスクの製造方法の製造工程を示す断面図である。

【図７】図７（ｇ）〜（ｉ）は本発明の実施形態１に係
るマスクの製造方法の製造工程を示す断面図である。

【図８】図８（ｊ）は本発明の実施形態１に係るマスク
の製造方法の製造工程を示す断面図である。

【図９】図９は本発明の実施形態２に係るマスクの斜視
図と、そのマスクにより転写される合成パターンを示す
図である。

【符号の説明】

１…露光システム、２…電子ビーム、３…電子銃、４…
コンデンサレンズ、５…アパーチャー、６、７…メイン
デフレクター、８、９…微調整用デフレクター、１０…
ステンシルマスク、１１…ウェハ、１２…孔、１３…ダ
ミー孔、１４…メンブレン、２１…ステンシルマスク、
２２…フレーム、２３…シリコン酸化膜、２４…ＳＯＩ
ウェハ、２５…シリコンウェハ、２６…シリコン窒化
膜、２７、２８…レジスト、３１…ステンシルマスク、
３２…第１のマスク、３３…第２のマスク、３４…合成
パターン、３５…孔、３６…ダミー孔、３７…孔。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】薄膜と、 前記薄膜に形成された孔であって、前記薄膜に対し所定
   の入射角範囲で入射する荷電粒子線が透過する前記孔
   と、 前記薄膜を前記孔と異なる角度で貫通し、前記薄膜に対
   し前記入射角範囲で入射する荷電粒子線を遮断するダミ
   ー孔とを有し、 前記ダミー孔は、前記薄膜の内部応力による前記孔の変
   位を小さくするように、前記薄膜に配置されているマス
   ク。
2. 【請求項２】前記入射角範囲は前記薄膜の法線方向を含
   む請求項１記載のマスク。
3. 【請求項３】前記薄膜の一方の面側に、前記薄膜を支持
   する支持部を有する請求項１記載のマスク。
4. 【請求項４】第１の薄膜と、 前記第１の薄膜に形成された、荷電粒子線が透過する第
   １の孔であって、所望の転写パターンの一部が拡張され
   た形状を有する前記第１の孔と、 前記第１の薄膜に重ねられた第２の薄膜と、 前記第２の薄膜に形成された、荷電粒子線が透過する第
   ２の孔であって、前記転写パターンの他の一部が拡張さ
   れ、前記第１の孔との重なり部分が前記転写パターンに
   一致する形状を有する前記第２の孔と、 前記第１の薄膜に前記第１の孔と離れて、かつ前記第２
   の孔と重ならないように形成された第１のダミー孔とを
   有し、 前記第１のダミー孔は、前記第１の薄膜の内部応力によ
   る前記第１の孔の変位を小さくするように、前記第１の
   薄膜に配置されているマスク。
5. 【請求項５】前記第２の薄膜に前記第２の孔と離れて、
   かつ前記第１の孔および第１のダミー孔と重ならないよ
   うに形成された第２のダミー孔をさらに有し、 前記第２のダミー孔は、前記第２の薄膜の内部応力によ
   る前記第２の孔の変位を小さくするように、前記第２の
   薄膜に配置されている請求項３記載のマスク。
6. 【請求項６】前記第１の薄膜と前記第２の薄膜は互いに
   接し、 一方の薄膜の他方と接しない面側に、前記第１の薄膜と
   前記第２の薄膜を支持する支持部を有する請求項４記載
   のマスク。
7. 【請求項７】前記第１の薄膜と前記第２の薄膜は離れて
   おり、 前記第１の薄膜の一方の面側に、前記第１の薄膜を支持
   する支持部を有し、 前記第２の薄膜の一方の面側に、前記第２の薄膜を支持
   する支持部を有する請求項４記載のマスク。
8. 【請求項８】所定のパターンで孔を有する薄膜の初期内
   部応力分布を、少なくとも前記薄膜の材質、膜厚分布お
   よび前記パターンのデータを用いて計算する工程と、 前記薄膜の内部応力が力学的平衡状態をとるために前記
   薄膜上の複数の計算点が移動する第１の変位量を計算す
   る工程と、 前記薄膜に荷電粒子線が透過しないダミー孔をダミーパ
   ターンで付加したとき、前記薄膜の内部応力が力学的平
   衡状態をとるために前記計算点が移動する第２の変位量
   を計算する工程と、 前記第２の変位量の最大値が許容範囲となるダミーパタ
   ーンを決定する工程と、 前記薄膜に対し所定の入射角範囲で入射する荷電粒子線
   が透過する前記孔を、前記薄膜に形成する工程と、 前記薄膜を前記孔と異なる角度で貫通し、前記薄膜に対
   し前記入射角範囲で入射する荷電粒子線を遮断する前記
   ダミー孔を、決定されたダミーパターンで前記薄膜に形
   成する工程とを有するマスクの製造方法。
9. 【請求項９】基材上にエッチングストッパー層を介して
   薄膜を形成する工程と、 前記基材の一部を前記薄膜と反対側の面から除去して前
   記エッチングストッパー層を露出させ、前記基材の残り
   部分を前記薄膜の支持部とする工程とを有する請求項８
   記載のマスクの製造方法。
10. 【請求項１０】前記孔を形成する工程は、異方性エッチ
    ング工程を含み、 前記ダミー孔を形成する工程は、前記支持部を傾斜させ
    て異方性エッチングを行う工程を含む請求項９記載のマ
    スクの製造方法。
11. 【請求項１１】所定の転写パターンの一部が拡張された
    第１のパターンで第１の孔を有する第１の薄膜の初期内
    部応力分布を、少なくとも前記第１の薄膜の材質、膜厚
    分布および前記第１のパターンのデータを用いて計算す
    る工程と、 前記薄膜の内部応力が力学的平衡状態をとるために前記
    薄膜上の複数の計算点が移動する第１の変位量を計算す
    る工程と、 前記第１の薄膜にダミーパターンでダミー孔を付加した
    とき、前記第１の薄膜の内部応力が力学的平衡状態をと
    るために前記計算点が移動する第２の変位量を計算する
    工程と、 前記第２の変位量の最大値が許容範囲となるダミーパタ
    ーンを決定する工程と、 前記転写パターンの他の一部を拡張し、前記第１のパタ
    ーンと重ね合わせたときの重なり部分が前記転写パター
    ンに一致する第２のパターンを作成する工程と、 前記第１の薄膜に、荷電粒子線が透過する前記第１の孔
    を前記第１のパターンで形成し、決定されたダミーパタ
    ーンで前記ダミー孔を形成する工程と、 前記第１の薄膜に重ねられる第２の薄膜に、荷電粒子線
    が透過する第２の孔を前記第２のパターンで形成する工
    程とを有するマスクの製造方法。
12. 【請求項１２】感光面にマスクを介して荷電粒子線を露
    光する工程を有する半導体装置の製造方法であって、 前記マスクとして、薄膜と、 前記薄膜に所定のパターンで形成された孔であって、前
    記薄膜に対し所定の入射角範囲で入射する荷電粒子線が
    透過する前記孔と、 前記薄膜を前記孔と異なる角度で貫通し、前記薄膜に対
    し前記入射角範囲で入射する荷電粒子線を遮断するダミ
    ー孔とを有し、 前記ダミー孔は、前記薄膜の内部応力による前記孔の変
    位を小さくするように、前記薄膜に配置されているマス
    クを用いる半導体装置の製造方法。
13. 【請求項１３】感光面にマスクを介して荷電粒子線を露
    光する工程を有する半導体装置の製造方法であって、 前記マスクとして、第１の薄膜と、 前記第１の薄膜に形成された、荷電粒子線が透過する第
    １の孔であって、所望の転写パターンの一部が拡張され
    た形状を有する前記第１の孔と、 前記第１の薄膜に重ねられた第２の薄膜と、 前記第２の薄膜に形成された、荷電粒子線が透過する第
    ２の孔であって、前記転写パターンの他の一部が拡張さ
    れ、前記第１の孔との重なり部分が前記転写パターンに
    一致する形状を有する前記第２の孔と、 前記第１の薄膜に前記第１の孔と離れて、かつ前記第２
    の孔と重ならないように形成された第１のダミー孔とを
    有し、 前記第１のダミー孔は、前記第１の薄膜の内部応力によ
    る前記第１の孔の変位を小さくするように、前記第１の
    薄膜に配置されているマスクを用いる半導体装置の製造
    方法。