JP2006032813A - メンブレンマスクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 スループットと機械的強度の観点から最適なメンブレンン厚を有するメンブレンマスクを提案することを目的とする。
【構成】 レジスト材を露光する電子線露光装置に用いるメンブレンマスクの製造方法において、前記メンブレンマスクのメンブレン内における電子の平均自由工程と前記レジスト材の感度と前記電子線露光装置が照射する電子線の電流密度と前記電子線露光装置が照射する電子線の整定時間とを用いて、前記電子線露光装置が前記メンブレンマスクを用いて所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やすショットサイクルｔｃｍが、前記電子線露光装置が相補ステンシルマスクを用いて前記所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やすショットサイクルｔｃｓと比して同等以下のショットサイクルとなるように定めたメンブレン厚さで前記メンブレンマスクを製造することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子ビーム露光用マスクに関し、特に、メンブレンマスクの製造方法に関するものである。

半導体デバイスの微細化の進展を担うリソグラフィ技術は半導体製造プロセスのなかでも唯一パターンを生成する極めて重要なプロセスである。従来、半導体デバイスの生産では光露光技術が用いられてきたが、近年、先端デバイスのパターン寸法が限界解像度に近づきつつあり、高解像露光技術の開発が急務となっている。
電子ビーム露光技術は本質的に優れた解像性を有しており、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）を代表とする最先端デバイスの開発や一部ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）の生産に用いられている。しかし、従来の可変成形露光法ではパターンを一筆描きの要領で描画するため単位時間当たりのウェハ処理能力すなわちスループットが低く、デバイスの量産には不向きであった。
現在、次世代の露光技術として電子ビームプロジェクション（分割縮小転写）（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：ＥＰＬ）技術が提案されており、昨今、その研究開発が行われている。

図１１は、ＥＰＬ露光装置の動作を説明するための概念図である。
まず、ＥＰＬ露光装置におけるレチクルステージには、１つの半導体チップについての露光単位領域となるサブフィールド３２０を投影転写するためのサブフィールドパターンが形成されたサブフィールドマスク３５０が格子状に整列形成されたマスク３４０が配置される。サブフィールド３２０が電子線３３０（荷電粒子線）を照射する際の１ショットに対応する領域である。サブフィールドマスク３５０には、それぞれ、電子線３３０が透過する種々のサブフィールドパターンが形成されている。そして、荷電粒子ソースから照射された電子線３３０は、偏向器により偏向され、所定のサブフィールドマスク３５０のパターンを照射し、透過した電子線３３０は、電子レンズにより縮小されウェハ３００上に区分けされた複数の半導体チップ領域３１０のうち、１つの半導体チップ領域の中の露光単位領域となるサブフィールド３２０を照射することによりサブフィールドマスク３５０に形成されたサブフィールドパターンを投影転写する。次に、その列の隣に位置するサブフィールドマスク３５０のサブフィールドパターンを電子線３３０が照射するように、偏向器により偏向され、同様に、前記１つの半導体チップについての隣のサブフィールド３２０を照射することによりサブフィールドマスク３５０に形成されたサブフィールドパターンを隣のサブフィールド３２０に投影転写する。これを順次繰り返し、その列のサブフィールドマスク３５０のサブフィールドパターンを照射し終わったら、２列目のサブフィールドマスク３５０の先頭がウェハ３００に投影転写できる位置に、レチクルステージとウェハステージとを移動させ、順次、２列目のサブフィールドマスク３５０の種々のサブフィールドパターンを照射する。このようにして、全列のサブフィールドマスク３５０のサブフィールドパターンを照射することにより、１つの半導体チップ領域３１０についての露光が終了する。かかる動作をウェハ３００上に区分けされた全ての半導体チップ領域３１０に対して行っていく。その他、ＥＰＬ露光装置については、以下の文献に記載されている（例えば、特許文献１、非特許文献１，２参照）。

図１２は、ＥＰＬの露光原理について説明するための図である。
図１２において、例えば、貫通した開口部１５０による開口パターンを形成した散乱マスクの一例としてのステンシルマスク１００に、１００ｋＶで加速した電子を照射する。ステンシルマスク１００の材料として通常厚さ２μｍ程度のシリコン（Ｓｉ）が用いられる。ステンシルマスク１００の開口部１５０ではない部分に入射した電子線３３０は、開口部１５０ではない部分で大きく散乱される。散乱されたマスク散乱電子３３１は、対物レンズ３８０の後方焦平面に置かれた制限アパチャ３７０でそのほとんどが阻止される。一方、開口部１５０を透過した像形成電子３３２は、開口部１５０を自由通過するため、投影レンズ３６０により投影され、偏向器で偏向された像形成電子３３２のほとんどの電子が制限アパチャ３７０を通過することができる。このアパチャ透過率の違いによりウェハ３００上にマスク像のコントラストが形成される。これを散乱コントラストと呼ぶ。そして、ウエハ３００が、その後に現像されると、図１１に示すレジスト像３０１が形成されることになる。なお、マスクとしてはステンシルのほかマスクパターン全面が薄いメンブレンで保持されるメンブレンマスクも利用可能である。ＥＰＬ露光装置に用いるマスクについて文献に開示されている（例えば、特許文献２、３参照）。

図１３は、代表的材料で製造されたステンシルマスクとメンブレンマスクの例を示す図である。
図１３（ａ）（ｂ）では、特に、パターン部分だけを示し、その他は省略している。図１３（ａ）において、ステンシルマスク１００は、例えば、２μｍの厚さのＳｉで形成された例を示す。また、図１３（ｂ）において、メンブレンマスク２００は、３０〜５０ｎｍの厚さのダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）メンブレン上にパターンが形成された６００ｎｍ程度の厚さのＤＬＣ散乱層が形成された例を示す。ここで、上述したようにＥＰＬ技術では散乱コントラストにより像が形成されるため、散乱マスクの構造は電子散乱を考慮して決定される。

図１４は、電子散乱の様子を説明するための図である。
図１４（ａ）に示すように、ステンシルマスク１００の場合、開口部１５０に入射する電子は散乱を受けずに通過するため、全ての電子が露光に寄与することができる。一方、図１４（ｂ）に示すように、メンブレンマスク２００では、開口パターン部に入射する電子であってもメンブレン２１０で散乱され、散乱された電子はウェハ３００まで到達することができず、散乱を受けていない一部の電子しか露光に寄与しない（例えば、非特許文献３参照）。
例えば、図１４（ｂ）では、３０〜７０％の電子が散乱を受けるため、残りの７０〜３０％しか露光に寄与しないことになる。メンブレンマスク２００をＥＰＬ露光装置にマスクとして用いた場合、露光部に対応するメンブレンが薄いとはいえ露光に寄与することができる無散乱電子の割合が小さいのが欠点であった。そのため、ビーム電流密度が低下しスループットが低下する。

図１５は、パターンの相補分割例を示す図である。
図１５（ａ）では、開口パターンがドーナッツ状のように閉じている例を示している。ここで、ステンシルマスク１００をＥＰＬ露光装置にマスクとして用いた場合、電子ビームが通過する部分は完全に貫通しているため、開口パターンがドーナッツ状のように閉じている形状であるとその内側のマスク部材が欠落してしまう。これを避けるために、パターンを２つ以上の相補マスクに分割する対策が必要となる。例えば、ドーナッツ状パターンの場合、図１５（ａ）に示すように、第１の相補パターン１１１と第２の相補パターン１１２とにマスクを分割して、第１と第２の相補マスクを用意し、それぞれの相補マスクをＥＰＬ露光装置に配置し、第１と第２の相補マスクをそれぞれ１度ずつ、すなわち、２度露光することによりウェハ上にパターンを完成させる。その他、大きなマスク部材を小さな支持部で支えているような機械的強度に問題のあるパターンについても分割する必要がある。例えば、図１５（ｂ）には、開口パターンがリーフ状の例を示している。図１５（ｃ）には、開口パターンがＬ字状の例を示している。ステンシルマスク１００をＥＰＬ露光装置にマスクとして用いた場合、マスク分割によって露光回数が倍増するためスループットが低下する。

一方、メンブレンマスク２００をＥＰＬ露光装置にマスクとして用いた場合、電子ビームが通過する部分はメンブレンにより閉じられ貫通していないため、パターンがドーナッツ状のように閉じている形状であってもその内側のマスク部材が欠落してしまうことはない。したがって、マスクを分割する必要がないため露光回数が倍増することはなく、１度の露光によりウェハ上にパターンを完成させる。しかし、無散乱電子の透過率が低いと、電子ビームの照射時間がそれだけ長くなり、上述したようにビーム電流密度が低下しスループットが低下する。

メンブレンマスク２００をＥＰＬ露光装置にマスクとして用いた場合にスループットの低下を防ぐには、無散乱電子の透過率を向上させることが有効である。そこで、無散乱電子の透過率を向上させるため、昨今メンブレンの薄膜化が進められている。上述したように、ＤＬＣを材料に用いるメンブレンマスクが開発されている。
図１６は、メンブレンマスクの断面構造を示す図である。
ＤＬＣはヤング率が高く薄膜化しても高い膜強度が得られ、また、層状成長するため良質の薄膜を得ることが可能である。現在、３０〜５０ｎｍ厚のＤＬＣメンブレンマスク２００が作製されている。例えば、４４ｎｍ厚のＤＬＣメンブレン２１０で無散乱電子の透過率は４１％が得られている。このメンブレンマスク２００では散乱層２３０にも同じくＤＬＣが用いられている。ただし、電子を散乱させることが必要なためその厚さは６００ｎｍ程度とメンブレン２１０と比べると厚くなっている（例えば、非特許文献４参照）。また、ＤＬＣを材料としたマスクにおいて、散乱層とメンブレンの間にエッチングストッパがある場合もある（例えば、特許文献４参照）。
また、メンブレンの薄膜化を進めることで、無散乱電子の透過率が５０％以上（図１３（ｂ）では、７０％）のメンブレンも製作されている。

また、メンブレンの薄膜化を進めるのではなく、メンブレンマスクを露光装置に設置した状態で、そのメンブレンマスク上に設けられたビーム電流計測用領域に電子ビームを照射し、ウェハ面まで到達してくる電流を計測し、計測された電流値及び設定された露光量から露光条件を決定することで、メンブレンマスクのメンブレン厚さに関係なくメンブレンマスクによるスループットの低下を防ごうとする技術が文献に開示されている（例えば、特許文献５参照）。
特開２００１−３１９８７２号公報 特開２００２−７５８４２号公報 特開２００３−６８６１６号公報 特開２００１−７７０１３号公報 特開２００２−３１９５４３号公報 "Ｎｉｋｏｎ ニコンテクノロジー：ＥＰＬ"，http://www.nikon.co.jp/main/jpn/profile/technology/epl/index.htm "Stencilreticle development for electron beam projection systemsS. Kawata, N. Katakura, S. Takahashi, andK. Uchikawa, J. Vac. Sci. Technol. B 17, 2864 (1999) "High-performance membrane mask for electron projectionlithography", H. Yamashita, I. Amemiya, E. Nomura,K. Nakajima, and H. Nozue, J. Vac. Sci. Technol. B 18, 3237 (2000) "Fabricationof a continuous diamondlike carbon membrane mask for electron lithography", I.Amemiya, H. Yamashita, S. Nakatsuka, M. Tsukahara, and O. Nagarekawa, J. Vac.Sci. Technol. B 21, 3032 (2003)

上述したように、メンブレンマスクでは、ステンシルマスクと異なり、相補分割が不要であり露光回数はステンシルマスクの半分であるが、透過率が半分以下であるとステンシルマスクと比べ露光スループットが低くなる場合がある。
そのため、さらなるメンブレンの薄膜化が行われているが、一方で、メンブレンの薄膜化によりマスクの機械的強度が低下し、歩留の低下や使用中での破損の可能性が高くなる。よって、無闇に薄膜化を行うことは合理的でない。従って、メンブレン厚に最適値が存在するはずであるが、しかし、その最適値についてはこれまで検討がなされていない。

本発明では、メンブレンマスクの最適メンブレン厚を求める手法を露光装置の露光パラメータとメンブレンでの電子散乱とを考慮して求め、スループットと機械的強度の観点から最適なメンブレンン厚を有するメンブレンマスクを提案することを目的とする。

本発明のメンブレンマスクの製造方法は、
レジスト材を露光する電子線露光装置に用いるメンブレンマスクの製造方法において、
前記電子線露光装置が前記メンブレンマスクを用いて所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やす動作時間が、前記電子線露光装置が相補マスクを用いて前記所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やす動作時間と比して同等以下の動作時間となるように定めたメンブレン厚さで前記メンブレンマスクを製造することを特徴とする。

電子線露光装置がメンブレンマスクを用いて所定のパターンが形成されるようにレジスト材を露光する場合に費やす動作時間が、前記電子線露光装置が相補マスクを用いて前記所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やす動作時間と比して同等以下の動作時間となれば、相補マスクとして分割したステンシルマスクに見劣りしないメンブレンマスクを得ることができる。したがって、無闇にメンブレンを薄膜化しないでもよくなるはずである。
本発明では、後述するように、前記メンブレンマスクのメンブレン内における電子の平均自由工程と前記レジスト材の感度と前記電子線露光装置が照射する電子線の電流密度と前記電子線露光装置が照射する電子線の整定時間とを用いて、かかる条件を満たすメンブレン厚さで前記メンブレンマスクを製造する。

また、本発明における２つの前記動作時間は、１つのサブフィールドに前記所定のパターンを露光する場合に費やす各ショットサイクル時間とすることを特徴とする。

さらに、本発明においてスループットを比較する場合に、１つのサブフィールドに前記所定のパターンを露光する場合に費やす各ショットサイクル時間を比較対象とすれば、全体のスループットを見極めることでができる。

また、本発明において前記電子線露光装置が前記メンブレンマスクを用いて所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やす動作時間を、前記電子線露光装置が電子線を照射する１回の照射時間と１回の前記電子線の整定時間との和とし、
前記電子線露光装置が相補マスクを用いて前記所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やす動作時間を、前記電子線露光装置が電子線を照射する２回の照射時間と２回の前記電子線の整定時間との和とすることを特徴とする。

さらにまた、本発明において前記電子線の整定時間は、前記電子線露光装置側の条件によって決定されてしまうため、マスクとして、メンブレンマスクを用いた場合でも、ステンシルマスクを用いた場合でも同じである。しかし、ステンシルマスクを用いた場合には、相補マスクとして分割する必要が生じるため、分割した数だけ新たに電子線の整定時間が必要となる。また、前記電子線露光装置が電子線を照射する照射時間は、マスクとして、メンブレンマスクを用いた場合、１つのサブフィールドに１回の照射で済むため１回の照射時間を考慮すればよい。一方、ステンシルマスクを用いた場合、相補マスクとして分割する必要が生じるため、分割した数だけ照射時間を考慮する必要がある。最低でも２つに分割された相補マスクを用いることになる。そこで、１つのサブフィールドに露光する際のメンブレンマスクを用いた場合の動作時間を１回の照射時間と１回の前記電子線の整定時間との和とし、ステンシルマスクを用いた場合の動作時間を２回の照射時間と２回の前記電子線の整定時間との和とすることで、上述した条件を満たすメンブレン厚さで前記メンブレンマスクを製造すればよい。

また、本発明において前記メンブレンマスクのメンブレン内における電子の平均自由工程と前記レジスト材の感度と前記電子線露光装置が照射する電子線の電流密度と前記電子線露光装置が照射する電子線の整定時間とを用いて、前記メンブレン厚さを定めることを特徴とする。

電子の平均自由工程と前記レジスト材の感度と前記電子線の電流密度と前記電子線の整定時間とで、前記動作時間（ショットサイクル）を置き換えることで、後述するように、前記メンブレン厚さとの関係を導くことができる。

さらに、本発明において前記メンブレン厚さをｄ、前記平均自由工程をΛ、前記感度をＳ、前記電流密度をＪ、前記整定時間をｔｓとして、前記メンブレン厚さｄは、以下の式を満たすことを特徴とする。
ｄ≦−Λ・Ｌｏｇ｛Ｓ／（Ｊ・ｔｓ＋２Ｓ）｝

後述するように、１つのサブフィールドに露光する際のメンブレンマスクを用いた場合の動作時間とステンシルマスクを用いた場合の動作時間とを前記メンブレンマスクのメンブレン内における電子の平均自由工程と前記レジスト材の感度と前記電子線露光装置が照射する電子線の電流密度と前記電子線露光装置が照射する電子線の整定時間とを用いて式で表わし、展開していくと前記式を得る。したがって、前記式を満たすメンブレン厚さｄで前記メンブレンマスクを製造すればよい。

さらに、本発明における前記メンブレン厚さは、前記平均自由工程と前記感度と前記電流密度と前記整定時間と、さらに、前記電子線露光装置が照射する電子線の加速電圧とを用いて定められたことを特徴とする。

後述するように、前記平均自由工程は、電子線の加速電圧に比例する。したがって、ある電子線の加速電圧に対する平均自由工程を得ることができれば、任意の電子線の加速電圧における前記メンブレン厚さを得ることができる。

さらに、本発明における前記メンブレン厚さは、前記平均自由工程と前記感度と前記電流密度と前記整定時間と、さらに、前記メンブレンの膜密度とを用いて定められたことを特徴とする。

後述するように、前記平均自由工程は、前記メンブレンの膜密度に反比例する。したがって、あるメンブレンの膜密度に対する平均自由工程を得ることができれば、任意のメンブレンの膜密度における前記メンブレン厚さを得ることができる。

以上説明したように本発明によれば、無闇にメンブレン厚さを薄くしなくても、相補分割されたステンシルマスクと比べ、スループットが低くならない範囲におけるメンブレン厚さでメンブレンマスクを得ることができる。無闇にメンブレン厚さを薄くしないため機械的強度を必要以上に下げないでメンブレンマスクを製造することができる。機械的強度を必要以上に下げないで済むため、マスクの歩留の低下を緩和し、使用中での破損の可能性を低くすることができる。また、スループットが低くならない範囲におけるメンブレン厚さでメンブレンマスクを得ることができるため、多重露光によるショットのずれや隣のパターンとのショートといった不具合を引き起こす相補分割されたステンシルマスクの代わりに、かかる多重露光の必要がないため前記不具合を引き起こさないメンブレンマスクを使用することができる。前記不具合を引き起こさないメンブレンマスクを使用することができるので、製品の歩留まりを向上させることができる。

次に本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
実施の形態１．
メンブレンマスクでは、無散乱電子の透過率が高ければ高いほどスループットは高くなる。そのため、メンブレンの薄膜化が進められているが、同時に機械的強度が低下し、歩留の低下や、使用中の破損などの可能性が高くなる。使用する露光装置のパラメータとメンブレンでの電子散乱パラメータから最適化されたメンブレン厚を有するメンブレンマスクを用いることによりＥＰＬの総合的な露光性能が向上する。そこで、本実施の形態１では、ステンシルマスクを用いる際に得られる露光装置のスループットとの比較から、メンブレン厚の最適化を行う。

図１は、実施の形態１における相補ステンシルマスクとメンブレンマスクとにおける動作時間を説明するための図である。
電子ビーム露光装置においてスループットを決定する要因のとして、レジスト照射時間、ビーム整定時間（セトリング時間）がある。これらの和、すなわち、露光単位となる１つのサブフィールドに所定のパターンを露光する際における動作時間としてのショットサイクル時間がステンシルマスクのそれと同等以下となるメンブレン膜厚を求めればよい。

図１（ａ）では、左図に相補ステンシルマスクを用いた場合のショットサイクル、右図に無散乱電子の透過率Ｔｍが５０％のメンブレンマスクを用いた場合のショットサイクルを示している。まず、相補ステンシルマスクを用いた場合、第１の相補マスクに形成された第１の相補パターンをレジストに照射する第１の照射時間ｔｅｓが必要となる。そして、かかる第１の相補マスクに電子ビームを照射するための第１のセトリング時間ｔｓが必要となる。次に、第２の相補マスクに形成された、残りの第２の相補パターンをレジストに照射する第２の照射時間ｔｅｓが必要となる。そして、かかる第２の相補マスクに電子ビームを照射するための第２のセトリング時間ｔｓが必要となる。よって、ショットサイクルｔｃｓは、第１の照射時間ｔｅｓと第１のセトリング時間ｔｓと第２の照射時間ｔｅｓと第２のセトリング時間ｔｓとの和となる。次に、無散乱電子の透過率Ｔｍが５０％のメンブレンマスクを用いた場合、メンブレンマスクに形成された所望する所定のパターンをレジストに照射する照射時間ｔｅｍが必要となる。ここでは、無散乱電子の透過率Ｔｍが５０％であるので、透過率Ｔｍが１００％である前記ステンシルマスクの照射時間ｔｅｓの２倍の照射時間となる。言い換えれば、照射時間ｔｅｍは、前記第１の照射時間ｔｅｓと前記第２の照射時間ｔｅｓとの和となる。そして、かかるメンブレンマスクに電子ビームを照射するためのセトリング時間ｔｓが必要となる。１回のセトリング時間ｔｓは、メンブレンマスクであってもステンシルマスクであっても変わらない。よって、無散乱電子の透過率Ｔｍが５０％のメンブレンマスクを用いた場合、相補ステンシルマスクを用いた場合より１回のセトリング時間ｔｓ分だけ、ショットサイクルが短いことになる。言い換えれば、ショットサイクルがステンシルマスクのそれと同等以下となるメンブレンマスクであるためには、図１（ａ）に示したような透過率Ｔｍが５０％でなくてもよい。もっと透過率を下げることができる。

図１（ｂ）では、左図に相補ステンシルマスクを用いた場合のショットサイクル、右図に相補ステンシルマスクを用いた場合のショットサイクルと同等になるような無散乱電子の透過率Ｔｍを有するメンブレンマスクを用いた場合のショットサイクルを示している。相補ステンシルマスクを用いた場合のショットサイクは、図１（ａ）に示したものと同様である。メンブレンマスクを用いた場合のショットサイクは、透過率Ｔｍを５０％よりも下げ、相補ステンシルマスクを用いた場合のショットサイクルと同等になるようにしている。すなわち、１回のセトリング時間ｔｓ分だけ、照射時間ｔｅｍが長く必要となるように透過率Ｔｍを５０％よりも下げることができる。よって、透過率Ｔｍを下げた分だけメンブレン厚さを厚くすることができる。メンブレン厚さを厚くすることができるので、その分、機械的強度を上げることができる。

図２は、相補分割されたステンシルマスクの一例を示す図である。
図２に示すように、ステンシルマスク１００は、第１の相補マスク１０１と第２の相補マスク１０２とを有している。まず、第１の相補マスク１０１を用いて、第１の相補マスク１０１に形成された第１の相補パターンをレジストに照射することで露光する。次に、第２の相補マスク１０２に形成された、残りの第２の相補パターンをレジストに照射することで露光する。図示していないが、第１の相補マスク１０１と第２の相補マスク１０２とには、それぞれ、複数のサブフィールドパターンが形成されている。図１におけるショットサイクルは、１つのサブフィールドに所定のパターンを完成させるためのサイクルを示している。

図３は、メンブレンマスクの一例を示す図である。
図３に示すように、メンブレンマスク２００には、パターン部２０１が２つ形成されている。メンブレンマスク２００では、ステンシルマスクと異なり相補分割の必要がないため、２つのパターン部２０１のうち、一方だけ使用すればよい。図示していないが、パターン部２０１には、複数のサブフィールドパターンが形成されている。図１におけるショットサイクルは、１つのサブフィールドに所定のパターンを完成させるためのサイクルを示している。

図４は、無散乱電子透過率とメンブレン厚との関係の一例を示す図である。
図４では、一例として、ＤＬＣをメンブレン材料に用いた場合を示している。図４に示すように、無散乱電子透過率Ｔｍは、メンブレン厚に依存し、無散乱電子透過率Ｔｍを下げ、スループットを上げるためには、メンブレン厚を薄くする必要があることがわかる。

図５は、ショットサイクルから最適なメンブレン厚さを求める手法を示す図である。
前記メンブレンマスクのメンブレン内における電子の平均自由工程Λと前記レジスト材の感度Ｓと前記電子線露光装置が照射する電子線の電流密度Ｊと前記電子線露光装置が照射する電子線の整定時間ｔｓとを用いて、前記電子線露光装置が前記メンブレンマスクを用いて所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やすショットサイクルｔｃｍが、前記電子線露光装置が相補マスクを用いて前記所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やすショットサイクルｔｃｓと比して同等以下の動作時間となるように定めたメンブレン厚さｄを求める。

図５（ａ）において、レジスト照射時間ｔｅはレジスト感度をＳ、ビーム電流密度をＪとすると、
ｔｅ＝Ｓ／Ｊ （１）
で表される。

図５（ｂ）において、ショットサイクルｔｃはビーム整定時間をｔｓとすると、ビーム整定時間ｔｓとレジスト照射時間ｔｅとの和となるため、
ｔｃ＝ｔｓ＋ｔｅ＝ｔｓ＋Ｓ／Ｊ （２）
で表される。

図５（ｃ）において、まず、相補露光が必要なステンシルマスクの場合、露光回数が２回で元のパターンが形成されるので、正味のショットサイクルｔｃｓはショットサイクルｔｃの２倍となる。
ｔｃｓ＝２（ｔｓ＋ｔｅ）＝２（ｔｓ＋Ｓ／Ｊ） （３）
一方、メンブレンマスクでは無散乱電子の透過率をＴｍとすると、その分ビーム電流密度が低下するので、メンブレンマスクのショットサイクルｔｃｍは、
ｔｃｍ＝ｔｓ＋ｔｅ／Ｔｍ＝ｔｓ＋Ｓ／（Ｊ・Ｔｍ） （４）
となる。ここで、ショットサイクルがステンシルマスクのそれと同等以下となるメンブレンマスクであるためには、ｔｃｓ≧ｔｃｍとなればよい。

図５（ｄ）において、上述したようにｔｃｓ≧ｔｃｍ、すなわち、
２（ｔｓ＋Ｓ／Ｊ）≧ｔｓ＋Ｓ／（Ｊ・Ｔｍ）
となればよいため、ステンシルマスクのショットサイクルよりもメンブレンマスクのショットサイクルが同等或いは小さくなるメンブレンの無散乱電子の透過率は、
Ｔｍ≧ｔｅ／（ｔｓ＋２ｔｅ） （５）
となる。レジスト照射時間はＳ／Ｊであるから式５は、
Ｔｍ≧Ｓ／（Ｊ・ｔｓ＋２Ｓ） （６）
となる。

図５（ｅ）において、まず、無散乱電子透過率Ｔｍはメンブレン内での電子散乱の平均自由行程Λから解析的に求めることができ、メンブレン厚をｄとすると、
Ｔｍ＝ｅｘｐ（−ｄ／Λ） （７）
で表される。平均自由行程Λは無散乱電子の透過率を測定することにより実験的に求めることができる。従って、式６と式７から、次式の関係が得られる。
ｅｘｐ（−ｄ／Λ）≧Ｓ／（Ｊ・ｔｓ＋２Ｓ） （８）

図５（ｆ）において、式８から最適メンブレン厚を与える式は、
ｄ≦−Λｌｏｇ｛Ｓ／（Ｊ・ｔｓ＋２Ｓ）｝ （９）
となる。

図６は、無散乱電子透過率を測定する装置の一例を示す図である。
無散乱電子透過率の測定は、ＥＡＤＡＭ（Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ａｎｇｕｌａｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ）手法を用いる。図６において、まず、メンブレンマスク２００の無い状態で、１ｎｍに収束した１００ｋｅＶの電子線４０１をアパチャ４１０に垂直に照射する。ここでは、例えば、透過電子検出角度（アパチャ径）を半角５．５ｍｒａｄとする。そして、アパチャ４１０を通過した電子線をエネルギーアナライザー４２０で分析し、エネルギーロスの度合いに応じて振り分けディテクター４３０で信号強度を測定する。次に、メンブレンマスク２００を配置した状態で、同様の操作を行う。

図７は、ディテクター信号強度とエネルギーロスとの関係を示す図である。
図７（ａ）では、メンブレンマスク２００の無い状態で、測定した結果の一例を示している。エネルギーロスがゼロ、すなわち、散乱によりエネルギーがロスしていない無散乱電子のディテクター信号強度のピーク値（最大値）を１として表わしている。図７（ｂ）では、メンブレンマスク２００を配置した状態で、測定した結果の一例を示している。エネルギーロスがゼロ、すなわち、散乱によりエネルギーがロスしていない無散乱電子のディテクター信号強度値のピーク値をメンブレンマスク２００の無い状態でのピーク値との相対値で表わしている。図７（ｂ）では、ディテクター信号強度のピーク値が約４１％を示している。すなわち、ここで用いたメンブレンマスク２００のメンブレン厚さｄでは、無散乱電子透過率Ｔｍが４１％であることを示している。上述した式（７）に、かかるメンブレン厚さｄと無散乱電子透過率Ｔｍの値を入れれば、かかるメンブレン材料における平均自由工程Λを実験的に求めることができる。

図８は、相補ステンシルマスクを用いて露光した場合とメンブレンマスクを用いて露光した場合との露光精度を説明するための図である。
図８（ａ）では、左図において、相補ステンシルマスクを用いて露光した場合、第１の相補マスクで露光されたパターンと第２の相補マスクで露光されたパターンとにずれが生じ、回路が断線している様子を示している。すなわち、２回に露光を分けるとずれが生じやすい。これに対し、右図において、メンブレンマスクを用いて露光した場合、１回の露光で済むため、かかるずれを生じさせないで済ますことができる。図８（ｂ）では、左図において、相補ステンシルマスクを用いて露光した場合、第１の相補マスクで露光されたパターンと第２の相補マスクで露光されたパターンとの一部が重なり、線幅が膨らんでしまい、隣の配線に接続し、回路が短絡（ショート）している様子を示している。これに対し、右図において、メンブレンマスクを用いて露光した場合、１回の露光で済むため、かかるパターンの重なりを生じさせないで済ますことができる。よって、スループットが同等であれば、相補ステンシルマスクを用いるよりもメンブレンマスクを用いて露光した方が、露光プロセス全体において、歩留まりを向上させることができる。

例えば、レジスト感度を５μＣ／ｃｍ２、ビーム電流密度を１６０ｍＡ／ｃｍ２、ビーム整定時間を２５μｓ、平均自由行程を５０ｎｍとすると、式９から最適メンブレン厚は５５ｎｍとなる。この膜厚のとき、ステンシルマスクと同等のスループットが得られ、この膜厚以下ではメンブレンマスクの方がスループットが高くなる。

以上のように、露光装置により決定される露光装置のパラメータ（ビーム電流密度Ｊ、ビーム整定時間ｔｓ）とプロセスパラメータ（レジスト感度Ｓ）とメンブレン材料により決定される電子散乱パラメータ（平均自由行程Λ）を用いてスループットの観点から機械的強度を最大とするメンブレンマスクの透過率Ｔｍを求める。このメンブレン透過率Ｔｍを与えるメンブレン膜厚ｄを最適膜厚とする手法を説明した。相補分割されたステンシルマスクと比べ、スループットが低くならない範囲となる前記メンブレン膜厚ｄでメンブレンマスクを製造すれば、無闇にメンブレン厚さを薄くしなくても、ステンシルマスクに代わるメンブレンマスクを得ることができる。無闇にメンブレン厚さを薄くしないため機械的強度を必要以上に下げないでメンブレンマスクを製造することができる。

実施の形態２．
図９は、平均自由行程とビーム加速電圧との関係を説明するための図である。
図９に示すように、ビーム加速電圧Ｖが大きくなれば、平均自由行程Λも大きくなる。すなわち、平均自由行程Λはビーム加速電圧Ｖに比例する。従って、ある加速電圧での平均自由行程が分かっていれば、式９を用いることにより、任意の加速電圧の場合でも最適メンブレン厚を求めることができる。

実施の形態３．
図１０は、平均自由行程とメンブレンの膜密度との関係を説明するための図である。
図１０に示すように、メンブレンの膜密度ρが大きくなれば、平均自由行程Λは小さくなる。すなわち、平均自由行程Λはメンブレンの膜密度ρに反比例する。従って、あるメンブレンの膜密度ρでの平均自由行程が分かっていれば、式９を用いることにより、任意のメンブレンの膜密度ρの場合でも最適メンブレン厚を求めることができる。

以上のように、前記各実施の形態によれば、最適化されたメンブレン厚を有するメンブレンマスクはスループットと機械的強度の観点からバランスが取れている。また、露光装置のビーム加速電圧、ビーム電流密度、ビーム整定時間、レジスト感度、平均自由行程、メンブレンの密度の値を用いて最適メンブレン厚を求めることができる。このように露光装置のパラメータ等を用いてスループットの観点から機械的強度を最大とするメンブレンマスクの透過率が求められる。このメンブレン透過率を与えるメンブレン膜厚が最適膜厚となる。

以上のように、上記各実施の形態では、相補型ステンシルマスクとの比較を前提とし、先に述べた暫定時間１回に相当する分だけメンブレンの透過率を下げる、すなわち、メンブレン厚を厚くすることができる。つまり、透過率は５０％以上で無くとも良いわけであるが、ステンシルマスクと同等のスループットと言う観点からメンブレン膜厚の設定をどのように行うかということはこれまで議論されたことがなかった。いたずらにメンブレンの薄膜化を行うことは、性能は上がるが、その分機械的強度が低下し、マスクの歩留が下がると共にコストが上昇し、ステンシルマスクと比較して優位性が低下する。また、式（２）からも分かるように、ビーム暫定時間とレジスト照射時間が等しいときがバランスが取れていて、メンブレンを薄膜化しそれ以上レジスト照射時間が短くなっても、スループットの向上の効果はだんだん小さくなる。

以上の説明において、メンブレンの材料としてＤＬＣについて述べたが、それ以外の材料であっても適用可能であることは言うまでも無い。

実施の形態１における相補ステンシルマスクとメンブレンマスクとにおける動作時間を説明するための図である。 相補分割されたステンシルマスクの一例を示す図である。 メンブレンマスクの一例を示す図である。 無散乱電子透過率とメンブレン厚との関係の一例を示す図である。 ショットサイクルから最適なメンブレン厚さを求める手法を示す図である。 無散乱電子透過率を測定する装置の一例を示す図である。 ディテクター信号強度とエネルギーロスとの関係を示す図である。 相補ステンシルマスクを用いて露光した場合とメンブレンマスクを用いて露光した場合との露光精度を説明するための図である。 平均自由行程とビーム加速電圧との関係を説明するための図である。 平均自由行程とメンブレンの膜密度との関係を説明するための図である。 ＥＰＬ露光装置の動作を説明するための概念図である。 ＥＰＬの露光原理について説明するための図である。 代表的材料で製造されたステンシルマスクとメンブレンマスクの例を示す図である。 電子散乱の様子を説明するための図である。 パターンの相補分割例を示す図である。 メンブレンマスクの断面構造を示す図である。

符号の説明

１００ ステンシルマスク
１０１，１０２ 相補マスク
１１１，１１２ 相補パターン
１５０ 開口部
２００ メンブレンマスク
２０１ パターン部
２１０ メンブレン
２３０ 散乱層
３００ ウェハ
３０１ レジスト像
３１０ 半導体チップ領域
３２０ サブフィールド
３３０，４０１ 電子線
３３１ マスク散乱電子
３３２ 像形成電子
３４０ マスク
３５０ サブフィールドマスク
３６０ 投影レンズ
３７０ 制限アパチャ
３８０ 対物レンズ
４１０ アパチャ
４２０ エネルギーアナライザー
４３０ ディテクター

Claims (7)

1. レジスト材を露光する電子線露光装置に用いるメンブレンマスクの製造方法において、
   前記電子線露光装置が前記メンブレンマスクを用いて所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やす動作時間が、前記電子線露光装置が相補マスクを用いて前記所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やす動作時間と比して同等以下の動作時間となるように定めたメンブレン厚さで前記メンブレンマスクを製造することを特徴とするメンブレンマスクの製造方法。
2. ２つの前記動作時間は、１つのサブフィールドに前記所定のパターンを露光する場合に費やす各ショットサイクル時間とすることを特徴とする請求項１記載のメンブレンマスクの製造方法。
3. 前記電子線露光装置が前記メンブレンマスクを用いて所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やす動作時間を、前記電子線露光装置が電子線を照射する１回の照射時間と１回の前記電子線の整定時間との和とし、
   前記電子線露光装置が相補マスクを用いて前記所定のパターンが形成されるように前記レジスト材を露光する場合に費やす動作時間を、前記電子線露光装置が電子線を照射する２回の照射時間と２回の前記電子線の整定時間との和とすることを特徴とする請求項１記載のメンブレンマスクの製造方法。
4. 前記メンブレンマスクのメンブレン内における電子の平均自由工程と前記レジスト材の感度と前記電子線露光装置が照射する電子線の電流密度と前記電子線露光装置が照射する電子線の整定時間とを用いて、前記メンブレン厚さを定めることを特徴とする請求項１記載のメンブレンマスクの製造方法。
5. 前記メンブレン厚さをｄ、前記平均自由工程をΛ、前記感度をＳ、前記電流密度をＪ、前記整定時間をｔｓとして、前記メンブレン厚さｄは、以下の式を満たすことを特徴とする請求項４記載のメンブレンマスクの製造方法。
   ｄ≦−Λ・Ｌｏｇ｛Ｓ／（Ｊ・ｔｓ＋２Ｓ）｝
6. 前記メンブレン厚さは、前記平均自由工程と前記感度と前記電流密度と前記整定時間と、さらに、前記電子線露光装置が照射する電子線の加速電圧とを用いて定められたことを特徴とする請求項４記載のメンブレンマスクの製造方法。
7. 前記メンブレン厚さは、前記平均自由工程と前記感度と前記電流密度と前記整定時間と、さらに、前記メンブレンの膜密度とを用いて定められたことを特徴とする請求項４記載のメンブレンマスクの製造方法。

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