JP2006098664A - 基板及びステンシルマスク並びに露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチングストッパー層となる中間膜を持つ基板を用いたステンシルマスクの製造において、自立メンブレンとなる薄膜と中間膜および支持基板の応力が最適に調整されるとともに、導電性を有する基板及びステンシルマスク並びに露光方法を提供すること。
【解決手段】支持基板上に酸化インジウム薄膜、シリコン薄膜がこの順序で積層された構造を有する基板を提供する。また、シリコン薄膜と酸化インジウム薄膜は支持基板との間で応力の調整が行われている。また前記酸化インジウム薄膜は、酸素およびインジウム以外の物質として錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、タングステン、ゲルマニウム、テルル、亜鉛、フッ素から選ばれる１種または２種以上の元素が含まれる。さらにこれらの基板を使用して作製されたステンシルマスクと、そのマスクを用いた露光方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明はデバイス製造に用いるマスクに係る。詳しくは、支持基板上に作製した薄膜材料をエッチングストッパー層や荷電粒子線露光時における導電体として利用可能な基板及びステンシルマスク並びに露光方法に関する。

近年、半導体集積回路の微細化に伴い、その製造技術として電子線リソグラフィー、イオンビームリソグラフィー等の研究開発が盛んにおこなわれており、これらリソグラフィー技術に使用されるステンシルマスクは厚さ２μｍ以下の自立シリコン薄膜（メンブレン）に転写貫通パターンを形成したものが使われている。詳しくは、係るリソグラフィ技術の中でも半導体の微細化に対応する方法として、電子線を用いたセルプロジェクション露光法やブロック露光法と呼ばれる方法、さらに高スループット化が可能なＥＰＬ（Electron Projection Lithography）法、ＬＥＥＰＬ（Low Energy E-beam ProximityProjection Lithography）法と呼ばれる電子線投影露光法が開発されている。

このリソグラフィに使用されるステンシルマスクを製造する際に使用するステンシルマスク用基板としては、微細加工のし易さから、図５に示すようなＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板４００が用いられている。薄膜３００は自立メンブレンとなる部分で、単結晶シリコン基板を研磨して所定の膜厚にし、次いでパターンを形成することによりこの部分にマスクパターンが形成されている。これを支えてマスクの平面性を維持するために、支持基板１００が必要である。この支持基板としては、加工性や入手容易性の点から、単結晶シリコンが用いられている。そしてエッチングにより薄膜の微細加工を行うため中間層に酸化シリコン薄膜２００を用いた積層構造がとられている。この時、この酸化シリコン薄膜はマスクパターンを加工する際のエッチングストッパーとして機能する。これは、単結晶シリコンとの間でエッチング選択比が比較的高く、酸化シリコン薄膜の膜厚を薄くできるからである。（例えば、特許文献１参照。）

しかし一般的なＳＯＩ基板は、中間層である酸化シリコン薄膜２００が支持基板に対して高い応力を有しており、ステンシルマスクの製造工程において、単結晶シリコン薄膜から成る自立メンブレンに形成されるパターンが反ったり、パターンによっては応力集中により亀裂が入るといった現象が発生する。

このようなＳＯＩ基板において、単結晶シリコン層３００は、若干の引っ張り応力（２０ＭＰａ以下）を有するように、すなわち自立メンブレンが弛み無く張るように、シリコンより原子半径の小さいリンやホウ素などをドープするなどして応力調整を行う工程が必要であった。また中間層２００は前述のとおりエッチングストッパー層としての役割があるほか、洗浄、現像、レジスト剥離などの工程で複数の薬液に曝されるため、これらの薬液に充分な耐性を有する必要があり、適切な代替材料が見つからないという理由から、これまで材料を変更することは困難であった。またこの中間層は導電性をもたないため、作製したステンシルマスクを用いて露光するとマスクが帯電し、その程度によってはメンブレンが破壊されることも問題であった。

特開平１１−５４４０９号公報

本発明は係る従来の問題に鑑みなされたもので、その目的とするところは、エッチングストッパー層となる中間膜を持つ基板を用いたステンシルマスクの製造において、自立メンブレンとなる薄膜と中間膜および支持基板の応力が最適に調整されるとともに、導電性を有する基板及びステンシルマスク並びに露光方法を提供することにある。

本発明において上記課題を達成するために、先ず本発明の第１の発明は、支持基板上に酸化インジウム薄膜、シリコン薄膜がこの順序で積層された構造を有することを特徴とする基板である。中間膜に酸、アルカリ耐性の高い酸化インジウムを用いることで支持基板及びシリコン薄膜の加工性が向上するほか、従来のＳＯＩを用いたステンシルマスク製造の工程をそのまま利用することができる。

また、本発明の第２の発明は、前記酸化インジウム薄膜およびシリコン薄膜が、支持基板との間で応力の調整が行われていることを特徴とする請求項１に記載の基板である。このように薄膜と支持基板との間で予め応力を調整した基板を使用することで、シリコン薄膜から成る自立メンブレンに形成されるパターンが反ったり、パターンに亀裂が入ったりする現象を抑えることができる。

また、本発明の第３の発明は、前記シリコン薄膜にリンまたはホウ素がドープされていることを特徴とする請求項１または２に記載の基板である。シリコン薄膜にリンまたはホウ素をドープすることで、導電性を有するシリコン薄膜を作成することができ、基板に荷電粒子線を照射した際にシリコン薄膜側に堆積した電荷を除去することが可能になる。

また、本発明の第４の発明は、前記支持基板はシリコン基板であって、リンまたはホウ素がドープされていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の基板である。支持基板にシリコン基板を用いることで、支持基板をエッチングする際に、エッチングストッパー層である酸化インジウム膜との間で４３０００以上の高い選択比を確保でき、エッチング速度に面内のばらつきが有る場合においても、エッチングストッパー層を貫通することなく均一にエッチングできる。また、エッチングストッパー層の膜厚を薄くすることが可能になり、材料の使用量を削減できるとともに、積層するシリコン薄膜との間の応力による反りなどの影響も小さくでき、応力調整が容易になる。さらに、支持基板にリンまたはホウ素をドープすることで、導電性を有する支持基板を作成することができ、基板に荷電粒子線を照射した際に支持基板側に堆積した電荷を除去することが可能になる。

また、本発明の第５の発明は、前記酸化インジウム薄膜には、酸素およびインジウム以外の元素として、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、タングステン、ゲルマニウム、テルル、亜鉛、フッ素から選ばれる１種または２種以上の元素が含まれていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の基板である。このような構成にすることで中間層である酸化インジウム薄膜の導電性を高めることができ、基板に荷電粒子線を照射したときにシリコン薄膜側または支持基板基板側に堆積した電荷を、中間層を通して反対側から除去することが容易になる。また、これらの酸化インジウム薄膜は塩酸、臭酸、ヨウ素酸を除く一般的な酸またはアルカリおよびフッ素系ガス（ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８、ＳＦ６等）に耐性があり、またハロゲン系の酸で容易に剥離することができることから、この層をエッチングストッパー層として用いることで、前記シリコン薄膜またはシリコンウェハーを効果的にエッチングすることができるとともに、エッチングストッパー層の膜厚を薄くすることができる。

また、本発明の第６の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の基板を用いてシリコン薄膜に転写パターンを形成する貫通口を設け、前記支持基板と前記酸化インジウム薄膜の該転写パターンに対応する部分に開口部を形成したことを特徴とするステンシルマスクである。このような構成にすることで、メンブレンにたわみや応力による歪みが生じず、また、基板の反りも抑えられるため、転写パターンを形成する際の位置精度が良好であり、製造されたマスクもパターンの位置ずれや反りの無い良好なステンシルマスクとなる。

また、本発明の第７の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の基板を用いて前記シリコン薄膜と前記酸化インジウム薄膜に転写パターンを形成する貫通口を設け、前記支持基板の該転写パターンに対応する領域に開口部を形成したことを特徴とするステンシルマスクである。このような構成にすることで、メンブレンにたわみや応力による歪みが生じず、また、基板の反りも抑えられるため、転写パターンを形成する際の位置精度が良好であり、製造されたマスクもパターンの位置ずれや反りの無い良好なステンシルマスクとなる。

また、本発明の第８の発明は、請求項６または７のステンシルマスクに荷電粒子線を照射し、転写パターンの形状に荷電粒子線を成形して、被転写基板上に転写パターンを形成する工程を備えることを特徴とする荷電粒子線の露光方法である。係る露光方法によると、被転写基板上に形成されたレジストに対し精度良いパターン露光が可能となり、その結果、半導体装置等におけるパターンの形成を、高い歩留まりで行うことができる。

本発明の基板およびステンシルマスクによると、エッチングストッパー層及びシリコン薄膜についてその応力の調整が行われているため、マスク全体の反りを防止し、自立メンブレンのたわみを抑制することが可能になる。また、微細パターンの変形や位置ずれを起こりにくくできる。

また、中間層である酸化インジウム薄膜はステンシルマスクの材料に用いられるシリコン系材料との間で４３０００以上の高いエッチング選択比を確保できることから、エッチング速度に面内のばらつきが有る場合においても、エッチングストッパー層を貫通することなく均一にエッチングできる。また、エッチングストッパー層の膜厚を薄くすることができる。このことは材料の使用量を削減するばかりでなく、積層するシリコン薄膜との間の応力による反りなどの影響も小さくでき、応力調整が容易になる。

また、本発明の露光方法によると、被転写基板上に形成されたレジストに対し、精度の高いパターン露光が可能となり、その結果、半導体回路等のパターンの製造を高い歩留まりで行うことができる。

以下、本発明の実施の形態につき説明する。図１は本発明の基板の一実施例を示す模式構成断面図である。

支持基板１に用いる材料は酸化インジウム薄膜２との間でエッチング選択比が高くなるものが好ましく、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどが挙げられる。その中でもリンやホウ素などをドープして比抵抗を低くしたものが好ましい。

支持基板上の酸化インジウム薄膜２は、成膜条件によっては熱膨張係数の差や膜中に取り込まれた不純物などにより応力が働き基板は反るが（図４（ａ）、（ｂ））、応力制御を行って酸化インジウム薄膜２を形成すると基板の反りを抑えることができる。酸化インジウム薄膜２の成膜方法は、均一にコーティングでき付着力も高いスパッタ法が好ましい。応力調整方法は、スパッタ時の全圧を制御する方法、基板温度を制御する方法、焼成温度を制御する方法などいずれの方法でも可能である。酸化インジウム薄膜に添加する不純物としては、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、タングステン、ゲルマニウム、テルル、亜鉛、フッ素などがあるが、高い導電性が期待できる点から錫を用いることが望ましい。

次に、成膜した酸化インジウム薄膜２上にシリコン薄膜３を形成する。この時の応力の調整方法はスパッタ時の全圧を制御する方法、基板温度を制御する方法、焼成温度を制御する方法などの方法が使用できる。なお成膜方法はスパッタ法の他、成膜速度の速いＣＶＤ法や電子ビーム蒸着法を用いてもよい。シリコン薄膜３は、リンやホウ素などをドープして比抵抗を低くしたものが好ましい。

図２は本発明のステンシルマスクの一実施例を示す模式構成断面図である。図１の基板を用いて、シリコン薄膜３に転写パターンとなる貫通口を設け、支持基板１と酸化インジウム薄膜２には、シリコン薄膜の貫通口が設けられた領域に開口部を設けたものである。

続いて、図３を参照して、本発明の基板を用いてステンシルマスクを製造する方法について説明する。
まず、前述した方法で製造された基板を準備する（図３（ａ））。

次に、通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターン４を作成し（図３（ｂ））、これをマスクとし支持基板をドライエッチングして開口部５を形成し、レジスト剥離液またはアッシングによってレジストを剥離する（図３（ｃ））。ドライエッチングには、支持基板にシリコンウェハーを用いた場合は、フッ素系ガス（ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８、ＳＦ６等）を主体とした混合ガスがエッチングマスクの材料の耐性を考慮したうえで使用できる。ドライエッチング装置としては、公知のＲＩＥ、ＥＣＲ、ＩＣＰ、マイクロ波、ヘリコン波、ＮＬＤ等の放電方式を用いたものが挙げられる。このとき中間層である酸化インジウム薄膜２がエッチングストッパー層として働き、その選択比はシリコンとの間で４３０００以上が期待できる。

続いて開口部５に現れた酸化インジウム膜をハロゲン系の酸を用いて剥離する（図３（ｄ））。剥離には一般的な錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）のエッチャントが使用できる。

次に通常のフォトリソグラフィーまたは荷電粒子線リソグラフィーによって、シリコン薄膜３をパターニングするためのレジストパターンを形成し、これをマスクとして、ドライエッチングにより、シリコン薄膜パターンを形成する。この場合のドライエッチングについては、エッチング方法やエッチング条件等は特に制限されない。エッチングに使用するガスとしては、例えば、ＳＦ６ガス、ＣＦ４ガスといったフッ素系ガスを主体とした混合ガス、Ｃｌ２ガス、ＳｉＣｌ４ガスといった塩素系ガスを主体とした混合ガス、ＨＢｒガスといった臭素系ガスを主体とした混合ガス等が挙げられる。また、ドライエッチング装置としては、ＲＩＥ、マグネトロンＲＩＥ、ＥＣＲ、ＩＣＰ、マイクロ波、ヘリコン波、ＮＬＤ等の放電方式を用いたドライエッチング装置が挙げられる。

以上のようにして貫通した荷電粒子線の透過孔を有する転写マスクが完成する（図３（ｅ））。なお各工程では適宜洗浄を行うことが望ましい。また、支持基板と酸化インジウム薄膜の開口部形成と、シリコン薄膜への転写パターンの形成は、順番を逆に行ってもよい。また、以上説明した方法では、図３（ｄ）のステップで開口部５に現れた酸化インジウム膜を剥離しているが、酸化インジウム膜にも転写パターンの形成を行って、図３（ｆ）に示すように酸化インジウム膜を残しても良い。

錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）ターゲットを用いて、スパッタガス圧０．５Ｐａ、投入電力３００Ｗで直流マグネトロンスパッタ装置により、ホウ素をドープした低比抵抗の単結晶シリコンウェハー基板上にＩＴＯ膜を１００ｎｍ成膜した。次にホウ素をドープした低比抵抗のシリコンターゲットを用いて、スパッタガス圧０．３Ｐａ、投入電力１５０Ｗで直流マグネトロンスパッタ装置によりシリコン薄膜を２μｍの膜厚で先の基板に積層した。作製した基板を２５０℃で１時間焼成した。この時、基板に反りは見られなかった。

次にスピンコーターを用いて基板裏面（シリコン支持基板面）にフォトレジストを２０μｍの厚さに塗布し、１３０℃で３０分間焼成した。続いて開口部を作製するためのフォトマスクを用いて基板裏面にコンタクト露光し、アルカリ現像液により現像し、フォトレジスト上に開口部のパターンを形成した。これをフロロカーボン系混合ガスを用いたＩＣＰドライエッチング装置によりエッチングを行い、酸素プラズマアッシング装置によりレジスト剥離を行ったのち、６Ｍ塩酸＋０．２Ｍ塩化鉄（ＩＩＩ）水溶液によりＩＴＯ層を除去してシリコン支持基板に開口部を作製した。

次に、基板の表面（シリコン薄膜層）に電子線レジストをスピンコータにて成膜し、焼成を行い、電子線描画機にて電子線レジスト上に描画を行い、専用のアルカリ現像液を用いて現像することで、電子線レジスト上に半導体回路パターンを形成した。これをマスクとしてフロロカーボン系混合ガスを用いたＩＣＰドライエッチング装置によりシリコン薄膜層をエッチングして荷電粒子線が透過する転写パターンを形成し、残っているレジストパターンを有機溶剤により除去し、本発明のステンシルマスクが完成した。なおアルカリ溶液を含む各種洗浄液による洗浄は、適宜行った。

以上、製造されたステンシルマスクには、転写パターンが形成された後においても、面内でのパターン変形を抑制することができ、良好なステンシルマスクができた。

以上のようにして作製したステンシルマスクを荷電粒子線露光装置に搭載して露光を行った。ここでの荷電粒子線は、電子線を用いた。電子銃から射出された電子線を、所定の位置に配置されたステージ上のステンシルマスクに照射して、転写パターンの形状に電子線を成形し、この電子線を電子レンズで縮小し、試料として予めレジストを塗布したステージ上の感応基板の所望の位置に転写パターンを投影結像させて、電子線露光を行った。この結果、試料上のパターンは設計値通りに高精度な露光ができることを確認した。

本発明は、デバイス製造のリソグラフィー工程で使用されるマスク、特に電子線による露光装置のマスクに用いることができる。

本発明の基板の一実施例を模式的に示す断面図である。 本発明のステンシルマスクの一実施例を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の基板を用いたステンシルマスクの製造工程の一例を模式的に示す説明図である。 （ａ）及び（ｂ）は、基板の反りの状態を示す説明図である。 一般的に用いられているＳＯＩ基板の一例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１・・・支持基板
２・・・酸化インジウム薄膜
３・・・シリコン薄膜
４・・・レジストパターン
５・・・開口部
１０・・・ステンシルマスク
１００・・・シリコン基板
２００・・・酸化シリコン薄膜
３００・・・シリコン薄膜
４００・・・ＳＯＩ基板

Claims (8)

1. 支持基板上に酸化インジウム薄膜、シリコン薄膜がこの順序で積層された構造を有することを特徴とする基板。
2. 前記酸化インジウム薄膜およびシリコン薄膜が、支持基板との間で応力の調整が行われていることを特徴とする請求項１に記載の基板。
3. 前記シリコン薄膜にリンまたはホウ素がドープされていることを特徴とする請求項１または２に記載の基板。
4. 前記支持基板はシリコン基板であって、リンまたはホウ素がドープされていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の基板。
5. 前記酸化インジウム薄膜には、酸素およびインジウム以外の元素として、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、タングステン、ゲルマニウム、テルル、亜鉛、フッ素から選ばれる１種または２種以上の元素が含まれていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の基板。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の基板を用いてシリコン薄膜に転写パターンを形成する貫通口を設け、前記支持基板と前記酸化インジウム薄膜の該転写パターンに対応する領域に開口部を形成したことを特徴とするステンシルマスク。
7. 請求項１乃至５の何れかに記載の基板を用いて前記シリコン薄膜と前記酸化インジウム薄膜に転写パターンを形成する貫通口を設け、前記支持基板の該転写パターンに対応する領域に開口部を形成したことを特徴とするステンシルマスク。
8. 請求項６または７のステンシルマスクに荷電粒子線を照射し、転写パターンの形状に荷電粒子線を成形して、被転写基板上に転写パターンを形成する工程を備えることを特徴とする荷電粒子線の露光方法。

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