JP2010219213A - ステンシルマスク及び電子線露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部分一括露光法に代表される電子線リソグラフィにおいて、メンブレンのたわみを軽減し、位置精度やパターン寸法精度に優れたステンシルマスクおよび電子線露光方法を提供する。
【解決手段】ステンシルパターンが形成されるメンブレン領域と、前記メンブレン領域を取り囲むバルク領域と、前記メンブレン領域とバルク領域との境界部であるメンブレンエッジ部と、を備え、前記メンブレンエッジ部は、９０°以上の屈折部位がない閉じた線形状であることを特徴とするステンシルマスク、およびそのステンシルマスクを用いて、電子線を照射させることを特徴とする電子線露光方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステンシルマスク及び電子線露光方法に関し、特に、メンブレンのたわみを軽減し、位置精度やパターン寸法精度に優れたステンシルマスクおよび電子線露光方法に関するものである。

近年、半導体製造プロセスにおいて、露光光源に電子線を用いた電子線リソグラフィ技術が試作開発や準量産のデバイスに使われている。特に線幅２２ｎｍノード以降の先端リソグラフィにおいては、ＥＵＶやＡｒＦ液浸、ダブルパターニングといった方式ではマスクや露光装置の高騰が顕著になるため、主に少量品のプロセスにおいて、電子線リソグラフィの適用が期待されている。

電子線リソグラフィには、フォトマスクによる光リソグラフィに比べてスループットが低い、というデメリットがある。そこでスループット向上のために、回路パターンでよく用いられる図形を抽出し、抽出したパターンを貫通パターンとして形成したステンシルマスクを用いた電子線リソグラフィが研究されている。このリソグラフィ法は部分一括露光法と呼ばれている。

図８は従来のステンシルマスクを示す概略上面図であり、図９は従来のステンシルマスクを示す概略断面図である。ステンシルマスクとは、シリコンのバルク領域３１内にメンブレンエッジ部３２で支持された自立薄膜(メンブレン)３３を有し、ステンシルパターン３４が形成されたマスクである。部分一括露光法では、メンブレン３３に入射した電子線はメンブレン内に吸収もしくは散乱され、ステンシルパターン３４を通過した電子線が被転写基板に到達してリソグラフィを行うことが可能である。

従来のステンシルマスクは、シリコンのバルク領域３１およびメンブレン３３が導電性を有しないため、そのままでは電子線を照射した際にステンシルマスクが帯電（チャージアップ）する現象が生じる。ステンシルマスクの帯電により、電子線の偏向に起因する転写位置のズレや、試料基板交換時におけるメンブレン破壊などといった問題が発生する。

この問題を解決するため、ステンシルマスクの表面に導電膜を形成することにより、ステンシルマスクに導電性を持たせる方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかし、パターンの微細化が進むにつれて貫通パターンも微細なものが要求されたため、メンブレン加工の観点からメンブレンの薄膜化が進行した。その結果、導電膜の応力にメンブレンが耐えられなくなり、メンブレンがたわむことで、パターン寸法や位置精度にズレが生じる問題が発生している。

これは、ドライエッチングを用いることでバルク領域が垂直形状に加工されるために、バルク領域から見たメンブレンに対し、均一な膜厚で導電膜が成膜されず、表裏で応力の不均衡を生じるためである。プロセスの簡便性から、メンブレン部は長さが数百μｍ〜数十ｍｍの長方形状もしくは正方形状が選択されている。バルク領域から見たメンブレンは、バルク領域との境界が大きな段差となるために、メンブレンエッジ部、特にコーナー部に近いほど、所望の膜厚が成膜されない傾向にある。この傾向はコーナー部の角度が小さいほど顕著である。一方、バルク領域とは反対側から見たメンブレンには、所望の膜厚がほぼ均一に成膜される。この膜厚分布の相違がメンブレンたわみとなって現れる。

図１０に従来のステンシルマスク表裏面にＰｔを約７０ｎｍ堆積させた場合のメンブレンたわみを、図１１に従来のステンシルマスクにおけるメンブレン部３５の概略上面図を示す。図１０はステンシルマスクを地面と平行に静置し、メンブレン部３５の中心を通る補助線３６上の各位置において、メンブレンエッジ部３７の高さを基準としたときのメンブレン上の高さをプロットしたものである。ここでメンブレン部の厚みは１０μｍ、メンブレンエッジ部３７は一辺がＬ＝５．０ｍｍの正方形としてプロットした。図１０に示すように、中央部でメンブレン高さが最も低くメンブレンエッジ部３７で最も高い。中央部とメンブレンエッジ部３７との高さの差をたわみ量と定義すると、たわみ量は約１５μｍである。たわみ量はメンブレン部の厚みが薄くなるほど大きくなる傾向にある。

これらの問題を回避するために、バルク領域の加工にウエットエッチングを用いる方法がある。ウエットエッチングではバルク領域にシリコン基板を用いた場合、５４．７度の傾斜をもってシリコンをエッチングするため、メンブレンと支持枠体との境界部も均一に成膜することができる。

しかし、現在ウエットエッチング方式は使用する溶剤がもたらす環境に対する負荷や技術的な要求からドライエッチング方式に取って変わられるようになってきている。

具体的な技術要求の一つに、近年のステンシルマスクに対する転写パターン数の増大がある。その要求にこたえるにはメンブレンの領域を広く取る必要がある。しかし、バルク領域に傾斜を持たせると、その分メンブレン領域を縮小することになり、結果としてパターン数を増やすことが出来ない。そこで、パターン数を増やすためにドライエッチングを用いて支持枠体を垂直形状に加工する方法が取られるようになっている。

特開平０８−２４０９０３号公報

本発明は、部分一括露光法に代表される電子線リソグラフィにおいて、メンブレンのたわみを軽減し、位置精度やパターン寸法精度に優れたステンシルマスクおよび電子線露光方法を提供するものである。

本発明の請求項１に係る発明は、ステンシルパターンが形成されるメンブレン領域と、前記メンブレン領域を取り囲むバルク領域と、前記メンブレン領域とバルク領域との境界部であるメンブレンエッジ部と、を備え、前記メンブレンエッジ部は、９０°以上の屈折部位がない閉じた線形状であることを特徴とするステンシルマスクである。

本発明の請求項２に係る発明は、前記メンブレンエッジ部は、四角形以上の多角形状であり、その多角形の角部が丸められていることを特徴とする請求項１に記載のステンシルマスクである。

本発明の請求項３に係る発明は、前記メンブレンエッジ部は、正四角形状であり、該正四角形の角部は正四角形の一辺の長さの半分の長さの曲率半径で丸められていることを特徴とする請求項１または２に記載のステンシルマスクである。

本発明の請求項４に係る発明は、前記角部の丸みは、１００μｍ以上３０００μｍ以下の曲率半径で規定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のステンシルマスクである。

本発明の請求項５に係る発明は、前記メンブレンエッジ部は、鋭角を含まない五角形以上の多角形状であることを特徴とする請求項１に記載のステンシルマスクである。

本発明の請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれかに記載のステンシルマスクを用いて、電子線を照射させることを特徴とする電子線露光方法である。

本発明によれば、部分一括露光法に代表される電子線リソグラフィにおいて、メンブレンのたわみを軽減し、位置精度及びパターン寸法精度に優れたステンシルマスクおよび電子線露光方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクを示す概略上面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクの表裏面にＰｔを約７０ｎｍ堆積させた場合のメンブレンたわみである。 本発明の第３の実施の形態に係るステンシルマスクを示す概略上面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例に係るステンシルマスクの作製工程を示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例に係るステンシルマスクの作製工程を示す概略断面図である。 本発明の実施例に係るシリコン活性層上に形成したステンシルパターン領域を示すＳＯＩ基板の概略上面図である。 本発明の実施例に係る支持シリコン基板上に形成したステンシルパターン領域を示すＳＯＩ基板の概略上面図である。 従来のステンシルマスクを示す概略上面図である。 従来のステンシルマスクを示す概略断面図である。 従来のステンシルマスク表裏面にＰｔを約７０ｎｍ堆積させた場合のメンブレンたわみである。 従来のステンシルマスクにおけるメンブレン部の概略上面図を示す。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。実施の形態において、同一構成要素には同一符号を付け、実施の形態の間において、重複する説明は省略する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクを示す概略上面図である。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態にかかるステンシルマスクは、メンブレン領域とバルク領域１との境界部であるメンブレンエッジ部８が、「正四角形であり、正四角形の角部は正四角形の一辺の長さの半分の長さの曲率半径で丸められている閉じた線形状」であり、メンブレンエッジ部８は直径Ｄの円形状を形成している。メンブレンエッジ部８の直径Ｄはステンシルパターン領域１０に近いほど、メンブレン剛性が高まるが、パターン不良の原因となる恐れがある。そこで、プロセスにも依存するが、表裏アライメント露光の重ね精度を考慮して、メンブレンエッジ部８との距離は少なくとも３０μｍ以上あることが望ましい。

図２に本発明の第１の実施の形態に係るステンシルマスクの表裏面にＰｔを約７０ｎｍ堆積させた場合のメンブレンたわみを示す。図２はステンシルマスクを地面と平行に静置し、図１におけるメンブレン部の中心を通る補助線１１上の各位置において、メンブレンエッジ部８の高さを基準としたときのメンブレン上の高さをプロットしたものである。メンブレン部の厚みは１０μｍ、メンブレンエッジ部８は直径が５．０ｍｍの円形とした。これにより、この時のたわみ量は約７μｍとなり、従来のステンシルマスクに比べてたわみを低減することができる。

本発明の第１の実施の形態は、部分一括露光法に代表されるような、電子線の偏向領域が円形に近い場合の露光方法において特に有効である。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るステンシルマスクは、メンブレン領域を保持するメンブレンエッジ部が五角形以上の多角形状であり、その多角形の角に鋭角を含まない形をバルク領域内に形成している。メンブレンエッジ部におけるコーナー部の角度を大きくすることにより、バルク領域側から見たメンブレンに対しても、導電膜を均一に成膜することができる。

（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態に係るステンシルマスクを示す概略上面図である。図３に示すように、本発明の第３の実施の形態に係るステンシルマスクは、メンブレン領域を保持するメンブレンエッジ部１２が長方形を含む多角形状であり、その多角形の角が丸められている形をバルク領域１内に形成している。図３では多角形として長方形を採用している。メンブレンエッジ部１２におけるコーナー部１３に丸みを持たせることにより、バルク領域側から見たメンブレンに対しても、導電膜を均一に成膜することができる。ここで、メンブレンエッジ部１２におけるコーナー部の丸み１３は、曲率半径が１００μｍ以上３０００μｍ以下の範囲内にある程度であればよい。特に、曲率半径が１００μｍ以上の場合、コーナー部の丸みが曲率半径１００μｍより小さいと導電膜を均質に成膜することが困難であるため、導電膜を形成する構成において好ましい。

第３の実施の形態は、電子線の偏向領域が矩形に近い場合の露光方法において特に有効である。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る電子線露光方法は、上記第１から第３の実施形態におけるステンシルマスクのような円形、鋭角を含まない五角形以上の多角形、または四角形以上の多角形で角が丸い形のステンシルマスクを用い、ステンシルパターン領域内の任意のステンシルパターンを選択して電子線照射を行い、被露光基板に電子線を照射する。これにより、位置寸法やパターン精度に優れた電子線露光が行える。

まず、図４（ａ）に示すように、厚さ１０μｍのシリコン活性層１４、厚さ１μｍの中間酸化膜１５、厚さ５２５μｍの支持シリコン基板１６からなる直径が１００ｍｍφのＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１７を用意した。支持シリコン基板１６は熱浴としての役割を果たすため、できるだけ厚く、例えば８インチウェハの標準的な厚さである７２５μｍなどが望ましい。また、中間酸化膜１５の厚さは厚すぎると酸化膜の圧縮応力によるメンブレン破壊の原因となるため、ドライエッチングのエッチングストッパ層として充分な厚みである範囲において薄くすることが望ましい。

次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン活性層１４上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）の電子線感応性ポジレジスト１８（感度：３００μＣ／ｃｍ^２）をスピンコート法により、１０００ｎｍの膜厚で塗布した。

次に、図４（ｃ）に示すように、ポジレジスト１８上のステンシルパターン領域にステンシルパターンを電子線照射量が３００μＣ／ｃｍ^２となるように電子線を露光し、同時に位置合わせ用レジストマーク１９を露光した。さらに、４−メチル−２−ペンタノンによる現像を施し、レジストパターン２０を得た。

この時のＳＯＩ基板１７の上面図を図６に示す。図６に示すように、レジストパターン２０はステンシルパターン領域１０内に形成されており、本実施例では３×３のアレイ状に配置されている。

次に図４（ｄ）に示すように、同レジストパターン２０をエッチングマスクにしてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより、中間酸化膜１５をエッチングストッパ層として、シリコン活性層１４の一部をエッチングし、酸素アッシングによるレジスト剥離を施した後、表裏合わせマーク用パターン２１及びステンシルパターン２２を得た。

次に図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１１の支持シリコン基板１６の表面にフォトレジストをスピンコート法により塗布して、厚さ５０μｍの感光層２３を形成し、フォトマスクを用いたパターン露光および現像処理を行った後、メンブレン開口用レジストパターン２４を形成した。この時、パターン露光時のＳＯＩ基板１７とメンブレン開口用レジストパターン露光用のフォトマスクとの位置合わせは、表裏合わせマーク用パターン２１とフォトマスク上に予め形成されたアライメントマークを用いた。

この時のＳＯＩ基板１７の上面図を図７に示す。図７に示すように、ＳＯＩ基板１７上に円形のメンブレン開口用レジストパターン２４を３×３個配列した。

次に図５（ｂ）に示すように、メンブレン開口用レジストパターン２４をエッチングマスクにしてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより、中間酸化膜１５をエッチングストッパ層として支持シリコン基板１６の一部をエッチングし、さらにＨＦ溶液に浸漬して、ドライエッチングにより露出した中間酸化膜１５を除去した。

次に図５（ｃ）に示すように、酸素アッシングにより感光層２３を除去した後、ＳＯＩ基板１７のＲＣＡ洗浄を行った。

次に図５（ｄ）に示すように、シリコン活性層１４側および支持シリコン基板１６側からスパッタリング法によりＰｔを堆積し、電子線照射時のチャージアップ防止として導電膜２５を形成した後、ステンシルマスク２６を得ることができた。

ここでステンシルマスクはブロック露光装置に搭載できるような大きさに切り出しておくことが望ましく、切り出す方法としてはスクライブラインを予め形成しておいて切り出す方法や、ダイサーを用いて切り出す方法がある。

これにより、メンブレンのたわみの軽減を実現することができ、位置精度およびパターン寸法精度に優れたステンシルマスクを作製することができた。

そして、作成したステンシルマスクを用いて、電子線を照射することにより、位置精度およびパターン寸法精度に優れた電子線露光を行うことができた。

１…バルク領域
８…メンブレンエッジ部
１０…ステンシルパターン領域
１１…補助線
１２…メンブレンエッジ部
１３…コーナー部の丸み
１４…シリコン活性層
１５…中間酸化膜
１６…支持シリコン基板
１７…ＳＯＩ基板
１８…電子線感応性ポジレジスト
１９…位置合わせ用レジストマーク
２０…レジストパターン
２１…表裏合わせマーク用パターン
２２…ステンシルパターン
２３…感光層
２４…メンブレン開口用レジストパターン
２５…導電膜
２６…ステンシルマスク
３１…バルク領域
３２…メンブレンエッジ部
３３…メンブレン
３４…ステンシルパターン
３５…メンブレン部
３６…補助線
３７…メンブレンエッジ部

Claims (6)

1. ステンシルパターンが形成されるメンブレン領域と、
   前記メンブレン領域を取り囲むバルク領域と、
   前記メンブレン領域と前記バルク領域との境界部であるメンブレンエッジ部と、を備え、
   前記メンブレンエッジ部は、９０°以上の屈折部位がない閉じた線形状であること
   を特徴とするステンシルマスク。
2. 前記メンブレンエッジ部は、四角形以上の多角形状であり、その多角形の角部が丸められていること
   を特徴とする請求項１に記載のステンシルマスク。
3. 前記メンブレンエッジ部は、正四角形状であり、該正四角形の角部は正四角形の一辺の長さの半分の長さの曲率半径で丸められていること
   を特徴とする請求項１または２に記載のステンシルマスク。
4. 前記角部の丸みは、１００μｍ以上３０００μｍ以下の曲率半径で規定されていることを特徴とする請求項２または３に記載のステンシルマスク。
5. 前記メンブレンエッジ部は、鋭角を含まない五角形以上の多角形状であることを特徴とする請求項１に記載のステンシルマスク。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のステンシルマスクを用いて、電子線を照射させることを特徴とする電子線露光方法。