JP2013165238A

JP2013165238A - ステンシルマスクの製造方法およびステンシルマスク

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Publication number: JP2013165238A
Application number: JP2012028686A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Sumita; 知也住田
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-08-22

Abstract

【課題】ＳＯＩウエハを用いて作製されるステンシルマスクが有する、エッチングストッパー層の圧縮応力に起因した反りという致命的欠陥を低減し、優れた転写精度を有するステンシルマスクを従来の製造方法よりも簡単な工程で製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るステンシルマスクの製造方法は、基板の一方の表面に不純物を導入して改質層を形成する工程と、改質層をエッチングストッパーとして用いて、不純物を導入していない基板の一部を選択的に除去することによって、基板に開口部を形成する工程と、改質層に荷電粒子線透過孔を形成する工程とを備える。
【選択図】図３Ｇ

Description

本発明は、電子線やイオンビーム等の荷電粒子線露光に用いられるステンシルマスクの製造方法に関する。

近年、ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等における配線の微細化が急速に進み、更に一段と微細な回路パターンを形成するためのリソグラフィー技術の開発が進められている。特に、線幅４５ｎｍ以下のパターン形成においてはＡｒＦ液浸リソグラフィー法が主流となっているが、ＡｒＦ液浸リソグラフィー法を用いた場合でも高アスペクト比のホールパターンの形成が困難であり、２０ｎｍノード以下の微細パターンに対しては解像限界に達する可能性がある。

この問題を解決する方法のひとつに荷電粒子線リソグラフィーが挙げられる。荷電粒子線リソグラフィーは、従来用いられてきたＡｒＦやＫｒＦ等のエキシマレーザーの代わりに、電子線やイオンビーム等の荷電粒子線を露光光源として利用する技術である。

荷電粒子線リソグラフィーでは、露光光源となる荷電粒子線を所望の荷電粒子線透過孔パターンが形成されたステンシルマスクに照射し、ウエハ上のレジストを感光させることにより、微細パターンの形成を行う。従来のエキシマレーザーを用いた露光方法に比べて焦点深度および解像度の向上が期待できる。

従来、荷電粒子線露光に用いられるステンシルマスクの製造にはＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハが多く用いられている。図１（ａ）に示すように、ＳＯＩウエハ（１４）は、単結晶シリコンからなる支持基板（１１）上にシリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層（１２）が形成され、さらに、エッチングストッパー層（１２）の上に単結晶シリコンからなる薄膜層（１３）が形成された３層構造となっている。

ＳＯＩウエハを用いたステンシルマスク（１７）の構造例を図１（ｂ）に示す。支持基板（１１）には荷電粒子線を透過させるための開口部（１５）が形成され、薄膜層（１３）には荷電粒子線を微細パターンに形成するための荷電粒子線透過孔（１６）が形成される。なお、薄膜層（１３）のうち荷電粒子線透過孔（１６）が形成される領域は単層自立膜（以下、メンブレンと記す）となっている。メンブレンの厚さは露光に使用する荷電粒子線の加速電圧や露光方式により異なるが、荷電粒子線透過孔（１６）を透過する荷電粒子線以外はメンブレンにより遮蔽もしくは散乱され、荷電粒子線透過孔（１６）を透過した荷電粒子線によってレジストが露光される。このようにメンブレンに荷電粒子線透過孔（１６）の微細パターンが形成されたマスクをステンシルマスクと呼ぶ。

従来のステンシルマスクの製造方法の一例を図２Ａ〜２Ｇを用いて説明する。

まず、図２Ａに示す通り、単結晶シリコンからなる基板（２１）を用意する。

次に、図２Ｂに示す通り、基板（２１）の表面に熱酸化法にてシリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層（２２）を形成する。

次に、図２Ｃに示す通り、エッチングストッパー層（２２）より深部の基板（２１）内に水素イオン層（２３）を形成する。

次に、図２Ｄに示す通り、エッチングストッパー層（２２）および水素イオン層（２３）が形成された基板（２１）と支持基板（２４）とを貼り合わせる。

次に、図２Ｅに示す通り、水素イオン層（２３）と単結晶シリコン層との界面で基板（２１）を剥離する。さらに、形成された薄膜層（２５）に対してアニール処理やＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）研磨等を行うことにより、ＳＯＩウエハ（２６）が得られる。

次に、エッチングストッパー層（２２）を利用して支持基板（２４）を部分的にエッチング除去した後、支持基板（２４）が除去された部分のエッチングストッパー層（２２）を除去することにより、図２Ｆに示すような開口部（２７）を形成する。これにより、薄膜層（２５）の一部が上述したメンブレンとなる。

次に、図２Ｇに示す通り、メンブレン上に荷電粒子線透過孔（２８）を形成することにより、ステンシルマスク（２９）が得られる。

特開２００２−１５１３８５号公報

このように従来のステンシルマスクの製造には複雑で多くの工程が必要となり、多額のコストを要する。

また、ステンシルマスクの製造に用いられるＳＯＩウエハには、エッチングストッパー層が有する圧縮応力に起因した反りが発生するという問題がある。一般に、薄膜の応力は引っ張り応力と圧縮応力とに分けられ、引っ張り応力は膜自体が収縮する方向に力が働き、引っ張り応力を有する薄膜が形成された基板は薄膜側に凹型に反る。圧縮応力は薄膜自身が伸長する方向に力が働くため、成膜後の基板は薄膜側に凸型に反る。

ＳＯＩウエハの反りの原因となるシリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層の応力は圧縮応力であり、この圧縮応力は、ウエハ全体が薄膜層側に凸型に反った変形を発生させる。この反り量はＳＯＩウエハの製造方法により多少のばらつきはあるが、概ねエッチングストッパー層の応力と膜厚に依存する。エッチングストッパー層を構成するシリコン酸化膜は加熱処理により形成される熱酸化膜であり、その応力は約３００ＭＰａ程度の圧縮応力である。

ＳＯＩウエハ全体の反り量はエッチングストッパー層の応力の他にＳＯＩウエハを構成する各層の膜厚やウエハの口径等によっても異なるが、例えば薄膜層の膜厚が２μｍ、エッチングストッパー層の膜厚が１μｍ、支持基板の膜厚が７２５μｍの８インチＳＯＩウエハでは、ＳＯＩウエハ全体で薄膜層側に８５μｍ程度膨らんだ形の反りが発生することが予想される。

ＳＯＩウエハに上記のような大きな反りが発生した場合、メンブレンに形成される荷電粒子線透過孔の位置精度に悪影響を及ぼす。例えば、ステンシルマスクは静電チャック方式のマスクホルダーに設置された状態で、露光機の中に設置されるが、大きな反りを有するステンシルマスクをマスクホルダーに設置すると、ステンシルマスク全体に変形が生じる。この変形には再現性及び規則性がなく、変形を予測して荷電粒子線透過孔の位置を決定する等の回避手段を採ることができない。

また、このＳＯＩウエハの反りは、ステンシルマスクの製造の際にも悪影響を及ぼす。例えば、メンブレンに形成される荷電粒子線透過孔は、荷電粒子線描画により形成されたレジストパターンをエッチングマスクとしてプラズマエッチングにより形成されるが、荷電粒子線描画機にＳＯＩウエハを設置する際に、露光機の場合と同様にＳＯＩウエハ自体に再現性がなく制御不能な変形が発生するため、メンブレン上に形成される荷電粒子線透過孔のレジストパターンの位置精度も悪化することになる。

このため、位置精度の高いステンシルマスクを製造し、かつ、露光機に設置されたマスクの転写精度の悪化を防止するためには、反り変形の少ないＳＯＩウエハを用いてステンシルマスクを製造することが必要となる。

ＳＯＩウエハの反りを緩和する方法としては、例えば、予めＳＯＩウエハの支持基板裏面に形成されているシリコン酸化膜を反り調整層として用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は効果があるものの、シリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層を除去する際に、同時に上記の反り調整層として用いるシリコン酸化膜が、エッチングされないよう対策をとる必要が生じる。また、ステンシルマスク裏面に絶縁性のシリコン酸化膜が残存することになるため、実際の荷電粒子線描画時にステンシルマスク裏面に荷電粒子線が照射されると、ステンシルマスク自体がチャージアップし、荷電粒子線が偏向して転写精度が大幅に悪化するという問題も発生する。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、ＳＯＩウエハを用いて作製されるステンシルマスクが有する、エッチングストッパー層の圧縮応力に起因した反りという致命的欠陥を低減し、優れた転写精度を有するステンシルマスクを従来の製造方法よりも簡単な工程で製造する方法を提供することを目的とする。

本発明に係るステンシルマスクの製造方法は、基板の一方の表面に不純物を導入して改質層を形成する工程と、当該改質層をエッチングストッパーとして用いて、不純物を導入していない基板の一部を選択的に除去することによって、基板に開口部を形成する工程と、改質層に荷電粒子線透過孔を形成する工程と、を備える。

また、基板は単結晶シリコンからなり、改質層は、不純物としてボロンがドープされた単結晶シリコンからなることを特徴とする。

また、改質層を形成する工程において、拡散法によりボロンを基板に導入することを特徴とする。

また、基板に開口部を形成する工程において、ＫＯＨ水溶液、ＴＭＡＨ（ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌＡｍｍｏｎｉｕｍＨｙｄｒｏｘｉｄｅ）水溶液、ＥＤＰ（ＥｔｈｙｌｅｎｅＤｉａｍｉｎｅＰｙｒｏｃａｔｅｃｈｏｌ）水溶液のいずれかを用いたウエットエッチングにより、不純物を導入していない基板の一部を選択的に除去することを特徴とする。

本発明に係るステンシルマスクは、基板と、基板の一方面から所定深さまで不純物を導入することによって形成された改質層と、基板の他方面側の一部を、基板の他方面から改質層まで除去することによって形成された開口部と、改質層のうち、開口部内に位置する部分に形成された荷電粒子線透過孔とを備える。

また、上記ステンシルマスクにおいて、基板は、単結晶シリコンからなり、改質層は、不純物としてボロンがドープされた単結晶シリコンからなることを特徴とする。

本発明のステンシルマスクの製造方法によって作製されたステンシルマスクにおいては、ＳＯＩウエハを用いて作製される従来のステンシルマスクと異なり、大きな圧縮応力を有するシリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層が存在しない。したがって、エッチングストッパー層が加工されることがない。すなわち、本発明によれば、ＳＯＩウエハを用いて作製される従来のステンシルマスクに比べ、ステンシルマスクの致命的欠陥である反りが大幅に低減されることによって、優れた転写精度を有するステンシルマスクを得ることができる。

その結果、本発明によって製造されたステンシルマスクを用いると、半導体デバイス等のパターン形成を精度良く、且つ高い歩留りで行うことができる。

本発明のステンシルマスクの製造方法はＳＯＩウエハを用いた従来の製造方法に比べて工程が少なく、簡単で、かつコストが低減された製造方法であり、優れた転写精度を有するステンシルマスクを提供することができる。

（ａ）ＳＯＩウエハの一例を示す断面図（ｂ）従来のステンシルマスクの一例を示す断面図従来のステンシルマスクの製造工程での加工状態を示す断面図図２Ａに続く製造工程での加工状態を示す断面図図２Ｂに続く製造工程での加工状態を示す断面図図２Ｃに続く製造工程での加工状態を示す断面図図２Ｄに続く製造工程での加工状態を示す断面図図２Ｅに続く製造工程での加工状態を示す断面図図２Ｆに続く製造工程での加工状態を示す断面図本発明のステンシルマスクの製造工程での加工状態を示す断面図図３Ａに続く製造工程での加工状態を示す断面図図３Ｂに続く製造工程での加工状態を示す断面図図３Ｃに続く製造工程での加工状態を示す断面図図３Ｄに続く製造工程での加工状態を示す断面図図３Ｅに続く製造工程での加工状態を示す断面図図３Ｆに続く製造工程での加工状態を示す断面図

以下、本発明のステンシルマスクの製造方法の一例について説明する。図３Ａ〜３Ｇは本発明のステンシルマスクの製造工程での加工状態を示す断面図である。

まず、図３Ａに示す通り、基板（３１）を用意する。

当該基板（３１）を構成する材料としては、例えば従来のＳＯＩウエハを用いて作製されるステンシルマスクの製造技術を適用できるようにするため、単結晶シリコンを好適に用いることができる。

また、完成したステンシルマスク（３７）における反り量を抑制するために、基板（３１）の初期の反りができるだけ小さいものを選択することが望ましい。

次に、図３Ｂに示す通り、基板（３１）の上面に所望の厚さの改質層（３２）を形成する。

ここで、例えば基板（３１）として単結晶シリコンを用いる場合には、改質層（３２）を構成する材料はボロンがドープされた単結晶シリコンとすることが望ましい。ボロンがドープされた単結晶シリコンは、ドープされていない単結晶シリコンに比べてアルカリ溶液等に対するエッチング耐性が高い。したがって、後に基板（３１）にアルカリ溶液等によるウエットエッチングにより開口部（３４）を形成する際に、当該改質層（３２）をエッチングストッパーとして用いることが可能である。

改質層（３２）を形成するために単結晶シリコンにボロンをドープする方法としては、拡散法を好適に用いることができる。当該改質層（３２）は完成したステンシルマスク（３７）においては、荷電粒子線透過孔（３６）が設けられるメンブレン層となるため、改質層（３２）の膜厚を精密に制御することが重要である。拡散法を用いてボロンのドープを行うことにより、改質層（３２）の膜厚を精密に制御することができる。

また、改質層（３２）を構成する材料としてボロンがドープされた単結晶シリコンを選択する場合、ボロンのドープ濃度は１×１０¹⁹〜１×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲とすることが望ましい。ボロンのドープ濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3より小さい場合には、アルカリ溶液等によるウエットエッチングによりドープされていない単結晶シリコンを部分的に除去して開口部（３４）を形成する際に、ドープされていない単結晶シリコンとのエッチング選択性が十分に得られず、改質層（３２）をエッチングストッパーとして用いることができない。

一方、ボロンのドープ濃度が大きくなるに伴い、改質層（３２）の引っ張り応力が増加する。このため、完成したステンシルマスク（３７）がメンブレン層側に凹型に反りやすくなる。ボロンのドープ濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3より大きい場合には、改質層（３２）の引っ張り応力が１００ＭＰａを超える大きな値となるため望ましくない。

次に、図３Ｃに示す通り、基板（３１）の下面（すなわち、改質層（３２）と反対側の面）の一部領域を除き、基板（３１）の表面を覆うようにエッチングマスク（３３）を形成する。エッチングマスク（３３）を構成する材料としては、例えば基板（３１）を単結晶シリコンとする場合には、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜等を好適に用いることができる。

次に、図３Ｄに示す通り、エッチングマスク（３３）が形成されていない領域における単結晶シリコンを、基板（３１）の表面から改質層（３２）に至るまでエッチング除去し、開口部（３４）を形成する。

ここで、基板（３１）および改質層（３２）を構成する材料としてそれぞれ単結晶シリコン、ボロンをドープした単結晶シリコンを選択する場合、基板（３１）を除去する方法としてＫＯＨ水溶液、ＴＭＡＨ水溶液、ＥＤＰ水溶液のいずれかを用いたウエットエッチングを好適に用いることができる。それにより、改質層（３２）をエッチングストッパーとして機能させることが可能となる。

次に、図３Ｅに示す通り、不要となったエッチングマスク（３３）を除去する。

次に、図３Ｆに示す通り、メンブレンとなった改質層（３２）上面に電子線レジスト等からなるエッチングマスク（３５）を形成する。

次に、図３Ｇに示す通り、エッチングマスク（３５）を用いてドライエッチング等による加工を行い、改質層（３２）のうち、開口部（３４）内に位置する部分に荷電粒子線透過孔（３６）を形成する。その後、残存するエッチングマスク（３５）を除去することによりステンシルマスク（３７）を得る。

なお、上記は本発明のステンシルマスク（３７）の製造方法の一例を説明したにすぎない。例えば、上記では基板（３１）に開口部（３４）を形成した後に、改質層（３２）に荷電粒子線透過孔（３６）を形成する方法について説明したが、逆に改質層（３２）に荷電粒子線透過孔（３６）を形成した後に、基板（３１）に開口部（３４）を形成する方法も本発明に含まれる。

本発明のステンシルマスクの製造方法によって作製されたステンシルマスクにおいては、ＳＯＩウエハを用いて作製される従来のステンシルマスクと異なり、大きな圧縮応力を有するシリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層が存在せず、したがって該エッチングストッパー層が加工されることがない。すなわち、本発明によれば、ＳＯＩウエハを用いて作製される従来のステンシルマスクに比べ、ステンシルマスクの致命的欠陥である反りが大幅に低減されることにより、優れた転写精度を有するステンシルマスクを得ることができる。

その結果、本発明によって製造されたステンシルマスクを用いれば、半導体デバイス等のパターン形成を精度良く、且つ高い歩留りで行うことができる。

また、本発明のステンシルマスクの製造方法はＳＯＩウエハを用いた従来の製造方法に比べて工程が少なく、簡単で、かつコストが低減された製造方法である。

以下、図３を再度参照しながら、本発明のステンシルマスクの製造方法の具体的な実施例を説明する。

まず、図３Ａに示す通り、結晶面方位が（１００）である２００ｍｍΦ、７２５μｍ厚の単結晶シリコンからなる基板（３１）を用意した。

ここで、上記基板（３１）が有する初期の反り量を測定したところ、＋３．０μｍであった。なお、反り量の符号は基板の上面側に凸型に反る場合を＋（プラス）、上面側に凹型に反る場合を−（マイナス）と定義する。また、基板の自重による影響を除外するため、基板上面側を上にして測定した反り量と下面側を上にして測定した反り量の差の１／２を基板の反り量とした。

次に、図３Ｂに示す通り、基板（３１）の上面に拡散法により濃度５×１０¹⁹ｃｍ^-3のボロンをドープすることにより厚さ１．０μｍの改質層（３２）を形成した。

次に、図３Ｃに示す通り、基板（３１）の表面全体にＬＰＣＶＤ（ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜（図示せず）を形成した後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングにより基板（３１）下面に形成されたシリコン窒化膜をパターニングしてエッチングマスク（３３）を形成した。

次に、図３Ｄに示す通り、エッチングマスク（３３）を用いて２５ｗｔ％、８０℃のＫＯＨ水溶液により基板（３１）をエッチングして除去し、開口部（３４）を形成した。

ここで、ＫＯＨ水溶液に対して改質層（３２）のエッチングレートが非常に小さいため、改質層（３２）は、ＫＯＨ水溶液で基板（３１）をエッチングする際のエッチングストッパーとして機能した。

次に、図３Ｅに示す通り、熱リン酸溶液を用いて不要となったエッチングマスク（３３）を除去した。

次に、図３Ｆに示す通り、厚さ１．０μｍのメンブレンとなった改質層（３２）上面に電子線レジストをスピンナーで塗布して１．０μｍ厚の感光層（図示せず）を形成し、電子ビーム描画、現像等のパターニング処理を行って、エッチングマスク（３５）を形成した。

次に、図３Ｇに示す通り、エッチングマスク（３５）を用い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改質層（３２）に荷電粒子線透過孔（３６）を形成した。その後、残存するエッチングマスク（３５）をアッシングにより除去してステンシルマスク（３７）を得た。

以上の方法により作製したステンシルマスク（３７）が有する反り量は−１５μｍと小さかった。

本発明に係るステンシルマスクは、優れた転写精度を有するので、パターン形成を精度良く、且つ高い歩留りで行うことができ、半導体デバイス等の製造に有用である。

１１、２４支持基板
１２、２２エッチングストッパー層
１３、２５薄膜層
１４、２６ＳＯＩウエハ
１５、２７、３４開口部
１６、２８、３６荷電粒子線透過孔
１７、２９、３７ステンシルマスク
２１、３１基板
２３水素イオン層
３２改質層
３３、３５エッチングマスク

Claims

ステンシルマスクの製造方法であって、
基板の一方の表面に不純物を導入して改質層を形成する工程と、
前記改質層をエッチングストッパーとして用いて、前記不純物を導入していない基板の一部を選択的に除去することによって、前記基板に開口部を形成する工程と、
前記改質層に荷電粒子線透過孔を形成する工程とを備える、ステンシルマスクの製造方法。
前記基板は、単結晶シリコンからなり、
前記改質層は、前記不純物としてボロンがドープされた単結晶シリコンからな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の製造方法。
前記改質層を形成する工程において、拡散法によりボロンを前記基板に導入することを特徴とする、請求項２に記載のステンシルマスクの製造方法。
前記基板に開口部を形成する工程において、ＫＯＨ水溶液、ＴＭＡＨ水溶液、ＥＤＰ水溶液のいずれかを用いたウエットエッチングにより、前記不純物を導入していない基板の一部を選択的に除去することを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載のステンシルマスクの製造方法。
ステンシルマスクであって、
基板と、
前記基板の一方面から所定深さまで不純物を導入することによって形成された改質層と、
前記基板の他方面側の一部を、前記基板の他方面から前記改質層まで除去することによって形成された開口部と、
前記改質層のうち、前記開口部内に位置する部分に形成された荷電粒子線透過孔とを備える、ステンシルマスク。
前記基板は、単結晶シリコンからなり、
前記改質層は、前記不純物としてボロンがドープされた単結晶シリコンからなることを特徴とする、請求項５に記載のステンシルマスク。