JP3633554B2

JP3633554B2 - マスクおよびその製造方法と半導体装置の製造方法

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Publication number: JP3633554B2
Application number: JP2001389505A
Authority: JP
Inventors: 博樹羽根
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: JP2003188092A

Description

【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「ＵＬＳＩ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（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｗｉｔｈａｎｇｕｌａｒｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｉｎｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ／Ｓ．Ｔ．Ｓｔａｎｔｏｎ他ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ３６７６ｐ．１９４（１９９９）参照）や、ＩＢＭがニコンと共同で開発しているＰＲＥＶＡＩＬ（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｅｘｐｏｓｕｒｅｗｉｔｈｖａｒｉａｂｌｅａｘｉｓｉｍｍｅｒｓｉｏｎｌｅｎｓｅｓ／ＡＨｉｇｈ−ＴｈｒｏｕｇｈｐｕｔＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＡｐｐｒｏａｃｈｔｏ ’Ｓｕｂｏｐｔｉｃａｌ’ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，ＨａｎｓＣ．Ｐｆｅｉｆｆｅｒ，ＪＪＡＰＶｏｌ．３４（１９９５）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１００ｋｅＶ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（’Ｌｏｗｖｏｌｔａｇｅａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｆｏｒｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ’ Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１０（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（ｌｏｗｅｎｅｒｇｙＥ−ｂｅａｍｐｒｏｘｉｍｉｔｙｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）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。ＬＥＥＰＬ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５０ｋｅＶの電子ビームを用いる電子線描画装置（日立製ＨＬ９００Ｄ）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１０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ｄ_１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ｄ_２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１０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１２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．Ｏｄａｅｔａｌ．，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σ_０をもつ。この内部応力値σ_０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σ_０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σ_０（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．Ｏｄａｅｔａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３４，６７２９（１９９５））。
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．Ｏｄａｅｔａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．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５３ｎｍ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１４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（ｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒまたはｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）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；ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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２７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２３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２３をすべて除去するかわりに、孔１２およびダミー孔１３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Ｈ_２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５００ｎｍ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ａｒｃｔａｎ（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１２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ＬＥＥＰＬ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３１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ＬＥＥＰＬ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

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。
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。
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。
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。
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４記載のマスク。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。