JP4251002B2

JP4251002B2 - ステンシルマスク用基板およびステンシルマスク用基板の製造方法

Info

Publication number: JP4251002B2
Application number: JP2003111312A
Authority: JP
Inventors: 秀幸江口; 敏明黒須; 考治郎伊藤; 章田村
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: JP2004319742A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線やイオンビームなどの荷電粒子線露光に用いられるステンシルマスク用基板、及びステンシルマスク、並びにステンシルマスクの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステンシルマスクの使用例は、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Ｓｉ自立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。
【０００３】
詳しくは、かか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（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）法、ＬＥＥＰＬ（ＬｏｗＥｎｅｒｇｙＥ−ｂｅａｍＰｒｏｘｉｍｉｔｙＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）法と呼ばれる電子線投影露光法が開発されている。
【０００４】
このリソグラフィに用いられるステンシルマスクの製造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３（ａ）に示すようなＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板４が用いられている。ＳＯＩ基板は、支持基板となる単結晶シリコンウェハ３と、この単結晶シリコンウェハ上に形成された、エッチングストッパーとなる中間絶縁膜２と、この中間絶縁膜上に形成され、転写パターンが形成された、自立メンブレンとなる単結晶シリコン層１とにより構成されている。
【０００５】
自立メンブレンの厚みは、電子線を散乱し、自立メンブレンの剛性を強めるために、厚い程好ましいが、一方で転写貫通パターンの加工性や自重撓みの問題から自立メンブレンの厚みには制限がある。そこで、Ｓｉのような縦弾性係数が１００〜２００ＧＰａ程度の自立メンブレン材料では、照射する電子線の加速電圧にもよるが、自立メンブレンの厚みとして、０．４〜３μｍ程度が一般的に用いられている。
【０００６】
このようなＳＯＩ基板において、自立メンブレンとなる単結晶シリコン層は圧縮応力を持っているため、図３（ｆ）に示すような転写マスクとするためには、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ピンと張るように応力制御を行う必要がある。この単結晶シリコン層１の応力制御には、通常、シリコンより原子径の小さいリンやボロンなどが用いられるが、特許文献１では、ボロンよりもリンの方が制御性良く注入でき、その平均リン濃度として、５×１０¹⁸〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすれば、引っ張り応力が低く抑制され、転写パターンを単結晶シリコン層に形成した際においても、面内でのパターン変形を最低限に抑制することができるという報告がなされている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２６１００３号公報
【０００８】
しかしながら、前記範囲のリン濃度を単結晶シリコン層に拡散した場合にも、所望の引っ張り応力にならなかったり、逆に圧縮応力になってしまう場合などが存在してしまい、パターンが変形したり、パターン形状によっては亀裂が入ったりするという転写パターン形成上の問題が生じる場合があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかか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、ＳＯＩ基板を用いたステンシルマスクの製造において、単結晶シリコン層の応力調整が最適になされたステンシルマスク用ブランク及びステンシルマスクを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、応力制御を施した単結晶シリコン層を用いたステンシルマスクを提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、応力制御を施した単結晶シリコン層を用いたステンシルマスクを用いた荷電粒子線の露光方法を提供することにある。
【００１２】
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、単結晶シリコンウェハからなる支持基板と、
転写パターンを設けるための不純物が拡散された単結晶シリコン層と、
前記支持基板と前記単結晶シリコン層との間に形成された中間絶縁膜と、を備え、
前記単結晶シリコン層内の不純物濃度は下記（ａ）〜（ｆ）の手順により定められたことを特徴とするステンシルマスク用基板である。
（ａ）中間絶縁膜の厚みを測定する工程、
（ｂ）単結晶シリコン層に不純物を拡散させる工程、
（ｃ）前記（ｂ）工程において単結晶シリコン層内に拡散された不純物の不純物濃度Ｃと、該不純物濃度Ｃのときにおける単結晶シリコン層の応力σと、を測定する工程、
（ｄ）前記（ｃ）工程で得た、単結晶シリコン層の不純物濃度Ｃと、単結晶シリコン層の応力σと、を下記数式に代入し、切片Ａを決定する工程、
＜数式＞
σ＝β（Ｅ／（１−ｖ））＊Ｃ＋Ａ
σ：応力
Ｅ：ヤング率
ｖ：ポアソン比
β：格子収縮係数
Ｃ：不純物濃度
（e）前記（ｄ）工程で決定された切片Ａが適用された上記数式において、応力σ＝０における不純物濃度Ｃの値を算出する工程、
（ｆ）前記（ｅ）工程で算出された不純物濃度Ｃの値を、前記（ａ）工程で測定された中間絶縁膜の厚みを備えたステンシルマスク用基板における単結晶シリコン層内の不純物濃度として定める工程。
このような構成にすることで、自立メンブレンとなる単結晶シリコン層の応力に多大な影響を与える中間絶縁膜の引っ張り応力を考慮でき、拡散させる不純物の濃度を最適かつ容易に設定できる。
【００１３】
また、本発明の第２の発明は、単結晶シリコンウェハからなる支持基板と、
転写パターンを設けるための不純物が拡散された単結晶シリコン層と、
前記支持基板と前記単結晶シリコン層との間に形成された中間絶縁膜と、備えたステンシルマスク用基板の製造方法において、
（ａ）中間絶縁膜の厚みを測定する工程と、
（ｂ）単結晶シリコン層に不純物を拡散させる工程と、
（ｃ）前記（ｂ）工程において拡散された単結晶シリコン層内の不純物濃度Ｃと、不純物濃度Ｃのときにおける単結晶シリコン層の応力σと、を測定する工程と、
（ｄ）前記（ｃ）工程で得た、単結晶シリコン層の不純物濃度Ｃと、単結晶シリコン層の応力σと、を下記数式に代入し、切片Ａを決定する工程と、
＜数式＞
σ＝β（Ｅ／（１−ｖ））＊Ｃ＋Ａ
σ：応力
Ｅ：ヤング率
ｖ：ポアソン比
β：格子収縮係数
Ｃ：不純物濃度
（e）前記（ｄ）工程で決定された切片Ａが適用された上記数式において、応力σ＝０における不純物濃度Ｃの値を算出する工程と、
（ｆ）前記（ａ）工程で測定された中間絶縁膜の厚みを備えたステンシルマスク用基板に対し、単結晶シリコン層に前記（ｅ）工程で算出された不純物濃度Ｃの値まで不純物を拡散させる工程と、
を備えたことを特徴とするステンシルマスク用基板の製造方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明について説明する。
図１は、単結晶シリコン層に拡散したリン濃度とその時の応力値との関係を示したグラフである。
【００１８】
図１中のプロットは、図２に示すような、単結晶シリコン層にリン濃度の拡散量を変えたステンシルマスク用基板を複数準備し、支持基板３０と中間絶縁膜である酸化シリコン膜２０に、ＥＰＬ法やＬＥＥＰＬ法でよく使われる自立メンブレンの大きさである１ｍｍ角程度の開口部９０を設けて、自立メンブレンとなった単結晶シリコン層１０の応力を測定した値である。この時の酸化シリコン膜２０の厚さは１±０．２μｍで、単結晶シリコン層１０の厚さは２±０．１μｍである。尚、応力測定方法は、バルジ法を用いており、応力値はプラスを引っ張り応力としている。
【００１９】
また、図１には、中間酸化膜の応力の影響を明確にするために、単結晶シリコン単体、すなわち、中間絶縁膜など何も無い状態にリンを拡散させた時の応力値を示す実線も記載した。この実線の式は下記（１）式で表されるものであり、低濃度領域で成り立つ式である。また、プロットと（１）式との比較を容易にするために、（１）式の切片を変えてプロット付近にずらした（１）‘式も図１に記した。
σ＝β（Ｅ／（１−ｖ））＊Ｃ―――（１）
σ：応力
Ｅ：ヤング率、ｖ：ポアソン比（Ｓｉでは、Ｅ／（１−ｖ）＝１５０ＧＰａ）
β：格子収縮係数（不純物がリンでは、３×１０^-24ｃｍ³）
Ｃ：不純物濃度
【００２０】
図１において、まず、低濃度領域のプロットの傾きについては、単結晶シリコン層単体の（1）式の傾きとそれほど変わりなく、所望の引っ張り応力である２０ＭＰａ以下での傾きも緩やかに推移している。このことから、不純物をリンにすれば、応力制御が比較的容易に行えることがわかる。
【００２１】
次に、プロット自身については、リン濃度が４．０Ｅ＋１９付近以下の濃度になると、マイナスの応力、すなわち圧縮応力になるような傾向を示唆している。これは、中間絶縁膜である酸化シリコン膜の圧縮応力の影響を受けてしまうためであると考えられる。従って、単結晶シリコン層の応力制御を行う際には、中間絶縁膜である酸化シリコン膜の応力を考慮する必要があることがわかる。
【００２２】
さらに、リン濃度が１．０Ｅ＋２０付近を超えると所望の引っ張り応力を超えるような傾向を示唆している。これは、従来の技術の項で指摘した従来技術の問題点を示唆している。
【００２３】
以上の点、すなわち、グラフの傾きにそれほど違いが無く、リン濃度が低いところで圧縮応力になるような傾向から、単結晶シリコン単体における酸化シリコン膜の膜厚を０と考えれば、この酸化シリコン膜の膜厚が変化すれば、単結晶シリコン層の応力制御に最適なリン濃度が図１のＸ軸方向に動くであろうことが推測される。
このことは、すなわち、中間絶縁膜である酸化シリコン膜の厚さに基づいたリン濃度の選択が必要であることを示唆している。
【００２４】
【実施例】
次に、中間絶縁膜の厚みに基づいて設定された濃度のリンを含む単結晶シリコン層を有するステンシルマスク用基板を用いて製造されたステンシルマスクについて、実施例を使って説明する。
【００２５】
＜実施例＞
図３（ａ）〜（ｆ）は、本発明によるステンシルマスク用基板を用いてステンシルマスクを製造する工程の例を部分断面で示す説明図である。まず、図３（ａ）に示すように、面方位が（１００）のＳＯＩ基板を用意し、単結晶シリコン層１に対して、酸化シリコン膜２の厚みに基づく最適な濃度のリンを拡散させたステンシルマスク用基板４を用意した。このステンシルマスク用基板４は、単結晶シリコン層１の厚みは２μｍ、酸化シリコン膜２の厚みは１μｍ、単結晶シリコンウェハ３の厚みは７２５μｍである（図５（ａ））。
【００２６】
先ず、単結晶シリコンウェハ３の表面上に通常のフォトリソグラフィ法により、レジストパターン５を作製し（図５（ｂ））、該レジストパターンをマスクとして、単結晶シリコンウェハ３をフロロカーボン系混合ガスを用いたＩＣＰ方式のドライエッチング装置にてバックエッチングして開口部９を形成した（図５（ｃ））。
【００２７】
この時、単結晶シリコンウェハ３の開口部９を形成する全ての箇所が完全にエッチングされた際に、厚さ１μｍの酸化シリコン膜２はエッチング停止層としての役目を充分果たしていた。また、エッチング後の開口部が形成された単結晶シリコンウェハ３’の断面はほぼ垂直に近いものであった。
【００２８】
この後、レジストパターン５を酸素プラズマによりアッシング処理して除去した後、単結晶シリコンウェハの開口部９に露出した酸化シリコン膜２を緩衝フッ酸で完全にエッチング除去した（図５（ｄ））。２’は開口部が形成された酸化シリコン膜を表している。
【００２９】
次に単結晶シリコン層１の上に、通常の電子線リソグラフィプロセスによりレジストパターン５を形成した（図５（ｅ））。次に該レジストパターンをマスクとして、単結晶シリコン層１をフロロカーボン系混合ガスを用いたＩＣＰエッチング装置によりドライ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て、転写パターンが形成された単結晶シリコン層１’を形成して、本発明のステンシルマスクが完成した（図５（ｆ））。
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。
【００３０】
以上のようにして作成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。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た。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のステンシルマスク用基板及びステンシルマスクによると、自立メンブレンとなる単結晶シリコン層の応力に多大な影響を与える中間絶縁膜の引っ張り応力を考慮した濃度の不純物を、最適かつ容易に設定できるため、単結晶シリコン層に転写パターンを形成した後においても、面内でのパターンの変形を最小限に抑制することができ、転写パターンを設計通りに作製できる。
【００３２】
また、不純物にリンを用いることで、不純物濃度の変化量に対する応力の変化量が比較的、緩やかなため、応力制御が容易になり、結果として、単結晶シリコン層の物性の安定したステンシルマスク用基板及びステンシルマスクを提供できる。
【００３３】
また、本発明の露光方法によると、試料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。
【図面の簡単な説明】
【図１】単結晶シリコン層に拡散したリン濃度とその時の応力値との関係を示したグラフである。
【図２】図１のグラフに用いた試料を説明する断面図である。
【図３】本発明によるステンシルマスク用基板を用いてステンシルマスクを製造する工程の例を部分断面で示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・単結晶シリコン層
１′・・・転写パターンが形成された単結晶シリコン層
２・・・中間絶縁膜（酸化シリコン膜）
２′・・・開口部が形成された中間絶縁膜
３・・・単結晶シリコンウェハ
３′・・・開口部が形成された単結晶シリコンウェハ
４・・・ステンシルマスク用基板（ＳＯＩ基板）
５・・・レジストパターン
９・・・開口部
１０・・・単結晶シリコン層
２０・・・酸化シリコン膜
３０・・・支持基板
９０・・・開口部

Claims

単結晶シリコンウェハからなる支持基板と、
転写パターンを設けるための不純物が拡散された単結晶シリコン層と、
前記支持基板と前記単結晶シリコン層との間に形成された中間絶縁膜と、を備え、
前記単結晶シリコン層内の不純物濃度は下記（ａ）〜（ｆ）の手順により定められたことを特徴とするステンシルマスク用基板。
（ａ）中間絶縁膜の厚みを測定する工程、
（ｂ）単結晶シリコン層に不純物を拡散させる工程、
（ｃ）前記（ｂ）工程において単結晶シリコン層内に拡散された不純物の不純物濃度Ｃと、該不純物濃度Ｃのときにおける単結晶シリコン層の応力σと、を測定する工程、
（ｄ）前記（ｃ）工程で得た、単結晶シリコン層の不純物濃度Ｃと、単結晶シリコン層の応力σと、を下記数式に代入し、切片Ａを決定する工程、
＜数式＞
σ＝β（Ｅ／（１−ｖ））＊Ｃ＋Ａ
σ：応力
Ｅ：ヤング率、
ｖ：ポアソン比
β：格子収縮係数
Ｃ：不純物濃度
（e）前記（ｄ）工程で決定された切片Ａが適用された上記数式において、応力σ＝０における不純物濃度Ｃの値を算出する工程、
（ｆ）前記（ｅ）工程で算出された不純物濃度Ｃの値を、前記（ａ）工程で測定された中間絶縁膜の厚みを備えたステンシルマスク用基板における単結晶シリコン層内の不純物濃度として定める工程。
単結晶シリコンウェハからなる支持基板と、
転写パターンを設けるための不純物が拡散された単結晶シリコン層と、
前記支持基板と前記単結晶シリコン層との間に形成された中間絶縁膜と、備えたステンシルマスク用基板の製造方法において、
（ａ）中間絶縁膜の厚みを測定する工程と、
（ｂ）単結晶シリコン層に不純物を拡散させる工程と、
（ｃ）前記（ｂ）工程において拡散された単結晶シリコン層内の不純物濃度Ｃと、不純物濃度Ｃのときにおける単結晶シリコン層の応力σと、を測定する工程と、
（ｄ）前記（ｃ）工程で得た、単結晶シリコン層の不純物濃度Ｃと、単結晶シリコン層の応力σと、を下記数式に代入し、切片Ａを決定する工程と、
＜数式＞
σ＝β（Ｅ／（１−ｖ））＊Ｃ＋Ａ
σ：応力
Ｅ：ヤング率
ｖ：ポアソン比
β：格子収縮係数
Ｃ：不純物濃度
（e）前記（ｄ）工程で決定された切片Ａが適用された上記数式において、応力σ＝０における不純物濃度Ｃの値を算出する工程と、
（ｆ）前記（ａ）工程で測定された中間絶縁膜の厚みを備えたステンシルマスク用基板に対し、単結晶シリコン層に前記（ｅ）工程で算出された不純物濃度Ｃの値まで不純物を拡散させる工程と、
を備えたことを特徴とするステンシルマスク用基板の製造方法。