JP2008147546A - ステンシルマスク - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度を維持したまま、相補分割パターンを配置することが出来るステンシルマスクを提供する。
【解決手段】本発明は梁２と、梁により囲われた複数のメンブレン１と、メンブレンに設けた開口パターン５と、を備えたメンブレン群を有し、前記メンブレン群を５つ以上有し、各メンブレン群の開口パターンは、同一のパターンの互いに異なる一部である相補分割パターンであることを特徴とするステンシルマスクである。これにより、設計パターンが大面積（例えば、メンブレンのサイズより大きいパターン）であっても、相補分割パターンをステンシルマスクのメンブレン群に配置することが出来る。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステンシルマスクに関するものである。

近年、半導体の製造プロセスにおいてステンシルマスクを用いたイオン注入プロセスが研究されている。本注入方法ではステンシルマスクの開口パターンを通して、不純物をプロセス基板に注入するため、従来のイオン注入プロセスと比較してレジストのリソグラフィー工程やレジストの除去工程が不要である。さらに、一枚のステンシルマスクを繰り返して使用することでプロセスコストを削減することが出来る。

ステンシルマスクを用いたイオン注入プロセスでは、メンブレンにパターンを形成し、同メンブレンを有するステンシルマスクを用いてイオン注入を行う。このとき、熱、不純物注入によるメンブレンの格子歪、自重等の原因によりメンブレンが変形する。このため、メンブレンの非注入ウエハ方向への接着、非注入ウエハとの位置合わせ誤差の発生、開口パターンを転写した際の転写サイズ変動などの問題が発生する。

上記のような問題を解決するため、メンブレンを梁によって小さく分割し、メンブレンの剛性を強くして、設計パターンを各メンブレンに分割して配置する方法がある。従来のイオン注入装置の場合、イオン注入マスクを通過した荷電粒子の照射方向は偏向されることなく被注入ウエハに到達するので、梁により分割されたメンブレンにパターンを配置する際、梁上に位置するパターンを別のマスクに配置して補間することが必要とされ、設計パターンを４分割する方法が提案されている。この方法ではパターンを４分割し、メンブレン群からなる４区画上に配置するが、ある区画において梁上にあるパターンは別の区画に配置する手法を用いている（特許文献１参照）。

この手法では、梁の配置を工夫することで各区画のパターンは少なくとも２回露光できるので、機械的に不安定なパターン（例えば、ドーナツパターンや片持ち形状パターン）のようにステンシルマスク上で分割が必須なパターンにも対応できる。また、それぞれの区画における梁のステンシルマスクを通過した荷電粒子を偏向することなく、ステンシルマスクや基板ステージを操作するだけで、相補分割パターンを重ね合わせて転写することにより非注入基板上に設計パターンを転写することができるため、イオン注入マスクのように梁により分割したメンブレン上に相補分割パターンを配置するうえで有効である。
特開２００３−５９８１９号公報

しかしながら、４分割した相補分割パターンを形成したマスクでは、マトリックス状に配置されたホールパターンのような小さな設計パターンが個々に独立している場合には有効であるものの、イオン注入のようにメンブレンの大きさと同程度の大きな設計パターンが存在すると、相補分割したパターンを４つの異なる区画に配置することが非常に難しく、さらには不可能な場合がある。

特に、メンブレンの機械的強度を保持するために、ユニット内の隣接する最小パターン領域の境界上に、開口パターンが、存在しないという条件で、設計パターンを分割し、相補分割パターンを配置するとき、この問題は顕著である。

そこで、本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、機械的強度を維持したまま、相補分割パターンを配置することが出来るステンシルマスクを提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、梁と、梁により囲われた複数のメンブレンと、メンブレンに設けた開口パターンと、を備えたメンブレン群を有し、前記メンブレン群を５つ以上有し、各メンブレン群の開口パターンは、同一の設計パターンの互いに異なる一部である相補分割パターンであることを特徴とするステンシルマスクである。
なお、本明細書において、「設計パターン」とは、最終的に、露光先またはイオン注入先に形成されるパターンと定義する。
また、「相補分割パターン」とは、１回のみの露光またはイオン注入によっては形成できない設計パターンを、複数回の露光（多重露光）または複数回のイオン注入工程、によって形成できるようにするために、設計パターンを相補に分割したパターンと定義する。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のステンシルマスクであって、梁が交差する交点を一つ有し、かつ梁の幅とパターン禁止領域の幅の合計からなる大きさの幅を１としたとき一辺が４以上の長さの正方形であるユニットにより、メンブレン群をマトリックス状に分割したとき、ユニット内の隣接する最小パターン領域の境界上に、開口パターンが、存在しないことを特徴するステンシルマスクである。
なお、本明細書において、「パターン禁止領域」とは、梁の周囲のメンブレンの領域であり、かつ開口パターンを配置するのを禁止した領域と定義する。
また、「ユニット」とは、梁が交差する交点を一つ有し、かつ梁の幅とパターン禁止領域の幅の合計からなる大きさの幅を１としたとき一辺が４以上の長さの正方形により、メンブレン群をマトリックス状に分割したときの一区画と定義する。
また、「最小パターン領域」とは、ユニット内の開口パターンを配置する領域であり、梁の幅とパターン禁止領域の幅の合計からなる大きさの幅を一辺とした正方形により、ユニットをマトリックス状に分割したときの一区画と定義する。

請求項３に記載の本発明は、請求項１または２のいずれかに記載のステンシルマスクであって、各メンブレン群が、同一の基板に形成されていることを特徴とするステンシルマスクである。

請求項４に記載の本発明は、請求項１または２のいずれかに記載のステンシルマスクであって、各メンブレン群が、複数の基板に分割されて形成されていることを特徴とするステンシルマスクである。

請求項５に記載の本発明は、請求項１から４のいずれかに記載のステンシルマスクを用いた露光工程を行うことにより製造された半導体装置である。

本発明のステンシルマスクは、メンブレン群を５つ以上備えることにより、設計パターンが大面積を含むパターンであっても、相補分割パターンをステンシルマスクのメンブレン群に配置することが出来る。

以下、本発明のステンシルマスクについて説明を行う。

本発明のステンシルマスクは
梁と、
梁により囲われた複数のメンブレンと、
メンブレンに設けた開口パターンと、
を備えたメンブレン群を有し、
前記メンブレン群を５つ以上有し、
各メンブレン群の開口パターンは、同一の設計パターンの互いに異なる一部である相補分割パターンであること
を特徴とするステンシルマスクである。

本発明のステンシルマスクは、梁と、梁により囲われた複数のメンブレンと、メンブレンに設けた開口パターンと、を備えたメンブレン群を有している。梁により格子状に囲われた領域にメンブレンを設けることにより、梁を持たず枠だけを持った同サイズの１枚のメンブレンでマスクを作製する場合に比べ、機械的強度を高めることが出来る。

また、メンブレン群を５つ以上備えることで、４つの相補分割パターンでは、分割しきれない設計パターン（例えば、メンブレンのサイズより大きいパターンなど）であっても、相補分割パターンの分割数を増やし、それと同数のメンブレン群を備えることで、相補分割パターンをステンシルマスクのメンブレン群に配置することが出来る。

特に、ステンシルマスクの機械的強度を保持するために、ユニット内の隣接する最小パターン領域の境界上に、開口パターンが、存在しないという条件で、設計パターンを分割し、相補分割パターンを配置するとき、４つの相補分割パターンに分割し、４つのメンブレン群にそれぞれ相補分割パターンを配置することは困難である。このため、メンブレン群を５つ以上備えることで、ステンシルマスクの機械的強度を保持しつつ相補分割パターン配置することが出来る。

パターン禁止領域の幅は、設計事項であり、照射されるイオンビームのステンシルマスクに対する角度や、マスク作製時の梁とメンブレン境界付近の異物の発生状況などから決定することが好ましい。

また、ユニットの一辺の幅や、メンブレン群において梁が占める領域のサイズ、各メンブレンのピッチ等は、マスク作製のプロセスやイオン注入によりマスクを作製するときの条件、相補分割の条件等により決定することが好ましい。

また、ユニット内の梁の領域は、複数のメンブレン群をマスクとして、複数回の露光（多重露光）または複数回のイオン注入工程、を行ったとき、相補分割パターンの重なりが設計パターンと同一になるようにメンブレン群ごとに適切な位置に配置することが好ましい。

メンブレン群の数量は、相補分割パターンの数量により決定するため、設計パターンの形状、および設計パターンの相補分割の条件による。このため、設計パターンを５つの相補分割パターンに分割することが困難な時は、逐次、相補分割パターンの数量を増加していき、分割数を決定する。設計パターンを所望する条件で分割可能となった相補分割パターンの数量をメンブレン群の数量とすることが好ましい。このように、相補分割が可能になるまで設計パターン領域の全体について、分割を検討してメンブレン群の数を決定すれば、分割が困難な大きな設計パターンにおいても相補分割パターンに分割し、メンブレン群に配置することが可能となる。

また、本発明のステンシルマスクは、各メンブレン群が、同一の基板に形成されていることが好ましい。同一の基板にメンブレン群が形成されることで、ステンシルマスクを使用する工程おいて、基板の入れ替えが必要ないため、スループットを向上することが出来る。

また、本発明のステンシルマスクは、各メンブレン群が、複数の基板に分割されて形成されていることが好ましい。
このとき、相補分割パターンの形成難度に応じてメンブレン群を複数の基板に振り分けることにより、各々の基板に対して適切な工程数で、基板上に相補分割パターンを形成することが出来る。
また、複数あるメンブレン群において、あるメンブレン群に修正できないような欠陥があった場合、欠陥を有するメンブレン群が形成されたマスク基板のみを差し替えることにより、メンブレン群の欠陥に対して柔軟に対応することが出来る。
また、ステンシルマスクを複数の基板で構成することにより、イオン注入装置に搭載されるマスク基板のサイズに制限があっても、マスク基板のサイズを大きくすることなく、メンブレン群の数量を増加させることが出来る。よって、特に、直径１００ｍｍ以下のマスクを搭載できるイオン注入装置に好適に用いることが出来る。

本発明のステンシルマスクは、梁により格子状に囲われた領域にメンブレンを設けることにより、メンブレンの剛性が高まるため、イオン注入工程において、一括メンブレンによるイオン注入に比べて、イオン注入工程による重ね合わせ誤差の要求値を超えるような大きなメンブレン変形を起こすことなく、イオン注入工程を行うことが出来る。また、照射するイオンのドーズ量を減少することなくイオン注入出来る。このため、イオン注入工程のスループットを向上することが可能となる。

また、本発明のステンシルマスクは、異物によるパターン欠陥を除去するために、イオン注入工程を行うよりも前に、洗浄処理を行うことが望ましい。

以下、本発明のステンシルマスクの一例として、メンブレン群が７つの場合について例示する。当然のことながら、本発明のステンシルマスクはメンブレン群が７つに限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１は、本発明のステンシルマスクの一例を示す図である。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの７つのメンブレン群が同一の基板に形成されており、設計パターンを７つの相補分割パターンに分割して配置することが出来る。

図２は、本発明のステンシルマスクの上面図および断面図である。本実施例では、梁２の幅は３０５μｍ、パターンを形成可能な領域３から梁２までの距離であるパターン禁止領域４の幅は３５μｍとした。また、開口パターン５は、パターンを形成可能な領域３内のメンブレン１に開口部として設けた。

図３は、７つのメンブレン群の内のひとつを示した模式図である。梁２より区切られた区域に、メンブレン１が設けられている。本実施例では、メンブレン１の大きさを１１９５μｍｘ１１９５μｍとし、１５ｘ１５個のメンブレンを配置し、メンブレン群とした。上述したメンブレン群のサイズでは、約２．２ｍｍｘ２．２ｍｍの設計パターンについて、マスクパターンを形成することが出来る。

図４は、メンブレン群をマトリックス状に分割したときの一区画であるユニットの一例を示す図である。本実施例では、梁２の幅と、梁２の周囲のパターン禁止領域４の幅の合計からなる大きさの幅を、ユニット単位幅６とし、同単位幅からなる正方形により、４ｘ４のマトリックス状に分割した（以下、４ｘ４ユニットと呼称する）。このとき、ユニット単位幅は、３７５μｍであった。４ｘ４ユニットにおいて、任意の区画の一つを最小パターン領域７とする。

本実施例において、設計パターンは、１５００μｍｘ１５００μｍの領域内に、１ｍｍｘ１ｍｍより大きい、大パターン８が含まれるものとした。

図５は、設計パターンに含まれる大パターン８を、４ｘ４ユニット上の最小パターン領域７毎に対応するように、最小分割パターン９で区分けしたものを示す図である。このとき、メンブレンの機械的強度を保持するため、最小パターン領域７の全てが開口パターン５のみで埋まらない条件を満たすように、最小分割パターン９は幅１２５μｍのストライプパターンとした。

次に、図５で区分けされた最小分割パターン９を、各メンブンレン群のユニット毎に相補に分割した。このとき、最小分割パターン９同士が隣接しない、という条件で相補に分割を行った。この条件を満たす大パターン８の相補分割パターンは７つ必要であることが、計算により求められた。
図６は、大パターン８を、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ７つのメンブレン群の対応するユニット毎に、最小分割パターン９を用いて、相補に分割して配置した図（ただし、各メンブンレン群のユニットにおいて、パターン禁止領域は図示せず）を示すものである。

＜実施例２＞
実施例１で求められた７つの相補分割パターンが、７つの同一の基板上に設けられたメンブレン群に、それぞれ形成されたステンシルマスクを製造した。

まず、厚さ７２５μｍからなる支持シリコン基板１０、厚さ１μｍの中間酸化膜１１、厚さ２０μｍのシリコン活性層１２からなる直径が２００ｍｍΦのＳＯＩ基板１３を用意した（図７（ａ））。

次に、ＳＯＩ基板１３上に電子線感応性レジスト１４（ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレ−ト系）ポジレジスト、感度：３００μＣ／ｃｍ^２）を１０００ｎｍの膜厚で塗布した（図７（ｂ））。

次に、レジスト上に合わせマークパターン１５および実施例１より求められた相補分割パターン１６を電子線露光した。このとき、電子線照射量は３００μＣ／ｃｍ^２とした。

次に、上記の電子線露光済みＳＯＩ基板１３を現像し、現像後の表裏合わせ用マークパターン１５および相補分割レジストパターン１６を得た（図７（ｃ））。

次に、同パターン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１１までエッチングをおこない、表裏合わせ用マークパターン１７および相補分割パターン１８を得た（図７（ｄ））。

次に、ＳＯＩ基板１３の裏面表面にフォトレジスト１９をスピンナー等で塗布して厚さが５０μｍの感光層を形成し、パターン露光、現像等のパターニング処理を行って、メンブレン開口用レジストパターン２０を形成した。このとき、パターン露光時の基板とメンブレン開口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、表裏合わせ用マークパターン１７とフォトマスクのアライメントマークを用いた（図７（ｅ））。

次に、メンブレン開口用レジストパターン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１１をエッチングストッパー層としてＳＯＩ基板１３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１１を除去した。

次に、洗浄を行った。このとき、洗浄処理として、アンモニア：過酸化水素水：純水の比を１：１：５程度に混合し、７０度に過熱したアンモニア過水に１０分間浸漬し、純水オーバーフローのリンスを行い、フッ酸処理および再度オーバーフロー処理を行い、ＩＰＡベーパ乾燥を行った。

以上より、メンブレンの大きさが１１９５μｍｘ１１９５μｍ、梁の幅が３０５μｍからなる７つのメンブレン群上に相補分割パターンを有するステンシルマスク２１を製造できた（図７（ｆ））。

本発明のステンシルマスクは、設計パターンの線幅がメンブレン領域の大きさとほぼ同じか、もしくはそれ以上のパターンを含んでおり、パターンの面積密度が高い場合に、特に適しており、例えば、イオン注入用マスクとして好適に利用することが期待できる。

本発明のステンシルマスクを示す模式図である。 本発明のステンシルマスクの上面図および断面図である。 本発明のステンシルマスクにおけるメンブレン群の一例を示す模式図である。 本発明のステンシルマスクにおけるユニットの一例を示す模式図である。 ４ｘ４ユニット上で大パターンを最小分割パターンで分割したものを示す図である。 ７つのメンブレン群のユニット毎に、最小分割パターンを相補に配置した図である。 本発明のステンシルマスクの製造方法を示した工程断面図である。

符号の説明

１……メンブレン
２……梁
３……パターンを形成可能な領域
４……パターン禁止領域
５……開口パターン
６……ユニット単位幅
７……最小パターン領域
８……大パターン
９……最小分割パターン
２２……梁が交差する交点

Claims (5)

1. 梁と、
   梁により囲われた複数のメンブレンと、
   メンブレンに設けた開口パターンと、
   を備えたメンブレン群を有し、
   前記メンブレン群を５つ以上有し、
   各メンブレン群の開口パターンは、同一の設計パターンの互いに異なる一部である相補分割パターンであること
   を特徴とするステンシルマスク。
2. 請求項１に記載のステンシルマスクであって、
   梁が交差する交点を一つ有し、かつ梁の幅とパターン禁止領域の幅の合計からなる大きさの幅を１としたとき一辺が４以上の長さの正方形であるユニットにより、メンブレン群をマトリックス状に分割したとき、
   ユニット内の隣接する最小パターン領域の境界上に、開口パターンが、存在しないこと
   を特徴するステンシルマスク。
3. 請求項１または２のいずれかに記載のステンシルマスクであって、
   各メンブレン群が、同一の基板に形成されていること
   を特徴とするステンシルマスク。
4. 請求項１または２のいずれかに記載のステンシルマスクであって、
   各メンブレン群が、複数の基板に分割されて形成されていること
   を特徴とするステンシルマスク。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のステンシルマスクを用いた露光工程またはイオン注入工程を行うことにより製造された半導体装置。