JP2012073378A - ステンシルマスク及び露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部分一括露光法において、機械的強度を保ちつつ、効率良く露光に用いるパターンを具備したステンシルマスクを提供すること。
【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１０２とからなるステンシルマスクである。１メンブレンの領域内に偏向領域１０３に対応したステンシルパターン群を複数個配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子線等の荷電粒子線露光に用いられる転写マスクであるステンシルマスク、及びそれを用いた露光の技術に関する。特に、部分一括露光用ステンシルマスクに好適な技術に関する。

近年、半導体の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では、ＥＵＶやＡｒＦ液浸、ダブル露光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、少量品のプロセスには不向きであり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では、口径を数１０μｍ〜１０ｎｍに絞った電子ビームによって回路パターンの露光を行うため、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。そこで、スループット向上のために、回路パターンでよく使われる図形を抽出し、抽出したパターン（キャラクター、セルまたはブロックなどと呼ばれる。）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おり、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１２及び図１３は、従来のステンシルマスクを示す概略上面図であり、図１４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１０１内にメンブレンエッジ部１０２で支持された自立薄膜（メンブレン）１３０４を有し、ステンシルパターン１３０１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１３０４に入射した荷電粒子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１３０１を通過した荷電粒子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。

また、部分一括露光を用いると加工精度のよいステンシルマスクを用いることで、従来の電子線露光と比較してスループットの向上だけではなく、斜めパターンのエッジラフネスや矩形パターンのコーナ部の矩形性をも改善することができる。
部分一括露光が可能な装置としてアドバンテスト社製のブロック露光装置が挙げられる。ブロック露光装置のステンシルマスクは、電子線が偏向可能な予め設定した半径の円の中に、特徴的なデバイスパターンを配置した、ブロックと呼ばれる繰り返しパターンを複数配置する（図１５）。ブロック露光装置では、ある加速電圧で放出された電子線を、ステンシルマスク上の選択された任意のブロックパターンに照射し、通過した電子線が被転写基板にパターンを形成する（非特許文献１参照）。

ステンシルマスクの性能を上げるためには、単位面積あたりのキャラクター数を増やすことが上げられる。その効果のひとつに一定領域内のブロックパターンの総数を増やし、種々ことが挙げられる。またパターン数を変えずに、パターン密度を上げると、パターン全てを配置するのに必要な面積を削減することができ、ステンシルマスクとしてのフットプリントを小さくすることができるということが挙げられる。

このような課題に対して、例えば特許文献１には、露光方法の観点から、１ブロックから複数の形状のビームを取り出すというものが提案されている。しかしながら、この方法では、ステンシルマスク上のパターンのバリエーションそのものが増えるわけではなく、更に複数の種類の取り出し方法に対応するために、ブロック間の距離に制限を設ける必要がある。

また、これらを実現するためには、偏向領域を広げ、１偏向領域内でマスクやウエハステージを動かすことなく、電子線を照射可能なキャラクター数を増やすことが挙げられる。
また、一つ一つのキャラクターを小さくする、すなわち縮小倍率を小さくすることで、露光可能なキャラクター数を増やすことも挙げられる。
しかしながら、偏向領域の拡大や、縮小倍率の変更は、露光の精度、ステンシルマスクの加工精度の観点から、単純に変更することは難しい。

そこで、偏向で露光可能な複数のキャラクターをまとめたキャラクター群を、マスク内に密に配置することが、キャラクター数の増大には効果的である。
キャラクター群を密に配置するためには、一般的にはキャラクター群が構成されたメンブレンを密に配置する必要があり、そのためにはメンブレン間をつなぐ、梁と呼ばれる部分を細くする必要がある。
しかし、梁を細くするには機械的な強度上、精度上限界がある。また、梁近傍では電子線が通過する際に、梁の影響を受け、電子線が精度良く露光されない。このため通常、梁から一定距離にはキャラクターを配置することが出来ず、キャラクター群間のピッチを広げざるを得ないということがあげられる。

特開２００３−３３２２１６号公報

J .Vac. Sci. Technol. B, Vol.22, No.6, Nov/Dec 2004

本発明では、上記のような点に着目してなされたもので、より簡便な方法でキャラクター数を増やし、かつ機械的強度を保つことが可能なステンシルマスクを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための、本発明のうち請求項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からなるステンシルマスクにおいて、
前記メンブレン領域内に、偏向領域に対応したステンシルパターンエリアを２以上配置したことを特徴とする。
次に、請求項２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からなるステンシルマスクにおいて、
前記メンブレン領域に、予め設定した半径を持った円形内における電子線照射用のステンシルパターンエリアの占有率が７０％以上有する円形のエリアが、２つ以上配置したことを特徴とする。

次に、請求項３に記載した発明は、前記円形のエリアは、互いに独立して存在することを特徴とする。
次に、請求項４に記載した発明は、前記円形のエリアは、互いに一部が重なって存在することを特徴とする。
次に、請求項５に記載した発明は、請求項１から３に記載されたステンシルマスクを用いた露光方法を提供するものである。

本発明のステンシルマスクは、偏向で露光可能なキャラクター群（ステンシルパターン群）を、一つのメンブレン内に複数個配置したものである。これにより、キャラクターを効果的にマスク内に配置することが可能となる。

本発明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。 本発明を説明する記号の説明図である。 従来のステンシルマスクを示す概略上面図である。 本発明のステンシルマスクを示す概略上面図である。 （ａ）（ｂ）は本発明および従来のステンシルマスクを示す概略上面図である。 本発明のステンシルマスクを示す概略上面図である。 （ａ）から（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）から（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メンブレン開口用レジストパターンを示す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。 従来のブロック露光装置のステンシルマスクを示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ、説明する。なお、実施の形態の間において重複する説明は省略する。
図１は、本発明に基づく実施形態の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、本実施形態のステンシルマスクは、バルク領域１０１内にメンブレンエッジ部１０２で保持されるメンブレン領域（メンブレンエッジ部１０２内のメンブレム位置）を有している。メンブレン領域内には電子線偏向領域１０３内に２つのステンシルパターン領域１０４が設けられており、各ステンシルパターン領域１０４にはステンシルパターンが形成されている。

ステンシルパターン領域１０４は、偏向領域１０３内にあればどのような配置をしていても良いが、偏向領域１０３内でより広い領域にパターンを配置することが、キャラクター数を多く盛り込むためには有効であり、そのため、本実施形態では、偏向領域中の７０％以上を占めるように設定している。
ここで、偏向領域１０３を２０００ｕｍ、梁から偏向領域１０３までのギャップを５００ｕｍ、梁の幅を最小１０００ｕｍと仮定する。
このとき、一般的な矩形のメンブレンエリア内に、偏向領域１０３を１つ配置することを考えると（図２，図３）、単純格子上に配置する場合、１偏向領域当たり１６ｍｍ²のマスク領域が必要になる。

これに対し、本実施形態のように、矩形メンブレンエリア内に、偏向領域１０３を２つ配置し（図１）、偏向領域１０３同士を接するように配置することを考えると、１偏向領域当たり、１２ｍｍ²のマスク領域が必要となり、マスクとしてキャラクターを敷き詰めた場合、１メンブレンあたり１偏向領域を配置した場合にくらべ、３３％キャラクターを増やすことが可能となる。
ここで、マスク当たりの偏向領域１０３の数を同一としてメンブレン領域の割合を考えると、１メンブレンに１偏向領域を配置する場合に比べて、本実施形態では約１７％のメンブレン領域を削減することが可能となり、機械的強度の高い、放熱性に優れたステンシルマスクを提供することが可能となる。

更に詳説する。
電子線を偏向させることで露光可能ないわゆる偏向領域１０３は、精度や装置によっても異なるが、その形状は概ね円形であり、またその大きさは、一般的には直径０．５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲である。
キャラクター数を増やすためにはこの偏向領域１０３内に、効果的にキャラクターを配置することが有効であり、通常この円形の偏向領域１０３内に密にキャラクターが配置される。
ここで、図２に示すように、偏向領域１０３の直径をＤ、梁から偏向領域１０３までのギャップをＭ、梁の最小幅をＢとする。
このとき、図３に示すように、一般的な矩形のメンブレンエリア内に、それぞれ偏向領域１０３を１つ配置することを考えると、単純格子上に配置する場合、１偏向領域当たり（Ｄ＋２Ｍ＋Ｂ）²のマスク領域が必要になる。

一方、本発明に基づき、矩形の１メンブレンエリア内に、偏向領域１０３を２つ配置することを考える（図４）。偏向領域１０３は隣り合うように並べ、偏向領域１０３間の距離をＸと考えると、１偏向領域あたりに必要なマスク領域は（（Ｄ＋２Ｍ＋Ｂ）×（２Ｄ＋２Ｍ＋Ｂ＋Ｘ））／２となる（図４）。実際の描画を行う際に、偏向領域を設定する場合、Ｘが（４Ｍ＋Ｂ）より大きくなることは、ほぼ考えられない。このため、同一面積に配置する時、一般的な矩形エリアに１つ配置する場合に比べて、多くのキャラクターを並べる事が可能となる。

また、偏向領域１０３の数を一定にして、マスク内に配置した場合、メンブレン以外のバルク領域１０１を増やすことが可能となり、機械的強度の高い、放熱性に優れたステンシルマスクを提供することが可能となる。
ここで、１メンブレンに２つの偏向領域１０３を考えた場合（図５（ａ））、１メンブレンに１偏向領域１０３の場合（図５（ｂ））に比べ、１偏向領域当たり、（２Ｍ−Ｘ）／（２（Ｄ＋２Ｍ））×１００％のメンブレン領域を削減することが可能となる。

なお、上記説明では矩形のメンブレンエリアを想定したが、メンブレンエッジ部１０２はステンシルパターン領域１０４よりも外側でかつ電子線露光の際の障害にならないだけのギャップが設けられていれば良く、特に限定されない。キャラクター領域の相似形や、応力が集中しないよう、円形やそれに順ずる形状であっても良い。
また、１メンブレンあたり、偏向領域を３つ以上設けてもよい。その場合、２偏向領域に比べさらに多くのキャラクターを搭載可能、もしくはバルク領域を多く取ることが可能となる。
また、図６のように、偏向領域１０３は一部重なっていてもよい。すなわち、複数の偏向領域１０３に対応したパターンを備えていれば良く、偏向領域が重なっているようなステンシルマスクであっても良い。
また、偏向領域外に露光に直接関係しない、例えばアライメントマーク等のパターンを含んでいても良い。

実施例を以下で説明する。縦横１８ｍｍ内をステンシルマスクのパターン形成範囲とし、１メンブレン当たり２つの偏向領域を配置し、その偏向領域を直径２０００ｕｍの円形とし、梁から偏向領域１０３までのギャップを５００ｕｍ、梁の幅を最小１０００ｕｍの範囲内でキャラクターを配置することとする。なお、簡単のため一部の図を除き、前記のメンブレンのうち１メンブレンのみを取り上げ説明することとする。

まず、図７（ａ）に示すように、厚さ２ｕｍのシリコン活性層７０１、厚さ１ｕｍの中間酸化膜７０２、厚さ５２５ｕｍの指示シリコン基板７０３からなる直径が１００ｍｍΦのＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板７０４を用意した。支持シリコン基板７０３は熱浴としての役割を果たすため出来るだけ厚く、例えば、８インチウエハの標準的な厚さである７２５ｕｍなどが望ましい。また、中間酸化膜７０２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十分な厚みである範囲で薄くすることが望ましい。

次に、図７（ｂ）に示すように、シリコン活性層７０１上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート系）の電子線感応性ポジレジスト７０５（感度：３００ｕＣ／ｃｍ²）を１０００ｎｍの膜厚でスピンコート法により塗布した。
次に、図７（ｃ）に示すように、ポジレジスト７０５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３００ｕＣ／ｃｍ²となるように電子線を露光し、同時に合わせ用レジストマーク７０６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、ステンシルレジストパターン７０７を得た。

このときのＳＯＩ基板７０４の上面図を図９に示す。図９に示すように、偏向領域に対応したキャラクター群７０７はステンシルパターン領域内に形成されており、本実施例において偏向領域は中央に２つ接するように配置されている。
次に、図７（ｄ）に示すように、同レジスト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７０２をエッチングストッパ層として、シリコン活性層７０１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、表裏合わせ用のマークパターン７０８及びステンシルパターン７０９を得た。

次に、図８（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板７０４の指示シリコン基板７０３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５０ｕｍの感光層８０１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８０２を形成した。このとき、パターン現像時の基板とメンブレン開口用レジストパターンの露光用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７０８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７０４の上面図を図１０に示す。図１０に示すように、メンブレン開口用のレジストパターン８０２は支持基板７０３上に配置した。
次に、図８（ｂ）に示すように、メンブレン開口用レジストパターン８０２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７０２をエッチングストッパ層として支持シリコン基板７０３の一部をエッチングした、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７０２を除去した。

次に、図８（ｃ）に示すように、酸素アッシングにより感光層８０１を除去した後、ＳＯＩ基板７０４のＲＣＡ洗浄を行った。
次に、図８（ｄ）に示すように、シリコン活性層７０１側および支持シリコン基板７０３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８０３を形成した後、ステンシルマスク８０４を得ることができた。

ここで、ステンシルマスクは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あらかじ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。
本実施例で作製したステンシルマスクの全体の上面図を図１１に示す。先に指定した、１８ｍｍ角内に偏向エリア１０３を３０備え、１メンブレンに１偏向エリアで作製した場合のエリア数２５（図１２参照）に比べ、２０％多くのキャラクターを配置可能であった。またメンブレン部の面積も１偏向領域あたり１７％削減可能であった。

１０１ バルク領域
１０２ メンブレンエッジ部
１０３ 電子線偏向領域
１０４ ステンシルパターン領域
７０１ シリコン活性層
７０２ 中間酸化膜
７０３ 支持シリコン基盤
７０４、９０２、１００２ ＳＯＩ基板
７０５ ポジレジスト
７０６ 合わせ用レジストマーク
７０７ ステンシルレジストパターン
７０８ 表裏合わせ用マークパターン
７０９ ステンシルパターン
８０１ 感光層
８０２ メンブレン開口用レジストパターン
８０３ 導電膜
８０４ ステンシルマスク
１１０３ パターン形成範囲
１３０１ ステンシルパターン
１３０２ メンブレン
Ｂ 梁の長さ
Ｄ 偏向領域の直径
Ｍ 偏向領域から梁までのギャップ

Claims (5)

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からなるステンシルマスクにおいて、
   前記メンブレン領域内に、偏向領域に対応したステンシルパターンエリアを２以上配置したことを特徴とするステンシルマスク。
2. 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からなる部分一括露光用ステンシルマスクにおいて、
   前記メンブレン領域に、予め設定した半径を持った円形内における電子線照射用のステンシルパターンエリアの占有率が７０％以上有する円形のエリアを、２つ以上配置したことを特徴とするステンシルマスク。
3. 前記円形のエリアは、互いに独立して存在することを特徴とする請求項２に記載したステンシルマスク。
4. 前記円形のエリアは、互いに一部が重なって存在することを特徴とする請求項２に記載したステンシルマスク。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載されたステンシルマスクを用いた露光方法。

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