(57)【要約】【課題】膜の強度が高く、メンブレンの応力制御が可能であるとともに、電子線透過特性に優れたメンブレンマスクおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】基体と、この基体により支持されたメンブレンと、このメンブレン上に形成され、荷電粒子線が透過する透過孔パターンを有するマスク母体とを具備し、前記メンブレンは、３×１０１８ｃｍ−３以上の窒素を含むダイヤモンド膜からなることを特徴とするメンブレンマスク。前記メンブレンは、基板上に、炭化水素、水素、及び０．５％以上の窒素源ガスを含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により形成される。【選択図】      図１
2006080360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、この基体により支持されたメンブレンと、このメンブレン上に形成され、荷電粒子線が透過する透過孔パターンを有するマスク母体とを具備し、前記メンブレンは、３×１０１８ｃｍ−３以上の窒素を含むダイヤモンド膜からなることを特徴とするメンブレンマスク。
【請求項２】
前記ダイヤモンド膜は、表面の平坦度が５０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載のメンブレンマスク。
【請求項３】
基板上に、炭化水素、水素、及び０．５％以上の窒素源ガスを含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を形成する工程、
前記ダイヤモンド膜上にマスク材料層を形成する工程、
前記基板を加工して開口を形成し、メンブレンマスク基体を形成する工程、
前記マスク材料層上に有機レジストパターンを形成する工程、及び
前記有機レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、前記マスク材料層をエッチングし、マスク母体を形成する工程、
を具備することを特徴とするメンブレンマスクの製造方法。
【請求項４】
前記プラズマＣＶＤ法が、１ｋＷ以上のマイクロ波プラズマを用いることを特徴とする請求項３に記載のメンブレンマスクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体等の製造プロセスにおいて、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メンブレンマスク及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の微細化が急速に進んでいる。そのような微細パターンを有する素子の製造技術として、様々な露光技術が開発されている。例えば、電子線部分一括露光や電子線ステッパ露光のような電子線を用いる露光法、イオンを用いる露光法、真空紫外域の光を用いる露光法、極紫外域の光を用いる露光法等がある。
【０００３】
これらのうち、電子線を用いる露光法の一つとして、電子線ステッパを用いて縮小露光する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この方法では、２０〜１００ｋＶ程で加速した高速電子を、電子線マスク及び電子レンズを用いて、通常１／４に縮小露光し、半導体回路等の所望のパターンを形成する。ここで用いられる電子線マスクとして、メンブレンマスク及びステンシルマスクがそれぞれ提案されている。
【０００４】
メンブレンマスクは、電子線を透過しやすい軽元素からなる薄膜（メンブレン）上に、電子線を散乱しやすい重金属からなる薄膜がパターン化加工されたマスク層から構成される。例えば、メンブレン材料としては窒化シリコン膜、散乱層材料としてはタングステン薄膜が用いられる。一方、ステンシルマスクは、メンブレン薄膜を有さず、露光部には貫通孔が設けられている。散乱層としては、通常、単結晶シリコンが用いられ、その厚みは通常２μｍ程度である。
【０００５】
ステンシルマスクでは、マスク自体に電子線が通過する貫通孔が設けられ、露光電子が開口部を自由に通過できるため、電子線のエネルギー損失がない。したがって、メンブレンマスクと比較し、色収差による解像度の低下がない。しかし、電子線が通過する部分は完全に貫通しているため、開口パターンが閉じていると、その内側のマスク部材が欠落してしまう。これを避けるために、パターンを２つ以上の相補マスクに分割することが必要となる。
【０００６】
例えば、ドーナツ状のパターンの場合、２つの半円に分割してそれぞれの相補マスクに分割し、それぞれの相補マスクに配置し、２度露光することによりウェハ上にパターンを完成させる。また、大きなマスク部材を小さな支持部で支えているような機械的強度に問題のあるパターンについても分割する必要がある。このように、ステンシルマスクでは、マスク分割によって露光回数が倍増するため、スループットが犠牲になるという大きな問題がある。
【０００７】
一方、メンブレンマスクでは、上述のステンシルマスクの場合のようなマスク分割が不要であるため、次世代の露光方式として最も重要視されるスループットの低下は存在しない。しかしながら、電子線露光部にメンブレン薄膜が介在するために、メンブレン材料として従来の窒化シリコンを用い、かつその膜厚を薄くしても、無散乱電子の割合は小さい。また、弾性散乱により角度を変えた電子は、その殆どが制限アパーチャでカットされるため、ビーム電流の損失も大きい。更に、制限アパーチャを透過し、露光に寄与する電子も、一部がプラズモン励起等の非弾性散乱によりエネルギーを失っている。その結果、露光電子のエネルギー分散が大きくなり、すなわち色収差により解像度が低下する。
【０００８】
最近、メンブレンマスクとして、メンブレンでの電子散乱を低減する目的でメンブレン材料に、さらにはマスク母体にも、ダイヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）を用いるメンブレンマスクが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００９】
ＤＬＣは、一般にダイヤモンド様の機械的物性を示すアモルファスカーボンの総称であり、作製方法によりその構造及び物性は大きく異なる。上述の文献によると、ＤＬＣのヤング率は１３０〜３００ＧＰａとされ、従来メンブレン材料として用いられている窒化シリコン（１３０〜１６０ＧＰａ）より高く、薄膜化しても高い膜強度が得られるとされる。また、ＤＬＣはカーボン原子で構成されているために、窒化シリコンよりも原子番号と密度が小さく、電子散乱を低減することが出来る。
【００１０】
しかし、通常、ＤＬＣは強い圧縮応力を示し、かつアモルファス構造であるため、膜質の制御は難しく、したがって応力調整も困難である。また、このようなＤＬＣにシリコン等の他元素をドープすることで応力緩和できることも知られているが、そのためには、通常、数１０％以上の他元素の導入が必要であり、カーボン単元素で構成されるＤＬＣほどの物性値（高硬度、高熱伝導率等）は得られない。更に、ＤＬＣは上述のようにアモルファス構造であり、ドープした場合には他元素の混入による構造及び物性変化もあるため、十分な電子線照射耐性を得ることは困難である。
【非特許文献１】H. Yamashita et.  al., J. Vac. Sci. Technol, B18, 3237 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、このような事情の下になされ、膜の強度が高く、メンブレンの応力制御が可能であるとともに、電子線透過特性に優れたメンブレン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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、基体と、この基体により支持されたメンブレンと、このメンブレン上に形成され、荷電粒子線が透過する透過孔パターンを有するマスク母体とを具備し、前記メンブレンは、３×１０１８ｃｍ−３以上の窒素を含むダイヤモンド膜からなることを特徴とするメンブレンマスクを提供する。
【００１３】
以上のように構成されるメンブレンマスクでは、メンブレンとして高硬質、高ヤング率のダイヤモンド膜を用いているため、機械的強度の高いメンブレンが構成でき、基体のないメンブレン部分の大面積化、及びより微細なパターンの形成が可能となり、回路パターン設計の自由度を向上することが出来る。また、ダイヤモンドは軽元素であるため、電子透過率が高く、露光電子の損失の少ないマスクを実現することが出来る。
【００１４】
また、ダイヤモンド膜に規定量以上の窒素を含有させることにより、膜の平坦性が向上するため、プロセスの自由度が増すと共に、マスク母体の加工精度が向上し、より微細なパターンを形成することが可能となる。
【００１５】
更に、ダイヤモンド膜に規定量以上の窒素を含有させることにより、本来絶縁体であるダイヤモンド膜に導電性を付与することができる。これにより、別途導電膜をつけるか又は表面処理をする必要がなく、ダイヤモンド膜のみの簡便な構造で、チャージアップしない良好な特性を有するメンブレンマスクを実現することが出来る。
【００１６】
更にまた、ダイヤモンド膜に規定量以上の窒素を含有することにより、本来強い引っ張り応力を有するダイヤモンド膜の応力を緩和することが可能となる。
【００１７】
本発明の一態様に係るメンブレンマスクにおいて、ダイヤモンド膜の表面の平坦度が５０ｎｍ未満とすることが出来る。
【００１８】
本発明の他の態様は、基板上に、炭化水素、水素、及び０．５％以上の窒素源ガスを含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を形成する工程、前記ダイヤモンド膜上にマスク材料層を形成する工程、前記基板を加工して開口を形成し、メンブレンマスク基体を形成する工程、前記マスク材料層上に有機レジストパターンを形成する工程、及び  前記有機レジストパターンをエッチングマスクとして用いて、前記マスク材料層をエッチングし、マスク母体を形成する工程、を具備することを特徴とするメンブレンマスクの製造方法を提供する。
【００１９】
このようなメンブレンマスクの製造方法では、プラズマＣＶＤ法における原料ガスに所定量の窒素源ガスを添加することで、反応系中のＣＮおよびＣ２（ダイマー）が増加し、それらの発生密度が増加することによって、結果的に結晶粒径が小さくなり、表面平滑性が高いダイヤモンド膜からなるメンブレンが得られる。その結果、このメンブレン上において、超微細パターニングを要するマスク母体の加工精度の向上が可能となる。
【００２０】
また、メンブレン表面が平坦であるため、成膜後の研磨処理は不要であり、成膜後直ちにマスク母体材料の成膜を行うことができる。したがって、メンブレンマスクを簡便な工程で作製することができる。
【００２１】
ダイヤモンド膜を形成するためのプラズマＣＶＤ法は、１ｋＷ以上のマイクロ波プラズマを用いることが望ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、薄膜化が容易で、応力制御が可能であるとともに、加工性が高く、しかも膜の強度が高く、パターン精度の高いメンブレンマスクが提供される。このメンブレンマスクは、メンブレンの表面の平坦性が良好であるため、プロセスの自由度が増すと共に、マスク母体の加工精度が向上し、より微細なパターンのメンブレンマスクが得られる。また、このメンブレンマスクは、メンブレンが導電性を有するため、チャージアップしないという良好な特性を有する。
【００２３】
また、本発明によると、所定量の窒素源ガスを添加した原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により得られた、結晶粒径の小さい、表面平滑性が高いダイヤモンド膜によりメンブレンを形成しており、そのため、その上に微細なパターンのマスク母体を高精度に形成することが出来る。
【００２４】
更に、メンブレンを構成するダイヤモンド膜に規定量以上の窒素を含有させることにより、本来強い引っ張り応力を有するダイヤモンド膜の応力を緩和することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２６】
本発明の一実施形態に係るメンブレンマスクは、メンブレンが、３×１０１８ｃｍ−３以上の窒素を含むダイヤモンド膜からなることを特徴とする。
【００２７】
このように、３×１０１８ｃｍ−３以上の窒素を含むダイヤモンド膜は、表面の平坦度が５０ｎｍ未満と、非常に平坦性が優れているとともに、導電性を有している。このようなダイヤモンド膜をマスク母体として含むメンブレンマスクでは、メンブレンの表面の平坦性が良好であるため、プロセスの自由度が増すと共に、その上に形成されるマスク母体の加工精度が向上し、より微細なパターンを得ることが可能となる。また、メンブレンが導電性を有するため、別途導電膜をつけるか又は表面処理をする必要がなく、チャージアップしない良好な特性を有するメンブレンマスクを実現することが出来る。
【００２８】
また、ダイヤモンド膜に規定量以上の窒素を含有することにより、本来強い引っ張り応力を有すダイヤモンド膜の応力を緩和できるようになる。
【００２９】
なお、窒素含有量が３×１０１８ｃｍ−３未満では、ダイヤモンド膜の表面の平坦性に劣り、また導電性が低くなり、上記特性を有するメンブレンマスクを実現することが出来ない。
【００３０】
基体としては、シリコン単結晶基板、ガラス基板、石英基板等を加工したものを用いることが出来る。
【００３１】
以下、上述した、本発明の一実施形態に係るメンブレンマスクの製造方法について、図１を参照して説明する。
【００３２】
まず、図１（ａ）に示すように、基板１上に、炭化水素、水素、及び０．５％以上の窒素源ガスを含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド膜２を形成する。
【００３３】
プラズマＣＶＤ法の代わりに熱ＣＶＤ法等を用いることも出来る。
【００３４】
炭化水素としては、メタン、エチレン、アセチレン等を、窒素源ガスとしては、窒素、アンモニア等を用いることが出来る。
【００３５】
成膜されたダイヤモンド膜２は、上述したように、３×１０１８ｃｍ−３以上の窒素を含んでいる。このように、３×１０１８ｃｍ−３以上の窒素を含むダイヤモンド膜２は、ＣＶＤ法において、炭化水素、水素とともに、窒素源ガスを０．５％以上含む原料ガスを用いることにより得ることが出来る。また、特に、１ｋＷ以上のマイクロ波プラズマを用いたプラズマＣＶＤ法により、より確実に３×１０１８ｃｍ−３以上の窒素を含むダイヤモンド膜を得ることが出来る。
【００３６】
このように、ＣＶＤにおける原料ガスに所定量の窒素源ガスを添加することで、反応系中のＣＮおよびＣ２（ダイマー）が増加し、それらの発生密度が増加することによって、結果的に結晶粒径が小さくなり、表面平滑性が高いダイヤモンド膜が得られる。
【００３７】
次いで、図１（ｂ）に示すように、ダイヤモンド膜上にマスク材料層３を形成する。マスク材料としては、タンタル、タングステン、クロム、窒化クロム等を挙げることが出来る。
【００３８】
次に、図１（ｃ）に示すように、基板１の裏面を加工して、開口を有するメンブレンマスク基体を形成する。この基板１の裏面の加工は、フォトリソグラフィーとＲＩＥを用いて行うことが出来る。例えば、フォトリソグラフィーにより、基板１の除去すべき部分を除く面にエッチングマスクを形成し、これをマスクとして基板１を、例えばＲＩＥによりエッチングすることにより、開口を有するメンブレンマスク基体４を得ることが出来る。
【００３９】
その後、マスク材料層３上に、有機レジスト層を形成した後、リソグラフィーによりパターニングし、図１（ｄ）に示すように、有機レジストパターン５を形成する。引き続き、この有機レジストパターン５をエッチングマスクとして用いて、マスク材料層３をエッチングして、マスク母体６を形成する。マスク材料層３のエッチングには、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることが出来る。
【００４０】
最後に、有機レジストパターン５を除去して、図１（ｅ）に示すようなメンブレンマスクが得られる。
【００４１】
以上説明した方法により得られたメンブレンマスクは、炭化水素、水素、及び０．５％以上の窒素源ガスを含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により成膜された、平坦性が良好で導電性を有するダイヤモンド膜をメンブレンとしているため、微細なパターンで精度よく形成可能であり、またチャージアップしないという良好な特性を有する。
【００４２】
以下、本発明の実施例を示し、本発明についてより具体的に説明する。
【００４３】
実施例１
図１（ａ）〜（ｅ）を参照して、本発明の一実施例に係るメンブレンマスクの製造工程について説明する。
【００４４】
図１（ａ）に示すように、厚み５２５μｍの単結晶シリコン基板１１上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて、ダイヤモンド膜２を成膜した。
【００４５】
マイクロ波プラズマＣＶＤの条件は次の通りである。  
原料ガス：メタン（５０ｓｃｃｍ）、水素（４４５ｓｃｃｍ）、
窒素（５ｓｃｃｍ）
基板温度：８２０℃
反応圧力：８０Ｔｏｒｒ
ＭＷパワー：２．５ｋＷ
膜厚    ：０．５μｍ。
【００４６】
以上のように作製されたダイヤモンド膜２は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察したところ、ナノメーターオーダーの結晶粒径を確認することができた。また、１０μｍ四方をＡＦＭで計測した自乗平均表面粗さ（ｒｍｓ）は１５ｎｍと非常に平坦であった。
【００４７】
また、電子線エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）によりｓｐ３（ダイヤモンド結合）の存在を確認することができた。更に、膜の電気伝導性を測定した結果、数Ωの抵抗率が得られた。
【００４８】
次いで、図１（ｂ）に示すように、ダイヤモンド膜２上に、スパッタ法により、マスク母体材料としてタンタル薄膜３を形成した。
【００４９】
スパッタ条件は次の通りである。  
スパッタガス：アルゴン（３３ｓｃｃｍ）
基板温度：＜１００℃
スパッタ圧力：５Ｐａ
パワー：１ｋＷ
膜厚  ：５０ｎｍ
次に、図１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィーとＲＩＥにより基板１の裏面を加工し、メンブレンマスク基体４を得た。ここで、エッチングガスとして四フッ化炭素を用いた。
【００５０】
その後、タンタル薄膜３上に電子線レジスト（図示せず）を０．５μｍの厚さに塗布した。電子線レジストとしては、ＺＥＰ（商品名、日本ゼオン社製）を用いた。この電子線レジストに電子線描画機を用いて電子線をパターン状に描画露光し、その後、専用の現像液であるＺＥＤ−Ｎ５０（商品名、日本ゼオン社製）を用いて現像をおこない、図１（ｄ）に示すように、レジストパターン５を形成した。
【００５１】
次に、上記レジストパターン５をマスクとして用いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置を用いて、タンタル薄膜３にパターンを転写し、図１（ｄ）に示すようなマスク母体６を形成した。ＲＩＥ条件は、下記のとおりである。
【００５２】
エッチングガス：ＣＦ４（３５ｓｃｃｍ）
反応圧力：３０ｍＴｏｒｒ
高周波パワー：３００Ｗ
最後にレジストパターン５を剥離して、図１（ｅ）に示すように、メンブレンマスクが得られた。
【００５３】
以上のように製造されたメンブレンマスクでは、メンブレン（ダイヤモンド膜）２、マスク母体６は、いずれも非常に低い応力に調整され、剥離や亀裂が生ずることがなく、またメンブレン（ダイヤモンド膜）２およびマスク母体６は、ともに抵抗が低いため、別途金属膜を設ける必要はなかった。また、得られたメンブレンマスクは、パターン精度が高く、荷電粒子線照射特性に優れたものであった。
【００５４】
以上の実施例では、基板として単結晶シリコン基板、マスク母体としてタンタル薄膜を用いた例について説明したが、本発明はこれに限らず、基板として石英、マスク母体としてタングステン等を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のメンブレンマスク及びその製造方法は、各種半導体装置の製造プロセスに広範に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係るメンブレンマスクの製造方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１…基板、２・・・メンブレン、３・・・マスク材料層、４・・・メンブレンマスク基体、５・・・有機レジストパターン、６・・・マスク母体。
【図１】
2006080360.tif 000003