(57)【要約】【課題】マスク母体の強度が高く、応力制御が可能であるとともに、加工性が高く、かつ電子線照射特性の優れたステンシルマスクを提供すること。【解決手段】基体と、この基体により支持されたマスク母体とを具備し、前記マスク母体は、荷電粒子線が透過する透過孔パターンを有する、結晶粒径が１ｎｍ以上、１０００ｎｍ未満であるナノクリスタルダイヤモンドを主成分として含むナノダイヤモンド膜からなることを特徴とする。【選択図】    図１
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【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マスク母体とを具備し、前記マスク母体は、荷電粒子線が透過する透過孔パターンを有する、結晶粒径が１ｎｍ以上、１０００ｎｍ未満であるナノクリスタルダイヤモンドを主成分として含むナノダイヤモンド膜からなることを特徴とするステンシルマスク。
【請求項２】
前記ナノダイヤモンド膜は、０．０５μｍ以上、５μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１に記載のステンシルマスク。
【請求項３】
前記ナノダイヤモンド膜の表面は、電子供与基で終端されていることを特徴とする請求項１に記載のステンシルマスク。
【請求項４】
前記ナノダイヤモンド膜の表面層が、非ダイヤモンドカーボン膜であることを特徴とする請求項１に記載のステンシルマスク。
【請求項５】
前記ナノダイヤモンド膜は、不純物がドープされていることを特徴とする請求項１に記載のステンシルマスク。
【請求項６】
前記不純物は、硫黄、硼素、酸素、燐、窒素および珪素からなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載のステンシルマスク。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のステンシルマスクに荷電粒子線を照射し、転写パターンの形状に荷電粒子線を成形する工程を具備する荷電粒子線の露光方法。
【発明の詳細な説明】
【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及びそれを用いた露光方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の微細化が急速に進んでいる。そのような微細な素子の製造に用いる露光技術として、様々な露光方法が開発されている。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程度の加速電圧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は、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）と、この上に形成された、電子線を散乱しやすい重金属からなる散乱層パターンから構成される。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。
【０００５】
一方、ステンシルマスクは、メンブレン薄膜を持たず、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。
【０００６】
メンブレンマスクでは、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軽元素を用い、かつその膜厚を薄くしても、無散乱電子の割合は小さい。さらに、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。また、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しまう。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。この色収差を低減するためには、収束角を小さくすることが有効であるが、反面、クーロン効果が大きくなり、やはりビーム電流が制限される。
【０００７】
一方、ステンシルマスクでは、マスク自体に電子線が通過でき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て、色収差による解像度の低下がない。
【０００８】
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。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ことが出来る。
【０００９】
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、ステンシルマスクにおいては、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。
【００１０】
最近、ステンシルマスクを適用し、電子線を用いて等倍露光を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、従来の電子線を用いる露光法に比べて、電子線の加速電圧が２ｋＶと小さく、すなわち低速電子線を用いるという特徴を有する。このような電子線露光装置では、レンズ系やビーム電流が小さいため、近接効果の影響を受けず、さらにクーロン効果も小さいため、解像度の低下が少ない。
【００１１】
このような等倍露光用に用いられるステンシルマスクでは、マスクパターンの加工精度が重要となる。特に、マスクの膜厚とマスクパターンの線幅（電子線の透過孔の径）との比であるアスペクト比が問題となる。マスクパターンは、反応性イオンエッチングにより加工されるが、アスペクト比は、通常、１０程度である。従って、例えば、線幅１００ｎｍのパターンを形成するには、マスクの膜厚は、１μｍ程度が上限となる。
【００１２】
そこで、上述の特許文献１では、単結晶シリコンからなるステンシルマスクにおいて、厚さ０．２μｍ〜１．０μｍとすることが開示されている。しかし、この特許文献には、このような単結晶シリコンからなるステンシルマスクをどのようにして製造するかについては、何ら記載されていない。
【００１３】
通常、ステンシルマスクを構成する薄膜の材質として単結晶シリコンを用いる場合、薄膜を支えてマスクの平面性を維持するために、基板が必要である。この基板としては、加工性や入手容易性の点から、単結晶シリコンが用いられている。そして、エッチングにより薄膜の微細加工を行うため、２枚の単結晶シリコン基板によりシリコン酸化膜を挟んだ構造のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用い、マスクパターンは、一方の単結晶シリコン基板を研磨して所定の膜厚にし、次いでパターニングすることにより作製されている。この時、ＳＯＩ基板の中間層であるシリコン酸化膜は、マスクパターンを加工する際のエッチングストッパーとして機能する。
【００１４】
しかし、このような方法では、単結晶シリコン基板を上述の０．２μｍ〜１．０μｍの薄膜まで研磨することは極めて困難である。また、このような膜厚では、ステンシルマスクの製造工程において、シリコン酸化膜の応力により、薄膜化された単結晶シリコン基板に亀裂が入るという問題がある。
【００１５】
このため、シリコン酸化膜上に形成された単結晶シリコン薄膜に対し、異種イオンドーピング等の応力調整の工程が必要となるが、そうした場合、製造工程が増えるため、タクトタイムが長くなるという問題が生ずる。
【００１６】
また一方、低速電子線用に限らず、ステンシルマスク材料として従来のシリコンを用いる場合には、材料固有の物性（硬度、熱伝導率）に起因して、膜の強度や電子線照射による膜耐性に限界が生じる。すなわち、分割パターン形状や密度が制限されるため、分割回数が多くなるなどスループットの低下を引き起こす。
【００１７】
【非特許文献１】
Ｓ．  Ｄ．  Ｂｅｒｇｅｒ  ｅｔ．ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，５７，  １５３  （１９９０）
【００１８】
【特許文献１】
特許第２９５１９４７号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情の下になされ、マスク母体の強度が高く、応力制御が可能であるとともに、加工性が高く、かつ電子線照射特性の優れたステンシルマスクを提供することを目的とする。
【００２０】
本発明の他の目的は、そのような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。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、基体と、この基体により支持されたマスク母体とを具備し、前記マスク母体は、荷電粒子線が透過する透過孔パターンを有する、結晶粒径が１ｎｍ以上、１０００ｎｍ未満であるナノクリスタルダイヤモンドを主成分として含むナノダイヤモンド膜からなることを特徴とするステンシルマスクを提供する。
【００２２】
以上のように構成される本発明のステンシルマスクによると、ナノクリスタルダイヤモンド粒子の粒径あるいは粒形状を設計・制御することにより、マスク母体自体の応力の設計・制御が可能となり、それによって高強度のステンシルマスクを得ることができる。また、ナノダイヤモンド膜を構成するナノクリスタルダイヤモンドの結晶粒径がナノメートルオーダーであるため、薄膜化が容易で、かつマスク表面形状も平坦であり、マスクの形状並びに加工性において優れた特性を有するステンシルマスクを得ることができる。
【００２３】
本発明のステンシルマスクでは、ナノダイヤモンド膜は、０．０５μｍ以上、５μｍ以下の厚みを有することが望ましい。この範囲の膜厚は、単結晶シリコンで形成すること困難であったが、ＣＶＤ法等により、単結晶シリコンあるいは酸化シリコン上に制御性よく、容易に得ることが可能である。
【００２４】
本発明のステンシルマスクでは、また、ナノダイヤモンド膜の表面は、電子供与基で終端されていることが望ましい。このように薄膜の表面に電子供与基終端構造を形成することにより、薄膜の表面に導電性を付与することが出来、その結果、チャージアップを防止することが可能である。
【００２５】
本発明のステンシルマスクでは、、ナノダイヤモンド膜の表面層が、非ダイヤモンドカーボン膜であることが望ましい。このように薄膜の表面層に非ダイヤモンドカーボン層を形成することにより、薄膜の表面に導電性を付与することが出来、その結果、チャージアップを防止することが可能である。
【００２６】
本発明のステンシルマスクにおいて、ナノダイヤモンド膜には、不純物がドープされていることが望ましい。不純物としては、特に、硫黄、硼素、酸素、隣、窒素および珪素からなる群から選ばれた少なくとも１種であることがより望ましい。この場合、不純物のドープによってナノダイヤモンド膜の応力制御ができるとともに、ドープ種によりｎ型またはｐ型の不純物伝導性が付与されて、マスク抵抗を低減することでき、チャージアップを防止することが可能となる。
【００２７】
本発明のステンシルマスクにおいて、ナノダイヤモンド膜は、ＣＶＤ等により容易に成膜することができ、膜厚制御も容易であり、かつ加工性に優れ、所望のアスペクト比のパターンを高精度で形成することができる。そのため、プロセスの設計、制御が容易であり、荷電粒子線照射特性に優れたステンシルマスクを得ることが出来る。
【００２８】
また、本発明は、上述のステンシルマスクに荷電粒子線を照射し、転写パターンの形状に荷電粒子線を成形する工程を具備する荷電粒子線の露光方法を提供する。
【００２９】
かかる露光方法によると、試料基板上に形成されたレジストに対し、精度よいパターン露光が可能となり、その結果、半導体装置等におけるパターンの形成を、高い歩留まりで行うことが出来る。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係るステンシルマスクについて説明する。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態に係るステンシルマスクを示す断面図である。図１において、ステンシルマスク１は、開口部が形成された単結晶シリコンウェハからなる支持基板２上に、所定の透過孔パターンを有するナノダイヤモンド膜からなるマスク母体３を形成することにより構成されている。
【００３２】
支持基板２は、単結晶シリコンの他に、ガリウム−砒素、またはインジウム−燐などの半導体材料、または石英を用いることができる。また、マスク母体３はナノダイヤモンド膜からなり、８００℃以下の低温形成が可能であるため、低価格のガラス基板、セラミックス基板を用いることも可能となる。支持基板２の厚さは、３００〜１５００μｍであるのが望ましい。
【００３３】
マスク母体３を構成する膜は、結晶粒径が１ｎｍ以上、１０００ｎｍ未満であるナノクリスタルダイヤモンドを主成分として含むナノダイヤモンド膜である。ナノダイヤモンド膜に含まれるナノクリスタルダイヤモンド粒子の結晶粒径が１ｎｍ未満では、微結晶で粒界が多く、あるいは非晶質成分が多く、応力制御が容易でなく、また電子線照射耐性も低い。粒径が１０００ｎｍ以上では、表面の凹凸が大きくなり、加工特性が低下する。
【００３４】
なお、本発明におけるナノダイヤモンド膜は、１ｎｍ未満、１０００ｎｍを超える結晶粒径の結晶粒子を完全に排除することを意図するものではなく、１ｎｍ未満、１０００ｎｍを超える結晶粒径の結晶粒子がわずかに存在しても、充分に本発明の効果を可能である。即ち、ナノダイヤモンド膜中の９０％以上が結晶粒径１ｎｍ以上、１０００ｎｍ未満のダイヤモンド結晶粒子であれば、マスク母体３を構成する膜として充分にその機能を発揮し得る。
【００３５】
ナノダイヤモンド膜の膜厚は、０．０５μｍ以上、５μｍ以下であることが望ましい。膜厚が薄すぎると、マスク母体３を電子が透過する割合が高くなり、解像度が低下する、また厚すぎると、マスクパターンの加工精度を高くすることが出来ない。
【００３６】
なお、ナノダイヤモンド膜の表面は、電子供与基で終端されていることが望ましい。電子供与基としては、Ｈ基、ＯＲ（ＲはＨまたはアルキル基）基を挙げることが出来る。このような、表面化学吸着構造をとることにより、表面導電層が形成され、電子線照射時のステンシルマスクのチャージアップを防止することができる。
【００３７】
ナノダイヤモンド膜には、不純物、特に、硫黄、硼素、酸素、窒素および珪素からなる群から選ばれた１種以上をドープすることが望ましい。これらの不純物をドープすることで、原子半径の異なる原子の導入により、膜応力を調整することが可能となる。特に、硫黄、硼素、及び酸素は、膜応力の調整だけでなく、粒径を制御する機能をも有する。
【００３８】
また、ドナーとして機能する硫黄や窒素、アクセプタとして機能する硼素は、不純物伝導により膜自体の導電性を向上することができるので、ステンシルマスクのチャージアップを防止することができる。
【００３９】
ナノダイヤモンド膜中にドープされる不純物の濃度は、ナノダイヤモンド膜の特性を損なわない範囲であればよく、例えば１０１６〜１０２１／ｃｍ３である。
【００４０】
以上のように構成される本実施形態に係るステンシルマスクでは、マスク母体として、従来用いられていた単結晶シリコン膜に代わり、ナノダイヤモンド膜を用いているため、粒径を制御あるいは不純物を添加することで膜の応力を調整することが可能である。また、ナノダイヤモンド膜は結晶性が高いため、熱耐性および導電性等の電子線照射特性に優れている。
【００４１】
また、ナノダイヤモンド膜は、平坦でかつ膜厚の薄い薄膜の形成が可能であるため、特に、低速電子線露光用に適し、所望のアスペクト比のパターンを高精度で形成することが可能である。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４３】
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施例に係るステンシルマスクの製造工程を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、厚み５２５μｍの単結晶シリコン基板２１上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて、膜厚５００ｎｍのナノダイヤモンド膜２２を成膜した。
【００４４】
次に、下面の所定の領域を除く部分を保護膜（図示せず）で被覆した単結晶シリコン基板２１を、約９０℃に加熱したＫＯＨ水溶液のエッチング液に浸漬し、単結晶シリコン基板２１の下面の所定の領域を面方位に沿って異方性エッチングし、図２（ｂ）に示すように、開口部２３を形成した。そして、保護膜をエッチング除去した。
【００４５】
次に、図２（ｃ）に示すように、ナノダイヤモンド膜２２上に、シリコン含有レジスト２４を０．３μｍの厚さに塗布した。シリコン含有レジストとしては、ＦＨ−ＳＰ（商品名、富士フィルムアーチ社製）を用いた。
【００４６】
その後、図２（ｄ）に示すように、このシリコン含有レジス２４トにｇ線を用いてパターン状に露光し、その後専用の現像液であるＦＨＤ−５（商品名、富士フィルムアーチ社製）を用いて現像をおこない、レジストパターン２５を形成した。
【００４７】
次に、レジストパターン２５をマスクとして用いて、プラズマエッチング装置を用い、エッチングガスとして酸素を用いて、ナノダイヤモンド膜２２をドライエッチングして、図２（ｅ）に示すように、マスク母体２６を形成した。
【００４８】
最後に、フェノール系剥離液を用いてレジストパターン２５を剥離し、ステンシルマスク（図１）を完成した。
【００４９】
以上のように製造されたステンシルマスクでは、マスク母体２６は膜厚が５００ｎｍと非常に薄く、かつ応力が低いため、剥離や亀裂が生ずることがなく、また抵抗が低いため、別途金属膜を設ける必要がない。また、得られたステンシルマスクは、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。
【００５０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によると、マスク母体をナノダイヤモンド膜により構成しているため、平坦で且つ応力調整されたマスク母体を有するステンシルマスクを得ることができる。また、加工プロセスの設計、制御が容易であり、加工性に優れ、所望のアスペクト比のパターンを高精度で形成することができ、荷電粒子線照射特性に優れたステンシルマスクを得ることが出来る。
【００５１】
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出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るステンシルマスクを示す断面図。
【図２】本発明の一実施例に係るステンシルマスクの製造プロセスを工程順に示す断面図。
【符号の説明】
１…ステンシルマスク
２，２１…単結晶シリコン基板
３，２６…マスク母体
２２…ナノダイヤモンド膜
２３…開口部
２４…レジスト
２５…レジストパターン
【図１】
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【図２】
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