DE19710798C1 - Herstellverfahren für Membranmaske mit Maskenfeldern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für eine Membranmaske mit Maskenfeldern, die durch dünne Stützwände begrenzt werden. Die Membranmaske ist für Belichtungsverfahren mit kurzwelliger Strahlung geeignet.

Elektronenstrahlbelichtungsverfahren, zu denen Röntgen-, Elektronen- und Ionenstrahlverfahren zählen, verdrängen mit zunehmender Verkleinerung der abzubildenden Strukturen die optische Lithographie immer mehr. Sie werden zur Herstellung von Belichtungsmasken oder zur Direktbelichtung von Halbleiterwafern eingesetzt und bei angestrebten Strukturbreiten von nur ungefähr 0.2 µm bei der 1 GBit Chipgeneration werden sie die dominanten Lithographieverfahren sein.

Während die Maskensubstrate für die herkömmliche optische Lithographie aus relativ dicken (einige mm) Quarzplatten bestehen, die für die üblichen Lichtwellenlängen transparent sind, wird bereits seit Anfang der siebziger Jahre versucht, für die Röntgen-, Elektronen- und Ionenstrahlverfahren Membranmasken einzusetzen. Dies erlaubt bei höherer Auflösung einen ausreichenden Durchsatz von Halbleiterwafern. Die Wechselwirkungen der drei genannten kurzwelligen Strahlungen mit der Maske erfordern Membranmasken mit einer Dicke von ungefähr 0.1 µm bis zu einigen µm.

Die Masken für das Ionenstrahlverfahren benötigen als Muster Löcher in der Membran, während für die Röntgen- und Elektronenstrahlbelichtung zusätzlich auch geschlossene Membranen mit Metallabsorbermuster benutzt werden können.

In all diesen Fällen wird die Membranmaske hergestellt, indem ein Elektronenstrahlmustergenerator die entsprechenden Muster in Fotolack schreibt. Für Strukturen kleiner als 0.5 µm wird die Eckenqualität von den mit Elektronenstrahlen geschriebenen Mustern schlecht, die Ecken verrunden.

Durch Ätzprozesse wird das Muster anschließend in die Membran bzw. in die Absorberschicht übertragen. Die meist eingesetzten anisotropen Plasmaätzverfahren zeichnen sich durch formgetreue Musterübertragung aus, d. h. die im Fotolack bereits verrundeten Ecken werden als verrundete Ecken nahezu gleicher Dimension in die Membran übertragen.

Schattenwurfmasken oder Lochmasken, wie in Fig. 4 dargestellt, bei denen das Muster aus physikalischen Löchern besteht und die z. B. in den europäischen Patenten EP 0 019 779 oder EP 0 078 336 beschrieben sind, sind bisher ausschließlich mit einer Membran 10 aus Silizium realisiert worden.

Bei der Schattenwurfmaske in EP 0 019 779 weist das n-dotierte Siliziumsubstrat eine p-dotierte Oberflächenschicht, die Membran, auf, die mit einer dünnen Chromschicht sowie zwei darüber aufgebrachten Goldschichten belegt ist. Diese insgesamt einige hundert nm (maximal ungefähr 1 µm) dicke Goldschicht diente dazu, die Elektronen in den undurchlässigen Maskenbereichen völlig abzubremsen.

Die Membrandicken liegen im Bereich von etwa 1 bis 4 µm, typischerweise bei 2 µm. Solche Siliziummembranen können über den Dotierungsätzstop uniform hergestellt werden. Mit geringer werdenden Strukturgrößen und abnehmender Membrandicke werden die Anforderungen an das anisotrope Plasmaätzen immer höher und als Dotierungsätzstop wird eine extrem hohe p-Dotierung erforderlich, z. B. eine Bordotierung von ungefähr 1.3 × 10²⁰ Boratome/cm³. Siliziummembranen mit dieser Ätzstopdotierung zeigen eine hohe Zahl von Versetzungsfehlstellen und sind mechanisch äußerst fragil.

Bei Masken mit einer geschlossenen Membran für die Röntgenstrahl-lithographie, wie in Fig. 5 dargestellt, ist das Muster in Form eines strukturierten metallischen Absorbermaterials 21 auf der Membran 20 ausgebildet. Damit die Membran für Röntgenstrahlen transparent ist darf sie nur wenige µm dick sein und das Membranmaterial sollte eine möglichst geringe Kernladungszahl besitzen, um an den transparenten Stellen möglichst wenig Strahlung zu absorbieren.

Das Absorbermaterial ist ebenfalls nur wenige µm dick und besitzt eine möglichst hohe Kernladungszahl. Typische Metallabsorber bestehen aus Wolfram oder Gold und für die Membran wurden Materialien wie Silizium, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, ein Silizid wie in EP 0 048 291 vorgeschlagen oder neuerdings auch Diamant gewählt.

Träger für die Membran ist ein Siliziumwafer 22, der durch anisotropes Ätzen mindestens eine durchgehende Öffnung aufweist, deren Seitenwände aus (111)-Ebenen bestehen und 54,7∘ gegen die (100)-Oberfläche des Siliziumwafers geneigt sind.

Bei diesen Masken ist bis heute das Problem der Maskenverzeichnungen bedingt durch ungleichmäßigen mechanischen Stress in der Membran nicht zufriedenstellend gelöst. Mechanische Verzerrungen können sowohl durch das Membranmaterial selbst als auch durch das Absorbermaterial verursacht sein. Zudem besteht die Schwierigkeit, das metallische Absorbermaterial mittels reaktivem Ionenätzen im Submikronbereich zu strukturieren.

Vor wenigen Jahren wurde von S. D. Berger et al. in J. Vac. Sci. Technol. B9(6), Nov/Dec 1991, p. 2996-2999, "Projection electron-beam lithography: A new approach" ein Elektronenstrahlprojektionsverfahren vorgeschlagen, das Elektronen hoher Energie verwendet und eine neue Membranmaskentechnik erforderte. Die auch von Huggins et al. in Proceedings of SPIE 1995, Vol. 2621, p. 247-255 und von J. A. Liddle et al. in Proceedings of SPIE 1994, Vol. 2322, p. 442-451 beschriebene SCALPEL^TM Maske (Scanning with Angular Limitation Projection Electron-Beam Lithography) ähnelt den für die Röntgenstrahllithographie eingesetzten geschlossenen Membranmasken.

Die Schichtdicken der Membran und der Metallabsorberschicht sind bei den SCALPEL Masken geringer. Elektronen von ungefähr 100 keV durchdringen beide Schichten, werden aber an den Schichten unterschiedlich stark gestreut, was zu einer verkleinernden Abbildung ausgenutzt wird.

Im Gegensatz zu den für die Röntgenstrahllithographie verwendeten Membranmasken ist die SCALPEL Maske in kleinere Maskenfelder unterteilt. Diese Unterteilung erlaubt Stützwände, die eine bessere mechanische und thermische Stabilität garantieren. Um den Flächenverlust zwischen den Maskenfeldern möglichst gering zu halten, sind die dünnen Stützwände senkrecht zur Waferoberfläche angeordnet und durch anisotropes Naßätzen aus einem (110)-Wafer hergestellt worden.

Ähnlich wie bei den Röntgenstrahllithographiemasken treten bei den SCALPEL Masken Spannungsprobleme durch die Membran und/oder die Metallabsorberschicht auf. Bei den u. a. in Proceedings of SPIE 1995, Vol. 2621, p. 247-255 beschriebenen Masken sind die Maskenfelder lange schmale Streifen, sodaß die freitragenden Membranteile aus Rechtecken von ungefähr 1 mm × 2 cm Größe bestehen. Da die Membranen unter Zugspannung stehen müssen, treten in x- und y-Richtung unterschiedliche Zugspannungen auf, was zu einer anisotropen Verzerrung des Maskenmusters führt.

US 5,260,151 zeigt SCALPEL Masken mit quadratischen Maskenfeldern von ungefähr 1 mm Kantenlänge, bei denen die die Maskenfelder gegeneinander abgrenzenden, 0.1 mm dicken und 1.0 mm hohen Stützwände senkrecht zur Membran aus polykristallinem Silizium angeordnet sind. Damit wird eine isotrope Streßverteilung in der Membran erreicht. Die Herstellung der dünnen, senkrechten Stützwände mit anisotropen Plasmaätztechniken, ohne die Membran zu beschädigen, ist allerdings problematisch.

US-A-4.780.382 zeigt ein Herstellungsverfahren einer Maske mit Stützwänden, wobei diese mittels Plasmaätzung hergestellt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur einfachen und kostengünstigen Herstellung von Masken mit Maskenfeldern und dünnen Stützwänden anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruch 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Ausbildung von zur Membran exakt senkrecht angeordneten Stützwänden und verhindert Beschädigungen der Membran beim Ausbilden der Stützwände.

Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Maske mit Maskenfeldern und senkrechten Stützwänden

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Maske

Fig. 3a und 3b zeigen das Ergebnis von dem aus dem Stand der Technik bekannten Herstellverfahren für Stützwände

Fig. 4 ist die Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Lochmaske

Fig. 5 ist die Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Maske mit geschlossener Membran für die Röntgenstrahllithographie

Fig. 6a zeigt eine lichtoptische Durchlichtaufnahme einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Maske mit Maskenfeldern

Fig. 6b bis 6d zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Maske mit Maskenfeldern

In Fig. 1 ist im schematischen Querschnitt eine Maske mit Maskenfeldern, die von dünnen Stützwänden 1 begrenzt werden, dargestellt. Die Stützwände bestehen aus einkristallinem Silizium und sind von einer Membran 2 bedeckt. Typische Größenverhältnisse sind in Fig. 1 ebenfalls angegeben.

Die einzelnen Maskenfelder haben Kantenlängen von ungefähr 1 mm. Die Stützwände sind ungefähr 400 µm hoch und die Membrandicke liegt im Bereich von ungefähr 0.2 µm bis ungefähr 2 µm.

Die Membran 2 kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen, z. B. aus hochdotiertem Silizium, Siliziumnitrid oder einer Schichtkombination aus SiO₂/Si₃N₄/SiO₂, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Schichtkombination und das Siliziumnitrid können zusätzlich beidseitig mit einer ungefähr 50 nm dicken Schwermetallschicht bedeckt sein.

Die Stützwände werden durch anisotropes Plasmaätzen des einkristallinen Siliziumkörpers 1 ausgebildet. Hierzu sind ungefähr 400 µm tiefe Öffnungen im Siliziumkörper mit senkrechten Wänden zu ätzen. Zu beachten ist, daß bei dieser Tiefenätzung die nur ungefähr 0.2 µm bis 2.0 µm dünne Membran 2 nicht beschädigt oder sogar weggeätzt wird. Besteht die Membran z. B. aus hochdotiertem Silizium, so ist bei dem Plasmaätzen kein Ätzstopp vorhanden.

In dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Plasma-Tiefenätzen kurz vor dem Erreichen der Membran 2 abgebrochen und die letzen µm vor der Membran werden naßchemisch weggeätzt, wie in Fig. 3a zu sehen. Mit einer alkalischen Ätzlösung läßt sich eine hohe Ätzselektivität erzielen.

Dieser Naßätzschritt greift auch die Seitenwände an, wobei in Abhängigkeit von deren kristallographischer Ausrichtung der laterale Ätzangriff isotrop oder anisotrop erfolgt.

Bei anisotropem Ätzangriff sind die zu ätzenden Strukturen parallel zur (110)-Richtung ausgerichtet und die durch (111)- Ebenen 7 begrenzten Strukturen der Fig. 3b entstehen. Bei starkem Überätzen können solche Strukturen nicht toleriert werden.

Ein isotroper Ätzangriff ist dimensionell leichter auszugleichen. Werden die Stützwände 1 um 45° gegen die (110)- Richtung gedreht bzw. parallel zur (100)-Ebene ausgerichtet, so lassen sich die durch (111)-Ebenen 7 begrenzten Strukturen vermeiden.

In Fig. 6a ist eine nach dem beschriebenen Verfahren gefertigte Maske in einer lichtoptischen Durchlichtaufnahme gezeigt. Die Maskenfelder sind begrenzt bzw. umrahmt von zur Membran senkrecht stehenden Seitenwänden.

Fig. 6b bis 6d zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen von einem Ausschnitt der Maske mit einigen unterschiedlich stark vergrößerten Maskenfeldern. Deutlich erkennbar sind die senkrechten Seitenwände mit einer Dicke im sub-µm-Bereich.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Maske mit Maskenfeldern und dünnen, aus einem einkristallinen Siliziumkörper gebildeten und von einer Membran (2) bedeckten Stützwänden (1), wobei die Stützwände (1) im wesentlichen durch einen anisotropen Plasmaätzprozeß ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß
kurz vor Erreichen der die Stützwände bedeckenden Membran (2) ein Naßätzschritt erfolgt und
die Stützwände (1) parallel zur (100)-Richtung des Siliziumkörpers ausgerichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß für den Naßätzschritt eine alkalische Lösung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet daß die Stützwände (1) ungefähr 400 µm hoch sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet daß die Membran (2) ungefähr 0.2 µm bis 2 µm dick ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet daß die Membran (2) aus hochdotiertem Silizium, Siliziumnitrid, einer Schichtkombination aus SiO₂/Si₃N₄/SiO₂, der beidseitig mit einer Schwermetallschicht bedeckten Siliziumnitrid­ schicht oder der beidseitig mit einer Schwer­ metallschicht bedeckten Schichtkombination besteht.