DE3715865A1

DE3715865A1 - X-ray mask made from silicon combined with silicon nitride layers, and process for the production thereof

Info

Publication number: DE3715865A1
Application number: DE19873715865
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Ing Betz; Laszlo Dipl Ing Csepregi; Hans-Ludwig Dipl Phys Dr Huber; Wolfgang Dr Windbracke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1987-05-07
Filing date: 1987-05-07
Publication date: 1988-11-17

Abstract

In an X-ray mask made from silicon combined with silicon nitride layers, a silicon membrane (3) has been removed completely in the area of the adjustment (alignment) marks, where a thin silicon nitride layer (1) takes on the support function and simultaneously serves as adhesion layer for the starting layer (7) necessary in the case of absorber structuring by electrodeposition or directly for the absorber in the case of subtractive structuring. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenmaske aus mit Silizium nitridschichten kombiniertem Silizium mit hoher optischer Transparenz. Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zur Herstellung solcher Röntgenmasken.The invention relates to an X-ray mask made of silicon nitride layers combined silicon with high optical Transparency. The invention also includes a method for Manufacture of such x-ray masks.

Die Lithographie mit Röntgenstrahlung, vornehmlich mit Synchrotronstrahlung, wie sie von Elektronenspeicherringen ausgesendet wird, gilt neben der optischen Lithographie mit Excimerlasern, die im tiefen Ultraviolett arbeiten, als das aussichtsreichste Lithographieverfahren für die Halbleiter technologie der 90er Jahre. Bei der Entwicklung der Röntgen lithographie steht die Herstellung einer geeigneten Röntgen maske im Mittelpunkt des Interesses, da sich in diesem Be reich sowohl die Schwierigkeiten einer Sub-µm-Technologie wie auch die besonderen Probleme beim Umgang mit weichen Röntgenstrahlen konzentrieren. Die für die Lithographie geeignete weiche Röntgenstrahlung besitzt nur geringe Mate rialkontraste, so daß einmal der Maskenträger nur einige Mikrometer stark sein darf, während die zu übertragende Struktur (Absorber) mit ca. 1 µm praktisch in der gleichen Größenordnung liegt. Die Zieldaten dieser Lithographie er fordern minimale Strukturen von 0,2 µm und eine Genauigkeit und Stabilität der Lage von ca. 1 ppm. Diese Randbedingungen schränken die Auswahl der Materialien sowohl von ihren spezifi schen Materialeigenschaften wie auch aus Gründen der Prozessierbarkeit stark ein.Lithography with X-rays, primarily with Synchrotron radiation, such as that from electron storage rings is emitted, applies in addition to optical lithography Excimer lasers that work in the deep ultraviolet than that most promising lithography process for semiconductors technology of the 90s. When developing the X-ray lithography is the preparation of a suitable x-ray mask in the center of interest, since this Be rich both the difficulties of a sub-µm technology as well as the special problems when dealing with soft Concentrate x-rays. The one for lithography suitable soft X-rays have only low mate rialkonastaste, so that the mask wearer only a few Micrometers may be strong while the one to be transmitted Structure (absorber) with approximately 1 µm practically in the same Order of magnitude. The target dates of this lithograph he require minimal structures of 0.2 µm and accuracy and stability of the layer of about 1 ppm. These boundary conditions limit the choice of materials both from their specifi material properties as well as for reasons of Processability strongly.

Als geeignetes Material für diesen Anwendungsfall ist Silizium aus der DE-AS 23 02 116 bekannt geworden, wobei die Bearbeitung von Siliziumwafern zum Erzeugen dünner Trägerfolien ausführlich beschrieben wurde. Um die gefor derten Genauigkeiten zu erreichen, muß eine Mindeststärke der Membran von ca. 2,5 bis 3 µm vorgesehen werden, da nur so die durch den unvermeidbaren mechanischen Streß im Absorber auftretende Kräfte aufgenommen werden können und mögliche Verzüge minimiert werden. Eine weitere Randbedingung bei Röntgenmasken liegt in der Forderung nach einer hohen optischen Transparenz (60%) zumindest in den Bereichen der Justiermarken, da selbst bei Röntgenlithographie die Justie rung von Maske und Wafer lichtoptisch durchgeführt werden muß. Silizium mit einer Stärke von 3 µm besitzt bereits eine so hohe Absorption, daß diese Werte nicht mehr erfüllbar sind, selbst wenn die Reflexionsverluste durch Einsatz geeigneter Antireflexschichten vollständig eliminiert wurden. Es exi stieren zwar Materialien, die über eine hohe optische Trans parenz verfügen, wie z. B. Bornitrid oder Siliziumnitrid; allerdings sind die spezifischen Vorteile von Silizium bezüg lich der Prozessierbarkeit und der Materialstabilität so hoch, daß intensiv nach Möglichkeiten zum Umgehen dieser Problematik gesucht wird. Neben der bereits erwähnten Anwen dung von Siliziumnitridschichten zur optischen Vergütung sind Ansätze bekannt, im Bereich der Justiermarken den Träger komplett durchzuätzen und mit freitragenden Justiermarken zu arbeiten. Ein lokales Dünnen der Siliziummembran im Bereich der Marken ist vom Prozeßablauf her kompliziert, da es neben der doppelseitigen optischen Vergütung noch einen zusätzlichen Lithographie- und Ätzschritt, der auf der bereits gedünnten Membran durchgeführt werden muß, erfordert.As a suitable material for this application Silicon known from DE-AS 23 02 116, wherein the processing of silicon wafers to produce thin ones Carrier films have been described in detail. To the gefor Achieving other accuracies must be a minimum the membrane of approx. 2.5 to 3 µm can be provided, since only so by the inevitable mechanical stress in Absorber forces can be absorbed and possible delays are minimized. Another constraint X-ray masks require a high level optical transparency (60%) at least in the areas of Alignment marks, because even with X-ray lithography the Justie Mask and wafer must be carried out optically. Silicon with a thickness of 3 µm already has one high absorption that these values can no longer be met, even if the reflection losses by using appropriate Anti-reflective coatings have been completely eliminated. It exi materials that have a high optical trans have parenz such. B. boron nitride or silicon nitride; however, the specific advantages of silicon are related processability and material stability high that intense for ways to get around this Problem is sought. In addition to the already mentioned application of silicon nitride layers for optical coating Approaches known to the wearer in the field of alignment marks completely etched through and with self-supporting alignment marks to work. A local thinning of the silicon membrane in the area of the brands is complicated in terms of the process flow, since it is next to the double-sided optical coating an additional one Lithography and etching step on the already thinned Membrane must be carried out.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die Kombi nation von Siliziumnitridschichten mit dem Maskenträgermate rial Silizium im Bereich der für die lichtoptische Justierung benötigten Marken lokal eine hohe optische Transparenz zu erzeugen und gleichzeitig beim Einsatz von Siliziumnitrid als Haftschicht für die in der galvanischen Absorberstruk turierung benötigte Galvanikstartschicht ein sehr einfaches, defektarmes und kostengünstiges Herstellungsverfahren für Röntgenmasken anzugeben.The invention is based, through the combination Nation of silicon nitride layers with the mask carrier mat rial silicon in the field of for optical adjustment brands need a high level of optical transparency locally generate and at the same time when using silicon nitride as an adhesive layer for those in the galvanic absorber structure galvanizing required a very simple, low-defect and inexpensive manufacturing process for Specify x-ray masks.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen erfindungsgemäß die im Hauptanspruch angegebenen Mittel und die im ersten Verfah rensanspruch angegebenen Verfahrensschritte. To solve this problem, the im Main claim and the means specified in the first procedure procedural steps specified.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developments of the invention are in the subclaims specified.

Auf diese Weise bildet im Bereich der Justiermarken eine Siliziumnitridschicht von ca. 100 bis 200 nm den Träger, wodurch eine Transparenz von 80 bis 90% gewährleistet ist. Ein weiterer entscheidender Vorteil dieser Erfindung liegt darin, daß die Siliziumnitridschicht neben der genannten Trägerfunktion auch als Schutz während der Dünnätzung des Siliziums und zusätzlich als Haftschicht für eine Galvanik startschicht dienen kann, wenn die Absorberstrukturen mit Hilfe der Galvanik erzeugt werden. In bisherigen Ausführungen für Röntgenmasken wurden für diese Haftschicht Metalle wie Titan, Chrom oder Tantal angewendet, das erstens einen kri tischeren Prozeßschritt durch die geringen Dicken darstellt und zum anderen auf Schwierigkeiten bei der Entschichtung zum Freilegen optisch transparenter Gebiete führt. Mit der Erfindung gelingt es damit, neben einer hohen optischen Trans parenz eine wesentliche Vereinfachung des gesamten Prozeß ablaufes und damit eine Verminderung defektsensitiver Schritte zu erzielen.In this way, a forms in the area of the alignment marks Silicon nitride layer of approx. 100 to 200 nm the carrier, which ensures transparency of 80 to 90%. Another critical advantage of this invention lies in that the silicon nitride layer next to the above Carrier function also as protection during the thin etching of the Silicon and also as an adhesive layer for electroplating starting layer can serve if the absorber structures with With the help of electroplating. In previous versions for X-ray masks, metals such as Titanium, chrome or tantalum applied, firstly a kri represents more table-like process step due to the small thicknesses and on the other hand, difficulties in decoating leads to the exposure of optically transparent areas. With the Invention thus succeeds in addition to a high optical trans parenz a significant simplification of the entire process process and thus a reduction in defect-sensitive steps to achieve.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen des Schicht aufbaus des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt The invention is illustrated below in the drawing schematically illustrated embodiments of the layer construction of the subject of the invention explained in more detail. It shows

Fig. 1 den Schichtaufbau vor der Dünnätzung; Fig. 1 shows the layer structure before the Dünnätzung;

Fig. 2 den Schichtaufbau mit Konditionierung der Ober fläche im transparenten Bereich; Figure 2 shows the layer structure with conditioning of the upper surface in the transparent area.

Fig. 3 einen Ausschnitt der Membran im Bereich einer Justiermarke; Fig. 3 is a section of the membrane in the region of an alignment mark;

Fig. 4 die Strukturierung der Maske mittels Hilfs schichten; FIG. 4 shows the patterning of the mask layers by means of auxiliary;

Fig. 5 die Strukturierung als Maskenkopie mit einem 1-Lagen- Resist;5 shows the patterning as a mask copy with a 1-ply resist.

Fig. 6 die selektive Entschichtung im Bereich der Justier marken von einer Goldstartschicht; Fig. 6 is the selective stripping in the region of the alignment marks from a gold seed layer;

Fig. 7 den schematischen Aufbau der gesamten Röntgenmaske. Fig. 7 shows the schematic structure of the entire X-ray mask.

In Fig. 1 ist der komplette Schichtaufbau vor der eigent lichen Dünnätzung zur Erzeugung des Membranbereichs wieder gegeben. Auf einen Silizium-Wafer 3 wird eine ca. 3 µm dicke Silizium-Epitaxieschicht 2 abgeschieden, die zum Erzeugen eines Ätzstopps hoch mit Bor und zum Anpassen der mechanischen Spannungen mit Germanium dotiert ist, wie dies in der DE-OS 34 25 063 beschrieben wurde. In einem anschließenden LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition)-Prozeß werden die Wafer in einem Arbeitsgang vorder- und rückseitig mit einer 100 bis 200 nm starken Siliziumnietridschicht 1 belegt. Die speziellen Anforderungen an diese Schicht sind einmal eine relativ niedrige mechanische Spannung, um eine Zerstörung der Siliziummembran nach dem Dünnätzen zu vermeiden, sowie eine geringe Abtragsrate in dem für die Dünnätzung verwendeten Ätzbad. Eine ggf. für die Galvanik erforderliche Goldstart schicht (7 in Fig. 4, 5, 6 und 7) kann entweder vor oder auch nach dem Dünnätzprozeß aufgebracht werden. Die Beschichtungs verfahren und die Anforderungen an diese Schicht sind relativ unkritisch.In Fig. 1, the complete layer structure before the actual thin etching to produce the membrane region is given again. An approximately 3 μm thick silicon epitaxial layer 2 is deposited on a silicon wafer 3 and is highly doped with boron to produce an etch stop and to adapt the mechanical stresses with germanium, as described in DE-OS 34 25 063 . In a subsequent LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) process, the wafers are front in one operation and the back covered with a 100 to 200 nm thick Siliziumnietridschicht. 1 The special requirements for this layer are a relatively low mechanical stress in order to avoid destruction of the silicon membrane after the thin etching, and a low removal rate in the etching bath used for the thin etching. A gold start layer ( 7 in FIGS. 4, 5, 6 and 7) which may be required for the electroplating can be applied either before or after the thin etching process. The coating process and the requirements for this layer are relatively uncritical.

Siliziumnitridschichten 1, die ausreichend stabil gegen die Ätze sind, zeigen immer sehr hohe Zugspannungen, die unweiger lich zum Zerstören der Siliziummembran 2 führen würden. Zweck mäßig wird dieses Problem durch eine zusätzliche ganzflächige Implantation, z. B. mit Stickstoff zur Spannungserniedrigung, gelöst.Silicon nitride layers 1 , which are sufficiently stable against the etching, always show very high tensile stresses, which would inevitably lead to the destruction of the silicon membrane 2 . This problem is appropriately through an additional full-surface implantation, for. B. with nitrogen to lower the voltage.

Um eine ausreichende Haftung zwischen der Siliziumnitrid schicht 1 und der folgenden Goldschicht 7 zu gewährleisten, ist es darüber hinaus notwendig, die Oberfläche entsprechend zu konditionieren. Dies wird im Rahmen der Erfindung durch einen ganzflächigen Ionenbeschuß (z. B. Argon-Sputtern, damage-enhanced etching) erreicht. Zur Definition der trans parenten Bereiche auf der dünngeätzten Membran 3 erfolgt eine Röntgenbelichtung mit Hilfe einer Maske 4, die zum Membranfeld der Maske auf einige 10 µm genau justiert sein muß, eines auf der Rückseite aufgebrachten röntgenempfindlichen Photolacks 5 durch die dargestellte Schichtenfolge aus Siliziumnitrid 1 und Silizium 2 hindurch (Fig. 2). Nach dem Entwickeln sind die be lichteten Gebiete 6 frei, so daß in einem nachfolgenden Ätz schritt, der entweder naßchemisch oder mit Hilfe von Plasma- oder Ionenätzverfahren (z. B. SF₆) durchgeführt werden kann, das Silizium entfernt werden kann (Fig. 3). Die wesentliche Anforderung an das Ätzverfahren liegt in einer ausreichenden Selektivität zwischen dem Photoresist 5, dem Silizium 2 und dem Siliziumnitrid 1. Insoweit stellt Fig. 4 einen Ausschnitt der dünnen Membran im Bereich einer Justiermarke dar.In order to ensure sufficient adhesion between the silicon nitride layer 1 and the subsequent gold layer 7 , it is also necessary to condition the surface accordingly. In the context of the invention, this is achieved by ion bombardment over the entire surface (e.g. argon sputtering, damage-enhanced etching). To define the transparent areas on the thinly etched membrane 3 , an X-ray exposure is carried out with the aid of a mask 4 , which must be precisely adjusted to the membrane field of the mask by a few 10 μm, an X-ray-sensitive photoresist 5 applied on the back through the layer sequence of silicon nitride 1 and Silicon 2 through ( Fig. 2). After development, the exposed areas 6 are free, so that the silicon can be removed in a subsequent etching step, which can either be carried out wet-chemically or with the aid of plasma or ion etching processes (e.g. SF ₆ ) ( FIG. 3). The essential requirement for the etching process is sufficient selectivity between the photoresist 5 , the silicon 2 and the silicon nitride 1 . In that regard, Fig. 4 shows a detail of the thin membrane in the region of an alignment mark represents.

In einem weiteren Arbeitsschritt wird dann diese Maske als Muttermaske mit dem Elektronenstrahl in einem speziellen 3-Lagen- Prozeß, der zusätzliche Hilfsschichten erfordert, strukturiert (Fig. 4). Diese Hilfsschichten sind eine Lackschicht 12, eine Siliziumnitrid-Zwischenschicht 13, eine Kunststoffschicht 14 und eine Siliziumnitrid-Stoppschicht 15. In a further step, this mask is then structured as a mother mask with the electron beam in a special 3-layer process which requires additional auxiliary layers ( FIG. 4). These auxiliary layers are a lacquer layer 12 , a silicon nitride intermediate layer 13 , a plastic layer 14 and a silicon nitride stop layer 15 .

Die gesamte Maske kann aber auch als Maskenkopie in einem einfachen 1-Lagen-Resist 9 strukturiert werden, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist. Das in Fig. 4 dargestellte Konzept ist zwar im Prinzip bekannt und wird bereits angewandt, doch bietet die bei der Erfindung benutzte spezielle Schichten folge aus einer Siliziumnitrid-Stoppschicht 15, einer Kunst stoffschicht 14, einer Siliziumnitrid-Zwischenschicht 13 und einer Lackschicht 12 wesentliche Verfahrensvorteile, da die Ätzung der Kunststoffschicht und der beiden Siliziumnitrid schichten im gleichen Reaktorgefäß mit hoher Selektivität möglich ist.However, the entire mask can also be structured as a mask copy in a simple 1-layer resist 9 , as is indicated in FIG. 5. The concept shown in FIG. 4 is known in principle and is already being used, but the special layers used in the invention offer a sequence of a silicon nitride stop layer 15 , a plastic layer 14 , a silicon nitride intermediate layer 13 and a lacquer layer 12, which are significant process advantages , since the etching of the plastic layer and the two silicon nitride layers in the same reactor vessel is possible with high selectivity.

Nach der Strukturierung des gesamten Musters 8 muß der Bereich der Justiermarken selektiv vom Gold 7 entschichtet werden, um die notwendige optische Transparenz zu erreichen. Wie Fig. 6 zeigt, wird dazu eine Maske 10 mit physikalischen Löchern benutzt. Für die Entschichtung eignen sich neben dem naßchemischen Ätzverfahren (z. B. Jod-Jodkalium) insbesondere das Sputterätzen mit Argon. Durch die sehr geringe Schicht dicke der Startschicht entsteht keine wesentliche Struktur veränderung der Justiermarken, die im übrigen auch relativ unproblematisch wäre. Fig. 7 zeigt die gesamte Röntgenmaske noch einmal im schematischen Aufbau, wobei die Bereiche 11 wie die Bereiche 8 zum Muster (pattern) gehören. After structuring the entire pattern 8 , the area of the alignment marks must be selectively stripped of gold 7 in order to achieve the necessary optical transparency. As FIG. 6 shows, a mask 10 with physical holes is used for this. In addition to the wet chemical etching process (e.g. iodine-iodine potassium), sputter etching with argon is particularly suitable for decoating. Due to the very small layer thickness of the starting layer, there is no significant change in the structure of the alignment marks, which would also be relatively unproblematic. FIG. 7 shows the entire X-ray mask again in a schematic structure, the areas 11 and the areas 8 belonging to the pattern.

Das dargestellte Verfahren läßt sich natürlich auch auf die subtraktive Erzeugung von Absorberstrukturen anwenden, die sich durch die fehlende Startschicht im Gesamtprozeßablauf etwas einfacher darstellt. Der Resist kann in diesem Fall ähnlich wie in Fig. 5 als 1-Lagen-Resist über die Maskenkopie oder in einem 3-Lagen-Prozeß (Fig. 4) mit Hilfe des Elektronen strahls strukturiert werden. Im Falle eines Wolfram- und Tan talabsorbers kann hier allerdings die zusätzliche Silizium nitridschutzschicht 13 entfallen, da Rücksputtereffekte bei diesen Materialien praktisch zu vernachlässigen sind. Die Strukturierung der Silizium-Epitaxieschicht 2 über eine vorder seitige Belichtung durch den gesamten Schichtaufbau hindurch (Fig. 2) wäre dann allerdings durch die hohe Absorptionswirkung der Metallschicht nicht mehr sinnvoll. Es läßt sich jedoch bei den geforderten Genauigkeiten im 10 µm-Bereich auch eine Be lichtung von der Rückseite ohne größere Probleme bewerkstel ligen.The method shown can of course also be applied to the subtractive generation of absorber structures, which is somewhat easier to present in the overall process due to the lack of a starting layer. In this case, the resist can be structured similarly to FIG. 5 as a 1-layer resist via the mask copy or in a 3-layer process ( FIG. 4) with the aid of the electron beam. In the case of a tungsten and tan absorber, however, the additional silicon nitride protective layer 13 can be omitted here, since sputtering effects are practically negligible with these materials. The structuring of the silicon epitaxial layer 2 via front exposure through the entire layer structure ( FIG. 2) would then no longer make sense, however, due to the high absorption effect of the metal layer. However, with the required accuracies in the 10 µm range, exposure from the rear can also be accomplished without major problems.

Claims

1. X-ray mask made of silicon with silicon nitride layers, characterized in that a silicon membrane ( 3 ) in the area of the alignment marks is completely removed, a thin silicon nitride layer ( 1 ) taking over the carrier function and at the same time as an adhesive layer for the galvanic absorber structuring required Starting layer ( 7 ) or in the subtractive structuring serves directly as an adhesive layer for the absorber.

2. X-ray mask according to claim 1, characterized in that in the 3-layer structure required for the structuring with electron beam structure, an electroplating start layer ( 7 ) with a silicon nitride protective layer ( 1 ) is covered.

3. X-ray mask according to claim 1, characterized in that the 3-layer structure contains a silicon nitride intermediate layer ( 13 ).

4. A method for producing an X-ray mask according to claim 1, characterized by the combination of the following steps:

a) deposition of an approximately 3 µm thick silicon epitaxy layer ( 2 ) on a silicon membrane;
b) applying a silicon nitride layer ( 1 ) in a LPCVD (Low Presure Chemical Vapor Deposition) process simultaneously with the back cover in a thickness of 0.1 to 0.5 μm;
c) Definition of transparent areas on the back of the silicon membrane with the aid of an X-ray-sensitive resist and X-ray exposure through the layer sequence of silicon nitride and silicon;
d) local removal of the silicon epitaxial layer by wet chemical or dry etching processes;
e) activation of the silicon nitride layer by a full-surface ion bombardment.

5. The method according to claim 4, characterized records that on the front silicon nitride layer a nitrogen implantation takes place.