JP3950628B2 - 広範囲メンブランマスクを製造する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広範囲のメンブランマスクを製造する方法に関するものである。
電子及びイオン放出リトグラフィー（平板印刷）並びにＸ線リトグラフィーのために、マイクロメートル範囲の厚みと１００平方センチメートル以上に至るまでの膜範囲を有するメンブランマスクを生じることが必要である。発明に係る方法に関して製作されたメンブランマスクは一般に帯電粒子やフォトン（光子）に作用するリトグラフ法に適用され得る。１つの例は１５７ｎｍリトグラフィーでの適用である。また真空蒸着マスクに作用する全ての適用及び中立粒子をマスキングするための適用（原子リトグラフ）も可能である。本発明に係る方法の生成品としてのメンブランマスクは一般的にセンサーでの使用にも適する。
【０００２】
【従来の技術】
サブストレート（基板）材料としてのシリコンウェハーから出発して、メンブランマスクを製造するための工業プロセスにおいて２つの異なるアプローチが遂行される。これらはマスクを構成するためのプロセスステップがメンブランの生成の前か後になされる面によって基本的に区別される。
【０００３】
例えば米国特許第５１１０３７３号明細書に述べられた所謂「メンブランフロープロセス」において、先ずメンブランが製造され、マスク構成を生じるためのプロセスステップの全てが上記メンブランにおいて実行される。この一連のプロセスステップの欠点は、マスク構造付与の非常にきわどいステップが比較的不安定なメンブランにおいてなされるという事実にある。
【０００４】
例えばＰＣＴ出願ＷＯ ９７／４３６９４に開示された所謂「ウェハーフロープロセス」において、先ずマスク構成がコンパクトなシリコンウェハーに生じ、メンブラン製造がマスクプロセスの終わりになされる。このプロセスフローにおけるきわどい面は、メンブランエッチングの間に既に存するマスク構成上に再現可能な変更修正が起こらない、あるいは起きても僅かであるという事実にある。
【０００５】
米国特許第５１１０３７３号明細書及びＰＣＴ出願ＷＯ ９７／４３６９４にしたがって、所謂ＰＮエッチング停止（ストップ）での従来の電気化学エッチング停止技術が用いられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
メンブランマスク製造のこれらプロセスの全ては、一方でメンブランが非常に安定して平坦表面を構成するために或る引っ張り応力を呈しなければならず、他方でマスク構成の変形と耐用期間に関する問題を避けられないのでこの引っ張り応力ができる限り低く維持されなければならないことにつき、一層悪化させる問題を伴う。
【０００７】
ここで、マスク構成のための構造付与プロセスがメンブランによりも安定したウェハーに起こり、メンブラン層の非常に低い引っ張り応力レベルに影響を及ぼす可能性が基本的にあるので、ウェハーフロープロセスははっきりとした利点を必然的に伴う。しかしながら、このプロセスはまたメンブランエッチングプロセスにとって非常に高い要求を生じさせる。
【０００８】
発明のサブジェクトマターはウェハーフロープロセスでのメンブランエッチングのためのプロセスフローであり、その例は、所謂ステンシルマスクの製造のために用いられるような、ＳＯＩ（絶縁体上のシリコン）シリコンウェハーを用いるプロセスに由来して以下に記載される。これに関連して、ＳＰＩＥ会議１９９３年に関するＳＰＩＥ１９２４巻（１９９３）、１８５及び１９０頁における「電子ビームセル放出リトグラフィーの高精度カリブレーション法 Highly accurate calibration method of electron-beam cell projection lithography」なるタイトルのYoshinori Nakayama、Yasunari Sohda、Norio Saitou及びHiroyuki Itoh共著の刊行物に言及しなければならない。ステンシルマスク及びメンブランマスクはメンブラン層において開口構造を有する。しかしながら、ＳＯＩウェハーフロープロセスに関し開示された発明に係る解決法は、他のウェハーフロープロセスやメンブランフロープロセスへのその潜在的な適用も排除しない。
【０００９】
図１は、従来技術にしたがうＳＯＩウェハーフロープロセスの最も本質的なプロセスステップを示す：
１Ａ ２００〜４００ｎｍの厚みを有した誘電層（２）、例えば二酸化ケイ素によって５００〜６００μｍ厚のコンパクトなシリコンウェハー（３）から絶縁された二次的なメンブラン層を上側に形成する２〜３μｍ厚のシリコン層（１）を有した原材料としてのＳＯＩシリコンウェハー、
１Ｂ シリコンウェハーの下側にマスキング層（５）を、上側にマスキング層（４）を施与、
１Ｃ ホトレジストマスク（６）を作成するためのリトグラフプロセスを用いて上側にマスキング構成を構造付与し、マスキング層（４）のその後のプラズマエッチングをすること、
１Ｄ ２〜３μｍの厚みを有する上側でのシリコン層（１）におけるマスキング構成のトレンチエッチングとホトレジストマスク（６）の除去、
１Ｅ リトグラフマスキング（７）とシリコンウェハーの下側でのマスキング層（５）へのウインドーのエッチング、
１Ｆ 後ろ側ウインドーのためのホトレジストマスク（７）の除去、
１Ｇ メンブランエッチングプロセス、すなわち、マスクされたウインドー域（８）におけるコンパクトなシリコンウェハー（３）の除去、
１Ｈ メンブラン領域における絶縁層（２）とマスキング層（４）、（５）の剥ぎ取り（ストリッピング）。
【００１０】
メンブランエッチングステップは、エッチング剤として例えば水性のＫＯＨ乃至ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液を用いる非等方性のウェット（湿式）ケミカルエッチングプロセスにおいて一般に行われる。
【００１１】
エッチング停止は絶縁層上でなされるが、限定された選択度でのみ行われる。機械的ひずみの理由に関する限り、絶縁層はできるだけ薄く維持されなければならず、その限定された選択度の結果としてエッチング停止は非常にきわどい。
【００１２】
３０〜４０μｍ／時間のシリコンエッチング率での相応する時間数がかかるエッチングプロセスの間、構造付与されたメンブラン側はいかなるエッチング腐食からまったく確実に保護されなければならない。この操作において、プロセスの終わりにいかなる残留物もなしにメンブラン側の保護のために用いられる剤を再び除去可能であること並びに保護剤とその除去の両方のためにメンブランにおいて構造に関し幾何学的形態の変更修正が生じないことを保証するような処置が講じられなければならない。
【００１３】
従来技術に関連して、非常に信頼性のある方法が、後ろ側で開いたウインドー以外のＳｉウェハーでの全ての領域を封止するのに、言い換えれば系に対して機械的に押圧されたシールを備えたエッチング槽（セル）の統合乃至完成に有効である。
【００１４】
そのような解決法の欠点は、エッチングプロセスの終わりで、すなわち、メンブラン領域が数ミリメートルの最終厚に近づくまでの時間で、破壊する非常に高いリスクがある点にある。その主たる原因は、とりわけ少なくとも６０℃の温度を有するエッチング浴において付加的熱歪曲が生じるという理由のためにも、槽の機械的封止によって引き起こされる歪曲である。
【００１５】
更に、槽の取り扱い中でとりわけエッチング浴において圧力差が槽の内部と周囲環境との間に生じ、これはメンブランに作用し当該メンブランを簡単に破損する傾向があることを避けることができない。
【００１６】
最後に、かなり敏感なメンブランを比較的がっしりした槽から引き出さなければならず、これも同じくプロセスの非常にきわどいステップである。
他のアプローチは、エッチングに対する十分な耐性やメンブラン構成に影響せず残留物なしでの除去の可能性のような、既に述べた特質の全てを呈する保護層でメンブラン側を覆うことにある。これとは別に、この層はまたメンブランマスクの除去に先立つほど前に又はその間にその破壊を避けるために、メンブラン／保護層系においてのみ僅かな機械的テンションを引き起こし得る。
【００１７】
このアプローチに伴う困難性は、現在までのところこれらの要求の全てを同時に満足する保護層が見つかっていないという問題にある。
本発明は、とりわけエッチング槽の使用の結果として又は一般に薄い半導体層の結果として生じるメンブラン又はメンブラン層／エッチング停止層／支持ウェハー系それぞれの不適当な機械的過度ひずみ又は変形、あるいは方法のそれぞれのステップにおいてコンポーネントの結果的な破壊を避けることができるような、広範囲のメンブランマスクの製造方法を供するという課題を基礎とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この課題は請求項１に従う方法によって解決される。これに従属するそれぞれのサブクレーム（従属請求項）は上述した従来技術に係る方法の欠点の排除のための発明に係る方法の好都合な実施形態を定める。
【００１９】
ツーステップ（二段）方法は、第１ステップと第２ステップとで異なるエッチング媒体を用いることができるので、エッチング媒体の選択において付加的な利点を必然的に伴う。これら２つのエッチング媒体は、異なるエッチング剤であってもよく、あるいは同じエッチング剤の濃度乃至温度が異なるだけであってもよい。ＳＯＩウェハーフロープロセスにおいて機械的ひずみの理由からできるだけ薄くなければならない二酸化珪素の層でエッチングプロセスが停止されるにあっては、エッチングにおいて高い選択度が求められる。このため、この場合に第２エッチングステップをＴＭＡＨ浴で行う一方で第１ステップをＫＯＨ浴で実行することが勧められる。
【００２０】
ツーステップ方法から得られる他の可能性は、プラズマでのドライエッチングのステップとして第１ステップを実現することにある。
保護覆い（コーティング）は好都合には機械的要求及び化学的要求に関連して誘電層又はポリマー層として形成され得る。
【００２１】
更に、停止層と保護層に対する第２ステップのエッチング選択度は、停止保護層の過度の腐食なしに半導体支持層の最適除去、特に完全除去にとり最も効果的にされ得る。
【００２２】
ツーステップ方法はそれゆえにメンブランエッチングプロセスのエッチング率乃至速度（生産性、コスト）及び選択度（収率）に関して最適化の多くの可能性をもたらす（すなわち、半導体支持層の除去）。
【００２３】
両方の発明に係る方法にとって、更に機械的促成に関する要求の観点でのような停止層の最適化のための並びにそれぞれの停止層に対するエッチングプロセスの適合のための可能性が有効である。停止層はそれゆえ好都合には誘電層、金属層、ポリマー層又はこれら層の組み合わせでなることが可能である。停止層の十分な選択度はまた最適化の重要な基準である。
【００２４】
それゆえ、メンブラン層／エッチング停止層／支持ウェハー系での機械的ひずみを単に好都合に処理できないだけでなく、ツーステッププロセスは特にメンブラン層での機械的ひずみの選択最適化を可能にする。
【００２５】
これはメンブランマスクの幾何学的安定性及びこれに依存する構造と位置に関するマスク構成の精度の両方にとって非常に有利であり得る。
層あるいは層の組み合わせはまた、所望の適用に対応して限定された伝導性に関して好都合に最も効果的となる。
【００２６】
本発明に係る方法にしたがって、メンブラン層での機械的ひずみは、半導体支持層の除去の適切な適合によって圧縮ひずみから引っ張り応力までの広い限度で好都合に変えられる。
【００２７】
支持ウェハー上でメンブラン層をドープ処理することによって、圧縮ひずみから引っ張り応力まで広い範囲にわたってメンブランマスクでの機械的ひずみを変えることが可能である。下記実施の形態に記載されるようなＳＯＩウェハーフロープロセスは特に良好にこれにふさわしい。誘電層は、この上に配設されたシリコン層のドーピングレベルに無関係にエッチング停止を引き起こす。それゆえ、任意に、すなわちもっぱら最適なメンブランテンションの意義でシリコン層をドープ処理することが可能である。
【００２８】
ＳＯＩ技術の適用は更に、方法が簡単にされその効率が改善され、それゆえ収率が増大し方法がより低いコストで行われ得るという利点のような、従来の電気化学エッチング停止技術を超える利点を呈する。
【００２９】
従来の電気化学エッチング停止技術は、エッチングがシングルステップでのみ可能であってエッチング槽で作動する方法のみを可能とする。更に比較的小さなメンブランのみが従来製造される。
【００３０】
半導体支持層のエッチングが方法の第１ステップとして又は半導体ウェハー用原材料の製造の部分として行われるためにマスキング層が構成され、このために起こる欠点乃至障害は、既に実質的なコストを負ったパーツ（部分）の拒絶乃至排除とならず、これは別の利点である。それゆえ、コストはこの方法の好都合な実施の形態によって減少する。
【００３１】
本発明は、一般的な発明概念の制限をせずに、図面を参照して例示的な実施の形態によって以下に記載される。上記図面には、明細書に完全に説明されないようなものを含み本発明に係る詳細の全ての開示に関する限りで他の全ての点においてはっきり言及される。ＳＯＩウェハーフロープロセスの例のために説明された発明に係る解決法は、他のウェハーフロープロセスやメンブランフロープロセスのためのその潜在的な適用も除外しない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明を以下に図面に関した実施形態によってより詳細に説明する。
【００３３】
実施例１
特定の要求を満たすが非常に薄い層の形状としてのみ、それゆえ非常に限定されたエッチング耐性を有した保護層が製造可能であるので、本発明にしたがってツーステッププロセスがメンブランエッチングのために用いられる。
【００３４】
先ずエッチングがエッチング槽内で、エッチングプロセスにおいても槽処理又は部分的にエッチングされたメンブランマスクの剥ぎ取りの間にも破壊のリスクがないほど十分な安定性をメンブラン範囲が有するような残り厚みにまでなされる。残りのエッチングが第２ステップにおいてなされ、メンブラン側での保護層に作用する。このために部分的にエッチングされたメンブランマスクがシンプルなウェハー担体に挿入されて、エッチング槽内に浸された際にいかなる機械的又は熱的束縛力にさらされない。第１ステップにおいて層厚の約９０％が除去され、そして第２ステップにおいて層の残りの厚みがメンブラン厚にまで剥ぎ取られる。誘電層及びポリマー層の両方が、構造付与されたマスキング層上に、又はマスキング層の事前の剥ぎ取りの後に構造付与されたメンブラン層上に直接的に施与される保護層として用いられ得る。
【００３５】
図２はツーステッププロセスの本質的ステップの概略的なイラストである：
２Ａ 開始点図１に示されたようにプロセスステップＦで、すなわち、メンブランエッチングのための開口した後ろ側ウインドー（５）と構造付与されたメンブラン側（１）＋（４）を備えた加工処理されたＳＯＩウェハー；
２Ｂ 第２エッチングステップに必要な保護層（９）が、構造付与されたメンブラン側で、マスキング層（４）に、若しくは図面に示されたようにマスキング層の剥ぎ取り後にメンブラン層（１）に施与される；
２Ｃ エッチング槽（１０）での構造付与されたシリコンウェハーに機械的カバー乃至シール（１１）を取り付け、開口ウインドー（８）でシリコン（珪素）を残りの厚み（１２）にまでエッチングすること；
２Ｄ エッチング槽から部分的にエッチングされたシリコンウェハーを取り出し、エッチング槽で停止層（２）にまでエッチングが続けられる；
２Ｅ メンブラン領域にて保護層（９）及びマスキング層（５）並びにエッチング停止層（２）を剥ぎ取ること。
【００３６】
実施例２
エッチング槽におけるエッチングプロセスの間に破壊のリスクを減少する別のアプローチは、本発明によれば、シリコン層が広範囲にわたって直ちに剥ぎ取られず、エッチングウインドー内で適当なマスキングによって支持グリッドが残され、最初に小さなメンブラン範囲が創出されることにある。それでメンブランマスクはなお高めの安定条件においてエッチング槽から剥ぎ取られる。エッチング停止層は、そして同時に支持グリッドも槽から取り出された後にのみ剥ぎ取られる。上記支持グリッドは下エッチングによって持ち上げられ離される。停止層が剥ぎ取られて機械的内部ひずみが除かれ、停止層によって生じたひずみ及び支持グリッドによって部分的に引き起こされた補償が実際上同時に除かれる。
【００３７】
図３は支持グリッドに作用するプロセスステップの全ての概略的なイラストである：
３Ａ 開始点が図１でのプロセスステップＥであり、グリッドマスキング（１３）の同時構成によって後ろ側ウインドー（５）の構成がホトレジストマスク（７）で補われた；
３Ｂ 後ろ側を構成するためのホトレジストマスク（７）の剥ぎ取り；
３Ｃ エッチング槽（１０）での構造付与されたシリコンウェハーに機械的カバー乃至シール（１１）を取り付け、開口ウインドー（８）でシリコンを停止層にまでエッチングすること；
３Ｄ エッチング槽からメンブランマスクを取り出し、マスキング層（４）＋（５）並びにエッチング停止層（２）を剥ぎ取り、支持グリッド（１４）が下エッチングによって停止層と共に外される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 とりわけ明細書の導入部において論じられたように従来技術にしたがう所謂ステンシルマスクの製造のためのＳＯＩ（silicon on insulator）シリコンウェハーで作用するウェハーフロープロセスを示す図である。
【図２】 メンブランエッチングのためのツーステッププロセスの適用で広範囲メンブランマスクを製造する本発明に係る方法を表す図である。
【図３】 メンブランエッチングのための支持グリッドの適用で広範囲メンブランマスクを製造する本発明に係る方法を示す図である。
【符号の説明】
１ メンブラン層
２ エッチング停止層
４ マスキング層
５ 後ろ側ウインドー
８ 開口ウインドー
９ 保護層
１０ エッチング槽
１１ 機械的カバー

Claims (5)

1. 多層半導体ウェハーに基づいて、１００ｃｍ^２以上までのサイズのメンブラン領域を有する広範囲メンブランマスクを製造するための方法にして、多層半導体ウェハーが幾つかの部分ステップでメンブランの厚さまで剥ぎ取られる方法において、
   −第一シリコン層（１）、下に配された誘電層（２）及び下に配された第二シリコン層（３）を有するＳＯＩシリコンウェハーが用いられ、
   −上記第一シリコン層（１）は、最適なメンブランテンションのためにドープ処理され、マスク構造によって構造付与され、
   −次いで、上記第二シリコン層（３）は、第一エッチングステップにおいて残り厚み（１２）まで剥ぎ取られ、上記第一エッチングステップが、ＫＯＨ浴において実現され、
   −次いで、上記第二シリコン層（３）の上記残り厚み（１２）は、第二エッチングステップにおいて剥ぎ取られ、
   上記誘電層（２）がエッチング停止を引き起こし、
   上記第二シリコン層（３）の剥ぎ取りが、初めに支持グリッド（１４）を備えて、機械的にシールされたエッチング槽（１０）において実行され、上記支持グリッド（１４）は上記エッチング槽（１０）から引き出された後にのみ取り除かれることを特徴とする方法。
2. 上記支持グリッド（１４）が、下エッチングにより上記誘電層（２）と共に取り除かれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ２〜３μｍの厚さを有する第一シリコン層（１）を有するＳＯＩシリコン層が用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 上記第二エッチングステップがＴＭＡＨを用いて実行されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 上記第二シリコン層（３）の約９０％が上記第一エッチングステップにおいて剥ぎ取られることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。

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