JP4924135B2 - 荷電粒子線露光用マスクの製造方法および荷電粒子線露光用マスク - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造工程で被露光対象へのパターン転写に用いられる荷電粒子線露光用マスクの製造方法および荷電粒子線露光用マスクに関する。

近年、半導体デバイスのさらなる微細化が進んでおり、例えば露光工程においては、より微細なパターン形成が可能な荷電粒子線を使った露光装置（システム）が用いられているが、荷電粒子線露光用マスクは、そのような露光装置で使用される。

荷電粒子線露光用マスクは、ウエハとしてシリコンウエハ、あるいはＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等が用いられる。その表面には数μｍもしくは１μm以下の微小な回路やホールなど種々のパターンが、メンブレンと呼ばれる極薄に形成された所定の領域内に多数形成される。

その所定の領域内では、ウエハが、メンブレン（いわゆる薄膜）と呼ばれるような極薄になるまでその裏側から深くエッチングされている。そしてその裏側にはメンブレンの物理的強度を保つための梁構造が形成される。

メンブレンには、上記のように微小な回路のパターンやホール等が多数、表側から裏側まで貫通するように形成されており、露光工程では、それらの貫通したパターンやホールを荷電粒子線が通過することで、被露光対象であるレジストを塗布したウエハ上に、回路やホールやビア等のパターンが、縮小露光または等倍露光される（特許文献１参照）。

特開２００７−６７３２９号公報

しかしながら、上記のような従来の技術による荷電粒子線露光用マスクおよびその製造方法では、次のような問題がある。

半導体製造の露光工程において大きなエネルギーを持った荷電粒子の衝突によって発生した熱が蓄積し、これがメンブレンにおける歪みの要因となる。

すなわち、荷電粒子線露光用マスクは、半導体製造の露光工程において大きなエネルギーを持った荷電粒子が衝突するため、その衝突に因って発生した熱が蓄積することが避け難い。このため、荷電粒子線露光用マスクを用いた露光工程においては、荷電粒子の衝突によって発生した熱の蓄積に起因してマスクが熱膨張し、歪みを生じる場合がある。

そのような荷電粒子線露光用マスクの歪みは、露光工程で回路パターンが設計通りの位置に転写されない、あるいは設計通りのパターン形状が得られないという、半導体製造プロセスにおける致命的な問題を生じる要因となる。

上記のような熱に因る荷電粒子線露光用マスクへの悪影響を避ける方策として、メンブレンの熱を放熱させ易くするために、密な梁構造を荷電粒子線露光用マスクの裏側に設ける、あるいは梁構造の幅や厚さ等の寸法設定をさらに増強する、といった対策を採ることなども考えられる。

ところが、そのように梁構造を密に設けたり増強したりすると、半導体回路パターンを梁構造が頻繁に遮ることとなり、本来の微細な半導体回路パターンの位置精度や再現性を著しく損うことになってしまうという問題がある。

あるいは、メンブレンの部分の厚さを増大させることで、荷電粒子線露光用マスクの実質的主要部であるメンブレンの全体的な熱容量を増加させて、蓄積した熱による温度上昇を一定以下に抑えるようにする、ということは可能であるようにも考えられる。

ところが、そのようにメンブレンを厚くすると、その厚いメンブレンを貫通するように形成される微細な回路やホール等のマスクパターンの、いわゆるアスペクト比が極めて高くなってしまい、その荷電粒子線露光用マスク自体の微細なパターン形成が困難ないしは不可能になるという、致命的な問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、その目的は、微細なマスクパターンの形成を阻害することなく、露光時の蓄熱に起因したメンブレンの歪みや位置ずれ等の発生を抑止ないしは解消することを可能とした、荷電粒子線露光用マスクの製造方法および荷電粒子線露光用マスクを提供することにある。

本発明の第１の荷電粒子線露光用マスクの製造方法は、半導体装置の製造工程で被露光対象へのパターン転写に用いられる荷電粒子線露光用マスクの製造方法であって、前記荷電粒子線露光用マスクの構造を、上側シリコンウエハと下側シリコンウエハとを重ね合わせてなる２段構造とし、前記下側シリコンウエハの表側に、転写用パターンを形成する工程と、前記上側シリコンウエハの表側に、前記下側シリコンウエハの表側に形成したパターンを左右反転または上下反転させた転写用パターンを形成する工程と、前記転写用パターンが形成された上側シリコンウエハの表側と前記転写用パターンが形成された下側シリコンウエハの表側とを、当該両シリコンウエハの転写用パターン同士が合致するように貼り合せる工程と、を含むことを特徴としている。

本発明の第２の荷電粒子線露光用マスクの製造方法は、上記第１の電粒子線露光用マスクの製造方法において、前記下側シリコンウエハの表側と前記上側シリコンウエハの裏側とに、あらかじめアライメントマークをそれぞれ形成しておき、当該アライメントマーク同士の位置合わせをすることで前記両シリコンウエハの転写用パターン同士を合致させることを特徴としている。

本発明の第３の荷電粒子線露光用マスクの製造方法は、上記第１の電粒子線露光用マスクの製造方法において、前記下側シリコンウエハの表側と前記上側シリコンウエハの表側とに、あらかじめ前記アライメントマークをそれぞれ形成しておき、当該アライメントマーク同士の位置合わせをすることで前記両シリコンウエハの転写用パターン同士を合致させることを特徴としている。

本発明の第４の荷電粒子線露光用マスクの製造方法は、上記第２または第３の電粒子線露光用マスクの製造方法において、前記両シリコンウエハの転写用パターン同士を合致させるにあたり、前記上側シリコンウエハの裏側から赤外光を照射して、当該上側シリコンウエハおよび前記下側シリコンウエハを透過して前記下側シリコンウエハの裏側で観察される赤外光に基づいて前記アライメントマーク同士の位置合わせを行うことを特徴としている。

本発明の第５の荷電粒子線露光用マスクの製造方法は、上記第４の電粒子線露光用マスクの製造方法において、前記アライメントマークとして、バーニヤの主尺、副尺を前記両シリコンウエハの表側にそれぞれ形成しておき、前記位置合わせを行う際の位置ズレ量を直接認識しながらアライメントを行うことを特徴としている。

本発明の第６の荷電粒子線露光用マスクの製造方法は、上記第１ないし第５のうちいずれかの荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、前記下側シリコンウエハの表側と前記上側シリコンウエハの表側との表面を研削して当該両シリコンウエハの表側の表面にシリコン原子を露出させる工程と、前記研削の後、前記両シリコンウエハの表側同士を接触させることで、前記両シリコンウエハの表側の表面に露出したシリコン原子同士を結合させて、前記両シリコンウエハ同士を貼り合せることを特徴としている。

本発明の第７の荷電粒子線露光用マスクの製造方法は、上記第６の荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、前記両シリコンウエハ同士を貼り合せた後、前記上側シリコンウエハの裏側を所定の厚さに亘ってエッチングする工程を含む
ことを特徴としている。

本発明の第８の荷電粒子線露光用マスクの製造方法は、上記第６の荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、前記両シリコンウエハ同士を貼り合せた後、前記下側シリコンウエハにおける所定の領域の裏側を所定の厚さに亘ってエッチングしてメンブレンとする工程を含むことを特徴としている。

本発明の荷電粒子線露光用マスクは、半導体装置の製造工程で被露光対象へのパターン転写に用いられる荷電粒子線露光用マスクであって、上側シリコンウエハと下側シリコンウエハとを重ね合わせてなる２段構造を備え、前記下側シリコンウエハの表側には転写用パターンが形成され、前記上側シリコンウエハの表側には前記下側シリコンウエハの表側に形成したパターンを左右反転または上下反転させた転写用パターンが形成され、前記上側シリコンウエハの表側と前記下側シリコンウエハの表側とを、当該両シリコンウエハの転写用パターン同士が合致するように貼り合せて、前記２段構造を形成してなることを特徴としている。

本発明に係る荷電粒子線露光用マスクおよびその製造方法によれば、上側シリコンウエハと下側シリコンウエハとを重ね合わせてなる２段構造を備え、前記下側シリコンウエハの表側には転写用パターンを形成し、前記上側シリコンウエハの表側には前記下側シリコンウエハの表側に形成したパターンを左右反転または上下反転させた転写用パターンを形成し、前記上側シリコンウエハの表側と前記下側シリコンウエハの表側とを、当該両シリコンウエハの転写用パターン同士が合致するように貼り合せて、前記２段構造を形成するようにしたので、一つ一つのシリコンウエハのメンブレンの部分を極薄にすることで微細なパターンを形成することができ、かつそれを２段構造とすることでそのメンブレンの部分の機械的強度および熱容量を増大させることができる。その結果、微細なマスクパターンの形成を阻害することなく、露光時の蓄熱に起因したメンブレンの歪みや位置ずれ等の発生を抑止ないしは解消することが可能となる。

以下、本実施の形態に係るＴＡＢテープの製造方法について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの下側に用いられる基板全体（下側シリコンウエハ１００と呼ぶ）を示す図である。

基板１は、シリコン（Ｓｉ）ウエハの表面に荷電粒子線が透過するための微細パターン２を形成してなるものである。この微細パターン２を形成する際のマスクデータとしては、一般的な荷電粒子線による露光工程でウエハ上に転写される際に用いられるようなパターンデータをそのまま用いればよい。また、アライメント（重ね合わせ）マーク３も、上記のマスクデータに付加して、微細パターン２と同時に形成する。

これら微細パターン２およびアライメントマーク３のパターン加工プロセスでは、一般的な半導体製造で用いられるＳｉ基板のリソグラフィ技術および反応性イオンエッチング技術（ＲＩＥ）等の異方性エッチングを利用することが可能である。

図２は、本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの上側に用いられる基板全体（上側シリコンウエハ２００と呼ぶ）を示す図である。

基板４の表面には荷電粒子線が透過するための微細パターン５を形成するが、このとき使用するマスクデータは基板１で使用したデータに対し、Ｙ軸反転（いわゆる左右反転）して用いる。また、アライメントマーク６をＹ軸反転したデータもマスクデータに付加して、そのアライメントマーク６も微細パターン５と同時に形成する。

ここで、荷電粒子線露光用マスクパターン作成用データとしては、さらに具体的には、ＧＤＳ−II等で代表されるようなストリーム形式のデータを使用することが可能である。また、Y軸に対して反転させるためにＣＡＤ等の変換機能を利用することが可能である。

上記、基板１および基板４のいずれもＳＯＩ基板とすることにより、そのエッチング工程で必要以上に掘り込みが進んでしまわないようにすることが可能である。これはＳＯＩ基板が構造上、中間酸化膜７を有しているので、Ｓｉのみの基板に比べてエッチング耐性が非常に大きい。よってその中間酸化膜７をエッチングストッパーとして利用できるからである。

図３は、基板の表面に微細パターンがそれぞれパターニングされたシリコンウエハを貼り合わせてなる２段構造を示す図である。このシリコンウエハ１００とシリコンウエハ２００との貼り合わせ工程では、一般的な真空チャンバを有しプラズマエッチング等により等方的に基板表面処理が可能な貼り合わせ装置等を用いることが可能である。そして、真空チャンバ内にて、活性ガスを導入し、貼り合わせるシリコンウエハ１００、２００の表面に対して汚染除去を行って、Ｓｉ原子を露出させる。その活性ガスとしては、例えば酸素プラズマ等を用いることが可能である。

この貼り合わせ工程では、一方の基板１の表側（おもてがわ）の表面（ひょうめん）には、酸化物やその他の不純物等を取り除かれたＳｉ原子が露出しており、これに対して他方の基板４の表面にも、同様にＳｉ原子が露出しているため、それらの表面を密着させることでＳｉ原子同士が共有結合し、バルク状のＳｉとほぼ同等の接合強度を確保することができる。

図４は、貼り合せ装置におけるプリアライメントプロセスを模式的に示す図である。この工程では、シリコンウエハ１００、２００の表面の微細パターン２、５同士がほぼ重なるように、それら両ウエハのオリフラ８を利用して位置合せを行う。また、間隔９を所定の値に設定するなどのプリアライメントを行っておく。

図５は、貼り合せ工程におけるファインアライメントプロセスを模式的に示す図である。下方から赤外光１０による照明を行い、上方では赤外用顕微光学系１１、右側カメラ１２、左側カメラ１３を用いて、赤外光によるアライメントマーク３、６の撮像〜観察を行う。このとき、一般にＳｉ基板は赤外光に対して透明であるため、下方からの照明は透過照明となる。その透過赤外光で観察されるアライメントマーク３、６の位置や姿勢に基づいて、シリコンウエハ１００、２００の表面の微細パターン２、５同士のファインアライメントを行う。

図６は、赤外光による透過照明を用いて観察されるシリコンウエハ上のアライメントマークを示す図である。前述の通りプリアライメントが所定の精度以上で完成していれば、それぞれのシリコンウエハ１００、２００に形成されたアライメントマーク３、６を、右側カメラ１２、左側カメラ１３の視野（撮像領域）内に捕える（認識する）ことができる。但しこの段階では、図６に一例を示したように、アライメントマーク３、６の位置が若干ずれている状態であっても構わないことは勿論である。

図７は、上述の赤外光を使用したアライメントプロセスを模式的に示す図である。アライメントマーク３、６を視野内に捕えた後、例えばこの図７に示したようにアライメントマーク３がアライメントマーク６内に完全に収まったような状態に観察されるまで、シリコンウエハ１００、２００を、ピエゾあるいはマイクロメータ等により、並進移動１４、回転移動１５させる。そして図７に示したような所定の精度以上で一致したところでシリコンウエハ１００、２００同士の間隔９を０にして、両ウエハを密着させ貼り合せる。

このようにしてシリコンウエハ１００、２００を貼り合せた後、図８に示したようにシリコンウエハ２００の裏側全面をエッチングする。エッチング完了後は、あらかじめ微細パターン５が形成してあるため、これがシリコンウエハ２００の裏側に露出した状態となる。但し、基板４がＳＯＩタイプである場合には中間酸化膜７でエッチングがほぼ停止されるので、この限りではないことは言うまでもない。

次に、図９に示すように、シリコンウエハ１００の裏側には、所定のメンブレン形状となるようにレジスト１６を用いたリソグラフィを施した後、中間酸化膜７に達するまでエッチングを行う。このエッチング工程では、使用する基板１、４のエッチングレートをあらかじめ調べておき、エッチング時間等のプロセス条件を調節することで、所定の深さだけエッチングを行うようにすることが可能である。

そして、シリコンウエハ１００、２００のそれぞれの裏側の加工が完了した後、フッ酸処理を行って、不要となる中間酸化膜７を除去することで、図１０に示したような荷電粒子線露光用マスクが完成する。

以上のように、本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクは、その全体構造を下側のシリコンウエハ１００と上側のシリコンウエハ２００の２段構造としている。すなわち、あらかじめ下側のシリコンウエハ１００には転写に必要な半導体回路のマスクパターンを形成しておく。また上側のシリコンウエハ２００には、下側のシリコンウエハ１００のパターンをY軸に対して反転させたパターンに変換してあらかじめ形成しておく。そしてこれら２枚のシリコンウエハ１００、２００を貼り合わせることにより、２段構造で少なくとも従来の２倍の厚さのメンブレンを備えると共に微細なパターンを備えた荷電粒子線露光用マスクを作製することができる。

また、それら２枚のシリコンウエハ１００、２００の表面の酸化膜や有機物等の不純物をエッチング等により研削して除去し、下地の純粋なＳｉ原子を露出させ、その面を接触させて物理的にシリコン原子同士を結合させることで、両シリコンウエハ１００、２００の貼り合わせを行うようにしたので、簡易かつ確実に、十分な機械的強度で両シリコンウエハ１００、２００を貼り合せることができる。

また、両シリコンウエハ１００、２００にはそれぞれ、貼り合せに必要なアライメントマーク３、６を形成しておき、このアライメントマーク３、６を赤外線顕微鏡等によって観察することで、高精度なアライメントを実現することが可能となる。

このようにして、本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクおよびその製造方法によれば、微細なマスクパターンの形成を阻害することなく、露光時の蓄熱に起因したメンブレンの歪みや位置ずれ等の発生を抑止ないしは解消することが可能となり、延いては荷電粒子線露光用マスクの信頼性の向上、そして半導体装置のさらなる高密度化、高精度化に寄与することができる。

なお、アライメントマーク３、６としては、バーニヤの主尺、副尺をそれぞれ形成しておくようにすることが、さらに望ましい。このようにすることで、赤外線顕微鏡を使用して位置合わせを行う際にズレ量をバーニヤから直接読み取りながらアライメントを行うことが可能となる。そのようなバーニヤパターンの大きさは、赤外線顕微鏡等で認識できる程度の大きさにし、例えば１μｍ程度のラインアンドスペースの場合、副尺として４０目盛りを形成することが可能な場合、バーニヤとして５０ｎｍ感度のものが達成できる。

また、アライメントマークは、下側のシリコンウエハ１００の表側と上側のシリコンウエハ２００の裏側とに形成してもよく、あるいは下側のシリコンウエハ１００の表側と上側のシリコンウエハ２００の表側とに形成してもよい。

本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの下側に用いられるシリコンウエハ１００を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの上側に用いられるシリコンウエハ２００を示す図である。 基板の表面に微細パターンがそれぞれパターニングされたシリコンウエハを貼り合わせてなる２段構造を示す図である。 貼り合せ装置におけるプリアライメントプロセスを模式的に示す図である。 貼り合せ工程におけるファインアライメントプロセスを模式的に示す図である。 赤外光による透過照明を用いて観察されるシリコンウエハ上のアライメントマークを示す図である。 赤外光を使用したアライメントプロセスを模式的に示す図である。 上側のシリコンウエハの裏側全面をエッチングする工程を示す図である。 下上側のシリコンウエハの裏側をエッチングする工程を示す図である。 主要部が完成した本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクを示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 微細パターン
３ アライメントマーク
４ 基板
５ 微細パターン
６ アライメントマーク
７ 中間酸化膜
８ オリフラ
１１ 赤外用顕微光学系
１２ 赤外用の右側カメラ
１３ 赤外用の左側カメラ
１００ （下側の）シリコンウエハ
２００ （上側の）シリコンウエハ

Claims (9)

1. 半導体装置の製造工程で被露光対象へのパターン転写に用いられる荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、
   前記荷電粒子線露光用マスクの構造を、上側シリコンウエハと下側シリコンウエハとを重ね合わせてなる２段構造とし、
   前記下側シリコンウエハの表側に、転写用パターンを形成する工程と、
   前記上側シリコンウエハの表側に、前記下側シリコンウエハの表側に形成したパターンを左右反転または上下反転させた転写用パターンを形成する工程と、
   前記転写用パターンが形成された上側シリコンウエハの表側と前記転写用パターンが形成された下側シリコンウエハの表側とを、当該両シリコンウエハの転写用パターン同士が合致するように貼り合せて、前記２段構造を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする荷電粒子線露光用マスクの製造方法。
2. 請求項１記載の荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、
   前記下側シリコンウエハの表側と前記上側シリコンウエハの裏側とに、あらかじめアライメントマークをそれぞれ形成しておき、当該アライメントマーク同士の位置合わせをすることで前記両シリコンウエハの転写用パターン同士を合致させる
   ことを特徴とする荷電粒子線露光用マスクの製造方法。
3. 請求項１記載の荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、
   前記下側シリコンウエハの表側と前記上側シリコンウエハの表側とに、あらかじめ前記アライメントマークをそれぞれ形成しておき、当該アライメントマーク同士の位置合わせをすることで前記両シリコンウエハの転写用パターン同士を合致させる
   ことを特徴とする荷電粒子線露光用マスクの製造方法。
4. 請求項２または３記載の荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、
   前記両シリコンウエハの転写用パターン同士を合致させるにあたり、前記上側シリコンウエハの裏側から赤外光を照射して、当該上側シリコンウエハおよび前記下側シリコンウエハを透過して前記下側シリコンウエハの裏側で観察される赤外光に基づいて前記アライメントマーク同士の位置合わせを行う
   ことを特徴とする荷電粒子線露光用マスクの製造方法。
5. 請求項４記載の荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、
   前記アライメントマークとして、バーニヤの主尺、副尺を前記両シリコンウエハの表側にそれぞれ形成しておき、前記位置合わせを行う際の位置ズレ量を直接認識しながらアライメントを行う
   ことを特徴とする荷電粒子線露光用マスクの製造方法。
6. 請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、
   前記下側シリコンウエハの表側と前記上側シリコンウエハの表側との表面を研削して当該両シリコンウエハの表側の表面にシリコン原子を露出させる工程と、
   前記研削の後、前記両シリコンウエハの表側同士を接触させることで、前記両シリコンウエハの表側の表面に露出したシリコン原子同士を結合させて、前記両シリコンウエハ同士を貼り合せる
   ことを特徴とする荷電粒子線露光用マスクの製造方法。
7. 請求項６記載の荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、
   前記両シリコンウエハ同士を貼り合せた後、前記上側シリコンウエハの裏側を所定の厚さに亘ってエッチングする工程を含む
   ことを特徴とする荷電粒子線露光用マスクの製造方法。
8. 請求項６記載の荷電粒子線露光用マスクの製造方法において、
   前記両シリコンウエハ同士を貼り合せた後、前記下側シリコンウエハにおける所定の領域の裏側を所定の厚さに亘ってエッチングしてメンブレンとする工程を含む
   ことを特徴とする荷電粒子線露光用マスクの製造方法。
9. 半導体装置の製造工程で被露光対象へのパターン転写に用いられる荷電粒子線露光用マスクにおいて、
   上側シリコンウエハと下側シリコンウエハとを重ね合わせてなる２段構造を備え、
   前記下側シリコンウエハの表側には転写用パターンが形成され、
   前記上側シリコンウエハの表側には前記下側シリコンウエハの表側に形成したパターンを左右反転または上下反転させた転写用パターンが形成され、
   前記上側シリコンウエハの表側と前記下側シリコンウエハの表側とを、当該両シリコンウエハの転写用パターン同士が合致するように貼り合せて、前記２段構造を形成してなることを特徴とする荷電粒子線露光用マスク。